Conceptos Fundamentales de Fases y Estructura de Materiales

Definiciones Clave de Fases y Estructuras

• Fase: Un cuerpo de materia microscópicamente homogénea.
• Interfase: Separación entre una fase y otra.
• Granos: Cristales individuales.
• Límite de grano: Separaciones entre granos.
• Polifásicos: Materiales que presentan dos o más fases, lo que complica su estructura pero les confiere muchas propiedades útiles (ejemplos: hierro, acero, hierro fundido).
• Fundición: La forma final que adquieren los objetos metálicos al solidificar desde una fase líquida.

Estados de la Materia y su Energía

• Sólido: Fase cristalina en la que los átomos se encuentran alineados en el espacio en formaciones definidas sobre grandes distancias. Posee la energía interna más baja y la entropía más baja.
• Fase líquida: Representa una fase con una energía interna ligeramente más alta y con una entropía ligeramente mayor.
• Fase gaseosa: Tiene la energía interna más elevada y la entropía o desorden más grande.
• Gaseoso: Los átomos del metal ocupan gran parte del espacio debido a su rápido movimiento.

Solidificación de Metales: Principios y Fenómenos

Fenómenos Térmicos en la Solidificación

• Subenfriamiento: Es la diferencia entre la temperatura de solidificación al equilibrio y la temperatura real del líquido.
• Calor latente de fusión: Representa el calor cedido durante la transformación de líquido a sólido.
• Calor específico: Es el calor necesario para cambiar en un grado la temperatura de una cantidad de peso de material.
• Sobrecalentamiento: Es la diferencia entre la temperatura de vaciado y la temperatura de solidificación.

Mecanismos de Solidificación

Nucleación

• Nucleación: Es el comienzo de un cambio de estado en una región pequeña pero estable del sistema.
• Nucleación homogénea: Ocurre cuando el subenfriamiento es suficiente para causar la formación de un núcleo estable.
• Nucleación heterogénea: Es la nucleación que se produce sobre superficies de impurezas.

Crecimiento del Sólido

• Crecimiento: Ocurre conforme los átomos se integran a la superficie del sólido. La naturaleza del crecimiento del sólido dependerá de la forma en que se va extrayendo el calor latente de fusión.
• Crecimiento planar: Ocurre por el desplazamiento de la interfase sólido-líquido lisa o plana hacia el líquido.
• Crecimiento dendrítico: Es el avance de alguna protuberancia (dendrita) en la interfase. Conforme crece la protuberancia, el calor latente de fusión pasa al líquido subenfriado, elevando su temperatura hacia la temperatura de solidificación.

Otros Conceptos Relacionados con la Estructura

• Endurecimiento por tamaño de grano: Se introducen intencionalmente partículas de impureza en el líquido para controlar el tamaño de grano.
• Vidrios: En enfriamientos muy rápidos, podría no haber el tiempo suficiente para que los núcleos se formen y crezcan. Cuando esto ocurre, la estructura líquida se congela, formándose un sólido amorfo o vítreo.

Tiempos y Zonas de Solidificación en Fundiciones

Tiempos de Solidificación

• Tiempo de solidificación total: Es el tiempo requerido para eliminar tanto el calor específico del líquido sobrecalentado como el calor latente de fusión.
• Tiempo de solidificación local: Es el tiempo requerido para eliminar solo el calor latente de fusión en algún sitio particular de la fundición.

Estructura del Lingote y Zonas de Solidificación

• Lingote: Es el producto terminado o fundición que se produce en los moldes.
• Zona de granos finos superficiales: Es una estrecha banda de granos orientados al azar y localizada sobre la superficie de la pieza, resultado de un enfriamiento rápido inicial.
• Zona columnar: Contiene granos alargados, orientados en una dirección cristalográfica particular.
• Zona equiaxial: Se forma en el centro de la fundición o lingote, contiene granos nuevos, orientados al azar.
• Solidificación direccionada: Se calienta el molde de un extremo y se enfría desde el otro, produciendo una estructura columnar que tiene todos los bordes de grano en la dirección longitudinal de la pieza.

Procesos de Fundición y sus Aplicaciones

Diseño General de un Proceso de Fundición

Los procesos de fundición incluyen el moldeo en arena, procesos de colado en molde cerámico, por revestimiento o a la cera perdida, de molde permanente y fundición a presión.

Cuatro Procesos de Fundición Típicos

1. Moldeo en arena de verde: Se compacta arena arcillosa alrededor de un patrón. Los corazones de arena pueden producir cavidades internas en la fundición.
2. Proceso de colado en molde permanente: Se vacía el metal líquido en un molde de hierro o de acero.
3. Proceso de inyección a presión: Se inyecta el metal a alta presión en un molde de acero.
4. Proceso de moldeo por revestimiento a la cera perdida: Un patrón de cera es recubierto por un producto cerámico; después se funde la cera y se extrae para posteriormente verter el metal dentro del molde.

Defectos en la Solidificación y Fundición

Causas Generales de Defectos

Los defectos pueden originarse por: diseño inadecuado, selección de una aleación no conveniente para la aplicación específica, defectos de maquinado, defectos de soldadura, montaje fuera de parámetros o factores ambientales de servicio.

Imperfecciones y Discontinuidades Comunes

• Rechupe: Este defecto consiste en grandes cavidades producidas debido a la disminución de volumen en el cambio de fase líquido-sólido. Se producen al final de la solidificación.
• Porosidad por gases: Este defecto consiste en cavidades causadas por gases atrapados, como aire o vapor, o por la expulsión de gases disueltos durante la solidificación.
• Grietas por enfriamiento: Son grietas o fracturas producidas por tensiones internas que se desarrollan después de la solidificación y durante el enfriamiento desde temperaturas elevadas.
• Grietas en caliente (Hot Tears): Es una grieta o fractura que se forma antes de que se complete la solidificación, debido a las restricciones impuestas a las contracciones.
• Inclusiones: Son materiales no metálicos insertos en una matriz metálica en estado sólido.
• Falta de fusión: Este defecto consiste en una fundición que no se ha formado totalmente, debido a la solidificación del metal antes de que el molde se haya llenado.
• Defectos dimensionales: Se refieren a errores de tamaño o de forma debido a errores de dimensiones del modelo, incorrecto diseño del modelo y del equipo de moldeo, etc.
• Porosidad por contracciones: Este tipo de defectos consiste en cavidades que se forman por las contracciones que se producen durante la solidificación.
• Grietas por tensiones residuales: Este tipo de grietas se produce como resultado de elevadas tensiones residuales, después que la pieza ha sido enfriada por debajo de 650°C.
• Segregación: Es la desviación composicional de zonas localizadas respecto a la composición química promedio.

Defectos Microestructurales

• Fragilización intergranular de la red.
• Láminas de grafito, de forma, tamaño o distribución desfavorable.
• Gradientes en las estructuras superficiales, tales como carburización o descarburización.
• Microestructuras insatisfactorias como resultado de una selección inadecuada del material, composición incorrecta para el tamaño de la pieza o tratamiento térmico incorrecto.