figura 1
¿Que Es La Solidificación?
es el proceso mediante el cual un sólido crece a expensas de un líquido con el que está en
contacto. Involucra los eventos de nucleación y de crecimiento de una nueva fase cuya interfaz sólido-líquido avanza
continuamente, donde en ella se producen cambios bruscos en la estructura de esa intercara.
es un proceso de no-equilibrio muy complicado y prácticamente la termodinámica es inaplicable al lingote o a la pieza producida. La única manera de aplicarla es hacerlo localmente a la interfaz sólido-líquido; pero especificando, que sabemos de la existencia e influencia de interacciones de largo alcance, cuando
suponemos que el proceso se está sucediendo de una manera independiente del sistema como conjunto; más aún,
hacemos consideraciones de que el equilibrio restringido está localizado a una fase metaestable
importancia de la solidificación
El estudio de la solidificación metálica es de vital importancia para los ingenieros metalúrgico y de
materiales, porque peculiaridades como: composición química, la estructura de los granos, y la distribución y el
tamaño de las fases resultantes de la solidificación, notablemente afectan tanto a los tratamientos térmicos que se
les debe aplicar como a las propiedades de servicio obtenidas en los productos solidificados. En estos aspectos se
incluye la soldadura debido a que casi todas las técnicas en ella utilizadas involucra al proceso de solidificación de
las partes soldadas, donde en la mayoría de los casos se producen microestructuras de no-equilibrio.
Estas peculiaridades son el resultado de los siguientes factores y parámetros que controlan tanto la
solidificación en piezas vaciadas como en soldaduras:
(1) La microestructura de solidificación depende de las diferencias en composición entre el líquido y el sólido a
medida que sucede el proceso, donde se considera que hay equilibrio local en la intercara líquido-sólido. En
esta interfaz hay flujo de solutos y/o de solvente que, para el caso de aleaciones se crea un borde de interfase
en cuyo interior se acumula el soluto rechazado. Son fundamentalmente esa acumulación de soluto delante
de la intercara líquido-sólido junto al flujo de calor a través de ella, los verdaderos factores controlantes de
las proporciones de fases y de la distribución de no-equilibrio de ellas durante la solidificación.
(2) La morfología que adquiere la intercara líquido-sólido durante la solidificación es el resultado de la
interacción entre ciertas características de los diagramas de fase y los parámetros de enfriamiento, entre ellos
encontramos: el intervalo de temperaturas de solidificación de las aleaciones bajo consideración, los
coeficientes de difusión de los elementos soluto en el líquido delante de la intercara líquido-sólido, y la
velocidad de enfriamiento.
proceso de solidificación
Cuando el metal líquido llena la cavidad de un molde, sobre las paredes de él se produce la inmediata
solidificación de una delgada capa de metal, que rápidamente incrementa su espesor a medida que se va transfiriendo
calor desde el líquido hacia el molde. Esa primera capa solidificada está constituída por cristales al azar en forma
dendrítica,; a medida que progresa la solidificación, los cristales crecen en
forma dendrítica en dirección perpendicular a la superficie de extracción de calor; también se muestra
la estructura equiaxial central. Todo ello constituye lo que se denomina estructura de lingotes.
fuente de imagen: https://en.wikipedia.org/wiki/Casting_(metalworking)
fuente texto: MT-6312, SOLIDIFICACIÓN, Trimestre Sept.-Dic. 2003.
Profesor Omar Quintero Sayago.
La solidificación es regulada por:
Velocidad de nucleación: cantidad de cristales que se forman por unidad de tiempo.
Velocidad de cristalización: incremento de la longitud de los cristales por unidad de tiempo
El proceso de solidificación consta de dos etapas: nucleación y crecimiento de grano.
Velocidad de nucleación: cantidad de cristales que se forman por unidad de tiempo.
Usando
termodinámica estadística se puede demostrar, que el número n(i) de
agrupaciones de i átomos de la nueva fase en equilibrio en la fase matriz a la
temperatura T, es:
donde:
N es el número total de átomos
dGi es la energía de activación para formar una
agrupación o embrión de i átomos
La
velocidad de nucleación,dN/dt , será la velocidad a la cual los embriones de
tamaño crítico se transforman en núcleos viables. Esto es, la velocidad a la
cual los embriones pasan del tamaño crítico i* al tamaño (i*+1).La frecuencia de átomos que
llegan o dejan al embrión es proporcional al coeficiente de difusión D de
dichos átomos en la matriz:
Q es
la energía de activación para la difusión del átomo (i*+1)
La
velocidad de nucleación, dN/dt , será la velocidad a la cual los embriones de
tamaño crítico se transforman en núcleos viables. Esto es, la velocidad a la
cual los embriones pasan del tamaño crítico i* al tamaño (i*+1).La frecuencia de átomos que
llegan o dejan al embrión es proporcional al coeficiente de difusión D de
dichos átomos en la matriz: Q es la energía de activación para la difusión del átomo (i*+1)
Por
lo tanto, la frecuencia con que los embriones de tamaño crítico i* crecen al
tamaño (i*+ 1), es decir, se transforman en núcleos estables, será proporcional
a n(i*)D . Luego reemplazando:
Luego: (dN/dt) =
Velocidad de cristalización: incremento de la longitud de los cristales por unidad de tiempo
fuente de texto: https://slideplayer.com/slide/10362298/
El proceso de solidificación consta de dos etapas: nucleación y crecimiento de grano.
La Nucleación
se define como el nacimiento de cuerpos sólidos muy pequeños en el seno de una fase fluida homogénea sobresaturada. Se produce como consecuencia de de rápidas fluctuaciones locales a escala molecular en una fase homogénea que se encuentra en estado de equilibrio inestable o situación metaestable. Se distinguen principalmente dos tipos de nucleación:
- la nucleación primaria (homogénea y heterogénea). se da en el seno del fluido (homogénea: es espontánea y requiere la mayor sobresaturación), o bien se ve favorecida por la presencia de partículas sólidas o paredes u otros elementos del cristalizador (heterogénea: catalizada por la presencia de superficies sólidas).
- la nucleación secundaria (por contacto y por esfuerzo cortante). está catalizada por la presencia de cristales macroscópicos en el magma, por lo que para que tenga lugar es necesario que haya existido una cristalización previa, o bien que se siembren cristales con el propósito de inducir este tipo de nucleación.
El Crecimiento Del Cristal
consiste en la incorporación de nuevas moléculas al núcleo ya formado y estable. Cuando aparece un núcleo, éste actúa como un punto de convergencia para las moléculas adyacentes al cristal, de modo que crece en forma de capas sucesivas. Debido a la presencia del cristal, se dice que el crecimiento del cristal es un proceso difusional modificado por la presencia de las superficies sólidas. El crecimiento dendrítico es la forma de solidificación más comun en metales y en otros sistemas que
solidifican con relativamente bajas entropías de solidificación
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