PRÁCTICA Nº 3: IMPERFECCIONES IMPERFECCIONES EN LAS ESTRUCTURAS CRISTALINAS OBJETIVOS 1. Clasificar Clasificar ls !i"#rss $i%s !# i&%#rf#cci'#s cris$ali'as ( #)%licar #l %a%# %a%#ll !# ls ls !#f# !#f#c$ c$s s s*r s*r## las las %r% %r%i# i#!a !a!# !#ss &#c+ &#c+'i 'ica cass ( #l,c$ricas !# ls &a$#rial#s cris$ali's -. #$#r&i'a #$#r&i'arr #l '/&#r '/&#r !# $a&a0 $a&a0 !# ra' ra' ( #l !i+&#$r !i+&#$r &#!i &#!i !#l $a&a0 !# ra' s#/' ASTM ( !#scri*ir la i&%r$a'cia !#l $a&a0 !# ra' ( la !#'si!a! !# l2&i$# !# ra' s*r# la c'!c$a !# ls &a$#rial#s cris$ali's 1. FUNAMENTO TE4RICO El sólido sólido ideal ideal no exist existe, e, todos todos tienen tienen un gran gran núme número ro de de defe fect ctos os e imperfecciones de índole variada. De hecho muchas de las propiedades de los materiales son muy sensibles al desvío de la perfección cristalina. La clasificación de las imperfecciones cristalinas se realiza frecuentemente según la geometría geometría o las dimensiones dimensiones del defecto.
EFECTOS PUNTUALES
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on alteraciones o discontinuidades puntuales de la red cristalina provocadas por uno o varios !tomos. "rigen# movimiento de !tomos durante el calentamiento el procesado del material, introducción de impurezas o por aleación
$%&%'(E ) $%&%'&*%# un !tomo falta de su sitio normal en la red cristalina. •
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"rigen# durante la solidificación a alta temperatura o como consecuencia de los da+os provocados por la radiación intencionados'úmero de vacantes en la red# dependen exponencialmente de la temperatura
DEE&(" *'(E/(*&*%LE# un !tomo adicional se inserta en una posición habitualmente desocupada de la red cristalina •
Los !tomos intersticiales son mayores 0ue los huecos intersticiales 0ue ocupan y menores 0ue los !tomos reticulares 0ue los rodean distorsión de la red-
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'úmero# pr!cticamente constante con la temperatura
CÁLCULO EL N5MERO E VACANCIAS
El número de vacantes ' $ ó 'L- se puede calcular en función de 0ue su cantidad depende de la temperatura. La fórmula 0ue permite calcular ello es la siguiente#
Donde# ' 1 'úmero total de lugares ocupados por !tomos por e2emplo !t3m45$ ó 5L 1 Energía de activación, o sea la energía vibracional re0uerida para la formación de una vacante e$, 6 ó cal.( 1 (emperatura absoluta en grados 7elvin 7 1 &onstante de 8oltzmann 9,4: x 9; <=4 63!t<>7 ó :,?= x 9; <@ e$3!t<>7-, el valor 0ue se emplee en la ecuación depende de las unidades de 5 $ PROBLEMA RESUELTO &alcular el número de vacantes en e0uilibrio por metro cúbico en el cobre puro a @;; >&. &onsidere 0ue la energía de activación para la formación de una vacante es de ;,A; e$. %suma un peso atómico para el cobre de ?4,@B g. y una densidad de :,A? g3cm4 "LC&*)' rimero se calcula el valor de ' o sea el número de lugares atómicos por m 4
%plicamos la fórmula y reemplazamos#
EFECTOS SUPERFICIALES6 INTERFACIALES O BIIMENSIONALES •
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e puede decir entonces 0ue las propiedades de un metal se pueden controlar a travs de su tama+o de grano Los límites o fronteras o bordes de cada grano constituyen el principal defecto superficial de los metales y su existencia es de trascendencia decisiva en las propiedades del metal Los !tomos dentro de un metal se ordenan espacialmente en celdas unitariasF las celdas unitarias colocadas sucesivamente forman planos cristalinos, el con2unto de planos cristalinos con una misma dirección constituyen un grano y el con2unto de granos forman la apariencia sólida conocida de los metales
L2&i$#s !# ra' ( c'$rl !# %r%i#!a!#s !# ls &#$al#s
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La miscroestructura de los metales consta de muchos granos o cristales continuos adyacentes, los cuales pueden ser observados y medidos mediante tcnicas metalogr!ficas, cuya principal herramienta es el microscopio metalogr!fico óptico o electrónico e pueden controlar las propiedades de los metales a travs de controlar el tama+o de grano. /educiendo el tama+o de granos se incrementa el número de granos por unidad de volumen y por consiguiente la cantidad de límites de grano. En consecuencia cual0uier dislocación encontrar! un límite de grano 0ue se vuelve un obst!culo- al solo moverse un poco, increment!ndose la resistencia del metal al obstaculizar el movimiento de las dislocaciones
MEIA EL TAMA7O E 8RANO •
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Debido a la importancia 0ue tiene el tama+o de grano en las propiedades de los materiales, se idearon varios mtodos para medirlo El mtodo mas elemental es ir midiendo, con ayuda de un microscopio metalogr!fico, el di!metro de muchos granos, para luego calcular la media. ara ello colocamos sobre la micrografía segmentos de longitud conocida y dividimos esta longitud por el número de granos 0ue 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 Existe un mtodo muy utilizado internacionalmente y es el normalizado por la 'orma %mericana %(G, la cual asigna al tama+o de grano un número n 0ue se determina por la fórmula#
N 9 -'1 donde ' es el numero de granos por pulgada cuadrada para una muestra ampliada 9;; veces 9;;x-.
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La anterior relación propuesta por %(G puede expresarse m!s claramente de la siguiente forma#
N/&#r !# ra's ; %l- a 1<<= >N? 9 •
Donde HnI es el número de tama+o de grano de uno a ochoF este mtodo se aplica a metales 0ue han recristalizado completamente. egún el mismo criterio, se considera# < Jrano grueso cuando HnI K @ di!metro de grano ?= micras< Jrano fino cuando HnI M di!metro de grano 4= micras-
Clasificaci@' ASTM !#l ra' !# ls ac#rs. I&+#'#s !# la s%#rfici# a%r)i&a!a !# ls ra's *s#r"a!s %r ' &icrsc%i !# 1<< =
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ara poder medir el tama+o de grano y en general para poder observar la estructura granular de los materiales al microscopio hay 0ue preparar muestras metalogr!ficas Los microscopios, sobre todo los ópticos, tienen po0uísima profundidad de campo, por lo 0ue la superficie a observar debe ser perfectamente plana, cosa 0ue se consigue con cortes adecuados, li2ados y pulidos. Estas
operaciones no pueden aportar calor con el fin de no modificar la microestructura del material •
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or ultimo se hace un ata0ue 0uímico 0ue ataca mas a unos granos 0ue a otros o a los bordes de grano 0ue a los propios granos, de forma 0ue resalta la microestructura y puede ser observa al microscopio. Cn e2emplo de esto se ilustra en la figura donde la luz 0ue envía el microscopio no es refle2ada por los bordes de grano, al estar estos m!s atacados, por lo 0ue se ver!n m!s oscuros.
-. ACTIVIA E=PERIMENTAL
O*s#r"# *i#' C+'$s ra's !# &#$al a( Gar0ue con un lapicero de tinta ro2a los límites de grano PROBLEMAS PROPUESTOS 9. &alcular el número de vacantes por metro cúbico para el oro a A;; >&. La energía de activación para la formación de vacantes es de ;,A: e$3!tomo. %dem!s, la densidad y el peso atómico del %u son 9A,4= g3cm 4 y 9A?,A g3mol, respectivamente.
=. &alcular la fracción de lugares atómicos vacantes 0ue tiene el cobre a su temperatura de fusión de 9;:B >&. uponer una energía de activación de ;.A; e$3!tomo.
/pta. '3'$ 1 B,? N 9;& es de M,@M x 9; =4 m<4. El peso atómico y la densidad del aluminio son =?,A: g3mol y =,?= g3cm4, respectivamente.
/pta. 5$ 1 ;,M@ e$3!tomo B. En una fotomicrografía de un metal N 9;; se calculó 0ue el número medio de granos por pulgada cuadrada era =B. &alcular el número %(G para el tama+o de grano de esa aleación
@. Cn ingeniero determina 0ue el número de tama+o de grano %(G es de : O&u!l es el número de granos por pulgada cuadrada con un aumento de N 9;;P
/pta. 9=: granos3pulgada cuadrada ?. Despus de entregar sus resultados a su 6efe, el ingeniero del problema anterior se dio cuenta 0ue había utilizado un aumento de N =;; O&u!l es el tama+o de grano correctoP
/pta. n 1 9;
