Taller solidificacin y transformaciones de fase

Johanna Fernanda vila German Enrique Daz Juan Pablo Solano Pachn Sebastin Federico RojasCarlos Andrs Valderrama

Universidad pedaggica y tecnolgica de Colombia Facultad de ingeniera Solidificacin Tunja Boyac 2014

1. DEFINA EN TRMINOS DE TERMODINMICA QUE ES LA SOLIDIFICACIN.Se debe entender que las piezas metlicas estn constituidas por lo menos por un material que a sufrido una transformacin

Solido Liquido

A este cambio fsico se le denomina solidificacin, En trminos termodinmicos se entiende como el fenmeno en el que se desarrolla un proceso de nucleacin y crecimiento.Hay solidificacin cuando: Un ncleo con pequeos cristales Crecimiento del ncleo hasta dar origen a cristales y la formacin e una estructura granular.

2. COMO ES LA NATURALEZA DE LOS LQUIDOS.Los lquidos termodinmicos se entiende como el fenmeno en el que se desarrolla un proceso de nucleacin y crecimiento.3. COMO ES LA NATURALEZA DE LOS SLIDOS.Contrario a la naturaleza de los lquidos en este se refiere a aquellos que poseen red.En este caso es posible hablar de orden de largo alcance lo que permite descrubrir defectos estables es decir las alteraciones de la estructura cristalina con respecto a la periodicidad perfecta asociada a la red que lo caracteriza Se pueden identificar defectos. Defectos puntuales (vacancias, intersticiales, impurezas) Defectos lineales (dislocaciones) Defectos de superficie (bordes de grano, interfaces) Defectos tridimensionales o de volumen (inclusiones).4 EXPLIQUE LAS DIFERENCIAS ENTRE ESTADO SOLIDO Y ESTADO LQUIDOLa mayora de sustancias se presentan en un estado concreto. As, los metales o las sustancias que constituyen los minerales se encuentran en estado slido y el oxgeno o el CO2en estado gaseoso: Los slidos: Tienen forma y volumen constantes. Se caracterizan por la rigidez y regularidad de sus estructuras. Los lquidos: No tienen forma fija pero s volumen. La variabilidad de forma y el presentar unas propiedades muy especficas son caractersticas de los lquidos. Los gases: No tienen forma ni volumen fijos. En ellos es muy caracterstica la gran variacin de volumen que experimentan al cambiar las condiciones de temperatura y presin.Las principales diferencias entre dos estados son los cambios de fluidez y difusibilidad. Fluidez es la cualidad de un metal para adoptar la forma de su recipiente, lo cual se determina por la velocidad de la deformacin de un cuerpo en respuesta a una fuerza esttica constante.Difusibilidad es la medida de la velocidad a la que los tomos pueden moverse de un lugar a otro fortuitamente.Tanto la fluidez como la difusibilidad cambian rotundamente al ocurrir la fusin, porque de ellos depende la estructura resultante al terminar la fase de la condensacin. El lquido es un acomodo desordenado de tomos, sin orden de alineamiento ni de formacin regular, lo que peridicamente se repite en tres dimensiones.El slido es acomodo tridimensional de tomos en un orden casi perfecto.Estas propiedades que dependen de la distancia entre tomos, afectan muy poco durante la fusin y la solidificacin. La conductividad y densidad no producen tantos cambios como la difusibilidad, por tal razn es posible desde luego suponer una estructura de propiedad poco sensible. Es importante notar que la densidad no se altera en forma notable con la transformacin lquido-slido.FluidezLa fluidez es una caracterstica de los lquidos o gases que les confiere la habilidad de poder pasar por cualquier orificio o agujero por ms pequeo que sea, siempre que est a un mismo o inferiorniveldel recipiente en el que se encuentren (el lquido), a diferencia del restante estado de agregacin conocido comoslido.La fluidez se debe a que un fluido puede adquirir una deformacin arbitrariamente grande sin necesidad de ejercer unatensin mecnica, dado que en los lquidos la tensin mecnica o presin en el seno del fluido depende esencialmente de la velocidad de la deformacin no de la deformacin en s misma (a diferencia de los slidos que tienen "memoria de forma" y experimentan tensiones tanto ms grandes cuanto ms se alejan de la forma original, es decir, en un slido la tensin est relacionada primordialmente con el grado de deformacin).5 EXPLIQUE LA TRANSICIN LIQUIDO-SLIDOSe ha de examinar en primer trmino como tiene lugar el proceso de solidificacin. Considrese el caso ms sencillo; un lquido de un solo componente puro, esto es un lquido cuya composicin no cambia al solidificar. Se ha de suponer tambin, que el enfriamiento es lo suficientemente lento como para que no se produzcan cambios en el lquido si el proceso es interrumpido durante un periodo de tiempo.El efecto ms pronunciado que se observa al enfriar es que la transformacin del lquido al slido cristalino se produce a una temperatura determinada y con una brusca cesin de calor al medio. Esto ltimo es una consecuencia del proceso por el cual los tomos en estado catico en el lquido, se relaja a un estado ordenado para constituir el slido cristalino. El calor as desarrollado se denomina CALOR LATENTE DE FUSIN (Lf) y es obviamente igual al absorbido al medio por el cristal cuando pasa al estado lquido.Suponiendo que la estructura cristalina que se produce es independiente de la temperatura de solidificacin una medida conveniente de ordenamiento atmico que se produce en el proceso esta dada por la relacin entre el calor latente o entalpa de fusin y la temperatura, Lf/Tf, que no es otra cosa que la entropa de fusin, Sf.6 TERMODINAMICAMENTE QUE ES LA TEMPERATURA DE FUSINEs la temperatura de equilibrio entre un slido y su propio lquido cuando no hay flujo sensible de energa o de masa.Esta temperatura es una propiedad del slido y del lquido, depende de las caractersticas de ambos. La mayora de los metales sufre una contraccin del volumen al solidificar por lo cual un aumento de presin causa una disminucin del punto de fusin.En efecto, a la temperatura de fusin, la energa libre de Gibbs es igual para ambas fases:

Por definicin:

Donde H es la entalpa, S la entropa y T la temperatura absoluta. Luego,

De este modo se mide el cambio de orden, cuando un lquido se transforma en slido pudiendo obtenerse tal medida de la relacin del calor latente con la temperatura de fusin.

7. QUE ES EL SOBREENFRIAMIENTOAlgunos lquidos se pueden enfriar temporalmente a temperaturas ms bajas que su punto de congelacin. Se dice que estn sobre enfriados. Esto es debido a que cuando se alcanza la temperatura de fusin (en este caso, de solidificacin) los tomos del lquido estn demasiado desordenadas y no tienen la orientacin adecuada para alcanzar la estructura cristalina.En consecuencia, puede continuar descendiendo la temperatura del lquido por debajo del punto de fusin sin que llegue a producirse la solidificacin. Dada la inestabilidad de los lquidos sobre enfriados cualquier perturbacin, aunque leve, puede provocar que solidifique rpidamente. Basta con que unpequeo nmero de tomos se ordenen y alcancen la estructura correcta y se forme un cristal mnimo que sirva como base de la cristalizacin para que sobre l se acumulen los tomos adicionales y se produzca la solidificacin del lquido.

8. QUE ES LA NUCLEACIONSe llama nucleacin a la aparicin de una nuevafaseestable. cada fase posee unaenerga libre de Gibbsde modo que las curvas de la energa libre se cortan en un punto a una determinada temperatura, dicha temperatura sera la temperatura de la transicin. Para la formacin de la nueva fase ambas energas libres deben de ser iguales, de modo que a temperaturas menores a la temperatura de transicin nicamente existira fase inicial mientras que a temperaturas mayores existira la fase final. Es inmediatamente despus de la temperatura de transicin cuando aparecen las primeras regiones (ncleos) de la nueva fase, no obstante, estas regiones pueden ser estables o no debido a fluctuaciones trmicas, si la regin de material es estable, entonces se habra formado un ncleo de la nueva fase y habra sucedido la nucleacin de lo contrario, si la regin no es estable no suceder la nucleacin y se volvera a la fase inicial.

Un ejemplo de nucleacin es; El agua pura se congela a 42C, en lugar de su temperatura de fusin de 0C

9. QUE ES LA NUCLEACIN HOMOGNEASe considera en primer lugar la nucleacin homognea , por que es el caso mas simple de la nucleacin. La nucleacin homognea se da en el liquido fundido cuando el metal proporciona por si mismo los tomos para formar el ncleo. Cuando se enfra un metal puro por debajo de su temperatura de equilibrio de solidificacin en un grado suficiente, se crean numerosos ncleos homogneos por movimiento lento de tomos que se mantienen juntos. La nucleacin homognea requiere habitualmente un elevado grado de subenfriamiento. Para que un ncleo estable pueda transformarse en un cristal debe alcanzar un tamao critico.Para la nucleacin Homognea deben considerarse dos tipos de cambios de energas: Energa libre volumtrica (o global) liberada por la transformacin de liquido a slido Energa libre superficial requerida para formar las nuevas superficies slida de las partculas solidificadas. Cuando un metal liquido se enfra por debajo de su temperatura de solidificacin de equilibrio, la energa motriz para la transformacin de liquido a slido es la diferencia de entre la energa libre volumtrica del liquido y del slido, sin embargo , hay una energa que se opone a la formacin de ncleos que es la energa requerida para formar la superficie de estas partculas .

En la figura se muestran las variaciones de Gv, Gs y G en funcin de r. Como se ve, existe un valor de r para el cual G es mxima. Este valor se denomina radio crtico, r* y se calcula inmediatamente como

10. NUCLEACION HETEREOGENEA

Es la nucleacin que tiene a lugar en un lquido sobre la superficie del recipiente que contiene impurezas insolubles, u otros materiales estructurales que disminuyen la energa libre para formar un ncleo estable. Para que se produzca la nucleacin heterognea, el agente de nucleacin solido (impureza o recipiente) debe ser mojado por el metal lquido. Adems el lquido debera poder solidificar fcilmente sobre el agente de nucleacin. La nucleacin heterognea tiene a lugar sobre el agente de nucleacin porque la energa superficial para formar un ncleo estable sobre el material es ms baja que si el ncleo se formara sobre su propio ncleo puro (nucleacin homognea)Pueden presentarse dos casos extremos de Nucleacin, que dependen de la relacin de energas interfaciales.Cuando se tiene un gradiente de temperatura positivo el calor debe ser extrado por el slido. El movimiento de la Interfase es controlado por la cantidad de calor removido a travs del slido. Adems la Interfase debe ser isotrmica y moverse con velocidad uniforme. Si una protuberancia de slido avanza hacia el lquido sta se encuentra con lquido sobrecalentado y se disuelve. Se produce as un crecimiento con una Interfase de forma plana o redondeada, pero sin protuberancias.

Cuando se tiene un gradiente de temperatura negativo el calor puede ser extrado tanto por el slido como por el lquido, por lo tanto, el movimiento de la interfase no es controlado por la cantidad de calor removido a travs del slido. Al desencadenarse el proceso de solidificacin se desprende calor latente que eleva la temperatura de la interfase S-L, de esta manera es posible que delante de la interfase se genere un gradiente negativo de temperatura. Si una protuberancia slida avanza, se encontrar con lquido sobreenfriado y sta tender a crecer an ms hacia el interior del lquido.

El conocimiento actual de la nucleacin heterognea es muy pobre ya que no existe ninguna teora que explique en forma satisfactoria como se determina la potencia de un nucleante sus caractersticas qumicas, cristalo11. EXPLIQUE QUE ES EL RECOCIDO TOTALEl recocido Total es el proceso consistente en calentar el acero a cierta temperatura y luego enfriar lentamente a lo largo del intervalo de transformacin, preferentemente en el horno o en cualquier material que sea buen aislante al calor.El propsito del recocido es el de refinar el tamao del grano, proporcionar suavidad, mejorar las propiedades elctricas y magnticas y mejorar el maquinado.Dentro del Recocido Total, el acero es calentado aproximadamente a 100 F por encima de la temperatura critica manteniendo el metal por un prolongado perodo de tiempo. Luego, la muestra es enfriada a temperatura ambiente en un enfriamiento muy lento.El calentamiento desde la temperatura ambiente hasta antes de llegar a la temperatura critica no ocurrir cambios en el tamao de los granos; pero al cruzarse la lnea critica hasta por encima de 50 F provocara que las reas de perlita se transformen en pequeos granos de austenita por medio de la reaccin eutectoide, mas los granos de ferrita iniciales permanecern invariables.Si el acero es hipoeutectoide o hipoeutectoide la temperatura recomendada para en Recocido Total ser de 50F por encima de la temperatura critica de la aleacin.Si se realiza el enfriamiento desde este punto, no se lograra refinar el tamao del grano. Si se continua el calentamiento hasta llegar a la regia Austenstica se lograra que los granos de Ferrita se transformen en pequeos granos de Austenita de forma tal que toda la estructura presentada ser de pequeos granos austensticos.Llevando luego este metal por medio de un enfriamiento apropiado se observara que la microestructura se encuentra presente pequeos granos de Ferrita Proeutectoide y pequeas reas de Perlita Laminar Gruesa; hablando siempre de los aceros hipoeutectoides.Para los aceros hipereutectoides la microestructura durante el proceso se describe como gruesos granos austenisticos durante el calentamiento que dar lugar a la formacin final de grandes reas de formacin Perltica gruesas de tipo Laminar. Pero los espacios entre los limites de granos estarn ocupados por una red de Cementita Proeutectoide.La presencia de esta red de Cementita debilita al acero ya que esta red es un plano de fragilidad por tanto el Recocido Total en los aceros hipereutectoide no puede tomarse como el tratamiento final para este tipo de acero; para mejorar la maquinabilidad de este tipo de acero se debe realizar el siguiente Tratamiento Trmico: La Esferoidizacin.

RECUPERACION Y RECRISTALIZACIONCuando se deforma plsticamente un metal a temperaturas bastante inferiores a la de su punto de fusin, se dice que el metal ha sido trabajado en fro. La mayor parte de la energa empleada en esta deformacin se disipa como calor, almacenndose una pequea fraccin como energa de deformacin. sta ltima se acumula en forma de dislocaciones y de defectos puntuales, por ejemplo: ruptura de enlaces y vacancias. Como el aumento de densidad de dislocacin no es pareja, se producen zonas de mayor densidad, lo que lleva a la generacin de celdas.Cuando se calienta este material ocurren dos procesos que disminuyen la energa interna almacenada: Recuperacin RecristalizacinAdems de los procesos antes mencionados y dependiendo del tiempo y de la temperatura a la que se caliente el material, puede presentarse un tercer proceso denominado crecimiento de grano, ste ocurre cuando se contina el recocido luego de completarse la recristalizacin.12. QUE ES EL RECOCIDO DE RECUPERACIONLa recuperacin es la primera etapa del proceso de recocido. Por una parte, con mayor temperatura se produce el alivio de esfuerzos internos causados por el trabajo en fro, (tensiones residuales), y por otra parte, se producen cambios microestructurales que se detallan ms adelante.La recuperacin comprende una serie de fenmenos que ocurren a temperaturas ms bien bajas, con respecto a la temperatura de fusin del material, entre los que se pueden destacar: Aniquilacin de defectos puntuales Poligonizacin Cada de la resistividad elctrica (R)

La aniquilacin de defectos puntuales consiste en la difusin, mediante la adicin de calor, de las vacancias hacia las dislocaciones y bordes de granos, as se logra disminuir su cantidad hasta el nmero de equilibrio a la temperatura correspondiente.La poligonizacin consiste en la readecuacin de un cristal flexionado para la cual ste se descompone en cierto nmero de pequeos segmentos cristalinos con leves diferencia de orientacin ntimamente ligados, logrando que las dislocaciones se re dispongan en una configuracin de menor energa, formando subgranos y bordes de grano de ngulo pequeo.La cada de la resistividad elctrica (R) se ve afectada por las vacancias, cuyo campo de deformaciones interfiere con el flujo de los electrones; al disminuir el nmero de vacancias disminuye, tambin, R.En la Figura 1 se observa el comportamiento de R para un alambre de cobre, (curva superior), en ella se aprecian grandes cadas de la resistividad que se deben a entregas de calor correspondientes a transformaciones al interior de material; paralelamente se han registrado los calores entregados cuando ocurren cambios en la estructura interna del metal, (curva inferior), la cumbre de esta ltima define la regin de recristalizacin del Cu.

Figura 1Para recocidos a temperaturas ms bien altas, las dislocaciones comienzan a agruparse y a rediponerse y a redisponerse por medio de ascenso en configuraciones de menor energa, por ejemplo, las dislocaciones entrelazadas desordenadamente, se disponen en hexgonos formando subgranos, ver Figura 2 Figura 3

Nota: en el hierro la temperatura a la cual ocurren estos fenmenos depende fuertemente de su pureza, puede comenzar en el rango de 50 a 200 C y completarse a alrededor de 500 C.

13. QUE SE ENTIENDE POR RECRISTALIZACIONSi un metal previamente deformado en fro, es recocido a una temperatura suficientemente alta, (temperatura de recristalizacin), aparecen nuevos Cristales en la microestructura, los que tienen idntica composicin y estructura reticular que los antiguos granos no deformados. Estos nuevos cristales surgen en zonas con alta densidad de dislocaciones, Figura 4 La fuerza impulsora de la recristalizacin proviene de la energa almacenada del trabajo en fro.

Si el calentamiento continua, el grano original donde estn presente las dislocaciones dar lugar a granos de menor tamao que estarn libres de imperfecciones y de esfuerzos residuales. Estos nuevos granos no presentan la forma alargada de los granos originales sino que son ms uniformes en sus dimensiones.Esta parte del proceso tiene como fin ltimo el refinar el tamao del grano, eliminando las tensiones internas y disminuyendo la heterogeneidad estructural, el recocido contribuye a mejorar las propiedades de plasticidad y viscosidad en comparacin con las obtenidas despus de fundido forjado o laminado.El proceso de Recristalizacin requiere elevar la temperatura por debajo del cual no se dar el proceso de recristalizacin, mas esta temperatura no es un valor definido sino una temperatura aproximada que recibe el nombre de Temperatura de Recristalizacin definida como La temperatura aproximada a la que un material altamente trabajado en fro se recristaliza por completo en una hora".14. EXPLIQUE TEMPERATURA DE RECRISTALIZACIONLa temperatura de recristalizacin corresponde a la temperatura aproximada a la que un material altamente trabajado en fro se recristaliza por completo en una hora, Figura 5.La recristalizacin es sensible a cambios en la temperatura a la que se realiza, ms que a variaciones de tiempo a temperatura constante.

La Temperatura de Recristalizacin depende de diversos factores pero entre los principales tenemos:1. La severidad de la deformacin plstica.2. El tamao del grano original deformado plsticamente.3. La temperatura a la cual ocurre la deformacin plstica.4. El tiempo en el cual el metal deformado plsticamente es calentado para obtener la temperatura de Recristalizacin.5. La presencia de elementos disueltos en el metal.Obsrvese que a mayor cantidad de deformacin previa, menor ser la temperatura necesaria para iniciar el proceso de la Recristalizacin debido a la mayor distorsin y a la mayor cantidad de energa interna disponible.Si aumentamos el tiempo de recocido lograremos disminuir la temperatura de Recristalizacin.Si la intensidad del trabajo en fro es similar en dos muestras; aquella que presente los granos ms finos introducir un mayor endurecimiento por deformacin en el metal y por lo tanto, menor ser la temperatura de Recristalizacin que en aquella de grano mayor.Si la deformacin en fro ocurre a una temperatura menor en una muestra que en otra, mayor ser el grado de deformaciones introducidas disminuyendo efectivamente la temperatura de Recristalizacin para cierto tiempo de recocido que en la otra muestra.

15. COMO ES EL CRECIMIENTO DEL GRANO Temperatura Tamao de grano

El crecimiento de grano depende de la temperatura en la que se encuentre el metal, por tanto al aumentar la temperatura, aumenta gradualmente el tamao de grano. adems existen otros factores como el tiempo y los tratamientos trmicos a los que haya sido sometido el material previamente, aun as entre ms grande es el grano, menor es el rea de frontera existente.

16. COMO SE DEFINE EL CRECIMIENTO DE GRANO

En condiciones ideales, el menor estado de energa para un metal seria aquel que estuviese formado por un solo cristal, ya que, entre menor rea de frontera exista, menor es su energa libre y es esta fuerza la que impulsa el crecimiento de grano.Siendo asi, es posible obtener grano de gran tamao, manteniendo la muestra durante largo tiempo en la regin de crecimiento 17. COMO ACTUAL EL TIEMPO A LA TEMPERATURA DE RECOCIDOAl aumentar el tiempo a cualquier temperatura mayor a la de re cristalizacin favorece el crecimiento de grano e incrementa el tamao final de grano. El crecimiento del grano ocurre debido al proceso de coagulacin y reorientacin de los granos adjuntos y esto es funcin del tiempo y la temperatura. Conforme la temperatura aumenta, la rigidez de la red disminuye produciendo un incremento en la rapidez de crecimiento del grano.Por tanto, la nucleacin y el posterior crecimiento del grano comprendidos en el proceso de recocido sern los factores a controlar para la obtencin de propiedades ultimas acorde con las necesidades. Si se favorece una nucleacin rpida y un crecimiento lento se obtendr como resultado un material de grano fino con el incremento en la tenacidad o resistencia al impacto con el aumento en la dureza; en cambio, si la nucleacin es lenta y el crecimiento del grano es rpido en tamao del grano ser grueso con el resultado de que el metal disminuye su tenacidad y su maquinabilidad y en cambio aumenta su ductilidad.

18. EFECTO DE RECOCIDO SOBRE LAS PROPIEDADESAl devolver el material a un estado reticular libre de tensiones internas es un proceso de reblandecimiento, es decir vuelve as a adquirir sus propiedades originales. La dureza y resistencia disminuye, mientras la ductilidad aumenta El recocido tiene como finalidad principal el ablandar el acero u otros metales, regenerar la estructura de aceros sobrecalentados o simplemente eliminar las tensiones internas que siguen a un trabajo en fro. Esto es, eliminar los esfuerzos residuales producidos durante el trabajo en fro sin afectar las propiedades mecnicas de la pieza finalizada