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:
Red cúbica centrada en las caras:
Red hexagonal compacta:
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.
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Figura 1
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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.
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.
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.
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:
- En el metal siempre hay impurezas.
- Las temperaturas de fusión son altas.
- Las velocidades de enfriamiento relativamente altas.
- La transferencia de calor de la masa fundida al medio es
diferente en diferentes direcciones.
- 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.
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