Imperfección De Los Materiales

METALURGIA EN GENERAL

IMPERFECCIÓN DE LOS MATERIALES Imperfecciones en los arreglos atómicos e iónicos.Al analizar el término "imperfección de un material'', se presupone de un error en la organización de dicho material, y muchas veces, también se enjuicia con alevosía y asumimos que dicha imperfección, relacionada con algún tipo de imagen de deformación que es visualmente perceptible, le atribuyen al material el valor de obsoleto y no siempre es así. El arreglo de los átomos o iones en los materiales diseñados tiene imperfecciones o defectos. Frecuentemente éstos defectos tiene un efecto profundo sobre las propiedades de los materiales, y no necesariamente suceden a niveles macros, y pueden ser aprovechados en la aplicación ingenieril tal como la capacidad de formar aleaciones en frío, la conductividad eléctrica y la corrosión. Un cristal perfecto consiste de un arreglo periódico de átomos, lo que genera una estructura definida. El término defecto se usa en general para describir cualquier cambio o variación en la estructura o composición del cristal. Idealmente, un cristal perfecto sólo puede existir a 0 Kelvin (-273 ºC). A esta temperatura todos los átomos están estáticos, por lo que no presentan vibración alguna, en otras palabras los átomos no poseen energía cinética. Sin embargo, a temperaturas mayores los átomos empiezan a vibrar constantemente debido a la absorción de energía calorífica. La amplitud y cantidad de vibraciones entre los átomos crece con el aumento de la temperatura. Estas vibraciones son, en parte, las causantes de que los cristales presenten deformaciones o defectos. Además, vale la pena mencionar que estas vibraciones también están directamente relacionadas con el fenómeno de fusión de los materiales sólidos. Por ejemplo, en el caso de los cristales de óxidos metálicos se sabe que pierden hasta 2 % en peso de oxígeno antes de alcanzar su punto de fusión. Esto se debe a que los átomos de oxígeno que se encuentran en la superficie del cristal empiezan a vibrar de una manera muy acelerada debido al aumento en la temperatura, hasta que se desprenden de la superficie. La ausencia de átomos de oxígeno en la superficie produce un gradiente de difusión de átomos de dentro del material hacia la superficie del mismo, lo que provoca una continua pérdida de oxígeno así como el inicio de la pérdida de estructura cristalina. Finalmente, todo este movimiento de átomos produce la fusión del material.

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En este contexto, el material no se considera defectuoso desde el punto de vista de la aplicación. Las dislocaciones, que son defectos lineales en un material suelen ser utilizadas para aumentar la resistencia de un material. En el uso de materiales electrónicos, conductores de electricidad, es necesario eliminar éstas dislocaciones al menor índice posible, con tal de garantizar la conductividad. El método para dar un color específico a cristales se realiza a nivel de imperfecciones, que al aumento de la cantidad de un material diferente, produce que este cambie sus propiedades internas, al nivel de su propio color. Así la máxima pureza de un metal, también asegura el aumento en su conductividad. La formación de defectos, en todos los casos, implica un proceso endotérmico, el cual podría no favorecer su formación. Sin embargo, al formarse un defecto, aumenta la entropía (ΔS), por lo tanto, y de acuerdo con la ecuación 1, la entalpía de formación (ΔH, el calor absorbido), se compensa con el ΔS en el equilibrio. De tal forma que la variación de la energía libre de Gibbs (ΔG) dentro de un cristal por la formación de un defecto es cero. ΔG = ΔH – TΔS Existen tres tipos de defectos: puntuales, lineales (dislocaciones) y superficiales. Si el cambio está localizado únicamente en una posición atómica y sus átomos vecinos, este tipo de defecto se conoce como defecto puntual; por el contrario, si las modificaciones afectan áreas más grandes del cristal, se clasifican como defectos lineales, de superficie o de volumen, dependiendo de la región y forma de cambio en la estructura cristalina. A continuación nos enfocaremos a describir únicamente los defectos más sencillos que se pueden encontrar en un cristal, los defectos puntuales o de dimensión cero.

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Defectos puntuales.-

En 1896 Robert Austen observó que el plomo difunde en el oro a 300 °C a una velocidad superior a la que el NaCl difunde en agua a temperatura ambiente. Necesariamente, debía haber huecos que aceptaran los átomos de Pb, ya que la Eact. para mover un átomo es muy alta (PF Pb 327 ºC). Los defectos puntuales son alteraciones o discontinuidades de la red cristalina con respecto a la ideal, provocadas por uno o varios átomos. Se originan por el movimiento de átomos durante el calentamiento o procesado del material, introducción de impurezas o por aleación. (Una aleación es una mezcla sólida homogénea de dos o más metales, o de uno o más metales con algunos elementos no metálicos) Estos defectos distorsionan la red a lo largo de cientos de átomos. Una dislocación que se propaga por el material ordenado encontrará cerca del defecto puntual una región estructural desordenada. Para continuar su movimiento y vencer al defecto, la dislocación necesita un esfuerzo mayor. Se incrementa por tanto la resistencia mecánica del material.

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Estas interrupciones localizadas en arreglos atómicos o iónicos no permiten que dichos átomos tengan una estructura cristalina perfecta. Así las impurezas son elementos o compuestos presentes en las materias primas o en el procesamiento. Los defectos puntuales se pueden introducir por el movimiento de los átomos o iones al aumentar la energía por calentamiento, durante el procesamiento del material, por introducción de impurezas o por dopado. Los dopantes son elementos o compuestos que se agregan en forma deliberada y en cantidades conocidas en lugares específicos de una microestructura, buscando un efecto benéfico en las propiedades de dicho material. Se subdividen en: 1. Vacancia: Se produce cuando falta un átomo o ión en su sitio normal en la red cristalina. Esta se origina durante la solidificación a alta temperatura o como consecuencia de los daños provocados por la radiación (intencional). En la ausencia de un átomo aumenta el desorden normal o entropía del material, lo cual aumenta la estabilidad termodinámica de un material cristalino. Todos los materiales cristalinos tienen defectos de vacancia. El sintetizado es un proceso mediante el cual se forma una masa densa calentando materiales pulverizados compactados. Con este proceso se fabrican los capacitores, y se asume como un tratamiento térmico. Existe una relación entre la temperatura y la concentración de vacancia, este comportamiento de Arrhenius, obedece a que la concentración de vacancias a temperatura ambiente es pequeña. Al aumentar la temperatura, aumenta en forma exponencial dicha cantidad, con la siguiente relación.

Donde Nv es el número de vacantes por metro cúbico N es el número de puntos en la red por metro cúbico Q es la energía requerida para producir una vacancia (J/átomo) T es la temperatura en °K K es la constante de Boltzmann de los gases (1.38 x 10-23J/átomo°K) ó 8.62 x 105eV/átomo°K

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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.

VACANTE

2. Defecto Intersticial: Se forma cuando se inserta un átomo o ión adicional en la estructura cristalina en una posición normalmente desocupada. 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.

DEFECTO INTERSTICIAL

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3. Defecto Sustitucional: También se los denomina como impurezas en el material. Cuando un átomo es sustituido con un tipo distinto de átomo o ión, los átomos sustitucionales ocupan el sitio normal en la red. Pueden ser mayores que los átomos o iones normales en la estructura cristalina, en cuyo caso se reducen los espacios interatómicos vecinos, o pueden ser menores, lo cual causará que los átomos vecinos tengan distancias interatómicas mayores. Si el defecto sustitucional es mayor que los átomos normales la red se comprime, si es menor la red se expande (tensión). El número de defectos sustitucionales no depende de la temperatura.

DEFECTO DE SUSTITUCIÓN 4. Defecto de 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 FRENKEL

Para calcular el número defectos de Frenkel por metro cúbico se emplea:

Donde N es el número de posiciones reticulares catiónicas y aniónicas. Y Ni es el número de posiciones intersticiales.

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5. Defecto de 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.

DEFECTO SCHOTTKY

Para calcular el número defectos de Schottky por metro cúbico se emplea:

Donde N es el número de posiciones reticulares catiónicas y aniónicas.

Otro defecto puntual importante ocurre cuando un ion de una carga reemplaza otro ion de diferente carga. Por ejemplo un ion de valencia +2 reemplaza a un ion de valencia +1. En este caso una carga extre positiva se introduce dentro de la estructura. Para mantener un balance de carga, se debe crear una vacante de una carga positiva (Enlaces iónicos).

DEFECTO POR REEMPLAZAMIENTO POR IONES DE DIFERENTE CARGA

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