Tema 3. Solidificación, defectos y difusión en sólidos

Tema 3. Solidificación, defectos y
difusión en sólidos
2.
Defectos
a)
b)
c)
3.
Difusión en sólidos
a)
b)
c)
d)
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Defectos puntuales
Dislocaciones
Defectos superficiales
Generalidades
Mecanismos de difusión
Ritmo de difusión (1ª Ley de Fick)
Perfil de composición (2ª Ley de Fick)
Índice
1
Defectos puntuales (I)
Alteraciones o discontinuidades puntuales de la red cristalina
provocadas por uno o varios átomos
Origen: movimiento de átomos durante el calentamiento o el procesado
del material, introducción de impurezas o por aleación
• Vacantes: un átomo falta de su sitio normal en la red cristalina
– Origen: durante la solidificación a alta temperatura o como
consecuencia de los daños provocados por la radiación (intencionados)
– Número de vacantes en la red:
• Defectos intersticiales: un átomo adicional se inserta en una
posición habitualmente desocupada de la red cristalina
– Los átomos intersticiales son mayores que los huecos intersticiales que
ocupan y menores que los átomos reticulares que los rodean (distorsión
de la red)
– Número: prácticamente constante con la temperatura
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Defectos
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Defectos puntuales (II)
• Defecto substitucional: Substitución de un átomo de la red
cristalina por otro distinto
– Si el defecto substitucional es mayor que los átomos normales la red se
comprime, si es menor la red se expande (tensión)
– El número de defectos substitucionales no depende de la temperatura
• Otros (combinaciones)
– Defecto Frenkel: par de defectos (intersticial + vacante). En un cristal
iónico, un ion salta su sitio normal a un sitio intersticial dejando una
vacante
– Defecto Schottky: par de defectos (vacante + vacante). En un cristal
iónico, faltan simultáneamente un anión y un catión
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Defectos
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Defectos puntuales (III)
Importancia de los defectos puntuales
Los defectos puntuales son alteraciones de la red ideal (distorsionan la red a lo largo
de cientos de átomos).
Una dislocación que se propaga por el material ordenado encontrará cerca del defecto
puntual una región estructural desordenada.
Para continuar su movimiento (y vencer al defecto), la dislocación necesita un
esfuerzo mayor.
Se incrementa, por tanto, la resistencia mecánica del material
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Defectos
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Defectos de línea (dislocaciones) I
Imperfecciones o irregularidades lineales en una red ideal o perfecta
Origen: proceso de solidificación o proceso de moldeado
•
Defecto en cuña (borde o arista):
–
–
–
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Se originan al introducir en el material un plano de átomos adicional
El vector de Burgers es perpendicular a la dislocación
Distorsión de la red: los átomos contiguos al plano adicional están
comprimidos mientras que el resto está expandido
Defectos
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Defectos de línea (dislocaciones) II
•
Helicoidal (o de tornillo):
–
Se originan cuando partes contiguas del material sufren esfuerzos
cortantes paralelos pero de sentidos contrarios (cizalladura)
El vector de Burgers es paralelo a la dislocación
Distorsión de la red: se forma un escalón según la línea de
dislocación
–
–
•
Mixtas
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Defectos
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Defectos de línea (dislocaciones) III
Deslizamiento de las dislocaciones
1)
2)
3)
4)
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Al aplicar un esfuerzo cortante, la dislocación existente puede
romper los enlaces atómicos de los planos atómicos contiguos
(en un sentido)
Los planos con enlaces rotos se desplazan ligeramente y en
sentido contrario para reestablecer sus enlaces atómicos con
otros planos
Esta recombinación hace que la dislocación se desplace por el
material
Finalmente el material queda deformado.
Defectos
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Defectos de línea (dislocaciones) IV
Factores determinantes en el deslizamiento de dislocaciones
1.
2.
3.
4.
Las direcciones de deslizamiento usuales son las direcciones compactas
del material (distancia menor entre planos)
Los planos de deslizamiento son los más compactados posibles del
material
Los materiales con enlaces covalentes (muy intensos) impiden el
deslizamiento de dislocaciones. Al aumentar el esfuerzo cortante se
rompen (frágiles) antes que deformarse
Los materiales iónicos también ofrecen una alta resistencia al
deslizamiento
•
Fuertes enlaces iónicos
•
Repulsión electrostática durante el deslizamiento
•
Mayor longitud del vector de Burgers en estos materiales
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Defectos
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Defectos de línea (dislocaciones) V
Importancia de las dislocaciones y su deslizamiento
1.
2.
3.
El deslizamiento de las dislocaciones explica por qué la resistencia
mecánica de un metal es menor de lo esperable (enlace metálico)
El deslizamiento proporciona ductilidad al material (facilidad de
deformación). De no existir la posibilidad de deslizamiento, el material
sería frágil
Controlar el movimiento de las dislocaciones (introducir impurezas,
defectos, solidificación, etc…) permite controlar las propiedades
mecánicas del material
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Defectos
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Defectos de superficie (I)
Fronteras superficiales, interfases o planos que separan un material en
regiones de la misma estructura cristalina pero con distintas
orientaciones cristalográficas
• Superficie del material: los límites del material
– Discontinuidad abrupta de la estructura regular cristalina
– Zona de alteración del número de coordinación y del enlace atómico
– Si la superficie es rugosa, contaremos con irregularidades adicionales
• Fronteras de grano: superficies que separan los distintos granos del
material policristalino
– Un grano es una porción del material que contiene átomos con una
disposición atómica idéntica. Sin embargo, cada grano tiene una
orientación cristalográfica distinta.
– Las fronteras de grano son regiones donde existe desorden estructural
(cambio de orientación cristalográfica). Algunos átomos están más
comprimidos y otros más alejados.
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Defectos
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Defectos de superficie (II)
• Bordes de grano de ángulo pequeño: distribución de dislocaciones
que producen pequeñas desviaciones en la orientación
cristalográficas de las redes adyacentes
– La distorsión es menor que en las fronteras de grano
– Borde inclinado (dislocación de cuña), borde torsionado (dislocación de
tornillo)
• Defectos (irregularidades) de apilamiento: interrupción o
irregularidad en la secuencia de apilamiento de los planos
compactos cristalinos
• Macla: pequeña diferencia en la orientación cristalográfica de dos
partes del interior de un grano
– Dentro de un grano, la aplicación de un esfuerzo cortante puede
desplazar levemente los átomos a lo largo de la macla
– El resultado es una imagen especular de dos redes respecto del plano
de la macla
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Defectos
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Defectos de superficie (III)
Importancia de los
defectos de superficie
En todos los casos provocan
irregularidades en la red
cristalina del material y,
por tanto, proporcionan
puntos adicionales para
fijar y detener el
deslizamiento de las
dislocaciones
Aumentan la resistencia del
material (particularmente
las fronteras de grano)
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Defectos
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Generalidades
Difusión: movimiento de átomos en un material con el fin de
eliminar las diferencias de concentración y llegar a una
composición homogénea y uniforme
Ejemplos: aleaciones, tratamientos térmicos, conductividad
térmica, transistores, etc…
Ritmo de difusión o movimiento atómico
– Los átomos y también los defectos, se desplazan en el material
dependiendo de su energía térmica (excitación) y por tanto de su
temperatura
– Las partículas que pueden difundirse son aquellas que a una
determinada temperatura, T, tienen una energía mayor o igual
que E*, esto es:
N = N 0 exp(− E * / RT )
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Difusión en sólidos
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Mecanismos de difusión (I)
• Autodifusión: movimiento de átomos idénticos entre posiciones
reticulares de la estructura cristalina del material (Au197 y Au198)
• Heterodifusión: distintos átomos intercambian sus posiciones en la
red (soldadura de dos materiales Ni y Cu)
• Difusión por vacantes: un átomo abandona su posición en la red
para ocupar alguna vacante próxima y dejando una nueva.
– Se crea una corriente de átomos y otra de vacantes en sentidos
contrarios
• Difusión intersticial: los átomos intersticiales se difunden a otros
puntos intersticiales
– Se crea una corriente de átomos y otra de puntos intersticiales
vacantes en sentidos contrarios
– Este proceso de difusión es más rápido y fácil que el debido a las
vacantes pues los intersticios existen siempre (no se necesita una
energía adicional para su creación)
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Difusión en sólidos
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Mecanismos de difusión (II)
Energía de activación en la difusión
• Un átomo debe abrirse paso entre los
átomos circundantes para su difusión
a otro sitio. Este proceso requiere
superar cierta barrera energética
(energía de activación), E*
• Sólo los átomos con una energía
térmica mayor o igual a E* podrán
difundirse de un punto a otro del
material
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Difusión en sólidos
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Ritmo de difusión (1ª Ley de Fick)
Determina el flujo neto de átomos, J, que se
difunden de una región a otra dentro del
material.
Donde dc es la diferencia en la concentración
de átomos a lo largo de una distancia dx
dentro del material, D es el coeficiente de
difusión y dc/dx es el gradiente de
concentración.
Según la 1ª ley de Fick, a una temperatura dada
J es constante. ¡En realidad J(T,t,….) y no es
constante!
J = −D
dc
dx
Objeciones
- Con el tiempo, las concentraciones tienden a
igualarse y J disminuye
- D(T,t)
- Otros factores…
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Difusión en sólidos
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Perfil de composición (2ª Ley de Fick)
Determina la dependencia temporal y
espacial de J y de la difusión de
los átomos. Permite conocer la
evolución temporal del perfil o
gradiente de concentración de los
átomos que se difunden en el
material
 d 2c 
dc
= D 2 
dt
 dx 
Se asume que D = cte. En realidad,
D(T)
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Difusión en sólidos
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