principio de solidificacion modulo i

8/16/2019 Principio de Solidificacion Modulo I

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Junio 2013

Wilmer omero

Exámenes cortos semanales(Quiz)………...…………..…………...40%

Proyecto de investigación…………..35%

Asignación de problemas y/otareas cortas a resolver………….….25%

EVALUACIONES


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BIBLIOGRAFÍA

Stefanescu, D. M. “Science and Engineering of Casting Solidification”, Springer

Verlag , 2009.

Cantor , B. “Solidification and Casting”, Series in Materials Science and

Engineering, Editor: Keyna O'Reilly. Inst. of Physics, 2003.

Backerud, L; Krol, E; and Tamminen, J. “Solidification Characteristics of

Aluminium Alloys”. V.1. SkanAluminium, 1986.

Beeley, P.R. "Foundry Technology" Butterworths 1982.

Flemings, M.C. "Solidification Processing, Materials Science and Engineering

Series". Mc. Graw Hill, 1974.

Daviles, J.G. "Solidification and Casting", ASP 1973.

Chalmers, B. "Principles of Solidification". John Wiley 1964.

MAESTRÍA EN INGENIERÍA METALÚRGICA

SOLIDIFICACIÓN

Es una transformación de fase que envuelve loseventos de nucleación y de crecimiento de unanueva fase sólida, creada por cambiostermodinámicos bruscos en la interfase líquido-sólido, la cual crece de manera continua hacia ellíquido.


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SOLIDIFICACIÓN

Es una transformación de fase que envuelve los

eventos de nucleación y de crecimiento de unanueva fase sólida, creada por cambiostermodinámicos bruscos en la interfase líquido-sólido, la cual crece de manera continua hacia ellíquido.

Es el área del conocimiento relacionada a la

generación independiente, bajo condiciones deno-equilibrio, de un sólido metaestable a partir de un líquido con el cual está en contacto.

►Composición Química

►Tamaño y morfología de los granos

►Tamaño y distribución de las fases

Microsegregación

Macrosegregación

Intervalo To

Coef. Difusión Veloc. enfrmto.

Ruta de procesamiento más importante para los metales y aleaciones.

IMPORTANCIA DEL ESTUDIO DE LA SOLIDIFICACIÓN


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IMPORTANCIA DEL ESTUDIO DE LA SOLIDIFICACIÓN

► Control de la solidificación : Microestructura propiedades

► Conlleva a diseñar Nuevos Procesos / Materiales

► Entendimiento, cuantificación y predicción de fenómenos.

SOLIDIFICACIÓN

HAZLO BIEN LA PRIMERA VEZ

No siempre tendremos unasegunda oportunidad

P. Crosby(1926-2001)


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APLICACIONES TECNOLÓGICAS

Recubrimiento

Circuitosintegrados

Transformaciones

de fases

CONOCIMIENTOS CIENTÍFICOSSOLIDIFICACIÓN

Refinamientopor zona

Soldadura por fusión

Colada de lingotes

Fundiciónde piezas

Solidificaciónrápida

Preparaciónde monocristales

para semiconductores

Solidificación

direccional

Coladacontinua



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SOLDADURA ALARCO ELÉCTRICO (MIG, TIG, SMAW)

SOLDADURA CON GAS

SOLDADURA CON LÁSER

SOLDADURA CON HAZDE ELECTRONES

SOLDADURADE FORJA

SOLDADURAPOR FRICCIÓN

SOLDADURA PORDIFUSIÓN

UNIÓN ADHESIVA

BRAZING

SOLDERING

(Soldadura de aportesuave < 425 oC)

(Soldadura de aportefuerte > 425 oC)

PEGAMENTOS

SOLDADURA


SOLDADURAPOR FUSIÓN

SOLDADURA ENEL ESTADO SÓLIDO

SOLIDIFICACIÓN EN LA SOLDADURA

SOLDADURA POR FUSIÓN

Ocurren interacciones de la fuente de calor con el metal base, incluyendo re-fusión, flujo de calor yfluido, vaporización, disolución de gases, solidificación, subsecuente transformaciones en elestado sólido, esfuerzos y distorsión.


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Interfaz de soldadura

Granos originalesdel metal base noafectado (pero altatensión residual)

Granos gruesos(Zona afecta por el calor)

Granos más fino

Zona de fusión(granos columnares)

(Banda de metal basefundido o parcialmentefundido)





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CrecimientoEpitaxial



http://www.tms.org/pubs/journals/JOM/0306/fig5.gif


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VACIADO DE PIEZAS


V A C I A D O D

E M E T A L E S

SOLIDIFICACIÓN EN FUNDICIÓN


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V A C I A D O

D E M E T A L E S


TERMINOLOGÍA

VACIADO:


Lenguaje de solidificación Microestructura al vaciado(pieza final)


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Lenguaje de fundición Vaciado que no implica pieza final


COLADA:

TERMINOLOGÍA



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SOLIDIFICACIÓNTransformación de fases

Líquido SólidoEstructuradesordenada

Estructuraordenada

Comprende dos fenómenos: Nucleación y Crecimiento delCristal.

SOLIDIFICACIÓN:

Transformación desde un Edo. no Cristalino a otro Cristalino.

PROCESOS DE SOLIDIFICACIÓN


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NUCLEACIÓNConsiste en la formación de una nueva fase en una regióndistinta y separada de su alrededores por un borde discreto.

TIPO:Nucleación homogénea = nucleación al azar

Nucleación heterogénea = nucleación en sitio preferidoso catalizadores, que reducen la bar rera energética a lanucleación.

¿Qué es un embrión Núcleo Grano?

DEFINICIONES BÁSICAS


GRANO:Es el desarrollo y crecimiento final del núcleo (Los núcleos se alimentan ydesarrollan del líquido circundante, hasta su total consumo).

EMBRIÓN:Es un aglomerado de átomos que no tiene la energía lib re su fic ien te paraasegurar su crecimiento y desarrollarse en núcleos estables.

NÚCLEO:

Es la primera fracción de sólido term od inámicamente establ e , lo cual lohace diferenciar de un embrión.


DEFINICIONES BÁSICAS


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PROCESOS DE SOLIDIFICACIÓNGÉNESIS CRISTALINA

Líneas representan orientación cristal ina

Límite de grano

MICROESTRUCTURA DE UN METAL POLICRISTALINO

CRISTALOGRAFÍA DEL GRANO

¿Q. Pasaría sicada granotuviese la mismaorientación?


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Zona Chill(Enfriamientorápido)

Zona Central

Molde

ESTRUCTURA DE GRANO DE UN LINGOTE


Zona Chill (Granos equiaxiales pequeños)

Zona Columnar Granos equiaxiales grandes



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REVISIÓN DE CONCEPTOS


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Es cada una de las porciones de un sistema que puede

considerarse homogénea (física + química + estructura) y las

cuales son “físicamente distintas” y mecánicamente

separables (al menos en principio) de otras partes del

sistema. Las propiedades macroscópicas intensiva son

idénticas en cualquier punto de su entorno.

Fase

Cada cambio es un ejemplo detransformación de fase.


Diagrama de fasedel Fe puro


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Componente:

Elemento o compuesto que forma parte de un sistema dealeación. El número de componentes en el sistema debe ser el

mínimo requerido para definir todas las fases. Cada fase en elsistema puede estar constituido por uno o más componentes.

Soluto:Componente minoritario de una aleación.

CONSTITUYENTES METALOGRÁFICOSEs una fase o una combinación de fases que están presentesen una configuración característica dentro de unamicroestructura (ej. Cementita, Perlita)


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CONSTITUYENTES MONOFÁSICOS

► Solución Sólida► Metales Puros► Compuestos Intermetálicos

MEZCLAS MECÁNICAS► Eutécticos► Eutectoides


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CLOROPLASTO EN UNACÉLULA

¿QUÉ ES ESTO?


Compuestos

Es una fase intermedia caracterizada por poseer una composición estequiométrica fija (ej. Fe3C),aunque algunas existen con un rangocomposicional muy pequeño (no estequiométrico)


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Compuestos intermetálicos

Mg2Pb

Metales enlazados estequiométricamente

Fase intermedia


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% peso Li

T e m p e r a t u r a , o C

Se usa para designar a partículas insolubles, lasno disueltas, o partículas precipitadas bastas quese forman y distribuyen heterogéneamente en lasaleaciones de aluminio


PARTÍCULAS CONSTITUYENTES

En los lingotes colados, las partículas podrían seruna fase metaestable o en equilibrio


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Clases de partículas intermetálicas

Basados en las reacciones termodinámicas que los producen y

en la solubilidad de sus componentes dentro de la soluciónsólida terminal, pueden ser clasificadas en:

(óptica)

(TEM)

Microestructura de una aleación de Aluminio en estado de colada

SolubleInsolubleMuy poca solubleIncoherenciaZLP


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REACCIONES INVARIANTES


TIPOS:

I. DURANTE EL ENFRIAMIENTO, UNA FASE SE SEPARA EN DOS

II. DURANTE EL ENFRIAMIENTO, DOS FASES REACCIONAN PARA

PRODUCIR UNA TERCERA, DIFERENTE DE LAS DOSREACCIONANTES


L a + b

L

a + b

a

b

Reacción Peritéctica

Reacción Eutéctica

a

+ Lb

b

a

L


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a

b + g

a

b + g

b

g

Reacción Peritectoide

Reacción Eutectoide

a

+ b

g

g

a b


L1 a + L2

L1

a + L2a

L2Reacción Monotéctica

Reacción Sintéctica

L1+ L2b

b

L1 L2



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MICROESTRUCTURA DE UNA ALEACIÓN

DEFINEN SUS PROPIEDADES FINALES



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MICROESTRUCTURA

CONSTITUCIÓN

1. Fases Presentes

2. Química de cada fase yEstructura cristalina(Grado de coherencia)

3. Proporción de cadafase (FracciónVolumétrica / incluyendodistribución)

ESCALA

MORFOLOGIA DE LAS FASES


Morfología de las Fases

. . . . . . .

.... .. .. . . . . .

. . . . . . .

. . . . . .

.. . . . . .

.. . . . . .

.

Escala de la Microestructura

mm mm nm



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V F

1. Una fase simple puede estar compuesta por más de un componente

2. El agua con cubos de hielos a la temperatura de equilibrio forma:(a) una fase de un solo componente(b) dos fases de un solo componente(c) dos fases con dos componente

3. El agua con cubos de hielo más zumo de limón representa(a) Un sistema de 3 componente y una fase.(b) Un sistema de 2 componentes y 3 fases.(c) Un sistema de 2 componentes y 2 fases.(d) Ninguna

4. El agua con cubos de hielo más soda (CO2) representa- Un sistema de 3 componente y una fase.- Un sistema de 2 componentes y 3 fases.- Un sistema de 2 componentes y 2 fases.- Ninguna

5. Cuantas fases representa la perlita

- Una- Dos

QUIZ

6. Una estructura con fase eutéctica tiene- Muy poco límite de fase- Mucho límite de fase- No tiene límite de fase


SUBENFRIAMIENTO CINÉTICO Y FUERZAMOTRIZ PARA LA SOLIDIFICACIÓN


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CURVA DE ENERGÍA DE UNA REACCIÓN DE TRANSFORMACIÓN

(Barrera de energía)

CURVA DE ENERGÍA DE UNA REACCIÓN DE TRANSFORMACIÓN

Productos

Er

Ep

Edo. transición sin catalizador

Za Zb

EaEdo. transición con catalizador

Q Barrera energética

E n e r g í a

EáINESTABLE

Equilibrio EstabledG/dZ = 0

Fuerza MotrizG < 0

Reactivos

EquilibrioMetastable y yÉ2

x xÉ1

E


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MP Tf

Tiempo

SUBENFRIAMIENTO

Tm

T

CURVA SOLIDIFICACIÓN T vs t

t

T

Tm

L

S

Subenfriamiento

ΔTK

L

S

T

G

TmT

Subenfriamiento

ΔT

ΔGv

SUBENFRIAMIENTO CINÉTICO (TK)

T diferencia entre Tm de equilibrio y T real.



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SOLIDIFICACIÓN DE METALES PUROS BAJO CONDICIONES DE NO-EQUILIBRIO


(Etapa controladapor Nucleación)

o T

SOLIDIFICACIÓN DE METALES PUROV = Velocidad crecimiento Granos (dr/dt).

I = # eventos nucleaciónm-3 . s-1

qi = Flujo calor interno (recalescencia).ofs = Velocidad Volumétrica de transformación.

N = # granos.

A medida que hay < L > f S

oT= Veloc. Enfriamiento

N VGVTotal

f S = ______

f st t=

tN v

tv N+

Nucleaciónde grano

Crecimientode grano



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a

a

L

L

a

q

Temperatura eutéctica

Composición

T e m p e r a t u r a

FUERZA MOTRIZ Y SUBENFRIAMIENTO EN SÓLIDO

a

DG 0

T

Composición

Gv

Tma

L

L

a q T e m

p e r a t u r a



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a

T

DG 0

T

Composición

Gv

Tm

T

a

L

L

a

q T e m p e r a t u r a


> GV

a

DT

DG 0

T

Composición

Gv

Temperatura eutéctica real

Tm

T

a

L

L

a q T e m

p e r a t u r a

Solidificación fuera del equilibrio



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EPITAXIA

Estructura dendrítica (óxido Mn) formadasobre la superficie de una roca de cuarcita

EPITAXIA


Es un proceso de crecimiento orientado de una

película sobre la cara cristalina de un substrato,

que puede ser del mismo material que la película

(homoepitaxia) o bien de un material diferente(heteroepitaxia).


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CRECIMIENTO EPITAXIAL

J. Czochralski,

(1885-1953)Metalurgista Polaco

MÉTODO CZOCHRALSKY

MÉTODO CZOCHRALSKYPara monocristales de silicio


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~1 rev/s

Semilla

10µm/s

MÉTODO CZOCHRALSKY

10µm/s

MÉTODO CZOCHRALSKY


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EPITAXIA

SECUENCIA DEL MÉTODO PARA OBTENER MONOCRISTALES

EPITAXIA

SECUENCIA DEL MÉTODO PARA OBTENER MONOCRISTALES


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EPITAXIA

Oblea

Equilibrio es un estado en el cual no se percibeningún cambio, sin importar el tiempo deespera.

ESTADO DE EQUILIBRIO

EQUILIBRIO TERMODINÁMICO


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Equilibrio

Mecánico Térmico

MaterialEquilibrio de fases

Equilibrio químico

T Ta bdq

T Ta b

P Pa bdV

P Pa b

i i

a b m m

dni

i i

a b m m

DIFERENTES CLASES DE EQUILIBRIO

Estable Metaestable Inestable

EQUILIBRIO

Una perturbación infinitesimal tendrá arestaurar el equilibrio

Inestabilidad genuina(sin barrera)

Mínima Energía


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Estable Metaestable Inestable Inestable

NO EQUILIBRIOEQUILIBRIO

Una perturbación infinitesimal tendrá arestaurar el equilibrio

Inestabilidad genuina(sin barrera)

Disipandoenergía libre


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¿QUÉ ES UNA FASE METAESTABLE?

► La energía libre no está totalmente minimizada

► El equilibrio termodinámico se mantiene paraperturbaciones débiles y lentas

► El tiempo promedio de vida es muy largo


► El escape es irreversible: retornar a la fasemetaestable es extremadamente improbable

► El equilibrio metaestable es común en una ampliavariedad de sistemas químicos y físicos: Diamante,magnetos, fluidos supersaturados y subenfriados

¿QUÉ ES UNA FASE METAESTABLE?


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En un sistema constituido por dos fases a, b), la variación de“G” en una transformación infinitesimalmente pequeña es:

02,,2

1

,,1,,,, 122121

+

+

+

dnn

Gdn

n

GdT

T

GdP

P

GdG

nT P nT P nn P nnT

1G 2GSdT VdP -

POTENCIAL QUÍMICO Y EQUILIBRIO

µ = Potencial Químico

Energía libre molar parcial

0++- b b a a m m iiii

dndnSdT VdP dG


Si el sistema está en equilibrio Térmico y Mecánico:

0+ b b a a m m iiii

dndn

0+ b b a a m m iiii

dndniii

dndndn - b a

¿Cómo se alcanza el equilibrio material entre fases?

0)-( iii

dna b m m

Fasea Faseb

dni a b m m ii

Se alcanza el equilibrio cuando el potencial

químico en ambas fases es el mismo

mia=mi

b

Equilibrio Material


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b a m m B B

b a m m A A

EQUILIBRIO MATERIAL

Si los átomos de una especie particular tiene la misma energía

libre en ambas fases, entonces no hay tendencia para ellosde migrar , y el sistema estará en equilibrio estable si estacondición se aplica a todas las especies de átomos.


G

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