Características de las estructuras cristalinas

Resumen Módulo 3

Tema 11: Características de las estructuras cristalinas

Los materiales sólidos tienen como propiedad un orden o empaquetamiento de estos grandes agregados de átomos. En este tema verás cómo las propiedades de deformabilidad y densidad de los materiales dependen en modo importante de la disposición de los átomos.

De acuerdo a la disposición de los átomos un material sólido puede ser cristalino o amorfo (no cristalino).

Un material cristalino se da si “existe una disposición regular de los átomos que da por resultado un patrón que se repite en tres dimensiones” (Mangonon, 2001). Como se ve en la siguiente figura, un material amorfo o no cristalino es entonces aquel en que no existe patrón alguno.

Celdilla unidad

Los átomos se ordenan en la red cristalina con ciertos patrones que se repiten en el espacio tridimensional. Si divides esta red en pequeñas unidades obtienes lo que se llama celdilla unidad.

Estructuras cristalinas de los metales.

Las estructuras cristalinas de los metales tienen un gran número de átomos vecinos y densamente empaquetados.

Existen dos características importantes en una estructura cristalina:

Número de coordinación: es el número de átomos vecinos con los que cada átomo del metal está en contacto en la celdilla.

Factor de empaquetamiento (FEA): esta característica “es la fracción de volumen de las esferas rígidas en una celdilla unidad en el modelo atómico de las esferas rígidas”

[pic 1]

Casi todos los metales se cristalizan con las estructuras: cúbica centrada en las caras, cúbica centrada en el cuerpo y hexagonal compacta.

a. Estructura cúbica centrada en las caras (FCC)

Esta estructura “exige que muchos átomos tengan una celdilla unidad de geometría cúbica, con los átomos localizados en los vértices del cubo y en los centros de todas las caras del cubo” (Callister, 2002).

Materiales que presentan esta estructura: aluminio, cobre, oro, plomo, níquel, platino y plata.

Número de coordinación: 12.
Factor de empaquetamiento: 0.74.

Se puede calcular la longitud de la arista del cubo a y el radio atómico R mediante la fórmula:

[pic 2]

b. Estructura cúbica centrada en el cuerpo (BCC)

“Es una celdilla unidad cúbica que tiene átomos localizados en los ocho vértices y un átomo en el centro” (Callister, 2002)

c. Estructura hexagonal compacta (HC)
De acuerdo a Callister (2007), sea cual sea la estructura cristalina de un metal, es posible encontrar la densidad mediante la relación:

[pic 3]

Donde:
n = Número de átomos asociados a cada celdilla unidad
A = Peso atómico
Vc= Volumen de la celdilla unidad
NA= Número de Avogadro (6.023x1023 átomos/mol)

Existen algunos materiales que tienen varias estructuras cristalinas; se dice que estos materiales tienen la propiedad del polimorfismo.

La celdilla unitaria puede presentar diversas dimensiones (a, b y c) en sus caras y diferentes ángulos entre aristas (a, b y g) llamados parámetros de red, y que solamente se pueden combinar de siete maneras para llenar un espacio tridimensional.

De acuerdo a Shackelford (1995) se deben también considerar cómo los átomos, vistos como esfera dura, pueden agruparse dentro de una celda unitaria específica. Para lograr lo anterior se considera un arreglo tridimensional de puntos de retícula en lugar de átomos reales o esferas, lo cual da un número limitado de posibilidades que se conocen como los catorce retículos de Bravais.

El agrupamiento periódico de las celdillas unitarias “genera una red espacial de puntos (puntos reticulares), que son arreglos con idénticos entornos en el espacio tridimensional. Lo retículos son esqueletos bajo los cuales se construyen las estructura del cristal, colocando los átomos o grupos de átomos en, o cerca de, los puntos reticulares” (Shackelford, 1995).

Direcciones y planos cristalográficos

Los planos y las direcciones cristalográficas se especifican mediante índices que se obtienen del eje coordenado (x, y, z) que se utiliza en el vértice de las celdillas unidad, no siendo necesariamente perpendiculares los ejes, ya que siguen a las aristas de las celdillas unidad.

La determinación de índices se fundamenta en un sistema de ejes coordenados definidos por la celdilla unidad para la estructura cristalina particular, y se realiza con los siguientes pasos:

1. Trazar un vector de longitud conveniente.
2. Se determina la longitud de las proyecciones de este vector en cada uno de los ejes.
3. Los tres índices, que representan las proyecciones, se encierran en un corchete sin separación.

Como puede verse en la siguiente figura “los índices de la dirección se calculan en función de las proyecciones del vector en cada uno de los ejes de coordenadas” (Callister, 2007).

Tema 12: Diagrama de fase isomorfo y de fase eutéctico

de la composición del material que se deseaba, un diagrama de fases dio la pauta de su modo de elaboración.

Los diagramas de fases concentran la información de un cierto material; para poder leerlos es importante conocer algunos conceptos de tecnología de materiales:

Componente: es un metal o compuesto que forma parte de una aleación.

Límite de solubilidad: se da en las aleaciones para cierta temperatura específica, y es esa “concentración máxima de átomos de soluto que se disuelven para formar una disolución sólida” (Callister, 2007).

Fase: es “una porción homogénea de un sistema que tiene características físicas y químicas uniformes” (Callister, 2007).

Equilibrio en un sistema: se da si la energía libre es mínima. La energía libre es la energía interna que depende de la entropía o del grado de desorden de las moléculas del material. Un sistema estará en equilibrio si las características no cambian con el tiempo, lo cual denota estabilidad. El equilibrio de las fases se dará si existe equilibrio en un sistema de más de una fase.

...