Fundamentos de las Redes Cristalinas
Los vértices de las redes cristalinas representan las posiciones de equilibrio de los átomos, los cuales permanecen inmóviles a una temperatura de 0 K (-273 °C), donde poseen una energía cinética mínima. Al variar la temperatura, los átomos se desplazan de su posición de equilibrio, describiendo oscilaciones cuya amplitud es proporcional a la energía térmica contenida.
- Dilatación térmica: Al aumentar la temperatura, crece la energía cinética y la amplitud de las oscilaciones atómicas, ocupando mayor espacio. Esto provoca un aumento en las dimensiones de la red cristalina y una disminución de la densidad.
- Fusión: Si la temperatura supera un valor crítico, la amplitud de las oscilaciones es tan grande que los átomos abandonan sus posiciones originales. Este fenómeno explica por qué las modificaciones estructurales durante el calentamiento o enfriamiento conllevan una variación de volumen.
Formación de Cristales
Los cristales inician su formación en centros de cristalización. Su desarrollo regular suele verse limitado por la tensión superficial del líquido, rozamientos internos e interferencias entre cristales adyacentes. Esto resulta en un agregado cristalino compuesto por granos de diversas formas, dimensiones y orientaciones. Cada red cristalina posee características propias y puede, bajo ciertas condiciones, admitir átomos de otros elementos en su estructura.
Procesos Mecánicos y Estructurales
Encrudecimiento y Recocido
El encrudecimiento ocurre cuando las elaboraciones mecánicas en frío (forjado, remachado, recalcado) provocan la rotura y deformación de la red cristalina. El material se vuelve más duro y frágil, acumulando tensiones internas peligrosas. Estas tensiones se eliminan mediante un tratamiento térmico de recocido, que regenera el grano y reconstruye la estructura cristalina.
Cristalización y Solidificación
Los materiales metálicos se obtienen mediante la fusión y solidificación de sus componentes. La cristalización es el proceso donde átomos, iones o moléculas se ordenan para formar una red cristalina. Cuando la energía de los átomos es lo suficientemente baja, las fuerzas de cohesión superan a las de vibración térmica, permitiendo el alineamiento atómico.
Crecimiento Dendrítico y Tamaño de Grano
Durante la solidificación, aparecen gérmenes diseminados que crecen hasta encontrarse con otros, formando los bordes de grano donde los átomos quedan desordenados. La formación depende de:
- El número de gérmenes por unidad de volumen.
- La velocidad de cristalización.
Cuando la cristalización ocurre mediante ramificaciones, se denomina crecimiento dendrítico y a las ramificaciones se les llama dendritas. El tamaño del grano (típicamente entre 0,02 y 0,2 mm) influye directamente en propiedades como la dureza, elasticidad, plasticidad y resistencia al choque.
Deformación y Comportamiento Mecánico
- Deformación elástica: Los átomos se separan de sus posiciones de equilibrio ante esfuerzos pequeños, pero recuperan su forma original al cesar la fuerza.
- Deformación plástica: La fuerza aplicada es suficiente para desplazar los átomos a nuevas posiciones de equilibrio, provocando una deformación permanente.
La acritud es el aumento de dureza y fragilidad tras deformaciones en frío. Este efecto puede revertirse mediante la recristalización, un proceso de calentamiento que genera nuevos granos libres de tensiones.
Polimorfismo y Alotropía
Algunos elementos presentan distintas estructuras cristalinas según la presión y temperatura:
- Isomorfismo: Sustancias de distinta naturaleza con el mismo sistema de cristalización.
- Polimorfismo: Sustancias de la misma naturaleza que cristalizan de formas distintas.
- Alotropía: Estados alotrópicos en elementos puros (ej. el hierro, que presenta estructuras BCC y FCC según su temperatura).
Sistemas Cristalinos y Redes de Bravais
Existen 7 sistemas cristalinos que agrupan las 14 redes de Bravais. Los metales suelen cristalizar en estructuras empaquetadas densamente:
- Cúbica simple: Índice de coordinación 6.
- Cúbica centrada en el cuerpo (BCC): Índice de coordinación 8. Característica de metales duros como el volframio o el hierro α.
- Cúbica centrada en las caras (FCC): Índice de coordinación 12. Posee un máximo empaquetamiento (74%) y es típica de metales dúctiles como el aluminio, la plata y el níquel.