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Resumenes del tema relacionado con la solidificacion con imagenes explicativas...

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TEMA 6: SOLIDIFICACIÓN 1. INTRODUCCION Vamos a estudiar la influencia de ciertos factores en la solidificación. El tamaño y la forma de los granos están condicionadas por el proceso en sí, el tipo de molde, la velocidad de enfriamiento etc. 2. SOLIDIFICACIÓN. FENÓMENOS FÍSICOS ASOCIADOS. La obtención de materiales metálicos tiene lugar mediante un proceso de fusión y solidificación. Las propiedades dependen de cómo se ha realizado, el tipo de molde, las T0 y Tf y la velocidad de enfriamiento. Cuando el sólido cristaliza las propiedades cambian. La resistencia cortante es el cambio más espectacular. La fluidez cambia a estado líquido. Con respecto a la viscosidad el cambio puede llegar a ser de 10 20. Las temperaturas de transformaciones son variables, depende de la fuerza de enlace (unos funden a -38ºC y otros a 3000ºC). Los calores latentes son también muy variables. La energía libre del líquido es más alta que la del cristal a bajas temperaturas. Los agrupamientos atómicos en los líquidos no son aleatorios, tienen cierto orden a largo alcance. Aunque tienen libertad de movimiento, ocupan posiciones ordenadas. Conforme disminuye la temperatura, baja la energía cinética, las fuerzas de enlace se vuelven más fuertes y se limita el movimiento hasta formar el sólido. La solidificación se da en dos etapas como ya hemos visto: La formación de núcleos y el crecimiento de los núcleos. 3. EFECTO DEL FLUJO TERMICO EN LA INTERCARA DEL SÓLIDO-LIQUIDO. Para que se dé la solidificación es necesario un subenfriamiento del líquido. Cuando tiene lugar la nucleación, la temperatura sube rápidamente por el calor latente desprendido durante la solidificación. Este incremento para cuando se alcanza la Tm. Si se siguiese calentando el sólido se fundiría. Echamos el metal fundido en un molde. Las paredes, que están a menor temperatura, hacen que se disminuya la temperatura del material próximo a estas. Es decir, se produce un gradiente térmico dentro del líquido y entre este y la pared. El líquido en contacto con el molde empieza a solidificar, favorecido por la nucleación heterogénea. Cuando empieza la solidificación, la temperatura se eleva por la expulsión del calor latente. Según se produzca el flujo térmico principalmente a través del metal o del molde tenemos dos procesos de solidificación. La cinética de evacuación del calor controla la solidificación, condicionando la forma, orientación y tamaño de los granos. Por tanto, la temperatura es un factor que controla la estructura final del grano. Consideramos que el flujo de calor se produce a través del sólido. El calor liberado en el proceso se elimina hacia el sólido calentándolo. El crecimiento de los núcleos hacia el interior del líquido se dificulta por el subenfriamiento. Por tanto, se forman nuevos núcleos que chocan con los ya existentes e impedirán su crecimiento. El crecimiento de la velocidad de crecimiento disminuye al estar rodeada de líquido a alta temperatura y por ser mayor la cantidad de calor que tendría que conducir como consecuencia del aumento de superficie. Si el sólido crece dentro de un líquido subenfriado el calor latente tiene que ser evacuado a través del líquido. Las partículas crecen dentro de este rápidamente y el aumento de la superficie favorece el desprendimiento de calor dentro del líquido a baja temperatura. El crecimiento en forma dendrítica lo favorece (granos de forma columnar). La forma de los granos refleja un equilibrio entre la necesidad de minimizar la energía asociada a los límites de grano y la necesidad de maximizar la velocidad de transformación. 4. ORIENTACION PREFERENTE El crecimiento se produce preferencialmente en ciertas direcciones ( en metales cúbicos y en cristales hexagonales). Se forman también ramas secundarias perpendiculares a las anteriores para favorecer la evacuación de este calor. La estructura que se forma en el proceso de crecimiento es absorbente y recibe el nombre de dendrita.

5. ESTRUCTURA DEL LINGOTE La mayoría de las aleaciones se obtienen de verter el metal en moldes y dejando que el líquido se enfríe. A partir de los lingotes mediante laminación se va formando la aleación en perfiles y tamaños más apropiados para la industria. Suele haber tres zonas:  Zona fría: franja estrecha de átomos colocados aleatoriamente. El líquido en contacto con el molde frio es rápidamente subenfriado. Muchos núcleos son formados sobre las paredes (centros de nucleación heterogénea). Cuando se forman crecen dentro del líquido. Cuando las paredes del molde se calientan por absorción de calor, los cristales formados se pueden desprender por el efecto de las turbulencias del líquido. Si la temperatura de colada es baja se pueden repartir los núcleos por todo el volumen. Usando moldes de baja conductividad favorecen este tipo de estructuras. Si la temperatura es alta el líquido en el centro estará mucho tiempo por encima de la temperatura de fusión y los cristales se refunden dando granos columnares.  Zona columnar: granos alargados perpendiculares a las paredes del molde. Las temperaturas de las paredes baja y los cristales de la zona fría crecen dendríticamente en ciertas direcciones. Los granos con orientación crecen más rápidamente que los de otra dirección. Cada grano puede tener varias dendritas primarias, y conforme se hace más ancho aparecen dendritas adicionales. Zona con propiedades anisotrópicas.  Zona equiaxial: granos equiaxiales orientados aleatoriamente, formada por baja temperatura o por afinadores de grano. Cuando la solidificación llega a esta zona, la temperatura es baja y el tamaño critico de los núcleos ha disminuido, por lo que aumenta la velocidad de nucleación y favorece la creación de granos equiaxiales. 6. SOLIDIFICACION RAPIDA Cuando la temperatura baja muy rápido no da tiempo a que aparezca la etapa de nucleación, dando lugar a un sólido amorfo producido por mantener a los átomos en las posiciones que tenían en estado líquido y que por bajar la temperatura pierden la movilidad y no se da la difusión, no se forman cristales, por tanto. A este estado se le denomina vítreo. Las velocidades de enfriamiento necesarias tienen el orden de 105 ºC/s. 3 métodos para obtener vidrios metálicos:  Solidificación sobre una superficie mediante goteo o chorro continuo sobre una rueda para obtener cintas/hilos. Las dimensiones de los sólidos son pequeñas  Proyección de gotas de líquido finas sobre una superficie fría, estas las conseguimos por centrifugación o por proyección bajo un chorro de gas. Al proyectar el metal fundido en superficies frías el metal en gotas finas se enfría casi instantáneamente y tenemos un polvo muy fino.  Condensar vapor sobre superficie enfriada. Cuando ya tenemos las pequeñas partículas usamos el sintetizado para obtener una pieza de tamaño industrial (comprimimos a alta T para que se unan) Propiedades obtenidas muy superiores a las obtenidas por métodos convencionales, desde el punto de vista mecánico como eléctrico o magnético. Muchas aleaciones a base de hierro obtenidas con estas técnicas tienen propiedades magnéticas muy interesantes. Al no tener estructura son perfectos ferromagnéticos blandos. 7. FORMACION DE MONOCRISTALES Casi todos los materiales cristalinos de uso industrial están formados por granos, diciéndose que son policristalinos. En algunas aplicaciones se necesitan materiales formados solo por un cristal, es decir un monocristales. (transistores usados en electrónica etc.) La solidificación aquí se realiza a través de un solo núcleo. Para ello necesitamos una velocidad de crecimiento lenta. Un método utilizado para la obtención de monoscristales de silicio, consiste en aproximar un baño de silicio fundido un germen monocristalino que tenga la orientación que queramos. Al acercarse el germen al baño se funde parte del mismo en el líquido y actúa como núcleo de cristalización. El cristal gira constantemente y se

extrae poco a poco. Para que no se formen otros núcleos el baño liquido se mantiene en agitación. Se consiguen monoristales de 10 a 15 cm de diámetro. 8. SOLIDIFICACION DE SOLIDOS AMORFOS, Dos métodos para solidificar un líquido: puede cristalizar y formar un sólido policristalino o puede vitrificarse y formar un vidrio. - Si se enfría de forma vítrea: A altas temperaturas el material se comporta como un líquido normal, cuando la T disminuye el volumen se contrae de forma lineal hasta alcanzar la T de fusión. Si el material cristalizara, se produciría una extracción de calor a temperatura cte. acompañado de una caída del volumen específico. Cuando se completa el proceso, el volumen especifico sigue disminuyendo. - Si cristaliza: sigue proceso de nucleación y crecimiento, las moléculas han de moverse en una masa de gran viscosidad, lo que dificulta su agrupamiento. En los metales, los átomos (esféricos y peques) se mueven con facilidad en un líquido no muy viscoso a la temperatura de fusión. En óxidos, fosfatos etc. las viscosidades son muy altas por lo que el movimiento es limitado. Cuando la cristalización no se produce al alcanzar la temperatura de fusión el material continua su enfriamiento normal, el volumen sigue disminuyendo aún por debajo de la temperatura de fusión, y la viscosidad se incrementa. Al alcanzar una determinada temperatura, hay in cambio de pendiente debido a un aumento de la viscosidad, a esta el flujo de partículas y su reagrupamiento es imposible. Las partículas han quedado como congeladas en las posiciones en las que se encontraban, manteniendo la estructura que tenían en el líquido, pero actuando como sólido. La temperatura se llama transición vítrea, Tg. 9. DEFECTOS DE SOLIDIFICACION Los defectos de tipo químico que se dan en la solidificación reciben el nombre de segregaciones, que es una diferencia de composición química en una aleación. Se da porque la difusión no es capaz de homogeneizar el sólido que se forma. Hay dos tipos: - Segregación dendrítica: a nivel de grano (puedo arreglarlo con la temperatura), lo vemos en el microscopio mediante la visualización de dendritas. - Segregación principal: a nivel de lingote, es la diferencia de composición a nivel macroscópico. La primera zona en solidificar tiene distinta composición que la última. Hace que el lingote quede inutilizable. Para eliminar la segregación hay que darle un tratamiento al material. Impureza: Sustancias extrañas que acompañan a los metales y aleaciones.  

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Metálicas: Se alean con los metales y forman parte de dicha aleación, modificando sus propiedades. En principio no son perjudiciales. Mejoran el comportamiento metálico del material. Inclusiones/no metálicas: No se disuelven en el material base, quedan incluidas en la masa metálica de la aleación. Son partículas extrañas que pueden pertenecer a los moldes como por ejemplo trozos de ladrillos, de las escorias etc. Son típicas los óxidos y los sulfuros en los aceros. Suelen ser perjudiciales pues disminuyen las propiedades mecánicas, pero mejoran la plasticidad. MnS p.ej. Gaseosas: quedan atrapadas dentro del metal liquido burbujas de aire o gas. Muchos metales en estado líquido disuelven gran cantidad de gases, pero al solidificar solo mantienen una pequeña cantidad en disolución, el resto forma burbujas que pueden quedar atrapadas. También pueden producirse por reaccionar el metal con el molde. Son defectos grandes y muy perjudiciales ya que pueden dar lugar a grietas internas y disminuyendo las propiedades mecánicas. También pueden aparecer los rechupes (cavidades producidas al contraerse el material durante la solidificación).

Los aceros suelen disolver el oxígeno durante su fabricación. El oxígeno se combina con el carbono formando CO, pudiendo quedar atrapado y produciendo burbujas. Si añadimos Al se evita la formación del CO dando lugar a Al3O2. Cuando se desoxida el acero, se le llama calmado. Si no está completamente desoxidado se llama efervescente. Este tiene microporos muy pequeños que hacen que los aceros sean aptos para la embutición de chapas. Defectos de tipo volumen son las grietas producidas durante la fusión, laminación etc. Son importantes ya que reducen en general la resistencia mecánica, eléctrica etc....