Presentación referente a las estructuras (cristalinas) en los Materiales Metálicos.

1. Estructura Cristalina de
los Metales
Fundamentos de Soldadura

2. Introducción
Dentro del universo de los materiales de la Ingeniería, los
metales ocupan un lugar preponderante. En nuestra región,
la Industria Metal-Mecánica es una de las más vigorosas y de
mayor importancia económica. Como parte de la formación,
es deseable que el ingeniero actual posea el conocimiento
de la estructura de los metales que le permita explicarse sus
propiedades y comportamiento en las aplicaciones
específicas.

3. Propósito
El propósito de ésta presentación es discutir la estructura
cristalina de los metales y cómo ésta determina algunas de
las propiedades más relevantes.

4. ¿Qué es un metal?
La ciencia de materiales define un metal como un material
en el que existe un solapamiento entre la banda de valencia
y la banda de conducción en su estructura electrónica
(enlace metálico). Esto le da la capacidad de conducir
fácilmente el calor y la electricidad (tal como el cobre) y
generalmente la capacidad de reflejar la luz, lo que le da su
peculiar brillo.

5. El concepto de metal se refiere tanto a elementos puros,
así como aleaciones con características metálicas, como el
acero y el bronce. Los metales comprenden la mayor parte
de la tabla periódica de los elementos y se separan de los
no metales por una línea diagonal entre el boro y el
polonio. En comparación con los no metales tienen baja
electronegatividad y baja energía de ionización, por lo que
es más fácil que los metales cedan electrones y más difícil
que los ganen.
En astrofísica se llama metal a todo elemento más pesado
que el helio. Se obtiene a partir de los minerales que
contienen menas metálicas.

6. Arreglos Atómicos
Los metales, como todos los
elementos químicos, están
formados por átomos. Para muchos
propósitos es útil considerar éstos
átomos como esferas rígidas. Así
podremos hablar del tamaño de los
diferentes elementos por su radio
atómico. Los tamaños de los
átomos se miden en unidades de
Angstrom (1 Angstrom = 10^-8 cm).
Un centímetro contiene 100
millones de Angstroms.

7. En la siguiente figura se presentan los
tamaños relativos de algunos átomos:
 Hierro (1.24 A)
 Níquel (1.25)
 Oxígeno (0.6 A)
 Carbono (0.71)
 Nitrógeno (0.71)
 Helio (0.46)
En metalurgia siempre es importante
tener presente los tamaños relativos
de los componentes en una aleación.

8. En los materiales en estado líquido, los átomos se encuentran
en movimiento aleatorio (no guardan posiciones fijas). Cuando
los materiales se solidifican al ser enfriados, dicho movimiento
cesa. En estado sólido los átomos pueden adquirir un
ordenamiento definido tridimensional: en tal caso se dice que
se tiene una Estructura Cristalina.
Por el contrario, algunos materiales no presentan tal
ordenamiento (al solidificarse), se dice que son materiales
Amorfos. Todos los metales forman cristales en estado sólido.
Aún así, algunos materiales pueden ser amorfos o cristalinos,
según como son enfriados.

9. Metales Cristalinos
En un metal de éste tipo, los
átomos se agrupan dentro del
mismo formando arreglos
regulares, ordenados,
repetitivos y periódicos. Forman
estructuras tridimensionales.
A su vez, éstos grupos de átomos
pueden ordenarse para formar
planos que poseen distintos
arreglos geométricos: Planos
Compactos y Planos No
Compactos.

10. Los solidos cristalinos adoptan alguna (o algunas) de las
14 estructuras posibles. En la figura siguiente se
muestran éstas estructuras, denominadas Redes de
Bravais.

11. Afortunadamente, salvo algunas excepciones, los metales
cristalizan en sólo 3 estructuras: la estructura cúbica
centrada en el cuerpo (bcc), la estructura cúbica
centrada en las caras (fcc), y la estructura hexagonal
compacta (hcp).
Éstas estructuras tienen la característica de ser muy
compactas; permiten aprovechar eficientemente el
espacio dejando pocos huecos. En las estructuras FCC y
HCP, el 74% del espacio está ocupado por átomos y el
resto (26%) es espacio vacío. En la estructura BCC ésta
eficiencia o “factor de empaquetamiento” es de 68% (con
el restante de espacio vacío). Las estructuras FCC y HCP
son más densas o compactas que la BCC (naturalmente
hablando en metales puros).

12. Ejemplos de las estructuras…
Es útil tener ejemplos de las estructuras en base a los
materiales conocidos. En general, los materiales más
dúctiles son de estructura FCC; el oro, plata, cobre,
aluminio, níquel… entre otros, adoptan ésta estructura.
Por otro lado, el Hierro a baja temperatura, y el Tungsteno
(W) adoptan la estructura BCC, mientras que el Zinc y el
Titanio son ejemplos de metales con estructura HCP.

13. El Hierro Puro puede adoptar dos estructuras
diferentes, dependiendo de la temperatura a la
cual esté sometido. A temperatura ambiente y
hasta los 910°C posee estructura BCC; arriba de
los 910°C y hasta 1394°C adopta estructura
FCC, y de entre los 1394°C a los 1538°C vuelve
a tomar la forma BCC. Al pasar los 1538°C (la
temperatura de fusión del Hierro), el material
pierde su estructura cristalina al pasar al estado
líquido.
Se dice que el Hierro es “polimórfico” o
“alotrópico” por adoptar diferentes estructuras
cristalinas.

14. Al Hierro BCC de baja
temperatura se le llama Hierro
alfa o “ferrita”; a temperatura
ambiente es Hierro Magnético.
Al hierro con estructura FCC se
le llama Hierro gamma o
“austenita”, mientras que al
hierro BCC de alta temperatura
es nombrado Hierro delta.
Cada una de éstas formas es
llamada FASE.

15. En la figura 5 se ilustran los detalles de las estructuras BCC y FCC,
nótese que en ellas existen huecos que pudieran ser ocupados por
átomos de menor tamaño.

16. Defectos Cristalinos
El arreglo de los materiales cristalinos no es perfecto. Un
lugar que debería estar ocupado por un átomo a veces está
vacío: éste defecto recibe el nombre de Vacancia.
Otro de los defectos comunes es el de impureza
sustitucional, que es aquel que ocurre en metales aleados:
un lugar que normalmente está ocupado por el metal
huésped puede ser ocupado por otro átomo de radio atómico
similar.

17. Cuando los átomos de impureza
son considerablemente más
pequeños que los átomos del
metal huésped, pueden alojarse
en los huecos o intersticios de la
red cristalina; éste defecto se
conoce como átomo de impureza
intersticial.

18. Dislocaciones
También, dentro de los metales
cristalinos, existen éstos defectos,
llamados dislocaciones. Son un
defecto en el ordenamiento de los
átomos que se manifiesta como
líneas. En la siguiente figura se
muestra una dislocación de borde.

19. En ésta figura se muestra
el aspecto que presentan
las dislocaciones al ser
observadas mediante un
microscopio electrónico de
transmisión

20. Las dislocaciones son responsables de la ductilidad de los
metales. La línea de dislocaciones puede deslizarse sobre
planos cristalinos de la estructura cuando se aplica un
esfuerzo a los metales, produciendo una deformación
plástica.
Las dislocaciones existen en gran número, y se generan
durante el proceso de solidificación. Para entenderlo más
fácilmente, una muestra de acero recocido de 1 cm3 de
volumen contiene típicamente cerca de 1 millón de
dislocaciones, mientras que en un acero laminado en frio
la cantidad de dislocaciones puede ser millones de veces
más elevada.

21. Se sabe que un metal recocido es suave y de baja resistencia
mecánica, esto debido a la moderada cantidad de
dislocaciones que contiene y que son relativamente libres de
moverse bajo la acción de esfuerzos menores. Cuando el
metal es deformado en frio su dureza y resistencia
aumentan, debido a que las dislocaciones experimentan
mayor dificultad para deslizarse y sólo lo hacen en
cantidades limitadas bajo esfuerzos muy elevados.

22. ¿Un metal sin Dislocaciones?
Con el avance tecnológico actual, los metalurgistas se han
planteado el problema de calcular la resistencia de los
metales en condiciones libres de defectos (sin
dislocaciones). El resultado indica que un metal libre de
dislocaciones sólo pueden deformarse o romperse bajo
esfuerzos que son del orden de cien a mil veces superiores a
los valores de resistencia reales encontrados en metales
procesados convencionalmente.
Bajo situaciones controladas, se ha logrado producir
muestras de tamaños limitados de metales con un numero
muy reducido de dislocaciones y que presentan resistencias
cercanas a las teóricas.

23. Conclusiones:
1. Las estructuras cristalinas que adoptan en su mayoría los
materiales metálicos, así como las imperfecciones en los
arreglos que se forman en los mismos, determinan en
buena medida muchos de las propiedades más
relevantes. Como ejemplo de esto, los defectos llamados
dislocaciones son los responsables de la ductilidad de los
metales.
2. En una aleación, los elementos aleantes pueden existir
como átomos aislados alojados en la red cristalina, ya
sea intersticiales o sustitucionales.

24. 3. El conocimiento de la estructura cristalina
de los metales permite comprender mejor
sus propiedades y su desempeño práctico
dentro de las aplicaciones de la Ingeniería
Metal-Mecánica.