Imperfecciones cristalinas

Ing. Norberto D. Ñique G.

Fundamentos de Ciencia de Materiales I

Las imperfecciones superficiales son alteraciones en el apilamiento de planos atómicos a través de un límite. Dicha alteración puede ser tanto de orientación, como en la secuencia de apilamiento de planos.

Defectos superficiales

Relación Defecto superficial Idéntica orientación pero desplazada Diferente orientación con simetría Diferente orientación con ángulo pequeño Diferente orientación con ángulo grande

Falla de apilamiento Límite de macla Límite de ángulo pequeño Limite de grano

Tipos de defectos superficiales para distintas relaciones entre superficies cristalinas

La falla de apilamiento es un defecto superficial donde la secuencia de apilamiento ha sido interrumpida. Por ejemplo, para la estructura FCC el apilamiento de planos atómicos es ABCABCABC......pero puede cambiar de secuencia a:

Esta falla puede ser descrita como una región muy delgada de apilamiento HCP en un cristal FCC. Estas fallas se originan durante el crecimiento cristalino o en la disociación de una dislocación perfecta en dislocaciones parciales.

El material cristalino a ambas lados de la imperfección tiene la misma orientación, pero existe un desplazamiento relativo cuya magnitud es igual al vector de Burgers de la dislocación parcial.

Defectos superficiales: Falla de apilamiento

Las maclas se pueden formar en un cristal ya sea durante la deformación (maclas de deformación) o durante el crecimiento de cristales (maclas de crecimiento o de recocido).

Defectos superficiales: Límite de macla

Maclas de recocido en una aleación de cobre.

Diagrama esquemático de granos con maclas de recocido en una estructura FCC

Banda de macla

Banda de macla en una estructura FCC

a. El maclado es un modo de deformación plástica en los metales.

b. Debido a que el deslizamiento de dislocaciones ocurre con más facilidad que el maclado, este es solo un mecanismo importante en la deformación plástica de los metales no cúbicos, donde hay pocos sistemas de deslizamiento disponible; por ejemplo, en metales HCP y tetragonal centrado en el cuerpo.

c. En metales BCC el maclado por deformación es solo significativo a bajas temperaturas o cuando son deformados por impacto. En este último caso, las bandas de maclado son extremadamente angostas y se le denomina bandas de Neumann.

Defectos superficiales: Límite de macla

d. El maclado por deformación es raro en metales FCC y puede ocurrir únicamente a temperaturas muy bajas, por ejemplo, para el cobre a 4.2K.

e. En metales HCP, las laminillas de macla se nuclean dentro de los granos individuales y se propagan rápidamente a través del grano. Su crecimiento es principalmente paralelo al plano de maclado, y con un crecimiento menor en la dirección perpendicular a este plano. Esto origina una morfología tipo placa.

Defectos superficiales: Límite de macla

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Granos equiaxiales y maclas de deformación en Zinc de alta pureza

Los materiales metálicos de uso en ingeniería son policristalinos. Mediante un ataque metalográfico se revela regiones cristalinas denominados granos.

Los granos no son monocristales perfectos sino que están divididos en subgranos más pequeños que pueden ser considerados monocristales.

Los límites de grano y de subgrano son intercaras que se forman debido a las discordancias en la orientación entre dos regiones diferentes en el cristal.

Analizaremos los límites de grano en muestras policristalinas monofásicas, sin embargo, los aleaciones más comunes son policristalinas polifásicas.

Límites de grano en sólidos policristalinos monofásicos

Metal de paladio policristalino monofásico

Fundición blanca policristalino polifásico

Límite de grano de ángulo pequeño

Corresponden a los subgranos que se forman dentro de los granos, donde la diferencia en la orientación entre dos cristales es pequeña menor de 10°. Estos límites pueden ser descritos mediante un arreglo de dislocaciones de borde.

Límite de subgrano

Límite de grano de ángulo pequeño

Idealizando la región del límite de subgrano o de ángulo pequeño, se puede obtener las siguientes relaciones:

Para valores pequeños de , se tiene que D, y también sen = b/. Por lo que se obtiene:

b sen

D

b

Poligonización

Límite de grano de ángulo pequeño

Este ordenamiento de dislocaciones de borde, es un arreglo estable, donde las tensiones de compresión arriba de cada dislocación y de tracción debajo de ellas, tenderán a cancelarse a lo largo del límite, no existiendo campo de tensiones de largo alcance, de modo que los cristales alrededor del límite pueden estar libres de tensiones más allá de una distancia D.

De manera similar, se puede obtener un límite de grano de ángulo pequeño mediante un arreglo de dislocaciones de tornillo.

Compresión

Límite de grano de alto ángulo

Cuando el ángulo >10°, el límite de grano es conocido como límite de grano de alto ángulo.

La figura muestra un modelo para caracterizar este tipo de límite, donde cristales casi perfectos se extienden uno hasta el otro y se tocan en puntos irregulares. El límite contiene átomos que pertenecen a ambos cristales (D) y átomos que no pertenecen a ningún cristal (A); contiene zonas de compresión (B), y zonas de tracción (C). En general se asume que la amplitud de los límites de grano de alto ángulo es bastante estrecha en el orden de los nanómetros.

(a) Esquema que muestra el ordenamiento de los átomos en la

formación del borde de grano. (b) Granos y límites de grano en

una muestra de acero inoxidable.

Límite de grano de alto ángulo

Estos límites están asociados energías relativamente altas, debido a que son grandes áreas con un ajuste pobre, donde la estructura es relativamente abierta con las uniones entre los átomos rotas o altamente distorsionadas. En cambio, en los límites de ángulo pequeño la mayoría de átomos se ajustan muy bien en ambas redes, de tal forma que hay poco volumen libre y las uniones interatómicas son sólo ligeramente distorsionadas.

Las energías de los límites de grano varía en función del ángulo de inclinación, siendo aproximadamente constantes para los límites de grano de alto ángulo (500-600 mJ/m2).

En los metales policristalinos más del 90% de todos los límites de grano son de alto ángulo.

Límites de grano en sólidos policristalinos bifásicos

En materiales metálicos bifásicos o polifásicos, presentan límites (interfases) entre fases sólidas diferentes, es decir, la unión de dos cristales que pueden tener diferente estructura cristalina y/o composición.

Los límites entre estas fases sólidas pueden ser divididos, basados en su estructura atómica, dentro de tres clases:

a. Coherente

b. Semicoherente

c. Incoherente.

Perlita en aceros

Fundición nodular

Interfase coherente

Una interfase coherente surge cuando las dos fases encajan perfectamente en el plano de interfase, de manera que, las dos redes serán continuas a través de la interfase. Esto puede ser solo alcanzado sí en el plano de interfase tiene la misma configuración atómica en ambas fases, y esto requiere que los dos cristales estén relativamente entre sí en una orientación particular.

Interfase coherente

Ocurre, por ejemplo, en aleaciones Cu-Si, entre la fase k rica en silicio HCP y la matriz rica en cobre FCC. El parámetro de red de estas dos fases son tal que el plano (111) FCC es idéntico al plano (0001) HCP. Así, ambas fases están unidas a lo largo de sus planos compactos con las direcciones compactas paralelas, siendo su relación de orientación.

k

k

]0211[//]101[

)0001(//)111(

Interfase coherente

Cuando la distancia entre los átomos en la interfase no son idénticas, es posible aún mantener la coherencia por deformación de una a ambas redes como se ilustra en la figura. La red resultante es conocida como coherencia deformada.

Sin embargo, en la interfase existe un cambio en la composición química de manera que cada átomo es en cierto modo unido al vecino equivocado a través de la interfase. Esto incrementa la energía de los átomos en la interfase. En general, la energía de interfase coherente oscila hasta 200 mJ/m2.

Interfase semicoherente

Conforme se eleva la deformación asociada con una interfase coherente, el sistema llega a ser energéticamente más favorable reemplazar con una interfase semicoherente, relajando la región deformada. En los cristales reales, las interfases se relajan bajo la acción de las fuerzas que hay entre los átomos de las posiciones de las líneas interrumpidas, y esto da una dislocación de borde. Las energías de interfases semicoherente son generalmente en el rango de 200-500 mJ/m2.

Interfase incoherente

Ocurre cuando en el plano de interfase, las dos fases contiguas tienen una configuración atómica muy diferente no existiendo posibilidad de un ajuste a través de la interfase. La configuración de los átomos puede ser muy distinta en las dos fases o, si éstas son similares, la distancia interatómica difieren por más del 25%.

Interfase incoherente

En general, las interfases incoherentes resultan cuando dos cristales orientados aleatoriamente son unidos a través de algún plano interfacial como lo muestra la figura.

Poco se conoce acerca de la estructura atómica de una interfase incoherente, pero presenta rasgos comunes con los límites de grano de alto ángulo. Por ejemplo, son caracterizados por una alta energía de 500-1000 mJ/m2, probablemente tengan una estructura atómica desordenada.

Mg. Ing.Norberto D. Ñique G.

Limites de grano en sólidos policristalinos bifásicos

Interfase coherente Interfase semicoherente

Interfase incoherente

Bibliografía

BIBLIOGRAFIA(1) Fundamentos de la ciencia e ingeniería de los

materiales. William F. Smith. 93-100 pp(2) Estructuras y propiedades de los materiales

Nilthon Zavaleta Gutierrez. 103-116 pp.(3) Curso Structure & Prop of Metals. U. Cambrigde.

Internet.