INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL

Unidad Profesional Interdisciplinaria de Ingeniería yCiencias Sociales Y Administrativas

Licenciatura en Ingeniería Industrial

Tecnología de materiales

Apuntes segundo departamental

Secuencia: 2IM55

Alumno : Esquivel Rivera Jose Manuel

Profesor: Sánchez Solórzano Héctor

Fecha de entrega: 22 de octubre 2013

BLOQUE II.- ESTRUCTURA

Tema 4.- Solidificación y Difusión

La solidificación es un proceso físico que consiste en el cambio de estado de la materia de líquido a sólido producido por una disminución en la temperatura o por una compresión de este material. Es el proceso inverso a la fusión, y sucede a la misma temperatura. Ejemplo de esto es cuando colocamos en el congelador agua, como la temperatura es muy baja esto hace que se haga hielo, o en pocas palabras,aumenta el volumen al solidificarse, aunque no sucede en todos los casos.

Etapas de la Solidificación

1. NUCLEACIÓN ⇒ Formación de núcleos/semillas (partículas sólidas) estables

en el fundido.

2. CRECIMIENTO ⇒ hasta la formación de cristales y la formación de una

estructura granular

Mecanismos de Nucleación

La nucleación puede ser de dos tipos: Homogénea o heterogénea. Las cuales dependen del tipo de material así como de la transformación realizada.

Definción: Se define la nucleación homogénea como aquel tipo de nucleación que ocurre cuando los átomos o moléculas de la fase inicial son iguales tanto química como energética y estructuralmente.

Definción: Se define la nucleación heterogénea como aquel tipo de nucleación que ocurre cuando los átomos o moléculas de la fase inicial no son iguales tanto química como energética y estructuralmente.

Material Policristalino

Un policristal o material policristalino es un agregado de pequeños cristales de cualquier sustancia, a los cuales, por su forma irregular, a menudo se les denomina cristalitas o granos cristalinos. Muchos materiales de origen tanto natural (minerales y metales) como sintético (metales, aleaciones, cerámica, etcétera) son policristales. Granos ordenados atómicamente “in situ” Diferente orientación entre granos “Límite de grano”

Grano fino: muchos puntos de nucleación y límites de grano. (Metales y aleaciones con aplic.en Ingeniería)

Grano Grueso: pocos puntosde nucleación. (peores propiedades)

Monocristales

Sólo debe haber un único punto de nucleación. Componentes electrónicos y microelectrónica (monocristales de silicio, transistores, semiconductores y algunos tipos de diodos (no deben existir límites de grano para no afectar las prop.) Disposición atómica perfecta Celdillas enlazadas misma orientación.

Difusión

La difusión (también difusión molecular) es un proceso físico irreversible, en el que partículas materiales se introducen en un medio que inicialmente estaba ausente, aumentando la entropía (Desorden molecular) del sistema conjunto formado por las partículas difundidas o soluto y el medio donde se difunden o disuelven.

Normalmente los procesos de difusión están sujetos a la Ley de Fick. La membrana permeable puede permitir el paso de partículas y disolvente siempre a favor del gradiente de concentración. La difusión, proceso que no requiere aporte energético, es frecuente como forma de intercambio celular.

Tipos de difusión:

Autodifusión.- Difusión de átomos a través de un sólido constituido por átomos de su misma naturaleza. Ejemplo: movimiento de iones en un conductor iónico

Difusión de solutos o impurezas.- átomos desoluto/impurezas se desplazan en una matriz de átomos diferentes. Ejemplo: difusión de C o N en matriz de Fe (procesos de cementación y nitruración)

Mecanismos de Difusión

Difusión sustitucional

En este tipo de difusión, el tamaño del átomo que difunde y el de los átomos de la red cristalina es parecido. La difusión se produce aprovechando los defectos de laguna.

Difusión intersticial

La difusión intersticial se produce cuando el átomo entrantes son más pequeños que los existentes en la red cristalina. Las ley que rige la difusión es la Ley de Fick. Otra forma para encontrar la correlación de difusión entre átomos, es sacar la derivada por la hipotenusa entre el radio de cierta medida, entre los caracteres de un punto polar en la primera cara de cff; por la integral de dicha ecuación.

Flujo de Difusión. cantidad de masa (nº de átomos) M que difunden perpendicularmente a través de un área (A) de un sólido por unidad de tiempo t

Difusión en estado estacionario: 1ª Ley de Fick

Estado Estacionario: J es constante ya que No cambia la concentración de átomos de soluto en un punto con el tiempo. Ej: Difusión de átomos de un gas (H2) a través de una fina lámina metálica de paladio cuyas concentraciones (o presiones) en ambos lados de la lámina se mantienen constantes

Difusión estado no estacionario: 2ª Ley de Fick

La concentración de átomos de soluto en un punto del material cambia con el tiempo ⇒ flujo de difusión y el gradiente de concentración de átomos cambian con el tiempo.

Factores del Coeficiente de Difusión

La magnitud del coeficiente de difusión D es indicativo de la velocidadc de difusión atómica

a) Tipo de mecanismo:a) Intersticialb) Sustitucional/por vacantesb) Tipo de red de la matriz anfitriónc) Existencia de defectosa) Tipo de defectod) Tipo de soluto y concentración de solutoe) Temperatura

Diagramas de fases

Una aleación es una combinación, de propiedades metálicas, que está compuesta de dos o más elementos, de los cuales, al menos uno es un metal.

Las aleaciones están constituidas por elementos metálicos como Fe (hierro), Al (aluminio), Cu (cobre), Pb (plomo), ejemplos concretos de una amplia gama de metales que se pueden alear. El elemento aleante puede ser no metálico, como: P (fósforo), C (carbono), Si (silicio), S (azufre), As (arsénico).

Mayoritariamente las aleaciones son consideradas mezclas, al no producirse enlaces estables entre los átomos de los elementos involucrados. Excepcionalmente, algunas aleaciones generan compuestos químicos.

Componentes son los elementos químicos que forman la aleación

Una aleación binaria está formada por dos componentes

Fase: son las partes de una aleación con la misma composición e iguales propiedades físicas químicas.

Para describir completamente una aleación es necesario conocer:

Fases presentes

Fracción en peso de cada fase

Composición de cada fase

Equilibrio es la condición del sistema en el que no se manifiesta ninguna tendencia al cambio

Un diagrama de equilibrio o más comúnmente llamado diagrama de fases es un diagrama Temperatura vs. Composición el cual muestra las fases presentes en condiciones de equilibrio.

Sistemas binarios característicos

• Solubles en estado líquido y en estado sólido

• Solubles en estado líquido e insolubles en estado sólido

• Solubles en estado líquido y parcialmente solubles en estado sólido

• Sistemas que forman compuestos intermetálicos

Un diagrama de equilibrio es la representación gráfica de la temperatura en función de la composición química (normalmente el % en peso) de una aleación binaria. De manera práctica indica qué fases predominan en cada una de las temperaturas en función de la composición. Da mucha información de la micro-estructura de una aleación cuando se enfría lentamente (en equilibrio) a temperatura ambiente. Además, en un diagrama de fase se pueden observar los cambios que se producen en la micro-estructura y en las fases cuando varía la temperatura. Hay que recordar de nuevo que la micro-estructura final afecta notablemente las propiedades mecánicas. Los diagramas de fase son representaciones gráficas de las fases que existen en un sistema de materiales a varias temperaturas, presiones y composiciones. Los diagramas, en su mayoría, se han construido en condiciones de equilibrio (Los diagramas de equilibrio de fases se determinan mediante la aplicación de condiciones de enfriamiento lento), y son utilizados por ingenieros y científicos para entender y predecir muchos aspectos del comportamiento de los materiales.

La calificación de metales y aleaciones es uno de los procesos que más identifica a la Metalurgia. Los procesos de solidificación implican el conocimiento y control de las variables involucradas (por ejemplo, temperatura, composición, Velocidad de flujo, etc.) en el procesamiento de los materiales metálicos para obtener la estructura, la composición y la forma deseada de ellas.

Definiciones.

Equilibrio: un sistema está en equilibrio si no tiene lugar cambios microscópicos con el tiempo.

Fase: una porción física homogénea y diferente de un sistema material.

Diagrama de fases en equilibrio: representación gráfica de temperaturas y composiciones para las cuales varias fases son estables en el equilibrio. En la ciencia de materiales, los diagramas de fases más comunes describen a la temperatura versus composición.

Sistema: una porción del universo que ha sido aislada de tal modo que sus propiedades pueden ser estudiadas.

Regla de las fases de Gibbs: establece que en el equilibrio del número de fases más los grados de libertad es igual al número de componentes más 2, P + F = C + 2. De forma abreviada, con la presión 1= atm, P + F = C + 1.

Grados de libertad F: número de variables (temperatura composición y presión) que se pueden variar independientemente sin cambiar la fase o fases del sistema. Número de componentes de un diagrama de fases: número de elementos que constituyen el sistema del diagrama de fases. Por ejemplo Fe-Ni un sistema de dos componentes.

Sistema isomorfo: un diagrama de fases en el cual solo existe una única fase sólida, esto es, hay solo una estructura en estado sólido.

Líquidus: temperatura a la cual el líquido empieza a solidificarse bajo condiciones de equilibrio.

Sólidus: temperatura durante la solidificación de una aleación a la cual la última parte de la fase liquida se solidifica.

Regla de la palanca: los porcentajes en pesos de las fases en cualquier región de un diagrama de fases binarios se pueden calcular usando esta regla si prevalecen las condiciones de equilibrio.

Reacciones invariantes: transformaciones de fase en equilibrio que se suponen cero grados de libertad.

Temperatura Eutéctica: La temperatura a la cual tiene lugar la reaccion eutéctica.

Composición hipo-eutéctica: Aquella que se encuentra a la izquierda del punto eutéctico.

Composición hiper-eutéctica: Aquella que se halla a la derecha del punto eutéctico

Diagrama de equilibrio de aleaciones totalmente solubles en estado liquido y en estado sólido:Es el diagrama de fases más sencillo; se dan aleaciones de algunos pares de sustancias que son completamente miscibles en fase sólida, como por ejemplo los sistemas Cu-Ni, Sb-Bi, Pd-Ni, KNO3-NaNO3 y d-carvoxima-l-carvoxima.En este tipo de sistema A y B son totalmente solubles tanto en estado sólido como en estado líquido.

Si tomamos distintas concentraciones de éste metal y trazamos sus curvas de enfriamiento empezando por la aleación del 0%B y terminando en la del 100%B, obtenemos una serie de curvas, de las cuales las de los metales puros presentan a las temperaturas inicial y final de la solidificación un tramo horizontal, ya que esta se verifica a temperatura constante. Sin embargo, las curvas de enfriamiento de las aleaciones intermedias presentan dos puntos singulares o de cambio de pendiente, de los cuales el correspondiente a la mayor temperatura marca el comienzo de la solidificación y el otro el final de ésta. La línea que une todos los puntos de comienzo de solidificación se denomina línea de líquidos y la que une el final de solidificación línea de sólidos. El área situada por encima de la línea de líquidos representa una región monofásica, que se presenta en forma de una solución líquida homogénea. La región situada por debajo de la línea de sólidos también corresponde a una sola fase, y las aleaciones situadas en ésta región presentan la forma de una solución sólida homogénea. La zona comprendida entre las dos líneas representa una zona bifásica, y toda aleación que se encuentre dentro de esta zona están formadas por una mezcla de una solución sólida y otra líquida. Si cogemos un punto que está justo en la línea de líquido, si el punto de solidificación del elemento A es superior a la del elemento B, comienza a cristalizar una solución sólida rica en A quedando un líquido rico en B, y a medida que seguimos enfriando los cristales de dicha solución sólida van creciendo hasta llegar a la línea de sólido, donde termina de solidificar la aleación. El último líquido que queda suele ser más rico en metal B por lo que la zona del límite de grano presenta un porcentaje mayor de B.

Diagrama de equilibrio de aleaciones totalmente soluble es estado liquido y parcialmente soluble en estado sólido:En éste caso las soluciones sólidas de un componente en otro que se forman tienen un límite de saturación.

Los puntos de solidificación de los dos componentes puros vienen representados por TA y TB respectivamente. La línea de líquidas será TAETB y la de sólidas TAFEGTB. Como puede verse en éste tipo de diagramas de equilibrio en los puntos de fusión de los metales puros, que a su vez es punto de encuentro de la línea de líquido y de sólido, el diagrama adquiere forma la forma de huso característica de los sistemas que presentan solubilidad total en estado líquido, lo cual es lógico, ya que los componentes son parcialmente solubles en estado sólido y por tanto forman soluciones sólidas. Al solidificar las aleaciones pertenecientes a éste diagrama, nunca se forman cristales puros de A o de B sino que se forman soluciones sólidas o una mezcla de ellas.Las soluciones sólidas se designan por letras griegas, siendo en ésta caso a y ß las regiones correspondientes a las soluciones sólidas monofásicas, las cuales al formarse en las regiones contiguas a los ejes se denominan soluciones sólidas terminales o finales. En él puede verse que al descender la temperatura y alcanzar la temperatura eutéctica, la solución sólida a disuelve un máximo de B, cuya cantidad disminuye si lo hace la temperatura hasta un mínimo. Y lo mismo ocurre en el caso de ß. Este cambio de solubilidad lo indican las líneas FH y GJ, las cuales se denominan líneas de transformación o cambio de solubilidad, e indican la solubilidad máxima de B en A o de A en B en función de la temperatura. Si consideramos el enfriamiento de distintas disoluciones, se observa que en caso de tomar una aleación cuya composición sea la eutéctica lo que tenemos es en primer lugar una solución líquida homogénea que al descender la temperatura hasta la eutéctica se transforma a temperatura constante en una mezcla eutéctica igual que pasara en el caso anterior estudiado, con la única diferencia que ésta mezcla eutéctica en lugar de estar constituida por dos componentes puros, la formarán dos soluciones sólidas. Ahora bien hay que tener en cuenta que como

la solubilidad de B en A y de A en B varía de acuerdo con las líneas de transformación, las cantidades relativas de alfa y beta que componen el eutéctico a temperatura ambiente difieren ligeramente de las obtenidas después de la transformación eutéctica.Si tomamos por otro lado cualquier aleación que no llegue a cortar a la línea del eutéctico, seguirá en su solidificación un proceso igual a la de cualquier aleación del tipo de solubilidad total, es decir comenzará a solidificar una solución sólida rica en uno de los componentes dependiendo si no encontramos a uno u otro extremo del diagrama de equilibrio, quedando un líquido rico en el otro que disminuye al disminuir la temperatura hasta que llega al punto de final de la solicitación donde todo el liquido se ha cristalizado en una solución sólida. Si tomamos por último una aleación que se encuentre dentro de la línea que define el eutéctico, como se puede observar por el diagrama de equilibrio lo que comienza a solidificar es un solución sólida proeutéctica (alfa o beta dependiendo si tenemos una aleación hipo o hipereutéctica respectivamente), quedando al llegar a la temperatura de la transformación eutéctica un líquido de composición eutéctica que se transformará por tanto en la mezcla eutéctica (a+ß). Debido al cambio de solubilidad que presenta un componente en otro las cantidades relativas de cada solución en el eutéctico variará, como se comentó anteriormente, a temperatura ambiente. A continuación se muestra sobre un diagrama de equilibrio de éste tipo cuáles son los constituyentes o estructura de las aleaciones que se dan en cada zona del diagrama.

Diagrama de equilibrio de aleaciones totalmente solubles en estado liquido e insolubles en estado sólido:Los sistemas que presentan un diagrama de fase como el antes descrito se llaman sistemas eutécticos simples. Algunos de ellos son los sistemas Pb-Sb, benceno-naftaleno, Si-Al, KCl-AgCl, Bi-Cd, C6H6-CH3Cl y cloroforma-anilina.Sean A y B dos sustancias miscibles en todas proporciones en la fase líquida y completamente inmiscibles en fase sólida. La mezcla de cantidades arbitrarias de los líquidos A y B origina un sistema monofásico que es una disolución de A y B. Como los sólidos A y B son completamente insolubles entre sí, el enfriamiento de la disolución líquida de A y B ocasiona que A o B se congelen, abandonando la disolución.Una forma común de este tipo de diagramas es, donde TA y TB son los puntos de congelación de A puro y B puro.En el límite de baja temperatura, existe una mezcla bifásica del sólido puro A y el sólido puro B, ya que los sólidos son inmiscibles. En el límite de temperatura elevada existe una única fase formada por la disolución líquida de A y B, ya que los líquidos son miscibles.La curva DE da el descenso del punto de congelación de A por la presencia del soluto B.CFGE es la curva de descenso del punto de congelación de B por el soluto A.Las dos curvas del punto de congelación se interceptan en el punto E. Este punto (E) es el punto eutéctico ("que funde con facilidad").Si se parte del punto R de la figura, y se enfría isobáricamente una disolución de A y B de composición XA. El sistema es cerrado, por lo que la composición global permanece

constante y se desciende verticalmente desde el punto R. Cuando T alcanza T1, empieza a aparecer el sólido B separado de la disolución. Cuando B se congela, el valor de XA, aumenta y (como A es ahora el soluto) el punto de congelación disminuye aún más. A una temperatura T2, existe un equilibrio entre una disolución cuya composición viene dada como XA por el punto G y el sólido B, cuya composición viene dada por el punto I con XA=0. Los extremos de la línea de conjunción (GHI) dan las composiciones de las dos fases en equilibrio.Si T continúa disminuyendo se alcanza finalmente la temperatura eutéctica T3 en el punto K. En ese punto la disolución tiene una composición XA (punto E), y tanto A como B se congelan, por lo que ambos sólidos aparecen cuando se enfría una disolución de composición eutéctica. El resto de la disolución se congela también a la temperatura T3. En el punto K existen tres fases en equilibrio (disolución, sólida A y sólido B), por lo que no se puede aplicar la regla de la palanca. Con tres fases se tiene 1 grado de libertad (F= 2- 3+2=1), este grado de libertad se elimina si se considera P constante e igual a 1atm. Por lo que no existen grados de libertad para el sistema trifásico, y la temperatura T3 permanece constante hasta que toda la disolución se haya congelado y el número de fases se reduzca a2. Por debajo de T3 se enfría una mezcla de sólido A y sólido B (punto S).Si se invierte el proceso y se parte desde el punto S con A y B sólidos, el primer líquido que se forma tendrá la composición eutéctica XA. El sistema se mantiene en el punto K hasta que se haya fundido todo A más la cantidad suficiente de B necesaria para formar una disolución de composición eutéctica. Luego, el sólido B restante se funde entre las temperaturas T3 y T1. Una mezcla sólida que posea la composición eutéctica fundirá completamente a una sola temperatura, la T3. Una disolución de A y B con la composición eutéctica congela a la temperatura T3. Pero, una mezcla eutéctica no es un compuesto, sino una mezcla íntima de cristales de A y cristales de B.