imperfecciones redes cristalinas

TEMA 11: IMPERFECCIONES EN REDES CRISTALINAS
11.1. TIPOS DE IMPERFECCIONES EN REDES CRISTALINAS
Definíamos un cristal perfecto, como un cristal infinito, con una estructura completamente simétrica y
ordenada, con sus átomos en reposo (0 K) y con los electrones distribuidos en sus estados energéticos
más bajos.
Hay varios posibles de defectos:
•
•
•

Vibraciones de los átomosImperfecciones en los niveles energéticos de los electrones
Defectos estructurales
o Defectos puntuales
o Defectos lineales (dislocaciones)
o Defectos superficiales
o Defectos volumétricos (tridimensionales)

En las propiedades finales del material influyen: el tipo de enlace, la red cristalina y los defectos.

11.2. DEFECTOS PUNTUALES EN REDES METÁLICAS
Origen de los Defectos Puntuales
•
•
••
•

Estabilidad termodinámica
Estabilidad eléctrica
Irradiación del material con partículas de alta energía
Variaciones de estequiometría en compuestos
Deformación plástica del material.

Tipos de Defectos Puntuales
•

•

•

Se denomina vacante al espacio creado por
la pérdida de un átomo en una posición
reticular.
El átomo autointersticial se forma cuando
un átomo de la propiared se inserta en un
hueco de la estructura cristalina.
Los defectos puntuales extrínsecos se
deben a la presencia de otros átomos diferentes al metal base. Pueden producirse por la
mezcla con el metal durante la solidificación, difusión desde la superficie del sólido o
irradiación. Hay dos tipos:
o Se habla de átomos intersticiales cuando existe un átomo extraño situado en un hueco
de lared.
o Se habla de átomos sustitucionales cuando un átomo del metal base es reemplazado
por otro átomo extraño.

Las vacantes y los autointersticiales se forman principalmente durante la solidificación.
[[[ Los defectos puntuales crean campos de tensiones locales a su alrededor ]]]

Vacantes
Se forman durante la solidificación. Para crear una vacante
se invierte una energía E f . Laszonas a las que se incorporan
los átomos que van dejando las vacantes en la red cristalina,
se denominan sumideros de átomos, y, típicamente pueden
ser: la propia superficie del cristal, los bordes de grano, o incluso dislocaciones en arista.
La presencia de vacantes tiene una serie de efectos en la red cristalina:
•

Hace aumentar el volumen del cristal: V vacante = V átomo - V relajación

•La relajación de los átomos alrededor de la vacante disminuye
localmente el parámetro de red de la celda unidad.
Al crearse vacantes, disminuye la densidad del material.

•

[[[ Tiende a lo que sea mínima energía ]]]
Concentración de Vacantes en equilibrio
Este tipo de defectos, al igual que los autointersticiales, se producen por efecto de la temperatura. Por
lo tanto, hay querecordar, que un sistema está en equilibrio cuando la energía libre de Gibbs, G, es
mínima (G = H - TS = E+ pV- TS). En los procesos asociados a materiales cristalinos es común considerar
que pV es constante, de manera que las variaciones de energía en cualquier proceso serían de la forma
ΔG = ΔE - TΔS = ΔF, siendo F la energía libre de Helmholtz.
Teniendo en cuenta esto, el cambio de energía libreasociado a la introducción
de n vacantes en la red es ΔF = nE f - TΔS, expresión en la que la energía de
formación de una vacante, E f , es la energía necesaria para formar una vacante.
Si se crean n vacantes, la variación de energía interna del cristal será ΔE = nE f .
La presencia de vacantes en un cristal hace aumentar su entropía.
[[[ Puede haber defectos termodinámicamente estables ]]]Para que el estado final con n vacantes sea de equilibrio no debe haber
variación de energía libre respecto a la situación inicial, es decir, tiene que
verificarse
que
dF/dn=0,
de
donde
obtendremos
que:
El número total de vacantes tiende a ser mucho menor que el de átomos,
por lo que en el denominador puede despreciarse el término n frente a N,
obteniéndose la expresión final para...