SOLIDIFICACIÓN E IMPERFECCIONES EN SÓLIDOS

El uso de los metales puros es limitado y casi siempre presenta interés cuando se pretende aprovechar alguna propiedad específica del metal puro que resulte muy afectada por la presencia de átomos extraños.

Un ejemplo podría presentarlo el cobre, cuya excelente conductividad se ve seriamente mermada con la presencia de átomos de otro elemento.

Generalmente, en aplicaciones industriales es necesario modificar algunas propiedades de los metales puros mediante la formación de aleaciones,

Los efectos de estas adiciones son muy variados, siendo dos los de mayor utilización:

o El incremento de propiedades mecánicas

o y la mejora en la resistencia a corrosión.

SOLIDIFICACIÓN DE METALES

En general la solidificación de un metal o aleación se puede separar en dos etapas:

1) Formación de un núcleo estable en el fundido, también conocido como nucleación.

2) Crecimiento de esos núcleos hasta dar origen a cristales y la formación de una estructura granular.

Nucleación

Los dos mecanismos principales por los cuales tiene lugar la nucleación de partículas sólidas en un metal son:

o la nucleación homogénea (cuando el metal fundido proporciona por si mismo los átomos para formar los núcleos).

o y la nucleación heterogénea.

- La solidificación de un metal o aleación fundido se produce al enfriar el mismo a partir de una determinada temperatura.

- Para que la solidificación en forma cristalina comience, es necesario que la energía cinética de los átomos disminuya lo suficiente (por disminución de su temperatura) como para que las fuerzas de cohesión superen a la vibración atómica y sitúen a los átomos en las posiciones fijas que les corresponden en la red cristalina. Cuando esto ocurre, en el punto de la masa fundida (líquida) donde haya sucedido, se habrá formado la primera agrupación cristalina formada por uno o varios cristales.

Figura 3.1.Esquema de las etapas de solidificación de los metales

- Estas primeras agrupaciones sólidas elementales, formadas por unos pocos cristales, reciben el nombre de embriones, los cuales tienen el peligro de autodestruirse con el calor liberado al formarse debido a la agitación de los átomos.

- Para que esto no ocurra, dicho calor latente emanado por ellas mismas al solidificar, debe ser fácilmente absorbido por el enfriamiento para evitar que vuelva a calentar y fundir la partícula sólida formada. Por esta razón sólo una parte de los embriones formados prevalecerán y seguirán creciendo, mientras que el resto se autodestruirán.

Esta situación de peligro de los embriones tiene un límite, ya que la energía específica liberada por un embrión crece con su tamaño hasta un valor máximo (ver figura 3.2) a partir del cual desciende. Los embriones que alcanzan un tamaño, denominado tamaño crítico y que se representa por rc dejan de estar en peligro de autodestrucción y se convierten en núcleos de cristalización con carácter estable.

A medida que la solidificación progresa, los núcleos aumentan de tamaño hasta que al final de la solidificación de toda la masa líquida, cada núcleo se convierte en un grano.

Figura 3.2. Radio crítico de un núcleo de cobre, frente al grado de subenfriamiento.

Por tanto, el sólido estará constituido por granos, después de haber seguido la evolución representada en la figura 3.1, donde unos embriones crecen hasta hacerse núcleos (a), y estos terminan convirtiéndose en granos (c), pasando por situaciones donde las partículas sólidas eran islas separadas en la masa líquida, a otras donde el resto del líquido por solidificar forma lagunas encerradas entre las zonas sólidas, hasta que termina agotándose al terminar la solidificación.

Nucleación homogénea

Cuando al líquido se le enfría bastante por debajo de la temperatura de solidificación en equilibrio, hay una probabilidad mayor de que los átomos se reúnan para dar lugar a embriones de tamaño superior al crítico. Además hay una mayor diferencia de energía volumétrica entre el líquido y el sólido, la cual reduce el tamaño crítico del núcleo. En definitiva, la nucleación homogénea ocurre cuando el subenfriamiento se hace lo suficientemente grande como para permitir que el embrión exceda el tamaño crítico necesario y no se funda.

Por tanto, en la nucleación homogénea de un metal puro en proceso de solidificación, hay dos tipos de cambios de energía que deben tenerse en cuenta:

1) Energía libre volumétrica o global, liberada por la transformación de líquido a sólido

2) Energía superficial, requerida para formar las nuevas superficies sólidas de las partículas solidificadas.

Cuando un metal líquido puro se enfría lentamente por debajo de su temperatura de solidificación en equilibrio, la energía motriz para la transformación de líquido a sólido es la diferencia entre la energía libre volumétrica Gv del líquido y del sólido. Si Gv es el cambio de energía libre entre el líquido y el sólido por unidad de volumen del metal, entonces el cambio de energía libre para un núcleo esférico de radio r es 4/3r3Gv, ya que el volumen de una esfera es 4/3r3. El cambio en la energía libre volumétrica frente al radio de un embrión o núcleo se muestra esquemáticamente en la figura 3.3 en la curva inferior y es una cantidad negativa, ya que la energía se libera por la transformación de líquido a sólido.

Figura 3.3. Cambio de energía libre G frente al radio del embrión o núcleo originado en la solidificación de un metal puro. Si el radio del embrión es mayor que r*, continuará creciendo un núcleo estable.

GT = 4/3r3 . Gv + 4r2 . 

Donde:

- GT es el cambio total de energía libre

- r es el radio del embrión o núcleo

- Gv es la energía libre volumétrica

-  es la energía libre superficial específica

El tamaño crítico del núcleo se relaciona con el subenfriamiento (T) por la ecuación:

Donde:

- rc es el rádio crítico del núcleo

-  es la energía libre superficial

- Hf es el calor latente de fusión

- T es el subenfriamiento

Nucleación heterogénea

Se denomina de este modo a la nucleación que se produce en un líquido bien sobre las superficies del recipiente que lo contienen, bien sobre alguna impureza insoluble que se encuentre presente, o sobre otras materias estructurales que reduzcan la energía libre crítica requerida para formar un núcleo estable.

Crecimiento de cristales

Después de que los núcleos estables se han formado en un metal en proceso de solidificación, el siguiente paso es que estos núcleos crecen para terminar convirtiéndose en cristales. En cada cristal, los átomos están dispuestos en una ordenación esencialmente regular, pero la orientación de cada cristal varía. Cuando finalmente la solidificación del metal se completa, los cristales se agregan en diferentes orientaciones y forman fronteras cristalinas sobre los que los cambios de orientación tienen lugar en distancias de unos pocos átomos.

Si un material, después de haber solidificado completamente contiene muchos cristales se denomina policristalino. Los cristales en el metal solidificado se denominan granos y las superficies entre ellos bordes de grano.

El número de lugares de nucleación disponibles para el metal de enfriamiento afectará a la estructura granular del metal sólido formado. Si hay pocos puntos de nucleación disponibles durante la solidificación se producirá una estructura vasta de grano grueso. Por el contrario, si hay muchos puntos de nucleación durante la solidificación se formará una estructura de grano fino. Hay que señalar como se verá con posterioridad, que la mayoría de los metales y aleaciones empleados en ingeniería son procesados de manera que presenten una estructura de grano fino, ya que ésta nos ofrece propiedades más uniformes y materiales metálicos más resistentes.

Pero una vez que sabemos que los núcleos crecen para terminar formando los granos que constituyen los metales y aleaciones, debemos detenernos a estudiar los diferentes modos de crecimiento dependiendo del tipo de proceso que se siga durante su fundición.

Cuando un metal relativamente puro es fundido en un molde fijo, normalmente se producen dos tipos de estructuras granulares:

a) Granos Equiaxiales

b) Granos Columnares

- Si la nucleación y las condiciones de crecimiento en el metal líquido durante la solidificación son tales que los cristales pueden crecer por igual en todas las direcciones, entonces los granos formados resultantes serán de tipo equiaxial.

- Por el contrario, cuando el metal solidifica lentamente en presencia de una reducción regular de temperatura (gradiente térmico), y se dispone de pocos núcleos (subenfriamiento pequeño),

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