Imperfecciones o defectos cristalinos
Defectos cristalinos
Defecto o imperfección es cualquier desviación respecto de la estructura ideal. Los defectos se deben a causas inevitables porque no es posible eliminarlos por completo. La primera causa es el proceso seguido para la obtención del material. La solidificación del material también puede influir en la aparición de imperfecciones. Ya en estado sólido, tratamientos térmicos, mecánicos o la acción de radiaciones pueden inducir la creación de un mayor número de defectos.
En algunos materiales la aparición de defectos se provoca intencionadamente porque pueden mejorar alguna propiedad específica. El silicio, por ejemplo, puede mejorar su conductividad gracias a la incorporación controlada de impurezas. Se puede regular que un material tenga buena resistencia y tenacidad, propiedades que normalmente varían de forma antagónica. Hay materiales que solo es posible endurecer actuando de forma intencionada.
Tipos de defectos
Atendiendo al número de dimensiones de la región sobre la que se extienden, los defectos pueden ser:
- Defectos puntuales
- Defectos lineales
- Defectos superficiales
Defectos puntuales
Los defectos puntuales afectan a una o varias posiciones próximas. Las causas pueden ser diversas: colocación incorrecta de átomos durante la solidificación, agitación térmica, tratamientos térmicos y/o mecánicos, acción de radiaciones o adición intencionada de elementos. Pueden deberse a átomos principales —vacantes o intersticiales— o a átomos extraños o impurezas —sustitucionales o intersticiales—.
Vacantes
Las vacantes son los defectos puntuales más abundantes, asociadas a la colocación incorrecta de los átomos. Aparecen cuando una posición reticular está desocupada. Las vacantes juegan un papel muy importante en las transformaciones en estado sólido. El número de vacantes viene dado por la siguiente fórmula:
Nv = N · exp(−Ev / kT)
donde:
- Nv: número de vacantes
- N: número de posiciones reticulares
- Ev: energía de activación para formar una vacante
- k: constante de Boltzmann
- T: temperatura absoluta
La energía necesaria para formar una vacante es del orden de 10·k·Tf, siendo Tf la temperatura de fusión. A temperaturas próximas a la de fusión la fracción molar de vacantes es del orden de e−10, es decir aproximadamente una de cada 104 posiciones reticulares está desocupada. Al enfriar hasta temperatura ambiente la fracción molar de vacantes decrece rápidamente (del orden de e−50, esto es, una de cada 1022 posiciones reticulares está desocupada).
Teniendo en cuenta la cinética del proceso de alcance del equilibrio, se pueden distinguir dos situaciones extremas:
- Estado recocido: enfriamiento muy lento, alcanzando el equilibrio en todo momento.
- Estado de temple: enfriamiento muy rápido, congelando la población de vacantes correspondiente a altas temperaturas.
A elevadas temperaturas pueden aparecer vacantes asociadas, divacantes o trivacantes. El número de vacantes asociadas en un metal en equilibrio puede aproximarse al cuadrado o al cubo de Nv. A temperatura ambiente son prácticamente inexistentes.
Átomos intersticiales
Los átomos intersticiales son mucho menos abundantes que las vacantes en condiciones de equilibrio, debido a que la colocación de un átomo de la red en una posición intersticial provoca una gran distorsión. La energía de activación es elevada, del orden de 5 eV, y la fracción molar es del orden de 10−20 a altas temperaturas y despreciable a temperatura ambiente.
Átomos de impurezas
Se dan cuando átomos extraños a la red aparecen en pequeñas proporciones, bien accidentalmente o introducidos de forma controlada. Pueden situarse en posiciones reticulares (impurezas sustitucionales) si su tamaño es similar o grande, o en posiciones intersticiales (impurezas intersticiales) si son de tamaño reducido. Las impurezas tienden a aumentar la dureza y la resistencia en la medida en que causen mayor deformación en la red. El efecto endurecedor de las impurezas que actúan por inserción (intersticiales) suele ser más importante que el de las impurezas por sustitución. Además, pueden obstaculizar el desplazamiento de otros defectos (por ejemplo, dislocaciones).
Defectos de tipo Frenkel y Schottky
En los cristales iónicos pueden aparecer otros dos tipos de defectos puntuales:
- Defecto Schottky: dos iones de carga opuesta crean sendas vacantes manteniendo el equilibrio electrostático.
- Defecto Frenkel: vacante creada por un ion que se desplaza a una posición intersticial.
Defectos lineales
La deformación no se produce de forma simultánea sobre todo el plano de deslizamiento, sino de modo progresivo; la zona deformada crece con el tiempo. El límite que separa la parte del cristal ya deformada de la que no lo está se llama dislocación. Existen dos tipos ideales de dislocaciones: de tipo cuña y de tipo tornillo.
Tipo cuña (arrojada)
Por encima o por debajo de un plano aparece un semiplano extra que origina, alrededor de la línea de dislocación, una zona defectuosa en la que los átomos se disponen de forma diferente a como lo hacen en un cristal ideal. Las dislocaciones se caracterizan por su vector de desplazamiento. En las dislocaciones de tipo cuña la línea de dislocación y el vector de Burgers son perpendiculares y ambos están contenidos en el plano de desplazamiento.
Tipo tornillo
Los planos cristalográficos se disponen alrededor de la línea de dislocación como la hélice de un tornillo. El vector de Burgers y la línea de dislocación son paralelos.
Dislocación tipo mixta
Las dislocaciones no tienen por qué ser puramente de cuña o de tornillo. El ángulo entre el vector Burgers y la línea de dislocación varía de un punto a otro, dando lugar a una dislocación mixta. Las dislocaciones pueden terminar en la superficie u otras zonas defectuosas o aparecer formando bucles.
Densidad de dislocaciones
Las dislocaciones son defectos muy frecuentes y son detectables con el material y la técnica adecuados. Técnicas como la microscopía óptica o electrónica permiten medir la densidad de dislocaciones en un cristal. Esta densidad se expresa como número de dislocaciones que interceptan la unidad de superficie (1/m2) o como la longitud total de las líneas de dislocación por unidad de volumen (m/m3).
Para metales puros en estado recocido la densidad de dislocaciones es del orden de 1012 m−2. En metales deformados intensamente la densidad puede aumentar hasta 4 órdenes de magnitud, ~1016 m−2. La densidad de dislocaciones puede modificarse mediante tratamientos térmicos o por deformación.
Los defectos interactúan con las dislocaciones: estas pueden superar o no el obstáculo. En general, las irregularidades de la red obstaculizan el movimiento de las dislocaciones, dificultando la deformación de los cristales y aumentando su resistencia. En los tratamientos de envejecimiento (maduración), la precipitación fina y aleatoria de compuestos intermetálicos en la matriz impide el desplazamiento de dislocaciones y aumenta considerablemente la resistencia. En los procesos de deformación en frío se provoca la multiplicación de dislocaciones, de forma que interactúan entre sí y ven reducida su movilidad, aumentando la resistencia. Por tanto, la resistencia suele crecer al aumentar la densidad de dislocaciones; no obstante, por debajo de un umbral puede observarse un comportamiento distinto donde la resistencia cambia de forma notoria.
Defectos superficiales
Entre los defectos superficiales se pueden considerar los siguientes casos:
- Bordes de grano (también conocidos como límite o junta de grano)
- Bordes de subgrano (también conocidos como subjunta de grano)
- Maclado
Bordes de grano
Los materiales cristalinos son, en la mayoría de los casos, policristalinos, es decir, un agregado de granos o cristales. Dentro de cada grano la disposición de los átomos es ordenada en las tres dimensiones, pero cada grano se orienta al azar respecto a los vecinos. El borde de grano es la interfase que separa dos granos adyacentes. Los bordes de grano son zonas de transición en las que no se presenta el ordenamiento de ninguno de los granos vecinos. El espesor del borde de grano es del orden de Ångström. Su presencia reduce la movilidad de las dislocaciones y, como consecuencia, provoca un aumento de la resistencia del material. Los bordes de grano influyen de forma importante en diversas propiedades mecánicas y físicas.
Bordes de subgrano
Si se calienta un metal que no sufre transformaciones alotrópicas hasta temperaturas próximas a la de fusión y, tras permanecer un tiempo prolongado a dicha temperatura, se enfría lentamente, los granos pueden aparecer subdivididos por líneas mucho más tenues que las de borde de grano. Cada una de esas divisiones se conoce como cristalita o subgrano y las líneas de separación son las subjuntas de grano. La estructura resultante se denomina estructura mosaico.
Maclado
El maclado es un desplazamiento de planos atómicos paralelos a un plano específico de manera que la red queda dividida en dos partes con ordenamientos simétricos. La cantidad de movimiento de cada plano en la región maclada es proporcional a su distancia al plano de maclaje. Así se logra una imagen especular en la región maclada de la red sin deformar. El espesor de las maclas varía entre 103 y 105 espaciados atómicos, por lo que son resolubles con microscopía. En los cristales cúbicos centrados en las caras (CCC) los planos de macla son {111} y el desplazamiento se produce a través de las direcciones <112>. En los cristales cúbicos centrados en el cuerpo (CC) los planos de macla son {112} y las direcciones de desplazamiento son <111>.