Curso CM&M M-II.1

8/7/2019 Curso CM&M M-II.1

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En la parte central del curso se exploran los procesos de transformacin

de fase y los principales conceptos involucrados en el uso de los metales,

as como las principales aleaciones de uso estructural en aeronutica. Si

bien es dentro de un enfoque generalista, el enfoque de aplicacin tiene

su importancia particular ya que permite abordar los conocimientos de

los materiales a sus usuarios.


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LaLaLaLa im ortanciaim ortanciaim ortanciaim ortancia deldeldeldel trans ortetrans ortetrans ortetrans orte trmicotrmicotrmicotrmico....

Cuando el metal caliente se vaca en un molde (o en una lingotera), elcalor sensible y el calor latente de fusin de la aleacin van a ser

progresivamente evacuados a travs de una serie de resistenciastrmicas hacia el molde o hacia el medio ambiente, hasta que secomplete la solidificacin. Las principales resistencias trmicas quegeneralmente se consideran, son:

el metal lquido,

el metal slido,la interface metal slido/molde,

el molde, y

la interface molde/medio ambiente.


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,

conductor de calor que el molde (moldeo en arena; fundicin de

precisin a la cera perdida). La cintica de enfriamiento depende

entonces, sobre todo, de las propiedades trmicas del molde. An

mejor, salvo en el caso de moldes con caparazn relativamente

delgado, es posible considerar el molde como semi-infinito: el exterior

del molde no tiene el tiempo de recalentarse durante la solidificacin.

Conductividad trmicaConductividad trmicaConductividad trmicaConductividad trmica

molde < metalmolde < metalmolde < metalmolde < metal


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1 Ha una erdida de calor ental a debida al en riamiento desde la tem eratura de vaciado

hasta la temperatura de fusin para un tiempo dt.

2) Hay una perdida de calor (entalpa) debida a la solidificacin.

3) El flujo de calor qe y la velocidad de enfriamiento dT/dt pueden deducirse a partir de un

balance de calor.

==

dt

dTCp

dt

dTCp

dt

H

fH = calor latente de fusin

v

H

vC

Aq

dt

dTe

+

=

v

H

dt

dTC

v

Aq

e

+=

despejando


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La solucin analitica a la ecuacin anterior para el caso de un metal puro vaciado a la

empera ura e us n:

La velocidad de flujo en el molde en la interface molde metal esta dada por:

Tomando en cuenta que el calor que pasa atraves de la interface proviene solo deldesprendimiento del calor latente de fusin

t

xerf

TT

TTmo

f

mo

2

=

00 ==

=

xx x

T

A

qLa derivada de esta ecuacin

con respecto a x, para x=0

( )mof

x

TTt

C

A

q=

=0

00 ==

=

xx x

T

A

q

t

xerf

TT

TTmo

f

mo

2

=

t

eH

A

qf

x

=

=0

( )t

eHTT

t

Cf

mo

f

=

tmpC

m

ms

m

V

f

H

mT

of

T

e

/

2


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No es osible una descri cin sencilla de la solidi icacin en el caso de moldes de ormas

complejas. La regla de Chvorinov permite (V/A), sin embargo, a los fundidores estimar el tiempo

del final de solidificacin, tf, de un elemento de la pieza de volumen V y de superficie de

intercambio trmico A con el molde como sigue:

tmpCmm

sf

H

mTof

T

A

V

=

2

2

=A

VCtf


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,

una menor medida para las aleaciones a base de Mg y Cu. En este caso, la resistencia trmica de

la interface molde/metal, juega un papel primordial.

La densidad de flujo trmico extrado por el molde, es proporcional a la diferencia de

temperatura entre el metal colado y el molde:

)( mf TTh =

)(0

mf

x

TThA

q=

= t

eH

A

qf

x

=

=0

tsf

H

mTof

The

emTof

T

sf

H

ht

1

A

sk


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Donde:

E es un coeficiente que depende de las condiciones impuestas en el proceso

Por ejemplo: en el caso del acero se encuentran experimentalmente los valores siguientes para E

expresados en mm.min 1/2: 15 a 20 para el vaciado en lingoteras de fundicin y 25 a 35 para la

colada continua.

te


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.

Una de las tcnicas ms comunes para seguir la evolucin trmica de una pieza

moldeada consiste en colocar termopares a intervalos regulares a partir de la pared

del molde y registrar la evolucin de la temperatura.

La Figura ilustra esquemticamente como se presenta un conjunto de tales curvas en

el caso por ejemplo, de un pequeo lingote de fierro puro vaciado a una temperatura

superior en 20 C a la temperatura de fusin (1536C).


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El desarrollo de un rente de solidi icacin or sencillo ue este sea hace ue las condiciones de

enfriamiento cambien a cada instante, por tanto los perfiles presentados anteriormente describen

correctamente el proceso de solidificacin de una metal puro.

CasoCasoCasoCaso dededede laslaslaslas aleacionesaleacionesaleacionesaleaciones.... Lo que ha sido presentado a propsito del metal puro, ha permitido introducir

simplemente los conceptos del tiempo de fin se solidificacin y el mdulo de una pieza de fundicin. Se

ha introducido igualmente una distincin entre los procesos de vaciado segn la naturaleza de la

resistencia trmica predominante por el control de la extraccin de calor permitiendo la solidificacin

del producto. En esencia esas nociones son transportables inmediatamente al caso de la solidificacin de

las aleaciones. El concepto de frente de solidificacin por el contrario, debe ser reexaminado en relacin

a los movimientos de conveccin de lquido en la zona central de los productos.

El hecho de sustituir un acero con 0.6% C al Fe puro modifica cualitativamente las curva T = T(t)correspondientes a los puntos situados en la zona central del lingote. El registro realizado a 6 cm de la

pared, presenta una larga seccin horizontal a un nivel de temperatura prcticamente confundido con

el liquidus del acero todas las secciones horizontales tienen el mismo origen de tiempo y se traslapan

sobre largos perodos. En esta regin del lingote, todos los puntos llegan simultneamente a la

temperatura de liquidus, cualesquiera que sea su posicin con respecto a la lingotera: el concepto de

frente de solidificacin pierde su sentido, debe ser relacionado como el de la zona pastosa.


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Se uede hablar de mazarota e mantenido durante la abricacin de lin otes de acero or

refusin de electrodos (refusin bajo escoria reductora o refusin en vaco): el contenedor del

metal lquido encima del lingote durante la formacin es renovado a medida de su solidificacin

gracias a la fusin controlada de un electrodo colocado por encima del lingote.

La colada continua hace intervenir una tercera manera de mantener un contenedor de metal

lquido en posicin de alimentar la pieza durante la solidificacin, aqu el billet o el planchon

de acero: un recipiente de metal lquido llamado distribuidor vierte el producto durante la

solidificacin y una boquilla permite ajustar el gasto de metal que se escapa del repartidor a la

velocidad de la solidificacin. En los dos ltimos procesos al rechupe cesa de ser un problema.


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El metal lquido que penetra en el dispositivo de colada est caracterizado por un anlisisqumico y un nivel de impurezas residuales. Este metal contiene tambin inclusiones no

metlicas en suspensin; en el caso de aceros son normalmente xidos. Las operaciones detransporte de metal lquido, deben ser generalmente conducidas sin modificar lacomposicin del metal y sin aumentar el nmero de las inclusiones en suspensin, mejoran disminuyndolas.

En fundicin, la eleccin de una aleacin para fabricar una pieza moldeada consiste enencontrar el mejor compromiso entre las propiedades de uso de la pieza, la facilidad de

fabricar la aleacin y el precio. La apreciacin de la facilidad de fabricacin de una aleacinpor moldeo, reposa sobre los resultados de los ensayos que esquematizan los problemastecnolgicos como la colabilidad o la tendencia al agrietamiento.

Una buena aleacin en fundicin debe conservar su fluidez lo ms largo posible despusdel inicio del llenado de la huella para poder colarse correctamente en todas las cavidadesdel molde que el debe llenar, siguiendo fielmente su forma, an las ms complicadas.


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,

de colada y la temperatura de liquidus para una aleacin dada. As, a temperatura de

colada igual, entre ms bajo es el liquidus de la aleacin, ms delgadas pueden ser las

piezas. Esta propiedad aclara el inters del fundidor no solamente para los metalescon baja temperatura de fusin, pero tambin para las aleaciones de composicin

eutctica.


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Cuando los metales no su ren trans ormacin de ases durante suenfriamiento, hay correspondencia entre la microestructura puesta enevidencia por los reactivos microgrficos y la estructura de colada reveladapor los reactivos macrogrficos. Si no, y es el caso para la mayora de losaceros, la estructura microgrfica que puede presentar tambin laapariencia de los granos no tiene relacin con la estructura macrogrfica dela colada (Multgren).

Cuando una aleacin es colada en un molde de arena, solo presenta un solotipo de textura de grano: est constituida de granos equiaxiales, es decir,teniendo estadsticamente la misma dimensin en las diferentes direcciones

y orientaciones cristalogrficas distribuidas al azar.

Cuando una aleacin es colada en un molde metlico, sufre sucesivamente varias formas de cristalizacin que se traducen por texturas de granosdiferentes segn el lugar de la pieza considerada.

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La zonazonazonazona dededede lalalala pielielielpiel esta constituida por cristales que se formaron en contacto o en lascercanas de la pared. Las condiciones trmicas en esta regin son tales que una gransobrefusin permite la aparicin de los cristales slidos por nucleacin heterognea. Se

forman tambin as simultneamente muchos cristales que por su gran numero, seimpiden desarrollar mutuamente. Las orientaciones cristalogrficas de estos granos estndistribuidas al azar:

ZonaZonaZonaZona columnarcolumnarcolumnarcolumnar. La orientacin general de los lmites de grano y/o los ejes dendrticos vanen el sentido de gradiente trmico promedio, frecuentemente perpendicular a la superficiedel producto solidificado. Las dendritas alargadas paralelas tienen una direccincristalogrfica comn: una direccin en el caso de los metales de simetra cbicacomo el Fe, Al, Cu y sus aleaciones. Esta ultima observacin puede ser relacionada al hechode que las direcciones son aquellas a lo largo de las cuales los ejes primarios y ramassecundarias de las dendritas que se desarrollan mas rpidamente, probablemente porrazones de anisotropa de tensin y/o de cintica interfacial.

LaLaLaLa texturatexturatexturatextura equiaxialequiaxialequiaxialequiaxial remplaza bruscamente o incluso progresivamente, la textura columnarhacia el centro de los productos; sin embargo, llega el momento que est totalmenteausente en los productos de pequea seccin, como los los billets de colada continua.

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Los factoresactoresactoresfactores actuando sobre la evolucin de la temperaturatem eraturatem eraturatemperatura deldeldeldel liquidoli uidoli uidoliquido central adelante delfrente dendrtico columnar, los factores actuando sobre lalalala nucleacinnucleacinnucleacinnucleacin de la zona liquidacentral por los fragmentos slidos o de los inoculantes, finalmente los factoresfactoresfactoresfactores metalrgicosmetalrgicosmetalrgicosmetalrgicos.

La intensidad del enfriamiento impuesto en la superficie del producto juega un papel en elmismo sentido que la temperatura de colada. LaLaLaLa zonazonazonazona columnarcolumnarcolumnarcolumnar se desarrolla cada vez masa medida que el enfriamiento exterior es mas enrgico.

NucleacinNucleacinNucleacinNucleacin.... La aplicacin de campos ultrasnicos de potencia y de frecuencia convenientespermite obtener zonas equiaxiales extendidas; la eficiencia de esta tcnica podra deberseentre otras cosas, a la destruccin y a la fragmentacin del frente de solidificacin que ella

provocara (Southin).

Las tcnicas de inoculacin son empleadas de manera sistemtica en fundicin y en lacolada de aluminio para evitar la aparicin de zonas columnares y refinar el tamao de los

granos equiaxiales. La inoculacin no presenta inconveniente mayor para las propiedadesde utilizacin de las aleaciones de fundicin polifsicas.

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de los factores influyen sobre la extensin de la zona equiaxial.

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Como se redistribu en los elementos de aleacin en el momento usto de lasolidificacin ?

1. El slido en el cual solo es posible la difusin qumica, y aun estatodava es muy lenta

2. La interfase que es el sitio de las reacciones qumicas heterogneas desolidificacin,

3. Una capa limite de espesor, en el liquido donde el soluto i estransportado por difusin,

4. El resto del lquido donde los transportes de masa se hacen porconveccin.

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,

estn localmente en equilibrio termodinmico a travs de la interfase lo

que permite calcular el coeficiente de distribucin de los solutos entre el

liquido y el slido a una temperatura de interfase dada:

Desde el punto de vista del transporte de materia, la solidificacin

dirigida con una interfase plana, puede ser reducida a distribuciones de

soluto con transporte en el lquido por difusin y conveccin.

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1. El slido.

2. La capa limite de conduccin trmica.

3. El seno del liquido a temperatura uniforme.

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imposible pensar de imponer alguna condicin cualquiera, como se

impone una condicin de temperatura o de flujo trmico en la superficie

de un producto.

Cuando el coeficiente de partisin kis/l < l, se ha visto que una interfase

plana en movimiento durante una solidificacin dirigida, repele delante

de ella al soluto. La temperatura de lquidus local puede entonces llegar

a ser superior a la temperatura real reinante en ciertas regiones dellquido (TLl )Tl .

Sobrefusin qumicaSobrefusin qumicaSobrefusin qumicaSobrefusin qumica

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T) a la temperatura del lquidus TLl. Las dos temperaturas se

confunden al nivel de la interfase puesto que en ausencia de una

curvatura y de la sobrefusin cintica apreciable, la temperatura de la

interfase en igual a la temperatura de equilibrio slido / lquido del

diagrama de equilibrio correspondiente a la composicin local del

liquido.

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,

de cristales de la aleacin considerada, pueden alcanzar la regin en

sobrefusin qumica y/o y quedarse durante suficiente tiempo, se puede

alcanzar un desarrollo de cristales delante de la interfase, por lo tanto, a

una modificacin abrupta del rgimen de solidificacin (interfase plana

solidificacin equiaxial).

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Aceros Aceros Aceros Aceros

As en las condiciones ms comunes de solidificacin, an cuando el gradiente detemperatura en el lquido es positivo, existen generalmente una sobrefusin qumicaen una regin mas o menos extensa delante de la interfase. Por ese hecho, una

interfase inicialmente lisa y plana se deformar espontneamente y llegar a sercelular o dendrtica. En ese caso, contrariamente al que viene de ser desarrollado, laetapa de desarrollo decisiva, es aquella donde los pequeos cristales crecenindependientemente los unos de los otros en el seno del lquido. Ese proceso implicaque sean satisfechas dos condiciones:

a).- La temperatura de los cristales en crecimiento es inferior a la temperatura dellquidus de la aleacin;

b).- La temperatura del lquido es ligeramente inferior a la de los cristales presente ensu seno. As, la temperatura del lquido es necesariamente siempre inferior a la dellquidus durante el crecimiento equiaxial.

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1. ormac n e en r as e asu en a

(a mayor cantidad de austenita, mayor ser la resistencia del hierro)

2. Reaccin eutctica

Crecimiento cooperativo de de la austenita y del grafito

3. Transformacin de la austenita

en condiciones de eq (+g), fuera del eq cantidades variables de perlita

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Al-Cu-Ni. La solidificacin comienza con la formacin de primaria de composicin dada por

las ecuaciones anteriores

2) Cuando la solidificacin alcanza la lnea de doble saturacin, el eutctico binario solidifica (Al

+NiAl3) y crece a todo lo largo de la lnea de liquido hasta alcanzar la T= 599C

3) A 599C la formacin de NiAl3 se detiene para dar lugar a la formacin de Ni2Al3 (reaccin

peritctica). Formando ahora el eutctico binario (Al +Ni2Al3)

Al +NiAl3 => Al +Ni2Al3

4) La solidificacin continua con la formacin del eutctico binario (Al +Ni2Al3) desde 599

hasta 561 C.

5) A 561C se forma el eutctico binario Al + CuNiAl6 y se forma hasta alcanzar a temperatura de

547C donde se forma el eutctico ternario .

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