3. Solidificación
• Es considerado como uno de los procesos más importantes.
• Que es ?
• Es un proceso utilizado en la fabricación de los materiales
metálicos.
• Arreglo atómico (OLA)
• Etapas
5. • En la industria
• Procesamiento primario
• Procesamiento secundario
• Otra manera de solidificación
• Técnicas
• Procesamiento de vidrios inorgánico
• Fundición y solidificación
• Termoplásticos
• Tubos, juguetes, fibras, botellas, etc.
7. ¿Que es la Nucleación?
• En los procesos de cristalización, es la formación de nuevos
núcleos cristalinos a partir de disoluciones sobresaturadas o
en fundidos sobre enfriados.
• En un sentido más amplio, el termino nucleación indica la
etapa inicial de la formación de una fase a partir de otra.
• Ejemplos:
-Vapor se condensa en líquidos.
-Cuando el agua comienza a congelarse.
8. Tipos de Nucleación
• Homogénea: Se define la nucleación homogénea como aquel tipo de
nucleación que ocurre cuando los átomos o moléculas de la fase inicial son iguales
tanto química como energética y estructuralmente.
• Heterogénea: Se define la nucleación heterogénea como aquel tipo de
nucleación que ocurre cuando los átomos o moléculas de la fase inicial no son
iguales tanto química como energética y estructuralmente.
9. Nucleacion Homogenea
Una transformacion de fase puede ocurrir en forma
espontanea unicamente si ocurre una disminucion de la
energia libre del sistema
La energia libre de Gibbs es funcion de la energia interna del
sistema (la entalpia, H) y de la aleatoriedad o desorden de los
atomos (la entropia, S)
10. Nucleacion Homogenea
Consideraciones
• Se considera la solidificacion de un metal puro
• Se supone que los nucleos de la fase solida se forman en el
interior del liquido.
• Los atomos se aglomeran en nucleos hasta formar una
estructura de empaquetamiento similar a la encontrada en
la fase solida.
• Cada nucleo tiene una geometria esferica y un radio r.
11. Nucleacion Heterogenea
Se considera la nucleacion de una particular solida sobre una superficie
plana. Se supone que tanto la fase solida como liquida mojan esta
superficie plana.
Existen tres energias interfaciales como limites bifasicos: .
El menor valor de energia de activacion para la nucleacion heterogenea
significa que debe vencerse una barrera menor durante el proceso de
nucleacion. La nucleacion heterogenea ocurre mas rapidamente.
12. Nucleacion heterogenea
Con grandes cantidades de impurezas dispersas, se forman muchos
nucleos, osea el metal comienza a cristalizar en muchos sitios
dando una estructura de granos finos.
Ejemplo de aplicacion: El aluminio/silicio se agrega intencionalmente
a los aceros colados con el objetivo de obtener un material de grano
fino, ademas de cumplir la funcion de desoxidante.
El producto de la reaccion de desoxidacion es el oxido de aluminio,
esta sustancia tiene dificultad para subir la escoria, quedando en el
bano liquido muchas particulas de finamente divididas. Estas
particulas actuan luego durante la solidificacion como agentes
nucleadores.
13. Velocidad de nucleación
Cantidad de núcleos formados por unidad de tiempo, y es una función de la
temperatura. A temperaturas mayores que el punto de solidificación, la
velocidad del núcleo es cero, por lo tanto, a menor temperatura la fuerza
motriz aumenta para la nucleación, pero la difusión atómica se hace más
lenta y, en consecuencia, se hace más lento el proceso de nucleación.
16. Endurecimiento por tamaño de
grano
• Cuando se solidifica una pieza metálica, las impurezas en el material
fundido y en las paredes del molde en el que se hace la solidificación
actúan como sitios de nucleación heterogénea. A veces se
introducen intencionalmente partículas nucleantes en el líquido.
A esas partículas se les llama refinamiento del grano o
inoculación.
Es decir:
• Cuando se agregan sustancias a los metales fundidos para
promover la nucleación y un tamaño más fino de grano, se les
llaman refinadores de grano o inoculantes.
17. Fortalecimiento por segunda fase
• El movimiento de las dislocaciones puede ser resistido por los
límites de grano o por la formación de precipitados ultrafinas.
• El endurecimiento de los materiales con precipitaciones
ultrafinos se llama endurecimiento por dispersión o por
segunda fase; se utiliza ampliamente para mejorar las
propiedades mecánicas de muchas aleaciones.
• Este proceso implica transformaciones de fase en estado
solido, es decir, un sólido se transforma en otro.
• Este fenómeno de nucleación desempeña un papel critico en
los mecanismos de endurecimiento.
18. Vidrios
• Para grandes velocidades de enfriamiento y/o materiales
fundidos de gran viscosidad, es posible que el tiempo para
que se formen y crezcan los núcleos sea insuficiente.
• Cuando esto sucede, la estructura liquida queda fija en su
lugar y se forma un sólido amorfo o vítreo.
• Sin embargo, hay vidrios metálicos con algunas aleaciones
complejas, así como estructuras únicas, requieren
velocidades de enfriamiento de , para eliminar la nucleación
de los cristales por enfriamiento rápido, se le ha llamado
procesamiento por solificación rápida.
19. Vitroceramicos
• El termino vitrocerámicos se refiere a materiales diseñados que
comienzan como vidrios amorfos y terminan como cerámicos
cristalinos, con un tamaño ultrafino de grano.
• Estos materiales son casi libres de porosidades, son
mecánicamente más resistentes y con frecuencia son mucho más
resistentes al choque térmico.
• La nucleación no se lleva a cabo con facilidad en vidrios silicatos,
pero se puede ayudar introduciendo agentes de formación de
núcleos como la titania y la zirconia .
• Los vitroceramicos diseñados aprovechan la facilidad con que se
puede fundir y formarse los vidrios.
21. Tiempo de Solidificación
La rapidez a la que ocurre el crecimiento del solido depende de la rapidez de enfriamiento,
o la rapidez de extracción de calor.
El tiempo requerido para que una pieza colada sencilla se solidifique por completo puede
calcularse utilizando la regla de Chvorinov:
Donde:
B = Constante del molde
V = Volumen de la pieza colada
A = Área de superficie de la pieza
n = Constante
22. Tiempo de Solidificación
La solidificación comienza en la superficie, donde el calor se disipa
en el material circundante del molde. La velocidad de solidificación
de una pieza moldeada puede describirse mediante la rapidez con
la que crece el espesor d de la piel solidificada:
donde t es el tiempo después de la colada, es una constante para
un material de colada y un molde dados, y es una constante
relacionada con la temperatura de colada.
23. Efecto sobre la estructura y las propiedades
El tiempo de solidificación afecta el tamaño de las dendritas.
El espaciamiento entre brazos dendríticos secundarios (secondary dendrite arm spacing- SDAS)
se reduce cuando la pieza se enfría de manera más rápida. La red dendrítica más fina y
extensiva sirve como un conductor más eficiente del calor latente al liquido subenfriado. EL
SDAS se relaciona con el tiempo de solidificación por medio de:
SDAS = k (
Donde:
K y m = Constantes que dependen de la composición del metal
24. Ejemplo 1
Una barra de aluminio de 4 pulgadas de diámetro se solidifica
a una profundidad de 0.5 pulgadas bajo la superficie en 5
minutos. Después de 20 minutos, la barra se ha solidificado a
una profundidad de 1.5 pulg. ¿Cuánto tiempo se necesita
para que la barra se solidifique completamente?
25. Solucion
Se puede determinar las constantes
Solidificacion se completa cuando d= 2 in (mitad del diametro,
ya que el enfriamiento se da en todas las superficies).
26. Solucion
En la práctica, el tiempo total de solidificación es algo
superior a 31.25 minutos. A medida que la solidificación
continúa, el molde se calienta más y es menos eficaz para
eliminar el calor de la colada.
27. Curvas de enfriamiento
• Muestra como disminuye con el
tiempo la temperatura de un material.
• Efectos.
• Formacion de nucleos
• Recalesencia
28. Curvas de enfriamiento
• Solidificacion procede de manera
ensotermica
• Efectos.
• Elimina el calor latente y eleva la
temperatura.
• Interrupcion termica
29. Curvas de enfriamiento
• Temperatura de fusion
• Cuando un solido se convierte en un liquido
• Para metales y sustancias puras esto es a temperaturas constantes
• Temperatura de solidificacion
• La temperatura en la cual un metal
se solidifica.
31. Estructura de
enfriamiento
(fundicion)
En la fabricación de componentes por
fundición, a menudo se vierten
metales fundidos en moldes y se deja
que se solidifiquen. El molde produce
una forma acabada, conocida como
fundición. En otros, el molde produce
una forma simple llamada lingote. Un
lingote suele requerir una gran
deformación plástica antes de crear
un producto acabado. Una
macroestructura lingote, consta de
hasta tres regiones.
32. Zona de enfriamiento
La zona de enfriamiento es una banda estrecha de granos
orientados aleatoriamente en la superficie de la colada. El
metal de la pared del molde es el primero en enfriarse hasta
alcanzar la temperatura de enfriamiento. La pared del molde
también proporciona muchas superficies en las que tiene
lugar la nucleación heterogénea.
33. Zona columnar
La zona columnar contiene granos alargados orientados en
una dirección cristalográfica determinada. A medida que el
material del molde extrae el calor de la colada, los granos de
la zona de enfriamiento crecen en la dirección opuesta a la
del flujo de calor, o desde las zonas más frías hacia las más
calientes de la colada. Esta tendencia suele significar que los
granos crecen perpendicularmente a la pared del molde.
34. Zona equiaxial
Aunque el sólido puede seguir creciendo de forma columnar
hasta que todo el líquido se haya solidificado, con frecuencia
se forma una zona equiaxial en el centro de la colada o del
lingote. A menudo la zona equiaxial contiene granos nuevos,
orientados aleatoriamente, a menudo causados por una baja
temperatura de colada, elementos de aleación o agentes de
refinado o inoculación de granos. Los pequeños granos o
dendritas de la zona de enfriamiento también pueden ser
arrancados por fuertes corrientes de convección que se
establecen cuando la colada comienza a congelarse.
35. Desarrollo de la
estructura del lingote
de una colada durante
la solidificación:(a)
comienza la nucleación,
(b) se forma la zona de
enfriamiento, (c) el
crecimiento produce la
zona columnar, y (d) la
nucleación adicional
crea la zona equiaxial
36. Los granos crecen más rápido en determinadas direcciones
cristalográficas. En los metales con estructura cúbica, los
granos de la zona de enfriamiento que tienen una dirección
perpendicular a la pared del molde crecen más rápido que
otros granos con una orientación menos favorable (siguiente
figura). Eventualmente los granos de la zona columnar tienen
direcciones paralelas entre sí, lo que da a la zona columnar
una estructura anisotrópica. La zona columnar tiene
propiedades anisotrópicas.
37. El crecimiento
competitivo de los
granos en la zona de
enfriamiento tiene como
resultado que sólo
aquellos granos con
orientaciones favorables
se conviertan en granos
columnares.
