microestructura y solidificación

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Ciencia de los Materiales

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  • 7/17/2019 Microestructura y Solidificacin

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    CLASE 8MICROESTRUCTURA Y SOLIDIFICACIN

    En general, los productos metlicos se originan en una primera etapa en estado lquido,luego del cual se pasa al estado slido mediante moldes o por colada continua.

    El proceso de solidifcacin es determinante para la calidad del producto fnal,porque si el material queda defectuoso en esta etapa, ser muy difcil efectuar las correccionesen el procesamiento posterior.

    SOLIDIFICACINLa solidicacin es un proceso fsico que consiste en el camio de estado de la materia de

    lquido a slido. Es el proceso in!erso a la fusin.

    La solidicacin de metales y aleaciones es un importante proceso industrial ya que lamayora de los metales se funden para moldearlos "asta una forma acaada o semiacaada.#unto de Fusindel Agua $ %unto de Solidifcacindel Agua $ %unto de Fusindel 'ierro ()e* $ %unto de Fusindel Aluminio (Al* $ %unto de Fusindel Core (Cu* $ %&

    SOLIDIFICACIN DE LOS METALESEn general, la solidicacin de un metal o aleacin puede di!idirse en los siguientes pasos+

    Paso 1:

    La aparicin de ncleos en

    di!ersos puntos del lquido.

    Paso 2:

    Aglomeracin de ncleos.

    Paso 3:

    Los ncleos crecen en tres

    dimensiones, dando lugar a

    una estructura tipo rolllamada dendrita.

    Paso 4:

    A medida que se da el

    crecimiento de las

    dendritas - esta se ostruyenmutuamente creando

    fronteras entre los diferentes

    cristales llamados bordes

    de grano.

    Concretamente desde el punto de !ista fsico, la solidicacin de un metal o aleacinsuele di!idirse en dos etapas diferenciales+ Nucleacin ()ormacin de una nue!a fase slida*

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    Crecimiento (Crecimiento o engrosamiento de la nue!a fase slida*Los mecanismos principales por los que acontece la nucleacin de partculas slidas en un

    metal liquido son+ Nucleacin o!o"#nea+ Es el caso ms simple de nucleacin. Esta se da en el lquido

    fundido cuando el metal proporciona por s mismo los tomos para formar los ncleos. Se daen los metales puros.

    Nucleacin e$e%o"#nea+ en este caso la nucleacin sucede en un lquido sore lasupercie del recipiente que lo contiene, impure/as insolules, u otros materialesestructurales (inoculantes*- los cuales actan como centros de nucleacin. Se da en lasaleaciones ingenieriles.

    Una vez ue los n!cleos "an sido #ormados$ inicia la etapa de crecimiento$ cu%oob&etivo fnal es la #ormacin de los cristales'

    0n metal solidicado que contiene muc"os cristales se denomina policristalino& Loscristales en el metal solidicado se llaman granos' y las supercies entre ellos, bordes degrano'

    El nmero de sitios de nucleacin disponiles para el metal, afectar a la estructura granular

    del metal slido producido+ Si "ay pocos puntos de nucleacin, se produce una estructura de grano grueso y tosca. Si "ay muc"os puntos de nucleacin disponiles, se dar una estructura de grano no.

    La estructura de grano no constituye el tipo ms deseale en la otencin de productosmetlicos resistentes y uniformes.

    El aspecto que cada grano adquiere despu1s de la solidicacin del metal depende de!arios factores, de entre los que son importantes los gradientes t1rmicos.

    Los granos denominados equia2iales, son aquellos en que su crecimiento "a sido igual entodas las direcciones. (ona $e!)lada o *ona Cill+ Es una estrec"a anda de granos, orientados al a/ar y

    locali/ada sore la supercie de la pie/a. El metal que est sore la pared del molde es elprimero en enfriarse a una temperatura igual a la temperatura de solidicacin.

    (ona Colu!na%+ Contiene granos alargados orientados en una direccin cristalogrcaparticular. Conforme el molde del material liera calor de la fundicin, los granos en la /onafra empie/an a crecer en direccin opuesta al 3u4o de calor. Esto signica que los granoscrecern perpendiculares a la pared del molde.

    (ona E,uia-ial+ Contiene granos nue!os orientados aleatoriamente, originados a menudopor una a4a temperatura de !aciado, elementos de aleacin, o agentes inoculantes orenadores de grano. Los granos crecen con formas relati!amente redondas e impiden elcrecimiento de los granos columnares.

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    Ma$e%iales Is$%o)os+Cristales orientados aleatoriamente o al a/ar. Ma$e%iales Aniso$%)icos+ Cristales con orientaciones cristalogrcas preferenciales o

    especcas.

    En la mayora de los materiales policristalinos, las orientaciones cristalogrcas de losgranos indi!iduales son completamente al a/ar. En estas circunstancias, aunque cada granossea anisotrpico, la estructura compuesta por un con4unto de granos, se comportarisotrpicamente.

    La direccionalidad de las propiedades se denomina anisotrop(ay est relacionada con la!ariacin de la distancia atmica o inica segn la direccin cristalogrca. #or su parte, lassustancias cuyas propiedades son independientes de la direccin se denominan isotrpicas'

    Iso!o%fs!o+ Es el fenmeno en el que sustancias o compuestos con diferentescomposiciones qumicas poseen la misma estructura cristalina. #or e4emplo+ Aleaciones Cu6

    7i y Al6Li ()CC* Cristales orientados aleatoriamente o al a/ar. .oli!o%fs!o+Es la capacidad de un material slido de e2istir en ms de una estructura

    cristalina, todas ellas con la misma composicin qumica. En el caso de sustancias puras oelementos qumicos se "ala de Alo$%o)/a.

    ALOTRO.0A DEL 1IERRO

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    CLASE 9ALEACIONES MET2LICAS+ FASES Y CONSTITUYENTES METALO3R2FICOS

    La mayora de los metales usados en ingeniera son cominados con otros metales o no

    metales para conseguir una mayor dure/a, mayor resistencia a la corrosin u otras propiedades.0na aleacin metlica o, simplemente una aleacin, es una me/cla de dos o ms metales,

    o de un metal con un no metal.Las aleaciones se otienen fundiendo los di!ersos metales en un mismo crisol y de4ando

    luego solidicar la solucin lquida formando una estructura granular cristalina apreciale conayuda del microscopio ptico.

    :0;A7:>)>CAC>=7 LA ESC;=* :E LA ALEAC>=7 0E:A;AC=7)=;@A:A #=; :>)E;E7

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    Se crean soluciones solidas sus$i$ucionalescuando un tomo de la red cristalina esrempla/ado por otro de un tipo distinto. En este caso los tomos del soluto rempla/an a lostomos del sol!ente en sus posiciones originales.

    #ara que se forme una solucin solida sustitucional los tomos que constituyen el soluto y elsol!ente deen cumplir con las ;eglas de 'ume6;ot"ery+. La diferencia entre los dimetros atmicos de los elementos no dee ser mayor del FG

    de su dimetro.5. La estructura cristalina de los dos elementos dee ser la misma.

    . 7o dee "aer diferencias apreciales en las electronegati!idades de los dos elementos,a n de e!itar su reaccin y que formen compuestos.D. Los dos elementos deen tener la misma !alencia.

    SOLUCIONES SOLIDAS INTERSTICIALESCuando los tomos del soluto son consideralemente ms pequeHos que los tomos del

    sol!ente, estos pueden alo4arse en los "uecos o intersticios de la red cristalina, creandosoluciones solidasin$e%s$iciales.

    METALES .UROS :S& SOLUCIONES SOLIDAS+En comparacin con los metales puros, las aleaciones de soluciones slidas poseen

    ciertas caractersticas+Co!o :en$a;as+ @ayor dure/a y resistencia a la traccin. @enor temperatura de fusin por lo menos de uno de sus componentes.

    Co!o Des

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    #or su a4a temperatura de fusin, se emplean casi e2clusi!amente para la soldadura. El

    e4emplo tpico lo constituye la aleacin #lomo6 EstaHo empleada en la soldadura de lminas deinc, Core y Latn.

    COM.UESTOS INTERMET2LICOS+En ocasiones, cuando las aleaciones solidican, tienden a formar compuestos de forma

    que los tomos del soluto no se distriuyen aleatoriamente entre los del sol!ente, sino que lo"acen de forma denida y concreta, dando lugar a compuestos qumicos, normalmentedenominados co!)ues$os in$e%!e$4licos o in$e%!edios.

    A diferencia de las soluciones slidas, los compuestos intermetlicos generalmente sonestequiometricos.

    =tras Caractersticas+ Son estequiom1tricos, e4emplo+ )eC.

    Son uenos refor/antes al precipitarse. Asociado a su alto punto de fusin, ofrecen rigide/, resistencia a la o2idacin y a la

    3uencia, E4+

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    CLASE JDIA3RAMAS DE E5UILI>RIO

    DIA3RAMAS DE FASES

    :urante la solidicacin, el desarrollo de la microestructura de una aleacin estadirectamente relacionada con las caractersticas de su diagrama de fases.

    Los diagramas de fases son representaciones gracas de las reas de dominio de lasfases en funcin de la presin, temperatura y composicin.

    Los diagramas de fases, tami1n llamados diagramas de equilirio representan la relacinentre la estructura y- la composicin y las cantidades de fases en equilirio. La utilidad de losdiagramas de equilirio radica en la posiilidad de la prediccin de las transformaciones defases y de la microestructura resultante, que puede estar o no en equilirio.

    Conce)$os Funda!en$ales+85u# es una 6ase785u# se en$iende )o% $%ans6o%!acin de Fase785u# se conoce co!o Mic%oes$%uc$u%a7

    K

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    8Cuando se conside%a ,ue se alcan*a el E,uili?%io7

    Los diagramas de fases ms comunes in!olucran

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    & DIA3RAMAS DE SOLU>ILIDAD .ARCIAL

    Los diagramas de fase de soluilidad parcial, se

    generan por la aleacin de dos metales A y ,

    misciles entre si en estado liquido, que formanuna me/cla eut1ctica durante la solidicacin. #or

    tal ra/n, tami1n suelen denominarse

    Dia"%a!as de Fases Eu$#c$icos.Entre las principales caractersticas de este tipo de

    :iagramas, se pueden mencionar+

    La aparicin de dos soluciones solidas y

    M+ es una solucin de A, con tomos de

    como soluto, mientras M es una solucin

    solida de con tomos de A como soluto.

    La ocurrencia de una reaccin Eut1ctica, en la que un liquido al solidicar genera uname/cla intima de dos solidos y M, a una temperatura (

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    & COM.UESTOS INTERMET2LICOS

    REACCIONES IN:ARIANTES

    Las ;eacciones >n!ariantes son aquellas que ocurren a una composicin y temperaturadenida, especica y constante- pueden ser de dos tipos+>. :urante el enfriamiento, una 6ase se se)a%a en dos&>>. :urante el enfriamiento' dos 6ases %eaccionan )a%a )%oduci% una $e%ce%a, diferente

    de las dos reaccionantes.

    J

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    EN EL ESTADO L05UIDO+

    @& Reaccin Eu$#c$ica+ L

    & Reaccin .e%i$#c$ica+ L

    B& Reaccin Mono$#c$ica+ L@ L

    & Reaccin Sin$#c$ica+ L@ L

    EN EL ESTADO SLIDO+@& Reaccin Eu$ec$oide+ G & Reaccin .e%i$ec$oide+ G

    SISTEMAS EUTECTOIDES

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    CLASE DIA3RAMA FeHFeBC' CONSTITUYENTES METALO3R2FICOS DE LOS

    ACEROS

    DIA3RAMA FeHFeBC

    DIA3RAMA FeHFeBC

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    DIA3RAMA FeHFeBC

    CONSTITUYENTES DE LOS ACEROS

    FERRITA Es una solucin slida intersticial de Carono en una red cica centrada en el cuerpo de

    'ierro. Admite "asta un J,J5F G de Carono en solucin a la temperatura eutectoide. Es el constituyente ms lando del acero, su resistencia es de 58 QgRmm5 (5,K @#a*. Es ferromagn1tico siendo su temperatura de Curie KI8C. A partir de esta temperatura

    "asta los 9JC su comportamiento es paramagn1tico, por lo que antigua yequi!ocadamente se le crey otra fase denominndosele "ierro eta ()eM*.

    CEMENTITA Es el caruro de "ierro )eC con un contenido 4o de carono del I,IKG. Es el constituyente ms duro y frgil del acero alcan/ando una dure/a de I8 ';C (KJJ

    rinell*.

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    Cristali/a en la red ortorrmica. La morfologa de la cementita es muy !ariada siendo destacales algunas estructuras

    tpicas. Se consideran las siguientes en los aceros+a* Cementita lire, no asociada con otras fases suele aparecer en los aceros "ipereutectoides,

    como Cementita Proeutectoide, formando una red continua que enmarca una estructuragranular formada por colonias de perlita.

    * Cementita Eutectoide, que forma parte de la #erlita.

    .ERLITA Es el microconstituyente eutectoide formado por capas alternadas de )errita y Cementita,

    compuesta por el 88G de )errita y 5G de Cementita, contiene J,8G de Carono.

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