D E F I N I C I Ó N Y C L A S I F I C A C I Ó N

IMPERFECCIONES CRISTALINAS

Realmente no existen cristales perfectos sino que contienen varios tipos de imperfecciones y defectos, que afectan a muchas de sus propiedades físicas y mecánicas.

Defectos puntuales Defectos lineales Defectos superficiales

MICROSCÓPICO

MACROSCÓPICO

fisuras poros inclusiones

IMPERFECCIONES CRISTALINAS

También influyen en algunas propiedades de los materiales a nivel de aplicación ingenieril tal como la capacidad de formar aleaciones en frío, la conductividad eléctrica y la corrosión.

Defectos puntuales Defectos lineales Defectos superficiales

MICROSCÓPICO

MACROSCÓPICO

fisuras poros inclusiones

IMPERFECCIONES CRISTALINAS

DEFECTOS PUNTUALES

•  Son interrupciones localizadas en arreglos atómicos o iónicos

•  Estos defectos pueden ser utilizados para mejorar propiedades. Por

ejemplo P y B (impurezas) mejoran las propiedades eléctricas del Si

puro

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Learning DEFECTOS PUNTUALES

•  Vacancias

•  Impurezas

•  Sustitución

•  Sustitución

•  Frenkel

•  Schottky

Por solidificación: perturbaciones locales durante el crecimiento de los cristales

Por reordenamiento atómico: Debido a la movilidad de los átomos.

DEFECTOS PUNTUALES

VACANCIAS

⎟⎠

⎞⎜⎝

⎛ −=RTQnn ν

ν exp

nv = cantidad de vacancias por cm3 n = cantidad de átomos por cm3 Qv = energía necesaria para producir un mol de vacancias, cal /mol o joule /mol R = cte de los gases T = temperatura en Kelvin

Ausencia de un átomo o ión en su sitio

normal de la estructura cristalina.

Todos los elementos cristalinos presentan

este tipo de defecto.

Se presentan cuando un átomo o ión es sustituido con un tipo distinto de átomo o ion.

Mayor tamaño presentándose mayores distancias interatómicas

Menor tamaño reduciendo los espacios

interatómicos vecinos

DEFECTOS PUNTUALES

IMPUREZAS O SUSTITUCIONES

Se presenta cuando un átomo extra, se inserta dentro de la estructura de la red en una posición intersticial.

Este defecto se presenta en estructuras c r i s ta l inas con bajo factor de empaquetamiento

Intersticio

DEFECTOS PUNTUALES

ÁTOMOS INTERSTICIALES

REGLAS DE HUME-ROTHERY

- Los radios atómicos no deben diferir más del 15% - 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

DEFECTOS PUNTUALES

Los defectos puntuales o impurezas de tipo sustitucional dentro de las soluciones sólidas pueden generarse siempre y cuando cumplan las reglas de Hume-Rothery

Solución solida sustitucional de Cu en Ni

DEFECTOS PUNTUALES

Solución solida intersticial de C en Fe

DEFECTOS PUNTUALES

DEFECTOS PUNTUALES EN PARES

FRENKEL Llamado también par de Frenkel se presenta un par vacancia-intersticial, formada cuando un ion salta de un punto normal de red a uno intersticial y deja atrás una vacancia.

SCHOTTKY Exclusivo de materiales iónicos. Se presenta un par vacancial , manteniendo la neutralidad eléctrica.

DEFECTOS LINEALES

Son imperfecciones unidimensionales. DISLOCACIONES Suceden cuando la red cristalina se distorsiona alrededor de una línea; son útiles para explicar la deformación y endurecimiento de los materiales metálicos. Se mueven en planos y direcciones de deslizamiento

Tornillo (helicoidal)

Borde (escalón)

Mixta

DEFECTOS LINEALES

DISLOCACIÓN DE TORNILLO Sigue un plano cristalográfico durante una revolución respecto al eje de torsión del cristal, recorriendo distancias interatómicas iguales en cada dirección, y termina en una distancia atómica debajo del punto de partida. El vector necesario para terminar el circuito y regresar al punto de partida es el vector de Burgers b y este es paralelo a la dislocación de tornillo

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Learning

DEFECTOS LINEALES

DISLOCACIÓN DE BORDE Este tipo de dislocación se puede observar como: imaginar un cristal perfecto, el cual se abre y en el punto de corte se llena con un plano adicional de átomos. Su orilla inferior representa este tipo de dislocación.

DEFECTOS LINEALES

DISLOCACIÓN DE BORDE Este tipo de dislocación se puede observar como: imaginar un cristal perfecto, el cual se abre y en el punto de corte se llena con un plano adicional de átomos. Su orilla inferior representa este tipo de dislocación.

DEFECTOS LINEALES

DISLOCACIÓN MIXTA

Este tipo de dislocación tiene componentes de borde y de tornillo, con una región de transición entre ellas. El vector de Burgers se mantiene igual para todas las porciones de la dislocación mixta.

DEFECTOS LINEALES

DISLOCACIÓN MIXTA

Este tipo de dislocación tiene componentes de borde y de tornillo, con una región de transición entre ellas. El vector de Burgers se mantiene igual para todas las porciones de la dislocación mixta.

DESLIZAMIENTO

.

DESLIZAMIENTO

Sistema de deslizamiento

La dislocación se mueve paralelo a la dirección de deslizamiento o del plano de dislocación formado por el vector b.

Deslizamiento por dislocación de borde Deslizamiento por dislocación de tornillo

la dislocación se mueve perpendicularmente al vector de b, aunque el cristal se deforma en dirección paralela a este vector

.

Plano de deslizamiento

Dirección de deslizamiento

Como el vector de Burgers de una de tornillo es paralelo a la línea de dislocación, no se define un plano de deslizamiento

La dislocación de borde recorre el plano formado por el vector de Burgers y ella m i s m a g e n e r a n d o e l p l a n o d e deslizamiento

DESLIZAMIENTO

E l c r i s t a l q u e d a deformado

Al aplicarse un esfuerzo cortante:

Los átomos se desplazan y hacen que la

dislocación se mueva un vector b

El movimiento continuo de la dislocación crea un

escalón final

DEFECTOS SUPERFICIALES

Son los límites o los planos que separan un material en regiones; cada región tiene la misma estructura cristalina, pero de distinta orientación. SUPERFICIE DEL MATERIAL Límites de grano: es la superficie que separa dos o mas granos individuales. En estas zonas los átomos no tienen las distancias correctas. En ciertas posiciones pueden estar generando fuerzas de compresión y en otras de tensión. Grano: porción de material dentro de la cual el arreglo de los átomos es casi idéntico. Pero la orientación de los átomos o estructura cristalina es diferente en cada grano vecino.

DEFECTOS SUPERFICIALES

Un método para controlar las propiedades de un material es controlar el tamaño del grano, ya sea durante la solidificación o durante el tratamiento térmico.

En metales los límites de grano se originan durante la solidificación cuando los cristales formados a partir de diferentes núcleos crecen simultáneamente juntándose unos con otros.

Al reducir el tamaño de grano, se aumenta la resistencia del material, ya que no permiten el deslizamiento de las dislocaciones

Un material con un tamaño de grano grande tiene menor resistencia y menor dureza.

DEFECTOS SUPERFICIALES

FALLAS DE APILAMIENTO

Estas fallas, son un error en la secuencia de apilamiento, especialmente en

los planos con empaquetamiento compacto

LÍMITES DE MACLA

Es un plano a través del cual hay una desorientación especial de imagen

especular de la estructura cristalina

Las maclas pueden producirse cuando una fuerza cortante, que actúa a

lo largo del límite de macla, hace que los átomos se desplacen de su

posición.

DEFECTOS SUPERFICIALES

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DEFECTOS SUPERFICIALES

IMPORTANCIA DE LOS DEFECTOS

En los materiales metálicos, los defectos como las dislocaciones, defectos puntuales y límites de grano sirven como obstáculo a las dislocaciones. Es posible controlar la resistencia de un material metálico controlando la cantidad y el tipo de imperfección

§  Endurecimiento por deformación

§  Endurecimiento por solución sólida

§  Endurecimiento por tamaño de grano

TIPOS DE ENDURECIMIENTO DE MATERIALES CRISTALINOS

ENDURECIMIENTO POR DEFORMACIÓN

Los átomos vecinos a una línea

de dislocación están en

compresión y/o tracción.

Se requieren esfuerzos

mayores para mover una

dislocación cuando se

encuentra con otra

dislocación

Metal más resistente Al incrementar el número de

dislocaciones, se aumenta la

resistencia del material

ENDURECIMIENTO POR SOLUCIÓN SÓLIDA

El defecto puntual altera la

perfección de la red

Se requiere de mayor

esfuerzo para que el

deslizamiento de una

dislocación ocurra

Al introducir intencionalmente átomos sustitucionales o intersticiales, se

genera un endurecimiento por solución sólida

ENDURECIMIENTO POR TAMAÑO DE GRANO

Los limites de grano alteran el

arreglo atómico

El movimiento de las

dislocaciones se bloquea

en los bordes de grano

Al incrementar el número de granos o al reducir el tamaño de los mismos

se produce el endurecimiento por tamaño de grano.