Un cristalito es un cristal pequeño o incluso microscópico que se forma, por ejemplo, durante el enfriamiento de muchos materiales. Los cristalitos también se denominan granos .
Estructura
La orientación de los cristalitos puede ser aleatoria sin una dirección preferida, denominada textura aleatoria, o dirigida, posiblemente debido a las condiciones de crecimiento y procesamiento. La textura de la fibra es un ejemplo de esto último. Si bien la estructura de un ( único ) cristal está muy ordenada y su red es continua e ininterrumpida, los materiales amorfos , como el vidrio y muchos polímeros, no son cristalinos y no muestran ninguna estructura, ya que sus constituyentes no están dispuestos de forma ordenada. manera. Las estructuras policristalinas y las fases paracristalinas se encuentran entre estos dos extremos. Los materiales policristalinos, o policristales, son sólidos compuestos por muchos cristalitos de diferente tamaño y orientación. La mayoría de los materiales son policristalinos, hechos de un gran número de cristalitos que se mantienen unidos por finas capas de sólido amorfo . La mayoría de los sólidos inorgánicos son policristalinos, incluidos todos los metales comunes, muchas cerámicas , rocas y hielo.
Las áreas donde se encuentran los cristalitos se conocen como límites de grano .
Tamaño
El tamaño de cristalita en microestructuras monodispersas generalmente se aproxima a partir de patrones de difracción de rayos X y tamaño de grano mediante otras técnicas experimentales como microscopía electrónica de transmisión. Los objetos sólidos lo suficientemente grandes para ver y manipular rara vez están compuestos de un solo cristal , excepto en algunos casos ( gemas , monocristales de silicio para la industria electrónica, ciertos tipos de fibra , monocristales de una superaleación a base de níquel para motores turborreactores , y algunos cristales de hielo que pueden superar los 0,5 metros de diámetro). [1] El tamaño de los cristalitos puede variar desde unos pocos nanómetros hasta varios milímetros.
Efectos sobre las propiedades físicas de los materiales
La medida en que un sólido es cristalino ( cristalinidad ) tiene efectos importantes sobre sus propiedades físicas. [2] El azufre , aunque generalmente es policristalino, también puede presentarse en otras formas alotrópicas con propiedades completamente diferentes. [3] Aunque los cristalitos se denominan granos, los granos de polvo son diferentes, ya que pueden estar compuestos de granos policristalinos más pequeños. [4] Generalmente, los policristales no se pueden recalentar ; se derretirán rápidamente una vez que alcancen una temperatura lo suficientemente alta. Esto se debe a que los límites de los granos son amorfos y sirven como puntos de nucleación para la fase líquida . Por el contrario, si no hay un núcleo sólido cuando un líquido se enfría, tiende a sobreenfriarse . Dado que esto no es deseable para los materiales mecánicos, los diseñadores de aleaciones a menudo toman medidas en su contra (mediante el refinamiento del grano ).
Las fracturas materiales pueden ser intergranulares o transgranulares . Existe una ambigüedad con los granos de polvo: un grano de polvo puede estar formado por varios cristalitos. Por lo tanto, el "tamaño de grano" (polvo) encontrado por granulometría láser puede ser diferente del "tamaño de grano" (más bien, tamaño de cristalito) encontrado por difracción de rayos X (por ejemplo, método de Scherrer ), por microscopía óptica bajo luz polarizada, o por microscopía electrónica de barrido (electrones retrodispersados).
Si los cristalitos individuales se orientan completamente al azar, un volumen suficientemente grande de material policristalino será aproximadamente isotrópico . Esta propiedad ayuda a que los supuestos simplificadores de la mecánica del continuo se apliquen a los sólidos del mundo real. Sin embargo, la mayoría de los materiales fabricados tienen cierta alineación con sus cristalitos, lo que da como resultado una textura que debe tenerse en cuenta para realizar predicciones precisas de su comportamiento y características. Cuando los cristalitos están ordenados en su mayoría con solo una dispersión aleatoria de orientaciones, uno tiene un cristal de mosaico . El crecimiento anormal del grano , donde una pequeña cantidad de cristalitos es significativamente mayor que el tamaño medio de cristalito, se observa comúnmente en diversos materiales policristalinos y da como resultado propiedades mecánicas y ópticas que divergen de materiales similares que tienen una distribución de tamaño de cristalito monodisperso con un cristalito medio similar. Talla.
Las rocas de grano grueso se forman muy lentamente, mientras que las rocas de grano fino se forman rápidamente, en escalas de tiempo geológicas. Si una roca se forma muy rápidamente, como la solidificación de la lava expulsada de un volcán , es posible que no haya cristales en absoluto. Así es como se forma la obsidiana .
Los límites de grano
Los límites de grano son interfaces donde se encuentran cristales de diferentes orientaciones. Un límite de grano es una interfaz monofásica, con cristales en cada lado del límite que son idénticos excepto en la orientación. El término "límite de cristalita" se utiliza a veces, aunque raramente. Las áreas de los límites de los granos contienen aquellos átomos que han sido perturbados de sus sitios reticulares originales, dislocaciones e impurezas que han migrado al límite de granos de menor energía.
Al tratar un límite de grano geométricamente como una interfaz de un monocristal cortado en dos partes, una de las cuales se rota, vemos que hay cinco variables necesarias para definir un límite de grano. Los dos primeros números provienen del vector unitario que especifica un eje de rotación. El tercer número designa el ángulo de rotación del grano. Los dos últimos números especifican el plano del límite del grano (o un vector unitario que es normal a este plano).
Los límites de los granos interrumpen el movimiento de las dislocaciones a través de un material. La propagación de la dislocación se ve impedida debido al campo de tensión de la región del defecto del límite de grano y la falta de planos de deslizamiento y direcciones de deslizamiento y alineación general a través de los límites. Por lo tanto, reducir el tamaño del grano es una forma común de mejorar la resistencia , a menudo sin sacrificar la tenacidad porque los granos más pequeños crean más obstáculos por unidad de área del plano de deslizamiento. Esta relación tamaño-fuerza de los cristalitos viene dada por la relación Hall-Petch . La alta energía interfacial y la unión relativamente débil en los límites de los granos los convierte en sitios preferidos para el inicio de la corrosión y para la precipitación de nuevas fases del sólido.
La migración de los límites de los granos juega un papel importante en muchos de los mecanismos de fluencia . La migración del límite del grano ocurre cuando un esfuerzo cortante actúa sobre el plano del límite del grano y hace que los granos se deslicen. Esto significa que los materiales de grano fino en realidad tienen poca resistencia a la fluencia en comparación con los granos más gruesos, especialmente a altas temperaturas, porque los granos más pequeños contienen más átomos en los sitios de los límites de los granos. Los límites de grano también causan deformaciones, ya que son fuentes y sumideros de defectos puntuales. Los huecos en un material tienden a acumularse en un límite de grano, y si esto sucede en un grado crítico, el material podría fracturarse .
Durante la migración del límite de grano, el paso de determinación de la velocidad depende del ángulo entre dos granos adyacentes. En un límite de dislocación de ángulo pequeño, la tasa de migración depende de la difusión de las vacantes entre las dislocaciones. En un límite de dislocación de ángulo alto, esto depende del transporte del átomo por saltos de un solo átomo desde los granos que se contraen a los que crecen. [5]
Los límites de los granos tienen generalmente solo unos pocos nanómetros de ancho. En materiales comunes, los cristalitos son lo suficientemente grandes como para que los límites de grano representen una pequeña fracción del material. Sin embargo, se pueden conseguir tamaños de grano muy pequeños. En los sólidos nanocristalinos, los límites de los granos se convierten en una fracción de volumen significativa del material, con efectos profundos en propiedades como la difusión y la plasticidad . En el límite de los pequeños cristalitos, cuando la fracción de volumen de los límites de los granos se acerca al 100%, el material deja de tener carácter cristalino y, por lo tanto, se convierte en un sólido amorfo .
Los límites de grano también están presentes en dominios magnéticos en materiales magnéticos. Un disco duro de computadora, por ejemplo, está hecho de un material ferromagnético duro que contiene regiones de átomos cuyos momentos magnéticos pueden ser realineados por un cabezal inductivo. La magnetización varía de una región a otra, y la desalineación entre estas regiones forma límites que son clave para el almacenamiento de datos. El cabezal inductivo mide la orientación de los momentos magnéticos de estas regiones de dominio y lee un "1" o un "0". Estos bits son los datos que se leen. El tamaño del grano es importante en esta tecnología porque limita la cantidad de bits que pueden caber en un disco duro. Cuanto más pequeños sean los tamaños de grano, más datos se pueden almacenar.
Debido a los peligros de los límites de grano en ciertos materiales, como las palas de las turbinas de superaleación , se realizaron grandes avances tecnológicos para minimizar al máximo el efecto de los bordes de grano en las palas. El resultado fue un procesamiento de solidificación direccional en el que se eliminaron los límites de grano al producir estructuras de grano columnares alineadas paralelas al eje de la pala, ya que esta suele ser la dirección de tensión máxima de tracción que siente una pala durante su rotación en un avión. Las palas de la turbina resultantes eran de un solo grano, lo que mejoraba la fiabilidad.
Ver también
- Crecimiento anormal de granos
- Cristalización de polímeros
- Microlita
- Silicio policristalino
Notas al pie
- ^ JR Petit, R. Souchez, NI Barkov, V. Ya. Lipenkov, D. Raynaud, M. Stievenard, NI Vassiliev, V. Verbeke y F. Vimeux (10 de diciembre de 1999). "Más de 200 metros de hielo del lago sobre el lago subglacial Vostok, Antártida". Ciencia . 286 (5447): 2138–41. doi : 10.1126 / science.286.5447.2138 . PMID 10591641 .Mantenimiento de CS1: utiliza el parámetro de autores ( enlace )
- ^ Categorías de sólidos de la Universidad de Purdue
- ^ C.Michael Hogan. 2011. Sulphur Archivado el 28 de octubre de 2012 en Wayback Machine . Enciclopedia de la Tierra, eds. A. Jorgensen y CJ Cleveland, Consejo Nacional para la Ciencia y el Medio Ambiente, Washington DC
- ^ "Definición de grafito policristalino" (PDF) . Archivado desde el original (PDF) el 21 de mayo de 2011 . Consultado el 27 de octubre de 2014 .
- ^ Doherty, RD; Hughes, DA; Humphreys, FJ; Jonas, JJ; Jensen, D. Juul; Kassner, ME; Rey, NOSOTROS; McNelley, TR; McQueen, HJ; Rollett, AD (1997). "Problemas actuales en recristalización: una revisión". Ciencia de los Materiales e Ingeniería: Una . 238 (2): 219–274. doi : 10.1016 / S0921-5093 (97) 00424-3 .
Referencias
- Allen, Samuel y Thomas, Edwin. La estructura de los materiales. Nueva York: John Wiley & Sons, Inc. 1999.
- Jiles, David. Introducción al magnetismo y materiales magnéticos. Londres: Chapman & Hall / CRC, 1998.
Otras lecturas
- Lau, J. (2009). "Implementación de granos policristalinos bidimensionales en marco micromagnético orientado a objetos" . Revista de Investigación del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología . 114 (1): 57–67. doi : 10.6028 / jres.114.005 . PMC 4651613 . PMID 27504213 .