Solidificación

TEMA 12: TRANSFORMACIONES LÍQUIDO-SÓLIDO EN MATERIALES METÁLICOS

12.1. SOLIDIFICACIÓN

Proceso en el que se produce el Paso de un material del estado líquido al sólido.
En el proceso pueden formarse Una o varias fases cristalinas. Aparecerá durante el proceso un pequeño número De átomos adyacentes entre sí que pueden agruparse, formando entre ellos Enlaces y constituyendo un primer germen sólido.

Al bajar la temperatura por Debajo de la de fusión del material: • Aumentan las fuerzas de atracción entre átomos y la tendencia a formar un sólido por ser el estado más estable a baja Temperatura. • Disminuye la energía cinética de los átomos del líquido. • La Consecuencia de esto será que los gérmenes alcancen un cierto tamaño y ya no Sean disgregados por la agitación del líquido circundante, pasando a ser Estables (se ha formado un núcleo)
.

Tamaño crítico de germen: a Partir del cual el germen pasa a ser un núcleo estable, que depende de la Temperatura a la cual se esté realizando la solidificación.
Disminuye cuando Disminuye la temperatura.

Pueden distinguirse varias fases Del proceso de solidificación: si se disminuye la temperatura por debajo de la Temperatura de fusión del metal, Tf, en un primer momento se formarán gérmenes A partir del líquido; algunos de ellos podrán crecer hasta hacerse estables, Cuando alcancen un tamaño crítico, dando lugar a núcleos y posteriormente esos Núcleos irán creciendo, formando diferentes granos cristalinos. Por lo tanto, Estamos hablando de un proceso de nucleación y crecimiento. El paso del estado Líquido a una estructura sólida cristalina al bajar la temperatura es una Transformación estable porque disminuye la energía de Gibbs.

NUCLEACIÓN

Cuando los gérmenes que están Continuamente formándose de manera espontánea a partir del líquido y Disgregándose alcanzan un tamaño crítico de germen, r*, pasan a ser estables y Se transforman en núcleos. Se distinguen dos tipos de nucleación: ---Homogénea: Se produce en el seno del líquido homogéneo. ---Heterogénea: tiene lugar En zonas no homogéneas y de imperfección estructural, como en una superficie Extraña.

La presencia de partículas que Actúen como nucleantes o impurezas aumenta la nucleación.

Para que la solidificación se Verifique, la T alcanzada (Ts) debe estar por debajo de la de fusión.

Definimos el grado de Subenfriamiento como la diferencia entre la temperatura de fusión y la T a La que se lleva a cabo la solidificación. ΔT= Tf – Ts.

Definimos la velocidad de Nucleación, (N), que será proporcional a: al número de núcleos(aumenta Al disminuir la T)  y a la velocidad De difusión (Disminuye al bajar la T)

DIFUSIÓN: Una vez formado Un núcleo estable, el crecimiento está regido por la difusión, es decir, por la Capacidad de los átomos para llegar a la entrecara del núcleo y agruparse para Ir formando el grano cristalino. Definimos el frente de solidificación como la Interfase sólido-líquido. Durante el crecimiento de los núcleos y granos, los átomos de líquido van llegando hasta el frente de solidificación y se Incorporan al sólido de forma que los granos van creciendo y formando la Estructura cristalina granular.

La velocidad de transformación Total en el proceso de solidificación será proporcional a la velocidad de Nucleación, N, y a la de crecimiento, C. A esta velocidad la denominaremos como Velocidad de solidificación.

12.2. ESTRUCTURA GRANULAR. VELOCIDAD DE ENFRIAMIENTO Y TAMAÑO DE GRANO

Control del tamaño de grano en La solidificación: Atendiendo a la forma de enfriamiento existen dos formas De llevar a cabo la solidificación:     • Solidificación isotérmica -- Si Ts es alta, N es baja y C alta, se formarán Pocos granos que crecerán mucho (grano basto). -- Si Ts es más baja, N es más Alta y C es más baja, por lo que se formarán muchos granos que crecerán poco (grano Fino). -- Si Ts es muy baja, N y C serán casi nulas. En este caso, habrá Dificultades para obtener una estructura cristalina durante la solidificación y Podrá obtenerse el sólido final en estado vítreo. • Solidificación por Enfriamiento continuo -- Si la velocidad de enfriamiento es baja casi toda La transformación se realizará a alta temperatura (grano basto). -- Si la Velocidad es más alta (grano fino). -- Si la velocidad es muy alta, la Transformación podrá evitarse y quedará en estado vítreo (amorfo). • En Servicio: - Para trabajar a baja temperatura interesa grano fino. - Para Trabajar a alta temperatura interesa grano grueso.

Forma del grano en la Solidificación: En la solidif. Homogénea se formarán granos equiaxiales. Lo Habitual es que la solidificación comience en las paredes del molde, que Estarán a menor temperatura. Como el frente de solidificación crece según la Dirección de evacuación de calor, pueden formarse granos alargados en la Dirección del flujo de calor, formando una estructura columnar

12.3. DEFECTOS PRODUCIDOS EN LA SOLIDIFICACIÓN. SEGREGACIÓN

Rechupes y cavidades de Contracción: Debido a la diferencia de volumen específico entre el líquido Y el sólidoà Externos (rechupes) como internos (cavidades de contracción).

Microrrechupes y Porosidad: Este tipo de defectos puede deberse a la contracción de líquido durante la Solidificación.

Segregación: implica Diferencias en la composición entre distintas zonas del material y provoca que Cada zona tenga diferentes propiedades. Existen dos tipos: Macrosegregación Y Microsegregación. La microsegregación provoca habitualmente la formación de Dendritos por lo cual la denominaremos segregación dendrítica.

Por otro lado, el frente de Solidificación no es plano por dos razones: -- El cristal tiene direcciones Preferentes de crecimiento. -- En la solución sólida hay gradientes de Composición en el frente de solidificación que dificultan el crecimiento del Sólido.

El crecimiento de los granos no Es esférico, sino a lo largo de determinadas direcciones, formando una Estructura dendrítica. La estructura dendrítica es debida a la Microsegregación: la composición de los dendritos es distinta de la de los Espacios interdendríticos