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http://www.youtube.com/watch?v=jpN2F0RHtuQ&feature=related
http://www.gef.es/Congresos/22/PDF/34.pdf
http://www.unalmed.edu.co/~cpgarcia/Defectos1.pdf
http://www.spanishminerals.com/Article;%20Imperfecciones%20cristalinas.htm
DEFECTOS E IMPERFECCIONES CRISTALINAS - UNIDAD 4
Realmente no existen cristales perfectos sino que contienen varios tipos de imperfecciones y defectos, que afectan a muchas de sus propiedades físicas y mecánicas y también influyen en algunas propiedades de los materiales a nivel de aplicación ingenieril tal como la capacidad de formar aleaciones en frío, la conductividad eléctrica y la corrosión.
Las imperfecciones se clasifican según su geometría y forma así:
a) Defectos puntuales o de dimensión cero
b) Defectos lineales o de una dimensión llamados también dislocaciones
c) Defectos de dos dimensiones
También deben incluirse los defectos macroscópicos tales como fisuras, poros y las inclusiones extrañas.
Defectos de los cristales reales
Se definen como defectos a las desviaciones que son observadas, por métodos experimentales, con referencia a la estructura cristalina descrita con anterioridad. Según la dimensión del espacio ocupado por el defecto se clasifican en:
a) Vacante o ausencia de átomos aislados en ciertas posiciones cristalinas. La figura 3.46 muestra una vacante. Las vacantes se producen durante el proceso de solidificación por las perturbaciones locales, cifrándose en N0 la densidad de vacantes específicos para cada proceso y material.
Sin embargo, la densidad de vacantes se incrementa con la temperatura T, hasta alcanzar un valor NT modelizado por la expresión exponencial.
El número de vacantes crece exponencialmente con la temperatura, directa, y con la fuerza de enlace, inversa.
Aunque estas observaciones estén conformes con la existencia de bordes a lo largo de los cuales los enlaces interatómicos se disponían irregularmente, no era posible establecer el espesor de aquellas películas y hasta mucho más tarde no se pudo demostrar que aquellas propiedades mecánicas todavía las poseería el metal si los bordes fueran solamente de algunos átomos de espesor.
La teoría actual es la del retículo de transición, debida a Hargreares y Hills, en la que el borde se considera como una región estrecha de transición, de 2 a 3 átomos, a través de la cual los átomos pasan de los grupos de nudos de un cristal a los del otro.
b) Dislocaciones, o ausencia conjunta de átomos alineados en subplanos.La existencia de dislocaciones en los materiales metálicos justifican la plasticidad y fluencia que los caracterizan y diferencian frente a los cerámicos. Estos aún teniendo también estructura cristalina no permiten los procesos de plastificación.
c) Bordes de grano, o amorfismo espacial de la estructura atómica que hace de nexo de unión de las estructuras cristalinas, que constituyen los monocristales, con diferente orientación espacial.
Son observables en la probeta metalográfica después de atacada químicamente en configuraciones de líneas erráticas interconexionadas abarcando toda la dimensión de la probeta, y limitando los monocristales. Se evidencia que su reactividad química es mayor que la de los monocristales, lo que permite esa diferenciación por el ataque químico.
La naturaleza de los bordes de grano ha sido muy debatida por los metalógrafos. Se ha sostenido durante muchos años la teoría del cemento amorfo, que admitía que los granos estaban separados por una capa de un espesor del orden de 100 átomos, dispuestos irregularmente, y cuya estructura se parecía más a un líquido que a un cristal. El principal apoyo de este punto de vista era el hecho que los metales policristalinos, a alta temperatura, se comportan mecánicamente como si los granos estuvieran unidos por un líquido viscoso.
DISLOCACIÓN
En el ámbito de la ciencia de materiales y la física del estado sólido, las dislocaciones son defectos de la red cristalina de dimensión uno, es decir que afectan a una fila de puntos de la red de Bravais. Las dislocaciones están definidas por el vector de Burgers, el cual permite pasar de un punto de la red al obtenido tras aplicar la dislocación al mismo. Las dislocaciones suceden con mayor probabilidad en las direcciones compactas de un cristal y son sumamente importantes para explicar el comportamiento elástico de los metales, así como su maleabilidad, puesto que la deformación plástica puede ocurrir por desplazamiento de dislocaciones.
1 Clasificación
o 1.1 Dislocación de borde
o 1.2 Dislocación helicoidal
o 1.3 Dislocación mixta
Clasificación : Se distinguen tres tipos de dislocaciones:
Dislocación de borde.
Dislocación de borde.- Es también denominada de cuña, de arista o de línea, y en la bibliografía se suele representar con una T invertida. Consiste en un semiplano extra de átomos que provoca una distorsión local de la red, que es más acusada cerca de la línea de dislocación (de color azul en la imagen de la derecha). El vector de Burgers es perpendicular a la línea de dislocación. Dislocación helicoidal.
Dislocación helicoidal
Esta dislocación se forma cuando se aplica un esfuerzo de cizalladura en un cristal perfecto que ha sido separado por un plano cortante. El vector de Burgers es en este caso paralelo a la línea de dislocación.
Dislocación mixta
El caso más habitual es que los dos tipos de defectos citados anteriormente ocurran de forma simultánea, dando lugar a dislocaciones mixtas. El vector de Burgers no es ni perpendicular ni paralelo a la línea de dislocación, pero mantiene una orientación fija en el espacio.
Lecturas Complementarias y Recomendadas
(1) Análisis químico: Fundamentos de Química Analítica, Tomos I y II. D.A. Skoog y D.N. West, Ed. Reverté, Mexico, 1976.
(2) Principios de Metalurgia Física. R.E. Red-Hill, CECSA, Mexico, 1976.
(3) Métodos de difracción de rayos X. Principios y aplicaciones. J. Bermúdez. Ed. Pirámide, 1981.
(4) Introducción a la Ciencia e Ingeniería de los Materiales, Tomo I y II. W.D. Callister Jr, Ed. Reverté, 1995.
(5) Fundamentos de Ciencia e Ingeniería de Materiales, 3ª edición. W.F. Smith, Ed. McGraw-Hill, 1998. (más recomendada).
(6) Introducción a la ciencia de materiales para ingenieros, 4ª edición. J.F. Shackelford, Ed. Prentice Hall, Madrid 1998.
INFORMACIÓN EXTRA
INTRODUCCIÓN
La metalografía es la disciplina que estudia microscópicamente las características estructurales de un metal o de una aleación. Sin duda, el microscopio es la herramienta más importante del metalurgista tanto desde el punto de vista científico como desde el técnico. Es posible determinar el tamaño de grano, forma y distribución de varias fases e inclusiones que tienen gran efecto sobre las propiedades mecánicas del metal. La microestructura revelará el tratamiento mecánico y térmico del metal y, bajo un conjunto de condiciones dadas, podrá predecirse su comportamiento esperado.
La experiencia ha demostrado que el éxito en el estudio microscópico depende en mucho del cuidado que se tenga para preparar la muestra. El microscopio más costoso no revelará la estructura de una muestra que haya sido preparada en forma deficiente. El procedimiento que se sigue en la preparación de una muestra es comparativamente sencillo y requiere de una técnica desarrollada sólo después de práctica constante. El último objetivo es obtener una superficie plana, sin rayaduras, semejante a un espejo. Las etapas necesarias para preparar adecuadamente una muestra metalografíca. Para esto se pensó en realizar una práctica en la cual pudiéramos observar una pieza cuyas características fueran conocidas y así hacer la prueba de comprobación de los granos de la muestra en este caso fue un acero A-36 cuyo procedimiento se explican a continuación:
TAMAÑO DE GRANO
El tamaño de grano tiene un notable efecto en las propiedades mecánicas del metal. Los efectos del crecimiento de grano provocados por el tratamiento térmico son fácilmente predecibles. La temperatura, los elementos aleantes y el tiempo de impregnación térmica afectan el tamaño del grano.
En metales, por lo general, es preferible un tamaño de grano pequeño que uno grande. Los metales de grano pequeño tienen mayor resistencia a la tracción, mayor dureza y se distorsionan menos durante el temple, así como también son menos susceptibles al agrietamiento. El grano fino es mejor para herramientas y dados. Sin embargo, en los aceros el grano grueso incrementa la endurecibilidad, la cual es deseable a menudo para la carburización y también para el acero que se someterá a largos procesos de trabajo en frío.
Todos los metales experimentan crecimiento de grano a altas temperaturas. Sin embargo, existen algunos aceros que pueden alcanzar temperaturas relativamente altas (alrededor de 1800 F o 982 C) con muy poco crecimiento de grano, pero conforme aumenta la temperatura, existe un rápido crecimiento de grano. Estos aceros se conocen como aceros de grano fino. En un mismo acero puede producirse una gama amplia de tamaños de grano.
CLASIFICACIÓN DE LOS TAMAÑOS DE GRANO.
Existen diversos métodos para determinar el tamaño de grano, como se ven en un microscopio. El método que se explica aquí es el que utiliza con frecuencia los fabricantes. El tamaño de grano se determina por medio de la cuenta de los granos en cada pulgada cuadrada bajo un aumento de 100X. La figura A es una carta que representa el tamaño real de los granos tal como aparece cuando se aumenta su tamaño 100X. El tamaño de grano especificado es por lo general, el tamaño de grano austenítico. Un acero que se temple apropiadamente debe exhibir un grano fino.
EXAMEN MICROSCÓPICO DE LOS METALES
Los detalles de la estructura de los metales no son fácilmente visibles, pero las estructuras de grano de los metales pueden verse con un microscopio. Las características del metal, el tamaño de grano y el contenido de carbono pueden determinarse estudiando la micrografía.
El porcentaje aproximado de carbón que contiene la aleación de FE-C puede estimarse por medio de porcentaje de perlita (zonas oscuras) en los aceros al carbono recocidos. Para este propósito, se utilizan un microscopio metalúrgico y técnicas asociadas de foto microscopia. El microscopio metalúrgico de luz reflejada es similar a aquellos utilizados para otros propósitos, excepto que contiene un sistema de iluminación dentro del sistema de lentes para proveer iluminación vertical.
Algunos microscopios también tienen un retículo y una escala micrométrica para medir la imagen aumentada. Otro retículo que se utiliza contiene los diferentes tamaños de grano a aumentos de 100X y se utiliza para comparar o medir el tamaño de grano relativo. Los filtros y polarizadores se utilizan en la iluminación o el sistema óptico para reducir el brillo y mejorar la definición de las estructuras de grano. En poder de aumento del microscopio puede determinarse si se multiplica el poder de la lente objetivo por el del ocular. Por tanto, un lente objetivo de 40X con un ocular de 12.5X agrandaría la imagen hasta 500X (500 diámetros).
Los microscopios de platina invertida ofrecen un diseño más moderno. En este instrumento la muestra se coloca boca abajo en la platina. Se utiliza un microscopio de platina invertida, junto con una cámara de video y un monitor de TV de circuito cerrado. El poder 400 del microscopio, pero se pierde algo de resolución. La mayor ventaja de este arreglo se obtiene en la visualización de grupo. Los instrumentos de metalografía también permiten un observación en grupo del aumento metalúrgico. La imagen se proyecta sobre una pantalla de brillo mate. En los grandes laboratorios metalúrgicos se utilizan modelos de gran tamaño. Muchos instrumentos metalográficos tienen la capacidad de producir microfotografías de color instantáneas o estándar. Para obtener fotografías existen adaptadores para la mayoría de los microscopios. Los acaparadores de manga sencilla pueden utilizarse con una cámara SLR de 35mm para la toma de foto micrografías. Con este arreglo simple, el obturador se abre y se permite la entrada de la luz durante pocos segundos (6 a 8 segundos con una película Panatomic-X de 32 ASA). El enfoque se realiza sobre le vidrio mate de la cámara.
Preparación de la muestra.
La muestra debe seleccionarse de la zona de la pieza que necesita eximirse y en la orientación apropiada. Es decir, si el flujo de grano o la distorsión es importante, puede ser que una sección transversal de la parte no muestre granos alargados; únicamente una tajada paralela a la dirección de laminado revelaría adecuadamente los granos alargados debido al laminado. Algunas veces se requiere más de una muestra. Usualmente, una soldadura se examina por medio de una sección transversal.
Los materiales blandos (de dureza menores a 35 Rc) pueden seccionarse por aserrado, pero los materiales más duros deben cortarse con un disco agresivo. Las sierras de corte metalúrgico con hojas abrasivas y flujo de refrigerante son las herramientas que se usan para este propósito. La muestra no debe sobrecalentarse, no importa si es dura o blanda. Las estructuras de grano pueden alterarse con una alta temperatura de corte.
La muestras pequeños o de forma incomoda deben montarse de alguita manera para facilitar el pulido intermedio y final. Alambres, varillas pequeños muestras de hoja metálica, secciones delgadas, etc. Deben montarse en un material adecuado o sujetarse rígidamente en una monta mecánica.
A menudo, se utiliza los plásticos termofijos conformándolos con calor y presión alrededor de la muestra. La resina termo fijada que más se emplea para montar muestras es la baquelita.
Pulido de la muestra.
Los granos y otras características de los metales no pueden verse al menos que la muestra se desbaste y se pula para eliminar las ralladuras. Se utilizan diferentes métodos de pulido tales como el electrolítico, el rotatorio o el de vibración.
El procedimiento más común consiste en desbastar primero la superficie de la muestra en una lijadora de la banda y luego a mano con papel abrasivo de varios grados, desde el número de partícula de 240 hasta de 600.
• -Pulido intermedio.
La muestra se pule sobre una serie de hojas de esmeril o lija con abrasivos más finos, sucesivamente.
El primer papel es generalmente no. 1, luego 1/0, 2/0, 3/0 y finalmente 4/0. Por lo general, las operaciones de pulido intermedio con lijas de esmeril se hacen en seco; sin embargo, en ciertos casos, como el de preparación de materiales suaves, se puede usar un abrasivo de carburo de silicio. Comparado con el papel esmeril, el carburo de silicio tiene mayor rapidez de remoción y, como su acabado es a base de resina, se puede utilizar con un lubricante, el cual impide el sobrecalentamiento de la muestra, minimiza el daño cuando los metales son blandos y también proporciona una acción de enjuague para limpiar los productos removidos de la superficie de la muestra, de modo que le papel no se ensucie.
• -Pulido fino
El tiempo utilizado y el éxito del pulido fino dependen en mucho del cuidado puesto durante los pasos de pulido previo. La última aproximación a una superficie plana libre de ralladuras se obtiene mediante una rueda giratoria húmeda cubierta con un paño especial cargado con partículas abrasivas cuidadosamente seleccionadas en su tamaño. Existe gran posibilidad de abrasivos para efectuar el último pulido. En tanto que muchos harán un trabajo satisfactorio parece haber preferencia por la forma gama del óxido de aluminio para pulir materiales ferrosos y de los basados en cobre, y óxido de serio para pulir aluminio, magnesio y sus aleaciones. Otros abrasivos para pulido final que se emplean a menudo son la pasta de diamante, óxido de cromo y óxido de magnesio.
La selección de un paño para pulir depende del material que vaya a pulirse y el propósito del estudio metalográfico. Se pueden encontrar paños de lanilla o pelillo variable, desde aquellos que no tienen pelillo (como la seda) hasta aquellos de pelillo intermedio (como paño de ancho, paño de billar y lonilla) además de aquellos de pelillo profundo (como el terciopelo). También se pueden encontrar paños sintéticos para pulir con fines de pulido general, de los cuales el gamal y el micro paño son los que se utilizan más ampliamente. Una muestra pulida en forma de cuadro mostrará únicamente las inclusiones no metálicas; además, estará libre de ralladuras.
ATAQUE QUÍMICO DE LA MUESTRA
El propósito del ataque químico es hacer visibles las características estructurales del metal o aleación. El proceso debe ser tal que queden claramente diferenciadas las partes de la micro estructura. Esto se logra mediante un reactivo apropiado que somete a la superficie pulida a una acción química. Los reactivos que se sutilizan consisten en ácidos orgánicos o inorgánicos y el álcalis disueltos en alcohol, agua u otros solventes. En la tabla que se muestra a continuación se observan los reactivos más comunes.
Las muestras pueden ahora atacarse durante el tiempo necesario sumergiéndolas boca abajo en una solución contenida en una caja de Petri. Un método opcional consiste en aplicar el reactivo con un gotero para ojos. Si el tiempo de ataque es demasiado corto, la muestra quedará subatacada y los límites de grano y otras configuraciones se verán desvanecidos e indistintos cuando se observen en el microscopio. Si el tiempo de ataque es demasiado largo, la muestra se sobre atacará y quedará muy obscura, mostrando colores no usuales. El tiempo de ataque debe controlarse muy cuidadosamente.
La acción del ataque se detiene al colocar la muestra bajo una corriente de agua. Límpiese la muestra con alcohol y utilice una secadora de pelo para terminar de secarla. Cuídese de no frotar la muestra pulida y atacada con alguna tela o con los dedos, porque esto altera la condición superficial del metal.
METALES REACTIVO COMPOSICION OBSERVACIONES
Hierro y acero al carbono Nital 2 a 5% de ácido nítrico en alcohol metílico. Obscurece la perlita en aceros al carbono
Diferencia la perlita de la martensita: revela los límites de grano de la ferrita, muestra la profundidad del núcleo en los aceros nitrurados.
Tiempo: 5 a 60 segundos
Picral 4 g de ácido pícrico en 100 ml de alcohol metílico. Para aceros al carbón y de baja aleación es tan bueno como el nital para revelar los límites de grano de la ferrita. Tiempo 5 a 120 segundos.
Ácido clorhídrico y ácido pícrico. 5 g de ácido clorhídrico y 1 g de ácido pícrico. En 100ml de alcohol metílico. Revela los granos de austenita en los aceros templados y en los templados y revenidos.
CONCLUSION
En esta práctica pudimos darnos cuenta de las características del acero que teníamos en la probeta, debido a que fue diseñada para ser analizado mediante la metalografía
Para esto tuvimos que pulir la pieza a observar este proceso de pulido se llevo a cabo con papel de lija primero una lija 400 después una 600 y posteriormente con un aparato para pulir CD”s esto ultimo para poder obtener el acabado espejo necesario para realizar la prueba adecuadamente
Una ves realizado el pulido de la pieza fuimos al laboratorio en donde pudimos aplicarle nital a las caras de la probeta para eliminar impurezas en la pieza una ves realizado esto procedimos a observar la probeta en un microscopio con un aumento de 100x por cierto el máximo aumento que se puede alcanzar con los microscopios del laboratorio pero que en este caso es suficiente para llevar a cabo la practica.
Durante la observación nos pudimos dar cuenta que los granos de las caras de la muestra presentaban unos granos no muy pequeños o finos que al observar el tamaño de granos de la tabla que se muestra en las paginas anteriores corresponde al tipo de grano de la figura numeró 4, lo cual nos indica que es un acero al carbón que coincide con la muestra que llevamos ya que se trata de un fragmento de varilla A-36 esto nos indica que la prueba se realizo de la manera adecuada.
El tamaño de grano tiene considerable influencia en las propiedades mecánicas de los metales y aleaciones, por eso es de gran interés conocerlo. Así pues, podemos entender que la realización de los diferentes tratamientos térmicos tenga como principal objetivo obtener el tamaño de grano deseado. Resulta evidente que dicho tamaño de grano es inversamente proporcional al número de granos presentes en la muestra.
El tamaño de grano se expresa, según norma ASTM, mediante el número G obtenido de la expresión:
Número de granos / pulg2 a 100X = 2G-1
Donde G es el número de tamaño de grano de uno a ocho; este método se aplica a metales que han recristalizado completamente.
Según el mismo criterio, se considera:
· grano grueso cuando G < 5 (diámetro de grano 62 micras)
· grano fino cuando G > 7 (diámetro de grano 32 micras)
Podemos hacernos una idea del tamaño de grano, según el índice G
Los límites de grano, son el lugar en que ocurren, preferentemente, las reacciones en estado sólido. En general, la energía libre de una cantidad de masa de metal dada disminuye a medida que aumenta el tamaño de grano. La causa del cambio de energía es la disminución de la energía interfacial asociada a los límites de grano. Esta disminución de energía es la fuerza impulsora que tiende a producir el crecimiento del grano. Ahora bien, en la mayoría de las condiciones de aplicación de los metales, la velocidad de crecimiento del grano es muy pequeña, y sólo a temperaturas elevadas el crecimiento se produce rápidamente. Un material de grano fino será, por lo tanto, más duro y más resistente que un material de grano grueso, el cuál (este último) tendrá más juntas de grano donde se acumularán más tensiones. Por todo lo anterior debe verificarse que la dureza es inversamente proporcional al tamaño de grano.
