Difusió, Nucleació i Transformacions Microestructurals en Sòlids

Tipus de difusió

Autodifusió

Migració d’àtoms en un sòlid elemental que té una única fase. És possible gràcies a les vacants i es pot donar a Tamb--

Difusió substitucional

Els àtoms es mouen gràcies a les vacants (depen de les vacants) Velocitat depen de: nombre de vacants i E d’activació de formació i moviment de les vacants. Més petit el cristall, més aprop del limit de gra i més superfície de limit de gra, per tant + difusió.--

Difusió intersticial:

Depen de la composició inicial, pocs atoms intersticials=+llocs on difondre=+difusió. +ràpida que la substitucional (vacants s’han de crear, però els intersticis ja existeixen i els àtoms només s’han danar movent). (Carburización (cementación) " tratamiento térmico en el cual, un hierro o acero absorbe carbono a altas temperaturas en presencia de una fina capa de carbono ubicada en la superfície del metal o la presencia de una alta concentración de monóxido de carbono en el horno. Esta absorción de carbono hace que el metal sea más duro. " o Consiste en aumentar el contenido de carbono superficial. O Provoca un endurecimiento superficial. ➔ Los átomos de C “traban” los planós de deslizamiento. ➔ Mayor ocupación de los intersticios. Dificulta la deformación. O Lo hace más resistente a compresión. • Dopaje del silicio en los semiconductores tipo n. ➢ Se deposita una capa de fósforo (P) sobre la superfície y se hace difundir para crear un semiconductor con regiones dopadas)// Flux:
Quantitat d’atoms que passa a travès d’una unitat d’àrea en una certa direcció. (direccional) és mou la mateixa quantitat de materia en totes les direccions .

1ra llei de Fick

J𝑥 = −𝐷* 𝑑𝐶 /𝑑x *Formula nomes aplicable quan el compost B està en concentracions baixes. D=coeficient de difusió, sempre positiu i depen de la concentració i temperatura +fàcil moure C en acer en alt contingut en carboni que moure C en un acer amb baix contingut amb C pq tenim + D //Estat estacionari
Concentració C no canvia amb el temps. Considerem que el flux que entra per la esquerra és igual que el que surt per la dreta. Pendent=dC/dX es constant.//Difusió en estat no estacionari
Diferent flux per la esquerra que per la dreta. Variació de concentració és amb la distància o amb el temps. Si entren més àtoms per la esquerra puja la concentració, si entren més per la dreta baixa la concentració.// Segona llei de Fick
Prediu la variació de les concentracions al llarg del temps.Sera constant si les concentracions són molt baixes //Consideracions -Difusió intersticial>>>Difusió substitucional (Depen de dos E, fa falta més E) -Difusió de H en Fe>>Difusió de C en Fe -Difusió de C en Fe BCC (+oberta)>>Difusió de C en Fe FCC(+empaquetada) -Qd per la difusió de C en Fe BCC<< Qd de Fe en Fe BCC (autointerticial)// Conseqüència de la difusió -Transformacions de fase -Segregació i homogeneització -Fluencia (si no hi ha difusió no hi ha fluencia) -Tractaments tèrmics (promoure o evitar la D) 

Transformacions en estat solid: Les transformacions en estat sòlid impliquen un canvi en la composició, l’estructura cristal.Lina i l’estructura electronica. /

Nucleació homogenia:

En una nucleació, al formar-se un nucli amb diferent estructura que el sòlid que l’envolta, es crea una distorsió. ,,,El procès es produira si l’energia final es menor que l’inicial. AGv: <0 mentres fase final + estable que la inicial AGs: >0 ve donada per l’augment d’energia en la creació d’una nova superfície AGdef: associada distorsió red cristalina, >0 pq augmentem la E del sistema.// Observem que hi ha un radi crític a partir del qual es comencen a formar els nuclis i hi ha una transformació.//Si r<rc nucli inestable-->no hi ha transformació   Radi crític si r>rc nucli estable — si que hi ha transformació Si augmenta 𝛾(energia superficial) +incoherencia, per tant +díficil nucleació. +rc +difícil nucleració, ja que 𝛾 i rc directament proporcionals i +(AGv-AGd) al revès. Com fer que AGv sigui mes gran: Mitjançant el subrefredament  augAT-->disRc-->mes facil nucleació-->tamaño pequeño ,,, disAT-->aug Rc-->mas difícil nucleacion -->tamaño grande////Tenim una curva que es la força directora (AGv-AGs) que és la que fara que la nucleació comenci. Si +subrefredament, la corva és cada cop més negativa i tenim + nucleació. Al anar augmentant el subrefredament, anem augmentant la vel de nucleació, però arriba a un punt màxim i comença a disminuir. Això passa pq la temperatura a partir d’aquell punt ha baixat tant que es restringeix el moviment dels àtoms. N: vel de nucleació.

Velocitat segons composició:

quan menys solut, menys velocitat hi ha, ja que disminueix la temperatura. Tmb podem dir que quanta més quantitat de solut, més distorsió i més fàcil nucleació.

Llocs preferents de la nucleació

Nucleació homogenia: tots els punts Nucleació heterogenia:

punts triples, límits de gra simples, dislocacions.

Nucleació heterogenia

Més fàcil que la homogenia pq AG més baixa. La AG heterogenia es més baixa en punts triples i entre dos cristalls.

Límits de gra de gran angle (defecte volumetric)

+fàcil zona coherent si la oposada incoherent i segons angles energies de nucleació homogenies o heterogenies. Si el coeficiente ∆ 𝐺 ℎ𝑒𝑡 /∆ 𝐺 ℎ𝑜𝑚= 1 quiere decir que no tendremos límites de grano, es decir, que será una nucleación homogénea ///Tema 11Recritalizacio

Envelliment:

enduriment per precipitat o maduració, i consisteix en una ordenació i posteriorment pot ser una espinoïdal o una transformació al·lotròpica, es a dir un tractament. Tenim 2 etapes, el temple ( sense difusió) i una altre de canvi de fase (amb difusió). L’envelliment es un TT que consta de una solubilització i un temple i recuit. L’objectiu es crear una dispersió densa i fina de partícules de precipitats en la matriu del metall. Les partícules precipiten actuen com obstacle per el moviment de dislocacions. Al precipitar una fase, apareix en punts triples i en límits de gra, ja que son zones de major distorsió. En l’envelliment la segona fase precipita homogèniament per tota la matriu en l’interior del cristall. • Procés:-
Solubilització: Augment de T oer augmentar quantitat de solut dissolt en ss. Hauríem d’estar per sot alinea de solidus, per evitar líquid i eutèctic q donaria fragilitat. Podem sobrepassar el solvus. El temps depèn de la científica de solubilització cada aleacio. - temple: fins a T ambient Velocitat critica depèn de cada aleacio La v temple > v refredament crític per conservar la compo i tenir solució sobresaturada i permetre formar precipitats posteriorment. Podem tenir problemes de corrosió i precipitats. - maduració: nuclean petits cristalls, si augmentem T afavorim la nucleació(difusió) Natural: a T ambient Artificial: elevada T Precipitacions metaestables o coherents, si passem de temps → sobreenvelliment i forma preci El enduriment es dona per la def de la xarxa cristal·lina per part dels precipitats coherents en la matriu 

Nucleació sobre dislocacions:

Defectes lineals amb E de distorsió asociada Preferencia de nucleació dels precipitats a llocs on no distorsionin molt la xarxa (dislocació d’aresta)  Zona compressió: volum Nucli precipitat< volum estructura cristalina on nuclea Zona tracció: volum nucli precipitat> volum estructura cristalina on nuclea r* baix, nuclea zona compresió per descomprimir la zona Dislocacions: faciliten segregació del solut i actuen com a camins per la difusió degut a la seva distorsió, això fa que baixi AGm. S’accelera la movilitat dels atoms i les dislocacions ajuden a la precipitació. Si desapareix una dislocació estalvi d’energia molt baix i les dislocacions baixen l’energia interfacial AG. -Bon matching: és diu quan el precipitat es semicoherent o coherent amb la matriu. Vhetero>Vhomo Sobresaturació: Arribo al limit de gra que es mou amb més velocitat Nucleació metaestable Nucleació complexa que passa per fases intermitges (guinier preston) Comportament general de les transformacions en estat sòlid a)Nucleació de v const. : Es van formant nuclis que van creixent hi ha nucleació i creixement tota l’estona. Es forma un cristall policristali amb diferents mides b)Llocs saturats: Primer instant nucleació, desprès només creixement.Tots els cristalls mateixa mida i microestructura homogenia. Saturació a la nucleació c) Transformació cel.Lular: com els saturats pero v creixent no ctt (molt lenta). 

Recristalizació i envelliment:

RECRISTALITZACIÓ

Transformació amb difusió sense canvi de fase. Consisteix en l’alteració de l’estructura de gra de un metall policristal·lí com a conseqüència de la def plàstica (es dona al donar-se moviments de dislocacions, provocant un desplaçament dels plans de major compacitat). Per a alterar, deformar l’estructura ho fem amb defectes, ja sigui per dislocacions o per efectes. Per augmentar la quantitat de deformació treballem en fred. • Com funciona la quantitat d’energia emmagatzemada en la recristal·lització: - la puresa del material augmenta l’energia - com mes complex es el procés de deformació mes es formen bloquejos les dislocacions i mes energia s’emmagatzema. - com mes gra el gra menys energia emmagatzemada. - com mes petit el gra mes dificultat de moviment de dislocacions i mes energia s’emmagatzema. - com mes baixa la T de deformació mes energia interna pel sistema que emmagatzema. - % de deformació, com mes gran el %, mes energia interna acumulada. • Hi ha diverses etapes en la recristal·lització:
Tenim 2 etapes principals la deformació en treball amb fred, i el recuit i dintre el recuit passen 3 etapes que no son la una seguida de l’altre i no tenen un ordre determinat i son la recuperació la recristal·lització i el creixement de gra. - la primera etapa es la de deformació plàstica en treball amb fred, en aquesta etapa obtenim una def de grans a partir del augment de la densitat de defectes, tant lineals com puntuals, això fa augmentar duresa i fragilitat i fa baixar la conductivitat i augmentar la tenacitat. A + treball en fred → mes concertació de defectes. A – T de treball en fred → major energia de deformació emmagt → i disminueix la T de recristal·lització. - la seguen etapa es el recuit, aquí comença la difusió, la qual s’ha de realitzar a baixes T per a no tenir canvis de fase. En el recuit si ens passem de temps i temperatura podem tornar a tenir propietats com les del inici abans de deformació en fred o inclús pitjors, degut que el gra pot créixer. El recuit el podem dividir en 3 etapes: · recuperació: s’elimina les tensions internes introduïdes durant la deformació sense reduir la resistència del material introduït. Es tendeix a millor configuració d’energia. Te lloc a baixes T del recuit No hi ha un canvi que ses pugui notar en l’estructura Eliminació excés de defectes puntuals creats durant el treball en fred, en sup o límit gra i mitjançant dislocacions. Eliminació de dislocacions del signe contrari Dislocacions de = signe es distribueixen amb conf de baixa E. Arista→ límit de gra de gir Helicodial → límit de gra de torsió TENIM→POLIGONITZACIÓ Reducció conjunt de dislocacions petites. · recristal·lització: formació de cristalls (nucleació) nous lliures de defectes (i mes petits, tamany de gra mes fi). Elimina els defectes del enduriment per deformació produït durant la deformació en fred. Els nous cristalls estran lliures de defectes, tots els defectes s’acumulen en el límit de gra. L’objectiu es que el cristall nuclei però no creixi, així tindrem propietats mecàniques millors. La força directora: reducció de la E emmagat AG= Gmatdef-Gmatsindef Nucleació i creixement de nous cristalls lliures de def Trec 0,3 -0,5 Trec= t a la qual el material recrsitalitza al 50% en 1 hora per una def donada Límit de gra va a regions amb gran desnitat de dislocacions Tamany gra inicial disminueix → T rec disminueix Tenim la velocitat de recristal·lització: depèn exponencialment de la temperatura, si s’apuja la T s’acurta el temps de recristal·lització. · creixement de gra: moviment del límit de gra mitjançant difusió amb fred amb la fi de reduir la quantitat total del límit de gra, reduint la E associada al límit de gra disminueix també la energia del material, i el sistema amb menys energia serà un monocristall. El tamany de gra i el creixement son inversament proporcionals. (+ gran el gra → mes plasticitat mes duresa i menys resistència). Presencia de precipitats poden frenar el creixement per tant desfavoreix la recristal·lització. Globalment: la força conductora es la reducció de la superfície del LG per reduir la E del límit de gra. Localment: maximitzar el numero d’enllaç entre àtoms → maximitzar numero coordinació • Conceptes dintre la recristal·lització: laminació i coalescència: -
Laminació: en la laminació els grans pateixen una deformació plàstica i s’allarguen. Durant aquesta, els rodillos fan un treball en fred que aporta energia, una part per deformació i l’altre calorífica, a vegades suficient per arribar T rec. Si s’escull una T ideal, gra pot ser molt petit al f inal. La laminació es pot donar tant fred com en calent. - coalescència: fenomen que te lloc quan agafem u material i el contraiem, els grans van creixent. Per a que passi els grans han de tenir una desorientació de baix angle en el límit de gra, i per tant els grans podran rotar amb la T, si es varia la orientació uns pocs grues, les 2 estructures s’alienen perfectament i el LG desapareix i per conseqüència la E del sistema baixa, al desaparèixer el LG, pot créixer moltíssim i pot menjar-se als altres grans mes petits. Factors que controlen el moviment del LG: àtoms en solució solida, fase secundaria o precipitats, defectes volumètrics, la porositat. (tot això fa que LG no creixi). Recristal·lització secundaria: creixement de gra anormal. Es dona en zones lliures de precipitats.