Materiales Cristalinos La estructura física de los materiales sólidos de importancia en el diseño depende del ordenamiento de los átomos, iones o moléculas que lo constituyen, y de las fuerzas de enlace entre ellos.

Materiales Cristalinos Si los átomos o iones están ordenados en un patrón que se repite en el espacio, forman un sólido que tiene un Orden de Largo Alcance (OLA) al cual se llama sólido cristalino. Ej: metales, aleaciones, algunos materiales cerámicos

Materiales Cristalinos Existen materiales cuyos átomos o iones no están ordenados a largo alcance, periódico y repetible, y poseen únicamente Orden de Corto Alcance (OCA). Ej: agua líquida. Se los llama amorfos o no cristalinos.

El ordenamiento se puede describir representando a los átomos en los puntos de intersección de una red tridimensional. Esta red se llama red espacial. Cada punto en la red espacial tiene un entorno idéntico. La red puede describirse especificando la posición de los átomos en una celda unitaria repetitiva. El tamaño y forma de la celda puede describirse por tres vectores de la red a, b y c. Estas longitudes, junto con los ángulos interaxiales ,  y  nos proporcionan la forma de la celda

Con distintas longtidudes axiales y ángulos interaxiales se pueden construir celdas unitarias de diversos tipos. Los cristalógrafos han demostrado que se necesitan siete tipos diferentes de celdas unitarias para crear todas las redes. Varios de los siete sistemas cristalinos presentan variaciones de su estructura básica, totalizando 14 celdas unitarias según la demostración de Bravais

Principales Estructuras Cristalinas Metálicas La mayoría de los metales puros (aprox. 90%) cristalizan al solidificar en tres estructuras cristalinas compactas: Cúbica Centrada en el cuerpo (BBC) Cúbica Centrada en las caras (FCC) y Hexagonal Compacta (HCP) Los sólidos se empacan en estructuras compactas porque la energía es menor a medida que disminuye la distancia entre los átomos o iones.

Estructura cristalina cúbica centrada en el cuerpo (BCC) En esta celda unitaria, cada átomo está rodeado por ocho vecinos más próximos y se dice que su número de coordinación es 8. Cada celda unitaria contiene 2 átomos

Es importante obtener una variable de esta celda, la arista del cubo en relación con el radio del átomo, considerado como una esfera. Como en la diagonal de la celda hay dos esferas, o sea 4 radios, y esto es igual a 3 * a = 4 R, de donde puede despejarse a=4R/ 3 A partir de este dato puede obtenerse el factor de empaquetamiento atómico (APF) que es el % de volumen ocupado en la celda por átomos. APF=(volumen de los átomos)/(volumen de la celda) APF (BCC) = 2*Vat/a3 = 2*(4/3)*R3/ 12,32 R3 = 0,68

Estructura cristalina cúbica centrada en las caras (FCC) En esta celda unitaria, cada átomo está rodeado de 12 vecinos. Cada celda unitaria contiene 4 átomos.

Para este tipo de celda, se ve que en la diagonal de una de las caras tenemos 4 radios, y esta diagonal es: 2 * a = 4 * R ; entonces a = (4*R)/ 2 Si realizamos el cálculo de APF, obtenemos un valor de 0,74; mayor que el 0,68 que se obtuvo para la estructura BCC. Este valor es el máximo que puede obtenerse con “átomos esféricos”. Ejemplos de esta estructura son el aluminio, cobre, plomo y níquel.

Estructura cristalina hexagonal compacta (HCP) Cada átomo está rodeado por 12 vecinos. Cada celda unitaria contiene dos átomos. Para este caso, el parámetro importante es la relación entre la altura del hexágono (a) y su arista( c). El APF para este caso también es de 0,74

Comparación de estructuras cristalinas Las estructuras HCP y FCC son compactas, ambas tiene un APF del 74%, pero no son idénticas, ya que hay una diferencia en el orden de apilamiento de los planos atómicos. Imaginemos las formas de apilar más eficientemente objetos esféricos, ya que siempre quedan espacios libres. Ej: ver como se apilan las naranjas en una frutería.

La densidad volumétrica de un metal puede obtenerse utilizando la ecuación: Densidad =  = (masa/celda unitaria) / (volumen/celda unitaria). Problema: el cobre tiene una estructura cristalina FCC y un radio atómico de 0,1278 nm. Considerando los átomos como esferas rígidas que se tocan entre sí; calcule el valor teórico de la densidad del cobre en en Kg/m3. La masa atómica del cobre es de 63,54 g/mol. Datos complementarios: volumen FCC = a3. a=4R/2. La celda tiene 4 átomos 1 mol = 6,02 x 1023 átomos.