Proceso de Solidificación en Ingeniería de Materiales

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Ingeniería de Materiales 163 
El proceso de solidificación (Figura 1), implica: 
• Formación de núcleos con pequeños cristales (Nucleación) 
• Crecimiento de los núcleos hasta dar origen a cristales (Crecimiento) 
• Formación de una estructura granular 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Nucleación (Figura 2) 
Es la etapa inicial para la formación de una fase a partir de otra. Está asociada con las 
transformaciones de fase. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Se deben considerar dos tipos de energía (Figura 3): 
1. Energía libre de volumen o global (núcleo sólido), ΔGV 
2. Energía libre superficial (interfase). Aumenta con el radio del núcleo, sl 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Líquido
Radio r
Interfase
Sólido-líquido
24 rA 
3
3
4 rV 
Sólido
-←
 C
am
bi
o 
de
 e
ne
rg
ía
 li
br
e 
→
+
Cambio de energía libre de volumen: 4/3 πr3.ΔGv
Cambio de energía libre de superficie: 
4πr2. δsl
r*
Radio crítico Radio de la partícula, r
Energía libre total del sistema 
sólido-líquido:
embrión núcleo
Fig. 1 – Etapas del proceso de solidificación 
Fig. 2 – Nucleación 
Fig. 3 – Energía en proceso de nucleación 
 
Ingeniería de Materiales 164 
Crecimiento 
Luego de la nucleación se produce el crecimiento. Su desarrollo depende principalmente del 
grado de sobreenfriamiento. Se deben tener en cuenta las variables C0 (Concentración inicial de 
soluto), G (Gradiente térmico en el líquido) y R (velocidad de solidificación). Figura 4. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Mecanismos de crecimiento 
La variable más importante es la eliminación del calor 
Calor especifico del sólido: se elimina por radiación o conducción hasta la temperatura de 
nucleación 
Calor latente de fusión: La forma en que se elimina el calor latente, determina el mecanismo de 
crecimiento del material 
 
Crecimiento plano (Figura 5) 
Hay suficientes agentes nucleantes 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Fig. 4 – Modos de crecimiento en el proceso de solidificación 
Fig. 5 – Crecimiento plano en solidificación 
 
Ingeniería de Materiales 165 
Crecimiento dendrítico (Figura 6) 
Se caracteriza por producirse un alto grado de sobreenfriamiento 
ΔH: aumenta la temperatura del líquido sub-enfriado hasta la temperatura de solidificación 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Fracción dendrítica = 
 
 
Curvas de enfriamiento. 
Material amorfo (por ejemplo vidrio) 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Metal sin sobreenfriamiento 
 
 
 
 
 
 
 
 
Te
m
pe
ra
tu
ra
t
T


Tiempo
Metal amorfo
= Velocidad de enfriamiento
Te
m
pe
ra
tu
ra
Tiempo local de 
solidificación
t
T


Tiempo total de 
solidificación
Tiempo
Fig. 6 – Crecimiento dendrítico en solidificación 
Fig. 8 – Solidificación en materiales amorfos 
Fig. 9 – Solidificación sin sobreenfriamiento 
 
Ingeniería de Materiales 166 
Aleaciones con sobreenfriamiento 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Microestructuras de solidificación (Figura 11) 
a) Nucleación 
b) Zona de enfriamiento rápido 
c) Zona columnar 
d) Zona equiaxiada 
 
 
 
 
 
 
 
Efectos de la solidificación 
 
Contracción (Figura 12) 
 
Material Contracción (%) 
Al 7 
Cu 5.1 
Mg 4 
Zn 3.7 
Fe 3.4 
Aceros 2.5-4.0 
Fundición blanca 4-5.5 
 
 
 
 
 
A
B
C
D E
Tiempo
Te
m
pe
ra
tu
ra
sobrecalentamiento
sobreenfriamiento
Recalescencia
Solidificación isotérmica
Cavidad
Solución: Uso de mazarota 
Fig. 10 – Solidificación con sobreenfriamiento 
Fig. 11 – Microestructuras de solidificación 
Fig. 12 – Efectos de la solidificación 
 
Ingeniería de Materiales 167 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Inclusiones no metálicas (macro y microinclusiones) 
 
Inclusiones, gases y defectos internos 
Las inclusiones son compuestos no metálicos (óxidos, aluminatos, silicatos, sulfuros, etc.). Se 
forman a partir de las impurezas que provienen de las materias primas o del revestimiento de los 
hornos de proceso y sistemas de colada. 
Por el tamaño, pueden ser microinclusiones o macroinclusiones. Estas partículas afectan a las 
propiedades en general, en función de la durabilidad e integridad. 
La calidad de las piezas fabricadas por moldeo, en gran parte depende del tamaño, forma, 
distribución y cantidad de inclusiones. El control de estas características se realiza en las etapas 
de fusión y solidificación de las piezas. 
El contenido de gases es un factor preponderante en la obtención de componentes de buen 
grado de calidad. Existen equipos de desgasificación, pero también es necesario la aplicación de 
técnicas de secado de materias primas y moldes. 
Durante la solidificación se produce la contracción de las piezas moldeadas. Esto puede dar lugar 
a la aparición de discontinuidades internas de nivel no aceptable. Por lo tanto se deben tomar 
precauciones para la obtención de piezas útiles. 
 
Calidad superficial 
En piezas fabricadas por moldeo es importante lograr una buena calidad superficial. Esto 
depende de las características del material utilizado para el molde, del molde, de la pintura 
utilizada para la protección del molde y de la temperatura de moldeo. 
La obtención de piezas con baja calidad superficial obliga a realizar operaciones de recuperación 
y acondicionamiento que en general son costosas. 
 
Tratamientos térmicos y mecanizado 
Para la obtención de piezas terminadas, es inevitable la aplicación de tratamientos térmicos. Así 
se logra homogeneidad química y microestructural. 
El mecanizado finalmente es la etapa de elaboración que posibilita el uso de las piezas 
moldeadas. 
0 250 500 750 1000
0,0
0,2
0,4
0,6
0,8
1,0
1,2
1,4
S
ol
ub
ili
da
d 
de
l h
id
ró
ge
no
 (c
m
3 H
2/1
00
 g
 d
e 
A
l)
Temperatura ºC
Solubilidad del Hidrògeno gaseoso en el aluminio 
Porosidad (Figura 13)