principios de solidificación
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Principios de Solidificación en estructuras de MaterialesTRANSCRIPT
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PRINCIPIOS DE SOLIDIFICACIÓN
Nucleación.
Crecimiento.
Defectos de solidificación.
Solidificación direccional.
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PRINCIPIOS DE SOLIDIFICACIÓN
Líquido Líquido Límites de grano
Núcleo
Cristales que
formarán granos Granos
Hay solidificación cuando:
• Un núcleo con pequeños cristales
• Crecimiento del núcleo hasta dar origen a cristales y la formación de una estructura granular
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NUCLEACIÓN
Proceso físico por el cual se produce una fase nueva en un material. En el caso de la solidificación, indica la formación de partículas sólidas diminutas y estables en el líquido.
Líquido
Radio r
Interfase
Sólido-líquido
24 rA
3
3
4rV
Sólido
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NULEACIÓN HOMOGÉNEA
Formación de un sólido de tamaño critico a partir del liquido, por la agrupación de una gran cantidad de átomos producto de un gran subenfriamiento (sin interfaz externa).
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NUCLEACIÓN HETEROGÉNEA
Formación de un sólido de tamaño critico a partir de liquido, sobre la superficie de una impureza u otro tipo de superficie preexistente.
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NUCLEACIÓN HETEROGÉNEA
Se utilizan Impurezas o las paredes de un molde o
recipiente
Es la forma real que nuclean los metales
Se disminuye el sub-enfriamiento entre 0.1 y 10°C
Impureza
Sólido
Líquido
θ
CONCLUSIÓN: Se disminuye la energía de superficie, entonces, el cambio de
energía total para la formación de un núcleo estable, será menor.
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VELOCIDAD DE NUCLEACIÓN (I)
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Se define como la cantidad de núcleos formados por unidad de tiempo, y es una función de la temperatura. Antes de la solidificación no hay nucleación y a temperaturas mayores del punto de solidificación la I es cero. En la nucleación heterogénea la I esta determinada por concentración de los agentes nucleantes que se introducen.
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MECANISMOS DE CRECIMIENTO Crecimiento planar: En este mecanismo el calor latente de fusión se elimina por conducción, a partir de la interfaz sólido – líquido, este tipo de crecimiento se presenta cuando no hay subenfriamiento.
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Crecimiento dendrítico: En este caso hay un subenfriamiento del líquido, por lo tanto la protuberancia puede crecer, en este tipo de crecimiento también pueden formarse brazos secundarios y terciarios de dendrita sobre los tallos primarios.
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El tiempo de solidificación afecta el tamaño de las dendritas. Normalmente, el tamaño de una dendrita se caracteriza midiendo la distancia entre sus brazos secundarios, dicha distancia se reduce cuando la pieza solidifica con mayor rapidez
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Efecto del tiempo de solidificación sobre las distancias entre brazos dendríticos secundarios en el Cu, Zn y Al.
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Efecto de la distancia entre brazos dendríticos secundarios sobre las propiedades de una aleación colada de Al.
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ESTRUCTURA DE LA PIEZA COLADA
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ESTRUCTURA DE LA PIEZA COLADA
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DEFECTOS DE SOLIDIFICACIÓN
Contracción: La mayor parte de las contracciones producen cavidades, si la solidificación comienza en todas las superficies de la pieza, o rechupes, si una superficie se solidifica con más lentitud que las demás.
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DEFECTOS DE SOLIDIFICACIÓN
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Contracción interdendrítica: Consiste en pequeños poros de contracción entre dendritas. Este defecto también llamado microporosidad, es difícil de evitar usando mazarotas
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SOPLADURAS O POROSIDAD DE GAS
Muchos metales disuelven una gran cantidad de gas cuando están fundidos. Por ejemplo, el Al disuelve al H.
Sin embargo al solidificarse el al el metal sólido sólo retiene una fracción pequeña de H en su estructura cristalina, ya que la solubilidad es apreciablemente menor.
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SOLIDIFICACIÓN DIRECCIONAL
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MOVIMIENTO DE ATOMOS Y IONES EN LOS MATERIALES
DIFUSION
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La difusión indica el flujo neto de cualquier especie, como iones, átomos, electrones, vacancias y moléculas.
Con el fin de eliminar las diferencias de concentración y llegar a una composición homogénea y uniforme.
La magnitud de la difusión depende del gradiente inicial de concentraciones y de la temperatura.
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CEMENTACIÓN O NITRURACIÓN:
Endurecimiento superficial, piezas complejas
Difusión de C o N
Control de las transformaciones de fase en los tratamientos térmicos de metales
APLICACIONES DE LA DIFUSIÓN
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RECUBRIMIENTOS PROTECTORES
Barrera térmica para alabes de turbinas de avión.
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Para evitar o minimizar difusión de vapor de agua o el ataque de agentes corrosivos en diferentes tipos de estructuras metálicas.
RECUBRIMIENTOS PROTECTORES
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La capacidad de difusión de átomos o iones se incrementa con el aumento de la temperatura.
La rapidez del movimiento de estos átomos se expresa:
R = cte de los gases (1,987 cal/mol*K)
T absoluta (K)
Q = ENERGÍA DE ACTIVACIÓN
ESTABILIDAD DE ÁTOMOS Y IONES
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Suponga que se determina que los átomos intersticiales pasan de un sito a otro a velocidades de 5 * 108 saltos/s, a 500 °C y a 8 * 108 saltos/s, a 800 °C. Calcule Q
EJEMPLO
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MECANISMOS DE DIFUSION
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ENERGIA DE ACTIVACION EN LA DIFUSION
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La velocidad de difusión se puede medir con el flujo J, cantidad de átomos o iones que atraviesan un plano o un área por unidad de tiempo.
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D = difusividad o coeficiente de difusión, cm2 / s
dc/dx = gradiente de concentración
VELOCIDAD DE DIFUSION (Primera Ley de Fick)
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GRADIENTE DE CONCENTRACION
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Se deposita una capa de 0.05cm de óxido de magnesio (MgO) entre capas de Ni y de Ta para formar una barrera que evite reacciones entre los dos metales.
A 1400ºC, se forman iones Ni y se difunden a través de la cerámica de MgO y llegan al Ta.
Determine la cantidad de iones Ni que atraviesan el MgO cada segundo. El coeficiente de difusión de los iones Ni en MgO es 9*10-12 cm2/s y el parámetro de red del Ni a 1400 ºC es 3.6*10-8 cm
EJEMPLO
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![Page 36: Principios de Solidificación](https://reader037.vdocuments.pub/reader037/viewer/2022102518/577c84911a28abe054b97525/html5/thumbnails/36.jpg)
La composición del Ni en la interfaz Ni/MgO es 100% Ni:
La composición de Ni en la interfaz Ta/MgO es 0% Ni. El
gradiente de concentración:
3
22
38/ 1057.8
)106.3(
4
cm
atoms
cm
unitcell
atomsNi
MgONic
cmcm
atoms
cm
cm
atoms
x
c
.1071.1
05.0
1057.80
3
243
22
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El flujo de átomos de Ni a través de la capa de MgO:
La cantidad total de átomos de Ni que cruza la interfaz de 2cm*2cm cada segundo:
scm
NiatomsJ
cmcm
atomsscm
x
cDJ
.1054.1
).
1071.1)(/109(
2
13
3
24212
Total Ni /s = J(Area) = (1.54 1013 atoms/cm2.s) * (2 cm)(2 cm)
= 6.16 1013 Ni atoms/s
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Los procesos difusionales juegan papel importante cuando se emplean o procesan materiales a elevadas temperaturas.
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DIFUSION Y PROCESAMIENTO DE MATERIALES
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CRECIMIENTO DE GRANO
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UNION O SOLDADURA POR DIFUSION
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SOLUCIONES SÓLIDAS Y
EQUILIBRIO DE FASES
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Aleación: material que tiene propiedades metálicas y está formado por varios elementos. Las aleaciones pueden ser monofásicas, bifásicas y polifásicas.
Fase: parte o porción que puede ser incluida en una totalidad de un sistema. Es físicamente homogénea dentro de si misma y limitada por una superficie
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EQUILIBRIO DE FASES
![Page 45: Principios de Solidificación](https://reader037.vdocuments.pub/reader037/viewer/2022102518/577c84911a28abe054b97525/html5/thumbnails/45.jpg)
Describe la relación entre la cantidad de componentes y la cantidad de fases para determinado sistema. Tiene la forma general: 2 + C = F + P (cuando se puede variar tanto T y P a la vez) C= cantidad de componentes químicamente independientes. F= cantidad de grados de libertad. P= es la cantidad de fases presentes.
REGLA DE LAS FASES
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PUNTO A: 2+C = F+P 2+1=F+1 F = 2 PUNTO B: 2+C = F+P 2+1=F+2 F = 1 PUNTO C: 2+C = F+P 2+1=F+3 F = 0
DIAGRAMA DE FASES PARA EL Mg PURO
![Page 47: Principios de Solidificación](https://reader037.vdocuments.pub/reader037/viewer/2022102518/577c84911a28abe054b97525/html5/thumbnails/47.jpg)
Para que un sistema de aleación, tenga solubilidad sólida ilimitada, debe cumplir las reglas de Hume-Rothery: 1. Factor Tamaño: los átomos o iones deben tener un tamaño semejante, con una diferencia de tamaño no mayor al 15%.
2. Estructura Cristalina: deben tener la misma estructura cristalina, de lo contrario podrá haber un punto de una transición de una fase a otra con una estructura distinta.
3. Valencia: los iones deben tener la misma valencia, de lo contrario se impulsará la formación de compuestos.
4. Electronegatividad: deben tener +/- la misma electronegatividad.
SOLUBILIDAD Y SOLUCIONES SÓLIDAS
![Page 48: Principios de Solidificación](https://reader037.vdocuments.pub/reader037/viewer/2022102518/577c84911a28abe054b97525/html5/thumbnails/48.jpg)
Un diagrama de fases muestra las fases y sus composiciones en cualquier temperatura y composición de la aleación. Los diagramas pueden ser binarios, ternarios o pseudobinarios.
DIAGRAMAS DE FASE ISOMORFOS
![Page 49: Principios de Solidificación](https://reader037.vdocuments.pub/reader037/viewer/2022102518/577c84911a28abe054b97525/html5/thumbnails/49.jpg)
LIQUIDUS es aquella arriba de la cual un material es totalmente líquido. SOLIDUS es aquella por debajo de la cual una aleación es 100% sólida. El intervalo entre estas dos temperaturas se conoce como intervalo de solidificación.
DIAGRAMAS DE FASE ISOMORFOS
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(1 + C = F + P) C=componentes químicos independientes P= cantidad de fases F= cantidad de grados de libertad
REGLA DE LAS FASES PARA EL DIAGRAMA ISOMORFO
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Determine los grados de libertad en una aleación Cu-40% Ni a) 1300ºC, b) 1250ºC, c) 1200ºC
REGLA DE LAS FASES PARA EL DIAGRAMA ISOMORFO
1300ºC, P = 1, (fase líquida), C = 2 (átomos Cu y Ni) 1+C = F + P 1+2 = F+1 F =2 Se deben fijar la temperatura y la composición de la fase líquida.
![Page 52: Principios de Solidificación](https://reader037.vdocuments.pub/reader037/viewer/2022102518/577c84911a28abe054b97525/html5/thumbnails/52.jpg)
1250ºC, P = 2, (líquido y sólido presentes), C = 2 (átomos Cu y Ni) 1+C = F + P 1+2 = F+2 F =1 Se fija la temperatura en la región de las dos fases.
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REGLA DE LAS FASES PARA EL DIAGRAMA ISOMORFO
![Page 53: Principios de Solidificación](https://reader037.vdocuments.pub/reader037/viewer/2022102518/577c84911a28abe054b97525/html5/thumbnails/53.jpg)
1200ºC, P = 1, (solo sólida), C = 2 (ats Cu y Ni) 1+C = F + P 1+2 = F+1 F =2 Se deben fijar la temperatura y la composición de la fase sólida.
REGLA DE LAS FASES PARA EL DIAGRAMA ISOMORFO
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REGLA DE LA HORIZONTAL
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REGLA DE LA PALANCA
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under license.
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palancaladetotallongitud
opuestopalancadebrazoFASEDEPORCENTAJE
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Determinar la composición y cantidad de cada fase en una aleación de Cu-Ni con 40% de Ni, a 1300, 1270, 1250 y 1200 °C.
EJEMPLO
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%3810032454045%:1250
%2310037503740%
%7710037504050%:1270
%100:1300
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LCo
LCo
LCo
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SOLIDIFICACIÓN DE ALEACIONES DE SOLUCIÓN SÓLIDA
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SOLIDIFICACIÓN DE ALEACIONES DE SOLUCIÓN SÓLIDA
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CURVA DE ENFRIAMIENTO DE UNA ALEACIÓN ISOMORFA
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SOLIDIFICACIÓN DE ALEACIONES FUERA DEL EQUILIBRIO
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SEGREGACIÓN Y MICROSEGREGACIÓN
La composición no uniforme que se produce en la solidificación fuera de equilibrio se llama segregación.
La microsegregación, llamada también segregación interdendrítica, se forma en distancias cortas, con frecuencia entre brazos dendríticos pequeños.
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HOMOGENIZACIÓN
Tratamiento térmico mediante el cual se reduce la segregación interdendrítica, consiste en calentar a una temperatura menor que la de solidus de desequilibrio, los átomos de Ni en el centro de las dendritas difunden hacia las regiones interdendríticas y los átomos de Cu difunden en dirección contraria.
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ENDURECIMIENTO POR DISPERSIÓN
La gran mayoría de los materiales diseñados están formados por más de una fase, y muchos de ellos están diseñados para tener mejor resistencia. En las aleaciones endurecidas por dispersión, se introducen partículas diminutas de una fase, en general muy fuerte y dura, en una segunda fase, que es más débil pero es más dúctil.
La fase suave por lo general es continua y esta presente en mayores cantidades; se llama matriz. La fase endurecedora puede llamarse fase dispersa o precipitado.
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CONSIDERACIONES GENERALES DE ENDURECIMIENTO POR DISPERSIÓN
1. La matriz debe ser suave y dúctil, aunque la fase dispersa debe ser dura y fuerte. Las partículas de la fase dispersa interfieren con el deslizamiento, mientras que la matriz proporciona al menos cierta ductilidad a la aleación.
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2. La fase dispersa dura debe ser discontinua, mientras que la matriz suave y dúctil debe ser continua; ya que si la fase dura y frágil fuera continua las grietas podrían propagarse por toda la estructura.
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3. Las partículas de la fase dispersa deben ser pequeñas y numerosas para aumentar la probabilidad de interferir con el proceso de deslizamiento.
![Page 68: Principios de Solidificación](https://reader037.vdocuments.pub/reader037/viewer/2022102518/577c84911a28abe054b97525/html5/thumbnails/68.jpg)
4. Las partículas de la fase dispersa deben ser redondeadas, y no aciculares o con aristas agudas, porque es menos probable que inicien una grieta o actúen como concentradores de esfuerzo.
![Page 69: Principios de Solidificación](https://reader037.vdocuments.pub/reader037/viewer/2022102518/577c84911a28abe054b97525/html5/thumbnails/69.jpg)
5. Mayores concentraciones de fase dispersa aumentan la resistencia de la aleación.
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COMPUESTOS INTERMETÁLICOS
Es aquel formado por dos o más elementos metálicos que
producen una nueva fase con composición, estructura
cristalina y características propias.
Estos compuestos son muy duros y frágiles.
Hacen parte de la fase dispersa de las aleaciones endurecidas
por dispersión
Los compuestos intermetálicos estequiométricos se
representan en los diagramas de fases con una recta vertical
![Page 71: Principios de Solidificación](https://reader037.vdocuments.pub/reader037/viewer/2022102518/577c84911a28abe054b97525/html5/thumbnails/71.jpg)
COMPUESTOS INTERMETÁLICOS
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Compuesto intermetálico
estequiométrico
Compuesto NO intermetálico
estequiométrico
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REACCIONES
INVARIANTES
![Page 73: Principios de Solidificación](https://reader037.vdocuments.pub/reader037/viewer/2022102518/577c84911a28abe054b97525/html5/thumbnails/73.jpg)
IDENTIFICACIÓN DE REACCIONES
1.Localizar una recta horizontal en el diagrama de
fases, que indique una reacción entre tres fases.
2.Ubicar tres puntos distintos en la línea
horizontal: los dos extremos y un tercer punto
3.Ver sobre el punto intermedio e identificar la o
las fases presentes, de igual forma en la parte
inferior.
![Page 74: Principios de Solidificación](https://reader037.vdocuments.pub/reader037/viewer/2022102518/577c84911a28abe054b97525/html5/thumbnails/74.jpg)
IDENTIFICACIÓN DE REACCIONES ENTRE TRES
FASES
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Se encuentran líneas
horizontales en: 1150, 920, 750,
450, y 300
δ + L γ, peritéctica
L1 γ + L2 monotéctica
L γ + β, eutéctica
α + β μ peritectoide
γ α + β, eutectoide
![Page 75: Principios de Solidificación](https://reader037.vdocuments.pub/reader037/viewer/2022102518/577c84911a28abe054b97525/html5/thumbnails/75.jpg)
(c)2003 Brooks/Cole, a division of Thomson Learning, Inc. Thomson Learning™ is a trademark used herein under license.
DIAGRAMA DE FASES EN EQUILIBRIO PARA Pb – Sn
![Page 76: Principios de Solidificación](https://reader037.vdocuments.pub/reader037/viewer/2022102518/577c84911a28abe054b97525/html5/thumbnails/76.jpg)
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SOLIDIFICACIÓN Y MICROESTRUCTURA DE UNA ALEACIÓN Pb – Sn, CON 2% DE Sn
![Page 77: Principios de Solidificación](https://reader037.vdocuments.pub/reader037/viewer/2022102518/577c84911a28abe054b97525/html5/thumbnails/77.jpg)
(c)2003 Brooks/Cole, a division of Thomson Learning, Inc. Thomson Learning™ is a trademark used herein under
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SOLIDIFICACIÓN Y MICROESTRUCTURA DE UNA ALEACIÓN Pb – Sn, CON 10% DE Sn
![Page 78: Principios de Solidificación](https://reader037.vdocuments.pub/reader037/viewer/2022102518/577c84911a28abe054b97525/html5/thumbnails/78.jpg)
(c)2003 Brooks/Cole, a division of Thomson Learning, Inc. Thomson Learning™ is a trademark used herein under license.
SOLIDIFICACIÓN Y MICROESTRUCTURA DE UNA ALEACIÓN Pb – Sn, CON 61.9% DE Sn
![Page 79: Principios de Solidificación](https://reader037.vdocuments.pub/reader037/viewer/2022102518/577c84911a28abe054b97525/html5/thumbnails/79.jpg)
CRECIMIENTO LAMELAR DE UN EUTÉCTICO DE Pb – Sn
![Page 80: Principios de Solidificación](https://reader037.vdocuments.pub/reader037/viewer/2022102518/577c84911a28abe054b97525/html5/thumbnails/80.jpg)
CURVA DE ENFRIAMIENTO DE UNA ALEACIÓN EUTÉCTICA
![Page 81: Principios de Solidificación](https://reader037.vdocuments.pub/reader037/viewer/2022102518/577c84911a28abe054b97525/html5/thumbnails/81.jpg)
(c)2003 Brooks/Cole, a division of Thomson Learning, Inc. Thomson Learning™ is a trademark used herein under license.
SOLIDIFICACIÓN Y MICROESTRUCTURA DE UNA ALEACIÓN Pb – Sn, CON 30% DE Sn
![Page 82: Principios de Solidificación](https://reader037.vdocuments.pub/reader037/viewer/2022102518/577c84911a28abe054b97525/html5/thumbnails/82.jpg)
MICROESTRUCTURAS DE ALEACIÓN HIPOEUTÉCTICA E HIPEREUTÉCTICA DE Pb – Sn
![Page 83: Principios de Solidificación](https://reader037.vdocuments.pub/reader037/viewer/2022102518/577c84911a28abe054b97525/html5/thumbnails/83.jpg)
CURVA DE ENFRIAMIENTO DE UNA ALEACIÓN HIPOEUTÉCTICA Pb – 30%Sn
![Page 84: Principios de Solidificación](https://reader037.vdocuments.pub/reader037/viewer/2022102518/577c84911a28abe054b97525/html5/thumbnails/84.jpg)
DISTANCIA INTERLAMELAR
![Page 85: Principios de Solidificación](https://reader037.vdocuments.pub/reader037/viewer/2022102518/577c84911a28abe054b97525/html5/thumbnails/85.jpg)
EFECTO DE LA VELOCIDAD DE CRECIMIENTO SOBRE LA DISTANCIA INTERLAMELAR
![Page 86: Principios de Solidificación](https://reader037.vdocuments.pub/reader037/viewer/2022102518/577c84911a28abe054b97525/html5/thumbnails/86.jpg)
![Page 87: Principios de Solidificación](https://reader037.vdocuments.pub/reader037/viewer/2022102518/577c84911a28abe054b97525/html5/thumbnails/87.jpg)
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SOLIDIFICACIÓN DEL SISTEMA EUTÉCTICO EN DESEQUILIBRIO
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DIAGRAMAS DE FASE TERNARIOS (c
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DIAGRAMA TERNARIO ISOTÉRMICO
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Punto X: 10% B, 10%C, balance A Punto Y: 10% B, 60% C, balance A Punto Z: 40% B, 40% C, balance A
![Page 90: Principios de Solidificación](https://reader037.vdocuments.pub/reader037/viewer/2022102518/577c84911a28abe054b97525/html5/thumbnails/90.jpg)
DIAGRAMA HIERRO - CARBONO
![Page 91: Principios de Solidificación](https://reader037.vdocuments.pub/reader037/viewer/2022102518/577c84911a28abe054b97525/html5/thumbnails/91.jpg)
![Page 92: Principios de Solidificación](https://reader037.vdocuments.pub/reader037/viewer/2022102518/577c84911a28abe054b97525/html5/thumbnails/92.jpg)
ESTRUCTURA EUTECTOIDE
![Page 93: Principios de Solidificación](https://reader037.vdocuments.pub/reader037/viewer/2022102518/577c84911a28abe054b97525/html5/thumbnails/93.jpg)
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ENFRIAMIENTO DE ACERO HIPOEUTECTOIDE E HIPEREUTECTOIDE
![Page 94: Principios de Solidificación](https://reader037.vdocuments.pub/reader037/viewer/2022102518/577c84911a28abe054b97525/html5/thumbnails/94.jpg)
ESTRUCTURA HIPOEUTECTOIDE E HIPEREUTECTOIDE
![Page 95: Principios de Solidificación](https://reader037.vdocuments.pub/reader037/viewer/2022102518/577c84911a28abe054b97525/html5/thumbnails/95.jpg)
HIERROS FUNDIDOS O FUNDICIONES Son aleaciones Fe – C – Si, que comúnmente contienen de 2 a 4%C y de 0.5 a 3%Si y que durante la reacción pasan por la reacción eutéctica.
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![Page 96: Principios de Solidificación](https://reader037.vdocuments.pub/reader037/viewer/2022102518/577c84911a28abe054b97525/html5/thumbnails/96.jpg)
ESQUEMA DE LOS CINCO TIPOS DE FUNDICIONES
![Page 97: Principios de Solidificación](https://reader037.vdocuments.pub/reader037/viewer/2022102518/577c84911a28abe054b97525/html5/thumbnails/97.jpg)
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FUNDICIÓN GRIS