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PRINCIPIOS DE SOLIDIFICACION DE LOS MATERIALES
Tipo: Apuntes
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Realizado por: Br. Jesus Duarte. V-20.635.702.
La mayoría de los objetos metálicos comerciales sufren el proceso de solidificación durante su procesamiento y el producto resultante es llamado fundición o lingote, las propiedades de estos productos se determinan durante el proceso de solidificación.
La solidificación es un proceso físico que consiste en el cambio de estado de la materia de líquido a sólido producido por una disminución en la temperatura o por una compresión de este material. Es el proceso inverso a la fusión, y sucede a la misma temperatura. Ejemplo de esto es cuando colocamos en el congelador agua, como la temperatura es muy baja esto hace que se haga hielo, o en pocas palabras, aumenta el volumen al solidificarse, aunque no sucede en todos los casos.
También se llama solidificación al proceso de endurecimiento de materiales como el cemento o la arcilla, en esos casos al deshidratarse a temperatura constante.
Nucleación Homogénea: Este tipo se presenta en el líquido fundido cuando el metal da por él mismo los átomos para lograr conseguir formar los núcleos. Cuando un metal líquido puro se enfría debajo de su temperatura de equilibrio de solidificación de manera correcta y en cantidad suficiente, se forman núcleos homogéneos por movimiento lento de átomos lo cuales tienden a mantenerse agrupados. Para lograrla se requiere de un elevado grado de sub-enfriamiento, lo cual puede llegar a ser incluso de cientos de grados centígrados para los metales. Para lograr que un núcleo estable se convierta en un cristal, se debe de alcanzar un tamaño crítico. El conjunto de átomos que están entrelazados entre sí, se llama embrión. El grupo que sea de mayor tamaño crítico se llama núcleo.
Nucleación Heterogénea: Esta es la que sucede en un líquido sobre la superficie del recipiente que contienen impurezas que son insolubles, o algunos otros materiales estructurales que disminuyen la energía libre para poder formar un núcleo que sea estable. Para que ocurra este tipo de nucleación, el agende de nucleación sólido debe de ser mojado por el metal líquido. Tiene lugar sobre el agente de nucleación porque la energía superficial que se necesita para formar un núcleo estable sobre el material es más baja que si el núcleo se creara sobre su propio núcleo.
Mecanismos de crecimiento.
La transformación de líquido a sólido ocurre en dos etapas. La primera, es la nucleación de la fase sólida en la fase líquida, donde se genera una superficie sólido-líquido que tiene una energía de superficie (energía por unidad de superficie) y, la segunda, se refiere al crecimiento de estos núcleos a medida que desciende la temperatura. Por lo tanto, durante la solidificación coexisten ambas fases, sólida y líquida. La relación entre las velocidades de nucleación y crecimiento determinará la forma y el tamaño de los granos del sólido resultante.
Crecimiento estable e inestable de cristales metálicos
La forma de crecimiento de un sólido en un líquido depende del gradiente de temperatura delante de la interfase sólido-líquido, (S-L). Como se señaló anteriormente, para producir solidificación es necesario sobre enfriar el líquido bajo la temperatura de fusión (Tf); al formarse una cierta cantidad de sólido se expulsa calor latente el cual eleva la temperatura de la interfase S-L produciéndose alguna de las siguientes situaciones:
1. Gradiente positivo de temperatura delante de la interfase S-L
Cuando se tiene un gradiente de temperatura positivo el calor debe ser extraído por el sólido. El movimiento de la interfase es controlado por la cantidad de calor removido a través del sólido. Además, la interfase debe ser isotérmica y moverse con velocidad uniforme. Si una protuberancia de sólido avanza hacia el líquido ésta se encuentra con líquido sobrecalentado y se disuelve. Se produce así un crecimiento con una interfase de forma plana o redondeada, pero sin protuberancias.
2. Gradiente negativo de temperatura delante de la interfase S-L.
Cuando se tiene un gradiente de temperatura negativo el calor puede ser extraído tanto por el sólido como por el líquido, por lo tanto, el movimiento de la interfase no es controlado por la cantidad de calor removido a través del sólido. Al desencadenarse el proceso de solidificación se desprende calor latente que eleva la temperatura de la interfase S-L, de esta manera es posible que delante de la interfase se genere un gradiente negativo de temperatura. Si una protuberancia sólida avanza, se encontrará con líquido sobre enfriado y ésta tenderá a crecer aún más hacia el interior del líquido. Por lo tanto, la interfase S-L avanzará con protuberancias puntiagudas llamadas dendritas (forma de árbol), de esto se deduce que la interfase plana es inestable en este caso.
En la curva de enfriamiento del experimento 1 se observa que presenta una zona isotérmica a temperaturas relativamente altas, lo cual indica que se trata de un metal puro. Considerando que el experimento se realizó a temperatura ambiente, el cero de referencia toma esta temperatura (25ºC). La isoterma observada es de 332ºC. Comparando con los elementos metálicos de la tabla periódica, se puede observar que los resultados obtenidos en cuanto a la temperatura de fusión del elemento, se aproximan a los valores mostrados por el plomo.
Defectos de solidificación.
Contracción(diferencias)
En la solidificación el material llega a contraerse hasta un 7% del volumen del líquido. Si la contracción empieza en la superficie, se pueden formar cavidades en el interior del sólido. Si sus superficies se contraen de distinta forma, se pueden formar pequeños canales. Solución rellenar el sólido durante la solidificación.
Contracciones Inter dendríticas:
Se forman pequeños poros entre los brazos de las dendritas. Característico en dendritas largas y con brazos grandes (el líquido no puede entrar en los interespaciados) Solución ritmos de enfriamiento muy altos para disminuir el tamaño de las dendritas
Porosidad gaseosa
Un metal en estado líquido puede contener cierta cantidad de gas disuelto Al solidificarse, parte del gas queda atrapado en el interior del metal y forma burbujas. Éstas forman cavidades por donde el gas puede entrar o salir del metal (porosidad gaseosa).
Ejemplo:H2enAl Soluciones: Mantener baja la temperatura del líquido Añadir materiales al líquido que formen compuestos sólidos con el gas Disminuir la presión externa (vacío) durante la solidificación para permitir la evaporación del gas.
Procesos de vaciados.
Cuando la fusión alcanza la temperatura y composición deseada, se Sagra. Un horno estacionario se Sagra abriendo paso a través de un tapón refractario colocado en un agujero cerca del fondo del horno como su nombre lo implica los hornos de volteo se sagran girándolos. Los metales con puntos de fusión más bajos se pueden bombear o succionar fuera del horno.
Los procesos de vaciado consisten simplemente en que se tenga un molde negativo de la figura tridimensional que se desea obtener. El molde negativo se obtuvo a su vez aplicando un material que fragüe a la pieza misma, luego el metal fundido o la cerámica en forma líquida se vierten o vacían dentro del molde hasta que solidifican, luego se separan las partes del molde y se obtiene una copia del original. Este proceso suele llamarse también vaciado, a la figura así obtenida. En algunos procesos se puede usar el mismo molde, en otros el moldees desechable.
obtiene una tira continua de sección semejante a la del molde. Esta tira cae en vertical y va avanzando para ser cortada posteriormente.
Fase.
Zonas macroscópicas del espacio de una composición química, y sus propiedades físicas homogéneas, que forman un sistema. Los sistemas monofásicos se denominan homogéneos, y los que están formados por varias fases se denominan mezclas o sistemas heterogéneos.
Equilibrio de fases.
Estos son todos aquellos a los que los diagramas de equilibrio mas sencillos son los de presión-temperatura esta es una sustancia pura, como puede ser el del agua. En el eje de ordenadas se coloca la presión y en el de abscisas la temperatura. Generalmente, para una presión y temperatura dadas, el cuerpo presenta una única fase excepto en las siguientes zonas:
Punto triple: En este punto del diagrama coexisten los estado sólido, líquido y gaseoso. Estos puntos tienen cierto interés, ya que representan un invariante y por lo tanto se pueden utilizar para calibrar termómetros.
Dos metales (A, B) a temperaturas superiores a sus respectivos puntos de fusión (TA, TB) se encuentran en estado líquido pudiéndose disolver y conformar así una fase única líquida. Esto quiere decir que no podemos establecer diferencias de comportamiento u observación entre las distintas partes del líquido y que los metales en las proporciones mezcladas tienen la propiedad de miscibilidad. Si la mezcla líquida, XA + XB, la sometemos a un proceso de solidificación, mediante enfriamiento, llegamos a obtener el producto que se denomina aleación de los metales A y B.
Es conocido que las aleaciones mejoran las características de los metales puros. Realmente debería decirse que introducen variables que diferencian el comportamiento de los metales puros que las componen, porque en algunas circunstancias pueden perjudicar sus propiedades. Obviamente, conformar una aleación es uno de los medios más primitivos que la ingeniería ha dispuesto para actuar sobre las propiedades de los metales puros, incluso históricamente la aleación es predecesora como lo justifica el bronce.
Relación entre las propiedades y los diagramas de fases.
Una aleación de cobre-níquel es más resistente que el cobre puro o que el níquel puro debido al endurecimiento por solución sólida.
La resistencia del cobre aumenta por endurecimiento por solución solida hasta que se agrega alrededor de 67% de Ni. El níquel puro es endurecido por una solución solida cuando se le incorpora hasta 33% de Cu. Se obtiene la resistencia máxima de una aleación de Cu-67%Ni, conocida como Monel. El máximo está más cerca del lado del níquel puro del diagrama de fases debido a que el níquel es más resistente que el cobre.
Diagrama de fase.
Representación entre diferentes estados de la materia, en función de variables elegidas para facilitar el estudio del mismo. Cuando en una de estas representaciones todas las fases corresponden a estados de agregación diferentes se suele denominar diagrama de cambio de estado.
Tipos.
De un solo componente.
Existen diferentes diagramas según los materiales sean totalmente solubles en estado sólido y líquido o sean miscibles a que sean insolubles. También pueden darse casos particulares. Uno de los diagramas de equilibrio más clásico es el de
Hay punto y líneas en estos diagramas importantes para su caracterización:
Sólido puro o solución sólida Mezcla de disoluciones sólidas (eutéctica, eutectoide, peritéctica, peritectoide) Mezcla sólido - líquido Únicamente líquido, ya sea mezcla de líquidos inmiscibles (emulsión)o un líquido completamente homogéneo. Mezcla líquido - gas Gas (lo consideraremos siempre homogéneo, trabajando con pocas variaciones da altitud).
En un diagrama binario pueden aparecer las siguientes regiones:
Línea de liquidus, por encima de la cual solo existen fases líquidas. Línea de solidus, por debajo de la cual solo existen fases sólidas. Línea eutéctica y eutectoide. Son líneas horizontales (isotermas) en las que tienen lugar transformaciones eutécticas y eutectoides, respectivamente. Línea de solvus, que indica las temperaturas para las cuales una disolución sólida (α) de A y B deja de ser soluble para transformarse en dos disoluciones sólidas (α) + (β) de distinta composición en A y B. Concentraciones definidas, en las que tienen lugar transformaciones a temperatura constante: Eutéctica Eutectoide Peritéctica Peritectoide Monotéctica Monotectoide Sintéctica Catatéctica
Diagramas de equilibrio con fases o compuestos intermedios (ternarios).
Representación bidimensional, las concentraciones de los tres componentes a P y T dadas, se grafican sobre un triángulo equilátero.
Cada vértice del triángulo representa el 100% del componente con que se designa. Las divisiones o líneas paralelas al lado BC, dan los porcentajes de A, que van desde 0%A (sobre BC) hasta 100%A (vértice). Análogamente, las líneas que dividen los lados BA y BC y son paralelas a AC nos dan los porcentajes de B, y las que dividen a CA y CB y paralelas a AB representan los porcentajes de C. Para graficar un punto sobre el diagrama tal como D, localizamos sus composiciones en 30% de A, 20% de B y por ende 50% de C, el cual queda definido.
disolvente. Como el mecanismo de disolución supone movimiento de moléculas, la temperatura y la presión tienen efecto en la solubilidad.
Los sólidos se disuelven en agua en cantidades que dependen de la temperatura; la mayoría es más soluble cerca del punto de ebullición del agua que del de congelación; la presión ejerce una ligera influencia en la solubilidad del sólido por que pocos tienen una presión de vapor mensurable. Muchos líquidos son completamente miscibles con el agua. Los líquidos ligeramente solubles; o parcialmente ni miscibles tienen una solubilidad similar a la de los sólidos. Sus solubilidades tienden a crecer con el aumento de la temperatura.
Microestructuras presentes.
Los constituyentes metálicos que pueden presentarse en los aceros al carbono son: ferrita, cementita, perlita, sorbita, troostita, martensita, bainita, y rara vez austenita, aunque nunca como único constituyente. También pueden estar presentes constituyentes no metálicos como óxidos, silicatos, sulfuros y aluminatos. El análisis de las microestructuras de los aceros al carbono recocidos y fundiciones blancas deben realizarse en base al diagrama metaestable Hierro-carburo de hierro o Cementita.
Diagrama Fe-C
Las microestructuras que presenta el diagrama de equilibrio para los aceros al carbono son: FERRITA (Hierro a) Es una solución sólida de carbono en hierro alfa, su solubilidad a la temperatura ambiente es del orden de 0.008% de carbono, por esto se considera como hierro puro, la máxima solubilidad de carbono en el hierro alfa es de 0,02% a 723 °C.
La manera en la que han evolucionado los materiales y lo importante que es conocer sus propiedades no tan solo físicas o mecánicas sino también a otro nivel como bien podría ser a nivel atómico ya que de esto depende en buena parte el comprender como habrá de comportarse un material en ciertas condiciones y de esa manera conjeturar algunas características como su dureza o su resistencia a algunos esfuerzos.
