Procesos de Solidificación y Transformaciones en Materiales: Metales, Polímeros, Cerámicos y Compuestos

Solidificación

La solidificación es el cambio de estado de líquido a sólido. Consta de dos etapas principales:

• Nucleación
• Crecimiento

Procesos importantes que involucran la solidificación incluyen:

• Colada: lingotes, moldeo.
• Soldadura
• Crecimiento de monocristales

Nucleación Homogénea

Ocurre cuando el líquido fundido alcanza un elevado grado de subenfriamiento. Se crean núcleos homogéneos debido al movimiento lento de los átomos.

Nucleación Heterogénea

Tiene lugar en el líquido sobre las paredes del recipiente, impurezas u otras superficies. Estas actúan como agentes nucleantes que disminuyen la energía libre de Gibbs (ΔG) necesaria para la formación del núcleo.

Crecimiento Planar

Se da típicamente en metales puros bajo las siguientes condiciones:

• Temperatura del líquido (T_liq) > Temperatura de solidificación (T_solidif)
• Temperatura del sólido (T_solido) solidif

El flujo de calor (q_f) se mueve del líquido al sólido. La interfase sólido/líquido avanza en sentido contrario a la liberación de calor. El crecimiento se completa cuando las interfases se encuentran.

Crecimiento Dendrítico

Característico de aleaciones. El líquido se enfría a una temperatura próxima a la de fusión (T_f), favoreciendo la nucleación. Condiciones:

• El líquido está subenfriado.
• T_solido solidif

El flujo de calor (q_f) se mueve del sólido al líquido. La interfase avanza en el mismo sentido que la liberación de calor. El crecimiento ocurre cuando T_liq = T_solidif.

Subenfriamiento Constitucional

Se produce cuando varía la composición del líquido delante del frente de solidificación y la temperatura del líquido (Tª_liq) es inferior a la de solidificación.

Transformaciones en Estado Sólido

Procesos de Endurecimiento en Metales

Es un proceso aplicado a un metal o aleación que obliga a aumentar la tensión necesaria para provocar la deformación plástica. Su objetivo es restringir el movimiento de las dislocaciones.

Interés: Conseguir materiales ligeros de alta resistencia para:

• Estructuras móviles (trenes, camiones).
• Estructuras fijas (construcción, transporte).

Se busca mantener bajos costes.

Endurecimiento por Precipitación

En algunas aleaciones, se puede conseguir un aumento muy notable de resistencia provocando la precipitación de una segunda fase en forma de partículas muy finas dispersas en la matriz. Estas partículas obstaculizan el movimiento de las dislocaciones.

Condiciones necesarias:

• Existencia de una línea de solvus que refleje una disminución de la solubilidad con la temperatura.
• Formación de precipitados que endurezcan el material.

Influencia en las propiedades mecánicas:

1. Influencia de la concentración: Al aumentar la concentración del soluto (ej. Cu), aumenta la dureza (H).
2. Influencia del tiempo/tipo de precipitado:
   • Solución sólida sobresaturada: Dureza (H) baja.
   • Zona GP (Guinier-Preston): Dureza (H) más alta.
   • Sobreenvejecimiento (precipitados gruesos): La solubilidad disminuye y la dureza (H) baja.

Comportamiento Térmico y Transición Vítrea en Polímeros

• T_g (Temperatura de transición vítrea): Transición de sólido rígido a sólido gomoso. A T > T_g, las cadenas poliméricas son capaces de rotar y vibrar bajo la acción de esfuerzos.
• T_f (Temperatura de fusión): Transición de sólido a líquido viscoso. Se rompen gran parte de los enlaces secundarios entre cadenas.
• T_d (Temperatura de degradación): Transición de líquido a productos de degradación. Implica la rotura de enlaces covalentes primarios. El polímero puede quemarse o carbonizarse.

Cerámicos

Son compuestos inorgánicos formados por elementos metálicos y no metálicos, o solo no metálicos. Sus enlaces pueden ser iónicos, covalentes o mixtos.

Silicatos

Son una clase importante de cerámicos basados en silicio y oxígeno. Se clasifican según la estructura del anión silicato:

• Nesosilicatos (SiO₄^4- aislados)
• Sorosilicatos (Si₂O₇^6-)
• Ciclosilicatos (anillos, ej. Si₆O₁₈^12-)
• Inosilicatos (cadenas simples, ej. SiO₃^2-)
• Inosilicatos dobles (cadenas dobles, ej. Si₄O₁₁^6-)
• Filosilicatos (láminas, ej. Si₂O₅^2-)
• Tectosilicatos (estructuras tridimensionales, ej. SiO₂)

Materiales Compuestos

Son materiales formados por la combinación de dos o más materiales distinguibles física, química y mecánicamente. Poseen propiedades superiores a las de los componentes por separado.

Ventajas

• Baja densidad
• Alta resistencia
• Alta tenacidad

Desventajas

• Coste variable
• Bajo reciclado
• Alta degradación de la matriz (en algunos casos)

Hormigón

Es un material compuesto reforzado con partículas, compuesto por dos fases cerámicas:

• Matriz: Cemento Portland o asfáltico (7-15%)
• Refuerzo: Grava (31-51%) + Arena (24-30%)
• Agua (14-21% para la reacción de fraguado)

Propiedades:

• Duro
• Bajo coste
• Buena resistencia al fuego
• Preparación in situ
• Baja resistencia a tracción
• Frágil
• Sufre dilataciones y contracciones térmicas