11. imperfecciones en redes cristalinas 12-13

7/25/2019 11. Imperfecciones en Redes Cristalinas 12-13

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TEMA 11. IMPERFECCIONES EN REDES

CRISTALINAS

11.1. Tipos de imperfecciones en redes cristalinas.

11.2. Defectos puntuales en redes metlicas.

a. Tipos de defectos puntuales.b. Vacantes.

c. Autointersticiales.

11.3. Otros defectos en redes metlicas.

11. IMPERFECCIONES EN REDES CRISTALINAS

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Cristal perfecto: cristal infinito, con una estructura completamentesimtrica y ordenada, con sus tomos en reposo (0 K) y con loselectrones distribuidos en sus estados energticos ms bajos.

Posibles tipos de defectos:

Vibraciones de los tomos.

Imperfecciones en los niveles energticos de los electrones. Defectos estructurales:

Defectos puntuales. Defectos lineales (dislocaciones).

Defectos superficiales. Defectos volumtricos (tridimensionales).

En las propiedades finales del material influyen: el tipo deenlace, la red cristalina y los defectos.

11.1. TIPOS DE IMPERFECCIONES EN REDES CRISTALINAS

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Origen de los defectos puntuales Estabilidad termodinmica,estabilidad elctrica, irradiacin con partculas de alta energa,

variaciones de estequiometra en los compuestos, deformacinplstica.

a. Tipos de defectos puntuales.

Vacante: vaco creado por la prdida de un tomo en unaposicin reticular.

Autointersticial: un tomo de la red se inserta en un hueco dela estructura cristalina.

Defectos extrnsecos:

tomos intersticiales: tomo extrao en un hueco de la red.

tomos sustitucionales: tomo extrao ocupando unaposicin del metal base.

11.2. DEFECTOS PUNTUALES EN REDES METLICAS

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a) b)

a) b)

c)

tomo sustitucional

tomo

intersticial


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Las vacantes y los autointersticiales se forman principalmentedurante la solidificacin.

Los defectos extrnsecos pueden introducirse por:

Mezcla con el metal durante la solidificacin

Difusin desde la superficie del slido

Irradiacin.

Los defectos pun tuales crean c ampos de tensiones locales

a su alrededor.


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b. Vacantes.

Formacin de unavacante.

Para crear una vacante se invierte una energa Ef.

Sum idero s de tomos Zonas de generacin de vacantes:

Superficie del cristal.

Bordes de grano.

Dislocaciones en arista.


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Efectos de la presencia de vacantes.

La formacin de una vacante hace aumentar el volumen delcristal.

Vvacante= VtomoVrelajacin

Al crearse vacantes, disminuye la densidad.


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La relajacin de los tomosalrededor de la vacante disminuyelocalmente el parmetro de red.


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b.1 Concentr acin de vacantes en equi l ibr io.

Un cristal est en equilibrio cuando la energa libre de Gibbs, esmnima.

G = H TS = E + pV TS

Variacin de la energa libre (de Helmholtz) al generar n vacantes:

F = nEf TS La presencia de vacantes en un cristal hace aumentar su

entropa.


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Puede haber defectostermodinmicamenteestables.


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Para que haya equilibrio en el paso de una situacin sin vacantes auna situacin con nvacantes:

La concentracin de vacantes en equilibrio a una temperatura, Cv,aumenta exponencialmente con la temperatura:

0d

d

n

F kTE

kT

E

eN

ne

nN

nff


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kT

E

v

f

eAC

Ejemplo:Cu (300 K)Cv= 4,4510-15

Cu (1350 K)Cv= 6,110-4


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b.2 Elimin acin de vacantes en el enfr iamiento .

Procesos para eliminar el exceso de vacantes: Emigrar al borde de grano, o a dislocaciones. Formacin de bucles de dislocacin. Formacin de microvacos.

b.3 Modos de generar un exceso de vacantes.

Enfriamiento rpido desde temperatura elevada.

Irradiacin con partculas de alta energa (pueden generar

tambin autointersticiales). Deformacin plsticael nmero de vacantes aumenta al

aumentar la deformacin.


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b.4 Impo rtanc ia de las vacantes.

Son imprescindibles para que haya difusin atmica.

Son imprescindibles para que se puedan producir lamayora de las transformaciones de fase.

Sin vacantes, no habr precipitacin, es decir, agrupacinde soluto para formar partculas.


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c. Autointersticiales.

Energa de formacin de un autointersticial, Ef: energanecesaria para quitar un tomo de la superficie del cristal eintroducirlo en la red en una posicin intersticial.

La energa de formacin es muy alta.

Su capacidad de difusin es muy inferior a la de las vacantes.

Concentracin de autointersticiales en equilibrio:

Ef>> EfCi


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Daado por rad iac in .

Si el material se bombardea con partculas con alta energa

(~ MeV)se generan defectos adicionales en la red. Si tiene lugar un choque elstico entre la partcula y un tomodefecto de Frenkel.

Los tomos desplazados pueden generar nuevos defectos

efecto cascadaZonas ricas en vacantes y autointersticiales.


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Zona rica

en vacantes

tomo arrancadotomo arrancado

tomo arrancado

Posicin atmica

tomo autointersticial

tomo incidente

Aumentan el lmite elstico y laresistencia, y se deteriora latenacidad, debido a la formacin

de cantidad de autointersticiales. En metales bcc (Fe, Mo), se eleva

la temperatura de transicin dctil-frgil.


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a. Defectos de superficie: bordes de grano

Los bordes de grano son zonas desordenadas, con los tomosfuera de sus posiciones de equilibrio.

La energa asociada a los bordes de grano es muy alta tantomayor cuanto mayor sea la distorsin.

En esa zona es ms fcil que se produzcan fenmenos como ladifusin, o den comienzo ciertas transformaciones.

11.3. OTROS DEFECTOS EN REDES METLICAS

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ngulo de desorientacin odesalineacin

Borde de grano

Borde de subgrano

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