Solidificación

La solidificación es una transformación en la que un líquido que no tiene estructura cristalina, pasa a un sólido con estructura cristalina. Dentro de los proceso que incluyen la solidificación están los procesos de colada ya sea en moldes, lingoteras o por colada continua. También en los procesos de soldadura está presenta la solidificación, así como en el crecimiento de monocristales (semiconductores) o en la fabricación de composites.

La transformación de líquido a sólido ocurre en dos etapas. La primera, es la nucleación de la fase sólida en la fase líquida, donde se genera una superficie sólido - líquido que tiene una energía de superficie (energía por unidad de superficie) y, la segunda, se refiere al crecimiento de estos núcleos a medida que desciende la temperatura. Por lo tanto, durante la solidificación coexisten ambas fases, sólida y liquida

- Nucleación de la fase solida:consta de dos mecanismo principales

-Nucleacion Homogenea: La nucleación homogénea se da en el liquido fundido cuando el metal proporciona por si mismo los átomos para formar el núcleo. Cuando se enfría un metal puro por debajo de su temperatura de equilibrio de solidificación en un grado suficiente, se crean numerosos núcleos homogéneos por movimiento lento de átomos que se mantienen juntos. La nucleación homogénea requiere habitualmente un elevado grado de subenfriamiento. Para que un núcleo estable pueda transformarse en un cristal debe alcanzar un tamaño critico.

Nucleación Heterogénea.Es la nucleación que tiene lugar en un liquido sobre la superficie del recipiente que lo contiene, impurezas insolubles, u otros materiales estructurales que disminuyan la energía libre requerida para formar un núcleo estable. Esta nucleación es la que ocurre en operaciones de fundición industrial, normalmente varia entre 0.1 y 10 ºC el subenfriamiento. para que esta se produzca, el agente de nucleación sólido debe ser mojado por el metal liquido, además el liquido debiera poder solidificar fácilmente sobre el agente de nucleación .la nucleación heterogénea tiene lugar sobre el agente de nucleación por que la energía superficial para formar un núcleo estable sobre este material es mas baja que si el núcleo se formara sobre el propio liquido puro, al ser menor, el cambio de energía libre total para la formación de un núcleo estable deberá ser también menor y el tamaño del radio critico del núcleo será menor, y es por esto que se requiere de un menor subenfriamiento para producir un núcleo estable por nucleación heterogénea.

-Crecimiento de los nucleos: Crecimiento estable e inestable de cristales metálicos la forma de crecimiento de un sólido en un líquido depende del gradiente de temperatura delante de la interfase sólido-líquido, (S-L). Como se señaló anteriormente, para producir solidificación es necesario sobreenfriar el líquido bajo la temperatura de fusión Tf ; al formarse una cierta cantidad de sólido se expulsa calor latente el cual eleva la temperatura de la interfase S-L

-Defectos de solidificación

Todos los materiales sólidos contienen gran cantidad de imperfecciones o desviaciones de la perfección cristalina. Los diferentes tipos de imperfecciones se clasifican basándose en su geometría y tamaño. Muchas de las propiedades de los materiales son muy sensibles al desvío de las imperfecciones cristalinas.

La clasificación de los defectos cristalinos es la siguiente:

• Defectos de punto: asociados con una o dos posiciones atómicas, como las vacantes (ausencia de un átomo en un punto del reticulado cristalino), los átomos auto-intersticiales (átomos de disolvente que ocupan posiciones intersticiales) y los átomos de impurezas.
• La mayoría de los defectos y de los elementos estructurales más importantes de los materiales son de dimensiones microscópicas y su observación sólo es posible con la ayuda de un microscopio. Defectos volumétricos: defectos tridimensionales como los poros, las grietas o las inclusiones.
• Defectos bidimensionales: límites entre dos regiones con diferentes estructuras cristalinas o diferentes orientaciones cristalográficas, como los contornos de grano, las interfaces, las superficies libres, los límites de macla y los defectos de apilado.
• Defectos de línea: defectos unidimensionales como las dislocaciones.