Diagrama de fases

Diagrama de fases

Los diagramas de fases son representaciones gráficas a varias temperaturas, presiones y composiciones de las fases que están presentes en un sistema de materiales. Los diagramas de fases se realizan mediante condiciones de equilibrio (enfriamiento lento) y son utilizados para entender y predecir muchos aspectos del comportamiento de los materiales.  Parte de la información que se puede obtener a partir de  ellos es la siguiente:

• Fases presentes a diferentes composiciones y temperaturas.
• Solubilidad de un elemento o compuesto en otro.
• Temperatura a la cual una aleación que se deja enfriar empieza a solidificar así como el rango de temperaturas en el que tienen lugar la solidificación.
• Temperatura a la que se funden o empiezan a fundirse las distintas fases.

Los materiales sólidos pueden estar formados por varias fases, la combinación de estas fases definirá las propiedades que tendrá el material.

Las fases solidas en un material tienen las siguientes características:

•        Los átomos que forman  las fases tienen la misma estructura atómica
•        La fase tiene la misma composición química en todo su volumen
•        Presenta las mismas propiedades físicas
•        Posee una interface definida con su entorno

En Sustancias puras, solamente poseen una sola fase. La aleación puede presentar dos o más fases al mismo tiempo. La aleación es una solución en estado sólido, es decir, la mezcla de dos o más elementos químicos. Cuando se dos o más elementos para formar una aleación, se pueden presentar dos casos:

• Existe solubilidad ilimitada, produciendo se una fase solida
• Existe solubilidad limitada, lo cual se refiere a que uno de los componentes solo puede disolverse hasta cierto límite en otro. En este caso se producen dos o más fases en la solución.

Regla de Gibbs

Esta regla permite identificar el número de fases microscópicas que coexisten en equilibrio asociadas a una condición de estado.

Sistemas binario (Isomorfos) 

Una mezcla de dos metales se denomina aleación binaria y constituye un sistema de dos componentes, puesto que cada elemento metálico de una aleación se considera como un componente. En los sistemas isomorfos  solo hay una fase sólida, es decir, solo hay una estructura sólida.

En algunos sistemas binarios metálicos, los dos elementos son completamente solubles entre sí tanto en estado sólido como líquido. En estos sistemas sólo existe un tipo de estructura cristalina para todas las composiciones de los componentes y, por tanto, se les denomina sistemas isomorfos.

Sistemas Eutecticos

Un sistema eutectico se da cuando en cierto punto de temperatura y presión, el liquido se transforma instantáneamente en solido, debido a que la solidificación es rápida, no se da por nucleacion y crecimiento, por lo que el solido resultante presentara una estructura diferente. Un sistema eutectico es una composición de la fase liquida que reacciona para formar dos nuevas fases solidas siempre a una misma temperatura.

Estados de solidificación

   La solidificación es un proceso físico que consiste en el cambio de estado de la materia de líquido a sólido producido por una disminución en la temperatura o por una compresión de este material. Es el proceso inverso a la fusión, y sucede a la misma temperatura.

   Ejemplo de esto es cuando colocamos en el congelador agua, como la temperatura es muy baja esto hace que se haga hielo, o en pocas palabras, aumenta el volumen al solidificarse, aunque no sucede en todos los casos. También se llama solidificación al proceso de endurecimiento de materiales como el cemento o la arcilla, en esos casos al deshidratarse a una temperatura totalmente constante.

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 tienen 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 llaman 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.

3.      UNIÓN DE CRISTALES PARA FORMAR GRANOS.

   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
•  ·         Granos en colmumnas: son alargados, delgdos y ‘’tostos’’ se producen cuando hay relativamente pocos nucleos disponibles. Esto es cuando el metal solidifica con relativa lentitud em presencia de un excesivo gradiente térmico.

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.

Interferencia constructiva y destructiva

La interferencia es un fenómeno en el que dos o más ondas se superponen para formar una onda resultante de mayor, menor o igual amplitud. El efecto de interferencia puede ser observado en todos los tipos de onda, como ondas de luz, radio, sonido, entre otros. La ecuación de la onda es la suma algebraica de las funciones de las ondas que se están superponiendo.

   Interferencia constructiva: es cuando hay dos ondas de frecuencia idéntica o similar y se superpone la cresta de una onda y la cresta de la otra onda ,los efectos se suman ,y hacen una onda de mayor amplitud (más grande) ,esto es posible por que las ondas estaban en igual fase ( como en la misma posición)

   La Interferencia Destructiva: es cuando la cresta de una onda se superpone al valle de otra onda y se anulan (por que no es como la anterior que había dos crestas y se sumaban ,aquí hay una cresta y un valle entonces como son contrarios se restan y se anulan) ,ya que estaban en distinta fase cuando se superponen (estaban en distinta posición).

Por lo tanto, las condiciones de interferencia son:

• Interferencia constructiva 
• Interferencia destructiva 

Determinación de Estructuras Cristalinas Experimentalmente

Métodos experimentales de difracción de rayos X

El método de Laüe

Históricamente éste fue el primer método de difracción. Utiliza un haz policromático de rayos X que incide sobre un cristal fijo; por ello, el ángulo de Bragg es invariable para cada grupo de planos hkl. Cada uno de éstos conjuntos de planos de espaciado dhkl satisface la ecuación de Bragg para un determinado valor de longitud de onda. Así, cada haz difractado tiene distinta longitud de onda.

Métodos del cristal giratorio

La limitación más grande del método de Laüe es el desconocimiento de la longitud de onda de los rayos X que se difractan para dar un determinado punto en el diagrama.

Según la Ley de Bragg, al fijar, entonces, el valor de la longitud de onda, no hay otra posibilidad, para un determinado espaciado de un cristal que modificar el ángulo. Esto se consigue haciendo un montaje del cristal que permita su giro, en torno a un eje coaxial, a una película cilíndrica que se sitúa en su derredor. Así, para un valor discreto de ángulo que satisface la ecuación, se produce un haz de rayos Xque marcará un punto en la película.

 Método de Precesión

Es la técnica de monocristal más utilizada hoy en día. En este método, un cristal y una película plana se mueven con un movimiento giratorio complejo, compensando mecánicamente las distorsiones producidas por el método de Weissenberg.

Método de Weissenberg

El hecho de que todos los puntos de una misma capa de la red recíproca se condensen en un mismo nivel del diagrama, dificulta sobremanera la correcta asignación de los índices hkl a cada punto, máxime si de antemano no se conoce con exactitud la red recíproca del cristal en estudio.

El método de Weissenberg adopta una cámara cilíndrica y posee dos características fundamentales:

-Una pantalla, que se conoce como pantalla de nivel, que sólo permite el paso de los haces difractados correspondientes a un nivel, y

-Un dispositivo mecánico que hace desplazar la película cilíndrica según un movimiento paralelo al eje de giro del cristal y sincronizado a este último.

El método del polvo cristalino

El método del polvo cristalino presenta características muy interesantes para su utilización; es el único procedimiento de DRX que permite abordar el estudio cristalográfico de las especies que no se presentan, o no es posible obtener, en forma de monocristales. La desorientación relativa existente entre los numerosos cristalitos que componen la muestra hace que en los diagramas de difracción quede reflejada, tanto cualitativa como cuantitativamente, la identificación de las fases cristalinas de la muestra.

En este método la muestra se pulveriza lo más finamente posible de forma que esté constituida idealmente por partículas cristalinas en cualquier orientación. Para asegurar la orientación totalmente al azar de estas pequeñas partículas con respecto al haz incidente la muestra localizada en la cámara de polvo generalmente se hace girar en el haz de rayos X durante la exposición.

El método del polvo se basa en:

El empleo de radiación monocromática y muestra constituida por un polvo o agregado policristalino.

La muestra debe estar compuesta por numerosos fragmentos cristalinos de tamaños muy pequeños y orientados idealmente al azar unos respecto a otros. En cuanto a la orientación, el conjunto del polvo puede considerarse como isótropo, aunque cada  fragmento sea anisótropo.

Cada fragmentos presentara al haz de rayos x un plano, que no tiene que coincidir con el plano que represente otro fragmento. Asi podemos suponer que todos los planos de la muestra en forma de monocristal están representados por los planos que diferentes fragmentos exponen a los rayos X. Cada uno de los planos expuestos tendrá una orientación espacial al azar.

Relación C/A en estructuras cristalinas hexagonal Compacta

La relación c/a de una estructura cristalina HCP ideal es de 1.633 que indica esferas uniformes tan próximas como sea posible. Los metales Cinc, Cadmio poseen una relación c/a más alta que la ideal, lo que indica que los átomos en estas estructuras están ligeramente elongados a lo largo del eje c en la celda unidad HCP. Los metales como el Titanio, Berilio, Magnesio Y Circonio entre otros tienen relaciones c/a menores que la ideal. Por tanto en estos metales los átomos están comprimidos a lo largo de la dirección del eje c.