1. TEMA 7: Formación de la
microestructura
Kudama A. Habib
Universitat Jaume I
Curso 2012-2013

2. Índice
Formación de la microestructura
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

3. Formación de la microestructura
Introducción
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

4. 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)

5. 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
Modelo Modelo en molde de
arena
Fundición completa con la
colada del sistema de llenado
Cavidad en el molde con
el sistema de llenad

6. Proceso de colada

7. Proceso de colada

8. Proceso de colada
Problemas 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

9. Proceso de colada
Problemas habituales
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.
Suministro de metal liquido para compensar la La solidificación se
contracción liquida y de solidificación Colada inicia aquí
Primera solidificación
Rechupe en la superficie y cavidad
interna por la contracción

10. 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

11. Formación de estructuras cristalinas.
Solidificación
Curva de enfriamiento de un metal puro
Velocidad de
enfriamiento
ΔT/Δt
Temperatura
Sobrecalentamiento
Tiempo de
solidificación local
Tiempo de
solidificación total
tiempo

12. Formación de estructuras cristalinas.
Solidificación
Curva de enfriamiento para aleaciones
Velocidad de
enfriamiento
ΔT/Δt Sobrecalentamiento
Temperatura
Tiempo de
solidificación local
Tiempo de
solidificación total
tiempo

13. Formación de estructuras cristalinas.
Solidificación
Proceso de solidificación:
• nucleación
• crecimiento

14. Formación de estructuras cristalinas.
Solidificación
Proceso de solidificación:
• nucleación
• crecimiento
Nucleación: formación de núcleos estables en el
metal fundido. Puede ser homogénea o heterogénea

15. Formación de estructuras cristalinas.
Solidificación
Proceso de solidificación:
• nucleación
• crecimiento
Crecimiento: hasta dar lugar a cristales y la
formación de una estructura granular policristalina
(monocristales)

16. Formación de estructuras cristalinas.
Solidificación
NUCLEACIÓN

17. Formación de estructuras cristalinas.
Solidificación
CRECIMIENTO

18. Formación de estructuras cristalinas.
Solidificación

19. Formación de estructuras cristalinas.
Solidificación
1. Cubrir huecos
2. Completar filas
3. Completar caras
4. Iniciar nueva cara

20. Formación de estructuras cristalinas.
Solidificación
Formación de la microestructura:
nucleación y crecimiento del grano

21. Formación de estructuras cristalinas.
Solidificación

22. Formación de estructuras cristalinas.
Solidificación
Ocurre cuando el metal fundido es enfriado hasta
alcanzar su temperatura de solidificación
Formación de embriones

23. 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

24. Solidificación. Nucleación
Tipos de nucleación:
• nucleación homogénea
• nucleación heterogénea

25. Solidificación. Nucleación
Tipos de nucleación:
• nucleación homogénea
• nucleación heterogénea

26. Solidificación. Nucleación
Metales puros
Embriones del mismo metal
Baja probabilidad de crecimiento de los embriones
(alto subenfriamiento)
Tamaño > tamaño crítico ΔGT < 0

27. Solidificación. Nucleación
ΔH - Entalpía
ΔS - Entropía
T - Temperatura absoluta
ENERGIA LIBRE
ΔG
ΔG = ΔH - T ΔS ΔGs
Si: ΔGl
ΔG > 0: Proc. no espontáneo
Ts
ΔG = 0: Proc. en equilibrio
ΔG < 0: Proc. espontáneo T

28. Solidificación. Nucleación

29. Solidificación. Nucleación
Tipos de nucleación:
• nucleación homogénea
• nucleación heterogénea

30. 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

31. Solidificación. Nucleación

32. Solidificación. Nucleación

33. Solidificación. Crecimiento
Crecimiento de los núcleos al adicionar átomos del
líquido
Formación de granos.
Solidificación

34. Solidificación. Nucleación
Tipos de crecimiento:
• crecimiento planar
• crecimiento dendrítico

35. Solidificación. Crecimiento
Tipos de crecimiento:
• crecimiento planar
• crecimiento dendrítico

36. 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
Sólido Líquido
Temperatura
Tfus
Distancia desde la intercara S-L

37. Solidificación. Nucleación
Tipos de crecimiento:
• crecimiento planar
• crecimiento dendrítico

38. 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)

39. Solidificación. Crecimiento
Sólido Líquido
Temperatura
Tfus
Distancia desde la intercara S-L

40. Solidificación. Crecimiento
Sólido Líquido
Temperatura
Tfus
Líquido
subenfriado
Distancia desde la intercara S-L

41. Solidificación. Crecimiento
Dirección de crecimiento
Líquido
Sólido (dendrita)
ΔHf

42. Solidificación. Crecimiento

43. Solidificación. Crecimiento

44. 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,...

45. 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 grano
Retículo 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.

46. Solidificación de lingotes

47. Solidificación de lingotes

48. 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)

49. Solidificación de lingotes
Zona equiaxial (central)
– fundamentalmente en aleaciones
– debido a la concentración
de soluto en la fase líquida

50. Solidificación de lingotes
Zona equiaxial (central)
– fundamentalmente en aleaciones
– debido a la concentración
de soluto en la fase líquida
BAJA HOMOGENEIDAD

51. Solidificación de piezas
Especificaciones del bloque del motor

52. Solidificación de piezas
Eliminación de las partes sobrantes
Mecanizado
Limpieza
Tratamiento térmico (T6)
Obtención de la pieza final

53. Solidificación de piezas
Construcción del modelo

54. Solidificación de piezas
Elección del método de moldeo

55. Solidificación de piezas
Modelización (elementos finitos)

56. Técnicas de moldeo
Moldeo en arena
– molde: arena compactada
– modelo: madera, metales, porexpán

57. Técnicas de moldeo
Moldeo en coquilla
– molde: metálico (coquilla)
– modelo: mecanizado en el molde

58. Técnicas de moldeo
Moldeo a presión
– molde: metálico
– modelo: mecanizado en el molde

59. Técnicas de moldeo
Moldeo de precisión (microfusión)
– molde: emplaste de material refractario
– modelo: cera o plástico de bajo pto. fusión

60. Técnicas de conformación metálica
Forja
Laminación
HECHURADO Extrusión
Trefilado
Troquelado
MOLDEO
Pulvimetalúrgia
Otras Técnicas Soldadura

61. Técnicas de conformación metálica
Producen grandes cambios en la
microestructura del material
Modificación de las
propiedades mecánicas

62. Técnicas de conformación metálica
Producen grandes cambios en la
microestructura del material
Modificación de las
propiedades mecánicas