SOLIDIFICACIÓN DE UN METAL
Los metales puros tienen muy pocas aplicaciones ya que resultan difíciles de obtener y purificar, tienen una buena resistencia a la corrosión y alta conductividad eléctrica, por todo ello resultan útiles para aplicaciones muy concretas. Solidifican en una estructura cristalina determinada y dependiendo de la velocidad de enfriamiento durante la solidificación, pueden formarse un mayor o menor número de núcleos que darán lugar a granos, cuyo tamaño determinará sus propiedades mecánicas.
Por lo tanto, el proceso de solidificación es muy importante, ya que las propiedades de los metales dependen en gran medida de la forma en que se solidifican.
La solidificación de un metal comienza en varios puntos de su volumen a la vez. En cada uno de ellos la red cristalina toma una orientación determinada. Cuando, poco a poco estos puntos donde ha comenzado a solidificarse el metal van creciendo, llega un momento que entran en contacto unos con otros. Cada una de estas zonas con una orientación cristalográfica distinta son denominadas GRANOS o cristales y la zona que separa unos granos de otros se denomina JUNTA DE GRANO.
El tamaño de los granos es fundamental, ya que las juntas de grano impiden o restringen los movimientos de las dislocaciones (defectos de la red cristalina entorno a una línea que disminuyen la resistencia mecánica de los materiales metálicos). De esta forma, cuanto mas pequeños sean los granos, mas juntas de grano nos encontraremos y mayor será la resistencia del metal a las deformaciones. Cuanto más fácilmente se desplazan las dislocaciones al aplicar una fuerza, menor será la resistencia y cuanto menor sea la movilidad de las mismas mayor la resistencia mecánica.
SOLUCIONES SÓLIDAS O ALEACIONES
La mayoría de los metales no se utilizan en su forma pura. Generalmente se mezclan con otros metales o no metales para dar lugar a las ALEACIONES (mezcla de dos o más metales o de algún metal con un no metal, cuyo producto tenga las características de un metal).
Toda aleación debe cumplir:
1. Que los elementos que pretendemos alear sean totalmente miscibles en estado líquido para que, cuando solidifiquen originen un producto homogéneo.
2. El material obtenido debe tener las características de todos los metales.
Los metales solidifican en una estructura cristalina por lo que los átomos que introducimos han de formar parte de dicha estructura.
Si la aleación cristaliza en la misma red tridimensional, se denomina DISOLVENTE al metal que se encuentra en mayor proporción y SOLUTO al que encontramos en menor proporción.
TEMA 3-4: METALES J.A. González 2 final, aunque esté en una proporción menor que el SOLUTO que tiene una estructura cristalina distinta a la que tiene la aleación que obtenemos.
Las soluciones sólidas pueden ser: de sustitución o de inserción. De sustitución si átomos de soluto sustituyen a algunos átomos de disolvente en la estructura cristalina que forma la aleación. De inserción cuando átomos de soluto se introducen en los intersticios de la red cristalina, generalmente son átomos de no metálicos como el carbono.
Soluciones Sólidas De Sustitución:
Los átomos de soluto sustituyen a algunos átomos de disolvente en la estructura cristalina.
Para que dos metales sean totalmente solubles en estado sólido deben cumplirse varias condiciones:
1. Ambos metales deben cristalizar en el mismo sistema. Si cristalizan en estructuras distintas, habrá un límite de saturación. En este caso, si queremos realizar una aleación de dos metales A y B, que cristalizan en dos estructuras distintas, es posible que átomos del metal A se sitúen en la estructura cristalina de B solamente hasta cierta proporción, como es lógico. Esta proporción será el límite de saturación de A en B. Que será distinto del límite de saturación de B en A.
2. Los metales A y B deben de tener la misma valencia para que el número de electrones cedido por cada átomo a la nube electrónica sea el mismo.
3. Los dos metales deben tener una electronegatividad similar.
4. Los diámetros atómicos de los átomos de ambos metales no deben de diferenciarse en más de un 15%.
Soluciones Sólidas De Inserción:
En estas aleaciones los átomos de soluto se insertan en los huecos o intersticios de las celdas unitarias de la red cristalina del disolvente. Este tipo de soluciones sólidas suelen producirse cuando la diferencia de tamaño entre el disolvente y el soluto es muy grande. El soluto suele ser un NO metal de pequeño tamaño como el carbono, nitrógeno, oxígeno o hidrógeno. Normalmente, sólo se pueden disolver de esta forma pequeñas proporciones de soluto. Por ej: en el caso del hierro FCC, a pesar de que el radio del Fe es de 0,129 nm y el del C de 0,075 nm (mucho mas pequeño), sólo pueden disolverse un máximo de 2,08 % de carbono en hierro.
MECANISMOS DE ENDURECIMIENTO DE LOS METALES
Endurecimiento por deformación en frío (a temperatura ambiente): un material que se deforma plásticamente, se endurece, al aumentar la densidad de las dislocaciones que dificulta su movilidad. Los materiales que son sometidos a procesos de deformación en frío son “agrios” y presentan alta resistencia mecánica, baja ductilidad y son frágiles.
Endurecimiento por afino del grano: las juntas de grano actúan como barreras que entorpecen el movimiento de las dislocaciones y por tanto, más resistente será el material. Por lo tanto, cuanto menor sea el tamaño de grano de un material metálico mayor será el límite de elasticidad del mismo. El tamaño del grano depende mucho del proceso de solidificación de la aleación.
PROCESO DE SOLIDIFICACIÓN
Cuando se enfría un metal llega una temperatura (temperatura de equilibrio) en el que la energía del metal en estado líquido iguala a la del metal en estado sólido.
Este proceso tiene dos etapas: nucleación y crecimiento. En la nucleación se crean pequeños núcleos sólidos dentro metal fundido. En el crecimiento los núcleos sólidos van creciendo porque el sólido se va solidificando y estructura formada por granos dentro de los que encontramos una estructura cristalina que tendrá la misma orientación en todo el grano.
Si representamos en una gráfica la temperatura y el tiempo de enfriamiento de un metal puro, se observa que a la temperatura de equilibrio se produce primero la nucleación y luego el crecimiento de los granos. Durante este proceso hay que evacuar el calor que se desprende.
Velocidad de solidificación
La solidificación del metal fundido comienza por la formación de núcleos estables de metal sólido que van creciendo y aumentando de tamaño. Por tanto la velocidad de solidificación viene dada por el producto de velocidad de nucleación (formación de núcleos) por velocidad de crecimiento de los mismos.
Las propiedades mecánicas mejoran al disminuir el tamaño de los granos, esto puede conseguirse:
1. Aumentando la velocidad de nucleación lo que puede lograrse enfriando bruscamente el material.
TEMA 3-4: METALES J.A. González 4
DIAGRAMA DE EQUILIBRIO O FASES
Una fase de un material es una parte homogénea del mismo que es distinta al resto por su composición, estructura o estado. Las fases se representan en el diagrama de fases o equilibrio. Ej. En el diagrama de fases del agua pura diferenciamos 3 fases: la líquida, la sólida y la gaseosa.
La solidificación de un metal A se produce a una temperatura constante, en este caso a 1200 ºC. Los metales solidifican a diferentes temperaturas, en el caso del metal B es a 700 ºC. Cuando aleamos ambos metales, el proceso comienza, en este caso a una Tª 1050 ºC y finaliza a unos 800 ºC. Este cambio en la solidificación es producto de la mezcla de los metales.
Si representamos la aleación en función del porcentaje de cada uno de los metales que aleamos tendremos:
En el extremo izquierdo, tendremos 100% del metal B y la Tª de solidificación es 700º C. En el extremo derecho donde tenemos 100% de metal A y 0% de metal B tendremos que la Tª de solidificación es de 1200ºC.
REGLA DE LA PALANCA
Si experimentalmente obtenemos esta gráfica de la aleación de dos metales A y B, podemos determinar en un punto B el tanto por uno de sólido y el tanto por uno de líquido que tenemos. Como vemos en ella, el punto B está entre la línea deliquidus y desolidus y por tanto, hay metal fundido y núcleos solidificados.
Trazamos una línea que corte a las curvas y llamamos WLA al tanto por uno de masa sólida que
podemos encontrar en el punto B del metal A.
Siendo CA la concentración de metal A en el punto B (50%); CSAconcentración de sólido del metal
A (75% corte con la curva solidus) y CLA concentración de líquido del metal A (15% corte con la
curva de líquidus).
LA SA A SA L
C
C
C
C
W
Dado que el tanto por uno de sólido en el punto B será el total menos el tanto por uno de líquido,
TEMA 3-4: METALES J.A. González 6 Para una aleación 50% de metal A y 50 % metal B a una temperatura T2 analicemos la cantidad de sólido y de líquido que tendremos.
CA =50%; Trazamos una línea horizontal y
CSA=85 cantidad de solido a T2 es el corte
con la línea de solidus.
CLA=35 cantidad de liquido a T2 es el corte
con la línea de liquidus.
7
´
0
35
85
50
85
L
W
0
´
3
35
85
35
50
S
W
En tantos por 100 :
WL= 70% y WS= 30%
DIAGRAMA HIERRO CARBONO
Para que una solución de hierro-carbono reciba el nombre de aleación, la concentración de carbono no puede ser mayor del 6´67 %, ya que si lo fuese perdería las cualidades metálicas y recibiría el nombre de compuesto químico.
Hierro: tiene un contenido de carbono entre el 0, 008 % y el 0, 025 %. El hierro puro es difícil de obtener puesto que la concentración de carbono a temperatura ambiente ha de ser menor al 0,008%. Por otra parte sus aplicaciones están limitadas casi exclusivamente a núcleos de inductancias.
Aceros: para que la aleación hierro carbono se considere acero, la concentración de carbono ha de estar comprendida entre 0,025% y el 1,76% a temperatura ambiente. El campo de aplicación de los aceros es muy amplio. Entre sus principales características está su gran dureza, buena resistencia mecánica, maleabilidad, ductilidad,…
