Isotropía

Característica de algunos cuerpos cuyas propiedades físicas no dependen de la dirección en que son examinadas, es decir, que ciertas magnitudes arrojan resultados idénticos independientemente de la dirección escogida para su medición (lo contrario es la **anisotropía**).

Temperatura de Subenfriamiento

A las temperaturas termodinámicas de solidificación, la probabilidad de formar núcleos estables y sustentables es extremadamente pequeña. En consecuencia, la solidificación no comienza a la temperatura termodinámica de solidificación. Si la temperatura (Tª) continúa decreciendo respecto a la de equilibrio de solidificación, la fase líquida que debería haberse transformado en sólido se vuelve cada vez más inestable termodinámicamente. Dado que el líquido se encuentra por debajo de la temperatura de solidificación de equilibrio, se considera **subenfriado**. Así, el **subenfriamiento** se define como la diferencia entre la temperatura de equilibrio de solidificación y la temperatura real del líquido. Al aumentar el grado de subenfriamiento, la fuerza termodinámica impulsora de la formación de una fase sólida a partir del líquido supera la resistencia a la creación de una interfaz sólido-líquido.

Crecimiento Planar

Cuando el ritmo con que aparecen nuevos núcleos es muy alto, la temperatura (Tª) del líquido en las proximidades del núcleo es siempre mayor que la de este y superior a la temperatura de fusión. Si el núcleo se encuentra en el seno del líquido, su crecimiento implica un sobrecalentamiento del líquido del entorno inmediato, que es el que absorbe el calor latente correspondiente. Dado que todo el líquido circundante a cada núcleo posee una distribución térmica similar, el crecimiento será igualmente probable en todas las direcciones, por lo que el núcleo crecerá de forma regular. El crecimiento será enormemente lento, ya que la agitación térmica del líquido será muy alta como para permitir disposiciones ordenadas. Pero si el núcleo se forma heterogéneamente sobre las paredes del contenedor, el calor latente es absorbido por las paredes y el proceso de crecimiento se verá acelerado. Es decir, el sólido que se está formando se encuentra a una temperatura inferior que la del líquido circundante, y el calor latente se elimina por conducción a partir de la interfaz sólido-líquido. Toda protuberancia que comienza a crecer en la interfaz estará rodeada de líquido a mayor temperatura que la de solidificación; entonces, el crecimiento de la protuberancia se detiene hasta que se empareja con el resto de la interfaz.

Crecimiento Dendrítico

Por otra parte, puede ocurrir que el ritmo de nucleación sea más bajo. En este caso, el líquido se subenfría antes de que se forme el sólido. Dado que el número de embriones es muy bajo, la cantidad de calor de solidificación cedido al líquido será pequeña, por lo que zonas de este pueden alcanzar temperaturas por debajo de la temperatura de fusión sin solidificar. Bajo estas condiciones, los núcleos no crecen de forma regular, sino con unas estructuras características llamadas **dendritas**. Su formación se debe a que el líquido subenfriado puede absorber parte del calor latente liberado durante la solidificación. Como resultado, se produce un crecimiento acelerado a lo largo de ciertas direcciones que da lugar a los **brazos primarios de la dendrita**. Es decir, este crecimiento solo es posible cuando la masa de líquido en el entorno de los núcleos se halla a una temperatura inferior a la temperatura de fusión, es decir, se halla subenfriado. Las direcciones de los brazos principales de las dendritas coinciden con las de mayor gradiente térmico. También suelen crecer **brazos secundarios** y **terciarios** para hacer más eficiente la evacuación de calor latente. El crecimiento dendrítico finaliza cuando el líquido subenfriado alcanza la temperatura de fusión.

Mecanismos de Endurecimiento de Materiales

Endurecimiento por Dispersión de Partículas

La existencia de partículas de una fase dura, distribuidas uniformemente por todo el material (**dispersas**), constituye un medio eficaz para aumentar la resistencia de un material (por ejemplo, se puede multiplicar la dureza del aluminio (Al) hasta 8 veces). Existe un tamaño de partícula que optimiza el endurecimiento del material. Es decir, cuando los precipitados son lo suficientemente grandes y presentan una red muy diferente de la de la matriz, la interfaz será incoherente. En esta situación, las **dislocaciones** no pueden atravesar los precipitados y, por lo tanto, los rodean mediante un proceso que se inicia con un arqueo de la distorsión alrededor de la partícula y que termina dejando lo que se llama un **“lazo de dislocación”**. El efecto endurecedor de los precipitados aumenta muy rápidamente a medida que disminuye la distancia entre ellos, de manera que el límite elástico es proporcional a este factor: 1/L (si 1/L aumenta, también lo hace el límite elástico).

Endurecimiento por Afino de Grano

En la ecuación de **Hall-Petch**, donde ‘T’ significa tamaño medio de grano, ‘σ_I‘ es el límite elástico monocristalino y ‘K’ es la constante empírica, se observa que, como contrapartida al incremento de las propiedades mecánicas mejoradas al afinar el grano, las soluciones sólidas normalmente son menos tenaces.

Endurecimiento por Aleación

Se sabe que los metales puros son siempre más blandos y menos resistentes que las soluciones sólidas formadas usando el mismo metal como base. El aumento de la concentración de átomos de impurezas produce un incremento en la resistencia a la tracción, la dureza y el límite elástico.

Endurecimiento por Precipitación o Envejecimiento

Se produce por una secuencia de transformaciones de fase que conducen a una dispersión uniforme de precipitados de tipo **coherente**, de tamaño de grano pequeño y duro, sobre una matriz blanda y dúctil. Un ejemplo es la aleación de 4% de Cobre (Cu) en Aluminio (Al), donde el Al actúa como matriz.

Nucleación Homogénea

Suele darse en los metales puros. Tiene lugar cuando el metal (fundido) proporciona los átomos para formar los núcleos. El metal fundido se enfría por debajo de su temperatura de solidificación y, debido al movimiento lento de los átomos, es posible que estos se mantengan unidos (la fuerza de cohesión es mayor que la fuerza de vibración de los átomos). Para que un núcleo estable se transforme en un cristal, es necesario alcanzar un **“tamaño crítico”**. Si el conjunto de átomos unidos entre sí es de menor tamaño que el tamaño crítico, se denominan **embriones**; si, por el contrario, es mayor, se llama **núcleo**, siendo este último más estable.

Nucleación Heterogénea

Se da entre metales no puros, es decir, en **aleaciones**. Consiste en introducir otros elementos para producir la nucleación. Es posible que estos elementos den pie a la formación de nuevos núcleos.

Etiquetas: crecimiento cristalino, endurecimiento de materiales, isotropía, nucleación, solidificación, subenfriamiento