Grano cristalino

GRANO CRISTALINO
Antonio García Vaamonde
El grano cristalino hace referencia a la estructura cristalina de los materiales y por tanto a un
nivel microscópico. Los cristales se forman como consecuencia del proceso de enfriamiento de
la masa líquida de los metales. Este proceso se puede dividir en dos etapas: una primera etapa
sería la de nucleación y la segunda, la etapa de cristalización o de crecimiento.
La primera etapa comienza con la aparición de un primer germen o núcleo que actúa como
creador del cristal durante el proceso de cristalización. Es necesario que presente un número
determinado de átomos (25-100), la cifra varía en función de la temperatura ya que a altas
temperaturas se necesitan más átomos para consolidar el núcleo, al cual se van añadiendo nuevos
átomos y así se produce el crecimiento progresivo. Hay gérmenes que se redisuelven, otros
pueden ir a la superficie o al fondo dependiendo de la densidad y otros permanecen estables pero
se puede decir que existe equilibrio dinámico en relación a los gérmenes que existen en la masa
líquida.
El número de núcleos por unidad de tiempo y unidad de volumen es lo que se conoce como
velocidad de nucleación. Cada núcleo suele tener una orientación de crecimiento aleatoria salvo
que las causas de provocación del germen incidan en una dirección preferente de crecimiento
como puede ser la existencia de un gradiente térmico. Se puede hablar de dos tipos de
nucleación: la homogénea y la heterogénea. La primera se produce cuando todos los gérmenes
que se forman lo hacen a partir de los átomos del material en estado líquido. En la heterogénea la
formación de gérmenes se ve favorecida por la presencia de átomos extraños, normalmente
añadidos intencionadamente actuando sobre la velocidad de nucleación y seleccionando un
tamaño de grano determinado. El tipo de nucleación condiciona la facilidad de la nucleación y su
consolidación. En la homogénea para consolidar los núcleos es necesario someterlo a un
subenfriamiento que consiste en enfriar de manera rápida por debajo de la temperatura de
solidificación del material para consolidar los núcleos. En el caso de la heterogénea también se
dá el subenfriamiento pero el grado del mismo es menor que el caso anterior.
En la segunda etapa, la de cristalización, al ir disminuyéndose progresivamente la temperatura la
cristalización avanza paulatinamente aumentando el tamaño de grano, más aumentará el tamaño
cuanto más lento sea este enfriamiento. Esta etapa viene caracterizada por la velocidad de
crecimiento que representa el aumento de peso del cristal por unidad de tiempo. Mientras exista
fase líquida pueden producirse fenómenos de desplazamiento de los cristales es decir, si los
cristales son menos densos que la fase líquida flotarán y habrá mayor número de ellos en la
superficie mientras que si la densidad de los cristales es mayor que la de la fase líquida los
cristales se hundirán y habrá por tanto mayor número de ellos en el fondo.
En cuanto al crecimiento de los cristales pueden darse situaciones límite:
- Todos los gérmenes se desarrollan creciendo de forma idéntica en las tres direcciones del
espacio, tendiendo a presentar una forma regular, acoplándose perfectamente. Se dice que
la forma perfecta de un cristal sería un volumen que diese lugar a un crecimiento por
igual en las tres direcciones del espacio, originándose un cristal con forma de octaedro de
vértices truncados, esta forma sería capaz de llenar todo el espacio.
-
Los cristales tienen una única dirección de crecimiento, el cristal se desarrolla de forma
acicular.
Pero lo que realmente suele suceder es que los cristales no crecen por igual en las tres
direcciones del espacio, tienen una dirección predilecta que no tiene porqué coincidir con la
de otros cristales, dando lugar a una estructura que se conoce como dentrítica. Esta estructura
se caracteriza porque las zonas de unión de los cristales tienen formas muy variopintas. Esto
es debido a que los cristales están orientados al azar siendo muy difícil que compactaran para
llenar el volumen. El crecimiento termina cuando se interceptan los cristales. A esos cristales
limitados por la junta o borde de grano se les llama granos (dos dimensiones), mientras que
la definición de cristal hace referencia a las tres dimensiones aunque ambos vienen a
expresar lo mismo.
La junta o borde de grano que hace referencia a la existencia de interfaz de separación entre
dos cristales puede ocupar un espacio de 2 o 3 distancias interatómicas. La teoría que más se
acerca a la realidad sobre lo que sucede en el borde de grano es la amorfa que dice que en
ella tienen lugar todo tipo de defectos (vacantes, dislocaciones, etc.).
Una vez finalizado el proceso de solidificación vamos a tener un tamaño de grano que
dependerá de los valores de la velocidad de nucleación. Si la velocidad de nucleación es baja
tendremos pocos núcleos por lo que obtendremos una estructura granular basta (grano
grande), mientras que si es elevada tendremos muchos núcleos que darán lugar a una
estructura granular fina (grano pequeño). Si la velocidad de crecimiento es elevada
tendremos una estructura granular basta, si es baja tendremos una estructura granular fina. El
tamaño de grano es un factor de calidad del material, dada su influencia en el
comportamiento mecánico del material. Cuando reducimos el tamaño de grano aumenta el
número de granos por unidad de superficie lo que se traduce en un mayor número de juntas
de grano, lo que hace que cuantos más defectos superficiales por unidad de superficie haya
mayor impedimento tendrán las dislocaciones para deslizarse con lo que tendremos una
menor capacidad de deformación plástica.
La estructura cristalina de un material puede ser modificada tanto mecánicamente como
térmicamente. De forma mecánica por ejemplo mediante la laminación, realizando la
operación en frío a una temperatura inferior a la de recristalización, evitando así que el grano
vuelva a su forma anterior y dotando al material de un estado de acritud. El método térmico
consiste en calentar la pieza por encima de la temperatura de recristalización, esta
temperatura no puede ser cualquiera y debe de estar seleccionada. Con la temperatura se
tiende a aumentar el tamaño de grano. Este proceso se debe de controlarse para el uso ya que
tampoco es beneficioso un tamaño de grano excesivo.
El tamaño de grano de un material puede ser medido una vez se termina la solidificación.
Existen tres métodos básicos: comparación, interceptación y método planimétrico.
El primero consiste en observar la muestra del material mediante el microscopio o
empleando fotomicrografía, se compara la muestra con una serie de patrones previamente
establecidos por la norma ASTM a cada uno de los cuales se le asigna un número
determinado que es lo que se llama índice de tamaño de grano. La norma también fija el
número de aumentos a los que hay que observar la muestra. El método de interceptación
consiste en trazar tres líneas (rectas o curvas) en una micrografía y determinar el número de
interceptaciones de dicha línea con los bordes de grano, calculando el número de
interceptaciones de grano por unidad de longitud se determina el número de granos. Si un
grano no se intercepta enteramente se contabilizará como medio grano. Por último el método
planimétrico consiste en trazar una superficie sobre la micrografía y contabilizar el número
de granos que quedan en el interior de la figura, aquellos granos que no estén totalmente
incluidos contabilizarán como medio grano. Así obtenemos el número de granos por unidad
de área.
Bibliografía:
Enciclopedia Encarta 04,
Wikipedia
Apraiz J. (1979) “Fabricación de hierro, aceros y fundiciones”. Ed. Urmo y https://www.ucursos.cl/ingenieria.