Nucleación en metales puros

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Mecanismo de crecimiento lateral

- Interfaz plana o lisa, facetada

- Un átomo solo adherido a la superficie lisa y plana incrementa la energía de la interfaz.

- Interfaz lisa tiene un bajo factor de acomodación.

- El mecanismo de crecimiento lateral, este mecanismo puede suceder por tres vías:

- Nucleación superficial repetida: cuando la superficie es completamente plana, no tiene escalón ni huecos. Cuando el átomo sale del líquido y se adhiere a la superficie incrementa el número de enlaces roto, para esta nucleación se necesita radio críticos muy grandes tal que se dé por esa vía y es difícil porque es la más lenta de toda para que el embrión se convierta en núcleo. Se forma un disco que disminuye la superficie, no hay nada que ayude al crecimiento, es poco efectivo para bajos valores de sobreenfriamiento ya que requiere de radios críticos muy grande

- Crecimiento espiral: se necesita un codo para este tipo de crecimiento, un escalón puede presentar un codo, ese codo permite que el átomo que se adhiere a ese codo mantenga el mismo número de enlaces rotos y comienza a crecer formándose el cristal en forma de un espiral, sale del líquido rompe los enlaces se adhiere al sólido y vuelve a enlazarse, no incrementa el número de enlace y no incrementa la energía del sistema y es viable por eso, es más rápido que uno de nucleación superficial repetida. La dislocación de tornillo que aflora en la superficie es fuente de codo para que ocurra el crecimiento lateral por el mecanismo de crecimiento en espiral. Alto factor de acomodación.

- crecimiento de límite de macla: un gran factor de acomodamiento. En la interfaz de la macla o plano puede servir como especie de escalón o codo para que ocurra el crecimiento en espiral. La intersección de un plano de macla con la interfase S/L produce un ángulo entrante en el que puede darse el crecimiento. Otra fuente permanente de escalón puede originarse en el lugar donde dos cristales de orientaciones diferentes están en contacto. En la solidificación es muy común para materiales que muestran facetas para solidificar como dos cristales en orientación de maclas. Las facetas interfaciales por lo tanto se interceptaran en el límite de la macla, el cual puede actuar como una fuente permanente de nuevos escalones, proveen un mecanismo similar al crecimiento en espiral.

Solidificación en metales puros.

Flujo del calor y estabilidad de la interfaz. Es controlada por la tasa a la cual el calor latente de solidificación se puede conducir lejos de la interfaz solido/liquido. La conducción de calor a través del solido o del líquido depende de los gradientes de temperatura en la interfaz. [pic 4]

Esta ec. es cuando se considera el crecimiento del solido a una velocidad V con un interfaz plana en un liquido supercalentado. [pic 5]

Vease la figura superior, donde puede representarse cuando se solidifica desde las paredes del molde que se encuentran mas frias que el liquido. Gradiente de temperatura en el sólido positivo significa que cercano a la interfaz está más caliente y lejos hacia el sólido esta frio, se extrae el calor por las paredes del sólido. En el líquido la T es mucho más alta y hay un gradiente de temperatura positivo cercano a la interfaz, es decir el líquido está súper calentado o sobrecalentado y cuando ocurre el calor se remueve a través del sólido, si ocurre la solidificación de esta manera una superficie plana es siempre estable y se garantiza crecimiento planar no habrá formación de estructura dendrítica. Si se trata de formar una protuberancia la velocidad de crecimiento en la punta de la protuberancia disminuye y aumenta en la raíz y la interfaz plana es siempre estable. Se demuestra en la ecuación de balance de calor.[pic 6]

Todo el calor que se trae del solido que va a estar dado por la conductividad térmica del solido por el gradiente de T en el sólido. Si el gradiente térmico de líquido es menor que en el sólido la velocidad disminuye y es lo que ocurre cuando se forma una protuberancia. En un líquido súper calentado o sobrecalentado la interfaz es planar y no hay formación de estructuras dendríticas pero no es siempre lo ocurre. Cuando comienza el proceso de solidificación el líquido va a enfriar y estará más frio cada vez y la extracción de calor se da por el líquido.

Mientras que la figura inferior es cuando la nucleacion ocurre en una impureza en el seno del liquido y es lo que conoce como gradiente negativo de la distribucion de temperaturas en la intercara solido-liquido. . En el caso que el gradiente de temperatura en el líquido sea negativo la extracción del calor es hacia el líquido cuando se forma la protuberancia el valor de velocidad en la punta va aumentar, la interfaz plana no será más estable.

La subestructura dendrítica puede ser homogenizada por un tratamiento térmico posterior porque depende de su tamaño, si es muy grande no puede ser homogenizada. Cuando no hay más remoción de calor en el sólido, la temperatura será constante en el sólido y el gradiente del líquido va ser negativo para que la extracción del calor vaya al líquido y pueda seguir el proceso de solidificación y el gradiente de temperatura del líquido va disminuir en vez de aumentar y será menor que el sólido la velocidad de crecimiento aumenta, la interfaz plana puede volverse inestable bajo un líquido subenfriado y puede formar la protuberancia y la velocidad en esta puede aumentar. La condición necesaria para formar subestructura dendrítica en un metal puro es que el gradiente de T en el líquido sea negativa cuando haya subenfriamiento cuando la remoción de calor en la interfaz es a través del líquido, si se forma un saliente en el sólido el gradiente de T en el líquido se hace aún más negativo en la punta del saliente y se remueve mejor el calor con más eficiencia ahí que en la punta del saliente que en los laterales o regiones circundantes permitiendo que el saliente crezca preferencialmente.

Dendritas térmicas

Las dendritas primarios o brazos primarias pueden generar protuberancias y de ahí generar brazos secundarios o terciarios, entonces las dendritas son morfologías o subestructuras que se forman por la inestabilidad de las intercaras S/L plana para un gradiente de temperatura negativo, en el líquido una partícula sólida que es esférica puede desarrollar brazos en todas las direcciones , a medida que esos brazos se alarguen esas superficies planas llegaran