Un cristalito es un cristal pequeño o incluso microscópico que se forma, por ejemplo, durante el enfriamiento de muchos materiales. Los cristalitos también se denominan granos .
La bacilita es un tipo de cristalito. [1] Tiene forma de varilla con longulitas paralelas. [2]
La orientación de los cristalitos puede ser aleatoria sin una 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 altamente 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. Las estructuras policristalinas y las fases paracristalinas se encuentran entre estos dos extremos. Los materiales policristalinos, o policristales, son sólidos que se componen de muchos cristalitos de tamaño y orientación variables. La mayoría de los materiales son policristalinos, formados por una gran cantidad de cristalitos unidos por capas delgadas de sólido amorfo. La mayoría de los sólidos inorgánicos son policristalinos, incluidos todos los metales comunes, muchas cerámicas , rocas y hielo. [ cita requerida ]
Las áreas donde se encuentran los cristalitos se conocen como límites de grano .
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 por un solo cristal, excepto en unos pocos 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). [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 normalmente es policristalino, también puede presentarse en otras formas alotrópicas con propiedades completamente diferentes. [5] Aunque los cristalitos se denominan granos, los granos de 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 se lleven a una temperatura lo 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 contra ello (mediante el refinamiento del grano ).
Las fracturas de material 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" (más bien, el tamaño de los cristalitos) determinado mediante difracción de rayos X (por ejemplo, el método de Scherrer ), mediante microscopía óptica bajo luz polarizada o mediante microscopía electrónica de barrido (electrones retrodispersados).
Si los cristalitos individuales están orientados completamente al azar, un volumen suficientemente grande de material policristalino será aproximadamente isótropo . Esta propiedad ayuda a que las suposiciones simplificadoras de la mecánica del medio continuo 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 mayoritariamente ordenados con una distribución aleatoria de orientaciones, se tiene un cristal de mosaico . El crecimiento anormal del grano , donde una pequeña cantidad de cristalitos son significativamente más grandes que el tamaño medio del cristalito, 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 cristalito monodisperso con un tamaño medio de cristalito similar.
Las rocas de grano grueso se forman muy lentamente, mientras que las rocas 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 de un volcán , es posible que no haya cristales en absoluto. Así es como 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, con cristales a cada lado del límite que son idénticos excepto en la orientación. El término "límite de cristalitos" se utiliza a veces, aunque raramente. Las áreas de límite de grano contienen aquellos átomos que han sido perturbados de sus sitios reticulares originales, dislocaciones e impurezas que han migrado al límite de grano de menor energía.
Si consideramos geométricamente un límite de grano como una interfaz de un único cristal cortado en dos partes, una de las cuales está rotada, observamos 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 de grano (o un vector unitario que es normal a este plano).
Los límites de grano interrumpen el movimiento de las dislocaciones a través de un material. La propagación de las dislocaciones 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, la reducción del tamaño de 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 de cristalito-resistencia está dada por la relación Hall-Petch . La alta energía interfacial y la unión relativamente débil en los límites de grano los convierte en sitios preferidos para el inicio de la corrosión y para la precipitación de nuevas fases del sólido.
La migración de los límites de grano desempeña un papel importante en muchos de los mecanismos de fluencia . La migración de los límites de grano se produce cuando una tensión de corte actúa sobre el plano del límite de grano 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 de los límites de grano. Los límites de grano también causan 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 sucede en una medida crítica, el material podría fracturarse .
Durante la migración de los límites de grano, el paso que determina 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 alto, esto depende del transporte de átomos mediante saltos de átomos individuales desde los granos en contracción a los granos en crecimiento. [7]
Los límites de grano tienen generalmente sólo 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 lograr 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 tales 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 cualquier 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 realinear 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 pueden almacenar.
Debido a los peligros que entrañan los límites de grano en determinados materiales, como las superaleaciones de las palas de turbina, se realizaron grandes avances tecnológicos para minimizar al máximo el efecto de los límites de grano en las palas. El resultado fue el procesamiento de solidificación direccional en el que se eliminaron los límites de grano mediante la producción de estructuras de grano en forma de columna alineadas en paralelo 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 consistían en un solo grano, lo que mejoraba la fiabilidad.