Ciencia de los materiales

Capítulo

4
Solidificación, imperfecciones cristalinas y diffusion en solidos

4-1

Solidificación de metales
• Los metales se funden para producir piezas de acabados y semiacabados. • 2 etapas de solidificacion
 Nucleación: Nucleos estables en el fundido

Crecimiento de grano: Formacion de una estructura granular

Los gradientes termicos definen la forma de cada grano.
GranosNucleo

Liquido
4-2

Cristales que formaran granos

Límites de granos
Figure 4.2

Formación de Nucleos Estables.
• • Dos mecanismos principales: homogéneos y heterogéneos. Nucleación Homogénea:
 Caso más simple  El metal proporciona por sí mismo los átomos para formar los núcleos  El metal, cuando se enfria en un grado suficiente, se crean numerosos núcleos homogéneos por unmovimiento lento de átomos que se mantienen juntos. Un conglomerado de átomos enlazados entre sí menor que el tamaño crítico se llama embrión.  Si el conglomerado es mayor que el tamaño crítico se llama núcleo.

4-3

Energías Involucradas en la nucleación homogénea.
Cambio de la energía libre volumétrica Gv
•
• •
γ

Energía superficial Gs
Requerida para la formación de partículas solidas ΔGses la energía requerida para crear una superficie solida γ energía libre superficial específica.  s 4 r2 G Entonces
ΔGs es la energía de retardo.

•

Liberada por la transformación de líquido a sólido. ΔGv es el cambio en energía libre entre el líquido y el solido por unidad de volumen del metal. El cambio en energía libre para un núcleo esférico de radio r es:

• •



4 3 r   vr G 3

•

4-4

Energía libre total
•
La energía libre total es dada por

43  rG  G  v 42  r  T 3

Cuando r=r*, d(ΔGT)/dr = 0 + ΔGs

r* V G
Nucleo

2 

ΔGT
ΔG r* r* r

Por encima del radio crítico r*

Debajo del radio crítico r* Energía baja de redisolucion

4-4

Figure 4.4

ΔGv

Baja energía por el crecimiento de cristales

Radio Crítico contraSubenfriamiento
Entre mayor es el grado de subenfriamiento, mayor sera el cambio en el volumen de energía libre ΔG. • ΔGs no cambia significativamente. Como la cantidad de subenfriamiento DT aumenta , el tamaño de núcleo crítico disminuye. • El radio crítico se relaciona con el subenfriamiento por:

r  *  f H T

2T m

r* = radio crítico del nucleo γ = Energía libre de la superficie ΔHf =Calor latente de fusion Δ T = Cantidad de subenfriamiento.

4-6

Nucleacion Homogenea
• La nucleacion ocurre en un liquido sobre la superficie de la estructura del material. Ej:- Impurezas insolubles. • Estas estructuras, llamadas agentes nucleantes, disminuyen la energia libre requerida para formar nucleos Liquido estables.
Solido

θ
Figure 4.6

Agente nucleante

• • •
4-7

Estosagentes tambien disminuyen el tamaño crítico Requiere menor cantidad de subenfriamiento para soldar. Usado excesivamente en las industrias.

Crecimiento de cristales y formacion de la estructura de grano
El crecimiento de cristales y formación de la estructura de grano.

Limites de cristales se forman cuando los cristales se unen en una solidificacion completa. • Los cristales en metalessolidificados se llaman granos. • Los granos se separan por limites de granos. Entre más es el número de sitios de nucleación disponibles, más es el número de granos formados.
El crecimiento del nucleo dentro de los granos forman los límites de grano
4-8

Tipos de granos
• Granos Equiaxiales:
Cristales, de menor tamaño, crecen por igual en todas direcciones  Formado en los sitios de altaconcentración de nucleos.  Ejemplo: la pared fria del molde Molde

•

Granos Columnares:
 Largo y grueso.

 Crecimiento predominantemente en una dirección. Formado en sitios de bajo enfriamiento y con gradiente de temperatura fuerte.  Ejemplo:- Granos lejos de la pared del molde
Granos columnares Granos equiaxiales 4-9 Figure 4.7a

Calidad en las industrias
• En las industrias el...