A primera vista, es posible que lo primero que nos venga a la cabeza sea la imagen de una cadena de ADN. Sin embargo, esto nada tiene que ver. Se trata de dislocaciones según la ciencia de materiales, y son propios de las estructuras cristalinas.
Su definición más simple (y parcialmente errónea) es que son defectos del material. Pero también son responsables del comportamiento durante el endurecimiento y deformación de los materiales. La disposición perfecta de una estructura cristalina es la siguiente:
Sin embargo, debido a las impurezas de los materiales o un incorrecto llenado de esa red, esa estructura puede tener distintos tipos de fallos puntuales:
Ninguno de estos casos se refiere a una dislocación, el cual es un fallo lineal. Éstas ocurren en la deformación plástica o solidificación de materiales con estructuras cristalinas. Durante esos procesos, el material cambia y su estructura interna tiene que adaptarse a esos cambios. Los planos de los átomos se tienen que reorientar hasta conseguir la siguiente situación estable, y las dislocaciones consisten en planos extra que se introducen entre los ordinarios. Estos planos no son de átomos procedentes de las impurezas, sino del mismo material.
Debido a ello, las dislocaciones perjudican a sus planos adyacentes mediante el distanciamiento o acercamiento de sus átomos. Debido a principios de la energía, se sabe que esos planos extra se moverán por planos de mínima energía.
¿Cómo vemos esto reflejado en las deformaciones plásticas de los metales? Un metal podrá deformarse plásticamente en función de la energía que tenga para absorber la movilidad de las dislocaciones. Es decir, llega un momento en que para el material requiere menos energía romperse que seguir deformando, ya que las dislocaciones requieren mucha energía. Para una cerámica, la ruptura normalmente le requiere menos energía que deformarse. Curiosamente, las dislocaciones también tienen relación con la concentración de tensiones. Si tenemos un material de geometría con muchas esquinas, al deformarse el material las dislocaciones tenderán a acumularse en dicha esquina, y como cada una de ellas es un fallo, llega un momento en el que el material no puede aguantar más fallos y rompe por ahí. ¿No os habéis fijado en las ventanas de los aviones?
¿Y qué tiene que ver con el endurecimiento? Para explicarlo, pensemos en el proceso de fabricación de una espada, que más bien es proceso de tratamiento térmico. El herrero calienta mucho el material para después golpearlo. Al calentarlo, el material se vuelve muy maleable y deformable, y es ahí donde las dislocaciones desaparecen. Según va el herrero golpeando y dando forma aparecen algunas, pero el momento clave es del enfriamiento:
Mientras el material está caliente, tiene una microestructura denominada austenita. Al enfriarse rápidamente en agua, el material tiende a encogerse (deformarse) y se crean un montón de dislocaciones. Sin embargo, el trozo de acero se enfría tan rápido, que no da tiempo a las deformaciones a llegar a una posición estable. Esa estructura final, se denomina martensita, y se caracteriza por ser muy dura, pero quebradiza. Si la austenita se enfriase a temperatura ambiente, la microestructura que adquiriría sería otra: la cementita, con otras propiedades distintas. Durante la época medieval, los herreros no tenían ni idea de microscopios, pero a base de tradición y acierto-error consiguieron mejorar la técnica de fabricación de espadas.
Este artículo participa en el II Festival de la Cristalografía que organiza @edocet en su recomendable blog www.edocet.naukas.com. Los pasos para participar en su blog hasta el 31 de enero los podéis encontrar aquí.
Fuente del artículo y algunas imágenes: http://www.uca.edu.sv/facultad/clases/ing/m210031/Tema%2003.pdf
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