Relación entre las Propiedades de los Materiales y los Defectos Atómicos Cristalinos

Las propiedades de los metales están muy relacionadas con la estructura interna y sus características como son: densidad de dislocaciones y de vacancias, tipo de estructura de bloques y subgranos. Los límites entre granos poseen una energía mayor que el interior del grano y en él se acumulan defectos e impurezas ocurriendo en esta región muchos procesos.

Concepto de Difusión y Diferentes Tipos de Difusión

Por Difusión se entiende el desplazamiento de los átomos en el cuerpo cristalino a distancias que superan las medias interatómicas de la sustancia dada.

Tipos de Difusión:

• Autodifusión: Cuando los desplazamientos de los átomos no están vinculados con cambios de la concentración en volúmenes aislados, entonces dicho proceso se denomina Autodifusión, el cual consiste en el desplazamiento de los átomos del metal base.
• Difusión o Heterodifusión: Esta por el contrario, va acompañada de un cambio de concentración, lo que tiene lugar en las aleaciones.

La Difusión ocurre porque todo átomo efectúa vagabundeos más o menos accidentales; es decir, una serie de saltos entre las diferentes posiciones de equilibrio en la red cristalina. No es un movimiento de átomos aislados, sino un flujo macroscópico de la sustancia. En un sistema de dos o más componentes la difusión es posible, únicamente, si uno de los componentes es soluble en el otro

Clasificación y Características de los Mecanismos de Difusión

• Mecanismo de difusión por vacancias o substitucional.
• Mecanismo de difusión intersticial.

En ambos casos los átomos que se difunden deberán tener una posición vacía hacia donde trasladarse.

1ra Ley de Fick de la Difusión

La 1ra Ley de Fick caracteriza la direccionalidad del proceso, demostrando que el flujo de la sustancia difundida durante la difusión estacionaria es proporcional al gradiente de concentración y está dirigido hacia la disminución de la concentración

2da Ley de Fick de la Difusión

Esta ley establece que: La relación de cambio de la composición de la muestra es igual a la difusividad, por la velocidad de cambio de gradiente de concentración

Factores que Influyen en el Coeficiente de Difusión

• Mecanismo de difusión: Intersticial o sustitucional: El que la difusión sea intersticial o sustitucional afectará al coeficiente de difusión. Los átomos pequeños se pueden difundir intersticialmente en la red cristalina de átomos del disolvente de gran tamaño
• Temperatura: la temperatura a la cual tiene lugar la difusión afecta en gran manera al valor del coeficiente de difusión. Según aumenta la temperatura, el coeficiente de difusión se ve incrementado
• Tipo de estructura cristalina de la red del disolvente: La razón para esta diferencia es que la estructura cristalina b.c.c. tiene un factor de empaquetamiento de 0,68, menor que el de la estructura cristalina f.c.c. que es de 0,74. Cuanto menos densa sea la estructura cristalina, más fácil ocurren los procesos difusividad.
• Tipo de imperfecciones cristalinas: vacancias, límites de grano, etc. Todos los defectos influyen en la movilidad difusiva de los átomos. La difusión a lo largo de los límites de los granos se desarrolla a una velocidad mayor que en el volumen del grano. Esto se debe a que los limites de grano contienen una concentración elevada de vacancias e irregularidades en la disposición de los átomos lo cual aumenta la probabilidad de movimiento de los átomos y disminuye la energía de activación Q.
• Concentración de las especies que se difunde

Características de los Cristales Metálicos Reales

• Tienen pequeñas dimensiones
• También se denominan granos
• Las superficies entre ellos, fronteras, bordes o límites de granos
• Casi todos los materiales cristalinos en ingeniería son policristalinos

Anisotropía y Seudoisotropía

En un cristal aislado, en una dirección dada las propiedades difieren de sus propiedades en otra dirección y dependen de la cantidad de átomos que se encuentran en esa dirección. Este fenómeno recibe el nombre de Anisotropía.

En un metal real, que está formado por muchos cristales, con distinta orientación planar cada uno, en cualquier dirección se encuentra aproximadamente la misma cantidad de cristales orientados al azar, obteniéndose en este cuerpo las propiedades en todas las direcciones. Este fenómeno se llama Seudoisotropía.

Defectos Atómicos Cristalinos Puntuales

Los defectos puntuales son pequeños en sus tres dimensiones. Como defectos puntuales se conocen:

• Las vacancias o huecos.
• Los átomos intersticiales o dislocados

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 temperatura hace aumentar el número de vacancias.

Defectos Atómicos Cristalinos Lineales

Un defecto importante de imperfección lo constituye la dislocación considerada un defecto lineal ya que posee una magnitud considerable en una dimensión y las otras dos son muy pequeñas. La dislocación no es más que un plano adicional incompleto o un semiplano atómico intercalado. El semiplano extra origina un defecto lineal en la red que se denomina dislocación de borde.

Defectos Atómicos Cristalinos Superficiales

Los defectos superficiales o estructurales son pequeños en una sola dimensión, por lo que constituyen un plano.

Este defecto se encuentra en la superficie de separación entre los distintos granos de un metal policristalino, como resultado de la distribución no uniforme que presentan los átomos en la zona límite entre granos.

Concepto de Cristalización

Se define por Cristalización al paso del metal del estado líquido al sólido lo cual ocurre como resultado del paso de un estado a otro más estable o con una energía libre menor.

Fundamentación Termodinámica del Proceso de Cristalización

Como a la temperatura Ts la Energía Libre del sólido es igual a la Energía Libre del líquido dicha temperatura será la teórica o de equilibrio de cristalización.

¿Puede ocurrir la cristalización en el punto de equilibrio?

Recordando nuevamente la segunda Ley de la Termodinámica, será necesario una disminución de la Energía Libre del sistema para que comience el cambio de estado. Sin embargo, para que disminuya la Energía Libre (ΔF) el líquido debe enfriarse por debajo de Ts, o sea, hasta T cr, conocida como Temperatura Efectiva de Cristalización.

Mecanismos del Proceso de Cristalización

En general, la solidificación de un metal o aleación puede dividirse en las siguientes etapas:

• La formación de núcleos estables en el metal fundido (nucleación)
• El crecimiento de núcleos para formar cristales; y, la formación de una estructura granular

En la figura se representa esquemáticamente el proceso de cristalización en sus dos etapas:

• Formación de los primeros núcleos cristalino (Nucleación); y,
• Crecimiento de los cristales

La velocidad del proceso de cristalización se mide por la velocidad de nucleación (VN) en función del número de centros creados (NC); y, por la velocidad de crecimiento de los núcleos (VC), las cuales dependen del grado de subenfriamiento y será la relación entre estos factores quien determine el tamaño final del cristal.