Imperfecciones o Defectos en Estructuras Cristalinas

En realidad, 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 de los materiales para ingeniería. 

Las imperfecciones en la red cristalina se clasifican según su forma y geometría. Los tres grupos principales son: 1) defectos puntuales o de dimensión cero, 2) defectos de línea o de una dimensión (dislocación) y 3) defectos de dos dimensiones que incluyen superficies externas y superficies de límite de grano 

Defectos Puntuales 

Son alteraciones o discontinuidades puntuales de la red cristalina provocadas por uno o varios átomos. Se originan por el movimiento de átomos durante el calentamiento o el procesado del material, introducción de impurezas o por aleación 

Vacantes: un átomo falta de su sitio normal en la red cristalina. Se originan durante la solidificación a alta temperatura o como consecuencia de los daños provocados por la radiación (intencionados) 

Defectos intersticiales: un átomo adicional se inserta en una posición habitualmente desocupada de la red cristalina. Los átomos intersticiales son mayores que los huecos intersticiales que ocupan y menores que los átomos reticulares que los rodean (distorsión de la red) 

Defecto substitucional: Substitución de un átomo de la red cristalina por otro distinto – Si el defecto substitucional es mayor que los átomos normales la red se comprime, si es menor la red se expande (tensión). El número de defectos substitucionales no depende de la temperatura 

Otros (combinaciones) 

Defecto Frenkel: par de defectos (intersticial + vacante). En un cristal iónico, un ion salta su sitio normal a un sitio intersticial dejando una vacante. 

Defecto Schottky: par de defectos (vacante + vacante). En un cristal iónico, faltan simultáneamente un anión y un catión.

Defectos de línea (dislocaciones) 
Son imperfecciones o irregularidades lineales en una red ideal o perfecta. Se originan en el proceso de solidificación o proceso de moldeado.

Defecto en cuña (borde o arista): – Se originan al introducir en el material un plano de átomos adicional
– El vector de Burgers es perpendicular a la dislocación
– Distorsión de la red: los átomos contiguos al plano adicional están comprimidos mientras que el resto está expandido

Helicoidal (o de tornillo): 

– Se originan cuando partes contiguas del material sufren esfuerzos cortantes paralelos, pero de sentidos contrarios (cizalladura) 

– El vector de Burgers es paralelo a la dislocación 

– Distorsión de la red: se forma un escalón según la línea de dislocación

Mixtas

Deslizamiento de las dislocaciones 

1. Al aplicar un esfuerzo cortante, la dislocación existente puede romper los enlaces atómicos de los planos atómicos contiguos (en un sentido) 
2. Los planos con enlaces rotos se desplazan ligeramente y en sentido contrario para reestablecer sus enlaces atómicos con otros planos 
3. Esta recombinación hace que la dislocación se desplace por el material 
4. Finalmente, el material queda deformado.

Factores determinantes en el deslizamiento de dislocaciones

1. Las direcciones de deslizamiento usuales son las direcciones compactas del material (distancia menor entre planos
2. Los planos de deslizamiento son los más compactados posibles del material
3. Los materiales con enlaces covalentes (muy intensos) impiden el deslizamiento de dislocaciones. Al aumentar el esfuerzo cortante se rompen (frágiles) antes que deformarse
4. Los materiales iónicos también ofrecen una alta resistencia al deslizamiento

• Fuertes enlaces iónicos
• Repulsión electrostática durante el deslizamiento
• Mayor longitud del vector de Burgers en estos materiales

Defectos de Superficie Las fronteras superficiales, interfases o planos que separan un material en regiones de la misma estructura cristalina pero con distintas orientaciones cristalográficas.

• Superficie del material: los límites del material

– Discontinuidad abrupta de la estructura regular cristalina

– Zona de alteración del número de coordinación y del enlace atómico

– Si la superficie es rugosa, contaremos con irregularidades adicionales

• Fronteras de grano: superficies que separan los distintos granos del material policristalino 

– Un grano es una porción del material que contiene átomos con una disposición atómica idéntica. Sin embargo, cada grano tiene una orientación cristalográfica distinta. 

– Las fronteras de grano son regiones donde existe desorden estructural (cambio de orientación cristalográfica). Algunos átomos están más comprimidos y otros más alejados.

• Bordes de grano de ángulo pequeño: distribución de dislocaciones que producen desviaciones en la orientación cristalográficas de las redes adyacentes

– La distorsión es menor que en las fronteras de grano

– Borde inclinado (dislocación de cuña), borde torsionado (dislocación de tornillo)

• Defectos (irregularidades) de apilamiento: interrupción o irregularidad en la secuencia de apilamiento de los planos compactos cristalinos

• Macla: pequeña diferencia en la orientación cristalográfica de dos partes del interior de un grano

– Dentro de un grano, la aplicación de un esfuerzo cortante puede desplazar levemente los átomos a lo largo de la macla

– El resultado es una imagen especular de dos redes respecto del plano de la macla