IMPERFECCIONES EN SÓLIDOS

IMPERFECCIONES EN SÓLIDOS
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
IMPERFECCIONES EN SÓLIDOS
IMPERFECCIONES EN SÓLIDOS
IMPERFECCIONES EN SÓLIDOS / 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.
kB = 1.38x10-23 J/átomosK, o 8.62x10-5 eV/átomo-K,
IMPERFECCIONES EN SÓLIDOS / AUTO-INTERSTICIALES
LA FORMACIÓN DE ESTE
TIPO DE DEFECTO
PUNTUAL NO ES MUY
PROBABLE Y EXISTE EN
CONCENTRACIONES
MUY BAJAS
IMPERFECCIONES EN CERÁMICAS
IMPERFECCIONES EN CERÁMICAS
DEFECTOS FRENKEL
IMPERFECCIONES EN CERÁMICAS/ DEFECTOS SCHOTTKY
IMPERFECCIONES EN CERÁMICAS/
DEFECTO POR REEMPLAZAMIENTO POR IONES DE DIFERENTE CARGA
IMPERFECCIONES EN CERÁMICAS/ DEFECTOS SCHOTTKY
DEFECTOS SCHOTTKY
IMPERFECCIONES EN SÓLIDOS /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:
¾POR SUSTITUCION DE IONES DE SOLVENTE POR IONES SOLUTO (SOLUCIÓN
SÓLIDA SUSTITUCIONAL, QUE PUEDEN SER ORDENADAS O DESORDENADAS)
¾
¾POR LOCALIZACION DE IONES SOLUTO EN VACANTES O EN LUGARES
INTERSTICIALES
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
™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
rSOLUTO − rSOLVENTE
100 ≤ 15%
rSOLVENTE
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
RELACIÓN CRÍTICA =
DSOLUTO
≤ 0.59
DSOLVENTE
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: 0.071 nm FRENTE
A 0.124 nm.
INSERCION
TETRAEDRICA
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.
ACEROS
INSERCION
OCTAEDRICA
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.
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.
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.
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.
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
LOS ÁTOMOS DE IMPUREZAS SE
SEGREGAN PREFERENTEMENTE A LO
LARGO DE LOS LÍMITES DE GRANO
DEBIDO A SU SUPERIOR ESTADO
ENERGÉTICO
SnO2.CuO
SnO2.MnO
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