Índice.

Introducción

1. Estructura, arreglos y movimiento de los átomos.

1.1 Importación y clasificación de los materiales en ingeniería.

Materiales puros

Aleaciones ferrosas y no ferrosas

Materiales cerámicos

Materiales de origen inorgánico

Materiales orgánicos e inorgánicos

Materiales orgánicos

1.2 Arreglos atómicos.

Arreglos atómicos orden de corto y largo alcance

Redes celdas unitarias bases y estructuras cristalinas

Parámetros de red

Puntos direcciones y planos de la celda unitaria

1.3 Defectos e imperfecciones.

Defectos puntuales.

Dislocaciones

1.4 Movimiento de átomos (difusión).

Mecanismos de difusión

Difusión por vacancia

Difusión intersticial

Otros Tipos de difusión

Tiempo

Difusión y el procesamiento de los materiales

Crecimiento de grano

Soldadura por difusión

Conclusión.

Bibliografía.

Introducción.

El siguiente trabajo presentará los temas de la primera unidad. “…La ciencia

e ingeniería de los materiales es un campo que se ocupa de inventar nuevos

materiales y mejorar los ya conocidos, mediante el desarrollo de un conocimiento

más profundo de las relaciones entre microestructura, composición, síntesis y

procesamiento…” Por eso se verán conceptos e importancias sobre la clasificación

de los materiales, defectos y movimiento de los átomos.

1. Estructura, arreglos y movimiento de los átomos.

1.1 Importancia y clasificación de los materiales.

Para dar una definición de lo que es un material, primero debe entenderse como es

que está conformado. Lo primero es que un material está compuesto

por elementos, generalmente los elementos químicos encontrados en la naturaleza

y representados en la tabla periódica de elementos químicos. Sin embargo, esto no

es todo, en los materiales estos elementos están relacionados por

una composición química definida. Un ejemplo muy sencillo es la sal común, su

fórmula química es NaCl, lo que significa que hay un átomo de Sodio (Na) por cada

átomo de Cloro (Cl) y es la única forma de obtener este compuesto.

El último factor importante de un material es el acomodo de estos elementos, es

decir, su estructura, los materiales están caracterizados por tener una estructura,

determinada y única, si este acomodo cambia, cambiarán las características del

material y por lo tanto se hablará de este como una variación o como otro material

distinto.

En ciencia e ingeniería de materiales, existe además otra distinción para los

materiales, y es que deben tener un uso específico, si no es así, entonces se les

denomina únicamente sustancia. Por ejemplo, el agua (H2O) en estado líquido es

una sustancia, pero al enfriarse y convertirse en hielo, se puede usar como un

material de construcción, por lo tanto, esta misma agua solidificada, al tener un uso

práctico, se le considera un material.

En resumen, los materiales están formados por elementos, con una composición y

estructura única y que además, pueden ser usados con algún fin específico.

Los materiales se clasifican de forma muy general en:

Metales

Cerámicos

Polímeros

Materiales compuestos

Sin embargo, está clasificación no es única, pues los materiales se pueden dividir

por su estructura, por sus propiedades físicas y químicas, por sus usos en industrias

específicas, etc.

Materiales puros

El primer intento de hacer una clasificación de los materiales encontrados en la

naturaleza fue hecho por el químico el químico J. W. Döbenreiner en 1829. Él

organizó un sistema de clasificación de elementos en el que éstos se agrupaban en

conjuntos de tres denominados tríadas. Las propiedades químicas de los elementos

de una tríada eran similares y sus propiedades físicas variaban de manera ordenada

con su masa atómica. La tríada del cloro, del bromo y del yodo es un ejemplo. En

este caso, la masa de uno de los tres elementos de la tríada es intermedia entre la

de los otros dos. Para 1850 ya se podían contar con unas 20 tríadas para llegar a

una primera clasificación coherente.

En 1869, el químico ruso Dmitri Ivanovich Mendeleyev desarrolló una tabla periódica

de los elementos según el orden creciente de sus masas atómicas. Colocó lo

elementos en columnas verticales empezando por los más livianos, cuando llegaba

a un elemento que tenía propiedades semejantes a las de otro elemento empezaba

otra columna. Mendeleiev perfeccionó su tabla acomodando los elementos en filas

horizontales. Su sistema le permitió predecir con bastante exactitud las propiedades

de elementos no descubiertos hasta el momento.

En 1914, el físico y químico inglés, Henry Moseley, descubrió que los átomos de

cada elemento tienen un número único de protones en sus núcleos, siendo el

número de protones igual al número atómico del átomo. Moseley organizó los

elementos en orden ascendente de número atómico y no en orden ascendente

solucionando los problemas de ordenamiento de los elementos en la tabla periódica.

La organización que hizo Moseley de los elementos por número atómico generó un

claro patrón periódico de propiedades.

En la actualidad, hay 18 grupos en la tabla estándar. El hecho de que la mayoría de

estos grupos correspondan directamente a una serie química no es fruto del azar.

La tabla ha sido estructurada para organizar las series químicas conocidas dentro

de un esquema coherente. La distribución de los elementos en la tabla periódica

proviene del hecho de que los elementos de un mismo grupo poseen la misma

configuración electrónica en su capa más externa. Como el comportamiento químico

está principalmente dictado por las interacciones de estos electrones de la última

capa, de aquí el hecho de que los elementos de un mismo grupo tengan

propiedades físicas y químicas similares. Cabe señalar, además de los elementos

naturales, se han agregado elementos sintéticos producidos en laboratorio.

En los materiales, el tipo de enlace químico determina una gran cantidad de sus

propiedades. El orbital más externo llamado capa de valencia, determina cuantos

enlaces puede formar un átomo. Para que se forme un enlace se requiere:

Que las capas de valencia se toquen; por esto debe ser el orbital más externo.

Que haya transferencia de electrones en las capas de valencia de ambos

átomos.

Existen tres diferentes tipos de enlace considerados energéticamente fuertes: el

enlace iónico, el covalente y el metálico. Existen además las llamadas fuerzas de

atracción débiles o fuerzas intermoleculares.

Enlace iónico

Para que pueda darse este enlace, uno de los

átomos debe ceder electrones y, por el contrario,

el otro debe ganar electrones, es decir, se produce

la unión entre átomos que pasan a ser cationes y

aniones. El ejemplo típico es el cloruro de sodio, en

donde para formarse, el sodio debe ceder un

electrón al cloro, quedando un sodio con carga

neta positiva y un cloro con carga neta negativa.

Formación del cloruro de sodio (NaCl) a través del

enlace iónico.

Enlace covalente

En este enlace cada uno de los átomos aporta un electrón. Los orbitales de las

capas de valencia de ambos átomos se combinan para formar uno solo que

contiene a los 2 electrones.

Esquema de un enlace covalente. Ambos átomos comparten electrones para formar

un solo enlace.

Tanto el enlace iónico como el covalente son los enlaces que caracterizan a los

materiales duros, como lo son las cerámicas y las piedras preciosas. El enlace

covalente también es característico del agua y el dióxido de carbono, por eso es que

es muy costoso, energéticamente hablando, romper estas moléculas en sus

componentes básicos.

Enlace metálico

Los átomos de los metales tienen pocos electrones en

su última capa, por lo general 1, 2 ó 3. Estos átomos

pierden fácilmente esos electrones y se convierten en

iones positivos, por ejemplo Na+, Cu2+, Mg2+. Los

iones positivos resultantes se ordenan en el espacio

formando la red metálica.

Los electrones de valencia desprendidos de los átomos

forman una nube de electrones que puede desplazarse a

través de toda la red. De este modo todo el conjunto de los iones positivos del metal

queda unido mediante la nube de electrones con carga negativa que los envuelve.

Los iones positivos del metal forman una red que se

mantiene unida gracias a la nube de electrones que los

envuelven.

Este tipo de enlace es el que permite a los metales ser

materiales, por lo que pueden ser relativamente de fácil

maquinados, logrando piezas de muy diversas formas y

tamaños. Además, es el que permite a muchos de estos

materiales ser buenos conductores eléctricos.

Enlaces intermoleculares

Este tipo de enlaces se caracteriza por que la distancia

entre los átomos es más grande, se encuentran las

fuerzas de London, Van der Waalls y los puentes de

hidrógeno. Estos enlaces son los que permiten cierta

cohesión en sustancias como el agua o que le dan a

ciertos materiales propiedades eléctricas (electrostática).

A diferencia de los otros enlaces, este es más común

moléculas y no tanto para átomos.

En muchos casos, se habla de un material puro cuando este no tienen impurezas de

otra naturaleza en su estructura. Sin embargo, en realidad no existen materiales

totalmente puros, por eso que se les debe asignar un porcentaje de pureza, que, por

ejemplo, en metales preciosos, les da su valor comercial.

Aleaciones ferrosas y no ferrosas

Algunos autores manejan los términos “aleaciones ferrosas” y no “aleaciones no

ferrosas” (férreas) para definir aquellas aleaciones que tiene o no al hierro como

elemento mayoritario. Esto se debe a la importancia histórica del hierro, incluyendo

la revolución industrial y la fabricación del acero como material de construcción.

Las aleaciones ferrosas tienen como elemento mayoritario el Fe y en general, son

aleaciones fuertes, maleables, de bajo costo y relativamente fáciles de obtener. La

mayor producción de estas son los aceros, aleaciones Fe – C, a los que cambiando

el porcentaje de estos elementos y agregando algunos otros, se les pueden dar

propiedades específicas, dependiendo de la industria a la que se van a aplicar.

La industria del acero se divide en varias ramas:

Aceros al carbón, con uso en construcción

Aceros inoxidables, para maquinado de piezas, platería e instrumental

quirúrgico

Aceros para herramientas, a los que se les agrega W y Mo para endurecerlos

Aleaciones de acero con distintos elementos. Estos ya son de usos más

específicos de acuerdo al elemento agregado

Aleaciones ultra resistentes (de baja aleación), que son los aceros de última

generación.

Ramas principales de la industria del acero.

A pesar de que las aleaciones ferrosas, particularmente el acero, son ampliamente

usadas en ingeniería por sus buenas propiedades mecánicas y su relativamente

bajo costo de producción, existen algunas limitaciones en ellas, pues son materiales

relativamente densos, en general no son buenos conductores eléctricos y, salvo los

aceros inoxidables, son materiales proclives a la corrosión. Por tal motivo, la

industria ha desarrollado otras aleaciones con metales base distinta al Fe,

denominadas aleaciones no ferrosas. Entre las más utilizadas en la industria se

encuentran:

Aleaciones base Cu. Son buenas conductoras y en algunos casos, tienen

propiedades mecánicas especiales que las hacen muy útiles en la fabricación de

muelles, diafragmas y piezas que forman parte de aparatos de medida eléctrica y

barométrica. Ejemplos son el bronce y las aleaciones Cu-Be.

Aleaciones base Al. Son materiales ligeros y muy flexibles, lo que permite

maquinarlos a formas muy diversas, además de ser de baja corrosión. Se usan

en el enlatado de alimentos y manufactura de todo tipo de piezas, incluyendo las

de automóviles y aviones.

Aleaciones base Ti. Son aleaciones menos densas que el acero pero con

propiedades mecánicas muy similares, por lo que se usan en la industria

aeronáutica y aeroespacial. Además también son materiales de bajo porcentaje

de corrosión por lo que son muy útiles en la industria química donde se trabajan

muchas sustancias corrosivas y, en la actualidad, tienen además aplicación en el

área de biomateriales como prótesis de huesos de alta carga mecánica (cadera,

rodilla, fémur, etc.).

Materiales orgánicos e inorgánicos

Materiales orgánicos

Son así considerados cuando contienen células de vegetales o animales. Estos

materiales pueden usualmente disolverse en líquidos orgánicos como el alcohol o

los tetracloruros, no se disuelven en el agua y no soportan altas temperaturas.

Algunos de los representantes de este grupo son:

Plásticos

Productos del petróleo

Madera

Papel

Hule

Piel

Materiales de origen inorgánico

Son todos aquellos que no proceden de células animales o vegetales o relacionadas

con el carbón. Por lo regular se pueden disolver en el agua y en general resisten el

calor mejor que las sustancias orgánicas. Algunos de los materiales inorgánicos

más utilizados en la manufactura son:

Los minerales

El cemento

La cerámica

El vidrio

El grafito (carbón mineral)

Los materiales sean metálicos o no metálicos, orgánicos o inorgánicos casi nunca

se encuentran en el estado en el que van a ser utilizados, por lo regular estos deben

ser sometidos a un conjunto de procesos para lograr las características requeridas

en tareas específicas. Estos procesos han requerido del desarrollo de técnicas

especiales muy elaboradas que han dado el refinamiento necesario para cumplir

con requerimientos prácticos. También estos procesos aumentan notablemente el

costo de los materiales, tanto que esto puede significar varias veces el costo original

del material por lo que su estudio y perfeccionamiento repercutirán directamente en

el costo de los materiales y los artículos que integraran.

Los procesos de manufactura implicados en la conversión de los materiales

originales en materiales útiles para el hombre requieren de estudios especiales para

lograr su mejor aplicación, desarrollo y disminución de costo. En la ingeniería la

transformación de los materiales y sus propiedades tienen un espacio especial, ya

que en casi todos los casos de ello dependerá el éxito o fracaso del uso de un

material.

Materiales cerámicos

Los materiales cerámicos tienen como característica química estar compuestos

principalmente por enlaces iónicos y covalentes, que se ordenan en forma

específica, dándole al material una estructura cristalina, lo que les proporciona

ciertas propiedades distintivas. Son materiales inorgánicos, de baja conducción

eléctrica y mecánicamente frágiles. Algunos de estos materiales se utilizan desde la

Antigüedad, pues son los materiales de uso en construcción más extendidos y

antiguos del mundo, debido a la abundancia de terrenos arcillosos en casi todas las

zonas del planeta. Ladrillos, adobes y todo tipo de tabiques usados en construcción

son ejemplos de estos.

Sin embargo, en la actualidad, los diversos

métodos de producción han permitido

crear cerámicas avanzadas o estructurales,

materiales de muy diversas características,

incluyendo aquellas con buena conductividad

eléctrica o con mejores propiedades mecánicas,

por lo que el uso de estos va más allá que el de

la edificación.

Estos materiales se pueden clasificar en cerámicas basadas en óxidos y en basadas

en nitruros, carburos, silicuros y otros. Entre las cerámicas avanzadas cabe

destacar la alúmina, la berilia, los carburos, los nitruros y los boruros.

La producción de cerámicas avanzadas sigue las etapas de producción de polvos,

preparación de la masa por humectación, conformado y secado, prensado y

sinterización, aplicando el calor con o sin presión simultánea, para acabar con el

mecanizado. La correcta composición de los polvos constituye un punto

fundamental del proceso, para lo que es preciso eliminar totalmente las impurezas y

uniformar el tamaño de las partículas. Los procesos más utilizados industrialmente

son:

La fundición por revestimiento. Una suspensión de arcilla en agua se vierte en

un molde. A medida que el contenido de agua en la superficie disminuye, se

forma un sólido suave. El iquido sobrante se elimina y la forma hueca se retira

del molde. La unión en este punto es arcilla- agua.

La conformación plástica en húmedo. En unos de los casos se apisona un

refractario húmedo en un molde y luego se lo destruye para que salga en una

forma determinada. La masa plástica se fuerza a través de un troquel para

producir una forma alargada que luego se corta a longitud deseada. Cuando se

desea formar figuras circulares tales como platos, se coloca una masa de arcilla

húmeda en una rueda rotativa, y se la conforma con una herramienta.

Prensado con polvo seco. Se consigue rellenando un troquel con polvo y luego

prensándolo. Generalmente el polvo contiene algún lubricante, tal como ácido,

esteárico o cera. Después la pieza fresca o verde se somete al horneado.

Mientras se calienta, se elimina el agua y los gigantes volátiles.

El prensado en caliente. Involucra simultáneamente las operaciones de

prensado y sinterización. Se obtienen mayor densidad y tamaño más fino del

grano. El problema es obtener una duración adecuada del troquel a temperaturas

elevadas, para lo cual muchas veces se emplean atmósferas de protección.

La compactación isostática. El polvo se encapsula en un recipiente que se

pueda comprimir y se sumerge en un fluido presurizado. Las formas del

recipiente y de los corazones removibles determinan la forma del prensado. El

prensado puede ser en caliente o en frio.

Algo que cabe señalar dentro de la clasificación de las cerámicas es que

los vidrios NO son materiales cerámicos, se estudian de forma aparte, pues aunque

tienen características similares, no son materiales sólidos sino líquidos súper

enfriados y su estructura no es cristalina sino amorfa (desordenada).

1.2 Arreglos Atómicos.

Los arreglos de átomos y de iones desempeñan un papel importante en la

determinación de la microestructura y las propiedades de un material.

El uso de la difracción de rayos x, la microscopia electrónica de transmisión y la

difracción de electrones. Estas técnicas nos permiten explorar los arreglos de los

átomos o de los iones en distintos materiales.

En los distintos estados de la materia se pueden encontrar 4 clases de arreglos

atómicos o iones.

a) Los gases

monoatómicos inertes no tiene

ordenamiento regular de átomos.

b) y c) Algunos

materiales, que incluyen vapor de

agua, nitrógeno gaseoso, silicio

amorfo y vidrios de silicato, tienen

orden de corto alcance.

d) Los metales,

aleaciones y muchas cerámicas, así

como algunos polímeros, tienen

ordenamiento regular de átomos o

iones que se extiende a través del

material.

Sin orden En los gases monoatómicos como el argón (Ar) o el plasma que se forma

en un tubo de luz fluorescente, los átomos o los iones no tienen arreglo ordenado.

Estos materiales llenan todo el espacio disponible que tienen.

Arreglos atómicos orden de corto y largo alcance

Orden de corto alcance (SRO) Un material tiene orden de corto alcance si el

arreglo especial de los átomos sólo se extiende a su vecindad inmediata. Cada

molécula de agua en el vapor tiene un orden de corto alcance debido a los enlaces

covalentes entre los átomos de hidrogeno y los de oxigeno; esto es, cada átomo de

oxigeno está unido a 2 átomos de hidrogeno formando 104.5° entre los enlaces. Sin

embargo las moléculas de agua en el vapor no tienen un arreglo especial con

respecto a sus posiciones

mutuas.

Muchos polímeros muestran también arreglos atómicos de corto alcance que se

parecen mucho a la estructura del vidrio silicato. El polietileno está formado por

cadenas de átomos de carbono con 2 átomos de hidrogeno fijos a cada uno de los

carbonos. Como el carbono tiene valencia 4 y los átomos de carbono e hidrogeno

están unidos con enlaces covalentes, de nuevo se produce una estructura

tetraédrica. Las unidades tetraédricas se pueden unir en forma aleatoria para

producir las cadenas del polímero.

Orden a largo alcance (LRO) La mayoría de los metales y aleaciones, los

semiconductores, los cerámicos y algunos polímeros tienen una estructura cristalina

donde los átomos o iones muestran orden de largo alcance; el arreglo atómico

especial abarca escalas de longitud mucho mayores de >100nm. Los átomos o los

iones en esos materiales forman un patrón regular y repetitivo, semejante a una red

en 3 dimensiones. A esos materiales se les llama materiales cristalinos.

Si un material cristalino esta formado por un solo cristal grande, se le llama material

monocristalino o monocristal. Los monocristales se usan en muchas aplicaciones

electrónicas y ópticas. Por ejemplo los chips de computadora se fabrican con

monocristales grandes de Si (hasta 30cm de diámetro)

Un material policristalino está formado por muchos cristales pequeños con

diversas orientaciones en el espacio. Estos cristales más pequeños se llaman

granos.

Redes celdas unitarias bases y estructuras cristalinas

Una red es una colección de puntos, llamados puntos de red ordenados en un

patrón periódico de tal modo que los alrededores de cada punto de la red son

idénticos. Una red puede ser uni, bi o tridimensional.

En ciencia e ingeniería de los materiales “red” es la que describe los arreglos de

átomos o de iones un grupo de uno o mas átomos ubicados en forma determinada

entre si, y asociados con cada punto de red, se llama motivo, motif o base.

Se obtiene una estructura cristalina sumando la red y la base es decir estructura

cristalina = red + base.

La celda unitaria es la subdivisión de una red que sigue conservando las

características generales de toda la red. Hay 7 arreglos únicos, llamados sistemas

cristalinos que llenan el espacio tridimensional.

Los catorce tipos de redes de Bravais, agrupados en siete sistemas cristalinos.

Los puntos de red están en las esquinas de las celdas unitarias y en algunos casos,

en las caras o en el centro de la celda unitaria.

Solo cuando se toma una red de Bravias y se comienza a definir la base – es decir,

uno o mas átomos asociados con cada punto de red -, se puede describir una

estructura cristalina. Por ejemplo, si se toma la red cubica centrada en las caras y se

supone que cada punto de red tiene un átomo se obtiene la estructura cristalina

cubica centrada en las caras.

Aunque solo hay 14 redes Bravias, se pueden tener muchas bases más.

Como la estructura cristalina se obtiene sumando red y base, se tienen cientos de

estructuras cristalinas distintas.

Parámetros de red

Los parámetros de red que

describen el tamaño y la

forma de la celda unitaria

incluyen las dimensiones de

las aristas de la celda unitaria

y de los ángulos entre estas.

Se requieren varios

parámetros de red para

definir el tamaño y la forma

de celdas unitarias

complicadas. Para una celda

unitaria ortorrombica se

deben especificar las

dimensiones de sus tres lados: a0, b0 y c0.

Las celdas unitarias hexagonales requieren dos dimensiones a0 y c0, y el ángulo de

120°entre los ejes a0. La celda mas complicada es la triclínica que se describe con

tres longitudes y tres ángulos.

Cantidad de átomos por celda unitaria Cada una de las celdas unitarias se define

con una cantidad específica de puntos de red.

Puntos direcciones y planos de la celda unitaria

Coordenadas de puntos Se pueden localizar ciertos puntos en la red o celda

unitaria, como por ejemplo las posiciones de los átomos, definiendo el sistema de

coordenadas de mano derecha de la figura 13-18. La distancia se mide en términos

de la cantidad de parámetros de red que hay que recorrer en cada una de las

direcciones x, y, y z para ir del origen del punto en cuestión. Las coordenadas se

describen como las tres distancias, y los números se separan con comas.

Direcciones en la celda unitaria Hay ciertas direcciones en la celda unitaria que

tienen interés especial los índices de Miller de las direcciones es la siguiente:

1) Usar un sistema coordenado de mano derecha y determinar las coordenadas

de dos puntos que estén en dirección.

2) Restar las coordenadas del punto “cola” de las coordenadas del punto

“cabeza” para obtener la cantidad de parámetros de red recorridos en la

dirección de cada eje del sistema de coordenadas.

3) Eliminar las fracciones y/o reducir los resultados obtenidos de la resta, hasta

los enteros mínimos.

4) Encerrar los números entre corchetes [ ]. Si se produce un signo negativo

representarlo con una barra o raya sobre el número.

Coordenadas de puntos seleccionados en la celda

unitaria. El número indica la distancia al origen, en

términos de parámetros de red.

Figura 3-18

Importancia de las direcciones cristalográficas. Se usan para indicar determinada

orientación de un solo cristal o de un material policristalino. En muchas

aplicaciones, es útil describirlas. Por ejemplo, los metales se deforman con más

facilidad en direcciones a lo largo de las cuales los átomos están en contacto

más estrecho.

La densidad lineal es la cantidad de

puntos de red por unidad de longitud a lo

largo de la dirección. En el cobre hay dos

distancias de repetición a lo largo de la

dirección [110] en cada celda unitaria;

como esa distancia es 0= 0.51125 nm.

1.3 Defectos e Imperfecciones.

El arreglo de los átomos o de los iones en los materiales diseñados tiene

imperfecciones o defectos. Con frecuencia estos defectos tienen un efecto profundo

sobre las propiedades de los materiales. El material no se considera defectuoso

desde un punto de vista de la aplicación. En muchas aplicaciones es útil la

presencia de esos defectos. Sin embargo, hay unas pocas aplicaciones en donde se

trata de minimizar determinada clase de defecto. Por ejemplo, los defectos llamados

dislocaciones son útiles para aumentar la resistencia de los metales y las

aleaciones.

Con frecuencia se pueden crear en forma intencional los “defectos” para obtener

determinado conjunto de propiedades electrónicas, ópticas y mecánicas.

Defectos puntuales.

Son interrupciones localizadas en arreglos atómicos o iónicos que, si no fuera por

ellos, serían perfectos en una estructura cristalina. Aun cuando se les llama defectos

puntuales, la alteración afecta una región donde intervienen varios átomos o iones.

Estas imperfecciones se muestran en la figura 4-1 y se puede introducir por el

movimiento de los átomos o iones al aumentar la energía por calentamiento durante

el procesamiento del material, por introducción de impurezas o por dopaje.

a) Vacancia

b) Átomo intersticial

c) Átomo de sustitución pequeño

d) Átomo de sustitución grande

e) Defecto de Frenkel

f) Defecto de schottky

Un defecto puntual implica en general a uno o un par de átomos o iones y en

consecuencia, es distinto de los defectos extendidos, como dislocaciones, limites de

grano, etc.

Vacancias se produce cuando falta un átomo o un ion en su sitio normal de la

estructura cristalina como en la figura 4-1 a). Cuando faltan átomos o iones, es

decir, cuando hay vacancias, aumenta el desorden normal o entropía del material, lo

cual aumenta la estabilidad termodinámica de un material cristalino.

Las vacancias se introducen a los metales y aleaciones durante la solidificación, a

temperaturas elevadas o como consecuencia de daños por radiación. Las vacancias

desempeñan un papel importante en la determinación de la rapidez con que se

puede mover los átomos o los iones, es decir, difundirse, en un material sólido, en

especial en los metales puros.

Defectos intersticiales. Se forman cuando se inserta un átomo o ion adicional en

estructura cristalina en una posición normalmente desocupada.

Defecto sustitucional. Se introduce un defecto sustitucional cuando un átomo o ion

es situado con un tipo distinto de átomo o ion. Los átomos o iones sustitucionales

ocupan el sitio normal en la red.

Los semiconductores que no contienen concentraciones apreciables de dopantes o

impurezas se llaman semiconductores intrínsecos.

Los semiconductores extrínsecos son los que contienen dopantes o impurezas.

Defecto puntual autointerstical. Se crea cuando un átomo idéntico a los puntos de

red está en una posición intersticial. Es más probable encontrar estos defectos en

estructuras cristalinas que tienen bajo factor de empaquetamiento.

Un defecto o par de Frenkel es un par vacancia-intersticial que se forma cuando un

ion salta de un punto normal de red a un sitio intersticial y deja atrás una vacancia.

Un defecto Schottky es exclusivo de los materiales iónicos y suele encontrarse en

muchos materiales cerámicos.

Dislocaciones

Son imperfecciones lineales en un cristal, se suelen introducir en el cristal durante la

solidificación del material o cuando el material se deforma permanentemente.

Aunque en todos los materiales incluyendo cerámicos y polímeros, hay

dislocaciones, son especialmente útiles para explicar la deformación y el

endurecimiento de los materiales metálicos. Se pueden identificar 3 clases de

dislocaciones: de tornillo, de borde y mixta.

Dislocaciones de tornillo se puede ilustrar haciendo un corte parcial en un cristal

perfecto y a continuación, torciéndose el cristal una distancia atómica. Si se sigue un

plano cristalográfico durante una revolución respecto al eje de torcimiento del cristal,

comenzando en el punto x y recorriendo distancias interatómicas iguales en cada

dirección, se termina una distancia atómica debajo del punto de partida (el punto y).

a) Se corta y se ranura una distancia atómica (b) y (c). la línea a lo largo de la

cual se hace el corte es una dislocación de tornillo. Se requiere un vector de

Burgers b para cerrar un ciclo de distancias atómicas iguales en torno a la

dislocación de un tornillo.

Dislocaciones 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 cristal perfecto en (a) se corta se intercala un plano adicional de átomos (b). El

borde inferior del plano adicional es una dislocación de borde (c).

Dislocaciones mixtas tienen componentes de borde y de tornillo, con una reacción

de transición entre ellas.

Dislocación mixta. La dislocación de tornillo en

la cara frontal del cristal cambia de forma

gradual a dislocación de borde en el lado del

cristal.

1.4 Movimiento de átomos (difusión).

La difusión es el movimiento de los átomos en un material. Los átomos se mueven de una manera predecible, tratando de eliminar diferencias de concentración y de producir una composición homogénea y uniforme. El movimiento de los átomos es necesario para muchos de los tratamientos que llevamos a cabo sobre los materiales. Es necesaria la difusión para el tratamiento térmico de los metales, la manufactura de los cerámicos, la solidificación de los materiales, la fabricación de transistores y celdas solares y la conductividad eléctrica de muchos cerámicos. Si comprendemos cómo se transfiere la masa mediante la difusión, podremos diseñar técnicas de procesamiento de materiales, dispositivos a prueba de fugas, e incluso equipo de purificación. Un ejemplo claro de difusión es cuando se deja caer una gota de tinta en agua, los átomos de tinta se difunden en el agua.

Como vimos anteriormente, se pueden introducir imperfecciones en la red de un cristal. Sin embargo, estas imperfecciones, e incluso los átomos que ocupan los puntos de red, no son estables ni están en reposo. En vez de ello, los átomos poseen algo de energía térmica y se moverán. Por ejemplo, un átomo puede trasladarse de un punto normal de la red y ocupar una vacancia cercana. Los átomos pueden moverse de un sitio intersticial a otro y pueden saltar a través de un borde de grano, haciendo que dicho borde se mueva.

La capacidad de los átomos y de las imperfecciones para difundirse aumenta conforme se aumenta la temperatura, o los átomos incrementan su energía térmica.

Mecanismos de difusión:

Incluso en materiales sólidos absolutamente puros, los átomos se mueven de una posición en la red a otra. Este proceso, que se conoce como autodifusión, puede detectarse utilizando trazadores radioactivos. Aunque la autodifusión ocurre de manera continua en todos los materiales, su efecto en el comportamiento del material no es importante.

También ocurre la difusión de átomos distintos en los materiales Si se suelda una lámina de níquel a una lámina de cobre, los átomos de níquel gradualmente se difunden en el cobre y los de cobre emigran hacia el níquel. De nuevo, al transcurrir el tiempo los átomos de níquel y cobre quedarán uniformemente distribuidos.

Hay dos mecanismos importantes mediante los cuales se difunden los átomos

Figuras. (a) Difusión de átomos por vacancia o por átomos sustituciones y (b) difusión intersticial.

Difusión por vacancia: En la autodifusión y en la difusión de átomos sustitucionales, un átomo abandona su sitio en la red para llenar una vacancia cercana (creando así una nueva vacancia en su lugar original en la red). Conforme continúa la difusión, se tiene un flujo de vacancias y átomos en sentidos opuestos conocido como difusión por vacancia. El número de vacancias, que se incrementa al aumentar la temperatura, ayuda a determinar la extensión tanto de la autodifusión como de la difusión de los átomos sustitucionales. Difusión intersticial:

Cuando en la estructura cristalina está presente un pequeño átomo intersticial, este átomo pasará de un sitio intersticial a otro. Para este mecanismo no es necesario que existan vacancias. En parte porque el número de sitios intersticiales es mucho mayor que el de vacancias, por tanto, se espera que la difusión intersticial sea rápida. Otros Tipos de difusión:

Existe también difusión en las fronteras de granos y en la superficie del material, la cual es rápida ya que hay muchos lugares donde se puedan colocar los pocos átomos que se están moviendo. Factores que afectan la difusión y la energía de activación:

Una pequeña cantidad de energía de activación Q incrementa el coeficiente de difusión y el flujo, porque se requiere menos energía térmica para vencer dicha barrera de energía de activación. Varios factores influyen en la energía de activación y, por tanto, en la velocidad de difusión. La difusión intersticial, con una energía de activación baja, por lo general ocurre mucho más aprisa que la difusión por vacancias.

Las energías de activación por lo general son menores para átomos difundiéndose a través de estructuras cristalinas abiertas que a través de estructuras cristalinas compactas. Dado que la energía de activación depende de la fuerza del enlace atómico será mayor para la difusión de átomos en materiales con una alta temperatura de fusión. Los materiales con enlaces covalentes, como el carbono y el silicio tienen energías de activación extraordinariamente altas, lo que es congruente con la alta resistencia de sus enlaces atómicos.

Tiempo:

La difusión requiere tiempo. Si un gran número de átomos debe difundir para producir una estructura uniforme, pudieran requerirse extensos periodos, incluso a temperaturas altas. Puede reducirse el tiempo para los tratamientos térmicos mediante temperaturas más altas o haciendo que las distancias de difusión sean lo más pequeñas posible.

Encontramos que si evitamos la difusión obtendremos algunas estructuras y propiedades bastante notables. Los aceros rápidamente enfriados desde altas temperaturas, a fin de evitar la difusión, forman estructuras fuera de equilibrio que son la base de tratamientos térmicos sofisticados.

Difusión y el procesamiento de los materiales:

Los procesos basados en difusión son muy importantes cuando se utilizan o procesan materiales a temperaturas.

Crecimiento de grano:

Un material compuesto por gran número de granos tiene muchos bordes de grano, que representan áreas de alta energía, debido a una ineficiente compactación de los átomos. Si se reduce el área total de bordes de grano mediante el crecimiento de los mismos, se tendrá en el material una energía general inferior. El crecimiento de los granos implica el desplazamiento de los bordes de grano, permitiendo que algunos granos crezcan a costa de otros. En este caso los átomos se difunden a través de los bordes de un grano a otro, en consecuencia, el crecimiento de los granos está relacionado con la energía de activación necesaria para que un átomo salte a través del borde de grano. Altas temperaturas o bajas energías de activación incrementarán el tamaño de los granos. Muchos tratamientos térmicos de los metales, que implican mantener el metal a una temperatura alta, deben controlarse cuidadosamente, a fin de evitar un crecimiento excesivo de los granos.

Soldadura por difusión:

La soldadura por difusión, método utilizado para unir materiales, se efectúa en tres pasos (figura). El primero se realiza mediante presión, deformándolas, obligando a las dos superficies a unirse, fragmentando impurezas, y produciendo una gran área de contacto átomo-átomo. Mientras las superficies se mantienen en compresion y a temperatura elevada, los átomos se difunden a lo largo de los bordes de grano hacia las vacancias restantes; los átomos se concentran y se reduce el tamaño de las vacancias en la interfase. Dado que la difusión en los bordes de grano sucede rápidamente, el segundo paso se da en corto tiempo. Finalmente, el crecimiento de grano aleja los huecos remanentes de las fronteras de grano. Para el tercer paso, es decir para la eliminación completa de los huecos, deberá ocurrir la difusión volumétrica, la que es relativamente lenta.

FIGURA Pasos en la soldadura por difusión: (a) inicialmente el área de contacto es pequeña; (b) la aplicación de presión deforma la superficie, incrementando el área de unión; (e) la difusión por bordes de grano da como resultado la contracción de los huecos y (d) la eliminación final de los huecos requiere de la difusión volumétrica.

A menudo el proceso de soldadura por difusión es utilizado para unir metales reactivos como el titanio, para unir metales y materiales distintos y para unir cerámicos.

Conclusión.

Pues como vimos la ciencia e ingeniería de los materiales está ligada con el

conocimiento de los procesos de fabricación de los materiales, esto hace que los

objetos que son fabricados puedan ser creados con los mejores materiales y con el

menor margen de error que pueda existir, para que sea de mejor calidad. El material

que se usaba con mayor interés tecnológico era el metal, sin embargo, ahora los

más usados son los cerámicos, compuestos, y los polímeros gracias a las nuevas

tecnologías de fabricación.

Es por eso que es de vital importancia conocer las propiedades de cada uno de los

materiales de mayor uso en la industria.

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