Solidificacion

TEMA 2. SOLIDIFICACIÓN Y
CRISTALIZACIÓN
SOLIDIFICACIÓN Y CRISTALIZACIÓN
1.- Cambio de fase: solidificación. Curva temperatura-tiempo.
2.- Etapas de la solidificación: nucleación y crecimiento de los núcleos
3.- Nucleación: heterogénea y homogénea. Crecimiento de los núcleos.
4.- Solidificación en moldes. Defectos de las piezas moldeadas.
DEFECTOS PUNTUALES
1.- Defectos de los cristalesreales.
2.- Concentración de equilibrio de vacantes. Movimiento de las vacantes.
3.- Difusión en fase sólida. Leyes de Fick.
DEFECTOS LINEALES
1.- Dislocaciones en cuña y en hélice
2.- Origen de las dislocaciones
3.- Movimiento de las dislocaciones.

SOLIDIFICACIÓN
En prácticamente todos los metales, y en muchos
semiconductores, cerámicos, polímeros y compuestos, el
procesado implica latransformación de estado líquido a
sólido, al reducir la temperatura por debajo de la de
SOLIDIFICACIÓN (Tf,Tm) .
La estructura producida durante la solidificación (forma y
tamaño de partículas) afecta a las propiedades mecánicas
e influye en los tratamientos posteriores para
modificarla.
La solidificación se produce cuando T < Tf y
conlleva una variación de energía ∆Hf, ∆Hs .SOLIDIFICACIÓN
En la solidificación de los materiales cristalinos se pasa de
estado líquido, con orden atómico de corto alcance, a un
estado sólido cristalino, con orden de largo alcance.
Este proceso requiere dos etapas:
NUCLEACIÓN
Formación
(microscópicas) zonas sólidas en el líquido

de

pequeñas

- CRECIMIENTO de los núcleos por aporte de los
átomos del líquido que va transformándose ensólido

CURVA TEMPERATURA-TIEMPO
CURVA IDEAL
Temperatura

La ∆Hf mantiene al
líquido a temperatura
de
solidificación
hasta
hasta que termina

ΔT/ Δt = Velocidad
enfriamiento

Sobrecalentamiento

Tiempo
Solidificación
Local
Tiempo
Solidificación
Total
Tiempo

El subenfriamiento ∆T
se precisa para que la
solidificación
transcurra en un tiempo
finito.

TemperaturaCURVA REAL

Recalescencia
Subenfriamiento (ΔT)

Tiempo

TIEMPO DE SOLIDIFICACIÓN
La velocidad a la cual el crecimiento del sólido ocurre durante la
solidificación, depende de la velocidad de enfriamiento, o la
velocidad de extracción del calor.

Regla de Chvorinov
tS =B (V/A)n

Una velocidad de enfriamiento
rápida produce una rápida
solidificación o un tiempo
corto desolidificación

tS = tiempo de solidificación total
V = volumen del fundido (es función de la masa, por tanto de la cantidad de
calor que debe ser eliminado para la solidificación).
A = área de la superficie del fundido en contacto con el molde (representa
la superficie a través de la cual se extrae el calor fundido).
n , B = constantes del molde (representa las propiedades y temperaturas
inicialesdel metal y del molde).

SOLIDIFICACIÓN:
NUCLEACIÓN Y CRECIMIENTO
Un líquido solidifica cuando
su temperatura se reduce
por
debajo
de
la
temperatura
de
solidificación (Tf), ya que
termodinámicamente
la
energía libre asociada a ka
estructura sólida será menor
que la del líquido
Criterio de espontaneidad termodinámico

La variación de energía libre
asociada debe ser negativa∆G = Gsol – Gliq < 0

NUCLEACIÓN
La variación total de energía libre correspondiente a la
solidificación contempla dos contribuciones:
- un término (relacionado con la formación 3D de un sólido) en
volumen, ΔGV, asociado a la transformación líquido-sólido
-un término en superficie, ∆GS, asociado a la formación de
una interfase (superficie de separación líquido-sólido) entre
el sólido y elresto del líquido, de energía superficial γ.
∆G = ∆GV + ∆GS
Si consideramos la formación de
un núcleo esférico:

V = 4/3πr3

∆G = 4/3πr3∆FV + 4πr2γ

r
sólido

∆G = -4/3πr3∆Hf ∆T/Tf + 4πr2γ
A = 4πr2

líquido

Interfase
sólido-líquido

NUCLEACIÓN:
La NUCLEACIÓN progresa cuando la incorporación de
átomos es favorable termodinámicamente.
Para estimar el tamaño
d
d
( ∆G) =...