IMPERFECCIONES EN SÓLIDOSS

Transcripción

1 IMPERFECCIONES EN SÓLIDOSS UN ORDENAMIENTO PERFECTO DE LOS ÁTOMOS EN LOS MATERIALES CRISTALINOS SOLAMENTE PUEDE OCURRIR A UNA TEMPERATURA DE 0 K. TAL SÓLIDO IDEAL NO EXISTE: TODOS TIENEN GRAN NÚMERO DE DEFECTOS E IMPERFECCIONES DE ÍNDOLE VARIADA. MUCHAS DE LAS PROPIEDADES DE LOS MATERIALES SON MUY SENSIBLES AL DESVÍO DE LA PERFECCIÓN CRISTALINA. ESTA INFLUENCIA NO SIEMPRE ES NEGATIVA, SINO QUE ALGUNAS CARACTERÍSTICAS ESPECÍFICAS SE CONSIGUEN DELIBERADAMENTE INTRODUCIENDO CANTIDADES CONTROLADAS DE DEFECTOS PARTICULARES

2 IMPERFECCIONES EN SÓLIDOSS

3 IMPERFECCIONES EN SÓLIDOSS

4 IMPERFECCIONES EN SÓLIDOS S / VACANTES EL MÁS SIMPLE DE LOS DEFECTOS PUNTUALES ES LA VACANTE, QUE ES LA AUSENCIA DE UN ÁTOMO EN UN PUNTO DEL RETICULADO CRISTALINO. TALES DEFECTOS PUEDEN SER EL RESULTADO DE UN EMPAQUETAMIENTO IMPERFECTO DURANTE LA CRISTALIZACIÓN PRIMARIA (SOLIDIFICACIÓN) O PUEDEN ORIGINARSE DEBIDO AL AUMENTO DE LAS VIBRACIONES TÉRMICAS DE LOS ÁTOMOS A ALTAS TEMPERATURAS QUE ELEVAN LA PROBABILIDAD INDIVIDUAL DE LOS ÁTOMOS DE SALTAR DESDE POSICIONES DE BAJA ENERGÍA A ALTA, DESPLAZÁNDOLOS DE SUS POSICIONES RETICULARES NORMALES. k B = 1.38x10-23 J/átomosK, o 8.62x10-5 ev/átomo-k,

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6 IMPERFECCIONES EN SÓLIDOS S / AUTO-INTERSTICIALES LA FORMACIÓN DE ESTE TIPO DE DEFECTO PUNTUAL NO ES MUY PROBABLE Y EXISTE EN CONCENTRACIONES MUY BAJAS

7 IMPERFECCIONES EN CERÁMICAS

8 IMPERFECCIONES EN CERÁMICAS

9 DEFECTOS FRENKEL

10 IMPERFECCIONES EN CERÁMICAS/ DEFECTOS SCHOTTKY

11 IMPERFECCIONES EN CERÁMICAS/ DEFECTO POR REEMPLAZAMIENTO POR IONES DE DIFERENTE CARGA

12 IMPERFECCIONES EN CERÁMICAS/ DEFECTOS SCHOTTKY

13 DEFECTOS SCHOTTKY

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15 IMPERFECCIONES EN SÓLIDOS S /IMPUREZAS ESTOS DEFECTOS CRISTALINOS PUNTUALES SE DEBEN A ÁTOMOS O IONES EXTRAÑOS (IMPUREZAS QUIMICAS) QUE OCUPAN, BIEN LUGARES REGULARES DE LA RED CRISTALINA O BIEN POSICIONES INTERSTICIALES. LAS SOLUCIONES SÓLIDAS INCLUYEN UNA DISTRIBUCIÓN DE IONES SOLUTO (FORMA ATÓMICA MENOS ABUNDANTE) EN LA ESTRUCTURA CRISTALINA DEL DISOLVENTE (FORMA ATÓMICA MÁS ABUNDANTE) BIEN: POR SUSTITUCION DE IONES DE SOLVENTE POR IONES SOLUTO (SOLUCIÓN SÓLIDA SUSTITUCIONAL, QUE PUEDEN SER ORDENADAS O DESORDENADAS) POR LOCALIZACION DE IONES SOLUTO EN VACANTES O EN LUGARES INTERSTICIALES

16 SOLUCIONES SÓLIDAS SUSTITUCIONALES EL SOLUTO O LAS IMPUREZAS REEMPLAZAN A ÁTOMOS ORIGINALES. ESTO SE DA CUANDO LOS ÁTOMOS QUE CONSTITUYEN EL SOLUTO Y EL SOLVENTE CUMPLEN LOS SIGUIENTES REQUERIMIENTOS (REGLAS DE HUME-ROTHERY): LOS RADIOS ATÓMICOS NO DIFIERAN MÁS DEL 15% SINO LOS ÁTOMOS DEL SOLUTO CREAN GRANDES DISTENSIONES EN LA RED Y APARECE UNA NUEVA FASE r SOLUTO r r SOLVENTE SOLVENTE % 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

17 SOLUCION SÓLIDA INTERSTICIAL LA LOCALIZACIÓN DE UN ÁTOMO EXTRA EN UN LUGAR INTERSTICIAL ES TANTO MÁS FÁCIL CUANTO MENOR SEA EL FACTOR DE EMPAQUETAMIENTO DE LA ESTRUCTURA CRISTALINA Y CUANTO MENOR SEA EL TAMAÑO DEL ÁTOMO. LA DISTORSIÓN QUE SE PRODUCE SERÁ TANTO MAYOR CUANTO MAYOR SEA EL ÁTOMO Y MENOR SEA EL TAMAÑO DEL LUGAR INTERSTICIAL. EL TAMAÑO DE LOS LUGARES INTERSTICIALES ES MENOR QUE EL TAMAÑO DE LOS ÁTOMOS SOLVENTES. LA SOLUBILIDAD INTERSTICIAL TIENE LUGAR DE UNA FORMA SIGNIFICATIVA CUANDO LA RELACIÓN ENTRE LOS DIÁMETROS DE LOS ÁTOMOS DE SOLUTO Y DE SOLVENTE ES MENOR DE 0,59 DSOLUTO RELACIÓN CRÍTICA = 0.59 D SOLVENTE

18 SOLUCION SÓLIDA INTERSTICIAL LAS POSICIONES INTERSTICIALES SON RELATIVAMENTE PEQUEÑAS EN LOS MATERIALES METÁLICOS, QUE TIENEN FACTORES DE EMPAQUETAMIENTO RELATIVAMENTE ELEVADOS. POR CONSIGUIENTE, LOS DIÁMETROS ATÓMICOS DE LAS IMPUREZAS INTERSTICIALES DEBEN SER CONSIDERABLEMENTE MENORES QUE LOS DEL DISOLVENTE EL CARBONO FORMA DISOLUCIONES INTERSTICIALES AL ADICIONARSE AL HIERRO. LA CONCENTRACIÓN MÁXIMA DE CARBONO ES DE UN 2%. EL RADIO ATÓMICO DE LOS ÁTOMOS DE CARBONO ES MUCHO MENOR QUE EL DEL HIERRO: nm FRENTE A nm.

19 INSERCION TETRAEDRICA ACEROS INSERCION OCTAEDRICA Red cristalina cúbica centrada en el cuerpo de la fase ferrita del acero. El átomo negro representa al carbono, el cual se ubica en los huecos más grandes que quedan entre los átomos de hierro. La ferrita acepta muy poco carbono en su interior. Red cristalina cúbica centrada en las caras de la fase austenita del acero. En este caso los átomos de carbono se acomodan en el centro de las aristas del cubo. La austenita puede aceptar hasta el 2% en masa, de carbono.

20 El carbono tiene un gran influencia en el comportamiento mecánico de los aceros. La resistencia de un acero simple con un 0.5% de carbono es más de dos veces superior a la de otro con 0.1%. Además, como puede apreciarse en la figura, si el contenido de carbono llega al 1%, la resistencia casi se triplica con respecto al nivel de referencia del 0.1%. Efecto del contenido del carbono en la resistencia de los aceros.

21 El carbono, sin embargo, generalmente reduce la ductilidad del acero. La ductilidad es una medida de la capacidad de un material para deformarse, en forma permanente, sin llegar a la ruptura. Por ejemplo, el vidrio de las ventanas no es nada dúctil. Cualquier intento por deformarlo, estirándolo o doblándolo, conduce inmediatamente a la fractura. El aluminio, por el contrario, es sumamente dúctil. Un acero de 0.1%. de carbono es más de cuatro veces más d ñctil que otro con 1% de carbono y dos veces más que un tercero con 0.5% de carbono, como se indica en la figura. En esta gráfica, a la ductilidad se le expresa como un porcentaje. Este se determina estirando una barra de acero hasta llevarla a la fractura para después calcular el incremento porcentual de su longitud.

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26 DEFECTOS INTERFACIAL/ LÍMITES DE GRANO LÍMITE QUE SEPARA DOS PEQUEÑOS GRANOS O CRISTALES QUE TIENEN DIFERENTES ORIENTACIONES CRISTALOGRÁFICAS EN MATERIALES POLICRISTALINOS. EN LA FIGURA SE HA ESQUEMATIZADO UN LÍMITE DE GRANO DESDE UNA PERSPECTIVA ATÓMICA. EN LA REGIÓN LÍMITE (QUE TIENE PROBABLEMENTE VARIAS DISTANCIAS ATÓMICAS DE ANCHO) HAY UN CIERTO DESALINEAMIENTO EN LA TRANSICIÓN DESDE LA ORIENTACIÓN CRISTALINA DE UN GRANO A LA DEL GRANO VECINO. SON POSIBLES VARIOS GRADOS DE DESALINEAMIENTO CRISTALOGRÁFICO ENTRE GRANOS VECINOS. CUANDO LA DIFERENCIA DE ORIENTACIONES ES PEQUEÑA, DEL ORDEN DE UNOS POCOS GRADOS, SE DENOMINA LÍMITE DE GRANO DE ÁNGULO PEQUEÑO.

27 A LO LARGO DE UN LÍMITE DE GRANO, NO TODOS LOS ÁTOMOS ESTÁN ENLAZADOS CON OTROS ÁTOMOS Y, POR LO TANTO, EXISTE UNA ENERGÍA DE LIMITE DE GRANO SIMILAR A LA ENERGÍA SUPERFICIAL. LA MAGNITUD DE ESTA ENERGÍA ES FUNCIÓN DEL GRADO DE DESORIENTACIÓN, SIENDO MAYOR CUANTO MAS ELEVADO ES EL ÁNGULO DEL LÍMITE COMO CONSECUENCIA DE LA ENERGÍA DE ESTE LÍMITE LOS LÍMITES DE GRANO SON, QUÍMICAMENTE, MAS REACTIVOS QUE LOS PROPIOS GRANOS SnO 2.CuO SnO 2.MnO LOS ÁTOMOS DE IMPUREZAS SE SEGREGAN PREFERENTEMENTE A LO LARGO DE LOS LÍMITES DE GRANO DEBIDO A SU SUPERIOR ESTADO ENERGÉTICO

28 DEFECTOS INTERFACIAL/ LÍMITES DE GRANO LA ENERGÍA INTERFACIAL TOTAL ES MENOR EN MATERIALES CON GRANDES GRANOS QUE CON PEQUEÑOS GRANOS, YA QUE EL ÁREA TOTAL DE LÍMITE DE GRANO ES MENOR. A ELEVADA TEMPERATURA LOS GRANOS CRECEN PARA DISMINUIR LA ENERGÍA DE LÍMITE DE GRANO TOTAL A PESAR DE ESTA DISPOSICIÓN DESORDENADA DE LOS ÁTOMOS Y DE LA AUSENCIA DE ENLACE COMPLETO A LO LARGO DE LOS LÍMITES DE GRANO, UN MATERIAL POLICRISTALINO ES MUY RESISTENTE. EXISTEN FUERZAS COHESIVAS DENTRO Y A TRAVÉS DE LOS LÍMITES LA DENSIDAD DE UNA MUESTRA POLICRISTALINA ES VIRTUALMENTE IDÉNTICA A LA DE UN MONOCRISTAL DEL MISMO MATERIAL