Preguntas Solidificacic3b3n e Imperfecciones en Sc3b3lidos Capc3adtulo 2 Libro

Ciencia de Materiales. Solidificacin e imperfecciones en slidos.

28

Preguntas definitivas Captulo 2

Solidificacin e Imperfecciones

en Slidos

Ciencia de Materiales


29

PREGUNTA 2.1 Cundo suele presentar inters el uso de un metal en estado puro?.

Justifcalo. Pon un ejemplo.

Cuando se pretende aprovechar alguna propiedad especfica del metal puro,la

cual pudiera verse afectada si hubiera presentes tomos extraos.

Un ejemplo podra presentarlo el cobre, cuya excelente conductividad se ve

seriamente mermada con la presencia de tomos de otro elemento.

PREGUNTA 2.2

- Qu se suele pretender cuando se disea realiza una aleacin metlica?

o Incrementar las propiedades mecnicas o y la mejora la resistencia a corrosin.


30

PREGUNTA 2.3

Etapas principales de la solidificacin de un metal o aleacin?

- Formacin de un ncleo estable en el fundido, tambin conocido como

nucleacin.

- Crecimiento de esos ncleos hasta dar origen a cristales y la formacin de una

estructura granular.

PREGUNTA 2.4 Cules son los mecanismos principales por los cuales tiene lugar la nucleacin de

partculas slidas en un metal?

o la nucleacin homognea (cuando el metal fundido proporciona por si mismo los tomos para formar los ncleos).

o y la nucleacin heterognea.


31

PREGUNTA 2.4

- Qu es necesario para la solidificacin de un metal comience en forma

cristalina?

Para que la solidificacin en forma cristalina comience, es necesario que la

energa cintica de los tomos disminuya lo suficiente (por disminucin de su

temperatura) como para que las fuerzas de cohesin superen a la vibracin

atmica y siten a los tomos en las posiciones fijas que les corresponden en

la red cristalina. Cuando esto ocurre, en el punto de la masa fundida (lquida)

donde haya sucedido, se habr formado la primera agrupacin cristalina formada

por uno o varios cristales.


32

PREGUNTA 2.5

Representa el esquema de las etapas de solidificacin de los metales


33

PREGUNTA 2.6

Qu son los embriones en las etapas de solidificacin de un metal?

- Son las primeras agrupaciones slidas elementales, formadas por unos

pocos cristales, los cuales tienen el peligro de autodestruirse con el calor

liberado al formarse debido a la agitacin de los tomos.


34

PREGUNTA 2.7

Qu concepto representa el tamao crtico de un embrin en la etapa de

solidificacin de un metal? Cul es la situacin energtica/calorfica en ese?

El tamao crtico rc representa el tamao a partir del cual los embriones dejan de

estar en peligro de autodestruccin y se convierten en ncleos de cristalizacin

con carcter estable.

El calor latente emanado por los embriones al solidificar, debe ser fcilmente

absorbido por el enfriamiento para evitar que vuelva a calentar y fundir la

partcula slida formada.


35

PREGUNTA 2.8 Cundo se producir la nucleacion homognea?

La nucleacin homognea ocurre cuando el subenfriamiento se hace lo

suficientemente grande como para permitir que el embrin exceda el tamao

crtico necesario y no se funda.


36

PREGUNTA 2.9 En la nucleacin homognea Cul es la expresin matemtica que sirve para calcular la

energa libre total liberada en la nucleacin homognea? Qu significan cada uno de

sus trminos?

GT = 4/3r3 . Gv + 4r2 .

Donde:

- GT es el cambio total de energa libre

- r es el radio del embrin o ncleo

- Gv es la energa libre volumtrica

- es la energa libre superficial especfica


37

PREGUNTA 2.10 En la nucleacin homognea Cul es la expresin matemtica que relaciona el tamao

crtico de un ncleo con el subenfriamiento? Qu significan cada uno de sus trminos?

r TH Tc

m

f

=2

Donde:

- rc es el rdio crtico del ncleo

- es la energa libre superficial

- Hf es el calor latente de fusin

- T es el subenfriamiento

- Tm Temperatura de fusin de equilibrio del metal


38

PREGUNTA 2.11 A qu se denomina Nucleacin heterognea? Compara los radios crticos en la

nucleacin heterogenea frente a la nucleacin homognea? Justifcalo.

Se denomina de este modo a la nucleacin que se produce en un lquido:

- bien sobre las superficies del recipiente que lo contienen,

- bien sobre alguna impureza insoluble que se encuentre presente,

- sobre otras materias estructurales que reduzcan la energa libre crtica requerida para formar un ncleo estable. - El rc(heterogenea) < rc(homognea)

- Puesto que la energa superficial es ms baja para la nucleacin heterognea, el

cambio de energa libre total para la formacin de un ncleo estable ser ms bajo, y

el tamao crtico del ncleo, por tanto, ser menor. De este modo, la cantidad de


39

subenfriamiento requerido para formar un ncleo estable producido por nucleacin

heterognea ser mucho menor.


40

PREGUNTA 2.12 Qu es una solucin slida metlica? Tipos principales y descripcin.

- Es una aleacin de dos o ms metales o de un metal con un no metal

- Soluciones slidas principales: de sustitucin y de insercin.

- Descripcin de la solucin slida por sustitucin:

- Los tomos de soluto son sustituidos por tomos de disolvente en las

posiciones de la red cristalina.

- La estructura cristalina del elemento disolvente permanece inalterada, pero

las posiciones cristalinas se pueden distorsionar debido a la presencia de

tomos de soluto, tanto ms cuanto mayor sea la diferencia entre los

dimetros de los tomos de disolvente y soluto.

- Descripcin de la Soluciones slidas de insercin:


41

- En este tipo de soluciones slidas, los tomos de soluto encajan en los

espacios (o intersticios) que hay entre los tomos del disolvente.

- Las soluciones slidas de insercin pueden formarse cuando uno de los

tomos es mucho mayor que el otro.

PREGUNTA 2.13

Condiciones necesarias para que pueda darse una solucin slida de sustitucin?

- La diferencia entre los dimetros atmicos de los elementos no exceda mas de un

15% de su dimetro.

- La estructura cristalina de los dos elementos sea la misma.

- No haya diferencias apreciables en las electronegatividades de los dos elementos,

para evitar su reaccin y por tanto que no formen compuestos.

- Los dos elementos tengan la misma valencia.


42

PREGUNTA 2.14 Qu es el acero?

- Es una aleacin de solucin slida de insercin en C en Fe

PREGUNTA 2.15 Qu significa la expresin? Para qu se utiliza?

Ps/PL = (XA X3) / (X2 XA)

Regla que se conoce como regla de la palanca y que permite definir las proporciones

entre fases a cada temperatura.


43

PREGUNTA 2.16 Qu pretende la establecer la Ley de Fases de Gibbs? Cul es su expresin? y si

qu vale para sistemas condensados?

- La ley de fases de Gibbs pretende establecer el nmero de variables independientes,

grados de libertad, que un sistema tiene en un entorno del espacio de sus variables

para no alterar el equilibrio existente entre las fases presentes si los

desplazamientos de los mencionados grados de libertad son infinitesimales.

- g = r(n-1) + 2 n(r-1) = n r + 2 regla de las fases de Gibbs.

- Para sistemas condensados, se puede prescindir de la presin como variable y se

convierte en: g = n r + 1


44

PREGUNTA 2.17 Qu tipo de transformaciones son cada una de estas ecuaciones?

Lquido (l) slido + slido

Lquido + Slido 1 Slido 2

Slido 1 Solido 2 + Slido 3

Transformacin eutctica: Lquido (l) slido + slido

Transformacin Peritctica: Lquido + Slido 1 Slido 2

Transformacin Eutectoide: Slido 1 Solido 2 + Slido 3


45

PREGUNTA 2.18 Cmo se clasifican y Cules son las principales imperfecciones de las redes

cristalinas?

- Las imperfecciones de las redes cristalinas se clasifican en funcin de su geometra

y forma.

- Las tres principales divisiones son:

- Defectos puntuales: vacantes y defectos intersticiales

- Defectos de lnea o de una dimensin: Dislocaciones

- Defectos de superficie que implican dos dimensiones: superficies externas y

bordes de grano


46

PREGUNTA 2.19 Qu es la difusin? Mecanismos principales de difusin de los tomos en una

estructura cristalina? Y descripcin de los mismos

La difusin es el mecanismo por el cual la materia es transportada a travs de la

materia.

Existen dos mecanismos principales:

- Mecanismos de difusin por vacantes o sustitucional.

- Mecanismos de difusin intersticial.

Mecanismos de difusin por vacantes o sustitucional: Segn va aumentando la

temperatura del metal se van produciendo ms vacantes y habr ms energa trmica

disponible.

Mecanismos de difusin intersticial. Los tomos se trasladan de un intersticio a otro

contiguo sin desplazar permanentemente a ninguno de los tomos de la matriz de la red


47

cristalina. Esto implica que los tomos que difunden intersticialmente debern de ser

de pequeo tamao respecto a los de la red cristalina matriz.


48

PREGUNTA 2.19 Cundo se produce la Difusin en estado estacionario? Qu ley lo gobierna?

Describe los trminos de la ecuacin que lo gobierna?

- Se produce cuando no se experimentan cambios en la concentracin de tomos de

soluto en distintos planos con el tiempo.

- Este proceso est gobernado por la primera ley de Fick:

J D dCdx

=

Donde:

- J es el flujo o corriente neta de tomos

- D es una constante denominada difusividad

- dC/dx es el gradiente de la concentracin


49

PREGUNTA 2.20 Factores y consideraciones sobre los mismos que influyen en la difusividad?

- La temperatura. A medida que aumenta la temperatura aumenta la difusividad de

los tomos en el metal o aleacin.

- Tipo de estructura cristalina de la red del disolvente. La difusin se ver

favorecida en estructuras o redes de bajo factor de empaquetamiento.

- Tipo de imperfecciones cristalinas. Se favorece por los bordes de grano ya que es

la zona donde existe un mayor nmero de vacantes.

- Concentracin de las especies que se difunden. Este es un factor complejo requiere

un estudio de detalle.


50

PREGUNTA 2.21 Cundo se produce la Difusin en estado no estacionario? Qu ley lo gobierna?

Describe los trminos de la ecuacin que lo gobierna para el caso de un gas A

difundiendo en slido B?

- Se denomina estado no estacionario, cuando la concentracin de los tomos de soluto

en cualquier punto del material cambia con el tiempo

- Este estado no estacionario de difusin est gobernado por la segunda ley de Fick. dCxdt

ddx

D dCxdx

=

En el caso de un gas A difundiendo en un slido B, la solucin para la ecuacin anterior

resulta:

Cs CxCs Co

erf xDt

=

2


51

Donde:

- Cs es la concentracin superficial del elemento en el gas que difunde dentro de la

superficie

- Co es la concentracin inicial uniforme del elemento en el slido

- Cx es la concentracin del elemento a la distancia x de la superficie en un tiempo t

- x es la distancia desde la superficie

- T es el tiempo

- D la difusividad


52

PREGUNTA 2.22 Qu significa la expresin D D e Q RT= 0 ? y qu significa cada uno de sus trminos?

Representa la velocidad de difusinla constante de difusividad con el incremento en

funcin de la temperatura

Q es la energa de activacin de las especies en difusin J/mol

R es la constante molar de los gases (8,31 J/mol.K)

T es la temperatura

Do es la constante de proporcionalidad m2/s independiente de T

D es la difusividad en m2/s

Preguntas definitivas Captulo 2Ciencia de MaterialesA qu se denomina Nucleacin heterognea? Compara los radios crticos en la nucleacin heterogenea frente a la nucleacin homognea? Justifcalo.

Documents

Preguntas Solidificacic3b3n e Imperfecciones en Sc3b3lidos Capc3adtulo 2 Libro