solidificacion

Universidad Nacional Experimental “Rafael María Baralt”

Programa de Ingeniería y Tecnología

Proyecto de Ingeniería de Mantenimiento - Mención Mecánica

Asignatura: Ciencia de los Materiales

Las propiedades mecánicas de los materiales pueden controlarse por la adición de defectos puntuales

como átomos sustitucionales e intersticiales. Particularmente en el caso de los metales, los defectos

puntuales distorsionan el arreglo atómico en la red, interfiriendo con el movimiento o deslizamiento

de las dislocaciones. Por tanto, los defectos puntuales hacen que el material se endurezca por

solución sólida.

Además, la introducción de defectos puntuales modifica la composición del material,

influyendo sobre el comportamiento durante la solidificación. Este efecto se analiza mediante el

diagrama de fases al equilibrio, a partir del cual se podrá predecir cómo se solidificará un material

tanto en condiciones de equilibrio como fuera de éste.

Fases y el diagrama de fases de sustancias puras:

Fase: Es un material que tiene las características siguientes:

1. Tiene una misma estructura o arreglo atómico en todo el material

2. Tiene aproximadamente una misma composición y propiedades; y

3. Hay una interfase definida entre una fase y cualquier otra que la rodea o que sea su

vecina.

Por ejemplo, si se encierra un bloque de hielo en una cámara de vacío, el hielo

empezará a fundirse y, además, parte del agua se vaporizará. En estas condiciones, se

tendrán en coexistencia tres fases: H20 sólida, H20 líquida y H20 gaseosa. Cada una de estas

formas del H20 es una fase diferente; cada una tiene un arreglo atómico único, con

propiedades únicas y con un borde o límite bien definido entre ellas. En este caso específico

las fases tienen composiciones idénticas, pero este hecho no es suficiente para llamar a todo

el sistema como una sola fase.

Sistema Químico: Consiste en cualquier combinación de

componentes químicos bajo observación, donde dichos componentes

pueden presentarse en su fase sólida, líquida o gaseosa.

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Regla de Fases: Enunciado que describe el número de variables

(grados de libertad) que deberán ser fijadas para especificar la

temperatura y la composición de una fase.

F= C-P+2

En esta regla de fases, C es el número de componentes, por lo

general elementos o compuestos en el sistema; F es el número de

grados de libertad, es decir, el número de variables por ejemplo

temperatura, presión o composición, que pueden modificarse de

manera independiente, sin cambiar el número de fases en equilibrio; y

P es el número de fases presentes. El valor constante 2 en la ecuación

implica que tanto la temperatura como la presión tienen posibilidades

de cambiar.

** Punto triple: Presión y temperatura a las cuales las tres fases de un

solo material están en equilibrio.

Soluciones y Solubilidad: Cuando se empieza a combinar

materiales distintos, como al agregar elementos de aleación a un

metal, se producen soluciones. El interés es determinar la cantidad de

cada material que se puede producir sin producir una fase adicional.

En otras palabras, la atención se enfocará en la “Solubilidad” de un

material en otro.

Solubilidad: Cantidad de un material que se disolverá completamente

en un segundo material, sin crear una segunda fase. Se pueden

presentar dos tipos de solubilidad:

a) Solubilidad Ilimitada: Condición que se presenta cuando la

cantidad de un material que se disolverá en otro es ilimitada, sin crear

una segunda fase.

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b) Solubilidad Limitada: Condición referente a que sólo se

puede disolver una cantidad máxima de un material soluto en un

material solvente

Condiciones para una Solubilidad Sólida Ilimitada:

Para que una aleación tenga solubilidad sólida ilimitada, deberá

satisfacer ciertas condiciones. Éstas, conocidas como las reglas de

Hume-Rothery, son las siguientes:

1. Factor de tamaño: Los átomos deben ser de tamaño similar, con no

más del 15 por ciento de diferencia en su radio atómico, a fin de

minimizar deformaciones en la red.

2. Estructura cristalina: Los materiales deberán tener una misma

estructura cristalina; de lo contrario, existirá algún punto en el cual

ocurrirá la transición de una fase a otra con estructura distinta.

3. Valencia: Los átomos deberán tener la misma valencia; de lo

contrarío, la diferencia de electrones de valencia alentará la

formación de compuestos, en vez de la formación de soluciones.

4. Electronegatividad: los átomos deben tener aproximadamente la

misma electronegatidad. Si las electronegatividades difieren de

manera significativa, de nuevo se forman compuestos, como

cuando se combina sodio y cloro para formar cloruro de sodio.

Las condiciones de Hume-Rothery deben cumplirse, pero no son

necesariamente suficientes para que dos metales tengan solubilidad

sólida ilimitada. Un comportamiento similar se observa entre ciertos

compuestos, incluyendo materiales cerámicos.

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La figura, muestra de manera esquemática la estructura del MgQ

y del NiO. Pero los iones de Mg y de Ni son similares en tamaño y

valencia y, en consecuencia, pueden remplazar uno al otro en una red

similar a la del cloruro de sodio, formando una serie completa de

soluciones sólidas de la forma (Mg, Ni)O.

La solubilidad de los átomos intersticiales siempre es limitada.

Los átomos intersticiales son mucho más pequeños que los átomos

del elemento huésped, violando por lo tanto la primera de las

condiciones de Hume-Rothery.

Endurecimiento por solución sólida: Es el aumento de la

resistencia de una material introduciendo defectos puntuales en su

estructura, de una forma deliberada y controlada. Por ejemplo, en el

sistema cobre-níquel, si se introduce intencionalmente un átomo

sustitucional (níquel) en la red original (cobre), la aleación cobre-níquel

resultante tiene una resistencia más elevada que la del cobre puro. De

manera similar, si se agrega al cobre menos de 30 por ciento de Zn,

éste se comporta como átomo sustitucional, endureciendo la aleación

cobre-zinc, en comparación con el cobre puro.

Grado de endurecimiento por solución sólida

El grado de endurecimiento por solución sólida se incrementa

cuando:

a) Aumenta la cantidad de elementos aleantes

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b) Aumenta la diferencia del tamaño atómico entre el material

huésped (solvente) y el elemento aleante (soluto). Una diferencia

mayor en tamaño produce una mayor distorsión de la red inicial,

haciendo aún más difícil el deslizamiento.

La cantidad de elemento aleante que se puede agregar para

producir un endurecimiento por solución sólida está limitada por la

solubilidad de ese elemento en el material huésped.

Efecto del endurecimiento por solución sólida en las propiedades: Los efectos del endurecimiento por solución sólida en

las propiedades de un material son los siguientes:

1. El esfuerzo de cedencia, la resistencia a la tensión y la dureza de

la aleación son mayores que en los materiales puros.

2. Generalmente la ductilidad y la conductividad eléctrica de la

aleación serán menor que la del material puro. (Sólo en casos

raros, como en aleaciones cobre-zinc, el endurecimiento por

solución sólida incrementa tanto resistencia como ductilidad,

además no se recomienda el endurecimiento por solución sólida de

alambres de aluminio o de cobre utilizados para la transmisión de

la energía eléctrica)

3. Proporciona a la aleación buenas propiedades a altas

temperaturas.

Nota: la adición de elementos aleantes para proporcionar

endurecimiento por solución sólida cambia las propiedades físicas,

incluyendo la temperatura de fusión. El diagrama de fases ayuda a

explicar estos cambios.

Diagrama de Fases

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Es un esquema que muestra las fases y sus composiciones en

cada combinación de temperatura y composición de la aleación.

Cuando en la aleación sólo están presentes dos elementos o

componentes, el diagrama fases recibe el nombre de “Diagrama de fases binario”.

Si el diagrama de fases binario muestra una única fase sólida y

los componentes del sistema presentan solubilidad ilimitada, el

diagrama recibe el nombre de “Diagrama de fases binario Isomorfo”.

Por otra parte, en todos los diagramas de fases se presentan las

siguientes características:

1. Sirven para conocer en todo momento el estado de la

aleación partiendo de la temperatura y composición.

2. Se construyen a partir de las curvas de enfriamiento.

3. Suministran información acerca:

Las fases presentes a una determinada temperatura.

Composición de cada fase.

Cantidad relativa de fases existentes en el campo bifásico.

Información que se puede obtener del diagrama de fases isomorfo

1. Temperatura de Liquidus: Es la temperatura a la cual

se empieza a formar el primer sólido durante el proceso de

solidificación.

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2. Temperatura de Solidus: Es la temperatura por

debajo de la cual todo el líquido se ha solidificado totalmente.

3. Rango de Solidificación: Es cuando se funden y se

solidifican los componentes de una aleación dentro de un rango de

temperatura. Dentro de este rango coexistirán dos fases.

4. Fases presentes

5. Composición de cada fase: Cada fase tiene una

composición expresada en porcentaje en peso (% en peso).

Cuando en la aleación esta presente una sola fase, su

composición es igual a la de la aleación, y si se modifica la

composición original de la aleación se modifica entonces la

composición de la fase.

Sin embargo, cuando coexisten dos fases como liquido y sólido,

sus composiciones diferirán entre si como de la composición general

original. Si esta cambia ligeramente, la composición de las dos fases

no se afectará, siempre que la temperatura se conserve constante.

Esta diferencia queda explicada por la regla de fases de Gibbs.

6. Cantidad de cada fase

SOLUCIÓN SÓLIDA

Es una aleación de dos o más metales o un metal (es) y un no

metal (es) que se encuentran en mezcla atómica de una sola fase.

Solidificación: Proceso físico mediante el cual un material

líquido pasa al estado sólido.

Este proceso puede dividirse en las siguientes etapas:

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Formación de núcleos estables en el fundido (nucleación)

Crecimiento del núcleo hasta dar origen a los cristales y la

formación de una estructura granular.

NUCLEACIÓN Y CRECIMIENTO

Nucleación: Es el proceso físico mediante el cual se produce

una nueva fase. En el caso de la solidificación, significa la

formación de un sólido minúsculo y estable dentro del líquido.

Núcleos: Son pequeñas partículas de una nueva fase formada por un

cambio de fase (por ejemplo solidificación) que pueden crecer hasta

que se complete el cambio de fase.

FORMACIÓN DE NÚCLEOS ESTABLES EN METALES LÍQUIDOS

Los dos mecanismos principales por los que acontece la

nucleación de partículas sólidas en un metal líquido son: Nucleación

Homogénea y Nucleación Heterogénea

Nucleación Homogénea: Se presenta cuando se produce la

formación de regiones muy pequeñas de una nueva fase sólida

(núcleos) en un metal puro que pueden crecer hasta que la

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solidificación se completa. El propio metal puro homogéneo

proporciona los átomos que constituyen los núcleos.

Por otra parte es necesario destacar, que cuando se enfría un

metal líquido, este lo realiza por debajo de la temperatura de

solidificación al equilibrio, antes que ocurra la Nucleación

(temperatura de subenfriamiento) creando numerosos núcleos

homogéneos, debido al movimiento lento de los átomos que se

mantienen juntos.

Además para que un núcleo estable pueda transformarse en un

cristal debe alcanzar un tamaño crítico.

Embriones: Pequeñas partículas de una nueva fase formada por un

cambio de fase (por ejemplo, solidificación) que no presentan

tamaño crítico y pueden redisolverse.

Sin embargo, debido a la inestabilidad; los embriones se están

formando y redisolviendo constantemente en el metal fundido debido a

la agitación de los átomos.

Nucleación Heterogénea: Es la formación de regiones muy

pequeñas de una nueva fase sólida (núcleos) en la interfase de

impurezas sólidas. Estas impurezas disminuyen el tamaño crítico de

los núcleos sólidos estables a una temperatura dada.

Crecimiento: Es el proceso físico mediante el cual una nueva

fase incrementa su tamaño. En el caso de la solidificación,

significa la formación de un sólido estable conforme se

solidifica el sólido.

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Dendrita

Estructura arboriforme del sólido que crece cuando se nuclea un

líquido subenfriado.

Solidificación fuera de equilibrio y Segregación

1. Segregación: Es la composición no uniforme producida por la

solidificación fuera de equilibrio.

1.1 Microsegregación: Es la presencia de diferencias de concentración

en un material en distancias cortas debido a la solidificación fuera

de equilibrio. Es conocida también como segregación

interdendrítica o segregación central, debido a que ocurre a

menudo entre los brazos dendríticos, pues los centros de las

dendritas, que representan el primer sólido, son ricos en el

elemento con el mayor punto de fusión dentro de la aleación. Las

regiones interdendríticas son ricas en el elemento con el menor

punto de fusión, ya que estas regiones representan el último

líquido que se solidifica. Como consecuencia la composición y las

propiedades de α son distintas de una región a la siguiente y,

dando como resultado que la fundición tenga propiedades más

pobres

1.1.1 Fusión de Microsegregación: Derretimiento del material fuera

de equilibrio y de menor punto de fusión que se forma debido a

la microsegregación, aunque la temperatura esté por debajo de

la temperatura de sólidus en equilibrio.

1.1.2 Macrosegregación: Es la presencia de diferencias de

composición en un material a lo largo de distancias grandes

debido a solidificación fuera de equilibrio.

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Endurecimiento por dispersión durante la Solidificación

1. Endurecimiento por Dispersión: Es el incremento de la

resistencia del material al mezclar más de una fase. Mediante el

control apropiado del tamaño, forma, cantidad y propiedades

individuales de las fases, se puede obtener una excelente

combinación de propiedades.

1.1 Principio de Endurecimiento por Dispersión:

Matriz: Es una fase continua, que por lo general se encuentra en

mayor cantidad y se precipita en una segunda fase a partir de ella.

Típicamente, el primer material sólido que se forma durante el

enfriamiento de una aleación.

Precipitado: Fase sólida presente por lo general en menor

cantidad, que se forma a partir de la matriz original cuando se

excede el límite de solubilidad. En la mayoría de los casos, se

pretende controlar la formación del precipitado para producir un

endurecimiento óptimo por dispersión.

En algunos casos se forman dos fases simultáneamente. Estas

estructuras se definen de manera distinta, a la mezcla íntima de las

fases se le denomina microconstituyente.

Existen ciertas consideraciones de tipo general para determinar la

forma en que las características de matriz y precipitado afectan las

propiedades generales de una aleación metálica.

1. La matriz deberá ser blanda y dúctil y el precipitado debe ser duro

y resistente. El precipitado interfiere con el deslizamiento de las

dislocaciones, en tanto que la matriz proporciona por lo menos

cierta ductilidad a la aleación.

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2. El precipitado duro debe ser discontinuo, en tanto que la matriz,

blanda y dúctil debe ser continua. Si el precipitado fuera continuo,

se propagarían grietas a lo largo de toda la estructura. Sin

embargo, las grietas en el precipitado discontinuo y frágil son

retenidas en la interfase precipitado-matriz.

3. Las partículas de precipitado deben ser pequeñas y numerosas,

incrementando la posibilidad de que interfieran en el proceso de

deslizamiento.

4. Las partículas de precipitado deben ser redondas en vez de forma

puntiaguda o de aguja ya que la forma redonda es menos

propensa a iniciar grietas o actuar como muesca.

5. Grandes cantidades de precipitado incrementan la resistencia de la

aleación.

También se producen materiales de dos fases por razones

distintas al endurecimiento; estos casos pudieran no ser aplicables los

criterios arriba citados. Por ejemplo, la tenacidad a la fractura de los

materiales puede mejorarse al introducir una fase dispersa. Si se

incorpora una fase dúctil a una matriz cerámica, o una fase de caucho

a un polímero termoestable, se mejora la tenacidad; la formación de

una densa red de precipitados en forma de aguja en al aleaciones de

titanio ayuda a impedir el crecimiento de grietas. La producción de

glóbulos plomo muy blandos dentro del cobre mejora su

maquinabilidad.

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El precipitado deberá ser duro y discontinuo

Las partículas de precipitado deberán ser pequeñas y numerosas

Las partículas del precipitado deberán ser redondas en vez de forma puntiagudas o en forma de aguja

A mayor cantidad de precipitado mayor endurecimiento

Compuestos Intermetálicos

1. Compuesto Intermetálico: Es una clase de compuesto

constituido por dos o más metales, produciendo una nueva fase

con composición, estructura y propiedades únicas. Los

compuestos intermetálicos son usualmente duros pero frágiles, y

se introducen como precipitado. La estructura con matriz con base

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en compuestos intermetálicos se han introducido para aprovechar

sus propiedades a altas temperaturas.

1.1 Compuesto Intermetálico Estequiométrico: Fase formada por la

combinación de dos constituyentes en un compuesto, con una

estructura y propiedades distintas a cualquiera de ellos. El

compuesto intermetálico estequiométrico tiene una proporción fija

de constituyentes. También se conoce como una solución sólida

intermedia.

Un ejemplo de estos compuestos, se presenta en los aceros que

se endurecen debido a un compuesto estequiométrico, Fe3C, que tiene

una relación fija de 3 átomos de hierro a un átomo de carbono.

1.2 Compuesto Intermetálico no Estequiométrico: Fase formada

por la combinación de dos constituyentes en un compuesto con

estructura y propiedades distintas de cualquiera de ellos. El

compuesto intermetálico no estequiométrico tiene una proporción

variable de constituyentes.

Los compuestos intermetálicos se utilizan con ventaja al

dispersarlos en una matriz más blanda y dúctil. Sin embargo, existe un

interés considerable en el uso de intermetálicos por sí mismos,

aprovechando su alto punto de fusión, su rigidez, y su resistencia a la

oxidación y a la termofluencia. Estos nuevos materiales, que incluyen

el Ti3Al y el Ni3A1, mantienen su resistencia e incluso desarrollan una

ductilidad que es aprovechable a temperaturas elevadas.

Los aluminuros de titanio, TiAl, también conocida como aleación

gama (γ), y el Ti3Al llamado aleación α2, son compuestos

intermetálicos no estequiométricos, que sirven para una diversidad de

aplicaciones, como motores de turbinas a gas o el avión aeroespacial.

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Ambas sustancias tienen estructuras cristalinas ordenadas, las cuales

dificultan el movimiento de las dislocaciones, dando como resultado

baja ductilidad a bajas temperaturas; pero también ocasiona una alta

energía de activación para la difusión, dando una buena resistencia a

la termofluencia a altas temperaturas.

Diagramas de fases con reacciones de tres fases

Muchas combinaciones de dos elementos producen diagramas

de fases más complicados que los sistemas isomorfos. Estos sistemas

contienen reacciones que implican tres fases independientes. En la

Tabla que se muestra, aparecen definidos cinco de ellos.

Eutéctica

Peritéctica

Monoeutéctica

Eutetoide

Peritectoide

Cada una de las reacciones puede ser identificada en un

diagrama de fases complejo mediante el procedimiento siguiente:

1. Localice una línea horizontal en el diagrama de fases. La línea

horizontal que indica la presencia de una reacción de tres fases

representa la temperatura a la cual ocurre la reacción en

condiciones de equilibrio.

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2. Localice tres puntos distintos en la línea horizontal: los dos

extremos, más un tercer punto, a menudo cerca del centro de la

línea horizontal. El punto central representa la composición a la

cual ocurre la reacción de tres fases.

3. Busque directamente por encima del punto central e identifique la

fase o fases presentes, busque inmediatamente por debajo del

punto central e identifique la fase o fases presentes.

A continuación escriba, en forma de reacción, la fase o fases por

encima del punto central que se transforman en la fase o fases por

debajo del punto. Compare esta reacción con las de la tabla anterior

para identificarla.

Las reacciones eutéctica, peritéctica y monotéctica forman parte

del proceso de solidificación. Las aleaciones que se utilizan para

fundición o soldadura a menudo aprovechan el bajo punto de fusión de

la reacción eutéctica. El diagrama de fases de las aleaciones

monotécticas tiene un domo o zona de miscibilidad, en donde

coexisten dos fases líquidas. En el sistema cobre-plomo, la reacción

monotéctica produce minúsculos glóbulos de plomo disperso, que me-

joran la capacidad de maquinado de la aleación de cobre. Las

reacciones peritécticas conducen a la solidificación fuera de equilibrio

y a la segregación.

Las reacciones eutectoide y peritectoide son reacciones

exclusivas al estado sólido. La reacción eutectoide forma la base del

tratamiento térmico de varios sistemas de aleaciones incluyendo el

acero. La reacción peritectoide es extremadamente lenta, produciendo

en las aleaciones estructuras fuera de equilibrio no deseables.

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