Defectos e Imperfecciones en Arreglos Atómicos: Tipos, Efectos y Aplicaciones en Ingeniería de Materiales

Defectos e Imperfecciones en Arreglos Atómicos

Los defectos en los arreglos atómicos, aunque parezcan indeseables, pueden ser controlados para mejorar las propiedades de los materiales. Al comprender y manipular estos defectos, se pueden obtener aleaciones más fuertes y resistentes. Las imperfecciones se clasifican en tres tipos principales:

Tipos de Imperfecciones

  1. Lineales
  2. Puntuales
  3. De Superficie

Defectos Puntuales

Estos defectos representan discontinuidades en el arreglo atómico a nivel de uno o varios átomos. Se generan principalmente por el desplazamiento de los átomos al cambiar su nivel de energía, generalmente debido a efectos térmicos.

Vacancia

Es un tipo de defecto puntual en el cual falta un átomo en un sitio normal de la red. Este tipo de imperfección se genera principalmente durante el proceso de solidificación. El número de vacancias (nv) por cm3 se puede calcular mediante la siguiente ecuación:

nv = n * exp(-a / (R * T))

Donde:

  • n: número de puntos de red por cm3
  • a: energía necesaria para generar una vacancia (cal/mol)
  • R: constante universal de los gases (1,987 cal/mol*K)
  • T: temperatura en escala absoluta (K)

Defecto Sustitucional

Este defecto implica la sustitución de un átomo normal de la red por otro distinto, el cual puede ser de diámetro superior o inferior, provocando una distorsión en la red. Esto se puede evidenciar como una impureza del material o debido a un elemento aleante.

Otros Defectos Puntuales

  • Defecto de Frenkel: Implica una combinación de interticio y vacancia, donde un átomo salta de un punto normal de la red a un sitio intersticial.
  • Defecto de Schottky: Implica un par de vacancias en un material con enlace iónico, donde se desplaza tanto el ion como el catión para mantener la neutralidad de la red.

Defectos Lineales (Dislocaciones)

También conocidas como dislocaciones, estos defectos se generan en la red durante el proceso de deformación. Mediante este proceso, se puede endurecer el material o lograr que adquiera cierta resistencia (trabajo en frío). Las dislocaciones se clasifican en dos tipos:

Dislocación de Tornillo

Como su nombre lo indica, este defecto genera una torsión o tornillo en un grupo de átomos de la red.

Dislocación de Borde

Este defecto se visualiza cuando se corta una red y en ese borde se ubica un plano de red, distorsionando la geometría convencional.

Defectos de Superficie

Estos defectos se presentan por la imperfección superficial del material o en la región más externa de este. Se genera una desorientación de grupos de celdas en el plano cristalino, alterando los enlaces y los números de coordinación. Esta imperfección superficial permite una mayor capacidad de reacción a la red que el resto del volumen del material al contener pequeñas muescas o asperezas en su superficie.

Microestructura y Fronteras de Grano

La microestructura del material está formada por muchos granos, los cuales se identifican por una porción dentro de la cual el arreglo atómico posee una orientación similar. Una frontera de grano es la línea que divide cada una de estas superficies con orientaciones cristalográficas diferentes.

Ecuación de Hall-Petch

Esta ecuación relaciona el esfuerzo de excedencia o límite elástico del material con el tamaño del grano, el cual se puede controlar para generar una mayor resistencia del material o una deformación plástica permanente.

Borde de Macla

: representa un plano que se separa en dos partes con una pequeña diferencia de orientacion cristalografica y esto de origina durante la deformacion producto de un tratamiento termico.

EL EN DURECIMIENTO  DE DEFORMACION: hace referencia a endurecer el material generando dislocaciones el endurecimiento por solucion  solida se genera cuando se introduce de manera intencional atomos sustitucionales e interciciales y el endurecimiento por tamaño de grano se genera al variar el diametro de este y su numero o cantidad modificando la resistencia del material.

DIFUSION O MOVIMIENTO ATOMICO EN LOS MATERIALES: la difusion es el movimiento de los atomos en un material evitando concentracion o falta de contenido atomico en otras palabras a traves de la difusion se genera un mecanismo de compensacion muchos de lo tratamientos realizados en los materiales utilizan mecanismo de difusion y la generacion deliverada de imperfecciones es por medio de difusion atomica.

EN CUALQUIER TIPO DE MATERIAL EXISTIRA UNA DIFUSION PERMANENTE INCLUSO EN MATERIALES PUROS COMO EL ORO RECIVIENDO EL NOMBRE DE AUTODIFUSION.

EXISTEN DOS MECANISMOS DE DIFUSION LA DIFUSION POR VACANCIA Y LA DIFUSION INSTERTICIAL: DIFUSION POR VACANCIA: este mecanismo se da en la autodifusion y en la difusion de un atomo diferente o sistitucional y en la medida que este fenomeno se proyecta en el tiempo se genera un flujo de vacancias en sentido opuesto a la difusion de los atomos.

DIFUSION INSTERTICIAL: este mecanismo se genera en las aleaciones o difusiones de diferentes atomos en el cual un pequeño atomo insterticial se desplaza o difunde entre los sitios insterticiales.

VELOCIDAD DE DIFUSION: es la velocidad con la cual los atomos se difunden en el mismo material(autodifusion) o en otro diferente, lo cual se puede determinar segun la ecuacion de FICK