Un líquido se solidifica cuando se enfría. Alternativamente, puede solidificarse cuando la presión disminuye o aumenta, dependiendo del signo del cambio de la densidad. Una vez se ha producido la nucleación, la solidificación se presenta por el movimiento de una interfaz. El proceso puede generar calor si la entalpía del sólido es menor que la del líquido. Del mismo modo, el soluto puede disolverse en el líquido si su solubilidad en el sólido es menor que en el líquido.
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Imagen simulada de crecimiento dendrítico por medio de un ordenador, utilizando una técnica de autómatas celulares. Nótese la ramificación de las dendritas. Fotografía cedida por el Instituto de Materiales, basado en el trabajo de U. Dilthey, V. Pavlik and T. Reichel, Mathematical Modelling of Weld Phenomena III, eds H. Cerjak and H. Bhadeshia, Institute of Materials, 1997 |
La concentracion de soluto y acumulacion del calor por delante de la interfaz puede dar lugar a que el líquido delante del frente de solidificación se super enfrie. En ese caso, la interfaz se vuelve inestable y en condiciones apropiadas ocurre una solidificación dendrítica. El mecanismo de esta inestabilidad se discute en otro lugar.
La dendrita tiende a ramificarse debido a la inestabilidad de interfase se presenta en todos los puntos a lo largo de su frente de crecimiento. La ramificación le da un carácter tipo árbol que es el origen del término dendritas.
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La imagen de la solidificación dendrítica de níquel puro obtenida por simulacion con ordenador. La simulación es de "crecimiento libre", es decir, el sólido está creciendo solo en contacto con el liquido. El grado de subenfriamiento del líquido delante de la interfase se indica mediante la escala adyacente. Fotografía cedida por el Instituto de Materiales, basado en el trabajo de Dilthey U., V. Pavlik y T. Reichel, Modelización Matemática de Weld Fenómenos III, Instituto de Materiales, 1997. El crecimiento tiende a ocurrir a lo largo de las direcciones de crecimiento rápido que son generalmente las <100> en metales cúbicos. |
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El siguiente video muestra cómo la concentración de cobre (en un 2% en peso de cobre en la aleación) cambia en la fase líquida cuando las dentritas se solidifican. Fue proporcionado por cortesía de Andreas Schäfer, Presidente de Informática, Friedrich- Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg, Alemania. Es producida en colaboración con colegas de la Universidad Friedrich-Schiller-Universität Jena.
La aleación tiene una composición química Fe-34Cr5Nb-4.5C en % de peso. Durante el enfriamiento, las dendritas de carburo de niobio son las primeras en solidificar. Su forma puede ser revelada atacando la muestra con un ácido que elimina la fase rica en hierro de la matriz. En este caso particular, la energía interfacial sólido/líquido varía con la orientación cristalina de modo que la forma con facetas cristalográficas es la de energia minima. La dirección de crecimiento rápido sigue siendo la <100> como se puede deducir de la simetría de la dendrita.
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Micrografía electrónica de barrido de dendritas de carburo de niobio (cúbica-F) en una aleación de recubrimiento dura en una base de hierro. Fotografía por cortesía de Berit Gretoft, Central Research Laboratories, ESAB AB, Suecia |
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La micrografía electrónica de transmisión corresponde a una dendrita de cobalto "blobby" que se encuentra en un eutéctico duro (oscuro). La eutéctica es una mezcla de carburos y matriz. La energía interfacial sólido-líquido no es muy anisotrópica, por lo que la dendrita adopta la forma lisa. Sin embargo, las direcciones de rápido crecimiento están a lo largo <100>. Micrografía cedida por cortesía de S. Atamert y H. K. D. H. Bhadeshia. Véase también "Comparison of the Microstructures and Wear Properties of Stellite Hardfacing Alloys Deposited by Arc Welding and Laser Cladding" Metallurgical Transactions A, vol. 20A, 1989, pp. 1037-1054. S. Atamert y H. K. D. H. Bhadeshia |
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Micrografía óptica que muestra una microestructura típica de banda en acero. Las regiones de soluto empobrecido se transforman en bainita en el estado solido mientras que las regiones de soluto-enriquecido son martensíticas. Fotografía cedida por S. A. Khan y H. K. D. H. Bhadeshia. Ver también: "La transformación en bainita de acero 300M de alta resistencia químicamente heterogéneo" Metallurgical Transactions A, vol. 21A, 1990, pp. 859-875. S. A. Khan y H. K. D. H. Bhadeshia |
Las siguientes fotografías muestran dendritas de zinc obtenidos extrayendo el sólido a partir de una masa fundida de zinc impuro. Las fotografías son de las muestras recogidas por el profesor Paul Howell, de la Universidad Estatal de Pensilvania.
 Las dendritas de zinc parcialmente solidificadas extraidas de una masa fundida. |
 Las dendritas de zinc parcialmente solidificadas extraidas de una masa fundida. |
Cuando el exterior hace frío, la humedad en una habitación caliente puede condensarse en la superficie interior para formar una fina película de humedad. Si la temperatura exterior es baja, se nuclea suficientemente hielo y crece. La región alrededor del cristal de hielo se agota en humedad. La humedad entonces tiene que llegar a los cristales de hielo por difusión a través de la zona empobrecida, a partir de la humedad restante y lejos de la interfaz. Supongamos que una pequeña parte del cristal de hielo avanza accidentalmente más que el resto de la interfaz. Moleculas de agua alejadas pueden llegar a la protuberancia un poco más rápido de lo que pueden llegar al resto del cristal, ya que no tienen que difundirse tan lejos. Esto conduce a la formación de una rama, y se dice que una inestabilidad de ramificación que se han formado. Esto conduce a la formación de dendritas de hielo como se ilustra a continuación. Estas fotos fueron tomadas en el Instituto de Tecnología de Harbin - la temperatura exterior puede estar por debajo de -20 ° C. El mecanismo descrito aquí es esencialmente el mismo que forma los copos de nieve, por difusión a través del aire de moléculas de agua a los cristales de hielo. Los copos de nieve tienen la morfología dendrítica en tres dimensiones.
 Ice dendrites on inner surface of cold window. |
 Ice dendrites. |
 Dendritas de hielo. |
 Dendritas de hielo. |
Cuando una capa de fusión de hielo se presenta interna, las dendritas de agua se forman en el interior del hielo. Ahora es el líquido que avanza en el sólido con una interfaz inestable. Además, puesto que el hielo tiene una densidad menor que el agua, se forma una burbuja dentro de cada dendrita del agua.
Las siguientes micrografías electrónicas de transmisión han sido amablemente proporcionadas por Andrew Fairbank con la autorización de los derechos de autor de la Universidad de Wollongong. Ellas muestran las primeras etapas de dendritas de α- (Fe, Si) que crecen en el estado sólido, desde el cristal amorfo metálico Fe82Si4B14 durante el recocido a 433 ° C y durante 60 min.
 Las dendritas en vidrio metálico Fe82Si4B14. |
 Las dendritas en vidrio metálico Fe82Si4B14. |
 Las dendritas en vidrio metálico Fe82Si4B14. |
 Las dendritas en vidrio metálico Fe82Si4B14. |
 Las dendritas en vidrio metálico Fe82Si4B14. |
Algunos materiales no pueden ser soldados mediante técnicas convencionales debido a que las altas temperaturas implicadas destruirían sus propiedades. Para tales materiales, la unión por difusión es una solución atractiva porque es una técnica de unión en estado sólido, que se lleva a cabo normalmente a una temperatura mucho más baja que el punto de fusión del material.
Algunos materiales no pueden ser soldados mediante técnicas convencionales debido a que las altas temperaturas implicadas destruirían sus propiedades. Para tales materiales, la unión por difusión es una solución atractiva porque es una técnica de unión en estado sólido, que se lleva a cabo normalmente a una temperatura mucho más baja que el punto de fusión del material.
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Equipo utilizado para la unión por difusión de gradiente de temperatura |
Shirzadi y Wallach (Ciencia de los Materiales e Ingeniería Metalúrgica de la Universidad de Cambridge) inventaron un método sencillo de romper la union planar de la interfaz inestable que se transforma en superficie "sinusoidal" o celular de una forma tridimensional. Un pequeño gradiente de temperatura se aplicó a la unión, que causo la inestabilidad de la interface. Este concepto se enseña en muchas carreras de grado pero fue la imaginacion y vision de Shirzadi y Wallach aplicarlo a transitorios de unión en fase líquida. El método es muy exitoso, produce un gran aumento de la resistencia de la unión, y se le ha concedido una patente del Reino Unido, No. 9709167.2, el Premio Granjon del Instituto Internacional de Soldadura y el Premio Cook-Ablett del Instituto de Materiales.
Algunos análisis de las transformaciones ilustradas en estas películas se puede encontrar en las conferencias de metales y aleaciones.
Las siguientes simulaciones por ordenador de crecimiento de grano en dos dimensiones han sido proporcionados por cortesía de V. Pavlik y U. Dilthey del Instituto ISF-soldadura de la Universidad de Aachen en Alemania. Las simulaciones de solidificación utilizan una técnica llamada "autómatas celulares" en combinación con métodos de diferencias finitas. Los autómatas celulares permiten a los procesos y patrones no triviales que se calculen a partir de reglas simples deterministicas. Contornos de concentración de soluto en la fase madre están representados por colores. Ponga atención al desarrollo de los brazos de las dendritas secundarias, al engrosamiento de estas ramas y al desarrollo de la segregación de soluto debido a la solidificación del no equilibrio. Observe que la microestructura cambia radicalmente como una función de los parámetros de solidificación (velocidad y gradiente de temperatura).
Dendritic solidification in Fe-0.11 wt% C velocity 10 mm/s, temperature gradient 100 K/mm. Have a careful look at the development of the secondary dendrite arms. The initial spacing between the secondary dendrite arms is much finer than in the final microstructure. This is because of coarsening - some of the finer arms dissolve as the coarser ones grow. The later stages also show the coalescence of the dedrite arms (both primary and secondary).
en peso, de velocidad 10 mm / s y gradiente de temperatura 100 K / mm. Observe cuidadosamente la elaboración de los brazos de las dendritas secundarias. La separación inicial entre los brazos de la dendrita secundaria es mucho más fina que en la microestructura final. Esto es debido a engrosamiento de algunos brazos a exprensas de brazos más finos . Las etapas posteriores muestran también la coalescencia de los brazos de dendritas (primarias y secundarias).La siguiente película es una simulación de la solidificación eutéctica en una proporción de
Al-Si. Fue provista por cortesía de Britta Nestler de la RWTH de Aquisgrán, Alemania. La simulación se basa en una técnica conocida como modelado "campo de fase". En este método, el límite se trata como una transición continua entre los granos adyacentes a través de una capa fina de espesor finito. El valor de una variable de campo de fase luego identifica la ubicación de la frontera y de cada grano. La ventaja de este método es que el límite se convierte en una parte del sistema de modo que no tiene que ser determinada de forma explícita en la solución. Observe cómo cambia el espaciado eutécticos medida que avanza la solidificación y la naturaleza del campo de difusión de solutos en el frente de solidificación. La distancia de difusión no es muy grande, aproximadamente igual a la separación de las láminas.Las simulaciones presentadas aquí han sido proporcionados con fines didácticos a través de los buenos oficios del Dr. Vitali Pavlik, de la Universidad de Aachen en Alemania.
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