solidificación e imperfecciones cristalinas

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Universidad Nacional de Colombia. Tirado Andrés, González Carlos. Grupo 7. Solidificación e Imperfecciones Cristalinas. Ciencia e Ingeniería de los Materiales, Facultad de Ingeniería. Universidad Nacional de Colombia. 1 Resumen A continuación hablaremos de la solidificación, su definición y subdivisiones que lo conforman, y de las imperfecciones cristalinas que es un tema muy interesante en cuanto a resolución de dudas en el proceso de conformación de un metal, sus fracturas, punto de ebullición y demás propiedades físicas y mecánicas. Palabras Clave Estructura Cristalina, Núcleo, Solidificación, Defecto, Grano. I. INTRODUCCIÓN El uso de los metales puros es limitado y casi siempre presenta interés cuando se pretende aprovechar alguna propiedad específica del metal puro que resulte muy afectada por la presencia de átomos extraños. Un ejemplo podría presentarlo el cobre, cuya excelente conductividad se ve seriamente mermada con la presencia de átomos de otro elemento. Generalmente, en aplicaciones industriales es necesario modificar algunas propiedades de los metales puros mediante la formación de aleaciones, los efectos de estas adiciones son muy variados como por ejemplo el aumento de las propiedades mecánicas o aumentar la resistencia a la corrosión. El proceso en el cual se logra realizar estas adiciones es el proceso de solidificación, y en este proceso se presentan imperfecciones cristalinas ya que no existen en realidad los cristales perfectos. II. GENERALIDADES El proceso de solidificación se define como el proceso en el cual un metal fundido liquido pasa a un estado sólido, en este proceso el metal es moldeado para lograr una forma acabada o semiacabada. En general la solidificación de un metal se compone de dos etapas: etapa en la cual se forma un núcleo estable en el fundido (nucleación) y etapa en la cual esos núcleos crecen hasta dar origen a los cristales y formar una estructura granular (crecimiento). El proceso de nucleación se presenta de dos formas, de forma homogénea y de forma heterogénea. La forma homogénea es cuando el metal líquido fundido proporciona por sí mismo los átomos que se requieren para formar los núcleos. Y la nucleación heterogénea tiene lugar en la superficie del recipiente que lo contiene, se forman núcleos en esta superficie. Después de que los núcleos estables se han formado en un metal en proceso de solidificación, el siguiente paso es que estos núcleos crecen para terminar convirtiéndose 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 ingeniería, propiedades mecánicas, conductividad eléctrica de semiconductores, corrosión de metales, etc. III. PRINCIPIOS FISICOS A. Solidificación La solidificación de un metal o aleación fundido se produce al enfriar el mismo a partir de una determinada temperatura. Para que la solidificación en forma cristalina comience, es necesario que la energía cinética de los átomos disminuya lo suficiente (por disminución de su temperatura) como para que las fuerzas de cohesión superen a la vibración atómica y sitúen a los átomos en las posiciones fijas que les corresponden en la red cristalina. Cuando esto ocurre, en el punto de la masa fundida (líquida) donde haya sucedido, se habrá formado la primera agrupación cristalina formada por uno o varios cristales. Estas primeras agrupaciones sólidas elementales, Solidificación e Imperfecciones Cristalinas Tirado Bravo, Andrés Camilo y Gonzáles Calderón, Carlos Yulian. {actiradob, cygonzalezcal}@unal.edu.co. Grupo 7 Universidad Nacional de Colombia. Sede Bogotá.

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Solidificación e Imperfecciones Cristalinas

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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.

    1

    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.

  • 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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    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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    Ciencia e Ingeniera de los Materiales, Facultad de Ingeniera. Universidad Nacional de Colombia.

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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.

  • 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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    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).