Principios de Soluciones Sólidas y Mecanismos de Difusión en Materiales Metálicos

Conceptos Fundamentales de Soluciones Sólidas y Difusión

Solución Sólida

Una solución sólida es un sólido que consta de dos o más elementos dispersos atómicamente en una estructura de fase única. Su composición de fase es variable.

Métodos de Formación:

• Sustitucional
• Intersticial

Reglas de Hume-Rothery para la Formación de Soluciones Sólidas Sustitucionales

Para que se forme una solución sólida sustitucional, los elementos deben cumplir las siguientes condiciones:

1. Los elementos o compuestos deben presentar una solución sólida.
2. Radios Atómicos o Iónicos Similares:
   • Diferencias menores al 30%: Favorable en cerámicos.
   • Diferencias menores al 15%: Favorable en metálicos.
   • Diferencias mayores al 15%: Solubilidad limitada (generalmente < 1%).
3. Deben tener electronegatividades similares.
4. Estado de Oxidación: En cerámicos, deben tener el mismo estado de oxidación.

Consideraciones:

• Si se cumplen todas las reglas, no necesariamente se garantiza la solubilidad total.
• Si se incumple alguna condición, la solubilidad será parcial.

Difusión y Transporte de Materia en Sólidos

Difusión (Fenómeno de Transporte)

La difusión es el mecanismo por el que la materia se transporta a través de la materia.

Difusión en Sólidos

Implica el movimiento de átomos dentro de la estructura sólida. Las vibraciones térmicas en los sólidos permiten este movimiento. Es un fenómeno que requiere activación térmica.

Factores que Influyen en la Difusividad (D)

1. Mecanismo de Difusión: Depende del tamaño del átomo (intersticial o sustitucional).
2. Tipo de Estructura Cristalina de la Red Matriz (Disolvente): La difusividad en estructuras Cúbicas Centradas en las Caras (D_FCC) es menor que en estructuras Cúbicas Centradas en el Cuerpo (D_BCC).
3. Tipo de Imperfecciones o Defectos en el Cristal: Las estructuras abiertas (con más huecos) aumentan la difusividad (D). El orden de difusividad es: D_superficie > D_{borde de grano} > D_volumen.
4. Concentración de Especies que Difunden: Un cambio en la concentración de los átomos de soluto modifica la difusividad (D).
5. Temperatura (T): Un aumento de la temperatura (↑T) provoca un aumento de la difusividad (↑D).

Aplicación: Cementación (Difusión Intersticial)

Proceso de difusión de átomos de Carbono (C) en la superficie de un componente de acero. Los átomos de C “bloquean” el movimiento de las dislocaciones y deforman la red, lo que dificulta la deformación plástica.

Este proceso resulta en Endurecimiento. El exceso de C en la superficie genera un estado de tensiones residuales de compresión.

Glosario de Materiales y Estructuras

Componente

Sustancia química de composición fija que puede formar parte de una mezcla o aleación. Ejemplos: Aluminio (Al), Alúmina (Al₂O₃).

Fase

Porción químicamente homogénea que forma parte de una estructura. Puede estar formada por uno o varios componentes. Ejemplos: Ferrita, austenita, carbonato cálcico.

Microconstituyente

Cada una de las estructuras diferentes que se pueden observar sobre una superficie pulida de un material. Pueden estar formadas por una o varias fases. Ejemplos: Perlita, bainita.

Diagrama de Equilibrio

Mapa de las fases en equilibrio termodinámico que están presentes en un sistema de materiales a diferentes presiones, temperaturas y composiciones.