reporte 4 defectos estructurales rosel

ndice Introduccin ....................................................................... 1 Objetivos ............................................................................. 1 General ..................................................................... 1 Especficos ................................................................ 1 Marco terico .................................................................... 2 Defectos en las estructuras cristalinas ................... 2 Defectos puntuales ................................................. 2 Defectos lineales ...................................................... 4 Defectos de superficie ............................................ 7 Marco prctico ................................................................. 10 Vacante ................................................................... 10 Sustitucional ............................................................ 11 Intersticial ................................................................ 11 Defecto de Frenkel ................................................ 12 Dislocacin helicoidal ........................................... 12 Conclusiones ..................................................................... 13 Recomendaciones ........................................................... 13 Bibliografa ......................................................................... 13 Comentario ....................................................................... 13

Laboratorio 4 Materiales 1

IntroduccinPara entender las imperfecciones de los materiales que se utilizan en ingeniera, de primero hay que conocer los defectos que se pueden presentar a nivel atmico que es desde donde empiezan las imperfecciones de un material. Estas imperfecciones pueden afectar en el comportamiento, cambiando las propiedades fsicas o mecnicas. Si se logra controlar estas imperfecciones, se puede llegar a conformar materiales ms resistentes si se unen aleantes que se fortalezcan unos a otros, tambin se pueden fabricar imanes ms potentes, y materiales ms eficientes en general. Existen diferentes tipos de defectos que producen diferentes efectos externos en los materiales. Los defectos se dividen en puntuales, lineales y de superficie. En esta prctica se hizo nfasis en los defectos puntuales y en un defecto lineal. Se representaros estos defectos con plasticina y canicas para lograr visualizar claramente los defectos a nivel atmico que se pueden dar en los materiales.

Objetivos GeneralDisear con ayuda de plasticina y canicas algunos defectos que se pueden dar en los materiales a nivel atmico.

Especficos Diferenciar los defectos puntuales que se pueden dar en los materiales. Tener clara la forma en que se dan los defectos puntuales vacante, sustitucional, intersticial y de Frenkel. Entender como se da el defecto lineal o dislocacin helicoidal.

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Marco TericoDefectos en las estructuras cristalinasLa estructura cristalina es un concepto terico que permite comprender como estn formados los materiales internamente. A partir de este concepto es posible explicar muchas propiedades que exhiben los materiales, ya sean cristalinos o amorfos. Sin embargo, clasificar un material como cristalino es una idealizacin que no siempre se cumple. La forma real en la que estn colocados los tomos en un material normalmente difiere de la posicin ideal que se espera a partir de la estructura cristalina. Esas diferencias pueden explicarse planteando que el modelo de arreglo atmico puede poseer defectos. Para propsitos de estudio, los defectos se clasifican en defectos puntuales, defectos lineales y de superficie. Defectos puntuales Estos defectos se dan a nivel de las posiciones de los tomos individuales. Los principales defectos puntuales son: Vacancias. Se da cuando hay puntos de red vacos en la estructura del material, a pesar de que estos lugares deberan idealmente estar ocupados por tomos.

Imagen 1. Vacancia

tomos sustitucionales. En teora un material puro est formado exclusivamente por el mismo tipo de tomos, sin embargo, los materiales reales no son 100 % puros sino que poseen impurezas, es decir, tomos diferentes a los del material original. Cuando uno de estos tomos diferentes sustituye a un tomo original ocupando su punto de red, recibe el nombre de tomo sustitucional.

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Imagen 2. Sustitucional

tomos intersticiales. Son tomos que ocupan lugares que no estn definidos en la estructura cristalina. En otras palabras, son tomos cuya posicin no est definida por un punto de red. Normalmente estos tomos se colocan en los intersticios que se forman entre los tomos originales, por lo que se llaman tomos intersticiales. [1]

Imagen 3. Intersticial

Defecto Frenkel. Es una imperfeccin combinada vacanciadefecto intersticial. Ocurre cuando un ion salta de un punto normal dentro de la red a un sitio intersticial dejando entonces una vacancia.

Imagen 4. Defecto Frenkel

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Defecto Schottky. Es un par de vacancias en un material con enlaces inicos. Para mantener la neutralidad, deben perderse de la red tanto un catin como un anin. [2]

Imagen 5. Defecto Schottky

Defectos lineales Estos se dan a nivel de varios tomos confinados generalmente a un plano. Los defectos lineales ms importantes en los materiales son las dislocaciones. Dislocaciones de borde. Las dislocaciones se generan durante la solidificacin o la deformacin plstica de los materiales cristalinos, y consisten en planos extra de tomos insertados en la estructura cristalina.

Imagen 6. Estructura con dislocacin

Las dislocaciones estn formadas solo por tomos originales del material, estas no tienen impurezas. Las dislocaciones causan la deformacin del material cercano a ellas, debido a que el plano de tomos esta insertado en la estructura en lugares no definidos por la misma. Los tomos en la estructura perfecta se encuentran a la una distancia fija de equilibrio entre s. La presencia de las dislocaciones (y tambin de los defectos puntuales) altera esta distancia de equilibrio tal como se ilustra a continuacin. 4


Imagen 6. Dislocacin, distancia de equilibrio

Las dislocaciones tienen dos caractersticas importantes: Tienen la capacidad de moverse o desplazarse en el interior del material. Cuando una dislocacin se desplaza, se divide aumentando el nmero de dislocaciones presentes en el material.

Al plano se le llama plano de deslizamiento y a la direccin en que se desplaza se le llama direccin de deslizamiento. A la combinacin de un plano deslizamiento con una direccin deslizamiento se llama sistema de deslizamiento. La fuerza aplicada directamente sobre la dislocacin es una componente de alguna fuerza externa aplicada sobre el material. [1]

Dislocacin helicoidal. Esta dislocacin se forma cuando se aplica un esfuerzo de cizalladura en un cristal perfecto que ha sido separado por un plano cortante.

Figura 7. Dislocacin helicoidal

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Dislocaciones mixtas. Con frecuencia los cristales exhiben mezcla de las dislocaciones anteriores. Su vector de burgers no es ni perpendicular ni paralelo a la lnea de dislocacin, pero mantiene una orientacin fija en el espacio. La estructura atmica local en torno a la dislocacin mixta es difcil de visualizar, pero el vector de burgers proporciona una descripcin conveniente y sencilla. [2]

Figura 8. Dislocacin mixta

La termodinmica establece que la dislocacin se mover en aquellos sistemas de deslizamiento en donde se realice el menor trabajo. La estructura cristalina cbica centrada en la cara (FCC) posee 12 sistemas geomtricos de deslizamiento. La estructura cristalina cbica centrada en el cuerpo (BCC) tambin posee 12 sistemas geomtricos de deslizamiento. Sin embargo, experimentalmente se ha comprobado que poseen otros sistemas de deslizamiento que se activan dependiendo de la temperatura del material. En total, esta estructura puede poseer alrededor de 48 sistemas de deslizamiento. La estructura cristalina hexagonal compacta (HCP) posee 3 sistemas de deslizamiento. Tambin posee otros sistemas que dependen de la temperatura del material.

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Laboratorio 4 Materiales 1 Las dislocaciones juegan un papel muy importante en la deformacin plstica de los metales. Precisamente la deformacin plstica se da porque la dislocacin es capaz de moverse en el interior del material, causando la reubicacin de los tomos que forman la estructura cristalina. La facilidad o dificultad para deformar plsticamente a un material depende entonces de la facilidad o dificultad de hacer que las dislocaciones comiencen a moverse y se mantengan en movimiento. Entre ms difcil sea mover a las dislocaciones del material, ms difcil ser (porque se requiere de ms fuerza) deformar plsticamente al material. Defectos de superficie Son imperfecciones de la estructura cristalina ubicados en un rea determinada del material. Los principales defectos de superficie son la misma superficie del material y las fronteras de los granos. La superficie del material es un defecto de la estructura cristalina porque se rompe la simetra con que los tomos estn enlazados. Los tomos que se encuentran en la superficie tienen enlaces qumicos no completos. Lo cual los hace ms reactivos qumicamente que el resto de los tomos. Estos enlaces qumicos incompletos son los causantes de que algunos metales se oxiden con facilidad cuando se exponen al medio ambiente.

Imagen 9. Superficie del material

Para comprender qu son las fronteras de los granos, debemos comprender cmo se forma un material cristalino slido. Cuando los materiales estn en estado slido, los tomos buscan formar estructuras cristalinas ordenadas. Los materiales cristalinos bajo condiciones normales no buscan formar un nico cristal, sino que forman muchos cristales cuando solidifican, cada uno de ellos siguiendo el patrn de la estructura cristalina. Por esta razn, los materiales normales se dice que son policristalinos, lo que significa que estn formados por muchos cristales. 7

Laboratorio 4 Materiales 1 El proceso de formacin de estos cristales se ilustra a continuacin.

Imagen 10. a) Lquido, enlaces dbiles entre tomos que son libres de moverse en el volumen del material. b) Nucleacin, primera etapa de solidificacin. Solo algunas partculas se forman en estado slido (ncleos). c) Crecimiento. Gradualmente los tomos en estado lquido van adhirindose a los ncleos cercanos. d) Todos los tomos se han adherido a algn ncleo y el material est completamente slido.

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Laboratorio 4 Materiales 1 Todos los materiales cristalinos estn formados por granos (cristales). Al unir estos granos, se forma el material. Y los granos estn unidos por enlaces qumicos aleatorios, pero en general, los granos estn adheridos entre s nicamente por interferencia fsica de forma parecida a como se unen las piezas de un rompecabezas. Los defectos que presenta la estructura cristalina de un material tienen un efecto directo en algunas propiedades del mismo. Los defectos puntuales producen deformacin o distorsin de la estructura cristalina en sus alrededores. Estos defectos hacen entonces ms difcil la deformacin plstica de los metales. Y por tanto decimos que aumentan su resistencia mecnica. Cuando a un metal le aadimos tomos de naturaleza qumica diferente con el propsito de causar tomos intersticiales o sustitucionales, entonces decimos que estamos aleando al metal. Al proceso de aumentar la resistencia de un metal aadindole impurezas se le llama endurecimiento por solucin slida. El tamao que tengan los granos de un material tambin afecta la resistencia del mismo. Las fronteras de los granos son lugares donde se ha perdido simetra de la estructura cristalina. Para una dislocacin, es ms difcil atravesar las fronteras al pasar de un grano a otro que desplazarse en el interior del grano donde la estructura cristalina es regular. Como sabemos, el que a la dislocacin se le haga difcil moverse se traduce en un aumento de la resistencia del material. Si los granos del material son grandes, las dislocaciones atraviesan pocas fronteras para desplazarse una cierta distancia dentro del material. Sin embargo, si los granos del material son pequeos, la dislocacin encontrar muchas fronteras en su desplazamiento, incrementndose por tanto la dificultad para moverse. Por esa razn, un material con granos grandes es en general menos resistente que un material con granos pequeos. A este fenmeno se le llama endurecimiento por tamao del grano. [1]

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Marco PrcticoPara llegar a entender exactamente las diferentes formas en que los matriales pueden presentar defectos o imperfecciones, se recrearon varios de estos defectos. Materiales utilizados: Una tabla de madera Plasticina Canicas verdes Canicas azules Una regla Defectos recreados: Vacante Intersticial Sustitucional Frenkel Defecto helicoidal A continuacin se presentan las vistas de los defectos recreados.

VacanteEn la Foto 1, se puede apreciar el defecto lneas vacante. En este defecto se observa que uno de los tomos que idealmente conformaran la red del material no est, dejando su espacio vaco. En este defecto solo se presentan tomos del mismo tipo.

Foto 1. Defecto puntual, Vacante.

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IntersticialEn la Foto 3, se muestra el defecto lineal intersticial, que se da cuando la red ideal de un material esta formado por los tomos originales y existen tomos diferentes metidos en los intersticios. Los tomos extras pueden ser impurezas adheridas al material original.

Foto 2. Defecto puntual, intersticial

SustitucionalEn la foto 3 se observa el defecto puntual sustitucional, que se da cuando tomos ajenos a la red inicial del material toman el lugar de los originales. En este defecto tambin se pueden apreciar dos tipos de tomos en la red.

Foto 3. Defecto puntual, sustitucional

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Defecto FrenkelEl defecto de Frenkel se da cuando se dan dos defectos en un mismo lugar. Ese defecto esta compuesto por un vacante y un intersticial.

Foto 4. Defecto puntual, Frenkel

Defecto Helicoidal

Este es un defecto lineal y es una dislocacin que se forma cuando se aplica un esfuerzo de cizalladura en un cristal perfecto que ha sido separado por un plano cortante.

Foto 5. Defecto helicoidal

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Conclusiones Los defectos estructurales de los materiales se dividen en puntuales, lineales y de superficie. Los defectos o imperfecciones a nivel atmico que tienen los materiales cambian las propiedades y comportamiento de los materiales a nivel externo. Para lograr hacer materiales ms resistentes y eficientes se altera la estructura interna de los materiales originales

RecomendacionesEs muy importante que antes de trabajar con diferentes materiales se conozcan las imperfecciones que estos pueden presentar. Si se conocen las imperfecciones internas de los materiales se puede tener en cuenta las formas en que puede fallar un material y por el contrario se puede tambin mejorar las propiedades de los materiales para evitar fallas internas. En cuanto al laboratorio, es muy importante que antes de realizarlo se reciba la clase terica para tener idea de los diferentes defectos y los efectos que estos tienen en los diferentes materiales.

Bibliografa[1] Annimo. Defectos de las Estructuras Cristalinas. [Online]. http://www.uca.edu.sv/facultad/clases/ing/m210031/Tema%2003.pdf [2] J. Arenas. Defectos e imperfecciones cristalinas. [Online]. http://www.unalmed.edu.co/~cpgarcia/Defectos1.pdf

Comentario

Me pareci una forma muy interesante y esencial para comprender en su totalidad los defectos comunes en las estructuras cristalinas de los materiales. Al hacer con nuestras propias manos los defectos estructurales es ms fcil entender como se compone cada uno de estos y por ende, grabarnos los nombres y los resultados que se presentan. Como consecuencia de esto, ser ms fcil aprendernos las propiedades mecnicas que se derivan de estas estos defectos y conocer el comportamiento de diferentes materiales. 13

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