Tema 3. Estructura de los solidos imperfectos

1. UNIVERSIDAD NACIONAL EXPERIMENTAL
FRANCISCO DE MIRANDA
ÁREA DE TECNOLOGÍA
DEPARTAMENTO
MECÁNICA Y TECNOLOGÍA DE LA PRODUCCIÓN
MATERIA CS. DE LOS MATERIALES
1
,
.
l t t r
PROF. ING. FRANCISCO J. HERNANDEZ
TEMA 3. ESTRUCTURA DE LOS SÓLIDOS IMPERFECTOS
SOLUCIÓN SÓLIDA
Es un sólido que consta de dos o más elementos que están dispersados atómicamente, formando una única
estructura.
SOLUCIÓN SÓLIDA METÁLICA
Esta solución viene dada por la combinación de metales con otros metales o no metales con el objetivo de conseguir
mejor resistencia mecánica, más resistencia a la corrosión u otras propiedades de interés denominándose simplemente como
una aleación
TIPOS DE SOLUCIONES SÓLIDAS
• Solución sólida intersticial
• Solución sólida sustitucional
SOLUCIÓN SÓLIDA INTERSTICIAL
En las soluciones sólidas intersticiales los átomos de soluto se sitúan en los espacios que hay entre los átomos de
solvente o átomos de la matriz. (Figura 1)
(Figura 1)
SOLUCIÓN SÓLIDA SUSTITUCIONAL
En las disoluciones sólidas sustitucionales formadas por dos elementos, los átomos de so u o pueden sus itui a los
átomos solvente en las porciones de la red cristalina. (Figura 2)
(Figura 2)
CONDICIONES QUE FAVORECEN LA SOLUBILIDAD
1. Los diámetros de los átomos de los elementos no deben diferir mucho más de aproximadamente 15%.

2. 2
f
t
r t
2. Las Estructuras Cristalinas de los dos elementos tienen que ser la misma.
3. No debe haber diferencias apreciables en las electronegatividades de los dos elementos para evitar que formen
compuestos.
4. Los dos elementos deben tener la misma valencia.
IMPERFECCIONES CRISTALINAS
Las Estructuras cristalinas no son perfectas, estas presentan varios tipos de defectos o imperfecciones que afectan
muchas de sus propiedades. Las imperfecciones de la red cristalina se clasifican según su forma y geometría, entre ellas
tenemos:
• Defectos Puntuales
• Defectos Lineales o Dislocaciones
• Defectos Super iciales
DEFECTOS PUNTUALES
Son discontinuidades de la red que involucran uno o varios átomos. Estos defectos pueden ser generados en el
material mediante movimiento de los átomos al ganar energía por aislamiento, durante el procesamien o del material,
mediante la int oducción de impurezas o in encionalmente a través de las aleaciones.
TIPOS DE DEFECTOS PUNTUALES
• La Vacancia
• Defecto Intersticial
• Defecto Sustitucional
• Defecto Frenkel
• Defecto Shottky
VACANCIA
Se produce cuando falta un átomo en un sitio normal, estas se crean en el cristal durante la solidificación a altas
temperaturas o como consecuencia de daños por radiación. (Figura 3)
(Figura 3)
DEFECTO INTERSTICIAL
Este tipo de defecto se forma cuando se inserta un átomo adicional en una posición normalmente desocupada
dentro de la estructura cristalina, originado distorsión y compresión en la red circundante. (Figura 4)
(Figura 4)

3. DEFECTO SUSTITUCIONAL
3
(5.a) (5.b)
t
f
Este defecto se produce cuando se remplaza un átomo por otro de un tipo distinto. Si el átomo sustitu o es menor
que los átomos normales de la red los átomos circundantes quedan en tensión (figura 5.a), mientras que si el átomo sustituto
es mayor que los átomos normales de la red los átomos circundantes se comprimen ( igura 5.b)
DEFECTO FRENKEL
Es una imperfección combinada Vacancia – Defecto intersticial. Ocurre cuando un ion salta de un punto normal dentro de la
red a un sitio intersticial dejando entonces una vacancia. Figura 6.
Figura 6.
DEFECTO SHOTTKY
Es un par de vacancias en un material con enlaces iónicos. Para mantener la neutralidad, deben perderse de la red tanto un
catión como un anión. Figura 7.
Figura 7
DEFECTOS DE LÍNEA (DISLOCACIONES)
Son defectos que dan lugar a una distorsión de la red centrada en torno a una línea. Se crean durante la solidificación de los
sólidos cristalinos o por deformación plástica.
TIPOS DE DEFECTOS LINEALES
• Dislocación de borde
• Dislocación helicoidal.
• También puede darse una combinación de ambas, denominada dislocación mixta.

4. DISLOCACIÓN DE BORDE (DE ARISTA O DE CUÑA)
Se crea por inserción de un semiplano adicional de átomos dentro de la red. Los átomos a lado y lado del semiplano insertado
se encuentran distorsionados. Los átomos por encima de la línea de dislocación, que se encuentra perpendicular al plano de la
página, en el punto donde termina el semiplano insertado, se encuentran comprimidos y los que están por debajo se
encuentran apartados. Esto se refleja en la leve curvatu a de los planos verticales de los átomos mas cercanos del extra
semiplano. La magnitud de esta distorsión decrece con la distancia al semiplano insertado. Figura 8.
4
r
t . r
.
r
. t
Figura 8.
DISLOCACIÓN HELICOIDAL O DE TORNILLO
Dislocación producida al torcer un cristal de forma que un plano atómico produce una rampa en espiral alrededor de
la dislocación y su vector burgers es paralelo a la dislocación. Esta dislocación se forma cuando se aplica un esfuerzo de
cizalladura en un cristal perfecto que ha sido separado por un plano cortante. Figura 9
a
Figura 9. El cristal perfecto (a) es cortado y deformado una distancia igual a un espaciamiento atómico, (b) y (c). La línea a lo largo de la cual
ocurre este cor e es una dislocación de tornillo Se requiere de un vecto de Burgers b para cerrar la trayectoria de espaciamiento atómico
alrededor de la dislocación de tornillo
b c
DESLIZAMIENTO
Consiste en la deformación de un material mediante el movimiento de dislocaciones a través de la red. Se p oduce al
aplicar una fuerza cortante en la dirección del vector burgers a un cristal que contenga una dislocación; la dislocación se
desplaza hasta que se produce un escalón en el exterior del cristal El deslizamien o es un proceso que le proporciona
ductilidad a los materiales. Figura 10
Figura 10. Cuando se aplica un esfuerzo cortante a la dislocación

5. VECTOR BURGUERS
5
r
r t
f
r
Vector de desplazamiento necesario para cerrar un ciclo en etapas alrededor de una dislocación.
DEFECTOS DE SUPERFICIE
Son desordenes bidimensionales que se presentan en las estructuras cristalinas.
TIPOS DE DEFECTOS DE SUPERFICIE
• Maclas
• Superficies del material
• Borde de grano
MACLAS
Una macla es un tipo especial de límite de g ano en el cual los átomos de un lado del límite están localizados en una
posición que es la imagen especular de los átomos del otro lado. Ocu re por la deformación o el tratamien o térmico de ciertos
metales. Figura 11
Figura 11.
SUPERFICIE DEL MATERIAL
En las superficies externas del material la red termina de manera abrupta. Cada átomo de la super icie ya no tiene el
mismo número de coordinación y se altera el enlace atómico. Asimismo, la superficie puede ser muy áspera, contiene
pequeñas muescas. Figura 12.
Figura 12
.
GRANO
Es una porción del material que contiene la misma estructura cristalina, aunque la o ientación de cada grano es
distinta.
BORDES DE GRANO O FRONTERA DE GRANO
Es la superficie que separa los granos. Según la orientación relativa de los granos continuos existen: Bordes de grano
de ángulo pequeño y bordes de grano de ángulo grande. Figura 13

6. 6
r
Figura 13.
BORDES DE GRANO DE ANGULO PEQUEÑO
Esta configuración se produce cuando dos granos adyacentes se hallan girados solo unos cuantos grados uno
respecto a otro, resultando una estructura equivalente a un sistema de varias dislocaciones. Figura 14.
Figura 14. Estructura simple de frontera de g ano.
BORDES DE GRANO DE ANGULO GRANDE
Se presenta cuando dos granos adyacentes se hallan girados en más de unos cuantos grados uno respecto al otro.
Figura 15
Figura 15.Frontera de grano con ángulo grande.

7. MATERIALES AMORFOS Y DEFECTOS DE VOLUMEN
Son aquellos materiales que no presentan una estructura cristalina repetitiva, no tienen un orden de largo alcance, entre ellos
tenemos: los vidrios, la mayoría de los plásticos y algunos metales si son enfriados muy rápidamente desde el estado liquido,
en ellos se aprecia una carencia de una estructura repetitiva que se considera como un defecto de volumen o tridimensional.
Figura 16
Figura 16. Modulo de Bernal de una estructura de metal amorfo.
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