Solidificacion Eutectica, Diapositivas de Física del Estado Sólido

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Solidificación

Eutéctica

Aguilar Mu ñ oz Arleth Aspeitia V á zquez Angel Rafael Justo Camarillo Anahi Quiroz Mart í nez Luis Gustavo V á zquez Ram í rez Alitzel Elizabeth

¿Qué es la solidificación?

La solidificación es una transformación en la que un líquido que no tiene estructura cristalina pasa a un sólido con estructura cristalina. Nucleaci ó n homog é nea y heterog é nea: El proceso de nucleación homogénea es el cual el sólido se comienza a formar de manera dispersa por el líquido, sin contacto con el molde en el cual se lleva a cabo la solidificación. La nucleación heterogénea considera que el sólido se comienza a formar a partir de otro sólido ya existente, pudiendo ser el molde en el que se lleva a cabo la solidificación, el mismo material solidificado o alguna impureza insoluble en el líquido al cual se le llama agente de nucleación, Rapidez de nucleaci ó n: La velocidad de nucleación o número de núcleos que se forma por unidad de tiempo, que es proporcional al número de núcleos formados (número de embriones que alcanzan el radio crítico), este número aumenta a medida que disminuye la temperatura.

Solidificación Eutéctica Sobre este tipo de solidificación, lo primero a recalcar es la generación de un nuevo sólido, es decir, ahora habrá dos sólidos a partir de un líquido, y además del cambio en la composición de las laminillas. La energía asociada a esta transformación tiene un componente asociado al inicio de ésta, y otro que involucra el crecimiento de las laminillas en la intercara y en la estructura eutéctica o eutectoide. Para llevar a cabo este crecimiento se debe partir de condiciones de equilibrio, dado el enfriamiento bastante lento que requiere para permitir el proceso de difusión (lo cual no siempre pasa). Figura 1. Estructura eutéctica. Se muestra de manera sencilla las fases de esta estructura, así como el espaciamiento entre ellas.

Diagrama eutéctico El diagrama de fases de la Figura 2, muestra que en el eutéctico puro se tiene únicamente laminillas de las fases A y B; cuando se tiene una composición hipo eutéctica o hiper eutéctica se tendrá un crecimiento dendrítico (en el ejemplo mostrado se vio un hipo eutéctico), donde se ve el inicio de la transformación cuando entramos a la zona A+L, en condiciones de equilibrio y es donde se tendrán las primeras dendritas. Para este caso, las dendritas que tiene una composición Ahipoeutectoide conforme se va haciendo el enfriamiento lento, van adquiriendo una composición asociada a la línea de Sólidus. Figura 1. Estructura eutéctica. Se muestra de manera sencilla las fases de esta estructura, así como el espaciamiento entre ellas.

Energía necesaria para solidificar Donde: ∆𝐺(∞): Energía necesaria para estabilizar el primer eutéctico. 𝜎𝐴𝐵: Energía libre en la superficie de la intercara A/B 𝑉𝑚: Volumen molar de la fase eutéctica 𝜆: Espaciamiento entre laminillas ∆𝐻∗∆𝑇/𝑇𝑧 : Subenfriamiento para la formación del eutéctico.

Tz

Tz

Micrografías de microestructuras

de eutécticos

Nucleación de eutécticos laminares

La nucleación y crecimiento de eutécticos se produce a una velocidad uniforme en todas las direcciones con un frente de crecimiento esférico sin anisotropía en su crecimiento. El nódulo del eutéctico laminar consiste en láminas de las dos fases colocadas radialmente a partir del centro. En la figura 49 se muestra como a partir de un núcleo inicial, se produce el desarrollo radial de las dos fases del eutéctico. En una aleación Al-Cu eutéctica, primero nuclea el Al y sobre él se forma un fino halo de CuAl a partir del cual radialmente crece el eutéctico. Las dos fases no nuclean independientes si no que provienen de un crecimiento sencillo que se ramifica, sin necesidad de posterior nucleación. Figura 5. Sección de un diámetro en una aleación eutéctica Al-CuAl2 mostrando como de un nódulo de una de las fases salen las dos fases del eutéctico de forma radial.

Eutécticos facetados – no facetados

Eutécticos facetados-no facetados Los principios cinéticos y termodinámicos de eutécticos facetados- no facetados son iguales a los de los eutécticos metal-metal. Las únicas diferencias apreciables son su morfología y se deben a los mecanismos de crecimiento atómico diferente entre los metales y no metales. La morfología dúplex que se desarrolla depende de la anisotropía específica de crecimiento del constituyente no metálico, siendo este el factor que normalmente controla la microestructura. Las características de crecimiento de los no metales condicionan la morfología del crecimiento de estas, en aleaciones eutécticas. Figura 6. Microestructura acicular facetada-no facetada del eutéctico AlSi (156X)

Crecimiento de aleaciones Al-Si

y Fe-C

En la figura 8 se muestra el diagrama de equilibrio de las aleaciones aluminio-

silicio, situándose la composición del eutéctico en el 12,6 % en masa de Si. En

las aleaciones eutécticas las dos fases crecen simultánea y contiguamente por

procesos de crecimiento cooperativo. La interfase no ha de ser plana. La fase Si

adquiere distintas formas en función velocidad de crecimiento.

Figura 8. Diagrama de equilibrio del sistema Al-Si.

Crecimiento de aleaciones Al-Si

y Fe-C

En la aleación eutéctica, moldeada en arena,

se obtiene una estructura de agujas de la

fase Si embebidas en una matriz de la fase ,

figura 9 A, como consecuencia de una

velocidad de crecimiento muy lento

(0.28 m/s y T 3º/min). Sin embargo, si el

enfriamiento es mucho más rápido como el

enfriamiento en coquilla, el Si forma fibras

ramificadas y filamentosas y la

microestructura cambia completamente y a

pesar de ser una aleación eutéctica se

obtienen dendritas primarias de fase como

se muestra en la figura 9 B.

Figura 9. A) Microestructura de la aleación eutéctica Al-Si enfriada en arena. B) Microestructura de la misma aleación enfriada en coquilla.