Universidad Nacional Jos Faustino Snchez CarrinFacultad de Ingeniera Qumica y MetalurgiaEAP. Ingeniera metalrgica

Curso : Estructura de los Metales

Docente : Ing. Juan Manuel Ipanaqu Roa

Tema : Imperfecciones Cristalinas

Ciclo : V

IMPERFECCIONES CRISTALINAS

Realmente no existen cristales perfectos sino que contienen varios tipos de Imperfecciones y Defectos, que afectan a muchas de sus propiedades fsicas, mecnicas y tambin influyen en algunas propiedades de los materiales.A nivel de aplicacin Ingenieril, tal como la capacidad de formar aleaciones en fro, la conductividad elctrica y la corrosin.

Las imperfecciones (defectos) se clasifican segn su geometra y forma as: A)Defectos puntuales o dimensin cero,B)Defectos lineales o de una dimensin llamados tambin dislocaciones, perfecta y parciales,C)Defectos Superficiales o de dos dimensiones (Bidimensionales: planares o de plano).D)Defectos Volumtrico o Tridimensional (defectos macroscpicos): tales como fisuras, poros y las inclusiones extraas.

1).- DEFECTOS PUNTUALESSon discontinuidades de la red que involucran uno o varios tomos. Estos defectos, pueden ser generados en el material mediante el movimiento de los tomos al ganar energa, por calentamiento, durante el proceso del material, mediante la introduccin de impureza o intencionalmente a travs de las aleaciones. La introduccin de impurezas en una estructura no representa un cambio importante en ella, porque entran en cantidades muy pequeas y solo producen alteraciones locales sin efectos importantes.

Estas imperfecciones en la red cristalina ocupan un volumen, su extensin se limita a un desorden local y en consecuencia se trata como puntos y Tenemos:.- Vacantes.- tomos Intersticiales.- tomos Sustitutos (Impurezas en Slidos).- Defectos de Shottky.- Defectos Frenkel

VACANTEConstituye el defecto puntual ms simple. Es un hueco creado por la perdida de un tomo que se encontraba en esa posicin. Creado por la existencia de gran energa trmica cerca del punto de fusin. Durante la solidificacin a altas temperaturas, por perturbaciones locales durante el crecimiento de los cristales. Tambin puede producirse por reordenamientos atmicos en el cristal ya formado como consecuencia de la movilidad de los tomos. (Figura 1). El nmero de vacantes en equilibrio Nv para una cantidad dada de material, se incrementa con la temperatura de acuerdo a la ecuacin: de Arrhenius

Donde Nv es el nmero de vacantes por metro cbico,N es el nmero de puntos en la red por metro cbicoQ = energa de activacion, requerida para producir una vacancia (J/tomo)T es la temperatura en KK es la constante de Boltzmann de los gases (1.38 x 10-23J/tomoK) 8.62 x 10-5 eV/tomoK o 1.987 cal/mol- K.

Son las imperfecciones ms comunes en los cristales. En la mayora de los metales, al llegar a la temperatura de fusin la fraccin Nv/N es del orden de 10 -4: hay una vacante por cada 100000 lugares ocupados.

Las vacantes pueden trasladarse intercambiando su posicin con la de 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 INTERSTICIALESAlgunas veces, un tomo extra se inserta dentro de la estructura de la red en una posicin que normalmente no est ocupada formando un defecto llamado Defecto Intersticial .Generalmente este tipo de defecto introduce relativamente grandes distorsiones en los alrededores de la red dependiendo de su tamao, del tamao de los tomos de la red, del efecto de su vacancia y del tipo de la estructura. Consecuencia , la red circundante aparece comprimida y distorsionada. Los intersticio son de dos tipos: tetradrico y octadrico. Se pueden introducir en una estructura por radiacin. Los tomos de carbono, se agregan al hierro para producir aceros. Los tomos intersticio de H, a menudo estn presente en forma de impureza.(Figura 2)

IMPUREZAS EN SLIDOS (tomos sustitucionales)Este defecto se introduce cuando un tomo es reemplazado por un tomo diferente. El tomo sustituyente puede ser ms grande que el tomo original y en ese caso los tomos alrededor estn a compresin .O puede ser ms pequeo que el tomo original y en este caso, los tomos circundantes estarn a tensin. Este defecto puede presentarse como una impureza o como una adicin deliberada en una aleacin. (Figura 3)

Dependiendo de la clase de impureza que se halle en el cristal: de su concentracin y temperatura se formar en el cristal una SOLUCIN SLIDA. Cuando se habla de solucin slida hay que hacer claridad sobre algunos trminos:- Soluto: Es el elemento o compuesto dentro de la solucin slida, que se encuentra en menor concentracinSolvente: Es el elemento dentro de la solucin slida, que se encuentra en mayor concentracin.

Una solucin slida se forma cuando tomos de soluto se adicionan al material y la estructura cristalina original se mantiene. Se puede asimilar a una solucin lquida en la que tambin los tomos que constituyen las impurezas (soluto) estn distribuidos al azar y uniformemente dispersos dentro del slido.

Los defectos puntuales de impurezas dentro de las soluciones slidas pueden generarse pordos mecanismos:- Sustitucin: Aqu el soluto o las impurezas reemplazan a tomos originales. Esto se da cuando los tomos que constituyen el soluto y el solvente cumplen los siguientes requerimientos (Reglas de Hume-Rothery):o Los radios atmicos no difieran ms del 15%o Las estructuras cristalinas deben ser las mismaso Las electronegatividades deben ser similares ya que de otra manera reaccionaran y se formaran nuevos compuestoso Deben tener la misma valenciaUn ejemplo de solucin slida en metales lo constituyen el Cobre y el Nquel. (Figura 3)

Intersticial: Aqu los tomos de las impurezas llenan los vacos o intersticios dentro del material original. En la mayora de los materiales metlicos el empaquetamiento atmico es alto y los intersticios son pequeos.Consecuentemente los dimetros de los tomos que constituyen las impurezas intersticiales deben ser sustancialmente ms pequeas que los del material original, razn por la cual este defecto es mucho menos comn. Un ejemplo de este tipo de impureza por sustitucin lo constituyen el carbn y el hierro. En una solucinslida de estos dos elementos, el carbn puede sustituir al hierro en no mas del 2%.(Figura 4)

Otros defectos puntuales importantes son:

DEFECTO FRENKELEs una imperfeccin combinada Vacancia Defecto intersticial. Ocurre cuando un ion salta de un punto normal dentro de la red a un sitio intersticial dejando entonces una vacancia. Requiere alta energa de activacin, pq espacio intersticial es muy limitado. Esto ocurre por energa altas, ejemplo los Reactores Nucleares, considerndose un defecto de dao por radiacin. (Figura 5)

DEFECTO SCHOTTKYEs un par de vacancias en un material de enlaces inicos. Para mantener laNeutralidad elctrica del cristal, deben perderse de la red tanto un catin como un anin. Un defecto comn en materiales cermicos de enlace inico. (Figura 6)

Otro defecto puntual importante ocurre cuando un ion de una carga reemplaza otro ion de diferente carga. Por ejemplo un ion de valencia +2 reemplaza a un ion de valencia +1. En este caso una carga extra positiva se introduce dentro de la estructura. Para mantener un balance de carga, se debe crear una vacante de una carga positiva (Enlaces inicos). Figura 7

2).- DEFECTOS DE LINEA (DISLOCACIONES)

Afecta a una serie lineal de tomos. Una dislocacin es una interrupcin de la red cristalina y se da en torno a algunos tomos desalineados.Se crean durante la solidificacin de los slidos cristalinos o por deformacin plstica o permanente, por condensacin de vacancias.

Hay dos tipos de dislocaciones:.- las de cua y .- las helicoidales. .- Combinacin de ambas, denominada dislocacin mezcla

DISLOCACIN DE CUA ( BORDE )Se crea por insercin de un semiplano adicional de tomos dentro de la red. Los tomos a lado y lado del semiplano insertado se encuentran distorsionados. Los tomos por encima de la lnea de dislocacin, que se encuentra perpendicular al plano de la pgina, en el punto donde termina el semiplano insertado, se encuentran comprimidos y los que estn por debajo se encuentran apartados. Esto se refleja en la leve curvatura de los planos verticales de los tomos mas cercanos del extra semiplano. La magnitud de esta distorsin decrece con la distancia al semiplano insertado.

La distancia de desplazamiento de los tomos alrededor de una dislocacin se llama DESLIZAMIENTO o vector de Burgers y es perpendicular a la lnea de dislocacin de Cua (borde).

DISLOCACIN HELICOIDAL (Tornillo)Esta dislocacin se forma cuando se aplica un esfuerzo Cortante (cizalladura) haca arriba y haca abajo en un cristal perfecto que ha sido separado por un plano cortante. Figura 9.Estos esfuerzos se introducen en una zona de distorsin de la red cristalina en forma de rampa espiral o dislocacin de tornillo, creando una zona de fuerza alrededor de la dislocacin, en las cuales se almacena energa.Aqu el vector de Burgers o de desplazamiento es paralelo a la lnea de dislocacin.

DISLOCACIONES MIXTASCon frecuencia los cristales exhiben mezcla de las dislocaciones anteriores. Su 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, pero el vector de Burgers proporciona una descripcin conveniente y sencilla. (Figura 10)Figura 10. Dislocacin mixta

SIGNIFICADO DE LAS DISLOCACIONES

Aunque los deslizamientos o desplazamientos atmicos pueden ocurrir en cermicos y polmeros, estos procesos son particularmente tiles para entender el comportamiento mecnico de los metales. Primero que todo, el deslizamiento atmico explica por que la resistencia de los metales es mucho mas baja que el valor terico predicho de los enlaces metlicos. Cuando los deslizamientos ocurren, solo una pequea fraccin de todos los enlaces metlicos a lo largo de la interfase necesita ser roto y la fuerza requerida para deformar el metal es pequea. Segundo, los deslizamientos proveen ductilidad en los metales. Si no estuvieran presentes las dislocaciones, una barra de hierro sera frgil y los metales no podran ser moldeados por varios procesos tales como forjado.

Tercero, es posible controlar las propiedades mecnicas de un metal o aleacin interfiriendo con el movimiento de las dislocaciones. Un obstculo introducido dentro del cristal evita que una dislocacin se deslice a menos de que se aplique una fuerza muy grande.

Es posible encontrar un gran nmero de dislocaciones en los materiales. La densidad de las dislocaciones o longitud total de las dislocaciones por unidad de volumen, se usa generalmente para representar la cantidad de dislocaciones presentes. Densidades de dislocaciones de 10 m. de dislocaciones por mm3 son tpicas de los metales ms suaves, mientras que densidades de dislocaciones superiores a 1000 Km. De dislocaciones por mm3 se pueden conseguir deformando el material.

Dislocaciones presentes en una lmina de acero inoxidable de 100 nm de espesor.Las lneas de dislocacin presentes en la micrografa tiene un longitud aproximada de 1000 dimetros atmicos.El tamao de la imagen es aproximadamente 10001500 nm.

LEY DE SCHMIDSe puede entender las diferencias en el comportamiento de los metales que tienen diferentesestructuras, examinando la fuerza requerida para iniciar el proceso de deslizamiento.Suponga que se aplica una fuerza unidireccional F a un cilindro de metal que es un cristalsimple o monocristal (Figura 11). Es posible ubicar el plano de deslizamiento y la direccin del desplazamiento al aplicar la fuerza, definiendo los ngulos l y f. Donde: l es el ngulo entre la direccin del desplazamiento y la fuerza aplicada, y f es el ngulo entre la normal al plano de desplazamiento y la fuerza aplicada.

Para que la dislocacin se mueva en el sistema de deslizamiento, se necesita que acte unafuerza de cizalladura en la direccin del desplazamiento, producida por la fuerza aplicada.La resultante de esta fuerza de cizalladura, Fr, est dada por

Si esta ecuacin se divide por el rea del plano de deslizamiento, se obtiene la LEY DE SCHMID,

donde:

3).- DEFECTOS PLANARES (DEFECTOS INTERFACIALES O SUPERFICIALES)

Los defectos superficiales son los lmites o bordes o planos que dividen un material en regiones, cada una de las cuales tiene la misma estructura cristalina pero diferente orientaciones.Estos defectos incluyen las Superficies externas, los bordes de grano, los lmites de macla, los defectos de Apilamiento y lmite de fases

SUPERFICIE EXTERNALas dimensiones exteriores del material representan superficies en las cuales la red termina abruptamente. Los tomos de la superficie no estn enlazados al nmero mximo de vecinos que deberan tener y por lo tanto, esos tomos tienen mayor estado energtico que los tomos de las posiciones internas. Los enlaces de esos tomos superficiales que no estn satisfechos dan lugar a una energa superficial, expresada en unidades de energa por unidad de rea (J/m2 o Erg/cm2). Adems la superficie del material puede ser rugosa, puede contener pequeas muescas y puede ser mucho mas reactiva que el resto del material.Efecto del tamao de grano en el lmite elstico del acero a temperatura ambiente.

BORDES DE GRANOSe puede definir como la superficie que separa los granos (cristales) individuales de diferentes orientaciones cristalogrficas en materiales policristalinos.En los metales los lmites de grano se crean durante la solidificacin

El lmite de grano es una zona estrecha en la cual los tomos no estn uniformemente separados, o sea que hay tomos que estn muy juntos causando una compresin, mientras que otros estn separados causando tensin. De cualquier forma los limites de grano son reas de alta energa y hace de esta regin una mas favorable para la nucleacin y el crecimiento de precipitados, debido a que algunos tomos tienen posiciones rgidas. Los bordes de grano pueden ser vista en un microscopio metalogrfico como lneas oscuras, previamente se prepara el material para luego ser atacada qumicamente.Los bordes de grano en cristales actan como barreras que dificultan el desplazamiento de las dislocaciones. En consecuencia un metal de grano fino es mas resistente que una muestra de grano grueso del mismo metal.

MACLASUna macla es un tipo especial de lmite de grano en el cual los tomos de un lado del lmite estn localizados en una posicin que es la imagen especular de los tomos del otro lado.Qu es una macla? Pon algn ejemplo de material que suela formar maclas. Una macla son dos o ms minerales unidos por una cara o arista. El yeso es uno de los minerales que suele presentar maclas.Un lmite de macla es un tipo especial de lmite de grano donde hay una red simtrica, por lo que los tomos de un lado de la frontera se localizan en una imagen a espejo de los tomos del otro lado

Cristales de yeso sin maclarMacla de yeso

Figura: representacin esquemtica de una macla, (a) plano de desplazamiento de tomos, (b) formacin de la macla

4).- MACRODEFECTOS (defectos volumtricos o tridimensionales)A parte de los defectos a escala microscpica existen los macr defectos productos de la solidificacin que son observados a simple vista. Los macro defectos mas comunes son: Las cavidades de contraccin y las porosidades.Este tipo de defectos aparece a:.- Control inadecuado durante la solidificacin de los metales .- Inadecuada realizacin de tratamientos trmicos..- Sobre esfuerzos aplicados a las piezas..- Mal diseo de piezas mecnicas..- Mala seleccin de materiales. RechupesGrietasPoros

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