Nucleación heterogénea y crecimiento dendrítico en la solidificación de metales

Resumen

El texto explica cómo se inicia la solidificación de los metales líquidos mediante nucleación heterogénea, apoyada en impurezas o en las paredes del molde, y cómo influye el subenfriamiento. Además, describe el crecimiento del sólido según la extracción de calor, el crecimiento dendrítico y el crecimiento planar.

Puntos clave

La nucleación heterogénea ocurre en impurezas o paredes del molde, a temperaturas más altas y con un subenfriamiento menor que la homogénea.
La nucleación heterogénea depende de la mojabilidad: un ángulo grande implica poca adhesión y mala nucleación.
Un ángulo de 180º equivale a una burbuja esférica, es decir, a nucleación homogénea.
El crecimiento del sólido requiere extraer el calor específico del líquido y el calor latente de fusión.
Para que el cristal crezca, la temperatura de la interfase debe ser menor que Tf.
Si el líquido se subenfría, las protuberancias crecen en forma dendrítica; el líquido remanente solidifica de forma planar.
Un enfriamiento muy rápido puede impedir el estado cristalino y producir un sólido amorfo.

Ponte a prueba

Generalmente en los metales líquidos existen Impurezas, bien suspendidas en el líquido o Bien en las propias paredes del molde. La nucleación en las superficies de las impurezas Se denomina heterogénea. La nucleación heterogénea ocurre a Temperaturas más altas que la Nucleación homogénea, por los que es Energéticamente más favorable.

En la nucleación homogénea, la única forma De que G* disminuya es disminuyendo la Energía interfacial SL. La nucleación heterogénea se apoya en las Paredes del molde o en un nucleante que Actúan como gérmenes de nucleación.

La pared del molde puede actuar como nucleante Formándose un casquete esférico, de forma que se Equilibran las energías interfaciales

En la nucleación heterogénea, el subenfriamiento Necesario para alcanzar un radio crítico es mucho Menor. La nucleación heterogénea depende de la Mojabilidad del líquido. Si el ángulo es grande hay Poca adhesión y el sólido nuclea mal. Si el ángulo es de 180o se forma una burbuja Esférica y entonces ocurre la nucleación Homogénea. A veces se introducen intencionadamente impurezas En el líquido llamadas inoculantes. Si el enfriamiento es muy rápido, no se alcanza el Estado cristalino, obteniéndose un sólido amorfo.

Una vez formado el núcleo del sólido, el crecimiento tiene lugar al Adherirse los átomos a la superficie sólida.  El crecimiento depende de la forma en que se extrae el calor del sistema Sólido-líquido.  Hay que extraer dos tipos de calor:  Calor específico del líquido (calor requerido para cambiar un grado la temperatura de una masa unitaria de material).  Calor latente de fusión (calor puesto en juego en el cambio de estado).  La temperatura de la interfase de equilibrio es igual a la Tf.  A esta temperatura puede haber un cambio de átomos entre la fase sólida y Líquida y no hay un crecimiento o disolución neta del cristal.  Para que el cristal crezca, la temperatura de la interfase debe ser menor Que Tf.  Entonces existirán más átomos que se agregarán a la interfase desde el Líquido y menos átomos que abandonaran la interfase desde el sólido.

Cuando la nucleación no está favorecida, el líquido puede Subenfriarse a una temperatura inferior a la de solidificación. • Una pequeña protuberancia sólida se forma en la interfase y Empieza a crecer. • Conforme crece la protuberancia sólida, el calor latente de Fusión es conducido hacia el líquido aumentando su Temperatura. • Se pueden formar brazos secundarios y terciarios en los Troncos principales para acelerar la evacuación del calor latente De fusión. • Este crecimiento de forma arbórea se denomina dendrítico. • El crecimiento dendrítico continúa hasta que el líquido Subenfriado se calienta hasta la temperatura de solidificación. Cualquier líquido remanente solidifica de forma planar. • El subenfriamiento es a veces producido o coayudado por la Presencia de impurezas (o elementos de aleación), entonces se Denomina Subenfriamiento Constitucional. En estos casos, Las impurezas actúan como nucleantes.

Cuando la temperatura del líquido está por encima de la temperatura de Solidificación, una protuberancia existente en la interfase sólido-líquido no Crecerá. El calor latente se elimina de la interfase a través del sólido. Si el líquido está subenfriado, una protuberancia en la interfase sólidolíquido puede crecer rápidamente en forma dendrítica. El calor latente de Fusión es absorbido por el líquido subenfriado que eleva su temperatura Hasta la temperatura de solidificación.

Preguntas frecuentes

¿Qué diferencia hay entre nucleación homogénea y heterogénea?

La nucleación heterogénea se produce sobre impurezas o paredes del molde, que actúan como gérmenes, y ocurre a temperaturas más altas que la homogénea. Por eso es energéticamente más favorable.

¿Qué es el crecimiento dendrítico?

Es un crecimiento de forma arbórea que aparece cuando el líquido está subenfriado: se forman brazos secundarios y terciarios que aceleran la evacuación del calor latente de fusión. Continúa hasta que el líquido se calienta hasta la temperatura de solidificación.

¿Qué es un inoculante?

Es una impureza que se introduce intencionadamente en el líquido para favorecer la nucleación heterogénea.