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D E F I N I C I Ó N Y C L A S I F I C A C I Ó N
IMPERFECCIONES CRISTALINAS
Realmente no existen cristales perfectos sino que contienen varios tipos de imperfecciones y defectos, que afectan a muchas de sus propiedades físicas y mecánicas.
Defectos puntuales Defectos lineales Defectos superficiales
MICROSCÓPICO
MACROSCÓPICO
fisuras poros inclusiones
IMPERFECCIONES CRISTALINAS
También influyen en algunas propiedades de los materiales a nivel de aplicación ingenieril tal como la capacidad de formar aleaciones en frío, la conductividad eléctrica y la corrosión.
Defectos puntuales Defectos lineales Defectos superficiales
MICROSCÓPICO
MACROSCÓPICO
fisuras poros inclusiones
IMPERFECCIONES CRISTALINAS
DEFECTOS PUNTUALES
• Son interrupciones localizadas en arreglos atómicos o iónicos
• Estos defectos pueden ser utilizados para mejorar propiedades. Por
ejemplo P y B (impurezas) mejoran las propiedades eléctricas del Si
puro
(c) 2003 Brooks/C
ole Publishing / Thomson
Learning DEFECTOS PUNTUALES
• Vacancias
• Impurezas
• Sustitución
• Sustitución
• Frenkel
• Schottky
Por solidificación: perturbaciones locales durante el crecimiento de los cristales
Por reordenamiento atómico: Debido a la movilidad de los átomos.
DEFECTOS PUNTUALES
VACANCIAS
⎟⎠
⎞⎜⎝
⎛ −=RTQnn ν
ν exp
nv = cantidad de vacancias por cm3 n = cantidad de átomos por cm3 Qv = energía necesaria para producir un mol de vacancias, cal /mol o joule /mol R = cte de los gases T = temperatura en Kelvin
Ausencia de un átomo o ión en su sitio
normal de la estructura cristalina.
Todos los elementos cristalinos presentan
este tipo de defecto.
Se presentan cuando un átomo o ión es sustituido con un tipo distinto de átomo o ion.
Mayor tamaño presentándose mayores distancias interatómicas
Menor tamaño reduciendo los espacios
interatómicos vecinos
DEFECTOS PUNTUALES
IMPUREZAS O SUSTITUCIONES
Se presenta cuando un átomo extra, se inserta dentro de la estructura de la red en una posición intersticial.
Este defecto se presenta en estructuras c r i s ta l inas con bajo factor de empaquetamiento
Intersticio
DEFECTOS PUNTUALES
ÁTOMOS INTERSTICIALES
REGLAS DE HUME-ROTHERY
- Los radios atómicos no deben diferir más del 15% - Las estructuras cristalinas deben ser las mismas - Las electronegatividades deben ser similares ya que de otra manera reaccionarían y se formarían nuevos compuestos - Deben tener la misma valencia
DEFECTOS PUNTUALES
Los defectos puntuales o impurezas de tipo sustitucional dentro de las soluciones sólidas pueden generarse siempre y cuando cumplan las reglas de Hume-Rothery
Solución solida sustitucional de Cu en Ni
DEFECTOS PUNTUALES
Solución solida intersticial de C en Fe
DEFECTOS PUNTUALES
DEFECTOS PUNTUALES EN PARES
FRENKEL Llamado también par de Frenkel se presenta un par vacancia-intersticial, formada cuando un ion salta de un punto normal de red a uno intersticial y deja atrás una vacancia.
SCHOTTKY Exclusivo de materiales iónicos. Se presenta un par vacancial , manteniendo la neutralidad eléctrica.
DEFECTOS LINEALES
Son imperfecciones unidimensionales. DISLOCACIONES Suceden cuando la red cristalina se distorsiona alrededor de una línea; son útiles para explicar la deformación y endurecimiento de los materiales metálicos. Se mueven en planos y direcciones de deslizamiento
Tornillo (helicoidal)
Borde (escalón)
Mixta
DEFECTOS LINEALES
DISLOCACIÓN DE TORNILLO Sigue un plano cristalográfico durante una revolución respecto al eje de torsión del cristal, recorriendo distancias interatómicas iguales en cada dirección, y termina en una distancia atómica debajo del punto de partida. El vector necesario para terminar el circuito y regresar al punto de partida es el vector de Burgers b y este es paralelo a la dislocación de tornillo
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Learning
DEFECTOS LINEALES
DISLOCACIÓN DE BORDE Este tipo de dislocación se puede observar como: imaginar un cristal perfecto, el cual se abre y en el punto de corte se llena con un plano adicional de átomos. Su orilla inferior representa este tipo de dislocación.
DEFECTOS LINEALES
DISLOCACIÓN DE BORDE Este tipo de dislocación se puede observar como: imaginar un cristal perfecto, el cual se abre y en el punto de corte se llena con un plano adicional de átomos. Su orilla inferior representa este tipo de dislocación.
DEFECTOS LINEALES
DISLOCACIÓN MIXTA
Este tipo de dislocación tiene componentes de borde y de tornillo, con una región de transición entre ellas. El vector de Burgers se mantiene igual para todas las porciones de la dislocación mixta.
DEFECTOS LINEALES
DISLOCACIÓN MIXTA
Este tipo de dislocación tiene componentes de borde y de tornillo, con una región de transición entre ellas. El vector de Burgers se mantiene igual para todas las porciones de la dislocación mixta.
DESLIZAMIENTO
.
DESLIZAMIENTO
Sistema de deslizamiento
La dislocación se mueve paralelo a la dirección de deslizamiento o del plano de dislocación formado por el vector b.
Deslizamiento por dislocación de borde Deslizamiento por dislocación de tornillo
la dislocación se mueve perpendicularmente al vector de b, aunque el cristal se deforma en dirección paralela a este vector
.
Plano de deslizamiento
Dirección de deslizamiento
Como el vector de Burgers de una de tornillo es paralelo a la línea de dislocación, no se define un plano de deslizamiento
La dislocación de borde recorre el plano formado por el vector de Burgers y ella m i s m a g e n e r a n d o e l p l a n o d e deslizamiento
DESLIZAMIENTO
E l c r i s t a l q u e d a deformado
Al aplicarse un esfuerzo cortante:
Los átomos se desplazan y hacen que la
dislocación se mueva un vector b
El movimiento continuo de la dislocación crea un
escalón final
DEFECTOS SUPERFICIALES
Son los límites o los planos que separan un material en regiones; cada región tiene la misma estructura cristalina, pero de distinta orientación. SUPERFICIE DEL MATERIAL Límites de grano: es la superficie que separa dos o mas granos individuales. En estas zonas los átomos no tienen las distancias correctas. En ciertas posiciones pueden estar generando fuerzas de compresión y en otras de tensión. Grano: porción de material dentro de la cual el arreglo de los átomos es casi idéntico. Pero la orientación de los átomos o estructura cristalina es diferente en cada grano vecino.
DEFECTOS SUPERFICIALES
Un método para controlar las propiedades de un material es controlar el tamaño del grano, ya sea durante la solidificación o durante el tratamiento térmico.
En metales los límites de grano se originan durante la solidificación cuando los cristales formados a partir de diferentes núcleos crecen simultáneamente juntándose unos con otros.
Al reducir el tamaño de grano, se aumenta la resistencia del material, ya que no permiten el deslizamiento de las dislocaciones
Un material con un tamaño de grano grande tiene menor resistencia y menor dureza.
DEFECTOS SUPERFICIALES
FALLAS DE APILAMIENTO
Estas fallas, son un error en la secuencia de apilamiento, especialmente en
los planos con empaquetamiento compacto
LÍMITES DE MACLA
Es un plano a través del cual hay una desorientación especial de imagen
especular de la estructura cristalina
Las maclas pueden producirse cuando una fuerza cortante, que actúa a
lo largo del límite de macla, hace que los átomos se desplacen de su
posición.
DEFECTOS SUPERFICIALES
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DEFECTOS SUPERFICIALES
IMPORTANCIA DE LOS DEFECTOS
En los materiales metálicos, los defectos como las dislocaciones, defectos puntuales y límites de grano sirven como obstáculo a las dislocaciones. Es posible controlar la resistencia de un material metálico controlando la cantidad y el tipo de imperfección
§ Endurecimiento por deformación
§ Endurecimiento por solución sólida
§ Endurecimiento por tamaño de grano
TIPOS DE ENDURECIMIENTO DE MATERIALES CRISTALINOS
ENDURECIMIENTO POR DEFORMACIÓN
Los átomos vecinos a una línea
de dislocación están en
compresión y/o tracción.
Se requieren esfuerzos
mayores para mover una
dislocación cuando se
encuentra con otra
dislocación
Metal más resistente Al incrementar el número de
dislocaciones, se aumenta la
resistencia del material
ENDURECIMIENTO POR SOLUCIÓN SÓLIDA
El defecto puntual altera la
perfección de la red
Se requiere de mayor
esfuerzo para que el
deslizamiento de una
dislocación ocurra
Al introducir intencionalmente átomos sustitucionales o intersticiales, se
genera un endurecimiento por solución sólida
ENDURECIMIENTO POR TAMAÑO DE GRANO
Los limites de grano alteran el
arreglo atómico
El movimiento de las
dislocaciones se bloquea
en los bordes de grano
Al incrementar el número de granos o al reducir el tamaño de los mismos
se produce el endurecimiento por tamaño de grano.