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• Manuel Ojeda

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CONFIGURACIONES ESTRUCTURALES. Imperfecciones cristalinas. Imperfecciones cristalinas, arreglos atómico e iónico Efectos puntuales: Son interrupciones localizadas en los arreglos atómicos e iónicos que si no fuera por ellos serían perfectos en una estructura cristalina, se puede introducir por los movimientos de los átomos o los iones al aumentar la energía por calentamiento, durante el proceso del material por introducción de impurezas o por dopado.

Impurezas: Son elementos o compuestos presentes en las materias primas o en el procesamiento. Dopantes: Son elementos o compuestos que se agregan en forma deliberada y en concentraciones conocidas, en lugares específicos de la microestructura buscando un efecto benéfico sobre las propiedades y el procesamiento. Un defecto puntual indica en general a uno o a un par de átomos o iones, en consecuencia es distinto de los defectos extendidos como dislocaciones, límites de grano, etc. Vacantes: Se producen cuando un átomo o ion en su sitio normal de la estructura cristalina, lo cual aumenta la estabilidad termodinámica de un material cristalino. Defectos intersticiales: Se forman cuando se inserta un átomo o un ion es sustituido con un tipo distinto de átomo o ion, los átomos o iones sustitucionales pueden ser mayores que los átomos o iones normales.

Otros defectos puntuales: Una intersticialidad o defecto puntual autointersticial se crea cuando un átomo idéntico a los puntos normales de la red está en una posición intersticial. Es más probable encontrar estos defectos en estructuras cristalinas que tienen bajo factor de empaquetamiento. Defecto de Frenkel: Es un par de vacancias en el intersticio que se forman cuando un ion salta de un punto de red normal a un sitio intersticial. Defecto Schottky: Es un par de vacancias en un material con enlaces iónicos. Para mantener la neutralidad, deben perderse de la red tanto un catión como un anión.

Estructura cristalina La primera clasificación que se puede hacer de materiales en estado sólido, es en función de cómo es la disposición de los átomos o iones que lo forman. Si estos átomos o iones se colocan ordenadamente siguiendo un modelo que se repite en las tres direcciones del espacio, se dice que el material es cristalino. Si los átomos o iones se disponen de un modo totalmente aleatorio, sin seguir ningún tipo de secuencia de ordenamiento, estaríamos ante un material no cristalino ó amorfo.

Estructura cristalina de los materiales

Los materiales sólidos se pueden clasificar de acuerdo a la regularidad con que los átomos o iones están ordenados uno con respecto al otro. Un material cristalino es aquel en que los átomos se encuentran situados en un arreglo repetitivo o periódico dentro de grandes distancias atómicas; tal como las estructuras solidificadas, los átomos se posicionarán de una manera repetitiva tridimensional en el cual cada átomo está enlazado al átomo vecino más cercano. Todos los metales, muchos cerámicos y algunos polímeros forman estructuras cristalinas bajo condiciones normales de solidificación.

Celda Unitaria.- es el agrupamiento más pequeño de átomos que conserva la geometría de la estructura cristalina, y que al apilarse en unidades repetitivas forma un cristal con dicha estructura.

Una celda unitaria se caracteriza por tres vectores que definen las tres direcciones independientes del paralelepípedo. Esto se traduce en seis parámetros de red, que son los módulos, a, b y c, de los tres vectores, y los ángulos α, β y γ que forman entre sí. Estos tres vectores forman una base del espacio tridimensional, de tal manera que las coordenadas de cada uno de los puntos de la red se pueden obtener a partir de ellos por combinación lineal con los coeficientes enteros.

La estructura cristalina de un sólido depende del tipo de enlace atómico, del tamaño de los átomos (o iones), y la carga eléctrica de los iones en su caso).

Existen siete sistemas cristalinos los cuales se distinguen entre sí por la longitud de sus aristas de la celda (llamados constantes o parámetros de la celda) y los ángulos entre los bordes de ésta. Estos sistemas son: cúbico, tetragonal, ortorrómbico, romboédrica (o trigonal), hexagonal, monoclínico y triclínico.

Los diferentes sistemas cristalinos se forman por el apilamiento de capas de átomos siguiendo un patrón particular. Un sólido cristalino la CAPA en el espacio de una estructura elemental paralelepipédica denominada celda unitaria. En función de los parámetros de red, es decir, de las longitudes de los lados o ejes del paralelepípedo elemental y de los ángulos que forman, se distinguen siete sistemas cristalinos:

En función de las posibles localizaciones de los átomos en la celda unitaria se establecen 14 estructuras cristalinas básicas, las denominadas redes de Bravais..

DEFECTOS LINEALES

Los defectos lineales, que son unidimensionales, se denominan también dislocaciones y dan lugar a una distorsión en la red centrada alrededor de una línea imaginaria. Se puede entender una dislocación como la línea frontera que une en el interior de un cristal los puntos atómicos con posición anormal. En ocasiones también se define como el límite entre dos regiones una de las cuales se ha desplazado con respecto a la otra. Estos defectos dan en metales, casi nunca en materiales iónicos y pueden generarse durante los procesos de solidificación del sólido cristalino, como consecuencia de una deformación plástica o permanente del cristal, por condensación de vacantes y por desajustes atómicos en disoluciones sólidas. El defecto lineal suele designarse por una “T invertida” (┴), 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, b. Este parámetro es simplemente el vector desplazamiento necesario para cerrar un circuito realizado por paso a paso alrededor del defecto. En el cristal perfecto, un circuito con m×n pasos atómicos se cierra en el punto inicial. En la zona de la dislocación, el mismo circuito no se cierra. El vector de cierre (b) representa la magnitud del defecto estructural. Esto lo podemos ver en la siguiente figura:

Figura 1.Definición del vector burgers, b, en: (a) una estructura cristalina perfecta donde el circuito de vectores se cierra en el punto de partida; (b) en una estructura cristalina con una dislocación de borde donde en la zona de dislocación ese mismo circuito no cierra y es necesario un vector adicional, b; dicho vector representa la magnitud de la dislocación y se observa que es perpendicular a la línea de dislocación, t; (c) en una estructura cristalina con una dislocación de tornillo o helicoidal ; de nuevo en la zona de la dislocación el circuito de vectores no cierra y es necesario el vector de burgers, que de nuevo representa la magnitud de la dislocación; se observa que el vector burgers es perpendicular a la línea de dislocación, t.

Se distinguen dos tipos: mixtas y puras (donde se incluyen las dislocaciones de cuña o borde y las de tornillo o helicoidales):

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Puras 1. Dislocación de cuña, borde o arista.

Es un defecto lineal centrado alrededor de la línea definida por el extremo del semiplano de átomos extra (Figura 2). Se representa por el símbolo ┴, o “te invertida”, haciendo referencia al borde del semiplano extra. En esta posición se dice que la dislocación de cuña es en sentido positivo o lo que es los mismo, el plano extra se ha insertado en la parte superior del plano de corte. Para representar la situación opuesta, se emplea el símbolo T (dislocación de cuña negativa). La dislocación de cuña genera una zona de esfuerzos de compresión donde se encuentra el semiplano extra de planos y una región de esfuerzos de tracción debajo de este semiplano. En la dislocación de cuña, el vector de Burgers el perpendicular a la línea de dislocación.

Figura 2 2. Dislocación helicoidal o de tornillo. Se puede formar en estructuras cristalinas perfectas por la acción de un esfuerzo cortante o de cizalladura (tangencial) sobre una de las caras hasta el deslizamiento parcial por un plano cortante (Figura 3). Ahora el reordenamiento atómico que se produce alrededor de la línea de dislocación da lugar a una forma de tornillo o hélice, de ahí el nombre que recibe esta dislocación. La red cristalina pasa de ser un conjunto ordenado de planos, a presentar superficies helicoidales cuyo eje vertical es la dislocación (apilamiento helicoidal de planos cristalinos en torno a la dislocación de tornillo).

Se representa por el símbolo ⊗ cuando entra en el plano del papel, considerándose en este caso positiva. En caso contrario se denota por el símbolo ‫סּ‬ Aquí el vector de Burgers o de desplazamiento es paralelo a la línea de dislocación.

Figura 3 

Mixtas

Los dos tipos de dislocaciones definidas anteriormente son formas límites. Las dislocaciones que normalmente aparecen en los materiales reales son formas intermedias entre estas dos extremas y reciben el nombre de dislocaciones mixtas. En este caso, las dislocaciones tienen componentes de dislocaciones borde y tornillo. Se muestra un ejemplo en la Figura 4. La línea de dislocación es de tipo tornillo puro cuando entra en la estructura cristalina y de tipo borde puro cuando sale de ella. En el interior de la estructura cristalina, la dislocación pasa a ser de tipo mixto, con componentes de borde y de tornillo. Por tanto, el vector de Burgers de la dislocación mixta no es ni perpendicular ni paralelo a la línea de dislocación pero mantiene una orientación fija en el espacio, que es compatible con las definiciones previas en las formas de dislocación de borde y de dislocación helicoidal.

Figura 4  Medida de las dislocaciones

Virtualmente todos los materiales contienen algunas dislocaciones que son introducidas durante la solidificación, la deformación plástica, o como consecuencia de tensiones térmicas que resultan del enfriamiento rápido. La forma de indicar la cantidad de dislocaciones que presenta un material es mediante la densidad de dislocaciones o longitud total de dislocaciones por unidad de volumen, y se indica en unidades de cm/cm3 o sencillamente por nº de dislocaciones por cm-2. Para un metal sin deformar suele ser habitual una densidad de dislocación de 106 cm-2, duplicándose este número para el metal deformado plásticamente (en torno a 1012 cm-2). La visualización de las mismas se realiza por procesos de Microcalorimetría o Microscopía electrónica de transmisión.

 Importancia de las dislocaciones El proceso de deslizamiento de las dislocaciones es de especial importancia para conocer el comportamiento mecánico de los metales. En primera lugar, permite explicar el por qué el esfuerzo teórico necesario para deformar plásticamente (o permanentemente) un material, es mucho mayor que el valor necesario observado en la práctica. En efecto, el deslizamiento provocado por los movimientos de las dislocaciones, provoca una mayor facilidad de ruptura de uniones atómicas lo que implica una menor fuerza requerida para la deformación plástica del metal. Por tanto, la presencia de dislocaciones, facilita la deformación plástica de un metal y cuantos más sistemas de deslizamiento posea, mayor facilidad presentará. En segundo lugar, el deslizamiento de las dislocaciones, confiere a un metal ductilidad, propiedad relacionada con el mecanismo antes expuesto. Por último, se puede aumentar la resistencia de un metal, controlando el movimiento de sus dislocaciones. Un obstáculo introducido de forma voluntaria en el metal, impedirá que las dislocaciones se deslicen, a menos que se aplique mayor fuerza de deformación, lo que implica que el material sea más resistente. Las distintas formas de aumentar la resistencia de los metales y sus aleaciones, se basan en este hecho, aumentar el número de dislocaciones del material e impedir o anclar su deslizamiento.

Defectos superficiales.

Los defectos superficiales son los límites o bordes o planos que dividen un material en regiones, cada una de las cuales tiene la misma estructura cristalina pero diferente orientación.

SUPERFICIE EXTERNA Las dimensiones exteriores del material representan superficies en las cuales la red termina abruptamente. Los átomos de la superficie no estan enlazados al número máximo de vecinos que deberían tener y por lo tanto, esos átomos tienen mayor estado energético que los átomos de las posiciones internas. Los enlaces de esos átomos supericials que no estan satisfechos dan lugar a una energía superficial, expresada en unidades de energía por unidad de área (J/m2 o Erg/cm2). Además la superficie del material puede ser rugosa, puede contener pequeñas muescas y puede ser mucho mas reactiva que el resto del material.

BORDES DE GRANO Se puede definir como la superficie que separa los granos individuales de diferentes orientaciones cristalográficas en materiales policristalinos. El límite de grano es una zona estrecha en la cual los átomos no están uniformemente separados, o sea que hay átomos que están muy juntos causando una compresión, mientras que otros están separados causando tensión. De cualquier forma los limites de grano son áreas de alta energía y hace de esta región una mas favorable para la nucleación y el crecimiento de precipitados

MACLAS Una macla es un tipo especial de límite de grano en el cual los átomos de un lado del límite están localizados en una posición que es la imagen especular de los átomos del otro lado.

1.3.4 Importancia de los defectos Los defectos que aparecen en los materiales, como una grieta, pueden ser responsables de múltiples problemas, desde fallos en un microchip a terremotos. Ingenieros del MIT han desarrollado un modelo que predice el lugar de origen del defecto, sus características iniciales y cómo empieza a avanzar a través del material. El modelo podría ser especialmente útil en nanotecnología, ya que, como dice Subra Suresh, uno de los responsables de las investigaciones, a medida que los dispositivos se hacen más y más pequeños, se hace más importante entender los fenómenos que producen los defectos en ellos. Una aparentemente minúscula dislocación (un pequeño desorden en la configuración de los átomos dentro del material), o una grieta, pueden comprometer de forma drástica el rendimiento del sistema. Suresh y sus colegas Ju Li, Krystyn J. Van Vliet, Ting Zhu y Sidney Yip, han logrado con su modelo un paso adelante importante hacia la comprensión del extraño mundo de los defectos en los materiales. Descrito en la revista Nature, proporciona una capacidad de

predicción aplicable a diferentes escalas. Así, puede ser utilizado no sólo para predecir los defectos entre átomos, sino también para el deslizamiento entre placas tectónicas, un fenómeno tras el cual se ocultan los terremotos.

Los investigadores también han descrito cómo un defecto atómico como una grieta o una dislocación puede desarrollarse a partir de una onda. El mundo está lleno de ondas invisibles, como las ondas sónicas que viajan a través del aire. Bajo ciertas condiciones, sin embargo, una onda puede hacerse inestable. A partir de aquí, puede aparecer un defecto en cuatro etapas. En primer lugar, la amplitud de la onda crece. Poco a poco, la cresta se eleva, como ocurre con las olas que se aproximan a la costa. En una tercera fase, la onda se hace tan pronunciada que ya no puede describirse a nivel continuo y debe ser transferida a una descripción atómica. En una cuarta etapa, la onda de choque a escala atómica se ve atrapada en el difícil territorio del paisaje energético microscópico, resultando en un defecto.

El modelo no ha sido pensado de un día para otro. Está basado en muchos años de teoría y experimentos realizados por muchas personas. Los científicos, además, disponen de herramientas de computación y experimentales que antes no existían.

Mecanismos De La Difusion Existen dos mecanismos principales de difusión en los átomos en una estructura cristalina: (1) mecanismo de vacantes o sustitucional, y (2) el mecanismo intersticial. 1. Mecanismo de difusión por vacantes o sustitucional Los átomos pueden moverse en las redes cristalinas desde una posición a otra si hay presente suficiente energía de activación, proporcionada ésta por la vibración térmica de los átomos, y si hay vacantes u otros defectos cristalinos en la estructura para que ellos los ocupen. Las vacantes en los metales son defectos en equilibrio, y por ello algunos están siempre presentes para facilitar que tenga lugar la difusión sustitucional de los átomos. Según va aumentando la temperatura del metal se producirán más vacantes y habrá más energía térmica disponible, por tanto, el grado de difusión es mayor a temperaturas más altas. La energía de activación para la difusión propia es igual a la suma de la energía de activación necesaria para formar la vacante y la energía de activación necesaria para moverla.

La siguiente tabla presenta la relación de algunas energías de activación para la autodifusión en metales puros.

Tabla 1

Se pude observar que a medida que incrementa el punto de fusión del material. La energía de activación también aumenta. Esto se da porque los metales con temperatura de fusión más altas tienden a mayores energías de enlace entre sus átomos. La difusión también puede darse por el mecanismo de vacantes en soluciones sólidas. La diferencia entre los tamaños de los átomos y las energías de enlace entre ellos son factores que afectan la velocidad de difusión. 2. Mecanismo de difusión intersticial La difusión intersticial de los átomos en redes cristalinas tiene lugar cuando los átomos se trasladan de un intersticio a otro contiguo al primero sin desplazar permanentemente a ninguno de los átomos de la matriz de la red cristalina. Para que el mecanismo intersticial sea efectivo, el tamaño de los átomos que se difunde debe ser relativamente pequeño comparado con el de los átomos de la matriz. Los átomos pequeños como los de hidrógeno, carbono, oxígeno y nitrógeno, pueden difundirse intersticialmente en algunas redes cristalinas metálicas. Por ejemplo, el carbono puede difundirse intersticialmente en hierro alfa BCC y hierro gamma FCC. En la difusión intersticial de carbono en hierro, los átomos de carbono deben pasar entre los átomos de la matriz de hierro.