Tema4-Resumen

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1. La solidificación. Su proceso y velocidad.
La solidificación es un proceso mediante el cual un material metálico, en estado líquido,
pasa al estado sólido mediante enfriamiento en un molde, que una vez solidificado, este material
tiene forma de lingote. Este proceso industrial es muy importante, ya que casi toda la metalurgia, se
basa en este fenómeno.
El proceso de solidificación se sigue mediante la curva de enfriamiento, que representa la
variación del tiempo frente a la temperatura. Un material en estado sólido, al enfriarse, va
desprendiendo energía hasta que llega a la temperatura alrededor del punto de fusión y comienza a
solidificar, ordenándose su microestructura. De acuerdo al segundo principio termodinámico: 
Δ S = 
− H  f 
T
 ;el valor de la entropía final (S) es menor que la inicial;
esto nos indica que el estado del sistema ha pasado ha ser más ordenado.
Los núcleos iniciales de solidificación, se inician normalmente en las proximidades del recipiente
que contiene el líquido o bien, alrededor de una partícula de alto punto de fusión que se coloca en el
seno del líquido. Estos agentes reciben el nombre de nucleantes.
Para estudiar la solidificación, se ha de tener en cuenta dos velocidades: la de nucleación
(número de núcleos estables formados en la unidad de
tiempo) y la velocidad de crecimiento ( determinada por el
aumento de la masa de los núcleos con el tiempo).
Estos dos factores dependen de la fuerza
inductora del proceso y del mecanismo de difusión. La fuerza
inductora del proceso se valora por el gradiente de energía
entre el punto de fusión ideal y el subenfriado, de tal forma,
que cuanto mayor sea el gradiente, mayor será la velocidad
de nucleación.
La difusión de los gránulos influye
notablemente en la velocidad de crecimiento. Esta velocidad
de difusión aumenta con la temperatura, por lo que será
mayor a temperaturas próximas a la temperatura ideal. 
Según esto el fenómeno de solidificación, se ve
influenciado por dos conceptos contrapuestos, por lo que, si
la velocidad de nucleación es mayor que la difusión, la
estructura del sólido será altamente granular; si por el
contrario, la velocidad de crecimiento es mayor, el tamaño de los gránulos de solidificación será
mayor.
Desde el punto de vista técnico, interesa un material con unos gránulos pequeños, por lo
tanto se debe aumentar la velocidad de nucleación, o bien enfriando el líquido con rapidez ( el grado
de subenfriamiento es elevado) o bien fragmentando los gránulos formados en el crecimiento,
mediante agitación intensa.
2. Los diagramas de equilibrio Líquido- Sólido. Regla de las
fases.
Se define como fase a una porción o parte homogénea de una sustancia que difiere de los
demás en su composición, estructura o estado de agregación. La representación de las diferentes
fases existentes en un material, se representa mediante el diagrama de fases.
En un diagrama de fases se representan las dos magnitudes de estado intensivas ( p y T),
apareciendo las fases, sólida, líquida y vapor y las fronteras entre cada una de ellas. En el siguiente
diagrama se realiza la representación para el caso del agua pura:
En el diagrama de fases se puede apreciar la existencia de los tres estados de agregación y
las fronteras entre ellos, en forma de líneas de equilibrio donde subsisten las dos fases. El caso el
agua presenta una anomalía en cuanto la pendiente de la línea de equilibrio S-L , es negativa. 
Gibss, utilizando las leyes termodinámicas determinó la regla de las fases, que establece que:
F + L = C + 2
F .- es el número de fases.
L.- es el grado de libertades, que corresponden a las dos variables termodinámicas (p y T) y
a la composición, en el caso de que la sustancia no sea pura.
C.- Son los componentes o diferentes estados de agregación. 
3. Diagrama de equilibrio en aleaciones.
Cuando representamos el diagrama de fases para una sustancia pura a una determinada
presión, el diagrama se reducirá a una línea recta definida por la variación de la temperatura,
señalando los puntos singulares, correspondientes a los cambios de estado: 
Cuando se representa, en lugar de una sustancia pura, una aleación formada por dos
metales, el diagrama es plano, formado por una abscisa que corresponde a la composición
centesimal de cada metal y la ordenada que representa la temperatura.
Cuando la composición de la aleación es por ejemplo del 50%, el líquido comenzara a
solidificar a una temperatura T1 inferior a la temperatura de fusión del metal de mayor PF. En este
momento empezarán a formarse gránulos de átomos de A y comenzará a aumentar la concentración
de átomos de B hasta que solidifica toda la aleación a una temperatura T2 superior a la temperatura
de fusión del B.
En el caso de la industria metalúrgica solamente tienen interés los diagramas de fases S-L .
Existen dos líneas de equilibrio, que es la línea de líquidus y la línea de sólidus, entre las cuales
existirá un equilibrio sólido-líquido. En los puntos sobre estas líneas, al aplicar la regla de las fases,
ocurrirá que : 2 + L = 2 +1, los grados de libertad es uno, pudiendo modificar la temperatura o la
composición de la mezcla. Se puede cambiar la concentración o la temperatura, pero si una de ellas
queda fija, la otra también quedará fijada. En el interior de las dos curvas ocurre exactamente lo
mismo. 
En el interior del dominio del líquido o sólido los grados de libertad son dos, la
composición y la temperatura.
Como se puede observar la curva de enfriamiento al 50 % no posee tramo horizontal en el
punto de fusión.
De acuerdo al diagrama de fases establecido, es posible determinar:
En el punto A la aleación se encuentra en estado sólido con una composición al 50 % de
solubilidad total entre ambos componentes.
En el punto B se encuentra la aleación en dos fases coexistiendo una disolución sólida con el
estado líquido. En esta situación, es posible determinar la composición química de los
componentes atendiendo a la regla horizontal. Para ello se traza una recta horizontal
isoterma que pase por el punto B y en los puntos de corte con la líneas de equilibrio nos
mostrará la composición de la fase líquida y la fase sólida; así, la fase sólida estará formada
por el 75 % de A y la composición de la fase líquida será el 15% de A.
Otra forma para determinar la composición será la utilización de la regla de los segmentos
inversos :
p = cte
A
B
ωL = 
Csa−Ca
Csa−Cla
 y ωS = ( 1 – ωL ) = 
Ca−Cla
Csa−Cla
siendo ωL y ωS los tantos por uno en peso de las fases líquida y sólida
respectivamente, del componente A; Csa, Csb, Cla y Clb , la composición en tanto por ciento en
peso de los componentes a y b en las fases sólidas y líquidas; Ca y Cb son la composición de la
aleación .
Al dividir las dos expresiones anteriores se
obtiene : 
 l
 s
 = 
X
Y
 siendo X el brazo : Csa – Ca e Y el brazo Ca – Cla
por lo tanto se cumplirá la regla de la palanca ωL . Y = ωS . X
4. Diagrama de equilibrio en aleaciones eutécticas.
Una aleación es eutéctica, cuando una determinada composición es muy estable en fase
líquida y solidifica a una temperatura inferior a la de los componentes puros.
El diagrama superior representa a dos metales totalmente insolubles entre si en estado
85%
90%
sólido, dando lugar a una aleación eutéctica para 75 % de A.
En la posición I , la aleación permanecerá en estado fundido hasta la temperatura T1,
coexistiendo las fases sólidas A y B y la fase líquida, no teniendo ningún grado de libertad, la
temperatura es constante. Este proceso se repite sucesivamente obteniendo un núcleo de
solidificación de A, seguido de otro de B y así sucesivamente , manteniéndose la temperatura
constante. La estructura del sólido eutéctico es especial pues está dispuestode láminas entre
mezcladas de A y B.
Las aleaciones situadas a la izquierda del punto eutéctico, recibe el nombre de hipoeutéctico
y las aleaciones a la derecha son las aleaciones hipereutécticas. 
En una aleación hipoeutéctica, ( en el caso II) con el 90 % de A, el contenido de átomos de
B es inferior al de la composición eutéctica comenzando la solidificación a una temperatura T2
inferior a la temperatura de fusión TA, peros superior a T1. Se comenzarán inicialmente a formarse
núcleos sólidos del metal puro A.
En un punto intermedio, cumplirá la regla de los segmentos o de la palanca:
 ωL = 
Csa−Ca
Csa−Cla
 = 
100−90
100−85
 = 0.4
ωS = 
Ca−Cla
Csa−Cla
= 
90−85
100−85
= 0.3
La solidificación en la condición hipereutéctica será similar a la hipoeutéctica pero teniendo
un mayor porcentaje en el componente B, que será puro, rodeado de una matriz eutéctica.
En ocasiones los metales que forman parte de las disoluciones eutécticas, poseen una
solubilidad parcial; este caso es el más frecuente. El diagrama es el que se muestra a continuación.
En el punto eutéctico se forman las soluciones sólidas α + β, cuya composición biene dada por los
extremos de la línea horizontal.
Al enfriar la solución I por debajo de la temperatura eutéctica irá cambiando la
composición
de las fases α y β , según se comprueba trazando las rectas horizontales y aplicando la regla de los
segmentos inversos.
En el caso de la aleación III la solidificación comienza a una temperatura T2 inferior a la
temperatura de fusión del componente A puro, formándose un sólido de fase α de una determinada
composición hasta la temperatura T3 en el que la composición de la fase sólida α iguala a la de la
aleación. Antes de llegar la temperatura eutéctica, aparece la solidificación total y entonces el
constituyente laminar α + β no se encontrará. Al pasar el dominio de dos fases α + β se
transformará al estado sólido.
Las curvas de enfriamiento serán las siguientes:
5. Estado de solidificación en no equilibrio.
Los diagramas de equilibrio se obtienen en un periodo de tiempo dilatado. Normalmente, los
procesos industriales de solidificación se realizan a velocidades de solidificación no lentas,
dando lugar a distorsiones de los diagramas de equilibrio, pudiendo aparecer nuevas fases.
Si dos metales presentan una solubilidad total en estado sólido, no presentan puntos
eutécticos y la solidificación es rápida, el sistema será de no equilibrio.
Una solidificación rápida de no equilibrio, al enfriarse comenzará a solidificar a la
temperatura T1, apareciendo el primer núcleo sólido de composición α1 . A la temperatura T2
se formará un sólido α2 ; debido a la alta velocidad de solidificación, los fenómenos de
difusión no se producen convenientemente y por lo tanto la composición será de un núcleo
de x1 y en la periferia una composición x2 , siendo la composición global la intermedia entre
ambas α´. A la temperatura T3 corresponde el final de la solidificación, en este caso se forma
un sólido de composición αo igual
a la aleación. En condiciones de velocidad rápida de enfriamiento, la composición real de la mezcla
será la correspondiente al punto 2.
La solidificación de no equilibrio finaliza a la temperatura Tf, formándose una última capa
de sólido αf, correspondiente al punto 3 del diagrama:
Solidificación
Los efectos más interesantes que ocurren en la solidificación de no equilibrio son los
siguientes:
1. El intervalo de solidificación aumenta pues la temperatura final disminuye.
2. La curva sólidus se desplaza a la izquierda.
3. La composición de los granos no son homogéneos. Las juntas se encuentran enriquecidas
del elemento de menor punto de fusión, El efecto se conoce como segregación
microscópica.
La segregación microscópica presenta inconvenientes en una aleación metálica puesto que
produce heterogeneidad en la misma y las juntas del grano se enriquecen en el metal de menor
punto de fusión y en impurezas. Las juntas de grano son poco resistentes mecánicamente,
produciéndose en ellas fenómenos de corrosión intragranular, por la diferencia electroquímica de
sus componentes.. La eliminación de la segregación se realiza mediante el recocido de
homogeneización que consiste en calentar la aleación a una temperatura ligeramente inferior a la de
la curva solidus del enfriamiento de no equilibrio (T1) y mantenerla durante un tiempo determinado,
para que desaparezca el gradiente de composición química del grano. Hay que controlar esta
temperatura para que no se llegue a la temperatura de fusión (quemado).
En el caso de una transformación eutéctica de dos metales, y que exista enfriamiento rápido,
puede provocar al desplazarse la curva solidus a la izquierda la aparición del componente α + β
inestable . En este caso se deberá calentar el sólido hasta una temperatura próxima a la eutéctica y
mantenerla constante para que tenga lugar el fenómeno de la difusión.
6. La transformación en el estado sólido.
En el proceso de solidificación de un metal o aleación, su estructura se mantenía fija
solamente en contadas ocasiones, ya que la mayoría de las veces existen en el proceso
transformaciones en estado sólido. Estas transformaciones son lentas puesto que influye la difusión
de los átomos, realizándose en el proceso fenómenos de nucleación y crecimiento.
Normalmente la velocidad a la que se verifica este proceso está relacionada con los defectos
estructurales. Un ejemplo de estas modificaciones en estado sólido lo apreciamos en las
transformaciones alotrópicas en las que un metal cristaliza en su forma α por debajo de una
temperatura To , mientras que por encima de ella su estructura cristalográfica es β . A esa
temperatura To coexisten las dos formas alotrópicas y según la regla de las fases : F + L = C + 1 , los
grados de libertad serán 2 + L = 1 + 1 , cero, transformándose alotrópicamente a temperatura
constante. 
Es muy común utilizar las curvas TTT para estudiar las transformaciones alotrópicas , que
indican tiempo, temperatura y transformación. Para conseguir estas curvas se realiza un
calentamiento rápido de este material por encima de To , enfriando súbitamente el material hasta
diferentes temperaturas y manteniendo esas condiciones isotermas, ver la evolución en el tiempo de
la transformación en las diferentes estructuras cristalinas. En la siguiente gráfica TTT se pueda
apreciar la transformación para un determinado material: 
De acuerdo a esta gráfica el material se
enfría bruscamente desde To hasta T1 y se estudia
la evolución, isotérmicamente a lo largo del
tiempo estableciendo que existe una transición de
las formas alotrópicas β → α durante el tiempo
trascurrido desde t1 a t2 . La primera zona es
metaestable (forma alotrópica β ), una segunda
zona de transición y otra tercera zona estable
(forma alotrópica α).
Cuando un metal que experimenta una
transformación alotrópica, se alea con otro, su
transformación alotrópica varía sensiblemente ya
que la temperatura cambia y ese intervalo de temperaturas no es constante. La transición α + β varía
sustancialmente, dependiendo del porcentaje de la sustancia B en la aleación. Un material
betágeno, si estabiliza la forma alotrópica β , mientras que actúa como un material alfágeno, si
estabiliza la estructura α.
Una transformación alotrópica puede tener consecuencias importantes que afectan a las
propiedades de estos materiales. Entre ellas caben destacar:
1. La disminución del tamaño del grano, puesto que los nuevos granos comienzan la
nucleación en las zonas más inestables de mayor energía y por lo tanto existirá más de un
núcleo.
2. Una reducción de la anisotropía que originan los gradientes térmicos durante la
solidificación.
3. 3. La redistribución de las impurezas. Normalmentelas impureza se concentran en
los límites o juntas de grano, al realizarse una transformación alotrópica, surgen
nuevas nuclealizaciones en zonas de mayor energía, es decir en las juntas de los
antiguos granos, quedando las impurezas en el interior de los nuevos granos, por lo
que las nuevas juntas de granos son más resistentes aumentando sus propiedades
mecánicas.
Otra de las transformaciones en estado sólido más habituales son las eutectoides,
apareciendo una tercera fase sólida. En esa transformación eutectoide, la temperatura
permanece fija, ya que el número de grados de libertad es cero y la aleación estará formada
por láminas muy finas de los estados α y β.
Como siempre, las aleaciones que se encuentran a la izquierda del punto eutéctico reciben el
nombre de hipoeutectoides y las que se encuentran a la derecha son las hipereutectoides.
Al contrario de las eutécticas. La fase que precede a la eutectoide es la matriz; la reacción en
estado sólido comienza en las juntas de grano de la fase inicial y la fase dispersa será la mezcla α +
β.
Una aleación (III) solidifica directamente a la fase α y a medida que la temperatura
disminuye a una inferior del eutectoide, la solubilidad disminuye y aparece la fase β en aquellos
puntos de mayor energía de la estructura α. Las aleaciones de este tipo son fáciles de endurecer,
aumentando su resistencia mecánica ; este proceso recibe el nombre de envejecimiento. El objetivo
es que las partículas β se distribuyan uniformemente por la matriz α , dificultándose las
dislocaciones.
El envejecimiento consta de las siguientes fases:
1. Puesta en solución.- La aleación sufre un calentamiento por encima de una determinada
temperatura, para que la fase β se disuelva.
2. Hipertemple.- La aleación se enfría súbitamente para evitar que se forme la fase β y se
mantenga la fase α en forma metaestable a temperatura ambiente.
3. Maduración.- Se eleva la temperatura moderadamente para lograr que la fase β aparezca
finamente dividida.
El tratamiento del envejecimiento se muestra en la gráfica siguiente.