Imperfecciones Cristalinas
Defectos en la red cristalina
En realidad, 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.
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:
Imperfecciones puntuales
El defecto puntual más sencillo es la vacante, un sitio atómico en el que ha desaparecido el átomo que lo ocupaba . Las 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. En los metales, la concentración de vacantes en el equilibrio, raramente excede de aproximadamente 1 átomo en 10 000. Las vacantes en metales son defectos en equilibrio y su energía de formación es aproximadamente de 1 eV.
En los metales pueden introducirse vacantes adicionales durante la deformación plástica, por enfriamiento rápido desde elevadas a bajas temperaturas y por bombardeo con partículas de alta energía, como son los neutrones. Las vacantes que no están en equilibrio tienen tendencia a formar “ aglomerados”, formando divacantes o trivacantes. Las vacantes pueden moverse intercambiando su posición con sus vecinas. Este proceso es importante en la migración o difusión de los átomos en estado sólido, particularmente, a temperaturas elevadas donde la movilidad de los átomos es mayor.
Imperfecciones lineales
Los defectos lineales o dislocaciones en los sólidos cristalinos 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.
Las dislocaciones tienen dos características importantes:
• Tienen la capacidad de moverse o desplazarse en el interior del material.
• Cuando una dislocación se desplaza, se divide aumentando el número de dislocaciones presentes en el material.
Cuando se aplica una fuerza sobre la dislocación, ésta se desplaza sobre un plano específico y en determinadas direcciones. Al plano se le llama plano de deslizamiento y a la dirección se le llama dirección de deslizamiento. A la combinación de un plano de deslizamiento con una dirección de deslizamiento se le llama sistema de deslizamiento. La fuerza aplicada directamente sobre la dislocación es una componente de alguna fuerza externa aplicada sobre el material.
Los metales pueden sufrir deformación elástica y deformación plástica.
La deformación elástica es aquella deformación que desaparece cuando se retira la fuerza que la causa. Esta deformación es similar a la de un resorte, el cual se estira (o comprime) mientras se aplica la fuerza, pero al retirarse ésta, el resorte regresa a su longitud original.
La deformación plástica es aquella que una vez se hace en el material, no desaparece aún cuando se retire la fuerza que la causó. La deformación plástica permite cambiar la forma geométrica de una pieza de manera permanente. Las dislocaciones juegan un papel muy importante en la deformación plástica de los metales. Precisamente la deformación plástica se da porque la dislocación es capaz de moverse en el interior del material, causando la reubicación de los átomos que forman la estructura cristalina.
Imperfecciones superficiales
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.
Tamaño de grano
La microestructura de la mayor parte de los materiales está formada por muchos granos. Un grano es una porción del material dentro del cual el arreglo atómico es idéntico. Sin embargo, la orientación del arreglo atómico, o de la estructura cristalina, es distinta para cada grano. En la figura se muestran de manera esquemática tres granos; la red de cada uno de ellos es idéntica pero están orientados de manera distinta. La frontera de grano, que es la superficie que separa los granos, es una zona estrecha en la cual los átomos no están correctamente espaciados. Esto quiere decir que, en algunos sitios, los átomos están tan cerca unos de otros en la frontera de grano que crean una región de compresión y en otras áreas están tan alejados que crean una región de tensión.
Fuente:
William, F. Smith, & Javad, Hashemi,.P. H. D. (2006). Fundamentos de la ciencia e ingeniería de materiales (4ª ed.). D.F.México: The McGraw-Hill.