Tema 5 Fases sólidas en los materiales. Formación de la microestructura.

Transcripción

1 Tema 5 Fases sólidas en los materiales. Formación de la microestructura. os materiales en estado sólido poseen microestructura. a microestructura no es más que el conjunto de granos, o cristales, observados generalmente por medio de un microscopio óptico. a microestructura de un material se forma durante el proceso de solidificación del mismo. Suponga que se tiene un metal cualquiera en estado líquido dentro de un recipiente. os átomos que forman al metal poseen una cierta cantidad de energía almacenada. A esa energía almacenada se le llama Energía ibre de Volumen, y se representará por la letra G. El metal en estado líquido posee entonces una Energía ibre de Volumen G. Imagínese que el metal dentro del recipiente se vuelve sólido. Suponga que la solidificación se da a temperatura constante, es decir, la temperatura del metal líquido es la misma que la del metal sólido. os átomos en estado sólido también poseen una cierta cantidad de Energía ibre de Volumen almacenada. A esa cantidad se le representará por G S. Para la misma cantidad de material y para la misma temperatura, la Energía ibre de Volumen en estado líquido es diferente a la Energía ibre en estado sólido. El líquido posee mayor Energía ibre que el sólido a la misma temperatura. S G > G S G G S Cuando el material pasa de líquido a sólido a temperatura constante, debe cambiar su Energía ibre de Volumen en una cantidad G = G S - G. Como la Energía del sólido es menor que la del líquido, durante el cambio de fase el material libera energía en una cantidad igual a G. Por otro lado, cuando se va formando el sólido durante el cambio de fase, se forma también una superficie, la cual no es más que una interfase entre el sólido y el entorno que lo rodea. os átomos que forman la superficie poseen mayor energía que los átomos que se encuentran en el interior del sólido. A la energía que se guarda en la superficie del sólido se le llama Energía ibre de Superficie, y se representa por la letra λ. 43

2 s superficie En el proceso de solidificación se dan entonces dos fenómenos de transferencia de energía: os átomos que pasan del estado líquido al sólido liberan la energía G. os átomos que forman la superficie del sólido absorben la energía λ. Suponga que los átomos cuando solidifican forman una esfera de radio r. S El cambio total de energía para la esfera será: E = 4/3πr 3 ( G) + 4πr 2 λ 44

3 De la termodinámica sabemos que los fenómenos espontáneos en la naturaleza siempre se dan en la dirección hacia donde la energía total disminuye. Para el proceso de solidificación se ha propuesto lo siguiente: Si el radio r de la partícula es menor que r*, al aumentar el radio de la esfera (lo que significa que el líquido que la rodea solidifica debido a que los átomos se adhieren a la esfera) aumenta la energía total de la esfera. Este fenómeno no puede ser espontáneo y la partícula (llamada embrión) se desintegra (sus átomos vuelven al estado líquido). Sin embargo, si el radio de la partícula es mayor que r*, la energía total de la esfera disminuye cuando ésta aumenta su radio. a esfera crece espontáneamente haciendo que los átomos que le rodean se adhieran al sólido. En este caso la esfera recibe el nombre de núcleo. Durante la solidificación se forman muchos núcleos simultáneamente y cada uno de ellos crecerá y formará un grano de material. Todo es líquido se forman varios cada núcleo cada núcleo núcleos crece forman un grano a solidificación del material se da por medio de un proceso de nucleación y crecimiento. 45

4 a nucleación se divide en dos tipos: 1. Nucleación Homogénea: cuando se juntan varios átomos y forman un núcleo completamente rodeado de líquido. 2. Nucleación Heterogénea: cuando el núcleo se forma sobre impurezas o en las paredes que contienen líquido. El núcleo no se encuentra totalmente rodeado de líquido. r Núcleo homogéneo Núcleo heterogéneo El área superficial del núcleo heterogéneo es menor, por lo que requiere de menor cantidad de energía λ para formarse. Normalmente los procesos de solidificacion reales comienzan debido a una nucleación heterogénea. a nucleación homogénea raras veces se da en la vida real. Cuando el material es puro, es decir cuando está formado por átomos de la misma naturaleza química, todos los granos que se forman durante la solidificación poseen la misma estructura cristalina. Cuando el material posee impurezas (átomos de diferente naturaleza química), pueden formarse granos con diferente estructura cristalina. a microestructura del material no es más que el conjunto de granos (ya sean iguales o diferentes) observados por medio de un microscopio óptico. Microestructura de un acero mostrando granos con dos estructuras cristalinas diferentes 46

5 En la microestructura del material, al conjunto de granos que poseen la misma estructura cristalina y las mismas propiedades se le llama fase. En la fotografía anterior, el material está formado por dos fases: la fase clara y la fase oscura. Cada fase está formada por muchos granos. Todos los granos que pertenecen a la misma fase tienen la misma estructura cristalina y las mismas propiedades. En estado sólido, un material puede poseer varias fases sólidas. a combinación de estas fases define las propiedades del material. 47