5.1.- Solidificacin. Fuerza impulsora y etapas.

5.2.- Nucleacin homognea.

5.3.- Nucleacin heterognea.

5.4.- Crecimiento planar y dendrtico.

5.5.- Estructuras monocristalinas y policristalinas.

5.6.- Control de las estructuras en la solidificacin.

1.- Solidificacin. Fuerza impulsora y etapas

Hasta ahora se ha justificado la estructura cristalina de las diversas familias demateriales, fundamentadas por la naturaleza de sus enlaces atmicos.Igualmente, se analiz la existencia de una serie de propiedades, como son laspropiedades elsticas, el punto de fusin, el coeficiente de dilatacin trmica, entreotras, que dependen solamente del elemento y por lo tanto de la estructura cristalina delmaterial. Son las propiedades denominadas insensibles a la estructura.

Sin embargo, existen otras propiedades como el lmite elstico, carga de rotura,fluencia, etc. que no pueden ser justificadas, slo, por la estructura cristalina delmonocristal. Son propiedades sensibles a la estructura porque no slo dependen dela estructura y composicin del cristal, sino de diferencias respecto a la distribucinideal, que a su vez dependen de la historia de la muestra.Mientras las propiedades insensibles a la estructura mantienen los mismos valores paracualquier muestra de un metal o aleacin, las propiedades sensibles a la estructuraestn correlacionadas, para cada muestra en particular, con su carga histricaasociada. Y solo si varias muestras tienen la misma historia podrn alcanzarcaractersticas sensibles a la estructura del mismo orden.

Los procesos anteriores sufridos por un metal estn escritos, en parte, en sumicroestructura, la cual analizamos y sintetizamos a lo largo del AnlisisMicroestructural.

Segn aquel estudio una estructura policristalina es un agregado de monocristales deigual o diferentes fases unidas a travs de unas fronteras, de constitucincaracterstica, denominadas bordes de grano.

Adems, podran existir precipitados o compuestos, de formas puntuales, lineales osuperficiales, distribuidas bien dentro de los monocristales o a lo largo de los bordes degrano, que pueden caracterizar las propiedades sensibles a la estructura.

La historia de un material se inicia con la obtencin de las materias primas y secompleta a lo largo de todo su proceso de elaboracin hasta la obtencin de las piezaso conjuntos diseados, tiles para su servicio. Pongamos por ejemplo un materialmetlico cuyo historial se inicia con la preparacin de minerales y combustiblesreductores hasta obtener el metal en estado lquido y primeros subproductos tras susolidificacin.

Cuando un metal puro en estado lquido sometido aun proceso de enfriamiento alcanza su temperaturade solidificacin, se inicia un proceso de formacinde embriones o ncleos sobre los que vanagregndose tomos, conformando as la estructuracristalina, figura 5.1. La velocidad de formacin deembriones o velocidad de nucleacin ser unavariable importante en el tamao y la forma de cadaestructura monocristalina. La otra variablefundamental para la definicin del grano ser lavelocidad de crecimiento del grano. La combinacinde altas velocidades de nucleacin y de crecimientotendrn como consecuencia pequeas dimensionesde granos. E inversamente, pequeas velocidadesde nucleacin y crecimiento concluyen en grandestamaos de grano. Analizaremos los diferentesmodos de nucleacin que pueden darse en lasolidificacin de metales.

Podra pensarse que la curva cintica de latemperatura del metal en el enfriamiento essimtrica a la que se describe en un procesode fusin de un metal puro, figura 5.2, con lameseta requerida para recibir el calor latentenecesario para el cambio de estado de slidoa lquido a la temperatura de fusin Tf. Sinembargo podremos comprobar que esto nosucede as, como consecuencia de la noreversibilidad de los procesos termodinmicosaplicados.La descripcin terica del detalle de formacin de embriones est en concordancia con el principio termodinmico citado.

En efecto, a la temperatura de fusin Tf, la diferencia esencial entre el lquido y elslido est en la energa cintica que anima al lquido, mientras que la energapotencial de ambos es del mismo orden. Parece lgico admitir que en algnlugar puede producirse una pequea agrupacin de tomos, ncleoshomogneos, con la ordenacin cristalina. Su transformacin en cristal provocainmediatamente un aumento de temperatura por causa de la liberacin del calorlatente correspondiente. Con ello se producira la rotura de la estructuracristalina del embrin que se form al transformarse esta energa latente enenerga cintica. As pues, una condicin necesaria es que el embrin formadose encuentre a temperatura inferior a la de fusin, lo que se cuantifica con eldenominado grado de subenfriamiento, T.

2.- NUCLEACIN HOMOGNEA :

3.- NUCLEACIN HETEROGNEA :

4.- CRECIMIENTO PLANAR Y DENDRTICO

MORFOLOGA DE LOS GRANOS

MACROESTRUCTURAS DE SOLIDIFICACIN EN MOLDE

5.- ESTRUCTURAS MONO Y POLICRISTALINAS. CONTROL DE ESTRUCTURAS EN LA SOLIDIFICACIN

DETALLE DE LA FORMACIN DE

GRANOS COLUMNARES

RELACIN ESTRUCTURA -PROPIEDADES

ESTRUCTURAS DE GRANOS EN

UNIONES SOLDADAS

TCNICA DE CZOCHRALSKI

PARA OBTENCIN DE

MONOCRISTALES

SOLIDIFICACIN RPIDA. SINTERIZACIN

DEFECTOS PRODUCIDOS DURANTE LA SOLIDIFICACIN