principio de endurecimiento por solidificación y procesamiento

8/16/2019 PRINCIPIO de Endurecimiento Por Solidificación y Procesamiento

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PRINCIPIO DE ENDURECIMIENTO POR SOLIDIFICACIÓN Y PROCESAMIENTO

1. INTRODUCCIÓNEn prácticamente todo los metales y aleaciones, así como en muchos

semi conductores, compuestos, cerámicos y polímeros, el material en

algún momento de su procesamiento es líquido. El líquido se solidifica al

enfriase por debajo de su temperatura de solidificación. El material

puede ser utilizado tal como se solidifico puede ser procesado

posteriormente mediante trabajo mecánico o tratamiento térmico. as

estructuras producidas durante la solidificación afectan las propiedades

mecánicas en influyen sobre el tipo de procesamiento posterior. En

particular, se puede controlar la forma y el tama!o de los granos

mediante solidificación."urante la solidificación, el arreglo atómico cambia de un orden de corto

alcance a un orden de largo alcance, es decir una estructura cristalina.

a solidificación requiere de dos pasos# nucleación y crecimiento. a

nucleación acurre cuando se forma peque!as porción solida dentro del

líquido. El crecimiento del núcleo ocurre cuando los átomos del líquido

se $an uniendo al solido hasta que se acabe el líquido.2. NUCLEACIÓN

Es de esperarse que un material se solidifique cuando el líquido se

enfrié justo por debajo de su temperatura de fusión o congelamiento, ya

que la energía asociada con la estructura cristalina de los sólidos en ese

momento menos que la energía del líquido. Esta diferencia de energía

entre líquido y solido es el cambio de energía libre %delta de g&' conforme

aumenta de tama!o el sólido, delta de g se hace mayor.(in embargo, cuando se forma el sólido, se crea una interface entre este

y el resto del líquido fig. ).*. + esta interface se le asocia una energía

libre de superficie %omega&, cuando más grande sea el sólido, mayor


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será el incremento en energía de superficie. Entonces, el cambio total

de energía %delta de g&, quese muestra en la figura ). es

-uando el solido es peque!o un crecimiento adicional hace aumentar la

energia libre. En $es de crecer, el soliodo se $iuel$e a fundir para reducir

la energia libre' entocnes el metal se quedara en estado liquido esque

liquido peque!o se conoce como embrion. El liquido esta sub enfriado

por debajode la temperatiura de solidificacion al equilibrio. El sub

enfriamiento es la temperatura de solidificacion al equilibrio, menos la

temperatura real del liquido.ero cuando el solido es mayor que r, el crecimiento adicional hace que

la energia total del ssitema se redusca, por lo / el solido formado es

estable. a nucleacion ocurrio con é0ito y ahora se dara el crecimiento

de la particula solida denominada nucleo.


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2.1. Nucleación hoo!"nea-uando el líquido se enfría lo suficiente por debajo de la temperatura

de solidificación de equilibrio, se combinan dos factores para

fa$orecer la nucleación. rimero se agrupan los átomos para formar

embriones más grandes. (egundo. a mayor diferencia en energía

libre de $olumen entre el líquido y el sólido reduce el tama!o crítico

del núcleo. la nucleación homogénea ocurre cuando el

subenfriamiento es lo suficiente como para causar la formación de un

núcleo estable.


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2.2. Nucleación he#e$o!"nea + e0cepción de los e0perimentos fuera del común en laboratorios la

nucleación heterogénea nunca ocurre en los metales líquidos. En

lugar de ello las impurezas que están en contacto con el líquido, ya

sea en suspensión o sobre las paredes del recipiente que lo

contiene, pro$een una superficie sobre la cual se puede formar solido

%fig. 1 )23&. 4oar solido líquido. (olamente necesitan agruparse unos

cuantos átomos para producir una partícula solida con el radio de

cur$atura requerido para alcanzar este tama!o critico se necesita

menos sub enfriamiento por lo que la nucleación empieza con mayor

facilidad. a nucleación sobre superficie de impurezas se conoce

como nucleación heterogénea.


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3. ENDURECIMIENTO POR TAMA%O DE &RANO +lgunas $eces se introducen intencionalmente partículas de impurezas

en el líquido. Esta práctica se conoce como refinación de grano o

inoculación. (e produce gran número de granos, cada uno de los cuales

empieza a crecer a partir de un núcleo. En los metales, cuanto mayor

sea el área superficial de los bordes de grano, mayor será el

endurecimiento por tama!o de grano.'.1. (i)$io

En enfriamientos muy rápidos. udiera no haber tiempo suficiente

para que los núcleos se formen y creascan, cuando esto ocurre, la

estructura liquida se congela, formándose un sólido amorfo o $ítreo.

a estructura cristalina compleja de muchos materiales cerámicos

poliméricos, impide la nucleación de una estructura cristalina durante

la solidificación, incluso a bajas $elocidades de enfriamiento.

*. CRECIMIENTO


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5na $ez formado los núcleos, el crecimiento ocurre conforme los átomos

se integran a la superficie del sólido. a naturaleza del crecimiento del

solido dependerá de la forma en que se $a e0trayendo el calor latente de

fusión. El calor especifico es el calor necesario para cambiar en un

grado la temperatura de una unidad de peso de material, el calor

especifico deberá ser eliminado primero, ya sea radiación hacia

atmosferas circundantes, o por condición atra$ez del molde que continúe

el material, hasta que el líquido se enfrié a su temperatura de

solidificación antes de que complete la solidificación deberá eliminarse

de la interface solido liquido el calor latente de fusión. a manera en la

cual se libere o retire este calor determinara el mecanismo de

crecimiento de núcleos y la escritura final.*.1. C$eciien#o +lana$

-uando un líquido bien inoculado se enfría al equilibrio, la

temperatura del líquido es mayor que la temperatura de solidificación,

y la temperatura del solido esta en por debajo de esa temperatura.

"urante la solidificación, el calor latente de fusión es eliminado por

conducción desde la interface solido líquido, atra$ez de sólido y

hacia los alrededores. -ualquier peque!a protuberancia que empiece

a crecer en la interface estará rodeada de líquido con una

temperatura mayor a la solidificación %fig. )26&. El crecimiento de la

protuberancia se detendrá hasta que el resto de la interface la

alcance. Este mecanismo de crecimiento se conoce como

crecimiento planar y ocurre por el desplazamiento de la interface

solido 1 líquido o plana hacia el líquido.


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*.2. C$eciien#o )en)$,#ico-uando la nucleación es débil, el líquido es se subenfria antes de

que se forme el sólido %fig )27& bajo estas condiciones una

protuberancia solida peque!a, llamada detrítica se forma y crea la

interface. -onforme crece la dendrita, el calor latente de fusión pasa

al líquido subenfriado, ele$ando su temperatura de solidificación. En

los troncos de las dendritas primarias también puedes crecer brazos

segundarios y terciarios para acelerar la liberación del calor latente

de transformación. El crecimiento detrítico continúa hasta que el

líquido sunbenfriado alcanza la temperatura de solidificación.

-ualquier líquido restante se solidificara entonces mediante el

mecanismo de crecimiento planar. a diferencia entre crecimiento

plantar y el dendrítico ocurre debido a las distintas formas de dispar

de calor latente. El recipiente o molde debe absorberse el calor en el

crecimiento planar mientras que en el crecimiento dendrítico el calor

es absorbido por el líquido subenfriado.En los metales puros, el crecimiento dendrítico normalmente

representa solo una peque!a fracción del crecimiento total.


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"onde c es el calor específico del líquido. El numerador representa el

calor que puede absorber el líquido sub enfriado y el calor latente en el

denominador representa el calor total qie debe liberarse durante la

solidificación. or lo que mayor sub enfriamiento $ariación de 8 mayor

crecimiento dendrítico.

-. TIEMPO DE SOLIDIFICACIÓN Y TAMA%O DE DENDRITASa rapidez a la cual el sólido crece depende de la $elocidad de

enfriamiento o de la rapidez de e0tracción de calor. 5na $elocidad de

enfriamiento rápida produce una solidificación rápida o tiempo de

solidificación cortos. 5tilizando la regla de -49:;


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. EFECTO EN LAS ESTRUCTURAS Y LAS PROPIEDADESEl tiempo de solidificación afecta al tama!o de dendritas. =ormalmente

el tama!o de la tendría se representa midiendo la distancia entre los

brazos dendríticos secundario %fig.)2>& el espaciamientos entre brazos

dendríticos, E?"(, se reduce cuando la fundición se solidifica con mayor

rapidez. as redes detríticas más finas y más e0tensas sir$en como un

conductor más eficiente del calor latente hacia el líquido subenfriado. El

E?"( está relacionado con el tiempo de solidificación por la reacción.

"onde m y / son constantes que dependen de la composición del metal.

Esta relación se muestra la figura )2@ para $arias relaciones.

Espaciamientos peque!os entre brazos dendríticos secundarios

producen mayor resistencia mecánica y mejor ductilidad %fig. )2)&


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ara producir espaciamientos entre brazos dendríticos secundarios

e0cepcionalmente finos se utiliza un proceso de solidificación rápida' un

método común es producir gotas peque!as se solidifican a una gran

rapidez. Esta $elocidad d enfriamiento no es suficiente rápida para

formar un $idrio metálico, pero si se produce una estructura detrítica fina.

-onsolidado cuidadosamente las gotas de solido mediante procesos de

metalurgia de pol$os, se pueden obtener propiedades mejoradas del

material.


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/. Cu$0a )e en$iaien#oodemos resumir nuestro análisis hasta este punto, e0aminando una

cur$a de enfriamiento. En el cual se muestra cómo cambia la

temperatura de un material con el transcurso el tiempo fig. )2A. el líquido

se $ierte en un molde a la temperatura de $acío. a diferencia entre la

temperatura de $acío y la temperatura de solidificación es el

sobrecalentamiento. El líquido se enfría cuando el molde e0trae su calor

específico, hasta que llega a la temperatura de solidificación. a

pendiente de la cur$a de enfriamiento antes de que inicie la solidificación

es la rapidez de enfriamiento.(i en el metal liquido están presentes núcleos heterogéneos efecti$os, el

cambio de estado comienza a la temperatura de solidificación. "ebido a


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la generación del calor latente de fusión se produce una meseta de

estabilización térmica. El calor latente mantendrá el líquido restante a la

temperatura de solidificado, hasta que todo liquido se haya solidificado y

no se puede e0traer más calor. En estas condiciones el crecimiento es

planar. El tiempo de solidificación total de la fundición es el tiempo

requerido para eliminar tanto el calor específico del líquido

sobrecalentado como el calor latente de fusión y se mide a partir del

momento del $aciado, hasta que se completa la solidificación, este

tiempo se determina por la regla de ch$orino$. El tiempo de solidificación

local es el requerido para eliminar solo el calor latente de fusión en

algún sitio particular de la fundición y se mide a partir del momento en

que comienza la solidificación hasta que esta termina.

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