irregularidades de los sÓlidos cristalinos de... · es un defecto exclusivo de los materiales...
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IRREGULARIDADES DE LOS SÓLIDOS
CRISTALINOS
IRREGULARIDADES DEL ARREGLO ATOMICO
Se ha descrito el sólido cristalino mediante la aproximación de un cristal
ideal
Perfección en materiales
Pureza composicional
Pureza estructural
IRREGULARIDADES DEL ARREGLO ATOMICO
Las imperfecciones juegan un papel fundamental en numerosas
propiedades del material: mecánicas, ópticas, eléctricas, se
encuentran dentro de la zona de ordenamiento de largo alcance
(grano)
Se introducen intencionalmente para beneficiar determinadas
propiedades
Ejemplos: - Carbono en Fe para mejorar dureza
- Cu en Ag para mejorar propiedades mecánicas
- Dopantes en semiconductores
Clasificación de las imperfecciones en los sólidos (según su forma y
geometría):
Defectos puntuales:
• Defecto de vacancia (a)
• Defecto intersticial (b)
• Defecto sustitucional (c, d)
Defectos puntuales
- Son discontinuidades de la red que involucran uno o quizá varios
átomos.
- Estos defectos o imperfecciones pueden ser generados en el
material mediante el movimiento de los átomos al ganar energía por
calentamiento; durante el procesamiento del material; mediante la
introducción de impurezas; o intencionalmente a través de las
aleaciones.
Defecto de Vacancias
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).
A temperatura ambiente, la concentración de vacancias es pequeña,
pero aumenta en forma exponencial con la temperatura.
El número de vacancias en equilibrio a una determinada temperatura
en una red cristalina metálica puede expresarse por la siguiente
ecuación:
TR
Qexpnn v
v
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
Defectos Intersticiales
Se produce cuando se inserta un átomo en una estructura cristalina
en una posición normalmente desocupada.
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)
Los átomos intersticiales son de mayor tamaño que los sitios
intersticiales, por lo cual la región cristalina vecina esta comprimida y
distorsionada.
Defecto puntual
autointersticial
Se crea cuando un
átomo idéntico a los de
la red ocupa una
posición intersticial.
Defecto Sustitucional
Se introduce un defecto sustitucional cuando un átomo es sustituido
por otro átomo de distinta naturaleza.
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 de Frenkel (o par de Frenkel)
Es un par vacancia-intersticial que se forma cuando un ión salta de un
punto normal de la red a un sitio intersticial y deja atrás una vacancia.
Este defecto, que se presenta generalmente en cristales iónicos,
también se puede presentar en los metales y en materiales con enlaces
covalentes.
Defecto de 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
Cristal iónico ilustrando un defecto de Frenkel y un defecto de Schottky
IMPERFECCIONES LINEALES: DISLOCACIONES
DISLOCACIÓN.- Imperfección lineal alrededor de la cual los átomos del cristal
están desalineados
DE ARISTA (borde, cuña, línea)
Semiplano de átomos cuya arista (borde) termina dentro del cristal.
HELICOIDAL
Apilación de planos en espiral a lo largo de la línea de dislocación.
MIXTAS De carácter doble: arista y helicoidal
Dislocación de borde
Una dislocación de borde se crea en un cristal por la intersección de un
semiplano extra de átomos
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.
El vector de Burgers 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 borde en dos dimensiones de un plano compacto
Cambios en las posiciones atómicas que acompañan al movimiento
de una dislocación de borde (cuña) a medida que ésta se mueve en
respuesta a una tensión de cizalle aplicada.
Desplazamiento de una dislocación
Representación de la analogía entre el movimiento de una oruga
y el de una dislocación.
Si se aplican esfuerzos de corte, los átomos rompen sus enlaces en el defecto
y la dislocación se mueve (deslizamiento), en la dirección de deslizamiento,
en el plano de deslizamiento.
Cuando se aplica una fuerza cortante en la dirección del vector de Burgers a
un cristal que contenga una dislocación, ésta se puede mover, rompiendo los
enlaces de los átomos en un plano.
El plano de corte se desplaza un poco para establecer enlaces con el plano
parcial de átomos originales.
El desplazamiento hace que la dislocación se mueva una distancia atómica
hacia el lado.
Si continua este proceso, la dislocación se mueve a través del cristal hasta que
se produce un escalón en el exterior del mismo.
El cristal se ha deformado plásticamente
Línea de dislocación: línea que va a lo largo del plano extra de
átomos que termina dentro del cristal
Plano de deslizamiento: plano definido por la línea de dislocación y el
vector de deslizamiento.
Símbolo: las dislocaciones de borde se simbolizan con un signo de
perpendicular, . Cuando el signo apunta hacia arriba, el plano extra
de átomos está sobre el plano de deslizamiento y la dislocación se le
llama positiva. Cuando el signo apunta hacia abajo, T, el plano extra de
átomos está bajo el plano de deslizamiento y la dislocación es
negativa.
Dislocación de tornillo (helicoidal)
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.
Formación de una dislocación helicoidal
Dislocación mixta
La línea de dislocación puede presentar partes de carácter de borde y
otras de carácter de tornillo. El desorden atómico varia a lo largo de la
curva AB
Dislocación de tornillo Dislocación mixta
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) [103 – 104 más baja que la resistencia
teórica]
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 (un obstáculo introducido
en el cristal evita que una dislocación se deslice, a menos que se apliquen
esfuerzos mayores, por lo tanto aumenta la resistencia).
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
Si los átomos solutos se reúnen preferentemente alrededor de las
dislocaciones, la fuerza necesaria para mover una dislocación puede
aumentar considerablemente.
Defectos de superficie
Son límites o planos que separan un material en regiones, cada región
tiene la misma estructura cristalina, pero distinta orientación
Las dimensiones exteriores del material representan superficies en
donde termina el cristal. Cada átomo en la superficie ya no tiene el
número adecuado de coordinación y se interrumpe el enlazamiento
atómico
El límite de grano, que es la superficie que separa los granos
individuales, es una zona angosta donde los átomos no tienen la
distancia correcta entre sí; existen zonas de compresión y otras de
tracción.
(a) Esquema que muestra el ordenamiento de los átomos en la
formación del borde de grano. (b) Granos y límites de grano en una
muestra de acero inoxidable.
Material policristalino
• Un método para controlar las propiedades de un material es
controlar el tamaño del grano, ya sea durante la solidificación o
durante el tratamiento térmico.
• En los metales, los límites de grano se originan durante la
solidificación cuando los cristales formados a partir de diferentes
núcleos crecen simultáneamente juntándose unos con otros
• Al reducir el tamaño de grano, se aumenta la resistencia del
material, ya que no permiten el deslizamiento de las dislocaciones
• Un material con un tamaño de grano grande tiene menor
resistencia y menor dureza.
Importancia de los defectos
En los materiales metálicos, los defectos como las dislocaciones,
defectos puntuales y límites de grano sirven como obstáculo a las
dislocaciones.
Es posible controlar la resistencia de un material metálico controlando
la cantidad y el tipo de imperfección
Endurecimiento por deformación
Endurecimiento por solución sólida
Endurecimiento por tamaño de grano
Endurecimiento por deformación
Los átomos vecinos a
una línea de dislocación
están en compresión y/o
tracción.
Se requieren esfuerzos
mayores para mover una
dislocación cuando se
encuentra con otra
dislocación
Metal más resistente Al incrementar el número de
dislocaciones, se aumenta la
resistencia del material
Endurecimiento por solución sólida
El defecto puntual altera
la perfección de la red
Se requiere de mayor
esfuerzo para que una
dislocación se deslice
Al introducir intencionalmente átomos
sustitucionales o intersticiales, se genera
un endurecimiento por solución sólida
Endurecimiento por tamaño de grano
Los limites de grano
alteran el arreglo
atómico
El movimiento de las
dislocaciones se bloquea en los
bordes de grano
Al incrementar el número
de granos o al reducir el
tamaño de éstos, se
produce endurecimiento
por tamaño de grano.