Tema 3: Defectos
Tipos de defectos
• Defectos puntuales • Vacan Vacantes tes y autointer autointersticia sticiales les • Impur Impurezas ezas substi substitucio tucionales nales e inters intersticia ticiales les • Defec Defectos tos lineales lineales (disloc (dislocacione aciones) s) • Dislo Dislocación cación de borde borde o de Taylo Taylor r • Def Defect ectos os de superf superfici icie e • Sup Superf erfici icies es externa externas s • Lím Límite ites s de de grano grano • Maclas
Difusión. Mecanismos de difusión. Primera y segunda Ley de Fick
Mecanismos de endurecimien endurecimiento to
Imperfecciones Imperfeccion es en sólidos : Es una
Un sólido ideal no existe
irregularidad irre gularidad en la red en la cual una o más de sus dimensiones d imensiones son Gran número de defectos
del orden de un
Much Mu chas as de la lass pro propi pied edad ades es de lo loss ma mate teri rial ales es se deben deb en a la pre presen sencia cia de imp imperf erfecc eccion iones es
¿Por qué se forman los defectos?
Durante Duran te el proceso proceso de solidifica solidificación: ción: 1 mol mol Fe = 55.8 55.85g 5g
～
6 x 1023 atoms!!
Perturbacio Pertu rbaciones nes local locales es
A Temperatura ambiente ambiente la frecuencia frecuencia vibrac vibracional ional típica típica es de 1013 vibr./s, amplitud nm
Despla Desp laza zami mien ento to de debi bido do a las vibra vibracione cioness retic reticulares ulares
Defectos puntuales: vacantes y autointersticiales
Vacante Posición atómica desocupada en la red
Planos de distorsión
Ei 3 x Ev < 1 át autointersticial/cm3 Ev = Energía Activación para formación de una vacante Ei = Energía Activación intersticial
Autointersticial Átomo “extra” que ocupa un intersticio de la red
Gran distorsión en la red Menos probable
Vacantes: concentración de equilibrio Ev KT
n V
fracción de vacantes
nV N exp
N
nv: nº de vacantes N: átomos Ev: E necesaria para formar una vacante K: cte. de Boltzmann T: Temperatura
(1.38 x 10 -23 J/atm·K) (8.62 x 10
-5
eV/atm·K)
1 eV = 1.6 x 10 -19 J
nV N Exponencial !
T
Cu Tm=1083 C T~Tm nv/N ~ 1/104
Estimación de la concentración de vacantes Calcular el número de vacantes/m3 del Al (FCC, a=0,4049 nm) a T amb, y la fracción de vacantes a 600°C. Datos: Qv = 0,76 eV/at ; r Al =2,699 g/cm3 y M Al =29,98 g/mol
Defectos puntuales: impurezas y soluciones sólidas Impureza B alojada en el metal A (soluto y disolvente): • Solución sólida de B en A Tamaño de los intersticios
Hume-Rothery
SOLUCIÓN SÓLIDA SUBSTITUCIONAL (ej: Cu en Ni)
SOLUCIÓN SÓLIDA INTERSTICIAL (ej: C en Fe)
• Formación de una segunda fase (generalmente con una mayor cantidad de B) Segunda fase
- diferente composición - generalmente diferente estructura
Soluciones sólidas substitucionales Condiciones para la formación de las soluciones sólidas substitucionales: Reglas de Hume – Rothery 1.
r
(radio atómico) < 15%
2. Proximidad en la tabla periódica Electronegatividades similares 3. Misma estructura cristalina 4. Valencia. A igualdad de las otras condiciones, un metal presenta mayor tendencia a disolver a otro de mayor valencia que a uno de menor valencia
Solubilidad total Solubilidad parcial Insolubilidad
Soluciones sólidas substitucionales
Reglas de Hume–Rothery – soluciones sólidas Element
1. Solubilidad de Al y Ag en Zn?
2. Solubilidad de Zn y Al en Cu?
Cu C H O Ag Al Co Cr Fe Ni Pd Zn
Atomic Radius (nm)
0.1278 0.071 0.046 0.060 0.1445 0.1431 0.1253 0.1249 0.1241 0.1246 0.1376 0.1332
Crystal Structure
Electronegativity
Valence
FCC
1.9
+2
FCC FCC HCP BCC BCC FCC FCC HCP
1.9 1.5 1.8 1.6 1.8 1.8 2.2 1.6
+1 +3 +2 +3 +2 +2 +2 +2
Defectos lineales: dislocaciones Dislocaciones de borde
Semiplano extra de átomos insertado en la estructura cristalina
Compresión
Originan una distorsión en la red cristalina en torno a una línea de átomos desajustados
Línea de dislocación de borde
Tracción
Símbolo
e d r o b e d s e n o i c a c o l s i d e d o t n e i m i v o M
n ó i c a c o r l o i s p d e e c u d d e o r t p n e r e f s l o e t d n o e v i i m s a e z c i l u s s e o d t l n E e i m i v o m
Defectos lineales: dislocaciones
Analogía entre el movimiento de una oruga y el de una dislocación
No es necesario romper todos los enlaces metálicos para producir el deslizamiento, sino que basta con aportar la energía necesaria para el movimiento de las dislocaciones
Líneas de dislocación
Bandas de dislocación
Importancia de las dislocaciones Los materiales de ingeniería presentan densidades de dislocación del orden de 106 a 108 líneas de dislocación/cm2 • El proceso de deslizamiento es de utilidad para entender el comportamiento mecánico de los metales. El deslizamiento explica por qué la resistencia de los metales es mucho menor que el valor predecible a partir del enlace metálico (unas 1000 veces inferior al valor teórico) • Deformación plástica: deformación permanente cuando se aplica una fuerza. La deformación plástica resulta del deslizamiento de las dislocaciones en respuesta a una tensión aplicada • Capacidad de modificar las propiedades mecánicas de un metal al interferir el movimiento de las dislocaciones. Un obstáculo introducido en el cristal impedirá que una dislocación se deslice, a menos que se aplique más fuerza: el metal resulta más resistente ( mecanismos de endurecimiento)
Dislocaciones y estructura cristalina
Mg (HCP) dirección de tracción
Al (FCC)
Las dislocaciones no se mueven con la misma facilidad sobre todos los planos y direcciones cristalográficos: planos y direcciones compactas.
Plano de deslizamiento Dirección de deslizamiento Sistema de deslizamiento
12 sistemas de deslizamiento {111} <110 > (FCC)
Comparación de la ductilidad: FCC>BCC>HCP
Defectos superficiales • Superficies externas: incremento de la energía superficial
• Límites de grano: Regiones de máxima energía del cristal. Más reactivos químicamente.
Los límites de grano separan zonas con diferente orientación cristalográfica
Límites de grano • Solidificación: transformación desde el estado fundido 2 etapas: - Formación de núcleos - Crecimiento de los núcleos para formar cristales (estructura granular)
~ 8 cm
núcleos
líquido
Cristales creciendo
Estructura granular
Microscopio óptico • Útil hasta 2000 aumentos • Superficie pulida • El reflejo de la luz cambia dependiendo de la orientación del cristal
Tamaño de grano: índice ASTM (n)
Índices ASTM (American Society for Testing and Materials)
N2
n 1
n=7
N: granos/plg2 (x100) n: índice de tamaño de grano
n=8
n=9
) 0 0 1 x ( . l a o t n i o N b r n a o c c l o a d o r a c
Tamaño de grano: índice ASTM (n) Determinar el índice de tamaño de grano, n, si la microfotografía fuese tomada a 100x y a 300x
Defectos superficiales: límite de macla Los límites de macla separan dos regiones de un cristal con simetría especular Estructura cristalina
FCC: maclas de recocido BCC, HCP: maclas mecánicas
Maclas de recocido en un latón x250
Frontera
Frontera
Al aplicar una fuerza en un cristal perfecto los átomos se desplazan causando la formación de una macla. El cristal se ha deformado como resultado del maclaje.
Difusión Transporte de masa por movimiento de los átomos. Tiene importancia en los tratamientos térmicos de los metales, en la fabricación de cerámicas, en la solidificación de metales, en la fabricación de células solares… Inicial
Después de un tiempo
Mecanismos de difusión • Difusión por vacantes Los átomos se intercambian con vacantes. La velocidad depende de: - número de vacantes - energía de activación
• Difusión intersticial Movimiento de átomos más pequeños. Más rápida que la diffusion por vacantes.
Coeficiente difusión, D D = D0 exp
-Q RT
log D log Do
Ecuación de Arrhenius
D = Coeficiente de difusión ó difusividad (m2/s) Do = Factor frecuencia, constante para cada sistema (m 2/s) Q = Energía de activación (J/mol; cal/mol; eV/átomo) R = Constante de los gases (8,31 J/mol.K; 1,98 cal/mol.K) T = Temperatura absoluta (K)
0 0 5 1
10-8
0 0 0 1
0 0 6
1 2,3R T Q
T (C)
0 0 3
D (m2/s)
10-14
10-20
0.5
D intersticial
C en a-Fe C en g-Fe
1.0
1.5 >>
1000 K/T
Dsubstitucional
Al en Al Fe en a-Fe
Difusión en estado estacionario • La velocidad de diffusion no depende del tiempo dC • El flujo (J) es proporcional al gradiente de concentración =
dx
J
Flujo
moles (o masa) superficie tiempo
C1 C 1
mol 2
o
kg 2
cm s m s
J
M At
primera Ley de Fick
C 2 x 1
x
x 2
C2
dC J D dx
Difusión en estado no estacionario • La concentración de las especies que difunden es función de la posición y del tiempo C 2C • Se usa la segunda Ley de Fick D 2 t x a t = 0, C = C o para 0 x a t > 0, C = C S para x = 0 (constante) C = C o para x = C x concentración en el punto x en el instante t
Cs
Cx
Cs
Co
erf
x 2 Dt
Difusión en estado no estacionario
• Difusión de Cu en Al Concentración superficial de átomos de Cu (C s)
C S
C ( x ,t ) C o
bar
Concentración inicial de átomos de Cu ( C o )
Factores que afectan a la difusión La magnitud del coeficiente de difusión D es indicativa de la velocidad de difusión:
D
Mayor difusión
Tipo difusión
Q cal/mol
Do cm2/s
Difusión intersticial Temperatura,
Depende de:
T
Temperatura Estructura
cristalina
Mecanismo
de difusión
C en Fe FCC
32.900
0,23
C en Fe BCC
20.900
0,011
-Q
N en Fe FCC
34.600
0,0034
RT
N en Fe BCC
18.300
0,0047
H en Fe FCC
10.300
0,0063
H en Fe BCC
3.600
0,0012
D
D = D 0 exp
T
Difusión sustitucional (Autodifusión) Estructura
QFCC
QBCC
cristalina DFCC
DBCC
Mecanismo de difusión
Pb en Pb FCC
25.900
1,27
Al en Al FCC
32.200
0,10
Cu en Cu FCC
49.300
0,36
Fe en Fe FCC
66.700
0,65
Zn en Zn HCP
21.800
0,1
Qsustitucional
Qintersticial
Mg en Mg HCP
32.200
1,0
Dsustitucional
Dintersticial
Fe en Fe BCC
58.900
4,1
W en W BCC
143.300
1,88
Si en Si (covalente)
110.000
1800,0
C en C (covalente)
163.000
5,0
Autodifusion, D
Dislocaciones y mecanismos de endurecimiento 1: Reducción del tamaño de grano
• Los límites de grano suponen una barrera para el deslizamiento • Barrera más resistente cuanto mayor es la diferencia en la orientación de los átomos • Menor tamaño de grano: mayor número de barreras • Ecuación de Hall-Petch: o
k y d
1/ 2
Dislocaciones y mecanismos de endurecimiento 2: Formación de soluciones sólidas
• Los átomos de impureza distorsionan la red y generan deformación • Esta deformación actúa como barrera al movimiento de las dislocaciones
A
C B
D
Dislocaciones y mecanismos de endurecimiento • Las impurezas de menor tamaño se concentran en la región de compresión generada por una dislocación (cancelación parcial de la deformación de compresión generada por la dislocación y la deformación de tracción generada por la impureza): anclaje de la dislocación
Dislocaciones y mecanismos de endurecimiento • Las impurezas de mayor tamaño se concentran en la región de tracción generada por una dislocación:: anclaje de la dislocación
Dislocaciones y mecanismos de endurecimiento
Grado de endurecimiento por solución sólida depende de: • Diferencia de tamaño entre impureza y átomos originales: mayor diferencia de tamaño mayor distorsión en la red mayor dificultad al movimiento de dislocación • Cantidad de “impurezas” que se añaden
Dislocaciones y mecanismos de endurecimiento 3: Endurecimiento por precipitación
• Existencia de precipitados, partículas muy finas y de elevada dureza, que dificultan el movimiento de las dislocaciones (ej. cerámicos en metales) precipitate Side View
Top View
Unslipped part of slip plane
y ~ S
1 S
Slipped part of slip plane
• Particular interés en las aleaciones de Aluminio
Dislocaciones y mecanismos de endurecimiento 4: Endurecimiento por deformación o acritud (trabajo en frío)
• Deformación a temperatura ambiente para la mayoría de los metales • Las operaciones de conformado reduce la sección transversal force
-Forja die A o blank
-Laminación
roll
A o
A d
A d
roll
-Trefilado die A o
die
force A d
-Extrusión A o
tensile force
force
container
ram
billet
container
die holder extrusion
die
A d
Dislocaciones y mecanismos de endurecimiento
• Aumento de la densidad de dislocaciones Metal dúctil, sin deformar ≈ 106 cm/cm3
Metal dúctil, deformado ≈ 1012 cm/cm3
ACRITUD
ANISOTROPÍA
Porcentaje de trabajo en frío
A0 Ad A0
100
(%CW)
: área transversal del material antes de la deformación Ad : área transversal del material después de ser deformado A0
Efecto del conformado en frío •
Aumento del límite elástico y resistencia mecánica
•
Reducción de la ductilidad
acero dulce
Efecto del conformado en frío 60
700
800
500
600
40
400
20
300 100 0
Cu 20
40
% Cold Work
60
200 0
Cu
Cu 20
40
% Cold Work
60
00
20
40
60
% Cold Work
Efecto del tratamiento térmico después del conformado en frío
1 hora de tratamiento a diferentes temperaturas
Temperatura de recocido (ºC) 100 200 300 400 500 600 700 600 60 ) a P M ( 500 a i c n e t s 400 i s e R
300
tensile strength
ductility
) A 50 % ( d 40 a d i l i t 30 c u d
20
Se puede eliminar el efecto del conformado en frío en las propiedades mecánicas
Temperatura de recristalización, TR
TR: temperatura a la cual se consigue la recristalización al cabo de 1 hora 0.3T m < T R < 0.6T m T R
TR depende de: • %CW - TR disminuye al incrementar el %CW • Pureza del metal - TR disminuye al aumentar la pureza
