Defectos o imperfecciones en los sistemas cristalinos

Juan Carlos VazquezDavid Barba

Manuel Cabrera Jose Carlos Ortiz

Introducción.• ¿Alguna vez te has preguntado que hace que un cristal de rubí

sea rojo y otro azul? ¿Qué hace al acero mucho más duro y resistencia que el hierro puro? La respuesta es sencilla… es el arreglo de los átomos o de los iones de los materiales diseñados. • Los arreglos de estructuras cristalinas siempre tienen defectos:1.Tienen un efecto sobre las propiedades de los materiales2.En muchas aplicaciones es útil, sin embargo en otras se trata de

minimizar.3.Se dividen en tres tipos: puntuales; lineales y superficiales.

Defectos Puntuales.

Son interrupciones localizadas en arreglos atómicos o iónicos. Esta alteración afecta una región donde intervienen varios átomos o iones en una

estructura cristalina. Se pueden introducir por ello movimiento de los átomos o iones al aumentar la

energía por el calentamiento, por el procesamiento, por la introducción de impurezas o por dopado.

Hay seis tipos de defectos puntuales: vacancia; átomo intersticial, átomo de sustitución pequeño; átomo de sustitución grande; defecto de Frenkel y defecto de Scottky.

Tipo 1: Vacancia.

• Es cuando faltan un átomo o ion en su sitio normal de la estructura cristalina. • Recordemos que cuando faltan átomos o iones aumenta el desorden normal o

entropía del material, que a su vez, aumenta la estabilidad termodinámica de un material cristalino.

• Todos los materiales cristalinos tienen defecto de vacancia.• Se introducen a los metales y aleaciones durante a solidificación, a

temperaturas elevadas o como consecuencia de danos por la radicación.• Juegan un papel importante en la determinación de la rapidez con la que se

pueden mover los átomos o iones.

Formula para calcular vacancia.

Tipo 2: Intersticial.• Se forma cuando se inserta un átomo o ion adicional en la

estructura cristalina, normalmente una posición desocupada. • Los átomos intersticiales son mucho menores que los átomos

que están en los puntos de la red, pero son mayores que los sitios intersticiales que ocupa.• En consecuencia, la región cristalina vecina esta comprimida

y distorsionada.

Tipo 3: Sustitucional:

• Átomo/Ion es sustituido con un tipo distinto de átomo o ion.• Estos átomos sustitucionales ocupan el sitio mayor de la red: cuando

son mayores se reducen los espacios interatómicos y viceversa cuando son menores.• Estos defectos pueden introducir de forma de una impureza, de una

adición deliberada en la aleación, • Una vez introducidos, la cantidad de defectos es relativamente

independiente de la temperatura.

Tipo 4: Intersticialidad (Defecto auntointersticial)

• Un átomo idéntico a los puntos normales de red está en una posición intersticial.• Es común en estructuras con bajo factor de

empaquetamiento.

Tipo 5: De Frenkel.

• Un par vacancia-intersticial cuando un ion salta de un punto normal de red a un sitio intersticial, dejando atrás una vacancia.

Tipo 6: De Schottky.

• Las vacancias se presentan en un material con enlaces iónicos donde debe faltar un número estequiometrico de aniones y cationes en el cristal si se quiere conservar la neutralidad eléctrica.

Defectos Lineales.

• Las dislocaciones son imperfecciones lineales en un cristal que de otra manera seria perfecto. • Se suelen introducir en cristal durante la solidificación del material o

cuando el material se deforma permanentemente. • Anqué en todos los materiales incluyendo cerámicos y polímeros,

hay dislocaciones. • Se pueden identificar tres clases de dislocaciones: de tornillo, borde

y mixta.

Tipo 1: De tornillo.

• Se puede ilustrar haciendo un corte parcial en un cristal perfecto torciendo ese cristal una distancia atómica. • Si se continuara la rotación se describiría una trayectoria

espiral. • El eje o línea respecto al cual se traza la trayectoria, es la

dislocación de tornillo.

Tipo 2: De borde o arista.

• Se puede ilustrar haciendo un corte parcial en un cristal perfecto abriendo el cristal y llenando en parte el corte con un plano adicional de átomos. • La orilla inferior de este plano insertado representa la dislocación de borde. • El vector necesario para cerrar el circuito es el vector de Burgers.• Al introducir la dislocación, los átomos que están arriba de la línea de

dislocación están muy comprimidos entre sí, mientras que los de abajo están muy distendidos. • A diferencia de una dislocación de borde o arista, una de tornillo no se

puede visualizar como un semiplano adicional de átomos

Tipo 3: Mixtas.

• Tienen componentes de bordes y de tornillos con una región de transición entre ella. • Cuando se aplica una fuerza cortante en la dirección del vector de Burgers a un

cristal que contenga una dislocación, esta se puede mover rompiendo los enlaces de los átomos en un plano. • El plano de cortes se desplaza un poco para establecer enlaces con el plano parcial

de átomos originales. • Ejemplo: Otra forma de visualizarlo, es imaginar cómo se movería una onda en

una alfombra si tratáramos de eliminarla aplanándola en lugar de levantar la alfombra.

Deslizamiento.

• Es el proceso por el que se mueve una dislocación y se hace que se deforme un material metálico. • La dirección en la que se mueve la dislocación es la

dirección de deslizamiento. • Durante el deslizamiento, una dislocación se mueve

desde un conjunto de entornos hasta otro conjunto idéntico de entornos.

Ley de Schmid.

• Se puede usar para comparar las propiedades de los metales que tengan estructuras cristalinas BCC, FCC y HCP. Como los distintos cristales o granos están orientados en direcciones aleatorias, no se puede aplicar la ley de Schmid para pronosticar el comportamiento mecánico de los materiales policristalinos.

Defectos superficiales.• Son imperfecciones de la estructura cristalina ubicadas en un

área del material.• Los principales defectos son la misma superficie y las

fronteras de los granos. • La superficie del material es un defecto de estructura

porque se rompe con la simetría de los átomos entrelazados, estos átomos tienen enlaces químicos no completos, lo cual los hace más reactivos químicamente del resto de los átomos. Son límites o los planos que separan un material en regiones, cada región tiene la misma estructura cristalina, pero diferente orientación.

• Las dimensiones exteriores del material representan superficies en donde termina el cristal en forma súbita.• Cada átomo en la superficie ya no tiene el número

adecuado de coordinación y se interrumpe el enlazamiento atómico.• La superficie exterior también puede ser apera,

contener muescas diminutas y ser mucho más reactiva que el interior del material.• Ejemplo: la oxidación de metales, ya que estos

presentas estructuras policristalinos los átomos no llegan a completar sus enlaces.