UNIVERSIDAD TECNOLOGICA DEL PERU

PROF: ING. ENCARNACION V. SANCHEZ CURI vicsancu5@yahoo.es

1 Ing. Encarnación Sánchez Curi

INTRODUCCIÓN

• Solidificación es una transformación de fase de líquido a sólido.

• Los metales, los polímeros y el vidrio se forman en general por solidificación del material fundido.

• Las estructuras producidas durante la solidificación afectan las propiedades mecánicas y determinan el procesamiento posterior

• Los metales presentan una estructura cristalina pueden solidificar sin un orden atómico si la velocidad de enfriamiento es suficientemente rápida, proceso que es llamado vitrificación.

2 Ing. Encarnación Sánchez Curi

SOLIDIFICACION

La mayoría de los metales se funden

para moldearlos →forma acabada.

Todo líquido se solidifica por debajo

de la temperatura de solidificación.

Los arreglos atómicos cambian de

un corto alcance a un largo alcance.

Tiene las siguientes etapas:

Formación de núcleos estables.

Crecimiento del núcleo hasta dar

origen a cristales (crecimiento).

Se tiene la formación de granos y

estructura granular.

3 Ing. Encarnación Sánchez Curi

La solidificación se entiende como el paso de líquido a sólido

de un material y con esto la formación de una o varias fases

cristalinas.

FUNDAMENTOS SOLIDIFICACIÓN

FASES DE LA SOLIDIFICACIÓN

Líquido ------ --- Gérmenes ----------Núcleos--------Crecimiento

4 Ing. Encarnación Sánchez Curi

Durante la solidificación, el arreglo atómico cambia de un orden de corto

alcance a un orden de largo alcance, es decir, a una estructura cristalina.

La nucleación ocurre cuando se forma una pequeña porción solida dentro

del líquido. El crecimiento del núcleo ocurre cuando los átomos del líquido se

van uniendo al solido hasta que se acabe el líquido.

FUNDAMENTOS SOLIDIFICACIÓN

Líquido Líquido Límites de grano

Núcleo

Cristales que formarán granos

Granos

5 Ing. Encarnación Sánchez Curi

.

NUCLEACION

Formación de una nueva fase en un punto dado

del sistema. Se solidifica→ debajo de la temperatura de fusión o congelamiento. Genera una superficie sólido-líquida que tiene

una energía de superficie (sólido) menor que la

del líquido.

Crecimiento de estos núcleos a medida que

desciende la temperatura. Por lo tanto, durante

la solidificación coexisten ambas fases, sólida y

líquida.

Una vez formados los núcleos , un cierto grupo

de ellos crecerá.

6 Ing. Encarnación Sánchez Curi

NUCLEACION

• La diferencia de energía entre sólido y líquido → energía libre de volumen, conforme incrementa su tamaño.

• En la superficie se genera una interfase, donde se obtiene la energía libre de superficie de volumen

• Por lo tanto se tiene un cambio total de energía:

• Donde el volumen del embrión es:

• La nucleación de partículas sólidas en un metal liquido son: nucleación homogénea y nucleación heterogénea.

7 Ing. Encarnación Sánchez Curi

El liquido se enfría por debajo

de la temperatura de

solidificación de equilibrio

FACTORES

Se agrupan los átomos para formar embriones

La mayor ≠ energía libre de volumen del liquido y el

solido → reduce el tamaño crítico del núcleo.

Favorecen la nucleación

8 Ing. Encarnación Sánchez Curi

NUCLEACIÓN HOMOGENEA

Requiere un nivel alto de

subenfriamiento.

Se da en el líquido fundido cuando

el metal proporciona por sí mismo

los átomos para formar los

núcleos.

Para que un núcleo estable pueda

transformarse en un cristal debe

alcanzar un tamaño crítico.

9 Ing. Encarnación Sánchez Curi

Esta nucleacion ocurre cuando el subenfriamiento es lo suficiente como para causar la formación de un núcleo estable.

10 Ing. Encarnación Sánchez Curi

Metal

Temperatura de solidificacion

( ℃)

Subenfriamiento Típico para la nucleacion homogénea

Ga 30 488 76

Bi 271 543 90

Pb 327 237 80

Ag 962 965 250

Cu 1085 1628 236

Ni 1453 2756 480

Fe 1538 1737 420

Valores para la temperatura de solidificacion , calor latente de fusion, energía de superficie y subenfriamiento máximo observado para materiales :

11 Ing. Encarnación Sánchez Curi

NUCLEACIÓN HETEROGENEA • La nucleación heterogénea es la nucleación que se produce en un líquido sobre las

superficies del recipiente que lo contiene, impurezas insolubles, u otras materias

estructurales que reduzcan a energía libre crítica requeridas para formar un núcleo

estable.

• Ocurre en operaciones de fundición industrial, normalmente varía entre 0.1 y 10 ºC el

subenfriamiento.

• Para que se produzca la nucleación heterogénea, el agente de nucleación sólido

(impureza sólida o ricipiente) debe ser humedecido por el metal líquido.

• La nucleación heterogénea tiene lugar sobre el agente de nucleación, porque la

energía superficial para formar un núcleo estable es más baja que si el núcleo se

formara sobre el propio liquido puro, al ser menor, el cambio de energía libre total para

la formación de un núcleo estable deberá ser también menor y el tamaño del radio

critico del núcleo será menor, y es por esto que se requiere de un menor sub-

enfriamiento para producir un núcleo estable por nucleación heterogénea.

12 Ing. Encarnación Sánchez Curi

Nucleación Heterogénea

Es la nucleación que tiene lugar en un liquido sobre la superficie del recipiente que lo contiene, impurezas insolubles, u otros materiales estructurales que disminuyan la energía libre requerida para formar un núcleo estable.

Esta nucleación es la que ocurre en operaciones de fundición industrial, normalmente varia entre 0.1 y 10 ºC el subenfriamiento.

Para que esta se produzca, el agente de nucleación sólido debe ser mojado

por el metal liquido.

13 Ing. Encarnación Sánchez Curi

Tasas de

nucleación y crecimiento ideales en función

de la temperatura.

Enfriamiento lento:

Poco sobreenfriamiento (Ta), se forman pocos

núcleos que crecen rápido, dando lugar a pocos

cristales de grano grueso.

Enfriamiento rápido:

Sobreenfriamiento mayor a Tb. Nucleación

rápida y crecimiento más lento produce muchos

cristales de grano fino

Enfriamento muy rápido:

Sobreenfriamiento a Tc. Nucleación

prácticamente ausente, se produce roca vítrea.

NUCLEACIÓN Y CRECIMIENTO DE CRIsTALES

14 Ing. Encarnación Sánchez Curi

CRECIMIENTO

1) Una vez formados los núcleos estables, éstos crecen según se van añadiendo a su superficie otros átomos (crecimiento de grano).

2) El modo de crecimiento depende de cómo se extrae el calor del sistema.

a) Calor específico (enfriamiento): del líquido a sus alrededores

b) Calor latente de fusión (solidificación): en la interfase sólido líquido. Determina el tipo de crecimiento de grano

15 Ing. Encarnación Sánchez Curi

CRECIMIENTO

La naturaleza del crecimiento del solido

dependerá de la forma en que se va extrayendo el

calor del sistema.

Deben extraerse dos tipos de calor

El calor especifico del liquido

El calor latente de fusión

Determinara el

mecanismo de

crecimiento

16 Ing. Encarnación Sánchez Curi

Crecimiento Dendrítico

• Líquido se subenfria antes que se forme el sólido→ se forma una protuberancia en la interfase → dendrita.

• Conforme crece la dendrita el calor latente de difusión pasa al liquido subenfriado. elevando su temperatura hacia la temperatura de solidificación.

17 Ing. Encarnación Sánchez Curi

Crecimiento dendrítico

Cuando la nucleación es débil ,el liquido

se subenfria antes de que se forme el

solido .

Se forma en la interfase una

protuberancia solida pequeña, llamada

dendrita.

El crecimiento dendrítico continua hasta

que el liquido subenfriado alcanza la

temperatura de solidificación .

18 Ing. Encarnación Sánchez Curi

Crecimiento Planar

Cuando un liquido bien inoculado se

enfría al equilibrio, la temperatura del

liquido es mayor que la temperatura de

solidificación.

Durante la solidificación el calor latente

de fusión es eliminado por conducción

desde la interface solido- liquido atraves

del solido.

19 Ing. Encarnación Sánchez Curi

ESTRUCTURAS DE GRANO

• Cuando un metal relativamente puro se moldea en un molde fijo sin utilizar afinadores de grano se tiene:

• Granos equiaxiales → granos crecen igual en toda dirección. Gran de concentración de los núcleos en las paredes.

• Granos columnares → son alargados, delgados y burdos, y se forman cuando un metal se solidifica muy lentamente en presencia de un fuerte gradiente de temperatura.

20 Ing. Encarnación Sánchez Curi

TIEMPO DE SOLIDIFICACION Y TAMAÑO DE LAS DENDRITAS

La rapidez a la cual el sólido crece depende de la velocidad de enfriamiento, o de la rapidez

de extracción de calor. Una velocidad de enfriamiento rápida produce una solidificación

rápida, o tiempos de solidificación cortos. Utilizando la regla de chvorinov puede calcularse

el tiempo ts requerido para que una fundición simple se solidifique completamente:

Donde V es el volumen de la fundición y representa la cantidad de calor que debe ser

eliminada, antes de que ocurra la solidificación. A es el área de la superficie de la fundición

que está en contacto con el molde y representa la superficie por la cual se va a extraer el

calor de la fundición; n es una constante y B es la constante del molde, la cual depende de

las propiedades y temperaturas iniciales tanto del metal como del molde.

21 Ing. Encarnación Sánchez Curi

Efecto en la estructura y las propiedades

El tiempo de solidificación afecta el tamaño de las dendritas. Normalmente el tamaño de la dendrita

se representa midiendo la distancia entre los brazos dendríticos secundarios. El espaciamiento

entre brazos dendríticos (EBDS), se reduce cuando la fundición se solidifica con mayor rapidez.

Las redes dendríticas más finas y más extensas sirven como un conductor más eficiente del calor

latente hacia el líquido subenfriado. El EBSD está relacionado con el tiempo de solidificación por la

relación:

Donde m y k son constantes que dependen de la composición del metal. Espaciamientos pequeños

entre los brazos dendríticos secundarios producen mayor resistencia mecánica y mejor ductilidad.

22 Ing. Encarnación Sánchez Curi

DEFECTO DE LA SOLIDICACIÓN

contracción

Son más densos en estado sólido

Se encoge hasta un 7%.

Contracción interdendrítica

Formación de poros en

contracción volumétrica.

Altas velocidades de enfriamiento

evita las porosidades.

23 Ing. Encarnación Sánchez Curi

DIFUSION de SOLIDOS Mecanismo por el que la materia se transporta a través de la materia. Fenómeno de transporte por movimiento atómico

MOV. ÁTOMOS DENTRO DE LA RED CRISTALINA

24 Ing. Encarnación Sánchez Curi

MECANISMOS de DIFUSION

Hay dos mecanismos principales de difusión de los átomos en una red cristalina:

1. Mecanismo de difusión por vacantes o sustitucional

2. Mecanismo de difusión intersticial

25 Ing. Encarnación Sánchez Curi

Mayoría de las aleaciones, la difusiónintersticial es más rápida difusiónvacantes , ya que los átm son más pequeños y con más movilidad

MECANISMO SUSTITUCIONAL/VACANTES

MECANISMO INSTERTICIAL

DIFUSION EN ALEACIONES

26 Ing. Encarnación Sánchez Curi

DIAGRAMA DE SOLIFICACIÓN DEL HIERRO PURO

DIAGRAMA DE CALENTAMIENTO Y ENFRIAMIENTO DEL HIERRO PURO

1. Endurecimiento superficial del acero

(engranajes o ejes): Carburación o

Cementación: contenido en C superf. y

Nitruración contenido en N superf.

2. Fabricación de circuitos electrónicos

integrados

con obleas de Si dopados con impurezas

para modificar las características de la

conductividad

eléctrica.

3. Descarburación: perdida de carbono

superficialmente en los aceros

4. Sinterización

5. Soldadura por difusión

APLICACIÓN EN PROCESOS INDUSTRIALES

29 Ing. Encarnación Sánchez Curi

Formación de puentes o cuellos entre las partículas o granos independientes, para formar un compacto con las partículas ya unidas

SOLDADURA POR DIFUSIÓN

30 Ing. Encarnación Sánchez Curi