Tema 3. Defectos en las Estructuras Cristalinas
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<strong>Tema</strong> 3<br />
<strong>Defectos</strong> <strong>en</strong> <strong>las</strong> <strong>Estructuras</strong> <strong>Cristalinas</strong><br />
La estructura cristalina es un concepto teórico que permite compr<strong>en</strong>der cómo están<br />
formados los materiales. A partir del concepto de estructura cristalina es posible<br />
explicar muchas de <strong>las</strong> propiedades que exhib<strong>en</strong> los materiales, sean éstos cristalinos o<br />
amorfos. El plantear que un material c<strong>las</strong>ificado como cristalino posee estructura<br />
cristalina es una idealización que no siempre se cumple <strong>en</strong> los materiales reales. La<br />
forma como están colocados los átomos <strong>en</strong> un material real normalm<strong>en</strong>te difiere de la<br />
posición ideal que se espera a partir de la estructura cristalina. Esas difer<strong>en</strong>cias<br />
pued<strong>en</strong> explicarse planteando que el modelo de arreglo atómico puede poseer<br />
defectos. Para propósitos de estudio, los defectos se c<strong>las</strong>ifican de la sigui<strong>en</strong>te manera:<br />
<strong>Defectos</strong> puntuales.<br />
Se dan a nivel de <strong>las</strong> posiciones de los átomos individuales. Los principales defectos<br />
puntuales son los sigui<strong>en</strong>tes:<br />
a. Vacancias. Son puntos de red vacíos <strong>en</strong> la estructura del material. Estos<br />
lugares deberían idealm<strong>en</strong>te estar ocupados por átomos, sin embargo se<br />
<strong>en</strong>cu<strong>en</strong>tran vacíos.<br />
b. Átomos sustitucionales. En teoría un material puro está formado<br />
exclusivam<strong>en</strong>te por el mismo tipo de átomos. Los materiales reales no son<br />
100% puros sino que pose<strong>en</strong> impurezas, <strong>las</strong> cuales se defin<strong>en</strong> como átomos<br />
difer<strong>en</strong>tes a los átomos del material original. Cuando uno de esos átomos<br />
difer<strong>en</strong>tes sustituye a un átomo original ocupando su punto de red, recibe el<br />
nombre de átomo sustitucional.<br />
c. Átomos intersticiales. Son átomos que ocupan lugares que no están<br />
definidos <strong>en</strong> la estructura cristalina. En otras palabras, son átomos cuya<br />
posición no está definida por un punto de red. Normalm<strong>en</strong>te estos átomos se<br />
colocan <strong>en</strong> los intersticios que se forman <strong>en</strong>tre los átomos originales, por lo<br />
que se les llama átomos intersticiales.<br />
Estructura perfecta<br />
Átomo intersticial<br />
Vacancia<br />
Atomo<br />
sustitucional<br />
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<strong>Defectos</strong> lineales.<br />
Se dan a nivel de varios átomos confinados g<strong>en</strong>eralm<strong>en</strong>te a un plano. Los defectos<br />
lineales más importantes <strong>en</strong> los materiales son <strong>las</strong> dislocaciones. Las dislocaciones se<br />
g<strong>en</strong>eran durante la solidificación o la deformación plástica de los materiales cristalinos,<br />
y consist<strong>en</strong> <strong>en</strong> planos “extra” de átomos insertados <strong>en</strong> la estructura cristalina.<br />
Estructura perfecta<br />
Las dislocaciones están formadas por los átomos originales del material (no por<br />
impurezas). Debido a que el plano de átomos está insertado <strong>en</strong> la estructura <strong>en</strong> lugares<br />
no definidos por la misma, <strong>las</strong> dislocaciones causan la deformación del material cercano<br />
a el<strong>las</strong>. Los átomos <strong>en</strong> la estructura perfecta se <strong>en</strong>cu<strong>en</strong>tran a una distancia fija de<br />
equilibrio <strong>en</strong>tre sí. La pres<strong>en</strong>cia de <strong>las</strong> dislocaciones (y también de los defectos<br />
puntuales) altera esta distancia de equilibrio tal como se ilustra a continuación:<br />
En esta zona los átomos adyac<strong>en</strong>tes se<br />
<strong>en</strong>cu<strong>en</strong>tran apretados <strong>en</strong>tre sí. Se dice que<br />
están <strong>en</strong> compresión<br />
Estructura con dislocación<br />
En esta zona los átomos adyac<strong>en</strong>tes están<br />
más alejados de lo normal. Se dice que<br />
están <strong>en</strong> t<strong>en</strong>sión<br />
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Las dislocaciones ti<strong>en</strong><strong>en</strong> dos características importantes:<br />
• Ti<strong>en</strong><strong>en</strong> la capacidad de moverse o desplazarse <strong>en</strong> el interior del material.<br />
• Cuando una dislocación se desplaza, se divide aum<strong>en</strong>tando el número de<br />
dislocaciones pres<strong>en</strong>tes <strong>en</strong> el material.<br />
Cuando se aplica una fuerza sobre la dislocación, ésta se desplaza sobre un plano<br />
específico y <strong>en</strong> determinadas direcciones. Al plano se le llama plano de deslizami<strong>en</strong>to y<br />
a la dirección se le llama dirección de deslizami<strong>en</strong>to. A la combinación de un plano de<br />
deslizami<strong>en</strong>to con una dirección de deslizami<strong>en</strong>to se le llama sistema de deslizami<strong>en</strong>to.<br />
La fuerza aplicada directam<strong>en</strong>te sobre la dislocación es una compon<strong>en</strong>te de alguna<br />
fuerza externa aplicada sobre el material.<br />
Plano de<br />
deslizami<strong>en</strong>to<br />
Dirección de deslizami<strong>en</strong>to<br />
Las dislocaciones se desplazan cuando se aplican fuerzas sobre el<strong>las</strong>. La fuerza<br />
aplicada y el desplazami<strong>en</strong>to resultante de la dislocación requier<strong>en</strong> de un trabajo. Para<br />
que la dislocación pueda realizar el trabajo para desplazarse, se requiere de <strong>en</strong>ergía.<br />
La Termodinámica establece que la dislocación se moverá <strong>en</strong> aquellos sistemas de<br />
deslizami<strong>en</strong>to <strong>en</strong> donde se requiera del m<strong>en</strong>or consumo de <strong>en</strong>ergía para su<br />
desplazami<strong>en</strong>to, o <strong>en</strong> otras palabras, <strong>en</strong> donde se realice el m<strong>en</strong>or trabajo. Si se<br />
profundizara más <strong>en</strong> el estudio de la estructura cristalina, sería posible calcular aquellos<br />
planos y direcciones donde el trabajo de desplazami<strong>en</strong>to es m<strong>en</strong>or. Ese cálculo está<br />
más allá de los objetivos del pres<strong>en</strong>te curso, sin embargo al realizar los cálculos<br />
adecuados, se ha descubierto lo sigui<strong>en</strong>te:<br />
• La estructura cristalina Cúbica C<strong>en</strong>trada <strong>en</strong> la Cara (FCC) posee 12 sistemas<br />
geométricos de deslizami<strong>en</strong>to.<br />
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• La estructura cristalina Cúbica C<strong>en</strong>trada <strong>en</strong> el Cuerpo (BCC) también posee 12<br />
sistemas geométricos de deslizami<strong>en</strong>to. Sin embargo experim<strong>en</strong>talm<strong>en</strong>te se ha<br />
comprobado que pose<strong>en</strong> otros sistemas de deslizami<strong>en</strong>to que se activan<br />
dep<strong>en</strong>di<strong>en</strong>do de la temperatura del material. En total, esta estructura puede poseer<br />
alrededor de 48 sistemas de deslizami<strong>en</strong>to.<br />
• La estructura cristalina Hexagonal Compacta (HCP) posee 3 sistemas de<br />
deslizami<strong>en</strong>to. También posee otros sistemas que dep<strong>en</strong>d<strong>en</strong> de la temperatura del<br />
material.<br />
Los metales pued<strong>en</strong> sufrir deformación elástica y deformación plástica. La deformación<br />
elástica es aquella deformación que desaparece cuando se retira la fuerza que la<br />
causa. Esta deformación es similar a la de un resorte, el cual se estira (o comprime)<br />
mi<strong>en</strong>tras se aplica la fuerza, pero al retirarse ésta, el resorte regresa a su longitud<br />
original. La deformación plástica es aquella que una vez se hace <strong>en</strong> el material, no<br />
desaparece aún cuando se retire la fuerza que la causó. La deformación plástica<br />
permite cambiar la forma geométrica de una pieza de manera perman<strong>en</strong>te.<br />
Las dislocaciones juegan un papel muy importante <strong>en</strong> la deformación plástica de los<br />
metales. Precisam<strong>en</strong>te la deformación plástica se da porque la dislocación es capaz de<br />
moverse <strong>en</strong> el interior del material, causando la reubicación de los átomos que forman<br />
la estructura cristalina. La facilidad o dificultad para deformar plásticam<strong>en</strong>te a un<br />
material dep<strong>en</strong>de <strong>en</strong>tonces de la facilidad o dificultad de hacer que <strong>las</strong> dislocaciones<br />
comi<strong>en</strong>c<strong>en</strong> a moverse y se mant<strong>en</strong>gan <strong>en</strong> movimi<strong>en</strong>to. Entre más difícil sea mover a<br />
<strong>las</strong> dislocaciones del material, más difícil será (porque se requiere de más fuerza)<br />
deformar plásticam<strong>en</strong>te al material.<br />
La facilidad para hacer que <strong>las</strong> dislocaciones se muevan dep<strong>en</strong>de de muchos factores,<br />
uno de los cuales es el número de sistemas de deslizami<strong>en</strong>to que posea la estructura<br />
cristalina. A mayor número de sistemas de deslizami<strong>en</strong>to, es más fácil para <strong>las</strong><br />
dislocaciones iniciar y mant<strong>en</strong>er su desplazami<strong>en</strong>to, y por tanto el material es más fácil<br />
de deformar (o si se quiere, el material ofrece m<strong>en</strong>or resist<strong>en</strong>cia a ser deformado).<br />
Si por alguna razón <strong>las</strong> dislocaciones no pued<strong>en</strong> moverse <strong>en</strong> la estructura del material,<br />
<strong>en</strong>tonces éste sólo puede deformarse plásticam<strong>en</strong>te muy poco. La cantidad de<br />
deformación plástica que puede sufrir un material se mide con la propiedad llamada<br />
ductilidad. Un material que sólo puede deformarse plásticam<strong>en</strong>te pequeñas cantidades<br />
es poco dúctil. Un material que puede t<strong>en</strong>er grandes cantidades de deformación<br />
plástica es más dúctil.<br />
Los materiales cerámicos están formados principalm<strong>en</strong>te por átomos con <strong>en</strong>laces<br />
iónicos. La neutralidad de cargas eléctricas que exige este tipo de <strong>en</strong>lace hace<br />
sumam<strong>en</strong>te difícil que <strong>en</strong> estos materiales pueda haber desplazami<strong>en</strong>to de<br />
dislocaciones, ya que al moverse éstas alterarían la neutralidad eléctrica que debe t<strong>en</strong>er<br />
el material. Por esa razón <strong>en</strong> <strong>las</strong> cerámicas <strong>las</strong> dislocaciones no pued<strong>en</strong> moverse, y por<br />
eso estos materiales no pose<strong>en</strong> ductilidad, lo que significa que no pued<strong>en</strong> t<strong>en</strong>er<br />
deformaciones plásticas significativas cuando se les aplica una fuerza.<br />
En los metales, el <strong>en</strong>lace químico es de tal forma que la neutralidad eléctrica <strong>en</strong> el<br />
material no es afectada por el movimi<strong>en</strong>to de los átomos <strong>en</strong> su interior. Las<br />
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dislocaciones no ti<strong>en</strong><strong>en</strong> impedim<strong>en</strong>to para desplazarse y por esa razón los metales son<br />
materiales dúctiles. Si alteráramos la estructura del metal y hacemos que el<br />
desplazami<strong>en</strong>to de <strong>las</strong> dislocaciones sea difícil, <strong>en</strong>tonces el metal se volvería tan frágil<br />
como una cerámica (la fragilidad es la propiedad opuesta a la ductilidad).<br />
En los metales, a medida <strong>las</strong> dislocaciones se van desplazando para g<strong>en</strong>erar la<br />
deformación plástica, también se van multiplicando, aum<strong>en</strong>tando su número <strong>en</strong> la<br />
estructura del material. Debido a que <strong>las</strong> dislocaciones causan deformaciones locales<br />
<strong>en</strong> t<strong>en</strong>sión y compresión <strong>en</strong> la zona que <strong>las</strong> rodea, se comportan como si fueran cargas<br />
eléctricas del mismo signo: cuando se int<strong>en</strong>ta acercar a dos dislocaciones <strong>en</strong>tre sí,<br />
estás se resist<strong>en</strong> a acercarse. En un metal con pocas dislocaciones, la resist<strong>en</strong>cia al<br />
movimi<strong>en</strong>to de <strong>las</strong> dislocaciones a causa de su cercanía no afecta la facilidad con que<br />
éstas se desplazan. Sin embargo, a medida se van desplazando, se van g<strong>en</strong>erando<br />
más dislocaciones, hasta que llega un mom<strong>en</strong>to <strong>en</strong> donde son tantas que se estorban<br />
unas con otras y la resist<strong>en</strong>cia adicional que se g<strong>en</strong>era para hacer<strong>las</strong> que se desplac<strong>en</strong><br />
se vuelve importante. Esto se traduce <strong>en</strong> que <strong>en</strong> un metal deformado plásticam<strong>en</strong>te, la<br />
resist<strong>en</strong>cia que se debe v<strong>en</strong>cer para seguir deformándolo es mayor que la resist<strong>en</strong>cia<br />
que el metal ofrecía cuando no t<strong>en</strong>ía deformación previa. A este f<strong>en</strong>óm<strong>en</strong>o se le llama<br />
<strong>en</strong>durecimi<strong>en</strong>to por deformación plástica, y es característico de los metales: cuando un<br />
metal se deforma plásticam<strong>en</strong>te, la resist<strong>en</strong>cia que le metal ofrece a seguir si<strong>en</strong>do<br />
deformado aum<strong>en</strong>ta.<br />
<strong>Defectos</strong> de superficie.<br />
Son imperfecciones de la estructura cristalina ubicados <strong>en</strong> un área determinada del<br />
material. Los principales defectos de superficie son la misma superficie del material y<br />
<strong>las</strong> fronteras de los granos.<br />
La superficie del material es un defecto de la estructura cristalina porque se rompe la<br />
simetría con que los átomos están <strong>en</strong>lazados. Los átomos que se <strong>en</strong>cu<strong>en</strong>tran <strong>en</strong> la<br />
superficie ti<strong>en</strong><strong>en</strong> <strong>en</strong>laces químicos no completos, lo cual los hace más reactivos<br />
químicam<strong>en</strong>te que el resto de átomos. Estos <strong>en</strong>laces químicos incompletos son los<br />
causantes de que algunos metales se oxid<strong>en</strong> con facilidad cuando se expon<strong>en</strong> al medio<br />
ambi<strong>en</strong>te.<br />
Enlaces incompletos <strong>en</strong> la<br />
superficie del material<br />
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Para compr<strong>en</strong>der qué son <strong>las</strong> fronteras de los granos, debemos compr<strong>en</strong>der cómo se<br />
forma un material cristalino <strong>en</strong> estado sólido. Se ha planteado que los átomos buscan<br />
formar estructuras cristalinas ord<strong>en</strong>adas de cierta manera <strong>en</strong> los materiales cuando<br />
están <strong>en</strong> estado sólido. Si un material estuviera formado por un único grupo de átomos<br />
ord<strong>en</strong>ado de cierta manera, <strong>en</strong>tonces diríamos que ese material está formado por un<br />
sólo cristal, o que es monocristalino. Los materiales cristalinos bajo condiciones<br />
normales no buscan formar un único cristal, sino que forman muchos cristales cuando<br />
solidifican, cada uno de ellos sigui<strong>en</strong>do el patrón de la estructura cristalina. Por esta<br />
razón, los materiales normales se dice que son policristalinos, lo que significa que están<br />
formados por muchos cristales. El proceso de formación de estos cristales se ilustra a<br />
continuación.<br />
a)<br />
b)<br />
c)<br />
d)<br />
a) En estado líquido los átomos no<br />
ti<strong>en</strong><strong>en</strong> <strong>en</strong>laces fuertes <strong>en</strong>tre ellos, por lo<br />
que son libres para moverse <strong>en</strong> el<br />
volum<strong>en</strong> del material. Esta movilidad de<br />
los átomos permite a los líquidos<br />
adaptarse a la forma del recipi<strong>en</strong>te que<br />
los conti<strong>en</strong>e.<br />
b) La solidificación comi<strong>en</strong>za con una<br />
etapa llamada nucleación. En esta etapa<br />
se forman pequeñas partícu<strong>las</strong> <strong>en</strong> estado<br />
sólido ord<strong>en</strong>adas según la estructura<br />
cristalina del material. A estas partícu<strong>las</strong><br />
se les llama núcleos y se forma una gran<br />
cantidad de ellos al inicio de la<br />
solidificación .<br />
c) Gradualm<strong>en</strong>te los átomos todavía <strong>en</strong><br />
estado líquido van adhiriéndose a los<br />
núcleos cercanos. El núcleo crece y por<br />
eso a esta etapa se le llama<br />
crecimi<strong>en</strong>to. La cantidad de sólido<br />
aum<strong>en</strong>ta y la de líquido disminuye.<br />
d) Al final del proceso, todos los átomos<br />
se han adherido a algún núcleo cercano<br />
y el material es completam<strong>en</strong>te sólido.<br />
Cada núcleo ha formado un cristal d<strong>en</strong>tro<br />
del material. Debido a que la ori<strong>en</strong>tación<br />
de estos cristales durante la nucleación<br />
fue aleatoria, los cristales no coincid<strong>en</strong><br />
<strong>en</strong>tre sí, no pudi<strong>en</strong>do unirse <strong>en</strong>tre ellos<br />
para formar un único cristal. A cada una<br />
de esas porciones de material se les<br />
llama granos.<br />
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Todos los materiales cristalinos están formados por granos (cristales). Una bu<strong>en</strong>a<br />
analogía para compr<strong>en</strong>der esto consiste <strong>en</strong> considerar a los granos como los ladrillos<br />
de una pared. Cada ladrillo repres<strong>en</strong>taría a un grano del material. Así como al unir los<br />
ladrillos se forma la pared, al unir los granos se forma el material. La difer<strong>en</strong>cia <strong>en</strong> esta<br />
analogía sería que <strong>en</strong> la pared, los ladrillos están unidos con mezcla de cem<strong>en</strong>to. En el<br />
material, los granos pued<strong>en</strong> estar unidos <strong>en</strong>tre sí por algunos <strong>en</strong>laces químicos<br />
aleatorios, pero <strong>en</strong> g<strong>en</strong>eral, los granos están adheridos <strong>en</strong>tre sí únicam<strong>en</strong>te por<br />
interfer<strong>en</strong>cia física de forma parecida a como se un<strong>en</strong> <strong>las</strong> piezas de un rompecabezas.<br />
Cada grano pres<strong>en</strong>ta una interface o superficie. Esta interface queda definida por los<br />
<strong>en</strong>laces químicos incompletos de los átomos que la forman.<br />
La línea repres<strong>en</strong>ta la “superficie” de<br />
los granos. Esta “superficie” se llama<br />
frontera de los granos<br />
Si la superficie del material se pule y se ataca con un ag<strong>en</strong>te químico adecuado, los<br />
átomos de la superficie de los granos (los cuales son reactivos a causa de su <strong>en</strong>lace<br />
incompleto) reaccionan con el químico formando compuestos que se observan de color<br />
difer<strong>en</strong>te al del resto del material al utilizar un microscopio. Las fronteras de los granos,<br />
y los granos <strong>en</strong> sí, pued<strong>en</strong> <strong>en</strong>tonces estudiarse. Las fronteras de los granos se<br />
consideran un defecto de la estructura cristalina porque causan la pérdida de simetría<br />
<strong>en</strong> el ord<strong>en</strong>ami<strong>en</strong>to de los átomos.<br />
La foto muestra un<br />
disco de aluminio<br />
cuya superficie fue<br />
pulida y tratada<br />
químicam<strong>en</strong>te para<br />
revelar sus granos.<br />
Los granos son<br />
sufici<strong>en</strong>tem<strong>en</strong>te<br />
grandes para poder<br />
ser observados a<br />
simple vista.<br />
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La foto muestra la superficie de un acero 1080 observada con un microscopio a una<br />
magnificación 100X. La superficie del acero fue pulida y atacada con un reactivo<br />
químico para revelar su microestructura (el conjunto de granos que forman al material).<br />
Se observan granos de color claro y de color oscuro. La difer<strong>en</strong>cia <strong>en</strong> el color se debe<br />
a que pose<strong>en</strong> estructura cristalina difer<strong>en</strong>te. Además es posible observar <strong>las</strong> fronteras<br />
de los granos.<br />
Los defectos que pres<strong>en</strong>ta la estructura cristalina de un material ti<strong>en</strong><strong>en</strong> un efecto directo<br />
<strong>en</strong> algunas propiedades del mismo. Los defectos puntuales (átomos sustitucionales,<br />
átomos intersticiales, vacancias) produc<strong>en</strong> deformación o distorsión de la estructura<br />
cristalina <strong>en</strong> sus alrededores.<br />
La ubicación de los<br />
átomos cercanos al<br />
defecto se ve<br />
afectada por la<br />
pres<strong>en</strong>cia de los<br />
defectos.<br />
Cuando una dislocación int<strong>en</strong>ta desplazarse a través de estas distorsiones localizadas,<br />
<strong>en</strong>cu<strong>en</strong>tra una resist<strong>en</strong>cia adicional a su movimi<strong>en</strong>to. La analogía es similar a transitar<br />
<strong>en</strong> vehículo sobre una calle asfaltada (no hay distorsiones) y sobre una calle de tierra<br />
con agujeros y piedras (muchas distorsiones). Obviam<strong>en</strong>te el vehículo se desplazará<br />
con mayor facilidad sobre la calle asfaltada que sobre la de tierra. De igual manera, <strong>las</strong><br />
dislocaciones se muev<strong>en</strong> con mayor facilidad sobre la estructura sin defectos puntuales.<br />
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La pres<strong>en</strong>cia de defectos puntuales hace <strong>en</strong>tonces más difícil la deformación plástica de<br />
los metales, y por tanto decimos que aum<strong>en</strong>tan su resist<strong>en</strong>cia mecánica. Cuando a un<br />
metal le añadimos átomos de naturaleza química difer<strong>en</strong>te con el propósito de causar<br />
átomos intersticiales o sustitucionales, <strong>en</strong>tonces decimos que estamos aleando al<br />
metal. Las aleaciones no son más que materiales formados por la mezcla de varios<br />
átomos difer<strong>en</strong>tes, a modo de causar distorsiones locales de la estructura cristalina con<br />
el propósito de hacer difícil el desplazami<strong>en</strong>to de <strong>las</strong> dislocaciones. Por ejemplo, el<br />
acero es una aleación de Hierro y Carbono. Los átomos de Carbono se ubican <strong>en</strong> los<br />
espacios intersticiales <strong>en</strong>tre los átomos de Hierro, distorsionando la estructura cristalina<br />
del Hierro (el átomo de Carbono es un poco más grande que el espacio intersticial que<br />
ocupa <strong>en</strong>tre los átomos de Hierro). Estas distorsiones hac<strong>en</strong> que el acero pres<strong>en</strong>te<br />
mayor resist<strong>en</strong>cia a <strong>las</strong> deformaciones plásticas que el Hierro puro, haci<strong>en</strong>do al acero<br />
un material más resist<strong>en</strong>te que el Hierro. Hay otros factores que también pued<strong>en</strong><br />
contribuir al aum<strong>en</strong>to de la resist<strong>en</strong>cia, sin embargo estos factores se estudiarán más<br />
adelante. Al proceso de aum<strong>en</strong>tar la resist<strong>en</strong>cia de un metal añadiéndole impurezas se<br />
le llama <strong>en</strong>durecimi<strong>en</strong>to por solución sólida. El producto de un proceso de<br />
<strong>en</strong>durecimi<strong>en</strong>to por solución sólida es una aleación.<br />
Anteriorm<strong>en</strong>te se describió el proceso por medio del cual se increm<strong>en</strong>taba la resist<strong>en</strong>cia<br />
a la deformación a causa del aum<strong>en</strong>to <strong>en</strong> el número de dislocaciones <strong>en</strong> el interior del<br />
material. A ese proceso se le llama <strong>en</strong>durecimi<strong>en</strong>to por deformación plástica.<br />
El tamaño que t<strong>en</strong>gan los granos de un material también afecta la resist<strong>en</strong>cia del<br />
mismo. Las fronteras de los granos son lugares donde se ha perdido la simetría de la<br />
estructura cristalina. Para una dislocación, es más difícil atravesar <strong>las</strong> fronteras al pasar<br />
de un grano a otro que desplazarse <strong>en</strong> el interior del grano donde la estructura cristalina<br />
es regular. Como sabemos, el que a la dislocación se le haga difícil moverse se traduce<br />
<strong>en</strong> un aum<strong>en</strong>to de la resist<strong>en</strong>cia del material. Si los granos del material son grandes,<br />
<strong>las</strong> dislocaciones atraviesan pocas fronteras para desplazarse una cierta distancia<br />
d<strong>en</strong>tro del material. Sin embargo si los granos del material son pequeños, la<br />
dislocación <strong>en</strong>contrará muchas fronteras <strong>en</strong> su desplazami<strong>en</strong>to, increm<strong>en</strong>tándose por<br />
tanto la dificultad para moverse. Por esa razón, un material con granos grandes es <strong>en</strong><br />
g<strong>en</strong>eral m<strong>en</strong>os resist<strong>en</strong>te que un material con granos pequeños. A este f<strong>en</strong>óm<strong>en</strong>o se le<br />
llama <strong>en</strong>durecimi<strong>en</strong>to por tamaño del grano.<br />
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PROBLEMAS<br />
(1)<br />
El acero consiste <strong>en</strong> la mezcla de hierro con átomos de carbono. Usted sabe que los<br />
átomos de carbono ocupan los lugares intersticiales <strong>en</strong> el hierro. Usted sabe además<br />
que debido a la difer<strong>en</strong>cia de tamaño <strong>en</strong>tre los átomos de carbono y el espacio<br />
intersticial, se origina una distorsión de la estructura cristalina la cual aum<strong>en</strong>ta la<br />
dificultad para <strong>las</strong> dislocaciones de moverse, haci<strong>en</strong>do que el acero sea más resist<strong>en</strong>te<br />
que el hierro.<br />
Una de <strong>las</strong> características del carbono es que es un elem<strong>en</strong>to muy reactivo. Por<br />
ejemplo, sabemos que <strong>en</strong> la atmósfera y <strong>en</strong> nuestro organismo se combina con el<br />
oxíg<strong>en</strong>o para formar CO2. De la misma forma, al someter al acero a una temperatura<br />
elevada el carbono puede combinarse con algún elem<strong>en</strong>to de aleación pres<strong>en</strong>te <strong>en</strong> el<br />
material, haci<strong>en</strong>do que <strong>las</strong> propiedades del acero se deterior<strong>en</strong>. Este es un problema<br />
<strong>en</strong> los aceros que deb<strong>en</strong> trabajar a temperaturas elevadas, o que deban someterse a<br />
procesos que requieran temperaturas elevadas como por ejemplo la soldadura.<br />
Para minimizar la degradación del material al ser sometido a altas temperaturas, algui<strong>en</strong><br />
sugiere que se sustituya el carbono <strong>en</strong> el acero por átomos de nitróg<strong>en</strong>o. El nitróg<strong>en</strong>o<br />
es m<strong>en</strong>os reactivo que el carbono, y por tanto la posibilidad que se degrad<strong>en</strong> <strong>las</strong><br />
propiedades es m<strong>en</strong>or. Usted sabe que al igual que el carbono, el nitróg<strong>en</strong>o también<br />
produciría un aum<strong>en</strong>to <strong>en</strong> la resist<strong>en</strong>cia del acero ya que también distorsionaría<br />
ligeram<strong>en</strong>te su estructura cristalina. En base a esta información, ¿Esperaría usted que<br />
la resist<strong>en</strong>cia del hierro mezclado con nitróg<strong>en</strong>o sea mayor a la del hierro mezclado con<br />
carbono? Justifique su respuesta.<br />
(2)<br />
Explique si la sigui<strong>en</strong>te afirmación es verdadera o falsa: suponga que se ti<strong>en</strong>e hierro<br />
puro (radio atómico = 1.241 Å, radio iónico = 0.74 Å) con estructura cristalina FCC. Bajo<br />
estas condiciones, este hierro ti<strong>en</strong>e cierta capacidad para soportar la acción de fuerzas<br />
sin deformarse perman<strong>en</strong>tem<strong>en</strong>te. El aluminio puro (radio atómico = 1.432 Å, radio<br />
iónico = 0.51 Å) ti<strong>en</strong>e m<strong>en</strong>os capacidad que el hierro puro para soportar la acción de<br />
fuerzas sin deformarse perman<strong>en</strong>tem<strong>en</strong>te (<strong>en</strong> otras palabras es más débil que el<br />
hierro). Si al hierro puro lo mezclamos con aluminio puro para formar una aleación, <strong>en</strong><br />
teoría el metal resultante t<strong>en</strong>drá una capacidad m<strong>en</strong>or de soportar fuerzas sin<br />
deformarse perman<strong>en</strong>tem<strong>en</strong>te <strong>en</strong> comparación con el hierro puro original, ya que a un<br />
material resist<strong>en</strong>te (hierro) le estamos añadi<strong>en</strong>do un material débil (Aluminio).<br />
(3)<br />
Explique si la sigui<strong>en</strong>te afirmación es verdadera o falsa: sabemos que la deformación<br />
perman<strong>en</strong>te de los metales se debe <strong>en</strong> bu<strong>en</strong>a medida a la capacidad de movimi<strong>en</strong>to<br />
que pose<strong>en</strong> sus dislocaciones. También sabemos que cuando <strong>las</strong> dislocaciones se<br />
muev<strong>en</strong>, se multiplican, lo cual implica que a mayor deformación perman<strong>en</strong>te, mayor es<br />
el número de dislocaciones que exist<strong>en</strong> d<strong>en</strong>tro del metal. Se puede concluir por tanto<br />
que, a medida un metal se deforma plásticam<strong>en</strong>te, al crear <strong>en</strong> su interior más<br />
dislocaciones el metal debe volverse más fácil para continuar deformándolo<br />
perman<strong>en</strong>tem<strong>en</strong>te.<br />
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