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ESTRUCTURA Y ARREGLO CRISTALINO, IMPERFECCIONES Y MOVILIDAD DE LOS ÁTOMOS (DIFUSIÓN)

ESTRUCTURA CRISTALINA

• ES LA FORMA SÓLIDA DE CÓMO SE ORDENAN Y EMPAQUETAN LOS ÁTOMOS, MOLÉCULAS, O IONES. ESTOS SON EMPAQUETADOS DE MANERA ORDENADA Y CON PATRONES DE REPETICIÓN QUE SE EXTIENDEN EN LAS TRES DIMENSIONES DEL ESPACIO.

• SE DICE QUE EL MATERIAL ES CRISTALINO. SI LOS ÁTOMOS O IONES SE DISPONEN DE UN MODO TOTALMENTE ALEATORIO, SIN SEGUIR NINGÚN TIPO DE SECUENCIA DE ORDENAMIENTO, ESTARÍAMOS ANTE UN MATERIAL NO CRISTALINO Ó AMORFO.

ESTRUCTURA CRISTALINA DE LOS MATERIALES

• LOS MATERIALES SÓLIDOS SE PUEDEN CLASIFICAR DE ACUERDO A LA REGULARIDAD CON QUE LOS ÁTOMOS O IONES ESTÁN ORDENADOS UNO CON RESPECTO AL OTRO. UN MATERIAL CRISTALINO ES AQUEL EN QUE LOS ÁTOMOS SE ENCUENTRAN SITUADOS EN UN ARREGLO REPETITIVO O PERIÓDICO DENTRO DE GRANDES DISTANCIAS ATÓMICAS; TAL COMO LAS ESTRUCTURAS SOLIDIFICADAS, LOS ÁTOMOS SE POSICIONARÁN DE UNA MANERA REPETITIVA TRIDIMENSIONAL EN EL CUAL CADA ÁTOMO ESTÁ ENLAZADO AL ÁTOMO VECINO MÁS CERCANO. TODOS LOS METALES, MUCHOS CERÁMICOS Y

CELDA UNITARIA • ES EL AGRUPAMIENTO MÁS PEQUEÑO DE ÁTOMOS QUE CONSERVA LA GEOMETRÍA DE LA ESTRUCTURA CRISTALINA, Y QUE AL APILARSE EN UNIDADES REPETITIVAS FORMA UN CRISTAL CON DICHA ESTRUCTURA.

• LA ESTRUCTURA CRISTALINA DE UN SÓLIDO DEPENDE DEL TIPO DE ENLACE ATÓMICO, DEL TAMAÑO DE LOS ÁTOMOS (O IONES), Y LA CARGA ELÉCTRICA DE LOS IONES EN SU CASO).

• EXISTEN SIETE SISTEMAS CRISTALINOS LOS CUALES SE DISTINGUEN ENTRE SÍ POR LA LONGITUD DE SUS ARISTAS DE LA CELDA (LLAMADOS CONSTANTES O PARÁMETROS DE LA CELDA) Y LOS ÁNGULOS ENTRE LOS BORDES DE ÉSTA. ESTOS SISTEMAS SON: CÚBICO, TETRAGONAL, ORTORRÓMBICO, ROMBOÉDRICA (O TRIGONAL), HEXAGONAL, MONOCLÍNICO Y TRICLÍNICO.

CELDAS CÚBICAS

CELDAS TETRAGONALES

CELDAS ORTORRÓMBICAS

ROMBOÉDRICA

MONO CÍCLICO

TRICÍCLICO

HEXAGONAL

IMPERFECCIONES • NADA EN NUESTRO MUNDO NO ES TAN PERFECTO, NO EXISTE UN MATERIAL REAL EN INGENIERÍA QUE NO TENGA POR LO MENOS UNOS POCOS DEFECTOS ESTRUCTURALES, INCLUSO EN LA PERFECCIÓN CRISTALINA ESTOS DEFECTOS ESTRUCTURALES ESTÁN PRESENTES, ALGUNOS EN MAYOR CANTIDAD QUE OTROS. LOS DEFECTOS PRIMORDIALES EN LOS MATERIALES DE INGENIERÍA SON: LA IMPERFECCIÓN QUÍMICA, DEFECTOS PUNTUALES, DEFECTOS LINEALES Y DEFECTOS PLANARES.

IMPERFECCIÓN QUIMICA. • NO EXISTE UN MATERIAL SOLIDO QUE SEA PREPARADO SIN CONTENER CONTAMINACION, ES DECIR NINGUN MATERIAL PUEDE SER PREPARADO SIN TENER ALGUN GRADO DE IMPUREZAS, LOS ATOMOS O IONES QUE COMPONEN A LAS IMPUREZAS ALTERAN LA REGULARIDAD ESTRUCTURAL DEL MATERIAL PURO IDEAL. LA CONTAMINACION NORMAL DE UNA SUSTANCIA SOLIDA (COMO EL CASO DE UN CRISTAL) CON IMPUREZAS SE LE CONOCE COMO IMPERFECCION QUIMICA.

• DEFECTOS PUNTUALES - IMPERFECCIÓN CERODIMENSIONALSON IMPERFECCIONES ESTRUCTURALES QUE RESULTAN DE LA AGITACIÓN TÉRMICA. EXISTEN EN LOS MATERIALES INDEPENDIENTEMENTE DE LAS IMPUREZAS QUÍMICAS.  • VACANCIA, LUGAR DESOCUPADO POR UN ÁTOMO DENTRO DE LA ESTRUCTURA DEL CRISTAL.  • INTERSTICIALIDAD, UN ÁTOMO OCUPA UN LUGAR INTERSTICIAL QUE NO ES NORMALMENTE OCUPADO EN LA ESTRUCTURA PERFECTA DEL CRISTAL.

• DEFECTOS PUNTUALES - IMPERFECCIÓN CERODIMENSIONAL  • • EL DEFECTO DE SCHOTTKY, CONSISTE EN UNA VACANTE QUE DEJA UN PAR DE IONES CON CARGAS OPUESTAS, NECESARIO PARA MANTENER LOCALMENTE LA NEUTRALIDAD DE CARGA DENTRO DE LA ESTRUCTURA DEL CRISTAL. • • EL DEFECTO DE FRENKEL, COMBINACIÓN VACANCIAINTERSTICIO, SE PRESENTA EN ESTRUCTURAS RELATIVAMENTE ABIERTAS ACOMODAN IONES INTERSTICIALES SIN GENERAR ESFUERZO EXCESIVO.

DEFECTOS LINEALES O DISLOCACIONES. (IMPERFECCION UNIDIMIMENCIONAL). • LA RED CRISTALINA SE DISTORSIONA ALREDEDOR DE UNA LINEA. LAS IMPERFECCIONES UNIDIMENSIONALES ESTAN ASOCIADAS CON DEFORMACIONES MECANICAS. EL DEFECTO LINEAL GENERALMENTE ES DESIGNADO CON UNA “T INVERTIDA”. LAS DISLOCACIONES PUEDEN SER DE TIPO HELICOIDAL (DE TORNILLO) O DE BORDE, ASI COMO COMBINACIONES MIXTAS DE AMBAS. SE CUANTIFICAN POR MEDIO DEL VECTOR DE BURGERS B QUE INDICA LA PRESENCIA DE UNA DISLOCACION EN EL CRISTAL.

• DISLOCACION DE BORDE: SE GENERA POR LA INSERCION DE UN SEMIPLANO ADICIONAL DE ATOMOS. LA DISTANCIA DE DESPLAZAMIENTO DE LOS ATOMOS ALREDEDOR DE UNA DISLOCACION SE DENOMINA VECTOR B DE DESLIZAMIENTO O DE BURGERS Y ES PERPENDICULAR A LA LINEA DE DISLOCACION.

• DISLOCACIÓN DE TORNILLO: SE GENERA EN UN PLANO QUE SE SOMETE A UN ESFUERZO DE CORTE. SE PROVOCA UN DESPLAZAMIENTO QUE GENERA UNA SUPERFICIE DE UN PLANO EN FORMA DE ESPIRAL SEMEJANTE AL MOVIMIENTO DE UN TORNILLO.

• DATO: LAS DISLOCACIONES EN ALGUNOS MATERIALES HACEN QUE EL MATERIAL SE ABLANDE Y MIENTRAS MÁS SE VAYA USANDO EL MATERIAL SE HACE MAS BLANDO.

DEFECTOS PLANARES • TAMBIÉN SE LES CONOCE COMO BORDES DE GRANO. SON IMPERFECCIONES EN LA SUPERFICIE QUE SEPARAN LOS GRANOS (CRISTALES) DE DIFERENTES ORIENTACIONES EN MATERIALES POLICRISTALINOS. ES UNA REGIÓN DE ÁTOMOS MAL DISTRIBUIDOS ENTRE GRANOS ADYACENTES. • EN LOS METALES LOS LÍMITES DE GRANO SE CREAN DURANTE LA SOLIDIFICACIÓN CUANDO LOS CRISTALES FORMADOS A PARTIR DE DIFERENTES NÚCLEOS CRECEN SIMULTÁNEAMENTE Y SE ENCUENTRAN UNOS

EL BORDE DE GRANO ES UNA REGIÓN ESTRECHA. EL EMPAQUETAMIENTO ATÓMICO DE LOS BORDES DE GRANO ES ALGO MENOR QUE DENTRO DE LOS GRANOS.

1.3 MOVILIDAD DE LOS ATOMOS (DIFUCION)

CONSIDERACIONES SOBRE LA DIFUSION EN SOLIDOS. ES EL MOVIMIENTO DE LOS ÁTOMOS, IONES O MOLÉCULAS, DENTRO DE UN MATERIAL. ESTOS SE MUEVEN DE MANERA PREDECIBLE, TRATANDO DE ELIMINAR DIFERENCIAS DE CONCENTRACIÓN Y PRODUCIR UNA COMPOSICIÓN HOMOGÉNEA Y UNIFORME. LA DIFUSIÓN PUEDE SER DEFINIDA COMO EL MECANISMO POR EL CUAL LA MATERIA ES TRANSPORTADA POR LA MATERIA. EN LOS SOLIDOS, ESTOS MOVIMIENTOS ATÓMICOS QUEDAN RESTRINGIDOS DEBIDO A LOS ENLACES QUE MANTIENEN LOS ÁTOMOS EN LAS POSICIONES DE EQUILIBRIO, POR EL CUAL EL ÚNICO MECANISMO DE TRANSPORTE DE MASA ES LA DIFUSIÓN. LA PROBABILIDAD DE INTERCAMBIAR POSICIONES DEPENDE DE LA TEMPERATURA.

MECANISMOS DE DIFUSIÓN. EXISTEN DOS MECANISMOS PRINCIPALES DE DIFUSIÓN EN LOS ÁTOMOS EN UNA ESTRUCTURA CRISTALINA: 1. MECANISMO DE VACANTES O SUSTITUCIONAL

2. EL MECANISMO INTERSTICIAL.

1. MECANISMO DE DIFUSION POR VACANTES O SUSTITUCIONAL. LOS ÁTOMOS PUEDEN MOVERSE EN LAS REDES CRISTALINAS DESDE UNA POSICIÓN A OTRA SI HAY PRESENTE SUFICIENTE ENERGÍA DE ACTIVACIÓN PROPORCIONADA ESTA POR LA VIBRACIÓN TÉRMICA EN LOS ÁTOMOS, SI HAY VACANTES U OTROS DEFECTOS CRISTALINOS EN LA ESTRUCTURA PARA QUE ELLOS LOS OCUPEN. LAS VACANTES EN LOS METALES SON DEFECTOS EN EQUILIBRIO, Y POR ELLO ALGUNOS ESTÁN SIEMPRE PRESENTES PARA FACILITAR QUE TENGAN LUGAR LA DIFUSIÓN SUSTITUCIONAL DE LOS ÁTOMOS. SEGÚN VA AUMENTANDO LA TEMPERATURA DEL METAL SE PRODUCIRÁN MAS VACANTES Y HABRÁ MAS ENERGÍA TÉRMICA DISPONIBLE, POR TANTO, EL GRADO DE DIFUSIÓN ES MAYOR A TEMPERATURAS MAS ALTAS.

ENERGÍA DE ACTIVACIÓN: SUELE UTILIZARSE PARA DENOMINAR LA ENERGÍA MÍNIMA NECESARIA PARA QUE SE PRODUZCA UNA REACCIÓN DADA. PARA QUE OCURRA UNA REACCIÓN ENTRE DOS MOLÉCULAS, ESTÁN DEBEN COLISIONAR EN LA ORIENTACIÓN CORRECTA Y POSEER UNA CANTIDAD DE ENERGÍA MÍNIMA.

2. MECANISMO DE DIFUSION INTERSTICIAL. LA DIFUSIÓN INTERSTICIAL DE LOS ÁTOMOS EN REDES CRISTALINAS TIENEN LUGAR CUANDO LOS ÁTOMOS SE TRASLADAN DE UN INTERSTICIO A OTRO CONTINUO AL PRIMERO SIN DESPLAZAR PERMANENTEMENTE A NINGUNO DE LOS ÁTOMOS DE LA MATRIZ DE LA RED CRISTALINA. PARA QUE EL MECANISMO INTERSTICIAL SE EFECTIVO , EL TAMAÑO DE LOS ÁTOMOS QUE SE DIFUNDEN DEBE SER RELATIVAMENTE PEQUEÑO COMPARADO CON EL DE LOS ÁTOMOS DE LA MATRIZ. LOS ÁTOMOS PEQUEÑOS COMO LOS DE HIDROGENO, CARBONO, OXIGENO Y NITRÓGENO, PUEDEN DIFUNDIRSE INTERSTICIALMENTE EN ALGUNAS REDES CRISTALINAS METÁLICAS. POR EJEMPLO EL CARBONO PUEDE DIFUNDIRSE INTERSTICIALMENTE EN EL HIERRO ALFA BCC Y EL HIERRO GAMMA FCC. EN LA DIFUSIÓN INTERSTICIAL DE CARBONO EN HIERRO, LOS ÁTOMOS DE CARBONO DEBEN PASAR ENTRE LOS ÁTOMOS DE LA MATRIZ DE HIERRO.

LOS VALORES DE LA DIFUSIVIDAD DEPENDEN DE MUCHAS VARIABLES, LAS MAS IMPORTANTES SON LAS SIGUIENTES: LA TEMPERATURA A LA CUAL OCURRE LA DIFUSIÓN: SI LA TEMPERATURA AUMENTA EN EL SISTEMA LA DIFUSIVIDAD TAMBIÉN SE VE INCREMENTADA. EL TIPO DE ESTRUCTURA CRISTALINA DE LA RED MATRIZ: LA ESTRUCTURA CRISTALINA BCC QUE POSEE UN FACTOR DE EMPAQUETAMIENTO DE 0.68 AYUDA A QUE LA DIFUSIVIDAD SEA MAYOR QUE EN UNA RED FCC QUE POSEE UN FACTOR DE EMPAQUETAMIENTO DE 0.74. DE ESTA MANERA LOS ÁTOMOS DE CARBONO SE PUEDEN DIFUNDIR MAS FÁCILMENTE EN UNA RED DE HIERRO BCC QUE EN UNA RED FCC. EL TIPO DE IMPERFECCIONES CRISTALINAS: LA MAYORÍA DE ESTRUCTURAS ABIERTAS PERMITEN UNA DIFUSIÓN MAS RÁPIDA DE LOS ÁTOMOS. LAS VACANTES EN EXCESO INCREMENTAN LAS VELOCIDADES DE DIFUSIÓN EN METALES Y ALEACIONES.

DIFUSIÓN EN SÓLIDOS • LA DIFUSIÓN PUEDE SER DEFINIDA COMO EL MECANISMO POR EL CUAL LA MATERIA ES TRANSPORTADA POR LA MATERIA.

MECANISMOS DE DIFUSIÓN

• EXISTEN DOS MECANISMOS PRINCIPALES DE DIFUSIÓN EN LOS ÁTOMOS EN UNA ESTRUCTURA CRISTALINA: MECANISMO DE VACANTES O SUSTITUCIONAL, Y EL MECANISMO INTERSTICIAL.

MECANISMO DE DIFUSIÓN POR VACANTES O SUSTITUCIONAL

• LOS ÁTOMOS PUEDEN MOVERSE EN LAS REDES CRISTALINAS DESDE UNA POSICIÓN A OTRA SI HAY PRESENTE SUFICIENTE ENERGÍA DE ACTIVACIÓN, PROPORCIONADA ÉSTA POR LA VIBRACIÓN TÉRMICA DE LOS ÁTOMOS, Y SI HAY VACANTES U OTROS DEFECTOS CRISTALINOS EN LA ESTRUCTURA PARA QUE ELLOS LOS OCUPEN. LAS VACANTES EN LOS METALES SON DEFECTOS EN EQUILIBRIO, Y POR ELLO ALGUNOS ESTÁN SIEMPRE PRESENTES PARA FACILITAR QUE TENGA LUGAR LA DIFUSIÓN SUSTITUCIONAL DE LOS ÁTOMOS. SEGÚN VA AUMENTANDO LA TEMPERATURA DEL METAL SE PRODUCIRÁN MÁS VACANTES Y HABRÁ MÁS ENERGÍA TÉRMICA DISPONIBLE, POR TANTO, EL GRADO DE DIFUSIÓN ES MAYOR A TEMPERATURAS MÁS ALTAS. • LA ENERGÍA DE ACTIVACIÓN PARA LA DIFUSIÓN PROPIA ES IGUAL A LA SUMA DE LA ENERGÍA DE ACTIVACIÓN NECESARIA PARA FORMAR LA VACANTE Y LA ENERGÍA DE ACTIVACIÓN NECESARIA PARA MOVERLA.

MECANISMO DE DIFUSIÓN INTERSTICIAL • LA DIFUSIÓN INTERSTICIAL DE LOS ÁTOMOS EN REDES CRISTALINAS TIENE LUGAR CUANDO LOS ÁTOMOS SE TRASLADAN DE UN INTERSTICIO A OTRO CONTIGUO AL PRIMERO SIN DESPLAZAR PERMANENTEMENTE A NINGUNO DE LOS ÁTOMOS DE LA MATRIZ DE LA RED CRISTALINA. PARA QUE EL MECANISMO INTERSTICIAL SEA EFECTIVO, EL TAMAÑO DE LOS ÁTOMOS QUE SE DIFUNDE DEBE SER RELATIVAMENTE PEQUEÑO COMPARADO CON EL DE LOS ÁTOMOS DE LA MATRIZ. LOS ÁTOMOS PEQUEÑOS COMO LOS DE HIDRÓGENO, CARBONO, OXÍGENO Y NITRÓGENO, PUEDEN DIFUNDIRSE INTERSTICIALMENTE EN ALGUNAS REDES CRISTALINAS METÁLICAS.