Solidificación y sus etapas

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. 

El estado sólido se caracteriza porque los átomos se encuentran en posiciones fijas, vibrando en función de su temperatura. Esto implica una forma y un volumen propios, y una capacidad para soportar fuerzas sin deformación aparente. 

La solidificación es un proceso físico que conduce a la materia de un estado líquido a un estado sólido, mediante la alteración de sus condiciones de temperatura (congelación) o presión, o a través de la pérdida de humedad por evaporación (desecación). Es el proceso inverso de la fusión. 

El proceso de solidificación consta de dos etapas: nucleación y crecimiento de grano. 

1- Nucleación: Podemos definir la nucleación como la formación de una nueva fase en un punto dado del sistema. en el caso de la solidificación , esto corresponde a la formación de un pequeño cristal rodeado de un líquido. Una vez formados los núcleos , un cierto grupo de ellos crecerá. Esta puede ser homogénea o heterogénea. 

• La nucleación homogénea es el caso más simple de la nucleación, se da en el líquido fundido cuando el metal proporciona por sí mismo los átomos para formar el núcleo. Cuando se enfría un metal puro por debajo de su temperatura de equilibrio de solidificación en un grado suficiente, se crean numerosos núcleos homogéneos por movimiento lento de átomos que se mantienen juntos. La nucleación homogénea requiere habitualmente un elevado grado de subenfriamiento. Para que un núcleo estable pueda transformarse en un cristal debe alcanzar un tamaño crítico. 

• La nucleación heterogénea es la que tiene lugar en un líquido sobre la superficie del recipiente que lo contiene, impurezas insolubles, u otros materiales estructurales que disminuyan la energía libre requerida para formar un núcleo estable. Esta nucleación es la que ocurre en operaciones de fundición industrial, normalmente varía entre 0.1 y 10ºC el subenfriamiento. 

2- Crecimiento de grano o Crecimiento de los Núcleos: La forma de crecimiento de un sólido en un líquido depende del gradiente de temperatura delante de la interfase sólido-líquido, (S-L). Como se señaló anteriormente, para producir solidificación es necesario sobreenfriar el líquido bajo la temperatura de fusión Tf ; al formarse una cierta cantidad de sólido se expulsa calor latente el cual eleva la temperatura de la interfase S-L produciéndose alguna de las siguientes situaciones: 

• Gradiente positivo de temperatura delante de la interfase S-L: Cuando se tiene un gradiente de temperatura positivo el calor debe ser extraído por el sólido. El movimiento de la interfase es controlado por la cantidad de calor removido a través del sólido. Además la interfase debe ser isotérmica y moverse con velocidad uniforme. Si una protuberancia de sólido avanza hacia el líquido ésta se encuentra con líquido sobrecalentado y se disuelve. Se produce así un crecimiento con una interfase de forma plana o redondeada, pero sin protuberancias. 
• Gradiente negativo de temperatura delante de la interfase S-L: Cuando se tiene un gradiente de temperatura negativo el calor puede ser extraído tanto por el sólido como por el líquido, por lo tanto, el movimiento de la interfase no es controlado por la cantidad de calor removido a través del sólido. Al desencadenarse el proceso de solidificación se desprende calor latente que eleva la temperatura de la interfase S-L, de esta manera es posible que delante de la interfase se genere un gradiente negativo de temperatura. Si una protuberancia sólida avanza, se encontrará con líquido sobre-enfriado y ésta tenderá a crecer aún más hacia el interior del líquido. Por lo tanto, la interfase S-L avanzará con protuberancias puntiagudas llamadas dendritas (forma de árbol), de esto se deduce que la interfase plana es inestable en este caso.