1. DEFECTOS PUNTUALES.

- Los defectos puntuales son perturbaciones en los arreglos iónicos o atómicos

en una estructura cristalina que de otra manera seria perfecta. Aun cuando se

le llama defectos puntuales, la perturbación afecta una región que involucra

varios átomos o iones. Estas imperfecciones, mostradas en la figura 1-1,

pueden ser introducidas por el movimiento de los átomos o iones cuando

ganan energía al calentarse, durante el procesamiento del material o por la

introducción intencional o no intencional de impurezas. Por lo general, las

impurezas son elementos o compuestos que se presentan a partir de las

materias primas o del procesamiento. Por ejemplo, los cristales de silicio

crecen en crisoles de cuarzo que contienen oxigeno como impureza. Por otro

lado, los dopantes son elementos o compuestos que se adicionan de manera

deliberada, en concentraciones conocidas, en localizaciones específicas en la

microestructura, con un efecto benéfico deseado sobre las propiedades o el

procesamiento. En general, el efecto de las impurezas es perjudicial,

mientras que el efecto de los dopantes sobre las propiedades de los

materiales es útil.

Figura 1-1. Defectos puntuales: a) vacancia, b) átomo intersticial, c) átomo sustitucional

pequeño, d) átomo sustitucional grande, e) defecto de Frenkel y f) defecto de Schottky.

Todos estos defectos perjudican el arreglo perfecto de los átomos cercanos.

- Por lo general un defecto puntual involucra un átomo o ion, o un par de

átomos o iones, y por tanto es distinto de los defectos extendidos, como las

dislocaciones o los límites de grano. Un “punto” importante acerca de los

defectos puntuales es que aunque los defectos aparecen en uno o dos sitios,

su presencia se “siente” a distancias mucho mayores en el material cristalino.

1.1. VACANCIAS.

o Se produce una vacancia cuando un átomo o ion está ausente de su

sitio normal en la estructura cristalina, como en la figura 1-1 a).

Cuando los átomos o iones están ausentes (es decir, cuando se

presentan vacancias), aumenta la aleatoriedad o entropía general del

material, los cual incrementa la estabilidad termodinámica de un

material cristalino. Todos los materiales cristalinos tienen vacancias.

Estas se introducen en los metales y aleaciones durante la

solidificación, a altas temperaturas, o como consecuencia del daño de

la radiación. Las vacancias desempeñan una función importante en la

determinación de la velocidad a la cual los átomos o iones se mueven

alrededor de o se difunden en un material sólido, especialmente en

los metales puros. A temperatura ambiente ( ~ 298 K), la

concentración de vacancias es pequeña, pero la concentración de

estas aumenta exponencialmente a medida que se incrementa la

temperatura, como se muestra por medio del siguiente

comportamiento de tipo Arrhenius:

nv=n exp(−Q v

RT) (1 – 1)

Donde:

nv es el número de vacancias por cm3;

n es el número de átomos por cm3;

Qv es la energía requerida para producir un mol de vacancias,

en (cal/mol) o (joule/mol);

R es la constante de los gases, 1.987 cal/mol*k u 8.314

joule/mol*k;

T es la temperatura en kelvin.

o Debido a la gran energía térmica cerca de la temperatura de fusión,

puede haber hasta una vacancia por cada 1000 átomos. Observe que

esta ecuación provee la concentración de equilibrio de las vacancias a

una temperatura dad. También es posible mantener una concentración

de las vacancias producidas a una alta temperatura enfriando

rápidamente el material. Por tanto, en muchas situaciones, la

concentración de las vacancias observadas a temperatura ambiente no

es la concentración de equilibrio pronosticada por la ecuación 1-1.

Figura 2. Vacancia

1.2. DEFECTO INTERSTICIAL.

o Se forma un defecto intersticial cuando se inserta una átomo o ion

adicional en la estructura cristalina en una posición por lo general

desocupada, como en le figura 4-1 b). Los átomos o iones

intersticiales, aunque mucho menores que los átomos o iones

localizados en los puntos de red, siguen siendo mayores que los sitios

intersticiales que ocupan; en consecuencia, la región cristalina

circundante esta comprimida y distorsionada. Los átomos

intersticiales como el hidrogeno se presentan con frecuencia como

impurezas, mientras que los átomos de carbono se adicionan de

manera intencional al hierro con el fin de producir acero. Para

concentraciones pequeñas, los átomos de carbono ocupan sitios

intersticiales en la estructura cristalina del hierro, introduciendo un

esfuerzo en la región localizada del cristal en su alrededor. Como se

puede observar, la introducción de átomos intersticiales es una

manera importante de incrementar la resistencia de los materiales

metálicos. A diferencia de las vacancias, una vez introducidos, el

número de átomos o iones intersticiales en la estructura permanece

casi constante, aun cuando se modifique la temperatura.

Figura 3. Defecto Intersticial o átomo de impureza intersticial

1.3. DEFECTOS SUSTITUCIONALES.

o Se introduce un defecto sustitucional cuando reemplaza un átomo o

ion por un tipo distinto de átomo o ion en la figura 1-1 c) y d). Los

átomos o iones sustitucionales ocupan el sitio de red normal. Los

átomos o iones sustitucionales pueden ser mayores que los átomos o

iones normales en la estructura cristalina, en este caso se reducen los

espaciados interatómicos circundantes, o menores, ocasionando que

los átomos circundantes tengan espaciados interatómicos mayores.

En cualquier caso, los defectos sustitucionales alteran al cristal

circundante. De nuevo, el defecto sustitucional puede introducirse

como una impureza o como una adición de aleación de manera

deliberada y, una vez introducidos, el número de defectos es

relativamente independiente de la temperatura.

o Los ejemplos de defectos sustitucionales incluyen la incorporación

de dopantes como el fosforo (P) o el boro (B) en el Si. De manera

similar, si se adicionara cobre al níquel, los átomos de cobre

ocuparan los sitios cristalográficos donde los átomos de níquel

estarían presentes por lo general. Los átomos sustitucionales con

frecuencia aumentaran la resistencia del material metálico. Los

defectos sustitucionales también aparecen en los materiales

cerámicos. Por ejemplo, si se adicionara MgO al NiO, los iones Mg+2

ocuparían los sitios Ni+2 y los iones O-2 del MgO ocuparían los sitios

O-2 del NiO. Que los átomos o iones entren en los sitios intersticiales

o sustitucionales depende del tamaño y la valencia de los iones

anfitriones.

Figura 4. Defecto Sustitucional: a) pequeño y b) grande

1.4. DEFECTO DE FRENKEL.

o Un defecto de Frenkel es un par de vacancia – intersticial formado

cuando un ion salta de un punto de red normal a un sitio intersticial,

como en la figura 1-1 e), dejando atrás una vacancia. Aunque por lo

general se asocia con los materiales iónicos, un defecto de Frenkel

puede ocurrir en los metales y en materiales enlazados de manera

covalente.

Figura 5. Defecto de Frenkel

1.5. DEFECTO DE SCHOTTKY.

o Un defecto de Schottky, figura 1-1 f), es único para los materiales

iónicos y se encuentra de manera común en muchos materiales

cerámicos. Cuando las vacancias ocurren en un material enlazado de

manera iónica, debe estar ausente un número estequiometrico de

aniones y cationes de las posiciones atómicas regulares para que se

conserve la neutralidad eléctrica. Por ejemplo, una vacancia de Mg+2

y una vacancia de O-2 en el MgO constituyen un par de Schottky. En

la ZrO2, por una vacancia de Zr+4, habrá dos vacancias de O-2.

Figura 6. Defecto de Schottky

2. DEFECTOS SUPERFICIALES.

- Los defectos de superficie son las fronteras o planos que separan un material

en regiones de la misma estructura cristalina pero con orientaciones

cristalográficas distintas.

- Superficie del material. En las superficies externas del material la red

termina de manera abrupta. Cada átomo de la superficie ya no tiene el mismo

número de coordinación y se altera el enlace atónico. Asimismo, la

superficie puede ser muy áspera, contener pequeñas muescas y quizá ser

mucho más reactiva que el interior del material.

- Fronteras 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 7 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

el 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 tan alejados que

crean una región de tensión.

Figura 7. Los átomos cerca de las fronteras de los tres granos no tienen un

espaciamiento o arreglo de equilibrio

- Un método para controlar las propiedades de un material es controlando el

tamaño de los granos. Reduciendo el tamaño de estos se incrementa su

número y, por tanto, aumenta la cantidad de fronteras de grano. Cualquier

dislocación se moverá solamente una distancia corta antes de encontrar una

frontera de grano, incrementando así la resistencia del metal. La ecuación de

Hall – Petch relaciona el tamaño de grano con el esfuerzo de cedencia del

material:

σ y=σ0+K d−1

2 (1.2)

Donde:

oσ y es el esfuerzo de cedencia, es decir, el esfuerzo bajo el cual el

material se deforma de manera permanente

o d es el diámetro promedio de los granos

oσ0 y K son constantes del metal

Figura 8. Efecto del tamaño de grano en el esfuerzo de cedencia del

acero a temperatura ambiente.

3. DEFECTOS DE VOLUMEN.

- Los defectos volumétricos se forman cuando un grupo de átomos o de

defectos puntuales se unen para formar un vacío tridimensional o poro. De

manera inversa, un grupo de átomos de alguna impureza puede unirse para

formar un precipitado tridimensional.

- El tamaño de un defecto volumétrico puede variar desde unos cuantos

nanómetros hasta centímetros o, en ocasiones, puede ser mayor.

- Un defecto tridimensional o volumétrico puede ampliarse a una región

amorfa dentro de un material poli cristalino.

- En este tipo de defecto se incluyen poros, grietas, inclusiones y otras fases.

Estos defectos se introducen durante las etapas de procesado y fabricación.

3.1. Precipitados

o Los precipitados son segundas fases que se forman en las aleaciones

metálicas debido a la disminución de solubilidad de las soluciones

sólidas.

3.2. Porosidad

o Son intersticio entre las partículas o moléculas que constituyen un

cuerpo. Suelen afectar con una distribución uniforme, a grandes

zonas de la pieza, o incluso, a su totalidad (porosidad uniforme).

3.3. Grietas

o Las grietas son huecos debido a oclusión de gases, contracción

durante la solidificación o tensiones producidas en los procesos de

fabricación de las piezas.

4. MOVIENTO DE LA DISLOCACION.

- El movimiento de la dislocación es un mecanismo que permite al cristal

deformarse plásticamente cuando esté sujeto a una tensión aplicada .si

definimos el plano de deslizamiento como aquel que contiene al vector de

Burguers y a la línea de dislocación , podemos diferenciar dos tipos de

movimientos :deslizamiento o movimiento conservativo , en el que la

dislocación se desplaza a lo largo del plano de deslizamiento y tan solo

requiere una recombinación de los vecinos , por lo que se conserva el

número de átomos alrededor de la dislocación ;y el movimiento de escalada

o no conservativo , en el que el desplazamiento es perpendicular a dicho

plano y requiere que se produce una difusión atómica (absorción de átomos o

emisión de vacantes ).

Figura 9. a) Cuando se aplica un esfuerzo cortante a la dislocación en a), los átomos se

desplazan, b) ocasionando que la dislocación se mueva un vector de Burgers en la

dirección de desplazamiento. c) El movimiento continuo de la dislocación con el tiempo

crea un escalón, d) y el cristal se deforma. e) El movimiento de una oruga es análogo al

movimiento de una dislocación.

- Mientras que en las dislocaciones de borde y mixtas se pueden dar ambos

tipos de movimientos, en el de tornillo no se da la de escalada, ya que el

vector de Burguers es paralelo a la línea de dislocación y , por eso, el plano

no está únicamente definido .

- En realidad, el movimiento de las dislocaciones es una combinación de

escalada y deslizamiento donde, dependiendo de la tensión, temperatura y

otras condiciones, uno de los mecanismos es dominante. A bajas

temperaturas, el deslizamiento suele ser dominante, mientras que a altas

temperaturas o en condiciones de saturación de vacantes, la escalada puede

convertirse en el movimiento dominante.

- Si consideramos que el movimiento de deslizamiento es el dominante, la

movilidad de la dislocación puede estar influenciada por factores

extrínsecos, impurezas que actúan como obstáculos por ejemplo las

interacciones interatómicas. Dos parámetros que caracterizan la resistencia

intrínseca de la red al movimiento de las dislocaciones son las barreras de

Peierls y la tensión de Peierls. Si consideramos que una dislocación se

mueve a través de su plano de deslizamiento, los efectos de la red cristalina

sobre el movimiento pueden representarse por una energía que varía con la

posición de la dislocación en la red.

- La periodicidad en la variación de la energía es consecuencia de la traslación

de la simetría del cristal. Los mínimos de la función, conocidos como valles

de Peierls, son las posiciones que preferentemente ocupan las

dislocaciones .Para saltar de un valle a otro, éstas necesitan superar un

abarrera energética, que a tensión cero es conocida como barrera de Peierls.

- La barrera puede ser modificada por las fuerzas que actúan sobre la

dislocación, de forma que si se alcanza la tensión critica, llamada tensión de

Peierls (a temperatura 0), la barrera desaparecerá completamente.

- Podemos diferenciar dos desencadenantes del movimiento , uno cuando la

tensión local es menor que la tensión de Peierls y el otro cuando es mayor

.En el primer caso , la dislocación puede moverse gracias a las fluctuaciones

térmicas: un segmento de la dislocación pasa al siguiente valle creándose dos

curvas (“kinks”), posteriormente , debido a la tensión y/o a la temperatura ,

las curvas avanzan hacia los extremos hasta que la dislocación pasa

completamente al siguiente valle .De esta forma , a medida que aumenta la

temperatura se favorece el movimiento .

- En el segundo caso , si la tensión local es mayor que la tensión de Peierls

ocurre el llamado régimen de arrastre viscoso , donde la velocidad es una

función de la tensión y está limitada por la viscosidad debida a la interacción

de la dislocación con la vibración de la red .Aquí por lo tanto la movilidad

decrece con la temperatura

5. VIBRACIONES ATOMICAS.

- En los materiales solidos cada átomo vibra muy rápidamente alrededor de su

posición dentro del cristal, en cierto sentido estas vibraciones se consideran

defectos o imperfecciones. En un momento determinado todos los átomos no

vibran con la mismas frecuencia y amplitud, ni con la misma energía. A una

temperatura determinada existe una distribución de energías para los átomos

constituyentes en torno a una energía media. La emergía de vibración de un

átomo especifico también varía libremente con el tiempo.

- Al aumentar la temperatura, la energía media se incrementa y la temperatura

del solido es realmente una medida del promedio de la actividad vibracional

típica es del orden de 1013 vibraciones por segundo, mientras la amplitud es

de unos pocos miles de nanómetros.

- Muchas propiedades de los sólidos corresponden a manifestaciones de su

movilidad vibracional atómica. Por ejemplo, la fusión ocurre cuando las

vibraciones son tan vigorosas que logran romper gran número de enlaces

atómicos.