Tema 3 Defectos en las Estructuras Cristalinas La estructura cristalina es un concepto teórico que permite comprender cómo están formados los materiales. A partir del concepto de estructura cristalina es posible explicar muchas de las propiedades que exhiben los materiales, sean éstos cristalinos o amorfos. El plantear que un material clasificado como cristalino posee estructura cristalina es una idealización que no siempre se cumple en los materiales reales. 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. Para propósitos de estudio, los defectos se clasifican de la siguiente manera: Defectos puntuales. Se dan a nivel de las posiciones de los átomos individuales. Los principales defectos puntuales son los siguientes: a. Vacancias. Son puntos de red vacíos en la estructura del material. Estos lugares deberían idealmente estar ocupados por átomos, sin embargo se encuentran vacíos. b. Átomos sustitucionales. En teoría un material puro está 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 átomo original ocupando su punto de red, recibe el nombre de átomo sustitucional. c. Átomos intersticiales. Son átomos que ocupan lugares que no están definidos en la estructura cristalina. En otras palabras, son átomos cuya posición no está 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. Átomo intersticial

Estructura perfecta

Vacancia

Atomo sustitucional 23

Defectos lineales. Se dan a nivel de varios átomos confinados generalmente a un plano. Los defectos lineales más importantes en los materiales son las dislocaciones. Las dislocaciones se generan durante la solidificación o la deformación plástica de los materiales cristalinos, y consisten en planos “extra” de átomos insertados en la estructura cristalina.

Estructura perfecta

Estructura con dislocación

Las dislocaciones están formadas por los átomos originales del material (no por impurezas). Debido a que el plano de átomos está 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 a continuación: En esta zona los átomos adyacentes se encuentran apretados entre sí. Se dice que están en compresión

En esta zona los átomos adyacentes están más alejados de lo normal. Se dice que están en tensión 24

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.

Dirección de deslizamiento

Plano de deslizamiento

Las dislocaciones se desplazan cuando se aplican fuerzas sobre ellas. La fuerza aplicada y el desplazamiento resultante de la dislocación requieren de un trabajo. Para que la dislocación pueda realizar el trabajo para desplazarse, se requiere de energía. 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. Si se profundizara más en el estudio de la estructura cristalina, sería posible calcular aquellos planos y direcciones donde el trabajo de desplazamiento es menor. Ese cálculo está más allá de los objetivos del presente curso, sin embargo al realizar los cálculos adecuados, se ha descubierto lo siguiente: •

La estructura cristalina Cúbica Centrada en la Cara (FCC) posee 12 sistemas geométricos de deslizamiento.

25

•

•

La estructura cristalina Cúbica Centrada en el Cuerpo (BCC) 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 (HCP) posee 3 sistemas de deslizamiento. También posee otros sistemas que dependen de la temperatura del material.

Los metales pueden sufrir deformación elástica y deformación plástica. La deformación elástica es aquella deformación que desaparece cuando se retira la fuerza que la causa. Esta deformación es similar a la de un resorte, el cual se estira (o comprime) mientras se aplica la fuerza, pero al retirarse ésta, el resorte regresa a su longitud original. La deformación plástica es aquella que una vez se hace en el material, no desaparece aún cuando se retire la fuerza que la causó. La deformación plástica permite cambiar la forma geométrica de una pieza de manera permanente. Las dislocaciones juegan un papel muy importante en la deformación plástica de los metales. Precisamente la deformación plástica se da porque la dislocación es capaz de moverse en el interior del material, causando la reubicación de los átomos que forman la estructura cristalina. La facilidad o dificultad para deformar plásticamente a un material depende entonces de la facilidad o dificultad de hacer que las dislocaciones comiencen a moverse y se mantengan en movimiento. Entre más difícil sea mover a las dislocaciones del material, más difícil será (porque se requiere de más fuerza) deformar plásticamente al material. La facilidad para hacer que las dislocaciones se muevan depende de muchos factores, uno de los cuales es el número de sistemas de deslizamiento que posea la estructura cristalina. A mayor número de sistemas de deslizamiento, es más fácil para las dislocaciones iniciar y mantener su desplazamiento, y por tanto el material es más fácil de deformar (o si se quiere, el material ofrece menor resistencia a ser deformado). Si por alguna razón las dislocaciones no pueden moverse en la estructura del material, entonces éste sólo puede deformarse plásticamente muy poco. La cantidad de deformación plástica que puede sufrir un material se mide con la propiedad llamada ductilidad. Un material que sólo puede deformarse plásticamente pequeñas cantidades es poco dúctil. Un material que puede tener grandes cantidades de deformación plástica es más dúctil. Los materiales cerámicos están formados principalmente por átomos con enlaces iónicos. La neutralidad de cargas eléctricas que exige este tipo de enlace hace sumamente difícil que en estos materiales pueda haber desplazamiento de dislocaciones, ya que al moverse éstas alterarían la neutralidad eléctrica que debe tener el material. Por esa razón en las cerámicas las dislocaciones no pueden moverse, y por eso estos materiales no poseen ductilidad, lo que significa que no pueden tener deformaciones plásticas significativas cuando se les aplica una fuerza. En los metales, el enlace químico es de tal forma que la neutralidad eléctrica en el material no es afectada por el movimiento de los átomos en su interior. Las 26

dislocaciones no tienen impedimento para desplazarse y por esa razón los metales son materiales dúctiles. Si alteráramos la estructura del metal y hacemos que el desplazamiento de las dislocaciones sea difícil, entonces el metal se volvería tan frágil como una cerámica (la fragilidad es la propiedad opuesta a la ductilidad). En los metales, a medida las dislocaciones se van desplazando para generar la deformación plástica, también se van multiplicando, aumentando su número en la estructura del material. Debido a que las dislocaciones causan deformaciones locales en tensión y compresión en la zona que las rodea, se comportan como si fueran cargas eléctricas del mismo signo: cuando se intenta acercar a dos dislocaciones entre sí, estás se resisten a acercarse. En un metal con pocas dislocaciones, la resistencia al movimiento de las dislocaciones a causa de su cercanía no afecta la facilidad con que éstas se desplazan. Sin embargo, a medida se van desplazando, se van generando más dislocaciones, hasta que llega un momento en donde son tantas que se estorban unas con otras y la resistencia adicional que se genera para hacerlas que se desplacen se vuelve importante. Esto se traduce en que en un metal deformado plásticamente, la resistencia que se debe vencer para seguir deformándolo es mayor que la resistencia que el metal ofrecía cuando no tenía deformación previa. A este fenómeno se le llama endurecimiento por deformación plástica, y es característico de los metales: cuando un metal se deforma plásticamente, la resistencia que le metal ofrece a seguir siendo deformado aumenta. Defectos de superficie. 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.

Enlaces incompletos en la superficie del material

27

Para comprender qué son las fronteras de los granos, debemos comprender cómo se forma un material cristalino en estado sólido. 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)

b)

c)

d)

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. 28

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. La línea representa la “superficie” de los granos. Esta “superficie” se llama frontera de los granos

Si la superficie del material se pule y se ataca con un agente químico adecuado, los átomos de la superficie de los granos (los cuales son reactivos a causa de su enlace incompleto) reaccionan con el químico formando compuestos que se observan de color diferente al del resto del material al utilizar un microscopio. Las fronteras de los granos, y los granos en sí, pueden entonces estudiarse. Las fronteras de los granos se consideran un defecto de la estructura cristalina porque causan la pérdida de simetría en el ordenamiento de los átomos. La foto muestra un disco de aluminio cuya superficie fue pulida y tratada químicamente para revelar sus granos. Los granos son suficientemente grandes para poder ser observados a simple vista.

29

La foto muestra la superficie de un acero 1080 observada con un microscopio a una magnificación 100X. La superficie del acero fue pulida y atacada con un reactivo químico para revelar su microestructura (el conjunto de granos que forman al material). Se observan granos de color claro y de color oscuro. La diferencia en el color se debe a que poseen estructura cristalina diferente. Además es posible observar las fronteras de los granos. Los defectos que presenta la estructura cristalina de un material tienen un efecto directo en algunas propiedades del mismo. Los defectos puntuales (átomos sustitucionales, átomos intersticiales, vacancias) producen deformación o distorsión de la estructura cristalina en sus alrededores.

La ubicación de los átomos cercanos al defecto se ve afectada por la presencia de los defectos.

Cuando una dislocación intenta desplazarse a través de estas distorsiones localizadas, encuentra una resistencia adicional a su movimiento. La analogía es similar a transitar en vehículo sobre una calle asfaltada (no hay distorsiones) y sobre una calle de tierra con agujeros y piedras (muchas distorsiones). Obviamente el vehículo se desplazará con mayor facilidad sobre la calle asfaltada que sobre la de tierra. De igual manera, las dislocaciones se mueven con mayor facilidad sobre la estructura sin defectos puntuales.

30

La presencia de defectos puntuales hace entonces más difícil la deformación plástica de los metales, y por tanto decimos que aumentan su resistencia mecánica. Cuando a un metal le añadimos átomos de naturaleza química diferente con el propósito de causar átomos intersticiales o sustitucionales, entonces decimos que estamos aleando al metal. Las aleaciones no son más que materiales formados por la mezcla de varios átomos diferentes, a modo de causar distorsiones locales de la estructura cristalina con el propósito de hacer difícil el desplazamiento de las dislocaciones. Por ejemplo, el acero es una aleación de Hierro y Carbono. Los átomos de Carbono se ubican en los espacios intersticiales entre los átomos de Hierro, distorsionando la estructura cristalina del Hierro (el átomo de Carbono es un poco más grande que el espacio intersticial que ocupa entre los átomos de Hierro). Estas distorsiones hacen que el acero presente mayor resistencia a las deformaciones plásticas que el Hierro puro, haciendo al acero un material más resistente que el Hierro. Hay otros factores que también pueden contribuir al aumento de la resistencia, sin embargo estos factores se estudiarán más adelante. Al proceso de aumentar la resistencia de un metal añadiéndole impurezas se le llama endurecimiento por solución sólida. El producto de un proceso de endurecimiento por solución sólida es una aleación. Anteriormente se describió el proceso por medio del cual se incrementaba la resistencia a la deformación a causa del aumento en el número de dislocaciones en el interior del material. A ese proceso se le llama endurecimiento por deformación plástica. El tamaño que tengan los granos de un material también afecta la resistencia del mismo. Las fronteras de los granos son lugares donde se ha perdido la simetría de la estructura cristalina. Para una dislocación, es más difícil atravesar las fronteras al pasar de un grano a otro que desplazarse en el interior del grano donde la estructura cristalina es regular. Como sabemos, el que a la dislocación se le haga difícil moverse se traduce en un aumento de la resistencia del material. Si los granos del material son grandes, las dislocaciones atraviesan pocas fronteras para desplazarse una cierta distancia dentro del material. Sin embargo si los granos del material son pequeños, la dislocación encontrará muchas fronteras en su desplazamiento, incrementándose por tanto la dificultad para moverse. Por esa razón, un material con granos grandes es en general menos resistente que un material con granos pequeños. A este fenómeno se le llama endurecimiento por tamaño del grano.

31

PROBLEMAS (1) El acero consiste en la mezcla de hierro con átomos de carbono. Usted sabe que los átomos de carbono ocupan los lugares intersticiales en el hierro. Usted sabe además que debido a la diferencia de tamaño entre los átomos de carbono y el espacio intersticial, se origina una distorsión de la estructura cristalina la cual aumenta la dificultad para las dislocaciones de moverse, haciendo que el acero sea más resistente que el hierro. Una de las características del carbono es que es un elemento muy reactivo. Por ejemplo, sabemos que en la atmósfera y en nuestro organismo se combina con el oxígeno para formar CO2. De la misma forma, al someter al acero a una temperatura elevada el carbono puede combinarse con algún elemento de aleación presente en el material, haciendo que las propiedades del acero se deterioren. Este es un problema en los aceros que deben trabajar a temperaturas elevadas, o que deban someterse a procesos que requieran temperaturas elevadas como por ejemplo la soldadura. Para minimizar la degradación del material al ser sometido a altas temperaturas, alguien sugiere que se sustituya el carbono en el acero por átomos de nitrógeno. El nitrógeno es menos reactivo que el carbono, y por tanto la posibilidad que se degraden las propiedades es menor. Usted sabe que al igual que el carbono, el nitrógeno también produciría un aumento en la resistencia del acero ya que también distorsionaría ligeramente su estructura cristalina. En base a esta información, ¿Esperaría usted que la resistencia del hierro mezclado con nitrógeno sea mayor a la del hierro mezclado con carbono? Justifique su respuesta. (2) Explique si la siguiente afirmación es verdadera o falsa: suponga que se tiene hierro puro (radio atómico = 1.241 Å, radio iónico = 0.74 Å) con estructura cristalina FCC. Bajo estas condiciones, este hierro tiene cierta capacidad para soportar la acción de fuerzas sin deformarse permanentemente. El aluminio puro (radio atómico = 1.432 Å, radio iónico = 0.51 Å) tiene menos capacidad que el hierro puro para soportar la acción de fuerzas sin deformarse permanentemente (en otras palabras es más débil que el hierro). Si al hierro puro lo mezclamos con aluminio puro para formar una aleación, en teoría el metal resultante tendrá una capacidad menor de soportar fuerzas sin deformarse permanentemente en comparación con el hierro puro original, ya que a un material resistente (hierro) le estamos añadiendo un material débil (Aluminio). (3) Explique si la siguiente afirmación es verdadera o falsa: sabemos que la deformación permanente de los metales se debe en buena medida a la capacidad de movimiento que poseen sus dislocaciones. También sabemos que cuando las dislocaciones se mueven, se multiplican, lo cual implica que a mayor deformación permanente, mayor es el número de dislocaciones que existen dentro del metal. Se puede concluir por tanto que, a medida un metal se deforma plásticamente, al crear en su interior más dislocaciones el metal debe volverse más fácil para continuar deformándolo permanentemente.

32