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18/06/2019

FACULTAD DE INGENIERÍA Carrera de Ingeniería Industrial

CIENCIA Y TECNOLOGÍA DE MATERIALES

SOLIDIFICACIÓN Y ALEACIÓN

By: César R. Nunura Ph.D. in Engineering. Industrial Engineering Career [email protected]

Unidad 03 1

Logro de la Unidad 03 Al término de la unidad, el alumno comprende cómo solidifica un material y cuál es el efecto de los elementos disueltos en una mezcla sólida. Además, explica los diagramas de equilibrio binarios

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Temario ❑ Solidificación de un metal puro. ❑ Soluciones sólidas y el endurecimiento. ❑ Control de la estructura de solidificación ❑ Defectos de solidificación ❑ Diagramas de fase, sustancias puras, binarios y compuestos intermedios. ❑ Diagramas de fases Eutéctico ❑ Propiedades de las aleaciones eutécticas ❑ Ejercicios 3

SOLIDIFICACIÓN DE UN METAL PURO By: César R. Nunura Ph.D. in Engineering. Industrial Engineering Career [email protected]

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Solidificación Nucleación y Crecimiento

Fuente: Callister (2009)

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A partir del estado líquido al sólido: 1 – Formación de las primeras estructuras cúbicas cristalinas. (Nucleación). El resto que no es sólido, es metal líquido. 2 - El agrupamiento de las estructuras cúbicas aumenta. (Crecimiento) 3 – Las estructuras cúbicas han formado grupos que serán llamados de granos una vez que la fracción líquida llegue a solidificar. 4 – Final de la solidificación. Los granos del metal contienen miles de estructuras cúbicas.

La solidificación se da inicialmente en las paredes, pues estas se encuentran en contacto con la temperatura ambiente.

Fuente: Prof. C. Nunura - UPC

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Solidificación Solidificación

Fuente: Shackerford (2008)

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Solidificación Diagrama de Fases To: Temperatura inicial. El metal puro se encuentra líquido. Tf: Temperatura de fusión. Empieza y termina la solidificación. En esta etapa hay liberación de calor latente a temperatura constante. Ta: Temperatura ambiente. Desde la temperatura de fusión hasta esta temperatura, el metal ya se encuentra completamente solidificado.

To

Temperatura

Tf

Ta Tiempo Fuente: Prof. C. Nunura - UPC

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Solidificación Formación granulométrica

Fuente: Callister (2009)

Fuente: Prof. C. Nunura UPC

Con el auxilio del microscopio, usando técnicas de metalografía se observan los granos y sus contornos. En la realidad el grano es una formación volumétrica, es decir, los granos se forman tridimensionalmente. 8

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Solidificación Nucleación y Crecimiento de la Estructura Dendrítica

Cuando se cuelan las aleaciones fundidas, se inicia la solidificación en las paredes del molde a medida que se enfrían. La aleación no se solidifica a una temperatura determinada, sino dentro de un intervalo de temperaturas. 9

Solidificación Nucleación y Crecimiento de la Estructura Dendrítica

Mientras la aleación se encuentra en este intervalo, tiene una forma pastosa que consiste en estructuras arborescentes llamadas dendritas (cuyo significado es semejantes a árboles) y metal líquido. El tamaño y forma de las dendritas depende de la velocidad de enfriamiento.

Fuente: Smith (2004)

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Solidificación Crecimiento dendrítico columnar

https://www.youtube.com/watch?v=hIJDI3fgBXI

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Solidificación Solidificación de Lingotes

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Solidificación Solidificación de Lingotes

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Solidificación Fundición de Piezas

https://www.youtube.com/watch?v=rzj2bug3b80

Fuente: Google imágenes (2019)

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Solidificación Fundición de Piezas

Fuente: Nunura (2018)

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Solidificación Tamaño de Grano ASTM

Los tamaños de grano oscilan entre 0,02 a 0,2 mm, el conocimiento de estos granos ayudan a determinar un mejor proceso de fabricación del metal y sus procesos térmicos. Cuanto mayor es el tamaño de grano, peores son en general, sus propiedades mecánicas. La ASTM clasificó los granos en 8 tamaños desde el 1 al 8, siendo el 1 el tamaño más grande.

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Solidificación Solidificación

Fuente: Chiaverini (2006)

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Solidificación Curvas de Solificación Curvas características de solidificación de metales puros. En la mudanza de fase (liberación de calor latente) coexisten el líquido y el sólido a temperatura constante.

Fuente: Google Imágenes

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SOLIDIFICACIÓN DE UNA ALEACIÓN By: César R. Nunura Ph.D. in Engineering. Industrial Engineering Career [email protected]

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Metalurgia Física Diagrama de Fases Asumiendo dos metales A y B con temperaturas de fusión diferentes en estado líquido. Por ejemplo a 20% de B y 80% de A, la liberación de calor latente ya no es isotérmica. Habrá una temperatura T1 donde la aleación empieza a solidificar y una temperatura T2 donde la aleación termina de solidificar. Aumentando la cantidad del metal B en la aleación las temperaturas T1 y T2 serán diferentes. Uniendo las temperaturas T1 se forma una línea llamada líquidus. Uniendo las temperaturas T2 se forma una línea sólidus. Fuente: Google Imágenes

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Metalurgia Física Diagrama de Fases

Diagrama Isomorfo: Aleación Cu-Ni. En la practica, los diagramas de fases solo representan las líneas sólidus y líquidus. La fase sólida α presenta 100% de solubilidad de Cu e Ni. Entre las líneas sólidus y líquidus coexisten la fase sólida y la fase líquida de la aleación.

Fuente: Callister (2009)

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Metalurgia Física Diagrama de Fases Regla de la Palanca Considerando en el diagrama Cu-Ni una cantidad de 35% Ni a una temperatura de 1250°C. (Punto B) Calcular la cantidad de sólido α y la cantidad de líquido que falta solidificar Cálculo de la cantidad de fase 𝐵𝑟𝑎𝑧𝑜 𝑜𝑝𝑢𝑒𝑠𝑡𝑜 % 𝐹𝑎𝑠𝑒 = 𝐵𝑟𝑎𝑧𝑜 𝑇𝑜𝑡𝑎𝑙 Fuente: Callister (2009)

Cantidad de Líquido

%L =

C − C0 43 − 35 Y =  = = 0,73 = 73% X + Y C + C L 43 − 32

Cantidad de Sólido

% =

C − C L 35 − 32 X = 0 = = 0,27 = 27% X + Y C + C L 43 − 32

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Metalurgia Física Diagrama de Fases

Fuente: ASM Handbook V3 (1985)

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Metalurgia Física Diagrama de Fases

Fuente: ASM Handbook V3 (1985)

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Metalurgia Física Diagrama de Fases

Fuente: ASM Handbook V3 (1985)

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Metalurgia Física Diagrama de Fases Diagrama Eutéctico: Aleación Pb - Sn

Fuente: Callister (2009)

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Metalurgia Física Diagrama de Fases Diagrama Eutéctico: Aleación Pb - Sn

Fuente: Callister (2009)

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Metalurgia Física Diagrama de Fases Diagrama Eutéctico: Aleación Pb - Sn

Fuente: Callister (2009)

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Metalurgia Física Diagrama de Fases Diagrama Eutéctico: Aleación Pb - Sn

Fuente: Smith (2004)

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Metalurgia Física Diagrama de Fases Pb – 40%Sn Enfriamiento: Punto j: Por encima de los 300°C – Fase líquida. Punto k: El enfriamiento ocurre lentamente y al cruzar la línea liquidus solidifican las primeras fracciones de α (Primaria, Proeutética o libre). Punto l: Continuando con el enfriamiento, aumenta la fase α primaria y disminuye la fase líquida.

Fuente: Callister (2009)

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Metalurgia Física Diagrama de Fases Pb – 40%Sn Enfriamiento: Punto m: Cruzando la temperatura 183°C (Isoterma Reacción Eutética) el líquido solidifica produciéndose una microestructura laminar. Es decir se forman láminas alternadas de las fases α + β. La fase α se diferencia de la fase α que se formó en los puntos k y l, pues se forma debajo de la reacción eutética y en laminas con β.

Fuente: Callister (2009)

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Metalurgia Física Diagrama de Fases Pb – 40%Sn Enfriamiento: Punto m: Aspecto microscópico de la aleación formado por una fase α primaria (regiones oscuras). Se aprecia también α (láminas oscuras) + β (láminas claras) que se formaron al cruzar los 183°C (Línea Eutética) . Al llegar a la temperatura ambiente no ocurren otras transformaciones de fases.

α primaria

β laminar

α laminar Fuente: Adaptado de Callister (2009)

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Metalurgia Física Diagrama de Fases Enfriamiento Eutético: Punto h: A una temperatura de 250°C con 61.9 % de Sn, la aleación se encuentra en fase líquida. Punto i: El líquido se transforma eutéticamente en α (láminas oscuras) + β (láminas claras) que son producto de la trasformación eutética al cruzar la línea de transformación isotérmica (183°C). Al llegar a la temperatura ambiente no ocurren otras transformaciones de fases. Fuente: Adaptado de Callister (2009)

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Metalurgia Física Diagrama de Fases

Fuente: Smith (2004)

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Referencias

❑ Introducción a la Ciencia e Ingeniería de los Materiales. Callister W. Editorial Jhon Wiley & Sons. New York. 7ª Edición. 2007. ❑ Ciencia de los Materiales. Skackelford J. Editorial Pearson. Sao Paulo. 6ª Edición. 2008. ❑ Fundamentos de la Ciencia e Ingeniería de Materiales. William Smith, Javad Hashemi. Editorial: Mc Graw Hill. México DF. 4ª Edición. 2004.

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