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Las distintas condiciones de presión y temperatura a los que puede estar un material provocan que éste pueda encontrarse en distintos estados, entre los que en este momento interesa destacar el sólido y el líquido.
El estado sólido se caracteriza porque los átomos se encuentran en posiciones fijas, vibrando en función de su temperatura. Ésto implica una forma y un volumen propios, y una capacidad para soportar fuerzas sin deformación aparente.
Si se incrementa la temperatura de un sólido, el movimiento de sus partículas va aumentando hasta desaparecer el orden atómico cuando se alcanza el estado líquido. Aunque aún existe cierta ligazón entre los átomos del cuerpo, es mucho menos intensa que en los sólidos, lo que le confiere a los líquidos la capacidad de fluir y adaptarse a la forma del recipiente que los contiene (pulsa sobre la imagen para ver la animación).
El cambio de estado sólido a líquido se denomina fusión, y el cambio inverso, solidificación. En los metales, al igual que en otros materiales, se produce una disminución de volumen en el paso de líquido a sólido, que puede producir faltas de material llamadas rechupes. Otro defecto que puede aparecer es la formación de burbujas, que se llaman sopladuras.
El paso de líquido a sólido o viceversa se suele denominar cambio de fase. Para cualquier material, una fase es una región homogénea con la misma estructura atómica y/o composición. En el caso de sustancias puras, hablar de fase y de estado es lo mismo.
SOLIDIFICACIÓN DE METALES PUROS
Cuando se calienta un metal, como con cualquier sustancia pura, se le da energía que se transforma en aumento de temperatura hasta alcanzar la temperatura o punto de fusión. Al seguir dándole energía, el metal la emplea para pasar del estado sólido al líquido, sin variación de temperatura.
Cuando el metal está en estado líquido y se le quita energía se produce la solidificación, que se produce también a temperatura constante.
Las etapas de la solidificación de un metal puro se pueden ver en el gráfico: en un principio solidifican puntos muy concretos en una etapa llamada nucleación. A continuación se produce el proceso de cristalización, en el cual más y más átomos se van agregando a esos núcleos y van formando cristales denominados dendritas, en los que las orientaciones cristalinas son diferentes. Las dendritas van creciendo hasta que todo el metal se ha solidificado, y las zonas de encuentro van definiendo los llamados límites de grano. Es el proceso final, llamado formación del grano.
SOLIDIFICACIÓN DE ALEACIONES
Los componentes de una aleación rara vez tienen igual punto de fusión, por lo que el metal de temperatura más alta tiende a solidificar antes, y el de punto de fusión menor aguanta más en estado líquido. Esto significa que la solidificación de una aleación no se realiza a temperatura constante, sino en un intervalo de temperaturas.
Para analizar la secuencia de gráficos que aparece más abajo, vamos a suponer que el componente de color rojizo solidifica a temperatura superior que el componente amarillo:
En la etapa de nucleación los átomos que primero se solidifican serán los del material rojo, y durante la etapa de cristalización se van capturando algunos átomos amarillos, pero son mayoría de rojos. Esto supone que en el líquido cada vez hay menos átomos rojos y más amarillos, es decir, aumenta la concentración de este último. Para producir la solidificación de más átomos amarillos hay que disminuir cada vez más la temperatura, y la aleación acaba de pasar al estado sólido a una temperatura inferior a la que empezó.
Además, durante la cristalización de las aleaciones siempre se produce el fenómeno de la segregación, que consiste en que la periferia de las dendritas existe una composición distinta que el centro.
Para saber más:
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