Resistencia de materiales

CTMat – IMPERFECCIONES EN SÓLIDOS

TEMA 4. IMPERFECIONES EN SÓLIDOS
En el Tema 3 se ha descrito el SÓLIDO CRISTALINO mediante la aproximación del CRISTAL IDEAL, que tomamos como modelo de perfección cristalina Los sólidos cristalinos reales SIEMPRE PRESENTAN IMPERFECCIONES con respecto a ese modelo de referencia del sólido cristalino ideal PUREZA COMPOSICIONAL PERFECCIÓN EN MATERIALES PUREZAESTRUCTURAL CLASIFICACIÓN DE LAS IMPERFECCIONES EN SÓLIDOS Dimensión
0 1 2 3

Tipo de imperfección
PUNTUAL: vacantes, intersticios, impurezas LINEAL: dislocaciones SUPERFICIAL: superficie del cristal, juntas de grano, interfases volumen: poros, fisuras, fases no-cristalinas

Las imperfecciones juegan un papel FUNDAMENTAL en numerosas propiedades del material: mecánicas, ópticas, eléctricas, …Se introducen intencionadamente para beneficiar determinadas propiedades Ejemplos: - Carbono en Fe para mejorar dureza - Cu en Ag para mejorar propiedades mecánicas - Dopantes en semiconductores

CTMat – IMPERFECCIONES EN SÓLIDOS ESTRUCTURA DEL TEMA
4.1 4.2 4.3 4.4 IMPERFECCIONES PUNTUALES. VACANTES MOVIMIENTO ATÓMICO Y DIFUSIÓN. ALEACIONES Y SOLUCIONES SÓLIDAS IMPERFECIONES LINEALES:DISLOCACIONES

4.1 IMPERFECIONES PUNTUALES. VACANTES
VACANTE.- Posición no ocupada de la red, que normalmente está ocupada en el cristal ideal INTERSTICIO.- Partícula en posición intersticial de la red cristalina, que normalmente NO está ocupada en el cristal ideal

intersticio

vacante

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4.1 IMPERFECIONES PUNTUALES. VACANTES (II)
Nº de vacantes enequilibrio térmico para una temperatura dada:

Donde: N–nº total de posiciones reticulares del cristal ideal Qv–Energía de Activación (necesaria para la creación de una vacante) T–Temperatura absoluta (K) Cte de Boltzmann K=1.38x10-23 J/átomo K, 8.62x10-5 eV/átomo K

 Q  N v = N exp − v   kT 

Relación de Arrhenius

Dependencia con la Temp:

T 0 ⇒ Nv 0 T ∞ ⇒ Nv N

Para metales, el valormáximo de Nv/N es ≈ 10-4 para T≈Temp. Fusión ≈

Influencia en la densidad:

 Nv  ρ = 1 −  ρ 0 N  

(Nv=0)

ρ0 densidad sin vacantes

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4.2 MOVIMIENTO ATÓMICO Y DIFUSIÓN (I)
DIFUSIÓN.- Transporte de materia por movimiento atómico
Ejemplo gráfico: gotas de tinta en agua que se extienden hasta mezclarse completamente en todo el líquido Ejemplo enmateriales sólidos: PAR DE DIFUSIÓN Cu-Ni Antes del tratamiento térmico Después del tratamiento térmico
Difusión átomos Cu

Cu

Ni

Cu

Aleación Cu-Ni
Difusión átomos Ni

Ni

(a)

(a)

(b)
Conc. de Ni, Cu Conc. de Ni, Cu 100 Cu Ni 100 Cu

(b)
Ni

0 Posición

0 Posición

(c)

(c)

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4.2 MOVIMIENTO ATÓMICO Y DIFUSIÓN (II)Interdifusión.- Cuando un material se difunde en otro. Se aprecia por los cambios de concentración con el tiempo: existe una transferencia neta de átomos de regiones de mayor concentración a menor Autodifusión.- Difusión dentro del mismo material ¿Por qué es importante la difusión? Porque muchos de los procesos y reacciones en el tratamiento de los materiales están directamente relacionados con latransferencia de masa (difusión) Ejemplos: tratamiento térmico de metales, manufactura de materiales cerámicos, solidificación de materiales, fabricación de transistores, cond. eléctrica de cerámicos MECANISMOS ELEMENTALES DE DIFUSIÓN Mecanismos de intercambio: A) Intercambio directo B) Intercambio cíclico Mecanismos que implican imperfecciones puntuales: C) Por vacantes D) Intersticial E) Intersticialindirecto F) Crowdion Mecanismos que implican defectos extensos: Dislocaciones, borde de grano, interfases, …

C

D

E B

A F

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4.2 MOVIMIENTO ATÓMICO Y DIFUSIÓN (III)
Difusión intersticial y por vacantes (sustitucional)

Por vacantes

Energía

Qint < Qvac

Intersticial Analogía mecánica de la vibración atómica por agitación térmica

(Fte....