IRREGULARIDADES DE LOS SÓLIDOS CRISTALINOS

Transcripción

1 IRREGULARIDADES DE LOS SÓLIDOS CRISTALINOS

2 IRREGULARIDADES DEL ARREGLO ATOMICO Se ha descrito el sólido cristalino mediante la aproximación de un cristal ideal Perfección en materiales Pureza composicional Pureza estructural

3 IRREGULARIDADES DEL ARREGLO ATOMICO Las imperfecciones juegan un papel fundamental en numerosas propiedades del material: mecánicas, ópticas, eléctricas, se encuentran dentro de la zona de ordenamiento de largo alcance (grano) Se introducen intencionalmente para beneficiar determinadas propiedades Ejemplos: - Carbono en Fe para mejorar dureza - Cu en Ag para mejorar propiedades mecánicas - Dopantes en semiconductores

4 Clasificación de las imperfecciones en los sólidos (según su forma y geometría):

5 Defectos puntuales: Defecto de vacancia (a) Defecto intersticial (b) Defecto sustitucional (c, d)

6 Defectos puntuales - Son discontinuidades de la red que involucran uno o quizá varios átomos. - Estos defectos o imperfecciones pueden ser generados en el material mediante el movimiento de los átomos al ganar energía por calentamiento; durante el procesamiento del material; mediante la introducción de impurezas; o intencionalmente a través de las aleaciones.

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8 Defecto de Vacancias Se produce cuando falta un átomo en la estructura cristalina Todos los materiales cristalinos tienen defectos de vacancia. Las vacancias pueden producirse durante la solidificación como resultado de perturbaciones locales durante el crecimiento de los cristales. En los metales se pueden introducir vacancias durante la deformación plástica, por enfriamiento rápido desde altas a bajas temperaturas, o como consecuencia de daños por radiación. Las vacancias son importantes cuando se desean mover los átomos en un material sólido (difusión).

9 A temperatura ambiente, la concentración de vacancias es pequeña, pero aumenta en forma exponencial con la temperatura. El número de vacancias en equilibrio a una determinada temperatura en una red cristalina metálica puede expresarse por la siguiente ecuación: n v : cantidad de vacancias por cm 3 n v n exp Qv R T n : cantidad de átomos por cm 3 Q : energía para producir un mol de vacancias (cal/mol o joule/mol) R : constante de los gases (1,987 cal/mol K; 8,31 joule/mol K) T : temperatura en grados Kelvin

10 Defectos Intersticiales Se produce cuando se inserta un átomo en una estructura cristalina en una posición normalmente desocupada. El aumento de sitios intersticiales ocupados en la red cristalina, produce un aumento de la resistencia de los materiales metálicos La cantidad de átomos intersticiales en la estructura es aproximadamente constante (aún cuando cambie la temperatura)

11 Los átomos intersticiales son de mayor tamaño que los sitios intersticiales, por lo cual la región cristalina vecina esta comprimida y distorsionada.

12 Defecto puntual autointersticial Se crea cuando un átomo idéntico a los de la red ocupa una posición intersticial.

13 Defecto Sustitucional Se introduce un defecto sustitucional cuando un átomo es sustituido por otro átomo de distinta naturaleza. Un átomo sustitucional ocupa un sitio normal en la red. Estos átomos cuando son de mayor tamaño, causa una reducción de los espacios interatómicos vecinos. Cuando son de menor tamaño, se produce una mayor distancia interatómica entre los átomos vecinos Los defectos sustitucionales se pueden introducir en forma de impurezas o adicionar de manera deliberada en la aleación. Una vez introducidos, la cantidad de defectos no varia con la temperatura.

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16 Defecto de Frenkel (o par de Frenkel) Es un par vacancia-intersticial que se forma cuando un ión salta de un punto normal de la red a un sitio intersticial y deja atrás una vacancia. Este defecto, que se presenta generalmente en cristales iónicos, también se puede presentar en los metales y en materiales con enlaces covalentes. Defecto de Schottky Es un defecto exclusivo de los materiales iónicos y suele encontrarse en muchos materiales cerámicos. Cuando dos iones de carga opuesta faltan en un cristal iónico, se crea una divacante aniónica-catiónica que se conoce como defecto de Schottky

17 Cristal iónico ilustrando un defecto de Frenkel y un defecto de Schottky

18 IMPERFECCIONES LINEALES: DISLOCACIONES DISLOCACIÓN.- Imperfección lineal alrededor de la cual los átomos del cristal están desalineados DE ARISTA (borde, cuña, línea) Semiplano de átomos cuya arista (borde) termina dentro del cristal. HELICOIDAL Apilación de planos en espiral a lo largo de la línea de dislocación. MIXTAS De carácter doble: arista y helicoidal

19 Dislocación de borde Una dislocación de borde se crea en un cristal por la intersección de un semiplano extra de átomos

20 La dislocación de cuña o de arista, es un defecto lineal centrado alrededor de la línea definida por el extremo del semiplano de átomos extras. La magnitud y la dirección de la distorsión reticular asociada a una dislocación se expresa en función del vector de Burgers, designado por b. El vector de Burgers es el vector necesario para cerrar una trayectoria alrededor d ela línea de dislocación y volver al punto inicial. El vector de Burgers es perpendicular a la línea de dislocación. La dislocación de borde presenta una región de compresión donde se encuentra el semiplano extra y una región de tracción debajo del semiplano extra de átomos.

21 Dislocación de borde en dos dimensiones de un plano compacto

22 Desplazamiento de una dislocación Cambios en las posiciones atómicas que acompañan al movimiento de una dislocación de borde (cuña) a medida que ésta se mueve en respuesta a una tensión de cizalle aplicada.

23 Representación de la analogía entre el movimiento de una oruga y el de una dislocación. Si se aplican esfuerzos de corte, los átomos rompen sus enlaces en el defecto y la dislocación se mueve (deslizamiento), en la dirección de deslizamiento, en el plano de deslizamiento.

24 Cuando se aplica una fuerza cortante en la dirección del vector de Burgers a un cristal que contenga una dislocación, ésta se puede mover, rompiendo los enlaces de los átomos en un plano. El plano de corte se desplaza un poco para establecer enlaces con el plano parcial de átomos originales. El desplazamiento hace que la dislocación se mueva una distancia atómica hacia el lado. Si continua este proceso, la dislocación se mueve a través del cristal hasta que se produce un escalón en el exterior del mismo. El cristal se ha deformado plásticamente

25 Línea de dislocación: línea que va a lo largo del plano extra de átomos que termina dentro del cristal Plano de deslizamiento: plano definido por la línea de dislocación y el vector de deslizamiento. Símbolo: las dislocaciones de borde se simbolizan con un signo de perpendicular,. Cuando el signo apunta hacia arriba, el plano extra de átomos está sobre el plano de deslizamiento y la dislocación se le llama positiva. Cuando el signo apunta hacia abajo, T, el plano extra de átomos está bajo el plano de deslizamiento y la dislocación es negativa.

26 Dislocación de tornillo (helicoidal) Una dislocación de tornillo se puede formar en un cristal perfecto aplicando tensiones de cizalladura en las regiones del cristal perfecto que han sido separadas por un plano cortante. Estas tensiones de cizalladura introducen en la estructura cristalina una región de distorsión en forma de una rampa en espiral de átomos distorsionados.

27 Formación de una dislocación helicoidal

28 Dislocación mixta La línea de dislocación puede presentar partes de carácter de borde y otras de carácter de tornillo. El desorden atómico varia a lo largo de la curva AB

29 Dislocación de tornillo Dislocación mixta

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31 Importancia de las dislocaciones Es un mecanismo que explica la deformación plástica de los metales, ya que el esfuerzo aplicado causa el movimiento de las dislocaciones. La presencia de dislocaciones explica porque la resistencia de los metales es mucho mas baja que el valor calculado a partir de la unión metálica (rompimiento de enlaces) [ más baja que la resistencia teórica] El deslizamiento proporciona ductilidad a los metales, de lo contrario éstos serian frágiles y no podrían ser conformados (materiales cerámicos, polímeros, materiales iónicos) Se controlan las propiedades mecánicas de un metal o aleación interfiriendo el movimiento de las dislocaciones (un obstáculo introducido en el cristal evita que una dislocación se deslice, a menos que se apliquen esfuerzos mayores, por lo tanto aumenta la resistencia).

32 Importancia de los defectos puntuales Los defectos puntuales alteran el arreglo perfecto de los átomos circundantes, distorsionando la red a lo largo de cientos de espaciamientos atómicos, a partir del defecto. Una dislocación que se mueva a través de las cercanías de un defecto puntual encuentra una red en la cual los átomos no están en sus posiciones de equilibrio. Esta alteración requiere que se aplique un esfuerzo mayor para que la dislocación venza al defecto, incrementando así la resistencia y dureza del material

33 Si los átomos solutos se reúnen preferentemente alrededor de las dislocaciones, la fuerza necesaria para mover una dislocación puede aumentar considerablemente.

34 Defectos de superficie Son límites o planos que separan un material en regiones, cada región tiene la misma estructura cristalina, pero distinta orientación Las dimensiones exteriores del material representan superficies en donde termina el cristal. Cada átomo en la superficie ya no tiene el número adecuado de coordinación y se interrumpe el enlazamiento atómico El límite de grano, que es la superficie que separa los granos individuales, es una zona angosta donde los átomos no tienen la distancia correcta entre sí; existen zonas de compresión y otras de tracción.

35 (a) Esquema que muestra el ordenamiento de los átomos en la formación del borde de grano. (b) Granos y límites de grano en una muestra de acero inoxidable.

36 Material policristalino

37 Un método para controlar las propiedades de un material es controlar el tamaño del grano, ya sea durante la solidificación o durante el tratamiento térmico. En los metales, los límites de grano se originan durante la solidificación cuando los cristales formados a partir de diferentes núcleos crecen simultáneamente juntándose unos con otros Al reducir el tamaño de grano, se aumenta la resistencia del material, ya que no permiten el deslizamiento de las dislocaciones Un material con un tamaño de grano grande tiene menor resistencia y menor dureza.

38 Importancia de los defectos En los materiales metálicos, los defectos como las dislocaciones, defectos puntuales y límites de grano sirven como obstáculo a las dislocaciones. Es posible controlar la resistencia de un material metálico controlando la cantidad y el tipo de imperfección Endurecimiento por deformación Endurecimiento por solución sólida Endurecimiento por tamaño de grano

39 Endurecimiento por deformación Los átomos vecinos a una línea de dislocación están en compresión y/o tracción. Se requieren esfuerzos mayores para mover una dislocación cuando se encuentra con otra dislocación Al incrementar el número de dislocaciones, se aumenta la resistencia del material Metal más resistente

40 Endurecimiento por solución sólida El defecto puntual altera la perfección de la red Se requiere de mayor esfuerzo para que una dislocación se deslice Al introducir intencionalmente átomos sustitucionales o intersticiales, se genera un endurecimiento por solución sólida

41 Endurecimiento por tamaño de grano Los limites de grano alteran el arreglo atómico El movimiento de las dislocaciones se bloquea en los bordes de grano Al incrementar el número de granos o al reducir el tamaño de éstos, se produce endurecimiento por tamaño de grano.