tema 7 formación de la microestructura

Kudama A. HabibUniversitat Jaume ICurso 2012-2013

TEMA 7: Formación de la microestructura

Índice

1.Introducción a los procesos de colada

2.Formación de estructuras policristalinas. Solidificación

3.Bordes de grano

4.Imperfecciones cristalinas

5.Constitución de las aleaciones

6.Difusión

Formación de la microestructura

Formación de la microestructuraIntroducción

Existen dos tipos de propiedades en materiales:1. Propiedades que solo dependen de la estructura cristalina (Punto de fusión, coeficiente de dilatación térmica, etc.)

2. Propiedades que no solo dependen de la estructura, sino también de la historia de la pieza (limite elástico, carga de rotura, fluencia, etc.)

Sólo si varias muestras tienen la misma historia alcanzarán propiedades que dependen de las imperfecciones del mismo orden de magnitud

Proceso de colada

Es el primer proceso y fundamental para obtener:

1. Piezas con forma definitiva

2. Lingotes (materia prima de otros procesos

como laminación, Forja, pulvimetalúrgia)

Permiten obtener piezas o lingotes del metal liquido (que se consigue por extracción y afino de minerales)

Proceso de colada

El proceso de colada necesita de la realización de un modelo, cuyo forma es el negativo de la pieza a obtener.

Para la ejecución del modelo se utilizan materiales trabajables como la madera (modelos). Son idénticos que las piezas

Fundición completa con la colada del sistema de llenado

Cavidad en el molde con el sistema de llenad

Modelo Modelo en molde de arena

Proceso de colada

Proceso de colada

Proceso de coladaProblemas habituales

1.Las partes del molde, deben resistir durante la colada. Aparición de malformaciones por desmoronamiento

2.Fuerte contracción del material por solidificación.

Necesidad de suministro adicional de material liquido (uso de bebedero).3. Aparición de rechupes

4. Las dimensiones del molde deben contemplar la contracción del material enfriado.

Rechupe y sopladura

Proceso de colada

5. Reacciones químicas durante el proceso que originan gas (poros) en el seno del metal fundido. La salida de estos gases se realiza mediante bebederos o canales particulares.

Macroporosidad

Microporosidad de tamaño pequeño distribuidos aleatoriamente

6. Microrechupes por zonas de solidificación.

ColadaLa solidificación se

inicia aquí

Rechupe en la superficie y cavidad interna por la contracción

Primera solidificación

Suministro de metal liquido para compensar la contracción liquida y de solidificación

Problemas habituales

Formación de estructuras cristalinas. Solidificación.

La solidificación es el paso del material de la fase líquida a la fase sólida hasta formar la microestructura cristalina

Condiciones de solidificación

Formación de estructuras cristalinas. Solidificación

Curva de enfriamiento de un metal puro

tiempo

Sobrecalentamiento

Velocidad deenfriamiento

ΔT/Δt

Tem

pera

tura

Tiempo de solidificación local

Tiempo de solidificación total

Formación de estructuras cristalinas. Solidificación

Curva de enfriamiento para aleaciones

Velocidad deenfriamiento

ΔT/Δt

Tem

pera

tura

tiempo

Tiempo de solidificación local

Tiempo de solidificación total

Sobrecalentamiento

Formación de estructuras cristalinas. Solidificación

Proceso de solidificación:

•• nucleacinucleacióónn

•• crecimientocrecimiento

Formación de estructuras cristalinas. Solidificación

Proceso de solidificación:

•• nucleacinucleacióónn

•• crecimientocrecimiento

Nucleación: formación de núcleos estables en el metal fundido. Puede ser homogénea o heterogénea

Formación de estructuras cristalinas. Solidificación

Proceso de solidificación:

•• nucleacinucleacióónn

•• crecimientocrecimiento

Crecimiento: hasta dar lugar a cristales y la formación de una estructura granular policristalina (monocristales)

Formación de estructuras cristalinas. Solidificación

NUCLEACINUCLEACIÓÓNN

Formación de estructuras cristalinas. Solidificación

CRECIMIENTOCRECIMIENTO

Formación de estructuras cristalinas. Solidificación

Formación de estructuras cristalinas. Solidificación

1. Cubrir huecos

2. Completar filas

3. Completar caras

4. Iniciar nueva cara

Formación de estructuras cristalinas. Solidificación

Formación de la microestructura: nucleación y crecimiento del grano

Formación de estructuras cristalinas. Solidificación

Formación de estructuras cristalinas. Solidificación

Ocurre cuando el metal fundido es enfriado hasta alcanzar su temperatura de solidificación

Formación de embriones

Solidificación. Nucleación

Ocurre cuando el metal fundido es enfriado hasta alcanzar su temperatura de solidificación

Formación de embriones

Partículas formadas por unos pocos átomos con ordenación cristalina

Solidificación. Nucleación

Tipos de nucleación:

•• nucleacinucleacióónn homoghomogééneanea

•• nucleacinucleacióónn heterogheterogééneanea

Solidificación. Nucleación

Tipos de nucleación:

•• nucleacinucleacióónn homoghomogééneanea

•• nucleacinucleacióónn heterogheterogééneanea

Solidificación. Nucleación

Metales puros

Embriones del mismo metal

Baja probabilidad de crecimiento de los embriones (alto subenfriamiento)

Tamaño > tamaño crítico 0<Δ TG

Solidificación. Nucleación

ΔG = ΔH - T ΔS

Si:

ΔG > 0: Proc. no espontáneo

ΔG = 0: Proc. en equilibrio

ΔG < 0: Proc. espontáneo

ΔGs

ΔGl

ΔG

T

Ts

ENERGIA LIBRE ENERGIA LIBRE

ΔH - Entalpía

ΔS - Entropía

T - Temperatura absoluta

Solidificación. Nucleación

Solidificación. Nucleación

Tipos de nucleación:

•• nucleacinucleacióónn homoghomogééneanea

•• nucleacinucleacióónn heterogheterogééneanea

Solidificación. Nucleación

Ocurre en la mayoría de los casos

Disminución de la energía libre para la formación de un núcleo estable

Paredes del molde, impurezas, afinadores de grano, etc.

Necesita menor subenfriamiento

Solidificación. Nucleación

Solidificación. Nucleación

Solidificación. Crecimiento

Crecimiento de los núcleos al adicionar átomos del líquido

Formación de granos. Solidificación

Solidificación. Nucleación

Tipos de crecimiento:

•• crecimiento crecimiento planarplanar

•• crecimiento dendrcrecimiento dendrííticotico

Solidificación. Crecimiento

Tipos de crecimiento:

•• crecimiento crecimiento planarplanar

•• crecimiento dendrcrecimiento dendrííticotico

Solidificación. Crecimiento

Se presenta en líquidos con nucleación alta

Bajo condiciones de equilibrio

La temperatura del líquido es mayor que Tfus y la temperatura del sólido es inferior

Desplazamiento plano de la interfase sólido-líquido

Distancia desde la intercara S-L

Tem

pera

tura

Sólido Líquido

Tfus

Solidificación. Nucleación

Tipos de crecimiento:

•• crecimiento crecimiento planarplanar

•• crecimiento dendrcrecimiento dendrííticotico

Solidificación. Crecimiento

Se presenta en líquidos con nucleación pobre

Condiciones fuera del equilibrio

Se produce subenfriamiento local del líquido

Desplazamiento irregular de la interfase sólido-líquido

(dendritas)

Solidificación. Crecimiento

Distancia desde la intercara S-L

Tem

pera

tura

Sólido Líquido

Tfus

Solidificación. Crecimiento

Distancia desde la intercara S-L

Tem

pera

tura

Sólido Líquido

Tfus

Líquido subenfriado

Solidificación. Crecimiento

Sólido (dendrita)

ΔHf

Líquido

Dirección de crecimiento

Solidificación. Crecimiento

Solidificación. Crecimiento

Solidificación. Crecimiento

La solidificación concluye cuando los granos se juntan unos con otros a través de los bordes de grano

El tiempo de solidificación “Ts” viene determinado por varios factores:

– materiales empleados (en la solidificación y en el molde)

– temperatura de solidificación

– geometría del molde,...

Bordes de grano

Los metales son policristalinos (constituidos por cristales pequeños o granos) que se ensamblan formando un mosaico

Cada grano está unido a los adyacente en toda la superficie por el borde de grano.

Teoría sobre la naturaleza de los bordes de granoRetículo de transición de Hargreaves y Hil

El borde de grano es una región estrecha de transición (2 ó 3 átomos) en la cual los átomos pasan de un grupo de nudos de un cristal a los de otro.

Solidificación de lingotes

Solidificación de lingotes

Solidificación de lingotes

Zona “chill” de enfriamiento rápido

– formación gran nº de núcleos

– granos equiaxiales

– orientación aleatoria

Zona columnar

– crecimiento de unos pocos núcleos

– orientación en la dirección del gradiente de Tª

– granos columnares (dendríticos)

Solidificación de lingotes

Zona equiaxial (central)

– fundamentalmente en aleaciones

– debido a la concentración

de soluto en la fase líquida

Solidificación de lingotes

Zona equiaxial (central)

– fundamentalmente en aleaciones

– debido a la concentración

de soluto en la fase líquida

BAJA HOMOGENEIDAD

Solidificación de piezas

Especificaciones del bloque del motor

Solidificación de piezas

Eliminación de las partes sobrantes

Mecanizado

Limpieza

Tratamiento térmico (T6)

Obtención de la pieza final

Solidificación de piezas

Construcción del modelo

Solidificación de piezas

Elección del método de moldeo

Solidificación de piezas

Modelización (elementos finitos)

Técnicas de moldeo

Moldeo en arena

– molde: arena compactada

– modelo: madera, metales, porexpán

Técnicas de moldeo

Moldeo en coquilla

– molde: metálico (coquilla)

– modelo: mecanizado en el molde

Técnicas de moldeo

Moldeo a presión

– molde: metálico

– modelo: mecanizado en el molde

Técnicas de moldeo

Moldeo de precisión (microfusión)

– molde: emplaste de material refractario

– modelo: cera o plástico de bajo pto. fusión

Técnicas de conformación metálica

Forja

Laminación

Extrusión

Trefilado

Troquelado

Pulvimetalúrgia

Soldadura

HECHURADO

Otras Técnicas

MOLDEO

Técnicas de conformación metálica

Producen grandes cambios en la microestructura del material

Modificación de las propiedades mecánicas

Técnicas de conformación metálica

Producen grandes cambios en la microestructura del material

Modificación de las propiedades mecánicas