DEFECTOS EN LAS REDES CRISTALINAS

Un defecto cristalino es cualquier perturbación en la periodicidad de la red de un sólido cristalino. El cristal perfecto es un modelo ideal, en el que las diferentes especies (ya sean moléculas, iones u átomos neutros) están colocados de forma periódica y regular, extendiéndose hasta el infinito. En la realidad, cualquier cristal presenta defectos en este modelo ideal, empezando por el hecho de que no hay cristales infinitos.

No existen cristales perfectos pues contienen varios tipos de defectos que afectan a muchas de las propiedades físicas y mecánicas, que a su vez afectan a muchas propiedades importantes de los materiales para ingeniería, como la conformación en frio de aleaciones, la conductividad eléctrica de semiconductores, la velocidad de migración de los átomos en aleaciones y la corrosión de los metales.

Son estos defectos cristalinos los que dan las propiedades más interesantes de la materia, como la deformación plástica, la resistencia a la rotura, la conductividad eléctrica, el color, la difusión, etc.

Las imperfecciones en la red cristalina se clasifican según su forma y geometría. Los tres grupos principales son:

1. Defectos puntuales o de dimensión cero2. Defectos de línea o de una dimensión (dislocaciones) y3. Defectos de dos dimensiones o defectos superficiales

Defectos Puntuales

Son interrupciones localizadas en los arreglos atómicos o iónicos que, si no fuera por ellos, serian perfectos en una estructura cristalina. La alteración afecta una región donde intervienen varios átomos o iones.

Estas imperfecciones se pueden introducir por el movimiento de los átomos o los iones al aumentar la energía por calentamiento, durante el procesamiento del material, por introducción de impurezas o por dopado.

Vacancias

Una vacancia se produce cuando falta un átomo o un ion en su sitio normal de la estructura cristalina. Cuando faltan átomos o iones (es decir, cuando hay vacancias), aumenta el desorden normal o entropía del material, lo cual aumenta la estabilidad termodinámica de un material cristalino. Las vacancias se introducen a los metales y aleaciones durante la solidificación, a temperaturas elevadas o como consecuencia de daños por radiación. Determinan la rapidez con que

se pueden mover los átomos o los iones, es decir, difundirse, en un material sólido, en especial en los metales puros.

Defectos intersticiales

Un defecto intersticial se forma cuando se inserta un átomo o ion adicional en la estructura cristalina en una posición normalmente desocupada. Los sitios intersticiales, aunque son mucho menores que los átomos o los iones que están en los puntos de red, son mayores que los sitios intersticiales que ocupan; en consecuencia la región cristalina vecina esta comprimida o distorsionada.

Defecto sustitucional

Se introduce un defecto sustitucional cuando un átomo o ion es sustituido con un tipo distinto de átomo o ion. Los átomos o iones sustitucionales ocupan el sitio normal en la red. Pueden ser mayores que los átomos o los iones normales en la estructura cristalina, en cuyo caso se reducen los espacios interatómicos vecinos, o pueden ser menores, lo cual causara que los átomos vecinos tengan distancias interatómicas mayores. Los defectos sustitucionales perturban el cristal que los rodea. Se pueden introducir en forma de una impureza o de una adición deliberada en la aleación.

Intersticialidad

(O defecto puntual autointersticial) se crea cuando un átomo idéntico a los puntos normales de red están en una posición intersticial.

Defecto de Frenkel

O par de Frenkel, es una par vacancia-intersticial que se forma cuando un ion salta de un punto normal de red a un sitio intersticial y deja atrás una vacancia.

Defecto de Schottky

Es exclusivo de los materiales iónicos, y suelen encontrarse en muchos materiales cerámicos. En este defecto, las vacancias se presentan en un material con enlaces iónicos; donde debe faltar un número estequiométrico de aniones y cationes en el cristal si se quiere conservar en él la neutralidad eléctrica.

Defectos lineales (dislocaciones)

Los defectos lineales o dislocaciones en los sólidos cristalinos son defectos que provocan una distorsión de la red centrada en torno a una línea. Las dislocaciones se crean durante la solidificación de los sólidos cristalinos. También se pueden formar en la deformación plástica o permanente de los sólidos cristalinos, por condensación de vacantes y por desajuste atómico en las disoluciones sólidas.

Son imperfecciones lineales en un cristal que de otra manera seria perfecto. Se suelen introducir en el cristal durante la solidificación del material o cuando se deforma permanentemente. Se pueden identificar tres clases de dislocaciones: de tornillo, de borde y mixta.

Dislocaciones de tornillo

La dislocación se puede ilustrar haciendo un corte parcial en un cristal perfecto y, a continuación, torciendo ese cristal una distancia atómica. Si se sigue un plano cristalográfico durante la revolución respecto al eje de torcimiento del cristal, comenzando en el punto x y recorriendo distancias interatómicas iguales en cada dirección, se termina una distancia atómica abajo del punto de partida (el punto y). El vector necesario para terminar el circuito y regresar al punto de partida es el vector de Burgers b. si se continua la rotación, se describirá una trayectoria espiral. El eje o línea respecto a la cual se traza la trayectoria es la dislocación de tornillo. El vector de Burgers es paralelo a la dislocación de tornillo.

Dislocaciones de borde o arista

Una dislocación de borde se puede ilustrar haciendo un corte parcial en un cristal perfecto, abriendo el cristal y llenando en parte el corte con un plano adicional de átomos. La orilla inferior de este plano insertado representa la dislocación de borde.

Dislocación mixta

Las dislocaciones mixtas tienen componentes de borde y de tornillo, con una región de transición entre ellas. Sin embargo, el vector de Burgers queda igual para todas las porciones de la dislocación mixta.

Dislocación helicoidal

La dislocación helicoidal puede formarse en un cristal perfecto aplicando esfuerzos cortantes hacia arriba y hacia abajo en las regiones del cristal perfecto que han sido separadas por un plano cortante. Estos esfuerzos cortantes introducen en la estructura cristalina una región de distorsión en forma de una rampa en espiral de átomos distorsionados o dislocación helicoidal.

Deslizamiento

El proceso por el cual se mueve una dislocación y hace que se deforme un material metalico se llama deslizamiento. La dirección en la que se mueve la dislocación es la dirección de deslizamiento, y es la del vector de Burgers para las dislocaciones de borde. Durante el deslizamiento, la dislocación de borde recorre el plano formado por el vector de Burgers y ella misma. A este plano se le llama plano de deslizamiento. La combinación de la dirección de deslizamiento y el plano de deslizamiento es el sistema de deslizamiento.

Defectos planares

Los defectos planares incluyen superficies externas, límites de grano, maclas, bordes de ángulo cerrado, bordes de ángulo abierto, torsiones y fallas de apilamiento. La superficie libre o externa de cualquier material es el tipo más común de defecto planar. Las superficies externas se consideran defectos debido a que los átomos de la superficie están enlazados a otros átomos sólo por un lado. Por consiguiente, los átomos de la superficie tienen un menor número de vecinos. Como resultado de ello, estos átomos tienen un mayor estado de energía en comparación con los átomos situados dentro del cristal, con un número óptimo de vecinos. La mayor energía asociada con los átomos de la superficie de un material hace a la superficie susceptible a la erosión y a reaccionar con elementos del ambiente. Este punto ilustra con mayor claridad la importancia de los defectos en el desempeño de los materiales.

Límites de grano

Los límites de grano son los defectos de la superficie en los materiales policristalinos que separan a los granos (cristales) de diferentes orientaciones. En los metales, los límites de grano se originan durante la solidificación, cuando los cristales formados desde diferentes núcleos crecen simultáneamente juntándose unos con otros. La forma de los límites de grano está determinada por la restricción impuesta por el crecimiento de los granos vecinos.

El límite de grano es una región estrecha entre dos granos de entre dos y cinco diámetros atómicos de ancho, y es una región de átomos no alineados entre dos granos adyacentes. El ordenamiento atómico en los límites de grano es menor que en los granos debido a esta falta de orden. Los límites de grano tienen también algunos átomos en posiciones pensionadas, lo que provoca un aumento de energía en la región del límite de grano.

Maclas o bordes de maclas

Las maclas o bordes de maclas son otro ejemplo de un defecto bidimensional. Una macla se define como una región en la que existe una imagen de espejo de la estructura a través de un plano o un borde. Los bordes gemelos se forman cuando un material se deforma permanentemente o de manera plástica (macla de deformación). También pueden aparecer durante el proceso de recristalización en el que los átomos se vuelven a situar en un cristal deformado (macla de templado), pero esto sólo ocurre en algunas aleaciones FCC.

Límite de inclinación en ángulo agudo

Cuando en un arreglo de dislocaciones de borde éstas se orientan en un cristal de manera tal que dos regiones del cristal parecen desorientarse o inclinarse, se forma un defecto bidimensional llamado límite de inclinación en ángulo agudo. Puede ocurrir un fenómeno similar cuando una red de dislocaciones helicoidales crea un límite de torsión en ángulo agudo. Las dislocaciones y las maclas, los bordes de ángulo agudo son regiones de alta energía debido a las distorsiones locales de la red y tienden a endurecer a un metal.

Defectos volumétricos

Los defectos volumétricos o tridimensionales se forman cuando un grupo de átomos o de defectos puntuales se unen para formar un vacío tridimensional o poro. De manera inversa, un grupo de átomos de alguna impureza puede unirse para formar un precipitado tridimensional. El tamaño de un defecto volumétrico puede variar desde unos cuantos nanómetros hasta centímetros o, en ocasiones, puede ser mayor. Los defectos tienen un efecto o influencia considerable en el comportamiento y desempeño de un material. Finalmente, el concepto de un defecto tridimensional o volumétrico puede ampliarse a una región amorfa dentro de un material policristalino.