Tipi di struttura cristallina: FCC, BCC e HCP spiegati

Introduzione

Le strutture cristalline definiscono la disposizione degli atomi nei metalli e in altri materiali solidi. La disposizione influisce sulla resistenza, sulla duttilità e su molte altre proprietà fondamentali.

Grafico della struttura cristallina

Di seguito è riportato un semplice schema delle tre principali strutture cristalline:
- Cubica a facce centrate - Gli atomi sono disposti in ogni angolo del cubo e al centro di ogni faccia. Questa struttura produce un elevato fattore di impaccamento.
- Cubo centrato sul corpo - Gli atomi risiedono sugli otto angoli e uno al centro del cubo. Questa struttura ha un fattore di impacchettamento inferiore rispetto alla cubica centrata sulle facce.
- Esagonale a impacchettamento stretto - Gli atomi formano strati a forma di esagono. Uno strato centrale si trova tra due strati simili. Questa disposizione è molto compatta e resistente.

Ogni struttura ha i suoi vantaggi. Le loro differenze sono importanti per la resistenza, la duttilità e la conduttività dei materiali. Nell'uso quotidiano, un piccolo cambiamento nella disposizione atomica può alterare le prestazioni di un metallo nelle applicazioni reali.

FCC, BCC e HCP

Le strutturecubiche a facce centrate sono comuni in metalli come rame, alluminio e oro. I loro atomi si toccano lungo le diagonali delle facce. Ciò conferisce loro un'eccellente duttilità e una facile deformazione sotto sforzo. Nei metalli che utilizzano questa disposizione, si riscontra spesso una buona resistenza alla fatica e all'usura.

Le strutture cubiche a corpo centrato sono presenti in metalli come il ferro (a temperatura ambiente), il cromo e il tungsteno. In queste strutture gli atomi offrono una disposizione meno densa. Gli atomi si mettono in contatto tra loro lungo le linee centrali del cubo. Di conseguenza, questi materiali hanno spesso una resistenza elevata, ma una duttilità inferiore rispetto al tipo cubico a facce centrate. Possono essere più fragili in condizioni di freddo.

Le strutture esagonali ravvicinate si trovano in metalli come il magnesio, il titanio e lo zinco. In questo caso, gli atomi si dispongono in uno strato a forma di esagono e poi si ripetono in forma ravvicinata. Queste disposizioni conferiscono ai metalli un'elevata resistenza. I loro sistemi di scorrimento possono essere meno numerosi. Questo potrebbe influenzare il modo in cui il metallo si deforma sotto sforzo.

Ogni struttura cristallina ha un proprio numero di coordinazione e un proprio fattore di impacchettamento. Nel cubo a facce centrate, il numero di coordinazione tipico è 12 con un fattore di impaccamento di circa 0,74. Il cubico a corpo centrato mostra un numero di coordinazione di 8 con un fattore di impaccamento vicino a 0,68. L'esagono chiuso ha un numero di coordinazione di 12 e un fattore di impacchettamento simile a quello del cubico a facce centrate. Questi numeri ci aiutano a capire le differenze nelle proprietà fisiche e nel comportamento meccanico.

Molti casi pratici mostrano ognuna di queste disposizioni in azione. Per esempio, nel settore automobilistico, i componenti in alluminio utilizzano tipicamente la disposizione cubica a facce centrate per la loro capacità di assorbire gli urti. Nelle costruzioni e nei macchinari pesanti, i metalli cubici a corpo centrato sono scelti per i pezzi che richiedono un'elevata resistenza. Nel settore aerospaziale, il titanio, con la sua struttura esagonale ravvicinata, trova impiego in aree che richiedono un metallo leggero ma resistente.

Materiali con tipi di reticolo

I materiali con diversi tipi di reticolo mostrano proprietà diverse nell'uso quotidiano. Il rame, un metallo cubico a facce centrate, è abbastanza morbido da essere piegato, ma abbastanza resistente per i sistemi di cablaggio e di scambio termico. Il ferro cubico a corpo centrato è usato in edilizia perché resiste alla deformazione anche sotto carichi pesanti. Il magnesio, con la sua struttura esagonale ravvicinata, è utilizzato nell'industria aeronautica per la sua leggerezza e il suo miglior rapporto resistenza/peso.

Quando si sceglie un materiale per un lavoro, si guarda anche alla disposizione dei reticoli. La struttura cubica centrata sulla faccia aiuta a realizzare componenti che devono sopportare ripetute piegature senza incrinarsi. La struttura cubica centrata sul corpo è preferita quando i componenti devono essere altamente resistenti ai carichi d'urto. La struttura esagonale ravvicinata viene scelta quando è necessario un materiale leggero ma duro.

Ingegneri e scienziati utilizzano queste osservazioni per personalizzare le proprietà dei materiali. Controllano la struttura cristallina attraverso leghe e trattamenti termici per ottenere i risultati desiderati in termini di resistenza, tenacità o conduzione elettrica. Questa applicazione pratica della scienza dei materiali ha guidato la progettazione di ponti, edifici, motori e persino di utensili da cucina di uso quotidiano.

Conclusione

Comprendere le differenze tra le disposizioni cubiche a facce centrate, cubiche a corpi centrati e esagonali ravvicinate aiuta a scegliere il materiale giusto per un compito specifico. La disposizione degli atomi non è solo un discorso accademico. È importante per il modo in cui i metalli si piegano, si allungano o resistono alle forze. Spero che questa guida semplice e amichevole vi abbia dato una visione chiara di questi importanti tipi di reticolo. Tenete presente che anche un piccolo cambiamento nella disposizione degli atomi può portare a grandi cambiamenti nelle prestazioni dei metalli. Questa breve panoramica dovrebbe essere un utile punto di riferimento sia per lo studio dei materiali che per il lavoro sul campo.

Domande frequenti

F: Qual è il principale vantaggio di una struttura cubica a facce centrate?
D: Offre un'elevata duttilità e facilità di deformazione sotto sforzo.

F: Perché una struttura cubica centrata sul corpo ha una duttilità inferiore?
D: Gli atomi sono impacchettati in modo meno denso, con conseguente minore flessibilità sotto impatto.

F: Che tipo di applicazioni utilizzano i metalli a struttura esagonale ravvicinata?
D: Sono comuni nel settore aerospaziale e nelle applicazioni che richiedono leggerezza e alta resistenza.

Riferimenti:

[1] Kumar Saxena, Sachin & Gaur, Vidit. (2022). Progressi nelle tecniche di previsione della fatica. 10.5772/intechopen.99361.