2º LABORATORIO DE METALURGIA FÍSICA I

2DO LABORATORIO DE METALURGIA FÍSICA I

TITULO:

SOLIDIFICACIÓN DE UN LINGOTE DE ALUMINIO Y DE UNA ALEACIÓN ALUMINIO-SILICIO

OBJETIVOS:

Estudiar el proceso de solidificación de un lingote y sus estructuras características de las zonas de solidificación.

Estudiar y caracterizar los defectos de solidificación: Segregación, inclusiones, contracción (rechupe).

Evaluar el porcentaje de contracción del lingote en estudio.

FUNDAMENTO TEORICO:

En general, los productos metálicos se originan en una primera etapa en estado líquido, luego del cual se pasa al estado sólido mediante moldes o por colada continua. El proceso de solidificación es determinante para la calidad del producto final, porque si el material queda defectuoso en esta etapa, será muy difícil efectuar las correcciones en el procesamiento posterior.

Si el metal no se encuentra bien líquido, será difícil solidificarlo, ahora, si el metal está bien "licuado" transformarlo en el metal que nosotros conocemos (sólido), va a ser mucho más fácil. El metal no siempre es perfecto como lo vemos, o sea, no siempre es liso, duro, por lo general gris, etc., cuando está en estado líquido es negro y como acabo de decir es líquido, por lo tanto el proceso lleva mucho tiempo.

Solidificación:

Es un proceso físico que consiste en el cambio de estado de la materia de líquido a sólido producido por una disminución en la temperatura. Es el proceso inverso a la fusión. Ejemplo de esto es cuando metes al congelador agua, como la temperatura es muy baja esto hace que se haga hielo, o en pocas palabras se convierta en sólido. En general, los compuestos disminuyen de volumen al solidificarse, aunque no sucede en todos los casos; en el caso del agua aumenta.

Solidificación en Metales:

La solidificación de metales y aleaciones es un importante proceso industrial ya que la mayoría de los metales se funden para moldearlos hasta una forma acabada o semiacabada. En general, la solidificación de un metal o aleación puede dividirse en las siguientes etapas:

Formación de núcleos estables en el fundido (nucleación).

Crecimiento del núcleo hasta dar origen a cristales y la formación de granos y estructura granular.

El aspecto que cada grano adquiere después de la solidificación del metal depende de varios factores, de entre los que son importantes los gradientes térmicos. Los granos denominados equiaxiales, son aquellos en que su crecimiento ha sido igual en todas las direcciones.

Nucleación:

Cada vez que un metal solidifica ocurre sobrecalentamiento. Además si las condiciones durante la solidificación son tales que la nucleación es homogénea los metales líquidos pueden ser enfriados por debajo de sus puntos de solidificación de equilibrio antes de que comience la solidificación.

En la solidificación los átomos en el líquido deben ceder parte de la energía que posee y tomar posiciones características en estado sólido en la estructura cristalina del metal puro.

La diferencia de energía entre el líquido y sólido es el calor latente de fusión. El mecanismo de solidificación de las aleaciones difiere de los metales puros en dos formas:

La solidificación se presenta como una gama de temperatura y no a una temperatura constante.

El proceso de solidificación requiere de una redistribución de los átomos soluto que la disipación del calor latente de fusión.

En los metales comunes de comercio, la nucleación durante la solidificación es casi siempre heterogénea, en este caso el núcleo consistente en una región de fase liquida será producido por dos superficies diferentes mediante la ecuación de tensiones o energías. γGs > γSL + γGL de superficie.

La fase sólida es estable para temperaturas T<Fusión

• La diferencia de energía libre líquido-sólido es la energía libre de volumen, -(4πr^3 3/3) •∆GV

• La diferencia de energía libre al formarse una interface entre el embrión y el líquido es la energía superficial, + (4πr^2)•∆GS

• En total, ∆G= -(4πr^3 3/3)•∆GV + (4πr^2)•∆GS

Comportamientos contrarios de ambos términos.

• Existencia de un valor crítico en el que ∆G presenta un máximo

- Para r < rc el sólido formado (embrión) es aún inestable (∆G aumenta) y el embrión se disuelve para minimizar ∆G.

Subenfriamiento del líquido, ∆T.

- Para r > rc el sólido formado (núcleo) es ya estable (∆G disminuye)

Nucleación homogénea (líquido puro):

Al disminuir la temperatura (T<Tf) coinciden dos factores:

– Un número mayor de átomos se agregan a los embriones (menor agitación térmica)

– El aumento del subenfriamiento del líquido disminuye el valor de rc.

Esto posibilita la nucleación del líquido subenfriado para núcleos aun menores.

Ejemplo: el cobre subenfriado 236ºC por debajo de su Tf = 1085ºC necesita de núcleos con rc = 12.51A, ¡que contengan 696 átomos!

Este tipo de nucleación es altamente improbable en situaciones normales (∆T muy grandes)

Nucleación heterogénea (líquido con impurezas):

Se verifica en situaciones normales (laboratorios, fundiciones, fábricas, etc…)

No se necesita altos grados de subenfriamiento (0.1-10ºC)

Se introducen impurezas (paredes del contenedor, partículas suspendidas en el líquido) para:

a) Disminuir el número de átomos necesarios que formen un núcleo con r>rc

b) Proporcionar superficies adicionales donde se puedan formar los núcleos sólidos.

Tipos particulares de nucleación:

– Sistema sólido vítreo

Ritmos de enfriamiento muy rápidos

Tiempo insuficiente para formar núcleos estables

Congelación del líquido en un sólido desordenado (amorfo o vítreo)

Característico de los polímeros y cerámicas

En los metales se precisan ritmos de enfriamiento 106 ºC/s para obtener vidrios metálicos (p.e., cintas 0.04 mm espesor)

– Refinamiento del tamaño de grano (inoculación)

Inclusión intencionada de partículas en el líquido (ej. 0.03% Ti y 0.01 %B en las aleaciones de Al)

Las impurezas sirven de puntos adicionales sobre los que permitir la nucleación heterogénea. Mayor número de núcleos (granos) y más refinados.

Materiales con mayor resistencia mecánica.

Crecimiento del Núcleo:

1) Una vez formados los núcleos estables, éstos crecen según se van añadiendo a su superficie otros átomos

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