Capitulo 2

CAPITULO 2: ESTRUCTURA CRISTALINA Y AMORFA ING. FELIX GABRIEL ORELLANA SANCHEZ

Los sólidos pueden clasificarse en dos amplias categorías: cristalinos y amorfos. Los sólidos cristalinos, debido a la estructura ordenada de sus átomos, moléculas o iones tienen formas bien definidas. Los metales son cristalinos y están compuestos por cristales o granos bien definidos. Los granos son pequeños y no son observables claramente dada la naturaleza opaca de los metales.

En los minerales, principalmente de naturaleza translúcida a transparente, las formas cristalinas bien definidas se pueden observar con claridad. Las siguientes imágenes muestran la naturaleza cristalina de los minerales como a) celestita (SrSO4) de color azul celeste, b) pirita (FeS2), también llamada el “oro de los tontos” por su color amarillo dorado, c) amatista (SiO2), una variedad púrpura del cuarzo y d) halita (NaCl), mejor conocida como sal de roca. En contraste, los sólidos amorfos presentan un orden pobre o de corto alcance y no se identifican ni con la simetría ni la regularidad de los sólidos cristalinos.

2.1 LAS REDES ESPACIALES Y LA CELDA UNITARIA La estructura física de los materiales sólidos de importancia en ingeniería depende principalmente del ordenamiento de los átomos, iones o moléculas que constituyen el sólido, y de las fuerzas de enlace entre ellos. Si los átomos o iones de un sólido están ordenados de acuerdo con un patrón que se repite en el espacio, forman un sólido que tiene un orden de largo alcance (OLA) al cual se le llama sólido cristalino o material cristalino.

2.2 SISTEMAS CRISTALINOS Y REDES DE BRAVAIS Asignando los valores específicos para las longitudes axiales y ángulos interaxiales, se pueden construir celdas unitarias de diferentes tipos. Los cristalógrafos han demostrado que tan sólo se necesitan siete tipos diferentes de celdas unitarias para crear todas las redes. Estos sistemas cristalinos se detallan en la tabla adjunta Muchos de los siete sistemas cristalinos tienen variaciones de la celda unitaria básica. A. J. Bravais1 demostró que con 14 celdas unitarias estándar se pueden describir todas las redes posibles. Estas redes de Bravais se presentan en la figura Existen cuatro tipos básicos de celdas unitarias: 1) sencilla, 2) centrada en el cuerpo, 3) centrada en las caras y 4) centrada en las bases.

2.3 PRINCIPALES ESTRUCTURAS CRISTALINAS METÁLICAS En este capítulo se expondrán con detalle las principales estructuras cristalinas de los metales puros. En el capítulo 10 se tratarán las principales estructuras cristalinas iónicas y covalentes que se presentan en los materiales cerámicos. La mayoría de los metales puros (aproximadamente 90%) cristalizan al solidificar en tres estructuras cristalinas compactas: cúbica centrada en el cuerpo ( BBC ) (figura a), cúbica centrada en las caras ( FCC ) (figura b) y hexagonal compacta ( HCP ) (figura c).

2.4 POLIMORFISMO O ALOTROPÍA Muchos elementos y compuestos existen en más de una forma cristalina en diferentes condiciones de temperatura y presión. Este fenómeno se llama polimorfismo o alotropía.

Muchos metales de importancia industrial como el hierro, titanio y cobalto sufren transformaciones alotrópicas a temperaturas elevadas a presión atmosférica. recoge algunos metales seleccionados que presentan transformaciones alotrópicas y muestra los cambios de estructura que tienen lugar.

El hierro se presenta en estructuras cristalina BCC y FCC en el rango de temperatura que va desde la temperatura ambiente hasta la temperatura de fusión a 1 539°C, que se muestra en la figura. El hierro alfa existe desde −273 hasta 912°C y tiene una estructura cristalina BCC. El hierro gamma existe desde 912 hasta 1 394°C y tiene una estructura cristalina FCC. El hierro delta existe desde 1 394 hasta 1 539°C, que es la temperatura de fusión del hierro.

La estructura cristalina del hierro es también BCC pero con una constante de red mayor que la del hierro .

2.5 ANÁLISIS DE LAS ESTRUCTURAS CRISTALINAS El conocimiento actual de las estructuras cristalinas se ha obtenido principalmente por la técnica de difracción de rayos X que utiliza radiación de aproximadamente la misma longitud de onda que la distancia entre los planos de la red cristalina. Sin embargo, antes de exponer de qué forma los rayos X son difractados por los cristales, se debe considerar cómo se obtienen los rayos X para aplicaciones experimentales.

DIAGRAMA ESQUEMÁTICO DE LA SECCIÓN TRANSVERSAL DE UN TUBO DE RAYOS X DE FILAMENTO SELLADO.

2.6 MATERIALES AMORFOS Como se expuso anteriormente, algunos materiales se denominan amorfos o no cristalinos porque carecen de ordenamiento de largo alcance en su estructura atómica. Debe subrayarse que, en general, los materiales tienen una tendencia a alcanzar un estado cristalino debido a que es el estado más estable y corresponde al menor nivel de energía. Sin embargo, los átomos de los materiales amorfos están enlazados de manera desordenada debido a factores que inhiben la formación de un ordenamiento periódico

Esquema que muestra diversos grados de orden en los materiales: a)orden de largo alcance en sílice cristalino, b) vidrio de sílice sin orden delargo alcance y c) estructura amorfa en los polímeros.

Los polímeros, vidrios y algunos metales, en su mayoría son miembros de la clase de materiales amorfos. En polímeros, los enlaces secundarios entre las moléculas no permiten la formación de cadenas paralelas y muy empaquetadas durante la solidificación. Como resultado de ello, los polímeros, como el cloruro de polivinilo, constan de cadenas moleculares largas y torcidas que se entrelazan para formar un sólido de estructura amorfa.

En algunos polímeros, como el polietileno, las moléculas están empaquetadas más eficaz y estrechamente en algunas regiones del material para producir un mayor grado de ordenamiento a gran distancia en determinadas regiones. Como resultado de ello, estos polímeros suelen clasificarse como semicristalinos

Además de los polímeros y los vidrios, algunos metales tienen también la capacidad para formar estructuras amorfas (vidrio metálico) en condiciones estrictas y a menudo difíciles de cumplir. A diferencia de los vidrios, los metales contienen bloques móviles muy pequeños cuando están fundidos. Como resultado de ello, es difícil impedir que los metales cristalicen. Sin embargo, aleaciones como una de 78%-Fe-9% Si-13% B, que contienen un alto porcentaje de semimetales,