Universidad Nacional Autónoma de México.

Facultad de Ingeniería.

Laboratorio de Ciencia de Materiales.

Trabajo de Investigación;

“Estructuras y defectos Cristalinos”.

Espinosa Velázquez Miguel Ángel.

Valdés García Alejandro.

Prof.: Garduño García Israel.

24 de Febrero del 2014.

INTRODUCCIÓN

Todos los materiales están integrados por átomos los que se organizan de diferentes maneras,

dependiendo del material que se trate y el estado en el que se encuentra.

Un sólido es un material que posee forma y volumen definidos y que es una sustancia constituida

por átomos metálicos, átomos no metálicos, iones ó moléculas.

Los sólidos se pueden clasificar teniendo en cuenta el arreglo interno de sus partículas, en

amorfos y cristalinos:

Sólido amorfo:

Amorfo quiere decir que estos sólidos no tienen forma.

Este sólido carece de un ordenamiento diendo del material que se trate y el estado en el que se

encuentra.

Sólido cristalino: se puede decir que un sólido cristalino podría ser el hielo; ya que este posee un

ordenamiento estricto y regular, es decir, que sus átomos, moléculas o iones ocupan posiciones

específicas, estos sólidos suelen tener superficies planas o caras que forman ángulos definidos

entre sí. Los sólidos cristalinos adoptan diferentes formas y colores.

Realmente no existen cristales perfectos sino que contienen varios tipos de imperfecciones y

defectos, que afectan a muchas de sus propiedades físicas y mecánicas y también influyen en

algunas propiedades de los materiales a nivel de aplicación ingenieril tal como la capacidad de

formar aleaciones en frío, la conductividad eléctrica y la corrosión.

Las estructuras cristalinas no son perfectas. En los metales se encuentran impurezas que influyen

sobre el proceso de cristalización y que deforman la red espacial del cristal.

Las imperfecciones se clasifican según su geometría y forma así:

· Defectos puntuales o de dimensión cero

· Defectos lineales o de una dimensión llamados también dislocaciones

· Defectos de dos dimensiones

También deben incluirse los defectos macroscópicos tales como fisuras, poros y las inclusiones

extrañas.

DEFECTOS PUNTUALES

VACANTE

Constituye el defecto puntual más simple. Es un hueco creado por la

pérdida de un átomo que se encontraba en esa posición. Puede

producirse durante la solidificación por perturbaciones locales

durante el crecimiento de los cristales. También puede producirse por

reordenamientos atómicos en el cristal ya formado como

consecuencia de la movilidad de los átomos.

Son las imperfecciones más comunes en los cristales. Se dan hasta una por cada 10000 átomos.

Las vacantes de no equilibrio tienen tendencia a agruparse formando clusters, que forman

divacantes o trivacantes. Las vacantes pueden transladarse cambiando su posición con sus

vecinos. Este proceso es importante en la migración o difusión de los átomos en el estado sólido,

sobre todo a altas temperaturas donde la movilidad de los átomos es mayor.

DEFECTOS INSTERSTICIALES

Algunas veces, un átomo extra se inserta dentro de la estructura de la red en una posición que

normalmente no está ocupada formando un defecto llamado “Defecto intersticial”.

Generalmente este tipo de defecto introduce relativamente grandes

distorsiones en los alrededores puesto que normalmente el átomo es

sustancialmente más grande que la posición intersticial en la que se sitúa.

Consecuentemente la formación de este defecto no es muy probable. Se

pueden introducir en una estructura por radiación.

IMPUREZAS EN SÓLIDOS

Este defecto se introduce cuando un átomo es reemplazado por un átomo diferente. El átomo

sustituyente puede ser más grande que el átomo original y en ese caso los átomos alrededor

están a compresión ó puede ser más pequeño que el átomo original y en este caso los átomos

circundantes estarán a tensión. Este defecto puede presentarse como una impureza o como una

adición deliberada en una aleación

Otros defectos puntuales importantes son:

DEFECTO FRENKEL

Es una imperfección combinada Vacancia – Defecto intersticial. Ocurre

cuando un ion salta de un punto normal dentro de la red a un sitio

intersticial dejando entonces una vacancia.

DEFECTO SCHOTTKY

Es un par de vacancias en un material con enlaces iónicos. Para mantener

la neutralidad, deben perderse de la red tanto un catión como un anión.

DEFECTOS DE LINEA (DISLOCACIONES)

Son defectos que dan lugar a una distorsión de la red centrada en torno a una línea. Se crean

durante la solidificación de los sólidos cristalinos o por deformación plástica, por condensación

de vacantes.

Hay dos tipos de dislocaciones, las de cuña y las helicoidales. También puede darse una

combinación de ambas, denominada dislocación mezcla

DISLOCACIÓN DE CUÑA

Se crea por inserción de un semiplano adicional de átomos dentro de la red. Los átomos a lado y

lado del semiplano insertado se encuentran distorsionados. Los átomos por encima de la línea

de dislocación, que se encuentra perpendicular al plano de la página, en el punto donde termina

el semiplano insertado, se encuentran comprimidos y los que están por debajo se encuentran

apartados. Esto se refleja en la leve curvatura de los planos verticales de los átomo más cercanos

del extra semiplano. La magnitud de esta distorsión decrece con la distancia al semiplano

insertado.

La distancia de desplazamiento de los átomos en torno a una dislocación se llama

DESLIZAMIENTO o vector de Burgers y es perpendicular a la línea de dislocación de cuña.

DISLOCACIÓN HELICOIDAL

Esta dislocación se forma cuando se aplica un esfuerzo de cizalladura en un cristal perfecto que

ha sido separado por un plano cortante.

Aquí el vector de Burgers o de desplazamiento es paralelo a la línea de dislocación.

DISLOCACIONES MIXTAS

Con frecuencia los cristales exhiben mezcla de las dislocaciones

anteriores. Su vector de Burgers no es ni perpendicular ni paralelo a la

línea de dislocación, pero mantiene una orientación fija en el espacio. La

estructura atómica local en torno a la dislocación mixta es difícil de

visualizar, pero el vector de Burgers proporciona una descripción

conveniente y sencilla.

DEFECTOS INTERFACIALES O SUPERFICIALES

Los defectos superficiales son los límites o bordes o planos que dividen un material en regiones,

cada una de las cuales tiene la misma estructura cristalina pero diferente orientación.

SUPERFICIE EXTERNA

Las dimensiones exteriores del material representan superficies en las cuales la red termina

abruptamente. Los átomos de la superficie no estan enlazados al número máximo de vecinos que

deberían tener y por lo tanto, esos átomos tienen mayor estado energético que los átomos de

las posiciones internas. Los enlaces de esos átomos supericials que no están satisfechos dan lugar

a una energía superficial, expresada en unidades de energía por unidad de área (J/m2 o Erg/cm2).

Además la superficie del material puede ser rugosa, puede contener pequeñas muescas y puede

ser mucho mas reactiva que el resto del material.

BORDES DE GRANO

Se puede definir como la superficie que separa los granos individuales de diferentes

orientaciones cristalográficas en materiales policristalinos.

El límite de grano es una zona estrecha en la cual los átomos no están uniformemente separados,

o sea que hay átomos que están muy juntos causando una compresión, mientras que otros están

separados causando tensión. De cualquier forma los limites de grano son áreas de alta energía y

hace de esta región una mas favorable para la nucleación y el crecimiento de precipitados

MACLAS

Una macla es un tipo especial de límite de grano en el cual los átomos de un lado del límite están

localizados en una posición que es la imagen especular de los átomos del otro lado.

DESCRIPCION DEL ORDENAMIENTO ATOMICO

Orden de Corto y Largo Alcance

Orden de corto alcance.- es el arreglo espacial de los átomos o moléculas que se extiende sólo a

los vecinos más cercanos de éstos. A estas estructuras se les denomina como estructuras no

cristalinas.

Ejemplos de estas estructuras son los vidrios, geles y recubrimientos por deposición de vapor.

Orden de largo alcance.- es el arreglo espacial de los átomos o moléculas que se extiende por

todo el sólido, formando un patrón repetitivo, regular, que resulta en una red. Los materiales

pueden diferenciarse entre sí por el tipo de red que posean. El tipo de red de un material depende

del tamaño de los átomos o iones, y del tipo de enlace.

Al patrón geométrico que sigue una red de un material se le denomina estructura cristalina, y se

define en función de su tamaño, forma y ordenamiento atómico

DEFINICIONES

Red.- Modelo simétrico, que es tridimensional de varios puntos que define un Cristal

Parámetro de red.- hace referencia a la distancia constante entre las celdas unitarias en una estructura

cristalina. Las estructuras o redes en tres dimensiones generalmente tienen tres parámetros de red, a, b

y c. Sin embargo, en el caso especial de redes cúbicas, todos los parámetros son iguales, con lo cual nos

referimos a ellos como a. Del mismo modo, en las estructuras cristalinas hexagonales, los parámetros a

y b son iguales, por lo que únicamente consideraremos a y c.

En el crecimiento epitaxial, el parámetro de red es una medición de la compatibilidad estructural entre

diferentes materiales. Ya que los parámetros de red tienen dimensiones de longitud, su unidad en el

sistema internacional es el metro. No obstante, suelen darse en submúltiplos como el nanómetro o el

angstrom.

Redes de Bravais.- Las Redes de Bravais o celdas unitarias, son paralelepípedos que constituyen la menor

subdivisión de una red cristalina que conserva las características generales de toda la reticula, de modo

que por simple traslación del mismo, puede reconstruirse el sólido cristalino completo. En función de los

parámetros de la celda unitaria, longitudes de sus lados y angulos que forman, se distinguen 7 sistemas

cristalinos.

Cantidad de átomos por celda.- Tal y como dice el nombre es el número de nodos o átomos que posee

cada celda. Una celda cuadrada, por ejemplo, poseerá un nodo por celda ya que cada esquina la comparte

con cuatro celdas más. De hecho si una celda posee más de un nodo de red es que no es unitaria, en

cambio si posee más de un átomo por celda pudiera ser que estuviésemos en una celda unitaria pero con

una base atómica de más de un átomo.

Radio atómico.- El radio atómico se define como la distancia media que existe entre los núcleos atómicos

de dos átomos que se encuentren unidos mediante un enlace .

Numero de coordinación.- El número de coordinación lo podemos definir como el número de pares

electrónicos que acepta un ácido de Lewis (por lo general es un centro metálico), es decir, si un

compuesto de coordinación tiene dos especies que estén donando pares de electrones.

Factor de empaquetamiento.- es la fracción de volumen en una celda unidad que está ocupada por

átomos. Este factor es adimensional y siempre menor que la unidad. Para propósitos prácticos, el FEA de

una celda unidad se determina asumiendo que los átomos son esferas rígidas

Técnicas de difracción para el análisis de la estructura cristalina.- Las tres técnicas básicas de

difracción de cristales tridimensionales, de las cuales derivan otras, son las siguientes:

-Técnica de Laue, para el estudio de monocristales, particularmente para establecer la orientación de la

celda de un monocristal de estructura ya conocida.

-Técnica del monocristal rotatorio, para determinar la estructura cristalina de un monocristal.

-Técnica de polvos o de Debye-Scherrer, para el estudio de una muestra de polvos de un material

originalmente en polvo o de un policristal que hay que moler.

Defectos puntuales.- En los materiales reales existen defectos estructurales con independencia de las

impurezas químicas. Los cuales son llamados defectos puntuales

Dislocaciones e importancia.- El proceso de deslizamiento de las dislocaciones es de especial importancia

para conocer el comportamiento mecánico de los metales.

En primera lugar, permite explicar el por qué el esfuerzo teórico necesario para deformar plásticamente

(o permanentemente) un material, es mucho mayor que el valor necesario observado en la práctica. En

efecto, el deslizamiento provocado por los movimientos de las dislocaciones, provoca una mayor

facilidad de ruptura de uniones atómicas lo que implica una menor fuerza requerida para la deformación

plástica del metal. Por tanto, la presencia de dislocaciones, facilita la deformación plástica de un metal y

cuantos más sistemas de deslizamiento posea, mayor facilidad presentará.

En segundo lugar, el deslizamiento de las dislocaciones, confiere a un metal ductilidad, propiedad

relacionada con el mecanismo antes expuesto.

Por último, se puede aumentar la resistencia de un metal, controlando el movimiento de sus

dislocaciones. Un obstáculo introducido de forma voluntaria en el metal, impedirá que las dislocaciones

se deslicen, a menos que se aplique mayor fuerza de deformación, lo que implica que el material sea más

resistente. Las distintas formas de aumentar la resistencia de los metales y sus aleaciones, se basan en

este hecho, aumentar el número de dislocaciones del material e impedir o anclar su deslizamiento.

Aunque en algunos materiales cerámicos y polímeros puede ocurrir deslizamiento, el proceso de

deslizamiento es de particular utilidad para entender el comportamiento mecánico de los metales.

En primer término, el deslizamiento explica por qué la resistencia de los metales es mucho menor que el

valor predecible a partir del enlace metálico. Si ocurre el deslizamiento, sólo es necesario que se rompa

en algún momento una pequeña fracción de todas las uniones metálicas a través de la interfase, por lo

que la fuerza requerida para deformar el metal resulta pequeña.

BIBLIOGRAFÍA

http://12528estructuramateriales.blogspot.mx/2012/03/solido-cristalino-se-puede-decir-que-

un.html

http://elcrisoluspt.files.wordpress.com/2008/09/estructura11.pdf

http://depa.fquim.unam.mx/QI/ncoord/ncoord.htm