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• Sebastian Camilo Hidalgo

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Ciencia de Materiales Imperfecciones en Materiales Cristalinos

Brayan Ibáñez: 71446

Universidad Incca de Colombia

Facultad de Ingenierías

Ingeniería Mecánica

Bogotá 2018

Contenido

1. Objetivos 1.1. Objetivo general 1.2. Objetivos específicos 2. Imperfecciones en materiales cristalinos 2.2. Materiales cristalinos 2.3.

3. Conclusiones 4. Bibliografía

Objetivos

Objetivo General 

Comprender que es un material cristalino y las diferentes imperfecciones que pueden llegar a tener en su estructura cristalográfica

Objetivos Específicos     

Identificar que es un material cristalino Analizar los diferentes tipos imperfecciones que pueden llegar a tener los materiales cristalinos Determinar las características de los materiales cristalinos Reconocer la estructura que tienen los materiales cristalinos Comprender como influye en el material el tipo de imperfección que presenta

Imperfecciones en Materiales Cristalinos 

Materiales Cristalinos

Los minerales se caracterizan, entre otras cualidades, por poseer una estructura cristalina. Los materiales cristalinos son aquellos materiales sólidos, cuyos elementos constitutivos se repiten de manera ordenada en las tres direcciones del espacio. Así, la propiedad característica y definidora de la materia cristalina es ser periódica. Quiere esto decir que, a lo largo de cualquier dirección, los elementos que la forman se encuentran repetidos a la misma distancia (traslación). Este principio es válido partiendo desde cualquier punto de la estructura. Si tomamos las traslaciones mínimas en un cristal (traslaciones fundamentales) y desarrollamos el paralelepípedo que generan, obtendremos la celda unidad.

Cada celda unidad viene definida por la magnitud de sus traslaciones y de los ángulos que forman entre ellas. Por repetición de esta celda unidad podemos reconstruir la red cristalina. 

Propiedades de la materia cristalina

La materia cristalina posee las siguientes propiedades características: homogeneidad anisotropía y simetría: Homogeneidad: En la materia cristalina, el valor de una propiedad medida en una porción de un cristal se mantiene en cualquier porción de él. Anisotropía: Las distancias entre los elementos constitutivos varía con la dirección, afectando a ciertas propiedades. Así una propiedad puede dar valores diferentes dependiendo de la dirección en que la midamos. Simetría: Por el hecho de ser periódica la materia cristalina es simétrica. Los elementos de simetría más comunes son: 

Defectos en los Materiales cristalinos

La estructura cristalina es un concepto teórico que permite comprender cómo están formados los materiales. A partir del concepto de estructura cristalina es posible explicar muchas de las propiedades

que exhiben los materiales, sean estos cristalinos o amorfos. El plantear que un material clasificado como cristalino posee estructura cristalina es una idealización que no siempre se cumple en los materiales reales. La forma como están colocados los átomos en un material real normalmente difiere de la posición ideal que se espera a partir de la estructura cristalina. Esas diferencias pueden explicarse planteando que el modelo de arreglo atómico puede poseer defectos. Para propósitos de estudio, los defectos se clasifican de la siguiente manera: Defectos puntuales. Se dan a nivel de las posiciones de los átomos individuales. Los principales defectos puntuales son los siguientes:

a) Vacancias. Son puntos de red vacíos en la estructura del material. Estos lugares deberían idealmente estar ocupados por átomos, sin embargo, se encuentran vacíos. b) 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. c) Átomos intersticiales. Son átomos que ocupan lugares que no están definidos en la estructura cristalina. En otras palabras, son átomos cuya posición no está definida por un punto de red. Normalmente estos átomos se colocan en los intersticios que se forman entre los átomos originales, por lo que se les llama átomos intersticiales.

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. Las dislocaciones se generan durante la solidificación o la deformación plástica de los materiales cristalinos, y consisten en planos “extra” de átomos insertados en la estructura cristalina.

Estructura perfecta

Estructura con dislocación

Las dislocaciones están formadas por los átomos originales del material (no por impurezas). Debido a que el plano de átomos está insertado en la estructura en lugares no definidos por la misma, las dislocaciones causan la deformación del material cercano a ellas. Los átomos en la estructura perfecta se encuentran a una distancia fija de equilibrio entre sí. La presencia de las dislocaciones (y también de los defectos puntuales) altera esta distancia de equilibrio tal como se ilustra a continuación: En esta zona los átomos adyacentes se encuentran apretados entre sí. Se dice que están en compresión

En esta zona los átomos adyacentes están más alejados de lo normal. Se dice que están en tensión Las dislocaciones tienen dos características importantes:

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Tienen la capacidad de moverse o desplazarse en el interior del material.

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Cuando una dislocación se desplaza, se divide aumentando el número de dislocaciones presentes en el material

Defectos de superficie. Son imperfecciones de la estructura cristalina ubicados en un área determinada del material. Los principales defectos de superficie son la misma superficie del material y las fronteras de los granos. La superficie del material es un defecto de la estructura cristalina porque se rompe la simetría con que los átomos están enlazados. Los átomos que se encuentran en la superficie tienen enlaces químicos no completos, lo cual los hace más reactivos químicamente que el resto de átomos. Estos enlaces químicos incompletos son los causantes de que algunos metales se oxiden con facilidad cuando se exponen al medio ambiente.

Imperfecciones térmicas, atomicas y electronicas

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Imperfecciones atómicas

Imperfecciones atómicas. Según se ha definido anteriormente, las imperfecciones atómicas constituyen regiones de desorden atómico relativamente permanentes y comprenden esencialmente: a) Lugares vacantes en la red. b) Átomos alojados en posición intersticial. C) Átomos propios de la red situados en lugares anómalos de la misma. d) Átomos extraños alojados en posiciones normales o intersticiales de la red. Las vacantes reticulares y los átomos intersticiales pueden considerarse en muchos casos como los productos de ''disociación" de un átomo situado en una posición normal. Por interacción localizada

de fonones en equilibrio térmico se logran, en el caso límite, desplazamientos atómicos suficientemente amplios para que puedan considerarse como auténticas "disociaciones" en vacantes atómicas situadas en posiciones normales de la red y átomos intersticiales. La vacante reticular, considerada como la ausencia de un átomo o ion en una posición reticular determinada, rodeada de lo que pudiéramos llamar ''cristal perfecto", no tiene existencia real. La ausencia de un átomo o ion produce una fuerte perturbación en las partículas que lo rodean, e incluso se ha llegado a proponer (33) que, en el caso de metales, las vacantes individuales se hallan ''disueltas entre un grupo de átomos vecinos, formando así micro-regiones de perturbación. Un átomo, inicialmente presente en una posición normal de la red cristalina, puede generar una vacante por a) Migración a la superficie del cristal (defecto Schottky), y b) Migración a una posición intersticial (defecto Frenkel) La formación de defectos Schottky, que puede considerarse como "una disolución en el cristal del vacío que le rodea", lleva aparejado un aumento de volumen del cristal, que puede no ir asociado con un correspondiente aumento en las constantes reticulares del mismo

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Imperfecciones electrónicas

Estas imperfecciones electrónicas se dan por impurezas a nivel atómico, Los cristales reales presentan defectos o irregularidades en sus disposiciones ideales y son estos defectos los que determinan críticamente muchas de las propiedades eléctricas y mecánicas de los materiales reales. Cuando un átomo sustituye a uno de los principales componentes atómicos dentro de la estructura cristalina, puede producirse una alteración en las propiedades eléctricas y térmicas del material. Las impurezas también pueden manifestarse como impurezas de spin en ciertos materiales. La investigación sobre las impurezas magnéticas demuestra que una alteración sustancial de ciertas propiedades, como el calor específico, puede verse afectada por pequeñas concentraciones de una impureza, como por ejemplo las impurezas en las aleaciones ferromagnéticas semiconductoras pueden conducir a propiedades diferentes tal como se predijeron por primera vez a finales de los años sesenta. Las dislocaciones en la red cristalina permiten cortar a una tensión inferior a la necesaria para una estructura cristalina perfecta. Cuando la estructura tiene un defecto electrónico es porque hay una impureza atómica, es quiere decir que los átomos no están bien ordenados,

La superficie del cristal ideal está constituida por planos cristalinos perfectos que condicionan la mínima energía superficial. Hay que considerar además que las configuraciones electrónicas del sistema corresponden asimismo a los estados energéticos más bajos compatibles con la ordenación cristalográfica del sólido considerado. Desde un punto de vista general se pueden dividir los sólidos perfectos en metales y aisladores, según la disposición relativa de sus niveles de energía. Si los electrones del sistema estuviesen completamente libres, es decir, situados en el interior de una red en la cual el potencial electrostático fuese constante, el espectro de los niveles de energía sería esencialmente continuo a partir de un nivel mínimo perfectamente definido. En este caso el sólido se comportaría como un gas degenerado de electrones libres y tendría propiedades típicamente metálicas.

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Imperfecciones térmicas

Dilatación térmica por vibración