IMPERFECCIONES CRISTALINAS

Transcripción

1 IMPERFECCIONES CRISTALINAS LOS DEFECTOS O IMPERFECCIONES AFECTAN LAS PROPIEDADES FISICAS Y MECANICAS: AFECTAN LA CAPACIDAD DE FORMACION DE ALEACIONES EN FRIO. CONDUCTIVIDAD ELECTRICA DE SEMICONDUCTORES VELOCIDAD DE MIGRACION DE ATOMOS EN ALEACIONES CORROSION DE METALES CLASIFICACION DE LAS IMPERFECCIONES DE LA RED CRISTALINA: 1. DEFECTOS PUNTUALES DE DIMENSION CERO 2. DEFECTOS DE LINEA O DE UNA DIMENSION (DISLOCACIONES) 3. DEFECTOS DE DOS DIMENSIONES QUE INCLUYEN SUPERFICIES EXTERNAS Y LIMITES DE GRANO INTERNOS. DEFECTOS MACROSCOPICOS TRIDIMENSIONALES: POROS, FISURAS INCLUSIONES EXTRAÑAS.

2 DEFECTOS PUNTUALES Son aquellos referidos a nivel atómico o imperfecciones asociadas a los puntos reticulares, este tipo de defecto rompe la estructura del cristal en dimensiones atómicas. Estos defectos pueden ser: Vacancias: Se definen como la ausencia de un átomo en el esquema periódico de repetición de la estructura cristalina, o por la pérdida del átomo que se encontraba en esa posición. O simplemente una posición atómica desocupada. Se producen: Perturbaciones locales durante el crecimiento de los cristales. Reordenamiento atómico en un cristal. Deformación plástica del metal Enfriamiento rápido de mayores a menores temperatura. Intersticiales: Son aquellos átomos de una sustancia que por sus dimensiones se introduce en un intersticio, es decir, en un lugar vacío de la estructura propia de otra sustancia.

3 DEFECTOS PUNTUALES: CONCENTRACION DE VACANCIAS n n nexp es la Qv RT cantidad de Q es la energía necesaria T es latemperatura en K atomos por cm 3 para producirunmol devacancias1.987 calk

4 DEFECTOS PUNTUALES: CONCENTRACION DE VACANCIAS Concentración de Vacancias (Cv): Se define como el cociente del número de sitios vacantes entre el número de átomos de la estructura: Cv = /N La concentración de vacancias es una función de la energía de activación para generar la vacancia y de la temperatura, es decir: Cv = e-ev/rt : Constante propia del material Ev: Energía de activación para formar una vacancia R:Constante de Boltzman = 1, erg/ºK = 8, erg/ºkmol = 8, ev/ºk

5 DEFECTOS PUNTUALES EN CRISTALES IONICOS Los defectos puntuales en los sólidos iónicos son más complejos, debido a la necesidad de mantener la neutralidad eléctrica de los mismos. Si un catión se mueve hacia una posición intersticial en un cristal iónico, una vacante de catión se crea en la posición del ión. Esta dualidad vacante-defecto intersticial se llama imperfección de FrenKel. Defecto de Frenkel: Es aquel en el cual un ión toma una posición intersticial. Cuando dos iones de carga opuesta se pierden en un cristal iónico, se crea un par de huecos debidos al anión y al catión conocido como imperfección Scholtky. Defecto de Schottky: Es aquel en el cual existe una vacancia de un par de iones.

6 DEFECTOS DE LINEA (DISLOCACIONES) Las dislocaciones, en sólidos cristalinos son defectos que dan lugar a una distorsión de la red centrada en torno a una línea. Se crean: 1. Durante la solidificación de los sólidos cristalinos 2. Se pueden formar por deformación plástica del sólido cristalino, por condensación de vacantes y por emparejamientos atómicos incorrectos en soluciones sólidas. LAS DISLOCACIONES SON DEFECTOS DE DESEQUILIBRIO Y ALMACENAN ENERGIA EN LA REGION DISTORSIONADA EN LA RED DEL CRISTAL EN TORNO A LA DISLOCACION.

7 DEFECTOS LINEALES: DISLOCACION DE BORDE SE CREA EN UN CRISTAL POR INSERCION DE UN SEMIPLANO ADICIONAL DE ATOMOS. UNA, INDICA UNA DISLOCACION DE BORDE POSITIVA. UNA T INDICA UNA DISLOCACION DE BORDE NEGATIVA. LA DISTANCIA DE DESPLAZAMIENTO DE LOS ATOMOS EN TORNO A UNA DISLOCACION SE DENOMINA DESLIZAMIENTO O VECTOR b DE BURGERS Y ES PERPENDICULAR A LA LINEA DE DISLOCACION DE BORDE. ESTA TIENE UNA ZONA DE ESFUERZO DE COMPRESION DONDE SE ENCUENTRA EL SEMIPLANO ADICIONAL DE ATOMOS Y UNA DE TENSION POR DEBAJO DEL SEMIPLANO DE ATOMOS.

8 DEFECTOS LINEALES: DISLOCACION HELICOIDAL Se forma en un cristal por aplicación de esfuerzos de cizalladura en las regiones de un cristal que han sido separadas por un plano cortante. Estos esfuerzos introducen en la red una región de distorsión en forma de espiral o rampa helicoidal que los planos atómicos trazan alrededor de la línea de dislocación. Esta región no esta bien definida pero alcanza el ancho de varios átomos. En torno a este tipo de dislocación se crea una tensión de cizalla en la que se almacena energía. En este tipo de dislocación el vector burgers es paralelo a la línea de dislocación.

9 DISLOCACIONES La red cristalina se distorsiona alrededor de una línea. Se crean durante la solidificación del sólido cristalino, por deformación plástica del cristal, por condensación de vacantes, por desajustes de tamaños atómicos en disoluciones sólidas. Dislocación tornillo : Se genera en un plano que se somete a un esfuerzo de corte. Se provoca un desplazamiento que genera una superficie de un plano en forma de espiral semejante al movimiento de un tornillo. Aquí la línea de dislocación y el vector desplazamiento b son paralelos. Dislocación de Borde: La distancia de desplazamiento de los átomos alrededor de una dislocación se denomina vertor b de deslizamiento o de Burgers y es perpendicular a la línea de dislocación [esta es perpendicular al plano del dibujo]. Hay una zona de compresión donde se insertó el plano y una de tracción por debajo del mismo.

10 DEFECTOS LINEALES: MEZCLA DE DISLOCACIONES La mayor parte de las dislocaciones son una mezcla de ambas, tienen componentes de borde y helicoidal.

11 DEFECTOS SUPERFICIALES O PLANARES - BORDES DE GRANO Los defectos superficiales son los límites o bordes o planos que dividen un material en regiones, cada una de las cuales tiene la misma estructura cristalina pero diferente orientación. Los bordes de grano son imperfecciones en la superficie que separa los granos [cristales] de diferentes orientaciones en materiales policristalinos. Es una región de átomos mal distribuidos entre granos adyacentes. En los metales los límites de grano se crean durante la solidificación cuando los cristales formados a partir de diferentes núcleos crecen simultáneamente y se encuentran unos con otros. El borde de grano es una región estrecha. El empaquetamiento atómico de los bordes de grano es algo menor que dentro de los granos. El más bajo empaquetamiento atómico también permite la difusión más rápida de los átomos en la región de los bordes de grano. La energía más alta de los bordes de grano y su estructura más abierta hacen de ellos una región más favorable para la nucleación y el crecimiento de precipitados. A temperaturas normales los bordes de grano limitan el flujo plástico que permite el movimiento de dislocaciones.

12 DEFECTOS DE SUPERFICIE FALLAS DE APILAMIENTO. Se observa como la interrupción de la secuencia de apilamiento ordenado de las estructuras cristalinas Fronteras superficiales, interfases o planos que separan un material en regiones de la misma estructura cristalina pero con distintas orientaciones cristalográficas. Falla intrínseca: esta falla se representa por la falta de parte de una capa, de átomos en la secuencia de apilamiento. Falla extrínseca: esta falla se representa por la existencia de una capa adicional en la secuencia de apilamiento A A A A A A A A A A A A B B B B B B B B B B B B C C C C C C C C C C C C A A A A A A A A A A A A B B B B B B B B B C C C C C C C C C C C C A A A A A A A A A A A A B B B B B B B B B B B B C C C C C C C C C C C C A A A A A A A A A A A A B B B B B B B b b b b b b C C C C C C C b b b b b b C C C C C

13 DEFECTOS DE SUPERFICIE MACLA es un tipo especial de límite de grano en el cual los átomos de un lado del límite están localizados en una posición que es la imagen especular de los átomos del otro lado. Las maclas consisten en agrupaciones homogéneas de la misma especie que poseen en común dos de sus tres direcciones cristalográficas principales. Muchas maclas se reconocen fácilmente debido a que en ellas existen ángulos entrantes dirigidos hacia el interior del cristal. MACLAS EN UN ACERO AUSTENITICO 304

14 Los bordes de grano son límites que separan granos (cristales) de diferentes orientaciones en un agregado policristalino. LIMITES DE GRANO Se crean durante la solidificación cuando los cristales se han formado a partir de diferentes núcleos que crecen simultáneamente juntándose unos a otros. La energía más alta de los bordes de grano y su estructura más abierta, hacen de ellos una región más favorable para la nucleación y el crecimiento de precipitados. También el más bajo empaquetamiento atómico en los bordes de grano, permite la difusión más rápida de los átomos en la región de los bordes de grano. A temperaturas normales, los Bordes de Grano, limitan el flujo plástico creando dificultades para el movimiento Estructura bidimensional un materia de (a) Aceros de bajo carbono (b) Oxido de Magnesi o

15 ESTRUCTURA DE GRANO EN LOS MATERIALES Grano: Regiones de dimensiones menores a 0.1 mm que conservan un orden de largo alcance. Todo aquello (visto en el microscopio) de dimensiones superiores a 1 µ de ancho, puede ser considerado un grano. En general, los materiales de grano fino muestran mejor tenacidad o resistencia al impacto, además son más duros y fuertes que los materiales de grano grueso. Sólido Policristalino formado por muchos granos orientados en forma aleatoria y separados por fronteras de granos. Límite de Grano: Es la frontera entre un cristal y otro, es decir, es el lugar donde la regularidad cambia de dirección. En los límites de grano, la energía interna de la estructura es mayor que en el centro del grano. Fase: Se define como fase de un sistema de aleación a una porción físicamente diferenciable y químicamente homogénea (uniforme en su composición química). "Es una porción coexistente y homogénea químicamente en un sistema de aleación. De composición química y propiedades diferentes a la matriz que la contiene."

16 EFECTOS DE LA PRESENCIA DE DEFECTOS 1. La incorporación de impurezas en materiales semiconductores pueden incrementar su conductividad. 2. Las propiedades de los materiales pueden modificarse a través de procesos de difusión en sólidos que involucran movimientos de vacancias y de impurezas intersticiales (semiconductores). 3. La dureza de los metales puede incrementarse por el agregado de impurezas intersticiales o sustitucionales, ya que incrementan la tensión en la red. Se incrementa la resistencia al deslizamiento. Se dificulta la iniciación y continuidad de la deformación plástica. 4. Las dislocaciones están estrechamente ligadas a los procesos de deformación plástica de materiales. 5. La presencia de los bordes de grano afecta las propiedades de los materiales. 6. A mayor tamaño de grano, mejor conductividad eléctrica pues el borde de grano impide el movimiento de los electrones. 7. A mayor tamaño de grano, menor resistencia mecánica, pues las dislocaciones tendrán mayor movilidad dentro del cristal.