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.

Existen tres tipos principales de dislocaciones: de borde, de tornillo y mixtas.

• Dislocaciones de borde: Las dislocaciones de borde o de arista resultan de la adición de una placa de red cristalina parcial extra. Los átomos que contactan directamente la dislocación de borde se aprietan muy cerca mientras que aquellos inmediatamente más allá son empujados muy lejos entre sí. La línea que se extiende a través del plano parcial extra de átomos se conoce como línea de dislocación. La dislocación es denominada así porque el defecto, o línea de dislocación, se halla a lo largo del borde de la fila extra de átomos. En el caso de la dislocación de borde, el vector de Burgers es perpendicular a la línea de dislocación.[pic 14][pic 15]

• Dislocaciones de tornillo: Una dislocación de tornillo o helicoidal resulta del corte y cambio de la red cristalina por un espacio atómico. Es un defecto de la red cristalina que sucede cuando la red cristalina es cortada y cambiada por una fila de espacio atómico. la dislocación helicoidal, cuyo nombre procede del apilamiento en espiral de planos cristalinos a lo largo de la línea de dislocación. En el caso de la dislocación helicoidal, el vector de Burgers es paralelo a la línea de dislocación. Las dislocaciones de borde y helicoidales pueden considerarse como los extremos puros de los tipos de defectos lineales. [pic 16]

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• Dislocaciones mixtas: Las dislocaciones mixtas resultan cuando una red cristalina contiene dislocaciones de borde y de tornillo con una región de transición discernible entre las dos. La presencia de dislocaciones de tornillo y de borde separadas por una distancia en la misma red cristalina. Tienen componentes de ambas dislocaciones junto con una región de transición entre ellas. Sin embargo, el vector de Burgers sigue siendo el mismo para todas las porciones de la dislocación mixta [1].[pic 19]

• Deslizamiento: Es el proceso por el que se mueve una dislocación y se hace que se deforme un material metálico.  La dirección en la que se mueve la dislocación es la dirección de deslizamiento. Durante el deslizamiento, una dislocación se mueve desde un conjunto de entornos hasta otro conjunto idéntico de entornos.

• Ley de Schmid.  Se puede usar para comparar las propiedades de los metales que tengan estructuras cristalinas BCC, FCC y HCP. Como los distintos cristales o granos están orientados en direcciones aleatorias, no se puede aplicar la ley de Schmid para pronosticar el comportamiento mecánico de los materiales policristalinos.

Defectos interfaciales.- Los defectos interfaciales son límites de grano que tienen dos direcciones y normalmente separan regiones del material que tienen diferentes estructura cristalina y/u orientación cristalográfica. Son imperfecciones bidimensionales. Los defectos de superficie incluyen superficies externas, límites de grano, límites de macla, defectos de apilamiento y límites de fase.

• Superficies externas: La superficie externa constituye uno de los límites más evidentes, se considera una imperfección puesto que representa el límite de la estructura cristalina, donde termina. Los átomos superficiales no están enlazados con el máximo de vecinos más próximos y, por lo tanto, están en un estado energético superior que los átomos de las posiciones interiores. Los enlaces no realizados de estos átomos superficiales aumentan la energía superficial, expresada en unidades de energía por unidad de área (J/m2 o erg/cm3).

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• Límites de grano: Otro defecto interfacial, el límite de grano, se define como el límite que separa dos pequeños granos o cristales que tienen diferentes orientaciones cristalográficas en materiales policristalinos. En la región límite, que en realidad tiene probablemente varias distancias atómicas de ancho, hay un cierto desalineamiento en la transición desde la orientación cristalina de un grano a la del grano vecino. Son posibles varios grados de desalineamiento cristalográfico entre granos vecinos. Cuando la diferencia de orientaciones es pequeña, del orden de unos pocos grados, se denomina límite de grano de ángulo pequeño. Estos límites se pueden describir en términos de formación de dislocaciones. [pic 21]

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