Solidificacion

4.1

Ciencia y Tecnología de Materiales

APUNTES DE

CIENCIA Y TECNOLOGIA
DE
MATERIALES

Tema 04 Nociones sobre solidificación de cristales

UNIVERSIDAD DE OVIEDO
ESCUELA SUPERIOR DE LA MARINA CIVIL DE GIJON

Nociones sobre solidificación de cristales 4.2

Ricardo García Castañón

INDICE
4

NOCIONES SOBRE SOLIDIFICACIÖN DE CRISTALES ................................. 4.34.1
Solidificación en el equilibrio de un metal, o de un material cristalino en
general.................................................................................................................. 4.3
4.2
Solidificación homogénea y heterogénea. ................................................. 4.6
4.3
Solidificación de materiales que presentan alotropía. ................................4.7
4.4
Importancia del tamaño de grano en las propiedades del material. ........... 4.8
4.5
Medida del tamaño de grano. Preparación de muestras metalográficas ... 4.9
4.6
Solidificación fuera del equilibrio. Solidificación industrial........................ 4.11

4.3

Ciencia y Tecnología de Materiales

4

NOCIONES SOBRE SOLIDIFICACIÖN DE CRISTALES

Como se había comentado, alsolidificar, un material lo puede hacer como
cristal o como vidrio. Los cristales tienen sus átomos ordenados por lo que
energéticamente son mas estables que los vidrios. Esto quiere decir que al solidificar,
cualquier material lo haría como cristal, si pudiese. Esto depende en general de la
complejidad de las redes cristalinas y de la viscosidad del material en estado líquido.
4.1Solidificación en el equilibrio de un metal, o de un material cristalino en general.

Temperatura

Si representamos en un gráfico temperatura - tiempo el paso de un metal desde el
estado líquido al sólido en condiciones ideales y velocidades de enfriamiento muy
lentas, a medida que enfría este, podemos observar tres zonas características
dadas por la línea ABDE de la Fig. 4.1.a.
A
Tª de congelaciónB

D
subenfriamiento

C

E
Tiempo
a

Fig. 4.1. Enfriamiento de un metal: En a se da la curva de enfriamiento para un metal puro, ABDE ideal
y ABCDE real. En b se da el diagrama esquemático de la estructura atómica de un cristal y en c de un
líquido. El área ABCDE del líquido tiene la estructura de un metal.

En el tramo AB, el metal es todo líquido, es decir, es un estadoatómico altamente
desordenado y en movimiento, como se detalla esquemáticamente en la Fig. 2.24. c.
Dentro de las posiciones que ocupan los átomos en su movimiento, existen siempre
algunas pequeñas agrupaciones que están ordenadas según la red cristalina del
sólido (Fig. 4.1.b), como puede ser la ABCDE de la Fig. 4.1.c.
Las pequeñas agrupaciones ordenadas de átomos, llamadas gérmenes, queencontramos en estado líquido, están
continuamente
formándose
y
deshaciéndose, siendo la probabilidad de
encontrarlos mayor a
medida que
r
∆Gv
desciende la temperatura.
∆G s

Cuando llegamos a la temperatura
correspondiente al punto
B, Ta de
solidificación o congelación, algunos de
Fig. 4.2. Germen cristalino en formación, estos gérmenes están en un estado
energético favorable para que apartir de
asimilado a una esfera.
ellos se forme la estructura cristalina sólida.
Una forma de ver esto es asimilarlos a pequeñas esferas de radio r, Fig. 4.2.
Atomos
ordenados

Estas pequeñas esferas aparecen separadas del líquido circundante por una
superficie. Para crear esta superficie se necesita una energía ∆GS, que es función de
la superficie de la esfera:

Nociones sobresolidificación de cristales 4.4

∆GS = f(S) = f (r2)
En la Fig. 4.3 se representa esta energía en función del radio de la esfera. Nótese
que es una energía positiva, puesto que entra en la esfera. Por otra parte esta
energía la aporta el liquido circundante
Por otra parte, los átomos del germen, al ocupar la posición ordenada de la red, más
estable, desprenden la energía ∆GV. Esta energía es...