1. TEMA 3: ESTRUCTURA CRISTALINA Y AMORFA. IMPERFECCIONES. 1

2. ESTRUCTURA CRISTALINA Y AMORFA. IMPERFECCIONES. ESTRUCTURA ATÓMICA. ESTRUCTURA CRISTALINA IMPERFECCIONES CRISTALINAS. 2

3. 3 IMPERFECCIONES CRISTALINAS

4. INTRODUCCIÓN Los defectos juegan un papel clave en la determinación de las propiedades de un material, razón por la cual se justifica el interés por el conocimiento de su estructura. Todos los materiales cristalinos presentan algunas imperfecciones o defectos. Estas imperfecciones se hacen visibles cuando se comparan con una referencia ideal. Los defectos o imperfecciones se clasifican en: Puntuales Lineales Superficiales De volumen 4

5. INTRODUCCIÓN PUNTUALES -Afectan a una posición atómica dentro de la estructura cristalina. - Proporcionan el mecanismo de transporte para la difusión en estado sólido (las vacantes, impurezas, la falta o exceso de electrones, son ejemplos de este tipo). LINEALES -Afectan a un línea dentro del cristal. ( Línea recta, curva, cerrada o en forma de lazo) -Proporcionan el mecanismo para la deformación permanente del cristal. -Se presentan durante la solidificación, el crecimiento cristalino o en respuesta al esfuerzo mecánico. También Llamadas dislocaciones. 5

6. INTRODUCCIÓN SUPERFICIALES -Son los formados en el proceso de formación del cristal por errores de apilamiento de los planos (stacking fault) -Pueden ser alteraciones en el apilamiento de planos, acumulación de defectos lineales o límites entre diferentes zonas ordenadas. -Son determinantes en el comportamiento de los materiales policristalinos. DE VOLUMEN -Defectos a gran escala. -Suponen una falta de homogeneidad en el material. Grietas, poros, inclusiones etc. son defectos de éste tipo. Estos, se forman principalmente en el proceso de solidificación 6

7. INTRODUCCIÓN Influencia en las Propiedades de los Materiales. La existencia de estos defectos que alteran considerablemente la conductividad eléctrica de algunos materiales es la base de las aplicaciones de los semiconductores. (Ej: Mejora de conductividad del silíceo añadiendo 0,001% As). Las dislocaciones proporcionan un mecanismo que permite la deformación de los metales con gran facilidad permitiéndoles el cambio de forma permanente (plasticidad). La capacidad de los materiales ferromagnéticos (hierro, níquel, cobalto) para magnetizarse y desmagnetizarse, depende en gran parte de la existencia de imperfecciones superficiales conocidas como paredes de Bloch. 7

8. IMPERFECCIONES PUNTUALES 8

9. 9 Los defectos puntuales se generan por: Procesos térmicos realizados a temperatura elevada seguidos de enfriamientos muy rápidos Irradiación con partículas energéticas Procesos de deformación plástica T as elevadas aumentan la amplitud de vibración de los átomos, permitiéndoles emigrar

10. IMPERFECCIONES PUNTUALES -Un cristal está en un estado de equilibrio termodinámico cuando su energía libre está minimizada: G = H – TS -Cuando el cristal está completamente libre de imperfecciones la entalpía H está minimizada y la energía de enlace entre los elementos que la conforman está maximizada. De esta forma cuando la temperatura está en una configuración de equilibrio. T = 0 K 10

11. IMPERFECCIONES PUNTUALES Cuando la temperatura es diferente de 0 K el estado de equilibrio tendrá imperfecciones y la entropía aumenta con las imperfecciones. El número de defectos se calcula de acuerdo a una expresión de Arrhenius 11 N = nº posiciones posibles del cristal, o puntos de red por cm3 n i = nº de defectos por cm3 E d = energía de activación de un defecto k = constante de Woltzman (1.38·10 -23 J/at·K) = 1,987 cal/mol.k Energía libre del sistema en función del número de defectos de un cierto tipo

12. IMPERFECCIONES PUNTUALES -Hay dos categorías de defectos puntuales en los cristales: las VACANTES y los INTERSTICIOS. IMPERFECCIONES PUNTUALES. VACANTES: Una vacante existe cuando una posición, que está normalmente ocupada en un cristal perfecto, se encuentra desocupada. 12

13. IMPERFECCIONES PUNTUALES. VACANTES: 13 Se puede crear por desplazamientos de átomos internos a la superficie. Como consecuencia de la solidificación a altas Tª.o por irradiación. A temperatura ambiente aparecen muy pocas vacantes, pero estas aumentan de manera exponencial conforme aumenta la temperatura. Desplazamiento de otros átomos al hueco  movimiento de vacantes Tª ni

14. 14 IMPERFECCIONES PUNTUALES. VACANTES:

15. 15 IMPERFECCIONES PUNTUALES. INTERSTICIAL Corresponden a un átomo en una posición que normalmente no está ocupada. Auto-intersticial

16. IMPERFECCIONES PUNTUALES. IMPUREZAS Se forma cuando un átomo adicional se inserta en una posición normalmente desocupada dentro de la estructura cristalina 16 1.Átomo de impureza Intersticiales (pequeños átomos) 2.Átomo de impureza Substitucional (grandes átomos) Impureza de sustitución Impurezas Impureza intersticial

17. Las dimensiones del hueco intersticial limitan la posibilidad de ocupación de ese espacio. Las impurezas intersticiales pueden provocar distorsión local de la red. 17 Ejemplo: átomos de carbono se añaden al Fe para producir acero IMPERFECCIONES PUNTUALES. IMPUREZAS

18. 18 IMPERFECCIONES PUNTUALES EN CRISTALES IONICOS Se tiene que mantener la neutralidad de carga eléctrica. La formación de una vacante está asociada a otra vacante de signo contrario ó La formación de una vacante está asociada a un intersticio del mismo signo La geometría espacial de las estructuras iónicas está condicionada tanto a las cargas como al tamaño de los iones, quedando muchas veces posiciones o huecos vacíos

19. IMPERFECCIONES PUNTUALES 19 DEFECTO SCHOTTKY (pareja de vacantes) - Si se forma la vacante de un catión monovalente, se forma su par, es decir, la vacante un anión para estabilizar la carga.

20. IMPERFECCIONES PUNTUALES 20 DEFECTO FRENKEL (Par intersticio- vacante) - Se forma cuando un ión se desplaza desde su posición normal en el cristal a un hueco intersticial cercano., dejando una vacante

21. IMPERFECCIONES PUNTUALES 21 La presencia de impurezas en los cristales iónicos deberá mantener la neutralidad eléctrica de la estructura, aun cuando la impurezas tengan 2 o más cargas

22. 22 IMPERFECCIONES PUNTUALES EN CRISTALES COVALENTES  Determinadas impurezas hacen que no se complete un enlace. Esta falta de enlace (o hueco electrónico) permite el movto. de un enlace próximo para formar el incompleto  movilidad electrónica  conductividad eléctrica

23. IMPERFECCIONES PUNTUALES EN CRISTALES COVALENTES 23 - En ocasiones las impurezas permiten modificar propiedades como la conductividad eléctrica de los cristales covalentes de Si. De los cinco electrones de la capa exterior del átomo de impureza, cuatro forman enlaces covalentes con los cuatro átomos de silicio adyacentes, quedando el quinto sin implicar en ningún enlace covalente, teniendo por tanto una movilidad similar a los electrones libres en los metales la base de los semiconductores.

24. IMPERFECCIONES PUNTUALES EN SOLIDOS AMORFOS 24 Añadiendo por ejemplo NaO2, los iones Na+ pueden acomodarse en los huecos de la estructura mientras que el exceso de oxígeno va a causar la rotura de algún puente Si-O-Si desaparecen enlaces covalentes fuertes y la temperatura de fusión disminuye.(Modificador es) -> Vidreo SiO2

25. 25 En los materiales poliméricos se pueden considerar como defectos puntuales las variaciones en la linealidad de las cadenas IMPERFECCIONES PUNTUALES EN SOLIDOS AMORFOS La ramificación de los polímeros lineales, dificulta el deslizamiento de las moléculas de unas sobre otras, condicionando comportamiento mecánico.

26. IMPERFECCIONES LINEALES 26 La presencia de estos defectos en un cristal implica una disminución en el esfuerzo necesario para conseguir el deslizamiento de una capa de átomos respecto de otra, en comparación con el valor teórico correspondiente al cristal perfecto.

27. IMPERFECCIONES LINEALES 27 Los defectos de línea, también llamados defectos lineales o dislocaciones producen una distorsión de la estructura ordenada localizada alrededor de una línea. al solidificar deformar permanentemente un cristal acumulación de vacantes o intersticios Se forman

28. IMPERFECCIONES LINEALES 28 -La presencia de estos defectos en un cristal implica una disminución en el esfuerzo necesario para conseguir el deslizamiento de una capa de átomos respecto de otra, en comparación con el valor teórico correspondiente al cristal perfecto. Helicoidal o de tornillo De borde o cuña Mixta

29. IMPERFECCIONES LINEALES 29 DISLOCACIONES DE BORDE Semiplano extra Tensiones de compresión Tensiones de tracción positiva línea de dislocación, t

30. IMPERFECCIONES LINEALES 30 DISLOCACIONES DE BORDE

31. IMPERFECCIONES LINEALES 31 DISLOCACIONES DE BORDE Semiplano extra Tensiones de compresión Tensiones de tracción positiva línea de dislocación, t

32. IMPERFECCIONES LINEALES 32 DISLOCACIONES DE BORDE

33. IMPERFECCIONES LINEALES 33 DISLOCACIONES DE BORDE - ANIMACIÓN

34. 34 IMPERFECCIONES LINEALES DISLOCACIONES HELICOIDALES Las dislocaciones helicoidales no están asociadas a ningún semiplano extra y son producidas por un movimiento cortante de las zonas de un cristal que fueron separadas por un corte

35. 35 IMPERFECCIONES LINEALES DISLOCACIONES HELICOIDALES

36. 36 IMPERFECCIONES LINEALES DISLOCACIONES MIXTAS vista en planta vista en perspectiva

37. 37 MOVIMIENTO DE DISLOCACIONES El Movimiento se produce por pequeños reajustes de los enlaces alrededor del defecto, con una fuerza considerablemente menor respecto a si no hubiera dislocaciones Cambio de forma permanente Responsables de la facilidad de conformado por deformación plástica

38. VECTOR Y CIRCUITO DE BURGERS. 38 VECTOR DE BURGERS -Representa la dirección y la cantidad de movimiento asociada a una dislocación.

39. VECTOR Y CIRCUITO DE BURGERS. 39 Para determinar el vector de Burgers se utiliza el denominado circuito de Burgers. un circuito alrededor de una línea de dislocación, el circuito se realiza por traslación de átomo a átomo. Sin dislocación El vector de Burgers cierra el circuito paralelo al movimiento Perpendicular al movimiento

40. 40 PAPEL DE LAS DISLOCACIONES EN LA DEFORMACIÓN PLÁSTICA   real <<  teórica  Causa de fácil deslizamiento entre planos: MOVIMIENTO DISLOCACIONES -> deformación plástica ocurre por movimiento de dislocaciones.  Facilidad mov. dislocaciones en:  Cristales metálicos (El deslizamiento de dislocaciones le confiere ductilidad a los metales).  Densidad dislocaciones ( líneas dislocaciones por cm2 en metales sin deformar y en metales deformados)  Aumento de la resistencia a la deformación plástica en metales:  Bloqueando el movimiento de las dislocaciones  Dificultad mov. dislocaciones en:  Cristales covalentes e iónicos

41. 41 IMPERFECCIONES LINEALES EN CRISTALES IONICOS Dislocaciones son más complejas que en los sistemas metálicos, pues hay que mantener la neutralidad de carga y la regularidad de apilamiento por problemas de atracciones y repulsiones electrostáticas, esto lleva a la necesidad de tener dos semiplanos extras asociados a cada dislocación.

42. EVIDENCIAS DE LAS DISLOCACIONES 42 -Antes de existir técnicas de microscopía, la principal evidencia consistía en la observación de bandas de deslizamiento en la superficie de los cristales. -Una preparación cuidadosa de las bandas de deslizamiento demuestra que la deformación plástica ocurre con preferencia en ciertos planos cristalográficos con gran número de átomos por unidad de área.

43. EVIDENCIAS DE LAS DISLOCACIONES 43

44. EVIDENCIAS DE LAS DISLOCACIONES (MET) 44

45. IMPERFECCIONES SUPERFICIALES 45 SUPERFICIES LIBRES Fuerzas distintas en superficie que interior (vecinos solo a un lado) Átomos con mayor energía (enlaces no satisfechos, parámetro de red mayor) Disminución de energía captando átomos o moléculas extrañas (superficie puede ser muy rugosa, contener pequeñas muescas y quizá ser mas reactiva que en el interior). La red termina de manera abrupta, con tendencia a completar el enlace. (Imposible mantener la superficie externa limpia)

46. IMPERFECCIONES SUPERFICIALES 46 o Son imperfecciones bidimensionales, producidas por errores en el apilamiento de los distintos planos atómicos. o Influyen directamente en el comportamiento mecánico del material, puesto que dificultan el movimiento de las dislocaciones. Superficies libres Defectos de apilamiento Límites de grano Maclas

47. 47 IMPERFECCIONES SUPERFICIALES DEFECTOS DE APILAMIENTO Plano A dirección [110] B1B1 B2B2 C Los defectos o fallos de apilamiento (stacking fault) son defectos producidos en una zona local del cristal donde se interrumpe la secuencia normal de ordenación de planos. Ejemplo defectos de apilamiento en CCC. Más fácil el movimiento en zig-zag de los átomos, descomponiéndose una Formación de Dislocaciones parciales dislocación completa en dos parciales. Formación de Dislocaciones parciales

48. 48 IMPERFECCIONES SUPERFICIALES DEFECTOS DE APILAMIENTO

49. 49 IMPERFECCIONES SUPERFICIALES LIMITES DE GRANO La microestructura de la mayor parte de los materiales está formada por muchos granos. Grano: porción del material con idéntica disposición atómica. Sólidos cristalinos normalmente son policristalinos Límite de grano: superficie que separa granos con orientación distinta

50. 50 Ángulo del límite de grano IMPERFECCIONES SUPERFICIALES

51. 51 Ángulo de límite de grano pequeño se puede considerar como agrupación en cascada de dislocaciones. IMPERFECCIONES SUPERFICIALES

52. 52 IMPERFECCIONES SUPERFICIALES En los límites de grano habrá una Zona estrecha donde los átomos no tienen un correcto espaciado, algunas zonas los átomos están muy cercas unos de otros creando zonas de compresión y viceversa.

53. 53 IMPERFECCIONES SUPERFICIALES

54. 54 IMPERFECCIONES SUPERFICIALES MACLAS Defecto que separa dos partes de un grano que tienen una pequeña diferencia en la orientación cristalográfica Desplazamiento de átomos de posiciones de equilibrio formando planos de simetría en el cristal tratamiento térmico Formación por esfuerzos cortantes procesos de deformación

55. 55 IMPERFECCIONES SUPERFICIALES:Maclas Interfieren con el proceso de deslizamiento incrementando la resistencia del metal. Micrografía de maclas en un grano de latón 1 ergio = 1 x 10 -7 julios

56. 56 MECANISMOS DE ENDURECIMIENTO EN METALES  Inmovilización de las dislocaciones: Endurecimiento por reducción tamaño de grano Endurecimieto por Solución sólida Deformación en frío Precipitación partículas submicroscópicas

57. 57 Metalografía:  Extracción muestra  Desbaste  Pulido  Ataque químico OBSERVACIÓN DE LIMITES DE GRANO CON METALOGRAFÍA

58. 58 OBSERVACIÓN DE LIMITES DE GRANO CON METALOGRAFÍA Ataque químico: normalmente ácido diluido

59. 59 OBSERVACIÓN DE LIMITES DE GRANO CON METALOGRAFÍA

60. 60 OBSERVACIÓN DE LIMITES DE GRANO CON METALOGRAFÍA

61. 61 Importancia del tamaño de grano  En medio corrosivo el ataque es más intenso en LG que en interior  Fusión se inicia en LG  cambios de fase empiezan en LG  Lugar idóneo para acumulación de impurezas  Cuanto más pequeño sea el grano, más se bloquean las dislocaciones  aumenta la resistencia OBSERVACIÓN DE LIMITES DE GRANO CON METALOGRAFÍA

62. 62 IMPERFECCIONES SUPERFICIALES DETERMINACION DEL TAMAÑO DE GRANO.

63. 63 IMPERFECCIONES SUPERFICIALES

64. Contar y medir tamaño de grano con ImageJ 64

65. 65 IMPERFECCIONES SUPERFICIALES

66. 66 IMPERFECCIONES VOLUMÉTRICAS

67. 67 IMPERFECCIONES VOLUMÉTRICAS

68. 68 IMPERFECCIONES VOLUMÉTRICAS

69. 69 IMPERFECCIONES VOLUMÉTRICAS

70. 70 https://www.youtube.com/watch?v=BV1cxwxnhPs SIMULACIONES https://www.youtube.com/watch?v=ofoRSFZn_MQ https://www.youtube.com/watch?v=iKKxTP6xp74 https://www.youtube.com/watch?v=ef_m4RVjK_c&index=5&list=PL236 52608CEF19DB9