Defectos Cristalinos

Monocristal

• Cuando el arreglo de un sólido cristalino es

perfecto o se extiende completamente a lo largo

del sólido sin interrupción, se dice que es un

monocristal.

• Todas las celdas unitarias están unidas de la

misma manera y tienen la misma orientación.

• Pueden ser naturales o artificiales.

Introducción a la

Ciencia de Materiales

M. Bizarro

Monocristal de granate, China

Monocristal de calcita, Nuevo México

Introducción a la

Ciencia de Materiales

M. Bizarro

• Algunas aplicaciones en ingeniería requieren monocristales:

• Las propiedades de los materiales

cristalinos se relacionan con su

estructura.

(Courtesy P.M. Anderson)

--Ej: El cuarzo se fractura más

fácilmente a lo largo de algunos

planos que de otros.

--monocristales de diamante

para abrasivos

--aspas de turbinas

Introducción a la

Ciencia de Materiales

M. Bizarro

Policristal

• La mayoría de los sólidos cristalinos están

formados por muchos cristalitos o granos,

llamados materiales policristalinos.

• Cada grano tiene orientación distinta

• La región donde 2 granos se encuentran

se llama frontera de grano.

Introducción a la

Ciencia de Materiales

M. Bizarro

Introducción a la

Ciencia de Materiales

M. Bizarro

Policristal de Ce:GdO

• La mayoría de los materiales en ingeniería son policristales.

• Placa de Nb-Hf-W vista con un haz de electrones.

• Cada “grano” es un cristal individual.

• Los granos pueden estar orientados al azar.

• El tamaño de grano típico está entre 1 nm y 2 cm

1 mm

Policristales

Isotrópico

Anisotrópico

Introducción a la

Ciencia de Materiales

M. Bizarro

• Monocristales

-Las propiedades cambian con

la dirección: anisotrópicos.

-Ejemplo: el módulo elástico

(E) en el hierro BCC

• Policristales

-Las propiedades pueden o no

variar con la dirección.

-Si los granos están orientados

al azar: isotrópicos.

(Epoly iron = 210 GPa)

-Si los granos están texturizados:

anisotrópicos.

200 µm

Monocristales vs Policristales

E (diagonal) = 273 GPa

E (borde) = 125 GPa

Introducción a la

Ciencia de Materiales

M. Bizarro

Polimorfismo

• Cuando hay dos o más estructuras cristalinas

distintas para el mismo material  polimorfismo o

alotropía.

titanio

α, β-Ti

carbono

diamante, grafito

BCC

FCC

BCC

1538ºC

1394ºC

912ºC

δ-Fe

γ-Fe

α-Fe

líquido

Sistema Hierro

Introducción a la

Ciencia de Materiales

M. Bizarro

Imperfecciones en sólidos

 No existen cristales perfectos

 Muchas de las propiedades de los

materiales se deben a las imperfecciones.

Ej. Fe + C →

ACERO

Introducción a la

Ciencia de Materiales

M. Bizarro

• Vacancia de átomos

• Átomos intersticiales

• Átomos substitucionales

Defectos puntuales

Tipos de imperfecciones

• Dislocaciones

Defectos de linea

• Fronteras de grano

Defectos de área

Introducción a la

Ciencia de Materiales

M. Bizarro

• Vacancias:

-Sitios atómicos vacantes en una estructura.

• Autointersticiales:

-átomos "extra" se posicionan entre los sitios atómicos.

Defectos puntuales

Vacancia

distorción

de planos

Auto-

intersticial

distorción

de planos

Introducción a la

Ciencia de Materiales

M. Bizarro

Constante de Boltzmann

(1.38 x 10

-23

J/atom-K)

(8.62 x

10

-5

eV/atom-K)

 

N

v

N

=

exp

−

Q v

k T













No. de defectos

No. Total de sitios

ocupados por átomos

Energía de activación

Temperatura

Cada sitio de la red

es un sitio potencial

de vacantes

• La concentración de equilibrio varía con la temperatura!

Concentración de

defectos puntuales

En la mayoría de metales, al llegar a la

temperatura de fusión la fracción de

vacantes es de Nv/N= 10-4

1 vacante por cada 10000 lugares ocupados

Introducción a la

Ciencia de Materiales

M. Bizarro

• Se puede obtener Qv de

un experimento.

 

N

v

N

=

exp

−

Q v

k T













Medición de la energía de

activación

• Midiendo...

N

v

N

T

exponencial

Concentración de defectos

• graficarlo...

1/ T

N

N

v

ln

-

Q

v

/k

pendiente

dependencia

Introducción a la

Ciencia de Materiales

M. Bizarro

Ejercicio

• Calcular el número de vacantes por metro cúbico en el cobre en

equilibrio a 1000°C. La energía de activación para la formación de

vacantes es 0.9 eV/átomo. El peso atómico del cobre

...