PRINCIPIO DE ENDURECIMIENTO POR SOLIDIFICACIÓN SOLIDIFIC ACIÓN Y PROCESAMIENTO
1. INTR INTROD ODUC UCCI CIÓN ÓN En prácticamente todo los metales y aleaciones, así como en muchos semi conductores, compuestos, cerámicos y polímeros, el material en algún momento de su procesamiento es líquido. El líquido se solidifica al enfria enfriase se por debajo debajo de su temper temperatu atura ra de solidif solidifica icació ción. n. El materi material al pued puede e ser ser util utiliz izad ado o tal tal como como se soli solidi difi fico co pued puede e ser ser proc proces esad ado o posteriormente mediante trabajo mecánico o tratamiento térmico. as estructuras producidas durante durante la solidificación solidificación afectan las propiedades propiedades mecáni mecánicas cas en influy influyen en sobre sobre el tipo tipo de proce procesam samien iento to poster posterior ior.. En part partic icul ular ar,, se pued puede e cont contro rola larr la form forma a y el tama tama!o !o de los los gran granos os mediante solidificación. "urante la solidificación, el arreglo atómico cambia de un orden de corto alcance alcance a un orden de largo alcance, alcance, es decir una estructura estructura cristalina. cristalina. a solidificación requiere de dos pasos# nucleación y crecimiento. a nucleación acurre acurre cuando se forma peque!as porción solida dentro del líquido. El crecimiento del núcleo ocurre cuando los átomos del líquido se $an uniendo al solido hasta que se acabe el líquido.
2. NUCL UCLEACI EACIÓ ÓN
Es de esperarse 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 de los sólidos en ese momento menos que la energía del líquido. Esta diferencia de de energía entre líquido y solido es el cambio de energía libre %delta de g&' conforme aumenta de tama!o el sólido, delta de g se hace mayor. (in embargo, cuando se forma el sólido, se crea una interface entre este y el resto del líquido fig. ).*. + esta interface se le asocia una energía libre de superficie %omega&, cuando más grande sea el sólido, mayor
será el incremento en energía de superficie. Entonces, el cambio total de energía %delta de g&, quese muestra en la figura ). es
-uando el solido es peque!o un crecimiento adicional hace aumentar la energia libre. En $es de crecer, el soliodo se $iuel$e a fundir para reducir la energia libre' entocnes el metal se quedara en estado liquido esque liquido peque!o se conoce como embrion. El liquido esta sub enfriado por debajode la temperatiura de solidificacion al equilibrio. El sub enfriamiento es la temperatura de solidificacion al equilibrio, menos la temperatura real del liquido. ero cuando el solido es mayor que r, el crecimiento adicional hace que la energia total del ssitema se redusca, por lo / el solido formado es estable. a nucleacion ocurrio con é0ito y ahora se dara el crecimiento de la particula solida denominada nucleo.
2.1.
Nucleación hoo!"nea -uando el líquido se enfría lo suficiente por debajo de la temperatura de solidificación de equilibrio, se combinan dos factores para fa$orecer la nucleación. rimero se agrupan los átomos para formar embriones más grandes. (egundo. a mayor diferencia en energía libre de $olumen entre el líquido y el sólido reduce el tama!o crítico del
núcleo.
la
nucleación
homogénea
ocurre
cuando
el
subenfriamiento es lo suficiente como para causar la formación de un núcleo estable.
2.2.
Nucleación he#e$o!"nea + e0cepción de los e0perimentos fuera del común en laboratorios la nucleación heterogénea 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 lo contiene, pro$een una superficie sobre la cual se puede formar solido %fig. 1 )23&. 4oar solido líquido. (olamente necesitan agruparse unos cuantos átomos para producir una partícula solida con el radio de cur$atura requerido para alcanzar este tama!o critico se necesita menos sub enfriamiento por lo que la nucleación empieza con mayor facilidad. a nucleación sobre superficie de impurezas se conoce como nucleación heterogénea.
3. ENDURECIMIENTO POR TAMA%O DE &RANO +lgunas $eces se introducen intencionalmente partículas de impurezas en el líquido. Esta práctica se conoce como refinación de grano o inoculación. (e produce gran número de granos, cada uno de los cuales empieza a crecer a partir de un núcleo. En los metales, cuanto mayor sea el área superficial de los bordes de grano, mayor será el endurecimiento por tama!o de grano.
'.1.
(i)$io
En enfriamientos muy rápidos. udiera no haber tiempo suficiente para que los núcleos se formen y creascan, cuando esto ocurre, la estructura liquida se congela, formándose un sólido amorfo o $ítreo. a estructura cristalina compleja de muchos materiales cerámicos poliméricos, impide la nucleación de una estructura cristalina durante la solidificación, incluso a bajas $elocidades de enfriamiento.
*. CRECIMIENTO
5na $ez formado los núcleos, el crecimiento ocurre conforme los átomos se integran a la superficie del sólido. a naturaleza del crecimiento del solido dependerá de la forma en que se $a e0trayendo el calor latente de fusión. El calor especifico es el calor necesario para cambiar en un grado la temperatura de una unidad de peso de material, el calor especifico deberá ser eliminado primero, ya sea radiación hacia atmosferas circundantes, o por condición atra$ez del molde que continúe el material, hasta que el líquido se enfrié a su temperatura de solidificación antes de que complete la solidificación deberá eliminarse de la interface solido liquido el calor latente de fusión. a manera en la cual se libere o retire este calor determinara el mecanismo de crecimiento de núcleos y la escritura final.
*.1.
C$eciien#o +lana$
-uando un líquido bien inoculado se enfría al equilibrio, la temperatura del líquido es mayor que la temperatura de solidificación, y la temperatura del solido esta en por debajo de esa temperatura. "urante la solidificación, el calor latente de fusión es eliminado por conducción desde la interface solido líquido, atra$ez de
sólido y
hacia los alrededores. -ualquier peque!a protuberancia que empiece a crecer en la interface estará rodeada de líquido con una temperatura mayor a la solidificación %fig. )26&. El crecimiento de la protuberancia se detendrá hasta que el resto de la interface la alcance.
Este
mecanismo
de
crecimiento
se
conoce
como
crecimiento planar y ocurre por el desplazamiento de la interface solido 1 líquido o plana hacia el líquido.
*.2.
C$eciien#o )en)$,#ico -uando la nucleación es débil, el líquido es se subenfria antes de que se forme el sólido %fig )27& bajo estas condiciones una protuberancia solida peque!a, llamada detrítica se forma y crea la interface. -onforme crece la dendrita, el calor latente de fusión pasa al líquido subenfriado, ele$ando su temperatura de solidificación. En los troncos de las dendritas primarias también puedes crecer brazos segundarios y terciarios para acelerar la liberación del calor latente de transformación. El crecimiento detrítico continúa hasta que el líquido sunbenfriado alcanza la temperatura de solidificación. -ualquier líquido restante se solidificara entonces mediante el mecanismo de crecimiento planar. a diferencia entre crecimiento plantar y el dendrítico ocurre debido a las distintas formas de dispar de calor latente. El recipiente o molde debe absorberse el calor en el crecimiento planar mientras que en el crecimiento dendrítico el calor es absorbido por el líquido subenfriado. En los metales puros, el crecimiento dendrítico normalmente representa solo una peque!a fracción del crecimiento total.
"onde c es el calor específico del líquido. El numerador representa el calor que puede absorber el líquido sub enfriado y el calor latente en el denominador representa el calor total qie debe liberarse durante la solidificación. or lo que mayor sub enfriamiento $ariación de 8 mayor crecimiento dendrítico.
-. TIEMPO DE SOLIDIFICACIÓN Y TAMA%O DE DENDRITAS a rapidez a la cual el sólido crece depende de la $elocidad de enfriamiento o de la rapidez de e0tracción de calor. 5na $elocidad de enfriamiento rápida produce una solidificación rápida o tiempo de solidificación cortos. 5tilizando la regla de -49:;<=:9 puede calcularse el tiempo
t rquerido para que una fundición simple se
solidifique completamente#
. EFECTO EN LAS ESTRUCTURAS Y LAS PROPIEDADES El tiempo de solidificación afecta al tama!o de dendritas. =ormalmente el tama!o de la tendría se representa midiendo la distancia entre los brazos dendríticos secundario %fig.)2>& el espaciamientos entre brazos dendríticos, E?"(, se reduce cuando la fundición se solidifica con ma yor rapidez. as redes detríticas más finas y más e0tensas sir$en como un conductor más eficiente del calor latente hacia el líquido subenfriado. El E?"( está relacionado con el tiempo de solidificación por la reacción.
"onde m y / son constantes que dependen de la composición del metal. Esta relación se muestra la figura )2@ para $arias relaciones. Espaciamientos
peque!os
entre
brazos
dendríticos
secundarios
producen mayor resistencia mecánica y mejor ductilidad %fig. )2)&
ara producir espaciamientos entre brazos dendríticos secundarios e0cepcionalmente finos se utiliza un proceso de solidificación rápida' un método común es producir gotas peque!as se solidifican a una gran rapidez. Esta $elocidad d enfriamiento no es suficiente rápida para formar un $idrio metálico, pero si se produce una estructura detrítica fina. -onsolidado cuidadosamente las gotas de solido mediante procesos de metalurgia de pol$os, se pueden obtener propiedades mejoradas del material.
/. Cu$0a )e en$iaien#o odemos resumir nuestro análisis hasta este punto, e0aminando una cur$a de enfriamiento. En el cual se muestra cómo cambia la temperatura de un material con el transcurso el tiempo fig. )2A. el líquido se $ierte en un molde a la temperatura de $acío. a diferencia entre la temperatura de $acío y la temperatura de solidificación es el sobrecalentamiento. El líquido se enfría cuando el molde e0trae su calor específico, hasta que llega a la temperatura de solidificación. a pendiente de la cur$a de enfriamiento antes de que inicie la solidificación es la rapidez de enfriamiento. (i en el metal liquido están presentes núcleos heterogéneos efecti$os, el cambio de estado comienza a la temperatura de solidificación. "ebido a
la generación del calor latente de fusión se produce una meseta de estabilización térmica. El calor latente mantendrá el líquido restante a la temperatura de solidificado, hasta que todo liquido se haya solidificado y no se puede e0traer más calor. En estas condiciones el crecimiento es planar. El tiempo de solidificación total de la fundición es el tiempo requerido
para
eliminar
tanto
el
calor
específico
del
líquido
sobrecalentado como el calor latente de fusión y se mide a partir del momento del $aciado, hasta que se completa la solidificación, este tiempo se determina por la regla de ch$orino$. El tiempo de solidificación local es el requerido para eliminar solo el calor latente de fusión en algún sitio particular de la fundición y se mide a partir del momento en que comienza la solidificación hasta que esta termina.
