Defectos cristalinos

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DEFECTOS EN REDES CRISTALINAS
INTRODUCCION
La propiedad fundamental de los cristales es la regularidad en la distribución de los
átomos, es decir, es la simetría de disposición interna de los átomos en los cristales. Al
estudiar la simetría de la red, ésta se puede suponer limitada en espacio, abstrayéndose de los
límites del cristal, los cuales no tienen nada que ver con la estructura de la red como tal. La
característica fundamental de la red cristalina es la periodicidad espacial de su estructura,
como si el cristal estuviera formado de partes que se repiten, con tres familias de planos
paralelos. El paralelepípedo de volumen mínimo con cuya repetición se puede construir toda
la red cristalina se denomina celdilla o celda, en la cual la forma, dimensiones y disposición
de los átomos en ella, determinan completamente la estructura del cristal.
Si en un vértice o nudo de una celda hay un átomo, como consecuencia se tiene que
en cada vértice de la celda debe haber átomos de la misma clase, el conjunto de estos átomos
iguales e igualmente distribuidos se denomina red de Bravais del cristal dado, esta red
representa “el esqueleto” de la red cristalina, en el cual se plasma toda la simetría de la
periodicidad de la red, todos sus átomos pueden hacerse coincidir entre sí mediante una u otra
translación de la red.
FIG. 1La red de Bravais es una característica muy importante del cristal y la
clasificación de los distintos grupos de simetría de los cristales se basa , ante todo , en la
clasificación de los diferentes tipos de redes de Bravais, cada nudo de la red es centro de
simetría, por eso cualquier red de Bravais posee centro de simetría . Los grupos de simetría
para los diferentes sistemas cristalinos son :
1. SISTEMA CUBICO
2. SISTEMA HEXAGONAL
3. SISTEMA TETRAGONAL
4. SISTEMA ROMBOEDRICO
5. SISTEMA ORTORROMBICO
6. SISTEMA MONOCLINICO
7. SISTEMA TRICLINICO

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DEFECTOS EN CRISTALES
En términos de cristales perfectos, las vibraciones atómicas y los electrones excitados pueden
ser considerados como defectos, estos y otros tipos de defectos en un cristal son de gran
importancia en la estructura interna de los materiales debido a que afectan sus propiedades.
En general los defectos se clasifican de acuerdo a su tamaño, la clasificación en orden
ascendente es la siguiente :
 Defectos puntuales
 Defectos lineales
 Defectos superficiales o planares
DEFECTOS PUNTUALES
Se dice que las alteraciones de la estructura cristalina ideal son defectos en los
cristales . el tipo más simple de defecto es el defecto puntual. Existen cuatro tipos de defectos
puntuales, como se observa en la figura 1:
1. Vacante: es simplemente un sitio desocupado por un átomo dentro de la estructura del
cristal.
2. Intersticial: es una átomo que ocupa un lugar intersticial que no es normalmente ocupado
por un átomo en la estructura perfecta del cristal, es decir, dos átomos ocupan posiciones
cercanas a un solo sitio atómico.
3. Defecto Schottky: es una vacante que deja un par de iones con cargas opuestas, esto es
para mantener la neutralidad de carga dentro de la estructura del cristal compuesto.
4. Defecto Frenkel: es una combinación vacante-intersticio

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Figura 1. Defectos Puntuales
DEFECTOS LINEALES O DISLOCACIONES
En los llamados defectos de línea, la alteración de la regularidad de la estructura de la
red cristalina se concentra alrededor de ciertas líneas de la red, a estos defectos también se
denominan dislocaciones, las dislocaciones pueden existir en los cristales debido a fallas de
crecimiento, pero en general son producto de esfuerzos, en los cuales se llega a la
deformación plástica, es en este momento se rompe la regularidad en la red del cristal, y la
explicación de la formación de este tipo de defectos, se realiza con un cristal bajo la
deformación plástica. Los defectos lineales se clasifican en :
1. Dislocación De Borde
2. Dislocación En Espiral o De Tornillo
1. Dislocación De Borde
La figura 2 presenta una estructura cristalina en la cual se tienen una dislocación , es
decir, existe un plano extra de átomos, el cual termina dentro del cristal , define una región
atómica de discontinuidad debido a que entre los planos que están por arriba de la línea de
dislocación existe 4 celdas, mientras que para la parte que esta por debajo de la línea de
dislocación solo existen 3 celdas. Los defectos lineales son comúnmente designados por el
símbolo  el cual representa el borde de un semiplano extra de átomos (vector de Burgers).
El vector de Burgers (b) es una propiedad de la dislocación, este describe
simultáneamente la magnitud y dirección del deslizamiento, un circuito de átomos alrededor
de la dislocación esta incompleto por una distancia igual al vector de Burgers, en
contraposición al de los átomos de un cristal perfecto, que estaría completo, la longitud del
vector de Burgers es una distancia atómica integral ya que la red cristalina debe tener
continuidad a través de las regiones deslizadas y sin deslizar. Para la dislocación de borde, el
vector de Burgers es perpendicular a la línea de dislocación

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FIG. 2 Dislocación de Borde
El producir un esfuerzo en un cristal debe ser relacionado a la forma en la cual los
átomos se mueven relativamente con respecto a otros a causa de una fuerza y a la magnitud
de la fuerza requerida para producir este movimiento, cuando un esfuerzo cortante  es
aplicado a un cristal ,los planos de los átomos que se encuentran por arriba de la línea de
dislocación , son desplazados hacia la derecha (ver figura 3), la dislocación es estable en su
nueva posición, y no retorna a suposición original, este proceso, por lo tanto produce una
deformación plástica , aunque la deformación es muy pequeña para ser medida. El esfuerzo
cortante aplicado causa que la dislocación se mueva cambiando de enlaces entre los átomos,
el máximo esfuerzo requerido para que resulte el deslizamiento de los planos, es la suma de
los esfuerzos necesarios para “romper” todos los enlaces atómicos localizados en el plano de
deslizamiento.
FIG. 3 Movimiento de una dislocación.
2. Dislocación De Tornillo O De Espiral
La dislocación de borde puede ser definida como una línea recta a lo largo del borde
de un plano extra, en el cual esta comprendido la discontinuidad atómica. En forma similar se
puede describir a la dislocación de tornillo, porque también es una discontinuidad atómica a
lo largo de una línea recta, pero la discontinuidades en el centro de la hélice o espiral.
El vector de Burgers para la dislocación de tornillo es entonces el deslizamiento que resulta
del movimiento de la dislocación, como se puede observar en la fig. 4.

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La dislocación del tornillo tienen algunas propiedades diferentes con respecto a la
dislocación de borde, la más obvia, es que el deslizamiento del vector de Burgers es paralelo
a la línea de dislocación, mientras que para la dislocación de borde el vector b es
perpendicular.
FIG. 4 Dislocación de tornillo
Las dislocaciones reales son usualmente curvas, entonces estas son una combinación de las
dislocaciones lineales, de tal forma que el vector de Burgers tiene componentes de borde y de
tornillo, su orientación cambia de punto a punto de la curva de dislocación.
Fig.5 A) DESLIZAMIENTO CRUZADO EN UNA DISLOCACION DE TORNILLO, Y B)
ESCALAMIENTO DE UNA DISLOCACIÓN DE BORDE
El proceso llamado escalamiento de dislocaciones se realiza por difusión de vacancias a la
dislocación y por translación de átomos de la hilera inferior en la mitad extra de plano hacia
vacancias adyacentes; del mismo modo, ya que la dislocación puede hacer un escalamiento
descendente produciendo vacancias en el volumen inferior adyacente a la mitad del plano.
Debido a que la concentración de equilibrio de vacancias aumenta con la temperatura , la
posibilidad de escalamiento de dislocaciones es sensible a una variación de este parámetro.

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Si se tiene que la plasticidad de un sólido esta relacionada con la presencia de
dislocaciones en el mismo y con la posibilidad de desplazar libremente estas dislocaciones,
no obstante, este desplazamiento puede frenarse con diferentes obstáculos, por ejemplo
mediante los átomos de impurezas disueltos en la red o las pequeñas inclusiones sólidas que
hay en el cuerpo. Las dislocaciones se frenan también al cruzarse con los límites de grano
(que se explicara más adelante), en el caso de un cuerpo policristalino. Al mismo tiempo, la
interacción de las dislocaciones entre sí y entre otros defectos, conducen a que surjan otras
dislocaciones. Estos procesos son muy esenciales, ya que son los que mantienen el desarrollo
de la deformación plástica. En caso contrario la deformación cesaría en cuanto se hubiesen
utilizado todas las dislocaciones del cuerpo.
El número de dislocaciones del cuerpo se caracteriza por su densidad, es decir, por el número
de líneas de dislocación que atraviesan la unidad de superficie en el interior del cuerpo, de lo
antes expuesto, se deduce claramente que los menos resistentes, es decir, los de menor límite
de elasticidad, serán los cristales puros, cuya densidad de líneas de dislocación es
relativamente pequeña, de modo que sus dislocaciones prácticamente no se estorban en su
movimiento. El endurecimiento del material se puede conseguir disolviendo en el mismo
impurezas o precipitando sólidas inclusiones microscópicas, disminuyendo las dimensiones
de los granos, por ejemplo la solidez del hierro aumenta, en distintas clases de aceros,
disolviendo en el mismo átomos de carbono o precipitando en el proceso de solidificación
inclusiones microscópicas de carburo de hierro. La propia deformación plástica destruye la
red cristalina aumentando la cantidad de defectos en los cristales y, por ello, obstaculizando
el desplazamiento ulterior de las dislocaciones. En ello esta la naturaleza del fenómeno de
endurecimiento en la deformación , incluida la naturaleza del endurecimiento de los metales
mediante el tratamiento en frío.
No obstante, el endurecimiento conseguido con la deformación plástica, no se
conserva indefinidamente, el estado más estable del cuerpo no es el del cristal destruido, sino
el del cristal ideal, que es el estado más equilibrado del sólido, por eso, con los cristales
destruidos se produce el fenómeno de “recristalización”, los defectos estructurales se
“enmiendan” , los granos del cuerpo policristalino crecen, los mayores a costa de los
menores, con lo cual se obtiene un estado de agregación más perfecto y menos sólido. La
recristalización será tanto más rápida, cuanto más elevada sea la temperatura. La temperatura
también influye intensamente en el desplazamiento de las dislocaciones, como este
movimiento está relacionado con el vencimiento de las barreras de potencial por parte de los
átomos, éste representará un proceso de activación y por eso , el descenso de la temperatura
lo detiene rápidamente, con lo cual se disminuye la plasticidad del cuerpo.
DEFECTOS PLANARES.
En un material cristalino, los defectos puntuales y lineales existen en el interior del
material. Ahora se van a considerar los defectos que se pueden encontrar en planos o
superficies, a los cuales se les llama defectos planos, y generalmente se deben al cambio de
fase líquido –sólido, gas – sólido, los defectos planos se dividen en :

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 Defecto De Limite De Grano
 Defecto De Interfaz Doble (Angulo De Maclado)
Defecto De Limite De Grano
El defecto planar conocido como limite de grano consiste, en la diferencia de
orientación cristalográfica. La característica microestructural que predomina en muchos
materiales de ingeniería es la estructura del grano, muchas propiedades de los materiales son
altamente sensibles a la estructura de grano.
La fig. 6 muestra un defecto de limite de grano, que se produce cuando dos “planos”
adyacentes tienen una pequeño ángulo de diferencia inclinación (), uno con respecto del
otro, esta diferencia de inclinación se debe a algunos defectos de borde.
FIG.6 ESTRUCTURA SIMPLE DE UN LÍMITE DE GRANO
Cuando el desajuste entre las orientaciones cristalográficas de granos continuos
excede de unos 10ª , caso que es muy frecuente, la superficie entre aquéllos es un borde de
ángulo grande y hay poca continuidad de la red entre los granos aunque el espesor de la
frontera esté constituido por un espesor de unos pocos átomo, a temperaturas los metales
policristalinos soportan esfuerzos del orden de E/ 100 antes de romperse, sin embargo, en
materiales policristalinos no- metálicos , los límites de grano son más débiles que los granos
mismos debido a la poca cohesión en ellos. Esta debilidad intergranular es semejante a la que
se encuentra en los metales a temperaturas elevadas.
La segregación de elementos de aleación e impurezas en los límites de grano de los metales
afectan su resistencia , esta segregación puede producir fragilidad en el material a bajas
temperaturas, y en ciertos casos aun a temperaturas elevadas (fragilidad en caliente). La
segregación en los límites de grano acelera la corrosión localizada.
Defecto De Interfaz Doble ( Maclado)
La fig. 8 muestra el defecto de interfaces doble interfaz, el cual separa a dos regiones
cristalinas, donde estas son estructuralmente “imágenes de espejo” una de la otra, esta alta
discontinuidad simétrica en la estructura puede ser producida por deformación y
recocimiento.

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FIG. 8 DEFECTO DE INTERFACES DOBLES O MACLADO
El plano cristalográfico de reflexión se conoce como el plano de maclado, las maclas
se forman durante el crecimiento del cristal o mecánicamente. Este proceso se produce por un
corte homogéneo de planos atómicos sucesivos, de magnitud igual al valor de maclado, en
forma paralela al plano de maclado.
Las diferencias entre el maclado mecánico y el deslizamiento son las siguientes:
 La porción maclada de un grano es una imagen en relación a un plano de la red original,
mientras que la zona deslizada tiene la misma orientación del grano original.
 El deslizamiento consiste en un desplazamiento cortante de un bloque entero del cristal,
mientras que el maclado es una deformación cortante uniforme.
 La dirección del deslizamiento puede ser positiva o negativa , mientras que la dirección
del maclado esta limitada a aquella dirección que produce la imagen reflejada
El esfuerzo requerido para producir el maclado es por lo general más elevado que aquel
para deslizamiento, y también menos sensitivo a la temperatura que éste, el esfuerzo
requerido para la propagación de maclado es mucho menor que el requerido para iniciarlo.
Por lo general el proceso de maclado mecánico se produce cuando el esfuerzo es elevado,
ya sea como resultado de endurecimiento o bajas temperaturas. El cobre, la plata y otros
metales se deforman por maclado a bajas temperaturas.