Tipos de estructura cristalina: Explicación de FCC, BCC y HCP

Introducción

Las estructuras cristalinas definen cómo se agrupan los átomos en los metales y otros materiales sólidos. Esta disposición afecta a la resistencia, la ductilidad y muchas otras propiedades fundamentales.

Tabla de estructuras cristalinas

A continuación se muestra un gráfico sencillo de las tres principales estructuras cristalinas:
- Cúbica centrada en la cara - Los átomos se colocan en cada esquina del cubo y en el centro de cada cara. Esta estructura produce un alto factor de empaquetamiento.
- Cúbica centrada en el cuerpo - Los átomos residen en las ocho esquinas y uno en el centro del cubo. Esta estructura tiene un factor de empaquetamiento menor que la cúbica centrada en la cara.
- Hexagonal cerrada - Los átomos forman capas en forma de hexágono. Una capa intermedia se sitúa entre dos capas similares. Esta disposición es muy compacta y resistente.

Cada estructura tiene sus propias ventajas. Sus diferencias son importantes para la resistencia, ductilidad y conductividad del material. En el uso cotidiano, un pequeño cambio en la disposición atómica puede alterar el rendimiento de un metal en aplicaciones del mundo real.

FCC, BCC y HCP

Las estructurascúbicas centradas en las caras son comunes en metales como el cobre, el aluminio y el oro. Sus átomos se tocan a lo largo de las diagonales de las caras. Esto les confiere una excelente ductilidad y una fácil deformación bajo tensión. En los metales que utilizan esta disposición, a menudo se observa una buena resistencia a la fatiga y al desgaste.

Las estructuras cúbicas centradas en el cuerpo aparecen en metales como el hierro (a temperatura ambiente), el cromo y el wolframio. En estas estructuras, los átomos ofrecen una disposición menos densa. Los átomos entran en contacto entre sí a lo largo de las líneas centrales del cubo. Como resultado, estos materiales suelen tener una resistencia elevada pero una ductilidad menor en comparación con el tipo cúbico centrado en la cara. Pueden ser más frágiles en frío.

Las estructuras hexagonales compactas se encuentran en metales como el magnesio, el titanio y el zinc. En este caso, los átomos se disponen en una capa hexagonal y luego se repiten de forma compacta. Estas disposiciones confieren a los metales una gran resistencia. Sus sistemas de deslizamiento pueden ser menores. Esto puede afectar a la forma en que el metal se deforma bajo tensión.

Cada estructura cristalina tiene su propio número de coordinación y factor de empaquetamiento. En el cúbico centrado en la cara, el número de coordinación típico es 12, con un factor de empaquetamiento de 0,74 aproximadamente. El cúbico centrado en el cuerpo presenta un número de coordinación de 8 con un factor de empaquetamiento cercano a 0,68. El cúbico hexagonal cerrado tiene un número de coordinación de 12 y un factor de empaquetamiento similar al cúbico centrado en la cara. Estos números nos ayudan a comprender las diferencias en las propiedades físicas y el comportamiento mecánico.

Muchos casos prácticos muestran cada una de estas disposiciones en acción. Por ejemplo, en automoción, las piezas de aluminio suelen utilizar la disposición cúbica centrada en la cara debido a su capacidad para absorber impactos. En la construcción y la maquinaria pesada, los metales cúbicos centrados en el cuerpo se eligen para piezas que requieren gran resistencia. En el sector aeroespacial, el titanio, con su estructura hexagonal compacta, se utiliza en áreas que requieren un metal ligero pero resistente.

Tipos de red Materiales

Los materiales con distintos tipos de entramado presentan distintas propiedades en su uso cotidiano. El cobre, un metal cúbico centrado en la cara, es lo suficientemente blando como para doblarse, pero lo suficientemente fuerte para el cableado y los sistemas de intercambio de calor. El hierro cúbico centrado en el cuerpo se utiliza en la construcción porque resiste la deformación incluso bajo cargas pesadas. El magnesio, con su estructura hexagonal compacta, se utiliza en la industria aeronáutica por su ligereza y su mejor relación resistencia-peso.

Cuando se selecciona un material para un trabajo, también hay que fijarse en la disposición del entramado. La estructura cúbica centrada en la cara ayuda a fabricar componentes que deben soportar flexiones repetidas sin agrietarse. La estructura cúbica centrada en el cuerpo es preferible cuando las piezas necesitan una gran resistencia a las cargas de choque. La estructura hexagonal compacta se elige cuando se necesita un material ligero pero duro.

Los ingenieros y científicos utilizan estas observaciones para adaptar las propiedades de los materiales. Controlan la estructura cristalina mediante aleaciones y tratamientos térmicos para obtener los resultados deseados en cuanto a resistencia, dureza o conducción eléctrica. Esta aplicación práctica de la ciencia de los materiales ha guiado el diseño de puentes, edificios, motores e incluso utensilios de cocina cotidianos.

Conclusión

Comprender las diferencias entre las disposiciones cúbica centrada en la cara, cúbica centrada en el cuerpo y hexagonal cerrada ayuda a elegir el material adecuado para una tarea específica. La colocación de los átomos no es sólo una cuestión académica. Es importante para saber cómo se doblan, estiran o resisten las fuerzas los metales. Espero que esta guía sencilla y amigable te haya proporcionado una visión clara de estos importantes tipos de red. Tenga en cuenta que incluso un pequeño cambio en la disposición atómica puede dar lugar a grandes cambios en el comportamiento de los metales. Este breve resumen le servirá como punto de referencia útil tanto si estudia materiales como si trabaja con ellos sobre el terreno.

Preguntas más frecuentes

F: ¿Cuál es la principal ventaja de una estructura cúbica centrada en la cara?
P: Ofrece una gran ductilidad y facilidad de deformación bajo tensión.

F: ¿Por qué una estructura cúbica centrada en el cuerpo tiene menor ductilidad?
P: Los átomos están menos densamente empaquetados, lo que provoca una menor flexibilidad en caso de impacto.

F: ¿Qué tipo de aplicaciones utilizan metales de estructura hexagonal compacta?
P: Son comunes en la industria aeroespacial y en aplicaciones ligeras que requieren alta resistencia.

Referencia:

[1] Kumar Saxena, Sachin & Gaur, Vidit. (2022). Advances in Fatigue Prediction Techniques. 10.5772/intechopen.99361.