CAPITULO V. DEFECTOS CRISTALINOS

Presentación del tema: "CAPITULO V. DEFECTOS CRISTALINOS"— Transcripción de la presentación:

1 CAPITULO V. DEFECTOS CRISTALINOS
M E T Y 1. Defectos puntuales: vacancias y átomos intersticiales, origen y movimiento. 2. Defectos lineales: dislocación de borde y de tornillo. Generación y movimiento. Energía de las dislocaciones y su interacción. Fuente de Frank Read. 3. Defectos interfaciales 4. Defectos volumétricos 5. Relación defectos cristalinos-propiedades Cap. V. Defectos cristalinos

2 Nivel de magnitud de los defectos
Y Pelo humano Célula de la sangre estafilococus rinovirus Cap. V. Defectos cristalinos

3 Defectos F U N D A M E T Y Cap. V. Defectos cristalinos

4 DEFECTOS E IMPERFECCIONES EN SOLIDOS CRISTALINOS
U N D A M E T Y Defecto cristalino: imperfección presente en la red cristalina que interrumpe el arreglo y la repetitividad en el mismo. Siempre están presentes en la estructura de los materiales 1. Defectos puntuales 2. Defectos lineales: dislocaciones 3. Defectos superficiales 4. Defectos volumétricos Tienen relación con las propiedades mecánicas. Cap. V. Defectos cristalinos

5 5.1 Defectos puntuales: vacancias, átomos intersticiales y sustitucionales. Origen y movimiento.
Vacancia: posición atómica vacía, o ausencia de átomo Impureza: átomo extraño que reemplaza o se ubica en un hueco de la estructura cristalina Átomo intersticial: átomo extra en la estructura cristalina, de tamaño pequeño. Átomo sustitucional: átomo extra en la estructura cristalina, de tamaño similar al de la estructura base. Cap. V. Defectos cristalinos

6 Defectos puntuales F U N D A M E T Y Cap. V. Defectos cristalinos

7 Defectos en cerámicos y cristales iónicos
Defecto Frenkel: combinación de vacancia- atomo intersticial. F U N D A M E T Y Defecto Schotky: imperfección puntual, consiste en un par vacantes de iones de carga opuesta.

8 Otros defectos Catión intersticial Vacancia catiónica
U N D A M E T Y Vacancia catiónica Vacancia aniónica Defecto Schotky Defecto Frenkel

9 Efecto de los defectos puntuales
M E T Y (i) Crean distorsiones (tensión o compresión) en la red o látice cristalino (ii) Se forman vacancias por movimiento de impurezas sustitucionales a través de la red cristalina. Cap. V. Defectos cristalinos

10 Átomos intersticiales semejantes: también generan distorsión de planos
F U N D A M E T Y Las vacancias siempre están presentes en las redes cristalinas, generan la distorsión de planos Átomos intersticiales semejantes: también generan distorsión de planos Cap. V. Defectos cristalinos

11 Defectos puntuales en Aleaciones
Adición del elemento B (soluto o aleante) a la matriz A (solvente), forma una solución sólida de B en A (distribución al azar de B) F U N D A M E T Y Aleación intersticial Los átomos se introducen en los huecos entre los átomos originales. Ejm. C en Fe Aleación sustitucional Los átomos sustituyen a los átomos originales en las posiciones de la red. Ejm. Cu en Ni Cap. V. Defectos cristalinos

12 Ciertas cantidades de B (soluto) pueden agruparse y formar una nueva fase.
La segunda fase tiene: diferente composición diferente microestructura Cap. V. Defectos cristalinos

13 Importancia de los defectos puntuales
Y Importancia de los defectos puntuales Controla la difusión en el estado sólido Afecta las propiedades mecánicas: plasticidad y fluencia (creep) Cap. V. Defectos cristalinos

14 Concentración al equilibrio de defectos puntuales
La concentración es afectada por la temperatura, esta dada por: F U N D A M E T Y k = Cada punto cristalino es un sitio potencial de defecto (vacancia) Entonces: N = NA (/A) donde: NA = # de Avogadro, A= masa atómica (g/mol) y  = densidad (g/cm3)

15 Estimación de la concentración de vacancias
Encontrar el No. de vacancias en 1 m3 de Cu a 1000 C (1273 K). Considere los siguientes datos: F U N D A M E T Y Para 1 m3: N = NA (Cu/ACu) x 1 m3 = 8 X 1028 sitios Nv = N exp (-Qv/kT) = 8 X 1028 exp (-0.9/8.62X10-5 X 1273) Nv = X 1025 sitios

16 Calcúlenlo RESULTADO Nv = 7.4 X 1013 vacancias
Estimar el número de vacancias a temperatura ambiente y comparar con el resultado anterior. Explicar la diferencia F U N D A M E T Y Calcúlenlo RESULTADO Nv = 7.4 X 1013 vacancias

17 Es un Proceso térmicamente activado
¿Por qué la diferencia? ¿Cuál es el efecto de la temperatura? A 1000 C Nv = X 1025 sitios F U N D A M E T Y A temp. ambiente Nv = 7.4 X 1013 sitios Es un Proceso térmicamente activado Capitulo V Imperfecciones en sólidos: dislocaciones Cap. V. Defectos cristalinos

18 Ejem. de procesos térmicamente activados
Hot Rolling ó laminado en caliente F U N D A M E T Y Capitulo V Imperfecciones en sólidos: dislocaciones

19 Forja en caliente Capitulo V Imperfecciones en sólidos: dislocaciones
Y Capitulo V Imperfecciones en sólidos: dislocaciones

20 Problemas Que es un proceso térmicamente activado, cual es la energía y el mecanismo que lo activa? Calcule la concentración de vacancias por m3 para Al puro a 500 C. Considera la energía de activación de las vacancias de 0.76 eV. Que sucede con la fracción de vacancias a 660 C. Calcule la concentración de vacancia por m3 para la plata pura a 500 C. Considere la energía de activación de 1.10 eV. Explique la diferencia en concentración de vacancias entre el Al y la Ag. Obtenga una grafica del incremento de vacancias con la temperatura para el platino, considere que la energía de formación de vacancias es de 1.40 eV. Explique que utilidad tendría la grafica que construyo.

21 F U N D A M E T Y 5.2 Defectos lineales Dislocación de borde y de tornillo. Generación y movimiento. Energía de las dislocaciones y su interacción. Fuente de Frank Read. Capitulo V Imperfecciones en sólidos: dislocaciones

22 Dislocaciones Caso del Zn (hcp) Son defectos lineales
El deslizamiento entre planos se asocia al movimiento de dislocaciones Se producen deformaciones plásticas o permanentes F U N D A M E T Y Antes de la deformación Después de la deformación Sistemas de deslizamiento Caso del Zn (hcp)

23 Imperfecciones lineales
Dislocaciones: línea o plano de átomos incompleto localizada en la red cristalina que la des-alínea. Las hay de dos tipos: borde y de tornillo o álabe. F U N D A M E T Y Dislocación de borde: plano incompleto entre una línea o plano de átomos. El vector de Burger b es perpendicular a la línea de dislocaciones ( ) Dislocación de tornillo (álabe): formación de una rampa espiral alrededor de la línea de dislocación al modificar un plano de átomos. El vector de Burger b es paralelo a la línea de dislocaciones (ll)

24 Capitulo V Imperfecciones en sólidos: dislocaciones
El deslizamiento de las dislocaciones se caracterizan por el Vector de Burger (b) El Vector de Burger (b) es: la dirección y la distancia que se desplaza una dislocación en cada paso. F U N D A M E T Y Observar que el vector de cierre es de la posición 1 a la 19 Capitulo V Imperfecciones en sólidos: dislocaciones

25 Línea y plano de dislocaciones
F U N D A M E T Y compresión tensión

26 F U N D A M E T Y Regiones de compresión (gris) y tensión (rosa) alrededor de una dislocación

27 Las dislocaciones de borde (edge) pueden ser: positivas o negativas
F U N D A M E T Y Se denominan con: positivas negativas Capitulo V Imperfecciones en sólidos: dislocaciones

28 Movimiento de dislocaciones
(importancia) El movimiento de estas en la red cristalina produce deformaciones permanentes en el material (comportamiento plástico) F U N D A M E T Y Capitulo V Imperfecciones en sólidos: dislocaciones

29 Capitulo V Imperfecciones en sólidos: dislocaciones
El movimiento provoca fenómenos de deslizamiento entre planos (deformación del material) F U N D A M E T Y Capitulo V Imperfecciones en sólidos: dislocaciones

30 Deslizamiento (movimiento de oruga)
VIDEOS

31 Capitulo V Imperfecciones en sólidos: dislocaciones
Su movimiento produce tensiones o compresiones en la red cristalina, resultando un movimiento atómico masivo F U N D A M E T Y Dislocación de borde Capitulo V Imperfecciones en sólidos: dislocaciones

32 Movimiento de la dislocación de borde
F U N D A M E T Y  Capitulo V Imperfecciones en sólidos: dislocaciones

33 El vector de Burger “b” es normal en las dislocaciones de borde
F U N D A M E T Y Cristal perfecto Cristal con un plano adicional incompleto (dislocación) Se requiere de un vector de Burger para cerrar el circuito de átomos alrededor de la dislocación de borde Capitulo V Imperfecciones en sólidos: dislocaciones

34 Trepado positivo ó ascenso de dislocaciones
F U N D A M E T Y Plano de deslizamiento: - El plano contiene a “b” y L (línea de dislocaciones) - Las dislocaciones se mueven por rompimiento de enlaces locales

35 Trepado negativo o descenso de dislocaciones

36 Dislocación de tornillo
P. Superior F U N D A M E T Y Plano superior Línea de dislocación Plano inferior P. Inferior Capitulo V Imperfecciones en sólidos: dislocaciones

37 Movimiento de una dislocación de tornillo
F U N D A M E T Y Se forman dislocaciones por deslizamiento paralelo a la línea de dislocación. - La dislocación de tornillo: b es paralelo a L - El circuito de desplazamiento alrededor de la dislocación es “b” a lo largo del de L, como si fuera un tornillo. Los planos que contienen “b” son un planos de deslizamiento Capitulo V Imperfecciones en sólidos: dislocaciones

38 Aniquilación de dislocaciones
Cristal perfecto atracción Dos dislocaciones de signo opuesto en el mismo plano, se atraen y aniquilan, generando un cristal perfecto

39 Dislocación mixta F U N D A M E T Y La dislocación de tornillo esta en la cara frontal y cambia gradualmente a dislocación de borde en la cara lateral del cristal Capitulo V Imperfecciones en sólidos: dislocaciones

40 Dislocaciones de borde, tornillo y mixtas
F U N D A M E T Y Capitulo V Imperfecciones en sólidos: dislocaciones

41 Dislocación mixta Las dislocaciones en cristales reales son curvadas o en forma de loops - “b” es el mismo en cualquier lugar ya que el deslizamiento es el mismo en cualquier lugar. - En la dislocación de borde “b” es perpendicular al plano L y en la dislocación de tornillo es paralela al L (línea de dislocaciones) - En dislocaciones mezcladas b es angular a L (línea de disllocaciones) El cristal desliza por “b” en el plano donde las dislocaciones se mueven perpendiculares a L

42 Imágenes de dislocaciones obtenidas por TEM

43 Imágenes de dislocaciones obtenidas por TEM (Microscopía Electrónica por Transmisión)

44 Generación de dislocaciones
F U N D A M E T Y Frank y Red propuso que las dislocaciones pueden generase a partir de una vacancia existente, generando loops de dislocaciones Capitulo V Imperfecciones en sólidos: dislocaciones

45 La protuberancia de dislocaciones AB crece hacia afuera (A y B son ancladas por las impurezas), que produce un deslizamiento cuando una tensión de corte () es aplicada. La máxima  para el semicírculo generado por la protuberancia de dislocaciones esta dado por: Más allá de este punto, el loop de dislocaciones continua expandiéndose hasta que las parte m y n se juntan y aniquilan, para formar un loop grande y una nueva dislocación.

46 Secuencia de generación de dislocaciones
F U N D A M E T Y Secuencia de generación de dislocaciones Capitulo V Imperfecciones en sólidos: dislocaciones

47 Dislocatiebron (Frank-Read)
Tension formada por las dislocaciones presentes F U N D A M E T Y FR-bron op het (111)-vlak van een fcc-kristal Bron: Ecole Nationale Supérieure de Physique de Grenoble

48 Apilamiento de dislocaciones en los bordes de grano
F U N D A M E T Y Bron: Ecole Nationale Supérieure de Physique de Grenoble

49 Campo de tensiones y compresión alrededor de una dislocación de borde
Energía de dislocaciones F U N D A M E T Y Campo de tensiones y compresión alrededor de una dislocación de borde Capitulo V Imperfecciones en sólidos: dislocaciones

50 Energía elástica total
La energía de una dislocación, es equivalente a romper un enlace por átomo de espaciamiento a lo largo del corazón de la línea de dislocaciones. Lo anterior esta dado aproximadamente por: F U N D A M E T Y (energía de formación de una vacancia)/ (No. de coordinación) Típicamente: (1-3 eV)/ (4 a 12 átomos por nm) Lo cual esta en un rango de 0.5 a 5 eV/nm (0.1-1 J/nm) Este magnitud de energía conduce a un “estado de relajación” al sistema (dislocación) Energía elástica total Valores típicos de G de 60 a 120 GPa, “b” de 0.2 a 0.3 nm

51 F U N D A M E T Y Modelo de burbujas

52 Densidad de dislocaciones
La densidad de dislocaciones es una medida de cuantas dislocaciones están presentes en el material. Ya que las son defectos lineales, esta se define como la longitud total de dislocaciones por unidad de volumen, las unidades son m/m3 ó m-2. F U N D A M E T Y También se considera como: el número de líneas de dislocación que intersectan la unidad de área. La densidad de dislocaciones es del orden de: 1010 m-2 (105 cm-2) en metales solidificados y hasta 1015 m-2 (1010 cm-2) después del trabajado en frío (deformados).

53 Simulación de multiplicación de dislocaciones
Imagen congelada de la simulación de deformación plástica en un cristal de Cu (fcc) con una arista de 15 m, las líneas representan las dislocaciones F U N D A M E T Y Modelo para calcular el: incremento de las dislocaciones en base a la temperatura, la presión y la velocidad de deformación. Simulación de multiplicación de dislocaciones Donde:

54 3. Defectos interfaciales
Son interfases entre dos áreas de una fase que tienen diferentes orientaciones cristalográficas (límite de grano) F U N D A M E T Y Cap. V. Defectos cristalinos

55 Interfase en una microestructura
D A M E T Y Interfase en una microestructura

56 Defectos interfaciales
U N D A M E T Y Observar la orientación del hexágono y la interfase Cap. V. Defectos cristalinos

57 Puede ser coherente o incoherente
Frontera entre fases Puede ser coherente o incoherente F U N D A M E T Y Cap. V. Defectos cristalinos

58 F U N D A M E T Y Interfase coherente

59 Frontera entre dos fases
Aleación Cu-Zn Aleación Al-Cu F U N D A M E T Y

60 Fronteras de grano Fronteras entre dos cristales
Producidos por la solidificación Tienen diferentes orientaciones cristalográficas Impiden el movimiento de dislocaciones F U N D A M E T Y Cap. V. Defectos cristalinos

61 Identificación de los granos y las fronteras de grano en un material metálico
Cap. V. Defectos cristalinos

62 Se revelan como líneas obscuras
Las fronteras de grano: son las imperfecciones más suceptibles de atacar. Se revelan como líneas obscuras Las diferentes orientaciones cristalográficas de cada grano producen diferentes intensidades luz reflejada F U N D A M E T Y El tamaño de grano ASTM esta dada por el número: N = 2n-1 Donde “n” es el número de tamaño ASTM, N son los granos/in2 observada a 100X Cap. V. Defectos cristalinos

63 Tamaño de grano ASTM (American Society for Testing of Materials)
Tamaño de grano ASTM (American Society for Testing of Materials). Norma: E-112 Esta cuantificado por un sistema de numeración, los tamaños del 1 al 5 se consideran granos gruesos y del 5 al 8 el grano es fino. F U N D A M E T Y Es importante porque: Afecta las propiedades mecánicas: granos finos dan una mejor combinación de resistencia-tenacidad y granos gruesos proveen mejor maquinabilidad del material. Cap. V. Defectos cristalinos

64 Cálculo del tamaño de grano El tamaño de grano ASTM es de 7.64
Suponer que se cuentan 16 granos por in2 en una fotografía que se toma a 250 X (aumentos). ¿Cual es el número ASTM del tamaño de grano? F U N D A M E T Y Solución: Si se cuentan 16 granos/in2 a 250X, entonces a 100X deben ser: N = (250/100)2 (16) = 100 granos/in.2 = 2n-1 Log 100 = (n – 1) log 2 2 = (n – 1)(0.301) n = 7.64 El tamaño de grano ASTM es de 7.64 Cap. V. Defectos cristalinos

65 Fig. Fotografía del paladio tomada a 100X
Ejercicios: 1) Se determino en una fotografía tomada a 100 aumentos (100X) 64 granos/in2. Cual es el tamaño de grano ASTM. Resultado = 7 2) Si se tienen 60 granos/in2 en una fotografía a 200X, cual es el tamaño de grano ASTM del acero bajo carbono? Resultado: 8.91 3) Si se tienen 450 granos/in2 para un material cerámico en una fotografía tomada a 250X. Cual es el tamaño de grano ASTM? Resultado: 12.46 4) Calcular mediante conteo el tamaño de grano de una aleación de paladio, para la figura mostrada en la imagen tomada a 100X. Resultado: _________ Fig. Fotografía del paladio tomada a 100X

66 (c) 2003 Brooks/Cole Publishing / Thomson Learning
F U N D A M E T Y Relación entre el tamaño de grano y la resistencia a la cedencia (Yield Strength), esta dada por la Ec. De Hall-Pech: Cap. V. Defectos cristalinos

67 Rejilla graduada para medir tamaño de grano a 100X
F U N D A M E T Y Rejilla graduada para medir tamaño de grano a 100X Tamaño de grano de una aleación C26000 recocida a (a) 1 hr a 450 C, (b) 1 hr a 550 C y (c) 2 hrs a 750 C

68 Granos en diferentes materiales
U N D A M E T Y Latón amarillo Acero bajo carbono Aluminio Cap. V. Defectos cristalinos

69 (lingotes y piezas de fundición)
Macrograno (macroestructura) (lingotes y piezas de fundición) Granos equiaxiales grandes Granos columnares Granos equiaxiales finos F U N D A M E T Y

70 Fronteras de grano de ángulo bajo
M E T Y Es un arreglo vertical de dislocaciones de borde que origina una frontera de ángulo pequeño. Estas fronteras son móviles. Cap. V. Defectos cristalinos

71 Fronteras de ángulo alto
M E T Y Es una frontera simple en la cual dos cristales se unen, con una diferente orientación de cada cristal. Las fronteras de ángulo alto, son sitios de segregación química (acumulación de solutos o impurezas) Cap. V. Defectos cristalinos

72 Granos gemelos F U N D A M E T Y Es una reflección de la posición de los átomos a través de un plano gemelo También se considera como una frontera gemela y coherente en la cual los planos rotan.

73 En la mayoría de los casos existe un plano espejo (ó plano gemelo).
En general se tiene cierta diferencia en orientación entre las dos partes del cristal que tiene la misma estructura. Ley gemela: operación simétrica necesaria para transformar una parte en otra. En la mayoría de los casos existe un plano espejo (ó plano gemelo). La gemelación se forma en general durante el crecimiento de los cristales. F U N D A M E T Y Presentan cambios en las secuencias de apilamiento: ABCABC -- ABCBC ó ABCBABC Cap. V. Defectos cristalinos

74 4. Defectos volumétricos
Huecos - Segundas fases: Inclusiones (indeseadas) Precipitados (deseados o indeseados) F U N D A M E T Y Cap. V. Defectos cristalinos

75 Los defectos volumétricos (tridimensionales) generalmente son creados por deficiencias durante el proceso de manufactura, entre estos están: F U N D A M E T Y Poros: huecos en el material, afectan las propiedades mecánica, ópticas y térmicas del material. Grietas: son líneas de fractura o separaciones en el material, afecta principalmente las propiedades mecánicas. Inclusiones: partículas incrustadas en el material con diferentes características físicas y composición química. Afectan las propiedades mecánicas, ópticas y eléctricas. Cap. V. Defectos cristalinos

76 Poros Se forman por atrapamiento de gases en solución, gases atrapados mecánicamente durante el llenado de moldes F U N D A M E T Y

77 Grietas Se forman por tensiones en el material durante la solidificación, esfuerzos excesivos aplicados durante su funcionamiento, enfriamientos bruscos durante el tratamiento térmico, laminado excesivo, condiciones de trabajo por encima de lo normal, etc. Cap. V. Defectos cristalinos

78 Inclusiones Presencia de partículas indeseables, pueden ser: óxidos, partículas de refractario, sulfuros, carbonatos o sales, atrapados durante el proceso de manufactura. F U N D A M E T Y Silicatos Alúmina Sulfuros globulares Sulfuros alargados Cap. V. Defectos cristalinos

79 Defectos por contracción
Se forman debido a la disminución de volumen (contracción) del metal durante la solidificación, pueden ser: microrechupes o rechupes macroscópicos F U N D A M E T Y Microrechupes Cap. V. Defectos cristalinos

80 Rechupes macroscópicos
Huecos originados por contracción del metal durante la solidificación

81 Simulación para predecir localización del rechupe
F U N D A M E T Y Simulación para predecir localización del rechupe Cap. V. Defectos cristalinos

82 5. Relación defectos cristalinos-propiedades
U N D A M E T Y 5. Relación defectos cristalinos-propiedades Cap. V. Defectos cristalinos

83 F U N D A M E T Y Efecto de la deformación (% de trabajado en frío) en la resistencia ala cedencia (YS) y la resistencia a la tensión (TS) Cap. V. Defectos cristalinos

84 Trabajado en frío:

85 Efecto del tamaño de grano en la resistencia a la cedencia
U N D A M E T Y Cap. V. Defectos cristalinos 85

86 Efecto de la porosidad en la resistencia a a flexión
U N D A M E T Y Cap. V. Defectos cristalinos 86

87 F U N D A M E T Y Explicar desde el punto de vista estructura cristalina el comportamiento de los tres materiales de las curvas Tensión-deformación Cap. V. Defectos cristalinos 87

88 FIN DEL CURSO