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IRREGULARIDADES DEL ARREGLO ATOMICO Las imperfecciones juegan un papel fundamental en numerosas propiedades del material: mecnicas, pticas, elctricas, se encuentran dentro de la zona de ordenamiento de largo alcance (grano)Se introducen intencionalmente para beneficiar determinadas propiedadesEjemplos:- Carbono en Fe para mejorar dureza- Cu en Ag para mejorar propiedades mecnicas- Dopantes en semiconductoresClasificacin de las imperfecciones en los slidos (segn su forma y geometra):

Defectos puntuales:

Defecto de vacancia (a) Defecto intersticial (b) Defecto sustitucional (c, d)

Defectos puntuales

Son discontinuidades de la red que involucran uno o quiz varios tomos. Estos defectos o imperfecciones pueden ser generados en el material mediante el movimiento de los tomos al ganar energa por calentamiento; durante el procesamiento del material; mediante la introduccin de impurezas; o intencionalmente a travs de las aleaciones.

Defecto de Vacancias Se produce cuando falta un tomo en la estructura cristalina Todos los materiales cristalinos tienen defectos de vacancia. Las vacancias pueden producirse durante la solidificacin como resultado de perturbaciones locales durante el crecimiento de los cristales. En los metales se pueden introducir vacancias durante la deformacin plstica, por enfriamiento rpido desde altas a bajas temperaturas, o como consecuencia de daos por radiacin. Las vacancias son importantes cuando se desean mover los tomos en un material slido (difusin).A temperatura ambiente, la concentracin de vacancias es pequea, pero aumenta en forma exponencial con la temperatura.El nmero de vacancias en equilibrio a una determinada temperatura en una red cristalina metlica puede expresarse por la siguiente ecuacin:

nv : cantidad de vacancias por cm3n : cantidad de tomos por cm3Q : energa para producir un mol de vacancias (cal/mol o joule/mol)R : constante de los gases (1,987 cal/mol K; 8,31 joule/mol K)T : temperatura en grados KelvinDefectos Intersticiales Se produce cuando se inserta un tomo en una estructura cristalina en una posicin normalmente desocupada.El aumento de sitios intersticiales ocupados en la red cristalina, produce un aumento de la resistencia de los materiales metlicos La cantidad de tomos intersticiales en la estructura es aproximadamente constante (an cuando cambie la temperatura) Los tomos intersticiales son de mayor tamao que los sitios intersticiales, por lo cual la regin cristalina vecina esta comprimida y distorsionada.

Defecto puntual autointersticialSe crea cuando un tomo idntico a los de la red ocupa una posicin intersticial. Defecto Sustitucional Se introduce un defecto sustitucional cuando un tomo es sustituido por otro tomo de distinta naturaleza. Un tomo sustitucional ocupa un sitio normal en la red. Estos tomos cuando son de mayor tamao, causa una reduccin de los espacios interatmicos vecinos. Cuando son de menor tamao, se produce una mayor distancia interatmica entre los tomos vecinos Los defectos sustitucionales se pueden introducir en forma de impurezas o adicionar de manera deliberada en la aleacin. Una vez introducidos, la cantidad de defectos no varia con la temperatura.

Defecto de Frenkel (o par de Frenkel) Es un par vacancia-intersticial que se forma cuando un in salta de un punto normal de la red a un sitio intersticial y deja atrs una vacancia. Este defecto, que se presenta generalmente en cristales inicos, tambin se puede presentar en los metales y en materiales con enlaces covalentes. Defecto de Schottky Es un defecto exclusivo de los materiales inicos y suele encontrarse en muchos materiales cermicos. Cuando dos iones de carga opuesta faltan en un cristal inico, se crea una divacante aninica-catinica que se conoce como defecto de SchottkyCristal inico ilustrando un defecto de Frenkel y un defecto de Schottky

IMPERFECCIONES LINEALES: DISLOCACIONES

DISLOCACIN.- Imperfeccin lineal alrededor de la cual los tomos del cristalestn desalineados

DE ARISTA (borde, cua, lnea)Semiplano de tomos cuya arista (borde) termina dentro del cristal.

HELICOIDALApilacin de planos en espiral a lo largo de la lnea de dislocacin.

MIXTAS De carcter doble: arista y helicoidal

Dislocacin de bordeUna dislocacin de borde se crea en un cristal por la interseccin de un semiplano extra de tomos

La dislocacin de cua o de arista, es un defecto lineal centrado alrededor de la lnea definida por el extremo del semiplano de tomos extras. La magnitud y la direccin de la distorsin reticular asociada a una dislocacin se expresa en funcin del vector de Burgers, designado por b. El vector de Burgers es el vector necesario para cerrar una trayectoria alrededor d ela lnea de dislocacin y volver al punto inicial.El vector de Burgers es perpendicular a la lnea de dislocacin. La dislocacin de borde presenta una regin de compresin donde se encuentra el semiplano extra y una regin de traccin debajo del semiplano extra de tomos.

Cambios en las posiciones atmicas que acompaan al movimiento de una dislocacin de borde (cua) a medida que sta se mueve en respuesta a una tensin de cizalle aplicada. Desplazamiento de una dislocacin

Representacin de la analoga entre el movimiento de una oruga y el de una dislocacin.Si se aplican esfuerzos de corte, los tomos rompen sus enlaces en el defecto y la dislocacin se mueve (deslizamiento), en la direccin de deslizamiento, en el plano de deslizamiento.

Cuando se aplica una fuerza cortante en la direccin del vector de Burgers a un cristal que contenga una dislocacin, sta se puede mover, rompiendo los enlaces de los tomos en un plano.El plano de corte se desplaza un poco para establecer enlaces con el plano parcial de tomos originales.El desplazamiento hace que la dislocacin se mueva una distancia atmica hacia el lado. Si continua este proceso, la dislocacin se mueve a travs del cristal hasta que se produce un escaln en el exterior del mismo.El cristal se ha deformado plsticamente Lnea de dislocacin: lnea que va a lo largo del plano extra de tomos que termina dentro del cristalPlano de deslizamiento: plano definido por la lnea de dislocacin y el vector de deslizamiento. Smbolo: las dislocaciones de borde se simbolizan con un signo de perpendicular, . Cuando el signo apunta hacia arriba, el plano extra de tomos est sobre el plano de deslizamiento y la dislocacin se le llama positiva. Cuando el signo apunta hacia abajo, T, el plano extra de tomos est bajo el plano de deslizamiento y la dislocacin es negativa.Dislocacin de tornillo (helicoidal)Una dislocacin de tornillo se puede formar en un cristal perfecto aplicando tensiones de cizalladura en las regiones del cristal perfecto que han sido separadas por un plano cortante.

Estas tensiones de cizalladura introducen en la estructura cristalina una regin de distorsin en forma de una rampa en espiral de tomos distorsionados.

Formacin de una dislocacin helicoidal

Dislocacin mixtaLa lnea de dislocacin puede presentar partes de carcter de borde y otras de carcter de tornillo. El desorden atmico varia a lo largo de la curva AB

Dislocacin de tornillo Dislocacin mixta

Importancia de las dislocaciones Es un mecanismo que explica la deformacin plstica de los metales, ya que el esfuerzo aplicado causa el movimiento de las dislocaciones. La presencia de dislocaciones explica porque la resistencia de los metales es mucho mas baja que el valor calculado a partir de la unin metlica (rompimiento de enlaces) [103 104 ms baja que la resistencia terica] El deslizamiento proporciona ductilidad a los metales, de lo contrario stos serian frgiles y no podran ser conformados (materiales cermicos, polmeros, materiales inicos) Se controlan las propiedades mecnicas de un metal o aleacin interfiriendo el movimiento de las dislocaciones (un obstculo introducido en el cristal evita que una dislocacin se deslice, a menos que se apliquen esfuerzos mayores, por lo tanto aumenta la resistencia).Importancia de los defectos puntualesLos defectos puntuales alteran el arreglo perfecto de los tomos circundantes, distorsionando la red a lo largo de cientos de espaciamientos atmicos, a partir del defecto. Una dislocacin que se mueva a travs de las cercanas de un defecto puntual encuentra una red en la cual los tomos no estn en sus posiciones de equilibrio. Esta alteracin requiere que se aplique un esfuerzo mayor para que la dislocacin venza al defecto, incrementando as la resistencia y dureza del material Si los tomos solutos se renen preferentemente alrededor de las dislocaciones, la fuerza necesaria para mover una dislocacin puede aumentar considerablemente.

Defectos de superficieSon lmites o planos que separan un material en regiones, cada regin tiene la misma estructura cristalina, pero distinta orientacinLas dimensiones exteriores del material representan superficies en donde termina el cristal. Cada tomo en la superficie ya no tiene el nmero adecuado de coordinacin y se interrumpe el enlazamiento atmicoEl lmite de grano, que es la superficie que separa los granos individuales, es una zona angosta donde los tomos no tienen la distancia correcta entre s; existen zonas de compresin y otras de traccin.

(a) Esquema que muestra el ordenamiento de los tomos en la formacin del borde de grano. (b) Granos y lmites de grano en una muestra de acero inoxidable.

Material policristalino Un mtodo para controlar las propiedades de un material es controlar el tamao del grano, ya sea durante la solidificacin o durante el tratamiento trmico. En los metales, los lmites de grano se originan durante la solidificacin cuando los cristales formados a partir de diferentes ncleos crecen simultneamente juntndose unos con otros Al reducir el tamao de grano, se aumenta la resistencia del material, ya que no permiten el deslizamiento de las dislocaciones Un material con un tamao de grano grande tiene menor resistencia y menor dureza.Importancia de los defectosEn los materiales metlicos, los defectos como las dislocaciones, defectos puntuales y lmites de grano sirven como obstculo a las dislocaciones.

Es posible controlar la resistencia de un material metlico controlando la cantidad y el tipo de imperfeccinEndurecimiento por deformacin Endurecimiento por solucin slida Endurecimiento por tamao de granoEndurecimiento por deformacinLos tomos vecinos a una lnea de dislocacin estn en compresin y/o traccin.Se requieren esfuerzos mayores para mover una dislocacin cuando se encuentra con otra dislocacinMetal ms resistenteAl incrementar el nmero de dislocaciones, se aumenta la resistencia del materialEndurecimiento por solucin slidaEl defecto puntual altera la perfeccin de la redSe requiere de mayor esfuerzo para que una dislocacin se desliceAl introducir intencionalmente tomos sustitucionales o intersticiales, se genera un endurecimiento por solucin slida

Endurecimiento por tamao de granoLos limites de grano alteran el arreglo atmicoEl movimiento de las dislocaciones se bloquea en los bordes de granoAl incrementar el nmero de granos o al reducir el tamao de stos, se produce endurecimiento por tamao de grano.