7 Solidificación e imperfecciones

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Solidificación e 
imperfecciones 
cristalinas 
Ciencia de materiales 2018 
Carlos Medina 
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Solidificación e 
imperfecciones cristalinas 
 SOLIDIFICACIÓN DE METALES 
 Formación de núcleos 
 Formación de cristales 
 Formación de granos 
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Solidificación 
 Formación de núcleos estables en metales líquidos. 
 Nucleación homogénea tiene lugar en el líquido fundido cuando el 
metal proporciona por sí mismo los átomos que se requieren para 
formar los núcleos. Cuando un metal líquido puro se enfría lo 
suficiente por debajo de su temperatura de equilibrio de 
solidificación, se crean numerosos núcleos homogéneos mediante 
el movimiento lento de los átomos que se unen entre sí. 
 Nucleación heterogénea tiene lugar en un líquido sobre la 
superficie del recipiente que lo contiene, las impurezas insolubles u 
otros materiales estructurales disminuyen la energía libre necesaria 
para formar un núcleo estable. Dado que en las operaciones de 
fundición industrial no se producen grandes subenfriamientos, 
normalmente varían entre 0.1 y 10°C, la nucleación es 
heterogénea y no homogénea. 
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Crecimiento de cristales de un metal 
líquido y formación de una 
estructura granular 
 El número de puntos de nucleación disponible para el metal en 
proceso de solidificación afecta a la estructura granular del metal 
sólido producido. Si hay relativamente pocos puntos de 
nucleación disponibles durante la solidificación, se producirá una 
estructura de grano grueso y basta. Si hay muchos puntos de 
nucleación disponibles durante la solidificación, se obtendrá una 
estructura de grano fino. 
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SOLIDIFICACIÓN DE 
MONOCRISTALES 
 Un metal solidificado que contenga muchos cristales 
se llama policristalino. 
 Cuando el arreglo de un solido cristalino es perfecto o 
se extiende completamente a lo largo del solido sin 
interrupción, se dice que es un mono cristal. 
 Todas las celdas unitarias tienen las misma 
orientación. 
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Para el crecimiento de los monocristales, la 
solidificación debe tener lugar alrededor de un único 
núcleo, de modo que no se nuclee ni crezca ningún 
otro cristal. 
álabes de las turbinas de gas resistentes a termofluencia a altas 
temperaturas 
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Monocristal vs policristal 
 Las propiedades de los materiales cristalinos se 
relacionan con su estructura. 
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Soluciones sólidas: 
imperfección 
 No es posible evitar en la práctica que haya alguna 
contaminación en los materiales. 
 Muchos materiales para ingeniería contienen 
cantidades significativas de varios elementos 
diferentes. Las aleaciones metálicas comerciales son 
un ejemplo de ello. Debido a esto, todos los 
materiales con los que trata el ingeniero diariamente 
son realmente soluciones sólidas. 
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Soluciones sólidas 
Una solución sólida es un sólido que consta de dos o más 
elementos que están dispersos atómicamente y forman una 
estructura de una sola fase. En general, hay dos tipos de 
soluciones sólidas: sustitucionales e intersticiales. 9:05 
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Soluciones sólidas 
sustitucionales 
 En las soluciones sólidas sustitucionales formadas por dos elementos, 
los átomos del soluto pueden sustituir a los átomos del disolvente en 
las posiciones de la red cristalina. 
La estructura cristalina del 
elemento mayoritario o disolvente 
permanece inalterada, pero la red 
puede distorsionarse por la 
presencia de los átomos del soluto, 
particularmente si existe una 
diferencia importante entre los 
diámetros atómicos de los átomos 
de soluto y los del disolvente 
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Soluciones sólidas 
sustitucionales 
 Para que tenga lugar esta miscibilidad total en las 
soluciones sólidas, los dos elementos deben ser 
bastante similares, como establecen las reglas de 
Hume-Rothery: 
1. La diferencia entre los radios atómicos debe ser inferior 
al 15 por ciento. 
2. Los dos deben tener la misma estructura cristalina. 
3. La electronegatividad (capacidad del átomo para 
atraer un electrón) debe ser similar. 
4. La valencia debe ser la misma. 
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Ejemplo 
Con los datos de la tabla, prediga la solubilidad relativa de los 
siguientes elementos en el cobre: 
a) Zinc 
b) Plomo 
c) Silicio 
d) Níquel 
e) Aluminio 
f) Berilio 
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Aplique la escala muy alta 4/4; alta 3/4; moderada 
2/4; baja 1/4 y muy baja 0. 
Soluciones sólidas 
intersticiales 
 En las soluciones sólidas intersticiales los átomos del 
soluto se sitúan en los espacios que hay entre los átomos 
de disolvente o átomos de la celda. 
 Se pueden formar soluciones sólidas intersticiales 
cuando un átomo es mucho mayor que otro. Ejemplos 
de átomos que pueden formar soluciones sólidas 
intersticiales debido a su pequeño tamaño, son: 
hidrógeno, carbono, nitrógeno y oxígeno. 
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IMPERFECCIONES 
CRISTALINAS 
 No existen cristales perfectos pues contienen varios tipos de defectos 
que afectan a muchas de las propiedades físicas y mecánicas. 
 Las imperfecciones en la red cristalina se clasifican según su forma y 
geometría. Los tres grupos principales son: 
1. defectos puntuales o de dimensión cero 
2. defectos de línea o de una dimensión (dislocaciones) 
3. defectos de dos dimensiones que incluyen superficies externas y 
superficies de límite de grano. 
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IMPERFECCIONES: Defectos 
puntuales 
 Imperfecciones asociadas a los puntos reticulares cristalinos. 
 Vacante: posición atómica desocupada en la estructura cristalina. 
 Intersticial: átomo situado en un hueco o intersticio que normalmente no 
está ocupado por un átomo en la estructura cristalina perfecta. 
 
 
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IMPERFECCIONES: Defectos 
puntuales 
 Los vacantes pueden producirse: 
 durante la solidificación por perturbaciones (impurezas). 
 reordenaciones atómicas en un cristal por la movilidad 
de los átomos (Difusión). 
 en los metales pueden introducirse durante la 
deformación plástica, por enfriamiento rápido desde 
elevadas a bajas temperaturas y por bombardeo con 
partículas de alta energía, como son los neutrones. 
 Los intersticiales no ocurren generalmente de forma 
natural por la distorsión estructural que provocan, 
pero se pueden introducir en la estructura por 
irradiación. 
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IMPERFECCIONES: Defectos 
puntuales 
 En cristales iónicos los defectos puntuales son más 
complejos debido a la necesidad de mantener la 
neutralidad eléctrica. 
Defecto de Schottky : divacante 
aniónica-catiónica. Faltan dos iones 
de carga opuesta. 
Defecto de Frenkel: vacante-
intersticio. Catión se mueve a un 
hueco intersticial. 
La presencia de estos defectos en los cristales iónicos, 
aumenta su conductividad eléctrica. 9:05 
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IMPERFECCIONES: Defectos 
lineales 
 Los defectos lineales o dislocaciones en los sólidos cristalinos son 
defectos que provocan una distorsión de la red centrada en torno a 
una línea. 
 Las dislocaciones se crean: 
 durante la solidificación de los sólidos cristalinos. 
 deformación plástica o permanente de los sólidos cristalinos. 
 por condensación de vacantes y por desajuste atómico en las 
disoluciones sólidas. 
 Los dos principales tipos de dislocaciones son las de tipo de arista y 
las de tipo helicoidal. Una combinación de las dos da dislocaciones 
mixtas, que tienen componentes de arista y helicoidales. 
La distancia del desplazamiento 
de los átomos alrededor de la 
dislocación se llama 
deslizamiento o vector de 
Burgers (b) y representa la 
magnitud del defecto 
estructural. 
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IMPERFECCIONES: Defectos 
lineales 
 Una dislocación de arista se crea en un cristal por la intersección de 
un medio plano adicional de átomos. 
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IMPERFECCIONES: Defectos 
lineales 
Vector de Burgers (b) es la magnitud y dirección de la distorsión asociada a 
la dislocación 
Magnitud: distancia 1-5 
Dirección1-5 o 5-1 
b es perpendicular a la línea del plano de dislocación 
b es paralela al movimiento de la dislocación 9:05 
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IMPERFECCIONES: Defectos 
lineales 
 La dislocación helicoidal es un apilamiento en espiral 
de planos cristalinos a lo largo de la línea de 
dislocación. 
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IMPERFECCIONES: Defectos 
lineales 
En este caso el vector de Burgers 
es paralelo a la línea de 
dislocación y es perpendicular al 
movimiento. 
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IMPERFECCIONES: Defectos 
lineales 
Las dislocaciones son defectos que no están en equilibrio y almacenan 
energía en la región distorsionada de la red cristalina alrededor de la 
dislocación. 
 
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IMPERFECCIONES: Defectos 
lineales 
La dislocación mixta tiene el doble carácter de borde y helicoidal. El 
vector de Burgers de la dislocación mixta no es ni perpendicular ni paralelo 
a la línea de dislocación, pero mantiene una orientación fija en el espacio, 
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que es compatible con las definiciones 
previas en las zonas de dislocación de 
borde y de dislocación helicoidal. 
IMPERFECCIONES: Defectos 
lineales 
 Movimiento de las dislocaciones 
Slip=deslizamiento 
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IMPERFECCIONES: Defectos 
lineales 
Deformación plástica: deslizamiento de las dislocaciones 
Movimiento paralelo de las dislocaciones en la dirección de máximo 
 empaquetamiento 
Planos compactos 
Menor 
distancia 
entre átomos 
+ fácil deslizar 
Para materiales metálicos, la 
magnitud del vector de burgers es 
igual al espacio interatómico 
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IMPERFECCIONES: Defectos 
planares 
 Superficie externa 
Las superficies externas se consideran defectos debido a que los átomos 
de la superficie están enlazados a otros átomos sólo por un lado. 
Número de coordinación en la superficie < que en el interior del cristal 
La mayor energía 
asociada con los átomos 
de la superficie de un 
material hace a la 
superficie susceptible a la 
erosión y a reaccionar con 
elementos del ambiente. 
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IMPERFECCIONES: Defectos 
planares 
 Bordes o límite de grano 
Son los defectos de la superficie en los materiales policristalinos que 
separan a los granos (cristales) de diferentes orientaciones. 
Limitan los 
movimientos 
de las 
dislocaciones 
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IMPERFECCIONES: Defectos 
planares 
 Bordes o límite de grano 
 Tamaño entre 2-5 átomos, zona con mayor energía que en el interior 
del grano. 
Las propiedades del material son una función del tamaño de grano. 
Cuando el tamaño del grano 
La resistencia mecánica 
Disminuyen la plasticidad 
dificultando el movimiento de 
dislocación en la región del 
límite de grano. 
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IMPERFECCIONES: Defectos 
planares 
 Limite de grano con ángulo pequeño 
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IMPERFECCIONES: Defectos 
planares 
 Maclas 
Borde de separación de dos cristales con pequeñas diferencias en la 
orientación de los planos. A menudo un cristal es el reflejo del otro. 
Formación: Proceso de deformación o por tratamientos térmicos. 
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IMPERFECCIONES: Defectos 
planares 
Es importante señalar que, en términos generales, de los 
defectos bidimensionales expuestos, los límites de grano son 
los más eficaces para endurecer a un metal; sin embargo, las 
fallas de apilamiento, los límites de macla y los límites en 
ángulo agudo también sirven para un propósito similar. 9:05 
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 Fallas de apilamiento 
TÉCNICAS EXPERIMENTALES PARA LA 
IDENTIFICACIÓN DE MICROESTRUCTURAS 
Y DEFECTOS 
 Metalografía óptica 
Definir tamaño de granos 
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 Microscopia electrónica de barrido (SEM) 
Se utiliza para medir las características microscópicas, la clasificación de 
las fracturas, los estudios de la microestructura, las evaluaciones de los 
recubrimientos de poco espesor, contaminación de la superficie y el 
análisis de fallas. 
La muestra debe 
ser conductora. 
Dirige un haz de 
electrones enfocado 
a un punto de la 
superficie de una 
muestra a analizar y 
recoge y muestra las 
señales electrónicas 
emitidas por la 
muestra 9:05 
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TÉCNICAS EXPERIMENTALES PARA LA 
IDENTIFICACIÓN DE MICROESTRUCTURAS 
Y DEFECTOS 
 Microscopia electrónica de transmisión (TEM y HRTEM) 
Importante técnica para estudiar defectos, e.g. 
Dislocaciones 
Un haz de electrones se 
hace pasar a través del 
espécimen delgado. A 
medida que los 
electrones pasan a 
través del espécimen, 
algunos se absorben y 
otros se dispersan. 
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TÉCNICAS EXPERIMENTALES PARA LA 
IDENTIFICACIÓN DE MICROESTRUCTURAS 
Y DEFECTOS 
 Microscopio de efecto túnel (STM) 
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TÉCNICAS EXPERIMENTALES PARA LA 
IDENTIFICACIÓN DE MICROESTRUCTURAS 
Y DEFECTOS 
 Microscopio de fuerza atómica (AFM) 
 
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TÉCNICAS EXPERIMENTALES PARA LA 
IDENTIFICACIÓN DE MICROESTRUCTURAS 
Y DEFECTOS