Imperfecciones en Materiales Cristalinos

Las imperfecciones en los materiales cristalinos, también conocidas como defectos cristalinos, son irregularidades en la estructura atómica ideal de un cristal. Estos defectos influyen significativamente en las propiedades físicas y mecánicas de los materiales.

Tipos de Imperfecciones

• Defectos Puntuales:
  • Vacantes: Ausencia de un átomo en una posición de la red que debería estar ocupada. Esto provoca una contracción de los átomos circundantes.
  • Átomos Intersticiales: Inserción de un átomo en una posición normalmente desocupada de la red. Puede ser un autointersticial si es un átomo del propio cristal desplazado.
  • Átomos Sustitucionales: Un átomo reemplaza a otro en la red. Si el átomo sustituto es más grande, genera compresión; si es más pequeño, genera tensión.
• Cristales Iónicos (Defectos Específicos):
  • Defecto de Schottky: Par de vacantes (un catión y un anión) en un material con enlaces iónicos.
  • Defecto de Frenkel: Un ion salta de un punto de la red a un sitio intersticial, dejando una vacante.
• Dislocaciones: Defectos lineales que causan una distorsión en la red, donde los planos atómicos se desplazan debido a agentes externos.
  • De Borde: Existencia de un semiplano adicional de átomos en el cristal.
  • Helicoidales: Resultan de un corte parcial en un cristal perfecto, desplazando un lado del corte sobre el otro. También existen dislocaciones mixtas, que son combinaciones curvas de los dos tipos anteriores.
• Defectos Superficiales:
  • Superficies Externas: Donde la estructura cristalina termina y los átomos no están enlazados con el máximo número de vecinos.
  • Límites de Grano: Superficies que separan cristales (granos) con diferentes orientaciones cristalográficas. Puede haber varios grados de desalineamiento.
  • Límites de Fase: Superficies que separan fases con distinta composición química y/o estructura cristalina.
  • Límites de Macla: Un tipo especial de límite de grano donde existe una simetría especular; los átomos de un lado son imágenes especulares de los del otro.

Procesos de Solidificación

La solidificación es el proceso de cambio de fase de líquido a sólido. Es crucial en la fabricación de materiales, ya que influye en la microestructura y, por lo tanto, en las propiedades mecánicas.

Etapas y Tipos de Procesamiento

• Procesamiento Primario: Fusión de metales para formar lingotes u otras formas útiles. Es fundamental para controlar la microestructura inicial.
• Procesamiento Secundario: Procesos como el laminado, que transforman los productos del procesamiento primario en formas finales.

La solidificación implica un cambio en el ordenamiento atómico, pasando de un orden de corto alcance (líquido) a uno de largo alcance (sólido). Este cambio afecta las propiedades del material.

Nucleación y Crecimiento

• Nucleación Heterogénea: Formación de un núcleo sólido a partir de una superficie preexistente (por ejemplo, las paredes del molde). Requiere un radio crítico del núcleo y una superficie pequeña.

Mecanismos de Crecimiento de Sólidos en Líquidos

El crecimiento del sólido ocurre a medida que los átomos se unen a la superficie del sólido. La forma en que se extrae el calor es determinante:

• Calor Específico: Energía necesaria para aumentar la temperatura de una unidad de masa en un grado.
• Calor Latente: Energía que debe ser eliminada del líquido antes de que pueda solidificar.

Dependiendo de cómo se elimina el calor latente, el crecimiento puede ser:

• Crecimiento Planar: El calor latente se elimina por conducción a través del sólido. La interfase sólido-líquido es isotérmica y se mueve uniformemente. Si no se elimina el calor eficientemente, la interfase puede volverse inestable.
• Crecimiento Dendrítico: El calor latente se elimina por conducción a través de ambas fases (sólido y líquido). Se forman protuberancias en la interfase sólido-líquido, que avanzan hacia el líquido subenfriado. Estas protuberancias se convierten en dendritas, que crecen hasta que el líquido circundante alcanza la temperatura de solidificación. El líquido restante entre las dendritas solidifica posteriormente de forma planar. Pueden crecer brazos secundarios en las dendritas, acelerando la liberación del calor latente.

Crecimiento en Metales y No Metales

• Metales Puros: Solidifican en condiciones dendríticas, con formación de vacantes, dislocaciones y límites de grano. La primera fracción solidificada se forma a la temperatura del líquido subenfriado. El calor latente liberado aumenta la temperatura, y el flujo de calor crea un gradiente negativo en la interfase sólido/líquido. El crecimiento dendrítico ocurre en direcciones cristalográficas preferenciales.
• Materiales No Metálicos: Forman interfases lisas. El crecimiento se produce por la migración de escalones atómicos a través de la interfase. Al igual que en los metales, pueden presentar vacantes, dislocaciones y límites de grano.