3sv1 - cm - principios de solidificación ii

Upload: angel-vicente

Post on 10-Jul-2015

1.020 views

Category:

Documents


10 download

TRANSCRIPT

de solidificacin

AS

1. KURZ, W. y FISHEK, D.J. Fundamentis of Solidificaron, Trans-Tech, 1998. 2. BRONOWSKI.J. The Ascent of Man, Back Bay Books, 1973, pp. 124-131. 3. LEE, H.W.H. et al. Quantum Confined Electron-Hole States in ZnSe Quantum Dot.s, en Mater. Res. Soc. Symp. Proc., vol. 57 Semiconductor Quantum Dots, 2000. 4. BEALL, G.H. "Glass-Ceramics", en Advances in Ceramics, vol. 18, Commercial Glasses, BOYIJ, D.C. y MACOWELL, J.F., Eds., American Ceramic Society, 1986, pp. 157-173. 5. KINGERY, W.D., BOWEN, H.K. y UHLMANN, D.R. ntroduction to Ceramics, 2a. ed., Wiley, 1976. 6. BROWN, R. "Man-Made Snow", Scienific American, enero de 1992. 7. CHVORINOV, N. Proc. Inst. British Found, 32, 1938-1939, p. 229. 8. VERHOEVEN, J.D. Fundamentis of Physical Metalturgy, Wiley, 1975. 9. DF.GARMO, E.P., BLACK, J.T, y KOSHE, R.A. Materials and Processes in Manujacturing, 8a. ed., Prentice Hall, 1997. 10. SlNGH, J. Optoelectronics: An Introduction to Materials and Devices, 1996. 11. MAHA1AN, S. y SREE HARSHA, K.S. Principies of Growth and Processing of Semiconductors. "McGrawHi, 1999. 12. RAO, M. "A Primer on Lead Free Solder", Chip Scale Review, tflfcr/o-abril de 2000. 13. DEBROY, T, y DAVID, S.A. "Physical Processes in Fusin Welding", Reviews oj Modern Physics, 67(1), 1995, pp. 85-112. 14. DAVID, S.A. y DEBROY, T. "Current Issues and Problems in Welding Science", Science, 257, 19S2, pp. 497-502.

Seccin 8-1 importancia tecnolgica8-1 Proporcione ejemplos de materiales a base de vidrios inorgnicos que se fabriquen por solidificacin. 8-2 Qu significan "procesamiento primario" y "procesamiento secundario"? 8-3 Por qu los materiales cermicos no se preparan por fusin y vacia>Jo?

8-1, pero para un ncleo cbico, y dedu/ca una ecuacin para .v" similar a la ecuacin 8-2. 8-8 Por qu los ncleos que se ven en forma experimental son frecuentemente esferoidales pero con facetas? Por qu son esferoidales y no cubos u otras formas? Explique el significado de cada trmino de la ecuacin 8-2. Suponga que se subenfra nquel lquido hasta que hay nucleacin homognea. Calcule

Seccin 8-2 Nuceacion*-*f-4 Defina los siguientes trminos: nucleacin, embrin, nucleacin heterognea y nucleacin homognea. 8-5 El agua se congela a O C y hierve a 100 C? Explique su respuesta. 8-6 Se funde el h elo a O C? Explique su respuesta. 8-7 Suponga que en lugar de un ncleo esfrico tuviramos un ncleo! en forma de cubo de largo x. Calcule la dimensin c tica x' del cubo necesaria para !a nucleacin. Escri a una ecuacin parecida a la ecuacin

a) el radio crtico del ncleo necesario y b) la cantidad de tomos de nquel en el ncleo. Suponga que el parmetro de red del nquel FCC slido es de 0.356 mu. 8- !1 Suponga que se subenfra hierro lquido hasta que se presenta la nucleacin homognea. Calcule a] el radio crtico del ncleo requerido y b.' la cantidad de tomos de hierro en el ncleo. Suponga que el parmetro de red del hierro BCC slido es de 2.92 .

400

CAK 8 Pi i foDistancia a la superfici (pulg)0.1 0.3 0.5 0.75 1.0Tiempo(3)

32.6 73.5 130.6

225.0 334.9

Determine; a! el tiempo en el que comienza la solidificacin en la superficie y b; el tiempo en el que se espera que solidifique toda la pieza. o) Suponga que el centro de la pieza se solidific en realidad en 720 s. Explique por qu este tiempo puede ser distinto del calculado en la parte (b). /S--36 La figura 8-9(b) muesira una fotografa de una alea cin de aluminio. Estime a} la distancia entre brazos dendrticos secundarios y b) el tiempo de selidii cacin local para esa rea de la pieza.

?jir;t 8-31 Fotomicrografa de dendritas de FeO en un material vitrocermico (450x) (para el problema 8-37). (Cortesa de C.W. Ramsay, Universidad de Missouri, Rolla.} Tiempo de solidificacin(s) 156 282 606 1356

SOAS (era) 0.0176 0.0216 0.0282 0.0374

'ri S La figura 8-32 muestra dendritas en una pancula de polvo de titanio que se ha solidificado rpidamente. Suponiendo que el tamao de las dendritas se relaciona con el tiempo de solidificacin mediante la misma ecuacin que en el aluminio, estime el tiempo de solidificacin de la partcula de polvo.

SrassSSKFigura 8-9 (Repetida para el problema 8-36) (b) Dendritas en una aleacin de aluminio (50x). (De ASM Handbook, vol, 9, Metallography and Microstructure (1985), ASM International, Materials Park, OH 44073-0002.)

8-3 >' La figura 8-31 muestra una fotografa de dendritas de FeO que precipitaron i un viocermico (un lquido subenffiado). Estime la distancia entre brazos dendrticos secundarios. ;>38 Calcule las constantes c y m que relacionan las distancias entre brazos dendnticos secundarios y el tiempo de solidificacin local, graneando los datos siguientes en escala log-log:

hijii.i: i '; Diminutas dendritas expuestas en una partcula de polvo de titanio producida por solidificacin rpida (2200 x) (para el problema 8-39). (De J.D. Ayers y K. Moore, "Formation of Metal Carbide Powder by Spark Machining of Reactive Metals", en Metallurgical Transactions, vol. 15A, junio de 1984, p. 1120.)

ProblemasLa distancia entre brazos dendrticos secundarios en una soldadura de cobre con haz de electrones es 9.5 X I0" 4 cm. Estime el tiempo de solidificacin de la soldadura.

401

lOOO

900 800U

700 600

2pulg

Trace un esquema de una curva de enfriamiento de un metal puro e indique cuidadosamente las diversas regiones. Qu significa el trmino recalescencia? Qu es la meseta trmica? Cul es la diferencia entre los tiempos de solidificacin local y total? En la figura 8-33 se muestra una curva de enfriamiento. Determine: -O :>'.; ;1. >. . ij la temperatura de vaciado, la temperatura de solidificacin, el sobrecalentamiento, la rapidez de enfriamiento justo antes de que comience la solidificacin. el tiempo total de solidificacin, el tiempo local de solidificacin y la probable identidad de! metal. S la curva de enfriamiento se obtuvo al centro de la pieza de la figura, determine !a constante del molde, suponiendo que n 2,

i 1I 400

& 300200 100 O O_L _L _L

2

4 6 8 10 12 14 Tiempo (min)

Figura ?> 34 Curva de enfriamiento (para el problema 8-46). c) el sobrecalentamiento, tj) la velocidad de enfriamiento justo antes de que comience la solidificacin, e> el tiempo total de solidificacin, \] el tiempo local de solidificacin y tj? la probable identidad del meta!. h) Si la curva de enfriamiento se obtuvo al centro de la pieza de la figura, determine la constante del mode, suponiendo que n = 2. 8 4 7 La figura 8-35 muestra las curvas de enfriamiento obtenidas en varios lugares del interior de una pieza colada cilindrica de aluminio. Determine los tiempos locales de solidificacin y el SDAS en cada lugar, y a continuacin haga una grfica de la resistencia a la tensin en funcin de la distancia a la superficie de la pieza. Recomendara usted que la pieza se disee de tal modo que se deba maquinar una cantidad pequea o grande de metal durante el acabado? Explique por qu.

iOOr400U

300 200 12 cm100

800

0.8 cm\J100 200 300 400 500 600 700Tiempo (s) i - . u-'-. Curva de enfriamiento

700 600

N. t

Centro "%

Superficie "Medio radio100 200 300 400 500 600 700 Tiempo (s)F'ijufa l-3'j Curvas de enfriamiento (para el problema 8-47).

pa a el problema 8-45).'. En la figura 8-34 se muestra una curva de enfriamiento. Determine: .p la temperatura de vaciado, H: la temperatura de solidificacin.

402

CAP. 8

Principios de solidificacin

?-48 Calcule el volumen, el dimetro y la altura de la mazarota cilindrica necesaria para evitar el rechupe en una pieza colada de 4 K 10 X 20 putg, si la relacin H/D de la mazarota es 1.5. Seccin 8-7 Estructura de !a pieza colada /8-49 Cules son las propi dades de la macroestructura de un componente vaciado? Explquelo con un diagrama. / 8 50 En los materiales colados por qu a solidificacin s casi siempre comienza en las paredes del molde? y 8-51 Por qu los componen^:es forjados no muestran la estructura del lingote vaqiado? Seccin 8-8 Defectos de solidificacin

h-H

Figura 8-37 Pieza de bloque en escaln (para el problema 8-57).

J 8-52

Qu clase de defecto en una pieza vaciada puede causar una falla catastrfica en componentes como alabes de turbina? Qi precauciones se toman para evitar la porosidad en (as piezas coladas?

'8-58 Una esfera de 4 pulg de dimetro de cobre lquido se deja solidificar y se produce una cavidad esfrica de contraccin en el centro de la pieza. Compare el volumen y el dimetro del rechupe de esa pie/a con el obtenido cuando se deja solidificar una esfera de hierro lquido de 4 pulg de dimetro. Un cubo de 4 pulg de un metal lquido se deja solidificar. En ia pieza colada se observa una cavidad esfrica de contraccin de 1.49 pulg de dimetro. Determine et cambio porcentual de volumen que sucede durante la solidificacin. Se produce una pieza colada de magnesio de 2 X 4 X 6 cm. Despus de enfriar a temperatura ambiente, se encuentra que la pieza pesa 80 g. Determine 3 j el volumen del rechupe en el centro de la pic/a y o; el porcentaje de contraccin que debi haber ocurrido durante la solidificacin. Se produce una pie?.a colada de hierro de 2 X 8 X 10 pulg y, despus de enfriar a temperatura ambiente, se encuentra que pesa 43.9 Ib. Determine 3; el porcentaje de contraccin que debe haber ocurrido durante la solidificacin y b' la cantidad de poros de contraccin en la pie/a, si toda la contraccin se presenta en forma de poros de 0.05 pulg de dimetro. 8-fi2 D ejemplos de materiales que se dilatan a! solidificarse. 8-63 Cmo se puede eliminar o minimizar la porosidad por gases o sopladuras en las aleaciones fundidas? 8-64 En el contexto de la fabricacin de acero inoxidable qu es descarburizacin con argn y oxgeno? '8-65 Se viene magnesio lquido en un molde de 2 X 2 X 24 cm y, como consecuencia de la solidificacin direccional, toda la contraccin por solidificacin sucede a lo largo de la pieza. Determine la longitud de la pie/.a inmediatamente despus de terminar la solidificacin. 8 66 Una fundicin (hierro) lquida tiene una densidad de 7.65 g/cm1. Inmediatamente despus de solidificar, la densidad de la fundicin slida es de 7.7 i g/cni \-

8-53 En general, en comparacin con los componentes preparados con forjado, laminado, extrusin, etc., los productos colados tiendeij a una menor tenacidad a la fractura. Explique por ju puede ser as.

/s. S-54

Qu es una mazarota? Por qu debe solidificar des-' pues de la pieza?

8-55 Calcule el volumen, el dimetro y la altura de la mazarota cilindrica necesaria para evitar la contraccin en una pieza de T X 6 X 6 pulg, s la relacin H/D de la mazarota es .O. 8-56 La figura 8-36 muestr; una mazarota cilindrica adosada a una pieza colad,!. Compare los tiempos de solidificacin para cada parte de la pieza y la mazarota, y determine si sta ser eficiente.

Figura fi-36 Pieza de bloqu en escaln (para el problema 8-56). 8-57 La figura 8-37 muestra una mazarota cilindrica adosada a una pieza. Compa e los tiempos de solidificacin para cada parte de la riieza y la mazarota, y determine si sta ser eficiente

Problemas mine el cambio porcentual de volumen que hay durante la solidificacin. Se expande o se contrae el 1)ierro colado durante la solidificacin? 'e la figura 8-18. determine la solubilidad del hidr;eno en el aluminio lquido justo antes de comenzar solidificacin, cuando la presin parcial del hidr;eno es de 1 atm. Determine la solubilidad del hidrge.10 (en cmVlOO g de Al) a la misma temperatura, si la presin parcial se redujera a 0.01 atm.

403

8-73 Por qu la presin es e! ingrediente clave en el proceso de fundicin a presin? Seccin 8-10 Colada continua y vaciado de lingotes 8-74 Qu es un mineral? 8-75 8-76 Explique en forma breve cmo se fabrica el acero a partir de mineral de hierro, coque y caliza. Explique cmo se usa la chatarra para fabricar aleaciones.

< u

8-77 Qu es un lingote?

1.4

8-78 Por qu la colada continua de aceros y otras aleaciones tienen cada vez ms importancia? 8-79 Cules son algunos de los pasos que siguen del proceso de colada continua?

0.

Lquidog) O

Seccin 8-11 Solidificacin direccionai (DS), crecimiento de mono/cristales y crecimiento epitaxial 8-80 Defina el trmino solidificacin direccional. 8-81 Explique el papel de los pasos de nucleacin y crecimiento en la obtencin de monocristales.

3 "o

400 800 Temperatura (C)

8-82 Por qu se usan obleas de monocristal de silicio en la fabricacin de dispositivos microelectrnicos? 8-83 Qu significa el trmino epitaxia? 8-84 El crecimiento epitxico siempre es a partir de un lquido? Explique por que. 3-8> Qu significan los trminos heteroepitaxia y homoepitaxia? Seccin 8-12 Solidificacin de polmeros y vidrios inorgnicos 8-86 Por qu la mayora de los plsticos contienen regiones amorfas y cristalinas? 8-87 Qu es una esferulita? 8-88 Cmo puede el procesamiento influir sobre la cristalindad de los polmeros? 8-89 Explique por qu los vidrios de silicato tienden a formar vidrios amorfos y, sin embargo, los fundidos metlicos normalmente cristalizan con facilidad.

8 (Repetida para el problema 8-67}. Solubilidad de hidrgeno gaseoso en aluminio, cuando la presin parcial dqH 2 = 1 atm. Se determina la solubilidad del hidrgeno en el aluminio lquido a 715 C y resulta de 1 cmVtOOgdeAl. Si todo este hidrgeno precipitara como burbujas de gas durante la solidificacin y se quedara aprisionado en la pieza vaciada, calcule el porcentaje de volumen del gas en el aluminio slido. ion 8-9 Procesos de vaciado f a b r i c a r componentes Escriba el proceso de moldeo en arena verde. Por qu las piezas vaciadas hechas por fundicin a presin posiblemente sean ms resistentes que las hechas con el proceso vaciadas en arena? Una aleacin se vaca en un molde de arena y en un molde metlico. Cul proceso se espera que resulte en una pieza ms resistente y por qu? Qu es el vaciado al modelo perdido? Cules son las ventajas de ese vaciado? Explique por qu se usa este proceso con frecuencia para vaciar alabes de turbina.

Seccin 8-13 Unin de materiales metlicos 8-90 Defina los trminos latonado y estaado.8-91 Cul es la diferencia entre la soldadura por fusin, el latonado y el estaado? 8-92 Qu es la ?,ona afectada por el calor? 8-S3 Explique por qu, si se usan fuentes de calor de baja intensidad, se puede reducir la resistencia del material en la regin de una soldadura.

Problemas

399

s-i;

Suponga que el nquel slido pudiera nuclear en forma homognea con un subenfriamiento de slo 22 C. Cuntos tomos sera necesario agrupar espontneamente para que esto sucediera? Suponga que el parmetro de red del nquel FCC slido es de 0.356 nm.

8-28 Calcule la fraccin de solidificacin que sucede en forma dendrtica cuando nuclea la plata a) con subenfriamiento de 10 C, b) con subenfriamiento de 100 C y cj en forma homognea. El calor especfico de la plata es de 3.25 J/cm3 C. 8-29 El anlisis de una pieza colada de nquel parece indicar que el 28% del proceso de solidificacin fue en forma dendrtica. Calcule la temperatura a la que sucedi la nucieacion. El calor especfico del nquel es de 4.1 J/cm3 C. Seccin 8-5 Tiempo de solidificacin y tamao de dendrita 8-30 Escriba la regla de Chvorinov y explique el significado de cada trmino. S-31 Un cubo de 2 pulg de lado se solidifica en 4.6 min. Calcule: ai la constante del molde en la regla de Chvorinov y b) el tiempo de solidificacin para una barra de 0.5 pulg X 0.5 pulg X 6 pulg colada bajo las mismas condiciones. Suponga que n = 2.8-3?. Una esfera de 5 cm de dimetro se solidifica en 1050 s.

8-13 Suponga que el hierro slido pudiera nuclear en forma homognea con un subenfriamiento de slo 15 C. Cuntos tomos sera necesario agrupar espontneamente para que esto sucediera? Suponga que el parmetro de red del hierro BCC es de 2.92 .

Calcule la fraccin de solidificacin que sucede en forma dendrtica cuando se nuclea el hierro a) con subenfriamiento de 10 C, b} con subenfriamiento de 100 C y cf en forma homognea. x El calorspecfico del hierro es de 5.78 J/cm 1 * C. ion 8-3 Aplicaciones de ia nucieacion :rolada Explique e! trmino inoculacin. Explique cmo se pueden endurecer las aleaciones de aluminio con pequeas cantidades de titanio y boro agregados. Describa las semejanzas y las diferencias entre los mecanismos de resistencia por tamao de grano y endurecimiento por deformacin. Qu es endurecimiento por segunda fase? Por qu muchos fundidos inorgnicos se solidifican formando materiales amorfos con ms facilidad en comparacin con los materiales metlicos? Qu es un vitrocermico? Cmo se fabrican los vitrocermicos? Qu es un vidrio fotocrmico? 8-22 Qu es un vidrio metlico? Cmo fabrican nieve las mquinas de los centros tursticos para esquiadores? Seqcin 8-4 Mecanismos de crecimiento Cules son los dos pasos que se encuentran en la solidificacin de los metales fundidos? En funcin del tiempo se pueden traslapar entre s? Durante la solidificacin, se deben eliminar el calor especfico del material y el calor latente de fusin. Defina cada uno de esos trminos. Describa bajo qu condiciones se espera que los nilales fundidos sufran solidificacin dendrtica. Describa bajo qu condiciones cabe esperar que los metales fundidos sufran solidificacin con frente plano.

Calcule el tiempo de solidificacin para una placa fundida de 0.3 X 10 X 20 cm colada bajo las mismas condiciones. Suponga que n = 2. 8-33 Determine las constantes B y n en la regla de Chvorinov graneando los datos siguientes en escala log-log:Dimensiones de la pieza (pulg) Tiempo de solidificacin (min)

0.5 x 8 x 122 x 3 x 10

3.48

2.5 cubo1 X 4 X 98.13

15.78 10.17

8-34 Determine as constantes B y /ren la regla de Chvorinov, graneando los datos siguientes en escala log-log:Dimensiones de la pieza (cm) Tiempo de solidificacin (s)

1x1x 2 x 4 X 4x4x 8 x 6 x

6 4 4 5

28.58 98.30 155.89 306.15

Se produjo una pieza de 3 pulg de dimetro. Los tiempos necesarios para que la interfaz slido-lquido alcanzaran distintas profundidades bajo la superficie colada se midieron y se muestran en la siguiente tabla:

r

Vi

LOGARTMICO 3 x 3 CICLOSISJ ' (J

1:

fin ttB i-J..L. .1.

: r

ce? V u> ocb"1

CeI

i

ffi