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• Andres Guecha

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Unidad 4 Defectos en los Materiales Metálicos

Defectos en los Materiales Metálicos

Vacancia en un plano (111) de una muestra de silicio (imagen obtenida con un microscopio de efecto túnel) Comentar la reconstrucción superficial

Defectos en los Materiales Metálicos • Las propiedades de los metales pueden ser afectadas profundamente por la presencia de defectos, • En consecuencia, es importante conocer los distintos tipos de defectos y su posible efecto sobre este tipo de materiales, • Por ejemplo, las propiedades mecánicas de los metales puros pueden variar significativamente cuando se añaden átomos de otro tipo, • Los bronces suelen tener mejores propiedades mecánicas que el cobre, esto se debe a la presencia de una cierta cantidad de átomos de Zn en la red.

Defectos en los Materiales Metálicos • Los materiales cristalinos siempre tienen defectos, el efecto de la imperfección de los sólidos cristalinos no siempre es perjudicial, • Muchas veces para que un material tenga determinadas propiedades resulta imprescindible la presencia de determinados defectos con una cierta densidad, esto suele hacerse de manera deliberada, • Se entiende por defecto cristalino a toda irregularidad en la red que tenga una o más de sus dimensiones en el orden de un diámetro atómico, • La clasificación se hace frecuentemente sobre la base de la geometría o dimensionalidad del defecto.

Defectos en los Materiales Metálicos Defectos Puntuales-Vacancias • Vacancia: consiste en la ausencia de un átomo en un sitio de la red,

• Todos los sólidos cristalinos contienen vacancias, no es posible que exista un sólido cristalino que no tenga vacancias (termodinámicademostrar), • La concentración de equilibrio de este tipo de defectos está dada por la siguiente ecuación: (Qv/kt) kt) Nv = N e –(Qv/ N es el número total de sitios atómicos, Qv es la energía necesaria para la creación de una vacancia, • Para muchos metales la fracción de vacancias muy cerca del punto de fusión es del orden de 10-4, es decir, un sitio atómico de cada 10.000 está vacío a T = Tf.

Defectos en los Materiales Metálicos Defectos Puntuales-Autointersticiales • Un autointersticial consiste en un átomo del mismo metal que constituye la red cristalina pero ubicado en una posición intersticial, • En un metal, este tipo de defecto puntual genera distorsiones importantes en la red dado que el volumen de un átomo metálico suele ser significativamente más grande que el de una posición intersticial, • En consecuencia, su aparición es poco probable y existe en concentraciones muy bajas, mucho menores que la de las vacancias. (Ejemplo de cálculo de conc. de vacancias).

Defectos en los Materiales Metálicos Defectos Puntuales-Vacancias y Autointersticiales

Representación de una vacancia y de un autointersticial

Defectos en los Materiales Metálicos Defectos Puntuales-Impurezas-Aleaciones • La existencia de una pieza metálica macroscópica compuesta por un solo tipo de átomo es imposible: siempre hay impurezas o átomos distintos a los del metal mayoritario, algunos de ellos existirán como defectos puntuales cristalinos, • Resulta muy difícil refinar metales más allá de una pureza de 99,9999 %, en ese nivel hay entre 1022 y 1023 átomos extraños por m3 de metal, • La forma en que se comercializan casi todos los metales más comunes es en forma de aleaciones, en las cuales las impurezas se introducen intencionalmente para impartir características específicas al material, • Por ejemplo, la plata 925 (plata de ley) es una aleación con 92,5 % de plata y 7,5 % de cobre. La plata pura es muy resistente a la corrosión pero muy blanda, el cobre mejora sus propiedades mecánicas.

Defectos en los Materiales Metálicos Defectos Puntuales-Impurezas-Aleaciones • La adición de átomos extraños a un metal resulta en la formación de una solución sólida y/o de una nueva segunda fase, dependiendo del tipo de impureza, de la concentración y de la temperatura, en este momento nos restringimos a la formación de soluciones sólidas,

• Con el mismo criterio que para las soluciones líquidas se distingue entre soluto y solvente. Los átomos de solvente se suelen llamar también átomos anfitriones (host atoms),

Defectos en los Materiales Metálicos Defectos Puntuales Impurezas-Soluciones Sólidas Se forma una solución sólida entre dos metales si el agregado de los átomos del soluto no modifica la estructura cristalina del metal solvente, •

•Una solución sólida es homogénea, la distribución de los átomos del soluto es al azar e igual en todo el volumen del sistema, • Las impurezas como defectos puntuales aparecen de dos maneras: como sustitucionales o como intersticiales, •En el caso de las sustitucionales, sustituyen a los átomos del solvente en los sitios de la red como se ve en la figura.

Defectos en los Materiales Metálicos Defectos Puntuales Impurezas-Soluciones Sólidas

Formas de aparición de las impurezas en una solución sólida

Defectos en los Materiales Metálicos Defectos Puntuales Impurezas-Soluciones Sólidas •

La naturaleza de los átomos de soluto y solvente determina la manera en que los primeros se disuelven en el medio, los principales factores a tener en cuenta son los siguientes: Diferencia en el Tamaño atómico: debe ser del orden de 15%, de otra manera es muy posible que se constituya otra fase, Estructura cristalina: debe ser igual, Diferencia de Electronegatividad: cuanto mayor sea esta diferencia más probable es que se forme un compuesto intermetálico en lugar de una solución sólida substitucional, El número de oxidación: si otros factores son iguales puede influir el número de óxidación del metal soluto, un metal disuelve preferentemente a otro de > nro de oxidación,

Defectos en los Materiales Metálicos Defectos Puntuales Impurezas-Soluciones Sólidas • Ejemplo: solución sustitucional entre Cu y Ni, • Estos dos elementos son solubles en cualquier proporción,

• Los radios atómicos son, respectivamente, 0,128 y 0,125 nm para Cu y Ni, • Ambos tienen estructura FCC, • Sus electronegatividades son 1,9 y 1,8,

• Los números de oxidación del Cu son +1 y + 2, los del Ni: +2 y +3.

Defectos en los Materiales Metálicos Defectos Puntuales Impurezas-Soluciones Sólidas • Para

soluciones sólidas intersticiales, los átomos de las impurezas ocupan los huecos o intersticios entre los átomos del solvente, • Para los materiales metálicos que tienen factores atómicos relativamente altos de empaquetamiento, estas posiciones intersticiales son relativamente pequeñas. En consecuencia, el diámetro atómico de una impureza intersticial debe ser sustancialmente menor que el de los átomos del solvente, • Normalmente, la concentración intersticiales es bajo ( < 10% ).

máxima

de

átomos

de

impurezas

• Incluso los átomos de impurezas muy pequeñas son normalmente mayores que los sitios intersticiales, entonces, su presencia suele introducir una deformación en la red. • El carbono forma una solución sólida intersticial cuando es agregado al hierro, la máxima concentración de C es 2 %. El radio atómico del C es mucho menor que el del Fe 0,071 nm vs 0,124 nm.

Defectos en los Materiales Metálicos Defectos Lineales: Dislocaciones • Una dislocación es un defecto lineal alrededor del cual

algunos átomos están mal alineados,

• Existen, básicamente, tres tipos de dislocaciones: de borde, tornillo o mixtas.

• Dislocación de borde (hemiplano de átomos que termina en el interior del cristal):

Defectos en los Materiales Metálicos Defectos Lineales: Dislocaciones

Defectos en los Materiales Metálicos Defectos Lineales: Dislocaciones • Dislocación de borde: es un defecto lineal que está centrado en la línea definida por el final del hemiplano extra de átomos. A esa línea se la llama línea de la dislocación. En este caso es perpendicular al plano de la diapositiva. • Alrededor de la línea de la dislocación hay cierto grado de distorsión en la red cristalina. cristalina La magnitud de esa distorsión decrece con la distancia. • La dislocación de borde de la figura anterior se suele representar por el símbolo ┴. • Una dislocación de borde se puede formar de manera tal que el hemiplano extra esté en la parte inferior del cristal, en ese caso se representa así: ┬

Defectos en los Materiales Metálicos Defectos Lineales: Dislocaciones •

Existe otro tipo de dislocación, llamada tornillo o hélice (“screw dislocation”,

•

Se puede imaginar que se forma por un esfuerzo de corte que produce la distorsiópn que se ve en la sgte figura

•

La parte frontal superior del cristal se desplazó en una distancia atómica a la derecha con respecto a la parte superior,

•

La distorsión atómica asociada con una dislocación de este tipo es también lineal y se puede definir también un línea para la dislocación,

•

En nombre de dislocación hélice deriva de la forma en que los sucesivos planos cristalinos se van ordenando alrededor de la línea de la dislocación.

•

A veces se usa el sgte símbolo para indicar una dislocación de este tipo:

Defectos en los Materiales Metálicos Defectos Lineales: Dislocaciones

Defectos en los Materiales Metálicos Defectos Lineales: Dislocaciones

Defectos en los Materiales Metálicos Defectos Lineales: Dislocaciones • Muchas de las dislocaciones encontradas en los materiales cristalinos son mixtas, es decir tienen un componente lineal y otro de hélice, • En la figura que sigue aparecen los tres tipos de dislocaciones; • La distorsión en la red que se produce lejos de las caras es mixta, con grados distintos de carácter lineal y hélice.

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Defectos en los Materiales Metálicos Defectos Lineales: Dislocaciones • La magnitud y dirección de la distorsión de la red asociada con una dislocación se expresa en términos de un vector: Vector de Burgers denotado por b.El vector de Burgers se puede apreciar en las figuras anteriores. • Según la naturaleza de una dislocación es la orientación relativa entre el vector de Burgers y la línea de la dislocación: para una de borde son perpendiculares, para una de hélice son paralelas, para una mixta ni una cosa ni la otra.

Defectos en los Materiales Metálicos Defectos Lineales: Dislocaciones • También vale comentar que aunque la dirección y naturaleza de una dislocación cambien en el interior de un cristal el vector de Burgers será el mismo en todos los puntos. • Por ejemplo, en la figura donde se esquematiza una dislocación mixta se muestra que el vector de Burgers es el mismo en todo el recorrido. • Para los materiales metálicos el vector de Burgers para una dislocación apunta en una dirección de empaquetamiento compacto y es de igual longitud que el espaciamiento interatómico.

Defectos en los Materiales Metálicos Defectos Lineales: Dislocaciones

Defectos en los Materiales Metálicos Defectos Lineales: Dislocaciones • Como se verá más adelante, la deformación permanente de muchos materiales cristalinos se produce por el movimiento de dislocaciones. • Las dislocaciones se pueden observar en los materiales cristalinos mediante microscopía electrónica. • Todos los materiales cristalinos tienen dislocaciones que se introducen durante la solidificación, la deformación plástica o como consecuencia de tensiones térmicas por enfriado rápido.

Defectos en los Materiales Metálicos Defectos Lineales: Dislocaciones

Defectos en los Materiales Metálicos Defectos Interfaciales • Los defectos interfaciales son fronteras que tienen dos dimensiones y separan regiones de material con distintas estructuras cristalinas y/o distintas orientaciones cristalinas.

• Incluyen: superficies externas, bordes de grano, maclas (“twin boundaries”), fallas de apilamiento(“stacking faults”), y fronteras entre fases

Defectos en los Materiales Metálicos Defectos Interfaciales-Superficies Externas • La superficie externa en la que un cristal termina es uno de los defectos de este tipo. • Los átomos superficiales no están unidos a igual nº de vecinos que un átomo del seno de un metal, por lo tanto, están en un nivel de energía mayor. • Las uniones de estos átomos superficiales que no están satisfechas dan lugar a una energía superficial. Para reducir esta energía hay una tendencia a minimizar la superficie externa.

Defectos en los Materiales Metálicos Defectos Interfaciales-Bordes de Grano • Ya se mencionó a este defecto interfacial, es la frontera que separa dos pequeños granos o cristales con distintas orientaciones cristalográficas. • Se lo suele representar según la figura que sigue: en esa región que es del orden de varias distancias atómicas hay cierto desajuste entre las redes cristalinas de los dos granos.

Defectos en los Materiales Metálicos Defectos Interfaciales • Son posibles distintos grados de desorientación entre granos adyacentes. • Cuando la diferencia en orientación cristalina , el ángulo Θ, es pequeño, del orden de unos pocos grados, se dice que se tiene un borde de grano de ángulo bajo, • Esos bordes de grano se pueden describir en términos de arreglos de dislocaciones. Por ejemplo, si varias dislocaciones de borde se alínean de la manera en que muestra la siguiente figura.

Defectos en los Materiales Metálicos Defectos Interfaciales

Defectos en los Materiales Metálicos Defectos Interfaciales

Defectos en los Materiales Metálicos Defectos Interfaciales • A ese tipo de borde de grano se lo llama “tilt boundary” o borde de inclinación; • Cuando el ángulo de desorientación es paralelo al borde de grano, resulta una “twist boundary” que se puede describir como un arreglo de dislocaciones hélice.

Defectos en los Materiales Metálicos Defectos Interfaciales

Defectos en los Materiales Metálicos Defectos Interfaciales • Los átomos están unidos de manera menos regular a lo largo de un borde de grano (pej, los ángulos de enlace son >), en consecuencia, hay una energía interfacial asociada, • La magnitud de esa energía es función del grado de desorientación. • Los bordes de grano son más reactivos químicamente que el material cristalino regular (rol de la energía y las impurezas).

Defectos en los Materiales Metálicos Defectos Interfaciales • El tamaño de grano se puede controlar, en teoría, mediante tratamientos térmicos. • A pesar de la existencia de esas zonas de material cristalino parcialmente desordenado las propiedades mecánicas de un metal policristalino son muy semejantes a las de un metal monocristalino. • El desorden parcial en la estructura no impide la acción de las fuerzas de cohesión entre los átomos. De hecho, las densidades son muy parecidas.

Defectos en los Materiales Metálicos Defectos Interfaciales • Maclas o “Twin Boundaries”: Es un tipo especial de borde de grano en el cual hay un plano de reflexión entre las dos regiones separadas por el defecto, • Las maclas resultan de desplazamientos atómicos que se producen por esfuerzos mecánicos o por deformaciones producto de tratamientos térmicos. • El maclado se da en un plano cristalográfico determinado y en una dirección específica. Ambos, dependen de la estructura cristalina. • Las maclas por recocido aparecen típicamente en metales con estructura FCC; las maclas por esfuerzo mecánico se dan en metales con estructuras BCC y HCP.

Defectos en los Materiales Metálicos Defectos Interfaciales

Defectos en los Materiales Metálicos Defectos Interfaciales

Defectos en los Materiales Metálicos Defectos Interfaciales • Otros defectos Interfaciales: Fallas de apilamiento (stacking faults, bordes entre fases (phase boundaries y paredes entre dominios ferromagnéticos (ferromagnetic domain walls). • Las fallas de apilamiento se encuentran en metales FCC cuando hay una interrupción en la secuencia ABCABCABC . . .de los planos con empaquetamiento compacto. • Las fronteras entre fases existen en los materiales multifásicos.

Defectos en los Materiales Metálicos Defectos Interfaciales • Para los materiales ferromagnéticos y los ferrimagnéticos, la frontera que separa regiones con direcciones distintas de magnetización se llama pared de dominio. • A cada uno de los defectos interfaciales está asociada una energía correspondiente. La magnitud de esa energía depende del tipo de defecto y del material. • Habitualmente tendrá el mayor valor para las superficies externas y el menor para las paredes de dominios.

Defectos en los Materiales Metálicos Defectos de Volumen • Los metales pueden tener otro tipo de defectos, por ejemplo los de volumen. • Incluyen, poros, grietas, inclusiones de material extraño y otras fases. • Aparecen normalmente durante las etapas de procesamiento y fabricación. • Más adelante se discutirán las consecuencias de la presencia de estos defectos.

Defectos en los Materiales Metálicos Vibraciones Atómicas • Cada átomo vibra alrededor de su posición de equilibrio en el sólido, en este sentido se puede considerar como un defecto • Para cada temperatura hay una distribución de energías para los átomos alrededor de una energía media. • Al aumentar la T aumenta la energía media y por lo tanto también la población de átomos con energías mayores, • A Tamb la frecuencia de vibración típica está en el orden de 1013 s-1, mientras que su amplitud es del orden de 10-12 m. • Muchas propiedades y procesos son influidos por estas vibraciones, por ejemplo: la fusión.

Microscopías para estudiar Materiales Metálicos • En algunos metales los granos tienen dimensiones macroscópicas, en muchos, tienen dimensiones microscópicas, del orden de micrones (micrómetros) y para estudiarlos se requiere de algún microscopio. • El tamaño y la forma de los granos de un metal son dos aspectos de su microestructura. • Usualmente se utilizan microscopios Ópticos, Electrónicos y de Barrido de sonda en el campo de la Microscopía: • Estos instrumentos sirven para estudiar la microestructura de cualquier tipo de material.

Microscopías para estudiar Materiales Metálicos: Microscopía Óptica • Se utiliza un microscopio con luz del visible para estudiar la microestructura • Para materiales opacos a esa radiación sólo es posible observar la superficie y, por lo tanto, se trabaja en el modo de reflexión. • Los contrastes en la imagen resultan de las diferencias en reflectividad de las distintas regiones de la superficie. • A este tipo de estudios se los llama metalográficos. • Lo normal es realizar una cuidadosa preparación de la superficie antes de realizar el estudio: pulido y etching.

Microscopías para estudiar Materiales Metálicos: Microscopía Óptica

Microscopías para estudiar Materiales Metálicos: Microscopía Óptica

Microscopías para estudiar Materiales Metálicos: Microscopías Electrónicas

• El límite superior para la magnificación con un microscopio óptico es de 2000 aumentos. • En consecuencia, los elementos estructurales que son muy pequeños no pueden verse con un microscopio óptico.

Microscopías para estudiar Materiales Metálicos: Microscopías Electrónicas • Bajo esas circunstancias debe usarse un microscopio electrónico. • La imagen se forma usando haces de electrones en lugar de luz. • Usando la dualidad onda partícula podemos entender que un haz de electrones se comporta como un haz de radiación con una longitud de onda particular, que es función de su velocidad (v-1).

Microscopías para estudiar Materiales Metálicos: Microscopías Electrónicas • Mediante voltajes elevados se pueden conseguir haces de electrones con longitudes de onda del orden de 0,003 nm (3 pm). • Las altas magnificaciones y los elevados poderes de resolución son consecuencia de las pequeñas longitudes de onda de esos haces de electrones. • El haz de electrones se enfoca y la imagen se forma mediante lentes magnéticas de manera semejante a la de un microscopio óptico. Es posible trabajar tanto en modo reflexión como en modo de transmisión.

Microscopías para estudiar Materiales Metálicos: Microscopías Electrónica de Transmisión (TEM) • La imagen se forma por un haz de electrones que atrviesa la muestra. • Se pueden ver así detalles de la microestructura interna, los contrastes en la imagen se producen por diferencias en la dispersión o difracción del haz producida por los defectos o aspectos de la microestructura. • Como los materiales sólidos absorben fuertemente a los electrones, la muestra debe ser muy delgada. Se pueden alcanzar aumentos de hasta 106.

Microscopías para estudiar Materiales Metálicos: Microscopías Electrónica de Barrido(SEM) • En esta técnica la superficie de la muestra se barre o se escanea con un haz de electrones y se detectan los electrones reflejados (backscattered). • Se puede observar así la morfología de la superficie incluyendo algunos defectos. • La superficie puede o no estar pulida o atacada (etched) pero debe ser conductora de la corriente eléctrica. Si no tiene esa propiedad se la recubre con una película metálica fina. Se alcanzan aumentos de hasta 50 000 x.

Microscopías para estudiar Materiales Metálicos: Microscopía de Barrido de Sonda(SPM) • En los últimos 20-25 años han aparecido una serie de microscopías llamadas Microscopía de barrido de Sonda (Scanning Probe Microscopy) • Estos microscopios no utilizan ni luz ni electrones pero permiten obtener información topográfica en escala atómica.

Microscopías para estudiar Materiales Metálicos: Microscopía de Barrido de Sonda(SPM) • Algunos de estos microscopios pueden operar en distintos ambientes (aire, vacío) • Emplean una sonda que termina en una punta delgada que se desplaza a una distancia muy corta de la superficie de la muestra, • La sonda sufre desplazamientos perpendiculares a la sup. De la muestra en respuesta a la interacción que va experimentando.

Microscopías para estudiar Materiales Metálicos: Microscopía de Barrido de Sonda(SPM) • En respuesta a esos estímulos el microscopio obtiene una imagen tridimensional de la superficie de la muestra. • Ejemplos de este tipo de microscopios son AFM y STM.

Comparación dimensional entre distintos elementos estructurales

Rangos de resolución de los distintos microscopios