Universidad Nacional Experimental PolitcnicaAntonio Jos de SucreVicerrectorado BarquisimetoDepartamento de Ingeniera Metalrgica

ESTRUCTURA DE SOLIDIFICACION

Integrantes:ngela Velazquez. C.I: 24021330Gnesis Lpez. C.I: 22189375

Barquisimeto, febrero de 2015

Introduccin

La solidificacin es un proceso fsico que consiste en un cambio de estado de la materia al pasar de lquido a slido, dicho proceso est asociado con una cantidad de cambios que ocurren en el interior de la materia. En este proceso el slido crece a expensas de un lquido, esto se da mediante dos procesos independientes que ocurren simultneamente, los cuales son: La Nucleacin y El Crecimiento, pudiendo darse cambios en la intercara a medida que se desarrollan dichos procesos. Para que se forme un cristal en el lquido deben existir fluctuaciones de temperatura y ordenamientos atmicos de corto alcance dentro del lquido que permita que los tomos adopten la configuracin del metal slido. Sin embargo el lquido necesita una temperatura menor a TE (temperatura de equilibrio) para que ocurra la Nucleacin del slido, a esto se le conoce como Subenfriamiento.En este sentido la cintica de crecimiento se vuelve importante una vez que el slido ha alcanzado un tamao crtico. Para que exista crecimiento del ncleo, la velocidad de solidificacin debe ser mayor que la velocidad de fusin y esto slo ocurre cuando la temperatura en la intercara se encuentra por debajo de la temperatura de fusin, lo cual produce un subenfriamiento denominado subenfriamiento cintico; produciendo una disminucin de la energa libre y haciendo al proceso espontneo.Ahora bien, en el caso de las aleaciones a diferencias de los metales puros para que ocurra la Nucleacin tambin deben ocurrir fluctuaciones de concentracin debido a la formacin de nuevas partculas.

Para el estudio de la solidificacin se analizar las diferentes velocidades de enfriamiento y su influencia en la estructura de solidificacin en una probeta de zinc-7%aluminio la cual se fundi, se separ en tres crisoles y se le aplic un sobreenframiento distinto a cada una de ellas. DEFINICION DE TRMINO

Aleacin: Una aleacin es una combinacin, de propiedades metlicas, que est compuesta de dos o ms elementos, de los cuales, al menos uno es un metal

Crisol: Crisol es una cavidad en los hornos que recibe el metal fundido. El crisol es un aparato que normalmente est hecho de grafito con cierto contenido de arcilla y que puede soportar elementos a altas temperaturas, ya sea el oro derretido o cualquier otro metal, normalmente a ms de 500 CDendrita: es una estructura con ramificaciones repetitivas caractersticas de procesos de crecimiento de cristales.Diagrama de fase: representacin entre diferentes estados de la materia, en funcin de variables elegidas para facilitar el estudio del mismo. Cuando en una de estas representaciones todas las fases corresponden a estados de agregacin diferentes se suele denominar diagrama de cambio de estado.Eutctico: mezcla de slidos ntimamente conectados, que posee un punto de fusin ms bajo que el que poseen los compuestos individualmenteNcleo: son pequeas superficies de fase distinta a la existenteMatriz: una mezcla fina de fases.Microestructura: es la estructura de metales y aleaciones tal como se observa Tambin se suele denominar estructura metalogrfica. Sus principales constituyentes son las fases o grupos de fases distribuidos con una cierta configuracin. La microestructura se puede relacionar con: composicin, propiedades mecnicas, propiedades fsicas, procesos de fabricacin, tratamientos trmicos, deformacin plstica y recristalizacin, recubrimientos superficiales y mecanismos de dao.Metalografa: es la ciencia que estudia las caractersticas micro-estructurales o constitutivas de un metal o aleacin, relacionndolas con las propiedades fsicas, qumicas y mecnicas. Es necesario obtener muestras que sean representativas y que no presenten alteraciones debidas a la extraccin y/o preparacin metalogrfica.Radio Crtico: es el tamao que debe tener una particula para alcanzar su crecimiento.Solidificacin: es un proceso fsico que consiste en el cambio de estado de la materia de lquido a slido producido por una disminucin en la temperatura o por una compresin de este material. Es el proceso inverso a la fusin, y sucede a la misma temperaturaSubenfriamento: La temperatura de un lquido puede reducirse ms all del punto normal de congelacin mientras este permanece sin congelarse o sin solidificarse y an el estado lquido. Esto es subenfriamientoTermopar: es un transductor formado por la unin de dos metales distintos que produce una diferencia de potencial muy pequeaTipos de Termopares.

Tipo K (cromel/alumel): con una amplia variedad aplicaciones, est disponible a un bajo costo y en una variedad de sondas. El cromel es una aleacin de Ni-Cr, y el alumel es una aleacin de Ni-Al. Tienen un rango de temperatura de 200 C a +1372 C y una sensibilidad 41 V/C aproximadamente. Posee buena resistencia a la oxidacin. Tipo E (cromel/constantn [aleacin de Cu-Ni]: no son magnticos y gracias a su sensibilidad, son ideales para el uso en bajas temperaturas, en el mbito criognico. Tienen una sensibilidad de 68 V/C. Tipo J (hierro/constantn): su rango de utilizacin es de 270/+1200 C. Debido a sus caractersticas se recomienda su uso en atmsferas inertes, reductoras o en vaco, su uso continuado a 800 C no presenta problemas, su principal inconveniente es la rpida oxidacin que sufre el hierro por encima de 550 C; y por debajo de 0 C es necesario tomar precauciones a causa de la condensacin de vapor de agua sobre el hierro. Tipo T (cobre/constantn): ideales para mediciones entre -200 y 260 C. Resisten atmsferas hmedas, reductoras y oxidantes y son aplicables en criogenia. El tipo termopar de T tiene una sensibilidad de cerca de 43 V/C. Tipo N (nicrosil [Ni-Cr-Si]/nisil [Ni-Si]): es adecuado para mediciones de alta temperatura gracias a su elevada estabilidad y resistencia a la oxidacin de altas temperaturas, y no necesita del platino utilizado en los tipos B, R y S, que son ms caros.Por otro lado, los termopares tipo B, R y S son los ms estables, pero debido a su baja sensibilidad (10 V/C aprox.) generalmente son usados para medir altas temperaturas (superiores a 300 C).

Tipo B (Pt-Rh): son adecuados para la medicin de altas temperaturas superiores a 1800 C. Los tipo B presentan el mismo resultado a 0 C y 42 C debido a su curva de temperatura/voltaje, limitando as su uso a temperaturas por encima de 50 C. Tipo R (Pt-Rh): adecuados para la medicin de temperaturas de hasta 1300 C. Su baja sensibilidad (10 V/C) y su elevado precio quitan su atractivo. Tipo S (Pt/Rh): ideales para mediciones de altas temperaturas hasta los 1300 C, pero su baja sensibilidad (10 V/C) y su elevado precio lo convierten en un instrumento no adecuado para el uso general. Debido a su elevada estabilidad, el tipo S es utilizado para la calibracin universal del punto de fusin del oro (1064,43 C).

PROCEDIMIENTO:

1. Previo al comienzo de la prctica, el tcnico del laboratorio fundi en un crisol una aleacin de zinc-7%aluminio (Zn-7Al) en un horno a una temperatura de 600C. Dentro del horno tambin se precalentaron 3 crisoles. (el horno es capaz de alcanzar temperaturas de 800 grados centgrados).2. Se tomaron tres (3) muestras de la aleacin Zn-7Al, las cuales fueron vertidas cada una en los crisoles precalentados. 3. Se procedi a enfriar dichas muestras a diferentes velocidades de enfriamiento:

Fig.1. Muestra a la cual inmediatamente se le indujo aire directo con la ayuda de un secador.

Fig.2. Muestra que se dej enfriar a temperatura ambiente

Fig.3. Muestra que se dej enfriar dentro del horno (se retir un da despus).

4. Una vez que las tres (3) muestras se solidificaron por completo se sacaron de los crisoles y seguidamente se procedi a realizarles un corte longitudinal a cada una, utilizando para ello la ayuda de una segueta.

5. Las tres muestras fueron preparadas metalograficamente es decir se hizo desbastes, pulido y ataque qumico con nital al 2% con el fin de revelar su microestructura.

Fig. 4 Fotografa de las 3 muestras preparadas metalograficamente

6. Se llevaron las muestras a microscopio metalogrfico, para recolectar las micrografas.

Fig.5. Micrografa de muestra de Zn-7%Al. Enfriamiento forzado. En condicin de ataque qumico con Nital 2%. Aumento 50X.

Fig.6. Micrografa de muestra de Zn-7%Al. Enfriamiento lento dentro del Horno. En condicin de ataque qumico con Nital 2%. Aumento 50X.

Fig.7. Micrografa de muestra de Zn-7%Al. Enfriamiento en temperatura ambiente. En condicin de ataque qumico con Nital 2%. Aumento 50X.

7. Se hizo el respectivo anlisis metalogrfico para cada muestra.

ANLISIS Y DISCUSIN DE RESULTADOSMuestra 1Enfriamiento forzado (secador, con aire fro) CristalesCristales

EutcticoFig.9. Micrografa aleacin Zn-7Al En condicin de ataque qumico con Nital 2%. Aumento 50XFig.8. Micrografa aleacin Zn-7Al En condicin de ataque qumico con Nital 2%. Aumento 50X

En las Fig. 8 y 9, se puede observar en la microestructura cristales de tamaos muy pequeos de color claro las cuales representan el Aluminio, y una matriz de mezcla eutctica de forma laminar que corresponde a la mezcla Zn-7Al. Debido a que la muestra se solidific muy rpido porque se le aplico aire con un secador entonces el subenfriamiento se hizo mayor y por lo tanto el radio crtico disminuy originando as la formacin de un gran nmero de nucleos estables pero de crecimiento de tamao muy pequeo. Despus de que se formaron muchos cristales a causa del aumento del enfriamiento, el lquido restante se form en una mezcla eutctica.

Muestra 2Cristales

Enfriamiento a temperatura ambiente.

Eutctico

Fig.11. Micrografa aleacin Zn-7Al En condicin de ataque qumico con Nital 2%. Aumento 50XFig.10. Micrografa aleacin Zn-7Al En condicin de ataque qumico con Nital 2%. Aumento 50X

En las Microestructuras que se aprecian en las Fig. 10 y 11, se puede observar claramente los cristales que son de tamaos moderado y similares, de color claro que corresponde al Aluminio y la matriz que es laminar de colores claros y oscuros, que corresponde a la mezcla eutctica de Zinc y Aluminio. Como se solidific a temperatura ambiente se puede notar que el subenfriamiento alcanzado no fue muy grande por lo que la velocidad de nucleacin que se dio para esta muestra fue relativamente lenta lo que permiti que estos pasaran a la etapa de crecimiento y finalmente alcanzaran ese tamao.

Muestra 3CristalesEutctico

Enfriamiento lento (dentro del horno)

Fig.12. Micrografa aleacin Zn-7Al En condicin de ataque qumico con Nital 2%. Aumento 50XFig.13. Micrografa aleacin Zn-7Al En condicin de ataque qumico con Nital 2%. Aumento 50X.

En las Fig. 12 y Fig. 13, se observan micro estructuras con cristales de aluminio (de color claro) de tamaos grandes, y una matriz de mezcla eutctica (laminar de colores claros y oscuros). El gran tamao que tienen estos cristales se debe a que la solidificacin fue muy lenta (dentro de un horno), tenindose as enfriamientos muy lentos y por lo tanto radios crticos grandes generando as ncleos estables de tamao elevado, por lo que se di tiempo suficiente para que estas crecieran. Esta mezcla eutctica es producto de la solidificacin del Zinc con partculas de solucin slida rica en aluminio.

Concentracin aproximada de la aleacin

Punto Eutctico

Fig.14. Diagrama de fase Pb-Sn

Al comparar las micrografas obtenidas en el laboratorio (muestra 1) del enfriamiento por aire forzado y compararlas con la de referencia de la figura 15 se observa cierta similitud entre ellas; usando el diagrama de la figura 14 nos damos cuenta que estamos en presencia de una aleacin Hipo Eutctica.

Fig.15. Aleacin Zn-5Al. Rica en zinc (zona ms oscura). Reactivo de ataque 4% nital. Matriz Eutectica Aumento 100X . Tomada del metal handbook

Fig.17. Micrografa Zn-7Al Enfriada a temperatura ambiente. En condicin de ataque qumico con Nital 2%. Aumento 50XFig.18. Micrografa Zn-7Al Enfriada con aire forzado. En condicin de ataque qumico con Nital 2%. Aumento 50XFig.16. Micrografa Zn-7Al Enfriada en horno. En condicin de ataque qumico con Nital 2%. Aumento 50X

En las microestructuras mostradas en las figuras 16,17 y 18, se puede observar notablemente la gran diferencia de proporcin de formacin de cristales en cada muestra. El crecimiento que se origin en estas fue un crecimiento inestable porque hubo un desprendimiento de calor tanto por el slido como por el lquido, para el caso de la microestructura de la muestra de la figura 16 se observan cristales de gran tamao pero en menor proporcin que en el caso de la figura 17 y de igual forma ocurre con la muestra de la figura 18.Por otra parte si realizamos el conteo de la mezcla eutctica por el programa imagen j obtenemos:

Fig.21 Micrografa Zn-7Al Enfriada a temperatura ambiente. En condicin de ataque qumico con Nital 2%. Aumento 50XFig.20. Micrografa Zn-7Al Enfriada con aire forzado. En condicin de ataque qumico con Nital 2%. Aumento 50XFig.19. Micrografa Zn-7Al Enfriada en horno. En condicin de ataque qumico con Nital 2%. Aumento 50X

Fig.22. Resultados del programa image j. El resultado 1, 2 y 3 corresponden a la figura 19, 20 y 21 respectivamente

En las figuras 19, 20, 21 se puede observar la diferencia en la cantidad de mezcla eutctica.En el conteo realizado a la micrografa de la muestra que fue enfriada rpidamente(fig. 20) con el secador se observa una mayor cantidad de mezcla eutctica debido a que la velocidad con que se enfri, no permiti que crecieran completamente los cristales y todo el lquido restante se transform en mezcla eutctica; por otra parte se puede apreciar que en la muestra que se dej enfriar a temperatura ambiente(fig. 21) posee gran cantidad de mezcla eutctica pero esta es menor a la muestra anterior ; adems la muestra que se dej enfriar en el horno(fig. 19) posee menor cantidad de mezcla eutctica que las muestras anteriores(fig.20 y fig.21) , esto se debe a que se tuvo el tiempo suficiente para que el metal liquido se transformara en cristales de gran tamao y hubiese menor mezcla eutctica.

Conclusin: La aleacin estudiada en esta prctica es hipo-eutctica.

Las temperaturas de enfriamientos y los tiempos de solidificacin pueden variar o modificar la estructura y composicin de una aleacin o material solidificado y de ello dependern las propiedades mecnicas y por tanto el uso que se le d a dicha aleacin.

A mayor subenfriamiento el radio crtico (r*) es ms pequeo, mayor es la velocidad de nucleacin (se forman mas ncleos) y menor la velocidad de crecimiento (cristales ms pequeos).

A menor subenfriamiento el radio crtico (r*) es ms grande, menor es la velocidad de nucleacin (se forman menos cristales) y mayor la velocidad de crecimiento (cristales ms grandes).

La difusin de los tomos se ve favorecida cuando el subenfriamiento es bajo. .