Migración de las fronteras de grano

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Migración de las fronteras de grano
Las fronteras de grano hacen que la energía libre de un policristal sea mayor
que la de un monocristal El policristal no representa un verdadero estado de
equilibrio estable. Si realizamos un tratamiento termico (por ejemplo, un recocido),
las fronteras tenderan a reordenarse de modo que se alcance una situación de
equilibrio metaestable en la intersección de los granos. La condición para que se
alcance el equilibrio nos conduce a la Ecuación de Young, la cual considera las
tensiones superficiales de las fronteras.
La migración de las fronteras, se producen para que se alcance el equilibrio
metaestable antes mencionado, además de ser necesario también mantener el
equilibrio de tensiones superficiales a lo largo de toda la frontera, no solo en las
intersecciones.
Si la frontera se curva, aparecerá una fuerza que intentará equilibrar el sistema,
para que evolucione a una configuración estable. Esto provoca que haya granos
que tiendan a desaparecer y otros crecerán. Aquellos granos que tengan menos
de 6 fronteras tenderan a desaparecer mientras que los tengan 6 o mas fronteras
trataran de crecer.
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Siempre que tengamos una superficie con una cierta curvatura, tendremos una
diferencia de presión que dará lugar a un gradiente de energía libre o de potencial
químico. Esta será la fuerza responsable del pasa de átomos de un grano a otro
a través de la frontera. Dicha fuerza (motriz) en la frontera vale #G/Vm. Vamos a
considerar la migración de fronteras desde un punto de vista cinético, en el que se
necesita una activación térmica para pasar átomos del grano 1 al grano 2. La gráfica
nos muestra la diferencia de energía libre para que se de el salto de un grano a otro.
El flujo neto nos proporciona el avance de la frontera. En equilibrio, AG=0, por lo
que se cumple A1n1v1=A2n2v2 y si suponemos que todos los átomos encuentran
acomodo A1=A2. Por lo tanto, el flujo neto se escribira:
Desarrollando en serie la exponencial y considerando que AG=AH – TAS,
obtenemos una relación entre la velocidad (V) con que se mueve la frontera y su
movilidad (M: velocidad cuando la fuerza motora es la unidad):
En este modelo estamos despreciando factores que pueden ser importantes
como: La no equivalencia de los átomos, bien porque sean de elementos químicos
distintos o bien porque sean diferentes sus entornos cristalilnos. La existencia de
defectos que puedan impedir o retrasar el movimiento de la frontera. Tras ver una
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explicación teórica del porque se produce la migración de fronteras de grano, ahora
vamos a ver como influye el tipo de migración a la hora de clasificar las intercaras.
Tipos de intercaras en función del modo de migración:
DESLIZANTES:
Este tipo de intercaras migran a través de movimientos (deslizamientos) de
dislocaciones dando lugar a la cizalladura de la fase matriz en la fase producto. Este
movimiento es bastante ordenado y poco sensible a cambios de temperatura por lo
que se habla también de Migración Atérmica.
NO DESLIZANTES:
La mayor parte de las intercaras están dentro de este grupo. La migración se
produce por saltos aleatorios de átomos individuales a través de la intercara.
Requiere una energía de activación térmica que permita a los átomos saltar la
barrera entre las posiciones atómicas correspondientes a las dos fases.
Tambien se puede hacer una clasificación de las transformaciones de fase
dependiendo del tipo de interfase (por modo de migración):
TRANSFORMACIONES MILITARES:
Involucran intercaras deslizantes. Los vecinos más próximos de cualquier átomo no
se modifican durante la transformación, por lo tanto la fase inicial y la final deben
tener la misma composición. No hay procesos difusivos.
TRANSFORMACIONES CIVILES:
La transferencia o movimiento de átomos no es en absoluto coordinado. La
composición de la fase inicial y la final puede o no ser la misma. Si no hay cambios
de composición, la nueva fase crecerá tan rápido como lo permita el paso de
átomos a través de la intercara y hablaremos de transformaciones controladas por
la intercara. Si hay cambios de composición se requieren movimientos atómicos de
largo alcance y por tanto la transformación estará controlada por difusión.
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El cuadro muestra un resumen de lo expuesto anteriormente.
Como hemos visto en función del modo de migración, y por tanto, del tipo de
intercara se dan distintas transformaciones de fase que estan controladas, bien
por el proceso de difusión o por la intercara. Pero existen casos en los que se dan
ambos procesos, ¿a qué es debido?
En la aproximación que hemos usados para explicar el proceso de migración, donde
decimos que los factores de acomodamiento son iguales, suponemos que cada
átomo que cruza el grano se queda en la nueva fase. Esta situación no se da en
todos los casos, como pueden ser las fronteras coherentes o semicoherentes donde
el grado de orden es relativamente alto.
Pongamos un par de ejemplos:
Tenemos dos fases con diferente composición pero con la misma estructura
cristalina y parámetros. La intercara avanzará por intercambio de átomos . En estas
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condiciones el control de la migración de la intercara corresponde a los procesos
difusivos.
Ahora tenemos dos fases con distinta estructura cristalina, por ejemplo hcp y fcc.
Si el crecimiento de la fase hcp ocurre a través de saltos individuales, un átomo
en la posición C en la fase fcc inicial pasaría a posición B, pero esta configuración
es muy poco favorable porque tienes dos átomos adyacentes en ésta posición.
Esto conlleva a un aumento de energía, por lo que el átomo, tendrá que volver a
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su posición inicial B en la fase hcp y por lo tanto el proceso es controlado por la
intercara.
Esta situación nos la encontramos en las intercaras sólido-vapor, puesto que
cuando un nuevo átomo se fija a la fase sólida aumentará la energía superficial,
lo que provocará que el átomo se vuelva a “unir” a la fase vapor. Por lo tanto
necesitaremos un método distinto a los dados anteriormente. Éste metodo es el
llamado crecimiento por bordes.
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