Fundamentos de la Difusión y Soluciones Sólidas en Materiales

Superredes y Condiciones Necesarias

Cuando en una disolución sólida de sustitución cada clase de átomos ocupa una posición definida en la red, se dice que dicha solución está ordenada o se forma una superred. Estas superredes solo son estables a bajas temperaturas y se forman durante el proceso de enfriamiento del sólido, siempre y cuando la velocidad de enfriamiento sea suficientemente pequeña.

Propiedades Mecánicas: Módulo de Young y Tenacidad

• Módulo de Young (E): Representa la rigidez de un material. Es la constante que indica la tensión unitaria necesaria para duplicar la longitud inicial de una probeta de sección unidad. Se expresa en unidades de tensión (e.g., N/m² o Pa).
• Tenacidad: Es el trabajo o energía que un material es capaz de absorber durante su deformación y hasta su rotura. Un material con un alto módulo de Young se deformará poco, lo que indica una mayor rigidez.

La relación entre estas propiedades se puede expresar como r = E * s, donde 'r' podría referirse a una medida de resistencia o rigidez relacionada con el área 's'.

Variables que Afectan los Coeficientes de Difusión

Los coeficientes de difusión se ven influenciados por varios factores:

• Temperatura: A mayor temperatura, los átomos tienen más energía para superar las barreras energéticas y facilitar la difusión.
• Concentración: Una mayor concentración de un elemento puede requerir más energía de activación para que los átomos realicen un salto difusivo.
• Estructura Cristalina: El estado alotrópico de un material influye considerablemente en el coeficiente de difusión. Las estructuras cúbica y hexagonal presentan diferentes tasas de difusión.
• Tamaño de Grano: Un tamaño de grano más fino generalmente resulta en una mayor velocidad de difusión debido a la mayor área de contorno de grano.
• Impurezas: Pequeñas cantidades de impurezas pueden tener un efecto variable, pero son una consideración importante.

Disolvente en Soluciones Sólidas

En una solución sólida, el disolvente es el componente que posee la misma estructura cristalina que la solución resultante. Por ejemplo, en la reacción Acc + Bccc = ABcc, si la fase final es cúbica centrada en el cuerpo (bcc), el componente que mantiene esa estructura es el disolvente.

Procesos Industriales Basados en Difusión

La difusión es fundamental en diversos procesos industriales:

• Transformaciones en Estado Sólido: Tratamientos térmicos como el recocido, la normalización y la temple se basan en la difusión atómica para modificar la microestructura y propiedades.
• Obtención y Dopaje de Elementos: En la industria electrónica, la difusión se utiliza para introducir impurezas controladas (dopaje) en semiconductores.
• Separación de Capas Superficiales: Tratamientos termoquímicos como la cementación, nitruración y carbonitruración implican la difusión de elementos en la superficie de los metales.

Solubilidad y Factores Determinantes

No todos los elementos forman disoluciones sólidas entre sí. Varios factores influyen en la solubilidad:

• Electronegatividad: Una gran diferencia en la electronegatividad entre dos elementos tiende a favorecer la formación de compuestos definidos en lugar de disoluciones sólidas.
• Valencia: Cuando las valencias de los elementos que forman una solución son muy diferentes, la solubilidad puede ser restringida. Por ejemplo, una gran diferencia de valencia entre el soluto y el disolvente limita la formación de disoluciones sólidas. Las leyes de Hume-Rothery describen cómo el tamaño atómico, la electronegatividad, la estructura cristalina y la valencia afectan la solubilidad.
• Tamaño Atómico: Para una alta solubilidad, los átomos del soluto y del disolvente deben tener tamaños similares. Una diferencia mayor al 15% en el radio atómico generalmente impide la formación de disoluciones sólidas de sustitución. Si existe una diferencia de tamaño, la red puede expandirse o contraerse.
• Estructura Cristalina: Para lograr una solubilidad total, los elementos deben poseer la misma estructura cristalina.

Diferencia entre Bertholidos y Daltonidos

La diferencia en la solubilidad y la formación de fases puede explicar la existencia de compuestos Bertholidos (con composición variable) en contraste con los Daltonidos (con composición fija), como se observa en el sistema Ni-Al.

Solubilidad del Platino en Magnesio

La solubilidad del 5% de Pt en Mg se explica por las leyes de Hume-Rothery. Si las valencias del disolvente y el soluto son iguales, la solubilidad es amplia. Si son distintas, la solubilidad es restringida, y el metal con menor valencia tiende a disolver mayor cantidad del metal con mayor valencia. Este fenómeno también se observa en sistemas como el Cu-Si.

Ensayo de Fragilidad y Ductilidad

Al comparar la transición de dúctil a frágil en estructuras ferríticas y austeníticas:

• La estructura ferrítica muestra una transición más abrupta de dúctil a frágil, típicamente en metales con estructura cúbica centrada en el cuerpo (bcc).
• La estructura austenítica (generalmente cúbica centrada en las caras, ccc) no presenta una transición tan marcada; la fragilización ocurre de forma más gradual.

Condiciones para una Estructura Definitiva

Para que una estructura sea considerada definitiva en el contexto de disoluciones sólidas o compuestos, es necesario que en su red existan nudos vacantes (vacancias) que contribuyan a la estabilidad o a la composición variable.

Compuestos Intersticiales

Los compuestos intersticiales son un tipo de compuestos intermetálicos formados por metales de transición y elementos como B, C, N, H. Estos elementos ocupan los intersticios de la red cristalina de los metales de transición. Se caracterizan por ser muy duros y tener temperaturas de fusión elevadas. Ejemplos comunes se encuentran en sistemas que involucran Fe, Ni, Mn.

Efecto Kirkendall

El Efecto Kirkendall describe el fenómeno por el cual, durante un proceso de difusión, la superficie de referencia se desplaza hacia el metal con la mayor velocidad de difusión. Esto ocurre debido a la diferencia en las tasas de difusión de los componentes y la formación de vacancias. Un grano fino, al tener mayor área de contorno de grano, puede presentar una mayor velocidad de difusión en comparación con un grano grueso.