Resumen Capitulo 8 Ciencias de Materiales

RESUMEN CAPÍTULO 8
“Principios de endurecimiento por solidificación y procesamiento”
8.1 Introducción
En prácticamente todos los metales y aleaciones, así como en muchos semiconductores, compuestos, cerámicos y polímeros, el material en algún momento de su procesamiento es líquido. El líquido se solidifica al enfriarse por debajo de su temperatura de solidificación. El material puede serutilizado tal y como se solidificó o puede ser procesado posteriormente mediante trabajo mecánico o tratamiento térmico.

La solidificación requiere de dos pasos:
La nucleación ocurre cuando se forma una pequeña porción sólida dentro del líquido.
El crecimiento del núcleo ocurre cuando los átomos del líquido se van uniendo al sólido hasta que se acabe el líquido.

8.2 Nucleación

Es deesperarse que un material se solidifique cuando el líquido se enfrié justo por debajo de su temperatura de fusión o congelamiento, ya que la energía asociada con la estructura cristalina del sólido es en ese momento menor que la energía del líquido. Esta diferencia en energía entre líquido y sólido es el cambio de energía libre de volumen ΔGv; conforme aumenta de tamaño el sólido, ΔGv se hace mayor.Sin embargo, cuando se forma el sólido, se crea una interfase entre este y el resto del líquido.
A esta interfase se le asocia una energía libre de superficie σ, cuanto más grande sea el sólido, mayor será el incremento en energía de superficie.



Donde, es el volumen de un embrión esférico de radio r; es el área de la superficie del mismo, a es la energía libre de superficie y, es elcambio de energía libre de volumen, el cual es negativo.
Cuando el sólido es muy pequeño un crecimiento adicional hace que aumente la energía libre. En vez de crecer, el sólido se vuelve a fundir para reducir la energía libre; entonces, el metal permanece en estado líquido. Este sólido pequeño se conoce como embrión. El líquido está subenfriado ya que está por debajo de la temperatura desolidificación al equilibrio. El subenfriamiento ΔT es la temperatura de solidificación al equilibrio, menos la temperatura real del líquido. Pero cuando el sólido es mayor el crecimiento adicional hace que la energía total del sistema se reduzca, por lo que el sólido formado es estable. La nucleación ocurrió con éxito y ahora se dará el crecimiento de la partícula sólida denominada núcleo.Nucleación homogénea Cuando el líquido se enfría lo suficiente por debajo de la temperatura de solidificación de equilibrio, se combinan dos factores para favorecer la nucleación. Primero, se agrupan los átomos para formar embriones más grandes. Segundo, la mayor diferencia en energía libre de volumen entre el líquido y el sólido reduce el tamaño crítico del núcleo. La nucleación homogénea ocurre cuando elsubenfriamiento es lo suficiente como para causar la formación de un núcleo estable.
El tamaño del radio crítico r* está dado por


Donde , es el calor latente de fusión, es la temperatura de solidificación de equilibrio n Kelvin, y = es el subenfriamiento cuando la temperatura del líquido es T.



El calor latente de fusión representa el calor cedido durante la transformación delíquido a sólido. Conforme se incrementa el subenfriamiento, el radio crítico requerido para la nucleación disminuye.
Nucleación heterogénea A excepción de experimentos fuera de lo común en laboratorios, la nucleación homogénea nunca ocurre en los metales líquidos. En lugar de ello, las impurezas que están en contacto con el líquido, ya sea en suspensión o sobre las paredes del recipiente que locontiene, proveen una superficie sobre la cual se puede formar el sólido.

La nucleación sobre superficies de impurezas se conoce como nucleación heterogénea.

Endurecimiento por tamaño de grano Algunas veces se introducen intencionalmente partículas de impureza en el líquido. Esta práctica se conoce como refinación de grano o inoculación. La refinación de grano o inoculación produce gran...