Estructura metales

Estructura interna de los metales.
Septiembre de 2010 Departamento de Tecnología del IES EUROPA 1
Introducción:
● Los metales son los materiales estructurales más usados.
● Es necesario conocer sus propiedades y como ajustarlas para que sirvan para
resolver nuestras necesidades.
La metalurgia estudia la estructura interna de los metales, la forma de modificarla y
la relación que tiene con las propiedades de los metales.
Propiedades de los metales:
●
●
● Alta conductividad térmica y eléctrica.
Considerable resistencia mecánica.
Gran plasticidad, ductilidad y tenacidad.
Elevada maleabilidad
Son reciclables: se pueden fundir y conformar de nuevo.
●
●
●
●

1.- Enlace metálico
●
Involucran fuerzas interatómicas generadas por la compartición de electrones deslocalizados par formar un
enlace fuerte no direccional entre los átomos.
●
Los metales en estado sólido forman una estructura cristalina en la que los átomos se empaquetan tan
cerca unos de otros que los electrones más externos de cada átomo son atraídos por los núcleos de
los átomos adyacentes formándose así una nube electrónica de carga negativa de baja intensidad.
●
Imagen mental: núcleos de iones positivos dispuestos en una red cristalina y electrones de valencia
dispersos en una nube que cubre una gran cantidad de espacio.
– Los electrones de valencia están débilmente unidos a los núcleos de los átomos y pueden
moverse con relativa facilidad.
● Alta conductividad térmica y eléctrica.
Energía de enlace y temperatura de fusión varían mucho:●
–
–
Hg → -39º C
W → 3410º C

2.- Estado cristalino.-
●
Definición: los átomos o iones de un sólido se encuentran ordenados en una disposición que
se repite en las tres dimensiones: una secuencia básica se repite a lo largo de todo el sólido.
– Sólidos cristalinos:
● Metales y aleaciones metálicas.
Algunos materiales cerámicos.
Algunos polímeros.
●
●
●
Las propiedades mecánicas de los metales se explican por la naturaleza cristalina de la
disposición geométrica que adoptan los átomos que los conforman.
●
Estado amorfo: los átomos de los elementos constituyentes del sólido no se encuentran
dispuestos de forma ordenada, sino que se unen entre si de forma aleatoria.
● La mayor parte de los polímeros.
Muchos materiales cerámicos.●
● Nota: a lo largo del tema los átomos o iones se considerarán esferas rígidas.

→
a
4
2.1.- Tipos de estructuras cristalinas.-
●
Cada estructura cristalina tiene asociada una red espacial: conjunto regular y periódico de puntos
reticulares.
– En cada punto de la red se sitúan conjuntos de átomos iguales tanto en composición atómica
como en orientación.
Este grupo de átomos que a modo de molécula se sitúa en cada punto reticular se denomina
base.
–
● Una estructura cristalina está constituida por la suma de la red espacial y la base.
●
El número de redes espaciales posibles no es infinito ya que deben llenar el espacio completamente: sin
dejar huecos.
– Se puede demostrar que existen 7 sistemas cristalinos independientes que dan lugar a 14 redes:
redes de Bravais.
Celda unitaria: cada sistema cristalino queda definido por los parámetros de su celda unitaria.–
Estructura Ejes Ángulos
αβ
γ →
b
→
c
Cúbica a=b=c α=β=γ=90º
Tetragonal a=b≠c α=β=γ=90º
Ortorrómbica a≠b≠c α=β=γ=90º
Exagonal a=b≠c α=β=90º, γ=120º
Romboédrica a=b=c α=β=γ≠90º
Monoclínica a≠b≠c α=γ=90º, β≠90º
Triclínica a≠b≠c α≠β≠γ≠90º

Redes de Bravais.-
Cúbico
Cúbica centrada
en el cuerpo
Cúbica centrada
en las caras.
Tetragonal
simple
Tetragonal centrada en
el cuerpo
Ortorrómbica Ortorrómbica
centrada en las
bases
Ortorrómbica
centrada en el
cuerpo
Ortorrómbica
centrada en las
caras
Hexagonal
Romboédrica
Monoclínica Monoclínica
centrada en las
bases
Triclínica

2.2- Estructuras cristalinas en los
metales.-
● El 90% de los metales cristaliza en alguna de las siguientes redes:
● Cúbica centrada en el cuerpo (BCC)
Cúbica centrada en las caras (FCC)
Hexagonal compacta (HCP)
●
●
BCC
FCC HCP
En el estudio de los diferentes sistemas cristalinos consideraremos lo átomos o
iones como esferas rígidas.

a) Estructura Cúbica Centrada en el Cuerpo
BCC.-
● Los átomos se sitúan en los vértices y el centro del cubo (celda unidad).
● Índice de coordinación: 8 . Cada átomo está rodeado por otros 8 más cercanos
● Nº de átomos correspondientes a cada celda unidad:
● N ≡ nº de átomos en el interior.i
● N ≡ nº de átomos en las caras.c
● N ≡ nº de átomos en los vértices.v
●
Constante reticular: relación entre la longitud, a,de la arista de la celda unidad y el radio, R,de los átomos
que forman la red cristalina.
● Factor de empaquetamiento atómico (FEA):
Relación entre el volumen ocupado por los átomos de la celda
unidad y el volumen total de la celda unidad
N = Ni
2 8
Nc Nv
FEABCC =
Volumendel cubo
=
2⋅ 4 ⋅ R3
Volumenatómico
⋅
3
a3
=0,68
El 68% del volumen de la celda unidad
está ocupado por átomos. El resto es
espacio libre.
Constante reticular
En BCC N=2
a= 4 ⋅R
3

b) Estructura Cúbica Centrada en las Caras
FCC.-
● Índice de coordinación: 12
● Número de átomos por cada celda unidad: N = Ni
2 8
Constante reticular:●
● Factor de empaquetamiento:
N c Nv
En FCC N=4
a= 4 ⋅ R
2
FEAFCC =
Volumendel cubo
=
Volumenatómico
4⋅ 4 ⋅ R3
⋅
3
a3
= 0,74
El 74% del volumen de la celda unidad
está ocupado por átomos. El resto es
espacio libre.

Índice de coordinación de FCC
Plano horizontal perpendicular al papel
Plano vertical perpendicular al papel
Conjunto

c) Estructura Hexagonal Compacta HCP.-
● Índice de coordinación: 12
● Número de átomos por celda: 6
● Constante reticular:
● Factor de empaquetamiento atómico FEA:
N = Ni
2 6
N c N v
a=2⋅ R
FEAHCP=
Volumendel prismaexagonal
=
24⋅R3
⋅ 2
= 0,74
Volumenatómico 8⋅ ⋅ R3
La celda tiene un 74% del espacio
ocupado por átomos

2.3.- Intersticios cristalinos.-
● Intersticios: huecos en el interior de los sólidos cristalinos
● Pueden ser de dos tipos:
● Octaédricos: si están rodados de 6 átomos.
Tetraédricos: si están rodeados de 4 átomos.●
En estos huecos podrán situarse átomos de los elementos que formen aleaciones con los metales. Es
importante conocer su tamaño que se calcula teniendo en cuenta la esfera de mayor tamaño que se puede
insertar en él:
Ri= 0,414⋅ R Nos indica que el tamaño del radio, R , del átomo que podría insertarse en el hueco sin
i
deformarlo es 0,414 veces el tamaño del radio, R, del átomo del metal

Tabla resumen de los tres sistemas cristalinos
estudiados.-
Estructuras cristalinas
Red BCC FCC HCP
Relación a=4⋅R/ 3 a=4⋅R/ 2 a=2⋅R
Índice de coordinación 8 12 12
Átomos por celda 2 4 6
FEA 0,68 0,74 0,74
Huecos Octaédricos R/R = 0,155
i
R/R = 0,414
i
R/R=0,414
Tetraédricos R/R = 0,291
i
R/R = 0,225
i
R/R=0,225

2.4.- Alotropía y polimorfismo.-
● Alotropía:
● Fenómeno característico de algunos
elementos químicos que pueden presentar
diferentes estructuras cristalinas en función
de la presión y de la temperatura.
● El hierro, el titanio y el cobalto presentan
variaciones alotrópicas a elevadas
temperaturas a presión atmosférica.
● Polimorfismo:
● En el caso de que se trate de compuestos
químicos el fenómeno se conoce como
polimorfismo.
• 1539 ºC
• Hierro δ
• BCC
• a=0,293 nm
• 1394 ºC
• Hierro γ
FCC
• a=0,365 nm
• 912ºC
• Hierro α
BCC
• a=0,29 nm
• -273 ºC
• E stados alotr ópicos del hierro.

3.- Defectos en la estructura
cristalina.-
Son fundamentales para entender el comportamiento físico y mecánico de los materiales metálicos.
●
Defectos térmicos: los átomos no están fijos en la posición que les corresponde según la
estructura cristalina, sino que vibran en torno a esos puntos que son su posición de equilibrio.
● Defectos electrónicos: como los que se producen en los cristales de silicio cuando añadimos
impurezas – como el arsénico o el fósforo (pentavalentes) o el aluminio o el boro (trivalentes) –
para convertirlo en un material conductor.
● Defectos atómicos: fallos o alteraciones de la ordenación espacial de la estructura cristalina.
– Son los más importantes desde el punto de vista metalúrgico.
Pueden ser:–
● Puntuales.
Lineales.
Superficiales.
●
●

3.1.- Defectos atómicos puntuales.-
Vacante: puntos de la red
vacíos en los que no se
encuentra átomo alguno.
Este defecto se debe a la
excitación térmica y su
presencia crece con la
temperatura
Átomos intersticiales por inserción:
átomos extraños situados en un punto
que no pertenece a la red. Caso del
carbono en los aceros.
Átomos intersticial por sustitución: átomos
diferente de los que forman la red cristalina que
se sitúan en puntos reticulares.

Difusión:
●
Definición: desplazamiento de los átomos de un sólido cristalino a través de la red cristalina
causado por la agitación térmica.
– Se produce por la diferencia de concentraciones en el interior de un sólido.
El aumento de temperatura favorece la difusión.
El aumento de lugares vacantes favorece la difusión.
Los átomos intersticiales también se difunden a través de la estructura cristalina:
–
–
–
●
Mejor si son de pequeño tamaño en relación con los huecos: así el carbono en el
hierro.
El movimiento de átomos a través de la estructura cristalina regula un gran número de
procesos metalúrgicos:
●
– Tratamientos térmicos.
Tratamientos superficiales.–

3.2.- Defectos atómicos lineales:
dislocaciones.-
●
Se extienden a lo largo de lineas, por lo que involucran a un mayor número de átomos que los defectos
lineales.
● a) Dislocación en cuña
Semiplano extra de átomos
Linea de dislocación
cizalla
Favorece la maquinabilidad:
● Para deformar el material con un esfuerzo de cicalla será necesario que la
dislocación se vaya desplazando; esto supone que el movimiento se
produce a pequeños saltos en los que se rompen y recomponen los enlaces
atómicos cercanos a la linea de dislocación.
Si no existiera la dislocación todos los enlaces atómicos del plano de
deslizamiento deberían romperse al mismo tiempo, lo que supone un
esfuerzo mayor.
●
Esfuerzo de cizalla
cizalla

Defectos atómicos lineales: dislocaciones.-
● Dislocación helicoidal:
●
Producido por un esfuerzo de cizalla a lo
largo de un plano del cristal.
● Se puede entender que tomamos un cilindro
del cristal original al que realizamos un corte
longitudinal y que luego volvemos a unir, de
forma que, los puntos AA' coincidentes
antes del corte, en la nueva unión presentan
un desplazamiento d equivalente a la
distancia interatómica.
● La densidad de las dislocaciones es un
parámetro muy importante en el
comportamiento mecánico de un material:
para que se produzca la deformación será
necesario que exista un gran número de
dislocaciones
L
A
A'
A
A'
d
L

3.6.- Defectos de superficie.-
● Superficie externa:
● Los átomos de la superficie no están rodeados por el mismo número de átomos que los del interior y
por lo tanto poseen un estado de energía superior. Esto hace que los átomos del exterior se ordenen
de forma diferente (reconstrucción).
● Fronteras de grano:
● Los sólidos cristalinos suelen presentarse como un conjunto de pequeños monocristales denominados
granos.
● Los granos se unen entre sí por las fronteras de grano:
– Regiones a lo largo de las cuales se acoplan cristales de orientación diferente.
Existe una energía de frontera de grano que aumenta con el grado de desorientación de los
granos adyacentes.
–
● Zonas más activas químicamente.
Sumideros de impurezas.
Zonas que solidifican más tarde → zonas con menor punto de fusión.
●
●
– Todas estas circunstancias afectan a la resistencia mecánica del material.
●
Las fronteras de grano suponen un obstáculo para las dislocaciones: el afino del grano es un proceso
que confiere resistencia a la deformación en frío a los metales.
● Las fronteras de grano son caminos preferenciales para los procesos de difusión.

Defectos de superficie (2)
● Maclas:
Una región del cristal sufre una cizalla homogénea a lo
largo del un plano (plano de macla) dando lugar a una
estructura especular a un lado y otro del plano de macla.
●
● Defectos de apilamiento:
Un factor que puede considerarse es la forma en que se
ordenan los átomos por capas en cada sistema
cristalográfico:
●
● ABA en HCP
● ABC en BCC
●
Cuando se infringe la secuencia de apilamiento se
produce el defecto de apilamiento.
● Por ejemplo:
● En estructura BCC suprimiendo un plano B dando
lugar a la estructura ABCACAB
● En HCP el defecto equivale a incluir una zona con
estructura CCC → ABABCBCB
Plano de macla
A
B
A

Bibliografía
● Introducción al conocimiento de los materiales.-
– Segundo Barroso Herrero y Joaquín Ibañez Ulargui
– Universidad Nacional de Educación a Distancia: Cuadernos de la UNED.
● Tecnología Industrial 2.-
– José Antonio Fidalgo Fuentes y otros.
Editorial Everest–

Autor
Emilio Erwin Gradolph Cadierno.
Profesor de Tecnología del IES EUROPA.
http://creativecommons.org/licenses/by-nc/3.0/deed.es_CO

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