Instituto Tecnolgico de Oaxaca
Trabajo: Configuraciones estructurales
Integrantes del equipo: Cruz Ramrez atonaltzitn Daz Ramrez Jaime
Martn Hernndez Ramrez Jos juan Jarquin Garca Oscar de los santos
Santilln Garca Antonio Gamaliel
Carrera: Ingeniera Mecnica
Grupo: MA
Horario: Lunes a viernes de 10:00 a 11:00
Nombre del profesor: Alfaro Prez Eduardo
Fecha de entrega: Lunes 18 de febrero de 2013
INDICETEMA SUBTEMASPAGINA
CONFIGURACIONESESTRUCTURALESIMPERFECCIONES CRISTALINAS.
3
DEFECTOS LINEALES.8
DEFECTOS SUPERFICIALES.
13
TIPOS DE ESTRUCTURA CRISTALINA, INDICE DE MILLER,ESTRUCTURAS NO
CRISTALINAS (AMORFAS)18
MOVIMIENTOS ATMICOS.23
DIFUSIN Y MECANISMOS DE DIFUSIN.24
IMPERFECCIONES CRISTALINAS
Las imperfecciones cristalinas surgen a menudo naturalmente,
debido a la incapacidad del material que se solidifica para seguir
reproduciendo indefinidamente sin interrupcin su celda unitaria;
los lmites de grano en los metales son un ejemplo. En otros casos,
las imperfecciones se introducen intencionalmente durante el
proceso de manufactura, como es en el caso de la adicin de un
elemento que ligue con el metal para aumentar su resistencia.Las
diversas imperfecciones en un slido cristalino son llamadas tambin
defectos, ambos trminos, imperfecciones o defectos se refiere a
desviaciones del patrn regular en la estructura reticular de un
cristal. Se puede catalogar como: 1) Defectos puntuales, 2)
Defectos lineales y 3) Defectos superficiales.
LOS DEFECTOS PUNTUALES Son imperfecciones en la estructura del
cristal que involucra ya sea un tomo o varios tomos (Figura 1) y,
en consecuencia, es distinto de los defectos extendidos, como
dislocaciones, lmites de grano, etc. Un punto importante acerca de
los defectos es que, aunque se presentan en uno o dos sitios, su
presencia es sentida en distancias muchos mayores en el material
cristalino Son interrupciones localizadas en arreglos atmicos o
inicos que, si no fuera por ellos, seran perfectos en una
estructura cristalina. An cuando se les llama defectos puntuales,
la alteracin afecta una regin donde intervienen varios tomos o
iones.
Los defectos puntuales pueden tomar varias formas: 1) Vacante.
El defecto ms simple causado por un tomo faltante dentro de la
estructura reticular. 2) Vacante de par inico. Tambin llamado
defecto de Schottky, que consiste en la falta de un par de iones
con carga opuesta en un compuesto que tiene un equilibrio total de
carga. 3) Intersticio o Intersticialidad. Una distorsin de la
retcula producida por la presencia de un tomo extra en la
estructura. 4) Desplazamiento inico. Conocido como el defecto de
defecto Frenker, que ocurre cuando un ion es removido de su posicin
regular en la estructura de la retcula y se inserta en una posicin
intersticial no ocupada normalmente por dicho ion.
Figura 1
VACANTE O VACANCIA (FIGURA 2).Se produce cuando falta un tomo o
un in en su sitio normal de la estructura cristalina. Cuando faltan
tomos o iones (es decir, cuando hay vacancias), aumenta el desorden
normal o entropa del material, lo cual aumenta la estabilidad
termodinmica de un material cristalino.
Figura 2Todos los materiales cristalinos tienen defectos de
vacancia. Las vacancias se introducen a los metales y aleaciones
durante la solidificacin, a temperaturas elevadas o como
consecuencia de daos por radiacin. Las vacancias desempean un papel
importante en la determinacin de la rapidez con que se pueden mover
los tomos o los iones, es decir, difundirse, en un material slido,
en especial en los metales puros.En los materiales cermicos tambin
pueden aparecer vacancias durante su procesamiento. Por ejemplo,
las cermicas de titanio de bario (BaTiO3) se usan para fabricar
capacitores de cermica. El proceso de fabricacin de los capacitores
es un tratamiento trmico llamado sinterizado (1300 C). El
sinterizado es el proceso mediante el cual se forma una masa densa
calentando materiales pulverizados compactos. El proceso puede
significar la formacin de un lquido. Normalmente, este tratamiento
trmico para el BaTiO3 se efecta en el aire. Si se hace en una
atmsfera reductora o inerte (por ejemplo, de hidrgeno o nitrgeno),
algunos de los iones oxgeno del BaTiO3 dejarn el material en forma
de oxgeno gaseoso. Esto causar la formacin de vacancias de in
oxgeno. La formacin de vacancias de in oxgeno causar a su vez otros
cambios en el BaTiO3, por ejemplo, convertirlo en un semiconductor.
Esto no es bueno si estamos fabricando capacitores para almacenar
carga elctrica! En algunos casos, se pueden introducir vacancias en
determinados sitios inicos para aumentar el movimiento de los de
los iones en los materiales cermicos, lo que puede contribuir a la
sinterizacin a menores temperaturas. En otras aplicaciones ms, se
usan las vacancias creadas en un material cermico para afinar sus
propiedades elctricas. Esto se hace en muchas en un material
cermico para afinar sus propiedades elctricas. Esto se hace en
muchas cermicas que se usan como xidos conductores y transparentes,
como el xido de indio y estao y en los sensores de zirconia para
oxgeno.A la temperatura ambiente (298 K), la concentracin de
vacancias es pequea, pero aumenta en forma exponencial al aumentar
la temperatura, con el siguiente comportamiento tipo Arrhenius:
En donde:
DEFECTO DE SCHOTTKY (FIGURA 3)Es exclusivo de los materiales
inicos, y suele encontrarse en muchos materiales cermicos. En este
defecto, las vacancias se presentan en un material con enlaces
inicos; donde debe faltar un nmero estequiomtrico de aniones y
cationes en el cristal si se quiere conservar en l la neutralidad
elctrica.
Figura 3
DEFECTO INTERSTICIAL (FIGURA 4)Se forma cuando se inserta un
tomo o in adicional en la estructura cristalina en una posicin
normalmente desocupada. Los tomos o los iones intersticiales,
aunque son muchos menores que los tomos o los iones que estn en los
puntos de red, son mayores que los sitios intersticiales que
ocupan; en consecuencia, la regin cristalina vecina est comprimida
y distorsionada.
Figura 4Los tomos intersticiales como los de hidrgeno estn
presentes, con frecuencia, como impurezas, mientras que los tomos
de carbono se agregan en forma intersticial al hierro para producir
acero. Para concentraciones pequeas, los tomos de carbono ocupan
sitios intersticiales en la estructura cristalina del hierro e
introducen un esfuerzo en la regin del cristal en su cercana. Si
hay dislocaciones en los cristales al tratar de mover estos tipos
de defectos, se encuentran con resistencia a su movimiento, con lo
que se vuelve difcil crear deformacin permanente en metales y
aleaciones. sta es una forma importante de aumenta la resistencia
de los materiales metlicos. A diferencia de las vacancias, una vez
introducidos, la cantidad de tomos o iones intersticiales en la
estructura permanece casi constante, aun cuando se cambie la
temperatura.Intersticialidad (figura 5).- Tambin conocido como
defecto puntual auto intersticial se crea cuando un tomo idntico a
los puntos de red est en una posicin intersticial. Es ms probable
encontrar estos defectos en estructuras cristalinas que tienen bajo
factor de empaquetamiento.
Figura 5Defecto sustitucional (figura 6).- Se introduce un
defecto sustitucional cuando un tomo o in es sustituido con un tipo
distinto de tomo o in.
Figura 6Los tomos o iones siustitucionales ocupan el sitio
normal en la red. Pueden ser mayores que los tomos o iones normales
en la estructura cristalina, en cuyo caso se reducen los espacios
interatmicos vecinos, o pueden ser menores, lo cual causar que los
tomos vecinos tengan distancias interatmicas mayores. En ambos
casos, los defectos sustitucionales perturban al cristal que los
rodea. De nuevo, los defectos sustitucionales se pueden introducir
en forma de una impureza o de una adicin deliberada en la aleacin,
una vez introducido, la cantidad de defectos es relativamente
independiente de la temperatura. (Figura 7)
Figura 7DEFECTO DE FRENKEL (FIGURA 8)O par de Frenkel, es un par
vacancia-intersticial que se forma cuando un in salta de un punto
normal de red a un sitio intersticial, y deja atrs una vacancia.
Aunque esto se describe para un material inico, en los metales y en
los materiales con enlaces covalentes pueden presentarse en defecto
Frenkel.
Figura 8DEFECTOS LINEALES O DISLOCACIONESLas dislocaciones son
imperfecciones lineales en un cristal que de otra manera sera
perfecto.Se suelen introducir en el cristal durante la
solidificacin del material o cuando el material se deforma
permanentemente. Aunque en todos los materiales, incluyendo
cermicos y polmeros, hay dislocaciones, son especialmente tiles
para explicar la deformacin y el endurecimiento de los materiales
metlicos. Se pueden identificar tres clases de dislocaciones: de
tornillo, de borde y mixta. (Figura 9) a) Dislocaciones de borde.
Una dislocacin de borde es la orilla de un plano extra de tomos que
existe en la celda. b) Dislocacin de tornillo. Una dislocacin de
tornillo, es una espiral dentro de la estructura reticular que se
enrosca alrededor de una imperfeccin lineal, de la misma manera que
se enrosca un tornillo alrededor de su eje.
Figura 9Ambos tipos de dislocaciones pueden surgir en la
estructura cristalina durante la solidificacin, o se puede iniciar
durante un proceso de deformacin ejecutado sobre el material
slido.DISLOCACIONES DE TORNILLOLa dislocacin de tornillo se puede
ilustrar haciendo un corte parcial en un cristal perfecto y, a
continuacin, torciendo ese cristal a una distancia atmica. Si se
sigue un plazo cristalogrfico durante una revolucin respecto al eje
de torcimiento del cristal, comenzando en el punto x y recorriendo
distancias interatmicas iguales en cada direccin, se termina una
distancia atmica abajo del punto de partida (el punto y). (Figura
10)El vector necesario para terminar el circuito y regresar al
punto de partida es el vector de Burgers. Si se contina la rotacin,
se describira una trayectoria espiral. El eje o la lnea respecto al
cual se traza una trayectoria es la dislocacin de tornillo. El
vector de burgers es paralelo a la dislocacin de tornillo.
Figura 10
DISLOCACIN DE BORDE O ARISTA.Una dislocacin de borde se puede
ilustrar (Figura 11) haciendo un corte parcial en un cristal
perfecto, abriendo el cristal y llenando en parte el corte con un
plano adicional de tomos. La orilla inferior de este plano
insertado representa la dislocacin de borde. Si se describe un
circuito en torno a la dislocacin de borde, en sentido a las
manecillas del reloj y comenzando en el punto x y recorriendo una
cantidad igual de distancias atmicas en cada direccin, se terminar
en el punto y, a una distancia atmica del punto de partida. El
vector necesario para cerrar el circuito es, de nuevo, el de
Burgers. En este caso, el vector de Burgers es perpendicular a la
dislocacin. Al introducir la dislocacin, los tomos que estn arriba
de la lnea de dislocacin estn muy comprimidos entre s, mientras que
los de abajo estn muy distendidos. La regin vecina del cristal se
ha perturbado por la presencia de la dislocacin. A diferencia de la
dislocacin de borde o arista, una de tornillo no se puede
visualizar como un semiplano adicional de tomos.
Figura 11
DISLOCACIN MIXTATienen componentes de borde y de tornillo, con
una regin de transicin entre ellas. Sin embargo, el vector de
Burgers queda igual para todas las porciones de la dislocacin
mixta. (Figura 12)
Figura 12Cuando se aplica una fuerza cortante en la direccin del
vector de Burgers a un cristal que contenga una dislocacin, sta se
puede mover, rompiendo los enlaces de los tomos en un plano. El
plano de corte se desplaza un poco, para establecer enlaces con el
plano parcial de tomos originales. El desplazamiento hace que la
dislocacin se mueva a una distancia atmica hacia el lado. Si
contina este proceso, la dislocacin se mueve a travs del cristal
hasta que se produce un escaln en el exterior del mismo; el cristal
se ha deformado plsticamente (Figura 13). Otra analoga es el
movimiento de avance de una oruga. Levanta algunas de sus patas en
determinado momento, y usa el movimiento para ir de un lado a otro,
sin levantar todas las patas al mismo tiempo. Una gran diferencia
entre el movimiento de una oruga y el de una dislocacin es la
velocidad con que se mueven! La velocidad con la que se propagan
las dislocaciones en los materiales es cercana o mayor que la
velocidad del sonido! Otra forma de visualizar esto es imaginar cmo
se movera una onda en una alfombra si tratramos de eliminar
aplanndola en lugar de levantar la alfombra. Si se pudieran
introducir dislocaciones en forma continua en un lado del cristal,
movindose a travs del cristal por la misma trayectoria, el cristal
terminara por quedar cortado a la mitad. (Figura 14)
Figura 13
Deslizamiento.- El proceso por el que se mueve una dislocacin y
hace que se deforme un material metlico. La direccin en la que se
mueve la dislocacin es la direccin de deslizamiento, y es la del
vector de Burgers para las dislocaciones de borde. Durante el
deslizamiento, la dislocacin de borde recorre el plano formado por
el vector de Burgers y ella misma. A este plano se le llama plano
de deslizamiento.
Figura 14IMPORTANCIA DE LAS DISLOCACIONESAunque en algunos
materiales cermicos y polmeros puede ocurrir deslizamiento, el
proceso de deslizamiento es de particular utilidad para entender el
comportamiento mecnico de los metales. En primer trmino, el
deslizamiento explica por qu la resistencia de los metales es mucho
menor que el valor predecible a partir del enlace metlico. Si
ocurre el deslizamiento, slo es necesario que se rompa en algn
momento una pequea fraccin de todas las uniones metlicas a travs de
la interfase, por lo que la fuerza requerida para deformar el metal
resulta pequeo. Segundo, el deslizamiento le da ductilidad a los
metales. Si no hay dislocaciones presentes, una barra de hierro
sera frgil; los metales no podran ser conformados utilizando los
diversos procesos, que involucran la deformacin para obtener formas
tiles, como la forja. En tercer lugar, controlamos las propiedades
mecnicas de un metal o aleacin al interferir el movimiento de las
dislocaciones. Un obstculo introducido en el cristal impedir que en
una dislocacin se deslice, a menos que apliquemos mayor fuerza. Si
es necesario aplicar una fuerza superior, entonces el metal resulta
ser ms resistente. Estos obstculos pueden ser defectos puntuales o
borde de grano. En cuarto lugar, se puede prevenir el deslizamiento
de las dislocaciones achicando el tamao de grano o introduciendo
tomos de diferente tamao, que son las aleaciones. En los materiales
se encuentran enormes cantidades de dislocaciones. La densidad de
dislocaciones, o la longitud total de dislocaciones por unidad de
volumen, generalmente se utiliza para representar la cantidad de
dislocaciones presentes. Densidades de dislocacin de 10-6 cm/cm3
son tpicas en los metales ms suaves, en tanto que se pueden
conseguir densidades de hasta 10-12 cm/cm3 deformando el
material.LEY DE SCHMID
Se puede entender las diferencias en el comportamiento de los
metales que tienen diferentes estructuras, examinando la fuerza
requerida para iniciar el proceso de deslizamiento.Suponga que se
aplica una fuerza unidireccional F a un cilindro de metal que es un
cristal simple o mono cristal (Figura 15). Es posible ubicar el
plano de deslizamiento y la direccin del desplazamiento al aplicar
la fuerza, definiendo los ngulos y es el ngulo entre la direccin
del desplazamiento y la fuerza aplicada, y es el ngulo entre la
normal al plano de desplazamiento y la fuerza aplicada.
Figura 15Para que la dislocacin se mueva en el sistema de
deslizamiento, se necesita que acte una fuerza de cizalladura en la
direccin del desplazamiento, producida por la fuerza aplicada. La
resultante de esta fuerza de cizalladura, Fr, est dada porF1=
Fcos
Si esta ecuacin se divide por el rea del plano de deslizamiento,
A= A0 /cos, se obtiene la
r= coscosDEFECTOS SUPERFICIALES Son los lmites o los planos que
separan un material en regiones; cada regin tiene la misma
estructura cristalina, pero distinta orientacin. Son imperfecciones
que se extienden en dos dimensiones para formar un lmite. La
superficie es una interrupcin en la estructura reticular, los
lmites superiores pueden penetrar dentro del material, un ejemplo
de estas interrupciones superficiales internas son los lmites de
grano.
SUPERFICIE DEL MATERIALLas dimensiones exteriores del material
representan superficies en donde termina el cristal en forma sbita.
Cada tomo en la superficie ya no tiene el nmero adecuado de
coordinacin y se interrumpe el enlazamiento atmico. Con bastante
frecuencia, esto es un factor muy importante en la fabricacin de
dispositivos microelectrnicos a base de Si. La superficie exterior
tambin puede ser muy spera, contener muescas diminutas y ser mucho
ms reactiva que el interior del material.En los materiales con nano
estructura, la relacin de la cantidad de tomos o iones en la
superficie con los de interior es muy alta. En consecuencia, esos
materiales tienen una superficie grande por unidad de masa. En la
refinacin del petrleo y en muchas otras reas de la tecnologa se
usan catalizadores con rea superficial muy alta para impulsar la
cintica de las reacciones qumicas. De manera parecida a los
materiales de nano escala, los materiales porosos, los geles y los
polvos ultra finos son ejemplos de materiales cuya superficie es
muy grande. El lector ver ms adelante que la reduccin de la
superficie es la fuerza termodinmica motriz para sintetizar los
polvos de cermica y de metales.LMITES DE GRANOLa micro estructura
de los muchos materiales cermicos y metlicos consiste en muchos
granos. Un grano es una porcin de material dentro de la cual el
arreglo de los tomos es casi idntico. Sin embargo, la orientacin
del arreglo de tomos, o estructura cristalina, es distinta en cada
grano vecino. Un lmite de grano, la superficie que separa los
granos individuales, es una zona angosta donde los tomos no tienen
las distancias correctas. Es decir, los tomos estn tan prximos
entre s en algunos lugares del lmite del grano, que producen una
zona de comprensin; y en otras reas estn tan alejados, que producen
una zona de tensin. (Figura 16) Figura 16
Un mtodo para controlar las propiedades de un material es
controla el tamao del grano. Al reducir el tamao, se aumenta la
cantidad de granos y, en consecuencia, se aumenta la cantidad de
superficie de lmites de grano. Toda dislocacin recorre solamente
una distancia corta para encontrar un lmite de grano y detenerse;
as, la resistencia del material metlico aumenta. La ecuacin de
Hall-Petch relaciona el tamao con la resistencia de cedencia, y =0
+ Kd-1/2,Donde es la resistencia de cedencia, punto de fluencia,
punto de cedencia o lmite elstico, que es el valor necesario del
esfuerzo para causar cierta cantidad de deformacin permanente; d es
el dimetro promedio de los granos y 0 y K son constantes para el
metal. Recurdese que la resistencia de cedencia de un material
metlico es el valor mnimo del esfuerzo necesario para iniciar la
deformacin plstica o permanente. La ecuacin de Hall-Petch no es
vlida en materiales con granos excepcionalmente grandes, o con
granos ultra finos. (Figura 17)
Figura 17
LIMITE DE GRANO DE NGULO PEQUEOEs un conjunto de dislocaciones
que produce una pequea desorientacin entre cristales vecinos. Como
la energa de la superficie es menor que la de un lmite de grano
normal, los lmites de grano con ngulo pequeo no son tan eficientes
para bloquear los deslizamientos. Los lmites de grano con tamao
pequeo que se forman por dislocaciones de borde se llaman lmites
inclinados; los que se deforman por dislocaciones de tornillo se
llaman lmites de giro. (Figura 18)
Figura 18FALLAS DE APILAMIENTOLas fallas de apilamiento, que se
presentan en los metales FCC, representan un error en la secuencia
de apilamiento de los planos con empaquetamiento compacto.
Normalmente, se produce una secuencia de ABC ABC ABC en un cristal
perfecto. Pero supngase que se produce la siguiente secuencia:
En la porcin de la secuencia indicada, un plano tipo A ocupa el
lugar donde un plano tipo C estara localizado normalmente. Esta
pequea regin, que tiene una secuencia de apilamiento HCP en lugar
de la FCC, representa una falla de apilamiento. (Figura 19)
Figura 19LMITES DE MACLATambin llamado de gemelacin es un plano
a travs del cual hay una desorientacin especial de imagen
espectacular de la estructura cristalina. Las maclas pueden
producirse cuando una fuerza cortante, que acta a lo largo del
lmite de macla, hace que los tomos se desplacen de su posicin. El
maclado sucede durante la deformacin o el tratamiento trmico de
ciertos metales. Los lmites de macla interfieren con el proceso de
desplazamiento y aumentan la resistencia del metal. El movimiento
de los lmites de macla tambin puede causar la deformacin del metal.
El maclado tambin se presenta en algunos materiales cermicos, como
zirconia monoclnica y el silicato de clcico. (Figura 20)
Figura 20DEFECTOS DE VOLUMEN
En todos los materiales slidos existen otros defectos mayores
que los descritos.Son los poros, grietas, inclusiones extraas y
otras fases. Normalmente se introducen durante las etapas de
fabricacin. En los siguientes captulos se discuten algunos de estos
defectos y su efecto en las propiedades de los materiales.
VIBRACIONES ATMICAS
En los materiales slidos cada tomo vibra muy rpidamente
alrededor de su posicin reticular dentro del cristal. En cierto
sentido estas vibraciones se consideran defectos o imperfecciones.
En un momento determinado todos los tomos no vibran con la misma
frecuencia y amplitud, ni con la misma energa. A temperatura
determinada existe una distribucin de energas para los tomos
constituyentes en torno a una energa media. La energa de vibracin
de un tomo especifico tambin varia libremente con el tiempo. Al
aumentar la temperatura, la energa media se incrementa y la
temperatura del solido es realmente una medida del promedio de la
actividad vibracional de tomos y molculas. A temperatura ambiente,
la frecuencia vibracional tpica es el orden de 1013 vibraciones por
segundo, mientras la amplitud es de unos pocos miles de
nanmetros.Muchas propiedades de los slidos corresponden a
manifestaciones de su movilidad vibraciones atmicas. Por ejemplo,
la fusin ocurre cuando las vibraciones son tan vigorosas que logran
romper gran nmero de enlaces atmicos. DEFORMACIN EN CRISTALES
METLICOS
Cuando un cristal es sometido a fuerzas mecnicas y se van
aumentando poco a poco, su respuesta inicial es deformarse de modo
elstico, lo cual es equivalente a un alargamiento de la red sin dar
lugar a cambios de la posicin de los tomos en esta, y volver a su
posicin inicial si se elimina la fuerza a la cual es sometida. Por
el contrario si el esfuerzo alcanza un valor alto con respecto a
las fuerzas electrostticas q mantienen a los tomos en su lugar
dentro de la red ocurre un cambio permanente en la forma denominado
deformacin plstica. Cuando los tomos se han movido de forma
permanente de las posiciones que ocupaban, en ocasiones este
movimiento se llama deslizamiento, entonces se dice que la red
adquiere una nueva posicin de equilibrio.Este deslizamiento es el
movimiento relativo de los tomos en los lados opuestos de un plano
de la red, por lo que se denomina plano de deslizamiento. Este debe
estar alineado con la estructura red y por ende existen ciertas
direcciones preferentes para la realizacin del desplazamiento
dependiendo del tipo de red, como lo son los tres tipos de
estructuras ms comunes las HCP, BCC y FCC. Pero que resultan
complicadas al momento de existir un deslizamiento en estas, pues
divergen en ciertas caractersticas que lo favoreceran como lo es
fundamentalmente el nmero de direcciones de deslizamiento y que
adems caben mencionar la ductilidad, el esfuerzo y la resistencia.
(Figura 21)
Figura 21. Deformacin de una estructura cristalina:(a) retcula
original; (b) deformacin elstica sin cambio permanente en la
posicin de los tomos; y (c) deformacin plstica en la cual los tomos
de la retcula son forzados a tomar nuevas posiciones.
Las dislocaciones son importantes en el momento de realizar un
deslizamiento en los metales ya que junto con una fuerza cortante
el material tiende a deformarse con mucha ms facilidad, debido a
que entra en movimiento en la estructura cuando existe la presencia
de esta. Resulta mucho ms sencillo mover la dislocacin a travs de
la red que deformar esta, pues los tomos en la dislocacin requieren
un desplazamiento menor dentro de la estructura para alcanzar una
nueva posicin de equilibrio, de esta manera este proceso ayuda a
facilitar la deformacin.
TIPOS DE ESTRUCTURA CRISTALINA
Se identifican tres tipos de estructuras cristalinas
I.Cbica centrada en el cuerpo (BCC): se presentan en metales a
temperatura ambiente como; Cromo, Hierro Molibdeno y Tantalio
II. Cubica centrada en la cara (FCC): Se presentan en metales a
temperatura ambiente como Aluminio, Cobre, Oro, Plomo, Plata y
Nquel
Estructura cristalina centrada en las caras
III. Hexagonal compacta (HCP): se presenta en metales a
temperatura ambiente como Magnesio, Titanio y Zinc
EMPAQUETAMIENTO DE ESFERAS
NDICES DE MILLER.Muy frecuentemente esnecesario identificar
determinados planos ydirecciones en un cristal. El conjunto de
nmeros que se utiliza para identificar los distintos planos y
direcciones se conoce con el nombre de ndices de Miller.Los ndices
de un sistema de planos se indican genricamente con las letras (h k
l)Los ndices de Miller sonnmeros enteros, que pueden ser negativos
o positivos, y son primos entre s. El signo negativo de un ndice de
Miller debe ser colocado sobre dicho nmero.El siguiente
procedimiento que permite asignar ndices de Miller est simplificado
y slo sirve para el sistema cbico (con celda unitaria de
dimensiones a x a x a).
Para ilustrar el procedimiento, consideremos la siguiente
superficie /plano:
Paso 1: identificar las intersecciones con los ejes x, y,z.En
este caso la interseccin con el eje x tiene lugar en x=a y la
superficie es paralela a los ejes y, z (consideramos que los corta
en ). Los cortes son a, , .}Paso 2: especificar los cortes en
coordenadas fraccionarias.Las coordenadas se convierten en
fraccionarias dividindolas por la dimensin de la celda unidad. Por
ejemplo un punto (x,y,z) en una celda unidad de dimensiones a x b x
c, tiene las coordenadas fraccionarias (x/a, y/b, z/c).En nuestro
caso (celda cbica), las coordenadas fraccionarias sern: a/a, /a,
/a, es decir 1,, .Paso 3: obtener los reciprocos de las coordenadas
fraccionariasEste paso final genera los ndices de Miller que, por
convencin, han de especificarse sin estar separados por comas. Los
ndices se encierran entre parntesis () cuando se especifica una
nica superficie como en este ejemplo.Los recprocos de 1 y , son 1 y
0, respectivamente, lo que nos conduce a (100). Por tanto el plano
del dibujo es el (100) del cristal cbico.En el dibujo las tres
superficies estn relacionadas por los elementos de simetra del
cristal cbico y son totalmente equivalentes. De hecho hay un total
de 6 caras relacionadas por elementos de simetra y equivalentes a
la superficie (100), cualquier superficie que pertenezca a este
conjunto de superficies de simetra equivalente puede ser descrita
por la notacin {100}, en la que los ndices de Miller de una de las
superficies estn representados entre llaves.
ESTRUCTURAS NO CRISTALINAS (AMORFAS)
El trmino amorfo se usa frecuentemente para describir algunos
materiales como lquidos y gases que no poseen una estructura
cristalina, asimismo ocurre con los metales al fundirse; el vidrio,
muchos plsticos y el hule son algunos ejemplos de esta categora.Dos
caractersticas estrechamente relacionadas diferencian los
materiales no cristalinos de los cristalinos:1) Ausencia de un
orden de largo alcance en la estructura molecular del material no
cristalino.2) Diferencias en las caractersticas de fusin y de
expansin trmica.
Figura 22
La diferencia en estructura molecular se puede percibir en la
(figura 22). Donde el patrn compacto y repetitivo de la estructura
cristalina se muestra a la izquierda, y el arreglo aleatorio y
menos denso de los tomos en un material no cristalino se muestra a
la derecha. Esta diferencia es evidente cuando se funde un metal.
Una caracterstica general de los lquidos y slidos amorfos es la
ausencia de un orden de amplio alcance como se muestra en la parte
derecha de la imagen.En un metal experimenta un aumento de volumen
(reduccin de densidad), cuando pasa del estado slido al estado
liquido; es un cambio volumtrico que ocurre ms bien abruptamente a
temperatura constante (temperatura de fusin), el cambio representa
una discontinuidad en la pendiente de las lneas que se muestra en
la siguiente grfica. Estos cambios graduales caracterizan a la
expansin trmica de los metales, el cambio en el volumen es una
funcin de la temperatura, el cual es generalmente diferente entre
el estado lquido y el slido. El repentino aumento de volumen en el
punto de fusin se asocia con la adicin de cierta cantidad de calor,
llamada calor de fusin, que ocasiona perdida del denso arreglo
regular entre los tomos de la estructura cristalina; este proceso
es reversible y opera en ambos sentidos.
Un material amorfo exhibe comportamiento muy diferentes al de un
metal puro cuando cambia de solido a liquido o viceversa, la
diferencia en el comportamiento entre el comportamiento entre
materiales cristalinos y no cristalinos, con relacin a la respuesta
de sus estructuras frente a los cambios de temperatura, puede
delinearse como sigue cuando un metal puro se solidifica a partir
de su estado de fusin los tomos se organizan en una estructura
regular y cristalina que es mucho ms compacta que la estructura
holgada y aleatoria del lquido del cual proviene. En contraste
cuando los materiales amorfos se encuentran a temperaturas bajas no
alcanzan esa estructura repetitiva y compacta, si no la misma
estructura aleatoria que la de su estado liquido, por consiguiente
no existe un cambio volumtrico brusco cuando el liquido se
transforma en solido.
MOVIMIENTOS ATMICOSLa movilidad de las molculas, iones o tomos
se entiende bien en el estado lquido o gas, pero quizs no tanto en
el estado slido. Pues bien, tambin los tomos deben desplazarse
internamente en el estado slido, vindose favorecido ste movimiento
por la existencia de vacantes e intersticiales que son sus
susceptibles de moverse a travs de la red, aunque a velocidades
mucho ms lentas que las que tienen lugar en el estado liquido. Por
todo ello, para que exista difusin en estado slido se requiere la
presencia de defectos en la red.La difusin puede ser definida como
el mecanismo de desplazamiento o migracin de tomos a troves de la
red cristalina, por la accin de fuerzas de tipo fsico o qumico. Es
decir, es un fenmeno de transporte que tiene lugar por el
movimiento de los tomos en la red, bien por el mecanismo de
migracin de vacantes, que no producen distorsin en la estructura
cristalina, o bien por un mecanismo intersticial que induce un
movimiento de naturaleza aleatoria en la migracin atmica.La difusin
en los materiales metlicos y sus aleaciones es particularmente
importante, debido por un lado a naturaleza de su enlace qumico no
dirigido y por otro las vibraciones trmicas existentes en el slido
y a la presencia de los defectos puntuales, siendo de importancia
menor o nula en materiales metlicos y polimricos.Muchos son los
procesos industriales basados en el fenmeno de difusin; entre los
ms destacados se encuentran los tratamientos trmicos y los
tratamientos superficiales, siendo otro ejemplo significativo del
dopado de semiconductores.
DIFUSINLa difusin puede ser definida como el mecanismo por el
cual la materia es transportada por la materia. Los tomos de gases,
lquidos y slidos estn en constante movimiento y se desplazan en el
espacio tras un perodo de tiempo. MOVIMIENTO DE LOS TOMOS EN GASES,
LQUIDOS Y SLIDOS1. En los gases, el movimiento de los tomos es
relativamente veloz, tal efecto se puede apreciar por el rpido
avance de los olores desprendidos al cocinar o el de las partculas
de humo.2. En los lquidos, los tomos poseen un movimiento ms lento,
esto se pone en evidencia en el movimiento de las tintas que se
disuelven en agua lquida. El transporte de masa en lquidos y slidos
se origina generalmente debido a una combinacin de conveccin
(movilizacin de fluido) y difusin. 3. En los slidos, estos
movimientos atmicos quedan restringidos (no existe conveccin),
debido a los enlaces que mantienen los tomos en las posiciones de
equilibrio, por lo cual el nico mecanismo de transporte de masa es
la difusin. MECANISMOS DE DIFUSIONExisten dos mecanismos
principales de difusin en los tomos en una estructura cristalina:
(1) mecanismo de vacantes o sustitucional (2) el mecanismo
intersticial. MECANISMO DE DIFUSIN POR VACANTES O SUSTITUCIONALLos
tomos pueden moverse en las redes cristalinas desde una posicin a
otra si hay presente suficiente energa de activacin, proporcionada
sta por la vibracin trmica de los tomos, y si hay vacantes u otros
defectos cristalinos en la estructura para que ellos los ocupen.
Las vacantes en los metales son defectos en equilibrio, y por ello
algunos estn siempre presentes para facilitar que tenga lugar la
difusin sustitucional de los tomos. Segn va aumentando la
temperatura del metal se producirn ms vacantes y habr ms energa
trmica disponible, por tanto, el grado de difusin es mayor a
temperaturas ms altas. MECANISMO DE DIFUSIN INTERSTICIALLa difusin
intersticial de los tomos en redes cristalinas tiene lugar cuando
los tomos se trasladan de un intersticio a otro contiguo al primero
sin desplazar permanentemente a ninguno de los tomos de la matriz
de la red cristalina. Para que el mecanismo intersticial sea
efectivo, el tamao de los tomos que se difunde debe ser
relativamente pequeo comparado con el de los tomos de la matriz.
Los tomos pequeos como los de hidrgeno, carbono, oxgeno y nitrgeno,
pueden difundirse intersticialmente en algunas redes cristalinas
metlicas. Por ejemplo, el carbono puede difundirse
intersticialmente en hierro alfa BCC y hierro gamma FCC. En la
difusin intersticial de carbono en hierro, los tomos de carbono
deben pasar entre los tomos de la matriz de hierro.DIFUSIN EN
ESTADO ESTACIONARIOSi consideramos la difusin del soluto en la
figura 31. En la direccin del eje X entre dos planos de tomos
perpendiculares al plano de la hoja, separados una distancia X.
Supongamos que tras un periodo de tiempo, la concentracin de los
tomos en el plano 1 es C1 y en el plano 2 es C2. Esto significa que
no se produce cambios en la concentracin de los tomos de soluto en
esos planos, para el sistema, con el tiempo. Tales condiciones de
difusin se conocen como condiciones en estado estacionario.
Figura 31DIFUSION EN ESTADO NO ESTACIONARIOEl estado
estacionario, en el cual las condiciones permanecen invariables con
el tiempo, no se presenta con frecuencia en aplicaciones de
ingeniera. En la mayora de los casos, la difusin es en estado no
estacionario, en la cual la concentracin de los tomos de soluto en
cualquier punto del material cambia con el tiempo, es la que tiene
lugar. Por ejemplo si se difunde carbono en la superficie de un
rbol de levas de acero para endurecer su superficie, la
concentracin de carbono bajo la superficie de cualquier punto
cambiar con el tiempo a medida que el proceso de difusin avanza.
Los valores de la difusividadTipo de mecanismo de difusin: El hecho
de que la difusin sea intersticial o sustitucional afectar la
difusividad. Los tomos pequeos pueden difundirse intersticialmente
en la red cristalina de tomos mayores del solvente. De esta manera
los tomos de carbono se difunden intersticialmente en la red BCC o
FCC. Los tomos de cobre pueden difundirse sustitucionalmente en una
red de aluminio siempre y cuando los tomos de cobre y aluminio sean
aproximadamente iguales. La temperatura a la cual ocurre la
difusin: Si la temperatura aumenta en el sistema la difusividad
tambin se ve incrementada. El tipo de estructura cristalina de la
red matriz: La estructura cristalina BCC que posee un factor de
empaquetamiento de 0.68 ayuda a que la difusividad sea mayor que
una red FCC que posee un factor de empaquetamiento de 0.74. De esta
manera los tomos de carbono se pueden difundir ms fcilmente en una
red de hierro BCC que una red FCC
BibliografaGroover, M. P. (1997). Fundamentos de Manufactura
Moderna:materiales, Procesos y Sistemas. Pearson Educacin.
BibliografaAskeland, D. R. (2004). Ciencia e Ingeniera de los
Materiales. tompson.
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