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Año 2011
CRISTALIZACION DE LOS
METALES
Cristalización de los
metales.
INDICE
1. Cristalización de los metales.
2. Proceso de cristalización.
3. Defectos de cristalización.
3.1 Defectos puntiformes.
4. Defectos lineales o dislocaciones.
1.Cristalización
de los metales.
La particularidad fundamental de la
constitución de los metales es la
distribución perfectamente organizada
de sus átomos, característica de todos
los cuerpos cristalinos.
La estructura cristalina es la causa a la
cual deben los metales una serie de sus
propiedades, ausentes en los cuerpos
amorfos.
En un metal siempre se puede destacar
un conjunto mínimo de átomos (cristal
elemental), cuya distribución en el
espacio es semejante y se repite
reiteradas veces. El enlace de tales
conjuntos de átomos forma la red
cristalina o cristal, constituida por
cristales elementales.
La mayoría de los metales tienen
cristales elementales como: cúbico
espacial centrado (figura A), cúbico
centrado en las caras (figura B) y
hexagonal compacto (figura C).
Los metales mas densos, que contienen
la máxima cantidad de átomos en un
mismo volumen, esto es, tienen
distancias ínter-atómicas menores, son
los que tienen cristales elementales
cúbicos centrados en las caras y
hexagonales compactos.
Tienen una red espacial cúbica centrada:
Hierro (por debajo de 910 oC)
Cromo
Volframio
Molibdeno
Tantalio
Niobio
Red cúbica centrada en las caras:
Hierro (por encima de 910 oC)
Cobre
Níquel
Red hexagonal compacta:
Cinc
Magnesio
Otros
2. Proceso de
cristalización.
En los metales y aleaciones líquidas,
calentados considerablemente por
encima de su punto de fusión, los
átomos se agrupan a azar, de modo
irregular y son portadores de elevada
energía y movimiento. A medida que el
líquido se enfría y se acerca al punto de
solidificación, la energía de algunos
átomos puede haber disminuido y con
ello su movilidad dentro de la masa, de
tal forma que pueden ocupar, respecto a
los otros, una posición mas orientada, lo
que se asemeja a su disposición en el
metal sólido.
Una vez alcanzada la temperatura de
solidificación, estos grupos aislados de
átomos pueden haber quedado ya
orientados y enlazados como el cristal
elemental, adquiriendo una estructura
rígida de orientación los unos respecto a
los otros. Los átomos vecinos pueden,
una vez perdida la energía térmica
necesaria, irse agregando al cristal
elemental formado, formando nuevos
cristales elementales unidos y comenzar
dentro de la masa líquida a formar redes
cristalinas en crecimiento. Estos
cristales en crecimiento, cuando
alcanzan cierto tamaño se convierten en
núcleos de cristalización, y a su
alrededor comienza a tejerse la red
cristalina, a medida que mas y mas
átomos van perdiendo energía con el
enfriamiento.
Como la formación de los núcleos de
cristalización puede comenzar
indistintamente en cualquier parte de la
masa líquida, los cristales pueden
comenzar a crecer en múltiples lugares
simultáneamente.
En el proceso de cristalización, mientras
que el líquido circunde al cristal ya
formado y creciente, este va
manteniendo una forma relativamente
correcta, los átomos vecinos se van
enlazando en la posición adecuada y la
red cristalina se incrementa
manteniendo su geometría. Sin embargo
debido a que la transferencia de calor
del material fundido puede ser diferente
en diferentes direcciones; por ejemplo,
mayor hacia las paredes de molde o
recipiente, la red cristalina pueden ir
creciendo en unas direcciónes mas que
en otras por lo que los cristales van
adquiriendo una forma alargada y se
constituyen en los llamados ejes de
cristalización.
A partir de los primeros ejes, en
direcciones perpendiculares tiene lugar
el crecimiento de nuevos ejes. A partir
de estos nuevos ejes, también en
direcciones perpendiculares, crecen
otros ejes, que por su parte dan lugar a
otros etc. Las ramas formadas van
creciendo en dirección de su
engrosamiento y multiplicación
progresivos, lo que conduce a la
interpenetración y formación del cuerpo
sólido.
Este tipo de cristalización, que recuerda
a un cuerpo ramificado, se conoce como
dendrítico, y el cristal formado
dendrita (figura 1).
En el transcurso de su crecimiento
dentro de la masa líquida, los cristales
empiezan a entrar en contacto, lo que
impide la formación de cristales
geométricamente correctos, por
consiguiente, después de la
solidificación completa, la forma
exterior de los cristales formados
adquiere un carácter casual. Tales
cristales se denominan granos y los
cuerpos metálicos, compuestos de un
gran número de granos, se denominan
policristalinos.
Los tamaños de los granos dependen de
la velocidad con que se forman y crecen
los núcleos.
Tanto la velocidad de formación de los
núcleos como la velocidad de su
crecimiento depende en gran grado de la
velocidad de enfriamiento y de la
temperatura de sobrefusión.
A mayor sobrefusión, mayor posibilidad
de que se produzcan las condiciones, en
diferentes zonas del líquido, para el
surgimiento de los núcleos de
cristalización.
Un enfriamiento rápido conduce a la
formación de muchos núcleos y con ello
a un tamaño del grano menor que con
lento enfriamiento.
De esta característica se desprende que
si se pudiera lograr un enfriamiento lo
suficientemente lento, la masa del metal
pudiera estar formada por un pequeño
grupo de granos casi geométricamente
perfectos. Estas condiciones fueron
posibles probablemente en el lento
enfriamiento de las rocas en la corteza
terrestre, y por tal motivo, en ocasiones,
pueden encontrarse en la naturaleza
grandes cristales de exacta geometría
entre las rocas.
3. Defectos de
cristalización.
La estructura de los cristales reales se
diferencia de los citados anteriormente.
En los metales se encuentran impurezas
que influyen sobre el proceso de
cristalización y que deforman la red
espacial del cristal.
3.1 Defectos puntiformes.
En algunos nudos de la red cristalina
debido al contacto entre los cristales en
crecimiento que impide el enlace
correcto, los átomos pueden faltar, y en
consecuencia el cristal elemental queda
deformado. Esos nudos no ocupados por
los átomos se llaman vacancias.
Al contrario, a veces en el cristal
elemental puede encontrarse un átomo
sobrante que queda atrapado en la
solidificación, en este caso tampoco
puede formarse el cristal elemental de
manera correcta. Tales átomos se
llaman átomos intersticiales.
Tanto las vacancias como los átomos
intersticiales y los átomos ajenos se
conocen como defectos puntiformes.
4. Defectos lineales o
dislocaciones.
Cuando se forma un cristal ideal de
determinado metal, la estructura
cristalina; por ejemplo centrada en las
caras, resulta ser la configuración
espacial mas estable a esa temperatura y
por ello, las fuerzas de cohesión entre
los átomos del cristal son las mayores
posibles, el metal puede haber
alcanzado su mayor resistencia
mecánica.
En la práctica, a la hora de elaborar una
pieza metálica desde el material
fundido, las condiciones reales de
cristalización se apartan en mucho de
las ideales, en este caso:
1. En el metal siempre hay
impurezas.
2. Las temperaturas de fusión son
altas.
3. Las velocidades de enfriamiento
relativamente altas.
4. La transferencia de calor de la
masa fundida al medio es
diferente en diferentes
direcciones.
5. Las partes mas cercanas a las
paredes del molde se enfrían a
una velocidad mucho mayor que
las mas interiores.
Cada una de estas condiciones
perturbadoras produce cambios a la red
cristalina y dan lugar a la formación de
los granos (cristales imperfectos). En
los planos de unión de los granos, las
fuerzas de cohesión del material se ven
notablemente disminuidas, allí el enlace
atómico es mas débil ya que no puede
alcanzarse la forma mas estable de
unión atómica.
Hay que agregar a esto, el hecho de que
una parte considerable de las impurezas
se segregan en el material hacia esas
zonas limítrofes de los granos lo que
reduce aun mas su estabilidad.
De esta forma dentro del metal
solidificado se producen zonas de
resistencia y estabilidad reducida, que
comúnmente bordean los granos del
material. Estas zonas se conocen como
dislocaciones.
La presencia de las dislocaciones en la
estructura cristalográfica de los metales
está directamente relacionada con la
capacidad de estos de resistir
deformaciones plásticas sin romperse.
Estas dislocaciones se convierten el
planos de deslizamiento en las zonas
límites de los cristales.
Si se obtuviera un cristal metálico libre
de dislocaciones, entonces la
deformación plástica de tal cristal se
dificultaría, puesto que tendría que
deformarse la estructura atómica muy
estable del cristal que tiene la máxima
resistencia. Probablemente se produciría
la rotura del material al deformarlo una
cantidad significativa como sucede con
materiales altamente cristalinos como el
diamante
.
