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UNIVERSIDAD TÉCNICA DE AMBATO FACULTAD DE INGENIERÍA CIVIL Y MECÁNICA CARRERA DE INGENIERÍA MECÁNICA “MAESTRÍA EN MECÁNICA COHORTE 2017” MATERIALES PARA INGENIERÍA INTEGRANTES: NANCY RODRÍGUEZ SÁNCHEZ LUIS SALÁN GUEVARA EDGAR SANGUCHO ALBERTO URBINA JUAN PABLO MUQUINCHE TEMA: DEFECTOS CRSTALINOS FECHA: 24-11-2017

I.

Tema: Defectos cristalinos.

II. Objetivos A. Objetivo general: 1) Conocer los diferentes tipos de defectos cristalinos que se presentan dentro de las microestructuras de los materiales. B. Objetivos específicos: 1) Clasificar los diversos tipos de imperfecciones cristalinas. 2) Conocer la influencia de los defectos sobre las propiedades mecánicas de los materiales cristalinos. 3) Identificar qué tipo (s) de acción (es) o procedimiento se utilizaría para subsanar los defectos cristalinos presentes en los materiales. III. Procedimiento / Marco Teórico A. Los sólidos reales invariablemente contienen discontinuidades estructurales y regiones localizadas de desorden. Esta heterogeneidad puede existir tanto en escalas microscópicas como macroscópicas, con defectos o imperfecciones que varían en tamaño desde átomos perdidos o extraviados hasta características que son visibles a simple vista. B. En el mundo práctico real, no existen cristales perfectos, 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 .

C. A continuación se presenta una breve clasificación de los defectos cristalinos en función de su forma y/o geometría:

DEFECTOS CRISTALINOS

Puntuales

Lineales

Vacantes

Planares o Interfaciales

Dislocaciones

Vacante

Volumétricos

Superficies externas

Cuña o arista

Límites de grano Mixta

Divacante aniónica-catiónica o defecto de Schottky

Helicoidal

Vacante catiónica o defecto de Frenkel

Autointersticial o Intersticialidad

Maclas

Bordes de ángulo cerrado

Bordes de ángulo abierto

Torsiones

Fallas de apilamiento

D. A continuación se presenta una breve descripción de las imperfecciones cristalinas: 1) Puntuales o de dimensión cero: afectan a un punto de red, perturbando únicamente a los vecinos más próximos. a)

Vacantes: pueden producirse durante la solidificación como resultado de perturbaciones locales durante el crecimiento de los cristales, o por las reordenaciones atómicas en un cristal ya existente debido a la movilidad de los átomos. 

Vacante: es la ausencia de un átomo en un punto del reticulado cristalino.

Fig. 1. Vacante. [1]

William Smith, Javad Hashemi, Fundamentos de la Ciencia e Ingeniería de Materiales, 4ta ed., México, D.F., 2006, pp.22.



Divacante aniónica-catiónica: se genera cuando dos iones de carga opuesta faltan en un cristal iónico. Se conoce también como defecto de Schottky.



Vacante catiónica: 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 también defecto de Frenkel.

Fig. 2. Representación en dos dimensiones de un cristal iónico ilustrando un defecto de Schottky y un defecto de Frenkel. [2]

Wulff et al., “Structure and Properties of Materials”, vol. 1: “Structure, Wiley, 1964, pp.78.

b) Autointersticial o intersticial: es cuando un átomo del mismo u otro material ocupan un intersticio.

Fig. 3. Intersticial o Autointersticial. [1]

William Smith, Javad Hashemi, Fundamentos de la Ciencia e Ingeniería de Materiales, 4ta ed., México, D.F., 2006, pp.22.

2) Lineales o dislocaciones: son defectos que provocan una distorsión de la red centrada en torno a una línea. Las dislocaciones se crean durante la solidificación de los sólidos cristalinos. También se pueden formar en la deformación plástica o permanente de los sólidos cristalinos, por condensación de vacantes y por desajuste atómico en las disoluciones sólidas. a)

Cuña o arista: se crea en un cristal por la intersección de un medio plano adicional de átomos, como se muestra en la Fig.4.

Fig. 4. Dislocación de arista positiva. [1]

William Smith, Javad Hashemi, Fundamentos de la Ciencia e Ingeniería de Materiales, 4ta ed., México, D.F., 2006, pp.24.

b) Helicoidal: se 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.

Fig. 5. Dislocación helicoidal. [3]

M. Eisenstadt, “Mechanical Properties of Materials”, Macmillan, 1971, pp.118.

c)

Mixta: generalmente la mayoría de las dislocaciones en los cristales son de tipo mixto, y obviamente tiene como componentes tanto los defectos de arista y helicoidales .

Fig. 6. Dislocaciones mixtas en un cristal. [4]

John Wulff et al., “Structure and Properties of Materials”, vol 3: “Mechanical Properties”, Wiley,1965, pp.65.

3) Planares o Interfaciales: separan regiones que tienen diferente estructura cristalina y/u orientación cristalográfica. a)

Superficies externas: se consideran defectos debido a que los átomos de la superficie están enlazados a otros átomos sólo por un lado.

b) Límite de grano: son los defectos de la superficie en los materiales policristalinos que separan a los granos (cristales) de diferentes orientaciones.

Fig. 7. Esquema de límites de grano de ángulo pequeño y grande y posiciones atómicas adyacentes. [5]

W. Callister, Jr., “Ciencia e Ingeniería de los Materiales”, pp.81.

c)

Las maclas o bordes de maclas: son otro ejemplo de un defecto bidimensional. Una macla se define como una región en la que existe una imagen de espejo de la estructura a través de un plano o un borde. Los bordes gemelos se forman cuando un material se deforma permanentemente o de manera plástica (macla de deformación). También pueden aparecer durante el proceso de recristalización en el que los átomos se vuelven a situar en un cristal deformado (macla de templado), pero esto sólo ocurre en algunas aleaciones FCC.

Fig. 8. Representación esquemática mostrando el plano o límite de macla y la posición de los átomos vecinos (círculos oscuros). [5]

W. Callister, Jr., “Ciencia e Ingeniería de los Materiales”, pp.83.

d) Bordes de ángulo cerrado: consiste en un arreglo de dislocación de formación angular desalineado dentro de un cristal. e)

Borde ángulo abierto: se trata de un arreglo de dislocación helicoidal que crea que los átomos se desordenen dentro de un cristal.

Fig. 9. a) Dislocaciones de borde en un haz que forma un límite inclinado en un ángulo pequeño. b) Esquema de límite doblado en ángulo pequeño. [1]

William Smith, Javad Hashemi, Fundamentos de la Ciencia e Ingeniería de Materiales, 4ta ed., México, D.F., 2006, pp.30.

f)

Fallas de apilamiento: es una superficie defectuosa que se forma debido al apilamiento impropio (fuera de lugar) de los planos atómicos.

Fig. 10. Schematic representation of (100) stacking faults in the pyrite lattice. The stacking faults essentially create planes of sulfur-sulfur atoms within the pyrite lattice. [6]

D. V. Maetello, K. S. Vecchio, J. R. Diehl, R. A. Graham, J. P. Tamilia, and S. S. Pollack., “Title of paper: Do dislocations and atacking faults increase the oxidation rate of pyrites?,” J. University of California at San Diego, August 25, 1993.

4) Volumétricos o tridimensionales: se forman cuando un grupo de átomos o de defectos puntuales se unen para formar un vacío tridimensional o poro. De manera inversa, un grupo de átomos de alguna impureza puede unirse para formar un precipitado tridimensional. El tamaño de un defecto volumétrico puede variar desde unos cuantos nanómetros hasta centímetros o, en ocasiones, puede ser mayor. Ejemplos de estos defectos, son: poros, fisuras e inclusiones. E. Estabilidad de defectos: Mediante la aplicación de un tratamiento térmico de carácter de recocido, los defectos como los bucles de dislocación, los tetraedros de falla de apilamiento y los huecos pueden reducirse en tamaño. El calentamiento, los bucles de dislocación y los vacíos actúan como fuentes de vacantes y se contraen. Este proceso ocurre en el rango de temperatura donde la autodifusión es rápida, que da lugar a la reducción del defecto.

IV. Conclusiones A. Se ha determinado la clasificación de los diversos defectos y/o imperfecciones cristalinas, identificándose que existen fundamentalmente cuatro grupos de defectos: puntuales, lineales, Planares y volumétricos. B. Se determina que existen defectos en los cristales iónicos como los divacante aniónica-catiónica y vacante catiónica, que permiten aumentar su conductividad eléctrica.

C. A través de la aplicación de un tratamiento térmico como principalmente el recocido, permite reducir el tamaño de los defectos como los bucles de dislocación, los tetraedros de falla de apilamiento.

V. Recomendaciones A. Se recomienda previo a la selección de un material para una determinada aplicación en ingeniería, considerar el tipo de defecto cristalino que generalmente con lleva ese tipo de material previo a su utilización. Cabe recalcar que los defectos no son necesariamente dañinos para las aplicaciones ingeniería, a veces pueden convenir para el desarrollo de ciertas aplicaciones. B. Se sugiere conocer los defectos a profundidad, de tal forma que permita controlarlos para optimizar la propiedad que sea de interés, en vista que afectan directamente en el comportamiento del material.

VI. Bibliografía [1] [2] [3] [4] [5] [6]

William Smith, Javad Hashemi, Fundamentos de la Ciencia e Ingeniería de Materiales, 4ta ed., México, D.F., 2006, pp.22, 24,30. Wulff et al., “Structure and Properties of Materials”, vol. 1: “Structure, Wiley, 1964, pp.78. M. Eisenstadt, “Mechanical Properties of Materials”, Macmillan, 1971, pp.118. John Wulff et al., “Structure and Properties of Materials”, vol 3: “Mechanical Properties”, Wiley,1965, pp.65. W. Callister, Jr., “Ciencia e Ingeniería de los Materiales”, pp.81, 83. D. V. Maetello, K. S. Vecchio, J. R. Diehl, R. A. Graham, J. P. Tamilia, and S. S. Pollack., “Title of paper: Do dislocations and atacking faults increase the oxidation rate of pyrites?,” J. University of California at San Diego, August 25, 1993.