IMPERFECCIONES EN ESTRUCTURAS CRISTALINAS
Introducción:
Debido al procesamiento de los materiales, no
existen estructuras cristalinas perfectas pues contienen varios tipos de
defectos que afectan a muchas de las propiedades físicas y mecánicas, que a su
vez afectan a muchas propiedades importantes de los materiales para ingeniería,
como la conformación en frío de aleaciones, la conductividad eléctrica de
semiconductores, la velocidad de migración de los átomos en aleaciones y la
corrosión de los metales.
Las imperfecciones en la red cristalina se
clasifican según su forma y geometría. Los tres grupos principales son:
1)
defectos puntuales o de dimensión cero
2) defectos de línea o de una dimensión
(dislocaciones)
3)
defectos de dos dimensiones que incluyen superficies externas y superficies de
límite de grano. Los defectos macroscópicos tridimensionales o de volumen
también pueden incluirse. Ejemplos de estos defectos, son: poros, fisuras e
inclusiones.
En equilibrio, el número de vacancias NV de una
cantidad determinada de material:
Dónde
N: número total de lugares ocupados por átomo.
Qv: energía de activación requerida para la
formación de una vacancia.
K: constante de Boltzman o de los gases. El
valor de k = 1.38 x 10-23 J/átomos-k.
k=8.62 x 10-5 eV/atomos-k.
T:
temperatura absoluta.
DEFECTO INTERSTICIAL: Es un átomo de un
cristal que se ha desplazado a un lugar intersticial, un espacio vacío pequeño
que ordinariamente no está ocupado. Algunas veces un átomo de un cristal puede
ocupar un hueco intersticial entre los átomos de su entorno que ocupan
posiciones atómicas normales. Este tipo de defectos puntuales se llama auto
intersticial o intersticialidad.
Se crea una intersticialidad cuando un átomo
idéntico a aquellos en los puntos de red normales se localiza en una posición
intersticial. Estos defectos son más probables de encontrarse en las
estructuras cristalinas que tienen un factor de empaquetamiento bajo
Estos defectos no ocurren generalmente de forma
natural por la distorsión estructural que provocan, pero se pueden introducir en
la estructura por irradiación.
DEFECTO SCHOTTKY: En cristales iónicos
los defectos puntuales son más complejos debido a la necesidad de mantener la
neutralidad eléctrica. Cuando dos iones de carga opuesta faltan en un cristal
iónico, se crea una divagante anicónica-catiónica que se conoce como defecto de
Schottky
DEFECTO
DE FRENKEL: Si un
catión se mueve a un hueco intersticial del cristal iónico, se crea una vacante
catiónica en la posición inicial del catión. Este par de defectos vacante-intersticio
se llama defecto de Frenkel. La presencia de estos defectos en los cristales
iónicos, aumenta su conductividad eléctrica.
VECTOR DE BURGERS: La magnitud y la
dirección de la distorsión reticular asociada a una dislocación se expresa en
función del vector de Burgers, designado por b
DISLOCACION DE CUÑA o ARISTA: Una dislocación de
arista se crea en un cristal por la intersección de un medio plano adicional de
átomos, como se muestra en la justo encima del símbolo Τ. La “te” invertida,
indica una dislocación de arista positiva mientras que la “te” normal, Τ, indica
una dislocación de arista negativa.
La
distancia del desplazamiento de los átomos alrededor de la dislocación se llama
deslizamiento o vector de Burgers b y es perpendicular a la línea de
dislocación de arista. Las dislocaciones son defectos de no equilibrio y
almacenan energía en la región distorsionada de la red cristalina alrededor de
la dislocación. La dislocación de arista presenta una región de tensión o
compresión donde se encuentra el medio plano adicional y una región de esfuerzo
a la tensión debajo del medio plano adicional de átomos.
DISLOCACION
HELICOIDAL: La
dislocación helicoidal puede formarse en un cristal perfecto aplicando
esfuerzos cortantes hacia arriba y hacia abajo en las regiones del cristal
perfecto que han sido separadas por un plano cortante, como se muestra en la
figura. Estos esfuerzos cortantes introducen en la estructura cristalina una
región de distorsión en forma de una rampa en espiral de átomos distorsionados
o dislocación helicoidal. La región distorsionada del cristal no está bien
definida y tiene cuando menos varios átomos de diámetro. De esta manera se crea
una región de esfuerzo cortante alrededor de la dislocación helicoidal en la
que se almacena energía. El deslizamiento o vector de Burgers de la dislocación
helicoidal es paralelo a la
línea de dislocación, como se muestra en la figura.
DISLOCACIONES MIXTAS: Las dislocaciones
mixtas tienen componentes de arista y helicoidal, con una región de transición
entre ellas. La dirección del vector de Burgers sigue siendo el mismo para
todas las porciones de la dislocación mixta.
La
mayoría de las dislocaciones en los cristales son de tipo mixto, y tienen
componentes de arista y helicoidales. En la línea de dislocación curvada AB de la dislocación es de tipo
helicoidal puro a la izquierda por donde entra en el cristal y de tipo de
arista pura a la derecha por donde deja al cristal. En el interior del cristal,
la dislocación es de tipo mixto, con componentes en arista y helicoidales.
IMPORTANCIA DE LAS DISLOCACIONES
Las dislocaciones son de mayor importancia en
los metales y aleaciones dado que proveen un mecanismo para le deformación
plástica. La deformación plástica es la deformación o cambio irreversible de la
forma en que se lleva a cabo cuando se elimina la fuerza o el esfuerzo que le
ocasiono. Cuando un esfuerzo es aplicado ocasiona el movimiento de las
dislocaciones ocasionando una deformación permanente del material.
El
tamaño de grano se especifica utilizando el número de tamaño de grano ASTM. El número
de granos por pulgada cuadrada se determina a partir de una fotografía del
metal tomada a una magnificación de 100. El número de tamaño de grano ASTM ”n”
se calcula como:
Donde N es el número de grano por pulgada
cuadrada.
LIMITE DE GRANO DE
ANGULO PEQUEÑO: Es un arreglo de las dislocaciones que producen una desorientación
pequeña entre los cristales adyacentes. Debido que la energía de la superficie
es menor que la de un límite de grano regular, los límites de grano pequeño no
son efectivos al bloquear deslizamientos. A los límites de Angulo pequeño
formado por dislocaciones de arriata se le llama límites inclinados y a los
ocasionados por dislocaciones se les llama límites de giro.
LIMITE
DE MACLA: Un límite de
macla es un plano a través del cual hay una desorientación especial de imagen
especular de la estructura cristalina. Los límites de macla pueden producirse
cuando una fuerza de corte, que actúa a lo largo del límite de macla, ocasiona
que los átomos se desplacen de su posición. Ocurren durante la deformación o el
tratamiento térmico de ciertos metales. Estos límites interfieren con el
proceso de deslizamiento e incrementa la resistencia del metal.
Sustitucionales: se crea cuando se remplaza
un átomo por otro de un tipo distinto.
