ciencia de los materiales mt – 1113 - …gecousb.com.ve/guias/geco/materiales (mt-1113)/material...
TRANSCRIPT
-
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
-
MT-1113 CONSTRUYENDO UN DIAGRAMA DE FASES
13
-
MT-1113 CONSTRUYENDO UN DIAGRAMA DE FASES
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)
-
MT-1113 LEYENDO UN DIAGRAMA DE FASES
16
-
MT-1113 LEYENDO UN DIAGRAMA DE FASES
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
- Cu-73%wt Zn y 700C
- Cu-79%wt Zn y 600C
- Cu-99%wt Zn y 420C
-
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
-
MT-1113 ENFRIAMIENTO DE ALEACIONES BINARIAS
Aleaciones con lmite de solubilidad
36
Solidificacin de una
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
-
MT-1113 ENFRIAMIENTO DE ALEACIONES BINARIAS
Aleaciones con lmite de solubilidad
37
Solidificacin de una
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
-
MT-1113 ENFRIAMIENTO DE ALEACIONES BINARIAS
Aleaciones con lmite de solubilidad
38
Solidificacin de una
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
-
MT-1113 ENFRIAMIENTO DE ALEACIONES BINARIAS
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
-
MT-1113 ENFRIAMIENTO DE ALEACIONES BINARIAS
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
-
MT-1113 ENFRIAMIENTO DE ALEACIONES BINARIAS
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
-
MT-1113 ENFRIAMIENTO DE ALEACIONES BINARIAS
Solidificacin fuera del eutctico
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.
-
MT-1113 ENFRIAMIENTO DE ALEACIONES BINARIAS
Solidificacin fuera del eutctico
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.
-
MT-1113 DIAGRAMAS TTT
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.
-
MT-1113 DIAGRAMAS TTT
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
-
MT-1113 DIAGRAMAS TTT
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
-
MT-1113 DIAGRAMAS TTT
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
-
MT-1113 DIAGRAMAS TTT
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
-
MT-1113 DIAGRAMAS TTT
67
-
MT-1113 DIAGRAMAS TTT
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
-
MT-1113 TRATAMIENTOS TRMICOS Endurecimiento por Precipitacin
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
-
MT-1113 TRATAMIENTOS TRMICOS Endurecimiento por Precipitacin
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