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Solidificación de materiales metálicos e imprefecciones cristalinas

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SOLIDIFICACIÓN EN MATERIALES METÁLICOS Etapas del proceso de solidificación:

1. Formación de núcleos estables en el metal líquido (nucleación)

2. Crecimiento de núcleos hasta dar origen a cristales

3. Unión de cristales para formar granos. 1. FORMACIÓN DE NÚCLEOS ESTABLES Dos procesos:
Nucleación homogénea y Nucleación heterogénea En la nucleación homogénea:
Es el metal fundido quién proporciona por sí mismo los átomos para formar los núcleos.
Cuando se baja la temperatura de un metal líquido por debajo de su punto de fusión se comienzan a formar núcleos (conjunto de átomos con menor velocidad que se mantienen juntos)
Requiere un alto grado de subenfriamiento, (descenso de la temperatura por debajo de su punto de fusión) hasta varios cientos de grados en algunos metales. Para que un núcleo estable pueda transformarse en un cristal debe alcanzar un tamaño crítico.
Un conglomerado de átomos de menor tamaño al tamaño crítico se llama embrión, cuando es mayor al tamaño crítico es que se denomina núcleo.
Los embriones se forman y se “disuelven” constantemente, debido al movimiento de los átomos. A mayor grado de subenfriamiento por debajo de la temperatura de fusión, menor es el radio crítico. Nucleacion heterogénea

La nucleación tiene lugar sobre la superficie del recipiente o impurezas insolubles.
Se requiere menor subenfriamiento para producir un núcleo estable por nucleación heterogénea. El número de lugares de nucleación disponibles para el metal en proceso de enfriamiento afectará a la estructura granular de metal sólido producido.
Si hay pocos puntos de nucleación durante la solidificación , se produce una estructura de grano gruesa y tosca.
Si hay muchos lugares de nucleación durante la solidificación, se obtendrá una estructura de grano fino. El principal factor que afecta la formación de granos son los gradientes térmicos. Granos en columnas, son alargados, delgados y “toscos” se producen cuando hay relativamente pocos núcleos disponibles. Esto es cuando el metal solidifica con relativa lentitud en presencia de un excesivo gradiente térmico.
Muchas veces son perpendiculares a las caras del molde ya que los mayores gradientes se producen en esas direcciones. Los límites de grano son defectos interfaciales, en materiales policristalinos son límites que separan granos o cristales de diferentes orientaciones.
En metales se crean durante la solidificación cuando los cristales se han formado de diferentes núcleos que crecen simultaneamente juntandose unos a otros.
Los límites son zonas de unos 2 a 5 diámetros atómicos, dónde existe cierta desalineación y que por este motivo tienen un empaquetamiento menor que dentro de los granos.
La cantidad y la superficie del límite de grano tiene efectos en muchas propiedades de los metales, en especial en la resistencia.
A temperaturas bajas (PF/2) los límites de granos restringen el movimiento de las dislocaciones bajo presión.
A altas temperaturas puede tener lugar un desplazamiento del límite de grano, considerándose regiones de baja resistencia. 2. CRECIMIENTO DE NÚCLEOS Los núcleos crecen hasta formar cristales. Un metal solidificado que contiene muchos cristales se denomina policristalino. En cada cristal los átomos están ordenados (como vimos) pero la orientación del cristal varía.
Cuando se completa la solidificación del metal, los cristales se juntan unos con otros en diferentes orientaciones y forman límites cristalinos en los que los cambios de orientación tienen lugar a una distancia de unos pocos átomos.
Los cristales en el metal solidificado se llama granos y las superficies entre ellos límites de grano. La mayoría de los metales y aleaciones en ingeniería se preparan con una estructura de grano fino, que es más deseable para conseguir buena resistencia y uniformidad en productos metálicos terminados. Cuando un metal solidifica se solidifica sin refinadores de grano (material añadido a un metal fundido para obtener granos más finos en la estructura granular), se producen normalmente dos tipos de estructuras de granos: Granos equiaxiales: cuando los cristales pueden crecer por igual en todas direcciones, se encuentran generalmente junto a la pared del molde que se encuentra a menor temperatura. Esta baja en la temperatura del molde posibilita la formación de muchos núcleos que es necesario para granos equiaxiales IMPERFECCIONES CRISTALINAS No existen cristales perfectos, estas imperfecciones afectan muchas de sus propiedades físicas y mecánicas, que a su vez tienen repercusión sobre propiedades interesantes desde el punto de vista de la ingeniería, tales como la conductividad eléctrica de semiconductores, la velocidad de migración de átomos en aleaciones y la corrosión de metales. Las imperfecciones de la red cristalina están clasificadas de acuerdo con su geometría y forma.
Las tres principales son:

1) Defectos puntuales de dimensión cero.

2) Defectos de líneas o de una dimensión (dislocaciones)

3) Defectos de dos dimensiones, los cuales incluyen superficies externas y bordes de grano interno.

Los defectos macroscópicos tridimensionales pudieran ser también incluidos. Ejemplos de estos defectos son poros, fisuras e inclusiones externas. Defectos puntuales Vacante, faltante de un átomo (por reordenamiento, por perturbaciones durante la solidificación)

Existe cierto número normal de vacantes, pero pueden producirse en exceso por:
Deformación plástica de un metal
Enfriamiento rápido a temperaturas muy por debajo de su PF
Bombardeo con partículas muy energéticas como neutrones.
Estas tienden a agruparse en, di, tri vacantes.
Las vacantes pueden trasladar su posición con sus vecinas, este es un proceso importante en la difusión de átomos en estado sólido, principalmente a altas temperaturas dónde la movilidad de los átomos es mayor. A veces un átomo en un cristal puede ocupar un hueco intersticial entre átomos que ocupan posiciones atómicas normales. Este tipo de defecto puntual se llama intersticia, en general no ocurren naturalmente pero sí por radiación.
Las impurezas atómicas de tipo sustitucional o intersticial son también defectos puntuales. Defectos de línea
Son defectos que dan lugar a una distorsión de la red en torno a una línea.
Se pueden dar tanto en la solidificación, como por deformación plástica de un sólido cristalino, o por condensación de vacantes.
Tienen mucha importancia en las propiedades de los metales, los defectos de línea llamados dislocaciones.
Éstas pueden ser de dos tipos: En cuña, que se puede considerar como un semiplano «extra» en la red cristalina. En hélice, en la que los planos perpendiculares al defecto lineal se enrollan a su alrededor. Defectos de dos dimensiones
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