TEMA 9. SOLIDIFICACIÓN Y DIAGRAMAS DE FASE.

La fase liquida presenta una estructura ordenada a muy corta distancia. La temperatura de equilibrio es en la que la energía del material en estado sólido se iguala a la que le correspondería en estado sólido.

El subenfriamiento se manifiesta en el hecho de que un metal permanezca fundido por debajo de su temperatura de equilibrio. Esto es provocado por la inercia de los sistemas a transformarse.

La solidificación de un metal tiene 2 fases.

Nucleación, donde se forman pequeños núcleos cuyo radio crítico es el menor radio de un germen sólido estable.

Crecimiento, donde los núcleos estables crecen hasta dar lugar a la estructura cristalina.

La velocidad de solidificación es el producto de la velocidad de nucleación (número de núcleos por la velocidad de crecimiento. Una velocidad de solidificación lenta provoca un grano grueso, mientras que una solidificación rápida equivale a un grano más fino. Una velocidad de enfriamiento muy rápida evitaría la formación de un sólido cristalino, obteniendo estructura amorfa.

Al moldear el líquido, nos encontramos con que el líquido en contacto con la parte fría (paredes del molde) tendrá una estructura de grano muy fino mientras que en la dirección del gradiente térmico, los granos son cada vez más gruesos. Las propiedades mecánicas aumentan al disminuir el tamaño de grano.

Denominamos rechupe a la variación de volumen que experimentan los líquidos al solidificar (suele ser de un 3-5%). El rechupe origina cavidades en el interior de las piezas (indeseadas). Esta porosidad se forma en el último lugar que solidifica. Para evitar esto, se usan las mazarotas, que son piezas adicionales diseñadas con el objetivo de ser las ultimas en solidificar y concentrar en ellas los defectos. Estas mazarotas se quitarían de la pieza una vez cumplida la función. A nivel microscópico, tenemos el microrrechupe, que originará una porosidad fina y dispersa.

Solidificaciones invariantes.

Reacción eutéctica (Líquido->2 sólidos). Determinada composición tiene estabilidad en estado líquido (temperatura de solidificación baja). La solidificación ocurre a temperatura constante y da lugar a 2 componentes. La mezcla solidifica a temperaturas más bajas que la de solidificación de ambos elementos por separado. Las 2 fases se disponen formando láminas entremezcladas. Hay 2 partes según estemos a la izquierda o derecha del punto eutéctico.

o Hipoeutéctica: Presentan fase A como constituyente disperso y la fase laminar como matriz

o Hipereutectica: Presenta fase B como disperso y la fase laminar como matriz.

Reacción peritéctica (Líquido+solido->Solido). Esta reacción implica la difusión en estado sólido de A y B.

Solidificación de no equilibrio. La utilización de velocidades rápidas puede ocasionar nuevas fases no estables en condiciones de equilibrio. Sus consecuencias son: aumenta intervalo e temperatura de solidificación, desplaza curva solidus a la izquierda y las juntas de grano se enriquecen del elemento con menor punto de fusión

Transformación dendrítica. Con enfriamiento rápido la difusión no tiene tiempo para actuar. Se elimina mediante el recocido de homogeneización. Calentar hasta un poco menos de línea solidos del diagrama de no equilibrio y mantener hasta que dé tiempo a la difusión.

Segregación mayor o macroscópica. Las diferencias ahora afectan a la pieza completa. Segregación por gravedad. Motivada por una diferencia importante de densidades sólido-líquido, en la que el sólido quedaría flotando.

Exudación. La pared del lingote aparece con una proporción más alta del componente de menor temperatura de fusión. Esto es debido a los microrrechupes.

Transformaciones en estado sólido. Son mucho más lentas, y ocurren gracias a la difusión atómica. Está muy influenciada por el número de defectos estructurales.

Transformación alotrópica. Componente puro que se muestra estable en una fase a cierta temperatura mientras que a temperaturas inferiores la estructura estable es distinta, siendo el mismo componente. Las consecuencias favorables son la disminución del tamaño de grano, la reducción de anisotropía y la redistribución de impurezas. Sin embargo, hay que tener cuidado con la variación de volumen entre estructuras.

Precipitación de compuesto intermetálico. Habitualmente, la solubilidad de los átomos del componente B en la red cristalina de A disminuye al disminuir la temperatura. Por ello, una estructura monofásica a altas temperaturas puede convertirse en bifásica a temperaturas más bajas. El exceso de átomos sobre el valor de la solución precipita en forma de compuesto intermetálico. A estas aleaciones se les puede hacer un tratamiento de envejecimiento, que consiste en modificar la microestructura para conseguir un notable aumento de la resistencia mecánica. Consta de 3 fases: puesta en solución (calentar para permitir difusión), hipertemple (enfriamiento muy brusco), y maduración (calentar a temp menor que antes para lograr la reestructuración atómica).

Transformación eutectoide. [γ → α + β] Similar a eutéctica, pero en estado sólido. La mezcla estará constituida por láminas finas yuxtapuestas. Tendremos aleaciones hipoeutectoides e hipereutectoides.

Transformación peritectoide. [α + β → γ] Dos fases sólidas para dar una tercera.

Un diagrama ternario sirve para representar compuestos de 3 componentes en función de 2 de ellos y la temperatura. Será tridimensional.