Redistribucion de Soluto Parte i
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Universidad Nacional Experimental Politécnica
“Antonio José de Sucre”
Vice Rectorado Puerto Ordaz
Departamento de Ingeniería Metalúrgica
Sección Siderurgia y Fundición
Catedra Solidificación
Profesora: Ing. Naiyelis Pérez
Ciudad Guayana 2015.
Sub Temas:
- Casos de Redistribución de soluto:
1.- Caso A: Equilibrio tanto en el liquido como en el solido.
2.- Caso B: Equilibrio en el liquido (La composición es uniforme) y No-Equilibrio en el solido (No hay difusión)
3.- Caso C: No-Equilibrio en el liquido (no hay convección), No-Equilibrio en el solido (no hay difusión)
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La solubilidad límite del hierro en el aluminio líquido es de 1,87% p/p
a 655°C y en el aluminio sólido es de 0,052% p/p. A la temperatura
de 427°C, la solubilidad disminuye a menos de 0,01%.
Por lo tanto durante la solidificación y enfriamiento, existen grandes
fuerzas motrices que permiten la formación de fases ricas en hierro,
tales como la fase β-Al5FeSi de forma acicular o de placa, así como
la fase α-Al8Fe2Si, a menudo se ha reportado la presencia de la fase
α-Al12Fe3Si2.
Debido a que hay equilibrio tanto en el liquido como en el sólido, hay
una distribución homogénea de soluto en toda la pieza o material. Esto
se debe a que el enfriamiento es lo suficientemente lento como para
permitir que los gradientes de concentración cambien suavemente y no
hay barreras para la nucleación de la fase solida, el equilibrio existe en
todo momento.
Referencia: Quintero Sayago, O. Solidificación. Universidad Simón Bolívar. Diciembre 2003.
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La solidificación en equilibrio se caracteriza porque a cualquier temperatura T,
durante la solidificación, la conservación del soluto en la interfaz permite la
regla de la palanca para el equilibrio: Cs.fs + CL.fL = Co donde se cumple que
las fracciones del liquido y el sólido: fs + fL = 1.
A pesar de la naturaleza de la solidificación en equilibrio durante el proceso se
produce una sustancial redistribución de soluto, lo que conduce a que el
material sea homogéneo solamente antes y después de la solidificación, pero
nunca durante el proceso. Es conveniente recordar que la difusividad
determina la velocidad a la que los átomos se pueden mover en el sistema.
Referencia: Quintero Sayago, O. Solidificación. Universidad Simón Bolívar. Diciembre 2003.
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A T1 el primer solido que nuclea tiene una composición C1s que está en
equilibrio con C1L y Co. Al disminuir la temperatura, el liquido continua
enriqueciéndose en B y va aumentando el tamaño de los nucleos
(crecimiento), por adición sucesiva de nuevas unidades cristalinas. A T2 la
composición del solido es C2S y la del liquido C2L. La solidificación prosigue
hasta que la ultima gota del liquido de composición C3L solidifique a T3 en un
solido de composición C3S. De este modo bajo las condiciones de enfriamiento
en equilibrio la composición final del solido es uniforme y es exactamente igual
a la composición del liquido del cual se comenzó.
Referencia: Quintero Sayago, O. Solidificación. Universidad Simón Bolívar. Diciembre 2003.
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Al solidificar el metal se producen gradientes de concentración que no
logran equilibrarse debido al insuficiente tiempo del que se dispone. En
este caso no hay difusión en el solido producido durante la
solidificación, por lo tanto la primera cantidad de solido producida a la
temperatura TL es muy pequeña y tiene composición Cs dada por
Cs=Ko.Co.
Referencia: Quintero Sayago, O. Solidificación. Universidad Simón Bolívar. Diciembre 2003.
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En esta ecuación el coeficiente de distribución de soluto está dado por Ko = (Cs/CL). Este hecho conduce a que a medida que progresa la solidificación, es decir a una temperatura T* entre la del liquidus y la del solidus de la aleación de composición Co, el liquido delante de la interfaz L-S se encuentra enriquecido en soluto cuando Ko < 1 y empobrecido cuando Ko > 1.
A T1 el primer solido que nuclea tiene composición
C1s, al bajar la temperatura, en los casos reales, la
velocidad de enfriamiento es relativamente rápida
y no hay tiempo de homogenizar la composición
del solido, ya que la difusión en este estado es
mas lenta que en el estado liquido, por
consiguiente hay un gradiente de concentración
de soluto entre las partes que solidificaron primero
y las que lo hicieron al final. Debido a esto, el
promedio de concentración de soluto en el solido
seguirá la línea de trazos y a T3 todavía quedará
liquido, aun cuando, en equilibrio éste debería
haber desaparecido y la composición promedio
del solido será inferior a Co. Por tanto, la
solidificación continuará hasta que la composición
promedio del solido sea igual a Co, esto acurre a
la temperatura T5 y el solido formado tendrá
concentraciones de soluto mayores que Co,
debido a la gran concentración de soluto en el
liquido hacia el final de la solidificación.
Referencia: Quintero Sayago, O. Solidificación. Universidad Simón Bolívar. Diciembre 2003.
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Dado que se considera que la solidificación
ocurre en condiciones de No-equilibrio, el exceso
de soluto rechazado a partir del solido se
acumula en una capa de espesor δc enriquecida
en soluto que está delante de la interfaz L-S. El
coeficiente de distribución de soluto Ko, es
constante a la temperatura invariante que
finalmente se alcanza, eutéctica o peritéctica, el
liquido remanente solidifica a esa temperatura.
Referencia: Quintero Sayago, O. Solidificación. Universidad Simón Bolívar. Diciembre 2003.
La consecuencia directa de los procesos de
distribución de soluto entre la fase liquida y
solida durante la solidificación es la formación de
gradientes de composición en el interior de los
granos, fenómenos que se conocen con el
nombre de segregación. Debido a los gradientes
de concentración de soluto, se puede observar
en una metalografía de una aleación, las
diferencias en tonalidades, por la fuerte
acumulación de soluto en el solido formado al
final del proceso.
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La segregación de soluto, que se define como
diferencias de concentración de soluto, genera
en las regiones solidificadas al final, zonas de
menor punto de fusión que el esperado para la
aleación, esto es peligroso si se realizan
tratamientos térmicos posteriores, porque ciertos
lugares pueden llegar al punto de fusión. La
segregación puede reducirse mediante un
tratamiento de homogenización, que consiste en
calentar por tiempo prolongado la pieza sólida,
para que por difusión se homogenice el
contenido de soluto.
Referencia: Quintero Sayago, O. Solidificación. Universidad Simón Bolívar. Diciembre 2003.
Debido a que este proceso es de alto costo, se
realiza sólo si se justifica. La variación en la
composición de una estructura segregada entre
los centros y bordes de los granos depende de
la velocidad de enfriamiento, la separación entre
curvas sólidus y líquidus, y la composición inicial
de la aleación. De lo anterior se deduce que el
gradiente de concentración crece con la
velocidad de solidificación y con el aumento de la
separación entre curvas sólidus y líquidus.
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Si en el estado liquido no hay difusión de soluto
y en ese liquido no hay convección, el soluto
rechazado delante de la interfaz L-S es
transportado solamente por difusión, lo cual
conduce a la formación de una capa borde δc
para cuando Ko < 1. Si el cristal que crece es lo
suficientemente largo como para que se
alcancen las condiciones de estado
estacionario, la composición del solido que se
está formando es de, exactamente, la
composición de la aleación como conjunto Co.
Entonces bajo condiciones de estado
estacionario el equilibrio en la interfaz requiere
que la composición del liquido en la interfaz,
representada por el punto M, sea CL= Co/Ko y
que la solidificación se esté sucediendo a la
temperatura del solidus Ts.
Referencia: Quintero Sayago, O. Solidificación. Universidad Simón Bolívar. Diciembre 2003.
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DL es el coeficiente de difusividad del
soluto en el líquido; y R es la velocidad
de avance de la interfaz líquido-sólido.
Las condiciones de borde son:
Referencia: Quintero Sayago, O. Solidificación. Universidad Simón Bolívar. Diciembre 2003.
X‘ = 0 XL = (Xo/Ko)
X' = ∞, XL = Xo
El requerimiento de conservación de
soluto en la interfaz directamente
produce el gradiente de concentración
de soluto en el líquido en dicha interfaz.
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La distancia característica solo depende de DL y de R. Este tipo de solidificación da
como resultado un cristal de composición casi uniforme, excepto en los transitorios
inicial y final, como se muestra en la figura, donde XSM corresponde a la solubilidad
máxima de la fase primaria y XE a la composición del eutéctico. Como resultado, el
sólido que se forma en el transcurso de las últimas etapas de la solidificación es de muy
alta concentración en soluto, pero al no haber difusión de éste en el sólido, la
composición inicial permanece constante.
Referencia: Quintero Sayago, O. Solidificación. Universidad Simón Bolívar. Diciembre 2003.
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El transitorio inicial se forma bajo condiciones de estado no-estacionario, mientras la
capa borde acumula soluto y alcanza un máximo para continuar solidificando bajo
condiciones de estado estacionario. A medida que se sucede la solidificación, el
contenido de soluto gradualmente se acumula en el sólido hasta su valor de estado
estacionario (X*S/Xo) = 1; la distancia requerida para esencialmente alcanzar el estado
estacionario depende de los valores (R/DL) y Ko.
Referencia: Quintero Sayago, O. Solidificación. Universidad Simón Bolívar. Diciembre 2003.
La cantidad de soluto total
incorporada a la capa borde de
difusión aumenta al disminuir la
velocidad de crecimiento y viceversa.
Este hecho conduce a un descenso
local en la cantidad de soluto
depositado en el solido a medida que
cambia la velocidad.
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El transitorio final, es mas pequeño en tamaño que el inicial, debido a que es el
resultado del choque de la capa borde de soluto con el extremo del crisol cuando el
crecimiento es unidireccional o con otro frente de solidificación que viene desde la otra
pared en los casos reales. En el transitorio final, la concentración de soluto aumenta
continuamente desde Xo hasta XE.
Referencia: Quintero Sayago, O. Solidificación. Universidad Simón Bolívar. Diciembre 2003.
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Desarrollo de la micro-estructura durante la solidificación de una aleación de 35% Ni - 65% Cu. (Callister, 2001)
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