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

Tema 5
Fases sólidas en los materiales. Formación de la
microestructura.
Los materiales en estado sólido poseen microestructura. La microestructura no es más
que el conjunto de granos, o cristales, observados generalmente por medio de un
microscopio óptico. La 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.
Los átomos que forman al metal poseen una cierta cantidad de energía almacenada. A
esa energía almacenada se le llama Energía Libre de Volumen, y se representará por la
letra G. El metal en estado líquido posee entonces una Energía Libre de Volumen GL.
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. Los átomos en estado sólido también poseen una
cierta cantidad de Energía Libre de Volumen almacenada. A esa cantidad se le
representará por GS.
Para la misma cantidad de material y para la misma temperatura, la Energía Libre de
Volumen en estado líquido es diferente a la Energía Libre en estado sólido. El líquido
posee mayor Energía Libre que el sólido a la misma temperatura.
L
S
GL
GS
GL > GS
Cuando el material pasa de líquido a sólido a temperatura constante, debe cambiar su
Energía Libre de Volumen en una cantidad ∆G = GS - GL. 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. Los 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 Libre de Superficie, y se representa por la letra
λ.
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L
L
L
s
superficie
En el proceso de solidificación se dan entonces dos fenómenos de transferencia de
energía:
• Los átomos que pasan del estado líquido al sólido liberan la energía ∆G.
• Los átomos que forman la superficie del sólido absorben la energía λ.
Suponga que los átomos cuando solidifican forman una esfera de radio r.
L
S
El cambio total de energía para la esfera será:
∆E = 4/3πr3 (∆G) + 4πr2λ
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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. La 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
núcleos
cada núcleo
crece
cada núcleo
forman un grano
La solidificación del material se da por medio de un proceso de nucleación y
crecimiento.
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La 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. La 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. La
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
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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. La combinación de estas fases define
las propiedades del material.
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