INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERIA QUIMICA E INDUSTRIAS EXTRACTIVAS

SECCIN DE ESTUDIOS DE POSGRADO E INVESTIGACIN

Defectos cristalinosLaura Elizabeth Belly Gonzlez

El arreglo de los tomos o iones en los materiales diseados tiene imperfecciones o defectos, respecto a los arreglos atmicos perfectos o ideales, en una estructura cristalina dada.

Mecnicas

Elctricas

pticas

Vacancias Puntuales Intersticiales Sustitucionales

Defectos cristalinos

Lineales

Dislocaciones

Limites de grano Superficiales Fallas de apilamiento

Maclas

Defectos puntualesSon interrupciones localizadas en arreglos atmicos o inico. Estos defectos o imperfecciones pueden ser generados en el material mediante el movimiento de los tomos al ganar energa por calentamiento; durante el procesamiento del material; mediante la introduccin de impurezas; o intencionalmente a travs de las aleaciones. intersticial

vacancia

sustitucional

VacanciasSe produce cuando falta un tomo en la estructura cristalina. Las vacancias pueden producirse durante la solidificacin como resultado de perturbaciones locales durante el crecimiento de los cristales. Se introducen a los metales y aleaciones durante la solidificacin, a temperaturas elevadas o como consecuencia de daos por radiacin.

Las vacancias son importantes cuando se desean mover los tomos en un material slido (difusin).

IntersticiosSe produce cuando se inserta un tomo en una estructura cristalina en una posicin normalmente desocupada. Los tomos intersticiales son de mayor tamao que los sitios intersticiales, por lo

cual la regin cristalina vecina esta comprimida y distorsionada.El aumento de sitios intersticiales ocupados en la red cristalina, produce un aumento de la resistencia de los materiales metlicos

SustitucionalesSe introduce un defecto sustitucional cuando un tomo es sustituido por otro tomo de distinta naturaleza. Un tomo sustitucional ocupa un sitio normal en la red. Estos tomos cuando son de mayor tamao, causa una reduccin de los espacios interatmicos vecinos. Cuando son de menor tamao, se produce una mayor distancia interatmica entre los tomos vecinos Los defectos sustitucionales se pueden introducir en forma de impurezas o adicionar de manera deliberada en la aleacin.

DislocacionesSon imperfecciones lineales en un cristal. Afectan una lnea de puntos en las redes de Bravais. Se suelen introducir durante la solidificacin del material o cuando se deforma permanentemente. Son especialmente tiles para explicar la deformacin y el endurecimiento de los materiales metlicos. Borde Tornillo Vector Burgers Mixta Es la direccin y la distancia en que se mueve una dislocacin en cada etapa, tambin se llama vector de deslizamiento.

Dislocaciones

Dislocaciones de tornillo

Se puede ilustrar haciendo un corte parcial en un cristal perfecto y, a continuacin, torciendo ese cristal a una distancia atmica. Comenzando en un punto x y recorriendo distancias interatmicas iguales en cada direccin, se termina en una distancia atmica abajo del punto de partida (el punto y) El vector necesario para terminar el circuito y regresar al punto de partida es el vector Burgers.

Dislocaciones de borde o arista

Se puede ilustrar haciendo un corte parcial en un cristal perfecto, abriendo el cristal y llenando en parte el corte con un plano adicional de tomos, La orilla inferior de este plano indica una dislocaciones de borde. Si se describe un circuito en torno a la dislocacin de borde, en sentido de las manecillas del reloj comenzando en el punto x y recorriendo una cantidad igual de distancia atmica en cada direccin, se terminar en el punto y, a una distancia atmica del punto de partida.

Dislocaciones mixtas

Tiene componentes de borde y de tornillo, con una regin de transicin entre ellas. El vector burgers queda igual para todas las porciones de la dislocacin mixta.

Deslizamiento

Es el proceso por el que se mueve una dislocacin y hace que se deforme un material metlico. La direccin en la que se mueve la dislocacin es la direccin de deslizamiento. Durante el deslizamiento la dislocacin de borde recorre el plano formado por el vector burgers y ella misma. A este plano se le conoce como plano de deslizamiento. La combinacin de la direccin de deslizamiento y el plano de deslizamiento es el sistema de deslizamiento.

Dislocaciones y deformacin plstica

Planos y direcciones de deslizamiento en estructuras metlicasEstructura cristalina BCC Plano de deslizamiento Direccin de deslizamiento {110} {112} {123}

FCCHCP

{111}{0001} {1120} * {1010}* {1011} {110} {111}

MgO, NaCl (inicos) Silicio (covalente)

Se requiere de un esfuerzo de Peierls-Nabarro para mover la dislocacin desde un lugar de equilibrio hasta el siguiente: = c exp (-kd/b) = Es el esfuerzo cortante necesario para mover la dislocacin d es la distancia interplanar entre los planos de deslizamiento adyacente b es la magnitud del vector de Burgers c y k son constantes del material.

Importancia de las dislocacionesLas dislocaciones tienen ms importancia en los metales y aleaciones porque proporcionan un mecanismo para la deformacin plstica, mecanismo que es el efecto acumulado de numerosas dislocaciones. El trmino deformacin plstica significa que esta causada por el movimiento de dislocaciones. El deslizamiento proporciona ductilidad a los metales, de lo contrario stos serian frgiles y no podran ser conformados

Se controlan las propiedades mecnicas de un metal o aleacin interfiriendo el movimiento de las dislocaciones (un obstculo introducido en el cristal evita que una dislocacin se deslice, a menos que se apliquen esfuerzos mayores, por lo tanto aumenta la resistencia)

Defectos superficialesSon los limites o los planos que separan un material en regiones; cada regin tiene la misma estructura cristalina, pero distinta orientacin Las dimensiones exteriores del material representan superficies en donde termina el cristal en forma sbita.Cada tomo en la superficie ya no tiene el nmero adecuado de coordinacin y se interrumpe el enlazamiento atmico.

Limites de granoLa microestructura de os materiales cermicos y metlicos consiste en muchos granos. Un grano es una porcin del material dentro del cual el arreglo de los tomos es casi idntico. Sin embargo, la orientacin del arreglo de tomos o estructura cristalina, es distinta en cada grano vecino.

La ecuacin que relaciona el tamao de grano con la resistencia de cedencia es la ecuacin de Hall-Petch:

y = 0 + Kd-1/2y Es la resistencia de cedencia o limite elstico d Es el dimetro promedio de granos 0 y k son constantes para el metal

N = 2 n-1

Fallas de apilamientoSe presentan en los materiales FCC.

Representan un error en la secuencia de apilamiento de los planos con empaquetamiento compacto.Normalmente se produce una secuencia de ABC ABC ABC en un cristal perfecto. Si se presenta la siguiente secuencia: ABC ABABC ABC, un plano A ocupa el lugar donde un plano C estara localizado normalmente. Esta pequea regin que tiene una secuencia de apilamiento HCP en lugar de FCC, representa una falla de apilamiento

Limites de maclaUn limite de macla (o de gemelacin) es un plano a travs del cual hay una desorientacin especial de imagen especular de la estructura cristalina. Los limites de macla se pueden mover y causar deformacin en el material. Pueden producirse cuando una fuerza cortante, que acta a lo largo del limite macla, hace que los tomos se desplacen de su posicin. El maclado sucede durante la deformacin o el tratamiento trmico de los metales.

Importancia de los defectosEn los materiales metlicos, defectos puntuales y lmites de grano sirven como obstculo a las dislocaciones.

Es posible controlar la resistencia de un material metlico controlando la cantidad y el tipo de imperfeccin

Endurecimiento por deformacinEndurecimiento por solucin slida Endurecimiento por tamao de grano

Endurecimiento por deformacinLos tomos vecinos a una lnea de dislocacin estn en compresin y/o traccin. Se requieren esfuerzos mayores para mover una dislocacin cuando se encuentra con otra dislocacin

Al incrementar el nmero de dislocaciones, se aumenta la resistencia del material

Endurecimiento por solucin slida

El defecto puntual altera la perfeccin de la red

Se requiere de mayor esfuerzo para que una dislocacin se deslice

Al introducir intencionalmente tomos sustitucionales o intersticiales, se genera un endurecimiento por solucin slida

Endurecimiento por tamao de grano

Los limites de grano alteran el arreglo atmico

El movimiento de las dislocaciones se bloquea en los bordes de grano

Al incrementar el nmero de granos o al reducir el tamao de stos, se produce endurecimiento por tamao de grano.