Tema 3. Defectos en las Estructuras Cristalinas

Tema 3
Defectos en las Estructuras Cristalinas
La estructura cristalina es un concepto teórico que permite comprender cómo están
formados los materiales. A partir del concepto de estructura cristalina es posible
explicar muchas de las propiedades que exhiben los materiales, sean éstos cristalinos o
amorfos. 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:
Defectos puntuales.
Se dan a nivel de las posiciones de los átomos individuales. Los principales defectos
puntuales son los siguientes:
a. Vacancias. Son puntos de red vacíos en la estructura del material. Estos
lugares deberían idealmente estar ocupados por átomos, sin embargo se
encuentran vacíos.
b. Átomos sustitucionales.
En teoría un material puro está formado
exclusivamente por el mismo tipo de átomos. Los materiales reales no son
100% puros sino que poseen impurezas, las cuales se definen como átomos
diferentes a los átomos del material original. Cuando uno de esos átomos
diferentes sustituye a un átomo original ocupando su punto de red, recibe el
nombre de átomo sustitucional.
c. Átomos intersticiales. Son átomos que ocupan lugares que no están
definidos en la estructura cristalina. En otras palabras, 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, por lo
que se les llama átomos intersticiales.
Átomo intersticial
Estructura perfecta
Vacancia
Atomo
sustitucional
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Defectos lineales.
Se dan a nivel de varios átomos confinados generalmente a un plano. Los defectos
lineales más importantes en los materiales son las dislocaciones. Las dislocaciones se
generan durante la solidificación o la deformación plástica de los materiales cristalinos,
y consisten en planos “extra” de átomos insertados en la estructura cristalina.
Estructura perfecta
Estructura con dislocación
Las dislocaciones están formadas por los átomos originales del material (no por
impurezas). Debido a que el plano de átomos está insertado en la estructura en lugares
no definidos por la misma, las dislocaciones causan la deformación del material cercano
a ellas. Los átomos en la estructura perfecta se encuentran a una distancia fija de
equilibrio entre sí. La presencia de las dislocaciones (y también de los defectos
puntuales) altera esta distancia de equilibrio tal como se ilustra a continuación:
En esta zona los átomos adyacentes se
encuentran apretados entre sí. Se dice que
están en compresión
En esta zona los átomos adyacentes están
más alejados de lo normal. Se dice que
están en tensión
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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.
Dirección de deslizamiento
Plano de
deslizamiento
Las dislocaciones se desplazan cuando se aplican fuerzas sobre ellas. La fuerza
aplicada y el desplazamiento resultante de la dislocación requieren de un trabajo. Para
que la dislocación pueda realizar el trabajo para desplazarse, se requiere de energía.
La Termodinámica establece que la dislocación se moverá en aquellos sistemas de
deslizamiento en donde se requiera del menor consumo de energía para su
desplazamiento, o en otras palabras, en donde se realice el menor trabajo. Si se
profundizara más en el estudio de la estructura cristalina, sería posible calcular aquellos
planos y direcciones donde el trabajo de desplazamiento es menor. Ese cálculo está
más allá de los objetivos del presente curso, sin embargo al realizar los cálculos
adecuados, se ha descubierto lo siguiente:
•
La estructura cristalina Cúbica Centrada en la Cara (FCC) posee 12 sistemas
geométricos de deslizamiento.
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•
•
La estructura cristalina Cúbica Centrada en el Cuerpo (BCC) también posee 12
sistemas geométricos de deslizamiento. Sin embargo experimentalmente se ha
comprobado que poseen otros sistemas de deslizamiento que se activan
dependiendo de la temperatura del material. En total, esta estructura puede poseer
alrededor de 48 sistemas de deslizamiento.
La estructura cristalina Hexagonal Compacta (HCP) posee 3 sistemas de
deslizamiento. También posee otros sistemas que dependen de la temperatura del
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. La facilidad o dificultad para deformar plásticamente a un
material depende entonces de la facilidad o dificultad de hacer que las dislocaciones
comiencen a moverse y se mantengan en movimiento. Entre más difícil sea mover a
las dislocaciones del material, más difícil será (porque se requiere de más fuerza)
deformar plásticamente al material.
La facilidad para hacer que las dislocaciones se muevan depende de muchos factores,
uno de los cuales es el número de sistemas de deslizamiento que posea la estructura
cristalina. A mayor número de sistemas de deslizamiento, es más fácil para las
dislocaciones iniciar y mantener su desplazamiento, y por tanto el material es más fácil
de deformar (o si se quiere, el material ofrece menor resistencia a ser deformado).
Si por alguna razón las dislocaciones no pueden moverse en la estructura del material,
entonces éste sólo puede deformarse plásticamente muy poco. La cantidad de
deformación plástica que puede sufrir un material se mide con la propiedad llamada
ductilidad. Un material que sólo puede deformarse plásticamente pequeñas cantidades
es poco dúctil. Un material que puede tener grandes cantidades de deformación
plástica es más dúctil.
Los materiales cerámicos están formados principalmente por átomos con enlaces
iónicos. La neutralidad de cargas eléctricas que exige este tipo de enlace hace
sumamente difícil que en estos materiales pueda haber desplazamiento de
dislocaciones, ya que al moverse éstas alterarían la neutralidad eléctrica que debe tener
el material. Por esa razón en las cerámicas las dislocaciones no pueden moverse, y por
eso estos materiales no poseen ductilidad, lo que significa que no pueden tener
deformaciones plásticas significativas cuando se les aplica una fuerza.
En los metales, el enlace químico es de tal forma que la neutralidad eléctrica en el
material no es afectada por el movimiento de los átomos en su interior. Las
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dislocaciones no tienen impedimento para desplazarse y por esa razón los metales son
materiales dúctiles. Si alteráramos la estructura del metal y hacemos que el
desplazamiento de las dislocaciones sea difícil, entonces el metal se volvería tan frágil
como una cerámica (la fragilidad es la propiedad opuesta a la ductilidad).
En los metales, a medida las dislocaciones se van desplazando para generar la
deformación plástica, también se van multiplicando, aumentando su número en la
estructura del material. Debido a que las dislocaciones causan deformaciones locales
en tensión y compresión en la zona que las rodea, se comportan como si fueran cargas
eléctricas del mismo signo: cuando se intenta acercar a dos dislocaciones entre sí,
estás se resisten a acercarse. En un metal con pocas dislocaciones, la resistencia al
movimiento de las dislocaciones a causa de su cercanía no afecta la facilidad con que
éstas se desplazan. Sin embargo, a medida se van desplazando, se van generando
más dislocaciones, hasta que llega un momento en donde son tantas que se estorban
unas con otras y la resistencia adicional que se genera para hacerlas que se desplacen
se vuelve importante. Esto se traduce en que en un metal deformado plásticamente, la
resistencia que se debe vencer para seguir deformándolo es mayor que la resistencia
que el metal ofrecía cuando no tenía deformación previa. A este fenómeno se le llama
endurecimiento por deformación plástica, y es característico de los metales: cuando un
metal se deforma plásticamente, la resistencia que le metal ofrece a seguir siendo
deformado aumenta.
Defectos de superficie.
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.
Enlaces incompletos en la
superficie del material
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Para comprender qué son las fronteras de los granos, debemos comprender cómo se
forma un material cristalino en estado sólido. Se ha planteado que los átomos buscan
formar estructuras cristalinas ordenadas de cierta manera en los materiales cuando
están en estado sólido. Si un material estuviera formado por un único grupo de átomos
ordenado de cierta manera, entonces diríamos que ese material está formado por un
sólo cristal, o que es monocristalino. Los materiales cristalinos bajo condiciones
normales no buscan formar un único cristal, sino que forman muchos cristales cuando
solidifican, cada uno de ellos siguiendo el patrón de la estructura cristalina. Por esta
razón, los materiales normales se dice que son policristalinos, lo que significa que están
formados por muchos cristales. El proceso de formación de estos cristales se ilustra a
continuación.
a)
b)
c)
d)
a) En estado líquido los átomos no
tienen enlaces fuertes entre ellos, por lo
que son libres para moverse en el
volumen del material. Esta movilidad de
los átomos permite a los líquidos
adaptarse a la forma del recipiente que
los contiene.
b) La solidificación comienza con una
etapa llamada nucleación. En esta etapa
se forman pequeñas partículas en estado
sólido ordenadas según la estructura
cristalina del material. A estas partículas
se les llama núcleos y se forma una gran
cantidad de ellos al inicio de la
solidificación .
c) Gradualmente los átomos todavía en
estado líquido van adhiriéndose a los
núcleos cercanos. El núcleo crece y por
eso a esta etapa se le llama
crecimiento. La cantidad de sólido
aumenta y la de líquido disminuye.
d) Al final del proceso, todos los átomos
se han adherido a algún núcleo cercano
y el material es completamente sólido.
Cada núcleo ha formado un cristal dentro
del material. Debido a que la orientación
de estos cristales durante la nucleación
fue aleatoria, los cristales no coinciden
entre sí, no pudiendo unirse entre ellos
para formar un único cristal. A cada una
de esas porciones de material se les
llama granos.
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Todos los materiales cristalinos están formados por granos (cristales). Una buena
analogía para comprender esto consiste en considerar a los granos como los ladrillos
de una pared. Cada ladrillo representaría a un grano del material. Así como al unir los
ladrillos se forma la pared, al unir los granos se forma el material. La diferencia en esta
analogía sería que en la pared, los ladrillos están unidos con mezcla de cemento. En el
material, los granos pueden estar unidos entre sí por algunos enlaces químicos
aleatorios, pero en general, los granos están adheridos entre sí únicamente por
interferencia física de forma parecida a como se unen las piezas de un rompecabezas.
Cada grano presenta una interface o superficie. Esta interface queda definida por los
enlaces químicos incompletos de los átomos que la forman.
La línea representa la “superficie” de
los granos. Esta “superficie” se llama
frontera de los granos
Si la superficie del material se pule y se ataca con un agente químico adecuado, los
átomos de la superficie de los granos (los cuales son reactivos a causa de su enlace
incompleto) reaccionan con el químico formando compuestos que se observan de color
diferente al del resto del material al utilizar un microscopio. Las fronteras de los granos,
y los granos en sí, pueden entonces estudiarse. Las fronteras de los granos se
consideran un defecto de la estructura cristalina porque causan la pérdida de simetría
en el ordenamiento de los átomos.
La foto muestra un
disco de aluminio
cuya superficie fue
pulida y tratada
químicamente para
revelar sus granos.
Los granos son
suficientemente
grandes para poder
ser observados a
simple vista.
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La foto muestra la superficie de un acero 1080 observada con un microscopio a una
magnificación 100X. La superficie del acero fue pulida y atacada con un reactivo
químico para revelar su microestructura (el conjunto de granos que forman al material).
Se observan granos de color claro y de color oscuro. La diferencia en el color se debe
a que poseen estructura cristalina diferente. Además es posible observar las fronteras
de los granos.
Los defectos que presenta la estructura cristalina de un material tienen un efecto directo
en algunas propiedades del mismo. Los defectos puntuales (átomos sustitucionales,
átomos intersticiales, vacancias) producen deformación o distorsión de la estructura
cristalina en sus alrededores.
La ubicación de los
átomos cercanos al
defecto se ve
afectada por la
presencia de los
defectos.
Cuando una dislocación intenta desplazarse a través de estas distorsiones localizadas,
encuentra una resistencia adicional a su movimiento. La analogía es similar a transitar
en vehículo sobre una calle asfaltada (no hay distorsiones) y sobre una calle de tierra
con agujeros y piedras (muchas distorsiones). Obviamente el vehículo se desplazará
con mayor facilidad sobre la calle asfaltada que sobre la de tierra. De igual manera, las
dislocaciones se mueven con mayor facilidad sobre la estructura sin defectos puntuales.
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La presencia de defectos puntuales hace entonces más difícil la deformación plástica de
los metales, y por tanto decimos que aumentan su resistencia mecánica. Cuando a un
metal le añadimos átomos de naturaleza química diferente con el propósito de causar
átomos intersticiales o sustitucionales, entonces decimos que estamos aleando al
metal. Las aleaciones no son más que materiales formados por la mezcla de varios
átomos diferentes, a modo de causar distorsiones locales de la estructura cristalina con
el propósito de hacer difícil el desplazamiento de las dislocaciones. Por ejemplo, el
acero es una aleación de Hierro y Carbono. Los átomos de Carbono se ubican en los
espacios intersticiales entre los átomos de Hierro, distorsionando la estructura cristalina
del Hierro (el átomo de Carbono es un poco más grande que el espacio intersticial que
ocupa entre los átomos de Hierro). Estas distorsiones hacen que el acero presente
mayor resistencia a las deformaciones plásticas que el Hierro puro, haciendo al acero
un material más resistente que el Hierro. Hay otros factores que también pueden
contribuir al aumento de la resistencia, sin embargo estos factores se estudiarán más
adelante. Al proceso de aumentar la resistencia de un metal añadiéndole impurezas se
le llama endurecimiento por solución sólida.
El producto de un proceso de
endurecimiento por solución sólida es una aleación.
Anteriormente se describió el proceso por medio del cual se incrementaba la resistencia
a la deformación a causa del aumento en el número de dislocaciones en el interior del
material. A ese proceso se le llama endurecimiento por deformación plástica.
El tamaño que tengan los granos de un material también afecta la resistencia del
mismo. Las fronteras de los granos son lugares donde se ha perdido la simetría de la
estructura cristalina. Para una dislocación, es más difícil atravesar las fronteras al pasar
de un grano a otro que desplazarse en el interior del grano donde la estructura cristalina
es regular. Como sabemos, el que a la dislocación se le haga difícil moverse se traduce
en un aumento de la resistencia del material. Si los granos del material son grandes,
las dislocaciones atraviesan pocas fronteras para desplazarse una cierta distancia
dentro del material. Sin embargo si los granos del material son pequeños, la
dislocación encontrará muchas fronteras en su desplazamiento, incrementándose por
tanto la dificultad para moverse. Por esa razón, un material con granos grandes es en
general menos resistente que un material con granos pequeños. A este fenómeno se le
llama endurecimiento por tamaño del grano.
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PROBLEMAS
(1)
El acero consiste en la mezcla de hierro con átomos de carbono. Usted sabe que los
átomos de carbono ocupan los lugares intersticiales en el hierro. Usted sabe además
que debido a la diferencia de tamaño entre los átomos de carbono y el espacio
intersticial, se origina una distorsión de la estructura cristalina la cual aumenta la
dificultad para las dislocaciones de moverse, haciendo que el acero sea más resistente
que el hierro.
Una de las características del carbono es que es un elemento muy reactivo. Por
ejemplo, sabemos que en la atmósfera y en nuestro organismo se combina con el
oxígeno para formar CO2. De la misma forma, al someter al acero a una temperatura
elevada el carbono puede combinarse con algún elemento de aleación presente en el
material, haciendo que las propiedades del acero se deterioren. Este es un problema
en los aceros que deben trabajar a temperaturas elevadas, o que deban someterse a
procesos que requieran temperaturas elevadas como por ejemplo la soldadura.
Para minimizar la degradación del material al ser sometido a altas temperaturas, alguien
sugiere que se sustituya el carbono en el acero por átomos de nitrógeno. El nitrógeno
es menos reactivo que el carbono, y por tanto la posibilidad que se degraden las
propiedades es menor. Usted sabe que al igual que el carbono, el nitrógeno también
produciría un aumento en la resistencia del acero ya que también distorsionaría
ligeramente su estructura cristalina. En base a esta información, ¿Esperaría usted que
la resistencia del hierro mezclado con nitrógeno sea mayor a la del hierro mezclado con
carbono? Justifique su respuesta.
(2)
Explique si la siguiente afirmación es verdadera o falsa: suponga que se tiene hierro
puro (radio atómico = 1.241 Å, radio iónico = 0.74 Å) con estructura cristalina FCC. Bajo
estas condiciones, este hierro tiene cierta capacidad para soportar la acción de fuerzas
sin deformarse permanentemente. El aluminio puro (radio atómico = 1.432 Å, radio
iónico = 0.51 Å) tiene menos capacidad que el hierro puro para soportar la acción de
fuerzas sin deformarse permanentemente (en otras palabras es más débil que el
hierro). Si al hierro puro lo mezclamos con aluminio puro para formar una aleación, en
teoría el metal resultante tendrá una capacidad menor de soportar fuerzas sin
deformarse permanentemente en comparación con el hierro puro original, ya que a un
material resistente (hierro) le estamos añadiendo un material débil (Aluminio).
(3)
Explique si la siguiente afirmación es verdadera o falsa: sabemos que la deformación
permanente de los metales se debe en buena medida a la capacidad de movimiento
que poseen sus dislocaciones. También sabemos que cuando las dislocaciones se
mueven, se multiplican, lo cual implica que a mayor deformación permanente, mayor es
el número de dislocaciones que existen dentro del metal. Se puede concluir por tanto
que, a medida un metal se deforma plásticamente, al crear en su interior más
dislocaciones el metal debe volverse más fácil para continuar deformándolo
permanentemente.
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