Estructuras en la solidificacion

Tema 5
TRANSFORMACIONES DE FASE Y
ESTRUCTURAS EN LA SOLIDIFICACIÓN
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Solidificación
Fuerza impulsora y etapas
Nucleación homogénea
Nucleación heterogénea
Crecimiento planar y dendrítico
Estructuras monocristalinas y policristalinas
Control de estructuras en la solidificación
Procesos de fundición

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INTRODUCCIÓN
Casi todos los metales, aleaciones,semiconductores, cerámicas y polímeros
en algún momento de su procesado han pasado por estado líquido.
Este se solidifica al enfriarse por debajo de su temperatura de
solidificación.
A partir de aquí, puede ser utilizado tal cual solidificó o sometido a algún
otro procesado.
Las estructuras que se generan durante la solidificación marcarán las
propiedades mecánicas e influyen en el procesamientoposterior.
Mediante la solidificación pueden controlarse el tamaño y la forma de los
granos.
Durante la solidificación, el orden atómico puede cambiar de corto a largo
alcance, es decir a estructura cristalina.
Pasos de la solidificación: nucleación y crecimiento.

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Solidificación

Etapas de solidificación
Nucleación => Formación de núcleos/semillas (partículas sólidas) estables enel fundido.
Crecimiento => Hasta la formación de cristales y la formación de una
estructura granular.

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Mecanismos de Nucleación
Formación de núcleos/semillas en sólidos ESTABLES en el medio fundido
(líquido)

Homogénea
Cuando los núcleos se originan
a partir de los propios
constituyentes del fundido,
teniendo generalmente la
misma composición química de
la fase cristalinaprecipitada

Heterogénea
Cuando los cristales se nuclean a partir
de partículas de composición diferente
a la del fundido, tales como impurezas y
burbujas, o sobre interfases
correspondientes a las superficies que
limitan el fundido: paredes del crisol…

• Material Policristalino: sólido con muchos monocristales/granos y límites
de grano => “Estruc. Granular”
• Crecimiento de grano(ordenados regularmente) pero con diferente
orientación
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Materiales sólidos
Policristalinos:
• Estructura granular: granos ordenados atómicamente
Diferente orientación entre granos => Límite de grano
• Grano fino: existen muchos puntos de nucleación y límites de grano.
(Metales y aleaciones con aplicaciones en Ingeniería)
• Grano grueso: existen pocos puntos de nucleación. (Peorespropiedades)
Monocristales:
• Único cristal/grano: disposición atómica perfecta. Celdillas orientadas en
la misma orientación.
• Sólo debe haber un único punto de nucleación. Componentes
electrónicos y microelectrónica (monocristales de silicio, transistores,
semiconductores y algunos tipos de diodos. No deben existir límites de grano
para no afectar las propiedades.

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Nucleación
Unmaterial solidifica cuando el líquido se enfría por debajo de la
temperatura de fusión. La energía de la estructura del sólido es en ese
momento menor que la del líquido.
Conforme aumenta de tamaño el sólido, la energía libre de volumen ΔGV,
que es el gradiente entre la energía del sólido y el líquido, aumenta.
Cuando se forma el sólido, se crea una interfase entre éste y el resto del
líquido. Aesta se le asocia una energía libre superficial σ, que aumenta
cuanto más grande es el sólido.
El cambio total de energía ΔG.

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Comienzo de la nucleación

Embriones

Núcleos

La energía libre total de un
sistema sólido-líquido cambia
según el tamaño del sólido.
El sólido se denomina
embrión si su radio es menor
que el radio crítico.
Se le denomina núcleo si su
radio es mayorque el radio
crítico.

Cuando el sólido es en vez de crecer el sólido se vuelve a fundir.
Este sólido pequeño se llama embrión.
El subenfriamiento Δt es la temperatura de solidificación de equilibrio, menos
la temperatura real del líquido.
Cuando el sólido es >r* el crecimiento adicional hace que la energía total se
reduzca , por lo que el sólido formado es estable. El crecimiento de la...