Cristalito

Un cristalito es un cristal pequeño, incluso microscópico, que se forma, por ejemplo, durante el enfriamiento de muchos materiales. A los cristalitos también se les conoce como granos .

La bacilita es un cristalito largo y delgado con forma de aguja. ^{[ 1 ]} Es similar a una varilla con alargamientos paralelos . ^{[ 2 ]}

La orientación de los cristalitos puede ser aleatoria, sin una dirección preferida ( textura aleatoria ), o dirigida, posiblemente debido a las condiciones de crecimiento y procesamiento. Mientras que la estructura de un monocristal está altamente ordenada y su red es continua e ininterrumpida, los materiales amorfos , como el vidrio y muchos polímeros, no son cristalinos y no presentan estructuras, ya que sus constituyentes no están dispuestos de forma ordenada. Las estructuras policristalinas y las fases paracristalinas se encuentran entre estos dos extremos. Los materiales policristalinos, o policristales, son sólidos compuestos por numerosos cristalitos de tamaño y orientación variables. La mayoría de los materiales son policristalinos, formados por un gran número de cristalitos unidos por finas capas de sólido amorfo. La mayoría de los sólidos inorgánicos son policristalinos, incluyendo todos los metales comunes, muchas cerámicas , rocas y hielo. Un término relacionado , material oligocristalino, es una microestructura que consiste en unos pocos granos gruesos, a menudo columnares y paralelos al eje longitudinal del lingote. Esta microestructura se puede encontrar en los lingotes producidos por fusión mediante haz de electrones . ^{[ 3 ]}

Las zonas donde se encuentran los cristalitos se conocen como límites de grano .

Tamaño

El tamaño de los cristalitos en microestructuras monodispersas se suele aproximar a partir de patrones de difracción de rayos X y el tamaño de grano mediante otras técnicas experimentales como la microscopía electrónica de transmisión. Los objetos sólidos lo suficientemente grandes como para verlos y manipularlos 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). ^{[ 4 ]} El tamaño de los cristalitos puede variar desde unos pocos nanómetros hasta varios milímetros.

Efectos sobre las propiedades físicas del material

El grado de cristalinidad de un sólido tiene efectos importantes en sus propiedades físicas. ^{[ 5 ]} El azufre , aunque generalmente policristalino, también puede presentarse en otras formas alotrópicas con propiedades completamente diferentes. ^{[ 6 ]} Si bien los cristalitos se denominan granos, los granos de polvo son diferentes, ya que pueden estar compuestos de granos policristalinos más pequeños. ^{[ 7 ]} Generalmente, los policristales no pueden sobrecalentarse ; se funden rápidamente una vez que alcanzan una temperatura suficientemente alta. Esto se debe a que los límites de grano son amorfos y sirven como puntos de nucleación para la fase líquida . Por el contrario, si no hay un núcleo sólido presente cuando un líquido se enfría, tiende a sobreenfriarse . Dado que esto es indeseable para los materiales mecánicos, los diseñadores de aleaciones a menudo toman medidas para evitarlo (mediante el refinamiento del grano ).

Las fracturas de los 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" (del polvo) determinado mediante granulometría láser puede ser diferente del "tamaño de grano" (o más bien, del tamaño del cristalito) determinado mediante difracción de rayos X (por ejemplo, el método de Scherrer ), microscopía óptica con luz polarizada o 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 las suposiciones simplificadoras de la mecánica de medios continuos se apliquen a sólidos reales. Sin embargo, la mayoría de los materiales manufacturados presentan cierta alineación en sus cristalitos, lo que da lugar a una textura que debe tenerse en cuenta para predecir con precisión su comportamiento y características. Cuando los cristalitos están mayoritariamente ordenados con una distribución aleatoria de orientaciones, se obtiene un cristal mosaico . El crecimiento anormal de grano , donde un pequeño número de cristalitos son significativamente mayores que el tamaño medio de los cristalitos, se observa comúnmente en diversos materiales policristalinos y da lugar a propiedades mecánicas y ópticas que divergen de las de materiales similares que tienen una distribución de tamaño de cristalito monodispersa con un tamaño medio de cristalito similar.

Las rocas de grano grueso se forman muy lentamente, mientras que las de grano fino se forman rápidamente, en escalas de tiempo geológicas. Si una roca se forma muy rápidamente, como por ejemplo a partir de la solidificación de la lava expulsada por un volcán , es posible que no haya cristales. Así es como se forma la obsidiana .

Los límites de grano son interfaces donde se encuentran cristales con diferentes orientaciones. Un límite de grano es una interfaz monofásica, donde los cristales a ambos lados son idénticos, excepto en su orientación. A veces se utiliza el término "límite de cristalita", aunque raramente. Las áreas de los límites de grano contienen átomos que se han desplazado de sus posiciones reticulares originales, dislocaciones e impurezas que han migrado al límite de grano de menor energía.

Si consideramos geométricamente un límite de grano como la interfaz de un monocristal dividido en dos partes, una de las cuales está rotada, observamos que se requieren cinco variables para definirlo. Los dos primeros números provienen del vector unitario que especifica el eje de rotación. El tercer número indica el ángulo de rotación del grano. Los dos últimos números especifican el plano del límite de grano (o un vector unitario perpendicular a dicho plano).

Los límites de grano dificultan el movimiento de las dislocaciones a través del material. La propagación de las dislocaciones se ve obstaculizada por el campo de tensiones de la región del defecto del límite de grano y la falta de planos y direcciones de deslizamiento, así como por la falta de alineación general a través de los límites. Por lo tanto, reducir el tamaño de grano es una forma común de mejorar la resistencia , a menudo sin sacrificar la tenacidad, ya que los granos más pequeños crean más obstáculos por unidad de área del plano de deslizamiento. Esta relación entre el tamaño del cristalito y la resistencia viene dada por la relación de Hall-Petch . La alta energía interfacial y la unión relativamente débil en los límites de grano los convierten en sitios preferidos para el inicio de la corrosión y para la precipitación de nuevas fases a partir del sólido.

La migración de los límites de grano desempeña un papel importante en muchos de los mecanismos de fluencia . Esta migración se produce cuando una tensión cortante actúa sobre el plano del límite de grano y provoca el deslizamiento de los granos. Esto significa que los materiales de grano fino presentan una menor resistencia a la fluencia en comparación con los de grano más grueso, especialmente a altas temperaturas, debido a que los granos más pequeños contienen más átomos en los límites de grano. Los límites de grano también provocan deformación, 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 ocurre en una medida crítica, el material podría fracturarse .

Durante la migración de límites de grano, la etapa determinante de la velocidad depende del ángulo entre dos granos adyacentes. En un límite de dislocación de ángulo pequeño, la velocidad de migración depende de la difusión de vacantes entre dislocaciones. En un límite de dislocación de ángulo grande, esto depende del transporte de átomos mediante saltos de átomos individuales desde los granos que se contraen hacia los que crecen. ^{[ 8 ]}

Los límites de grano suelen tener solo unos pocos nanómetros de ancho. En los 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 obtener tamaños de grano muy pequeños. En los sólidos nanocristalinos, los límites de grano se convierten en una fracción de volumen significativa del material, con profundos efectos en propiedades como la difusión y la plasticidad . En el límite de cristalitos pequeños, a medida que la fracción de volumen de los límites de grano se aproxima 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 los dominios magnéticos de los materiales magnéticos. Un disco duro de ordenador, por ejemplo, está hecho de un material ferromagnético duro que contiene regiones de átomos cuyos momentos magnéticos pueden realinearse mediante 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 están leyendo. El tamaño del grano es importante en esta tecnología porque limita la cantidad de bits que caben en un disco duro. Cuanto menor sea el tamaño del grano, más datos se pueden almacenar.

Debido a los peligros que representan los límites de grano en ciertos materiales, como las palas de turbina de superaleación , se lograron grandes avances tecnológicos para minimizar al máximo su efecto. El resultado fue un proceso de solidificación direccional en el que se eliminaron los límites de grano mediante la creación de estructuras de grano columnar alineadas paralelamente al eje de la pala, ya que esta suele ser la dirección de máxima tensión que experimenta una pala durante su rotación en un avión. Las palas de turbina resultantes estaban compuestas de un solo grano, lo que mejoró su fiabilidad.

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• Lau, J. (2009). "Implementación de granos policristalinos bidimensionales en un marco micromagnético orientado a objetos" . Journal of Research of the National Institute of Standards and Technology . 114 (1): 57– 67. doi : 10.6028 / jres.114.005 . PMC 4651613. PMID 27504213 .