Defectos en Estructuras Cristalinas

DEFECTOS EN ESTRUCTURAS CRISTALINAS

OBJETIVOS 

a) Presentar los defectos cristalinos de los materiales de ingeniería. b) Presentar los mecanismos de deformación plástica y los mecanismos de endurecimiento.

CONTENIDO  

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Defectos unidimensionales. Impurezas. Soluciones sólidas. Defectos lineales. Defectos bidimensionales.  Análisis microscópico Deformación plástica. Mecanismos de endurecimiento. Recristalización

DEFEC TOS CRISTA L INOS  • Defecto cristalino: imperfección del reticulado

cristalino

• Clasificación de los defectos cristalinos • Defectos de punto (asociados con una o dos

posiciones atómicas): vacancias y átomos intersticiales. • Defectos de línea (defectos unidimensionales): dislocaciones • Defectos bidimensionales (límites entre dos regiones con diferentes estructuras cristalinas o diferentes orientaciones cristalográficas): contornos de grano, interfaces, superficies libres, límites de macla, defectos de apilado. • Defectos volumétricos (defectos tridimensionales): poros, grietas e inclusiones.

Defecto s pu n tuales  • (vacancias y auto-intersticiales) • vacancia : ausencia de un átomo en un punto del

reticulado cristalino. • Pueden ser formadas durante la solidificación o como resultado de vibraciones atómicas. • Existe una concentración de equilibrio de vacancias.

Donde N : número total de posiciones atómicas NL : número de vacancias QL : energía de activación k : constante de Boltzmann T : temperatura absoluta

Defec tos pu n tuales  • Auto-intersticial: es un átomo que ocupa un intersticio de

la estructura cristalina. • Los auto-intersticiales causan una gran distorsión del reticulado cristalino a su alrededor.

Representación de una vacancia y de un auto-intersticial 

Impurezas  Es imposible que exista un metal que contenga un solo tipo de átomo (metal puro). • Las técnicas de refinado actualmente disponibles permiten obtener metales con un grado de pureza en lo máximo de 99,9999%. 

Representación de átomos de impurezas substitucionales e intersticiales

 Átomo Substitucional

Defec to s lin eales 

 Arreglo de los átomos alrededor de una dislocación de cuña o de línea

Dislocación en hélice o de tornillo

Defecto s lineales  • Una dislocación no puede terminar en el interior de un

cristal. • La línea de dislocación delimita las regiones cizallada y no cizallada.

Línea de dislocación, plano de deslizamiento

Defecto s lineales  La magnitud y la dirección de la distorsión del reticulad asociada a una dislocación puede ser expresada e términos del vector de Burgers, b. • El vector de Burgers puede ser determinado por medi del circuito de Burgers. •

Circuito de Burgers

Defo rm ac ión p lás ti c a  

El mecanismo de deformación plástica es diferente para materiales cristalinos que para materiales amorfos. En los materiales cristalinos el principal mecanismo de deformación plástica consiste en el deslizamiento de planos atómicos a través del movimiento de dislocaciones, y en los materiales amorfos consiste en flujo viscoso.

Deformación plástica producida por el movimiento de una dislocación en cuña

Defo rm ac ión p lás ti c a 

Formación de una grada en la superficie de un metal por el  movimiento de (a) una dislocación en cuña y (b) una dislocación en hélice.

 Analogía entre el  movimiento de un gusano y de una dislocación.

Def o r m ac ión p lás tic a en  m o n o c r i s t al es y p o l ic r i s t al es  

Deslizamiento macroscópico en un monocristal 

Deslizamiento en un monocristal de zinc 

 Alteración de la microestrutura de un metal policristalino como con secuencia de una deformación plástica.

•

M o v i m i en t o s al t er n a ti v o s d e   d i s l o c a c io n e s   Ascenso.

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Campo de tensiones alrededor de una dislocación

Tensiones de compresión y de tracción alrededor de una dislocación

Interacción entre dislocación es en cuña en el mismo plano de deslizamiento

Defecto s bid im ens ion ales   

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Interface: Límite entre dos fases diferentes. Límites de grano: límite entre dos cristales sólidos de la misma fase. Superficie externa: superficie entre el cristal y el medio que lo rodea Límites de macla: de tipo especial de límite de grano que separa dos regiones con una simetría tipo ”espejo”. Fallas de apilado: ocurre en los materiales cuando hay una interrupción en la secuencia de apilado, por  ejemplo en la secuencia ABCABCABC.... de los planos compactos de los cristales CFC.

Defecto s bid im ens ion ales  (contornos de grano)

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Cuando el desalineamiento entre los granos vecinos es grande (mayor que ~15º), el límite formado es llamado límite de grano de ángulo grande. Si el desalineamiento es pequeño (en general, menor que 5º), el límite es llamado límite de ángulo pequeño.

Límites de grano y de subgrano

Límite de ángulo pequeño resultado del  alineamiento de dislocaciones en cuña

Defecto s b idim ens ion ales  (contornos de macla)

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Una macla es un tipo de defecto cristalino que puede ocurrir  durante la solidificación, deformación plástica, recristalización o crecimiento de grano. Tipos de macla: maclas de recocido y maclas de deformación. La maclación ocurre en un plano cristalográfico determinado según una dirección cristalográfica específica. Tal conjunto plano/dirección depende del tipo de estructura cristalina.

Límite de macla

Maclación mecánica en metales CFC

Defecto s trid im ens ion ales  Este tipo de defectos aparece debido a: 

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Control inadecuado durante la solidificación de los metales Inadecuada realización de tratamientos térmicos Sobre esfuerzos aplicados a las piezas Mal diseño de piezas mecánicas Mala selección de materiales

Rechupes

Grietas

Poros

Obs ervación m icro estru ctu ral  

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Observación estructural: macroestructura y microestructura. Observación de la macroestructura: a ojo o con bajos aumentos (hasta~10X). Observación de la microestructura: microscopía óptica y microscopia electrónica. Macroestructura de un lingote de plomo presentando los diferentes granos.  Aumento: 0,7X 

Obs ervación m icro estru ctu ral  (microscopía óptica y electrónica)

(a) y(b) formación del contraste entre granos. (c) Micrografía óptica de un latón(Cu-Zn) policristalino.

(a) y(b) formación de la imagen de los límites de grano. (c) Micrografía óptica de una aleación Fe-Cr.  Aumento: 100X.

Micrografía electrónica de un metal corroído