Defectos e Imperfecciones en los Arreglos Atómicos en Materiales
Defectos e Imperfecciones en los Arreglos Atómicos
Los defectos en los materiales se pueden controlar para fortalecer sus propiedades, logrando aleaciones más fuertes y resistentes. Las imperfecciones se clasifican en tres tipos: lineales, puntuales y de superficie.
Defecto o Imperfección Puntual
El material presenta discontinuidad en su arreglo, la cual involucra uno o varios átomos. Esto se genera por el desplazamiento de los átomos al cambiar su nivel de energía, principalmente por efecto térmico.
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:
- nv: número de vacancias por cm3
- 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 Kelvin
- t: T° escala absoluta
Defecto Puntual 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 que se generan en el material similares a los mencionados son:
- Defecto de Frenkel: Implica una combinación de intersticio y vacancia cuando 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, ya que se desplaza tanto el ion como el catión para mantener la neutralidad de la red.
Defectos o Imperfecciones Lineales
Este tipo de defecto también recibe el nombre de dislocación, la cual se genera en la red en el proceso de solidificación o al someterlo a una deformación. Mediante este proceso, podemos endurecer el material o lograr que adquiera cierta resistencia (trabajo en frío). Las dislocaciones se clasifican en dos tipos: de borde y de tornillo.
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 cortamos una red y en ese borde se ubica un plano de red distorsionando la geometría convencional.
Defecto por Imperfección 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.
La microestructura del material está formada por muchos granos, los cuales se identifican por una porción dentro de la cual el arreglo posee una orientación similar al resto de los granos. Por lo tanto, una frontera de grano es la línea que divide cada una de estas superficies con orientaciones cristalográficas diferentes.
Ecuación de Hall-Petch
La ecuación relaciona el esfuerzo de cedencia o límite elástico del material con el tamaño del grano, el cual se puede controlar para generar una mayor resistencia del material o deformarse de forma plástica permanente.
Borde de Macla
Representa un plano que separa dos partes de un grano con una pequeña diferencia de orientación cristalográfica. Esto se origina durante la deformación o producto de un tratamiento térmico.
Endurecimiento
El endurecimiento por deformación hace referencia a endurecer el material generando dislocaciones. El endurecimiento por solución sólida se genera cuando se introducen de manera intencional átomos sustitucionales e intersticiales. El endurecimiento por tamaño de grano se genera al variar el diámetro de este y su número o cantidad, modificando la resistencia del material.
Difusión o Movimiento Atómico en los Materiales
La difusión es el movimiento de los átomos en un material, evitando la concentración o falta de contenido atómico. En otras palabras, a través de la difusión se genera un mecanismo de compensación. Muchos de los tratamientos realizados en los materiales utilizan mecanismos de difusión, y la generación deliberada de imperfecciones es por medio de la difusión atómica.
En cualquier tipo de material existirá una difusión permanente, incluso en materiales puros como el oro, recibiendo el nombre de autodifusión.
Existen dos mecanismos de difusión:
Difusión por Vacancia
Este mecanismo se da en la autodifusión y en la difusión de un átomo diferente o sustitucional. En la medida en que este fenómeno se proyecta en el tiempo, se genera un flujo de vacancias en sentido opuesto a la difusión de los átomos.
Difusión Intersticial
Este mecanismo se genera en las aleaciones o difusiones de diferentes átomos, en el cual un pequeño átomo intersticial se desplaza o difunde entre los sitios intersticiales.
Velocidad de Difusión
Es la velocidad con la cual los átomos se difunden en el mismo material (autodifusión) o en otro diferente, lo cual se puede determinar según la ecuación de Fick.