ESTRUCTURA DE MATERIALES (CORROSION)

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A manera de anexo, la figura 2 muestra el aspecto de algunos granos formados por solidificación de una aleación de titanio. El aspecto que cada grano adquiere después de la solidificación del metal depende de varios factores, de entre los que son importantes los gradientes térmicos. Los granos que se muestran en la figura 2 son equivalentes, ya que su crecimiento ha sido igual en todas las direcciones.

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Fuente: Fundamentos de la Ciencia e Ingeniería de Materiales por William Smith.

Figura 2. Conjunto de granos integrantes de un lingote de aleación de titanio fundido. El agrupamiento ha preservado las facetas de unión de los granos individuales de la estructura original de la fundición. (Según W. Rostokar y J. R. Dvorak, Interpretation of Metallographic Structures, Academic, 1965. Pag 7.)

- Describe el proceso de nucleación homogénea para la solidificación de un metal puro

Los dos mecanismos principales por los que acontece la nucleación de partículas sólidas es un metal puro liquido son: nucleación homogénea y nucleación heterogénea.

Nucleación homogénea. Se considera en primer lugar la nucleación homogénea porque es el caso más simple de nucleación, la misma se da en el líquido fundido cuando el metal proporciona por sí mismo los átomos para formar los núcleos. Consideremos el caso de un metal puro solidificándose. Cuando se enfría un metal liquido puro por debajo de su temperatura de equilibrio de solidificación en un grado suficiente, se crean numerosos núcleos homogéneos por movimiento lento de los átomos que se mantienen juntos. La nucleación homogénea requiere habitualmente un elevado grado de subenfriamiento que puede llegar a ser de varios cientos de grados centígrados para algunos metales (Tabla 1.). Para que el núcleo estable pueda transformarse en un cristal debe alcanzar un tamaño crítico. Un conglomerado de átomos enlazados entre si menor que el tamaño critico se llama embrión, y otro que sea mayor que el tamaño critico se llama núcleo. Debido a su inestabilidad, los embriones se están formando y redisolviendo constantemente en el metal fundido debido a la agitación de los átomos.

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Fuente: B. Chalmans “Solidification of Metals”, Wiley 1964.

Tabla 1. Valores del punto de congelación, calor de solidificación, energía superficial y máximo subenfriamiento para algunos metales.

- En la solidificación de un metal puro. ¿Cuáles son las dos energías involucradas en la transformación? Ilustre gráficamente los cambios de energía asociados con la formación del núcleo estable durante la solidificación

En la nucleación homogénea de un metal puro en proceso de solidificación deben considerarse dos tipos de cambios de energía: 1. La energía libre volumétrica (o global) liberada por la transformación de líquido a sólido y 2. La energía libre superficial requerida para formar las nuevas superficies solidas de las partículas solidificadas.

Cuando un metal liquido puro como por ejemplo el plomo, se enfría por debajo de su temperatura de congelación de equilibrio la energía motriz para la transformación de líquido a solido es la diferencia entre la energía libre volumétrica (global) del líquido y del sólido, ΔGν. Si ΔGν es el cambio de energía libre entre el líquido y el sólido por unidad de volumen de metal, entonces el cambio de energía libre para un núcleo esférico de radio r es ΔGν ya que volumen de una esfera es . En la figura 3 en la curva inferior se muestra esquemáticamente el cambio de energía libre volumétrica en función del radio de partícula r de un embrión o núcleo, es una cantidad negativa ya que la energía se libera por el líquido en la transformación a sólido. [pic 6][pic 7]

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Fuente: Fundamentos de la Ciencia e Ingeniería de Materiales por William Smith.

Figura 3. Cambio de la energía libre frente al radio del embrión o núcleo creado por la solidificación de un metal puro. Si el radio de la partícula es mayor que r continuara creciendo.

- En la solidificación de un metal. ¿Cuál es la diferencia entre un embrión y un núcleo? ¿Qué es el radio crítico de una partícula que se solidifica?

La diferencia entre un embrión y un núcleo es que el embrión es menor que el tamaño crítico y otro que sea mayor que el tamaño critico se convierte en un núcleo.

Es decir; Cuando el sólido es muy pequeño (menor que r* en la figura 4), un crecimiento adicional hace que aumente la energía libre. En vez de crecer, el sólido se vuelve a fundir para reducir la energía libre; entonces, el metal permanece en estado Líquido. Este sólido pequeño se conoce como embrión. El líquido está su enfriado ya que está por debajo de la temperatura de solidificación al equilibrio. Pero cuando el sólido es mayor que r*, el crecimiento adicional hace que la energía total del sistema se reduzca, por lo que el sólido formado es estable. La nucleación ocurrió con éxito y ahora se dará el crecimiento de la partícula sólida denominada núcleo.

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Fuente: Ciencia e Ingeniería de los Materiales por Donald Askeland.

Figura 4. La energía libre total de un sistema sólido-líquido cambia según el tamaño del sólido. El sólido se denomina embrión si su radio es menor que el radio crítico, y se trata de un núcleo si su radio es mayor que el radio crítico.

El tamaño del radio crítico r* está dado por:

[pic 10]

Donde ΔHf es el calor latente de fusión, Tm es la temperatura de solidificación de equilibrio en Kelvin, y ΔT = Tm - T es el subenfriamiento cuando la temperatura del líquido es T. El calor latente de fusión representa el calor cedido durante la transformación de líquido a sólido. La tabla 1 presenta valores para σ, ΔHf, y subenfriamientos típicos observados de manera experimental para una nucleación homogénea.

- Durante la solidificación ¿cómo afecta el grado de subenfriamiento al tamaño crítico del núcleo? Suponga nucleación homogénea.

Durante el proceso de solidificación conforme se incrementa el subenfriamiento, el tamaño del radio crítico requerido para la nucleación disminuye.

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