Tres tipos básicos de imperfecciones
Defectos puntuales, defectos lineales (o dislocaciones) y defectos superficiales.
dislocaciones son útiles para aumentar la resistencia de los metalesy aleaciones;
En el procesamiento de cristales de Si para la microelectrónica, se adicionan concentraciones muy pequeñas de átomos de P o B al Si. Estas adiciones crean defectos en el arreglo de los átomos en el silicio que imparten propiedades eléctricas especiales a las diferentes partes del cristal de silicio.
defectos puntuales son perturbaciones localizadas en los arreglos iónicos o atómicos en una estructura cristalina que de otra manera sería perfecta. Aun cuando se les llama defectos puntuales, la perturbación afecta una regíón que involucra varios átomos o iones.
Vacancias
Se produce una vacancia cuando un átomo o un ion está ausente de su sitio normal en la estructura cristalina, cuando los átomos o iones están ausentes (es decir, cuando se presentan vacancias), aumenta la aleatoriedad o entropía general del material, lo cual incrementa la estabilidad termodinámica de un material cristalino. Todos los materiales cristalinos tienen defectos de vacancia.
Defectos intersticiales
Se forma un defecto intersticial cuando se inserta un
átomo o ion adicional en la estructura cristalina en una posición por lo general desocupada
Defectos sustitucionales
Se introduce un defecto sustitucional cuando se reemplaza un átomo o un ion por un tipo distinto de átomo o ion como en Los átomos o iones sustitucionales ocupan el sitio de red normal. Los átomos o iones sustitu cionales pueden ser mayores que los átomos o iones normales en la estructura cristalina, en este caso se reducen los espaciados interatómicos circundantes, o menores, ocasionando que los átomos circundantes tengan espaciados interatómicos mayores. Los átomos sustitucionales con frecuencia aumentarán la resistencia del material metálico. Los defectos sustitucionales también aparecen en los materiales cerámicos. Por ejem plo, si se adicionara MgO al NiO, los iones Mg +2 ocuparían los sitios Ni +2 y los iones O “ 2 del MgO ocuparían los sitios O -2 del NiO
defecto de Frenkel es un par de vacancia-intersticial formado cuando un ion salta de un punto de red normal a un sitio intersticial,
defecto de Schottky, es único para los materiales iónicos y se encuentra de manera común en muchos materiales cerámicos. Cuando las vacancias ocurren en un material enlazado de manera iónica, debe estar ausente un número estequiométrico de aniones y cationes de las posiciones atómicas regulares para que se conserve la neutralidad eléctrica.
notación de Króger-Vink para escribir las ecuaciones químicas de los defectos. La letra principal en esta notación describe una vacancia o el nombre del elemento.
defecto de Schottky, es único para los materiales iónicos y se encuentra de manera común en muchos materiales cerámicos. Cuando las vacancias ocurren en un material enlazado de manera iónica, debe estar ausente un número estequiométrico de aniones y cationes de las posiciones atómicas regulares para que se conserve la neutralidad eléctrica
dislocaciones son imperfecciones lineales en un cristal que de otra manera sería perfecto.Por lo regular se introducen en el cristal durante la solidificación del material o cuando se deforma de manera permanente el material. Aunque las dislocaciones están presentes en todos
los materiales, incluyendo las cerámicas y los polímeros, son particularmente útiles para expli car la deformación y el endurecimiento en los materiales metálicos.
Dislocaciones helicoidales
La dislocación helicoidal (figura 4-4) puede ilus trarse cortando de manera parcial a través de un cristal perfecto y después torciendo el cristal en un espaciado atómico.
Dislocaciones de arista
Una dislocación de arista puede ilus trarse cortando de manera parcial a través de un cristal perfecto, separando el cristal, y lle nando de manera parcial el corte con un medio plano adicional de átomos.
Dislocaciones mixtas, las dislocaciones mix tas tienen componentes de arista y helicoidal, con una regíón de transición entre ellas. Sin embargo, el vector de Burgers sigue siendo el mismo para todas las porciones de la dislocación mixta.
Importancia de las dislocaciones Primero, las dislocaciones son de mayor importancia en los metales y aleaciones dado que proveen un mecanismo para la deformación plástica, la cual es el efecto acumulativo del des lizamiento de numerosas dislocaciones Segundo, el deslizamiento provee ductilidad en los metales. Si no se presentaran dis locaciones, una barra de hierro sería quebradiza y el metal no podría moldearse por medio de procesos de metalistería, tales como la forja, en formas útiles.
Tercero, las propiedades mecánicas de un metal o una aleación se controlan interfi riendo el movimiento de las dislocaciones. La introducción de un obstáculo en el cristal pre viene que una dislocación se deslice a menos que se apliquen fuerzas mayores. Por tanto, la presencia de dislocaciones ayuda a endurecer los materiales metálicos.
defectos superficiales son los límites, o planos, que separan un material en regiones. Por ejemplo, cada regíón puede tener la misma estructura cristalina pero orientaciones distintas.
Un grano es una porción del material dentro de la cual el arreglo de los átomos es casi idéntico; sin embargo, la orientación del arreglo de átomos, o estructura cristalina, es distinta para cada grano vecino.
límite de grano, la superficie que separa los granos indi viduales, es una zona angosta en la que los átomos no están espaciados de manera apropiada.
Metalografía proceso de la preparación de una muestra metálica y la observación o registro de su microestructura
sinterización es un proceso para la formación de una masa densa por medio del calentamiento del material en polvo compactado.
Importancia de los defectos
Los defectos extendidos y los puntuales desempeñan una función principal al influir en las propiedades mecánicas, eléctricas, ópticas y magnéticas de los materiales de ingeniería. En esta sección, se recapitula la importancia de los defectos sobre las propiedades de los materiales. Se enfatiza que el efecto de las dislocaciones es el más importante en los materiales metálicos. Por ejemplo, la incorporación de CaO en la ZrC>2 ocasiona un incremento en la concentración de las vacancias del ion oxígeno. Éste es un efecto benéfico en la conductividad de la zirconia y permite el uso de tales composiciones para sensores de gas oxígeno y celdas de combustible de óxido sólido
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difusión se refiere a un flujo neto observable de átomos iones ,electrones,orificios y moléculas . Depende del gradiente de la concentración y la temperatura.
Aplicaciones de la difusión:
Carburación para el endurecimiento de la superficie de los aceros:
Se puede utilizar el proceso de carburación para incrementar la dureza de la superficie. En la carburación, se difunde una fuente de car bono, como un polvo de grafito o una fase gaseosa que contenga carbono,. De manera similar a la introducción de carbono, también se puede utilizar un proceso conocido como nitruración, en el que se introduce nitrógeno en la superficie de un material metálico.
Difusión de dopantes para dispositivos semiconducto-
resinvolucra la difusión de átomos dopantes, como el fósforo (P), arsénico (As), antimonio (Sb), boro (B), aluminio (Al), etc., en regiones definidas de manera precisa de las obleas de silicio Cerámicas conductoras
El óxido de litio y cobalto (LÍCOO2) es un ejemplo de un material iónicamente conductor que se emplea en las baterías de ion litio.
Fabricación de botellas de bebidas de plástico,
Oxidación del aluminio
Mecanismos para la difusión
Autodifusión:
En los materiales que contienen vacancias, los átomos se mueven o “ saltan ” de una posición de red a otra.
Interdifusión:
se lleva a cabo en los materiales la difusión de átomos dis tintos en direcciones diferentes
Difusión por vacancia:
un átomo deja su sitio de red para llenar una vacancia cercana (por tanto creando una nueva vacancia en el sitio de red original)
Difusión intersticial:
Cuando está presente en la estructura cristalina un átomo o ion intersticial pequeño, el átomo o ion se mueve de un sitio intersticial a otro
Par de difusión:
indica una combinación de un átomo de un elemento dado (por ejemplo, carbono) que se difunde en un mate rial anfitrión (por ejemplo, Fe CCCu)
Velocidad de difusión [primera ley de Fick]
La primera ley de Fick explica el flujo neto de los átomos, El flujo durante la difusión se define como el número de átomos que pasan a través de un plano de unidad de área por unidad de tiempo.
Gradiente de concentración:
muestra cómo varía la composición del material con la distancia
Factores que afectan la difusión:Temperatura y el coeficiente de difusión
Tipos de difusión: difusión por volumen:
los átomos se mueven a través del cristal de un sitio regular o intersticial a otro.
difusión por límite de grano, difusión por superficie
Permeabilidad de los polímeros:
mientras más compacta sea la estructura de los polímeros, menor será la permeabi lidad
Perfil de composición [segunda ley de Fick] la cual describe la difusión dinámica, o de estado no estacionario, de átomos es la ecuación diferencial