Defectos en cristales.pdf

Def

1. 30.26 -Ciencia de Materiales 1
Clase 4:
DEFECTOS EN CRISTALES
Defectospuntuales,vacancias,defectosinters>cialesy
sus>tucionales,defectosFrenkelySchoDky,defectos
lineales,dislocacionesdelínea,dehéliceymixtas,Ley
deSchmid,defectossuperficiales,bordesdegrano,
fallasdeapilamientoymaclas,microscopíaóp>ca,
trabajoprác>codemetalograPa.

2. Clasificación de los defectos según su geometría y dimensiones
Defectos en cristales
Defectos
Puntuales
Lineales
Superficie
Volumen
Vacancias
Inters7ciales
Sus7tucionales
Dislocaciones de línea
Dislocaciones de hélice
Dislocaciones mixtas
Borde de grano
Falla de apilamiento
Macla
Poros
Grietas
Inclusiones
Fracturas

3. Defectos puntuales
Setratadeimperfeccionesdeltamañodelordendeunátomo,queseencuentranlocalizadasenlaestructura
cristalina.Estasimperfecciones,puedensergeneradasporelmovimientodelosátomosoionescuandoganan
energíaalcalentarse,duranteelprocesamientodelmaterialoporlaintroducciónintencionalonointencionalde
impurezas.
Vacancia
Unátomoounion
estáausentedesu
si,onormalenla
estructuracristalina.
Átomointers3cial
Unátomoounion
estáporfueradela
estructuracristalina.
Átomosus3tucional
pequeño
Unátomoounionde
laestructuracristalina
,enetamañomenor
quelosdemás.
Átomosus3tucional
grande
Unátomoounionde
laestructuracristalina
,enetamañomayor
quelosdemás.
DefectoFrenkel
Unátomoounion
saltadeunpuntode
redaunsi1o
inters1cial.
DefectoScho>ky
Vacanciasdeionesde
signocontrariopara
anularsedeforma
estequiométrica.

4. Vacancias
Vacancia
Unátomoounion
estáausentedesu
si,onormalenla
estructuracristalina.
Cuandolosátomosoionesestánausentes(esdecir,cuandosepresentanvacancias),aumentalaaleatoriedadoentropía
generaldelmaterial,locualincrementalaestabilidadtermodinámica(lossistemas7endenaevolucionarhaciaestadosde
mayorentropía,yaqueestosestadossonmásprobablesy,porlotanto,másestable;segundaleydelatermodinámica)de
losmaterialescristalinos.
La concentración de vacancias aumenta exponencialmente con la temperatura:
Todoslosmaterialescristalinos7enendefectosdevacancia.
Seintroducenenlosmetalesyaleaciones(mezclahomogéneade
dosomáselementos,deloscualesalmenosunoesunmetal)
durantelasolidificación,aaltastemperaturas,ocomo
consecuenciadeldañoqueproducelaradiación.
Ecuación(poArrheniusparala
concentracióndevacanciasen
funcióndelatemperatura.

5. Vacancias
Vacancia
Unátomoounion
estáausentedesu
si,onormalenla
estructuracristalina.
Cuandolosátomosoionesestánausentes(esdecir,cuandosepresentanvacancias),aumentalaaleatoriedadoentropía
generaldelmaterial,locualincrementalaestabilidadtermodinámica(lossistemas7endenaevolucionarhaciaestadosde
mayorentropía,yaqueestosestadossonmásprobablesy,porlotanto,másestable;segundaleydelatermodinámica)de
losmaterialescristalinos.
Esposiblemantenerunaconcentracióndelasvacanciasqueseproducenaunaaltatemperaturasiseenfría
rápidamenteelmaterial.Porlotanto,enmuchassituaciones,laconcentracióndelasvacanciasobservadasa
temperaturaambientenoeslaconcentracióndeequilibriopronos7cadaporlaecuacióndeArrhenius.
Ecuación(poArrheniusparala
concentracióndevacanciasen
funcióndelatemperatura.
La concentración de vacancias aumenta exponencialmente con la
temperatura:

6. Defectos inters<ciales
Átomointers3cial
Unátomoounion
estáporfueradela
estructuracristalina.
Losátomosoionesinters7ciales,suelenserdemenortamañoqueloslocalizadosenlospuntosdered,sinembargo,
siguensiendomayoresquelossi7osinters7cialesqueocupan,locualproducecompresiónydistorsiónenlaregión
cristalinacircundante.
Puedenconsiderarseimpurezasodopantes:
Confrecuencia,losátomosinters7ciales,comoelhidrógeno,se
presentancomoimpurezas,mientrasquelosátomosdecarbonose
adicionandemaneraintencional(dopante)alhierroconelfinde
produciracero.
Fragilización por hidrógeno:Acero al carbono (átomos de C en Fe para formar acero):

7. Defectos inters<ciales
Átomointers3cial
Unátomoounion
estáporfueradela
estructuracristalina.
Losátomosoionesinters7ciales,suelenserdemenortamañoqueloslocalizadosenlospuntosdered,sinembargo,
siguensiendomayoresquelossi7osinters7cialesqueocupan,locualproducecompresiónydistorsiónenlaregión
cristalinacircundante.
Acero al carbono (átomos de C en Fe para formar acero):
Enconcentracionespequeñas,losátomosdecarbonoocupan
si3osinters3cialesenlaestructuracristalinadelhierro,
introduciendounesfuerzoalrededordelaregiónlocalizadadel
cristal.
Laintroduccióndeátomosinters7cialesesunamanerade
incrementarlaresistenciadelosmaterialesmetálicos.
Adiferenciadelasvacancias,unavez
introducidos,elnúmerodeátomosoiones
inters1cialesenlaestructurapermanececasi
constante,apesardequesemodifiquela
temperatura.
No aumentan con la temperatura:

8. Defectos sus<tucionales
Se produce un defecto sus3tucional cuando se reemplazaun átomoo un ion de los puntos de red por un 7po dis7nto
de átomoo ion.
Los átomoso iones sus7tucionales, pueden ser más grandeso más pequeñosque el resto de los átomoso iones de la
estructura cristalina, lo cual reduce, o agrandalos espaciados interatómicoscircundantes.
Átomosus3tucional
pequeño
Unátomoounionde
laestructuracristalina
,enetamañomenor
quelosdemás.
Losdefectossus7tucionalesalteranalcristalcircundante.Denuevo,eldefectosus7tucionalpuedeintroducirse
comounaimpurezaocomounaadicióndealeacióndemaneradeliberaday,unavezintroducidos,elnúmerode
defectosesrela7vamenteindependientedelatemperatura.
Átomosus3tucional
grande
Unátomoounionde
laestructuracristalina
,enetamañomayor
quelosdemás.

9. Defectos sus<tucionales
Silicio
Elsiliciopuroespococonductordelacorrienteeléctrica.
Cuandoseleañadenátomosdefósforooarsénico(enunproceso
quesellamadopado),suconduc7vidadeléctricamejora
notablemente.Así,seformaunsemiconductor3poN,queesmejor
conductorqueelintrínseco.
Tambiénseobservaquealdoparunsemiconductorintrínsecocon
átomosdeboro,galiootaliotambiénmejorasuconduc7vidad
eléctrica.Enestecasosehaconstruidounsemiconductor3poP.
Alunirunsemiconductordel7poNconotrodel7poP,en
lazonadecontactoseproduceunamarchadeelectrones
delazonaNalaP.Locualpermitelacirculacióndela
corrienteeléctricaatravésdeélenunsolosen3do.
Diodo

10. Defectos sus<tucionales
Latón
Laestructuradecobresedopadeformasus7tucionalcon
átomosdezincparaformarellatón.
Enloslatonesindustrialeselporcentajedezincseman7ene
siempreinferioral50%.
Sucomposicióninfluyeenlascaracterís7casmecánicas,la
fusibilidadylacapacidaddeconformaciónporfundición,
forja,troqueladoymecanizado.
Ellatónesmásduroqueelcobre,perofácildemecanizar,
troquelaryfundir,esresistentealaoxidación,alas
condicionessalinasyesmaleable,porloquepuede
laminarseenplanchasfinas.Sumaleabilidadvaríasegúnla
composiciónylatemperatura.

11. Defectos sus<tucionales
Undefectopuntualsus7tucionalimportanteocurrecuandouniondeunacargareemplazaauniondeunacarga
diferente.Estepodríaserelcasocuandounionconunavalenciade2+reemplazaunionconunavalenciade1+.En
estecasoseintroduceenlaestructuraunacargaposi7vaadicional.
Paramantenerelbalancedelascargas,podríacrearseunavacanciadondeporloregularselocalizaríaunca7ón1+.
Denuevo,estaimperfecciónseobservaenlosmaterialesque7enenunpronunciadoenlaceiónico.
Consideraciones importantes:
Porlotanto,enlossólidosiónicos,cuandose
introducendefectospuntuales,7enenqueobservarse
lassiguientesreglas:
a)Debeconservarseelbalancedelacargadetal
maneraqueelmaterialcristalinocomountodo
seaeléctricamenteneutro.
b)Debeconservarseelbalancedelamasa.
c)Debeconservarseelnúmerodesi3os
cristalográficos.

12. Defecto Frenkel
DefectoFrenkel
Unátomoounion
saltadeunpuntode
redaunsi1o
inters1cial.
UndefectodeFrenkelesunpardevacancia-inters3cialformadocuandounionsaltadeunpuntoderedaunsi7o
inters7cialydejaatrásunavacancia.
Aunqueporlogeneralseasociaconlosmaterialesiónicos,un
defectodeFrenkelpuedeocurrirenmetalesyenmateriales
enlazadosdemaneracovalente.
Clorurodeplata,seusaenlaboratoriosde
químicaanalí7catantoenelanálisis
gravimétricocomoenelanálisisvolumétrico
delacan7daddeplatadeunamuestra.
ClorurodesodioClorurodeplata

13. Defecto Scho?ky
DefectoScho>ky
Vacanciasdeionesde
signocontrariopara
anularsedeforma
estequiométrica.
Esexclusivodelosmaterialesiónicosyseencuentrademaneracomún
enmuchosmaterialescerámicos.
Cuandolasvacanciasocurrenenunmaterialenlazadoiónicamente,
debeestarausenteunnúmeroestequiométricodeanionesyca7ones
enlasposicionesatómicasregularesparaqueseconservela
neutralidadeléctrica.
SeproduceeldefectoScho`kycuandosegeneranvacantesdeionesdesignocontrarioparaanularsedeforma
estequiométrica;conelfindemantenerunacargatotalneutra.CadavacanteesundefectodeScho`kyporseparado.
Compuesto iónico de óxido de magnesio
Una vacancia de Mg2+y una vacancia de O2-en el
MgO cons7tuyen un par de Scho`ky.
Mg2+
O2-

14. Defectos lineales
Dislocaciones
Aunquelasdislocacionesseencuentranentodoslos
materiales,entreelloslascerámicasylospolímeros,
sonpar'cularmenteú'lesparaexplicarla
deformaciónyelendurecimientodelosmateriales
metálicos.Sepuedeniden7ficartres7posde
dislocaciones:ladislocacióndelínea,helicoidaly
mixta.
Lasdislocacionessonimperfeccioneslinealesquese
presentanenlaredcristalinadeunsólido.Porlogeneral
seintroducenenelcristaldurantelasolidificacióndel
materialocuandoéstesedeformademanera
permanente.
Ladeformaciónenfríoincrementaladensidadde
dislocacionesenlaestructuracristalinaamedidaque
aumentaladeformaciónplás7cadelmaterial.

15. Defectos lineales
Dislocaciones mixtas Dislocaciones de líneaDislocaciones de hélice

16. Dislocaciones de línea
Esundefectogeneradoporunplanodeátomosqueseintroducealared
cristalinadeformadedefectoynocomopartedelaredatómicadelmaterial.
Elladoinferiordeesteplanoinsertadorepresentaladislocacióndelínea.Sise
describeunavueltaensen7dodelasmanecillasdelrelojalrededordela
dislocacióndelInea,iniciandoenelpuntoxyserecorreunnúmeroigualde
espaciadosatómicosencadadirección,seterminaenelpuntoyaun
espaciadoatómicodelpuntoinicial.
SerequiereunvectordeBurgers
!paracompletarunavueltade
espaciadosatómicosiguales
alrededordeladislocaciónde
arista.
El cristal perfecto Se introduce un plano
adicional de átomos
Vector de
Burgers
Fuerzas de
compresión y
tracción

17. Dislocaciones de hélice
Esundefectogenerado
poresfuerzocizallante
aplicadosobreelmaterial,
locualproducequese
desplacenlosátomosen
laestructuracristalinade
formahelicoidal.
Ladeformaciónplás3cadeunmetalaunatemperaturadondenose
recupere,incrementarápidamenteelnúmerodedislocaciones
presentesse,locualcausalaacumulacióndeesfuerzosresidualesy
dificultacadavezmásladeformacióndelaestructuracristalinadel
metal,endureciéndolo.Aesteprocesoseledenominaendurecimiento
pordeformaciónenfrio,endurecimientoportrabajoenfriooacritud.

18. Dislocaciones de hélice
Esundefectogeneradopor
esfuerzocizallanteaplicado
sobreelmaterial,locual
producequesedesplacenlos
átomosenlaestructura
cristalinadeformahelicoidal.
Siserealizaunavueltaalrededordelejedeladislocaciónhelicoidal,
iniciandoenelpuntoxyluegoserecorrenespaciadosatómicosigualesen
cadadirecciónensen7dodelasmanecillasdelreloj,seterminaenel
puntoyunespaciadoatómicodebajodelpuntoinicial.
Sinoestuvierapresenteunadislocaciónhelicoidal,lavueltasecerraría.El
vectorqueserequiereparacompletarlavueltaeselvectordeBurgersb.
El cristal perfecto Se genera un desplazamiento atómico
producto del esfuerzo cizallante
Se aplica un esfuerzo
cizallante
Vector de
Burgers

19. Dislocaciones mixtas
Dislocaciones mixtas Enlossistemasrealesnoexisteunsolo7podedislocacióndelínea,
sinoqueelmaterialvaaestarcompuestoporlosdos7posde
dislocacionespresentadasanteriormente(líneayhelicoidal).

20. Dislocaciones mixtas
Dislocaciones mixtas
Movimiento de la dislocaciónSe aplica un esfuerzo
cortante a la dislocación
Los átomosse desplazan
La dislocación
se mueva un
vector de
Burgersen la
direcciónde
deslizamiento.
El movimiento con(nuo de la
dislocacióncon el (empo crea un
escalónd
El movimiento de la oruga es
análogoal movimiento de una
dislocación.
Alplanoquecon7enelalínea
dedislocaciónyesparaleloal
vectordeBurgerssele
conocecomoplanodel
deslizamiento.
Cuandoseaplicaunesfuerzo
cortantelosuficientemente
grandequeoperaparaleloal
vectordeBurgersauncristal
quecon7eneunadislocación,
estapuedemoverseatravés
deunprocesoconocido
comodeslizamiento.

21. Dislocaciones mixtas
Deslizamiento
LadislocacióndeLíneaseestápropagandoenla
direcciónopuestaaladireccióndelapropagaciónque
semuestraenlafigura
Unacomponentedelesfuerzocortantedebeactuar
enformaparalelaalvectordeBurgersparaquese
muevaladislocación.Lalíneadedislocaciónsemueve
enunadirecciónparalelaalvectordeBurgers.
Seoriginaunesfuerzonormalcuandolafuerzaaplicadaactúaperpendicularaláreadeinterés.Seoriginaunesfuerzo
cortanteocizallantecuandolafuerzaactúaenunadirecciónparalelaaláreadeinterés.

22. Dislocaciones mixtas
Deslizamiento
BCC
FCC
HC
Elesfuerzoquese
requierepara
provocarquela
dislocaciónse
muevadisminuye
paralosplanoscon
unadensidadplanar
alta.Porlotanto,los
planosde
deslizamientoporlo
generalsonplanos
compactosolomás
compactosposible.

23. Ley de Schmid
Deslizamiento
LafuerzaqueserequiereparainiciarelprocesodeldeslizamientoestádeterminadaporlaleydeSchimd.Suponga
queseaplicaunafuerzaunidireccionalFauncilindrodemetalmonocristalino.Sepuedeorientarelplanoyladirección
dedeslizamientoalafuerzaaplicadamedianteladefinicióndelosángulos"y#.
Elánguloentreladireccióndedeslizamientoyla
fuerzaaplicadaes"mientrasque#eselángulo
entrelanormalalplanodedeslizamientoyla
fuerzaaplicada.
Paraqueladislocaciónsemuevaensusistemade
deslizamiento,debeproducirsepormediodela
fuerzaaplicadadeunafuerzadecortequeactúe
enladireccióndeldeslizamiento.
!$=!#$%&
Estafuerzadecorteresuelta%!estádadapor:

24. Defectos superficiales
Fallas de apilamientoBorde de grano Maclas

25. Borde de grano
Ungranoesunaporcióndelmaterialdentrodelacualelarreglodelosátomos7eneelmismoordenamiento
atómico;sinembargo,laorientacióndelarreglodeátomos,oestructuracristalina,esdis7ntaencadagranovecino
Losátomosestántancercanosentresíenalgunas
localizacionesenloslímitesdelosgranosquegeneran
unaregióndecompresión,mientrasqueenotrasáreas
estántanalejadosquegeneranunaregióndetensión.
Unmétodoparacontrolarlaspropiedadesdeunmaterial
espormediodelcontroldeltamañodelgrano.Sise
reduceeltamañodelgrano,seincrementaelnúmerode
granosy,porlotanto,aumentalacan7daddeláreadelos
límitesdegrano.

26. Fallas de apilamiento
Las fallas de apilamiento, las cuales ocurren en metales FCC, representan un error en la secuencia de apilamiento de
los planos compactos. Por lo general, se produce una secuencia de apilamiento ABC ABC ABC en un cristal CCCa
perfecto. Suponga que en su lugar se produce la siguiente secuencia:
Ellímitedegranodeángulopequeñoseproducepor
mediodeunarreglodelasdislocaciones,loqueprovoca
undesajusteangularθentrelasredesencualquierlado
dellímite.
Microgracaelectrónicadetransmisiónde
unlímitedegranodeángulopequeñoenel
aluminio

27. Maclas
Un límitede macla es un planoa travésdel cual se produce una desorientaciónespecial de imagen especular de la
estructura cristalina. Los límitesde macla pueden producirse cuando una fuerza de corte, que actúaa lo largo del
límitede macla, ocasiona que los átomosse desplacen de su posición.
Estoslímites,quesepresentandurantela
deformaciónoeltratamientotérmicodeciertos
metales,interfierenconelprocesodedeslizamiento
eincrementanlaresistenciadelmetal.
Tambiénsepresentanenalgunosmateriales
cerámicoscomolazirconiamonoclínicayelsilicato
dedicalcio.

28. Defectos en metales
Acon7nuaciónsepresentanlos7posdedefectosqueposeenalgunosmetalesensuestructuracristalinaa
temperaturaambiente.

29. Defectos en cristales
Observación microscópica
Esconvenienteparaexaminarloselementos
estructuralesylosdefectospresentesenlos
materiales,quepuedanllegaramodificarsus
propiedades.
Laimportanciadelaobservaciónmicroscópica
radicaendosaspectosmuyimportantes:
Comprenderlarelaciónqueexisteentrela
microestructuradelmaterialysuspropiedades.
Predecirlaspropiedadesdelosmaterialesuna
veziden7ficadalarelaciónanterior,esdecir,una
vezquesoncaracterizados.

30. Técnicas de caracterización microscópica
Microscopía óp>ca
Microscopía electrónica
Electrónica de transmisión (TEM)Electrónica de barrido (SEM)
Trabajo
prác7co
Prác7ca de
Laboratorio
Defectos en cristales

31. Secciones del trabajo prácIco:
Trabajo prác<co metalograMa
Título:Seiden7ficaunnombreapropiadoparaeldtulo,quetengarelaciónconlatemá7cadeestudio.
Resumen:Sedescribeloquesehizo,laformacomosehizoylosresultadosprincipalesquese
obtuvieron,eneseordenyresumidoenunsolopárrafo(serecomiendahaceralfinalparatener
claramentedefinidostodoslosaspectosdelresumen).
Introducción:Serecopilatodalainformaciónteóricarelacionadaconlatemá7cadeestudio.Sisevana
tenerencuentaecuacionesmatemá7cas,seescribenenestasección(enumeradas,conelnúmero
alineadoaladerechaylaecuacióncentrada)ydespuéssellamaneneltextoconsurespec7va
numeraciónparareconocerlas.
Desarrolloexperimental:Seexplicaelpasoapasodelexperimentodelaformamásclaraposibley
detallandonosóloelprocedimientoexperimental,sinotambiéntodoslosdemásdatosexperimentales
derelevanciacomolasespecificacionesdelosequiposymaterialesu7lizados(serecomiendaempezar
porestasección).

32. Trabajo prác<co metalograMa
Resultados:Sepresentanlasfiguras(imágenes,gráficas,etc.)y/otablasrelacionadasconlosresultados
experimentalesysevanhaciendocomentariosacadaunodeestoselementosamedidaquesevan
presentando.Alfinaldeestasecciónsehaceunanálisisgeneraldetodoslosresultados.
Conclusiones:Sedestacanlosaspectosmásimportantesdeltrabajoysehaceunareflexióndelos
resultadosdemaneramásgeneralyresumidaenunsolopárrafo(noseescribendatos,tablas,gráficos,
etc.Solotexto).
Referencias:Sereportantodaslasfuentesapar7rdelascualesseencontrólainformaciónu7lizadaparala
realizacióndelinforme.
Secciones del trabajo prácIco: