Imperfecciones Cristalinas y Mejora de Propiedades en Materiales

Defectos Cristalinos Puntuales y Lineales

Vacantes

Las **vacantes** consisten en la ausencia de un átomo en un punto de la red cristalina. Estas vacantes se crean y destruyen mediante las **vibraciones atómicas**. Cualquier cristal en **equilibrio** debe tener un número mínimo de vacantes. Esto se debe a que las vacantes aumentan la **entropía**, lo que disminuye la **energía libre de Gibbs (G=H-TS)**, la cual el cristal tiende a minimizar. En la red cristalina, donde debería haber un átomo, no hay nada. Las vacantes generan una pequeña deformación en su entorno dentro de la red.

Dislocaciones

Se trata de una **deformación plástica** (se aporta energía hasta que el átomo salta a la posición siguiente). Esta deformación plástica tiene lugar mediante el **deslizamiento de los planos** en direcciones paralelas a las compactas. La dirección de deslizamiento debe darse entre **direcciones compactas** (donde los átomos se toquen entre sí) para que la distancia de deslizamiento sea la menor posible.

• En el caso de la **deformación elástica**, se aporta energía pero el átomo no alcanza la siguiente posición, de forma que al quitar esa energía vuelve a su posición inicial.
• Un sistema de deslizamiento es una combinación de plano de alta densidad y dirección compacta.
• Un plano es más denso si tiene menor índice de Miller, es cristalográfico y tiene una distancia interplanar menor.

La deformación plástica por deslizamiento provoca un **esfuerzo cortante** que debe superarse mediante una energía que, en realidad, será menor que la teórica, puesto que la deformación es progresiva (ejemplo: un ciempiés caminando).

Trepado de Dislocaciones

Las condiciones para que se dé este fenómeno son **temperaturas elevadas** y la presencia de **vacantes**. Lo que sucede es que una **dislocación de arista** se desplaza perpendicularmente al vector de Burgers (b), salvando obstáculos y facilitando la deformación. Este movimiento es considerable cuando se cumple que **T > 0.5T_fusión**. A altas temperaturas, el **límite elástico** disminuye, ya que los átomos quedan atrapados en vacantes y pueden seguir moviéndose hasta dar lugar a una dislocación.

Mecanismos de Endurecimiento

Se emplean para impedir el movimiento de las dislocaciones, **aumentando la resistencia mecánica**. Existen diferentes métodos:

Endurecimiento por Precipitación

Se forman partículas de una segunda fase en el interior de los granos de la fase inicial, bloqueando así las dislocaciones que se mueven por el interior de los granos.

Endurecimiento por Formación de Solución Sólida

Se añaden **átomos extraños (impurezas)** que impiden el movimiento de las dislocaciones.

Endurecimiento por Deformación

Aumento del número de dislocaciones debido a la **deformación en frío**. Este aumento provoca que las propias dislocaciones se entorpezcan entre ellas y restrinjan su movimiento.

Endurecimiento por Afino de Grano

Consiste en **reducir el tamaño de los granos**, con el consecuente aumento de los **bordes de grano** que actuarán como freno para el movimiento de las dislocaciones. Este método no requiere que el metal esté completamente fundido; sin embargo, el inconveniente es que la porosidad del sólido será muy elevada.

Todos los mecanismos, excepto el último, aumentan la **resistencia mecánica** y la **dureza** (dificultad a ser penetrado o rayado) y disminuyen la **ductilidad** y la **tenacidad**. (Cuanto más se muevan las dislocaciones, más dúctil será el material).

Nucleación

Nucleación Homogénea

Se produce en superficies donde no hay **exceso de energía**. De esta forma, para que ocurra la nucleación, el líquido debe someterse a un **subenfriamiento** para que la nueva fase sólida sea mucho más estable que la líquida.

Nucleación Heterogénea

Se produce en superficies con **excesos de energía**, como los bordes de un molde o la presencia de impurezas. En estas zonas se forman semiesferas, lo que implica que los embriones deben alcanzar un **menor radio crítico** y, por tanto, necesitan menos energía para que se produzca la nucleación. Como consecuencia, el **tamaño de los granos** en este caso será mucho menor que en la nucleación homogénea. Es el tipo de nucleación que se da comúnmente en la industria.

Conceptos de Planos Cristalográficos

Plano Denso

Un **plano denso** es cristalográfico y posee la máxima densidad planar. Ejemplos: en estructuras CCC {111}; en estructuras BCC {101}.

Plano Compacto

Un **plano compacto** es cristalográfico y todos sus átomos son tangentes con los átomos de su entorno.