DEFECTOS CRISTALINOS

Que es la solidificación

También conocida como congelación, es un cambio de fase de la materia que da como resultado la producción de un sólido. En general, esto ocurre cuando la temperatura de un líquido desciende por debajo de su punto de congelación.

Aunque el punto de congelación y el punto de fusión de la mayoría de los materiales tienen la misma temperatura, este no es el caso para todas las sustancias, por lo que el punto de congelación y el punto de fusión no son necesariamente términos intercambiables.

La solidificación es casi siempre un proceso exotérmico, lo que significa que el calor se libera cuando un líquido se transforma en un sólido.

Ejemplos de solidificación

Varios ejemplos de solidificación se pueden encontrar en la vida cotidiana, que incluyen:

1. Congelación de agua para formar hielo en una bandeja de cubitos de hielo.
2. Formación de la nieve.
3. Coagulación de grasa de tocino a medida que se enfría.
4. Solidificación de la cera de vela derretida.
5. Lava endurecida en roca sólida. 

Etapas de la solidificación 

El proceso de solidificación consta de dos etapas: nucleación y crecimiento de grano.

1.- La nucleación

*La nucleación homogénea produce cristales equiaxiales. Si se chorrea el metal fundido a una temperatura cercana al punto de fusión, prácticamente todos los cristales serán equiaxiales. Cuando la temperatura es muy alta, las condiciones no son aptas para la nucleación y los cristales que se forman son columnares. Aplicando vibraciones con ultrasonido en el molde se quiebran los cristales o dentritas y se promueve la formación de cristales equiaxiales. Cuando prevalece una estructura de cristales columnares, tienden a formarse huecos en el centro del sólido. La estructura de cristales equiaxiales es más beneficiosa por no tener una interfase tan grande. 

*La nucleación heterogénea, es la nucleación que tiene a lugar en un líquido sobre la superficie del recipiente que contiene impurezas insolubles, u otros materiales estructurales que disminuyen la energía libre para formar un núcleo estable. Para que se produzca la nucleación heterogénea, el agente de nucleación solido (impureza o recipiente) debe ser mojado por el metal líquido. Además el líquido debería poder solidificar fácilmente sobre el agente de nucleación. La nucleación heterogénea tiene a lugar sobre el agente de nucleación porque la energía superficial para formar un núcleo estable sobre el material es más baja que si el núcleo se formara sobre su propio núcleo puro (nucleación homogénea).

Figura 1 Proceso de solidificación Los cristales columnares crecen en sentido opuesto a la transferencia de calor. 

Figura 2 Curva de enfriamiento para una sustancia pura. (*) Calor latente es el calor que se requiere extraer del sistema para que cambie de estado. 

Figura 3 Curva de enfriamiento para una sustancia no pura.

2.- Crecimiento de grano: El crecimiento de los cristales que se inicia en los centros o núcleos de cristalización en el metal líquido, no puede ser uniforme a causa de los diferentes factores de la composición del metal, la velocidad de enfriamiento y las interferencias que se producen entre ellos mismos durante el proceso de crecimiento. 

Modelo de cristalización en la solidificación de metales

 La estructura final resultante está constituida por un agrupamiento de granos o cristales de forma irregular pero guardando cada uno una orientación fija y bien determinada.

Crecimiento de los Cristales

Los cristales crecen por acreción es decir por el apilamiento de las moléculas y átomos sobre la superficie de sus caras. Seguro que de pequeño habrá jugado a apilar bloques. Poníamos uno encima de otro y al lado otro bien ordenados. Más o menos así crecen los cristales. Las moléculas que están en la disolución se acercan a la superficie del cristal y se colocan sobre ella. Se pasean por la cara hasta llegar a un peldaño de la cara, donde se enlazan con más fuerza. Entonces se mueven por el peldaño hasta llegar hasta una posición de rincón, en la que se colocan ya de forma irreversible.

Defectos Cristalinos

Un defecto cristalino es cualquier perturbación en la periodicidad de la red de un sólido cristalino. El cristal perfecto es un modelo ideal, en el que las diferentes especies (ya sean moléculas, iones o átomos neutros) están colocados de forma periódica y regular, extendiéndose hasta el infinito. En la realidad, cualquier cristal presenta defectos en este modelo ideal, empezando por el hecho de que no hay cristales infinitos.

Defectos puntuales

Son discontinuidades de la red que involucran uno o quizá varios átomos. Los defectos puntuales alteran el arreglo perfecto de los átomos circundantes, distorsionando la red a lo largo de quizás cientos de espaciamientos atómicos, a partir del defecto. Una dislocación que se mueva a través de las cercanías generales de un defecto puntual encuentra una red en la cual los átomos no están en sus posiciones de equilibrio. Esta alteración requiere que se aplique un esfuerzo más alto para obligar a que la dislocación venza al defecto, incrementándose así la resistencia del material.

Vacancias: Una vacancia se produce cuando falta un átomo en un sitio normal.

Defectos intersticiales: Se forma un defecto intersticial cuando se inserta un átomo adicional en una posición normalmente desocupada dentro de la estructura cristalina. Los átomos intersticiales, mucho más pequeños que los átomos localizados en los puntos de la red, son mayores que los sitios intersticiales que ocupan; en consecuencia, la red circundante aparece comprimida y distorsionada.

Defectos sustitucionales: Se crea un defecto sustitucional cuando se remplaza un átomo por otro de un tipo distinto. El átomo sustitucional permanece en la posición original. Cuando estos átomos son mayores que los normales de la red, los átomos circundantes se comprimen; si son más pequeños, los átomos circundantes quedan en tensión.

Defecto Frenkel: Se da cuando un ion salta de un punto normal de la red a un sitio intersticial, dejando detrás una vacancia.

Defecto Schottky: Es un par de vacancias en un material de enlace iónico; deben faltar tanto un anión como un catión de la red si se ha de preservar la neutralidad eléctrica del cristal.

Defectos de línea (Dislocaciones)

Es un defecto lineal o unidimensional en torno a algunos átomos desalineados.

Dislocación de arista o de borde: Un semiplano extra de átomos se inserta en la estructura cristalina

Dislocación helicoidal o de tornillo: Los planos atómicos trazan un camino espiral o helicoidal al redor de la línea de dislocación.

Defectos de superficie

Son las fronteras o planos que separan un material en regiones de la misma estructura cristalina pero con orientaciones cristalográficas distintas.

Superficie del material: En las superficies externas del material la red termina de manera abrupta. Cada átomo de la superficie ya no tiene el mismo número de coordinación y se alterar el enlace atómico. Asimismo, la superficie puede ser muy áspera y contener pequeñas muescas.

Fronteras de grano: La microestructura de la mayor parte de los materiales está formada por muchos granos. Un grano es una porción del material dentro del cual el arreglo atómico es idéntico.

Sin embargo, la orientación del arreglo atómico, o de la estructura cristalina, es distinta para cada grano. La frontera de grano, que es la superficie que separa los granos, es una zona estrecha en la cual los átomos no están correctamente espaciados. Esto quiere decir que, en algunos sitios, los átomos están tan cerca unos de otros en la frontera de grano que crean una región de compresión y en otras áreas están tan alejados que crean una región de tensión.

Bordes de macla: Un límite de macla es un tipo especial de límite de grano a través del cual existe una simetría de red especular; esto es, los átomos de un lado del límite son como imágenes especulares de los átomos del otro lado. La región de material entre estos límites se denomina macla. Las maclas se generan por desplazamientos atómicos producidos al aplicar fuerzas mecánicas cizallantes (maclas mecánicas) y también durante tratamientos térmicos de recocido posteriores a la deformación (maclas de recocido). Los bordes de macla interfieren con el proceso de deslizamiento incrementando la resistencia del metal.