Tema 3 - Defectos

Tema 3: Defectos



Tipos de defectos

• Defectos puntuales • Vacan Vacantes tes y autointer autointersticia sticiales les • Impur Impurezas ezas substi substitucio tucionales nales e inters intersticia ticiales les • Defec Defectos tos lineales lineales (disloc (dislocacione aciones) s) • Dislo Dislocación cación de borde borde o de Taylo Taylor  r  • Def Defect ectos os de superf superfici icie e • Sup Superf erfici icies es externa externas s • Lím Límite ites s de de grano grano • Maclas



Difusión. Mecanismos de difusión. Primera y segunda Ley de Fick



Mecanismos de endurecimien endurecimiento to

Imperfecciones Imperfeccion es en sólidos : Es una

Un sólido ideal no existe

irregularidad irre gularidad en la red en la cual una o más de sus dimensiones d imensiones son Gran número de defectos

del orden de un

Much Mu chas as de la lass pro propi pied edad ades es de lo loss ma mate teri rial ales es se deben deb en a la pre presen sencia cia de imp imperf erfecc eccion iones es

¿Por qué se forman los defectos?

Durante Duran te el proceso proceso de solidifica solidificación: ción: 1 mol mol Fe = 55.8 55.85g 5g

～

6 x 1023 atoms!!

Perturbacio Pertu rbaciones nes local locales es

 A Temperatura ambiente ambiente la frecuencia frecuencia vibrac vibracional ional típica típica es de 1013 vibr./s, amplitud  nm

Despla Desp laza zami mien ento to de debi bido do a las vibra vibracione cioness retic reticulares ulares

Defectos puntuales: vacantes y autointersticiales

Vacante Posición atómica desocupada en la red

Planos de distorsión

Ei 3 x Ev < 1 át autointersticial/cm3 Ev = Energía Activación para formación de una vacante Ei = Energía Activación intersticial

 Autointersticial Átomo “extra” que ocupa un intersticio de la red

Gran distorsión en la red Menos probable

Vacantes: concentración de equilibrio  Ev    KT 

n V  

 fracción de vacantes

nV  N  exp  

N  

nv: nº de vacantes N: átomos Ev: E necesaria para formar una vacante K: cte. de Boltzmann T: Temperatura

(1.38 x 10 -23 J/atm·K) (8.62 x 10

-5

eV/atm·K)

1 eV = 1.6 x 10 -19 J

nV  N  Exponencial !

T 

Cu Tm=1083 C T~Tm nv/N ~ 1/104

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/cm3 y M  Al =29,98 g/mol 

Defectos puntuales: impurezas y soluciones sólidas Impureza B alojada en el metal A (soluto y disolvente): • Solución sólida de B en A Tamaño de los intersticios

Hume-Rothery

SOLUCIÓN SÓLIDA SUBSTITUCIONAL (ej: Cu en Ni)

SOLUCIÓN SÓLIDA INTERSTICIAL (ej: C en Fe)

• Formación de una segunda fase (generalmente con una mayor cantidad de B) Segunda fase

- diferente composición - generalmente diferente estructura

Soluciones sólidas substitucionales 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

Solubilidad total  Solubilidad parcial  Insolubilidad 

Soluciones sólidas substitucionales

Reglas de Hume–Rothery – soluciones sólidas Element

1. Solubilidad de Al y Ag en Zn?

2. Solubilidad de Zn y Al en Cu?

Cu C H O  Ag  Al Co Cr Fe Ni Pd Zn

Atomic Radius (nm)

0.1278 0.071 0.046 0.060 0.1445 0.1431 0.1253 0.1249 0.1241 0.1246 0.1376 0.1332

Crystal Structure

Electronegativity 

Valence

FCC

1.9

+2

FCC FCC HCP BCC BCC FCC FCC HCP

1.9 1.5 1.8 1.6 1.8 1.8 2.2 1.6

+1 +3 +2 +3 +2 +2 +2 +2

Defectos lineales: dislocaciones Dislocaciones de borde

Semiplano extra de átomos insertado en  la estructura cristalina

Compresión

Originan una distorsión en la red cristalina en torno a una línea de átomos desajustados

Línea de dislocación de borde

Tracción

Símbolo

   e    d   r   o    b   e    d   s   e   n   o    i   c   a   c   o    l   s    i    d   e    d   o    t   n   e    i   m    i   v   o    M







  n    ó    i   c   a   c   o   r   l   o   i   s   p   d   e   e   c   u   d    d   e   o   r   t   p   n   e   r   e   f   s   l   o   e    t    d   n   o   e   v    i    i   m  s   a   e   z   c    i    l   u   s   s   e   o    d   t    l   n    E  e    i   m    i   v   o   m

Defectos lineales: dislocaciones

 Analogía entre el movimiento de una oruga y el de una dislocación

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 dislocación

Bandas de dislocación

Importancia de las dislocaciones Los materiales de ingeniería presentan densidades de dislocación del orden de 106 a 108 líneas de dislocación/cm2 • 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)

Dislocaciones y estructura cristalina

Mg (HCP) dirección de tracción

 Al (FCC)

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 Sistema de deslizamiento

12 sistemas de deslizamiento {111} (FCC)

Comparación de la ductilidad: FCC>BCC>HCP

Defectos superficiales • Superficies externas: incremento de la energía superficial

• Límites de grano: Regiones de máxima energía del cristal. Más reactivos químicamente.

Los límites de grano separan zonas con diferente orientación cristalográfica

Límites de grano • Solidificación: transformación desde el estado fundido 2 etapas: - Formación de núcleos - Crecimiento de los núcleos para formar cristales (estructura granular)

~ 8 cm

núcleos

líquido

Cristales creciendo

Estructura granular 

Microscopio óptico • Útil hasta 2000 aumentos • Superficie pulida • El reflejo de la luz cambia dependiendo de la orientación del cristal

Tamaño de grano: índice ASTM (n)

Índices ASTM (American Society for Testing and Materials)

N2

n 1

n=7

N: granos/plg2 (x100) n: índice de tamaño de grano

n=8

n=9

   )    0    0    1   x    (  .    l   a   o   t   n   i   o   N    b   r   n   a   o   c   c    l   o   a   d   o   r   a   c

Tamaño de grano: índice ASTM (n) Determinar el índice de tamaño de grano, n, si la microfotografía fuese tomada a 100x y a 300x

Defectos superficiales: límite de macla 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

 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… Inicial

Después de un tiempo

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

log D  log Do 

Ecuación de Arrhenius

D = Coeficiente de difusión ó difusividad (m2/s) Do = Factor frecuencia, constante para cada sistema (m 2/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)

   0    0    5    1

10-8

   0    0    0    1

   0    0    6

1   2,3R  T  Q

T (C)

   0    0    3

D (m2/s)

10-14

10-20

0.5

D intersticial

C en a-Fe C en g-Fe

1.0

1.5 >>

1000 K/T 

Dsubstitucional

 Al en Al Fe en a-Fe

Difusión en estado estacionario • La velocidad de diffusion no depende del tiempo dC  • El flujo (J) es proporcional al gradiente de concentración =

dx 

J

Flujo

moles (o masa) superficie tiempo

C1 C 1

mol 2

o

kg 2

cm s m s

J

M At

primera Ley de Fick

C 2  x 1

 x 

 x 2

C2

dC  J   D dx 

Difusión en estado no estacionario • La concentración de las especies que difunden es función de la posición y del tiempo C   2C  • Se usa la segunda Ley de Fick D 2 t   x  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 

Cs

Cx

Cs

Co

erf 

x 2 Dt

Difusión en estado no estacionario

• Difusión de Cu en Al Concentración superficial de átomos de Cu (C s)

C S

C ( x ,t ) C o

bar 

Concentración inicial de átomos de Cu ( C o )

Factores que afectan a la difusión La magnitud del coeficiente de difusión D es indicativa de la velocidad de difusión:

D

 Mayor difusión

Tipo difusión

Q cal/mol

Do cm2/s

Difusión intersticial Temperatura,

Depende de:

T

Temperatura Estructura

cristalina

Mecanismo

de difusión

C en Fe FCC

32.900

0,23

C en Fe BCC

20.900

0,011

-Q

N en Fe FCC

34.600

0,0034

RT

N en Fe BCC

18.300

0,0047

H en Fe FCC

10.300

0,0063

H en Fe BCC

3.600

0,0012

D

D = D 0 exp

T

Difusión sustitucional (Autodifusión) Estructura

QFCC 

QBCC

cristalina DFCC

DBCC

Mecanismo de difusión

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

Qsustitucional

Qintersticial

Mg en Mg HCP

32.200

1,0

Dsustitucional

Dintersticial

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

 Autodifusion, 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: o

k y d

1/ 2

Dislocaciones 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

C B

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) precipitate Side View

Top View

Unslipped part of slip plane

 y ~ S

1 S

Slipped part of slip plane

• Particular interés en las aleaciones de Aluminio

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 force

-Forja die  A o blank

-Laminación

roll

 A o

 A d 

 A d 

roll

-Trefilado die  A o

die

force  A d 

-Extrusión  A o

tensile force

force

container 

ram

billet

container 

die holder  extrusion

die

 A d 

Dislocaciones y mecanismos de endurecimiento

• Aumento de la densidad de dislocaciones Metal dúctil, sin deformar ≈ 106 cm/cm3

Metal dúctil, deformado ≈ 1012 cm/cm3

ACRITUD

 ANISOTROPÍA

 Porcentaje de trabajo en frío 

 A0  Ad   A0

 100

(%CW)

: área transversal del material antes de la deformación  Ad : área transversal del material después de ser deformado  A0

Efecto del conformado en frío •

Aumento del límite elástico y resistencia mecánica

•

Reducción de la ductilidad

acero dulce

Efecto del conformado en frío 60

700

800

500

600

40

400

20

300 100 0

Cu 20

40

% Cold Work

60

200 0

Cu

Cu 20

40

% Cold Work

60

00

20

40

60

% Cold Work

Efecto del tratamiento térmico después del conformado en frío 

1 hora de tratamiento a diferentes temperaturas

Temperatura de recocido (ºC) 100 200 300 400 500 600 700 600 60    )   a    P    M    ( 500   a    i   c   n   e    t   s 400    i   s   e    R

300

tensile strength

ductility

   )    A 50    %    (    d 40   a    d    i    l    i    t 30   c   u    d

20

Se puede eliminar el efecto del conformado en frío en las propiedades mecánicas

Temperatura de recristalización, TR

TR: temperatura a la cual se consigue la recristalización al cabo de 1 hora 0.3T m < T R  < 0.6T m T R 

TR depende de: • %CW - TR disminuye al incrementar el %CW • Pureza del metal - TR disminuye al aumentar la pureza