Defectos Cristalinos 2t1n44

DEFECTOS CRISTALINOS P R O P I E D A D E S D E L O S M AT E R I A L E S

DEFECTO CRISTALINO • Muchas de las propiedades de los materiales son muy sensibles al desvío de Ia perfección cristalina. • Esta influencia no siempre es negativa, sino que algunas características específicas se consiguen deliberadamente introduciendo cantidades controladas de defectos particulares. • Un defecto cristalino es una irregularidad de red en Ia cual una o más de sus dimensiones son del orden de un diámetro atómico. • La clasificación de las imperfecciones cristalinas se realiza frecuentemente según las dimensiones del defecto.

¿A QUÉ SE DEBEN LOS DEFECTOS? • Orden de lado alcance (Cristal): al solidificar el material, los átomos se sitúan según un patrón tridimensional repetitivo, en el cual cada átomo está enlazado con su vecino más próximo

Sólidos • Son orden (amorfo): carecen de un ordenamiento atómico sistemático y regular a distancias atómicas relativamente grandes.

CLASIFICACIÓN DE LOS DEFECTOS CRISTALINOS SEGÚN SU DIMENSIÓN 1. Puntuales 1.

Vacancias

2.

Intersticios

3.

Sustitución

4.

Defecto Frenkel

5.

Defecto Schottky

2. Lineales 1.

Dislocaciones

3. Superficiales 1.

Superficie de cristal

2.

Límite de grano

3.

Maclas

4.

Otros defectos superficiales

4. Volumétricos 1.

Cavidades

2.

Precipitacion de fases

DEFECTOS PUNTUALES

VA C A N C I A

Son puntos de red vacíos en la estructura del material. Estos lugares deberían idealmente estar ocupados por átomos, sin embargo se encuentran vacíos.

VACANCIA • Se produce cuando falta un átomo en la estructura cristalina • Todos los materiales cristalinos tienen defectos de vacancia. • Las vacancias pueden producirse durante la solidificación como resultado de perturbaciones locales durante el crecimiento de los cristales. • En los metales se pueden introducir vacancias durante la deformación plástica, por enfriamiento rápido desde altas a bajas temperaturas, o como consecuencia de daños por radiación. • Las vacancias son importantes cuando se desean mover los átomos en un material sólido (difusión).

VACANCIA • El número de vacancias en equilibrio a una determinada temperatura en una red cristalina metálica puede expresarse por la siguiente ecuación:  

Nv: cantidad de vacancias por cm3 N: cantidad de átomos por cm3 Q: energía para producir un mol de vacancias (cal/mol o joule/mol) R: constante de los gases (1,987 cal/mol K; 8,31 joule/mol K) T: temperatura en grados Kelvin

ÁTOMO INTERSTICIAL

El defecto intersticial es cuando un átomo extra se introduce en un lugar de la estructura cristalina donde no se encuentra normalmente.

DEFECTO INTERSTICIAL • Los átomos intersticiales pueden ser de mayor tamaño que los sitios intersticiales, por lo cual la región cristalina vecina está comprimida y distorsionada. • El aumento de sitios intersticiales ocupados en la red cristalina, produce un aumento de la resistencia de los materiales metálicos • La cantidad de átomos intersticiales en la estructura es aproximadamente constante (aún cuando cambie la temperatura)

En teoría un material S U Sestá T I Tformado UCIÓN puro exclusivamente por el mismo tipo de átomos. Los materiales reales no sino 100% puros sino que poseen impurezas, las cuales se definen como átomos diferentes a los átomos del material original. Cada uno de esos átomos diferentes sustituye a un átomo original ocupando su punto de red, recibe el nombre de átomo sustitucional.

DEFECTO SUSTITUCIONAL • Un átomo sustitucional ocupa un sitio normal en la red. • Estos átomos cuando son de mayor tamaño, causa una reducción de los espacios interatómicos vecinos. • Cuando son de menor tamaño, se produce una mayor distancia interatómica entre los átomos vecinos • Los defectos sustitucionales se pueden introducir en forma de impurezas o adicionar de manera deliberada en la aleación. • Una vez introducidos, la cantidad de defectos no varia con la temperatura.

DEFECTO FRENKEL

Este defecto es una combinación entre el defecto de vacancia e intersticial, donde un átomo que se encuentra en un lugar normal de la estructura cristalina salta hacia un lugar intersticial dejando así una vacancia. Se presenta generalmente en cristales iónicos, también se puede presentar en los metales y en materiales con enlaces covalentes.

DEFECTO SCHOTTKY Es un defecto exclusivo de los materiales iónicos y suele encontrarse en muchos materiales cerámicos. Cuando dos iones de carga opuesta faltan en un cristal iónico, se crea una divacante aniónica-catiónica que se conoce como defecto de Schottky Cuando se deja una vacancia de un anión, también debe dejarlo un catión para mantener un equilibrio en la red. Debe encontrarse la misma cantidad de aniones que de cationes.

IMPORTANCIA DE LOS DEFECTOS PUNTUALES • Los defectos puntuales alteran el arreglo perfecto de los átomos circundantes, distorsionando la red a lo largo de cientos de espaciamientos atómicos, a partir del defecto. • Una dislocación que se mueva a través de las cercanías de un defecto puntual encuentra una red en la cual los átomos no están en sus posiciones de equilibrio. • Esta alteración requiere que se aplique un esfuerzo mayor para que la dislocación venza al defecto, incrementando así la resistencia y dureza del material

DEFECTOS LINEALES IMPERFECCIÓN LINEAL ALREDEDOR DE L A C U A L L O S ÁT O M O S D E L C R I S TA L E S TÁ N D E S A L I N E A D O S

D IS LOCA CI ÓN DE A R I S TA Semiplano de átomos cuya arista (borde) termina dentro del cristal. (borde o de cuña) Las dislocaciones de borde se simbolizan con un signo de perpendicular, Una dislocación de borde se crea en un cristal por la intersección de un semiplano extra de átomos.

DISLOCACIÓN

DISLOCACIÓN DE ARISTA • La dislocación de cuña o de arista, es un defecto lineal centrado alrededor de la línea definida por el extremo del semiplano de átomos extras. • La magnitud y la dirección de la distorsión reticular asociada a una dislocación se expresa en función del vector de Burgers, designado por b. • El vector de Burgers es el vector necesario para cerrar una trayectoria alrededor d ela línea de dislocación y volver al punto inicial y es perpendicular a la línea de dislocación • La dislocación de borde presenta una región de compresión donde se encuentra el semiplano extra y una región de tracción debajo del semiplano extra de átomos.

DISLOCACIÓN DE TORNILLO Una dislocación de tornillo se puede formar en un cristal perfecto aplicando tensiones de cizalladura en las regiones del cristal perfecto que han sido separadas por un plano cortante. Estas tensiones de cizalladura introducen en la estructura cristalina una región de distorsión en forma de una rampa en espiral de átomos distorsionados.

D IS LOCA CI ÓN M I X TA La línea de dislocación puede presentar partes de carácter de borde y otras de carácter de tornillo. La mayoría de las dislocaciones que existen en materiales cristalinos no son propiamente ni de cuña ni de hélice si no presentan componentes de ambos tipos se denominan

IMPORTANCIA DE LAS DISLOCACIONES • Es un mecanismo que explica la deformación plástica de los metales, ya que el esfuerzo aplicado causa el movimiento de las dislocaciones • La presencia de dislocaciones explica porque la resistencia de los metales es mucho mas baja que el valor calculado a partir de la unión metálica (rompimiento de enlaces) • El deslizamiento proporciona ductilidad a los metales, de lo contrario éstos serian frágiles y no podrían ser conformados (materiales cerámicos, polímeros, materiales iónicos) • Se controlan las propiedades mecánicas de un metal o aleación interfiriendo el movimiento de las dislocaciones

DEFECTOS SUPERFICIALES

SUPERFICIE DE CRISTAL • Incluyen superficies externas, limites de macla, defectos de apilamiento y limite • La superficie externa constituye uno de los limites más evidentes, se considera una imperfección puesto que representa el límite de Ia estructura cristalina, donde termina. • Los átomos que se encuentran en la superficie tienen enlace químicos no completos, lo cual los hace más reactivos quíicamente que el resto de átomos. • Los enlaces no realizados de estos átomos superficiales aumentan Ia energía superficial (enlaces inconexos), expresada en unidades de energía por unidad de área (J/m2 o erg/cm3). • Los materiales tienden a minimizar el área total de Ia superficie para disminuir esta energía.

LÍMITE DE GRANO • Son límites o planos que separan un material en regiones, cada región tiene la misma estructura cristalina, pero distinta orientación. • Cuando Ia diferencia de orientaciones es pequeña, del orden de unos pocos grados. Se denomina límite de grano de ángulo pequeño. • Si la diferencia de las orientaciones es grande se llama límite de ángulo grande

LÍMITE DE GRANO

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La imagen muestra la superficie de un acero observada con microscopio a una magnificación 100X. La superficie de acero fue pulida y atacada con un reactivo químico para revelar su microestructura (el conjunto de granos que forman el material). Se observan granos de color claro y oscuro. Además es posible observar las fronteras de los granos

MACLAS • Una macla es un tipo de defecto cristalino que puede ocurrir durante la solidificación, deformación plástica, recristalización o crecimento de grano. • Las maclas se generan por desplazamientos atómicos producidos al aplicar fuerzas mecánicas cizallantes (maclas mecánicas) y también durante tratamientos térmicos de recocido posteriores a Ia deformación (maclas de recocido). • El maclaje ocurre en un plano cristalográfico definido y en una dirección específica, ambos dependen de la estructura cristalina.

OTROS DEFECTOS SUPERFICIALES Otros defectos interfaciales son los fallos de apilamiento y paredes de dominios ferromagnéticos. Los defectos de apilamiento en FCC aparecen cuando se interrumpe la secuencia ABCABCABC... de apilamiento de planos de átomos compactos. En los materiales ferromagnéticos y ferrimagnéticos, los Iímites que separan regiones que tienen diferentes direcciones de magnetización se denominan paredes de dominio.

DEFECTOS VOLUMÉTRICOS ESTO ES DEBIDO A: - S O L I D I F I C A C I Ó N D E LO S M E TA L E S -

T R ATA M I E N T O S T É R M I C O S

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ESFUERZOS APLICADOS

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MAL DISEÑO

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M A L A S E L E C C I Ó N D E M AT E R I A L E S

• En todos los materiales sólidos existen otros defectos mayores que los descritos. Son los poros, grietas. inclusiones extrañas y otras fases. Normalmente se introducen durante las etapas de fabricación. • En los metales, al igual que en otros materiales, se produce una disminución de volumen en el paso de líquido a sólido, que puede producir faltas de material llamadas rechupes. Otro defecto que puede aparecer es la formación de burbujas, que se llaman sopladuras.

VENTAJAS DE LOS DEFECTOS CRISTALINOS • Los defectos cristalinos dan las propiedades más interesantes de la materia, como la deformación plástica, la resistencia a la rotura, la conductividad eléctrica, el color, la difusión. • Los defectos puntuales producen deformación o distorsión de la estructura cristalina en sus alrededores. Cuando una dislocación intenta desplazarse a través de estas distrosiones localizadas, encuentra una resistencia adicional a su movimiento (endurecimiento por deformación plástica); por lo tanto la presencia de defectos puntuales hace más difícil la deformación plástica de los metales, por eso se dice que aumenta su resistencia mecánica.