Solidificación Aleaciones

ANÁLISIS DE LA SOLIDIFICACIÓN DE
ALEACIONES

ANÁLISIS DE LA SOLIDIFICACIÓN DE ALEACIONES – SOLIDIFICACIÓN DE METALES.

1.Solidificación de Metales.
Corresponde la transformación de fase desde el estado líquido al estado sólido de un metal.
La solidificación es un proceso que ocurre por la nucleación y crecimiento de una nueva fase.
Desde un punto de vista ingenieril, la solidificación esprobablemente la transformación más
importante en el campo de la metalurgia.*
Para llevar a cabo la solidificación se debe disminuir la energía libre del sólido bajo la del
líquido.

Figura 2: Energías libre del metal sólido y líquido
Figura 1: Curva de enfriamiento de una aleación
en función – TERMODINÁMICA.
ANÁLISIS Y CONSTRUCCIÓN DE DIAGRAMAS DE POURBAIX de la temperatura.hipoeutéctica

2. Nucleación.
Corresponde al ordenamiento de un grupo de átomos en el líquido para formar un cristal
(embrión) muy pequeño de sólido.
Sobre TF los embriones son inestables, una pequeña cantidad por debajo de TF deberían ser
estables, pero no lo son. Gran cantidad por debajo de TF son estables.*

2.1. Nucleación Homogénea.
Este tipo de nucleación es aquella que ocurre en todo elvolumen del molde y no ocupa
superficie disponible.
Es muy difícil de conseguir, ya que se necesitan elevados subenfriamientos y líquidos muy
puros.*
El cambio de energía libre asociado al crecimiento del embrión es:

∆ G (r ) = 4 ⋅ π ⋅ r 2 ⋅ γ s − l +

4
⋅ π ⋅ r 3 ⋅ ∆G v
3

(1)

ANÁLISIS DE LA SOLIDIFICACIÓN DE ALEACIONES – SOLIDIFICACIÓN DE METALES.

• En los embriones con tamañoinferior al
radio crítico, su energía libre va
aumentando a medida que éstas crecen.
• En los embriones con tamaño superior al
radio crítico, su energía libre va
disminuyendo a medida que éstas crecen.*
• A mayores ∆T, la fuerza impulsora para la
nucleación aumenta (∆Gv).

Figura 3: Gráfico de las energías libre de
volumen, superficie, y total en función del tamaño
de radio.

El radiocrítico r* viene dado por:*

r* = −

2 ⋅ γ s−l
2 ⋅ γ s−l
=−
∆G v
∆Sf ⋅ ∆T

(2)

Y la barrera energética a superar para la nucleación heterogénea es:*

16⋅ π ⋅ γ3−l
16⋅ π ⋅ γ3−l
s
s
∆G = −
=−
2
2
3⋅ ∆Gv
3⋅ ∆Sf ⋅ ∆T2
*

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(3)

Velocidad de Nucleación.
Se obtiene en forma análoga a la determinación de la densidad de equilibrio devacancias en un
material.
C(r )
 − ∆G(r ) 
*
= exp
 a0 < r < r
C1
 R ⋅T 

(4)

Y al multiplicarla por la frecuencia es:
 − ∆G * 
N ν = ν ⋅ C(r ) ≈ ν ⋅ C1 exp
 R ⋅T 



*

(5)

Una curva típica de nucleación es:
Figura 4: Velocidad de nucleación en función de la
temperatura a la cual solidifica.

La velocidad de nucleación está altamente
influenciada porla tensión superficial s-l, la
difusión, y además por el grado de
subenfriamiento.

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2.2 Nucleación Heterogénea.
La nucleación heterogénea ocurre en las paredes de los moldes y partículas de óxidos u otros
sólidos dispersos en el líquido utilizando su superficie disponible.
Esto implica → menor gasto de energía paracrear superficie.
→ radio crítico del núcleo menor r*.
→ barrera energética a vencer para la nucleación menor ∆G*.
El resultado del balance de tensiones
superficiales es:

∆G sup = A αβ ⋅ γ αβ − π ⋅ R 2 ⋅ ( γ αβ ⋅ cos θ)

(6)

El cambio de energía libre global es:
 2 − 3K + K 3 
∆G (het ) = ∆G (hom) ⋅ 

4


*

*

El radio críitico
heterogénea es:
Figura 5: (a)Disposición de dos núcleos con el mismo radio
crítico, homogéneo y heterogéneo; (b) Gráfico de la relación de
las barreras energéticas a vencer.

R* = −

para

(7 )

nucleación

2 ⋅ γ α −β
*
⋅ sen θ = rαβ ⋅ sen θ
∆G v

(8 )

3. Crecimiento.
Debe haber una transferencia de átomos hacia el líquido y desde el líquido por parte y
hacia el sólido ordenado, respectivamente; obviamente...