principios de solidificación

PRINCIPIOS DE SOLIDIFICACIÓN

Nucleación.

Crecimiento.

Defectos de solidificación.

Solidificación direccional.

PRINCIPIOS DE SOLIDIFICACIÓN

Líquido Líquido Límites de grano

Núcleo

Cristales que

formarán granos Granos

Hay solidificación cuando:

• Un núcleo con pequeños cristales

• Crecimiento del núcleo hasta dar origen a cristales y la formación de una estructura granular

NUCLEACIÓN

Proceso físico por el cual se produce una fase nueva en un material. En el caso de la solidificación, indica la formación de partículas sólidas diminutas y estables en el líquido.

Líquido

Radio r

Interfase

Sólido-líquido

24 rA

3

3

4rV

Sólido

NULEACIÓN HOMOGÉNEA

Formación de un sólido de tamaño critico a partir del liquido, por la agrupación de una gran cantidad de átomos producto de un gran subenfriamiento (sin interfaz externa).

NUCLEACIÓN HETEROGÉNEA

Formación de un sólido de tamaño critico a partir de liquido, sobre la superficie de una impureza u otro tipo de superficie preexistente.

NUCLEACIÓN HETEROGÉNEA

Se utilizan Impurezas o las paredes de un molde o

recipiente

Es la forma real que nuclean los metales

Se disminuye el sub-enfriamiento entre 0.1 y 10°C

Impureza

Sólido

Líquido

θ

CONCLUSIÓN: Se disminuye la energía de superficie, entonces, el cambio de

energía total para la formación de un núcleo estable, será menor.

VELOCIDAD DE NUCLEACIÓN (I)

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Se define como la cantidad de núcleos formados por unidad de tiempo, y es una función de la temperatura. Antes de la solidificación no hay nucleación y a temperaturas mayores del punto de solidificación la I es cero. En la nucleación heterogénea la I esta determinada por concentración de los agentes nucleantes que se introducen.

MECANISMOS DE CRECIMIENTO Crecimiento planar: En este mecanismo el calor latente de fusión se elimina por conducción, a partir de la interfaz sólido – líquido, este tipo de crecimiento se presenta cuando no hay subenfriamiento.

Crecimiento dendrítico: En este caso hay un subenfriamiento del líquido, por lo tanto la protuberancia puede crecer, en este tipo de crecimiento también pueden formarse brazos secundarios y terciarios de dendrita sobre los tallos primarios.

El tiempo de solidificación afecta el tamaño de las dendritas. Normalmente, el tamaño de una dendrita se caracteriza midiendo la distancia entre sus brazos secundarios, dicha distancia se reduce cuando la pieza solidifica con mayor rapidez

Efecto del tiempo de solidificación sobre las distancias entre brazos dendríticos secundarios en el Cu, Zn y Al.

Efecto de la distancia entre brazos dendríticos secundarios sobre las propiedades de una aleación colada de Al.

ESTRUCTURA DE LA PIEZA COLADA

DEFECTOS DE SOLIDIFICACIÓN

Contracción: La mayor parte de las contracciones producen cavidades, si la solidificación comienza en todas las superficies de la pieza, o rechupes, si una superficie se solidifica con más lentitud que las demás.

DEFECTOS DE SOLIDIFICACIÓN

Contracción interdendrítica: Consiste en pequeños poros de contracción entre dendritas. Este defecto también llamado microporosidad, es difícil de evitar usando mazarotas

SOPLADURAS O POROSIDAD DE GAS

Muchos metales disuelven una gran cantidad de gas cuando están fundidos. Por ejemplo, el Al disuelve al H.

Sin embargo al solidificarse el al el metal sólido sólo retiene una fracción pequeña de H en su estructura cristalina, ya que la solubilidad es apreciablemente menor.

SOLIDIFICACIÓN DIRECCIONAL

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MOVIMIENTO DE ATOMOS Y IONES EN LOS MATERIALES

DIFUSION

La difusión indica el flujo neto de cualquier especie, como iones, átomos, electrones, vacancias y moléculas.

Con el fin de eliminar las diferencias de concentración y llegar a una composición homogénea y uniforme.

La magnitud de la difusión depende del gradiente inicial de concentraciones y de la temperatura.

CEMENTACIÓN O NITRURACIÓN:

Endurecimiento superficial, piezas complejas

Difusión de C o N

Control de las transformaciones de fase en los tratamientos térmicos de metales

APLICACIONES DE LA DIFUSIÓN

RECUBRIMIENTOS PROTECTORES

Barrera térmica para alabes de turbinas de avión.

Para evitar o minimizar difusión de vapor de agua o el ataque de agentes corrosivos en diferentes tipos de estructuras metálicas.

RECUBRIMIENTOS PROTECTORES

http://www.trameinsa.com/images/b-escalera-acero.jpg

La capacidad de difusión de átomos o iones se incrementa con el aumento de la temperatura.

La rapidez del movimiento de estos átomos se expresa:

R = cte de los gases (1,987 cal/mol*K)

T absoluta (K)

Q = ENERGÍA DE ACTIVACIÓN

ESTABILIDAD DE ÁTOMOS Y IONES

Suponga que se determina que los átomos intersticiales pasan de un sito a otro a velocidades de 5 * 108 saltos/s, a 500 °C y a 8 * 108 saltos/s, a 800 °C. Calcule Q

EJEMPLO

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MECANISMOS DE DIFUSION

ENERGIA DE ACTIVACION EN LA DIFUSION

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La velocidad de difusión se puede medir con el flujo J, cantidad de átomos o iones que atraviesan un plano o un área por unidad de tiempo.

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D = difusividad o coeficiente de difusión, cm2 / s

dc/dx = gradiente de concentración

VELOCIDAD DE DIFUSION (Primera Ley de Fick)

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GRADIENTE DE CONCENTRACION

Se deposita una capa de 0.05cm de óxido de magnesio (MgO) entre capas de Ni y de Ta para formar una barrera que evite reacciones entre los dos metales.

A 1400ºC, se forman iones Ni y se difunden a través de la cerámica de MgO y llegan al Ta.

Determine la cantidad de iones Ni que atraviesan el MgO cada segundo. El coeficiente de difusión de los iones Ni en MgO es 9*10-12 cm2/s y el parámetro de red del Ni a 1400 ºC es 3.6*10-8 cm

EJEMPLO

La composición del Ni en la interfaz Ni/MgO es 100% Ni:

La composición de Ni en la interfaz Ta/MgO es 0% Ni. El

gradiente de concentración:

3

22

38/ 1057.8

)106.3(

4

cm

atoms

cm

unitcell

atomsNi

MgONic

cmcm

atoms

cm

cm

atoms

x

c

.1071.1

05.0

1057.80

3

243

22

El flujo de átomos de Ni a través de la capa de MgO:

La cantidad total de átomos de Ni que cruza la interfaz de 2cm*2cm cada segundo:

scm

NiatomsJ

cmcm

atomsscm

x

cDJ

.1054.1

).

1071.1)(/109(

2

13

3

24212

Total Ni /s = J(Area) = (1.54 1013 atoms/cm2.s) * (2 cm)(2 cm)

= 6.16 1013 Ni atoms/s

Los procesos difusionales juegan papel importante cuando se emplean o procesan materiales a elevadas temperaturas.


DIFUSION Y PROCESAMIENTO DE MATERIALES


CRECIMIENTO DE GRANO


UNION O SOLDADURA POR DIFUSION

SOLUCIONES SÓLIDAS Y

EQUILIBRIO DE FASES

Aleación: material que tiene propiedades metálicas y está formado por varios elementos. Las aleaciones pueden ser monofásicas, bifásicas y polifásicas.

Fase: parte o porción que puede ser incluida en una totalidad de un sistema. Es físicamente homogénea dentro de si misma y limitada por una superficie

EQUILIBRIO DE FASES

Describe la relación entre la cantidad de componentes y la cantidad de fases para determinado sistema. Tiene la forma general: 2 + C = F + P (cuando se puede variar tanto T y P a la vez) C= cantidad de componentes químicamente independientes. F= cantidad de grados de libertad. P= es la cantidad de fases presentes.

REGLA DE LAS FASES

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.

PUNTO A: 2+C = F+P 2+1=F+1 F = 2 PUNTO B: 2+C = F+P 2+1=F+2 F = 1 PUNTO C: 2+C = F+P 2+1=F+3 F = 0

DIAGRAMA DE FASES PARA EL Mg PURO

Para que un sistema de aleación, tenga solubilidad sólida ilimitada, debe cumplir las reglas de Hume-Rothery: 1. Factor Tamaño: los átomos o iones deben tener un tamaño semejante, con una diferencia de tamaño no mayor al 15%.

2. Estructura Cristalina: deben tener la misma estructura cristalina, de lo contrario podrá haber un punto de una transición de una fase a otra con una estructura distinta.

3. Valencia: los iones deben tener la misma valencia, de lo contrario se impulsará la formación de compuestos.

4. Electronegatividad: deben tener +/- la misma electronegatividad.

SOLUBILIDAD Y SOLUCIONES SÓLIDAS

Un diagrama de fases muestra las fases y sus composiciones en cualquier temperatura y composición de la aleación. Los diagramas pueden ser binarios, ternarios o pseudobinarios.

DIAGRAMAS DE FASE ISOMORFOS

LIQUIDUS es aquella arriba de la cual un material es totalmente líquido. SOLIDUS es aquella por debajo de la cual una aleación es 100% sólida. El intervalo entre estas dos temperaturas se conoce como intervalo de solidificación.

DIAGRAMAS DE FASE ISOMORFOS

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(1 + C = F + P) C=componentes químicos independientes P= cantidad de fases F= cantidad de grados de libertad

REGLA DE LAS FASES PARA EL DIAGRAMA ISOMORFO

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Determine los grados de libertad en una aleación Cu-40% Ni a) 1300ºC, b) 1250ºC, c) 1200ºC


1300ºC, P = 1, (fase líquida), C = 2 (átomos Cu y Ni) 1+C = F + P 1+2 = F+1 F =2 Se deben fijar la temperatura y la composición de la fase líquida.

1250ºC, P = 2, (líquido y sólido presentes), C = 2 (átomos Cu y Ni) 1+C = F + P 1+2 = F+2 F =1 Se fija la temperatura en la región de las dos fases.

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1200ºC, P = 1, (solo sólida), C = 2 (ats Cu y Ni) 1+C = F + P 1+2 = F+1 F =2 Se deben fijar la temperatura y la composición de la fase sólida.


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REGLA DE LA HORIZONTAL

REGLA DE LA PALANCA

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100____

_____ X

palancaladetotallongitud

opuestopalancadebrazoFASEDEPORCENTAJE

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Determinar la composición y cantidad de cada fase en una aleación de Cu-Ni con 40% de Ni, a 1300, 1270, 1250 y 1200 °C.

EJEMPLO

%100:1200

%6210032453240%

%3810032454045%:1250

%2310037503740%

%7710037504050%:1270

%100:1300

Co

LCo

LCo

LCo

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SOLIDIFICACIÓN DE ALEACIONES DE SOLUCIÓN SÓLIDA

SOLIDIFICACIÓN DE ALEACIONES DE SOLUCIÓN SÓLIDA


CURVA DE ENFRIAMIENTO DE UNA ALEACIÓN ISOMORFA

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SOLIDIFICACIÓN DE ALEACIONES FUERA DEL EQUILIBRIO

SEGREGACIÓN Y MICROSEGREGACIÓN

La composición no uniforme que se produce en la solidificación fuera de equilibrio se llama segregación.

La microsegregación, llamada también segregación interdendrítica, se forma en distancias cortas, con frecuencia entre brazos dendríticos pequeños.

HOMOGENIZACIÓN

Tratamiento térmico mediante el cual se reduce la segregación interdendrítica, consiste en calentar a una temperatura menor que la de solidus de desequilibrio, los átomos de Ni en el centro de las dendritas difunden hacia las regiones interdendríticas y los átomos de Cu difunden en dirección contraria.

ENDURECIMIENTO POR DISPERSIÓN

La gran mayoría de los materiales diseñados están formados por más de una fase, y muchos de ellos están diseñados para tener mejor resistencia. En las aleaciones endurecidas por dispersión, se introducen partículas diminutas de una fase, en general muy fuerte y dura, en una segunda fase, que es más débil pero es más dúctil.

La fase suave por lo general es continua y esta presente en mayores cantidades; se llama matriz. La fase endurecedora puede llamarse fase dispersa o precipitado.

CONSIDERACIONES GENERALES DE ENDURECIMIENTO POR DISPERSIÓN

1. La matriz debe ser suave y dúctil, aunque la fase dispersa debe ser dura y fuerte. Las partículas de la fase dispersa interfieren con el deslizamiento, mientras que la matriz proporciona al menos cierta ductilidad a la aleación.

2. La fase dispersa dura debe ser discontinua, mientras que la matriz suave y dúctil debe ser continua; ya que si la fase dura y frágil fuera continua las grietas podrían propagarse por toda la estructura.

3. Las partículas de la fase dispersa deben ser pequeñas y numerosas para aumentar la probabilidad de interferir con el proceso de deslizamiento.

4. Las partículas de la fase dispersa deben ser redondeadas, y no aciculares o con aristas agudas, porque es menos probable que inicien una grieta o actúen como concentradores de esfuerzo.

5. Mayores concentraciones de fase dispersa aumentan la resistencia de la aleación.

COMPUESTOS INTERMETÁLICOS

Es aquel formado por dos o más elementos metálicos que

producen una nueva fase con composición, estructura

cristalina y características propias.

Estos compuestos son muy duros y frágiles.

Hacen parte de la fase dispersa de las aleaciones endurecidas

por dispersión

Los compuestos intermetálicos estequiométricos se

representan en los diagramas de fases con una recta vertical

COMPUESTOS INTERMETÁLICOS

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Compuesto intermetálico

estequiométrico

Compuesto NO intermetálico

estequiométrico

REACCIONES

INVARIANTES

IDENTIFICACIÓN DE REACCIONES

1.Localizar una recta horizontal en el diagrama de

fases, que indique una reacción entre tres fases.

2.Ubicar tres puntos distintos en la línea

horizontal: los dos extremos y un tercer punto

3.Ver sobre el punto intermedio e identificar la o

las fases presentes, de igual forma en la parte

inferior.

IDENTIFICACIÓN DE REACCIONES ENTRE TRES

FASES

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Se encuentran líneas

horizontales en: 1150, 920, 750,

450, y 300

δ + L γ, peritéctica

L1 γ + L2 monotéctica

L γ + β, eutéctica

α + β μ peritectoide

γ α + β, eutectoide

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DIAGRAMA DE FASES EN EQUILIBRIO PARA Pb – Sn

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SOLIDIFICACIÓN Y MICROESTRUCTURA DE UNA ALEACIÓN Pb – Sn, CON 2% DE Sn

(c)2003 Brooks/Cole, a division of Thomson Learning, Inc. Thomson Learning™ is a trademark used herein under

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SOLIDIFICACIÓN Y MICROESTRUCTURA DE UNA ALEACIÓN Pb – Sn, CON 61.9% DE Sn

CRECIMIENTO LAMELAR DE UN EUTÉCTICO DE Pb – Sn

CURVA DE ENFRIAMIENTO DE UNA ALEACIÓN EUTÉCTICA

MICROESTRUCTURAS DE ALEACIÓN HIPOEUTÉCTICA E HIPEREUTÉCTICA DE Pb – Sn

CURVA DE ENFRIAMIENTO DE UNA ALEACIÓN HIPOEUTÉCTICA Pb – 30%Sn

DISTANCIA INTERLAMELAR

EFECTO DE LA VELOCIDAD DE CRECIMIENTO SOBRE LA DISTANCIA INTERLAMELAR

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SOLIDIFICACIÓN DEL SISTEMA EUTÉCTICO EN DESEQUILIBRIO

DIAGRAMAS DE FASE TERNARIOS (c

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DIAGRAMA TERNARIO ISOTÉRMICO

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Punto X: 10% B, 10%C, balance A Punto Y: 10% B, 60% C, balance A Punto Z: 40% B, 40% C, balance A

DIAGRAMA HIERRO - CARBONO

ESTRUCTURA EUTECTOIDE


ENFRIAMIENTO DE ACERO HIPOEUTECTOIDE E HIPEREUTECTOIDE

ESTRUCTURA HIPOEUTECTOIDE E HIPEREUTECTOIDE

HIERROS FUNDIDOS O FUNDICIONES Son aleaciones Fe – C – Si, que comúnmente contienen de 2 a 4%C y de 0.5 a 3%Si y que durante la reacción pasan por la reacción eutéctica.


ESQUEMA DE LOS CINCO TIPOS DE FUNDICIONES


FUNDICIÓN GRIS

principios de solidificación

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