8/6/2019 NucleacionyCrecimientoenSolidificacion
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SOLIDIFICACIONSOLIDIFICACION
de metales y aleacionesde metales y aleaciones
Temario:
1. Nucleacin
2. Crecimiento
3. Inestabilidad de interfases
4. Solidificacin de soluciones5. Solidificacin de eutcticos
6. Estructura de lingotes y piezas
Importancia de la solidificaciImportancia de la solidificacinn
En fabricacin de aleaciones, Mezclado y refinacin
se realizan con ventajas en estado lquido
En procesos que involucran estado lquido
(fundicin, soldadura) la solidificacin determina
estructura, defectos y propiedades.
En procesos de estado slido (conformadoplstico, pulvometalurgia) el material en un
momento de su historia fue lquido y solidific.
Area de desarrollo tecnolgico permanente. Colada
contnua, optimizacin de estructura, solidificacin
direccional, inoculacin, etc.
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NucleaciNucleacin en solidificacin en solidificacinn
Ncleo: partcula de slido formado desde el
lquido, capaz de seguir creciendo. Embrin: partcula de slido que no tiene esta
capacidad y se redisuelve en L.
Nucleacin: evento factible a T
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NucleaciNucleacin homogn homogneanea
L L
S
2r
Estado inicial (i) Estado Final (f)
Balance de energa a T
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NucleaciNucleacin homogn homogneanea
S
2r
dG(r)/dr = 0
- (4 r 2) Gv + 8 rSL=0
rGv = 2SL
r* = 2SL/ Gv
G* = G (r=r*) = 16 3/ 3(Gv)2
NucleaciNucleacin homogn homogneanea
S
2r
r* = tamao crtico de partcula
G* = barrera de energa para
formacin de ncleo
Expresadas en funcin de T:
r* = 2SL Tf / L T
G* = 16 3 Tf2/ 3L2 (T)2
T r* y G*
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NucleaciNucleacin homogn homogneanea
T r* y G*Mayor sobreenfriamiento
significa una mayor
disponibilidad de energa
para el cambio de fase
y por tanto una fluctuacin
menor puede transformarse
en ncleo estable
y con menor barrera
energtica que salvar.
GibbsGibbs--ThompsonThompson
Temperatura
G
Gs (r)GL
Tf
= (2) / r
G = 2 / r
Gs (r = r1)
Gs (r = r2
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GibbsGibbs--ThompsonThompson
Temperatura
G
Gs (r)GL
Tf
Gs (r = r*)
T
G = 2 / r*
Dado un sobreenfriamiento
T, la fase lquida est en
equilibrio con partculas deslido de radio r* y se
cumple que:
G = 2 / r* = GV
Equivalentemente, dado
un sobreenfriamiento T,
existe una curvatura
crtica de la interfase S/L
Mecanismo de nucleaciMecanismo de nucleacinn
La fase L ocupa un volumen 2 a 4% mayor que la S Los tomos tienen ms libertad de movimiento
Los tomos ocupan posiciones al azar en el
tiempo, pero existe un orden local instantneo
Clusters temporales : zonas ordenadas como
slido, que aparecen y desaparecen en el tiempo.
El tamao de los clusters mas grandes, vara en
forma proporcional al sobreenfriamiento.
Existe un sobreenfriamiento tal, que el radio de
los clusters iguala al radio crtico para nucleacin.
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Mecanismo de nucleaciMecanismo de nucleacinn
Si T < TN, r cluster < r* , no se alcanza el tamao de
ncleo por oscilaciones trmicas.
Si T TN , es posible que se forme un volumen crtico por
azar y constiturse un ncleo.
Velocidad de NucleaciVelocidad de Nucleacinn
Si Co=n de tomos / u. de volmeny C* = n de clusters de tamao crtico
C* = Co exp (-G* / kT) [ n clusters / u. vol ]
La adicin de 1 tomo ms a cada cluster, lo convertir en un ncleo.
Si esto ocurre con una frecuencia fo (1/seg), entonces,
N = fo * Co * exp (-G* / kT) [ n ncleos / u. vol * s]
Lo cual, considerando la dependencia de G*, queda como:
N = fo * Co * exp (-A/ (T)2) [ n ncleos / u. vol * s]
Donde A = 16 3 (Tf)2 / 3 L k T
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Velocidad de NucleaciVelocidad de Nucleacinn
NucleaciNucleacin heterogn heterogneanea
Ncleo se forma en contacto
con un sustrato M
Se cumple en todo momento
equilibrio de fuerzas
(tensiones superficiales)
L
S
Mr
LM SM
SL
LM = SM + SL cos
O bien
cos = (LM - SM )/ SL
= ngulo de mojado
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Balance de energBalance de energaaEstado inicial Estado Final
L L
M M
S
Ghet = - VSGV + ASLSL + ASM SM - ASM ML
Donde el volmen de slido corresponde a un sector de esfera
delimitado por una superficie circular en la parte inferior
y por un casquete de esfera, en la parte superior.
Balance de energBalance de energaa
Ghet = - VSGV + ASLSL + ASM SM - ASM ML
Ghet = { - 4r3GV + 4r
2 } S ()
Donde:
S () = (2+cos)(1-cos)2 /4 Shape factor
S < 1 , para todo
Algunos valores0,50,0210-4S()
903010
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Balance de energBalance de energaa
Ghet = { - 4r3GV + 4r
2 } S ()
Derivando e igualando a cero:
a) r* het = r* hom
b) G* het = G* hom S()
a) Corrobora que es la curvatura de la interfase Slido/Lquido la
que alcanza una condicin crticab) Indica que la barrera energtica a superar para nucleacin
heterognea es considerablemente menor que para nucleacin
homognea, por un factor S que depende del ngulo de mojado
NucleaciNucleacin heterogn heterogneanea
r* het = r* hom
G* het = G*hom S()
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Velocidad de nucleacin
CONSECUENCIAS
T reales
N en grietas
Efecto rena
Inoculantes
Lluvia artificial
Fusin
Nucleacin heterognea
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Crecimiento
Existen dos tipos de interfase S/Lsustancialmente diferentes
Interfase atmicamente rugosa, que producea nivel microscpico- fases con formasredondeadas.
Interfase atmicamente lisa, que producepartculas con formas faceteadas
La diferencia se origina debido a la distinta
entropa de fusin de la fase (Sf)=Lf/Tf Para Sf >4R, la interfase es atmica% lisa y
si Sf
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Tipos de interfase S/L
Crecimiento vs flujo de calor
Avance de la interfase limitado por laevolucin del calor latente (metal puro)
En aleaciones, ser controlante la evolucindel soluto
Balance de flujos de calor:
kS TS = kL TL + v LV
k = conductividad trmica
T= gradiente trmico
v = velocidad de avance interfase
Lv = calor latente
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Estabilidad de interfase S/L
Caso A : lquido sobrecalentado
Frente a una protuberancia,
las isotermas se comprimen
luego, se reduce Ts y
Aumenta TL
v protuberancia se reduce
y desaparece.
Se conserva estable la
Interfase en forma plana
Estabilidad de interfase S/LCaso B : lquido subenfriado
Frente a una protuberancia,
Aumenta TL
(se hace ms negativa)
Considerando Ts=0
v protuberancia aumenta
y se proyecta hacia el seno
del lquido.
La interfase desarrolla
Ramificaciones principales
Y secundarias : DENDRITAS
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Dendritas
Direcciones preferenciales
Ramificaciones
Ncleos libres
Ncleos adosados
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Morfologas de solidificacin de soluciones slidas
a) SC nulo Interfase plana b) SC pequeo Estructura celular
c) SC mediano Celular dendrtica d) SC mayor Columnar dendrtica
Morfologas de solidificacin de soluciones slidas
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