Defectos en materiales cristalinos: tipos y efecto en las propiedades mecánicas

Imperfecciones en Materiales Cristalinos: Impacto en Propiedades Mecánicas y Diseño de Ingeniería

Las imperfecciones, es decir, los defectos en la red de un material cristalino, son de tres tipos generales:

• Defectos puntuales
• Defectos de línea o dislocaciones
• Defectos de superficie

Tipos de Imperfecciones y su Comportamiento

Defectos de Línea: Las Dislocaciones

Las dislocaciones son defectos de línea que se mueven al aplicar una fuerza al material, provocando su deformación.

Defectos Puntuales: Vacancias, Átomos Intersticiales y Sustitucionales

Los defectos puntuales, que incluyen vacancias, átomos intersticiales y átomos sustitucionales, introducen campos de esfuerzos de compresión o de tensión que alteran la red adyacente. Como resultado, las dislocaciones no pueden deslizarse en las cercanías de defectos puntuales, lo que incrementa la resistencia del material. El número de vacancias, o de puntos de red vacíos, depende de la temperatura del material; los átomos intersticiales (localizados en sitios intersticiales entre átomos normales) y los átomos sustitucionales (que reemplazan al átomo normal en puntos de la red) a menudo se introducen de manera deliberada y generalmente su número no se altera por los cambios de temperatura.

Defectos de Superficie: Bordes de Grano

Los defectos de superficie incluyen los bordes de grano. Al producir un tamaño de grano muy pequeño, se incrementa la cantidad de área de bordes de grano; dado que las dislocaciones no pueden pasar con facilidad a través de un borde de grano, el material se hace más resistente.

Influencia de los Defectos en las Propiedades Mecánicas

El número y tipo de defectos de red controlan la facilidad del movimiento de las dislocaciones y, por tanto, influyen de manera directa sobre las propiedades mecánicas del material. Se obtiene el endurecimiento por deformación al incrementar el número de dislocaciones; el endurecimiento por solución sólida involucra incorporar defectos puntuales y el endurecimiento por tamaño de grano se obtiene al producir un material con granos más pequeños.

Definiciones Clave de Defectos Puntuales

Defecto de Frenkel

Par de defectos puntuales que se producen cuando un ion se mueve para crear un sitio intersticial, dejando atrás una vacancia.

Defecto Intersticial

Defecto puntual que se produce cuando se coloca un átomo en la red en un sitio que normalmente no es un punto de red.

Defecto de Schottky

Par de defectos puntuales en materiales de enlace iónico. A fin de mantener una carga neutral, se debe formar tanto una vacancia de catión como de anión.

Defecto Sustitucional

Defecto puntual que se produce cuando se elimina un átomo de un punto normal de una red y se reemplaza con un átomo distinto, por lo general, de un tamaño diferente.

Defectos Puntuales (General)

Imperfecciones, como vacancias, localizadas en un solo punto en la red.

Defectos de Superficie (General)

Imperfecciones, como bordes de grano, que separan un material en regiones de distintas orientaciones cristalográficas.