5.1.- Solidificación. Fuerza impulsora y etapas.

5.2.- Nucleación homogénea.

5.3.- Nucleación heterogénea.

5.4.- Crecimiento planar y dendrítico.

5.5.- Estructuras monocristalinas y policristalinas.

5.6.- Control de las estructuras en la solidificació n.

1.- Solidificación. Fuerza impulsora y etapas

Hasta ahora se ha justificado la estructura cristalina de las diversas familias demateriales, fundamentadas por la naturaleza de sus enlaces atómicos.Igualmente, se analizó la existencia de una serie de propiedades, como son laspropiedades elásticas, el punto de fusión, el coeficiente de dilatación térmica, entreotras, que dependen solamente del elemento y por lo tanto de la estructura cristalina delmaterial. Son las propiedades denominadas insensibles a la estructura .

Sin embargo, existen otras propiedades como el límite elástico, carga de rotura,fluencia, etc. que no pueden ser justificadas, sólo, por la estructura cristalina delmonocristal. Son propiedades sensibles a la estructura porque no sólo dependen dela estructura y composición del cristal, sino de diferencias respecto a la distribuciónideal, que a su vez dependen de la historia de la muestra.Mientras las propiedades insensibles a la estructura mantienen los mismos valores paracualquier muestra de un metal o aleación, las propiedades sensibles a la estructuraestán correlacionadas, para cada muestra en particular, con su carga históricaasociada. Y solo si varias muestras tienen la misma historia podrán alcanzarcaracterísticas sensibles a la estructura del mismo orden.

Los procesos anteriores sufridos por un metal están escritos, en parte, en sumicroestructura, la cual analizamos y sintetizamos a lo largo del AnálisisMicroestructural.

Según aquel estudio una estructura policristalina es un agregado de monocristales deigual o diferentes fases unidas a través de unas fronteras, de constitucióncaracterística, denominadas bordes de grano.

Además, podrían existir precipitados o compuestos, de formas puntuales, lineales osuperficiales, distribuidas bien dentro de los monocristales o a lo largo de los bordes degrano, que pueden caracterizar las propiedades sensibles a la estructura.

La historia de un material se inicia con la obtención de las materias primas y secompleta a lo largo de todo su proceso de elaboración hasta la obtención de las piezaso conjuntos diseñados, útiles para su servicio. Pongamos por ejemplo un materialmetálico cuyo historial se inicia con la preparación de minerales y combustiblesreductores hasta obtener el metal en estado líquido y primeros subproductos tras susolidificación.

Cuando un metal puro en estado líquido sometido aun proceso de enfriamiento alcanza su temperaturade solidificación, se inicia un proceso de formaciónde embriones o núcleos sobre los que vanagregándose átomos, conformando así la estructuracristalina, figura 5.1. La velocidad de formación deembriones o velocidad de nucleación será unavariable importante en el tamaño y la forma de cadaestructura monocristalina. La otra variablefundamental para la definición del grano será lavelocidad de crecimiento del grano. La combinaciónde altas velocidades de nucleación y de crecimientotendrán como consecuencia pequeñas dimensionesde granos. E inversamente, pequeñas velocidadesde nucleación y crecimiento concluyen en grandestamaños de grano. Analizaremos los diferentesmodos de nucleación que pueden darse en lasolidificación de metales.

Podría pensarse que la curva cinética de latemperatura del metal en el enfriamiento essimétrica a la que se describe en un procesode fusión de un metal puro, figura 5.2, con lameseta requerida para recibir el calor latentenecesario para el cambio de estado de sólidoa líquido a la temperatura de fusión Tf. Sinembargo podremos comprobar que esto nosucede así, como consecuencia de la noreversibilidad de los procesos termodinámicosaplicados.La descripción teórica del detalle de formación de embriones está en concordancia con el principio termodinámico citado.

En efecto, a la temperatura de fusión Tf, la diferencia esencial entre el líquido y elsólido está en la energía cinética que anima al líquido, mientras que la energíapotencial de ambos es del mismo orden. Parece lógico admitir que en algúnlugar puede producirse una pequeña agrupación de átomos, núcleoshomogéneos, con la ordenación cristalina. Su transformación en cristal provocainmediatamente un aumento de temperatura por causa de la liberación del calorlatente correspondiente. Con ello se produciría la rotura de la estructuracristalina del embrión que se formó al transformarse esta energía latente enenergía cinética. Así pues, una condición necesaria es que el embrión formadose encuentre a temperatura inferior a la de fusión, lo que se cuantifica con eldenominado grado de subenfriamiento, ∆T.

2.- NUCLEACIÓN HOMOGÉNEA :

3.- NUCLEACIÓN HETEROGÉNEA :

4.- CRECIMIENTO PLANAR Y DENDRÍTICO

MORFOLOGÍA DE LOS GRANOS

MACROESTRUCTURAS DE SOLIDIFICACIÓN EN MOLDE

5.- ESTRUCTURAS MONO Y POLICRISTALINAS. CONTROL DE ESTRUCTURAS EN LA SOLIDIFICACIÓN

DETALLE DE LA FORMACIÓN DE

GRANOS COLUMNARES

RELACIÓN ESTRUCTURA -PROPIEDADES

ESTRUCTURAS DE GRANOS EN

UNIONES SOLDADAS

TÉCNICA DE CZOCHRALSKI

PARA OBTENCIÓN DE

MONOCRISTALES

SOLIDIFICACIÓN RÁPIDA. SINTERIZACIÓN

DEFECTOS PRODUCIDOS DURANTE LA SOLIDIFICACIÓN