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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).

Cristal centrado
Cristal centrado en las caras
Cristal hexagonal
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 más 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 más y más 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.

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:
  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.
Dendritas cristalinas
Figura 1



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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