Estructura Cristalina y Defectos en Metales: Factores Clave y Procesos de Solidificación

Estructura Cristalina y su Influencia en la Fragilidad de los Metales

Metales HCP, FCC y BCC: Comparación de Fragilidad

¿Por qué los metales con estructura cristalina hexagonal compacta (HCP) son más frágiles que aquellos con estructuras cúbica centrada en las caras (FCC) y cúbica centrada en el cuerpo (BCC)?

La respuesta reside en la capacidad de deslizamiento de los planos atómicos. En las estructuras BCC y FCC, el deslizamiento es mucho más fácil debido a la existencia de numerosos sistemas de deslizamiento activos. En cambio, en las estructuras HCP, el deslizamiento es limitado, ya que hay pocos sistemas de deslizamiento disponibles.

Zonas Compactas:

• BCC: Direcciones <111>; Planos {110}
• FCC: Direcciones <110>; Planos {111}

Defectos Cristalinos: Puntuales, Lineales y Superficiales

Defectos Puntuales

• Sustitucionales: Se producen cuando un átomo de un tipo es reemplazado por un átomo de otro tipo. Para que esto ocurra, deben cumplirse las siguientes condiciones:
  • Factor tamaño similar.
  • Factor electroquímico similar.
  • Misma valencia.
  • Misma estructura cristalina.
• Intersticiales: Ocurren cuando un átomo pequeño se inserta en un espacio intersticial de la red cristalina. Estos defectos pueden crear distorsión en la red, aumentando la resistencia a la deformación plástica (endurecimiento).

Defectos Lineales (Dislocaciones)

Las dislocaciones son defectos lineales en la estructura cristalina. Existen varios tipos:

1. Dislocación de Cuña: Se forma alrededor de un semiplano extra de átomos. La línea de dislocación se encuentra en el borde del semiplano. Existe una zona de compresión (con más átomos de lo normal) por encima del semiplano y una zona de tracción (con menos átomos de lo normal) por debajo.
2. Dislocación Helicoidal: Se produce por la introducción de un plano adicional y la aplicación de un esfuerzo de cizalladura.
3. Deformación Plástica: Es el movimiento de las dislocaciones debido a un esfuerzo de cizalladura. Al romperse la primera unión atómica, se genera una rotura en cadena.
4. Línea de Deslizamiento: Es perpendicular al semiplano en una dislocación de cuña y paralela en una dislocación helicoidal.
5. Endurecimiento: Se logra restringiendo la movilidad de las dislocaciones, lo que dificulta las deformaciones.
6. Trabajado en Frío: Este proceso multiplica las dislocaciones, aumentando la resistencia del material.
7. Reducción del Tamaño de Grano: Cambia la trayectoria de las dislocaciones, contribuyendo al endurecimiento.
8. Precipitación: La presencia de precipitados dificulta el movimiento de las dislocaciones.

Defectos Superficiales

1. Límites de Grano: La energía total en el límite de grano es menor en materiales con un tamaño de grano grande, ya que se reduce el área total del límite de grano. A temperaturas elevadas, el grano tiende a crecer para disminuir la energía total del límite de grano.
2. Maclas: Son límites de grano a través de los cuales existe una simetría de red especular. Se generan por la aplicación de fuerzas mecánicas o durante tratamientos químicos.

Mecanismos de Endurecimiento en Metales

1. Transformado en Frío (a temperaturas inferiores a la de fusión): Aumenta la densidad de dislocaciones, lo que incrementa la resistencia del material. Ejemplos de procesos incluyen el trefilado, la laminación, la forja y la extrusión. Este aumento de la resistencia se conoce como acritud.
2. Precipitación: Consiste en la dispersión de solutos muy finos y duros en la matriz del material. Estos precipitados dificultan el deslizamiento de las dislocaciones.
3. Solución Sólida: Los átomos de soluto en solución sólida pueden anclar las dislocaciones, aumentando la resistencia del material.

Solidificación de Metales: Nucleación y Crecimiento

La solidificación de un metal fundido ocurre en dos etapas principales:

1. Nucleación: Formación de pequeños núcleos sólidos estables dentro del líquido fundido.
2. Crecimiento: Aumento del tamaño de los núcleos hasta formar cristales.

La nucleación puede ser:

• Homogénea: Ocurre espontáneamente en el seno del líquido fundido. Requiere un subenfriamiento significativo para que el número de núcleos solidificados aumente y alcance un radio crítico (r*). La energía total (ΔG_T = ΔG_v + ΔG_s) es máxima cuando r = r*, y r* disminuye a medida que la temperatura disminuye.
• Heterogénea: Ocurre sobre una superficie preexistente (como las paredes del molde o partículas extrañas). Reduce la energía superficial (ΔG_s), lo que a su vez disminuye r* y requiere un menor subenfriamiento.

Solidificación en una Lingotera

El proceso de solidificación en una lingotera depende de las condiciones térmicas:

1. Molde Frío: Se produce nucleación heterogénea en las paredes del molde, formando granos equiaxiales (finos) en la pared y granos columnares (alargados, delgados y toscos) perpendiculares a la cara del molde, donde existe un alto gradiente térmico desde las paredes hacia el interior.
2. Molde Caliente: Se forman principalmente granos equiaxiales, ya que la orientación aleatoria de los granos detiene el crecimiento de los granos columnares.
3. Molde de Arena: No hay un paso de calor significativo, lo que favorece la formación de granos equiaxiales y la nucleación heterogénea sobre la homogénea, sin presencia de granos columnares.

Defectos de Solidificación

• Rechupes: Son causados por la contracción del líquido y la contracción durante la solidificación. Pueden ser:
  • Macrorechupes: Se forman en la última zona en solidificar.
  • Microrechupes: Ocurren en espacios interdendríticos llenos de líquido que no están conectados con el resto del material fundido, lo que puede generar porosidad.
• Sopladura: Se produce por el desprendimiento de gases durante la solidificación, formando cavidades. Se pueden eliminar disminuyendo la temperatura de colada.