CIENCIA DE LOS MATERIALES. Nombre: Axel Paúl Jiménez Enríquez. Curso: Electromecánica. Fecha: 24/06/2020. Imperfecciones en los arreglos atómicos. La forma como están colocados los átomos en un material real normalmente difiere de la posición ideal que se espera a partir de la estructura cristalina. Esas diferencias pueden explicarse planteando que el modelo de arreglo atómico puede poseer defectos. Defectos puntuales. Se dan a nivel de las posiciones de los átomos individuales. Los principales defectos puntuales son: Vacancias: son puntos de red vacíos en la estructura del material. Estos lugares deberían idealmente estar ocupados por átomos, sin embargo, se encentran vacíos. Átomos sustitucionales: en teoría un material puro esta formado exclusivamente por el mismo tipo de átomos. Los materiales reales no son 100% puros, sino que poseen impurezas, las cuales se definen como átomos diferentes a los átomos del material original. Cuando uno de esos átomos diferentes sustituye a un a tomo del material original ocupando su punto de red, recibe el nombre de átomo sustitucional. Átomos intersticiales: son átomos que ocupan lugares que no están definidos en la estructura cristalina. En otras palabras, son átomos cuya posición no esta definida por un punto de red. Normalmente estos átomos se colocan en los intersticios que se forman entre los átomos originales, por lo que se les llama átomos intersticiales. Defectos lineales. Se dan a nivel de varios átomos confinados generalmente a un plano. Los defectos lineales mas importantes em los materiales son las dislocaciones. Las dislocaciones se generan durante la solidificación o la deformación pastica de los materiales cristalinos, y consiste en planos “extra” de átomos insertados en la estructura cristalina. Las dislocaciones están formadas por los átomos originales del material (no por impurezas). Debido a que el plano de átomos esta insertado en la estructura en lugares no definidos por la misma, las dislocaciones causan la deformación del material cercano a ellas. Los átomos en la estructura perfecta se encuentran a una distancia fija de equilibrio entre sí. La presencia de las dislocaciones (y también de los defectos puntuales) altera esta distancia de equilibrio tal como se ilustra. Las dislocaciones tienen dos características importantes: Tienen la capacidad de moverse o desplazarse en el interior del material. Cuando una dislocación se desplaza, se divide aumentando el número de dislocaciones presentes en el material. Cuando se aplica una fuerza sobre la dislocación, ésta se desplaza sobre un plano específico y en determinadas direcciones. Al plano se le llama plano de deslizamiento y a la dirección se le llama dirección de deslizamiento. A la combinación de un plano de deslizamiento con una dirección de deslizamiento se le llama sistema de deslizamiento. La fuerza aplicada directamente sobre la dislocación es una componente de alguna fuerza externa aplicada sobre el material. La Termodinámica establece que la dislocación se moverá en aquellos sistemas de deslizamiento en donde se requiera del menor consumo de energía para su desplazamiento, o, en otras palabras, en donde se realice el menor trabajo. La estructura cristalina Cúbica Centrada en la Cara (CCCa) posee 12 sistemas geométricos de deslizamiento. La estructura cristalina Cúbica Centrada en el Cuerpo (CCCu) también posee 12 sistemas geométricos de deslizamiento. Sin embargo, experimentalmente se ha comprobado que poseen otros sistemas de deslizamiento que se activan dependiendo de la temperatura del material. En total, esta estructura puede poseer alrededor de 48 sistemas de deslizamiento. La estructura cristalina Hexagonal Compacta (HP) posee 3 sistemas de deslizamiento. También posee otros sistemas que dependen de la temperatura del material. Defectos superficiales. Son imperfecciones de la estructura cristalina ubicados en un área determinada del material. Los principales defectos de superficie son la misma superficie del material y las fronteras de los granos. La superficie del material es un defecto de la estructura cristalina porque se rompe la simetría con que los átomos están enlazados. Los átomos que se encuentran en la superficie tienen enlaces químicos no completos, lo cual los hace más reactivos químicamente que el resto de átomos. Estos enlaces químicos incompletos son los causantes de que algunos metales se oxiden con facilidad cuando se exponen al medio ambiente. Se ha planteado que los átomos buscan formar estructuras cristalinas ordenadas de cierta manera en los materiales cuando están en estado sólido. Si un material estuviera formado por un único grupo de átomos ordenado de cierta manera, entonces diríamos que ese material está formado por un sólo cristal, o que es monocristalino. Los materiales cristalinos bajo condiciones normales no buscan formar un único cristal, sino que forman muchos cristales cuando solidifican, cada uno de ellos siguiendo el patrón de la estructura cristalina. Por esta razón, los materiales normales se dice que son policristalinos, lo que significa que están formados por muchos cristales. El proceso de formación de estos cristales se ilustra a continuación. a) En estado líquido los átomos no tienen enlaces fuertes entre ellos, por lo que son libres para moverse en el volumen del material. Esta movilidad de los átomos permite a los líquidos adaptarse a la forma del recipiente que los contiene. b) La solidificación comienza con una etapa llamada nucleación. En esta etapa se forman pequeñas partículas en estado sólido ordenadas según la estructura cristalina del material. A estas partículas se les llama núcleos y se forma una gran cantidad de ellos al inicio de la solidificación. c) Gradualmente los átomos todavía en estado líquido van adhiriéndose a los núcleos cercanos. El núcleo crece y por eso a esta etapa se le llama crecimiento. La cantidad de sólido aumenta y la de líquido disminuye. d) Al final del proceso, todos los átomos se han adherido a algún núcleo cercano y el material es completamente sólido. Cada núcleo ha formado un cristal dentro del material. Debido a que la orientación de estos cristales durante la nucleación fue aleatoria, los cristales no coinciden entre sí, no pudiendo unirse entre ellos para formar un único cristal. A cada una de esas porciones de material se les llama granos. Todos los materiales cristalinos están formados por granos (cristales). Una buena analogía para comprender esto consiste en considerar a los granos como los ladrillos de una pared. Cada ladrillo representaría a un grano del material. Así como al unir los ladrillos se forma la pared, al unir los granos se forma el material. La diferencia en esta analogía sería que, en la pared, los ladrillos están unidos con mezcla de cemento. En el material, los granos pueden estar unidos entre sí por algunos enlaces químicos aleatorios, pero en general, los granos están adheridos entre sí únicamente por interferencia física de forma parecida a como se unen las piezas de un rompecabezas. Cada grano presenta una interface o superficie. Esta interface queda definida por los enlaces químicos incompletos de los átomos que la forman. Defectos volumétricos. en esta clase de defectos la distorsión ocupa un volumen y puede llegar a ser de tipo macroscópica (la distorsión es tridimensional). Entre estos defectos tenemos: Microporosidades: ocurren por la coalescencia (conjunción) de vacancias. Macro porosidades y rechupes: ocurren por la falta de llenado de metal liquido durante la solidificación o por el atrapamiento de gases durante la solidificación. Precipitados: es un conjunto de átomos ajenos (de aleación o impurezas) que se organizan en una determinada región de la red cristalina del solvente. Generan distorsión u endurecimiento del cristal. Grietas: es la separación (a través de los granos o de los bordes de grano) de la microestructura del material. Regiones amorfas en un material policristalino: son regiones sin orden de largo alcance que se ubican dentro del material. Suelen presentarse en materiales poliméricos. Bibliografía: http://gecousb.com.ve/guias/GECO/Materiales%20(MT1113)/Material%20Te%C3%B3rico%20(MT-1113)/MT1113%20Prof.%20Marlon%20Cruz-%20Tema%203%20Parte%202.pdf http://www.uca.edu.sv/facultad/clases/ing/m210031/Tema%2003.pdf
