Para las categorías indicadas en la pregunta, consideraré los siguientes defectos:
- Defectos puntuales: átomos solutos y vacantes
- Defectos de línea: dislocaciones
- Defectos superficiales: límites de grano
- Defectos de volumen: grietas
Cada categoría tiene otros tipos de defectos, por supuesto; He tomado la lista anterior como representante. En esta respuesta inclinaré mi perspectiva hacia los metales, ya que estoy más familiarizado con ellos en este contexto, pero los principios que menciono son ampliamente aplicables a otras clases de materiales.
Defectos puntuales: átomos solutos y vacantes
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Al ser generalmente de un tamaño diferente al de su red huésped, un átomo de soluto inducirá un campo de deformación esféricamente simétrico a su alrededor. Este campo de tensión puede interactuar con el campo de tensión de una dislocación y, en consecuencia, impedir su movimiento. Por lo tanto, los átomos de soluto aumentan el límite elástico de los materiales cristalinos.
En los metales, las vacantes están presentes en concentraciones de equilibrio que dependen de la temperatura. Una de las propiedades materiales que las vacantes afectan en gran medida es la auto-difusión, que a su vez influye en varios otros comportamientos materiales. Por un lado, las vacantes pueden mejorar o bloquear el movimiento de dislocación. Un ejemplo de lo primero es la escalada por dislocación; eso ocurre cuando la difusión de vacantes permite que una dislocación de borde se mueva en una dirección perpendicular a su plano de deslizamiento. Sin esa difusión asistida por la vacante, la dislocación no podría escalar y se limitaría a deslizarse a lo largo de su plano de deslizamiento. Por lo tanto, el ascenso facilita la deformación por deslizamiento al permitir que las dislocaciones de los bordes superen los obstáculos en sus planos de deslizamiento al salir de los planos de deslizamiento. De hecho, las energías de activación para la fluencia a menudo son iguales a las energías de activación para la auto-difusión, lo que es consistente con el papel de las vacantes en la conducción de las tasas de fluencia.
Las vacantes también pueden bloquear el movimiento de dislocación. Los estudios que he realizado sobre defectos inducidos por la irradiación han demostrado aumentos en el límite elástico causados por los bucles de dislocación de carácter vacante, creados durante el bombardeo de partículas cargadas, que presumiblemente bloquearon el movimiento de dislocación durante las pruebas mecánicas. Al buscar en la literatura efectos comparables, encontré otros estudios con resultados similares.
Defectos de línea: dislocaciones
Considerando ahora las dislocaciones, su efecto sobre los metales es profundo en el sentido de que muchas de las características de los metales, como el comportamiento de tensión-deformación, el endurecimiento y la magnitud de las tensiones de flujo, dependen de la presencia de dislocaciones. Para tomar solo un ejemplo de este grupo, el endurecimiento por deformación, donde la tensión de flujo de los metales aumenta con el aumento de la deformación, se produce porque durante la deformación plástica, la densidad de dislocación aumenta de tal manera que las dislocaciones impiden el movimiento de otras dislocaciones y, por lo tanto, aumentan el límite elástico. Esta es la razón, por ejemplo, de que el cobre medio duro tiene un límite elástico mucho más alto que el cuarto de cobre duro.
Defectos superficiales: límites de grano
Ahora hablaremos sobre los límites de grano. Se me ocurren dos maneras de cómo afectan las propiedades del material. Una es que los límites de grano, como los átomos de soluto y las dislocaciones ya tocadas, son obstáculos para el movimiento de dislocación. Por lo tanto, una muestra con un tamaño de grano más pequeño, que proporciona un área límite de grano más alta, generalmente posee un límite elástico más alto que una muestra con granos más grandes. El otro mecanismo catalizado por los límites de grano es una forma de fluencia conocida como coble fluencia, en la cual el transporte de masas ocurre a lo largo de los límites de grano. Por lo tanto, el arrastre de Coble se ve favorecido cuando los granos son más pequeños.
Defectos de volumen: grietas
Y por último, discutamos las grietas. Podría pensarse que las grietas crean una concentración de tensión y, por lo tanto, reducen la resistencia de un material. Eso es generalmente cierto, pero con las grietas es un poco más sutil. Porque si usamos el enfoque de resistencia estándar de materiales para un miembro estructural que contiene un orificio elíptico del eje mayor 2 a con radio de curvatura [matemática] \ rho [/ matemática], donde [matemática] \ rho [/ matemática] se define como [matemática] \ frac {b ^ 2} {a} [/ matemática] donde 2 b es el eje menor, entonces la tensión [matemática] \ sigma_ {punta} [/ matemática] en la punta del eje mayor es
[matemáticas] \ displaystyle \ sigma_ {tip} = \ sigma \ Big (1 + 2 \ sqrt \ frac {a} {\ rho} \ \ Big) [/ math]
donde [math] \ sigma [/ math] es la tensión del campo lejano. Si a = b , la elipse se convierte en un círculo y el factor de concentración de tensión adquiere el valor familiar de 3. Bien hasta ahora.
Ahora, cuando [matemáticas] a \ gg b [/ matemáticas], la ecuación anterior se aproxima a
[matemática] \ displaystyle \ sigma_ {tip} = 2 \, \ sigma \ sqrt \ frac {a} {\ rho} [/ math]
Pero ahora supongamos que tenemos una grieta infinitamente aguda. Entonces la ecuación anterior predice correspondientemente un esfuerzo infinito en la punta de la grieta. En el marco de la teoría de la resistencia de los materiales, eso significaría que cualquier estructura con grietas debería desmoronarse al mínimo contacto. Obviamente ese no es el caso. Esta paradoja se resolvió más tarde mediante el concepto del factor de intensidad de estrés, que describe completamente los esfuerzos y desplazamientos cerca de una punta de grieta. El factor de intensidad de tensión es un parámetro fundamental en la disciplina de ingeniería de la mecánica de fractura, y fue la mecánica de fractura la que caracterizó correctamente la presencia de una singularidad (es decir, una grieta) dentro de un cuerpo elástico donde la teoría de la resistencia de los materiales falló previamente. Entonces, sí, como se esperaba intuitivamente, una grieta disminuye la resistencia de un material, pero no de una manera que podría esperarse con un enfoque de mecánica convencional de materiales. En cambio, se necesita una mecánica de fractura para obtener predicciones más precisas de los efectos de las grietas dentro de un cuerpo.
