IRREGULARIDADES DEL ARREGLO

Transcripción

1 IRREGULARIDADES DEL ARREGLO ATOMICO CRISTALINO INTRODUCCION -Todos los materiales tienen defectos en el arreglo de los átomos en los cristales. - Estas irregularidades tienen efectos en el comportamiento del material -Tres tipos básicos de defectos en una red: puntuales, de línea (dislocaciones) y de superficie. -Tales irregularidades no implica que el material en sí sea defectuoso.

2 IRREGULARIDADES DEL ARREGLO ATOMICO CRISTALINO - Controlando las irregularidades se hacen más resistentes los metales y aleaciones, imanes más potentes, transistores más eficientes, i etc. - En el silicio monocristalino (para fabricar chips) no es deseable la presencia de dislocaciones. - Se puede crear en forma intencional los defectos para obtener ciertas propiedades electrónicas, ópticas y mecánicas. - El hierro puro es relativamente suave, cuando se le agrega una pequeña cantidad de carbono se crean defectos en el arreglo cristalino del hierro y se convierte en un acero al carbono, que tiene mayor resistencia. - Pequeñas concentraciones de elementos en un metal, bajan su conductividad eléctrica; de ahí la aplicación del cobre puro como conductor. - Los límites de grano son considerados una clase de defecto.

3 Defectos Puntuales Los defectos puntuales son discontinuidades de la red que involucran uno o vario átomos que distorsionan el acomodamiento perfecto de los átomos circundantes. Estas imperfecciones se pueden introducir por el movimiento de los átomos al aumentar la energía por calentamiento, durante el procesamiento del material, por introducción de impurezas o dopado. Las impurezas son compuestos presentes en la materia prima o en el procesamiento. Los dopantes son compuestos que se agregan en forma deliberada y en concentraciones conocidas buscando un beneficio en las propiedades. El fósforo y el boro en el silicio puro aumenta la conductividad eléctrica.

4 Defectos Puntuales Los principales defectos puntuales son: - Huecos o Vacantes.- Se produce un hueco o vacante cuando se pierde un átomo en un nodo normal, aumenta el desorden normal o entropía del material. Estas se producen en la estructura cristalina durante la solidificación, a elevadas temperaturas. Normalmente, menos de un punto de la red por cada millón contiene un hueco a temperatura ambiente.

5 Huecos o Vacantes El colapsamiento de los átomos estira los enlaces interatómicos y crea una zona de esfuerzo de tracción. Su variación es exponencial y directamente proporcional a la temperatura.

6 Defectos Puntuales Defecto intersticial.- Se deben a la inserción de un átomo en una red completa. Comprime los lazos interatómicos, empuja a los átomos circundantes y crea una zona de esfuerzo de compresión. Los átomos de carbono se agregan en forma intersticial i i al hierro.

7 Defectos Puntuales Átomo sustitucional.- Se deben a la inserción de un átomo de un distinto elemento químico en una red, obteniéndose como resultado una matriz completa. Según el tipo de átomo de inserción se pueden tener dos tipos de redes Átomo sustitucional pequeño.- Cuando el átomo insertado es más pequeño que los circundantes; los átomos circundantes se colapsan hacia el defecto puntual, estirando los enlaces entre los átomos cercanos y produciendo un campo de esfuerzo de tracción. Átomo sustitucional pequeño

8 Defectos Puntuales Átomo sustitucional grande.- Cuando el átomo insertado es más grande que los circundantes y empuja a los demás átomos generando un esfuerzo de compresión. Átomo sustitucional Grande

9 Defectos Puntuales Tanto el defecto intersticial como el sustitucional se presenta en los materiales como impurezas e inclusive pueden ser intencionalmente introducidos como elementos de aleación. La adición intencional de átomos intersticiales y sustitucionales en la estructura de un material es la base para el endurecimiento por solución sólida de los materiales

10 DISLOCACIONES Las dislocaciones i son imperfecciones i linealesl en una red que de otra forma sería perfecta. Existen tres tipos de dislocaciones: de tornillo, de borde y mixta. Dislocación ió de tornillo.- La dislocación ió de tornillo se puede ilustrar haciendo un corte parcial a través de un cristal perfecto, torciéndolo y desplazando un lado del corte sobre el otro la distancia de un átomo. Se forma cuando se aplica un esfuerzo de cizalladura en un cristal perfecto

11 DISLOCACIONES Dislocación de borde o de arista.- Una dislocación de borde se puede ilustrar haciendo un corte parcial a través de un cristal perfecto, separándolo y rellenando parcialmente el corte con un plano de átomos adicional. El borde inferior de este plano adicional representa la dislocación de borde. Si las dislocaciones siguen introduciéndose por un lado del cristal y se mueven a través del mismo en la misma dirección, el cristal podría partirse en dos. El proceso por el cual se mueve una dislocación y causa que un metal se deforme se denomina deslizamiento

12 SIGNIFICADO DE LAS DISLOCACIONES Aunque en algunos materiales cerámicos y polímeros puede ocurrir deslizamiento, el proceso de deslizamiento es de particular utilidad para entender el comportamiento mecánico de los metales. En primer término, el deslizamiento explica por qué la resistencia de los metales es mucho menor que el valor predecible a partir del enlace metálico. Si ocurre el deslizamiento, sólo es necesario que se rompa en algún momento una pequeña fracción de todas las uniones metálicas a través de la interfase, por lo que la fuerza requerida para deformar el metal resulta pequeña. Segundo, el deslizamiento i proporciona ductilidad d a los metales; los metales no podrían ser conformados, por ejemplo, la barra de hierro sería frágil. Tercero, se controlan las propiedades mecánicas, por ejemplo, al interferir el movimiento de las dislocaciones (obstáculo) el metal debe ser más resistente.

13 DEFECTOS DE SUPERFICIE Los defectos de superficie son las fronteras que separan a un material en regiones de la misma estructura cristalina pero con orientaciones cristalográficas distintas. Bordes de grano.- La microestructura de los metales y de muchos materiales sólidos constan de muchos granos o cristales contiguos. Un grano, por ser un monocristal, es una porción del material dentro de la cual el ordenamiento de los átomos es idéntico, pero para cada grano contiguo el arreglo es diferente. Un borde de grano es la superficie que separa los granos individuales. En las superficies externas del material la red termina de manera abrupta. Se pueden controlar las propiedades de un material a través del endurecimiento por tamaño de grano. Reduciendo el tamaño de grano se incrementa el número de granos por unidad de volumen y por consiguiente la cantidad de bordes de grano, incrementándose la resistencia del metal al obstaculizar el movimiento de las dislocaciones.

14 DEFECTOS DE SUPERFICIE La norma ASTM define el tamaño de grano. En general un tamaño fino de grano relaciona alta resistencia. Disminuir el tamaño de grano se llama afinar. FIGURA Los átomos cerca de las fronteras de los tres granos no tienen un espaciamiento o arreglo de equilibrio.