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CIENCIA DE LOS MATERIALES MT 1113

TEMA 3 DIAGRAMAS DE FASE

Prof. Yliana Barn [email protected]

Departamento de Ciencia de los Materiales MEM 2do piso

MT-1113 INTRODUCCIN

Los diagramas de fase nos brindan informacin fundamental

sobre la estructura de equilibrio de los materiales metlicos,

cermicos o aleaciones, mediante diagramas que muestran la

dependencia de la composicin con la temperatura.

La estructura real de los materiales puede que no sea la de

equilibrio, pero predecir la estructura de equilibrio es el primer

paso para inferir la estructura de no-equilibrio del material.

Composicin + procesamiento microestructura + propiedades

MT-1113 INTRODUCCIN

3

En las substancias puras las fases pueden ser slido, lquido o gaseoso;

donde cada fase es una regin del material que tiene una estructura atmica homognea. En las mezclas, puede haber mas de una fase, si las fases no son

completamente solubles.

El procesamiento de las aleaciones metlicas (que son mezclas de elementos)

permite la formacin de estructuras en las cuales los componentes pueden

estar distribuidos de distintas maneras:

1. En el estado lquido (a altas temperaturas), todos los elementos o

componentes estn disueltos formando una sola fase

2. En el estado slido, (como en las aleaciones binarias, donde hay mezcla de

dos componentes), los componentes de la aleacin pueden formar:

a) Una sola solucin slida (una fase)

b) Dos soluciones slidas aisladas (dos fases)

c) Un compuesto qumico (pirmera fase) y una solucin slida (segunda

fase)

MT-1113 INTRODUCCIN

4

Las aleaciones metlicas son una mezcla de un metal con otro metal, o de un metal con un no-metal. Las cermicas tambin pueden

estar formadas por mezclas formando aleaciones cermicas. Por

ejemplo: latn (Cu-Zn), acero (Fe-C), espinela cermica (MgO-Al2O3)

Los componentes son los elementos qumicos de los que estn formados las aleaciones. Pueden ser nombrados como A, B o C, o ser

elementos qumicos (Cu, Zn, C). Por ejemplo, en el latn, los

componentes principales son Cu y Zn.

Una aleacin binaria est formada por dos componentes. Una aleacin ternaria por tres fases, una cuaternaria por cuatro, etc.

MT-1113 INTRODUCCIN

5

Las aleaciones son definidas en base a su composicin o la

concentracin de sus componentes en %peso o %atmico

Por lo general, la composicin del componente A se escribe como CA,

especificando si se trata de %peso o %atmico

MT-1113 INTRODUCCIN

6

La constitucin de una aleacin debe ser descrita en funcin de:

1. Las fases presentes

2. El porcentaje en peso de cada fase

3. La composicin de cada fase

Cada estado posible (solucin lquida, solucin slida, mezcla de

fases, etc) tiene asociada una energa libre de Gibbs, y aquel estado

con la menor energa ser el estado de equilibrio. Entonces la

constitucin de equilibrio es el estado con la menor energa de Gibbs

(G) para una composicin-temperatura-presin dada.

La presin ejerce poca influencia debido a que se trata de estados

slidos o lquidos

Composicin Temperatura Diagramas de fase

MT-1113 INTRODUCCIN

7

Un diagrama de fases o diagrama de equilibrio, es un diagrama de

composicin vs temperatura en el que se muestran los

constituyentes de equilibrio

Un diagrama de fases de una aleacin compuesta por dos elementos

A y B, define al sistema A-B para todas las combinaciones de T y WB

Las aleaciones comerciales contienen alrededor de 10 elementos

aleantes o mas, pero en todos los casos hay un elemento principal y

al cual se le aade el resto de los elementos aleantes. El punto de

partida para entender el comportamiento de estas aleaciones es

considerar una aleacin binaria considerando solo el elemento

principal y un elemento aleante por vez.

MT-1113 DIAGRAMAS DE FASE SIMPLES

8

Considere un material puro A que

es calentado desde el estado slido.

La temperatura de fusin es la

nica temperatura a la cual ocurre

un cambio de fase

Considere una aleacin binaria A-B y

agregue un segundo eje (composicin).

En el diagrama se muestra una

separacin entre la lnea de 100%slido

y 100% lquido, as que no hay una

nica temperatura de fusin

MT-1113 DIAGRAMA DE FASES Diagrama Isomorfo

9

MT-1113 DIAGRAMA DE FASES Curvas de enfriamiento

10

MT-1113 DIAGRAMA DE FASES Lmite de solubilidad

11

El sistema Cu-Ni forma una sola solucin slida para cualquier

composicin de Cu o Ni. Pero este comportamiento no es el mas

comn. Por lo general, existe un lmite en la cantidad de un

elemento que puede ser disuelto en otro. Lnea de

solvus

MT-1113 CONSTRUYENDO UN DIAGRAMA DE FASES

12


13


14

Finalmente, que pasa con las dos lneas de lquidus? La termodinmica

dicta que estas dos lneas se encuentran con la lnea horizontal en un nico

punto, terminando en una V. A esta temperatura y composicin especial,

coexisten las dos fases slidas y el lquido. Este punto del diagrama es el

punto eutctico

MT-1113 LEYENDO UN DIAGRAMA DE FASES

15

Las variables de estado (temperatura y composicin) definen un punto en el

diagrama de fases: el punto de constitucin. Lo primero que debemos hacer es establecer, en cada punto de constitucin, la cantidad de fases

presentes: una o dos. En la figura se muestra el diagrama de fase para el Cu-

Ni con la regin monofsica sombreada. Las regiones monofsicas estn

siempre identificadas, bien sea con la notacin de la figura o con letras griegas

(, etc)


16


17

Considere los puntos A y B sobre el diagrama Pb-Sn. En cualquier punto del

rea monofsica, la composicin de la fase es simplemente la composicin de

la aleacin. El punto de constitucin A (250C y Pb-30wt%Sn) est sobre un

rea monofsica, en este caso, la composicin de la fase es Pb-30wt%Sn.

En las zonas bifsicas, las composiciones de cada fase son dadas por los

valores encontrados al trazar una lnea horizontal a la temperatura dada y

cortar las lneas que delimitan esa zona

MT-1113 REGLA DE LA PALANCA

18

En la regin bifsica a temperatura constante, la composicin de las fases

est fijada por los lmites de saturacin o los valores de la interseccin entre

la isoterma (horizontal) y las lneas que delimitan la regin. De este modo,

diferentes composiciones (a T fija) tendrn diferentes proporciones de cada

fase. El porcentaje de cada fase (en peso) en una regin bifsica puede ser

encontrada a partir del diagrama de fase usando la Regla de la Palanca

100*%l

aL =

MT-1113 COMPUESTOS INTERMEDIOS

19

Muchos sistemas muestran fases intermedias: compuestos formados entre dos componentes. Por ejemplo el CuAl2, Al3Ni o Fe3C.

Si ambos componentes son metlicos, se le da el nombre de

compuesto intermetlico. Estos compuestos son monofsicos, por lo que tienen un nico punto de fusin (como los componentes puros).

El porcentaje atmico de los componentes en un compuesto es

llamado la estequiometria de dicho compuesto. Los compuestos se denotan de la forma AxBy, donde x y y son nmeros enteros. El %at de

un componente en un compuesto intermedio (intermetlico) puede

determinado mediante la inspeccin del diagrama de fases

correspondiente.

En el diagrama de fases, el compuesto intermedio es representado

por una lnea vertical. El compuesto intermedio puede ser frontera de

una zona bifsica; en este caso, uno de los componentes de la zona

bifsica ser el compuesto.

MT-1113 COMPUESTOS INTERMEDIOS

20

En el diagrama Ag-Sr se observan 4 compuestos intermetlicos,

con alto punto de fusin debido a que son compuestos altamente

estables. La composicin de cada uno puede ser determinada a

partir del %at.

32

2

31

40

60

40

40

6040

SrAg

SrAg

SrAg

SrAg

MT-1113 DIAGRAMA HIERRO - CARBONO Introduccin

El diagrama Fe-C es la base para el estudio de las propiedades de los

aceros y las fundiciones. Para aplicaciones mecnicas y estructurales,

los aceros y otras aleaciones ferrosas son las aleaciones dominantes.

- Los sistemas de los frenos de automviles hechos de fundiciones.

Los sistemas de freno utilizan la friccin generada entre los discos

y las pastilla para desacelerar el automvil, durante este proceso se

genera calor. Las fundiciones son duras, tenaces y tienen alta

temperatura de servicio (2-4%C)

- Acero al carbono. De amplio uso en automviles, como material

estructural y en envases o contenedores (cerveza, comida). Alta

ductilidad, lo que facilita la conformacin vigas, cabillas, planchas,

lminas (para envases)

MT-1113 DIAGRAMA HIERRO - CARBONO Cambios de fase con la temperatura

22

En la figura se muestran las fases que puede tener el hierro puro a

diferentes temperaturas. A bajas temperaturas la fase estable es la ferrita

(-Fe), con estructura bcc. Durante el calentamiento(910C), la ferrita

puede transformarse a austenita (-Fe), ocurre un cambio de fase de bcc a

fcc. La austenita pura es estable hasta 1391C, donde sufre una nueva

transformacin a -Fe (bcc),

MT-1113 DIAGRAMA HIERRO - CARBONO Diagrama Fe-C

23

Una caracterstica de este

sistema es que el hierro y

el carbono forman

soluciones slidas

intersticiales.

Los intersticios son mas

grades en las estructuras

fcc que en las bcc, lo que

conlleva a la baja

solubilidad de C en -Fe y

-Fe.

Noten que en este

diagrama, las zonas ricas

en Fe se nombran al igual

que en el metal puro.

A 6.7%C se forma el

compuesto carburo de

hierro o cementita (Fe3C)

MT-1113 DIAGRAMA HIERRO - CARBONO Punto eutectoide

24

MT-1113 DIAGRAMA HIERRO - CARBONO Punto eutectoide

25

Por debajo de la temperatura de

transformacin de ferrita a austenta (910C),

el diagrama se ve similar al diagrama

eutctico Pb-Sn; sin embargo, en este caso la

fase que est en la parte superior del

diagrama es uan solucin slida (austenta) n

vez de un lquido. En el punto de mxima

solubilidad de la ferrita (723C), tambin se

observa una V que indica la mnima

temperatura a la cual se puede encontrar

austenita como una sola fase (0.8%C). Este

punto es llamado punto eutectoide

MT-1113 DIAGRAMA HIERRO - CARBONO Punto eutctico

26

Siguiendo la lnea de solvus de la

austenita, legamos a un punto de

mxima solubilidad (2.1%C). Al lado

vemos el puto eutctico, donde el

liquido se transforma a dos fases

slidas: austenita () y cementita

(Fe3C)

MT-1113 DIAGRAMA HIERRO - CARBONO Punto Peritctico

27

En el punto peritctico, la austenita

cierra el campo monofsico en una V

invertida, esta es la mxima

temperatura a la que puede existir esta

fase. Esta temperatura coincide con la

mxima solubilidad de -Fe. Pr encima

de la lnea hay 2 fases (L + -Fe), y por

debajo solo austenita

MT-1113 DIAGRAMA HIERRO - CARBONO

28

Nomenclatura:

- Ferrita: -Fe (bcc) solucin slida con hasta 0.035%wt C disuelto

- Austenita: -Fe (fcc) solucin slida conhasta 2.1%wt C disuelto

- -Fe: (bcc) solucin slida conhasta 0.08%wt C disuelto

- Cementita: Fe3C, compuesto (carburo de hierro), con 6.7%wt C

El sistema tiene un punto eutctico a 4.3%wt C, un eutectoide a

0.8%wt C y un peritectoide a 0.2%wt C

MT-1113 DIAGRAMAS MAS COMPLEJOS Eutcticos, Eutectoides, Peritcticos y Peritectoides

29

Los tres primeros puntos esta presentes en el diagrama Fe-C. El punto

peritectoide est caracterizado por ser una V invertida que corresponde con el

lmite superior de formacin de una fase simple, pero por encima de la lnea

isotrmica esta formada por dos fases slidas (en vez de una fase lquida como

en el peritctico)

- Eutec significa una V encontrndose con una lnea horizontal

- Peritsignifica una V invertida encontrando una lnea horizontal

- ticoinvolucra una fase lquida

- toidetodas las fases son slidas

MT-1113 DIAGRAMAS MAS COMPLEJOS Diagrama de fases del Latn

30

- Un punto eutectoide:

- Cu-73%wtZn y 555C

- Cinco puntos peritcticos:

- Cu-37%wtZn y 900C

- Cu-60%wt Zn y 825C




MT-1113 DIAGRAMA DE FASE DE LAS CERMICAS

31

Las cermicas en su mayora son compuestos formados entre un elemento

metlico y O, C o N. Dichos compuestos se forman con estequiometrias

especficas para satisfacer el balance electrnico entre los elementos.

Los diagramas de fase de las cermicas funcionan al igual que los diagramas

de los sistemas metlicos, en donde los elementos son reemplazados por los

compuestos cermicos puros. Por ejemplo, en el sistema SiO2-Al2O3 se forma

un compuesto (mullita), hay un punto eutctico y un peritctico

MT-1113 EVOLUCIN MICROESTRUCTURAL

Mientras la temperatura de un sistema va variando, es posible

cruzar fronteras de diferentes fases, por lo que pueden ocurrir

transformaciones de fase debido a los cambios de temperatura

Estas trasformaciones determinan que fases estarn presentes

en el material a temperatura ambiente y como estarn

distribuidas, lo que permite predecir las propiedades de los

materiales

Los diagramas de fase son diagramas de equilibrio. Aunque las

fases presentes en la microestructura final no sean las de

equilibrio, el anlisis del diagrama de fase nos permite predecir

las fases presentes mediante el anlisis trmico del material

MT-1113 SOLIDIFICACIN DE METALES PUROS

33

Cuando se tiene un metal en su estado fundido altas

temperaturas) y se comienza a enfriar:

(a) Nucleacin homognea: se forman colonias slidas espontneamente dentro del materia

fundido. La probabilidad de formar colonias

estables (ncleos) aumenta rpidamente con el sobre-enfriamiento del metal por debajo de la

temperatura de transformacin. Si hay

nucleacin heterognea (sobre los bordes del molde o partculas con alto punto de fusin) la

formacin de los ncleos estables se facilita

(a) Avance de la solidificacin. Cada regin de ncleos

slidos aumenta debido a la transferencia de

tomos a travs de la interfase slido-lquido. La interfase avanza en el sentido opuesto a la

direccin de transferencia de los tomos

MT-1113 SOLIDIFICACIN DE METALES PUROS

34

c) El crecimiento de cada ncleo contina hasta que chocan

entre s. Como cada ncleo tiene su propia orientacin

cristalina (todos fcc o bcc, pero con diferentes

orientaciones en el espacio), entonces hay una

interrupcin en la continuidad de la estructura cristalina

en las zonas donde se encuentran dos o mas ncleos

(bordes de grano)

c) Cada cristal individual puede ser identificado una vez que

se completa la solidificacin, cada una de estas regiones

homogneas son llamadas granos, y la superficie que los separa son los bordes de grano. El tamao de un grano puede estar entre 1m 1mm

A travs del diagrama de fases podemos predecir que un

lquido se convertir en una sola fase slida, pero no da

informacin acerca del tamao del grano. El tamao de grano

depender de la densidad de ncleos formados en el lquido y

de la cintica de formacin de la interfase slida.

MT-1113 ENFRIAMIENTO DE ALEACIONES BINARIAS

A travs de una zona bifsica

35

Solidificacin de una

aleacin Cu-30%wtNi

1. La solidificacin comienza a 1240C con la formacin de ncleos

slidos dentro del lquido fundido.

2. A 1200C (regla de la palanca) hay 50% de fase slida y 50% de fase

lquida.

3. Al alcanzar los 1170C se alcanza el 100% de slido: granos de slido

rico en Ni

4. Noten que el porcentaje de fase slida y lquida va cambiando de

acuerdo a la regla de la palanca en la zona entre 1240-1170C, desde

0% slido hasta 100% slido cambio de fase


Aleaciones con lmite de solubilidad

36


aleacin Pb-10%tSn

A T>305C, hay una sola fase (lquido) con composicin idntica a la de

la aleacin (no hay cambio de fase)

Entre 305-270C, se alcanza la lnea de liquidus (305C) y comienza la

reaccin L S rico en Pb. El slido que se comienza a formar contiene

menos Sn que el lquido. A medida que se enfra, el lquido se enriquece

en Sn y su composicin se mueve a o largo de la lnea del liquidus



37


aleacin Pb-10%tSn

Entre 270-150C hay una sola fase slida con composicin idntica a la de

la aleacin (no hay cambio de fase)

Entre 150C-Tamb. La fase rica en Pb se hace inestable al cruzar la lnea de

solvus y se separa en 2 fases, cada una con composicin distinta de acuerdo a

la regla de la palanca. S forma fase rica en Sn por precipitacin. Este

mecanismo involucra nucleacin y crecimiento: pequeos ncleos de slido

rico en Sn nuclean espontneamente en la matriz rica en Pb



38


aleacin Pb-10%tSn

La formacin de la fase rica en Sn se forma por precipitacin. Este

mecanismo involucra nucleacin y crecimiento: pequeos ncleos de slido

rico en Sn nuclean espontneamente en la matriz rica en Pb. La fraccin

de la fase rica en Sn aumenta de acuerdo a la regla de la palanca,

causando la prdida de parte del Sn de la matriz en el rea cercana


Solidificacin Eutctica

39

Consideren la solidificacin de una aleacin con composicin eutctica (Pb-61.9%wtSn).

Cuando el lquido alcanza la temperatura eutctica (183C) todo el lquido se transforma

en 2 slidos simultneamente. Esta transformacin es llamada reaccin eutctica

La reaccin eutctica es la reaccin a travs de la cual (durante el enfriamiento) un

lquido se transforma en 2 fases slidas a una temperatura constante: L S1 + S2


Solidificacin Eutctica

40

Cmo se forma el eutctico?

El Pb y el Sn estn ntimamente mezclados en el lquido, pero luego de la

transformacin se tienen 2slidos con composiciones distintas. Los

eutcticos usualmente estn formando mezclas dedos fases a una escala

menor que el tamao del grano

Composicin eutctica del Al-Si Fuera del eutctico Al -Si

Las proporciones de fase en el eutctico pueden variar dependiendo de la

posicin de la V sobre la temperatura del eutctico. Si la V est en el

medio del diagrama, las proporciones de las dos fases son similares. Si la V

est hacia uno de los extremos del diagrama, entonces se forma una fase o

matriz que contiene a la otra


Solidificacin fuera del eutctico

41

Solidificacin de aleacin Pb-40%wtSn

1. T>235C: una sola fase lquida

2. Entre 235-183C: se forman ncleos de slido rico en Pb en el

lquido al cruzar los 235C. La composicin del lquido vara a

lo largo de la lnea del liquidus, y la composicin del slido a lo

largo de la lnea de solidus



42

3. Justo por encima de la temperatura del eutctico la aleacin

est formada por un lquido con composicin cercana a Pb-

61.9%wtSn con ncleos slidos de Pb-18.3%wtSn.

4. A 183C, el lquido remanente alcanza el punto eutctico y se

solidifica separndose en 2 slidos (reaccin eutctica). La

fraccin de slido formada antes de la transformacin de fase es

llamada fase primaria o pro-eutctica.



43

La microestructura final ser la combinacin de todos los aspectos vistos en

las lminas anteriores. De acuerdo al diagrama de fases, a temperatura

ambiente se tendrn solo dos fases. Si se observa la microestructura, solo hay

dos fases: el eutctico est formado por las fases ricas en Pb y rica en Sn, y

los granos son ricos en Pb, pero la comprensin del historial trmico del metal

es lo que permite predecir la distribucin de dichas fases

MT-1113 TRANSFORMACIN DE FASES EN FE-C

Enfriamiento de hierro puro

44

Para el hierro puro:

A 1000C hay Fe- (fcc)

A 910C ocurre un cambio de fase en el estado

slido de Fe- (fcc) a Fe- (bcc) a temperatura

constante

La nucleacin comienza en los bordes de

grano, donde hay mas espacio para que se

forma la estructura bcc. Los granos de Fe-

crecen debido al paso de tomos a travs de la

interfase ferrita/austenita.

Al pasar los 910C la transformacin es

completa. Cuando las colonias de chocan, se

forman nuevos bordes de grano -

MT-1113 TRANSFORMACIN DE FASES EN FE-C Punto eutectoide

45

Si se enfra una aleacin Fe-0.8%wtC, ocurre la transformacin completa de

la austenita a ferrita + cementita (2 fases slidas) a una temperatura

constante

La reaccin eutectoide es una reaccin de 3 fases en la cual una fase simple se transforma en 2 fases solida a una temperatura

constante: S () S1 + S2

MT-1113 TRANSFORMACIN DE FASES EN FE-C Punto eutectoide

46

La reaccin eutectoide permite la transformacin de 1 fase en 2 fases

slidas. En la reaccin eutectoide del Fe-C, la austenita fcc que contiene

0.8%C cambia a ferrita bcc (con muy poco carbono disuelto) mas

cementita (con su propia estructura y 6.7%C). El mecanismo de

transformacin de las fases permite cambios en las estructuras y la

redistribucin de los tomos de carbono en las fases de alta y baja

concentracin del elemento.

La nucleacin de pequeas colonias de ferrita y cementita ocurre sobre los

bordes de grano de la austenita, estas colonias crecen consumiendo la

austenita y formando bordes de grano.

Estas colonias son llamadas perlita, y aunque estn compuestas por la

mezcla de 2 fases, se consideran como una microestructura o fase

MT-1113 TRANSFORMACIN DE FASES EN FE-C Transformaciones de fase en aceros hipo eutectoides

47

Consideren el enfriamiento lento de una acero con 0.3%C:

A 900C se tiene 100% austenita

A 820C comienza la regin bifsica: ferrita + austenita. La formacin

de ferrita sigue el mismo mecanismo que el mostrado para el hierro

puro: nucleacin sobre los bordes de grano de la austenita. Los granos

de ferrita crecen hasta casi alcanzar los 723C.

La austenita remanente contiene 0.8%C, y al alcanzar los 723C se

transforma de acuerdo a la reaccin eutectoide en perlita (ferrita +

cementita)

MT-1113 TRANSFORMACIN DE FASES EN FE-C Transformaciones de fase en aceros hipo eutectoides

48

MT-1113 DIAGRAMA FE-C

MT-1113 DIAGRAMA FE-C Acero eutectoide

50

MT-1113 DIAGRAMA FE-C Acero Hipoeutectoide

51

MT-1113 DIAGRAMA FE-C Acero Hipereutectoide

52

Aceros 0.76-2.14%wt C, enfriado desde la

regin austentica:

1. A 900C solo la fase austenita est

presente con composicin C1. La

microestructura est formada por

granos de

2. Al alcanzar la regin bifsica, la

cementita comenzar a nuclear sobre

los bordes de grano de la austenita

(cementita proeutectoide) 3. La composicin de la cementita

permanecer constante (6.7%wt C).

La composicin de la austenita

cambiar hasta 0.76%wt C

4. Al alcanzar la temperatura del

eutectoide, la austenita que no se

haba transformado, sufre la reaccin

eutectoide y se transforma a perlita

MT-1113 DIAGRAMA FE-C

53

Acero hipereutectoide

(1.4%wt C)

Acero hipoeutectoide

(0.38%wt C)

MT-1113 DIAGRAMAS DE NO-EQUILIBRIO

54

Por qu trabajar fuera del equilibrio:

1.- La ocurrencia de cambios de fase o transformaciones a temperaturas

distintas a las indicadas por el diagrama de fases

2.- La existencia a temperatura ambiente de fases que no son de equilibrio y

que no aparecen en el diagrama de fases

Adems el equilibrio puede ser desplazado mediante la adicin de elementos

aleantes

MT-1113 TRANSFORMACIONES DE FASE

55

Las propiedades mecnicas son dependientes de la

microestructura, las cuales son producidas debido a los cambios de

fase que ocurren durante el enfriamiento desde la temperatura de

conformacin del material.

La evolucin microestructural durante el enfriamiento

involucra transformaciones de fases; si embargo, stas no ocurren

instantneamente, por lo que es necesario considerar el progreso de la

reaccin en el tiempo o la velocidad de transformacin.

Transformaciones de fase

1. Transformaciones dependientes de la difusin,

en las cuales no ocurren cambios en el nmero

de fases o en su composicin

2. Transformaciones dependientes de la difusin,

donde hay cambios en la cantidad de fases y/o

en su composicin

3. Transformaciones adifusionales, donde se

producen fases metaestables

MT-1113 CINTICA DE LAS REACCIONES EN

ESTADO SLIDO

56

La mayora de las transformaciones en estado slido no pueden

ocurrir instantneamente debido a algunos obstculos que lo impiden:

1. Como la mayora de las trasformaciones involucran un cambio de

estructura cristalina, es necesario que ocurra un re-arreglo atmico a

travs de la difusin de tomos. La difusin es un proceso dependiente

del tiempo

2. La creacin de una nueva fase tiene asociada un aumento de energa

debido a la creacin de nuevos bordes de grano, por lo que es necesario

superar una barrera energtica

1. Nucleacin: formacin de partculas muy

pequeos o ncleos que son capaces de

crecer. Las posiciones favorables para la

formacin de dichos ncleos son las

imperfecciones o defectos del cristal (bordes

grano)

2. Crecimiento: en el cual el ncleo aumenta su tamao a expensas de la fase madre

Trasformaciones de fase

MT-1113

La fraccin de material transformado (y)

puede ser determinado a partir de la

Ecuacin de Avrami

Por convencin, la velocidad de

transformacin (r) es tomado como el

recproco del tiempo necesario para que se

haya transformado el 50% del material

CINTICA DE LAS REACCIONES EN ESTADO SLIDO

57

Las transformaciones de fase son dependientes del tiempo cintica de la transformacin

El progreso de la transformacin puede monitoreado por distintos

mtodos (evaluacin microscpica o mediante medicin de alguna

propiedad), lo que permite obtener curvas de la fraccin de material

transformado vs tiempo

MT-1113 CINTICA DE LAS REACCIONES EN ESTADO SLIDO

58

La temperatura es una de las variables que pueden ser controladas

durante las transformaciones de fase, la cual ejerce gran influencia sobre la

cintica y la velocidad de la reaccin

Para la mayora de la

reacciones, la velocidad

aumenta de manera

exponencial con la temperatura

Procesos trmicamente activados

MT-1113 CURVAS DE TRANSFORMACIN ISOTRMICA

59

Consideremos de nuevo la reaccin eutectoide del digrama Fe-C:

Mediante esta reaccin se forma perlita a partir de austenita durante el

enfriamiento. La temperatura juega un papel importante en la velocidad

con la que la austenita se transforma en perlita.

La dependencia entre la temperatura y el porcentaje de transformacin de

una fase en otra tambin puede ser representado por una curva S. En la

figura se muestra como la temperatura afecta el proceso de transformacin

de la austenita en perlita luego de un enfriamiento rpido

MT-1113 CURVAS DE TRANSFORMACIN ISOTRMICA

60

Otra forma de representar las curvas S:

En esta curva, el eje vertical es la

temperatura, y el horizontal el

logaritmo del tiempo.

En esta curva, se dibujan dos lneas

slidas, una representa el tiempo

requerido a cada temperatura para

comenzar la transformacin; la otra

lnea representa el final de la

transformacin.

La curva punteada corresponde al 50%

de la transformacin

Diagramas de transformacin isotrmica

Diagramas de tiempo-temperatura-transformacin

Diagramas TTT

MT-1113 DIAGRAMAS TTT

61

En los diagramas TTT la temperatura

de la transformacin eutectoide est

representada por una lnea horizontal

(727C). Entonces, a temperaturas

superiores a la del eutectoide slo la

austenita es la fase estable.

La transformacin austenitaperlita

slo ocurrir si la aleacin es enfriada a

una temperatura inferior a la del

eutectoide; pero el tiempo necesario

para que comience la transformacin

depender de la temperatura

A la izquierda de la curva solo estar

presente la austenita (inestable). A la

derecha del diagrama solo existir la

perlita. En el medio, la austenita est

en el proceso de transformacin a

perlita, y las dos fases estarn

presentes.


62

De acuerdo a la ecuacin:

La velocidad a la cual ocurre la

transformacin a una temperatura en

particular, ser inversamente

proporcional al tiempo requerido para

alcanzar el 50% de dicha

transformacin. De este modo, mientras

menor es el tiempo, mayor es la

velocidad.

Justo por debajo del eutectoide se

requieren largos tiempos para alcanzar

el 50% de la transformacin

austenitaperlita, por lo que dicha

reaccin es lenta

La velocidad de la reaccin aumenta con

la reduccin de la temperatura: a 540C

solo se requieren 3s para alcanzar el

50% de la transformacin.


63

Este comportamiento es debido a que la

velocidad de la transformacin de la austenita

es controlada por la nucleacin de la perlita.

La velocidad de nucleacin aumenta con el

subenfriamiento, pero disminuye si se reduce

el subenfriamiento

T

727C

T*

T1

T2

Q1

Q2

Q (T) Q2 > Q1

Proceso controlado por difusin


64

Los diagramas TTT presentan restricciones:

1. Cada curva es aplicable a un acero en particular. El comportamiento de la

curva es dependiente de la composicin del acero

2. Estas curvas son precisas para predecir la microestructura del acero, slo

si la temperatura se mantuvo constante (tratamiento isotrmico) durante

la transformacin de fases

Isoterma ABCD sobre la

curva:

- Enfriamiento rpido de

la austenita hasta

620C(indicado por una

lnea casi vertical AB)

- Tratamiento isotrmico

(BCD) hasta alcanzar la

transformacin completa


65

El espesor de las lminas de perlita son dependientes de la temperatura. A

temperaturas cercanas al eutectoide, se producen lminas relativamente

gruesas de Fe3C y ferrita. Esta microestructura es llamada perlita gruesa. A estas temperaturas, las velocidades de difusin son relativamente altas,

de modo que los tomos de carbono pueden difundir distancias grandes, lo

que resulta en lminas gruesas


66

Con el descenso de la temperatura, la velocidad de difusin del carbono

disminuye y las lminas se hacen cada vez mas delgadas. La

microestructura que se produce bajo estas condiciones es la perlita fina


67


68

Para composiciones distintas a la del eutectoide, adems de la perlita,

hay presencia de ferrita o cementita; de modo que es necesario tomar

en cuenta lneas adicionales en los diagrama TTT

A: austenita

C: cementita

F: ferrita

P: perlita

B: bainita

M: martensita

MT-1113 FASES METAESTABLES Bainita

69

La bainita es otro de los microconstituyentes que pueden formarse a

partir de la transformacin de la austenita durante el enfriamiento.

La microestructura de la bainita est formada por ferrita y cementita, en

forma de agujas o placas dependiendo de la temperatura a la que curra la

transformacin.

La microestructura de la bainita es tan fina que es necesario utilizar

equipos de alta resolucin para lograr observarla (microscopio electrnico

de barrido)

MT-1113 FASES METAESTABLES Bainita

70

La transformacin de la bainita tambin puede ser representada

mediante un diagrama de transformacin isotrmico o TTT

Los diagramas TTT tienen una

nariz en el punto N, donde la

velocidad de la transformacin es

mxima. As que la perlita se

forma sobre la nariz (540-727C),

mientras que la transformacin de

austenita en bainita ocurre por

debajo de la nariz del diagrama

TTT (215-540C)

MT-1113 FASES METAESTABLES Esferoidita

71

Si un acero, con microestructura perltica

o baintica, es calentado a una

temperatura menor a la del eutectoide

(700C) por suficiente tiempo (18-24h), se

formar esferoidita. En vez de las lminas alternadas de

ferrita y cementita de la perlita, la

cementita aparece en forma de partculas

esfricas embebidas en una matriz de

ferrita continua.

Esta trasformacin ocurre por la difusin

adicional de carbono, sin cambios en la

composicin, que es favorecida luego de

largos tiempos de tratamiento.

Esta transformacin es posible debido a la

disminucin de los bordes de grano en la

regin -Fe3C, lo cual disminuye la

energa del sistema

MT-1113 FASES METAESTABLES Martensita

72

La martensita es otro microconstituyente del acero que se

forma cuando la austenita es enfriada rpidamente a

temperaturas cercanas a la Tamb (templado) La martensita es una fase simple de no-equilibrio que resulta

de la transformacin adifusional de la austenita.

La transformacin martenstica tiene lugar cuando la

velocidad de enfriamiento es lo suficientemente rpida como

para prevenir la difusin de los tomos de carbono. En dicha

transformacin la austenita (fcc) sufre una transformacin

polimrfica a una estructura tetragonal centrada en el

cuerpo (bct).

Esta estructura bct es un bcc con una de sus dimensiones

distorsionada, donde los espacios intersticiales estn

ocupados por los tomos de carbono; formando una solucin

solida supersaturada capaz de transformarse a otra

estructura si es calentada a una temperatura suficiente para

la velocidad de difusin del carbono sea apreciable

Como la transformacin de austenita a martensita no

involucra difusin de tomos, los granos de martensita

nuclean y crecen a alta velocidad (la velocidad del sonido a

travs de la austenita)

Austenita

retenida

MT-1113 FASES METAESTABLES

73

Como la martensita es fase

metaestable, no aparece en el

diagrama Fe-C, pero si en los

diagramas TTT

Como la trasformacin es

adifusional, entonces no tiene curva

S como la perlita y la bainita. El

comienzo de la transformacin est

representado por una lnea

horizontal.

La temperatura a la cual se

encuentra esta lnea es dependiente

de la composicin del acero.

Esta transformacin es

independiente del tiempo, es solo

funcin de la temperatura a la cual

se hace el enfriamiento rpido

MT-1113 FASES METAESTABLES Martensita

74

La presencia de otros elementos aleantes distintos al carbono (Cr, Ni,

Mo, W) puede generar cambios en la posicin y forma de los diagramas TTT:

1. Desplazamiento hacia mayores periodos de tiempo de la nariz de la

transformacin de austenita a perlita

2. La formacin de una segunda nariz, correspondiente a la transformacin de

la austenita en bainita

Acero eutectoide Acero 4340

MT-1113 FASES METAESTABLES Ejercicio

75

Utilizando el diagrama TTT para

un acero eutectoide, especifique

la microestructura que espera

obtener luego de realizar los

siguientes tratamientos:

a) Enfriamiento rpido hasta

350C, mantenimiento por

104 s, temple a temperatura

ambiente

b) Enfriamiento rpido a 250C,

mantenimiento por 100s,

temple a temperatura

ambiente

c) Enfriamiento rpido a 650C,

mantenimiento por 20s,

enfriamiento rpido hasta

400C mantenimiento por

103s, temple a temperara

ambiente

MT-1113 FASES METAESTABLES Martensita Revenida

76

Luego del enfriamiento rpido o temple, la

martensita (adems de dura) es frgil, lo que limita

su uso. La ductilidad y tenacidad de la martensita

se puede mejorar mediante la aplicacin de un

tratamiento de revenido. Este tratamiento permite la ocurrencia de procesos difusionales y la

formacin de martensita revenida El revenido es un tratamiento en el cual un acero

martenstico es expuesto a una temperatura menor

a la del eutectoide por un tiempo especfico. Por lo

general el revenido se realiza entre 250 y 650C.

La microestructura de la martensita revenida

consiste de partculas muy pequeas y

uniformemente dispersas de cementita en una

matriz continua de ferrita. Esta microestructura es

similar a la de la esferoidita, con la diferencia de

que las partculas de cementita son mucho mas

pequeas

La martensita revenida es casi tan

dura como la martensita, pero con

mayor ductilidad y tenacidad

MT-1113 FASES METAESTABLES

77

Austenita

Enfriamiento

lento

Enfriamiento

moderado

Perlita

(+Fe3C)+una fase

proeutectoide

Bainita

( + Fe3C)

Enfriamiento

rpido

(templado)

Martensita

(fase bct)

Recalentamiento

(revenido)

Martensita revenida

(+Fe3C)

MT-1113 TRATAMIENTOS TRMICOS Endurecimiento por Precipitacin

78

La dureza y resistencia de algunas aleaciones metlicas puede ser mejorada

mediante la formacin de pequeas partculas dispersas de una segunda fase

en la matriz o fase original. Este proceso es llamado endurecimiento por

precipitacin

Algunas aleaciones que pueden ser endurecidas mediante este tratamiento

son las aleaciones Al-Cu, Cu-Be, Cu-Sn y Mg-Al

Para que una aleacin se endurecible

por precipitacin:

1. Debe haber una solubilidad

apreciable de un componente en el

otro

2. El lmite de solubilidad debe

descender rpidamente con la

disminucin de la temperatura

3. La composicin de la aleacin a

endurecer debe ser menor a la

composicin de mxima solubilidad


79

1. Tratamiento de solucin o de homogeneizacin. La aleacin (en estad de

entrega) se calienta hasta llegar a la zona donde hay una sola fase, a fin de

lograr una solucin slida sobresaturada de B en una matriz de

2. Tratamiento de precipitacin. La estructura monofsica (sobresaturada) es

enfriada rpidamente hasta temperatura ambiente. A esta temperatura la

precipitacin es lenta, de modo que se mantiene la solucin slida

sobresaturada como fase metaestable

3. Envejecimiento. Posteriormente el material es calentado hasta una

temperatura intermedia, temperatura a la que la difusin es apreciable y

permite la formacin de una dispersin fina de precipitados

% en peso de A

90 95 100

Dispersin fina de

precipitados dentro de

los granos de

100% solucin slida

Microestruct.

de equilibrio


80

La dureza del material aumenta en

funcin del tiempo:

Envejecimiento natural

Envejecimiento artificial

MT-1113 TRATAMIENTOS TRMICOS Recocido

81

Consiste en calentar el acero a la temperatura adecuada y luego enfriar

lentamente a lo largo del intervalo de transformacin. El propsito del recocido

puede ser refinar el grano, proporcionar suavidad, mejorar las propiedades

trmicas y magnticas y, en algunos casos, mejorar el maquinado. Este

tratamiento implica un proceso de enfriamiento muy lento y, por tanto, llega a

estar muy prximo al diagrama de equilibrio de fases Fe-C.

Por lo general el tratamiento de recocido se le realiza a los materiales

deformados mecnicamente (trabajo en fro), ya que stos tienen esfuerzos y

tensiones internas que van en detrimento de sus propiedades.

1. Recristalizacin. El material deformado presenta granos alargados. A la temperatura del tratamiento se promueve la nucleacin de nuevos granos

equiaxiales y libres de tensiones. Estos granos crecen hasta constituir

toda la microestructura. Como resultado el tamao del grano de la

microestructura recristalizada disminuye al aumentar el grado de

deformacin del material

2. Crecimiento de grano. La microestructura que se obtiene luego de la recristalizacin tiene una alta concentracin de bordes de grano (alta

energa); de modo que por efecto de la temperatura ocurre una

coalescencia de granos (impulsado por la reduccin del rea superficial)

que resulta en el ablandamiento del material

MT-1113 TRATAMIENTOS TRMICOS Normalizado

82

Se lleva a cabo al calentar aproximadamente 38 C por encima

de la lnea de temperatura crtica superior (en el campo austentico)

seguido por un enfriamiento en aire quieto hasta la temperatura

ambiente. El propsito de la normalizacin es el de producir un acero

ms duro y ms resistente que el obtenido por recocido. El incremento

en la rapidez de enfriamiento en aire cuando se compara con

enfriamiento en horno afecta en varias formas la transformacin de la

austenita y la microestructura resultante. Como ya no se enfra en

condiciones de equilibrio, el diagrama Fe-C no puede utilizarse para

predecir las proporciones de ferrita y perlita que existirn a

temperatura ambiente.

MT-1113 TRATAMIENTOS TRMICOS Templado

83

Es un calentamiento desde la zona austentica, seguido de un

enfriamiento acelerado.

La alta velocidad de enfriamiento no permite la difusin del carbono, lo

que implica que no hay tiempo para la transformacin de la austenita a

ferrita o austenita a cementita. Entonces se forma una estructura

tetragonal sobresaturada en carbono, donde ste queda atrapado en una

fase metaestable de estructura tetragonal centrada en el cuerpo

denominada martensita.

La severidad del temple puede variar dependiendo del medio que se utilice

para realizar el tratamiento: solucin acuosa de 10% de cloruro de sodio

(salmuera), agua de grifo, sales fundidas o lquidas, aceite soluble y

soluciones acuosas, aceite y aire.

Como el material templado es muy duro y frgil, se realiza el revenido que consiste en calentar a una temperatura menor que la crtica inferior

(por debajo del eutectoide), enfrindolo luego generalmente al aire y otras

veces en aceite o agua, segn la composicin. El propsito del revenido es

liberar los esfuerzos residuales y mejorar la ductilidad y tenacidad del

acero. En general, sobre el amplio intervalo de temperaturas de revenido

(400-800F o 200-430 C), la dureza disminuye y la tenacidad aumenta

conforme se incrementa la temperatura de revenido.

MT-1113 TRATAMIENTOS TRMICOS

84

Proceso Procedimiento Fases resultantes

Recocido Enfriamiento lento desde el campo de la

austenita hasta temperatura ambiente

Perlita gruesa

(equilibrio)

Normalizado Enfriamiento moderado desde el campo

de la austenita hasta la temperatura

ambiente

Perlita fina

Temple Enfriamiento violento desde el campo

de la austenita hasta temperatura

ambiente

Martensita

Revenido Recalentamiento de la martensita a

temperaturas menores a la del

eutectoide

Martensita revenida

MT-1113

85

Ejercicios

ciencia de los materiales mt – 1113 - …gecousb.com.ve/guias/geco/materiales (mt-1113)/material...

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