MATERIALES METÁLICOS

 

La ciencia de materiales define un metal como un material en el que existe un solape entre la banda de valencia y la banda de conducción en su estructura electrónica (enlace metálico). Esto le confiere la capacidad de conducir fácilmente calor y electricidad, y generalmente la capacidad de reflejar la luz (alta reflectancia), lo que le da su peculiar brillo. En ausencia de una estructura electrónica conocida, se usa el término para describir el comportamiento de aquellos materiales en los que, en ciertos rangos de presión y temperatura, la conductividad eléctrica disminuye al elevar la temperatura, en contraste con los semiconductores.

Los metales no son cuerpos amorfos sino cristalinos, es decir, sus átomos están dispuestos en un espacio de acuerdo con un orden geométrico determinado que se repite con determinada regularidad formando una red cristalina. Esta red podemos figurárnosla en forma de una red espacial en cuyos nodos se encuentran los átomos unidos por líneas imaginarias, en otras palabras, es el conjunto de planos cristalográficos situados paralelamente y a una misma distancia.

1.       ESTRUCTURAS CRISTALINAS DE LOS METALES

Aunque son catorce las estructuras, la mayoría de los elementos metálicos cristalizan siguiendo únicamente tres tipos de estructuras. Estas son cúbica centrada en el interior (CCI), cúbica centrada en las caras (CCC) y hexagonal compacta (HC), que se forme un tipo u otro de estructura va a depender del tipo de apilamiento. Por ejemplo, el cromo, el molibdeno, el wolframio, el vanadio o el tántalo adoptan una estructura de tipo CCI. Otros muchos metales, como el níquel, la plata, el cobre, el platino, el aluminio o el plomo, adoptan una estructura CCC. Y otros muchos cristalizan siguiendo el patrón HC, como el magnesio, el cobalto, el zinc, el cadmio o el berilio.

No existe diferencia entre los distintos átomos de cada estructura, solo depende de donde se toma el origen de coordenadas.

CCI, CCC: un nudo de la red ▬► 1 átomo

HC: un nudo de la red ▬► 2 átomo

Además, dependiendo de la presión y de la temperatura, un mismo elemento puede adoptar más de una estructura cristalina. Por ejemplo, el hierro puro tiene estructura CCI a temperatura ambiente, cambia a CCC a 912ºC, y vuelve a cambiar a CCI a la temperatura de 1326ºC. La posibilidad de adopción de diferentes formas cristalinas es un fenómeno que, genéricamente, se denomina polimorfismo (alotropía, si se trata de un elemento puro)

Celdilla elemental: Es el conjunto menor de átomos que conservan las mismas propiedades geométricas de la red y que al repetirse muchas veces en el espacio constituirán la red cristalina.

 

2.       UN NUEVO ENFORQUE: APILAMIENTOS DE PLANOS

Como ya se ha mencionado, que se forme un tipo u otro de estructura dependerá del tipo de apilamiento, lo cual indica que existen diferentes formas de apilar los átomos.

Suponiendo que los átomos son esferas perfectas e idénticas, se pueden ordenar de diferentes formas, dando lugar a tres tipos de apilamientos que se van a designar como apilamiento tipo I, II y III, en función de la compacidad de los átomos.

El designado como tipo II es más denso que el designado como tipo I; a su vez, el tipo III es más denso que el tipo II, de hecho, no es posible, partiendo de esferas todas idénticas, construir un plano con una concentración atómica superficial superior a la del plano tipo III. Por esta razón a los planos de tipo III se los denomina planos de máxima fracción de empaquetamiento.

 A la vista de las disposiciones atómicas características de los distintos planos ordenados, resulta fácil aceptar que apilando planos del tipo I (cuadrados) pueda surgir la estructura CS, e igualmente, que mediante el apilamiento de planos de tipo III (hexagonales) surja la estructura HC. Pero lo que no resulta tan obvio es que mediante el apilamiento de planos del tipo II (rectangulares) pueda surgir la estructura cúbica CCI, y menos aún, que del apilamiento de planos del tipo III (hexagonales) surja una estructura cúbica como la CCC. Y, sin embargo, esto es lo que ocurre.

3.       CARACTERÍTICAS DE UNA ESTRUCTURA CRISTALINA

Existen una serie de parámetros que dan idea de la compacidad de la agrupación y condicionan algunos comportamientos, por ello se definen algunos conceptos generales.

Parámetro de red. Los parámetros de red son los que caracterizan una agrupación espacial particular. Estos parámetros reticulares definen el tamaño y la forma de la celdilla. Dependiendo de la red, esta quedara definida por las dimensiones de los lados (a, b, c), y a veces, también hará falta definir en algunas redes complejas los ángulos (α, β,γ).

Es posible determinar el valor del parámetro de red solo la dirección a lo largo de la cual los átomos están en contacto. A estas direcciones se las denomina direcciones compactas.

Número de átomos por celdilla unidad es igual al número de átomos en el interior de la celdilla más un medio el número de átomos en las caras de la celdilla más (1/8 para celdillas cúbicas o 1/6 para hexagonales) por número de átomos en los vértices de la celdilla (los átomos del interior son únicos para cada celdilla, los de las caras cuentan la mitad ya que lindan con otra celdilla y podríamos decir que son compartidos y los de los vértices para el caso de las redes cubicas estos vértices son compartidos para 8 celdillas, con lo cual los átomos que estén en un vértice habrá que dividirlo entre 8, y entre 6 para el caso de los hexagonales).

Número de concentración atómica, es el número de átomos del interior de la celdilla entre el volumen de la celdilla

Número o Índice de coordinación. Es el número de átomos que se encuentran en contacto con un átomo en particular, o el número de átomos más cercanos (número de vecinos más próximos que rodean a un átomo dado). El máximo es 12.

Factor de empaquetamiento. Es la relación entre el volumen que ocupan los átomos, suponiendo que sean esferas sólidas, en la celdilla elemental y el volumen de la celdilla. Es decir, es la relación en tanto por uno del volumen ocupado frente al total. Da una idea importante de la densidad del apilamiento.

Factor de empaquetamiento = (átomos por celda) X (volumen atómico) / (volumen celda)

Radio atómico. Se llama radio atómico a la mitad de la distancia entre los centros de dos átomos contiguos. Se calcula a lo largo de las direcciones compactas de la red, este radio es una medida del tamaño de la esfera que se supone el átomo para agruparlo. Al ser la agrupación espacial una característica geométrica, el radio atómico está relacionado con los parámetros de longitud de la red.

Plano compacto. En una agrupación espacial ordenada, se pueden definir planos y direcciones muy útiles en el estudio del comportamiento de los materiales. Dentro de estos planos tienen un papel fundamental en el comportamiento mecánico los denominados compactos. Un plano se dice que es compacto cuando tiene la máxima densidad atómica posible. Esto quiere decir que todos los átomos están tocando a todos sus vecinos.

Densidad teórica. Densidad teórica. A partir de las características de la red, puede obtenerse la densidad teórica mediante la siguiente expresión:

También son útiles otras densidades como: Densidad atómica volumétrica, es el número de átomos por unidad de volumen. Densidad atómica superficial: Es el número de átomos por unidad de superficie en un plano cristalográfico determinado, o la densidad atómica lineal: Es el número de átomos por unidad de longitud en una dirección determinada. Densidad lineal corresponde a la fracción de longitud lineal, de una dirección cristalográfica particular, que pasa a través de los centros de los átomos

La densidad de la mezcla de diferentes materiales es una media ponderada de las densidades individuales, siendo los factores de ponderación las fracciones volumétricas de los respectivos componentes. (Esto a veces es referido como ley de mezclas.)

Para una mezcla de dos materiales, si f_i es la fracción volumétrica de los materiales componentes, entonces