Policristales Y Monocristales

Policristales y Monocristales.

Solidificación, Recristalización y Metalografía

Supongamos que le sacamos calor a un líquido no demasiado rápido, para así formar un sólido cristalino. Por simplicidad consideremos un elemento o una molécula pura (Cu, Pb, parafina, agua, etc). Al retirar calor al líquido, éste se transforma en un cristal por un mecanismo de nucleación y crecimiento que veremos a continuación. De hecho, con las limitaciones arriba impuestas esta solidificación ocurre a temperatura casi constante.

Al llegar a la temperatura de transformación y seguir sacando calor, primero aparecen unos pequeñísimos cristalitos que se llaman gérmenes. Los gérmenes más pequeños abortan, pero los de mayor tamaño sobreviven, por razones termodinámicas que no es del caso tratar aquí. Los gérmenes que sobreviven se llaman núcleos. En general, aparecen muchos núcleos en un líquido. Aunque todos los núcleos tienen la misma celda cristalina (por ser todos de Cu, por ejemplo), la orientación de los cristales de estos núcleos inmersos en el líquido es al azar. Al seguir sacando calor, estos núcleos crecen a expensas del líquido, hasta que se acaba el líquido. Por lo tanto, la solidificación es un proceso de nucleación y crecimiento. Al seguir sacando calor, ahora el sólido se sigue enfriando.

Así, cada núcleo da lugar a un grano cristalino. Como en general hay muchos núcleos en el líquido original, normalmente el sólido obtenido es un policristal; esto es, un material de muchos granos. Los granos son 3D y están unidos entre sí por superficies llamadas bordes de grano. Los bordes de granos son zonas de ajuste entre dos granos vecinos donde hay átomos en posiciones de compromiso. En los metales, donde el enlace es no direccional, estos bordes de grano son, bajo condiciones habituales, más resistentes a la deformación plástica y a la fractura que el interior de los granos. (Sin embargo, los bordes de grano podrían debilitarse si hubiese segregación (migración preferencial) a los bordes de grano de una impureza dañina, como lo es el caso del Pb en aleaciones de Cu. En ese caso el Cu y sus aleaciones podrían romperse fácilmente por los bordes de grano).

Cuando en un material hay un solo grano, se dice que se tiene un monocristal. Ese es el caso de una joya de diamante. Los monocristales tienen muchas aplicaciones en eléctrónica e instrumentación; además de en estudios científicos, pues para entender bien el comportamiento de un policristal es necesario saber como se comporta el monocristal respectivo. Los materiales estructurales metálicos (vigas, barras, etc), frecuentemente son policristalinos.

Un monocristal o bien un grano (de un policristal) es anisótropo. Esto es, sus propiedades dependen de la dirección según la cual ellas son medidas. Por ejemplo, en un monocristal de Cu (CCC), el módulo de Young (o la susceptibilidad magnética, etc.) adopta valores diferentes según si se trate de la dirección cristalina {001} o bien {110}. Cuando las propiedades no dependen de la dirección, se dice que se tiene isotropía.

En un policristal, no todos los granos tienen el mismo tamaño. Siempre hay una distribución de tamaños; frecuentemente a esta distribución se le asocia su valor medio, para describirla.

Como resultado de la solidificación industrial de un metal en una lingotera, se obtiene una gran heterogeneidad en términos de forma, orientación y tamaño de los granos; mucho de estos granos además son grandes. Desde el punto de vista de las propiedades mecánicas esto no es deseable; se prefiere un tamaño de grano fino y homogéneo. Que el material tenga una estructura (de granos, o de lo que sea) heterogénea significará que sus propiedades, dependientes

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