Contenido: Defectos puntuales. Defectos de línea (dislocaciones). Límites de grano (defectos interfaciales). Tamaño del grano. Difusión en sólidos en general. Mecanismos de difusión.
Defectos puntuales
El defecto puntual más simple es la vacante, hueco creado por la pérdida de un átomo que se encontraba en esa posición. Las vacantes pueden producirse durante la solidificación como resultado de perturbaciones locales durante el crecimiento de los cristales, o pueden ser debidas a reordenaciones atómicas en un cristal ya formado como consecuencia de la movilidad de los átomos.
En metales, la concentración de huecos en el equilibrio raramente excede de un átomo en 10,000 átomos. Las vacantes en los metales son defectos en equilibrio y su energía de formación es del orden de 1 e V.
Las vacantes adicionales en los metales pueden ser producidas por deformación plástica del metal, por enfriamiento rápido de mayores a menores temperaturas y por bombardeo de partículas energéticas tales como neutrones. Las vacantes de no equilibrio tienen tendencia a agruparse formando clusters, formándose divacantes o trivacantes. Las vacantes pueden trasladarse cambiando su posición con las de sus vecinas. Este proceso es importante en la migración o la difusión de los átomos en el estado sólido, particularmente a elevadas temperaturas donde la movilidad de los átomos es mayor.
Las impurezas atómicas de tipo sustitucional o intersticial son también defectos puntuales y se pueden presentar en cristales metálicos o covalentes.
Por ejemplo, pequeñas cantidades de impurezas sustitucionales en silicio puro pueden afectar mucho su conductividad eléctrica para uso en dispositivos electrónicos. Las impurezas iónicas son también defectos puntuales en cristales iónicos.
Defectos de línea (dislocaciones)
Los defectos de línea, o dislocaciones, en sólidos cristalinos son defectos que dan lugar a una distorsión de la red centrada en torno a una línea. Las dislocaciones se crean durante la solidificación de los sólidos cristalinos.
También se pueden formar por deformación plástica del sólido cristalino, por condensación de vacantes y por emparejamiento atómicos incorrectos en soluciones sólidas.
Los dos principales tipos de dislocaciones son el tipo de cuña y el tipo helicoidal.
Límites de grano (defectos interfaciales)
Los límites de grano son defectos interfaciales en materiales policristalinos, son límites que separan granos o cristales de diferentes orientaciones.
En los metales los límites de grano se crean durante la solidificación cuando los cristales se han formado a partir de diferentes núcleos que crecen simultáneamente juntándose unos a otros.
La forma de los límites de grano viene determinada por las restricciones impuestas por el crecimiento de los granos más próximos..
El límite de grano es una región estrecha entre dos granos de unos dos a cinco diámetros atómicos de anchura y es una región de átomos con cierto desalineación entre granos adyacentes.
El empaquetamiento atómico en los límites de grano es menor que dentro de los granos debido a dicho desalineación. Los límites de grano tienen también algunos granos en posiciones de tensión por lo que aumenta la energía en la región del límite de grano.
Los límites de grano en un material metálico o cerámico pueden ser identificados en una muestra preparada de material como líneas oscuras. Las muestras metálicas y cerámicas se pulen, en primer lugar, para obtener una superficie lisa, y entonces son químicamente tratadas con agua fuerte de forma que los límites de grano son atacados más rápidamente, que los granos produciéndose diminutas grietas a lo largo de los límites.
Al examinarse con un microscopio óptico la luz incidente no será tan intensamente reflejada en los límites de grano que aparecerán como líneas oscuras en el ocular del microscopio.
La mayor energía de los límites de grano y su estructura más abierta, hacen de ellos una región más favorable para la nucleación y crecimiento de precipitados.
El menor empaquetamiento atómico de los límites de grano permite una difusión más rápida de los granos en la región del límite de grano.
A temperaturas ordinarias los límites de grano también limitan el flujo plástico al presentar dificultades el movimiento de dislocaciones en la región del límite de grano.
Tamaño del grano
El tamaño del grano de materiales policristalinos es importante porque la cantidad de superficie del límite de grano tiene un efecto significativo en muchas propiedades de los metales, específicamente en la resistencia.
A temperaturas más bajas (menos de aproximadamente la mitad de su temperatura de fusión) los límites de grano refuerzan a los metales por restricción del movimiento de las dislocaciones bajo tensión.
A elevadas temperaturas puede tener lugar un desplazamiento del límite de grano, y los límites de grano pueden llegar a ser regiones de baja resistencia en metales policristalinos.
Difusión en sólidos en general
La difusión se puede definir como el mecanismo por el cual la materia es transportada a través de la materia. Los átomos en gases, líquidos y sólidos están en constante movimiento y se desplazan tras un período de tiempo.
En los gases, el movimiento de los átomos es relativamente rápido como podemos apreciar en el rápido avance de los olores desprendidos al cocinar o del humo del tabaco.
Los movimientos atómicos en los líquidos son, en general, más lentos que en los gases como puede observarse al seguir el movimiento de un pigmento en agua líquida. En los sólidos el movimiento de los átomos está restringido debido a su enlazamiento en posiciones de equilibrio.
Sin embargo, en los sólidos tienen lugar vibraciones térmicas que permiten que algunos átomos se muevan.
La difusión de los átomos en metales y aleaciones es particularmente importante, ya que la mayor parte de las reacciones en estado sólido involucran movimientos atómicos.
Mecanismos de difusión
Hay dos principales mecanismos de difusión de los átomos en una red cristalina: (1) difusión por vacantes o mecanismo sustitucional y (2) mecanismo intersticial.
Mecanismo de difusión por vacantes o sustitucional.
Los átomos pueden moverse en las redes cristalinas desde unas posiciones atómicas a otras si hay suficiente energía de activación procedente de vibraciones térmicas de los átomos y hay vacantes u otros defectos cristalinos en la red para que los átomos puedan desplazarse a otras posiciones.
Las vacantes en los metales y aleaciones son defectos de equilibrio, algunas siempre están presentes posibilitando la difusión sustitucional de los átomos.
Según va aumentando la temperatura del metal se producirán más vacantes y habrá más energía térmica disponible, por tanto, el grado de difusión es mayor a temperaturas más altas.
Mecanismos de difusión intersticial
La difusión intersticial de los átomos en las redes cristalinas tiene lugar cuando los átomos van desde una posición intersticial a otra vecina desocupada sin desplazar permanentemente a ninguno de los átomos de la red cristalina matriz.
Fuentes: Apuntes de la materia de ciencia de los materiales / unideg