Procesos de Solidificación y Control de Defectos en Materiales Metálicos

Definición de Fase y Transformaciones

Fase: Se define como un cuerpo de materia microscópicamente homogénea.

Las transformaciones de fase implican diversos grados de complejidad:

• Cambio de estructura.
• Cambio de estructura y cambio de composición.
• Cambio de estructura y deformación.
• Cambio de estructura, cambio de composición y deformación.

Estados de la Materia y Energía

La fase sólida es la que posee la energía interna más baja y la entropía más baja (mayor orden). La fase líquida tiene una entropía y energía interna ligeramente mayores. La fase gaseosa es la que posee la energía interna más elevada y entropía más grande (mayor desorden).

Nucleación en la Solidificación

Durante la solidificación, se observan los siguientes comportamientos en relación con el radio (r) y el radio crítico (r*):

• Si r < r*, se produce un embrión.
• Si r ≥ r*, se produce un núcleo.

Núcleo: Es una aglomeración de átomos candidatos a formar un grano.

Tipos de Nucleación

• Nucleación homogénea: Ocurre cuando el subenfriamiento es suficiente para causar la formación de un núcleo estable. Este tipo de nucleación requiere mayor energía para producirse.
• Nucleación heterogénea: Es la nucleación que se produce en la superficie de impurezas.

Mecanismos de Crecimiento del Sólido

• Crecimiento planar: Ocurre por el desplazamiento de la interfase sólido-líquido lisa o plana hacia el líquido.
• Crecimiento dendrítico: Es un crecimiento indeseado, amorfo, de formato arbóreo que consta de dendritas primarias, secundarias y terciarias. Este tipo de crecimiento resulta en muy malas propiedades mecánicas.

Tiempo de Solidificación

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

Estructura del Lingote y sus Zonas

El lingote requiere una deformación plástica o maquinado antes de crear un producto terminado. La estructura del lingote se forma típicamente en tres partes:

• Zona templada o núcleo: Es una estrecha banda de granos orientados al azar, localizada sobre la superficie de la pieza.
• Zona columnar: Contiene granos alargados, orientados en una dirección cristalográfica particular.
• Zona equiaxial: Contiene granos nuevos orientados al azar. A menudo, estos granos se generan por una baja temperatura de vaciado o por la incorporación de elementos aleantes.

Defectos Comunes en la Solidificación

Los procesos de solidificación pueden dar lugar a diversos defectos:

• Rechupe: Consiste en grandes cavidades producidas debido a la disminución de volumen durante el cambio de fase líquido-sólido.
• Porosidad por gases: Este defecto consiste en cavidades causadas por gases atrapados (como aire o vapor) durante la solidificación.
• Grietas calientes: Son grietas o fracturas producidas por tensiones internas que se desarrollan después de la solidificación y durante el enfriamiento.
• Gotas calientes: Es una grieta o fractura que se forma antes de que se complete la solidificación.
• Inclusiones: Las inclusiones son materiales no metálicos insertos en una matriz metálica en estado sólido.
• Falta de fusión: Consiste en una fundición que no se ha formado totalmente, debido a la solidificación del metal antes de que el molde se haya llenado.
• Defectos dimensionales: Se refiere a errores de tamaño o forma, debidos a errores en las dimensiones del modelo.
• Grietas por tensión: Este tipo de grieta se produce como resultado de elevadas tensiones residuales después de que la pieza ha sido enfriada por debajo de 650 °C.

Causas de Defectos de Solidificación y Microestructurales

Defectos de Solidificación

Las causas comunes de defectos de solidificación incluyen:

• Diseño inadecuado.
• Selección de una aleación no conveniente para la aplicación específica (resultando en defectos de maquinado).
• Defectos de soldaduras.
• Montaje inadecuado.
• Operación fuera de parámetros.
• Factores de servicio.

Defectos Microestructurales

Los defectos microestructurales pueden manifestarse como:

• Fragilidad intergranular de la red.
• Láminas de grafito con forma, tamaño o distribución desfavorable.
• Gradientes en las estructuras superficiales, tales como carburización o descarburización.
• Microestructuras insatisfactorias como resultado de una selección inadecuada del material, composición incorrecta para el tamaño de la pieza o tratamiento térmico deficiente.