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• Ivan Castro

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Introducción. En esta síntesis se tratará el tema de los defectos cristalinos en los materiales. Todos los materiales presentan defectos en sus arreglos atómicos y estos hacen que no tengan una estructura perfecta. Estos defectos tienen gran influencia sobre el comportamiento de los materiales. Sin embargo, esto no significa que los defectos son adversos o malignos para un cierto material. De hecho, muchas de las características específicas en los materiales son deliberadamente producidas mediante la introducción de cantidades controladas de “defectos” como en el caso de las aleaciones.

1. Defectos cristalinos 1.1

Defectos de punto

Se dan a nivel de las posiciones de los átomos individuales. Los principales defectos puntuales son los que se mostrarán a continuación

1.1.1 VACANTES Son puntos de red vacíos en la estructura del material. Estos deberían idealmente estar ocupados por átomos, sin embargo se encuentran vacíos. En equilibrio, el número de vacante N v de una cantidad determinada de material depende de la temperatura

Donde:    

N es el número total de sitios atómicos por unidad de volumen Qv es la energía requerida para la formación de vacancias T es la temperatura absoluta R es la constante universal de los gases

lugares

1.1.2 Defectos intersticiales Son atomos que ocupan lugares que no están definidos en la estructura cristalina, En otras palabras, son atomos cuya posicion no está definida por un punto de red. Normalmente estos átomos se colocan en los intersticios que forman entre los atomos originales, por lo que se les llama átomos intersticiales.

1.1.3 Átomos sustitucionales En teoría un material puro está formado exclusivamente por el mismo tipo de átomos. Los materiales reales no son 100% puros sino que poseen impurezas, las cuales se definen como átomos diferentes a los átomos del material original. Cuando uno de esos átomos diferentes sustituye a un átomo original ocupando su punto de red, recibe el nombre de átomo sustitucional.

1.2

Defectos lineales

Se dan a nivel de varios átomos confinados generalmente a un plano. Los defectos lineales más importantes en los materiales son las dislocaciones. 1.2.1 Dislocaciones 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:

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

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.

 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. 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. 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.

1.3

Defectos planares

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.

1.3.1 Superficie externa Las dimensiones exteriores del material representan superficies en las cuales la red termina abruptamente. Los átomos de la superficie no están 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 superficiales que no están 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 más reactiva que el resto del material.

1.3.2 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 límites de grano son áreas de alta energía y hace de esta región una más favorable para la nucleación y el crecimiento de precipitados.

1.3.3 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.

1.4

Defectos volumétricos

En adición a los defectos 0D, 1D y 2D, en los sólidos pueden existir defectos de mayor alcance. Estos defectos incluyen poros, grietas, inclusiones, o fases mixtas. Estos defectos son denominados defectos volumétricos (3D). Muchos de ellos tienen lugar durante el proceso de fabricación de los materiales, o son introducidos durante su procesamiento.

Conclusión.