DEFECTOS E IMPERFECCIONES CRISTALINAS |
Realmente no existen cristales perfectos sino que contienen varios tipos de imperfecciones |
y defectos, que afectan a muchas de sus propiedades físicas y mecánicas y también influyen |
en algunas propiedades de los materiales a nivel de aplicación ingenieril tal como la |
capacidad de formar aleaciones en frío, la conductividad eléctrica y la corrosión. |
Las imperfecciones se clasifican según su geometría y forma así: |
• |
Defectos puntuales o de dimensión cero |
• |
Defectos lineales o de una dimensión llamados también dislocaciones |
• |
Defectos de dos dimensiones |
También deben incluirse los defectos macroscópicos tales como fisuras, poros y las |
inclusiones extrañas. |
DEFECTOS PUNTUALES |
VACANTE |
Constituye el defecto puntual más simple. Es un hueco creado por la perdida de un átomo |
que se encontraba en esa posición. Puede producirse durante la solidificación por |
perturbaciones locales durante el crecimiento de los cristales. También puede producirse |
por reordenamientos atómicos en el cristal ya formado como consecuencia de la movilidad |
de los átomos. (Figura 1) |
El número de vacantes en equilibrio N |
para una cantidad dada de material, se incrementa |
v |
con la temperatura de acuerdo a la ecuación: |
- |
Q |
N |
= |
N |
KT |
v |
Donde N |
es el número de vacantes por metro cúbico |
v |
N es el número de puntos en la red por metro cúbico |
Q es la energía requerida para producir una vacancia (J/átomo) |
T es la temperatura en |
° |
K |
K es la constante de Boltzmann de los gases (1.38 x 10 |
-23 |
J/átomo |
° |
K) ó 8.62 x |
10 |
eV/átomo |
° |
K |
-5 |
Son las imperfecciones más comunes en los cristales. Se dan hasta una por cada 10000 |
átomos. |
Las vacantes de no equilibrio tienen tendencia a agruparse formando clusters, que forman |
divacantes o trivacantes. |
Las vacantes pueden transladarse cambiando su posición con sus vecinos. Este proceso es |
importante en la migración o difusión de los átomos en el estado sólido, sobre todo a altas |
temperaturas donde la movilidad de los átomos es mayor. |
DEFECTOS INSTERSTICIALES |
Algunas veces, un átomo extra se inserta dentro de la estructura de la red en una posición |
que normalmente no está ocupada formando un defecto llamado " Defecto intersticial" . |
Generalmente este tipo de defecto introduce relativamente grandes distorsiones en los |
alrededores puesto que normalmente el átomo es sustancialmente más grande que la |
posición intersticial en la que se sitúa. Consecuentemente la formación de este defecto no |
es muy probable. Se pueden introducir en una estructura por radiación. |
IMPUREZAS EN SÓLIDOS |
Este defecto se introduce cuando un átomo es reemplazado por un átomo diferente. El |
átomo sustituyente puede ser más grande que el átomo original y en ese caso los átomos |
alrededor están a compresión ó puede ser más pequeño que el átomo original y en este caso |
los átomos circundantes estarán a tensión. Este defecto puede presentarse como una |
impureza o como una adición deliberada en una aleación. |
Dependiendo de la clase de impureza que se halle en el cristal, de su concentración y de la |
temperatura se formará en el cristal una SOLUCIÓN SÓLIDA. Cuando se habla de |
solución sólida hay que hacer claridad sobre algunos términos: |
- Soluto: Es el elemento o compuesto dentro de la solución sólida, que se encuentra |
en menor concentración |
- Solvente: Es el elemento dentro de la solución sólida, que se encuentra en mayor |
concentración. |
Una solución sólida se forma cuando átomos de soluto se adicionan al material y la |
estructura cristalina original se mantiene. Se puede asimilar a una solución líquida en la |
que también los átomos que constituyen las impurezas (soluto) están distribuidos al azar y |
uniformemente dispersos dentro del sólido. |
Los defectos puntuales de impurezas dentro de las soluciones sólidas pueden generarse por |
dos mecanismos: |
- Sustitución: Aquí el soluto o las impurezas reemplazan a átomos originales. Esto |
se da cuando los átomos que constituyen el soluto y el solvente cumplen los |
siguientes requerimientos (Reglas de Hume -Rothery): |
o |
Los radios atómicos no difieran más del 15% |
o |
Las estructuras cristalinas deben ser las mismas |
o |
Las electronegatividades deben ser similares ya que de otra manera |
reaccionarían y se formarían nuevos compuestos |
o |
Deben tener la misma valencia |
Un ejemplo de solución sólida en metales lo constituyen el Cobre y el Níquel. (Figura 3) |
Figura 3. Solución sólida por sustitución de Cobre y Níquel |
- Intersticial: Aquí los átomos de las impurezas llenan los vacíos o intersticios dentro |
del material original. En la mayoría de los materiales metálicos el |
empaquetamiento atómico es alto y los intersticios son pequeños. |
Consecuentemente los diámetros de los átomos que constituyen las impurezas |
intersticiales deben ser sustancialmente más pequeñas que los del material original, |
razón por la cual este defecto es mucho menos común. Un ejemplo de este tipo de |
impureza por sustitución lo constituyen el carbón y el hierro. En una solución |
sólida de estos dos elementos, el carbón puede sustituir al hierro en no mas del 2%. |
Otros defectos puntuales importantes son: |
DEFECTO FRENKEL |
Es una imperfección combinada Vacancia – Defecto intersticial. Ocurre cuando un ion |
salta de un punto normal dentro de la red a un sitio intersticial dejando entonces una |
vacancia. |
DEFECTO SCHOTTKY |
Es un par de vacancias en un material con enlaces iónicos. Para mantener la neutralidad, |
deben perderse de la red tanto un catión como un anión. |
Otro defecto puntual importante ocurre cuando un ion de una carga reemplaza otro ion de |
diferente carga. Por ejemplo un ion de valencia +2 reemplaza a un ion de valencia +1. En |
este caso una carga extre positiva se introduce dentro de la estructura. Para mantener un |
balance de carga, se debe crear una vacante de una carga positiva (Enlaces iónicos). |
DEFECTOS DE LINEA (DISLOCACIONES) |
Son defectos que dan lugar a una distorsión de la red centrada en torno a una línea. Se |
crean durante la solidificación de los sólidos cristalinos o por deformación plástica, por |
condensación de vacantes. |
Hay dos tipos de dislocaciones, las de cuña y las helicoidales. También puede darse una |
combinación de ambas, denominada dislocación mezcla |
DISLOCACIÓN DE CUÑA |
Se crea por inserción de un semiplano adicional de átomos dentro de la red. Los átomos a |
lado y lado del semiplano insertado se encuentran distorsionados. Los átomos por encima |
de la línea de dislocación, que se encuentra perpendicular al plano de la página, en el punto |
donde termina el semiplano insertado, se encuentran comprimidos y los que están por |
debajo se encuentran apartados. Esto se refleja en la leve curvatura de los planos verticales |
de los átomos mas cercanos del extra semiplano. La magnitud de esta distorsión decrece |
con la distancia al semiplano insertado. |
La distancia de desplazamiento de los átomos en torno a una dislocación se llama |
DESLIZAMIENTO o vector de Burgers y es perpendicular a la línea de dislocación de |
cuña. |
DISLOCACIÓN HELICOIDAL |
Esta dislocación se forma cuando se aplica un esfuerzo de cizalladura en un cristal perfecto |
que ha sido separado por un plano cortante. |
Aquí el vector de Burgers o de desplazamiento es paralelo a la línea de dislocación. |
DISLOCACIONES MIXTAS |
Con frecuencia los cristales exhiben mezcla de las dislocaciones anteriores. Su vector de |
Burgers no es ni perpendicular ni paralelo a la línea de dislocación, pero mantiene una |
orientación fija en el espacio. La estructura atómica local en torno a la dislocación mixta es |
difícil de visualizar, pero el vector de Burgers proporciona una descripción conveniente y |
sencilla. |
SIGNIFICADO DE LAS DISLOCACIONES |
Aunque los deslizamientos o desplazamientos atómicos pueden ocurrir en cerámicos y |
polímeros, estos procesos son particularmente útiles para entender el comportamiento |
mecánico de los metales. Primero que todo, el deslizamiento atómico explica por que la |
resistencia de los metales es mucho mas baja que el valor teórico predicho de los enlaces |
metálicos. Cuando los deslizamientos ocurren, solo una pequeña fracción de todos los |
enlaces metálicos a lo largo de la interfase necesita ser roto y la fuerza requerida para |
deformar el metal es pequeña. Segundo, los deslizamientos proveen ductilidad en los |
metales. Si no estuvieran presentes las dislocaciones, una barra de hierro sería frágil y los |
metales no podrían ser moldeados por varios procesos tales como forjado. Tercero, es |
posible controlar las propiedades mecánicas de un metal o aleación interfiriendo con el |
movimiento de las dislocaciones. Un obstáculo introducido dentro del cristal evita que una |
dislocación se deslice a menos de que se aplique una fuerza muy grande. |
Es posible encontrar un gran nú mero de dislocaciones en los materiales. La densidad de las |
dislocaciones o longitud total de las dislocaciones por unidad de volumen, se usa |
generalmente para representar la cantidad de dislocaciones presentes. Densidades de |
dislocaciones de 10 m . mm |
son típicas de los metales más suaves, mientras que |
-3 |
densidades de dislocaciones superiores a 1000 Km . mm |
se pueden conseguir deformando |
-3 |
el material. |
LEY DE SCHMID |
Se puede entender las diferencias en el comportamiento de los metales que tienen diferentes |
estructuras, examinando la fuerza requerida para iniciar el proceso de deslizamiento. |
Suponga que se aplica una fuerza unidireccional F a un cilindro de metal que es un cristal |
simple o monocristal (Figura 11). Es posible ubicar el plano de desliza miento y la |
dirección del desplazamiento al aplicar la fuerza, definiendo los ángulos |
y |
f |
. |
es el |
ángulo entre la dirección del desplazamiento y la fuerza aplicada, y |
f |
es el ángulo entre la |
normal al plano de desplazamiento y la fuerza aplicada. |
Para que la dislocación se mueva en el sistema de deslizamiento, se necesita que actúe una |
fuerza de cizalladura en la dirección del desplazamiento, producida por la fuerza aplicada. |
La resultante de esta fuerza de cizalladura, F |
, está dada por |
r |
F |
= |
F |
cos |
l |
r |
A |
Si esta ecuación se divide por el área del plano de deslizamiento, |
A |
, se obtiene la |
= |
o |
cos |
f |
LEY DE SCHMID, |
t |
= |
s |
cos |
f |
cos |
l |
r |
donde: |
F |
t |
= |
Es |
la |
resul |
tan |
te |
del |
esfuerzo |
cor |
tan |
te |
en |
la |
direccion |
del |
deslizamie |
nto |
r |
A |
r |
F |
s |
= |
Es |
el |
esfuerzo |
unidirecci |
onal |
aplicado |
al |
cilindro |
A |
o |
DEFECTOS INTERFACIALES O SUPERFICIALES |
Los defectos superficiales son los límites o bordes o planos que dividen un material en |
regiones, cada una de las cuales tiene la misma estructura cristalina pero diferente |
orientación. |
SUPERFICIE EXTERNA |
Las dimensiones exteriores del material representan superficies en las cuales la red termina |
abruptamente. Los átomos de la superficie no estan enlazados al número máximo de |
vecinos que deberían tener y por lo tanto, esos átomos tienen mayor estado energético que |
los átomos de las posiciones internas. Los enlaces de esos átomos supericials que no estan |
satisfechos dan lugar a una energía superficial, expresada en unidades de energía por |
unidad de área (J/m |
o Erg/cm |
). Además la superficie del material puede ser rugosa, |
2 |
2 |
puede contener pequeñas muescas y puede ser mucho mas reactiva que el resto del |
material. |
BORDES DE GRANO |
Se puede definir como la superficie que separa los granos individuales de diferentes |
orientaciones cristalográficas en materiales policristalinos. |
El límite de grano es una zona estrecha en la cual los átomos no están uniformemente |
separados, o sea que hay átomos que están muy juntos causando una compresión, mientras |
que otros están separados causando tensión. De cualquier forma los limites de grano son |
áreas de alta energía y hace de esta región una mas favorable para la nucleación y el |
crecimiento de precipitados |
MACLAS |
Una macla es un tipo especial de límite de grano en el cual los átomos de un lado del límite |
están localizados en una posición que es la imagen especular de los átomos del otro lado. |
Cristales de yeso sin maclar Macla de yeso |
Tarea: Con el fin de complementar el tema de cristalografía consulte acerca de los temas |
CUASICRISTALES y FRACTALES. |
Duque Franky
C.I: 15.990.445
CRF
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