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