Teoría tema 6 transformaciones de fase y estructuras en la solidificación

1. 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 solidificación.

2. 1.- Solidificación. Fuerza impulsora y etapas

4. Hasta ahora se ha justificado la estructura cristalina de las diversas familias de
materiales, fundamentadas por la naturaleza de sus enlaces atómicos.
Igualmente, se analizó la existencia de una serie de propiedades, como son las
propiedades elásticas, el punto de fusión, el coeficiente de dilatación térmica, entre
otras, que dependen solamente del elemento y por lo tanto de la estructura cristalina del
material. 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 del
monocristal. Son propiedades sensibles a la estructura porque no sólo dependen de
la estructura y composición del cristal, sino de diferencias respecto a la distribución
ideal, que a su vez dependen de la historia de la muestra.
Mientras las propiedades insensibles a la estructura mantienen los mismos valores para
cualquier muestra de un metal o aleación, las propiedades sensibles a la estructura
están correlacionadas, para cada muestra en particular, con su carga histórica
asociada. Y solo si varias muestras tienen la misma historia podrán alcanzar
características sensibles a la estructura del mismo orden.

5. Los procesos anteriores sufridos por un metal están escritos, en parte, en su
microestructura, la cual analizamos y sintetizamos a lo largo del Análisis
Microestructural.
Según aquel estudio una estructura policristalina es un agregado de monocristales de
igual o diferentes fases unidas a través de unas fronteras, de constitución
característica, denominadas bordes de grano.
Además, podrían existir precipitados o compuestos, de formas puntuales, lineales o
superficiales, distribuidas bien dentro de los monocristales o a lo largo de los bordes de
grano, que pueden caracterizar las propiedades sensibles a la estructura.
La historia de un material se inicia con la obtención de las materias primas y se
completa a lo largo de todo su proceso de elaboración hasta la obtención de las piezas
o conjuntos diseñados, útiles para su servicio. Pongamos por ejemplo un material
metálico cuyo historial se inicia con la preparación de minerales y combustibles
reductores hasta obtener el metal en estado líquido y primeros subproductos tras su
solidificación.

6. Cuando un metal puro en estado líquido sometido a
un proceso de enfriamiento alcanza su temperatura
de solidificación, se inicia un proceso de formación
de embriones o núcleos sobre los que van
agregándose átomos, conformando así la estructura
cristalina, figura 5.1. La velocidad de formación de
embriones o velocidad de nucleación será una
variable importante en el tamaño y la forma de cada
estructura monocristalina. La otra variable
fundamental para la definición del grano será la
velocidad de crecimiento del grano. La combinación
de altas velocidades de nucleación y de crecimiento
tendrán como consecuencia pequeñas dimensiones
de granos. E inversamente, pequeñas velocidades
de nucleación y crecimiento concluyen en grandes
tamaños de grano. Analizaremos los diferentes
modos de nucleación que pueden darse en la
solidificación de metales.

7. Podría pensarse que la curva cinética de la
temperatura del metal en el enfriamiento es
simétrica a la que se describe en un proceso
de fusión de un metal puro, figura 5.2, con la
meseta requerida para recibir el calor latente
necesario para el cambio de estado de sólido
a líquido a la temperatura de fusión Tf. Sin
embargo podremos comprobar que esto no
sucede así, como consecuencia de la no
reversibilidad de los procesos termodinámicos
aplicados.
La descripción teórica del detalle de formación
de embriones está en concordancia con el
principio termodinámico citado.

8. En efecto, a la temperatura de fusión Tf, la diferencia esencial entre el líquido y el
sólido está en la energía cinética que anima al líquido, mientras que la energía
potencial de ambos es del mismo orden. Parece lógico admitir que en algún
lugar puede producirse una pequeña agrupación de átomos, núcleos
homogéneos, con la ordenación cristalina. Su transformación en cristal provoca
inmediatamente un aumento de temperatura por causa de la liberación del calor
latente correspondiente. Con ello se produciría la rotura de la estructura
cristalina del embrión que se formó al transformarse esta energía latente en
energía cinética. Así pues, una condición necesaria es que el embrión formado
se encuentre a temperatura inferior a la de fusión, lo que se cuantifica con el
denominado grado de subenfriamiento, ∆T.

23. 2.- NUCLEACIÓN HOMOGÉNEA :

34. 3.- NUCLEACIÓN HETEROGÉNEA :

49. 4.- CRECIMIENTO PLANAR Y DENDRÍTICO

57. MORFOLOGÍA DE LOS GRANOS

60. MACROESTRUCTURAS DE SOLIDIFICACIÓN EN MOLDE

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

67. DETALLE DE LA
FORMACIÓN DE
GRANOS
COLUMNARES

68. RELACIÓN ESTRUCTURA -PROPIEDADES

76. ESTRUCTURAS DE
GRANOS EN
UNIONES
SOLDADAS

77. TÉCNICA DE
CZOCHRALSKI
PARA OBTENCIÓN
DE
MONOCRISTALES

78. SOLIDIFICACIÓN RÁPIDA. SINTERIZACIÓN

79. DEFECTOS PRODUCIDOS DURANTE LA SOLIDIFICACIÓN