solidificación e imperfecciones cristalinas
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Solidificación e Imperfecciones CristalinasTRANSCRIPT
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Universidad Nacional de Colombia. Tirado Andrs, Gonzlez Carlos. Grupo 7. Solidificacin e Imperfecciones Cristalinas.
Ciencia e Ingeniera de los Materiales, Facultad de Ingeniera. Universidad Nacional de Colombia.
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Resumen A continuacin hablaremos de la solidificacin, su definicin y subdivisiones que lo conforman,
y de las imperfecciones cristalinas que es un tema muy
interesante en cuanto a resolucin de dudas en el proceso de
conformacin de un metal, sus fracturas, punto de ebullicin
y dems propiedades fsicas y mecnicas.
Palabras Clave Estructura Cristalina, Ncleo, Solidificacin, Defecto, Grano.
I. INTRODUCCIN
El uso de los metales puros es limitado y casi
siempre presenta inters cuando se pretende
aprovechar alguna propiedad especfica del metal
puro que resulte muy afectada por la presencia de
tomos extraos. Un ejemplo podra presentarlo el
cobre, cuya excelente conductividad se ve
seriamente mermada con la presencia de tomos de
otro elemento.
Generalmente, en aplicaciones industriales es
necesario modificar algunas propiedades de los
metales puros mediante la formacin de aleaciones,
los efectos de estas adiciones son muy variados
como por ejemplo el aumento de las propiedades
mecnicas o aumentar la resistencia a la corrosin.
El proceso en el cual se logra realizar estas
adiciones es el proceso de solidificacin, y en este
proceso se presentan imperfecciones cristalinas ya
que no existen en realidad los cristales perfectos.
II. GENERALIDADES
El proceso de solidificacin se define como el
proceso en el cual un metal fundido liquido pasa a
un estado slido, en este proceso el metal es
moldeado para lograr una forma acabada o
semiacabada.
En general la solidificacin de un metal se
compone de dos etapas: etapa en la cual se forma un
ncleo estable en el fundido (nucleacin) y etapa en
la cual esos ncleos crecen hasta dar origen a los
cristales y formar una estructura granular
(crecimiento).
El proceso de nucleacin se presenta de dos
formas, de forma homognea y de forma
heterognea. La forma homognea es cuando el
metal lquido fundido proporciona por s mismo los
tomos que se requieren para formar los ncleos. Y
la nucleacin heterognea tiene lugar en la
superficie del recipiente que lo contiene, se forman
ncleos en esta superficie.
Despus de que los ncleos estables se han
formado en un metal en proceso de solidificacin, el
siguiente paso es que estos ncleos crecen para
terminar convirtindose en cristales.
Las imperfecciones cristalinas existen porque en
realidad no existen los cristales perfectos sino que
tienen imperfecciones y defectos que afectan a
muchas de sus propiedades interesantes desde el
punto de vista de la ingeniera, propiedades
mecnicas, conductividad elctrica de
semiconductores, corrosin de metales, etc.
III. PRINCIPIOS FISICOS
A. Solidificacin
La solidificacin de un metal o aleacin fundido
se produce al enfriar el mismo a partir de una
determinada temperatura. Para que la solidificacin
en forma cristalina comience, es necesario que la
energa cintica de los tomos disminuya lo
suficiente (por disminucin de su temperatura)
como para que las fuerzas de cohesin superen a la
vibracin atmica y siten a los tomos en las
posiciones fijas que les corresponden en la red
cristalina. Cuando esto ocurre, en el punto de la
masa fundida (lquida) donde haya sucedido, se
habr formado la primera agrupacin cristalina
formada por uno o varios cristales.
Estas primeras agrupaciones slidas elementales,
Solidificacin e Imperfecciones Cristalinas
Tirado Bravo, Andrs Camilo y Gonzles Caldern, Carlos Yulian. {actiradob, cygonzalezcal}@unal.edu.co. Grupo 7 Universidad Nacional de Colombia. Sede Bogot.
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formadas por unos pocos cristales, reciben el
nombre de embriones, los cuales tienen el peligro
de autodestruirse con el calor liberado al formarse
debido a la agitacin de los tomos. Para que esto
no ocurra, dicho calor latente emanado por ellas
mismas al solidificar, debe ser fcilmente absorbido
por el enfriamiento para evitar que vuelva a calentar
y fundir la partcula slida formada. Por esta razn
slo una parte de los embriones formados
prevalecern y seguirn creciendo, mientras que el
resto se autodestruirn.
Esta situacin de peligro de los embriones tiene
un lmite, ya que la energa especfica liberada por
un embrin crece con su tamao hasta un valor
mximo (ver figura 1) a partir del cual desciende.
Los embriones que alcanzan un tamao,
denominado tamao crtico y que se representa por
r* dejan de estar en peligro de autodestruccin y se
convierten en ncleos de cristalizacin con carcter
estable.
Figura 1. Cambio de energa libre G frente al radio del
embrin o ncleo originado en la solidificacin de un metal
puro.
A medida que la solidificacin progresa, los
ncleos aumentan de tamao hasta que al final de la
solidificacin de toda la masa lquida, cada ncleo
se convierte en un grano. Por tanto, el slido estar
constituido por granos, despus de haber seguido la
evolucin representada en la figura 2, donde unos
embriones crecen hasta hacerse ncleos, y estos
terminan convirtindose en granos, pasando por
situaciones donde las partculas slidas eran islas
separadas en la masa lquida, a otras donde el resto
del lquido por solidificar forma lagunas encerradas
entre las zonas slidas, hasta que termina
agotndose al terminar la solidificacin. Todo este
proceso se conoce como la nucleacin el cual
consiste en la formacin de ncleos estables antes
de la cristalizacin estos ncleos.
Figura 2. Proceso de Solidificacin.
Despus de que los ncleos estables se han
formado en un metal en proceso de solidificacin, el
siguiente paso es que estos ncleos crecen para
terminar convirtindose en cristales. En cada cristal,
los tomos estn dispuestos en una ordenacin
esencialmente regular, pero la orientacin de cada
cristal vara. Cuando finalmente la solidificacin del
metal se completa, los cristales se agregan en
diferentes orientaciones y forman fronteras
cristalinas sobre los que los cambios de orientacin
tienen lugar en distancias de unos pocos tomos.
Los cristales en el metal solidificado se
denominan granos y las superficies entre ellos
bordes de grano.
El nmero de lugares de nucleacin disponibles
para el metal de enfriamiento afectar a la estructura
granular del metal slido formado. Si hay pocos
puntos de nucleacin disponibles durante la
solidificacin se producir una estructura vasta de
grano grueso. Por el contrario, si hay muchos
puntos de nucleacin durante la solidificacin se
formar una estructura de grano fino. Hay que
sealar que la mayora de los metales y aleaciones
empleados en ingeniera son procesados de manera
que presenten una estructura de grano fino, ya que
sta nos ofrece propiedades ms uniformes y
materiales metlicos ms resistentes.
B. Imperfecciones Cristalinas
Hasta ahora hemos estado hablando de redes
cristalinas perfectas, en las que todos los tomos
ocupaban su lugar ordenadamente, pero esto no es
as. En realidad no existen los cristales perfectos
sino que tienen imperfecciones y defectos que
afectan a muchas de sus propiedades interesantes
desde el punto de vista de la ingeniera, propiedades
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mecnicas, conductividad elctrica de
semiconductores, corrosin de metales, etc.
Las imperfecciones de las redes cristalinas se
clasifican en funcin de su geometra y forma. Las
tres principales divisiones son:
Defectos puntuales: vacantes y defectos intersticiales.
Defectos de lnea o de una dimensin: Dislocaciones.
Defectos de superficie que implican dos dimensiones: bordes de grano.
IV. CLASIFICACIN
A. Nucleacin Homognea
Cuando al lquido se le enfra bastante por debajo
de la temperatura de solidificacin en equilibrio,
hay una probabilidad mayor de que los tomos se
renan para dar lugar a embriones de tamao
superior al crtico. Adems hay una mayor
diferencia de energa volumtrica entre el lquido y
el slido, la cual reduce el tamao crtico del
ncleo. En definitiva, la nucleacin homognea
ocurre cuando el subenfriamiento se hace lo
suficientemente grande como para permitir que el
embrin exceda el tamao crtico necesario y no se
funda.
Por tanto, en la nucleacin homognea de un
metal puro en proceso de solidificacin, hay dos
tipos de cambios de energa que deben tenerse en
cuenta:
1. Energa libre volumtrica o global, liberada
por la transformacin de lquido a slido
2. Energa superficial, requerida para formar las
nuevas superficies slidas de las partculas
solidificadas.
Cuando un metal lquido puro se enfra
lentamente por debajo de su temperatura de
solidificacin en equilibrio, la energa motriz para la
transformacin de lquido a slido es la diferencia
entre la energa libre volumtrica Gv del lquido y
del slido. Si Gv es el cambio de energa libre
entre el lquido y el slido por unidad de volumen
del metal, entonces el cambio de energa libre para
un ncleo esfrico de radio r es 4/3r3Gv, ya que
el volumen de una esfera es 4/3r3. El cambio en la
energa libre volumtrica frente al radio de un
embrin o ncleo se muestra esquemticamente en
la figura 1 en la curva inferior y es una cantidad
negativa, ya que la energa se libera por la
transformacin de lquido a slido. De la misma
manera se define Gs como el cambio total de
energa libre superficial, el cual es igual a 4r2
siendo la cantidad de energa libre superficial
especifica. Entonces el cambio total de energa libre
GT ser la suba del cambio de energa libre
superficial y el cambio de energa libre volumtrica,
GT = 4/3r3Gv + 4r2.
B. Nucleacin Heterognea
Se denomina de este modo a la nucleacin que se
produce en un lquido bien sobre las superficies del
recipiente que lo contienen, bien sobre alguna
impureza insoluble que se encuentre presente, o
sobre otras materias estructurales que reduzcan la
energa libre crtica requerida para formar un ncleo
estable. Normalmente en las operaciones de
fundicin industrial no se producen grandes
subenfriamientos, estos varan entre 0.1 y 10oC y
por lo tanto la nucleacin suele ser heterognea.
La energa de nucleacin ocurre sobre el agente
de nucleacin porque la energa superficial para
formar el ncleo estable es inferior que si el ncleo
se formara en el propio liquido puro. Al ser menor
la energa superficial en la nucleacin heterognea,
el cambio de energa libre total para la formacin
del ncleo estable deber ser tambin menor y
tambin ser menor el tamao del ncleo crtico. En
conclusin se requiere menor subenfriamiento para
para la nucleacin heterognea.
C. Granos Equiaxiales
Si la nucleacin y las condiciones de crecimiento
en el metal lquido durante la solidificacin son
tales que los cristales pueden crecer por igual en
todas las direcciones, entonces los granos formados
resultantes sern de tipo equiaxial.
D. Granos Columnares
Cuando el metal solidifica lentamente en
presencia de una reduccin regular de temperatura
(gradiente trmico), y se dispone de pocos ncleos
(subenfriamiento pequeo), los granos tendern a
crecer perpendicularmente a las caras del molde ya
que los gradientes trmicos son mayores en esas
direcciones, y los granos resultantes sern largos,
delgados y gruesos, con la consiguiente anisotropa
de propiedades en el metal resultante.
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E. Materiales Policristalinos
Si un material, despus de haber solidificado
completamente contiene muchos cristales se
denomina policristalino.
F. Materiales Monocristalinos
Los materiales que estn constituidos por un nico
grano y que no presente bordes de grano, son los
denominados materiales monocristalinos o
monocristales.
Para poder obtener un material monocristalino de
lo primero que hay que partir es que en la
solidificacin slo est presente un nico ncleo
que deber crecer hasta terminar de solidificar todo
el metal, y de manera que no se forme ningn otro
cristal. Para que esto suceda, la temperatura de la
interface slido-lquido debe ser ligeramente
inferior al punto de fusin del metal slido, y la
temperatura del lquido debe aumentar hasta una
temperatura superior que la interface.
Para lograr este gradiente de temperatura, el calor
desprendido cuando el metal solidifica (calor latente
de solidificacin) se debe conducir a travs del
cristal que est solidificando. La velocidad de
crecimiento del cristal deber de ser lenta, de modo
que la temperatura de interface slido-lquido est
por debajo del punto de fusin del cristal que est
siendo solidificado.
G. Defectos Puntuales
El ms simple de estos defectos es la vacante, que
no es ms que el agujero que deja un tomo que
ocupaba una posicin y que por alguna causa se
pierde. Normalmente las vacantes se suelen
producir durante el proceso de solidificacin por
perturbaciones locales durante el crecimiento de un
cristal, o por reordenaciones atmicas debidas a la
movilidad de los tomos.
Pero adems de estas vacantes originadas durante
la solidificacin del metal, se pueden formar otras
adicionales producidas por deformaciones plsticas
severas, por enfriamientos bruscos desde elevadas
temperaturas del metal o por bombardeo externo
con tomos o partculas de alta energa. Estas
vacantes adicionales no son defectos de equilibrio
como las anteriores y tienen tendencia a agruparse
formando clusters dando lugar a la formacin de vacantes y trivacantes. Las vacantes pueden
trasladarse intercambiando sus posiciones con las de
sus tomos vecinos, lo cual es un hecho de gran
importancia en la difusin de tomos en estado
slido, particularmente a altas temperaturas donde
la movilidad de los tomos es mayor.
El otro tipo de defecto puntual ocurre cuando un
tomo en un cristal ocupa un lugar intersticial entre
tomos que se encuentran en sus sitios atmicos
normales. Este tipo de defecto se denomina
autointersticial o intersticial, y no ocurren en la
naturaleza por una distorsin estructural sino que se
pueden introducir en una estructura por irradiacin.
Tambin pueden considerarse defectos puntuales
a las impurezas atmicas de tipo sustitucional o
intersticial en cristales covalentes o metlicos.
Figura 3. Tipos defectos puntuales.
H. Defectos de Lnea
Se denominan dislocaciones a los defectos
lineales presentes en las estructuras cristalinas, que
no son ms que la ausencia de toda una lnea de
posiciones atmicas. Existen dos tipos de
dislocaciones fundamentalmente: La dislocacin de
cua o borde y la dislocacin de hlice o helicoidal.
Una dislocacin puede considerarse provocada
por la insercin parcial en un cristal de un plano
atmico extra. Esto implica que la mayor parte de la
distorsin ocasionada por este plano extra de
tomos se localizar alrededor del lmite inferior del
semiplano de tomos extras. A esta zona le
denominaremos por tanto, ncleo de la dislocacin,
ya que es donde se produce la mxima distorsin de
la estructura cristalina. Lejos de esta zona, la
distorsin es simplemente elstica. En el ncleo de
la dislocacin existirn posiciones que estn
comprimidas y otras que estn traccionadas, lo que
implicar la presencia de tensiones cortantes
normales a estas direcciones.
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Figura 4. Dislocacin de cua o borde.
Figura 5. Dislocacin de hlice o helicoidal.
Tanto la dislocacin de cua como la de hlice
representadas en las figuras 4 y 5, son
imperfecciones lineales que se sitan en un plano y
en el espacio respectivamente, con consecuencias
similares sobre la respuesta de los metales.
Las dislocaciones se crean durante la
solidificacin del slido cristalino, aunque tambin
se pueden originar a causa de una deformacin
plstica o permanente del cristal, por condensacin
de vacantes y por desajustes atmicos en
disoluciones slidas.
A la distancia de desplazamiento de los tomos
alrededor de una dislocacin se denomina vector de
Burgers y es perpendicular a la lnea de dislocacin
de borde y paralelo a la lnea de dislocacin de
hlice.
I. Defectos Superficiales
Los bordes de grano, podemos considerarlos como
imperfecciones en la superficie de materiales
policristalinos que separan granos de diferentes
orientaciones. En los metales, los bordes de grano
se crean durante la solidificacin cuando los
cristales que van creciendo a partir de ncleos se
encuentran unos con otros. El borde de grano es una
superficie estrecha entre dos granos de unos dos a
cinco dimetros atmicos de anchura, pudiendo
definirse como una regin de tomos mal
emparejados entre granos vecinos.
Figura 6. Ejemplo de efectos superficiales
El empaquetamiento atmico existente en los
bordes de grano es inferior que dentro de los granos,
debido al mal emparejamiento atmico. Estos
bordes tambin tienen algunos tomos en posiciones
rgidas, lo que aumenta la energa de la regin. La
alta energa de los bordes de grano, y su estructura
ms abierta debido al desorden atmico que se
produce en ellos, hacen de los mismos una regin
ms favorable para la nucleacin y el crecimiento
de precipitados. Adems, el ms bajo
empaquetamiento de los bordes de grano tambin
permite una difusin ms rpida de los tomos en la
regin de bordes de grano. A temperaturas
ordinarias prximas al ambiente, los bordes de
grano tambin limitan el flujo plstico creando
dificultades para el movimiento de las dislocaciones
a travs de los mismos.
Esto va a significar que el los materiales, y
fundamentalmente en los metales policristalinos sea
muy importante conocer su tamao de grano ya que,
la cantidad de superficie de lmite de grano tiene un
efecto notable en muchas de las propiedades de los
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metales, fundamentalmente en su resistencia
mecnica.
V. APLICACIONES
El proceso de solidificacin tiene su aplicacin en
la creacin y formacin de las aleaciones metlicas..
VI. CONCLUSIONES
Las imperfecciones cristalinas pueden ser
justificadas por la solidificacin o
reordenamiento atmico de los metales.
Las estructuras cristalinas justifica las
propiedades fsicas y mecnicas de los
metales como la densidad, dilatacin
trmica, punto de fusin, entre otros.
Las imperfecciones cristalinas afectan a
muchas propiedades importantes de
materiales para la ingeniera como :
Conformacin en frio de aleaciones,
conductividad elctrica, velocidad de
migracin de tomos y la corrosin de los
metales.
REFERENCIAS
[1] William F. Smith Fundamentos de la Ciencia e Ingeniera de Materiales. Tercera Edicin. Ed. Mc-Graw Hill.
[2] James F. Shackerlford Introduccin a la Ciencia de Materiales para Ingenieros. Cuarta edicin. Ed. Prentice Hall (1998).
[3] W. D. Callister Introduccin a la Ciencia e Ingeniera de los Materiales. Libro I (Captulo 7) Ed. Revert (2000).