Defectos e imperfecciones de los materiales

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ÍNDICE

Introducción        2        

Desarrollo        3

Conclusión        7

Bibliografía        8

INTRODUCCIÓN

A lo largo de la historia el ser humano ha buscado la manera de mejorar su estilo de vida, desde lanzas hasta microcontroladores, y para ello ha experimentado con distintos tipos de materiales, dándose cuenta que algunos poseen distintas características que los diferencian unos con otros, y a su vez, observando que cada uno tiene ciertos defectos e imperfecciones. Todos los materiales tienen un gran número de defectos o imperfecciones y, de hecho, muchas de las propiedades de los materiales son profundamente sensibles a las desviaciones de la perfección cristalina. El efecto de estas irregularidades no siempre es negativo y, a menudo, algunas de las características de los materiales lo son gracias a la introducción controlada de defectos, como se detalla en los capítulos siguientes.

Un defecto cristalino se refiere a una irregularidad de la red para la que una o más de sus dimensiones son del orden de un diámetro atómico. La clasificación de las imperfecciones cristalinas normalmente se hace según la geometría o las dimensiones del defecto. Las propiedades de algunos materiales están profundamente influenciadas por la presencia de imperfecciones. En consecuencia, es importante tener un conocimiento de los tipos de imperfecciones que existen y de cómo afectan al comportamiento de los materiales. Por ejemplo, las propiedades mecánicas de los metales puros experimentan alteraciones significativas cuando éstos se alean, es decir, cuando se añaden átomos de impurezas. Por ello, en el presente trabajo se analizará de forma detallada los defectos e imperfecciones de los materiales, también se presentarán varias imperfecciones diferentes, incluyendo los defectos puntuales (asociados a una o dos posiciones atómicas), los defectos lineales (o unidimensionales) y los defectos interfaciales o de límite de grano, que son bidimensionales. De igual manera se aterrizará en defectos tridimensionales y se comentarán las impurezas en sólidos, ya que pueden existir átomos de impurezas como defectos puntuales. Finalmente, se describirán brevemente las técnicas de observación microscópica de los defectos y la estructura de los materiales.

DESARROLLO

Como se habló anteriormente, existen varios tipos de defectos e imperfecciones de los materiales. Hay tres tipos de defectos e imperfecciones principales que son los defectos puntuales, los defectos lineales y los defectos interfaciales.

Defectos puntuales.- En los materiales reales existen defectos estructurales con independencia de las impurezas químicas. Las imperfecciones asociadas a los puntos reticulares cristalinos se denominan defectos puntuales, por lo que, cuando el defecto ocurre en un sitio específico en la red cristalina se le considera defecto puntual. Son las imperfecciones de dimensión cero. Se pueden dar tres clases de defectos: vacantes o de vacancia, de sustitución e intersticiales.

• Defectos de vacancia: El más simple de los defectos puntuales es la vacante, o vacante de red, que hace referencia a una posición ocupada por un átomo [2]. Las vacantes resultan de la ausencia de un átomo en un sitio de la red cristalina. Todos los sólidos cristalinos contienen vacantes y, de hecho, no es posible crear un material cristalino libre de estos defectos.  Los sitios de redes cristalinas vacantes reducen la fuerza y estabilidad de la red cristalina en su totalidad. Afortunadamente, pocas vacantes existen a temperatura ambiente, pero el número de vacantes se incrementa cuando la temperatura aumenta. La temperatura elevada proporciona más energía para los átomos en la red cristalina para romper sus enlaces y difuminarse. La dependencia a la temperatura de las vacantes se regula por una forma de la ecuación de Arrhenius:

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En esta expresión, N es el número total de lugares atómicos (generalmente por metro cúbico), Qv es la energía necesaria para la formación de una vacante (J/mol o eV/átomo), T es la temperatura absoluta en kelvin y k es la constante de Boltzmann. El valor de k es 1,38 × 1023 J/átomo·K, o 8,62 × 105 eV/átomo.                                                                                                   [pic 7]

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• Defectos de sustitución: Los defectos sustitucionales resultan cuando un átomo en el sitio de la red cristalina es reemplazado con un átomo de un elemento diferente. Las sustituciones pueden ser ya sea beneficiosas o dañinas, dependiendo de la clase de sustitución y las propiedades deseadas. Algunas veces las sustituciones son deliberadamente inducidas a un material a través de un proceso llamado adulteración (dopaje) [5].

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• Defectos intersticiales: Los defectos intersticiales resultan cuando un átomo ocupa un espacio en una red cristalina que normalmente está vacante. En general, el átomo que invade debe ser lo suficientemente pequeño como para caber en un hueco en la red cristalina. Los materiales iónicos y cerámicos están sujetos a una forma especial de defectos intersticiales relacionados con las partículas cargadas.[pic 10][pic 11]

• Defecto Frenkel: Defecto puntual encontrado en materiales cerámicos que sucede cuando un catión salta hacia un sitio intersticial en la red cristalina.

• Defecto Schottky: Defecto puntual que sucede en materiales cerámicos cuando un catión y un anión faltan en una red cristalina.

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Defectos lineales o dislocaciones.- Son imperfecciones lineales en un cristal que de otra manera sería perfecto. Por lo regular se introducen en el cristal durante la solidificación del material o cuando se deforma de manera permanente el material. Básicamente, las dislocaciones son defectos de redes cristalinas de gran escala que resultan de las alteraciones a la estructura de la red cristalina. Son unidimensionales y están asociados principalmente con la deformación mecánica. El defecto lineal suele designarse mediante una «T invertida» (Ⱶ), que representa el borde de un semiplano extra de átomos. Esta configuración conduce por sí misma a una designación cuantitativa sencilla, el vector de Burgers [4]. Este parámetro es simplemente el vector desplazamiento necesario para cerrar un circuito realizado paso a paso alrededor del defecto.

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