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Tema 2.
Nucleación y crecimiento cristalino en
la solidificación de metales
320007 Ciencia y Tecnología de los Materiales (^) 1/
Solidificación de metales
La solidificación de metales puros es un tipo de transformación de fase en la que se distinguen dos etapas: nucleación y crecimiento. Estos procesos transcurren de manera simultánea en distintas partes del sistema aunque siempre uno de ellos será el dominante. En los primeros instantes del proceso domina la nucleación; a medida que el proceso avanza, la nucleación va dando paso al crecimiento cristalino.
Nucleación Formación de colonias de unos pocos centenares de átomos (núcleos), con la estructura y disposición atómica característica de la nueva fase. Si sólo intervienen átomos del metal puro se denomina nucleación homogénea , mientras que si intervienen otros agentes, se denomina nucleación heterogénea.
Crecimiento Los núcleos crecen de tamaño por adición de átomos provenientes de la fase líquida.
Solidificación de metales
G
v^ )
G L
G L
G s
G s
Tf
Δ G v = Gs - G L < 0
Δ T
El motor de la transformación líquido Æ sólido es la variación de energía libre del sistema
Δ G v = GL - G s < 0
Cuando la temperatura de un líquido que está siendo enfriado se acerque a T (^) s algunos átomos con menor energía atenuarán su movimiento, y como consecuencia de las fuerzas de enlace se agruparán momentáneamente siguiendo el patrón de ordenamiento cristalino característico de la fase sólida. Estos pequeños agrupamientos se denominan embriones y son las semillas potenciales del sólido final. Cuando los embriones alcanzan un determinado tamaño crítico (r)* son denominados núcleos , y su crecimiento continuará de manera espontánea.
Variación de energía libre,
G
Radio
4 π r^2 γ SL
4/3 π r^3 Δ G v
Δ G = 4/3 π r^3 Δ G v+ 4 π r^2 γ SL
Δ G
r*
Δ G*
embrión núcleo
Nucleación homogénea
Nucleación heterogénea
La fuerza motora de esta etapa es la reducción de ΔG que lleva aparejada el aumento del radio del núcleo formado. Es una etapa bastante compleja y, a menudo, el crecimiento de los núcleos no se lleva a cabo de manera regular y uniforme.
La naturaleza del crecimiento dependerá del modo en el que se extrae calor al sistema. Para que un núcleo crezca, la interficie sólido-líquido debe avanzar hacia la zona líquida y para ello debe evacuarse el exceso de energía que almacena el líquido en forma de calor latente. El problema es quién absorbe ese exceso de energía.
Si el calor latente de solidificación es absorbido por el sólido que se va formando nos encontramos ante un crecimiento uniforme (planar). Si el calor latente de solidificación es absorbido por el líquido, este es el caso de un crecimiento dendrítico.
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Crecimiento cristalino
El crecimiento concluye cuando finaliza la transformación. Sin embargo, el crecimiento de un grano podría haber concluido mucho antes porque el crecimiento de sus vecinos imposibilitaba el suyo propio.
Crecimiento cristalino uniforme (planar)
SI la velocidad de aparición de nuevos núcleos es muy rápida , la temperatura del líquido en las proximidades del núcleo es siempre mayor que la de éste y superior a T (^) f. Si el núcleo está en el seno del líquido, su crecimiento implica un sobrecalentamiento del líquido del entorno inmediato, que es el que absorbe el calor latente correspondiente.
Dado que todo el líquido posee una distribución térmica similar, el crecimiento será igualmente probable en todas las direcciones, por lo que el núcleo crecerá de modo regular , aunque el proceso será extraordinariamente lento, al tener el líquido T > Tf. Sin embargo, si el núcleo se formó heterogéneamente sobre las paredes del recipiente contenedor, el calor latente puede ser absorbido por las paredes y entonces el crecimiento se verá acelerado; aún en este caso el crecimiento será muy uniforme, como si se tratase de un frente único.
Calor latente de solidificación
Crecimiento
SI la velocidad de aparición de nuevos núcleos es lenta , el líquido se subenfría antes de que se forme el sólido. Debido a la escasez de embriones formados, la cantidad de calor de solidificación cedido al líquido será pequeña, por lo que zonas de este pueden alcanzar temperaturas por debajo de T (^) f sin solidificar.
Los núcleos no crecen de forma regular, sino que dan lugar a unas estructuras denominadas dendritas. La formación de estas estructuras se debe a que el líquido subenfriado puede absorber parte del calor latente liberado durante la solidificación. El resultado es un crecimiento desaforado a lo largo de ciertas direcciones, que da lugar a los denominados brazos primarios de las dendritas. La dirección de crecimiento de los brazos primarios coincide con la de mayor gradiente térmico. Además de los brazos primarios, pueden crecer brazos secundarios para hacer más eficaz la evacuación del calor latente. El crecimiento dendrítico continúa hasta que el líquido subenfriado alcanza Tf.
Crecimiento cristalino dendrítico 10/
Calor latente de solidificación
Crecimiento
