capitulo 4 Imperfecciones en los s lidos

CAPITULO 4:
IMPERFECCIONES EN SOLIDOS
TEMAS...
• Cuáles son los mecanismos de solidificación?
• Qué tipos de defectos se presentan en los sólidos?
• Se pueden variar y controlar el tipo y número
de defectos?
• Cómo los defectos afectan las propiedades de los
material?

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Imperfecciones en Sólidos
• Solidificación- resultado del enfriamiento de un
material fundido
– 2 pasos
• Formación deNúcleo
• Crecimiento del núcleo para formar cristales – estructura de grano

• Inicia con un material en estado líquido

nuclei

crystals growing
liquid

grain structure
Adapted from Fig.4.14 (b), Callister 7e.

• Cristales crecen hasta que se encuentran unos con
otros
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Materiales Policristalinos
Límites de Grano
• Regiones entre cristales
• Transición de una red de
una región a otra
• “Desorden”
•Bajas densidades en
límites de grano
– alta mobilidad
– alta difusividad
– alta reactividad química
Adapted from Fig. 4.7, Callister 7e.
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Solidificación
Granos pueden ser equiaxiales (mismos tamaños en todas las
direcciones)
- columnar (elongated grains)
~ 8 cm

heat

flow
Columnar in
area with less
undercooling

Shell of
equiaxed grains
due to rapid
cooling (greater
T) near wall

Adapted fromFig. 4.12, Callister 7e.

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Imperfecciones en Sólidos
No existe un cristal perfecto.
• Cuáles son esas imperfecciones?
• Por qué son tan importantes?
Muchas de las propiedades importantes
de los materiales se deben a la
presencia de imperfecciones.

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Clasificación de defectos en estructuras
cristalinas
Cristal Ideal
Dimensiones infinitas, átomos
en reposo, químicamente puro

Cristal PerfectoUna sola perturbación en la
periodicidad: vibraciones
térmicas. excitaciones
electrónicas: campos internos y
deformaciones en la malla

Defectos cero-dimensionales
-Vacancias
-Intersticios
-Impurezas de substitución

Defectos unidimensionales
- Dislocaciones
Defectos superficiales
-Falla en empaquetamiento
-Limites de grano, limites gemelos
-Limites de dominio

Defectos tridimensionales
CristalImperfecto
Contiene defectos cero- a 3D

- Precipitados
- Aglomeraciones de defectos de punto
- Inclusiones

Tipos de Imperfecciones
• Vacancias
• Atomos Intersticiales
• Atomos Substitucionales

Defectos de Punto

• Dislocaciones

Defectos de Línea

• Límites de Grano

Defectos de Area

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Defectos Cero-Dimensionales o de Punto

Fig. 4.1, Askeland 5e.

• Vacancias:

Defectos de Punto
Vacancydistortion
of planes

• Auto-Intersticiales:

selfinterstitial
distortion
of planes
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Concentración de Equilibrio:
Defectos de Punto
• Concentración de vacancias en equilibrio varía
con temperatura!
No. of defects
No. of potential
defect sites.

Activation energy

-Q
Nv
= exp 
 v
 kT
N




Temperature

Boltzmann's constant
(1.38 x 10 -23 J/atom-K)
(8.62 x 10 -5 eV/atom-K)
Each latticesite
is a potential
vacancy site
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Medición de la Energía de Activación
• Qv se puede obtener
de un experimento.

-Q
Nv
v


exp
=
 kT
N

• Measure this...

• Replot it...

Nv

ln

N

Nv
N





slope

-Qv /k

exponential
dependence!

T

1/T

defect concentration
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Estimating Vacancy Concentration
• Find the equil. # of vacancies in 1 m 3 of Cu at 1000C.
• Given:
r = 8.4 g /cm3
A Cu = 63.5 g/mol
Qv = 0.9 eV/atom NA = 6.02 x 1023 atoms/mol

-Q
Nv =
 v
exp 
 kT
N
For 1

m3 ,

N= r x

NA
A Cu

0.9 eV/atom


 = 2.7 x 10-4


1273K
8.62 x 10-5 eV/atom-K
x 1 m3 = 8.0 x 1028 sites

• Answer:
Nv = (2.7 x 10-4)(8.0 x 1028) sites = 2.2 x 1025 vacancies
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Observing Equilibrium Vacancy Conc.

• Low energy electron
microscope view of
a (110) surface of NiAl.
•Increasing T causes
surface island of
atoms to grow.
• Why? The equil. vacancy

conc. increases via atom
motion from the crystal
to the surface, where
they join the island.
Island grows/shrinks to maintain
equil. vancancy conc. in the bulk.

Reprinted with permission from Nature (K.F. McCarty,
J.A. Nobel, and N.C. Bartelt, "Vacancies in
Solids and the Stability of Surface Morphology",
Nature, Vol....