DEFECTOS CRISTALINOS

UNIVERSIDAD CATÓLICA DE SANTA MARÍA

PROGRAMA PROFESIONAL DE INGENIERÍA MECÁNICA-ELÉCTRICA Y MECATRÓNICA

MATERIALES DE INGENIERÍA

Docente: Ing. Emilio Chire Ramírez

- 2008 -

DEFECTOS DE LA ESTRUCTURA CRISTALINA DE

LOS METALES

Clasificación de los defectos cristalinos

DEFECTOS CRISTALINOS

Defectos puntuales Defectos lineales Defectos superficiales

-Vacantes

-Impurezas:

Substitucional

Intersticial

Dislocaciones Límites de grano

Impureza intersticial

Dislocación

Vacante

Átomo intersticial

Impureza substitucional

Principales defectos cristalinos

DEFECTOS PUNTUALES DE LA ESTRUCTURA CRISTALINA DE

LOS METALES

DEFECTOS PUNTUALES

Autointersticial

Vacancia

• Autointersticial, es un átomo que ocupa un intersticio de la estructura cristalina

• Los autointersticiales causan una gran distorsión de los alrededores del reticulado cristalino

Comparación de autointersticiales y vacancias

Vacancias o Vacantes• Son lugares dentro de la red cristalina, las vacantes se producen durante la solidificación y también como consecuencia de las vibraciones que desplazan a los átomos de sus posiciones normales en la red

• El número de vacantes (NV ó NL) se puede calcular en función de que sus cantidad depende de la temperatura. La fórmula que permite calcular ello es la siguiente:

Donde:

N = Número total de lugares ocupados por átomos (por ejemplo át/m3)

QV ó QL = Energía de activación, o sea la energía vibracional requerida para la formación de una vacante (eV, J ó cal.)

T = Temperatura absoluta en grados Kelvin

K = Constante de Boltzmann (1.38 x 10-23 J/át-°K ó 8.62 x 10-5 eV/át-°K), el valor que se emplee en la ecuación depende de las unidades de QV

Vacancias o Vacantes

• De la ecuación:

Se deduce que el número de vacantes en un metal crece exponencialmente con la temperatura

• En la mayoría de los metales al llegar a la temperatura de fusión hay una relación de una vacante por cada diez mil lugares ocupados

PROBLEMA

Calcular el número de vacantes en equilibrio por metro cúbico en el cobre puro a 500 °C. Considere que la energía de activación para la formación de una vacante es de 0.90 eV. Asuma un peso atómico para el cobre de 63.54 grs. y una densidad de 8.96 grs/cm3

Primero se calcula el valor de N o sea el número de lugares atómicos por m3

SOLUCIÓN

N =(6.023 x 1023) (8.94 gr/cm3) (106 cm3/m3)

63.54 grs.= 8.49 x 1028 át/m3

Aplicamos la fórmula:

NV = (8.49 x 1028) e0.90 eV

(8.62 x 10-5) (773)

T = 500 + 273 = 773 °K

Reemplazando:

NV = (8.49 x 1028) e - 13.5

NV = (8.49 x 1028) ( 1.37 x 10-6)

NV = 1.2 x 1023 vacantes/m3

DEFECTOS PUNTUALES

Átomo de impureza

intersticial

Átomo de impureza

sustitucional

• Es imposible que exista un metal que solo tenga un solo tipo de átomo

• Las técnicas de refinado actualmente disponibles permiten obtener metales con un grado de pureza en lo máximo de 99.9999 %

Impurezas

IMPORTANCIA DE LOS DEFECTOS PUNTUALES

DEFECTOS LINEALES

Dislocaciones

• Las dislocaciones se representan a menudo con símbolos parecidos a la letra T, normal o invertida Los defectos planares principales son las superficies de borde del cristal, las maclas y las paredes de dislocación. Las superficies de borde se denominan límites de grano, aunque a veces ese término se reserva para cuando los cristales en contacto son del mismo mineral y se llaman entonces interfases a los que son de minerales distintos. Las superficies de dislocación son superficies con una gran concentración de dislocaciones que dividen al grano en dos partes denominadas en general subgranos

• Las dislocaciones son esenciales en la deformación dúctil de los cristales porque permiten que los enlaces vayan rompiéndose y volviéndose a unir poco a poco a lo largo de una superficie de deslizamiento.

Dislocaciones

Dislocación de borde

Una dislocación de borde se crea en un cristal por la intersección de un semiplano extra de átomos

Línea de dislocación

de borde

Vector Burgers

Arreglo de los átomos alrededor de una dislocación lineal de borde o filo

Deslizamiento de las dislocaciones

Deformación plástica de un metal producido por el movimiento de una dislocación de borde

El mecanismo de deformación plástica en un material cristalino, tal como un metal, consiste en el deslizamiento de planos atómicos a

través del movimiento de dislocaciones

MOVIMIENTO DE UNA DISLOCACIÓN DE BORDE

Representación de la analogía entre el movimiento de un gusano

y el de una dislocación

MOVIMIENTO DE UNA DISLOCACIÓN DE BORDE

• La figura anterior muestra un símil con la translación de una alfombra. La translación simultánea de toda la alfombra con los muebles que tiene encima exige un esfuerzo instantáneo muy grande. Sin embargo, puede hacerse un bucle en ella e ir desplazándolo a lo largo de la habitación, levantando un poco cada mueble cuando el bucle deba pasar por debajo. El esfuerzo es pequeño en cada momento. Cada vez que un bucle atraviesa la alfombra de un lado a otro, ésta se ha movido una pequeña distancia.

• En la parte inferior de la figura se muestra una sección de la alfombra y la creación de una dislocación en un cristal.

Movimiento de las dislocaciones

• La dislocación es la línea inferior de la fila de átomos en negro, la cual representa el semiplano suplementario. Ni éste ni la dislocación coincide con los mismos átomos a lo largo del proceso. La línea de dislocación separa siempre la parte trasladada de la que aún no ha sido afectada por la translación

• Al final (derecha), la dislocación y el medio plano extra han ido pasando de unos átomos a otros y han atravesado todo el cristal y la parte superior de éste se ha movido una distancia equivalente a la celdilla unidad.

Movimiento de las dislocaciones

Dislocación de tornillo (helicoidal)

Dislocación de tornillo (helicoidal)Una dislocación de tornillo se puede formar en un cristal perfecto aplicando

tensiones de cizalladura en las regiones del cristal perfecto que han sido separadas por un plano cortante.

Estas tensiones de cizalladura introducen en la estructura cristalina una región de distorsión en forma de una rampa en espiral de átomos distorsionados.

Dislocación mixtaTiene componentes de borde y de tornillo. La línea de dislocación es una

curva plana. El desorden atómico varia a lo largo de la curva AB

Importancia de las dislocaciones y su deslizamiento

DEFECTOS SUPERFICIALES O BIDIMENSIONALES

• Los defectos puntuales alteran el arreglo perfecto de los átomos circundantes, distorsionando la red a lo largo de cientos de espaciamientos atómicos, a partir del defecto

• Una dislocación que se mueva a través de las cercanías de un defecto puntual encuentra una red en la cual los átomos no están en sus posiciones de equilibrio

• Esta alteración requiere que se aplique un esfuerzo mayor para que la dislocación venza al defecto, incrementando así la resistencia y dureza del material

Importancia de los defectos puntuales

Defectos de superficie

• Son los límites o los planos que separan un material en regiones, cada región tiene la misma estructura cristalina pero distinta cristalina orientación

• Las dimensiones exteriores del material representan superficies en donde termina el cristal. Cada átomo en la superficie ya no tiene el número adecuado de coordinación y se interrumpe el enlazamiento atómico

• El límite de grano, que es la superficie que separa los granos individuales, es una zona angosta donde los átomos no tienen la distancia correcta entre sí existen zonas de compresión y otras de sí, tracción.

• 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 de superficie

Defectos superficiales, interfaciales o bidimensionales

• Los átomos dentro de un metal se ordenan espacialmente en celdas unitarias; las celdas unitarias colocadas sucesivamente forman planos cristalinos, el conjunto de planos cristalinos con una misma dirección constituyen un grano y el conjunto de granos forman la apariencia sólida conocida de los metales

• Se puede decir entonces que las propiedades de un metal se pueden controlar a través de su tamaño de grano

• Los límites o fronteras o bordes de cada grano constituyen el principal defecto superficial de los metales y su existencia es de trascendencia decisiva en las propiedades del metal

• La miscroestructura de los metales consta de muchos granos o cristales continuos adyacentes, los cuales pueden ser observados y medidos mediante técnicas metalográficas, cuya principal herramienta es el microscopio metalográfico óptico o electrónico

• Se pueden controlar las propiedades de los metales a través de controlar el tamaño de grano. Reduciendo el tamaño de granos se incrementa el número de granos por unidad de volumen y por consiguiente la cantidad de límites de grano. En consecuencia cualquier dislocación encontrará un límite de grano (que se vuelve un obstáculo) al solo moverse un poco, incrementándose la resistencia del metal al obstaculizar el movimiento de las dislocaciones

Se define como límite, borde o frontera de granos aquellos límites que separan a un metal en regiones, teniendo cada una de ellas la misma

estructura cristalina , pero diferentes orientaciones

Límites de grano y control de propiedades de los metales

IMPORTANCIA DE LOS DEFECTOS DE SUPERFICIE

Defectos superficiales, interfaciales o bidimensionales

(a) Esquema que muestra el ordenamiento de los átomos en laformación del borde de grano. (b) Granos y límites de grano en

una muestra de acero inoxidable.

Crecimiento de granos a partir de un de metal líquido. El crecimiento se inicio a partir de

varios núcleos. Produciendo límites de grano donde ellos hacen contacto

Defectos superficiales o bidimensionales

Límites de grano y sub-grano

Cuando el desalineamiento entre los granos vecinos es grande (mayor que 15°), el límite formado es llamado límite de grano de ángulo grande. Si el desalineamiento es pequeño (en general menor que 15°), el limite es llamado límite grano de ángulo pequeño

Observe bien ¿Cuántos granos de metal hay?

Fotomicrografías luego del ataque químico

REPRESENTACIÓN ESQUEMÁTICA DEL PROCESO DE CRISTALIZACIÓN POR NUCLEACIÓN Y CRECIMIENTO

DENTRÍTICO

REPRESENTACIÓN ESQUEMÁTICA DE UN LÍMITE DE GRANO

• Debido a la importancia que tiene el tamaño de grano en las propiedades de los materiales, se idearon varios métodos para medirlo

• El método mas elemental es ir midiendo, con ayuda de un microscopio metalográfico, el diámetro de muchos granos, para luego calcular la media. Para ello colocamos sobre la micrografía segmentos de longitud conocida y dividimos esta longitud por el número de granos que hay en la misma. Esto se hace muchas veces, en distintas zonas del material, y al final se calcula la media total. La medida obtenida de esta forma, d, se expresa en micras

MEDIDA DEL TAMAÑO DE GRANO

Existe un método muy utilizado internacionalmente y es el normalizado por la Norma Americana ASTM, la cual asigna al tamaño de grano un número n que se determina por la formula:

N = 2n-1

donde N es el numero de granos por pulgada cuadrada para una muestra ampliada 100 veces (100x).


La anterior relación propuesta por ASTM puede expresarse más claramente de la siguiente forma:

Número de granos / pulg2 a 100X (N) = 2n-1 • Donde “n” es el número de tamaño de grano de uno a ocho;

este método se aplica a metales que han recristalizado completamente.

Según el mismo criterio, se considera: - Grano grueso cuando “n” < 5 (diámetro de grano 62 micras) - Grano fino cuando “n” > 7 (diámetro de grano 32 micras)


Tamaño de grano según ASTM

Clasificación ASTM del

grano de los aceros.

Imágenes de la superficie aproximada

de los granos observados

por un microscopio

de 100 X

• Para poder medir el tamaño de grano y en general para poder observar la estructura granular de los materiales al microscopio hay que preparar muestras metalográficas

• Los microscopios, sobre todo los ópticos, tienen poquísima profundidad de campo, por lo que la superficie a observar debe ser perfectamente plana, cosa que se consigue con cortes adecuados, lijados y pulidos. Estas operaciones no pueden aportar calor con el fin de no modificar la microestructura del material


• Por ultimo se hace un ataque químico que ataca mas a unos granos que a otros o a los bordes de grano que a los propios granos, de forma que resalta la microestructura y puede ser observa al microscopio.

• Un ejemplo de esto se ilustra en la figura donde la luz que envía el microscopio no es reflejada por los bordes de grano, al estar estos más atacados, por lo que se verán mas oscuros.


METALOGRAFÍA: PREPARACIÓN DE MUESTRAS PARA OBSERVACIÓN

MICROSCÓPICA

METALOGRAFÍA: PREPARACIÓN DE MUESTRAS PARA OBSERVACIÓN

MICROSCÓPICA

Microscopio óptico para observación de los metales

Microscopio metalográfico

•OBSERVACIÓN DE LA MACROESTRUCTURA: A OJO O CON BAJOS AUMENTOS (HASTA 10 X)

•OBSERVACIÓN DE LA MICROESTRUCTURA: MICROSCOPÍA ÓPTICA Y MICROSCOPÍA ELECTRÓNICA

Formación de la imagen

Lente del objetivo

Borde de grano

Microestructura

Micrografía óptica 100 X

Micrografía óptica 60 X

Latón

Aleación Fe-Cr

Superficie pulida y atacada

Superficie pulida y atacada

Microscopio

Microscopio

Límite de grano

Micrografía óptica

ILUSTRACIÓN DEL ASPECTO MICROGRÁFICO DE LOS LÍMITES DE GRANO QUE APARECEN COMO LÍNEAS

OSCURAS

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

• En la mayoría de las condiciones de aplicación de los metales, la velocidad de crecimiento del grano es muy pequeña, y sólo a temperaturas elevadas el crecimiento se produce rápidamente.

• Un material de grano fino será, por lo tanto, más duro y más resistente que un material de grano grueso, el cuál (este último) tendrá más juntas de grano donde se acumularán más tensiones.

• Por todo lo anterior debe verificarse que la dureza es inversamente proporcional al tamaño de grano.

El tamaño de grano tiene considerable influencia en las propiedades mecánicas de los metales y aleaciones, por eso es de

gran interés conocerlo. Así pues, podemos entender que la realización de los diferentes tratamientos térmicos tenga como principal objetivo obtener el tamaño de grano deseado. Resulta

evidente que dicho tamaño de grano es inversamente proporcional al número de granos presentes en la muestra.

PROPIEDADES DE LOS METALES VS. TAMAÑO DE GRANO

Documents

DEFECTOS CRISTALINOS