Presentacin de PowerPoint

Tema 1Imperfecciones Cristalinas ContenidoImperfecciones CristalinasDefectos puntualesDefectos linealesDefectos superficialesAplicaciones

Imperfecciones CristalinasIntroduccinEl arreglo de los materiales cristalinos no es perfecto. De hecho, en todos los materiales el arreglo de los tomos contiene imperfecciones que tienen un efecto profundo sobre el comportamiento de los materiales. Un defecto cristalino es una irregularidad de red en la cual una o ms de sus dimensiones son del orden de un dimetro atmico. La clasificacin de las imperfecciones cristalinas se realiza frecuentemente segn la geometra o las dimensiones del defecto. Estas imperfecciones explican muchas de las interesantes propiedades de los metales. Imperfecciones CristalinasIntroduccinMediante el control de las imperfecciones reticulares se crean

Metales y aleaciones ms resistentesImanes mas poderososTransistores y celdas solares de mejor desempeoVidrios y cristales de colores extraordinarios y muchos otros materiales de importancia prcticaDe manera que los defectos, lejos de ser fenmenos indeseables en un cristal, pueden tener aplicaciones muy tiles si se explotan adecuadamente.Un ejemplo muy til es el acero: tomos intersticiales de carbono en una red de tomos de hierro actan como impurezas que sirven de anclaje para el deslizamiento cristalino aumentando de esta manera la resistencia del material.

Tipos de DefectosDe acuerdo a su geometra y forma podemos tenerDefectos Puntuales o de dimensin cero.Defectos Lineales o de una dimensin.Defectos Superficiales o de dos dimensiones o planares.Defectos Volumtricos o de tres dimensiones.DEFECTOS CRISTALINOSVolumtricosFrenkelShottkyDislocaciones de Borde o de AristaDislocaciones Helicoidales o de TornilloBordes de granoMaclasMacrodefectos (poros, cavidades, etc.)PuntualesVacanciastomos Intersticialestomos SusticionalesMixtosLinealesSuperficialesPrecipitadosCoherentesIncoherentesInclusionesExgenasEndgenasTipos de DefectosDefectos PuntualesLos defectos Puntuales son alteraciones o discontinuidades puntuales de la red cristalina provocadas por uno o varios tomosSe producen por el movimiento de tomos durante el calentamiento o el procesado del material, introduccin de impurezas o por aleacin.Los defectos puntuales pueden ser:

Vacancias. Impurezas Atmicas (tomos Intersticiales y tomos Sustitucionales). Defectos de Schottky y Frenkel.(mixtos)Defectos PuntualesVacanciasUna vacancia se produce cuando un tomo falta de su sitio normal en la red cristalinaSu origen puede ser:

Durante la solidificacin como resultado de perturbaciones locales durante el crecimiento de los cristalesPor reordenaciones atmicas de un cristal ya formadoPor deformacin plstica de un metalEnfriamiento rpidoBombardeo de partculas energticas

Defectos PuntualesVacanciasLas VacanciasSe consideran el defecto puntual ms simple y son las imperfecciones ms comunes en los cristales.Su presencia es un fenmeno normal en equilibrio trmico por lo tanto se considera que es un rasgo intrnseco de un cristal real.Tienen tendencia a agruparse formndose divacantes o trivacantesPueden trasladarse especialmente a elevadas temperaturas, cambiando su posicin con sus vecinos. Este proceso es importante en la migracin o difusin de los tomos en el estado slido, sobre todo a altas temperaturas donde la movilidad de los tomos es mayor.Defectos PuntualesVacanciasEl nmero de vacantes en equilibrio Nv para una cantidad dada de material, se incrementa con la temperatura de manera exponencial, acuerdo a la Ecuacin de Arrhenius:

Donde:Nv es el nmero de vacantes por cm3N es el nmero de puntos en la red por cm3Q es la energa requerida para producir una vacancia (cal/mol)T es la temperatura en KK es la constante de Boltzmann de los gases (1,987 cal/K.mol)

Donde:Na es el nmero de Avogadro = 6,023*1023 tomos, iones o molculas/mol es la densidad del metalPA es el peso atmico del metal

Defectos PuntualesImpurezas AtmicasSe forman cuando se introduce un tomo distinto en la red cristalina ya sea como reemplazo o localizado en un intersticioDependiendo de la clase de impureza que se halle en el cristal, de su concentracin y de la temperatura se formar en el cristal una Solucin Slida que puede ser intersticial o sustitucional.Una Solucin Slida se forma cuando tomos de soluto se adicionan al material y la estructura cristalina original se mantiene. De esta forma, los elementos aleantes pueden distribuirse como tomos individuales alojados en la red cristalina del material, los cuales pueden estar presentes como tomos sustitucionales o intersticiales.

Defectos PuntualesImpurezas AtmicasTipo SustitucionalSe crea cuando un tomo de la red cristalina es remplazado por otro de un tipo distinto. Aqu el soluto o las impurezas remplazan tomos originales. El tomo sustitucional permanece en la posicin original.Este defecto se presenta como una impureza o como una adicin deliberada en una aleacinSi el tomo sustitucional es de mayor tamao que los tomos normales, la red se comprime, si es de menor tamao la red se expande y entra en tensinEl nmero de defectos sustitucionales no depende de la temperaturaDefectos PuntualesImpurezas AtmicasTipo SustitucionalEste mecanismo se da cuando los tomos que constituyen el soluto y el solvente cumplen las Reglas de Hume-Rothery:La diferencia entre los dimetros atmicos de los elementos no debe ser mayor del 15% de su dimetro.La estructura cristalina de los dos elementos debe ser la misma.No debe haber diferencias apreciables en las electronegatividades de los dos elementos, a fin de evitar su reaccin y que formen compuestos.Los dos elementos deben tener la misma valencia.Un ejemplo en metales:

Solucin slida por sustitucin de Cobre y Nquel

Defectos PuntualesImpurezas AtmicasTipo IntersticialEn este caso, los tomos de las impurezas llenan los vacos o intersticios dentro del material original Cuando los tomos de impurezas son considerablemente ms pequeos que los tomos de las posiciones normales estos pueden alojarse en los espacios vacos o intersticios de la red cristalina, constituyendo un defecto: tomo de impureza intersticial.En la mayora de los materiales metlicos el empaquetamiento atmico es alto y los intersticios son pequeos. Por ende, los dimetros de los tomos que constituyen las impurezas intersticiales deben ser sustancialmente ms pequeas que los del material originalDefectos PuntualesDefecto de Frenkel: Se genera cuando un catin se desplaza a un espacio intersticial en un cristal inico, crendose una vacancia catinica en la posicin primitiva del in. Su presencia en cristales inicos aumenta la conductividad elctrica.Es un par de defectos (intersticial + vacante) formado cuando un in salta de un punto normal de la red a un sitio intersticial, dejando detrs una vacancia.Defecto de Schottky: Se trata de un par de vacancias.

Se forma cuando dos iones opuestamente cargados faltan en un cristal inico, generando entonces una divacante aninica-catinica.

Su presencia en cristales inicos aumenta la conductividad elctrica.

Es un par de defectos (vacante + vacante) en un material de enlace inico, en el cual faltan simultneamente tanto un anin como un catin.Defectos PuntualesSon alteraciones de la red ideal (distorsionan la red a lo largo de cientos de tomos).

Una dislocacin que se propaga por el material ordenado encontrar cerca del defecto puntual una regin estructural desordenada.

Para continuar su movimiento (y vencer al defecto), la dislocacin necesita un esfuerzo mayor.

Se incrementa, por tanto, la resistencia mecnica del material

ImportanciaDefectos LinealesLos defectos lineales o Dislocaciones son imperfecciones o irregularidades unidimensionales en torno a algunos tomos desalineados. De tal manera, pueden definirse como una regin distorsionada situada entre dos partes sustancialmente perfectas de un cristal.

Las dislocaciones se crean durante la solidificacin de los slidos cristalinos, por deformacin plstica, por condensacin de vacantes y por emparejamientos atmicos incorrectos en soluciones slidas.

Son defectos que dan lugar a una distorsin de la red centrada en torno a una lnea.

Son defectos de desequilibrio y almacenan energa en la regin distorsionada.

Son de particular importancia para explicar la deformacin y el endurecimiento de los metales: la resistencia y la ductilidad de los metales estn controladas por las dislocaciones.

Las Dislocaciones pueden ser:

De Borde o de Arista.De Tornillo o Helicoidal.Mixtas.

Vector de Burgers: El vector de Burgers b es una propiedad de la dislocacin, que describe simultneamente la magnitud y direccin del deslizamiento.

Un circuito de tomos alrededor de la dislocacin, est incompleto por una distancia igual al vector de Burgers, en contraposicin al de los tomos de un cristal perfecto, que estara completo.

La longitud del vector de Burgers es una distancia atmica integral ya que la red cristalina debe tener continuidad a travs de las regiones deslizadas y sin deslizar.El Vector de Burgers indica la direccin y magnitud del desplazamiento que sufren los tomos de la red con el paso de una dislocacin.Dislocacin de BordeDislocacin de TornilloLa dislocacin de borde es perpendicular al Vector de Burgers.La dislocacin helicoidal es paralela al Vector de Burgers.El Vector de Burgers es paralelo al plano de deslizamiento.El plano de deslizamiento y el Vector de Burgers son paralelos.El deslizamiento de la dislocacin se da en la direccin del vector b.El deslizamiento de la dislocacin helicoidal es perpendicular al Vector de Burgers.Defectos Lineales El vector de Burgers es perpendicular a la dislocacin.

Solo hay un plano de deslizamiento.

El defecto de lnea esta colocado justo encima de la T invertida donde esta insertado un semiplano extra de tomos.

Al introducir la dislocacin, los tomos situados arriba de la lnea de dislocacin (semiplano extra) se comprimen, mientras que los que quedan debajo se estiran.

La red se distorsiona y se genera una zona de esfuerzo compresivo y una regin sometida a traccin.Se originan en un cristal al introducir un semiplano de tomos adicional, cuya arista termina siempre dentro del cristal.Defectos Lineales

Dislocacin de Borde o Arista:Se originan cuando partes contiguas del material sufren esfuerzos cortantes paralelos pero de sentidos contrarios (cizalladura) El vector de Burgers es paralelo a la dislocacin.

En torno a la dislocacin se crea una regin de tensin de cizalla en la que se almacena energa.

La red se distorsiona debido a que se forma un escaln segn la lnea de dislocacin.

Los esfuerzos de cizalladura introducen en la red una regin de distorsin en forma de espiral o de rampa que los planos atmicos trazan alrededor de la lnea de dislocacin.Defectos LinealesDislocacin de Tornillo o Hlice:Dislocacin Mixta:La mayora de las dislocaciones que existen en los materiales cristalinos no son propiamente ni de borde no de hlice, sino que presentan componentes de ambos tipos, se denominan dislocaciones mixtas. El vector de Burgers no es ni perpendicular ni paralelo a la lnea de dislocacin, pero mantiene una orientacin fija en el espacio.

La estructura atmica local en torno a la dislocacin mixta es difcil de visualizar.

La lnea de dislocacin AB es una dislocacin de borde pura cuando entra en el cristal por la derecha y helicoidal pura cuando sale por la izquierda.Defectos LinealesDeslizamiento de las Dislocacines:Es el proceso mediante el cual se mueve una dislocacin causando que se deforme el material.Todas las dislocaciones (de borde, helicoidales y mixtas) se mueven en respuesta a una tensin de cizalladura o esfuerzo cortante aplicada a lo largo de un plano de deslizamiento y una direccin de deslizamiento (que conforman un sistema de deslizamiento).

Escaln producido por deslizamientoLnea de la dislocacin de bordePlano de deslizamientoTensin de CizalladuraTensin de CizalladuraTensin de CizalladuraLa deformacin plstica ocurre debido al movimiento de un gran nmero de dislocaciones.

Defectos LinealesDensidad de las Dislocaciones:Es la longitud total de las dislocaciones por unidad de volumen, es decir, lneas de dislocacin por cm3. Se usa generalmente para representar la cantidad de dislocaciones presentes en el material. La densidad de dislocaciones en un cristal se caracteriza por el nmero de lneas de dislocacin que penetran una unidad de rea de una seccin seleccionada al azar: lneas/cm2.

Las dislocaciones existen en gran nmero en los metales, se generan desde el proceso de solidificacin.

Un Acero Recocido de 1 cm3 de volumen contiene tpicamente cerca de milln de dislocaciones. Sin embargo, en un acero laminado en fro la cantidad de dislocaciones puede ser millones de veces ms elevadas. La deformacin produce ms dislocaciones.

La lnea de las dislocaciones puede deslizarse sobre planos cristalinos de la estructura cuando se aplica esfuerzo los metales y esto produce la deformacin plstica.

Defectos LinealesDensidad de las Dislocaciones:Un metal recocido es suave y de baja resistencia mecnicaLa cantidad de dislocaciones que contiene son relativamente libres de moverse bajo la accin de esfuerzos bajos.

Cuando el metal es deformado en fro su dureza y resistencia aumentan.

Las dislocaciones experimentan gran dificultad para deslizarse y solo lo hacen en cantidad limitada bajo esfuerzos muy elevados.

Algunos cristales recocidos de muy alta pureza: Densidades de dislocaciones bajas: 102 103 lneas/cm2.

Para metales policristalinos recocidos: Densidades de dislocaciones tpicas: 107 108 lneas/cm2.

Mientras que el mismo material de una severa deformacin plstica:Densidades de dislocaciones tpicas: 1011 1012 lneas/cm2

Defectos LinealesMultiplicacin de las DislocacionesDebe existir un mecanismo por medio del cual se pueden producir dislocaciones durante la deformacin plstica.

Para ello, se han propuesto varios mecanismos para explicar la multiplicacin de dislocaciones dentro de los cristales.

La fuente de Frank-Read es el mecanismo comn de generacin continua de anillos de dislocacin causante de la inmensa mayora de las dislocaciones asociadas a la deformacin.Defectos LinealesGeneracin del Mecanismo de Frank ReadSe crea primero una dislocacin recta entre dos puntos.

Avanza en forma radial dando un lazo que acaba cerrndose sobre s mismo y transformndose en un anillo que emigra hacia el exterior del cristal.

Parte del lazo queda en el interior del anillo y su avance acaba dando una nueva dislocacin recta entre los mismos dos extremos del principio.

El proceso se repite, de forma que a partir de una dislocacin original se generan continuamente anillos de dislocacin. Defectos Lineales

Factores Determinantes en el Deslizamiento de las Dislocaciones:Las direcciones de deslizamiento usuales son las direcciones compactas del material (distancia menor entre planos).Los planos de deslizamiento son los ms compactos del material.Los materiales con enlaces covalentes (muy fuertes) impiden el deslizamiento de dislocaciones. Al aumentar el esfuerzo cortante se rompen (frgiles) en lugar de deformarseLos materiales inicos tambin ofrecen una alta resistencia al deslizamiento (el movimiento de la dislocacin rompe el equilibrio de las cargas), entonces el material falla frgilmente, antes que las dislocaciones se muevan. Fuertes enlaces inicos. Repulsin electrosttica durante el deslizamiento. Mayor longitud del vector de Burgers en estos materiales.Defectos LinealesImportancia de las Dislocaciones y su DeslizamientoDefectos Lineales El deslizamiento de las dislocaciones explica por qu la resistencia mecnica de un metal es menor de lo esperable (enlace metlico).

El deslizamiento proporciona ductilidad al material (facilidad de deformacin). De no existir la posibilidad de deslizamiento, el material sera frgil.

Controlar el movimiento de las dislocaciones (introducir impurezas, defectos, solidificacin, etc) permite controlar las propiedades mecnicas del material.Defectos SuperficialesLos Defectos Superficiales son fronteras bidimensionales, interfases o planos que separan un material en regiones de la misma estructura cristalina pero con distintas orientaciones cristalogrficas.Entre los defectos superficiales se encuentran:

Superficie del material:

La superficie externa del material constituye uno de los limites mas evidentes, se considera una imperfeccin puesto que representa el limite de la estructura cristalina donde termina. Los tomos superficiales no estn enlazados con ningn vecino prximo y, por lo tanto, estn en un estado energtico superior que los tomos de las posiciones interiores.

De esta manera, la superficie de los materiales genera:.Discontinuidad abrupta de la estructura regular cristalina.Zona de alteracin del tipo de enlace atmico.Si la superficie es rugosa, contaremos con irregularidades adicionales.Defectos SuperficialesDefectos o irregularidades de apilamiento:

Se entiende como la interrupcin o irregularidad en la secuencia de apilamiento de los planos compactos cristalinos.

Limites de Fase:

Los limites de fase aparecen en materiales polifsicos en los que se ocurre un cambio radical en las caractersticas fsicas y/o qumicas.

Defectos SuperficialesLimites de Grano:

Un grano es una porcin del material que contiene tomos con una disposicin atmica idntica y orientacin cristalogrfica distinta. Por tal razn, los limites de grano representan fronteras donde existe un desorden estructural debido al cambio de orientacin cristalogrfica, lo que genera que algunos tomos estn mas comprimidos y otros mas alejados.Por definicin entonces, un limite de grano es una superficie que separa los distinto granos de un material policristalino.

Limites de Grano: Defectos SuperficialesCuando la diferencia de orientacin es pequea, se denomina limite de grano de ngulo pequeo, el cual se genera al alinearse varias dislocaciones de borde. Si las dislocaciones que se alinean son de hlice, se denomina limite de grano de ngulo pequeo torsionado.

A estos tipos de defectos se les llama Limite de Inclinacin y vienen representados por un ngulo de desalineacin, .

Limites de Grano:

A lo largo de un limite de grano, no todos los tomos estn enlazados con otros tomos y, por tanto, existe una energa asociada al limite de grano o interfase. La Magnitud de esta energa es funcin del grado de desalineacin, siendo mayor cuanto mas elevado es dicho ngulo.

Los limites de grano son, qumicamente, mas reactivos que los propios granos como consecuencia de la energa de dicho limite.

La energa interfacial total es menor en materiales con granos grandes que con granos pequeos, ya que el rea total de limite de granos es menor. En sntesis, los limites de grano:

Se crean durante la solidificacin.

Representan una regin de tomos con cierta desalineacin entre granos adyacentes.

Generan un menor empaquetamiento atmico debido a dicha desalineacin.

Son mas reactivos que el grano, por lo cual son zonas preferenciales de segregacin.

A temperaturas ordinarias, limitan el flujo plstico al obstaculizar el movimiento de dislocaciones. Defectos SuperficialesLimites de Macla:

Un limite de macla es un tipo especial de limite de granos a travs del cual existe una simetra de red especular, esto significa que los tomos de un lado del limite son como la imagen especular de los tomos del otro lado. La regin del material entre estos limites se denomina Macla.

Las maclas se generan por desplazamientos atmicos producidos al aplicar fuerzas mecnicas cizallantes (maclas mecnicas) y tambin durante tratamientos trmicos de recocido posteriores a la deformacin (maclas de recocido)El Maclaje ocurre en un plano cristalogrfico definido y en una direccin especifica, ambos dependen de la estructura cristalina. Por ejemplo, las Maclas de recocido son propias de las estructuras cristalinas FCC, mientras que las maclas mecnicas se observan en metales BCC y HC. En todos los casos los Defectos Superficiales provocan irregularidades en la red cristalina del material y, por tanto, proporcionan puntos adicionales para fijar y detener el deslizamiento de las dislocaciones. De tal manera que aumentan la resistencia del material (particularmente las fronteras de grano).Defectos Superficiales

Defectos VolumtricosLos Defectos Volumtricos son discontinuidades a nivel macroscpicos que pueden ocurrir durante el proceso de colada de una pieza, posterior proceso de conformado mecnico, mecanizado, y tratamiento trmico o bien durante servicio.Precipitados:

Los precipitados son segundas fases que se forman en las aleaciones metlicas debido a la disminucin de solubilidad de las soluciones slidas.

Por ejemplo: a 500 C el aluminio disuelve 4,5% de Cu, proporcin que disminuye con la temperatura, llegando a los 20 C a slo 0,2%; durante el enfriamiento los tomos de Cu difunden hacia el borde de grano, donde se constituye una fase nueva, el precipitado, que en este caso es el Aluminiuro de Cobre.

El precipitado posee una red cristalina propia, distinta de la del cristal, por lo tanto, la interfase matriz-precipitado tiene una alta energa acumulada. Mediante tratamientos trmicos, se puede lograr que esos precipitados se dispersen uniformemente en la matriz mejorando las propiedades de la aleacin.

Segregaciones:

Ocurre cuando la distribucin de uno o varios elementos presentes en la aleacin no se han difundido convenientemente y en forma uniforme a travs del lingote, concentrndose en reas determinadas.

Debido a que las aleaciones solidifican en una gama de temperaturas, el primer material que se solidifica ser de composicin diferente a la de aquel que solidifica a una menor temperatura. Esto podra producir una distribucin no uniforme de los elementos de la aleacin y acarrear consecuencias serias influyendo por su efecto sobre las propiedades mecnicas de la aleacin.

Inclusiones No Metlicas:

Las Inclusiones no Metlicas tales como escoria, xidos y sulfuros estn presentes en el lingote original y que quedan incluidas en el metal sin unirse ntimamente a ste. Su efecto depende de su nmero, tamao y dispersin. Algunas de estas poseen un punto de fusin ms bajo que el del metal y son relativamente frgiles.

Un punto de fusin bajo puede ser nocivo durante los procesos de trabajo en caliente y de soldadura. Su fragilidad puede hacer que acten como elevadores de tensin, fomentando la formacin de grietas cuando se someten a tensin.

La mayora de estos suelen producirse en el centro de la pieza y tienen tendencia a ser de forma irregular, no esfrica u ovalada.Defectos VolumtricosContracciones Internas o Rechupes:

Es una discontinuidad en el centro de un lingote por la contraccin del material al solidificarse.

La punta caliente del lingote, comnmente llamada Mazarota, es la zona donde debera quedar confinado el rechupe que por un mal diseo, puede quedar dentro del lingote. La Mazarota se corta y con ello se eliminan la mayora del las discontinuidades, antes que el lingote sea procesado.Fisuras por Calor:

Se originan debido a las elevadas tensiones internas debido por ejemplo a temperaturas o velocidad de colada demasiado elevadas, contracciones de enfriamiento obstaculizadas por rebabas o defectos de la lingotera, un enfriamiento demasiado rpido despus de la extraccin de la lingotera, etc.

Si las fisuras son superficiales y poco profundas pueden eliminarse por trabajado mecnico, si son muy grandes puede que se descarte el lingote. Defectos VolumtricosMacrodefectosDefectos VolumtricosPorosidad:

Se presenta siempre que los gases queden atrapados en la fundicin. Por lo general son ms abundantes y ms pequeas que las cavidades por contraccin y pueden distinguirse por su forma redondeada.

Cordones o Cintas:

Cuando una palanquilla es rolada en una barra, las inclusiones no metlicas son comprimidas en discontinuidades largas y delgadas cordones llamadas cordones o cintas.

Laminaciones:

Cuando un lingote es laminado, las discontinuidades cambian de forma y tamao llamndose laminaciones, por esto, las inclusiones no metlicas los rechupes y la porosidad pueden causar laminaciones. Costuras:

Las irregularidades superficiales, tales como grietas, en el planchn o palanquilla se estiran, alargan y deforman durante el proceso de laminado y se denominan costuras, las cuales se presentan como lneas rectas continuas o de puntos.

37