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8/16/2019 Principio de Solidificacion Modulo I
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Junio 2013
Wilmer omero
Exámenes cortos semanales(Quiz)………...…………..…………...40%
Proyecto de investigación…………..35%
Asignación de problemas y/otareas cortas a resolver………….….25%
EVALUACIONES
8/16/2019 Principio de Solidificacion Modulo I
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BIBLIOGRAFÍA
Stefanescu, D. M. “Science and Engineering of Casting Solidification”, Springer
Verlag , 2009.
Cantor , B. “Solidification and Casting”, Series in Materials Science and
Engineering, Editor: Keyna O'Reilly. Inst. of Physics, 2003.
Backerud, L; Krol, E; and Tamminen, J. “Solidification Characteristics of
Aluminium Alloys”. V.1. SkanAluminium, 1986.
Beeley, P.R. "Foundry Technology" Butterworths 1982.
Flemings, M.C. "Solidification Processing, Materials Science and Engineering
Series". Mc. Graw Hill, 1974.
Daviles, J.G. "Solidification and Casting", ASP 1973.
Chalmers, B. "Principles of Solidification". John Wiley 1964.
MAESTRÍA EN INGENIERÍA METALÚRGICA
SOLIDIFICACIÓN
Es una transformación de fase que envuelve loseventos de nucleación y de crecimiento de unanueva fase sólida, creada por cambiostermodinámicos bruscos en la interfase líquido-sólido, la cual crece de manera continua hacia ellíquido.
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SOLIDIFICACIÓN
Es una transformación de fase que envuelve los
eventos de nucleación y de crecimiento de unanueva fase sólida, creada por cambiostermodinámicos bruscos en la interfase líquido-sólido, la cual crece de manera continua hacia ellíquido.
Es el área del conocimiento relacionada a la
generación independiente, bajo condiciones deno-equilibrio, de un sólido metaestable a partir de un líquido con el cual está en contacto.
►Composición Química
►Tamaño y morfología de los granos
►Tamaño y distribución de las fases
Microsegregación
Macrosegregación
Intervalo To
Coef. Difusión Veloc. enfrmto.
Ruta de procesamiento más importante para los metales y aleaciones.
IMPORTANCIA DEL ESTUDIO DE LA SOLIDIFICACIÓN
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IMPORTANCIA DEL ESTUDIO DE LA SOLIDIFICACIÓN
► Control de la solidificación : Microestructura propiedades
► Conlleva a diseñar Nuevos Procesos / Materiales
► Entendimiento, cuantificación y predicción de fenómenos.
SOLIDIFICACIÓN
HAZLO BIEN LA PRIMERA VEZ
No siempre tendremos unasegunda oportunidad
P. Crosby(1926-2001)
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APLICACIONES TECNOLÓGICAS
Recubrimiento
Circuitosintegrados
Transformaciones
de fases
CONOCIMIENTOS CIENTÍFICOSSOLIDIFICACIÓN
Refinamientopor zona
Soldadura por fusión
Colada de lingotes
Fundiciónde piezas
Solidificaciónrápida
Preparaciónde monocristales
para semiconductores
Solidificación
direccional
Coladacontinua
APLICACIONES TECNOLÓGICAS
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SOLDADURA ALARCO ELÉCTRICO (MIG, TIG, SMAW)
SOLDADURA CON GAS
SOLDADURA CON LÁSER
SOLDADURA CON HAZDE ELECTRONES
SOLDADURADE FORJA
SOLDADURAPOR FRICCIÓN
SOLDADURA PORDIFUSIÓN
UNIÓN ADHESIVA
BRAZING
SOLDERING
(Soldadura de aportesuave < 425 oC)
(Soldadura de aportefuerte > 425 oC)
PEGAMENTOS
SOLDADURA
APLICACIONES TECNOLÓGICAS
SOLDADURAPOR FUSIÓN
SOLDADURA ENEL ESTADO SÓLIDO
SOLIDIFICACIÓN EN LA SOLDADURA
SOLDADURA POR FUSIÓN
Ocurren interacciones de la fuente de calor con el metal base, incluyendo re-fusión, flujo de calor yfluido, vaporización, disolución de gases, solidificación, subsecuente transformaciones en elestado sólido, esfuerzos y distorsión.
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SOLDADURA POR FUSIÓN
Interfaz de soldadura
Granos originalesdel metal base noafectado (pero altatensión residual)
Granos gruesos(Zona afecta por el calor)
Granos más fino
Zona de fusión(granos columnares)
(Banda de metal basefundido o parcialmentefundido)
SOLIDIFICACIÓN EN LA SOLDADURA
SOLDADURA POR FUSIÓN
SOLIDIFICACIÓN EN LA SOLDADURA
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SOLDADURA POR FUSIÓN
CrecimientoEpitaxial
SOLIDIFICACIÓN EN LA SOLDADURA
SOLIDIFICACIÓN EN LA SOLDADURA
http://www.tms.org/pubs/journals/JOM/0306/fig5.gif
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VACIADO DE PIEZAS
APLICACIONES TECNOLÓGICAS
V A C I A D O D
E M E T A L E S
SOLIDIFICACIÓN EN FUNDICIÓN
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V A C I A D O
D E M E T A L E S
SOLIDIFICACIÓN EN FUNDICIÓN
TERMINOLOGÍA
VACIADO:
SOLIDIFICACIÓN EN FUNDICIÓN
Lenguaje de solidificación Microestructura al vaciado(pieza final)
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Lenguaje de fundición Vaciado que no implica pieza final
SOLIDIFICACIÓN EN FUNDICIÓN
COLADA:
TERMINOLOGÍA
SOLIDIFICACIÓN EN FUNDICIÓN
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SOLIDIFICACIÓNTransformación de fases
Líquido SólidoEstructuradesordenada
Estructuraordenada
Comprende dos fenómenos: Nucleación y Crecimiento delCristal.
SOLIDIFICACIÓN:
Transformación desde un Edo. no Cristalino a otro Cristalino.
PROCESOS DE SOLIDIFICACIÓN
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NUCLEACIÓNConsiste en la formación de una nueva fase en una regióndistinta y separada de su alrededores por un borde discreto.
TIPO:Nucleación homogénea = nucleación al azar
Nucleación heterogénea = nucleación en sitio preferidoso catalizadores, que reducen la bar rera energética a lanucleación.
¿Qué es un embrión Núcleo Grano?
DEFINICIONES BÁSICAS
PROCESOS DE SOLIDIFICACIÓN
GRANO:Es el desarrollo y crecimiento final del núcleo (Los núcleos se alimentan ydesarrollan del líquido circundante, hasta su total consumo).
EMBRIÓN:Es un aglomerado de átomos que no tiene la energía lib re su fic ien te paraasegurar su crecimiento y desarrollarse en núcleos estables.
NÚCLEO:
Es la primera fracción de sólido term od inámicamente establ e , lo cual lohace diferenciar de un embrión.
PROCESOS DE SOLIDIFICACIÓN
DEFINICIONES BÁSICAS
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PROCESOS DE SOLIDIFICACIÓNGÉNESIS CRISTALINA
Líneas representan orientación cristal ina
Límite de grano
MICROESTRUCTURA DE UN METAL POLICRISTALINO
CRISTALOGRAFÍA DEL GRANO
¿Q. Pasaría sicada granotuviese la mismaorientación?
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PROCESOS DE SOLIDIFICACIÓN
Zona Chill(Enfriamientorápido)
Zona Central
Molde
ESTRUCTURA DE GRANO DE UN LINGOTE
PROCESOS DE SOLIDIFICACIÓN
Zona Chill (Granos equiaxiales pequeños)
Zona Columnar Granos equiaxiales grandes
ESTRUCTURA DE GRANO DE UN LINGOTE
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PROCESOS DE SOLIDIFICACIÓN
ESTRUCTURA DE GRANO DE UN LINGOTE
REVISIÓN DE CONCEPTOS
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REVISIÓN DE CONCEPTOS
Es cada una de las porciones de un sistema que puede
considerarse homogénea (física + química + estructura) y las
cuales son “físicamente distintas” y mecánicamente
separables (al menos en principio) de otras partes del
sistema. Las propiedades macroscópicas intensiva son
idénticas en cualquier punto de su entorno.
Fase
Cada cambio es un ejemplo detransformación de fase.
REVISIÓN DE CONCEPTOS
Diagrama de fasedel Fe puro
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Componente:
Elemento o compuesto que forma parte de un sistema dealeación. El número de componentes en el sistema debe ser el
mínimo requerido para definir todas las fases. Cada fase en elsistema puede estar constituido por uno o más componentes.
Soluto:Componente minoritario de una aleación.
CONSTITUYENTES METALOGRÁFICOSEs una fase o una combinación de fases que están presentesen una configuración característica dentro de unamicroestructura (ej. Cementita, Perlita)
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CONSTITUYENTES MONOFÁSICOS
► Solución Sólida► Metales Puros► Compuestos Intermetálicos
MEZCLAS MECÁNICAS► Eutécticos► Eutectoides
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CLOROPLASTO EN UNACÉLULA
¿QUÉ ES ESTO?
REVISIÓN DE CONCEPTOS
Compuestos
Es una fase intermedia caracterizada por poseer una composición estequiométrica fija (ej. Fe3C),aunque algunas existen con un rangocomposicional muy pequeño (no estequiométrico)
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Compuestos intermetálicos
Mg2Pb
Metales enlazados estequiométricamente
Fase intermedia
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% peso Li
T e m p e r a t u r a , o C
Se usa para designar a partículas insolubles, lasno disueltas, o partículas precipitadas bastas quese forman y distribuyen heterogéneamente en lasaleaciones de aluminio
REVISIÓN DE CONCEPTOS
PARTÍCULAS CONSTITUYENTES
En los lingotes colados, las partículas podrían seruna fase metaestable o en equilibrio
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Clases de partículas intermetálicas
Basados en las reacciones termodinámicas que los producen y
en la solubilidad de sus componentes dentro de la soluciónsólida terminal, pueden ser clasificadas en:
(óptica)
(TEM)
Microestructura de una aleación de Aluminio en estado de colada
SolubleInsolubleMuy poca solubleIncoherenciaZLP
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REACCIONES INVARIANTES
REVISIÓN DE CONCEPTOS
TIPOS:
I. DURANTE EL ENFRIAMIENTO, UNA FASE SE SEPARA EN DOS
II. DURANTE EL ENFRIAMIENTO, DOS FASES REACCIONAN PARA
PRODUCIR UNA TERCERA, DIFERENTE DE LAS DOSREACCIONANTES
REACCIONES INVARIANTES
L a + b
L
a + b
a
b
Reacción Peritéctica
Reacción Eutéctica
a
+ Lb
b
a
L
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a
b + g
a
b + g
b
g
Reacción Peritectoide
Reacción Eutectoide
a
+ b
g
g
a b
REACCIONES INVARIANTES
L1 a + L2
L1
a + L2a
L2Reacción Monotéctica
Reacción Sintéctica
L1+ L2b
b
L1 L2
REACCIONES INVARIANTES
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MICROESTRUCTURA DE UNA ALEACIÓN
DEFINEN SUS PROPIEDADES FINALES
PROCESOS DE SOLIDIFICACIÓN
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MICROESTRUCTURA
CONSTITUCIÓN
1. Fases Presentes
2. Química de cada fase yEstructura cristalina(Grado de coherencia)
3. Proporción de cadafase (FracciónVolumétrica / incluyendodistribución)
ESCALA
MORFOLOGIA DE LAS FASES
PROCESOS DE SOLIDIFICACIÓN
Morfología de las Fases
. . . . . . .
.... .. .. . . . . .
. . . . . . .
. . . . . .
.. . . . . .
.. . . . . .
.
Escala de la Microestructura
mm mm nm
PROCESOS DE SOLIDIFICACIÓN
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V F
1. Una fase simple puede estar compuesta por más de un componente
2. El agua con cubos de hielos a la temperatura de equilibrio forma:(a) una fase de un solo componente(b) dos fases de un solo componente(c) dos fases con dos componente
3. El agua con cubos de hielo más zumo de limón representa(a) Un sistema de 3 componente y una fase.(b) Un sistema de 2 componentes y 3 fases.(c) Un sistema de 2 componentes y 2 fases.(d) Ninguna
4. El agua con cubos de hielo más soda (CO2) representa- Un sistema de 3 componente y una fase.- Un sistema de 2 componentes y 3 fases.- Un sistema de 2 componentes y 2 fases.- Ninguna
5. Cuantas fases representa la perlita
- Una- Dos
QUIZ
6. Una estructura con fase eutéctica tiene- Muy poco límite de fase- Mucho límite de fase- No tiene límite de fase
PROCESOS DE SOLIDIFICACIÓN
SUBENFRIAMIENTO CINÉTICO Y FUERZAMOTRIZ PARA LA SOLIDIFICACIÓN
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PROCESOS DE SOLIDIFICACIÓN
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CURVA DE ENERGÍA DE UNA REACCIÓN DE TRANSFORMACIÓN
(Barrera de energía)
CURVA DE ENERGÍA DE UNA REACCIÓN DE TRANSFORMACIÓN
Productos
Er
Ep
Edo. transición sin catalizador
Za Zb
EaEdo. transición con catalizador
Q Barrera energética
E n e r g í a
E´aINESTABLE
Equilibrio EstabledG/dZ = 0
Fuerza MotrizG < 0
Reactivos
EquilibrioMetastable y y´E2
x x´E1
E
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MP Tf
Tiempo
SUBENFRIAMIENTO
Tm
T
CURVA SOLIDIFICACIÓN T vs t
t
T
Tm
L
S
Subenfriamiento
ΔTK
L
S
T
G
TmT
Subenfriamiento
ΔT
ΔGv
SUBENFRIAMIENTO CINÉTICO (TK)
T diferencia entre Tm de equilibrio y T real.
CURVA SOLIDIFICACIÓN T vs t
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SOLIDIFICACIÓN DE METALES PUROS BAJO CONDICIONES DE NO-EQUILIBRIO
CURVA SOLIDIFICACIÓN T vs t
(Etapa controladapor Nucleación)
o T
SOLIDIFICACIÓN DE METALES PUROV = Velocidad crecimiento Granos (dr/dt).
I = # eventos nucleaciónm-3 . s-1
qi = Flujo calor interno (recalescencia).ofs = Velocidad Volumétrica de transformación.
N = # granos.
A medida que hay < L > f S
oT= Veloc. Enfriamiento
N VGVTotal
f S = ______
f st t=
tN v
tv N+
Nucleaciónde grano
Crecimientode grano
CURVA SOLIDIFICACIÓN T vs t
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a
a
L
L
a
q
Temperatura eutéctica
Composición
T e m p e r a t u r a
FUERZA MOTRIZ Y SUBENFRIAMIENTO EN SÓLIDO
a
DG 0
T
Composición
Gv
Tma
L
L
a q T e m
p e r a t u r a
FUERZA MOTRIZ Y SUBENFRIAMIENTO EN SÓLIDO
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a
T
DG 0
T
Composición
Gv
Tm
T
a
L
L
a
q T e m p e r a t u r a
FUERZA MOTRIZ Y SUBENFRIAMIENTO EN SÓLIDO
> GV
a
DT
DG 0
T
Composición
Gv
Temperatura eutéctica real
Tm
T
a
L
L
a q T e m
p e r a t u r a
Solidificación fuera del equilibrio
FUERZA MOTRIZ Y SUBENFRIAMIENTO EN SÓLIDO
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EPITAXIA
Estructura dendrítica (óxido Mn) formadasobre la superficie de una roca de cuarcita
EPITAXIA
REVISIÓN DE CONCEPTOS
Es un proceso de crecimiento orientado de una
película sobre la cara cristalina de un substrato,
que puede ser del mismo material que la película
(homoepitaxia) o bien de un material diferente(heteroepitaxia).
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CRECIMIENTO EPITAXIAL
J. Czochralski,
(1885-1953)Metalurgista Polaco
MÉTODO CZOCHRALSKY
MÉTODO CZOCHRALSKYPara monocristales de silicio
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~1 rev/s
Semilla
10µm/s
MÉTODO CZOCHRALSKY
10µm/s
MÉTODO CZOCHRALSKY
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EPITAXIA
SECUENCIA DEL MÉTODO PARA OBTENER MONOCRISTALES
EPITAXIA
SECUENCIA DEL MÉTODO PARA OBTENER MONOCRISTALES
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EPITAXIA
Oblea
Equilibrio es un estado en el cual no se percibeningún cambio, sin importar el tiempo deespera.
ESTADO DE EQUILIBRIO
EQUILIBRIO TERMODINÁMICO
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Equilibrio
Mecánico Térmico
MaterialEquilibrio de fases
Equilibrio químico
T Ta bdq
T Ta b
P Pa bdV
P Pa b
i i
a b m m
dni
i i
a b m m
DIFERENTES CLASES DE EQUILIBRIO
Estable Metaestable Inestable
EQUILIBRIO
Una perturbación infinitesimal tendrá arestaurar el equilibrio
Inestabilidad genuina(sin barrera)
Mínima Energía
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DIFERENTES CLASES DE EQUILIBRIO
Estable Metaestable Inestable Inestable
NO EQUILIBRIOEQUILIBRIO
Una perturbación infinitesimal tendrá arestaurar el equilibrio
Inestabilidad genuina(sin barrera)
Disipandoenergía libre
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DIFERENTES CLASES DE EQUILIBRIO
¿QUÉ ES UNA FASE METAESTABLE?
► La energía libre no está totalmente minimizada
► El equilibrio termodinámico se mantiene paraperturbaciones débiles y lentas
► El tiempo promedio de vida es muy largo
DIFERENTES CLASES DE EQUILIBRIO
► El escape es irreversible: retornar a la fasemetaestable es extremadamente improbable
► El equilibrio metaestable es común en una ampliavariedad de sistemas químicos y físicos: Diamante,magnetos, fluidos supersaturados y subenfriados
¿QUÉ ES UNA FASE METAESTABLE?
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En un sistema constituido por dos fases a, b), la variación de“G” en una transformación infinitesimalmente pequeña es:
02,,2
1
,,1,,,, 122121
+
+
+
dnn
Gdn
n
GdT
T
GdP
P
GdG
nT P nT P nn P nnT
1G 2GSdT VdP -
POTENCIAL QUÍMICO Y EQUILIBRIO
µ = Potencial Químico
Energía libre molar parcial
0++- b b a a m m iiii
dndnSdT VdP dG
POTENCIAL QUÍMICO Y EQUILIBRIO
Si el sistema está en equilibrio Térmico y Mecánico:
0+ b b a a m m iiii
dndn
0+ b b a a m m iiii
dndniii
dndndn - b a
¿Cómo se alcanza el equilibrio material entre fases?
0)-( iii
dna b m m
Fasea Faseb
dni a b m m ii
Se alcanza el equilibrio cuando el potencial
químico en ambas fases es el mismo
mia=mi
b
Equilibrio Material
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POTENCIAL QUÍMICO Y EQUILIBRIO
b a m m B B
b a m m A A
EQUILIBRIO MATERIAL
Si los átomos de una especie particular tiene la misma energía
libre en ambas fases, entonces no hay tendencia para ellosde migrar , y el sistema estará en equilibrio estable si estacondición se aplica a todas las especies de átomos.
POTENCIAL QUÍMICO Y EQUILIBRIO
G