Instituto Tecnológico de Celaya
Departamento de Ingeniería Mecatrónica
Ciencia e Ingeniería de los Materiales
Tarea II. Imperfecciones en el arreglo atómico
Hernandez Gutierrez Jorge Daniel
Correo:
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INTRODUCCIÓN
De acuerdo a lo visto anteriormente en cursos, en las celdas unitarias, se ha supuesto que existe un orden perfecto a escala atómica en los materiales cristalinos, sin embargo, no hay solido ideal; todos los materiales tienen un gran número de imperfecciones y muchas de las propiedades de estos tienen efectos no siempre negativos en las propiedades o incluso aumentando el número de estas, siendo esta una razón por la cual se deben estudiar dichas imperfecciones.
DESARROLLO
Dislocaciones y su significado
Una dislocación es un defecto lineal o unidimensional en torno a algunos átomos desalineados.
Figura 1. 1 Posición de los átomos alrededor de una dislocación de cuñaFigura 1. 1 Posición de los átomos alrededor de una dislocación de cuñaLa figura 1.1 representa una dislocación como una porción extra de un plano de átomos, cuya arista termina dentro del cristal, se denomina dislocación de cuña (de arista o de borde) y es un defecto lineal centrado alrededor de la línea definida por el extremo del semiplano adicional de átomos, llamada línea de dislocación.
Figura 1. 1 Posición de los átomos alrededor de una dislocación de cuña
Figura 1. 1 Posición de los átomos alrededor de una dislocación de cuña
Figura 1. 2 Dislocación Helicoidal o de hélice.Figura 1. 2 Dislocación Helicoidal o de hélice.Otro tipo de dislocación es la de hélice o helicoidal que se aplica al aplicar un esfuerzo cizallaste para producir la distorsión como la que se observa en la figura 1.2, donde una región se desplaza una distancia atómica hacia cierto vector y es también una dislocación lineal
Figura 1. 2 Dislocación Helicoidal o de hélice.
Figura 1. 2 Dislocación Helicoidal o de hélice.
Figura 1. 3 Dislocación Mixta.Figura 1. 3 Dislocación Mixta.No todas las dislocaciones son de cuña o helicoidales, pero estas que no se encuentran en esta clasificación son llamadas dislocaciones mixtas pues presentan componentes de ambos tipos, dichos tipos se representan en la figura como en el ejemplo de la figura 1.3.
Figura 1. 3 Dislocación Mixta.
Figura 1. 3 Dislocación Mixta.
Los vectores nombrados anteriormente a los que obedece una dislocación se expresa en términos de un vector de Burgers y está relacionado con la línea de dislocación pues definen la naturaleza (su magnitud y dirección) de una dislocación, para la dislocación de cuña se usa el símbolo y para la helicoidal
Influencia de la estructura cristalina
Un defecto cristalino se refiere a una irregularidad de la red para la que una o más de sus dimensiones son del orden de un diámetro atómico. La clasificación de las imperfecciones cristalinas normalmente se hace según la geometría o las dimensiones del defecto, destacando los defectos puntuales (asociados a una o dos posiciones atómicas) y los ya vistos defectos lineales (dislocaciones).
Defectos Puntuales
Estos defectos son de 0 dimensiones pues se dan en un solo punto de red, perturbando solamente a los vecinos más cercanos, los cuales pueden ser:
Vacantes: Son puntos de red vacíos en la estructura del material, estos sitios deberían estar ocupados por átomos, sin embargo, se encuentran vacíos. El número de vacantes en equilibrio N para una cantidad determinada de material (m3) depende y aumenta con la temperatura de acuerdo a:
NV=N exp (QVkT)
N es el total de número de lugares atómicos.
QV es la energía necesaria para la formación de una vacante (J/mol o Ev/Atomo)
T es la temperatura absoluta en Kelvin y k la constante de Boltzmann (1,38x10-23 J/mol*K o 8,62x10-5 Ev/átomo*K)
Sustitucionales: En teoría un material puro está formado exclusivamente por el mismo tipo de átomos. Los materiales reales no son 100% puros si no que poseen impurezas, las cuales se definen como átomos diferentes a los átomos del material original y cuando uno de esta toma los lugares de uno original reciben este nombre.
Intersticial o Autointersticial: Son átomos que ocupan lugares que no están definidos en la estructura cristalina, es decir, 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 y de ahí su nombre.
Frenkel: Es una imperfección combinada Vacancia – Defecto intersticial. Ocurre cuando un ion salta de un punto normal dentro de la red a un sitio intersticial dejando entonces una vacancia.
Figura 1. 4 Defecto de Frenkel.Figura 1. 4 Defecto de Frenkel.
Figura 1. 4 Defecto de Frenkel.
Figura 1. 4 Defecto de Frenkel.
Schottky: Es un par de vacancias en un material con enlaces iónicos. Para mantener la neutralidad, deben perderse de la red tanto un catión como un anión.
Figura 1. 5 Defecto de Schottky.Figura 1. 5 Defecto de Schottky.
Figura 1. 5 Defecto de Schottky.
Figura 1. 5 Defecto de Schottky.
Figura 1. 6 Representación de los diferentes tipos de Defectos Puntuales.Figura 1. 6 Representación de los diferentes tipos de Defectos Puntuales.
Figura 1. 6 Representación de los diferentes tipos de Defectos Puntuales.
Figura 1. 6 Representación de los diferentes tipos de Defectos Puntuales.
En los cerámicos es posible que existan intersticiales y vacantes de aniones y cationes, también las cargas eléctricas están asociadas con defectos puntuales para los cerámicos; para los metales la adición de átomos de impurezas (Sustitucionales) da lugar a cambios en las propiedades de los mismos, como lo son las aleaciones o las soluciones sólidas. En los polímeros se han encontrado defectos de vacantes, átomos intersticiales, átomos/iones de impureza como defectos en regiones cristalinas, otros defectos incluyen extremos de cadenas, cadenas que cuelgan y dislocaciones.
Defectos de Superficie
Los defectos de superficie son limites que tienen dos dimensiones y normalmente separan regiones de los materiales que tienen diferentes estructuras cristalinas y/o orientaciones cristalográficas- Este grupo de defectos incluye superficies externas, límites de grano, límites de fase, maclas y defectos de apilamiento.
Las superficies externas: Los átomos de la superficie no están enlazados con el máximo de vecinos más próximos y, por lo tanto, están en estado de energía más alto que los átomos de las posiciones internas, por lo que se libera energía en la superficie, la cual disminuye para contrarrestar esta energía.
Figura 1. 7 Representación de Limites de grano.Figura 1. 7 Representación de Limites de grano.Límites de grano: Zona que separa dos pequeños granos o cristales que tienen diferentes orientaciones cristalográficas, un límite de grano se representa esquemáticamente en la figura 1.7. En la zona del límite que suele tener una anchura hay un cierto desalineamiento en la transición de orientaciones cristalográficas. En él se forman ángulos llamados límite de grano pequeño y limite torsionado, el primero cuando el ángulo es pequeño y el segundo cuando es grande.
Figura 1. 7 Representación de Limites de grano.
Figura 1. 7 Representación de Limites de grano.
Límites de macla: Es un tipo especial de límite de grano con simetría especular, de manera que los átomos a un lado del límite son como imágenes especulares de los átomos del otro lado. La región de material entre estos límites se denomina macla. Las maclas son el resultado de desplazamiento atómicos que se producen a partir de esfuerzos de cizalla aplicados (maclas mecánicas) y se forman también durante los tratamientos térmicos de recocido posteriores a la deformación (maclas de recocido). Las de recocido se encuentran en metales con estructura cristalina FCC y las mecánicas en BCC y HCP.
Otros tipos de defectos superficiales son los límites de fase, las fallas de apilamiento y las paredes de dominio ferromagnético, así como otra rama de los defectos volumétricos.
CONCLUSIONES
Las propiedades de algunos materiales están profundamente influenciadas por la presencia de imperfecciones. En consecuencia, es importante tener un conocimiento de los tipos de imperfecciones que existen, sus características y describirlos para lograr una comprensión de los mismos, así como comprender cómo afectan al comportamiento de los materiales. Se han visto los tres tipos de imperfecciones: Lineales, Puntuales y Superficiales, así como sus divisiones de acuerdo a las magnitudes y vectores que maneja cada una de estas y la relación que tienen estas imperfecciones con las estructuras cristalinas pues es en estas donde suceden y por ende se debe comprender la escala a la que suceden.
REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS
Callister, W. and Rethwisch, D. (2016). Ciencia e ingeniería de materiales. 1st ed. Barcelona: Reverte. Pag. 144 a 176
