Tipos de Microestructuras de Materiales

Las microestructuras de los materiales se clasifican principalmente en:

Sustancias Puras

  • Homogéneas y Monofásicas: Poseen las mismas propiedades en toda su extensión.
    • Ejemplo: El vidrio.
  • Compuestos: Su composición (porcentaje) es fija.
    • Ejemplo: Aleaciones con porcentajes fijos.
  • Soluciones: Su composición es variable.
    • Ejemplo: Agua con sales.

Sustancias No Puras o Mezclas

  • Heterogéneas y Polifásicas: Se basan en la adición, en proporciones variables, de sustancias cuyas propiedades no sufren alteración.
    • Ejemplo: El granito.

Microestructuras Cristalinas

El orden cristalino de los sólidos sirve para distinguir la mayor o menor regularidad de las disposiciones atómicas (DA):

  • Monocristales: Orden de largo alcance, regularidad elevada. Son anisótropos.
    • Ejemplo: Cuarzo.
  • Policristales: Orden de medio alcance (hasta 0,1 mm), con orden cristalino perfecto.
    • Ejemplo: Metales.
  • Vítreos: Orden de corto alcance. Son isótropos.
    • Ejemplo: Vidrios, cerámicas, etc.
  • Amorfos: Sin orden alguno. Son isótropos.
    • Ejemplo: Madera, materiales bituminosos.

Microestructuras No Cristalinas

  • Vítrea: Algunas cerámicas no cristalinas, con cierto tipo de orden.
  • Polimérica: Materiales moleculares.
  • Amorfa: La organización se debe a procesos de crecimiento o de fabricación.
    • Ejemplo: Leñosa, gel rígido, composite.

Disposiciones Cristalinas Fundamentales

Celda Unitaria

Es el grupo más pequeño de átomos que, mediante traslación en las tres direcciones, constituye la totalidad del cristal. Existen 14 clases, pertenecientes a los 7 sistemas de cristalización. Los más resistentes son el cúbico y el hexagonal.

Número de Coordinación

Es el número de átomos vecinos más próximos que rodean a cada uno en la estructura y que determinan el índice o grado de compacidad de la estructura cristalina.

Estructuras Compactas

Son usuales en sólidos con enlaces atómicos metálicos (metales y aleaciones).

  • Estructura Hexagonal Compacta (HC):
    • Ejemplo: Titanio, magnesio, cinc.
  • Estructura Cúbica Centrada en las Caras (CCC):
    • Ejemplo: Aluminio, cobre, níquel, plata, plomo.

Estructuras No Compactas

Se caracterizan por tener tamaños atómicos diferenciados. Son típicas en piedras naturales.

  • Estructura de Celdas Tetraédricas:
    • Ejemplo: Fósforo.
  • Estructura Cúbica Centrada en el Cuerpo (BCC):
    • Ejemplo: Cromo, platino.
  • Estructura Cúbica Simple (SC):
    • Ejemplo: Oxígeno, manganeso.

Defectos Cristalinos

Los defectos en la estructura cristalina pueden clasificarse en:

Defectos Puntuales

Debidos a impurezas químicas (átomos sustitucionales, átomos intersticiales) o a vibraciones energéticas que producen vacancias (creadas por átomos excitados que emigran a la superficie de la red cristalina o por átomos que simplemente emigran). Las perturbaciones deben ser compensadas por la zona próxima de la red cristalina.

Defectos Lineales: Dislocaciones

Son desplazamientos dentro de la red cristalina causados por una perturbación inicial o una vacancia. Se producen en direcciones y planos en los que los átomos están colocados más densamente.

Tipos de Dislocaciones:

  • De Borde o Arista: Anormalidad que puede desplazarse a lo largo de un plano de deslizamiento.
  • Helicoidal: Genera un efecto cortante.
  • Mixta: Mezcla de las anteriores.

Influencia en el Comportamiento de los Sólidos Cristalinos:

  • Beneficiosas: Para facilitar la deformación (plasticidad).
  • Perjudiciales: Para la resistencia (elasticidad).

Control de las Dislocaciones:

  • Bloqueo mecánico (dificultando su avance).
  • Estabilización.
  • Aumento de su densidad.

Defectos Superficiales

  • De Borde de Grano: Superficie que separa las diferentes orientaciones cristalográficas, en la que los átomos no están separados uniformemente (unos muy juntos causando compresión y otros separados causando tensión). Influye en la corrosión, cambio de fase y tratamientos mecánicos y térmicos.
  • De Superficie Libre: Los átomos carecen de vecinos y alteran su contenido de energía emitiendo o captando electrones. Influye en fenómenos de adherencia y atracción entre materiales.

Microestructura del Gel

Es una mezcla de sólidos, líquidos y, a veces, gases, en una combinación tan fina de sus componentes que el material se comporta como un sólido no cristalino.

Formación del Gel:

  • Cuando las partículas sólidas, en suspensión coloidal, se vinculan entre sí formando un armazón que encierra al líquido en una red de poros capilares o en oquedades muy pequeñas.
  • O por engrosamiento de un sólido cuando el líquido lo penetra a lo largo de los capilares de su estructura.

Tipos de Gel:

  • Gel Elástico: Cuando el armazón sólido está formado por moléculas de larga cadena.
    • Ejemplo: Asfalto, gelatina.
  • Gel Rígido: Cuando las moléculas forman una red tridimensional.
    • Ejemplo: Hormigón.

Microestructura Leñosa

Tipos de Células de la Madera según su Función:

  • Tejidos de Sostén: Fibras duras que forman la parte principal del cuerpo leñoso del árbol, con gran resistencia mecánica y a la putrefacción.
  • Células Vasculares: Vasos en las frondosas y traqueidas en las coníferas; son células tubulares colocadas unas en prolongación de otras.
  • Células de Reserva: Encargadas de la reserva de sustancias nutritivas para el periodo invernal.

La Célula Leñosa

La pared de una célula leñosa consta de varias capas de fibras de celulosa y de lignina:

  • La resistencia a tracción de las microfibrillas de celulosa es similar a la del acero, pero con una densidad seis veces inferior.
  • Están embebidas en lignina, de resistencia a compresión similar a la del mortero, pero con una densidad del 40%.
  • En la madera, la relación resistencia/densidad alcanza un valor muy elevado.
  • El comportamiento de la madera es en parte elástico (por la celulosa) y en parte viscoplástico (por la lignina).

Microestructura de Composites

Se consigue introduciendo sobre un soporte o matriz partículas o fibras muy finas de materiales adecuados, que contribuyen a mejorar la resistencia o comportamiento del conjunto al actuar como obstáculo al movimiento de las dislocaciones.

Como cargas se utilizan fibras vegetales, minerales o sintéticas, y como matriz: morteros y hormigones, metales y polímeros.

Ejemplos conocidos: Poliéster reforzado con fibra de vidrio, fibrocemento y Prodema.