Influencia De Los Defectos En Las Propiedades De Los Materiales.docx

INFLUENCIA DE LOS DEFECTOS EN LAS PROPIEDADES DE LOS MATERIALES Este documento es un extracto de algunos temas o subsecciones que se encontraron en el cuarto capítulo del libro: "La ciencia y la ingeniería de materiales, sexta edición de Askeland". Las imperfecciones o defectos en un material cristalino son de tres tipos generales: defectos puntuales, defectos o dislocaciones de la línea y defectos de la superficie. Los defectos puntuales, que incluyen vacantes, átomos intersticiales y átomos de sustitución, introducen campos de tensión de compresión o tensión que perturban las disposiciones atómicas en el cristal circundante. Como resultado, las dislocaciones no pueden deslizarse fácilmente en la proximidad de defectos puntuales y la resistencia del material metálico aumenta. Producir un tamaño de grano muy pequeño aumenta la cantidad de área de límite de grano; Debido a que las dislocaciones no pueden pasar fácilmente a través de un límite de grano, el material se fortalece. La cantidad y el tipo de defectos del cristal controlan la facilidad de movimiento de las dislocaciones y, por lo tanto, influyen directamente en las propiedades mecánicas del material. Los defectos en los materiales tienen una influencia significativa en sus propiedades eléctricas, ópticas y magnéticas. 1. SIGNIFICADO DE LAS DISLOCACIONES Las dislocaciones son más significativas en metales y aleaciones, ya que proporcionan un mecanismo para la deformación plástica, que es el efecto acumulativo del deslizamiento de numerosas dislocaciones. La deformación plástica se refiere a la deformación irreversible o al cambio de forma que se produce cuando se elimina la fuerza o el esfuerzo que lo causó. Esto se debe a que la tensión aplicada causa un movimiento de dislocación que a su vez provoca una deformación permanente. Existen, sin embargo, otros mecanismos que causan deformación permanente. La deformación plástica debe distinguirse de la deformación elástica, que es un cambio temporal en la forma que ocurre mientras una fuerza o tensión permanece aplicada a un material. En la deformación elástica, el cambio de forma es el resultado del estiramiento de los enlaces interatómicos y no se produce movimiento de dislocación. El deslizamiento puede ocurrir en algunas cerámicas y polímeros; sin embargo, otros factores (por ejemplo, la porosidad en las cerámicas, el enredo de las cadenas en los polímeros, etc.) dominan el comportamiento mecánico cercano a la temperatura ambiente de los polímeros y las cerámicas. Los materiales amorfos, como los vidrios de silicato, no tienen una disposición periódica de iones y, por lo tanto, no contienen dislocaciones. El proceso de deslizamiento, por lo tanto, es particularmente importante para comprender el comportamiento mecánico de los metales. Primero, el deslizamiento explica por qué la resistencia de los metales es mucho menor que el valor predicho por el enlace metálico. Si se produce deslizamiento, solo es necesario romper una pequeña fracción de todos los enlaces metálicos a través de la interfaz a la vez, y la fuerza necesaria para deformar el metal es pequeña. Se puede demostrar que la resistencia real de los metales es de 103 a 104 veces menor que la esperada de la resistencia de los enlaces metálicos. En segundo lugar, el deslizamiento proporciona ductilidad en metales. Si no hubiera dislocaciones presentes, una barra de hierro sería frágil y el metal no podría moldearse mediante procesos de metalurgia, como la forja, en formas útiles. Tercero, controlamos las propiedades mecánicas de un metal o aleación al interferir con el movimiento de las dislocaciones. Un obstáculo introducido en el cristal evita que la dislocación se deslice a menos que apliquemos fuerzas superiores. Así, la presencia de dislocaciones ayuda a fortalecer los materiales metálicos. Enormes números de dislocaciones se encuentran en los materiales. La densidad de dislocación, o la longitud total de las dislocaciones por unidad de volumen, se usa generalmente para representar la cantidad de dislocaciones presentes. Las densidades de dislocación de 10^6 cm / cm3 son típicas de los metales más blandos, mientras que las densidades de hasta 10^12 cm / cm3 pueden lograrse deformando el material.

Las dislocaciones también influyen en las propiedades electrónicas y ópticas de los materiales. Por ejemplo, la resistencia del cobre puro aumenta al aumentar la densidad de dislocación. Anteriormente mencionamos que la resistividad del cobre puro también depende fuertemente de pequeños niveles de impurezas. De manera similar, preferimos usar cristales de silicio que están esencialmente libres de dislocaciones ya que esto permite que los portadores de carga como los electrones se muevan más libremente a través del sólido. Normalmente, la presencia de dislocaciones tiene un efecto perjudicial sobre el rendimiento de los detectores fotográficos, los diodos emisores de luz, los láseres y las células solares. Estos dispositivos a menudo están hechos de semiconductores compuestos, como arseniuro de arseniuro de galio y aluminio (GaAs - AlAs), y las dislocaciones en estos materiales pueden originarse a partir de desigualdades de concentración en la masa fundida a partir de la cual crecen los cristales o se inducen tensiones debido a los gradientes térmicos de los cristales están expuestos durante el enfriamiento a partir de la temperatura de crecimiento. 2. IMPORTANCIA DE LOS DEFECTOS Los defectos extendidos y puntuales desempeñan un papel importante al influir en las propiedades mecánicas, eléctricas, ópticas y magnéticas de los materiales diseñados. En esta sección, resumimos la importancia de los defectos en las propiedades de los materiales. Hacemos hincapié en que el efecto de las dislocaciones es más importante en materiales metálicos. 2.1 Efecto sobre las propiedades mecánicas a través del control del proceso de deslizamiento Cualquier imperfección en el cristal eleva la energía interna en la ubicación de la imperfección. La energía local aumenta porque, cerca de la imperfección, los átomos se aprietan demasiado cerca (compresión) o se separan demasiado (tensión). Una dislocación en un cristal metálico por lo demás perfecto puede moverse fácilmente a través del cristal si la tensión de corte resuelta es igual a la tensión de corte resuelta crítica. Sin embargo, si la dislocación encuentra una región en la que los átomos se desplazan de sus posiciones habituales, se requiere un mayor esfuerzo para forzar la dislocación más allá de la región de alta energía local; Así, el material es más fuerte. Los defectos en los materiales, como dislocaciones, defectos puntuales y límites de grano, sirven como "señales de alto" para las dislocaciones. Proporcionan resistencia al movimiento de dislocación, y cualquier mecanismo que impida el movimiento de dislocación hace que un metal sea más fuerte. Por lo tanto, podemos controlar la resistencia de un material metálico controlando el número y el tipo de imperfecciones. Tres mecanismos de fortalecimiento comunes se basan en las tres categorías de defectos en los cristales. Dado que el movimiento de dislocación es relativamente más fácil en metales y aleaciones, estos mecanismos generalmente funcionan mejor para materiales metálicos. Debemos tener en cuenta que muy a menudo la resistencia de las cerámicas en tensión y a bajas temperaturas viene determinada por el nivel de porosidad (presencia de pequeños orificios). Los polímeros son a menudo amorfos y, por lo tanto, las dislocaciones desempeñan un papel muy pequeño en su comportamiento mecánico. La resistencia de los vidrios inorgánicos (por ejemplo, vidrio flotado de silicato) depende de la distribución de defectos en la superficie. 2.2 Endurecimiento por deformación Las dislocaciones interrumpen la perfección de la estructura cristalina. En la Figura 1, los átomos que están debajo de la línea de dislocación en el punto B están comprimidos, mientras que los átomos que están encima de la dislocación B están demasiado separados. Si la dislocación A se mueve hacia la derecha y pasa cerca de la dislocación B, la dislocación A encuentra una región donde los átomos no están dispuestos correctamente. Se requieren mayores esfuerzos para mantener la segunda dislocación en movimiento; En consecuencia, el metal debe ser más fuerte. Aumentar el número de dislocaciones aumenta aún más la resistencia del material, ya que al aumentar la densidad de dislocación se producen más signos de detención para el movimiento de dislocación. Se puede demostrar que la densidad de dislocación aumenta notablemente a medida que tensamos o deformamos un material. Este mecanismo de aumento de la resistencia de un material por

deformación se conoce como endurecimiento por deformación. También podemos mostrar que las densidades de dislocación pueden reducirse sustancialmente calentando un material metálico a una temperatura relativamente alta (por debajo de la temperatura de fusión) y manteniéndolo allí durante un largo período de tiempo. Este tratamiento térmico se conoce como recocido y se utiliza para impartir ductilidad a materiales metálicos. Por lo tanto, controlar la densidad de dislocación es una forma importante de controlar la resistencia y la ductilidad de los metales y aleaciones. FIGURA. 1 Si la dislocación en el punto A se mueve hacia la izquierda, es bloqueada por el defecto del punto. Si la dislocación se mueve hacia la derecha, interactúa con la red perturbada cerca de la segunda dislocación en el punto B. Si la dislocación se mueve más hacia la derecha, está bloqueada por un límite de grano. (1) 2.3 Fortalecimiento de soluciones sólidas Cualquiera de los defectos puntuales también interrumpe la perfección de la estructura cristalina. Una solución sólida se forma cuando los átomos o iones de un elemento o compuesto huésped se asimilan completamente en la estructura cristalina del material huésped. Esto es similar a la forma en que la sal o el azúcar en pequeñas concentraciones se disuelven en el agua. Si la dislocación A se mueve hacia la izquierda (Figura 1), se encuentra con un cristal perturbado causado por el defecto del punto; Se necesitan mayores esfuerzos para continuar el deslizamiento de la dislocación. Al introducir intencionalmente átomos de sustitución o intersticiales, causamos un fortalecimiento de la solución sólida, que se describe en el Capítulo 10. Este mecanismo explica por qué el acero al carbono simple es más fuerte que el Fe puro y por qué las aleaciones de cobre que contienen pequeñas concentraciones de Be son mucho más fuertes que el Cu puro Oro puro o plata, ambos metales FCC con muchos sistemas de deslizamiento activo, son mecánicamente demasiado blandos. 2.4 Fortalecimiento del tamaño de grano Las imperfecciones de la superficie, como los límites de los granos, perturban la disposición de los átomos en materiales cristalinos. Si la dislocación B se mueve hacia la derecha (Figura 1), se encuentra con un límite de grano y se bloquea. Al aumentar el número de granos o reducir el tamaño de grano, el fortalecimiento del tamaño de grano se logra en materiales metálicos. Hay dos mecanismos más para el fortalecimiento de metales y aleaciones. Estos son conocidos como fortalecimiento de la segunda fase y fortalecimiento de la precipitación. 2.5. Efectos sobre las propiedades eléctricas, ópticas y magnéticas El efecto de los defectos puntuales en las propiedades eléctricas de los semiconductores es dramático. Toda la industria microelectrónica depende fundamentalmente de la incorporación exitosa de dopantes sustitucionales como P, As, B y Al en Si y otros semiconductores. Estos átomos dopantes nos permiten tener un control significativo de las propiedades eléctricas de los semiconductores. Los dispositivos hechos de Si, GaAs, silicio amorfo (a: Si: H), etc., dependen críticamente de la presencia de átomos dopantes. Podemos hacer Si de tipo n introduciendo átomos de P en Si. Podemos hacer Si de tipo p usando átomos de b. Del mismo modo, una serie de enlaces insatisfechos en el silicio amorfo se completan mediante la incorporación de átomos de H. El efecto de defectos tales como dislocaciones en las propiedades de los semiconductores suele ser perjudicial. Las dislocaciones y otros defectos (incluidos otros defectos puntuales) pueden interferir con el movimiento de los portadores de carga en los semiconductores. Por este motivo, nos aseguramos de que las densidades de dislocación en el silicio de cristal único y otros materiales utilizados en aplicaciones ópticas y eléctricas sean muy pequeñas. Los defectos puntuales también causan una mayor resistividad en los metales. En algunos casos, los defectos pueden mejorar ciertas propiedades. Por ejemplo, la incorporación de CaO en ZrO2 provoca un aumento en la concentración de vacantes de iones de oxígeno. Esto tiene un efecto beneficioso sobre la conductividad de la circonia y nos permite usar dichas

composiciones para sensores de gas oxígeno y celdas de combustible de óxido sólido. ¡Los defectos pueden convertir muchos materiales dieléctricos aislantes en semiconductores útiles! Luego se usan para muchas aplicaciones de sensores (por ejemplo, sensores de temperatura, humedad y gases, etc.). La adición de aproximadamente 1% de óxido de cromo en la alúmina crea defectos que hacen que la alúmina sea de color rojo rubí. Del mismo modo, la incorporación de F e + 2 y T i + 4 hace que el zafiro azul. Los nanocristales de materiales como el sulfuro de cadmio (CdS) en vidrios inorgánicos producen vidrios que tienen un color brillante. Los nanocristales de haluro de plata y otros cristales también permiten la formación de vidrios fotocromáticos y fotosensibles. Muchos materiales magnéticos pueden procesarse de tal manera que los límites de grano y otros defectos hacen que sea más difícil revertir la magnetización en estos materiales. Las propiedades magnéticas de muchas ferritas comerciales, utilizadas en imanes para altavoces y dispositivos en redes de comunicación inalámbricas, dependen fundamentalmente de la distribución de diferentes iones en diferentes sitios cristalográficos en la estructura cristalina. Como se mencionó anteriormente, la presencia de dominios afecta las propiedades de los materiales ferroeléctricos, ferromagnéticos y ferrimagnéticos