Solidificacion y Defectos

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ESTRUCTURA DE LA

MATERIA -- SOLIDIFICACIÓN

E IMPERFECCIONES

MSc. Ing. Luis Fernando Vargas Tamayo

Ingeniería Industrial

Facultad de Ingeniería

Universidad Distrital Francisco José de Caldas

Universidad Distrital Francisco José de Caldas CIENCIA DE MATERIALES MSc. Ing. Luís Fernando Vargas Tamayo

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SOLIDIFICACION DE METALES

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Primer Paso

Se generan núcleos o

agrupación de átomos a partir

de pequeños movimientos,

reducción de la energía cinética

de las moléculas. Dependiendo

del origen de estos núcleos se

tienen dos tipos de nucleación.

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1. Nucleación homogénea: tiene lugar

cuando el metal proporciona por si mismo

los átomos para formar núcleos.

2. Nucleación heterogénea: Se produce en

un liquido sobre la superficie del

recipiente que lo contiene, estas paredes

contiene impurezas no solubles.

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Segundo Paso

Pueden suceder dos cosas:

1. Si el metal recibe suficiente calor

aún, los núcleos se disolverán

sucesivamente, se generan y se

disuelven mientras exista

suficiente energía en el liquido

presente.

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Segundo Paso

Pueden suceder dos cosas:

2. Si la temperatura bajó lo

suficiente, los núcleos formados

perdurarán, serán estables y

comenzarán a crecer para formar

cristales o granos.

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Tercer Paso

Las moléculas que forman el

liquido toman destino hacia algún

grano en formación, el liquido se

reduce paulatinamente y los granos

crecen hasta encontrarse en un

limite, a esto le llamamos frontera

de grano.

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Características del proceso

-Los átomos dentro de cada cristal o grano tienen una

disposición regular, sin embargo cada grano tiene una

orientación diferente.

-Estos cambios de orientación originan las fronteras de

grano, cuando terminan de crecer y se encuentran.

-Un metal que solidifica en estas condiciones se le llama

policristalino.

-Los cristales se llaman granos y los limites, fronteras

granulares.

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-El numero de núcleos disponibles determina las

propiedades del material, si hay muchos núcleos el grano

es fino, pequeño y de tamaño homogéneo, si por el

contrario hay pocos, el material tendrá granos muy

grandes, pues se permitirá el crecimiento de estos antes

de encontrarse unos con otros.

- Entre el grano mas fino sea, las propiedades en general

serán mejores y mas homogéneas, por esto lo deseado

es generar muchos núcleos.

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-En múltiples ocasiones cuando se desea un grano

fino, se utilizan refinadores de grano, que son

impurezas no solubles, se le adicionan al liquido y

estos elementos generarán puntos de nucleación

pues bajan drásticamente la energía cinética de su

entorno.

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Dependiendo de la tecnología utilizada, la solidificación

puede darse en:

-Colada continua: proceso en el que se trabaja

continuamente, el metal liquido se solidifica en una

maquina de colada permanente y se obtiene material por

metros o por toneladas.

-Colada discreta: en este proceso se permite la

solidificación en un molde estacionario, se realiza un

colado y se espera el tiempo necesario para la obtener

un lingote.

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COLADA DISCRETA

Tecnología antigua, de bajos

niveles de producción, los

materiales no son los mas

homogéneos, las

propiedades obtenidas se

pueden mejorar, el material

frecuentemente es costoso

frente a otros procesos.

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COLADA DISCRETA

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COLADA DISCRETA

Los granos formados generalmente

siguen esta estructura:

Granos equiaxiales: se generan en la superficie del

material que esta en contacto con el recipiente, crisol o

molde, esto se debe al rápido enfriamiento, tienen una

forma mas o menos esférica.

Granos columnares: son delgados, largos y

perpendiculares a las paredes del recipiente, esto se debe

a la baja velocidad de enfriamiento.

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COLADA CONTINUA

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Solidificación de metales

Los metales se utilizan en la industria casi en su

totalidad en forma policristalina, esto por que se

presentan mejores propiedades mecánicas y mas

ductilidad para el trabajo de deformación.

En algunos casos particulares se pueden tener

materiales monocristalinos, es frecuente encontrarlos en

la industria microelectrónica, específicamente en los

materiales semiconductores es vital no tener fronteras

de grano pues esto estropearía la conductividad del

elemento.

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Solidificación de

metales

Aleaciones

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En la industria en general no se utilizan los metales

puros, estos tienen un alto costo y sus propiedades no

son las mejores.

Cobre Conducción eléctrica 99.99% máxima pureza

Aluminio Decoración arquitectónica 99.9%

La mayoría de metales usados en la industria se

combinan con otros metales y no metales para obtener

mejores propiedades.

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Aleación mezcla de un metal y un no metal o de varios

metales. El tipo mas sencillo es la llamada solución

sólida. Esto es un sólido que consta de dos o mas

elementos dispersos atómicamente en una estructura de

fase única.

2 elementos Cu – Zn Latón

Cu – Sn Bronce

Múltiples componentes

Inconel 12 elementos aleados

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Son de dos tipos, la sustitucional y la intersticial

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Solución sólida sustitucional

Conformada por 2 elementos, uno de

los cuales sustituye al otro en

algunas posiciones atómicas.

Solvente matriz

Soluto el que sustituye

La estructura cristalina del elemento

progenitor (solvente) permanece

inalterada, pero las posiciones

cristalinas se pueden distorsionar.

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Reglas de solubilidad de Humme-Rothery

Para que los dos elementos se disuelvan completamente entre si,

normalmente satisfacen una o más de las siguientes condiciones

formuladas por Hume-Rothery y conocidas como reglas de

solubilidad de sólidos de Hume-Rothery:

1. Las estructuras cristalinas de cada elemento deben ser iguales.

2. El tamaño de cada uno de los dos elementos no deben diferir en

más del 15 por 100.

3. Los elementos no deben formar compuestos entre si. No debe

haber diferencias apreciables en las electronegatividades de los

dos elementos.

4. Los elementos deben tener la misma valencia.

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Reglas de solubilidad de

Humme-Rothery

ELEMEN

TORa ESTR.

ELECTRONE

GATIVIDADVALENCIA

Cobre 0,128 FCC 1,8 +1

Cinc 0,133 HCP 1,7 +2

Plomo 0,175 FCC 1,6 +4

Níquel 0,125 FCC 1,8 +2

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Reglas de solubilidad de

Humme-Rothery

SISTEMADif Ra

%

Dif

Electrone

gatividad

Grado de

solubilidad

Máxima

solubilidad

observada

Cu – Zn +3,9 0,1 Alta 38,3

Cu – Pb +36,9 0,2 Muy baja 0,1

Cu - Ni -2,3 0 Muy alta 100

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Solidificación de metalesSolución sólida intersticial

Los átomos de soluto encajan

en los espacios que hay entre

los átomos del solvente o

elemento progenitor, estos

huecos, se llaman intersticios,

se forman debido a grandes

diferencias entre radios

atómicos.

Típicamente incluyen los

elementos pequeños:

H, N, C, O, etc.

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Solidificación de metalesSolución sólida intersticial

Fe

Fe

Fe

Fe C

Acero:

Hierro r = 0,129 nm

Carbono r = 0,075 nm

Ej. Hallar el radio del mayor hueco

intersticial en la red FCC del hierro

gamma.

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IMPERFECCIONES

CRISTALINAS

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IMPERFECCIONES CRISTALINAS

No existen los cristales perfectos, en cualquier material

sin importar como haya solidificado estarán presentes

algunos defectos, estos se clasifican por su geometría

1° defectos de dimensión cero puntuales

2° defectos de dimensión uno lineales

3° defectos de dimensión dos planares

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DEFECTOS

PUNTUALES

Cristales no iónicos

Cristales iónicos

Autointersticiales

Vacantes

Por impurezas

Sustitucional

Intersticial

Defecto de Frenkel

Defecto de Schottky

DEFECTOS

DE LINEAde borde

de tornillo

mixtas

DEFECTOS

PLANARES

Borde de grano

Frontera gemela

Mapa de los defectos

cristalinos, clasificados

por la dimensión

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Se causa cuando un átomo esta ausente de su posición

normal.

Generalmente se producen durante la solidificación,

debido al reordenamiento atómico existente en el cristal.

Vacancia

Vacancia,

átomo faltante


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Ocurre cuando en un cristal, un átomo de un elemento

extraño ocupa un lugar intersticial entre átomos ubicados

en sitios normales, se produce generalmente de manera

intencional para lograr alear materiales.

Por impurezas

Intersticial: Átomo de

elemento extraño

Puede ser sustitucional o

intersticial


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Ocurre cuando en un cristal, un átomo propio ocupa un

lugar intersticial entre átomos ubicados en sitios

normales, se produce generalmente por irradiación del

material.

Intersticial o autointersticial

Autointersticial: átomo

del mismo elemento


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DEFECTOS

PUNTUALES


Cristales iónicos

Autointersticiales

Vacantes

Por impurezas

Sustitucional

Intersticial

Defecto de Frenkel

Defecto de Schottky

DEFECTOS

DE LINEAde borde

de tornillo

mixtas

DEFECTOS

PLANARES

Borde de grano

Frontera gemela



por la dimensión

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Los defectos puntuales en los cristales

iónicos son mas complejos que en los

cristales neutros, además de los atrás

mencionados, que se relacionan con la

forma y geometría de la red cristalina, en

este caso se debe mantener la neutralidad

eléctrica de los mismos.

DEFECTOS EN CRISTALES IÓNICOS

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Se presenta cuando iones de carga opuesta se pierden en

un cristal iónico, es decir se mantiene la neutralidad

general pues la perdida incluye partícula negativa y

partícula positiva, localmente se produce un desbalance

eléctrico

Defecto Schottky

Schottky: se pierden

partículas por parejas,

una positiva y una

negativa.

Cristales iónicos

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Ocurre cuando un catión se mueve hacia una posición

intersticial en un cristal iónico, por lo mismo se crea una

vacante de catión, así como en el anterior se produce

localmente un desbalance eléctrico.

Defecto Frenkel

Frenkel: movimiento

de partículas.

Cristales iónicos

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DEFECTOS

PUNTUALES


Cristales iónicos

Autointersticiales

Vacantes

Por impurezas

Sustitucional

Intersticial

Defecto de Frenkel

Defecto de Schottky

DEFECTOS

DE LINEAde borde

de tornillo

mixtas

DEFECTOS

PLANARES

Borde de grano

Frontera gemela



por la dimensión

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Son defectos que dan lugar a una

distorsión de la red centrada alrededor de

una línea.

Se crean durante la solidificación el sólido

cristalino o por deformación plástica o

permanente del cristal

DEFECTOS DE LÍNEA -- DISLOCACIONES

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Se genera en un cristal por la inserción de un semiplano

adicional de átomos.

La “T” invertida indica una dislocación positiva, lo

contrario, es decir una “T” indicaría una dislocación

negativa.

Esta dislocación genera una

zona de tensión y otra de

compresión.

Dislocación de borde

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Dislocación de borde

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Se forma por la aplicación de esfuerzos

cortantes.

Estos esfuerzos introducen una zona de

distorsión de la red cristalina en forma de

rampa espiral.

Dislocación de tornillo

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En un mismo cristal se pueden presentar

varias dislocaciones simultáneamente, se

pueden reunir de borde y de tornillo.

Dislocación mixta

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Dislocación mixta

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DEFORMACIÓN MECANICA

La deformación plástica es difícil sin dislocaciones, la

figura muestra el efecto de la dislocación en la

deformación del metal.

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DEFORMACIÓN MECANICA

Si las distancias entre átomos fueran grandes, seria mas

dificil el movimiento del semi-plano de átomos o

dislocación, es decir se facilita en planos de alta

densidad.

BCC FCC

Cuales serian los planos mas densos en las

celdas FCC y BCC?

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DEFECTOS

PUNTUALES


Cristales iónicos

Autointersticiales

Vacantes

Por impurezas

Sustitucional

Intersticial

Defecto de Frenkel

Defecto de Schottky

DEFECTOS

DE LINEAde borde

de tornillo

mixtas

DEFECTOS

PLANARES

Borde de grano

Frontera gemela



por la dimensión

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Existen muchas clases de defectos del

cristal orientados en el plano, se tratarán

los siguientes:

- Frontera de grano

- Frontera gemela

DEFECTOS DE DOS DIMENSIONES

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Los bordes de grano son imperfecciones en la superficie

de los materiales policristalinos, aunque dentro de los

granos se tiene una estructura homogéneamente

orientada, entre grano y grano se encuentra una

superficie en la que dicha orientación se rompe.

Frontera de grano

El encuentro entre grano y grano

marca un cambio de orientación,

esto es una discontinuidad de la

red y por lo mismo un defecto

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Frontera de grano

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Se sucede cuando una estructura se encuentra

separada de otra por una frontera que la hace un

espejo de la misma.

Su origen esta demarcado por la deformación en

frío.

Frontera gemela

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Frontera gemela

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DEFECTOS

PUNTUALES


Cristales iónicos

Autointersticiales

Vacantes

Por impurezas

Sustitucional

Intersticial

Defecto de Frenkel

Defecto de Schottky

DEFECTOS

DE LINEAde borde

de tornillo

mixtas

DEFECTOS

PLANARES

Borde de grano

Frontera gemela



por la dimensión

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a. Impureza

intersticial

b. Dislocación de

borde

c. Autointersticial

d. Vacancia

e. Impureza

sustitucional

Ejercicio

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TAMAÑO DE GRANO

El tamaño del grano es un factor importante en las

propiedades de los metales, especialmente en la

resistencia mecánica.

Una forma de medirlo es el método ASTM, determina el

tamaño de grano con un conteo en una foto micrografía

especifica, asigna un valor que aunque no es una medida,

si es un indicador de tamaño.

N = 2n-1

Donde:

N: numero de granos por pulgada cuadrada

contados en un foto micrografía en la que se

utilizó un aumento de 100X.

n: índice de tamaño de grano según la ASTM,

puede tomar valores de 1 a 10

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TAMAÑO DE GRANO

1 2 3

4 5 6

7 8

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TAMAÑO DE GRANO

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

15 16

18

19

Fotomicrografía a

100X, el área

mostrada es de 1/4

de pulgada cuadrada

7

12log

76log

2log1log

2 1

n

n

nN

N n

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