Tema 3: Defectos
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• Defectos puntualesDefectos puntuales
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• VacanVacantes tes y autoy autointerintersticiasticialesles
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• ImpurImpurezas ezas substisubstituciotucionalesnales e e intersintersticiaticialesles
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• DefecDefectos lintos lineales (deales (dislocislocacioneaciones)s)
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• DisloDislocación cación de borde borde o de de o de TayloTaylor r
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• DefDefectectos de supos de superferficiiciee
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• SupSuperferficiicies extees externarnass
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• LímLímiteites ds de gre granoano
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• MMaaccllaass
Tipos de defectos
Tipos de defectos
Difusión. Mecanismos de difusión. Primera y segunda Ley
Difusión. Mecanismos de difusión. Primera y segunda Ley
de Fick
de Fick
Imperfeccion
Imperfecciones en es en sólidossólidos
Un sólido ideal no existe
Un sólido ideal no existe
Gran número de defectos
Gran número de defectos
irre
irregularidad en la gularidad en la red en la cualred en la cual
una o más de sus d
una o más de sus dimensiones sonimensiones son
del orden de un
del orden de un
Mu
Mu
ch
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imp
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ecc
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ion
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es
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Defecto cristalino
Defecto cristalino: Es una: Es una
diá
Duran
Durante el procete el procesoso de solidde solidificaificación:ción: 1 m
1 molol Fe Fe = 5= 55.85.85g5g ～～ 6 x 106 x 102323 atoms!!atoms!!
Pertu
Perturbaciorbacionesnes locallocaleses
De
Despsplalazazamimienentoto dedebibidodo aa
las
las vibravibracionecioness reticreticularesulares
A
A TTemperatura amemperatura ambientebiente lala frecu
frecuencia vencia vibracibracionalional típictípica es dea es de 10
101313 vibr./s, amplitudvibr./s, amplitud nmnm
¿Por qué se forman los defectos? ¿Por qué se forman los defectos?
Vacante
Planos de
distorsión
Autointersticial
Átomo “extra” que ocupa un
intersticio de la red Posición atómica desocupada en la red
Ei 3 x Ev < 1 át autointersticial/cm3
Ev = Energía Activación para formación de una vacante Ei = Energía Activación intersticial
Gran distorsión en la red Menos probable
nV N T Exponencial ! n V N
Cu T
m=1083
C
T~T
m nv/N~ 1/10
4 v V E n N exp KT nv: nº de vacantes N: átomosEv: E necesaria para formar una vacante
K: cte. de Boltzmann T: Temperatura fracción de vacantes (1.38 x 10 -23J/atm·K) (8.62 x 10 -5eV/atm·K) 1 eV = 1.6 x 10-19J
Vacantes: concentración de equilibrio
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/cm3y M
Impureza B alojada en el metal A (soluto y disolvente): • Solución sólida de B en A
• Formación de una segunda fase (generalmente con una mayor cantidad
de B)
Hume-Rothery
Tamaño de los intersticios
Defectos puntuales: impurezas y soluciones sólidas
SOLUCIÓN SÓLIDA SUBSTITUCIONAL (ej: Cu en Ni)
SOLUCIÓN SÓLIDA INTERSTICIAL (ej: C en Fe)
Segunda fase
- diferente composición
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
Soluciones sólidas substitucionales
Solubilidad total Solubilidad parcial Insolubilidad
1. Solubilidad de Al
y Ag en Zn?
2. Solubilidad de
Zn y Al en Cu?
Element Atomic Crystal Electro- Valence Radius Structure
nega-(nm) tivity Cu 0.1278 FCC 1.9 +2 C 0.071 H 0.046 O 0.060 Ag 0.1445 FCC 1.9 +1 Al 0.1431 FCC 1.5 +3 Co 0.1253 HCP 1.8 +2 Cr 0.1249 BCC 1.6 +3 Fe 0.1241 BCC 1.8 +2 Ni 0.1246 FCC 1.8 +2 Pd 0.1376 FCC 2.2 +2 Zn 0.1332 HCP 1.6 +2
Soluciones sólidas substitucionales
Línea de
dislocación
de borde
Semiplano extra de átomos insertado en la
estructura cristalina
CompresiónTracción Símbolo Dislocaciones de borde
Originan una distorsión en la red cristalina en torno a una línea de átomos desajustados
M o v i m i e n t o d e d i s l o c a c i o n e s d e b o r d e
E l d e s l i z a m i e n t o s e p r o d u c e p o r m o v i m i e n t o s u c e s i v o d e l f r e n t e d e d i s l o c a c i ó nAnalogía entre el movimiento de una oruga y el de una dislocación
Defectos lineales: dislocaciones
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
Importancia de las dislocaciones
• 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)
Los materiales de ingeniería presentan densidades de dislocación del orden de 106 a 108 líneas de dislocación/cm2
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
Dislocaciones y estructura cristalina
Mg (HCP)
Al (FCC)
dirección de tracción Sistema de deslizamiento 12 sistemas de deslizamiento {111} <110 > (FCC) Comparación de la ductilidad:FCC>BCC>HCP• Superficies externas: incremento de la energía superficial
Los límites de grano separan zonas con diferente
orientación cristalográfica
• Límites de grano: Regiones de máxima energía
del cristal. Más reactivos químicamente.
Límites de grano
• Solidificación: transformación desde el estado fundido
2 etapas:
- Formación de núcleos
- Crecimiento de los núcleos para formar cristales (estructura granular)
Estructura granular Cristales creciendo
núcleos
líquido
Microscopio óptico
• Útil hasta 2000 aumentos • Superficie pulida
• El reflejo de la luz cambia dependiendo de la orientación del cristal
r o a l c a r b o n o . c a d o c o n N i t a l ( x 1 0 0 ) n=7 n=8 n=9 Índices ASTM
(American Society for Testing and Materials)
n 1
N 2 N: granos/plg
2 (x100)
n: índice de tamaño de grano
Tamaño de grano: índice ASTM (n)
Determinar el índice de tamaño de grano, n, si la microfotografía fuese tomada a 100x y a 300x
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
Defectos superficiales: límite de macla
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…
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 Ecuación de Arrhenius o Q 1 log D log D 2,3R T D = Coeficiente de difusión ó difusividad (m2/s)
Do = Factor frecuencia, constante para cada sistema (m2/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) Dintersticial >> Dsubstitucional C en a-Fe C en g-Fe Al en Al Fe en a-Fe 1000 K/T D (m2/s) 0.5 1.0 1.5 10-20 10-14 10-8 T (C) 1 5 0 0 1 0 0 0 6 0 0 3 0 0
Difusión en estado estacionario
• La velocidad de diffusion no depende del tiempo
• El flujo (J) es proporcional al gradiente de concentración =
dx
dC
At M J s m kg o s cm mol tiempo masa) (o moles Flujo J 2 2dx
dC
D
J
C1 C2 x superficie C 1 C 2 x 1 x 2Difusión en estado no estacionario
• La concentración de las especies que difunden es función de la posición y del tiempo
• Se usa la segunda Ley de Fick 2 2 x C D t C
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
C C s s Dt 2 x erf C C o x
• Difusión de Cu en Al
Concentración inicial de átomos de Cu (C o )
Concentración superficial
de átomos de Cu (Cs) bar
Difusión en estado no estacionario
C S
C o C ( x ,t )
Factores que afectan a la difusión
La magnitud del coeficiente de difusión D es indicativa de la velocidad de difusión:
D Mayor difusión Depende de: Temperatura Estructura cristalina Mecanismo de difusión Estructura cristalina QFCC QBCC DFCC DBCC Mecanismo de difusión Qsustitucional Dsustitucional Autodifusion, D
Tipo difusión Q cal/mol Do cm2/s
Difusión intersticial C en Fe FCC 32.900 0,23 C en Fe BCC 20.900 0,011 N en Fe FCC 34.600 0,0034 N en Fe BCC 18.300 0,0047 H en Fe FCC 10.300 0,0063 H en Fe BCC 3.600 0,0012
Difusión sustitucional (Autodifusión)
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 Mg en Mg HCP 32.200 1,0 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 Qintersticial Dintersticial D = D0 exp -Q RT Temperatura, T T 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:
2 / 1 y o k dDislocaciones 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
B
C 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)
Side View
precipitate
Top View
Slipped part of slip plane Unslipped part of slip plane
S S
~
y
1
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
-Forja
Ao Ad force die blank force-Trefilado
tensile force Ao Ad die die-Extrusión
ram billet container containerforce die holder
die Ao Ad extrusion
-Laminación
roll Ao Ad rollMetal dúctil, sin deformar ≈ 106 cm/cm3 Metal dúctil, deformado ≈ 1012 cm/cm3 0 0 100 d A A Porcentaje de trabajo en frío
A
A0 : área transversal del material antes de la deformación Ad : área transversal del material después de ser deformado
ACRITUD
• Aumento de la densidad de dislocaciones
Dislocaciones y mecanismos de endurecimiento
ANISOTROPÍA (%CW)
• Aumento del límite elástico y resistencia mecánica • Reducción de la ductilidad
acero dulce
% Cold Work 100 300 500 700
Cu
20 0 40 60 % Cold Work 200Cu
0 400 600 800 20 40 60 % Cold Work 20 40 60 20 40 60 0 0Cu
Efecto del conformado en fríoEfecto del tratamiento térmico después del conformado en frío R e s i s t e n c i a ( M P a ) d u c t i l i d a d ( % A ) tensile strength ductility 600 300 400 500 60 50 40 30 20
Temperatura de recocido (ºC)
200 100 300 400 500 600 700 1 hora de tratamiento a diferentes temperaturas
Se puede eliminar el efecto del conformado en frío en las propiedades mecánicas
Temperatura de recristalización, TR T R TR: temperatura a la cual se consigue la recristalización al cabo de 1 hora 0.3T m < T R < 0.6T m TR depende de: • %CW - TRdisminuye al incrementar el %CW
• Pureza del metal - TR disminuye al aumentar la pureza