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• Miguel Abraham Hernández Villa

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Instituto Politécnico Nacional

Escuela Superior de Ingeniería Mecánica y Eléctrica Unidad Azcapotzalco

Practica 3.Defectos cristalinos en los materiales.

Alumno:

Acosta Flores Diana Alhelí Hernández Villa Miguel Abraham Sandoval Durán Mario Héctor

Grupo: 3MM1

Profesor: Mario Vergara Camacho.

Equipo: 8

Fecha de entrega: 04/Septiembre/2014 OBJETIVO. -Comprender los tipos de deformaciones cristalinas que pueden presentar los materiales. -Conocer la clasificación de las deformaciones que pueden tener los materiales.

INTRODUCCIÓN. El arreglo de los átomos o iones en los materiales diseñados tienen imperfecciones o defectos. Estos defectos tienen con frecuencia un efecto profundo

sobre las propiedades de los materiales. Los tres tipos básicos de imperfecciones son: defectos puntuales, defectos lineales (o dislocaciones) y defectos superficiales. Estas imperfecciones sólo representan defectos o desviaciones con respecto a los arreglos atómicos o iónicos perfectos en una estructura cristalina. En muchas aplicaciones el material no es considerado defectuoso dado que la presencia de tales defectos es en realidad útil. Por ejemplo, los defectos conocidos como dislocaciones son útiles para aumentar la resistencia de materiales y aleaciones. Sin embargo existen unas cuantas aplicaciones en donde se tratara de minimizar un tipo de defecto en particular. Por ejemplo, en el silicio monocristalino, utilizado para la fabricación de chips de computadoras, no es deseable la presencia de dislocaciones. Por otro lado con frecuencia se crean “defectos” de manera intencional para producir

un conjunto deseado de propiedades electrónicas, magnéticas, ópticas y mecánicas.

DESARROLLO. Defectos puntuales. Los defectos puntuales son interrupciones localizadas en los arreglos iónicos o atómicos en una estructura cristalina que de otra manera seria perfecta. Aun cuando se les llaman defectos puntuales, la imperfección afecta una región que involucra varios de los átomos o iones cercanos. Estas imperfecciones pueden ser introducidas por el movimiento de átomos o iones cuando ganan energía al calentarse por el procesamiento del material o por la inducción de otros átomos. La diferencia entre una impureza y un dopante por lo general las

impurezas son elementos o compuestos que se presentan a partir de las materias primas o del procesamiento, y los dopantes son elementos o compuestos que se adicionan de manera intencional, en concentraciones conocidas, en localizaciones especificas en la microestructura, buscando un efecto benéfico deseado sobre las propiedades o el procesamiento. Por lo general un defecto puntual involucra un átomo o ion, o un par de átomos o iones y por lo tanto es distinto de los defectos extendidos, como las dislocaciones, límites de grano, etc. Un “punto” importante acerca de los defectos es que aunque los defectos aparecen en uno o dos sitios, su presencia se “siente” a distancias mucho más extensas en un material cristalino.

Vacancias: se produce una vacancia cuando un átomo o un ion están ausentes de su sitio normal en la estructura cristalina.

Imperfecciones en los arreglos atómicos e iónicos. Defectos puntuales. a) Vacancia b) Átomo intersticial c) Átomo sustitucional pequeño d) Átomo sustitucional grande

e) Defecto Frenkel f) Defecto de Schottky

Cuando los átomos o iones están ausentes(es decir, cuando se presentan vacancias), aumenta el carácter aleatorio o entropía general del material, lo cual aumenta la estabilidad termodinámica de una material cristalino. Todos los materiales cristalinos tienen defectos de vacancia. Las vacancias se introducen en los metales y aleaciones durante la solidificación, a altas temperaturas, o como consecuencia de daños por radiación. Las vacancias desempeñan una función importante la determinación de la velocidad a la que los átomos o iones pueden moverse alrededor de, o difundirse en un material sólido, especialmente en metales puros. Debido a la gran energía térmica que tienen los átomos cerca de la temperatura de difusión de un material, puede haber hasta una vacancia por cada 1,000 átomos. También es posible mantener una alta concentración sin

equilibrio de las vacancias producidas a una alta temperatura templando rápidamente el material. Defectos intersticiales. Se forman un defecto intersticial cuando se inserta un átomo o un ion adicional en la estructura cristalina en una posición por lo general desocupada. Los átomos o iones intersticiales, aunque son mucho más pequeños que los átomos o los iones localizados en los puntos de red, siguen siendo mayores que los sitios intersticiales que ocupan. Los átomos intersticiales como los del hidrogeno se presentan con frecuencia en impurezas; mientras que los átomos de carbono se adicionan intencionalmente al hierro para producir acero. Para concentraciones pequeñas, los átomos de carbono ocupan sitios intersticiales en la estructura cristalina del hierro, introduciendo un esfuerzo en la región localizada del cristal en su alrededor. Si existen dislocaciones en

los cristales que tratan de moverse alrededor de estos tipos de defectos, enfrentan una resistencia a su movimiento, dificultando la creación de una deformación permanente en los metales y aleaciones. Esta es una manera importante de incrementar la resistencia de los materiales metálicos. A diferencia de las vacancias, una vez introducidos, la cantidad de átomos o iones intersticiales en la estructura permanece casi constante, aun cuando se modifique la temperatura. Defectos sustitucionales. Se introduce un defecto sustitucional cuando se remplaza un átomo o ion por un tipo distinto de atoo o ion. Los átomos o iones sustitucionales ocupan los sitios normales de red. Los átomos o iones sustitucionales pueden ser ligeramente mayores que los átomos o iones normales en la estructura cristalina, en este caso se reducen los espaciados interatómicos circundantes, o

pueden ser menores ocasionando que los átomos circundantes tengan espaciados interatómicos mayores. En cualquier caso, los defectos sustitucionales alteran las distancias interatómicas en el cristal circundante. De nuevo, los defectos sustitucionales pueden introducirse como una impureza o como una adicción deliberada en la aleación y, una vez introducidos, el número de defectos es relativamente independiente de la temperatura. Otros defectos puntales. Se crea una intersticialidad cuando un átomo idéntico a aquellos en los puntos de red normales se localiza en una posición intersticial. Estos defectos son muy fáciles de encontrar en las estructuras cristalinas que tienen un factor de empaquetamiento bajo. Defecto de Frenkel es un par vacancia intersticial formado cuando un ion salta de un punto normal de

red a un sitio intersticial, dejando atrás una vacancia. Aunque este se describe para un material iónico, un defecto de Frenkel puede aparecer en metales y en materiales enlazados de manera covalente. Defecto Schottky es único para los materiales iónicos y se encuentra de manera común en muchos materiales cerámicos. En este defecto las vacancias ocurren en un material enlazado de manera iónica; donde debe faltar un número estequiométrico de aniones y cationes en el cristal para que se conserve la neutralidad eléctrica en el cristal. Dislocaciones. Las dislocaciones son imperfecciones lineales en un cristal que de otra manera seria perfecto. Por lo regular se introducen en el cristal durante la solidificación del material o cuando se deforma de manera permanente el material. Aunque las dislocaciones están presentes en

todos los materiales, incluyendo las cerámicas y los polímeros, son particularmente útiles para explicar la deformación y el endurecimiento de materiales metálicos. Se pueden identificar tres tipos de dislocaciones: dislocación helicoidal, dislocación de arista y dislocación mixta. Dislocaciones helicoidales. Puede ilustrarse cortando de manera parcial a través de un cristal perfecto, después sesgando el cristal un espaciado atómico. Si se da una revolución del plano cristalográfico alrededor del eje sobre el cual sesgo el cristal, comenzando en el punto x y recorriendo espaciados atómicos iguales en cada requerido para completar la vuelta y regresar al punto inicial es el vector de Burgers b. Si se continúa la rotación, se trazaría una trayectoria en espiral.

El eje, o línea alrededor de la cual se traza esta

trayectoria, es la dislocación helicoidal. El vector Burguers es paralelo a la dislocación helicoidal. El cristal perfecto a) es cortado y sesgado un espaciado atomico, b) y c). La linea a lo largo de la cual ocurre el sesgado es la dislocacion helicoidal. Se requiere un vector de Burgers b para completar una vuelta de iguales espaciados atomicos alrededor de la dislocacion helicoidal.

Dislocaciones de arista. Puede ilustrarse cortando de manera parcial a traves de un cristal perfecto, separando el cristal, y llenando de

manera parcial el corte con un plano adicional de atomos. La arista inferior de este plano insertado representa la dislocacion de arista. Si se describe una vuelta en sentido de las manecillas del reloj alrededor de la dislocacion de arista, comenzando en el punto x y recorriendo un numero igual de espaciados atomicosen cada direccion, se determina el punto y, a un espaciado atomico del punto inicial.El vector requerido para completar la vuelta es, de nuevo, el vector de Burgers. En este caso, el vector de Burgers es perpendicular a la dislocacion. Al introducir la dislocacion, los atomos sobre la linea de la dislocacion se comprimen de manera estrecha, mientras que los atomos debajo de la dislocacion se

estiran demasiado. La region circundante del cristal se ha perturbado por la presencia de la dislocacion. El cristal perfecto a) se corta y se inserta un plano adicional de atomos b) . La arista inferior del plano adicional es una dislocacion de arista c). Se requiere un vector de Burgers b para completar una vuelta de iguales espaciados atomicos alrededor de la dislocacion de arista.

Dislocaciones mixtas. Las dislocaciones mixtan tiene componentes de aritas y helicoidal, con una region de transicion entre ellas. Sin embargo, el vector Burgers sigue siendo el mismo para todas las posiciones de la dislocacion mixta.

Dislocacion mixta, la dislocacion helicoidal en la cara frontal del cristal cambia de manera gradual a la dislocacion de arista en el lado del cristal.

Esquema de la linea de deslizamiento, el plano del deslizamiento y el vector de deslizamiento (de Burgers) para; a) una dislocacion de arista y b) una dislocacion helicoidal.

Deslizamiento. Al proceso por el cual se mieve una dislocacion y ocaciona que un material metalico se deforme se le llama deslizamiento. La direccion en la que se mueve la dislocacion, direccion de deslizamiento, es la direccion del vector de Burgers para las dislocacionesde arista. Durante el deslizamiento, la dislocacion de arista recorre

el plano formado por el vector de Burgers y la propia dislocacion. A este plano se le llama plano de deslizamiento. A la combinacion de la direccion del desplazamiento y el plano del deslizamiento se llama sistema de deslizamiento. Una dislocacion helicoidal produce el mismo resultado; la dislocacion se mueve en una direccion perpendicular al vector de Burgers aunque el cristal se deforma en una direccion paralela al vector de Burgers dado que es paralelo a la linea de la dislocacion, la especificacion de este vector y la linea de dislocacion no definen un plano del deslizamiento para una dislocacion helicoidal.

CONCLUSIÓN.

Los materiales con estructura cristalina o no tienen propiedades ideales pero al no ser reales y no tener todas las cualidades que deberían se dice que presentan defectos cristalinos, estos defectos se puede clasificar en: defectos puntuales, defectos lineales, defectos de superficie, defectos de volumen, los cuales a su vez se subdividen. Cada defecto cristalino va a tener sus propias características y van a afectar al material de diferente manera o en diferente dimensión, Estos defectos en los materiales cristalinos son los que le van a dar a los materiales ciertas características específicas como la deformación plástica, la resistencia a la rotura, la conductividad eléctrica, el color, la difusión. FUENTE DE CONSULTA.

Donald R., Pradeep P. Fulay, Fundamentos de ingeniería y ciencia de los materiales.Ed.Cengage Learmin. México, 2010