Defectos cristalinos. Introducción a la Ciencia de Materiales. M. Bizarro
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- Adrián Quintana Lucero
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1 Defectos cristalinos
2 Monocristal Cuando el arreglo de un sólido cristalino es perfecto o se extiende completamente a lo largo del sólido sin interrupción, se dice que es un monocristal. Todas las celdas unitarias están unidas de la misma manera y tienen la misma orientación. Pueden ser naturales o artificiales.
3 Monocristal de calcita, Nuevo México Monocristal de granate, China
4 Algunas aplicaciones en ingeniería requieren monocristales: --monocristales de diamante --aspas de turbinas para abrasivos (Courtesy Martin Deakins, GE Superabrasives, Worthington, OH. Used with permission.) Fig. 8.33(c), Callister 7e. (Fig. 8.33(c) courtesy of Pratt and Whitney). Las propiedades de los materiales cristalinos se relacionan con su estructura. --Ej: El cuarzo se fractura más fácilmente a lo largo de algunos planos que de otros. (Courtesy P.M. Anderson)
5 Policristal La mayoría de los sólidos cristalinos están formados por muchos cristalitos o granos, llamados materiales policristalinos. Cada grano tiene orientación distinta La región donde 2 granos se encuentran se llama frontera de grano.
6 Policristal de Ce:GdO
7 Policristales La mayoría de los materiales en ingeniería son policristales. Anisotrópico 1 mm Isotrópico Placa de Nb-Hf-W vista con un haz de electrones. Cada grano es un cristal individual. Los granos pueden estar orientados al azar. El tamaño de grano típico está entre 1 nm y 2 cm
8 Monocristales vs Policristales Monocristales -Las propiedades cambian con la dirección: anisotrópicos. -Ejemplo: el módulo elástico (E) en el hierro BCC E (diagonal) = 273 GPa Policristales -Las propiedades pueden o no variar con la dirección. -Si los granos están orientados al azar: isotrópicos. (E poly iron = 210 GPa) -Si los granos están texturizados: anisotrópicos. E (borde) = 125 GPa 200 μm
9 Polimorfismo Cuando hay dos o más estructuras cristalinas distintas para el mismo material polimorfismo o alotropía. Sistema Hierro titanio líquido α, β-ti 1538ºC carbono diamante, grafito BCC FCC BCC δ-fe 1394ºC γ-fe 912ºC α-fe
10 Imperfecciones en sólidos No existen cristales perfectos Muchas de las propiedades de los materiales se deben a las imperfecciones. Ej. Fe + C ACERO
11 Tipos de imperfecciones Vacancia de átomos Átomos intersticiales Átomos substitucionales Dislocaciones Fronteras de grano Defectos puntuales Defectos de linea Defectos de área
12 Defectos puntuales Vacancias: -Sitios atómicos vacantes en una estructura. distorción de planos Vacancia Autointersticiales: -átomos "extra" se posicionan entre los sitios atómicos. distorción de planos Autointersticial
13 La concentración de equilibrio varía con la temperatura! No. de defectos No. Total de sitios ocupados por átomos Cada sitio de la red es un sitio potencial de vacantes Concentración de defectos puntuales N v = N exp Q v kt Energía de activación Temperatura Constante de Boltzmann (1.38 x J/atom-K) (8.62 x 10-5 ev/atom-k) En la mayoría de metales, al llegar a la temperatura de fusión la fracción de vacantes es de Nv/N= vacante por cada lugares ocupados
14 Medición de la energía de activación Se puede obtener Q v un experimento. de N v N = exp Q v kt Midiendo... graficarlo... Nv N Nv ln N pendiente -Qv /k dependencia exponencial Concentración de defectos T 1/T
15 Ejercicio Calcular el número de vacantes por metro cúbico en el cobre en equilibrio a 1000 C. La energía de activación para la formación de vacantes es 0.9 ev/átomo. El peso atómico del cobre es de 63.5 g/mol y la densidad 8.4 g/cm 3. Solución 1. Primero hay que determinar el valor de N N = N A ρ A Cu (6.02x10 23 átomos/mol) (8.4 g/cm 3 ) (10 6 cm 3 /m 3 ) N = = 8x10 28 átomos/m g/mol Entonces: N v = N exp Q v kt = 2.2 x10 25 átomos/m 3
16 Defectos puntuales en aleaciones Two outcomes if impurity (B) added to host (A): Solución sólida de B en A (i.e., distribución aleatoria de impurezas) ó Sol. solida substitucional (ej. Cu in Ni) Sol. sólida Intersticial (ej. C in Fe) Solución sólida de B en A más partículas de una nueva fase (usualmente para una mayor cantidad de B) Segunda fase --diferente composición --diferente estructura
17 Determinación de la composición Porcentaje en peso C 1 m1 = x 100 m m + m 1 = masa del componente Peso de un elemento particular relativo al peso total de la aleación - Porcentaje atómico C ' 1 = n m1 n + m1 n m2 x 100 n m1 = número de moles del componente 1 Número de moles de un elemento en relación al número total de moles de los elementos de la aleación, Nm(D) de un elemento D. N m (D)= m D /A D m D y A D masa en gramos Y peso atómico del elemento D
18 Defectos de línea Dislocaciones: son defectos de línea en torno a átomos desalineados. hay deslizamiento entre planos cristalinos cuando se mueve la dislocación produce deformación plástica permanente. Esquema del Zinc (HCP): antes de la deformación después de elongación Pasos del deslizamiento Adapted from Fig. 7.8, Callister 7e.
19 Dislocaciones Dislocación de arista o de borde: Un semiplano extra de átomos se inserta en la estructrura cristalina b a la línea de la dislocación Dislocación helicoidal o de tornillo: Los planos atómicos trazan un camino espiral o helicoidal alrededor de la línea de dislocación se forma al aplicar un esfuerzo cizallante b a la línea de la dislocación Dislocaciones mixtas: Combinación de ambas. Vector de Burger, b: medida de la distorción de la red
20 Dislocación de arista o de borde Fig. 4.3, Callister 7e.
21 Dislocación helicoidal (de tornillo) Dislocation line Burgers vector b (a) Adapted from Fig. 4.4, Callister 7e. b (b)
22 Dislocaciones de arista, helicoidal y mixtas Mixtas arista Adapted from Fig. 4.5, Callister 7e. helicoidal
23 Defectos de superficie Son límites de grano que tienen 2 direcciones y normalmente separan regiones del material que tienen diferente estructura cristalina u orientación cristalográfica. Superficies externas Defectos superficiales Límites de grano Límites de macla Defectos de apilamiento Límites de fase
24 Superficies externas Son de los más evidentes Delimitan la estructura cristalina Los átomos superficiales no están enlazados con el máximo de vecinos Aumenta la energía superficial (J/m 2 )
25 Límites de grano Separa dos pequeños granos o cristales que tienen diferente orientación cristalográfica. Ligero desorden Hay densidad baja en las fronteras de grano Movilidad alta Difusividad alta Reactividad química alta
26 Límites de macla Límite de grano que tiene simetría de red especular: los átomos de un lado del límite son imágenes especulares de los átomos del otro lado. Adapted from Fig. 4.9, Callister 7e. Se generan por desplazamientos atómicos causados por fuerzas mecánicas cizallantes y por tratamientos térmicos.
27 Maclas Los individuos que forman la macla están relacionados por un elemento de simetría. Aunque el aragonito es ortorrómbico, la macla parece hexagonal debido al ángulo de 120 en el grupo CO 3.
28 Tipos de maclas Calcita (0001) Macla octaédrica (111) en la espinela Macla de Japón del cuarzo Fluorita [111] Piritoedro [001] Macla de Carlsbad [001]
29 Tipos de maclas
30 Mecanismos de formación de maclas Tres principales mecanismos Crecimiento cristalino Transformación Deformación Crecimiento cristalino Transformación Deformación Se forma un nuevo individuo sobre la superficie de otro que crece conservando una relación cristalográfica especial (epitaxia) Al cambiar las condiciones iniciales se producen cambios de fase. Por cizallamiento debido a la presión ejercida por el medio.
31 Otros defectos Defectos de apilamiento Cuando se interrumpe la secuencia de apilamiento. Defectos de fase En materiales polifásicos donde hay un cambio radical en las características físicas y/o químicas
32 Defectos cristalinos bidimensionales Cristal mosaico: dentro de un monocirstal existen zonas con ligeras desorientaciones
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