TEGNOLOGIA DE LOS MATERIALES
Bachiller
Luis Colmenares
CI: 27092601
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Solidificación y nucleación de materiales cristalinos, Apuntes de Administración de Empresas
Este documento aborda los procesos de solidificación y nucleación de materiales cristalinos. Describe cómo durante la solidificación, la disposición atómica cambia de un orden de corto alcance (sro) a un orden de largo alcance (lro), formándose núcleos de una fase sólida a partir del líquido. La nucleación ocurre normalmente con más dificultad en el interior de una sustancia uniforme, a través de un proceso llamado nucleación homogénea. Se explica cómo la formación de un núcleo implica la creación de una interfase en los límites del nuevo estado. También se discuten los diagramas de fase, que representan el equilibrio termodinámico de un sistema y permiten predecir las fases presentes y sus proporciones en función de las condiciones de presión y temperatura. Además, se abordan las reacciones invariantes, como la reacción eutéctica, que tienen lugar a temperatura constante.
Tipo: Apuntes
2022/2023
1 / 32
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TEGNOLOGIA DE LOS MATERIALES
Bachiller Luis Colmenares CI: 27092601
INTROD,CCION.
La solidi-icaci&n es n roceso -ísico /e consiste en el cam0io de estado de la materia de lí/ido a s&lido rodcido or na disminci&n en la temeratra o or na comresi&n de este material. Es el roceso in1erso a la -si&n( ' scede a la misma temeratra. E2emlo de esto es cando colocamos en el congelador aga( como la temeratra es m' 0a2a esto hace /e se haga hielo( o en ocas ala0ras( amenta el 1olmen al solidi-icarse( an/e no s*cede en todos los casos.
Drante la solidi-icaci&n de los materiales cristalinos( la disosici&n at&mica cam0ia de n orden de corto alcance 3SRO4 a n orden de largo alcance 3LRO4. La solidi-icaci&n de los materiales cristalinos re/iere dos asos. En el rimer aso( cristalinos ltra5-inos( conocidos como los n6cleos de na -ase s&lida( se -orman a artir del lí/ido. En el segndo aso( los cristalinos s&lidos ltra5-inas comien7an a crecer como 8tomos del lí/ido est8n nidos a los n6cleos hasta /e no /ede lí/ido.
Dos metales 3A( 94 a temeratras seriores a ss resecti1os ntos de -si&n 3TA( T94 se encentran en estado lí/ido di:ndose disol1er ' con-ormar así na -ase 6nica lí/ida. Esto /iere decir /e no odemos esta0lecer di-erencias de comortamiento * o0ser1aci&n entre las distintas artes del lí/ido ' /e los metales en las roorciones me7cladas tienen la roiedad de misci0ilidad. Si la me7cla lí/ida( ;A < ;9( la sometemos a n roceso de solidi-icaci&n( mediante en-riamiento( llegamos a o0tener el rodcto /e se denomina aleaci&n de los metales A ' 9.
PRINCIPIO DE LA SOLIDIFICACION.
V&.r&o/ *$t%#&"o/
Para 1elocidades de en-riamiento r8idas ' o masas -ndidas de alta 1iscosidad( ermite /e la estrctra de lí/ido se 0lo/ee en s* lgar ' se -orma na estrctra amor-os5o5s&lido 1ítrea.
Algnas aleaciones con comosiciones eseciales tienen estrctras cristalinas s-icientemente comle2as( or lo /e eden -ormar materiales amor-os si se en-ría r8idamente. Estos materiales son conocidos como 1idrios met8licos. Por lo general( 0enos -ormadores de 1idrio met8lico son aleaciones mlticomonentes. Solidi-icaci&n de segnda -ase Mo1imiento de dislocaci&n ede ser resistido or los límites de grano o la -ormaci&n de granos *ltra5-inos reciitados de na segnda -ase. Materiales Fortalecimiento tili7ando reciitados ltra -inos /e se conoce como consolidaci&n de disersi&n o el -ortalecimiento de la segnda -ase. Este roceso imlica trans-ormaciones de -ase en estado s&lido 3es decir( na trans-ormaci&n s&lida en otra4. Este -en&meno de ncleaci&n deseme>a n ael -ndamental en el -ortalecimiento de los mecanismos.
Algnos materiales( se con1ertir8n en s&lido sin el desarrollo de n orden de largo alcance( or otra arte mchos materiales olimeros eden desarrollar cristalinidad arcial d*rante la solidi-icaci&n o rocesamiento.
Drante la solidi-icaci&n de los materiales cristalinos( la disosici&n at&mica cam0ia de n orden de corto alcance 3SRO4 a n orden de largo alcance 3LRO4. La solidi-icaci&n de los materiales cristalinos re/iere dos asos. En el rimer aso( cristalinos ltra5-inos( conocidos como los n6cleos de na -ase s&lida( se -orman a artir del lí/ido. En el segndo aso( los cristalinos s&lidos ltra5-inas comien7an a crecer como 8tomos del lí/ido est8n nidos a los n6cleos hasta /e no /ede lí/ido.
- N*cleaci&n
- Solidi-icacion
- Alicaciones de la n*cleaci&n controlada
- N*cleaci&n heterog:nea
Sal1o en los e@erimentos controlados de la0oratorio( la ncleaci&n homog:nea nnca ocrre en los lí/idos. En lgar de ello( las imre7as en contacto con el lí/ido( 'a sea en ssensi&n en el lí/ido o en las aredes del reciiente /e contiene el lí/ido( roorcionar na ser-icie so0re la /e se *ede -ormar el s&lido.
La ncleaci&n en ser-icies ree@istentes se conoce como
- n*cleaci&n heterog:nea.
- elocidad de n*cleaci&n
- La 1elocidad de ncleaci&n 3el n6mero de n6cleos -ormados or nidad de tiemo4 es na -nci&n de la temeratra. Antes de la solidi-icaci&n no ha' ncleaci&n. Por lo tanto( na tasa tíica de ncleaci&n alcan7a n m8@imo en alg6n temeratra or de0a2o de la temerat*ra de trans-ormaci&n.
3temeratra de -si&n4( ero /e est8n or encima de la temeratra de ncleaci&n homog:nea 3la temeratra de congelaci&n de la sstancia ra4 se dice /e est8n seren-riados. Esto es 6til ara hacer s&lidos amor-os ' otras estrctras metaesta0les( ero ede retrasar el rogreso de los rocesos /ímicos indstriales o rodcir e-ectos indeseados en el conte@to de la -*ndici&n.
En el caso de la ncleaci&n heterog:nea( se li0era cierta energía or la destrcci&n arcial de la inter-ase anterior. Por e2emlo( si se -orma na 0r02a de di&@ido de car0ono entre el aga ' la ser-icie interior de na 0otella( la energía inherente a la inter-ase 0r02a5aga se li0era donde inter1enga na caa de gas( ' esta energía se consme -ormando inter-ases 0r02a5aga ' 0r02a50otella. El mismo e-ecto ede hacer /e se -ormen artíclas de reciitaci&n en los 0ordes granlosos de n s&lido. Esto ede inter-erir con el endrecimiento or reciitaci&n( /e necesita ncleaci&n homog:nea ara rodcir na distri0ci&n ni-orme de artíclas de reciitaci&n.
A1ro2&*%"&'( "#0/&"% % #% (u"#$%"&'(-
La creaci&n de n n6cleo imlica la -ormaci&n de na inter-ase en los límites del ne1o estado. Se gasta cierta energía ara -ormar esta inter-ase( 0asada en la energía de ser-icie de cada estado. Si n hiot:tico n6cleo es demasiado e/e>o( la energía /e se li0eraría al -ormarse s 1olmen no sería s-iciente ara crear s* ser-icie( ' no se rodciría ncleaci&n. El tama>o crítico del n6cleo se ede e@resar mediante s* radio( ' cando rBr? 3o r crítico4 entonces se rodce ncleaci&n.Al irse haciendo m8s -a1ora0le el cam0io de estado( la -ormaci&n de n cierto 1olmen de n6cleo li0era la s-iciente energía ara -ormar na ser-icie cada 1e7 m8s grande( ermitiendo /e sean 1ia0les n6cleos rogresi1amente m8s e/e>os. Finalmente( la acti1aci&n t:rmica ororcionar8 la s*-iciente energía ara
-ormar n n6cleo esta0le. Lego estos eden crecer hasta /e se resta0lece el e/*ili0rio termodin8mico.
Este roceso ede e@licarse or el modelo del cristal de ossel. Si conce0imos la nidad de crecimiento como na artícla /e ede enla7arse con hasta artíclas m8s( ' considerando /e cada na de estas artíclas tiene na dimensi&n de ??( la -ormaci&n de nidades de ncleaci&n se ede ta0lar( /edando así
Lado Ser-icie olmen ? G " ?" "G H ?H HG ? G % ?% %G ? G $ ?$ $G
?# #G
! ?! !G + ?+ +G
De esta ta0la odemos dedcir /e es a artir del n6cleo de dimensiones ?? cando alcan7amos el tama>o crítico de ncleaci&n( 'a /e entonces es cando se igalan las energías de -ormaci&n de ser-icie ' de 1olmen. La energía de la cohesi&n es roorcional al 1olmen( ' la ro0a0ilidad de disgregarlo( roorcional a la s*er-icie.
A1ro2&*%"&'( (o "#0/&"% % #% (u"#$%"&'(-
E@iste( ara el caso de la -ormaci&n de -ases cristalinas( na aro@imaci&n al -en&meno de la ncleaci&n /e se conoce como no cl8sica a casa de s* no1edad ' de las roosiciones /e contiene. A di-erencia del lanteamiento cl8sico( en el /e m8s
Los n6cleos esta0les se -orman( o 0ien( a artir de la ared del molde( o 0ien mediante agentes ncleantes artíclas de n comesto de -si&n m8s alto /e se encentren en el lí/ido.
DEFECTO DE LA SOLIDIFICACION.
An/e son mchos los de-ectos /e otencialmente se eden generar drante la solidi-icaci&n( la contracci&n ' la orosidad merecen menci&n esecial. Si na ie7a1aciada contiene oros 3ag2eros e/e>os4( esa ie7a ede -allar catastr&-icamente si se sa en alicaciones de carga. Contracci&n.5 Casi todos los materiales son m8s densos en estado s&lido /e enestado lí/ido. Drante la solidi-icaci&n( el material se contrae o encoge hasta *n $J.
Si la contracci&n emie7a en la ser-icie( se eden -ormar ca1idadesen el interior del s&lido. Si ss ser-icies se contraen de distinta-orma( se eden -ormar e/e>os canales.
Solci&n rellenar el s&lido drante la solidi-icaci&n. Contracciones interdendríticas Se -orman e/e>os oros entre los 0ra7os de las dendritas. Característico en dendritas largas 'con 0ra7os grandes 3el lí/ido no ede entrar en los interesaciados4 Solci&n ritmos de en-riamiento m' altos ara disminir el tama>o de las dendritas.
,n metal en estado lí/ido ede contener cierta cantidad de gas Diselto Al solidi-icarse( arte del gas /eda atraado en el interior del metal' -orma 0r02as. Kstas -orman ca1idades or donde el gas ede entrar o salir del metal 3orosidad gaseosa4. E2emlo " en Al Solciones 5 Mantener 0a2a la temeratra del lí/ido 5 A>adir materiales al lí/ido /e -ormen comestos s&lidos con el gas. 5 Disminir la resi&n e@terna 31acío4 d*rante la solidi-icaci&n ara ermitir la e1aoraci&n del gas
DIARAMAS DE FASES.
En termodin8mica ' ciencia de materiales se denomina diagrama de -ase o diagrama de estados de la materia( a la reresentaci&n entre di-erentes estados de la materia( en -nci&n de 1aria0les elegidas ara -acilitar el estdio del mismo. C*ando en na de estas reresentaciones todas las -ases corresonden a estados de agregaci&n di-erentes se sele denominar diagrama de cam0io de estado.
D&3$r$(t$/ .&%+r%*%/ .$ $4u&#&5r&o
Los diagramas de e/ili0rio m8s sencillos son los de resi&n 5 temeratra de na sstancia ra( como ede ser el del aga. En el e2e de ordenadas se coloca la resi&n ' en el de a0scisas la temeratra. eneralmente( ara na resi&n ' temeratra dadas( el c*ero resenta na 6nica -ase e@ceto en las sigientes 7onas
Pu(to tr&1#$ En este nto del diagrama coe@isten los estados s&lido( lí/ido ' gaseoso. Estos ntos tienen cierto inter:s( 'a /e reresentan n in1ariante ' or lo tanto se eden tili7ar ara cali0rar term&metros. Dos metales 3A( 94 a temeratras seriores a ss resecti1os ntos de -si&n 3TA( T94 se encentran en estado lí/ido di:ndose disol1er ' con-ormar así na -ase 6nica lí/ida. Esto /iere decir /e no odemos esta0lecer di-erencias de comortamiento * o0ser1aci&n entre las distintas artes del lí/ido ' /e los metales en las roorciones me7cladas tienen la roiedad de misci0ilidad. Si la me7cla lí/ida( ;A < ;9( la sometemos a n roceso de solidi-icaci&n( mediante en-riamiento( llegamos a o0tener el rodcto /*e se denomina aleaci&n de los metales A ' 9.
igales4. M8s all8 de este nto( la materia se resenta como n -lido sercrítico /e tiene roiedades tanto de los lí/idos como de los gases. Modi-icando la resi&n ' temeratra en 1alores alrededor del nto crítico se rodcen reacciones /e eden tener inter:s ind*strial( como or e2emlo las *tili7adas ara o0tener ca-: desca-einado.
Es reciso anotar /e( en el diagrama P5T del aga( la línea /e seara los estados lí/ido ' s&lido tiene endiente negati1a( lo cal es algo 0astante insal. Esto /iere decir /e amentando la resi&n el hielo se -nde( ' tam0i:n /e la -ase s&lida tiene menor densidad /e la -ase lí/ida.
D&%+r%*% .$ 3%/$ 5&(%r&o/-
Cando aarecen 1arias sstancias( la reresentaci&n de los cam0ios de -ase ede ser m8s comle2a. ,n caso articlar( el m8s sencillo( corresonde a los diagramas de -ase 0inarios. Ahora las 1aria0les a tener en centa son la temeratra ' la concentraci&n( normalmente en masa.
a' nto ' líneas en estos diagramas imortantes ara s caracteri7aci&n
- S&lido ro o disolci&n s&lida
- Me7cla de disolciones s&lidas 3et:ctica( e*tectoide( erit:ctica( eritectoide
- Me7cla s&lido 5 lí/*ido
- nicamente lí/ido( 'a sea me7cla de lí/idos inmisci0les 3em*lsi&n4o n lí/ido comletamente homog:neo.
- Me7cla lí/*ido 5 gas
- as 3lo consideraremos siemre homog:neo( tra0a2ando con ocas 1ariaciones da altit*d4.
En n diagrama 0inario eden aarecer las sig*ientes regiones
- Línea de li/ids(^ or encima de la cal solo e@isten -ases lí/idas.
- Línea de solids( or de0a2o de la cal solo e@isten -ases s&lidas.
- Línea et:ctica ' etectoide. Son líneas hori7ontales 3isotermas4 en las /e tienen lgar trans-ormaciones et:cticas ' etectoides( resecti1amente.
- Línea de sol1s( /e indica las temeratras ara las cales na disolci&n s&lida 3Q4 de A ' 9 de2a de ser sol0le ara trans-ormarse en dos disolciones s&lidas 3Q4 < 3 4 de distinta comosici&n en A ' 9.
Concentraciones de-inidas( en las /e tienen lgar trans-ormaciones a temerat*ra constante
- E*t:ctica
- E*tectoide
- Perit:ctica
- Peritectoide
- Monot:ctica
- Monotectoide
- Sint:ctica
- Catat:ctica
Los diagramas de e/ili0rio eden tener di-erentes concentraciones de materiales /e -orma na aleaci&n a distintas temeratras. Dichas temeratras 1an desde la temeratra or encima de la cal n material est8 en -ase lí/ida hasta la temeratra am0iente ' en /e generalmente los materiales est8n en estado s&lido.
. LIMIETE DE SOL,9ILIDAD
A+u% 7 $# %8u"%r- 3 "+5C"""O 4
MICROESTR,CT,RAS PRESENTES.
Se re-iere a la estrctra /e se re1ela or o0ser1aci&n microsc&ica directa( ormedio del microscoio &tico o electr&nico. ,na microestrctra se caracteri7a or el n6mero de -ases resentes( ss roorciones ' la manera en /e se distri0'en. La microestrctra de na aleaci&n deende de elementos aleantes resentes( concentraciones( temeratra ' tratamiento t:rmico de la aleaci&n- las roiedades mec8nicas ' -ísicas de n material deenden de s microestrctra. Esta ede consistir enna simle estrctra de granos en n metal o cer8mico ro( o en *na m8s comle2a me7cla de distintas -ases en *na aleaci&n.
E4u&#&5r&o .$ 3%/$-
Los diagramas de e/ili0rio de -ase son maas 3or e2emlo( en el esacio temeratra5resi&n o temeratra5comosici&n4 de las -ases de e/ili0rio de n material en -nci&n de las condiciones de P( T ' comosici&n. U Por e2emlo "+
Adem 8 s( e@isten n n 6 mero di-erente de estrctras cristalinas en las /e ede aarecer el "+ en estado s&lido( ' cada na de estas estrctras e@iste en *na regi&n di-erente del esacio P5T( es decir( cada *na de estas -ases es esta0le ara ciertas condiciones de P ' T.