Tema I. Estructura de los materiales Objetivos Adquirir los conocimientos básicos de la estructura de los materiales, sus tipos de enlaces y principales características. Conocer fenómenos que en estos ocurren como son la solidificación y la difusión.

Conferencia 2 Sumario Solidificación de un metal puro. Condiciones energéticas. Mecanismos del proceso. Cristales metálicos reales. Defectos atómico-cristalinos. Fenómenos en que se aplica. Difusión. Leyes que la rigen. Factores influyentes. Callister, pp 66-111 Smith, pp 76-112

Rememoración Definición de estructura cristalina Tipos comunes de celdas unitarias Concepto de alotropía Concepto de plano cristalográfico, planos densos.

Términos del tema en inglés Vacancies Interstitials Dislocations Grain boundaries Steady state diffusion Nonsteady state diffusion

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Condiciones energéticas del proceso de cristalización Se define por Cristalización al paso del metal del estado líquido al sólido . El proceso ocurre como resultado del paso de un estado a otro más estable (con una energía libre menor). Esta es la Fuerza motriz de la transformación

Como se aprecia en el gráfico por encima de Ts hay Como se aprecia en el gráfico por encima de Ts hay menor energía libre en el estado líquido y por debajo de Ts, será el estado sólido el de menor energía.

Tcr La diferencia entre la temperatura teórica y real de Cristalización se llama Grado de Sub-enfriamiento (T). T = Ts - Tcr El grado de sub-enfriamiento depende de la naturaleza del metal y de la velocidad de enfriamiento.

T: Grado de subenfriamiento 2 1 L L S Tm T: Grado de subenfriamiento S t Curvas de enfriamiento durante la cristalización

La solidificación de un metal o aleación ocurre mediante dos acciones que coexisten: Formación de núcleos estables en el fundido Crecimiento del núcleo para formar cristales y la formación de una estructura granular

Mecanismo del proceso de Cristalización Los dos mecanismos principales por los que tiene lugar la nucleación de partículas sólidas en un metal líquido son: Nucleación homogénea Nucleación heterogénea

Nucleación homogénea Líquido V=4/3πr3 3 Sólido radio A=4πr2 Interfase sólido-líquido Sólido A=4πr2

Energías involucradas en la nucleación En la nucleación de un metal puro deben considerarse dos tipos de cambio de energía: 1. La energía libre volumétrica liberada para la transformación de líquido a sólido (Energía conductora o motriz) (-) 2. La energía libre superficial necesaria para formar las nuevas superficies sólidas (energía retardante) (+)

El radio crítico del núcleo está relacionado con el subenfriamiento por la relación: rc = - 2 σ Tm / Hf T Donde: Tm: temperatura de solidificación Hf: Calor latente de fusión T: Grado de subenfriamiento

Tamaño de grano? En el gráfico se representa el comportamiento de VC y de NC de acuerdo al grado de sub-enfriamiento.

↑ veloc de enfriam→ ↑T → ↓rc → ↓tamaño de grano En resumen ↑ veloc de enfriam→ ↑T → ↓rc → ↓tamaño de grano

Nucleación heterogénea Impureza Sólido Líquido θ Esto hace que la nucleación heterogénea requiera de una menor fuerza motora y se vea más favorecida que la homogénea.

Nucleación heterogénea La nucleación heterogénea es la nucleación que tiene lugar en un líquido con presencia de impurezas insolubles que actúan como centros de nucleación y disminuyen la energía libre necesaria para formar un núcleo estable (superficie sólida pre-existente) La nucleación homogénea no tiene núcleos previos en la masa líquida y resulta más lenta o requiere grandes subenfriamientos. Puesto que en las operaciones de fundición industrial no se producen grandes subenfriamientos, (normalmente varían entre 0,1 y 10 0C), la nucleación es generalmente heterogénea y no homogénea

Imperfecciones cristalinas Cualquier grano de un metal policristalino presenta determinadas irregularidades en su distribución atómica, o sea, no presenta una distribución ideal como la vista hasta ahora. Estos defectos influyen en las propiedades y comportamiento de los metales y aleaciones afectando sus propiedades físicas y mecánicas.

Defectos presentes en los cristales: Puntuales o de dimensión cero Lineales o de una dimensión Superficiales o de dos dimensiones Tridimensionales o de volumen

Defectos puntuales Inserciones Vacancias Son formados durante la solidificación del cristal o como resultado de las vibraciones atómicas (los átomos se desplazan de sus posiciones normales)

Inserciones sustitucionales e intersticiales Defectos puntuales Inserciones sustitucionales e intersticiales las inserciones pueden ser impurezas o aleantes

De estos el más importante es la vacancia la cual desempeña un papel importante en el desarrollo de los procesos de difusión en los metales. El aumento de la temperatura hace aumentar el número de vacancias.

Defectos lineales Dislocación El vector de Burgers mide la magnitud y orientación del estado tensional creado en la red por la dislocación

Dislocación helicoidal

Microscopía electrónica de transmisión de una aleación de titanio donde las líneas negras son dislocaciones

Ejemplos en una red Átomo sustitucional Átomo instersticial dislocación vacancia

Elementos de la microestructura Muestra metalográfica Precipitado incoherente Estructura de segunda fase de alto punto de fusión Átomo instersticial ajeno Átomo sustitucional ajeno Líneas de deslizamiento Precipitado Coherente Dislocación de borde Átomo instersticial ajeno Vacancia Precipitado en borde de grano Dislocación helicoidal Celda unitaria hierro-α a = 0,286 nm Precipitado contínuo en borde de grano Tamaño de grano

Dimensiones típicas de los componentes microestructurales 1 nm

Difusión

La difusión es el principal mecanismo de transporte de masa La difusión de átomos en metales y aleaciones es particularmente importante, ya que la mayor parte de reacciones en estado sólido involucran movimientos atómicos; ejemplos de reacciones en estado sólido tenemos las siguientes: Las transformaciones de fase en el estado sólido El proceso de recristalización de los metales deformados en frío Tratamientos termoquímicos La difusión es el principal mecanismo de transporte de masa

Existen dos mecanismos fundamentales de difusión de átomos en una red cristalina: Mecanismo de difusión por vacancia Mecanismo de difusión intersticial

(Difusión de átomos propios o ajenos a la red) Mecanismo de difusión Difusión por Vacancia (Difusión de átomos propios o ajenos a la red)

Mecanismo de difusión Difusión instersticial (Átomos ajenos a la red)

En ambos casos deben cumplirse las siguientes condiciones: Espacio vacio hacia donde saltar (vacancia o intersticio vacío) Energía suficiente para romper enlaces y distorsionar la red, llegando a la nueva posición

En la mayoría de las aleaciones metálicas la difusión intersticial ocurre más rápidamente que la difusión por vacancia debido a que existe: Mayor posición de sitios intersticiales Mayor movilidad de los átomos debido a su menor tamaño

Leyes de la difusión Difusión estacionaria: La concentración de las especies que difunden no varía con el tiempo en los diferentes puntos del sistema . Difusión no estacionaria: La concentración de las especies que difunden varía con el tiempo en los distintos puntos del sistema

Difusión estacionaria

1ra ley de Fick (regímenes estacionarios) J = - D (dc/dx) Donde: J: Flujo o corriente neta de átomos D: coeficiente de difusión dc/dx: Gradiente de concentración

Difusión no estacionaria

2da Ley de Fick Regímenes no estacionarios Esta ley establece que la velocidad de cambio de composición es igual al coeficiente de difusión por la velocidad de cambio del gradiente de concentración

Si el coeficiente de difusión es independiente de la composición, la ecuación anterior toma la siguiente expresión La solución a esta expresión es posible cuando se especifican ciertas condiciones de frontera

Una solución particular de esta ecuación es para un sólido semi-infinito

t = 0 C=Co 0 ≤ x ≤∞ t > 0 C=Cs x = 0 C=Co x = ∞ Las condiciones de fronteras anteriores se pueden representar matemáticamente de la manera siguiente: t = 0 C=Co 0 ≤ x ≤∞ t > 0 C=Cs x = 0 C=Co x = ∞

Donde: CS: Concentración superficial del elemento del gas que difunde en la superficie. C0: Concentración inicial uniforme del elemento en el sólido Cx: Concentración del elemento a la distancia x de la superficie en el tiempo t X: Distancia desde la superficie D: Coeficiente de difusión del soluto que difunde t: Tiempo erf(x/2√Dt); Función error gaussian

Considere una aleación que tiene una concentración uniforme de carbono de 0,25%y es tratada a 950°C. Si la concentración de carbono en la superficie es mantenida a 1.20%C. Qué tiempo tomara alcanzar una concentración de 0.8%C a una distancia de 0,5 mm de la superficie?

La solución anterior es de gran importancia para resolver algunos problemas prácticos de difusión industrial tales como la cementación del acero

De que factores depende la difusión? Mecanismo de difusión Temperatura Ley de Arrhenius

Donde: D - Coeficiente de Difusión: Que es la cantidad de átomos que se difunde por una superficie S durante un segundo cuando en gradiente de concentración es igual a la unidad. Se expresa en m2/s. Do –Factor preexponencial, no dependiente de la temperatura, que toma en consideración el tipo de red cristalina y otros factores como valor del salto atómico, frecuencia de la vibración del átomo, etc. Q – Energía de activación necesaria para que se produzca el salto de un átomo desde su posición de equilibrio a otro punto referido a un átomo-gramo de sustancia. R – Constante de los gases.

Factores Influyentes Tipo de estructura cristalina de la red matriz Tipos de defectos Concentración de las especies que se difunden

Auto estudio Defectos superficiales y volumétricos Preparación para la clase práctica