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Ciencia e Ingeniería de los Materiales
Tema 06. Transformaciones de fase y estructuras en la solidificación.
1. Supón que una masa líquida de níquel es sobre enfriada para provocar una nucleación
homogénea. Utilizando los datos de la Tabla 1, calcula:
a. El radio crítico del núcleo necesario.
b. Cantidad de átomos de níquel en el núcleo.
Datos: asume que el parámetro de red del níquel FCC es 0,356 nm.
Tabla 1. Valores de temperatura de solidificación, calor latente de fusión,
energía superficial y enfriamiento típico de distintos materiales
2. Calcula la fracción de solidificación que ocurre dendríticamente cuando se nuclea el hierro
con:
a. 10°C de subenfriamiento.
b. 100°C de subenfriamiento.
c. Nucleación homogénea.
Datos: calor específico del hierro, c = 5,78 J/(cm³ ·°C).
3. Una esfera de 5 cm de diámetro fabricada mediante moldeo solidifica en 1050 segundos.
Calcula el tiempo que tardará en solidificar una placa de 0,3 cm x 10 cm x 20 cm moldeada en
las mismas condiciones que la esfera. Asume que n = 2.
4. Determina las constantes B y n de la “regla de Chvorinov” a partir de los datos experimentales
presentados en la Tabla 2.
Tabla 2. Dimensiones y tiempo de solidificación para distintos objetos fundidos
Dimensiones del objeto (cm) Tiempo de solidificación (s)
1 x 1 x 6 28,58
2 x 4 x 4 98,30
4 x 4 x 4 155,89
8 x 6 x 5 306,15
5. La figura presenta las distintas curvas de enfriamiento obtenidas experimentalmente en
distintos puntos de un cilindro de aluminio fabricado por moldeo. Determine los tiempos de
solidificación locales y las distancias entre brazos dendríticos secundarios (SDAS) en cada
punto y luego grafique la tensión de rotura frente a profundidad. Las piezas fundidas
normalmente son mecanizadas a posteriori con objeto de obtener las tolerancias geométricas
exigidas en las especificaciones del cliente. En vista del gráfico elaborado anteriormente
¿recomendaría que se arrancara mucho material de la superficie de la pieza fundida durante la
citada operación de acabado?
Datos Aluminio: k = 8 ·10-4
cm/s; m=0,42.
6. Para la curva de enfriamiento de la figura,
determina:
a. La temperatura de vertido.
b. La temperatura de solidificación.
c. El sobrecalentamiento.
d. La velocidad de enfriamiento (antes de la
solidificación).
e. El tiempo de solidificación total.
Si la curva de enfriamiento ha sido obtenida en
el centro del objeto mostrado en la figura,
determina la constante del molde, asumiendo
que n = 2.

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Transformaciones de fase y estructuras en la solidificación: cálculos de tiempo, radio crítico, fracción y constantes

  • 1. Ciencia e Ingeniería de los Materiales Tema 06. Transformaciones de fase y estructuras en la solidificación. 1. Supón que una masa líquida de níquel es sobre enfriada para provocar una nucleación homogénea. Utilizando los datos de la Tabla 1, calcula: a. El radio crítico del núcleo necesario. b. Cantidad de átomos de níquel en el núcleo. Datos: asume que el parámetro de red del níquel FCC es 0,356 nm. Tabla 1. Valores de temperatura de solidificación, calor latente de fusión, energía superficial y enfriamiento típico de distintos materiales 2. Calcula la fracción de solidificación que ocurre dendríticamente cuando se nuclea el hierro con: a. 10°C de subenfriamiento. b. 100°C de subenfriamiento. c. Nucleación homogénea. Datos: calor específico del hierro, c = 5,78 J/(cm³ ·°C). 3. Una esfera de 5 cm de diámetro fabricada mediante moldeo solidifica en 1050 segundos. Calcula el tiempo que tardará en solidificar una placa de 0,3 cm x 10 cm x 20 cm moldeada en las mismas condiciones que la esfera. Asume que n = 2. 4. Determina las constantes B y n de la “regla de Chvorinov” a partir de los datos experimentales presentados en la Tabla 2. Tabla 2. Dimensiones y tiempo de solidificación para distintos objetos fundidos Dimensiones del objeto (cm) Tiempo de solidificación (s) 1 x 1 x 6 28,58 2 x 4 x 4 98,30 4 x 4 x 4 155,89 8 x 6 x 5 306,15
  • 2. 5. La figura presenta las distintas curvas de enfriamiento obtenidas experimentalmente en distintos puntos de un cilindro de aluminio fabricado por moldeo. Determine los tiempos de solidificación locales y las distancias entre brazos dendríticos secundarios (SDAS) en cada punto y luego grafique la tensión de rotura frente a profundidad. Las piezas fundidas normalmente son mecanizadas a posteriori con objeto de obtener las tolerancias geométricas exigidas en las especificaciones del cliente. En vista del gráfico elaborado anteriormente ¿recomendaría que se arrancara mucho material de la superficie de la pieza fundida durante la citada operación de acabado? Datos Aluminio: k = 8 ·10-4 cm/s; m=0,42. 6. Para la curva de enfriamiento de la figura, determina: a. La temperatura de vertido. b. La temperatura de solidificación. c. El sobrecalentamiento. d. La velocidad de enfriamiento (antes de la solidificación). e. El tiempo de solidificación total. Si la curva de enfriamiento ha sido obtenida en el centro del objeto mostrado en la figura, determina la constante del molde, asumiendo que n = 2.