Modelización de la difusión de elementos sustitucionales en redes cristalinas cúbicas y su aplicación a la separación de fases

Resumen

Desde el punto de vista macroscópico se asume que la composición de un material puede variar ligeramente en toda la microestructura, pero un análisis más exhaustivo muestra que la composición no se mantiene tan constante. Los átomos presentan una energía térmica lo que les hace saltar aleatoriamente y formar zonas esporádicas de mayor concentración. Este hecho es responsable de fenómenos tales como la descomposición espinodal o el Ostwald ripening. La difusión en los sólidos es un proceso muy importante, ya que la mayor parte de los procesos más importantes del tratamiento de materiales se basan en la transferencia de masa. Esta transferencia está gobernada por la difusión, un fenómeno de transporte por movimiento de átomos. Muchas transformaciones que tienen lugar en los metales como la nucleación de nuevas fases, recristalización ocurren mediante este proceso. A nivel atómico, la difusión en estado sólido consiste en movimiento de los átomos de un sitio de la red a otro. En esta tesis se ha desarrollado un modelo tridimensional genérico que simula la difusión de impurezas de redes cristalinas con simetría cúbica, es decir, estructura cúbica simple, cúbica centrada en las caras y cúbica centrada en el cuerpo. El proceso de difusión que se tendrá en cuenta es el sustitucional, y para realizar el movimiento de los átomos se ha utilizado un algoritmo de tipo Random Walk. Toda la microestructura se divide en pequeños elementos cúbicos llamados vóxels, cada vóxel puede contener más de una celda atómica. Los átomos de impurezas se colocan inicialmente en posiciones aleatorias dentro del volumen conocido. Una vez colocados los átomos, estos empiezan a saltar de un vóxel a otro siguiendo unas ciertas probabilidades que dependen de la red cristalina y composición que tiene el vóxel de llegada. Utilizando el modelo descrito, en el presente trabajo se han obtenido las relaciones de frecuencia de saltos atómicos dependiendo de la temperatura para el caso de Cr y Fe con una estructura bcc. Además, se han obtenido las relaciones entre frecuencias de saltos atómicos y difusividad macroscópica a diferentes tamaños de celdas para todas las redes cúbicas estudiadas. Teniendo en cuenta el modelo de difusión, y como ejemplo de la aplicación de dicho modelo se ha empleado para modelizar la descomposición espinodal. La descomposición espinodal es un mecanismo por el cual una solución de dos o más componentes se pueden separar en distintas regiones con composiciones químicas diferentes. Este mecanismo se diferencia de la nucleación clásica en que, la separación de fases debido a la descomposición espinodal es mucho más sutil, y se produce de manera uniforme por todo el material, no sólo en los sitios de nucleación discretos. La descomposición espinodal es de interés por dos razones principales. En primer lugar, es una de las pocas transformaciones de fase en sólidos para los cuales existe una teoría cuantitativa. La razón de esto es la simplicidad de la reacción. Dado que no existe barrera termodinámica a la reacción en el interior de la región espinodal, la descomposición está determinada únicamente por el proceso de la difusión. Por lo tanto, puede ser tratado simplemente como un problema de difusión. Desde el punto de vista más práctico, la descomposición espinodal proporciona un medio de producir una microestructura muy fina dispersa, que puede mejorar las propiedades físicas del material. Hoy en día, existe un gran empeño en estudiar y entender este proceso de transformación debido sobre todo a las mejoras en propiedades físicas que presentan estos materiales. El propósito de la segunda parte de este trabajo ha sido desarrollar un modelo a partir del modelo de difusión, para reproducir la evolución microestructural y la separación de fases en la aleación Fe-Cr. Además de describir el funcionamiento del modelo propuesto, los resultados se ha