formas de contaminacion de aguas subterraneasDescripción completa
simetría y grupos puntualesDescripción completa
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tipos de defectos volumetricos en estructuras cristalinas
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Defectos de forja
1. DEFE DEFECT CTOS OS PUNT PUNTUA UALE LES. S.
-
Los defectos puntuales son perturbaciones en los arreglos inicos o at!icos en una estructura cristalina "ue de otra !anera seria perfecta. Aun cuando se le lla!a defectos defectos puntuales# puntuales# la perturbaci perturbacin n afecta una regin "ue in$olucra in$olucra $arios %to!os o iones. Estas i!perfecciones# !ostradas en la figura 1&1# pueden ser introducidas por el !o$i!iento de los %to!os o iones cuando ganan energ'a al calentarse# durante el procesa!iento del !aterial o por la introduccin intencional o no intencional de i!pure(as. Por lo general# las i!pure(as son ele!entos o co!puestos "ue se presentan a partir de las !aterias pri!as o del procesa!iento. Por e)e!plo# los cristales de silicio crecen en crisoles de cuar(o "ue contienen o*igeno co!o i!pure(a. Por otro lado# los dopantes son ele!entos o co!puestos "ue se adicionan de !anera deliberada# en concentraciones conocidas# en locali(aciones espec'ficas en la !icroestructura# con un efecto ben+fico deseado sobre las propiedades o el procesa!iento. En general# el efecto de las i!pure(as es per)udicial# !ien !ientra trass "ue "ue el efect efecto o de los los dopa dopant ntes es sobr sobree las las prop propie ieda dade dess de los los !ateriales es ,til.
Figura 1&1. Defectos puntuales- a $acancia# b %to!o intersticial# c %to!o sustitucional pe"ue/o# d %to!o sustitucional grande# e defecto de Fren0el Fren0el f defecto de Sc2ott0. Todos estos defectos per)udican el arreglo perfecto de los %to!os cercanos.
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Por lo general un defecto puntual in$olucra un %to!o o ion# o un par de %to!os %to!os o iones# por tanto es distinto de los defectos e*tendidos# e*tendidos# co!o las dislocaciones o los l'!ites de grano. Un 3punto4 i!portante acerca de los defectos defectos puntuales es "ue aun"ue los defectos aparecen en uno o dos sitios# su presencia se 3siente4 a distancias !uc2o !aores en el !aterial cristalino.
1.1. o
5ACANC6AS. Se produce una $acancia cuando un %to!o o ion est% ausente de su sitio nor!al en la estructura cristalina# co!o en la figura 1&1 a. Cuando los %to!os o iones est%n ausentes 7es decir# cuando se presentan $acancias# au!enta la aleatoriedad o entrop'a general del !aterial# los cual incre!enta la estabilidad ter!odin%!ica de un !aterial cristalino. Todos los !ateriales cristalinos tienen $acancias. Estas se introducen en los !etales aleaciones durante la solidificacin# a altas te!peraturas# o co!o consecuencia del da/o de la radiacin. Las $acancias dese!pe/an una funcin i!portante en la deter!inacin de la $elocidad a la cual los %to!os o iones se !ue$en alrededor de o se difunden en un !aterial slido# especial!ente en los !etales puros. A te!peratura a!biente 7 8 9:; <# la concentracin de $acancias es pe"ue/a# pero la concentracin de estas au!enta e*ponencial!ente a !edida "ue se incre!enta la te!peratura# co!o se !uestra por !edio del siguiente co!porta!iento de tipo Arr2eniusn v =n exp (
−Q v RT
)
71 = 1
Donde-
n$ es el n,!ero de $acancias por c! >? n es el n,!ero de %to!os por c! >? @$ es la energ'a re"uerida para producir un !ol de $acancias#
o
en 7cal!ol o 7)oule!ol? B es la constante de los gases# 1.:; cal!ol0 u ;.>1 )oule!ol0? T es la te!peratura en 0el$in. Debido a la gran energ'a t+r!ica cerca de la te!peratura de fusin# puede 2aber 2asta una $acancia por cada 1 %to!os. Obser$e "ue esta ecuacin pro$ee la concentracin de e"uilibrio de las $acancias a una te!peratura dad. Ta!bi+n es posible !antener una concentracin de las $acancias producidas a una alta te!peratura enfriando r%pida!ente el !aterial. Por tanto# en !uc2as situaciones# la concentracin de las $acancias obser$adas a te!peratura a!biente no es la concentracin de e"uilibrio pronosticada por la ecuacin 1&1.
Figura 9. 5acancia 1.9. o
DEFECTO 6NTEBST6C6AL. Se for!a un defecto intersticial cuando se inserta una %to!o o ion adicional en la estructura cristalina en una posicin por lo general desocupada# co!o en le figura &1 b. Los %to!os o iones intersticiales# aun"ue !uc2o !enores "ue los %to!os o iones locali(ados en los puntos de red# siguen siendo !aores "ue los sitios intersticiales "ue ocupan? en consecuencia# la regin cristalina circundante esta co!pri!ida distorsionada. Los %to!os intersticiales co!o el 2idrogeno se presentan con frecuencia co!o i!pure(as# !ientras "ue los %to!os de carbono se adicionan de !anera intencional al 2ierro con el fin de producir acero. Para concentraciones pe"ue/as# los %to!os de carbono ocupan sitios intersticiales en la estructura cristalina del 2ierro# introduciendo un esfuer(o en la regin locali(ada del cristal en su alrededor. Co!o se puede obser$ar# la introduccin de %to!os intersticiales es una !anera i!portante de incre!entar la resistencia de los !ateriales !et%licos. A diferencia de las $acancias# una $e( introducidos# el n,!ero de %to!os o iones intersticiales en la estructura per!anece casi constante# aun cuando se !odifi"ue la te!peratura.
Figura >. Defecto 6ntersticial o %to!o de i!pure(a intersticial
1.>.
DEFECTOS SUST6TUC6ONALES.
o
o
Se introduce un defecto sustitucional cuando ree!pla(a un %to!o o ion por un tipo distinto de %to!o o ion en la figura 1&1 c d. Los %to!os o iones sustitucionales ocupan el sitio de red nor!al. Los %to!os o iones sustitucionales pueden ser !aores "ue los %to!os o iones nor!ales en la estructura cristalina# en este caso se reducen los espaciados interat!icos circundantes# o !enores# ocasionando "ue los %to!os circundantes tengan espaciados interat!icos !aores. En cual"uier caso# los defectos sustitucionales alteran al cristal circundante. De nue$o# el defecto sustitucional puede introducirse co!o una i!pure(a o co!o una adicin de aleacin de !anera deliberada # una $e( introducidos# el n,!ero de defectos es relati$a!ente independiente de la te!peratura. Los e)e!plos de defectos sustitucionales incluen la incorporacin de dopantes co!o el fosforo 7P o el boro 7G en el Si. De !anera si!ilar# si se adicionara cobre al n'"uel# los %to!os de cobre ocuparan los sitios cristalogr%ficos donde los %to!os de n'"uel estar'an presentes por lo general. Los %to!os sustitucionales con frecuencia au!entaran la resistencia del !aterial !et%lico. Los defectos sustitucionales ta!bi+n aparecen en los !ateriales cer%!icos. Por e)e!plo# si se adicionara HgO al NiO# los iones Hg I9 ocupar'an los sitios NiI9 los iones O &9 del HgO ocupar'an los sitios O&9 del NiO. @ue los %to!os o iones entren en los sitios intersticiales o sustitucionales depende del ta!a/o la $alencia de los iones anfitriones.
Figura . Defecto Sustitucional- a pe"ue/o b grande
1.. o
DEFECTO DE FBEN
Figura J. Defecto de Fren0el
1.J. o
DEFECTO DE SCKOTT<. Un defecto de Sc2ott0# figura 1&1 f# es ,nico para los !ateriales inicos se encuentra de !anera co!,n en !uc2os !ateriales cer%!icos. Cuando las $acancias ocurren en un !aterial enla(ado de !anera inica# debe estar ausente un n,!ero este"uio!etrico de aniones cationes de las posiciones at!icas regulares para "ue se conser$e la neutralidad el+ctrica. Por e)e!plo# una $acancia de HgI9 una $acancia de O &9 en el HgO constituen un par de Sc2ott0. En la MrO9# por una $acancia de Mr I# 2abr% dos $acancias de O &9.
Figura . Defecto de Sc2ott0 9. DEFECTOS SUPEBF6C6ALES. - Los defectos de superficie son las fronteras o planos "ue separan un !aterial en regiones de la !is!a estructura cristalina pero con orientaciones cristalogr%ficas distintas.
-
Superficie del material. En las superficies e*ternas del !aterial la red ter!ina de !anera abrupta. Cada %to!o de la superficie a no tiene el !is!o n,!ero de coordinacin se altera el enlace atnico. Asi!is!o# la
superficie puede ser !u %spera# contener pe"ue/as !uescas "ui(% ser !uc2o !%s reacti$a "ue el interior del !aterial.
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Fronteras de Grano. La !icroestructura de la !aor parte de los !ateriales est% for!ada por !uc2os granos. Un grano es una porcin del !aterial dentro del cual el arreglo at!ico es id+ntico. Sin e!bargo# la orientacin del arreglo at!ico# o de la estructura cristalina# es distinta para cada grano. En la figura se !uestran de !anera es"ue!%tica tres granos? la red de cada uno de ellos es id+ntica pero est%n orientados de !anera distinta. La Frontera de grano# "ue es la superficie "ue separa los granos# es una (ona estrec2a en el cual los %to!os no est%n correcta!ente espaciados. Esto "uiere decir "ue# en algunos sitios# los %to!os est%n tan cerca unos de otros en la frontera de grano "ue crean una regin de co!presin en otras %reas tan ale)ados "ue crean una regin de tensin.
Figura . Los %to!os cerca de las fronteras de los tres granos no tienen un espacia!iento o arreglo de e"uilibrio
-
Un !+todo para controlar las propiedades de un !aterial es controlando el ta!a/o de los granos. Beduciendo el ta!a/o de estos se incre!enta su n,!ero # por tanto# au!enta la cantidad de fronteras de grano. Cual"uier dislocacin se !o$er% sola!ente una distancia corta antes de encontrar una frontera de grano# incre!entando as' la resistencia del !etal. La ecuación de Hall – Petch relaciona el ta!a/o de grano con el esfuer(o de cedencia del !aterial−1
σ y =σ 0 + K d Donde-
2
71.9
o
o
o
σ y es el esfuer(o de cedencia# es decir# el esfuer(o ba)o el cual el !aterial se defor!a de !anera per!anente d es el di%!etro pro!edio de los granos σ 0 < son constantes del !etal
Figura ;. Efecto del ta!a/o de grano en el esfuer(o de cedencia del acero a te!peratura a!biente. >. DEFECTOS DE 5OLUHEN. - Los defectos $olu!+tricos se for!an cuando un grupo de %to!os o de defectos puntuales se unen para for!ar un $ac'o tridi!ensional o poro. De !anera in$ersa# un grupo de %to!os de alguna i!pure(a puede unirse para for!ar un precipitado tridi!ensional. - El ta!a/o de un defecto $olu!+trico puede $ariar desde unos cuantos nan!etros 2asta cent'!etros o# en ocasiones# puede ser !aor. - Un defecto tridi!ensional o $olu!+trico puede a!pliarse a una regin a!orfa dentro de un !aterial poli cristalino. - En este tipo de defecto se incluen poros# grietas# inclusiones otras fases. Estos defectos se introducen durante las etapas de procesado fabricación.
>.1.
Precipitados o Los precipitados son segundas fases "ue se for!an en las aleaciones !et%licas debido a la dis!inucin de solubilidad de las soluciones slidas. >.9. Porosidad Son intersticio entre las part'culas o !ol+culas "ue constituen un o cuerpo. Suelen afectar con una distribucin unifor!e# a grandes (onas de la pie(a# o incluso# a su totalidad 7porosidad unifor!e. >.>. rietas
o
Las grietas son 2uecos debido a oclusin de gases# contraccin durante la solidificacin o tensiones producidas en los procesos de fabricacin de las pie(as.
. HO56ENTO DE LA D6SLOCAC6ON. - El !o$i!iento de la dislocacin es un !ecanis!o "ue per!ite al cristal defor!arse pl%stica!ente cuando est+ su)eto a una tensin aplicada .si defini!os el plano de desli(a!iento co!o a"uel "ue contiene al $ector de Gurguers a la l'nea de dislocacin # pode!os diferenciar dos tipos de !o$i!ientos -desli(a!iento o !o$i!iento conser$ati$o # en el "ue la dislocacin se despla(a a lo largo del plano de desli(a!iento tan solo re"uiere una reco!binacin de los $ecinos # por lo "ue se conser$a el n,!ero de %to!os alrededor de la dislocacin ? el !o$i!iento de escalada o no conser$ati$o # en el "ue el despla(a!iento es perpendicular a dic2o plano re"uiere "ue se produce una difusin at!ica 7absorcin de %to!os o e!isin de $acantes .
Figura :. a Cuando se aplica un esfuer(o cortante a la dislocacin en a# los %to!os se despla(an# b ocasionando "ue la dislocacin se !ue$a un $ector de Gurgers en la direccin de despla(a!iento. c El !o$i!iento continuo de la dislocacin con el tie!po
crea un escaln# d el cristal se defor!a. e El !o$i!iento de una oruga es an%logo al !o$i!iento de una dislocacin.
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Hientras "ue en las dislocaciones de borde !i*tas se pueden dar a!bos tipos de !o$i!ientos# en el de tornillo no se da la de escalada# a "ue el $ector de Gurguers es paralelo a la l'nea de dislocacin # por eso# el plano no est% ,nica!ente definido . En realidad# el !o$i!iento de las dislocaciones es una co!binacin de escalada desli(a!iento donde# dependiendo de la tensin# te!peratura otras condiciones# uno de los !ecanis!os es do!inante. A ba)as te!peraturas# el desli(a!iento suele ser do!inante# !ientras "ue a altas te!peraturas o en condiciones de saturacin de $acantes# la escalada puede con$ertirse en el !o$i!iento do!inante. Si considera!os "ue el !o$i!iento de desli(a!iento es el do!inante# la !o$ilidad de la dislocacin puede estar influenciada por factores e*tr'nsecos# i!pure(as "ue act,an co!o obst%culos por e)e!plo las interacciones interat!icas. Dos par%!etros "ue caracteri(an la resistencia intr'nseca de la red al !o$i!iento de las dislocaciones son las barreras de Peierls la tensin de Peierls. Si considera!os "ue una dislocacin se !ue$e a tra$+s de su plano de desli(a!iento# los efectos de la red cristalina sobre el !o$i!iento pueden representarse por una energ'a "ue $ar'a con la posicin de la dislocacin en la red. La periodicidad en la $ariacin de la energ'a es consecuencia de la traslacin de la si!etr'a del cristal. Los !'ni!os de la funcin# conocidos co!o $alles de Peierls# son las posiciones "ue preferente!ente ocupan las dislocaciones .Para saltar de un $alle a otro# +stas necesitan superar un abarrera energ+tica# "ue a tensin cero es conocida co!o barrera de Peierls. La barrera puede ser !odificada por las fuer(as "ue act,an sobre la dislocacin# de for!a "ue si se alcan(a la tensin critica# lla!ada tensin de Peierls 7a te!peratura # la barrera desaparecer% co!pleta!ente. Pode!os diferenciar dos desencadenantes del !o$i!iento # uno cuando la tensin local es !enor "ue la tensin de Peierls el otro cuando es !aor .En el pri!er caso # la dislocacin puede !o$erse gracias a las fluctuaciones t+r!icas- un seg!ento de la dislocacin pasa al siguiente $alle cre%ndose dos cur$as 730in0s4# posterior!ente # debido a la tensin o a la te!peratura # las cur$as a$an(an 2acia los e*tre!os 2asta "ue la dislocacin pasa co!pleta!ente al siguiente $alle .De esta for!a # a !edida "ue au!enta la te!peratura se fa$orece el !o$i!iento . En el segundo caso # si la tensin local es !aor "ue la tensin de Peierls ocurre el lla!ado r+gi!en de arrastre $iscoso # donde la $elocidad es una funcin de la tensin est% li!itada por la $iscosidad debida a la interaccin de la dislocacin con la $ibracin de la red .A"u' por lo tanto la !o$ilidad decrece con la te!peratura
J. 56GBAC6ONES ATOH6CAS.
En los !ateriales solidos cada %to!o $ibra !u r%pida!ente alrededor de su posicin dentro del cristal# en cierto sentido estas $ibraciones se consideran defectos o i!perfecciones. En un !o!ento deter!inado todos los %to!os no $ibran con la !is!as frecuencia a!plitud# ni con la !is!a energ'a. A una te!peratura deter!inada e*iste una distribucin de energ'as para los %to!os constituentes en torno a una energ'a !edia. La e!erg'a de $ibracin de un %to!o especifico ta!bi+n $ar'a libre!ente con el tie!po. - Al au!entar la te!peratura# la energ'a !edia se incre!enta la te!peratura del solido es real!ente una !edida del pro!edio de la acti$idad $ibracional t'pica es del orden de 1 1> $ibraciones por segundo# !ientras la a!plitud es de unos pocos !iles de nan!etros. - Huc2as propiedades de los slidos corresponden a !anifestaciones de su !o$ilidad $ibracional at!ica. Por e)e!plo# la fusin ocurre cuando las $ibraciones son tan $igorosas "ue logran ro!per gran n,!ero de enlaces at!icos.
