4 defectos en los materiales metalicos

Unidad 4Unidad 4Defectos en los Materiales Defectos en los Materiales

MetMetáálicoslicos

Defectos en los Materiales MetDefectos en los Materiales Metáálicoslicos

Vacancia en un plano (111) de una muestra de silicio(imagen obtenida con un microscopio de efecto túnel)Comentar la reconstrucción superficial


•• Las propiedades de los metales pueden ser afectadas Las propiedades de los metales pueden ser afectadas profundamente por la presencia de defectos,profundamente por la presencia de defectos,

•• En consecuencia, es importante conocer los distintos En consecuencia, es importante conocer los distintos tipos de defectos y su posible efecto sobre este tipo de tipos de defectos y su posible efecto sobre este tipo de materiales,materiales,

•• Por ejemplo, las propiedades mecPor ejemplo, las propiedades mecáánicas de los metales nicas de los metales puros pueden variar significativamente cuando se apuros pueden variar significativamente cuando se aññaden aden áátomos de otro tipo,tomos de otro tipo,

•• Los bronces suelen tener mejores propiedades Los bronces suelen tener mejores propiedades mecmecáánicas que el cobre, esto se debe a la presencia de nicas que el cobre, esto se debe a la presencia de una cierta cantidad de una cierta cantidad de áátomos de Zn en la red.tomos de Zn en la red.


•• Los materiales cristalinos siempre tienen defectos, el Los materiales cristalinos siempre tienen defectos, el efecto de la imperfecciefecto de la imperfeccióón de los sn de los sóólidos cristalinos no lidos cristalinos no siempre es perjudicial, siempre es perjudicial,

•• Muchas veces para que un material tenga determinadas Muchas veces para que un material tenga determinadas propiedades resulta imprescindible la presencia de propiedades resulta imprescindible la presencia de determinados defectos con una cierta densidad, esto determinados defectos con una cierta densidad, esto suele hacerse de manera deliberada, suele hacerse de manera deliberada,

•• Se entiende por defecto cristalino a toda irregularidad en Se entiende por defecto cristalino a toda irregularidad en la red que tenga una o mla red que tenga una o máás de sus dimensiones en el s de sus dimensiones en el orden de un diorden de un diáámetro atmetro atóómico,mico,

•• La clasificaciLa clasificacióón se hace frecuentemente sobre la base n se hace frecuentemente sobre la base de la geometrde la geometríía o dimensionalidad del defecto.a o dimensionalidad del defecto.


Defectos PuntualesDefectos Puntuales--VacanciasVacancias

•• Vacancia: consiste en la ausencia de un Vacancia: consiste en la ausencia de un áátomo en un sitio de la red,tomo en un sitio de la red,

•• Todos los sTodos los sóólidos cristalinos contienen vacancias, no es posible que lidos cristalinos contienen vacancias, no es posible que exista un sexista un sóólido cristalino que no tenga vacancias (termodinlido cristalino que no tenga vacancias (termodináámicamica--demostrar),demostrar),

•• La concentraciLa concentracióón de equilibrio de este tipo de defectos estn de equilibrio de este tipo de defectos estáá dada por dada por la siguiente ecuacila siguiente ecuacióón: n:

NNvv = N e = N e ––(Qv(Qv//ktkt))

N es el nN es el núúmero total de sitios atmero total de sitios atóómicos, micos, QQvv es la energes la energíía necesaria para a necesaria para la creacila creacióón de una vacancia, n de una vacancia,

•• Para muchos metales la fracciPara muchos metales la fraccióón de vacancias muy cerca del punto n de vacancias muy cerca del punto de fuside fusióón es del orden de 10n es del orden de 10--44, es decir, un sitio at, es decir, un sitio atóómico de cada mico de cada 10.000 est10.000 estáá vacvacíío a T = o a T = TTff. .

Defectos en los Materiales MetDefectos en los Materiales MetáálicoslicosDefectos PuntualesDefectos Puntuales--AutointersticialesAutointersticiales

•• Un Un autointersticialautointersticial consiste en un consiste en un áátomo del mismo metal tomo del mismo metal que constituye la red cristalina pero ubicado en una que constituye la red cristalina pero ubicado en una posiciposicióón intersticial,n intersticial,

•• En un metal, este tipo de defecto puntual genera En un metal, este tipo de defecto puntual genera distorsiones importantes en la red dado que el volumen de distorsiones importantes en la red dado que el volumen de un un áátomo mettomo metáálico suele ser significativamente mlico suele ser significativamente máás grande s grande que el de una posicique el de una posicióón intersticial,n intersticial,

•• En consecuencia, su apariciEn consecuencia, su aparicióón es poco probable y existe n es poco probable y existe en concentraciones muy bajas, mucho menores que la de en concentraciones muy bajas, mucho menores que la de las vacancias. (Ejemplo de clas vacancias. (Ejemplo de cáálculo de lculo de concconc. de vacancias).. de vacancias).

Defectos en los Materiales MetDefectos en los Materiales MetáálicoslicosDefectos PuntualesDefectos Puntuales--Vacancias y Vacancias y AutointersticialesAutointersticiales

Representación de una vacancia y de un autointersticial

Defectos en los Materiales MetDefectos en los Materiales MetáálicoslicosDefectos PuntualesDefectos Puntuales--ImpurezasImpurezas--AleacionesAleaciones

•• La existencia de una pieza metLa existencia de una pieza metáálica macrosclica macroscóópica compuesta por un pica compuesta por un solo tipo de solo tipo de áátomo es imposible: siempre hay impurezas o tomo es imposible: siempre hay impurezas o áátomos tomos distintos a los del metal mayoritario, algunos de ellos existirdistintos a los del metal mayoritario, algunos de ellos existiráán como n como defectos puntuales cristalinos, defectos puntuales cristalinos,

•• Resulta muy difResulta muy difíícil refinar metales mcil refinar metales máás alls alláá de una pureza de 99,9999 de una pureza de 99,9999 %, en ese nivel hay entre 10%, en ese nivel hay entre 102222 y 10y 1023 23 áátomos extratomos extrañños por mos por m33 de de metal, metal,

•• La forma en que se comercializan casi todos los metales mLa forma en que se comercializan casi todos los metales máás s comunes es en forma de aleaciones, en las cuales las impurezas scomunes es en forma de aleaciones, en las cuales las impurezas se e introducen intencionalmente para impartir caracterintroducen intencionalmente para impartir caracteríísticas especsticas especííficas ficas al material,al material,

•• Por ejemplo, la plata 925 (plata de ley) es una aleaciPor ejemplo, la plata 925 (plata de ley) es una aleacióón con 92,5 % n con 92,5 % de plata y 7,5 % de cobre. La plata pura es muy resistente a la de plata y 7,5 % de cobre. La plata pura es muy resistente a la corrosicorrosióón pero muy blanda, el cobre mejora sus propiedades n pero muy blanda, el cobre mejora sus propiedades mecmecáánicas.nicas.

Defectos en los Materiales MetDefectos en los Materiales MetáálicoslicosDefectos PuntualesDefectos Puntuales--ImpurezasImpurezas--AleacionesAleaciones

•• La adiciLa adicióón de n de áátomos extratomos extrañños a un metal resulta en la os a un metal resulta en la formaciformacióón de una solucin de una solucióón sn sóólida y/o de una nueva lida y/o de una nueva segunda fase, dependiendo del tipo de impureza, de la segunda fase, dependiendo del tipo de impureza, de la concentraciconcentracióón y de la temperatura, en este momento n y de la temperatura, en este momento nos restringimos a la formacinos restringimos a la formacióón de soluciones sn de soluciones sóólidas,lidas,

•• Con el mismo criterio que para las soluciones lCon el mismo criterio que para las soluciones lííquidas se quidas se distingue entre soluto y solvente. Los distingue entre soluto y solvente. Los áátomos de tomos de solvente se suelen llamar tambisolvente se suelen llamar tambiéén n áátomos anfitriones tomos anfitriones ((hosthost atomsatoms),),

Defectos en los Materiales MetDefectos en los Materiales MetáálicoslicosDefectos PuntualesDefectos Puntuales

ImpurezasImpurezas--Soluciones SSoluciones Sóólidaslidas•• Se forma una soluciSe forma una solucióón sn sóólida entre dos metales si el lida entre dos metales si el agregado de los agregado de los áátomos del soluto no modifica la tomos del soluto no modifica la estructura cristalina del metal solvente,estructura cristalina del metal solvente,

••Una soluciUna solucióón sn sóólida es homoglida es homogéénea, la distribucinea, la distribucióón de los n de los áátomos del soluto es al azar e igual en todo el volumen del tomos del soluto es al azar e igual en todo el volumen del sistema, sistema,

•• Las impurezas como defectos puntuales aparecen de dos Las impurezas como defectos puntuales aparecen de dos maneras: como maneras: como sustitucionalessustitucionales o como intersticiales,o como intersticiales,

••En el caso de las En el caso de las sustitucionalessustitucionales, sustituyen a los , sustituyen a los áátomos tomos del solvente en los sitios de la red como se ve en la figura.del solvente en los sitios de la red como se ve en la figura.


ImpurezasImpurezas--Soluciones SSoluciones Sóólidaslidas

Formas de aparición de las impurezas en una solución sólida


ImpurezasImpurezas--Soluciones SSoluciones Sóólidaslidas•• La naturaleza de los La naturaleza de los áátomos de soluto y solvente determina la tomos de soluto y solvente determina la

manera en que los primeros se disuelven en el medio, los manera en que los primeros se disuelven en el medio, los principales factores a tener en cuenta son los siguientes:principales factores a tener en cuenta son los siguientes:

�� Diferencia en el TamaDiferencia en el Tamañño ato atóómico: debe ser del orden de 15%, de mico: debe ser del orden de 15%, de otra manera es muy posible que se constituya otra fase,otra manera es muy posible que se constituya otra fase,

�� Estructura cristalina: debe ser igual,Estructura cristalina: debe ser igual,

�� Diferencia de Electronegatividad: cuanto mayor sea esta diferencDiferencia de Electronegatividad: cuanto mayor sea esta diferencia ia mmáás probable es que se forme un compuesto s probable es que se forme un compuesto intermetintermetáálicolico en lugar en lugar de una solucide una solucióón sn sóólida lida substitucionalsubstitucional,,

�� El nEl núúmero de oxidacimero de oxidacióón: si otros factores son iguales puede influir n: si otros factores son iguales puede influir el nel núúmero de mero de óóxidacixidacióónn del metal soluto, un metal disuelve del metal soluto, un metal disuelve preferentemente a otro de > preferentemente a otro de > nronro de oxidacide oxidacióón, n,


ImpurezasImpurezas--Soluciones SSoluciones Sóólidaslidas•• Ejemplo: soluciEjemplo: solucióón n sustitucionalsustitucional entre Cu y Ni,entre Cu y Ni,

•• Estos dos elementos son solubles en cualquier proporciEstos dos elementos son solubles en cualquier proporcióón,n,

•• Los radios atLos radios atóómicos son, respectivamente, 0,128 y 0,125 micos son, respectivamente, 0,128 y 0,125 nmnm para para Cu y Ni, Cu y Ni,

•• Ambos tienen estructura FCC,Ambos tienen estructura FCC,

•• Sus electronegatividades son 1,9 y 1,8,Sus electronegatividades son 1,9 y 1,8,

•• Los nLos núúmeros de oxidacimeros de oxidacióón del Cu son +1 y + 2, los del Ni: +2 y +3.n del Cu son +1 y + 2, los del Ni: +2 y +3.


ImpurezasImpurezas--Soluciones SSoluciones Sóólidaslidas

•• Para soluciones sPara soluciones sóólidas intersticiales, los lidas intersticiales, los áátomos de las impurezas ocupan los tomos de las impurezas ocupan los huecos o intersticios entre los huecos o intersticios entre los áátomos del solvente, tomos del solvente,

•• Para los materiales metPara los materiales metáálicos que tienen factores atlicos que tienen factores atóómicos relativamente micos relativamente altos de empaquetamiento, estas posiciones intersticiales son realtos de empaquetamiento, estas posiciones intersticiales son relativamente lativamente pequepequeññas. En consecuencia, el dias. En consecuencia, el diáámetro atmetro atóómico de una impureza intersticial mico de una impureza intersticial debe ser sustancialmente menor que el de los debe ser sustancialmente menor que el de los áátomos del solvente,tomos del solvente,

•• Normalmente, la concentraciNormalmente, la concentracióón mn mááxima de xima de áátomos de impurezas tomos de impurezas intersticiales es bajo ( < 10% ). intersticiales es bajo ( < 10% ).

•• Incluso los Incluso los áátomos de impurezas muy pequetomos de impurezas muy pequeññas son normalmente mayores as son normalmente mayores que los sitios intersticiales, entonces, su presencia suele intrque los sitios intersticiales, entonces, su presencia suele introducir una oducir una deformacideformacióón en la red.n en la red.

•• El carbono forma una soluciEl carbono forma una solucióón sn sóólida intersticial cuando es agregado al lida intersticial cuando es agregado al hierro, la mhierro, la mááxima concentracixima concentracióón de C es 2 %. El radio atn de C es 2 %. El radio atóómico del C es mucho mico del C es mucho menor que el del Fe 0,071 menor que el del Fe 0,071 nmnm vsvs 0,124 0,124 nmnm..

Defectos en los Materiales MetDefectos en los Materiales MetáálicoslicosDefectos Lineales: DislocacionesDefectos Lineales: Dislocaciones

•• Una dislocaciUna dislocacióón es un defecto lineal alrededor del cual n es un defecto lineal alrededor del cual algunos algunos áátomos esttomos estáán mal alineados, n mal alineados,

•• Existen, bExisten, báásicamente, tres tipos de dislocaciones: de sicamente, tres tipos de dislocaciones: de borde, tornillo o mixtas.borde, tornillo o mixtas.

•• DislocaciDislocacióón de borde (n de borde (hemiplanohemiplano de de áátomos que termina tomos que termina en el interior del cristal):en el interior del cristal):


•• DislocaciDislocacióón de borde: es un defecto lineal que estn de borde: es un defecto lineal que estáácentrado en la lcentrado en la líínea definida por el final del nea definida por el final del hemiplanohemiplanoextra de extra de áátomos. A esa ltomos. A esa líínea se la llama lnea se la llama líínea de la nea de la dislocacidislocacióón. En este caso es perpendicular al plano de la n. En este caso es perpendicular al plano de la diapositiva. diapositiva.

•• Alrededor de la lAlrededor de la líínea de la dislocacinea de la dislocacióón hay cierto grado n hay cierto grado de distorside distorsióón en la red cristalinan en la red cristalina. La magnitud de esa distorsión decrece con la distancia.

• La dislocación de borde de la figura anterior se suele representar por el símbolo ┴.

• Una dislocación de borde se puede formar de manera tal que el hemiplano extra esté en la parte inferior del cristal, en ese caso se representa así: ┬


• Existe otro tipo de dislocación, llamada tornillo o hélice (“screwdislocation”,

• Se puede imaginar que se forma por un esfuerzo de corte que produce la distorsiópn que se ve en la sgte figura

• La parte frontal superior del cristal se desplazó en una distancia atómica a la derecha con respecto a la parte superior,

• La distorsión atómica asociada con una dislocación de este tipo es también lineal y se puede definir también un línea para la dislocación,

• En nombre de dislocación hélice deriva de la forma en que los sucesivos planos cristalinos se van ordenando alrededor de la línea de la dislocación.

• A veces se usa el sgte símbolo para indicar una dislocación de este tipo:


• Muchas de las dislocaciones encontradas en los materiales cristalinos son mixtas, es decir tienen un componente lineal y otro de hélice,

• En la figura que sigue aparecen los tres tipos de dislocaciones;

• La distorsión en la red que se produce lejos de las caras es mixta, con grados distintos de carácter lineal y hélice.


• La magnitud y dirección de la distorsión de la red asociada con una dislocación se expresa en términos de un vector: Vector de Burgers denotado por b.El vector de Burgers se puede apreciar en las figuras anteriores.

• Según la naturaleza de una dislocación es la orientación relativa entre el vector de Burgers y la línea de la dislocación: para una de borde son perpendiculares, para una de hélice son paralelas, para una mixta ni una cosa ni la otra.


• También vale comentar que aunque la dirección y naturaleza de una dislocación cambien en el interior de un cristal el vector de Burgers será el mismo en todos los puntos.

• Por ejemplo, en la figura donde se esquematiza una dislocación mixta se muestra que el vector de Burgerses el mismo en todo el recorrido.

• Para los materiales metálicos el vector de Burgers para una dislocación apunta en una dirección de empaquetamiento compacto y es de igual longitud que el espaciamiento interatómico.


•• Como se Como se ververáá mmááss adelanteadelante, la , la deformacideformacióónn permanentepermanentede de muchosmuchos materialesmateriales cristalinoscristalinos se produce se produce porpor el el movimientomovimiento de de dislocacionesdislocaciones..

•• Las Las dislocacionesdislocaciones se se puedenpueden observarobservar en los en los materialesmaterialescristalinoscristalinos mediantemediante microscopmicroscopííaa electrelectróónicanica..

•• TodosTodos los los materialesmateriales cristalinoscristalinos tienentienen dislocacionesdislocaciones quequese se introducenintroducen durantedurante la la solidificacisolidificacióónn, la , la deformacideformacióónnplpláásticastica o o comocomo consecuenciaconsecuencia de de tensionestensiones ttéérmicasrmicas porporenfriadoenfriado rráápidopido..

Defectos en los Materiales MetDefectos en los Materiales MetáálicoslicosDefectos InterfacialesDefectos Interfaciales

•• Los Los defectosdefectos interfacialesinterfaciales son son fronterasfronteras queque tienentienen dos dos dimensionesdimensiones y y separanseparan regionesregiones de material con de material con distintasdistintas estructurasestructuras cristalinascristalinas y/oy/o distintasdistintasorientacionesorientaciones cristalinascristalinas..

•• IncluyenIncluyen: superficies : superficies externasexternas, , bordesbordes de de granograno, , maclasmaclas((““twin boundariestwin boundaries””), ), fallasfallas de de apilamiento(apilamiento(““stackingstackingfaultsfaults””), y ), y fronterasfronteras entre entre fasesfases

Defectos en los Materiales MetDefectos en los Materiales MetáálicoslicosDefectos InterfacialesDefectos Interfaciales--Superficies ExternasSuperficies Externas

•• La superficie externa en la que un cristal termina es uno La superficie externa en la que un cristal termina es uno de los defectos de este tipo.de los defectos de este tipo.

•• Los Los áátomostomos superficialessuperficiales no no estestáánn unidosunidos a a igualigual nnºº de de vecinosvecinos queque un un áátomotomo del del senoseno de un metal, de un metal, porpor lo lo tantotanto, , estestáánn en un en un nivelnivel de de energenergííaa mayor.mayor.

•• Las Las unionesuniones de de estosestos áátomostomos superficialessuperficiales queque no no estestáánnsatisfechassatisfechas dandan lugarlugar a a unauna energenergííaa superficial. Para superficial. Para reducirreducir estaesta energenergííaa hay hay unauna tendenciatendencia a a minimizarminimizar la la superficiesuperficie externaexterna. .

Defectos en los Materiales MetDefectos en los Materiales MetáálicoslicosDefectos InterfacialesDefectos Interfaciales--Bordes de GranoBordes de Grano

•• Ya se mencionYa se mencionóó a este defecto interfacial, es la frontera a este defecto interfacial, es la frontera que separa dos pequeque separa dos pequeñños granos o cristales con os granos o cristales con distintas orientaciones cristalogrdistintas orientaciones cristalográáficas.ficas.

•• Se lo Se lo suelesuele representarrepresentar segsegúúnn la la figurafigura queque siguesigue: en : en esaesa regiregióónn queque eses del del ordenorden de de variasvarias distanciasdistanciasatatóómicasmicas hay hay ciertocierto desajustedesajuste entre entre laslas redesredes cristalinascristalinasde los dos de los dos granosgranos..


•• Son Son posiblesposibles distintosdistintos gradosgrados de de desorientacidesorientacióónn entre entre granosgranos adyacentesadyacentes..

•• CuandoCuando la la diferenciadiferencia en en orientaciorientacióónn cristalinacristalina , el , el áángulonguloΘΘ, , eses pequepequeññoo, del , del ordenorden de de unosunos pocospocos gradosgrados, se dice , se dice queque se se tienetiene un un bordeborde de de granograno de de áángulongulo bajobajo,,

•• EsosEsos bordesbordes de de granograno se se puedenpueden describirdescribir en en ttéérminosrminosde de arreglosarreglos de de dislocacionesdislocaciones. . PorPor ejemploejemplo, , sisi variasvariasdislocacionesdislocaciones de de bordeborde se se alalííneannean de la de la maneramanera en en quequemuestramuestra la la siguientesiguiente figurafigura. .


•• A A eseese tipotipo de de bordeborde de de granograno se lo llama se lo llama ““tilt boundarytilt boundary””o o bordeborde de de inclinaciinclinacióónn;;

•• CuandoCuando el el áángulongulo de de desorientacidesorientacióónn eses paraleloparalelo al al bordebordede de granograno, , resultaresulta unauna ““twist boundarytwist boundary”” queque se se puedepuededescribirdescribir comocomo un un arregloarreglo de de dislocacionesdislocaciones hhéélicelice..


• Los átomos están unidos de manera menos regular a lo largo de un borde de grano (pej, los ángulos de enlace son >), en consecuencia, hay una energía interfacial asociada,

• La magnitud de esa energía es función del grado de desorientación.

• Los bordes de grano son más reactivos químicamente que el material cristalino regular (rol de la energía y las impurezas).


• El tamaño de grano se puede controlar, en teoría, mediante tratamientos térmicos.

• A pesar de la existencia de esas zonas de material cristalino parcialmente desordenado las propiedades mecánicas de un metal policristalino son muy semejantes a las de un metal monocristalino.

• El desorden parcial en la estructura no impide la acción de las fuerzas de cohesión entre los átomos. De hecho, las densidades son muy parecidas.


• Maclas o “Twin Boundaries”: Es un tipo especial de borde de grano en el cual hay un plano de reflexión entre las dos regiones separadas por el defecto,

• Las maclas resultan de desplazamientos atómicos que se producen por esfuerzos mecánicos o por deformaciones producto de tratamientos térmicos.

• El maclado se da en un plano cristalográfico determinado y en una dirección específica. Ambos, dependen de la estructura cristalina.

• Las maclas por recocido aparecen típicamente en metales con estructura FCC; las maclas por esfuerzo mecánico se dan en metales con estructuras BCC y HCP.


• Otros defectos Interfaciales: Fallas de apilamiento(stacking faults, bordes entre fases (phase boundaries y paredes entre dominios ferromagnéticos (ferromagneticdomain walls).

• Las fallas de apilamiento se encuentran en metales FCC cuando hay una interrupción en la secuencia ABCABCABC . . .de los planos con empaquetamiento compacto.

• Las fronteras entre fases existen en los materiales multifásicos.


• Para los materiales ferromagnéticos y los ferrimagnéticos, la frontera que separa regiones con direcciones distintas de magnetización se llama pared de dominio.

• A cada uno de los defectos interfaciales está asociada una energía correspondiente. La magnitud de esa energía depende del tipo de defecto y del material.

• Habitualmente tendrá el mayor valor para las superficies externas y el menor para las paredes de dominios.

Defectos en los Materiales MetDefectos en los Materiales MetáálicoslicosDefectos de VolumenDefectos de Volumen

• Los metales pueden tener otro tipo de defectos, por ejemplo los de volumen.

• Incluyen, poros, grietas, inclusiones de material extraño y otras fases.

• Aparecen normalmente durante las etapas de procesamiento y fabricación.

• Más adelante se discutirán las consecuencias de la presencia de estos defectos.

Defectos en los Materiales MetDefectos en los Materiales MetáálicoslicosVibraciones AtVibraciones Atóómicasmicas

• Cada átomo vibra alrededor de su posición de equilibrio en el sólido, en este sentido se puede considerar como un defecto

• Para cada temperatura hay una distribución de energías para los átomos alrededor de una energía media.

• Al aumentar la T aumenta la energía media y por lo tanto también la población de átomos con energías mayores,

• A Tamb la frecuencia de vibración típica está en el orden de 1013 s-1, mientras que su amplitud es del orden de 10-12 m.

• Muchas propiedades y procesos son influidos por estas vibraciones, por ejemplo: la fusión.

MicroscopMicroscopííasas para estudiar para estudiar Materiales MetMateriales Metáálicoslicos

• En algunos metales los granos tienen dimensiones macroscópicas, en muchos, tienen dimensiones microscópicas, del orden de micrones (micrómetros) y para estudiarlos se requiere de algún microscopio.

• El tamaño y la forma de los granos de un metal son dos aspectos de su microestructura.

• Usualmente se utilizan microscopios Ópticos, Electrónicos y de Barrido de sonda en el campo de la Microscopía:

• Estos instrumentos sirven para estudiar la microestructura de cualquier tipo de material.

MicroscopMicroscopííasas para estudiar para estudiar Materiales MetMateriales Metáálicos: Microscoplicos: Microscopíía a ÓÓpticaptica

• Se utiliza un microscopio con luz del visible para estudiar la microestructura

• Para materiales opacos a esa radiación sólo es posible observar la superficie y, por lo tanto, se trabaja en el modo de reflexión.

• Los contrastes en la imagen resultan de las diferencias en reflectividad de las distintas regiones de la superficie.

• A este tipo de estudios se los llama metalográficos.

• Lo normal es realizar una cuidadosa preparación de la superficie antes de realizar el estudio: pulido y etching.

MicroscopMicroscopííasas para estudiar para estudiar Materiales MetMateriales Metáálicos: Microscoplicos: Microscopíía a ÓÓpticaptica

MicroscopMicroscopííasas para estudiar Materiales para estudiar Materiales MetMetáálicos: licos: MicroscopMicroscopííasas ElectrElectróónicasnicas

•• El El llíímitemite superior superior parapara la la magnificacimagnificacióónn con un con un microscopiomicroscopio óópticoptico eses de 2000 de 2000 aumentosaumentos..

•• En En consecuenciaconsecuencia, los , los elementoselementos estructuralesestructurales queque son son muymuy pequepequeññosos no no puedenpueden verse con un verse con un microscopiomicroscopioóópticoptico..


•• BajoBajo esasesas circunstanciascircunstancias debedebe usarseusarse un un microscopiomicroscopioelectrelectróóniconico. .

•• La La imagenimagen se forma se forma usandousando haceshaces de de electroneselectrones en en lugarlugar de de luzluz..

•• UsandoUsando la la dualidaddualidad ondaonda partpartíículacula podemospodemos entenderentenderqueque un un hazhaz de de electroneselectrones se se comportacomporta comocomo un un hazhaz de de radiaciradiacióónn con con unauna longitudlongitud de de ondaonda particular, particular, queque esesfuncifuncióónn de de susu velocidadvelocidad (v(v--11). ).


•• MedianteMediante voltajesvoltajes elevadoselevados se se puedenpueden conseguirconseguir haceshacesde de electroneselectrones con longitudes de con longitudes de ondaonda del del ordenorden de de 0,003 nm (3 pm). 0,003 nm (3 pm).

•• Las Las altasaltas magnificacionesmagnificaciones y los y los elevadoselevados poderespoderes de de resoluciresolucióónn son son consecuenciaconsecuencia de de laslas pequepequeññasaslongitudes de longitudes de ondaonda de de esosesos haceshaces de de electroneselectrones..

•• El El hazhaz de de electroneselectrones se se enfocaenfoca y la y la imagenimagen se forma se forma mediantemediante lenteslentes magnmagnééticasticas de de maneramanera semejantesemejante a la a la de un de un microscopiomicroscopio óópticoptico. Es . Es posibleposible trabajartrabajar tantotanto en en modomodo reflexireflexióónn comocomo en en modomodo de de transmisitransmisióónn. .

MicroscopMicroscopííasas para estudiar Materiales Metpara estudiar Materiales Metáálicos: licos: MicroscopMicroscopííasas ElectrElectróónica de Transmisinica de Transmisióón (TEM)n (TEM)

•• La La imagenimagen se forma se forma porpor un un hazhaz de de electroneselectrones quequeatrviesaatrviesa la la muestramuestra. .

•• Se Se puedenpueden verver asasíí detallesdetalles de la de la microestructuramicroestructura internainterna, , los los contrastescontrastes en la en la imagenimagen se se producenproducen porpor diferenciasdiferenciasen la en la dispersidispersióónn o o difraccidifraccióónn del del hazhaz producidaproducida porpor los los defectosdefectos o o aspectosaspectos de la de la microestructuramicroestructura..

•• Como los Como los materialesmateriales ssóólidoslidos absorbenabsorben fuertementefuertemente a los a los electroneselectrones, la , la muestramuestra debedebe ser ser muymuy delgadadelgada. Se . Se puedenpueden alcanzaralcanzar aumentosaumentos de de hastahasta 101066..

MicroscopMicroscopííasas para estudiar Materiales Metpara estudiar Materiales Metáálicos: licos: MicroscopMicroscopííasas ElectrElectróónica de nica de Barrido(SEMBarrido(SEM))

•• En En estaesta ttéécnicacnica la la superficiesuperficie de la de la muestramuestra se se barrebarre o se o se escaneaescanea con un con un hazhaz de de electroneselectrones y se y se detectandetectan los los electroneselectrones reflejadosreflejados (backscattered).(backscattered).

•• Se Se puedepuede observarobservar asasíí la la morfologmorfologííaa de la de la superficiesuperficieincluyendoincluyendo algunosalgunos defectosdefectos..

•• La La superficiesuperficie puedepuede o no o no estarestar pulidapulida o o atacadaatacada (etched) (etched) peropero debedebe ser ser conductoraconductora de la de la corrientecorriente elelééctricactrica. Si no . Si no tienetiene esaesa propiedadpropiedad se la se la recubrerecubre con con unauna pelpelíículaculametmetáálicalica finafina. Se . Se alcanzanalcanzan aumentosaumentos de de hastahasta 50 000 x. 50 000 x.

MicroscopMicroscopííasas para estudiar Materiales Metpara estudiar Materiales Metáálicos: licos: MicroscopMicroscopíía de Barrido de a de Barrido de Sonda(SPMSonda(SPM))

•• En los En los úúltimosltimos 2020--25 25 aaññosos hanhan aparecidoaparecido unauna serieserie de de microscopmicroscopííasas llamadasllamadas MicroscopMicroscopííaa de de barridobarrido de de SondaSonda(Scanning Probe Microscopy) (Scanning Probe Microscopy)

•• EstosEstos microscopiosmicroscopios no no utilizanutilizan nini luzluz nini electroneselectrones peroperopermitenpermiten obtenerobtener informaciinformacióónn topogrtopográáficafica en en escalaescalaatatóómicamica..


•• AlgunosAlgunos de de estosestos microscopiosmicroscopios puedenpueden operaroperar en en distintosdistintos ambientesambientes ((aireaire, , vacvacííoo))

•• EmpleanEmplean unauna sondasonda queque terminatermina en en unauna puntapunta delgadadelgadaqueque se se desplazadesplaza a a unauna distanciadistancia muymuy cortacorta de la de la superficiesuperficie de la de la muestramuestra, ,

•• La La sondasonda sufresufre desplazamientosdesplazamientos perpendicularesperpendiculares a la a la sup. De la sup. De la muestramuestra en en respuestarespuesta a la a la interacciinteraccióónn queque vavaexperimentandoexperimentando. .


•• En En respuestarespuesta a a esosesos estestíímulosmulos el el microscopiomicroscopio obtieneobtieneunauna imagenimagen tridimensional de la tridimensional de la superficiesuperficie de la de la muestramuestra..

•• EjemplosEjemplos de de esteeste tipotipo de de microscopiosmicroscopios son AFM y STM. son AFM y STM.

ComparaciComparacióón dimensional entre distintos n dimensional entre distintos elementos estructuraleselementos estructurales

Rangos de resoluciRangos de resolucióón de los n de los distintos microscopiosdistintos microscopios

4 defectos en los materiales metalicos

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