Solidificación En Metales

SOLIDIFICACIÓN (Capítulos I y II del libro “Ciencia e Ingeniería de Materiales”. Profesor José Antonio Pero-Sanz)


TRANSFORMACIONES POR NUCLEACIÓN Y CRECIMIENTO



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Cluster [pic]


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(velocidad de nucleación) HOMOGÉNEA (JAP, pag. 89)

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(velocidad de nucleación) HETEROGÉNEA (JAP, pag. 89)


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siendo [pic](JAP, pag. 88)[pic] (JAP, pag. 91)

[pic] (JAP, pag. 528)

La temperatura de fusión del aluminio es TE = 660 ºC. Para poder solidificar un aluminio ultrapuro ha sido preciso alcanzar temperaturas inferiores a 475 ºC, debido a la dificultad para formarse, por nucleación homogénea, núcleos de radio r1 que contengan más de 100 átomos. Por nucleaciónheterogénea mediante agentes nucleantes, 100 átomos darían núcleos cuyo radio es igual a 25 r1. ¿Cuál sería en ese caso la temperatura, a partir de la cual, podría solidificar el aluminio?

(Problema nº 10 del Capítulo II)

Solución numérica:

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La temperatura para la cual se podría solidificar todo el aluminio será 660-7,4 ( 652,6 ºC. Esdecir, subenfriamientos del orden de 0,01 TE (JAP, pag 89)



Durante la solidificación de un metal puro resulta casi nula la probabilidad de obtener por nucleación homogénea, a una temperatura T1 < TE, un núcleo de más de 100 átomos, por lo que el subenfriamiento mínimo para nucleación homogénea de los metales puros, es aproximadamente igual a 0,2 TE, en grados Kelvin (siendo TE latemperatura de solidificación del metal). Esos 100 átomos, en cambio por nucleación heterogénea (bastaría un ángulo de contacto de 10º sobre el adecuado agente nucleante) darían un núcleo heterogéneo de radio de curvatura 18 veces mayor al del núcleo homogéneo. Justificar el enfriamiento mínimo necesario para posibilitar una nucleación heterogénea sobre aquel agente nucleante.



(Problema nº 11 delCapítulo II)

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donde r* es el radio crítico en la nucleación homogénea

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Calcular la energía libre asociada al proceso de solidificación del hierro líquido subenfriado a la temperatura de 1450 ºC



Datos

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Solución numérica:


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Para cualquier temperatura

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[pic]Subenfriamiento =86,5 ºC =1536-1450 ºC


Sabiendo que el radio en el proceso de nucleación homogénea viene dado por
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calcular el mismo para la solidificación del hierro líquido puro con un grado de subenfriamiento de 200 ºC.


Datos
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k (constante de Boltzmann)= 1,3807·10-23 J K-1 molécula-1





Solución numérica:


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[pic]Å


[pic][pic]Conclusión: Frente al término ΔGS (positivo), el término ΔGV (negativo) es despreciable. Y esto será tanto más patente cuanto mayor sea ΔT.


E. LIBRE ASOCIADA A LA FORMACION DE UN NUCLEO HOMOGENEO DE TAMAÑO DETERMINADO

Datos para el hierro

Densidad 7,43 g./cm3.
Peso atómico : 55,85.
Calor de fusión : 3658 cal./ átomo-gramo.


|Temperaturade Fusión |Subenfriamiento |E. Libre | |E. Superficial |
|(K) | | | |(cal./cm3 Fe) | |(ergios/cm2) |
|1809,5 | |200 | |53,78742403 | |204 |


|Tamañodel Núcleo | E. Libre (Sup.) | E. Libre (Vol.) | |
|(Angstrom) | | | cal./ núcleo |
|5 |1,53862E-19 |-2,81631E-20 |1,257E-19 |
|10...