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• Andrea De Stefano

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DEFECTOS EN MATERIALES – MICROESTRUCTURA Y PROPIEDADES Prof. A. Rosales

Defectos en sólidos

Defectos puntuales • Vacancias • Átomos substitucionales o intersticiales

Todos los materiales tienen defectos y estos tienen también un impacto sobre sus propiedades.

Defectos Lineales • Dislocaciones: de borde o de tornillo • Dislocaciones mixtas

Los defectos se pueden clasificar en: 1- Defectos electrónicos (0-D) 2- Defectos puntuales (0-D) 3- Defectos lineales (1-D) 4- Defectos superficiales (2-D) 5- Defectos volumétricos (3-D)

Defectos Superficiales • Borde de grano • Intercaras entre fases • Fallas de apilamiento • Superficie

Defectos volumétricos • Porosidades • Micro rechupes • Grietas • Inclusiones externas

Defectos en sólidos

Defectos en sólidos: defectos puntuales

Defectos puntuales: (a) vacancia, (b) átomo intersticial, (c) y (d) átomos sustitucionales, (e) Defecto Frenkel (vacancia + intersticial) y (f) Defecto Schottky (vacancia aniónica + vacancia catiónica). Todos estos defectos en mayor o menor grado distorsionan la red cristalina.

Las vacancias y su dependencia con la temperatura El número de vacancias aumenta exponencialmente con la temperatura según la expresión:

donde N es el número total de sitios atómicos, Qv es la energía requerida para formar una vacancia, T es la temperatura absoluta (K) y k es la constante de Boltzmann (1,38 10-23 J/ átomos K)

Los defectos puntuales y la difusión

Los defectos puntuales y la difusión

Otros defectos y la difusión

Vías rápidas para la difusión: dislocaciones y bordes de grano

Defectos puntuales y la difusión

Los defectos puntuales y la difusión: Primera ley de Fick

dc J  D dx

Primera ley de Fick, estado estacionario

Los defectos puntuales y la difusión: Segunda ley de Fick

LA DEFORMACIÓN DE LOS MATERIALES Y LAS DISLOCACIONES

Curva esfuerzo deformación para materiales metálicos

Curva esfuerzo deformación para materiales poliméricos

Curva esfuerzo deformación para materiales cerámicos

Resistencia a la Deformación Ideal Primera aproximación: Fuerza necesaria para romper el enlace entre los átomos del material.

Puede notarse que el esfuerzo ideal es aproximadamente E/10. Mediante cálculos más detallados se ha encontrado que el esfuerzo ideal es E/15. Veamos en un gráfico esto.

Resistencia a la deformación Ideal

Ninguno de los materiales alcanza el valor ideal de y/E. ¿A que puede deberse este comportamiento?

Resistencia a la deformación Ideal

Deformación plástica, deslizamiento y dislocaciones

Las dislocaciones son las responsables de la facilidad de deformar los metales y aleaciones. Son los entes que transportan deformación, como los electrones transportan carga.

Defectos lineales: dislocaciones

Dislocaciones (líneas oscuras) en una aleación de titanio utilizando un microscopio electrónico de transmisión (MET) 51450 X

Dislocaciones de borde y de tornillo

Dislocación de borde

Dislocación de tornillo

Defectos lineales: dislocación de borde

Deformación: movimiento de una dislocación de borde Esfuerzo cortante

Esfuerzo cortante

Esfuerzo cortante

Plano de deslizamiento Escalón de tamaño b

Línea de dislocación

Esfuerzo Analogía de la oruga

Dislocaciones de borde y el vector de Burger

El vector de Burgers

El circuito de Burger para determinar el vector de la dislocación. El vector de Burger es perpendicular a la línea de dislocación

Defectos lineales: dislocación de tornillo

Defectos lineales: movimiento de una dislocación de tornillo

Defectos lineales: dislocación mixta

Defectos lineales: movimiento de una dislocación de mixta

Deformación plástica: deslizamiento sobre planos cristalográficos determinados

Deslizamientos sobre planos cristalográficos determinados

Deformación plástica: deslizamiento sobre planos cristalográficos determinados

Sistemas de deslizamiento Se denomina sistemas de deslizamiento a la combinación de un plano de deslizamiento y las direcciones de deslizamiento contenidas en él. Con frecuencia corresponden a la combinación de un plano compacto y las direcciones compactas contenidas en él. Sistemas de deslizamiento en estructuras metálicas Estructura

Plano de deslizamiento

fcc

{111}

110 

4

3

3x4=12

bcc

{110}

 1 11 

6

2

6x2=12

 11 1 

12

1

12x1=12

 11 1 

24

1

24x1=24

hcp

{112}  {123}  (0001)  {101 0}  {101 1} 

1120 

1

3

1x3=3

1120 

3

1

3x1=3

1120 

6

1

6x1=6





Dirección de Número de Número de deslizamiento planos direcciones por plano

Número de sistemas de deslizamiento

Deslizamiento, Esfuerzo resuelto y Factor de Schmid •El esfuerzo aplicado sobre la muestra es σ = F0/A0

F0 A0

F0

Deslizamiento, Esfuerzo resuelto y Factor de Schmid •El esfuerzo aplicado sobre la muestra es σ = F 0/A0 •Pero la fuerza que actúa sobre el plano de deslizamiento viene dada por: F = F0 cosλ •De igual manera, el área del plano de deslizamiento, respecto al área de la probeta será: A = A0/cosφ

φ

F0 A0

λ

F

A

•Por lo tanto, el esfuerzo cortante resuelto sobre el plano de deslizamiento, viene dado por:  = F/A   = σ cosλ cosφ = σ M Donde M es el factor de Schmid.

•Si una dislocación se encuentra sobre ese plano, el esfuerzo que siente no es σ sino .

F0

•La dislocación no se moverá hasta que el esfuerzo no alcance un valor crítico 0, el cual vence la fricción de la red.

El esfuerzo resuelto

El máximo esfuerzo de corte se alcanza cuando el ángulo es de 45 °, cuando

Introducción a los mecanismos de endurecimiento

El plano compacto de deslizamiento en estructuras cristalinas visto desde el punto de vista de una dislocación.

Mecanismos de endurecimiento

Endurecimiento por solución sólida

Endurecimiento por solución precipitación

Mecanismos de endurecimiento

Endurecimiento por deformación (otras dislocaciones)

Endurecimiento por refinamiento de grano.

Mecanismos de endurecimiento Endurecimiento por modificación microestructural - Aleaciones químicas y mecánicas (formación de múltiples fases) - Tratamientos térmicos (formación de fases metaestables) - Materiales compuestos.

Mecanismos de endurecimiento

Mecanismos de endurecimiento (aumento de y) y la consecuente caída en ductilidad (f)

LA SUPERFICIE DE LOS MATERIALES

Defectos en sólidos: La superficie. Todo material termina en una superficie: la del componente. La superficie es el lugar donde ocurre la interacción del material con el ambiente de servicio.

La superficie y sus irregularidades pueden ser el origen de muchas fallas de los materiales: corrosión, fatiga, desgaste, etc.

Defectos en sólidos: La superficie.

La superficie contiene una gran cantidad de defectos que pueden favorecer a su posterior deterioro. Estos defectos dan a la superficie características especiales.

Defectos en sólidos: La superficie.

Una superficie real puede estar conformada por diversas capas: gases adsorbidos, capas de óxido, capa deformada, capa cristalina modificada y el volumen del material. Los procesos de manufactura pueden producir estas modificaciones.

Defectos en sólidos: La superficie.

Superficie real de cobre policristalino atacado electroquímicamente, puede observarse el borde de grano y las terrazas.

Arreglos atómicos en la superficie.

Idealmente, la superficie debiera tener una correspondencia con los arreglos cristalinos del material. En la figura se muestran algunos posibles para la estructura fcc. Sin embargo, en realidad ocurren reacomodos debido a la diferente interacción de los átomos superficielas con el resto del material.

Procesos superficiales: modificación de la estructura de la red superficial.

La superficie del material puede sufrir básicamente: relajación, reconstrucción , segregación y adsorción. Todos contribuyen a estabilizar la superficie.

Procesos superficiales: Reconstrucción de la superficie.

Reconstrucción típica de la superficie fcc (110)

Descripción de los arreglos superficiales

La forma de describir los arreglos superficiales siempre guarda relación con la estructura cristalina interna del material

Estructura de superficies: Las 5 redes 2-D

Coeficiente de fricción sobre acero.

Perfil superficial y esfuerzos de contacto

Las propiedades superficiales

1. Resistencia al desgaste 2. Resistencia a la corrosión 3. Adsorción de especies químicas (inhibidores de corrosión, lubricantes, etc.) 4. Catálisis de reacciones químicas 5. Adherencia de pinturas y otros recubrimientos

RELACIÓN ESTRUCTURA Y PROPIEDADES

Movimiento de dislocaciones en metales y cerámicas En metales las dislocaciones pueden moverse con cierta facilidad En las cerámicas covalentes es muy difícil pues los enlaces son fuertes

En las cerámicas iónicas pueden haber planos difíciles de deslizar y otros fáciles.

Movimiento de dislocaciones en polímeros

Diagrama resistencia-densidad

Diagrama rigidez-resistencia

REFERENCIAS 1.

Michael F. Ashby and David Jones. Engineering Materials 1: An introduction to Properties, Applications and Design. 3rd Edition. Elsevier, UK, 2005. (En español también)

2.

Michael Ashby, Hugh Shercliff and David Cebon. Materials: engineering, science, processing and design. Butterworth-Heinemann and Elsevier, UK, 2007.

3.

Callister, W. D. Materials Science and Engineering – An Introduction. 7th Edition, John Wiley and Sons Inc. USA, 2007.

4.

Askeland, D. R., Fulay, P. P. and Bhattacharya, D. K. Essentials of Materuials Science and Engineering, Second Edition, SI , Cengage Learning, USA, 2010

5.

Kiejna A. and Wojciechowski K. F. Metal Surface Electron Physics, Elsevier Science Ltd., UK, 1996.

6.

Butt H-J, Graf K. and Kappl M. Physics and Chemistry of Interfaces. Wiley-VCH Verlag & Co. Germany, 2003

7.

Landolt, D. Corrosion and Surface Chemistry of Metals. EPFL Press and CRC Press. Italy, 2007.