Un cristalito es un cristal pequeño o incluso microscópico que se forma, por ejemplo, durante el enfriamiento de muchos materiales. Los cristalitos también se conocen como granos .
La bacilita es un tipo de cristalito. [1] Tiene forma de bastón con longulitas paralelas. [2]
La orientación de los cristalitos puede ser aleatoria sin dirección preferida, llamada textura aleatoria , o dirigida, posiblemente debido a las condiciones de crecimiento y procesamiento. Mientras que la estructura de un solo cristal está muy ordenada y su red es continua e ininterrumpida, los materiales amorfos , como el vidrio y muchos polímeros, no son cristalinos y no muestran ninguna estructura, ya que sus constituyentes no están dispuestos de manera ordenada. Entre estos dos extremos se encuentran las estructuras policristalinas y las fases paracristalinas . Los materiales policristalinos, o policristales, son sólidos que están compuestos de muchos cristalitos de diferentes tamaños y orientaciones. La mayoría de los materiales son policristalinos, formados por una gran cantidad de cristalitos unidos por finas capas de sólido amorfo. La mayoría de los sólidos inorgánicos son policristalinos, incluidos todos los metales comunes, muchas cerámicas , rocas y hielo. [ cita necesaria ]
Las zonas donde se encuentran los cristalitos se conocen como límites de grano .
El tamaño de los cristalitos en microestructuras monodispersas generalmente se aproxima 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 ser vistos y manipulados rara vez están compuestos de un solo cristal, excepto en algunos casos ( gemas , monocristales de silicio para la industria electrónica, ciertos tipos de fibras , 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). [3] El tamaño de los cristalitos puede variar desde unos pocos nanómetros hasta varios milímetros.
El grado en que un sólido es cristalino ( cristalinidad ) tiene efectos importantes en sus propiedades físicas. [4] El azufre , aunque suele ser policristalino, también puede presentarse en otras formas alotrópicas con propiedades completamente diferentes. [5] Aunque los cristalitos se denominan granos, los granos en polvo son diferentes, ya que pueden estar compuestos de granos policristalinos más pequeños. [6] Generalmente, los policristales no se pueden sobrecalentar ; se derretirán rápidamente una vez que alcancen una temperatura lo suficientemente alta. Esto se debe a que los límites de los granos son amorfos y sirven como puntos de nucleación para la fase líquida . Por el contrario, si no hay ningún núcleo sólido presente cuando un líquido se enfría, tiende a sobreenfriarse . Dado que esto no es deseable para los materiales mecánicos, los diseñadores de aleaciones a menudo toman medidas para evitarlo (mediante el refinamiento del grano ).
Las fracturas 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) encontrado mediante granulometría láser puede ser diferente del "tamaño de grano" (más bien, tamaño de cristalito) encontrado por difracción de rayos X (por ejemplo, método de Scherrer ), por microscopía óptica bajo luz polarizada o por 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 los supuestos simplificadores de la mecánica continua se apliquen a los sólidos del mundo real. Sin embargo, la mayoría de los materiales fabricados tienen cierta alineación con sus cristalitos, lo que da como resultado una textura que debe tenerse en cuenta para realizar predicciones precisas de su comportamiento y características. Cuando los cristalitos están ordenados en su mayoría con una distribución aleatoria de orientaciones, se tiene un cristal de mosaico . El crecimiento anormal de grano , donde una pequeña cantidad de cristalitos son significativamente mayores que el tamaño medio de los cristalitos, se observa comúnmente en diversos materiales policristalinos y da como resultado propiedades mecánicas y ópticas que divergen de materiales similares que tienen una distribución de tamaño de cristalitos monodispersos con un cristalito medio similar. tamaño.
Las rocas de grano grueso se forman muy lentamente, mientras que las rocas de grano fino se forman rápidamente, en escalas de tiempo geológico. Si una roca se forma muy rápidamente, como por ejemplo a partir de la solidificación de la lava expulsada de un volcán , es posible que no haya ningún cristal. Así se forma la obsidiana .
Los límites de grano son interfaces donde se encuentran cristales de diferentes orientaciones. Un límite de grano es una interfaz monofásica, donde los cristales a cada lado del límite son idénticos excepto en la orientación. El término "límite de cristalita" se utiliza a veces, aunque raramente. Las áreas de límite de grano contienen aquellos átomos que han sido perturbados desde sus sitios originales de la red, dislocaciones e impurezas que han migrado al límite de grano de energía inferior.
Al tratar geométricamente un límite de grano como una interfaz de un solo cristal cortado en dos partes, una de las cuales se gira, vemos que se requieren cinco variables para definir un límite de grano. Los dos primeros números provienen del vector unitario que especifica un eje de rotación. El tercer número designa el ángulo de rotación del grano. Los dos últimos números especifican el plano del límite del grano (o un vector unitario que es normal a este plano).
Los límites de los granos interrumpen el movimiento de las dislocaciones a través de un material. La propagación de la dislocación se ve impedida debido al campo de tensión de la región del defecto del límite de grano y la falta de planos de deslizamiento y direcciones de deslizamiento y alineación general a través de los límites. Por lo tanto, reducir el tamaño del grano es una forma común de mejorar la resistencia , a menudo sin sacrificar la tenacidad porque los granos más pequeños crean más obstáculos por unidad de área del plano de deslizamiento. Esta relación tamaño-resistencia de los cristalitos viene dada por la relación Hall-Petch . La alta energía interfacial y los enlaces relativamente débiles en los límites de los granos los convierten en sitios preferidos para el inicio de la corrosión y la precipitación de nuevas fases del sólido.
La migración de los límites del grano juega un papel importante en muchos de los mecanismos de fluencia . La migración de los límites de los granos ocurre cuando un esfuerzo cortante actúa sobre el plano del límite de los granos y hace que los granos se deslicen. Esto significa que los materiales de grano fino en realidad tienen una resistencia pobre a la fluencia en relación con los granos más gruesos, especialmente a altas temperaturas, porque los granos más pequeños contienen más átomos en los sitios límite de grano. Los límites de grano también causan deformación en el sentido de que son fuentes y sumideros de defectos puntuales. Los huecos en un material tienden a acumularse en un límite de grano y, si esto sucede en un grado crítico, el material podría fracturarse .
Durante la migración de los límites de los granos, el paso determinante de la velocidad depende del ángulo entre dos granos adyacentes. En un límite de dislocación de ángulo pequeño, la tasa de migración depende de la difusión de vacantes entre dislocaciones. En un límite de dislocación de ángulo alto, esto depende del transporte de átomos mediante saltos de un solo átomo desde los granos que se contraen a los que crecen. [7]
Los límites de los granos generalmente tienen sólo unos pocos nanómetros de ancho. En los materiales comunes, los cristalitos son lo suficientemente grandes como para que los límites de los granos representen una pequeña fracción del material. Sin embargo, se pueden conseguir tamaños de grano muy pequeños. En los sólidos nanocristalinos, los límites de los granos se convierten en una fracción de volumen significativa del material, con efectos profundos en propiedades como la difusión y la plasticidad . En el límite de los cristalitos pequeños, a medida que la fracción de volumen de los límites de grano se acerca 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. El disco duro de una computadora, 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 leen. El tamaño de grano es importante en esta tecnología porque limita la cantidad de bits que pueden caber en un disco duro. Cuanto más pequeños sean los tamaños de grano, más datos se podrán almacenar.
Debido a los peligros de los límites de grano en ciertos materiales, como las palas de turbina de superaleación , se realizaron grandes avances tecnológicos para minimizar en la medida de lo posible el efecto de los límites de grano en las palas. El resultado fue un procesamiento de solidificación direccional en el que se eliminaron los límites de los granos produciendo estructuras de granos en forma de columnas alineadas paralelamente al eje de la pala, ya que esta suele ser la dirección de máxima tensión de tracción que siente una pala durante su rotación en un avión. Las palas de turbina resultantes estaban hechas de un solo grano, lo que mejoraba la confiabilidad.