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GUIA DE LABORATORIO Nr. 2
TEXTURA DE LOS METALES
SOLIDIFICACION
OBJETIVO
Observar el fenómeno de la solidificación a partir de la cristalización de una solución acuosa de cloruro
de amonio, en vista de que ambos fenómenos son similares y ser más accesible la cristalización de las
sales en solución. Luego se complementa esto con la observación de aleaciones para analizar la
dirección del proceso de cristalización.
GENERALIDADES
La estructura generada en la solidificación, nace cuando los primeros embriones de cristalización
formados durante el enfriamiento del metal, se transforman en núcleos y comienzan a crecer.
Casi universalmente, los objetos metálicos comerciables son solidificados desde una fase líquida, ya
sea a sus formas finales, llamadas fundiciones, o en formas intermedias, llamadas lingotes, los cuales se
transforman mediante trabajo en producto final.
El crecimiento se hace siguiendo un cierto ordenamiento por parte de los átomos y que responde a
determinadas formas cristalográficas. Se sabe que el sólido es una forma cristalina en la cual los
átomos se encuentran alineados en el espacio en formaciones definidas sobre grandes distancias. La
regularidad de las redes cristalinas hace fácil estudiar sus estructuras con la ayuda de la difracción de
rayos X; por tanto se conoce mucho sobre la disposición de los átomos en los cristales metálicos.
La solidificación de los metales ocurre por nucleación y crecimiento, la aparición de embriones o
gérmenes de cristalización se estimula por el sobreenfriamiento, ( nucleación homogénea). También
influye la presencia de partículas extrañas ( nucleación heterogénea) y el movimiento de la masa
fundida ( nucleación dinámica).
Para entender el fenómeno de solidificación y la acción del sobreenfriamiento, debemos admitir que los
embriones son conjuntos esféricos de átomos, unidos por el enlace metálico. Sobre nuevos conjuntos de
átomos actúan fuerzas antagónicas. La fuerza cohesiva c depende del volumen y por esto crece
rápidamente con el radio del embrión. Por otro lado está la fuerza disruptiva d que depende de la
superficie del embrión y por tanto está menos influenciada por el radio.
c = k1 r3
( 1)
d = k2 r2
( 2)
Para que un embrión se transforme en un núcleo, debe cumplirse que:
c = d
( 3)
es decir:
k1 r3
=
k2 r2
( 4)
El radio para el cual esta relación se cumple recibe el nombre de radio crítico, r°. El radio crítico es el
radio mínimo necesario para que el conjunto atómico alcance la estabilidad.
Todo racimo de átomos de radio inferior al crítico es inestable y recibe el nombre de embrión. Para que
un embrión pueda convertirse en núcleo, o sea pueda alcanzar el radio crítico, es necesario que el metal
fundido pueda alcanzar un cierto sobrenfriamiento, ya que un metal a la temperatura exacta de fusión y
solidificación, está en equilibrio. En tal estado no solidifica, porque ninguno de sus embriones llega al
estado crítico. Para algunos metales el grado de sobrenfriameinto es del orden de decenas de grado y
para otros es mayor aún. El sobreenfriamiento, T, es la diferencia entre la temperatura de equilibrio
Te y la temperatura real de solidificación Ts alcanzada en el sobrenfriamiento.
T = Te - Ts
( 5)
La experiencia ha demostrado que la relación entre las constantes k1 / k2 crece con el
sobreenfriamiento. La consecuencia práctica de este hecho es que el embrión alcanza la estabilidad con
un valor menor al del radio crítico.
Para un metal dado, cuanto mayor es el sobrenfriamiento menor es el radio crítico, o sea el diámetro del
núcleo estable. Para sobrenfriamientos pequeños, se requieren grandes valores en el diámetro, es decir:
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ro = f ( 1 / T)
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( 6)
Alcanzadas las condiciones de estabilidad del núcleo, éste comienza la etapa de crecimiento. En
general la formación del embrión, es del tipo esquelético, llamado DENDRITA y en consecuencia el
núcleo posterior crece también dendríticamente. Por consiguiente la velocidad de nucleación, V n, es
función del sobrenfriamiento.
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