MT-2511 Tema 2.3 Imperfecciones En Arreglos

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
INCLUSIONES EXTRAÑAS.
TRIDIMENSIONALES:
POROS,
FISURAS
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.
DEFECTOS PUNTUALES: CONCENTRACION DE
VACANCIAS
n
n exp
Qv
RT
n es la cantidad de atomos por cm3
Q es la energía necesaria para producir un mol de vacancias1.987calK
T es la temperatura en K
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 = 1,38.10-16erg/ºK = 8,31.10-7 erg/ºKmol =
8,63.10-5 eV/ºK
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.
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.
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.
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.
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.
DEFECTOS LINEALES: MEZCLA DE DISLOCACIONES
La mayor parte de las dislocaciones son
una
mezcla
de
ambas,
tienen
componentes de borde y helicoidal.
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.
DEFECTOS DE SUPERFICIE
FALLAS DE APILAMIENTO.
Se observa como la interrupción de la secuencia de apilamiento
ordenado de las estructuras cristalinas
Falla intrínseca: esta
falla se representa
por la falta de parte
de una capa, de
átomos en la
secuencia de
apilamiento.
Fronteras superficiales,
interfases o
planos que separan un
material en
regiones de la misma
estructura
cristalina pero con
distintas
orientaciones
cristalográficas.
Falla extrínseca: esta
falla se representa
por la existencia de
una capa adicional
en la secuencia de
apilamiento
AAAAAAA AAAAA
BBBBBBB BBBBB
CCCCCCC CCCCC
AAAAAAA AAAAA
BBBBBBB BB
CCCCCC CCCCCC
AAAAAAA
BBBBBBB
CCCCCCC
AAAAAAA
BBBBBBB
CCCCCCC
AAAAA
BBBBB
CCCCC
AAAAA
bbbbbb
bbbbbb
CCCCC
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
LIMITES DE GRANO
Los bordes de grano son límites
que separan granos (cristales)
de diferentes orientaciones en
un agregado policristalino.
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
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."
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.