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• Andress Guevara

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Defectos en la estructura cristalina Profesor Patricia Rodriguez PhD.

Escuela Politécnica Nacional Facultad de Ingeniería Mecánica 5/21/18

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Introducción La estructura cristalina es un concepto teórico que permite comprender como están formados los materiales. A partir de este concepto es posible explicar muchas de las propiedades que exhiben los materiales, sean estos cristalinos o amorfos. Sin embargo, muchas de estas propiedades son profundamente sensibles a las desviaciones de la perfección cristalina; la influencia no siempre es adversa, y con frecuencia las características específicas de un material se diseñan a través de la introducción de cantidades controlados de defectos particulares. Un defecto cristalino se refiere a una irregularidad reticular que tiene una o más de sus dimensiones del orden de un diámetro atómico. La clasificación de las imperfecciones cristalinas con frecuencia se realiza en función de la geometría o dimensionalidad del defecto. Escuela Politécnica Nacional Facultad de Ingeniería Mecánica 5/21/18

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Clasificación de los defectos Vacantes, impurezas Defectos puntuales electrónicos

10#

%$Defectos puntuales atómicos

10#$&

Dislocaciones

Cavidades, inclusiones, precipitados

Defectos lineales

Defectos de volumen

10#'

10#(

10(

Defectos bidimensionales Bordes de grano y maclas

Rangos dimensionales de las diferentes clases de defectos Escuela Politécnica Nacional Facultad de Ingeniería Mecánica 5/21/18

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Clasificación de los defectos Clasificación de los defectos en una estructura cristalina de acuerdo a su dimensionalidad OD Puntuales

1D Lineales

2D Superficiales/entre caras

3D Volumétricos

Vacantes

Dislocación

Superficie

Precipitados

Impurezas

Borde de interface

Defecto de Frenkel

Borde de grano

Defecto de Schottky

Maclas

Regiones con fallas Cavidades / grietas

Borde de grano Maclas Borde antifase Escuela Politécnica Nacional Facultad de Ingeniería Mecánica 5/21/18

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Características de los sistemas cristalinos Sistema

FCC

BCC

HCP

Factor de empaquetamiento atómico

# de coordinación

Plano de alto empaquetamiento

Dirección de alto empaquetamiento

Secuencia de formación

0.74

12

111

110

ABCABC

111

ABABAB

1120

ABABAB

0.68

0.74

8

No hay uno en particular pero es posible 1 1 0 , 112 , 123

12

0001 1120 1 0 1 0 +* 1011

* Estos planos están activos en algunos metales y aleaciones, o a temperaturas elevadas.

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Defectos puntuales • Los defectos puntuales son discontinuidades de la red que involucran uno o quizá varios átomos y alteran el ordenamiento de los átomos circundantes.

Vacante

Defecto intersticial

Defecto sustitucional grande

Defecto de Frenkel

Defecto sustitucional pequeño

Defecto de Schottky

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Defectos puntuales OD Puntuales

Cristales no-iónicos

Vacantes

Cristales iónicos

Defecto de Frenkel

Impurezas

Defecto intersticial

Defecto de Schottky

Defecto sustitucional

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Defectos puntuales • Estos defectos o imperfecciones pueden ser generados en un material: oMediante el movimiento de los átomos al ganar energía por calentamiento. oDurante el procesamiento del material. oMediante la introducción de impurezas. oIntencionalmente a través de las aleaciones. • Los defectos puntuales se dan a nivel de las posiciones individuales de los átomos. Los principales defectos puntuales son los siguientes:

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Defectos puntuales Vacante: Es el más simple de los defectos puntuales, y ocurre cuando en una posición atómica normalmente ocupada hace falta un átomo. Todos los sólidos cristalinos contienen vacantes; de hecho, no es posible crear un material que esté libre de estos defectos. Termodinámicamente la presencia de vacantes es necesaria en una estructura cristalina, ya que su presencia aumenta la entropía (es decir, la aleatoriedad) del cristal.

Micrografía que muestra una vacante en un plano (1 1 1) para el silicón. Materials Science and Engineering, Callister

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Defectos puntuales A temperatura ambiente aparecen muy pocas vacantes, pero estas incrementan exponencialmente conforme aumenta la temperatura. El número de vacantes en equilibrio !" para una cantidad dada de material esta dado de acuerdo a la siguiente ecuación de Arrhenius:

Micrografía que muestra una vacante en un plano (1 1 1) para el silicón. Materials Science and Engineering, Callister

(" !" = !$%& − )*

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Defectos puntuales Donde: ! = número total de posiciones atómicas, $%&%'$#() *+ = energía requerida para la formación de vacantes, ,#('- . 01⁄2&'( 3 = temperatura absoluta, °5 6 = constante de Boltzman: @ 1.38;10=>? #AB.C. − °5 = 8.62;10=G HI#AB.C. − °5

Micrografía que muestra una vacante en un plano (1 1 1) para el silicón. Materials Science and Engineering, Callister

• Para la mayoría de los metales, la fracción de vacantes JK#J justo debajo de la temperatura de fusión es del orden de 10=L , es decir, uno en 10000 sitios atómicos estará vacío. Escuela Politécnica Nacional Facultad de Ingeniería Mecánica 5/21/18

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Defectos puntuales Ejemplo: Calcular el numero de vacantes de equilibrio por metro cúbico para el cobre a 1000°C. La energía de formación de vacantes es 0.9 %&⁄'()*); el peso atómico y la densidad del cobre a 1000°C es 63.5 .⁄*)/ 0 8.4 .34*5 , respectivamente. Solución: Para resolver este problema es necesario conocer el numero total de posiciones atómicas en el cobre: Se conoce que: 89: 8 6 9