Defectos en Materiales: Tipos, Características y Endurecimiento

Defectos en Materiales

Defectos Cristalinos

Defecto cristalino: es una irregularidad en la red en la cual una o más de sus dimensiones son del orden de un diámetro atómico.

• Vacante: posición atómica desocupada en la red.
• Autointersticial: átomo desplazado que ocupa un intersticio en la red (poco probable).

Impurezas

• Sustitucionales: forman soluciones sólidas sustitucionales. Los átomos de aleación sustituyen a los de la matriz. Debe cumplir las condiciones de Hume-Rothery:
  • Radio atómico < 15%
  • Proximidad en la tabla periódica (electronegatividades similares)
  • Poseer la misma estructura cristalina
  • Valencia cuanto más parecida mejor
• Intersticiales: forman soluciones sólidas intersticiales. Los átomos de aleación se introducen en los intersticios de la matriz. El tamaño de los intersticios debe ser más grande que el átomo a introducir. El átomo debe caber en el intersticio.

Defectos Superficiales

• Límites de grano: separan zonas con diferente orientación cristalográfica y suponen una barrera al movimiento de las dislocaciones. Cuantos más límites de granos, más resistente es debido a que frenan el movimiento de las dislocaciones.
• Macla: se encuentran direcciones cristalográficas distintas. Ocurre cuando se somete el material a un tratamiento térmico o esfuerzo mecánico.

Defectos de Solidificación

• Rechupe: contracción de volumen que ocurre durante la solidificación y provoca un vacío de material.
  • Microrechupe: se localiza en el sitio en el que el metal líquido solidifica en último término. Es inevitable. Se elimina con mazarotas.
  • Macrorechupe: aparece en los espacios interdendríticos rellenos por líquido no conectado con el resto del metal fundido. Se soluciona mediante un posterior conformado en caliente.
• Sopladuras y poros: son originadas por el desprendimiento gaseoso que se produce en la solidificación. Se eliminan con: uso de baja temperatura de colada, colada en vacío, salidas en los moldes.

Endurecimiento de Materiales

Endurecimiento por Precipitación

Consiste en formar precipitados en la microestructura para endurecer. Cuanto mayor sea el volumen de soluto, mejor será el freno a las dislocaciones (mayor dureza). La mayoría admite poco soluto. (Consideraciones: matriz dúctil y blanda con precipitado resistente y duro; matriz continua y precipitado discontinuo; partículas pequeñas y numerosas; la resistencia aumenta con el contenido de la aleación; partículas redondeadas mejor que “agujas”). Necesita tratamiento térmico posterior: hipertemple + maduración.

Bloqueo de Dislocaciones

Consiste en anclar las dislocaciones mediante átomos de soluto, de esta forma, si la dislocación quiere moverse debe tener una energía adicional para vencer este anclaje de impurezas.

El grado de endurecimiento depende de:

• Diferencia de tamaño entre impureza y átomos originales: cuanto mayor sea la diferencia de este tamaño, mayor será la distorsión de la red y por tanto mayor será la dificultad al movimiento de la dislocación.
• Cantidad de impurezas que introduces.

Endurecimiento por Disminución de Tamaño de Grano

Si la velocidad de nucleación es alta y la de crecimiento es baja, el tamaño de grano es pequeño, por tanto, alta dureza. De lo contrario, baja nucleación y alto crecimiento, grano grande, baja dureza. Tres formas:

1. Incrementando el subenfriamiento: r_c = (2ΔG_s·T_f) / (ΔH_f·ΔT)
2. Añadiendo agentes de nucleación: es el método más utilizado. Consiste en añadir partículas de un compuesto de fusión más alto que se encuentran en el líquido. La energía superficial para formar un núcleo estable sobre este material es más baja que si el núcleo se formara sobre el propio líquido. Al ser menor la ΔT_s, el tamaño del r_c será también menor.
3. Agitación del líquido.

Consecuencias de Aumentar la Cristalinidad

• Aumenta la densidad.
• Pérdida de transparencia.
• Incremento de la resistencia química a los disolventes.
• Temperatura de fusión definida.
• Aumento de rigidez y resistencia mecánica.
• Incremento de la contracción de la solidificación.

Tipos de Polímeros

Termoplásticos

Dúctiles. Coste moderado. Translucidez. Aceptables propiedades mecánicas y resistencia al calor. Buena estabilidad dimensional. Moldeables. Pueden ser amorfos (PS, PVC, PC) o semicristalinos (PE, PP, PET, PA).

Termoestables

Duros y rígidos. Alta estabilidad dimensional. No funden por efecto del calor. Resistentes a termofluencia y deformación bajo carga. Altas propiedades de aislamiento térmico y eléctrico. (Resinas fenólicas, melanina, resinas epoxi)

Elastómeros

Admiten altas deformaciones elásticas. Vulcanización si se unen sus cadenas con átomos de azufre. Son insolubles e infusibles pero hinchan en disolución. Son amorfos (Tg < Tamb). Si T por encima de Tg se comporta como plástico, si está por debajo se comporta como vidrio.