TemaIIIc

Departamento de Ingeniería de Materiales y Fabricación

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SOLIDIFICACIÓN
SOLIDIFICACIÓN DE METALES Y ALEACIONES
ETAPAS:
1. Formación de núcleos estables en el metal fundido→ Nucleación
2. Crecimiento del núcleo hasta dar origen a los cristales
3. Formación de la estructura granular

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Formación de núcleos estables en metales líquidos

La fuerza impulsora de la solidificación
es la disminución de la energía libre del
sistema; por lo tanto el proceso no
ocurre a la temperatura de equilibrio Tf,
sino que es requeridoun cierto grado de
subenfriamiento ΔT = Tf − T1.
Los metales pueden ser enfriados a
temperaturas muy por debajo de sus
puntos de fusión de equilibrio antes de
que comience el cambio de fase

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Dos mecanismos de nucleación de partículas sólidas:
Nucleación homogénea
Nucleación heterogénea
Nucleación Homogénea
Aparece en un líquido fundidocuando el metal por sí mismo proporciona los átomos
para formar los núcleos.
• Consideremos el caso de un metal puro solidificándose.
- El metal líquido por debajo de su Tª de equilibrio de solidificación
- Se crean numerosos núcleos homogéneos por el movimiento lento de los átomos que
se mantienen juntos
- Existe un ΔT elevado grado de subenfriamiento (300 ºC en aceros)
- El núcleo estable seconvierte en cristal si alcanza un tamaño crítico
-Embrión: Aglomeración de átomos menor que el tamaño crítico. Debido a su
inestabilidad, se están formando y redisolviendo constantemente por la agitación de
los átomos.

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Energías involucradas en la nucleación homogénea:
1. Energía libre volumétrica (o global), [ΔGv] liberada por la transformaciónlíquido → sólido
2. Energía libre superficial, [ΔGs] requerida para la formación de nuevas superficies
sólidas de las partículas solidificadas.
Esta energía se opone a la formación de embriones y núcleos pues es la necesaria
para la formación de la superficie de esas partículas.

-← Cambio de energía libre →+

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Cambio de energía libre desuperficie: 4πr2. γ
Energía libre total del
sistema sólido-líquido:

embrión

4
∆GT = π ⋅ r 3 ∆Gv + 4π ⋅ r 2γ
3

núcleo

r*
Radio crítico

Radio de la partícula, r

Cambio de energía libre de
volumen: 4/3 πr3.ΔGv
Donde:
ΔGT = cambio de la energía libre total
r = radio del embrión o núcleo
ΔGv = cambio de la energía libre volumétrica
γ = energía libre superficial específica

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Radio crítico respecto al subenfriamiento

4
∆GT = π ⋅ r 3 ∆Gv + 4π ⋅ r 2γ
3

A mayor grado de subenfriamiento ΔT → mayor ΔGv
ΔGs no variá mucho con la Tª
El tamaño crítico del
principalmente por ΔGv

núcleo

es

determinado

A medida que aumenta el subenfriamiento, decrece el
tamaño crítico del núcleo .
El subenfriamiento máximo para la nucleación
homogénea de metalespuros va de 80 a 332 ºC
Nucleación heterogénea
Es la nucleación que tiene lugar en un líquido sobre la superficie del recipiente que lo contiene,
impurezas insolubles , u otros materiales estructurales que disminuyan la energía libre requerida para
formar un núcleo estable. Este tipo de nucleación es la que aparece en el mundo de la fundición
Industrial.
Para que se produzca la nucleaciónheterogénea, el agente de nucleación Sólido (impureza sólida o
recipiente), debe ser mojado por el líquido.

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Energía superficial es más baja
El cambio de energía libre total para la
formación de un núcleo estable será más
bajo.
Nucleación heterogénea de un sólido sobre un agente de
nucleación: na = agente de nucleación. SL = sólidolíquido. S =...