Clasificación y Estructura de Materiales Tecnológicos
Los materiales tecnológicos se clasifican normalmente en categorías basadas en sus características físicas, mecánicas, químicas, etc., obteniéndose los siguientes grupos principales:
- Metales: Se subdividen en ferrosos y no ferrosos.
- Cerámicos: Contienen elementos metálicos y no metálicos. Se clasifican en:
- Vidrios y vitrocerámicas
- Productos de arcilla
- Refractarios
- Abrasivos
- Cementos
- Polímeros: Incluyen termoplásticos, termoestables y elastómeros.
- Compuestos: Están formados por más de dos materiales, resultando en un material con propiedades que no poseen ninguno de sus componentes individuales. Se han logrado mezclas de metales, polímeros y cerámicos.
Estructura Cristalina y Niveles de Organización
La estructura cristalina es la forma sólida en que se ordenan y empaquetan los átomos, moléculas o iones.
La estructura puede considerarse en diferentes niveles. En la mayor parte de los materiales se presenta más de una fase, teniendo cada una de ellas su arreglo atómico y propiedades únicas.
Propiedades y Procesamiento
Las propiedades se pueden considerar en dos categorías principales:
- Mecánicas
- Físicas
El procesamiento de los materiales produce la forma deseada de un componente a partir de un material inicialmente sin forma.
Conceptos Fundamentales de la Estructura Cristalina
La Celda Unitaria
UNA CELDA UNITARIA: Es el menor grupo de átomos representativo de una determinada estructura cristalina.
Parámetro de red: Son las longitudes de los lados de las celdas unitarias y los ángulos entre estos lados.
Sistemas Cristalinos de Bravais
Existen 7 sistemas cristalinos de Bravais:
- Cúbico
- Tetragonal
- Ortorrómbico
- Romboédrico o trigonal
- Hexagonal
- Monoclínico
- Triclínico
Materiales Monocristalinos vs. Policristalinos
Materiales Monocristalinos: Constituidos por un solo tipo de red cristalina. Son sistemas homogéneos de grano único, sin discontinuidades. Presentan alta resistencia y baja capacidad de deformación.
Materiales Policristalinos: Tienen más de un tipo de ordenamiento o estructura cristalina. Cada una de estas estructuras se llama grano. Estos granos se ordenan de forma regular. Durante la solidificación hay competencia entre los cristales para ocupar el mayor espacio posible. Los extremos de los cristales interaccionan entre sí produciendo discontinuidades: límites de grano.
Índices de Miller
Índices de Miller: Notación utilizada para identificar direcciones y planos en un cristal. La ventaja de su uso reside en que, sobre todo en los sistemas cúbicos, resulta fácil evidenciar las simetrías del cristal.
Difracción de Rayos X
DIFRACCIÓN DE RAYOS X: Los rayos X son ondas de luz con longitud de onda muy corta, de tan solo algunos ángstroms. Como esta longitud es comparable a la distancia interatómica en el cristal, los rayos X se difractan fácilmente, por lo que esta propiedad puede emplearse para estudiar el ordenamiento de los átomos y las distancias que los separan. La longitud de onda de los rayos X se puede medir de manera independiente registrando la difracción que les produce una rejilla graduada.
Defectos Cristalinos en Materiales
Un defecto cristalino es una interrupción de la periodicidad de un lattice (red) que descompone al cristal. Este defecto se puede crear durante la cristalización, cuando hay un desempalme en la orientación cristalográfica, y en la deformación de los cristales de un material tecnológico sólido, cuando estén sujetos a esfuerzos que cambien su forma permanente.
Defectos Lineales (Dislocaciones)
Los defectos lineales, que son unidimensionales, se denominan también dislocaciones y dan lugar a una distorsión en la red centrada alrededor de una línea imaginaria. Una dislocación se puede entender como la línea frontera que une en el interior de un cristal los puntos atómicos con posición anormal.
Tipos de Dislocaciones
- Dislocación de Borde: Consiste en la eliminación o la introducción de una «hilera de átomos» en el lattice del cristal. Los átomos adicionales se ubican dentro de un plano específico en el cristal que se conoce como plano de deslizamiento.
- Dislocación de Tornillo: Este defecto de los materiales cristalinos difiere del tipo borde porque el «desplazamiento de los átomos es paralelo a la línea de dislocaciones» y no perpendicular a ella.
Defectos Puntuales
El defecto puntual es un defecto cristalino que involucra uno o algunos átomos. Estos defectos se clasifican en:
- Defecto vacante: Sitio vacío en la red.
- Defecto Schottky: Vacante de un par iónico.
- Defecto Frenkel: Desplazamiento de un ion o átomo (vacante intersticio combinado).
Defectos de Superficie
Los defectos de superficie son las fronteras o planos que separan un material en regiones de la misma estructura cristalina pero con orientaciones cristalográficas distintas. Varias son las imperfecciones cristalinas y dimensiones de la superficie; estas características se clasifican en: fronteras de grano, fronteras de interfase, fronteras de dominio, fallas de apilamiento, fronteras gemelas.
Factores que Controlan el Deslizamiento
Límite de Grano y Tamaño de Grano
LÍMITE DE GRANO: Es un defecto superficial que separa cristales (granos) de diferentes orientaciones en un agregado policristalino.
TAMAÑO DE GRANO: El tamaño de grano de un material se refiere a las características microestructurales de una fase. Los granos difieren uno del otro en su orientación cristalográfica.