Fundamentos de Defectos Cristalinos y Polimorfismo en Materiales

Polimorfismo y Alotropía en Materiales Cristalinos

El polimorfismo y la alotropía describen la capacidad de un mismo elemento o compuesto para existir en más de una estructura cristalina bajo distintas condiciones de presión (P) y temperatura (T).

Ejemplo: Diamante y Grafito

• Diamante: Posee una estructura tridimensional (3D) con enlaces covalentes fuertes, lo que le confiere propiedades de extrema dureza, transparencia y aislamiento eléctrico.
• Grafito: Presenta una estructura laminar con enlaces secundarios débiles entre las capas, resultando en un material blando, opaco y conductor eléctrico.

Defectos Cristalinos: Tipos y Propiedades

Los defectos en la estructura cristalina son imperfecciones que alteran la periodicidad perfecta de la red atómica, influyendo significativamente en las propiedades físicas y mecánicas de los materiales.

Defectos Puntuales

Son imperfecciones localizadas en un punto de la red cristalina.

• Vacante: Consiste en la ausencia de un átomo en una posición de la red donde debería estar.
• Intersticial: Se produce cuando un átomo ocupa un lugar intersticial, es decir, un espacio entre las posiciones atómicas regulares. Son menos abundantes que las vacantes.

Origen de los Defectos Puntuales:

• Procesos de solidificación (debido a impurezas o aleaciones).
• Bombardeo de partículas con alta energía.
• Procesos de deformación plástica (durante el procesamiento de materiales).
• Aumento de la temperatura, lo que incrementa las vibraciones térmicas y, por ende, el número de vacantes.

Tipos Específicos de Defectos Puntuales:

• Defecto Schottky: Es una vacante en un cristal iónico. Para mantener la electroneutralidad, aparecen vacantes tanto aniónicas como catiónicas en proporciones estequiométricas.
• Defecto Frenkel: Implica la migración de un ion desde su posición normal en la red a una posición intersticial, creando una combinación de vacante e intersticial.
• Desorden Anti-estructural: Fenómeno de orden-desorden donde átomos de una subred ocupan posiciones correspondientes a las de otra y viceversa. Es común en aleaciones metálicas y sólidos con elementos de electronegatividades similares.

Defectos Lineales (Dislocaciones)

Son defectos que dan lugar a una distorsión de la red centrada alrededor de una línea.

Características de las Dislocaciones:

• Pueden desplazarse en el interior del cristal con esfuerzos relativamente bajos.
• Su movimiento produce el desplazamiento completo sobre planos cristalinos.

Importancia de las Dislocaciones:

Las dislocaciones explican la discrepancia entre:

• La resistencia teórica (módulo de Young) y la resistencia experimental de los materiales.
• La deformación plástica en metales (maleabilidad y ductilidad).

Formación de Dislocaciones:

• Durante la solidificación del material.
• Por deformación plástica o permanente del cristal.
• Por condensación de vacantes.
• Debido a desajustes atómicos en disoluciones sólidas.

Tipos de Dislocaciones:

• Dislocación de Arista (o de Borde, o de Cuña, o de Taylor): Caracterizada por un plano extra de átomos insertado en la red.
• Dislocación de Hélice (o de Tornillo, o de Burgers): Se forma por un corte y deslizamiento parcial de un plano cristalino.
• Dislocaciones Mixtas: Combinación de características de las dislocaciones de arista y de hélice.

Defectos Planares

Son imperfecciones que se extienden en dos dimensiones, como superficies o interfaces.

Bordes de Grano:

Son interfaces que separan cristales (granos) con diferente orientación cristalográfica.

• Formación: Se forman durante el proceso de solidificación, cuando distintos cristales, originados a partir de diferentes núcleos, crecen simultáneamente hasta encontrarse.
• Efecto: Limitan el movimiento de dislocaciones en el material. Al disminuir el tamaño de grano, la resistencia mecánica del material tiende a aumentar.

Superficie del Cristal:

Representa el final de la estructura periódica del cristal o grano.

• Características: Los átomos en la superficie tienen una coordinación atómica menor que los átomos en el interior del cristal, lo que implica una mayor energía superficial.

Falta de Apilamiento:

Ocurre cuando un plano atómico no sigue el patrón de apilamiento ideal de la estructura cristalina.

Plano de Macla:

Es un plano que separa dos partes de un grano con una relación cristalográfica específica, actuando como un plano de reflexión simétrico.

• Formación: Se producen por procesos de deformación plástica o durante tratamientos térmicos.
• Efecto: Aumentan la resistencia mecánica del material y dificultan el deslizamiento de las dislocaciones.