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Tesis

Metales de transición de estructura hexagonal. Autodifusión y estabilidad de fases compuestas

2004



Título Metales de transición de estructura hexagonal. Autodifusión y estabilidad de fases compuestas
Nombre Ruiz, Diego Hernán
Ingeniero Mecánico Universidad Tecnológica Nacional Argentina
Magister en Ciencia y Tecnología de Materiales UNSAM
Directores Dra. Monti Ana María. CNEA
Dr. Gribaudo Luis M..
. CNEA Centro Atómico Constituyentes
Fecha Defensa 15/09/2004
Jurado

Código Código IT IT/T--90/04

Resumen

Diversas fases de estructura hexagonal se presentan en los sistemas binarios que forman los metales hafnio y circonio con el estaño; entre ellas, las compactas correspondientes a las soluciones sólidas terminales estables a bajas temperaturas, ricas en hafnio y/o circonio, y las de los intermetálicos Hf5Sn3 y Zr5Sn3 de los cuales el prototipo cristalográfico es el Mn5Si3. La misma estructura hexagonal de las soluciones sólidas terminales en los binarios con estaño, alfa(Hf,Sn) y alfa(Zr,Sn), se presenta en el sistema hafnio - circonio en donde se establece solubilidad total entre ambos elementos de transición alfa(Hf,Zr). En el sistema ternario resultante, lo anterior significa que existe la fase estable alfa(Hf,Zr,Sn) en un determinado dominio de concentraciones de estaño. El sistema ternario titanio-circonio-estaño presenta la formación del compuesto intermetálico hexagonal (Ti,Zr)5Sn3. En esta estructura el titanio y el circonio son intercambiables totalmente. Hipótesis inicial del presente estudio es que la misma intercambiabilidad existe entre el hafnio y el circonio en el intermetálico tipo Mn5Si3 en el sistema ternario hafnio-circonio-estaño. Desde el punto de vista experimental se caracterizaron las fases en equilibrio de tres aleaciones de composición global de alrededor 20 por ciento atómico de estaño y variable en la relación hafnio / circonio. Para esto se elaboraron las aleaciones ternarias en un horno de arco, se trataron térmicamente a 900 y 1100 grados C, se observaron en el microscopio óptico, se realizaron microanálisis por sonda electrónica y se obtuvieron difractogramas en el equipo de rayos X. Como resultado se ha logrado caracterizar las fases y determinar los parámetros de red de las estructuras. Por otra parte se modelaron los elementos puros hafnio y circonio, ambos de estructura hcp, alfa Hf y alfa Zr, mediante un potencial interatómico de muchos cuerpos de tipo átomo embebido y técnicas de simulación por computadora, tales como estática molecular (EM) y dinámica molecular (DM). En particular, se estudió la autodifusión por mecanismo de vacancias en un amplio rango de temperaturas utilizando DM. Además, mediante técnicas de simulación que utilizan primeros principios, se determinaron los volúmenes de las celdas unitarias, correspondientes a la mínima energía total, para diversas fases hexagonales que se presentan en el sistema ternario. Dichos valores se compararon con valores experimentales o calculados por otros autores.

Complete Title

Abstract

Phases of hexagonal structure are present in the binary systems which are components of the ternary hafnium-zirconium-tin, i.e. the compact alpha phases with tin, rich in hafnium and / or zirconium which correspond to the stable terminal solid solutions at low temperatures, and the Mn5Si3 type intermetallics. The same hexagonal structure of the terminal olid solutions of hafnium and zirconium with tin, alpha(Hf,Sn) and alpha(Zr,Sn), is in the binary hafnium-zirconium, where there is total solubility between both transition metals alpha(Hf,Zr). In the consequent ternary system this phase is identifies as alpha(Hf,Zr,Sn). The ternary titanium-zirconium-tin system has a stable hexagonal intermetallic compound (Ti,Zr)5Sn3 where titanium and zirconium are mutually interchanged. An initial hypothesis of this work is that a similar compound (Hf,Zr)5Sn3 is formed in the ternary hafnium-zirconium-tin system. From the experimental point of view, the equilibrium phases of three alloys of nominal compositions of about 20 at. per cent of tin and variable in the relation hafnium / zirconium have been characterized. For this purpose the elements were melted in an arc furnace and thermically treated al 900 and 1100 C degree. Optical microscopy techniques, microanalysis and X-ray analysis were applied for the phase characterizations and the lattice parameter determinations. On the other hand, the alpha phases of pure hafnium and zirconium were studied by computer simulation techniques, like molecular static (EM) and molecular dynamic (DM). Many-body interatomic potentials of the embedded atom type were used to represent the atomic interactions. In particular, self diffusion via vacancy mechanism has been studied in a wide temperature range. Finally, ab-initio calculations were carried out to determine theoretically the lattice parameters of different stable hexagonal phases. Results are compared with experimental and other calculated values.

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