Clasificación de defectos cristalográficos – Tipos – Definición

La clasificación de los defectos cristalográficos ( defectos microscópicos ) se realiza con frecuencia de acuerdo con la geometría o dimensionalidad del defecto. Existen otros defectos macroscópicos en todos los materiales sólidos que son mucho más grandes que los microscópicos, estos incluyen poros, grietas, inclusiones extrañas y otras fases.

• Defectos microscópicos
  • Defectos puntuales. Los defectos puntuales tienen dimensiones atómicas.
  • Defectos de línea. Los defectos o dislocaciones de línea tienen generalmente muchos átomos de longitud.
  • Defectos planos . Los defectos planos son más grandes que los defectos de línea y ocurren en un área bidimensional.
• Defectos macroscópicos
  • Defectos a granel . Defectos macroscópicos o voluminosos tridimensionales, como poros, grietas o inclusiones.
  • Vacíos . Pequeñas regiones, donde no hay átomos, y que pueden considerarse como grupos de vacantes.
  • Impurezas , que pueden agruparse para formar pequeñas regiones de una fase diferente. Suelen denominarse precipitados.

Defectos puntuales

Los defectos puntuales tienen dimensiones atómicas, por lo que ocurren solo en o alrededor de un único punto de la red. No se extienden en el espacio en ninguna dimensión. Las imperfecciones puntuales en los cristales se pueden dividir en tres categorías principales de defectos.

• Defectos de vacantes . Los defectos de vacante son el resultado de la falta de un átomo en una posición reticular. La estabilidad de la estructura cristalina circundante garantiza que los átomos vecinos no colapsarán simplemente alrededor de la vacante. El tipo de defecto de vacante puede resultar de un empaquetamiento imperfecto durante el proceso de cristalización, o puede deberse al aumento de las vibraciones térmicas de los átomos provocadas por la temperatura elevada. Todos los sólidos cristalinos contienen vacantes y, de hecho, no es posible crear un material libre de estos defectos. Una vacante (o un par de vacantes en un sólido iónico) a veces se denomina defecto de Schottky.. Este defecto puntual se forma cuando los iones con carga opuesta abandonan sus sitios de celosía, creando vacantes. Estas vacantes se forman en unidades estequiométricas, para mantener una carga neutra general en el sólido iónico.
• Defectos sustitutivos . Debido a las limitaciones fundamentales de los métodos de purificación de materiales, los materiales nunca son 100% puros, lo que por definición induce defectos en la estructura cristalina . Los defectos de sustitución resultan de una impureza presente en una posición reticular. Para el tipo de sustitución, los átomos de soluto o impureza reemplazan o sustituyen a los átomos del huésped . Varias características de los átomos del soluto y del solvente determinan el grado en que el primero se disuelve en el segundo. Estos se expresan como las reglas de Hume-Rothery . De acuerdo con estas reglas, se pueden formar soluciones sólidas de sustitución si el soluto y el solvente tienen:
  • Radios atómicos similares (15% o menos de diferencia)
  • Misma estructura cristalina
  • Electronegatividades similares
  • Valencia similar: una solución sólida se mezcla con otras para formar una nueva solución.
• Defectos intersticiales . Los defectos intersticiales son el resultado de una impureza ubicada en un sitio intersticial o uno de los átomos de la red está en una posición intersticial en lugar de estar en su posición de red. Un autointersticial es un átomo del cristal que se apiña en un sitio intersticial. En los metales, un autointersticial introduce distorsiones y tensiones relativamente grandes en la red circundante porque el átomo es sustancialmente más grande que la posición intersticial en la que está situado. Los defectos intersticiales son generalmente configuraciones de alta energía, por otro lado, la formación de este defecto no es muy probable. Los átomos pequeños (en su mayoría impurezas) en algunos cristales pueden ocupar intersticios sin alta energía, como el hidrógeno.
• Defectos de Frenkel. Un defecto de Frenkel o un par de Frenkel es un par cercano de una vacante y un defecto intersticial. Esto se produce cuando un ion se mueve hacia un sitio intersticial y crea una vacante. Su principal mecanismo de generación es la irradiación de partículas. Los defectos de Frenkel son típicos del daño por radiación causado por neutrones de alta energía. Un neutrón de 1 MeV puede afectar aproximadamente a 5000 átomos. La presencia de muchos picos de desplazamiento cambiará las propiedades del material que se irradia. Un pico de desplazamiento contiene una gran cantidad de intersticiales y vacantes de celosía.

Defectos de línea: dislocaciones

Los defectos de línea tienen generalmente muchos átomos de longitud. Los defectos de línea se denominan dislocaciones y ocurren solo en materiales cristalinos. Las dislocaciones son especialmente importantes en la ciencia de los materiales, porque ayudan a determinar la resistencia mecánica de los materiales. Hay dos tipos básicos de dislocaciones, la dislocación del borde y la dislocación del tornillo . También son comunes las luxaciones mixtas, que combinan aspectos de ambos tipos. Es importante tener en cuenta que las dislocaciones no pueden terminar dentro de un cristal. Deben terminar en un borde de cristal u otra dislocación, o deben volver a cerrarse sobre sí mismos.

Los primeros estudios de materiales llevaron al cálculo de las fortalezas teóricas de los cristales perfectos. Pero estas fortalezas teóricas fueron muchas veces mayores que las realmente medidas. Durante la década de 1930 se teorizó que esta discrepancia en las resistencias mecánicas podría explicarse por un tipo de defecto cristalino lineal que se conoce como dislocación . El término ‘dislocación’ que se refiere a un defecto en la escala atómica fue acuñado por GI Taylor en 1934.

Dislocación de borde

La dislocación del borde se centra alrededor de la línea de dislocación del borde que se define a lo largo del extremo del semiplano extra de átomos . La imperfección puede extenderse en línea recta a lo largo del cristal o puede seguir un camino irregular. También puede ser corto, extendiéndose solo una pequeña distancia en el cristal y provocando un deslizamiento de una distancia atómica a lo largo del plano de deslizamiento (dirección en la que se mueve la imperfección del borde). La deformación plástica macroscópica simplemente corresponde a la deformación permanente que resulta del movimiento de dislocaciones , o deslizamiento , en respuesta a un esfuerzo cortante aplicado. Dislocacionespuede moverse si los átomos de uno de los planos circundantes rompen sus enlaces y se vuelven a unir con los átomos en el borde de terminación. Comprender el movimiento de una dislocación es clave para comprender por qué las dislocaciones permiten que la deformación se produzca con una tensión mucho menor que en un cristal perfecto. El movimiento de dislocación es análogo al movimiento de una oruga. La oruga tendría que ejercer una gran fuerza para mover todo su cuerpo a la vez. En cambio, mueve la parte trasera de su cuerpo hacia adelante una pequeña cantidad y crea una joroba. La joroba luego se mueve hacia adelante y eventualmente mueve todo el cuerpo hacia adelante una pequeña cantidad. El deslizamiento ocurre cuando el cristal se somete a una tensión y la dislocación se mueve a través del cristal hasta que alcanza el borde o es detenida por otra dislocación.

Dislocación del tornillo

Las dislocaciones de los tornillos pueden producirse por un desgarro del cristal paralelo a la dirección de deslizamiento. Si se sigue una dislocación de tornillo en todo el circuito completo, mostraría un patrón de deslizamiento similar al de la rosca de un tornillo. La dislocación de un tornillo es mucho más difícil de visualizar. Imagínese cortando un cristal a lo largo de un plano y deslizando una mitad sobre la otra mediante un vector de celosía, las mitades volviendo a encajar sin dejar un defecto. El movimiento de la dislocación de un tornillo también es el resultado del esfuerzo cortante, pero el movimiento de la línea del defecto es perpendicular a la dirección del esfuerzo y el desplazamiento del átomo, en lugar de paralelo.

El patrón puede ser para diestros o zurdos. Esto requiere que algunos de los enlaces atómicos se vuelvan a formar continuamente para que el cristal tenga casi la misma forma después de ceder que antes.

Fuente: William D. Callister, David G. Rethwisch. Ciencia e Ingeniería de Materiales: Introducción 9ª Edición, Wiley; 9a edición (4 de diciembre de 2013), ISBN-13: 978-1118324578.

Defectos planos: defectos interfaciales

Un defecto plano es una discontinuidad de la estructura cristalina perfecta a través de un plano. Los defectos interfaciales son límites que tienen dos dimensiones y regiones normalmente separadas de los materiales que tienen diferentes estructuras cristalinas y / o orientaciones cristalográficas. Los defectos interfaciales existen en un ángulo entre dos caras cualesquiera de un cristal o una forma cristalina. Estas imperfecciones se encuentran en superficies libres, límites de dominio, límites de grano o límites de interfase.

Los límites de grano

Un límite de grano es un defecto plano general que separa regiones de diferente orientación cristalina (es decir, granos ) dentro de un sólido policristalino . Hasta este punto, la discusión se ha centrado en los defectos de los monocristales. Sin embargo, los sólidos generalmente consisten en varios cristalitos o granos de diferente tamaño y orientación. Estos tienen orientaciones cristalográficas aleatorias. Cuando un metal comienza con la cristalización, el cambio de fase comienza con pequeños cristales que crecen hasta fusionarse, formando una estructura policristalina. En el bloque final de material sólido, cada uno de los pequeños cristales (llamados » granos«) es un verdadero cristal con una disposición periódica de átomos, pero todo el policristal no tiene una disposición periódica de átomos, porque el patrón periódico se rompe en los límites de los granos. Los granos y los límites de los granos ayudan a determinar las propiedades de un material . Granos pueden variar en tamaño desde nanómetros a milímetros de ancho y sus orientaciones generalmente se rotan con respecto a los granos vecinos. Donde un grano se detiene y otro comienza se conoce como límite de grano. Los límites de grano limitan las longitudes y movimientos de las dislocaciones. Por lo tanto, tener granos más pequeños (más área de superficie de límite de grano) fortalece un material. El tamaño de los granos se puede controlar mediante la velocidad de enfriamiento cuando el material se cuela o se trata térmicamente. Generalmente, el enfriamiento rápido produce granos más pequeños, mientras que el enfriamiento lento da como resultado granos más grandes.

• Los granos, también conocidos como cristalitos, son cristales pequeños o incluso microscópicos que se forman, por ejemplo, durante el enfriamiento de muchos materiales (cristalización). Una característica muy importante de un metal es el tamaño medio del grano. El tamaño del grano determina las propiedades del metal. Por ejemplo, un tamaño de grano más pequeño aumenta la resistencia a la tracción y tiende a aumentar la ductilidad. Se prefiere un tamaño de grano más grande para mejorar las propiedades de fluencia a alta temperatura. La fluencia es la deformación permanente que aumenta con el tiempo bajo carga o tensión constante. La fluencia se vuelve progresivamente más fácil con el aumento de temperatura.
• Los límites de grano. El límite de grano se refiere al área exterior de un grano que lo separa de los otros granos. Los límites de los granos separan regiones cristalinas de orientación diversa (policristalinas) en las que las estructuras cristalinas son idénticas. Los límites de grano son defectos 2D en la estructura cristalina y tienden a disminuir la conductividad eléctrica y térmica del material. La mayoría de los límites de grano son sitios preferidos para el inicio de la corrosión y para la precipitación de nuevas fases del sólido. También son importantes para muchos de los mecanismos de fluencia. Por otro lado, los límites de los granos interrumpen el movimiento de las dislocaciones a través de un material. La propagación de la dislocación está impedida debido al campo de tensión de la región del defecto del límite de grano y la falta de planos de deslizamiento y direcciones de deslizamiento y alineación general a través de los límites.

Hermanamiento – Límites gemelos

El hermanamiento es un fenómeno en algún lugar entre un defecto cristalográfico y un límite de grano. Como un límite de grano, un límite gemelo tiene diferentes orientaciones de cristal en sus dos lados. Pero a diferencia de un límite de grano, las orientaciones no son aleatorias, sino que se relacionan de una manera específica de imagen especular. Un límite gemelo ocurre cuando los cristales a ambos lados de un plano son imágenes especulares entre sí.

El límite entre los cristales maclados será un solo plano de átomos. No existe una región de desorden y los átomos de los límites pueden verse como pertenecientes a las estructuras cristalinas de ambos gemelos.

Hay tres modos de formación de cristales maclados. Los gemelos crecen durante la cristalización o son el resultado de un trabajo mecánico o térmico. Los gemelos crecidos son el resultado de una interrupción o cambio en la red durante la formación o el crecimiento debido a una posible deformación de un ion de sustitución más grande. Los gemelos de recocido o transformación son el resultado de un cambio en el sistema cristalino durante el enfriamiento, ya que una forma se vuelve inestable y la estructura cristalina debe reorganizarse o transformarse en otra forma más estable. La deformación o los gemelos deslizantes son el resultado de la tensión en el cristal después de que se ha formado.

Defectos a granel – Defectos de volumen

Los defectos macroscópicos tridimensionales se denominan defectos a granel . Generalmente ocurren en una escala mucho mayor que los defectos microscópicos. Estos defectos macroscópicos generalmente se introducen en un material durante el refinamiento de su estado bruto o durante los procesos de fabricación. Estos incluyen grietas, poros, inclusiones extrañas y otras fases . El trabajo y la forja de metales pueden provocar fisuras que actúan como concentradores de tensiones y debilitan el material. Cualquier defecto de soldadura o unión también puede clasificarse como defectos a granel.

• Defectos macroscópicos o voluminosos tridimensionales, como poros, grietas o inclusiones.
• Vacíos: pequeñas regiones donde no hay átomos y que pueden considerarse como grupos de vacantes.
• Las impurezas pueden agruparse para formar pequeñas regiones de una fase diferente. Suelen denominarse precipitados.

1. Departamento de Energía de EE. UU., Ciencia de Materiales. DOE Fundamentals Handbook, Volumen 1 y 2. Enero de 1993.
2. Departamento de Energía de EE. UU., Ciencia de Materiales. DOE Fundamentals Handbook, Volumen 2 y 2. Enero de 1993.
3. William D. Callister, David G. Rethwisch. Ciencia e Ingeniería de Materiales: Introducción 9ª Edición, Wiley; 9a edición (4 de diciembre de 2013), ISBN-13: 978-1118324578.
4. Eberhart, Mark (2003). Por qué se rompen las cosas: entender el mundo a través de la forma en que se desmorona. Armonía. ISBN 978-1-4000-4760-4.
5. Gaskell, David R. (1995). Introducción a la Termodinámica de Materiales (4ª ed.). Taylor y Francis Publishing. ISBN 978-1-56032-992-3.
6. González-Viñas, W. y Mancini, HL (2004). Introducción a la ciencia de los materiales. Prensa de la Universidad de Princeton. ISBN 978-0-691-07097-1.
7. Ashby, Michael; Hugh Shercliff; David Cebon (2007). Materiales: ingeniería, ciencia, procesamiento y diseño (1ª ed.). Butterworth-Heinemann. ISBN 978-0-7506-8391-3.
8. JR Lamarsh, AJ Baratta, Introducción a la ingeniería nuclear, 3d ed., Prentice-Hall, 2001, ISBN: 0-201-82498-1.

Véase más arriba:

Defectos cristalográficos