Solidificación

La solidificación es un proceso físico en el que se da el cambio de estado de cualquier materia que pase de líquido a sólido. Este fenómeno se lleva a cabo debido a una disminución de la temperatura y de la energía que existe entre los enlaces químicos de los elementos que constituyen la materia.

Generalmente, todo compuesto que sufre un proceso de solidificación disminuye su volumen, ocupando ahora un menor espacio. Sin embargo, el agua es una excepción, y como todos hemos podido comprobar en alguna ocasión, el volumen del hielo es mayor que el del agua líquida, aunque siempre tengamos en cuenta la forma y el volumen determinado del recipiente que los contiene. 

Importancia de la Solidificación

Etapas de la Solidificación

Nucleación

Es el comienzo de un cambio de estado en una región pequeña pero estable. El cambio de estado puede ser la formación de gas o cristal a partir de un líquido. La nucleación ocurre normalmente con más dificultad en el interior de una sustancia uniforme, por un proceso llamado nucleación homogénea. 

Los líquidos que se enfrían por debajo de la temperatura máxima de nucleación heterogénea (temperatura de fusión), pero que están por encima de la temperatura de nucleación homogénea (la temperatura de congelación de la sustancia pura) se dice que están superenfriados. Esto es útil para hacer sólidos amorfos y otras estructuras metaestables, pero puede retrasar el progreso de los procesos químicos industriales o producir efectos indeseados en el contexto de la fundición. 

Crecimiento de Cristales

Este consiste en la incorporación de nuevas moléculas al núcleo ya formado y estable. Cuando aparece un núcleo, éste actúa como un punto de convergencia para las moléculas adyacentes al cristal, de modo que crece en forma de capas sucesivas. Debido a la presencia del cristal, se dice que el crecimiento del cristal es un proceso difusional modificado por la presencia de las superficies sólidas.

Formación de una estructura granular

La materia granular o materia granulada es aquella que está formada por un conjunto de partículas macroscópicas sólidas lo suficientemente grandes para que la fuerza de interacción entre ellas sea la de fricción. Colectivamente, este tipo de materia presenta propiedades que pueden semejar, dependiendo del tipo de fuerzas a las que esté sometida, a las del estado sólido, el estado líquido o un gas.​ Una característica importante es que la materia granular tiende a disipar rápidamente la energía de sus partículas debido a la fuerza de fricción.

Disoluciones Sólidas Metálicas

Tipos de Soluciones Sólidas Metálicas 

• Sustitucional: El átomo o ion del soluto, ocupa el lugar de los átomos o iones del solvente
• Intersticial: El átomo o ion del soluto se coloca en el intersticio de la celda unitaria del solvente.

Intersticios tetraedicos y octaedricos en celdas BCC, FCC y HCP.

Defectos o Imperfecciones cristalinas

La estructura cristalina es un concepto teórico que permite comprender cómo están formados los materiales. A partir del concepto de estructura cristalina es posible explicar muchas de las propiedades que exhiben los materiales, sean éstos cristalinos o amorfos. El plantear que un material clasificado como cristalino posee estructura cristalina es una idealización que no siempre se cumple en los materiales reales. La forma como están colocados los átomos en un material real normalmente difiere de la posición ideal que se espera a partir de la estructura cristalina. Esas diferencias pueden explicarse planteando que el modelo de arreglo atómico puede poseer defectos. Para propósitos de estudio, los defectos se clasifican de la siguiente manera: 

Defectos puntuales: Se dan a nivel de las posiciones de los átomos individuales. Los principales defectos puntuales son los siguientes: 

·         a. Vacancias. Son puntos de red vacíos en la estructura del material. Estos lugares deberían idealmente estar ocupados por átomos, sin embargo se encuentran vacíos. 

·         b. Átomos sustitucionales. En teoría un material puro está formado exclusivamente por el mismo tipo de átomos. Los materiales reales no son 100% puros sino que poseen impurezas, las cuales se definen como átomos diferentes a los átomos del material original. Cuando uno de esos átomos diferentes sustituye a un átomo original ocupando su punto de red, recibe el nombre de átomo sustitucional. 

·         c. Átomos intersticiales. Son átomos que ocupan lugares que no están definidos en la estructura cristalina. En otras palabras, son átomos cuya posición no está definida por un punto de red. Normalmente estos átomos se colocan en los intersticios que se forman entre los átomos originales, por lo que se les llama átomos intersticiales.

Defectos lineales: Se dan a nivel de varios átomos confinados generalmente a un plano. Los defectos lineales más importantes en los materiales son las dislocaciones. Las dislocaciones se generan durante la solidificación o la deformación plástica de los materiales cristalinos, y consisten en planos “extra” de átomos insertados en la estructura cristalina. 

Las dislocaciones tienen dos características importantes: 

·         Tienen la capacidad de moverse o desplazarse en el interior del material. 

·         Cuando una dislocación se desplaza, se divide aumentando el número de dislocaciones presentes en el material. Cuando se aplica una fuerza sobre la dislocación, ésta se desplaza sobre un plano específico y en determinadas direcciones. Al plano se le llama plano de deslizamiento y a la dirección se le llama dirección de deslizamiento. A la combinación de un plano de deslizamiento con una dirección de deslizamiento se le llama sistema de deslizamiento. La fuerza aplicada directamente sobre la dislocación es una componente de alguna fuerza externa aplicada sobre el material.