principios de endurecimiento por solidificacion

8/16/2019 Principios de Endurecimiento Por Solidificacion

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introducción

En prácticamente todo los metales y aleaciones, asícomo en muchos semi conductores, compuestos,cerámicos y polímeros, el material en algún

momento de su procesamiento es líquido. El líquidose solidifca al enriase por debajo de su temperaturade solidifcación. El material puede ser utilizado talcomo se solidifco puede ser procesadoposteriormente mediante trabajo mecánico otratamiento trmico. !as estructuras producidas

durante la solidifcación aectan las propiedadesmecánicas en in"uyen sobre el tipo deprocesamiento posterior. En particular, se puedecontrolar la orma y el tama#o de los granosmediante solidifcación


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Nucleación

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!a ormación de este peque#o solido entre toda la masa del liquido$iene acompa#ada de cambios de energía. El primer cambio es la

energía libre de $olumen y es ocasionado porque la temperatura delliquido esta justo por debajo de la temperatura de congelamiento. !asegunda es la energía libre de superfcie iniciada en la interace solido%liquido, el cual aumenta conorme el peque#o solido aumente detama#o.

Entonces el cambio de energía neta de nucleación es&

(nterase )%!

!iquid

o

r


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Nucleaciónhomogénea.)e denomina así cuando el $alor del subenriamiento es lo sufcientecomo para causar la ormación de un núcleo estable. *no de los

actores es el radio critico requerido el cual es aectado por el $alordel subenriamiento en la siguiente e+presión que nos ayuda adeterminar el $alor de este parámetro&

ónde& - calor latente de usión

emperatura de

solidifcación )ubenriamiento


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e la e+presión se entiende que debido al aumento del subenriamiento

el requerimiento del radio crítico disminuye. )e presenta la tabla conradios típicos para poder tener una nucleación homognea&

Metal

Temperatura de

Solidifcación

(°C)

Calor latente

de Fusión

(J/cm)

!nerg"a de

Superfcie

(J/cm#)

Su$en%riamiento

t"pico para la

nucleación

homogénea (°C)

&a /0 122 34560%7 74'i 876 31/ 31560%7 90

$ /87 8/7 //560%7 20

g 948 943 684560%7 830

Cu 6023 6482 677560%7 8/4

Ni 613/ 8734 833560%7 120

Fe 63/2 67/7 801560%7 180

NaCl 206 649

CsCl 413 638

*#+ 0 10


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Nucleación

heterogenia.!a nucleación sobre superfcies de impurezas se conoce como

nucleación heterognea. !as condiciones de ormación de unsólido ahora dependen del radio de cur$atura que es mayor

que el crítico y además se tiene una superfcie muy peque#adel solido en la interace. En este caso solo son necesariosunos cuantos átomos agrupados requeridos para la ormacióndel sólido.

,i-uid

o)ólido

(mpureza


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!ndurecimiento portama.o de grano.

)e realiza con la práctica de la inoculación que consiste en

la adición intencional de solidos de impureza en el líquido. Estarefnación de granos produce gran cantidad de granos, cada unode los cuales empieza a crecer a partir de un núcleo. En losmetales, cuanto mayor sea el área superfcial de los bordes degrano, mayor será el endurecimiento por tama#o de grano.

:omo inoculantes se usan aleaciones donde se dará inicio ala ormación de núcleos. ;or ejemplo, se utiliza unacombinación de 0.03% de titanio y de 0.0 1 % de boro amuchas aleaciones líquidas de aluminio. )e ormanpeque#as partículas de


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crecimiento.

!a naturaleza del crecimiento del sólido depende la orma de

cómo se e+traiga los calores como el calor especifco del líquido y elcalor latente de usión.El calor especifco es el calor necesario para cambiar en un gradola temperatura de una unidad de peso de material mientras que elcalor latente de %usión es que cede el material al pasar de liquidoa solido.


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:recimiento planar

.:uando un líquido bien inoculado se enría al equilibrio y se da

la presencia de cualquier peque#a protuberancia que empiece acrecer en la interace estará rodeada de líquido con unatemperatura mayor a la de solidifcación. El crecimiento de laprotuberancia se detendrá hasta que el resto de la interace laalcance. Este mecanismo de crecimiento se conoce comocrecimiento planar.


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Crecimiento detr"tico

.>curre cuando la nucleación es dbil, el líquido se subenría

antes de que se orme el sólido. =ajo estas condiciones, unaprotuberancia sólida peque#a llamada dendrita se orma situadaen la interace. :onorme crece la dendrita, el calor latente deusión pasa al líquido subenriado, ele$ando su temperatura hacia

la temperatura de solidifcación.!a dierencia entre el crecimiento planar y el dendrítico ocurre

debido a las distintas ormas de disipar del calor latente. Elrecipiente o molde debe absorber el calor en el crecimiento planar,mientras que en el crecimiento dendrítico el calor es absorbido porel líquido subenriado.


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Tiempo de solidifcación tama.o de las dendritas

. ;ara calcular el tiempo de solidifcación se utiliza la regla de:h$orino$, tiempo que determina el lapso en que una masaliquida se solidifque por completo.

onde 0 es el $olumen de la undición y representa la

cantidad de calor que debe ser eliminada, antes de que ocurra lasolidifcación. es el área de la superfcie de la undición que estáen contacto con el molde y representa la superfcie por la cual se$a a e+traer el calor de la undición? n es una constante@generalmente 8A y ' es la constante del molde, la cual dependede las propiedades y temperaturas iniciales tanto del metal como

del molde.


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!%ecto en la estructura las propiedades

.El tiempo de solidifcación aecta el tama#o de las dendritas.

Bormalmente, el tama#o de la dendrita se representa midiendo ladistancia entre los brazos dendríticos secundarios. El espaciamientoentre brazos dendríticos secundarios, E=), se reduce cuando la

undición se solidifca con mayor rapidez. El E=) está relacionado conel tiempo de solidifcación por la relación&


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:ur$as de enriamiento

.Esta cur$a muestra cómo cambia la temperatura de un materialcon el transcurso del tiempo. El líquido se enría cuando el moldee+trae su calor específco, hasta que llega a la temperatura desolidifcación. !a pendiente de la cur$a de enriamiento, antes de quese inicie la solidifcación, es la rapidez de enriamiento .

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