TRANSFORMACIONES DE FASE
Las transformaciones de fase: • toman tiempo • involucran movimiento de átomos • involucran cambio en la microestructura
• Transformación dependiente de la difusión simple (metales puros) • Transformación dependiente de la difusión (punto eutectoide) • Transformación independiente de la difusión (temple)
Fe
g (Austenite)
Eutectoid transformation
C FCC
Fe3C
(cementite)
a (ferrite)
+
(BCC)
Transformación de fase
Transformaciones de fase
Nucleación (homogénea): Inicialmente la energía superficial domina la nucleación, luego la energía volumétrica domina. El núcleo debe tener un mayor tamaño para comenzar a crecer.
Fase líquida Nucleación Crecimiento
g
23 43
4rGrenergía
neta
Cinemática de reacciones (nucleación homogénea)
g
23 43
4rGrG
energía libre volumétrica
energía libre superficial
Derivando e igualando a 0 desestabiliza el núcleo (toma la energía de las interfaces
Estabiliza el núcleo (libera energía)
*
Cinemática de reacciones (nucleación homogénea)
Nota: HS = muy débil dependencia de T
g = muy débil dependencia de T
G* y r* decrece conforme T decrece
HS = calor latente de solidificación
Tm = temperatura de fusión
g = energía libre superficial
T = Tm - T = enfriamiento (supercooling)
r* = radio crítico
m
ms
T
TTHG
)(
eunit volum
energy free volume
TH
Tr
S
m
g2*
2
2
3
* )(3
16
TT
T
HG
m
m
s
g
Cinemática de reacciones (nucleación homogénea)
Recordando difusión en sólidos: Al haber más difusión, las colisiones entre átomos aumenta. Entonces la frecuencia de átomos juntándose es:
)exp(kT
QDD d
o
)exp(kT
Qv d
d
Además, el número de núcleos estables sigue la siguiente relación:
)exp(**
kT
Gn
)]exp()[exp(**
'
kT
Q
kT
GKvKn
dt
dNd
d
Cinemática de reacciones (nucleación homogénea)
)]exp()[exp(**
'
kT
Q
kT
GKvKn
dt
dNd
d
Se observa el efecto de ambos fenómenos al proceso de nucleación. Cerca al punto de fusión, la contribución se da por el movimiento de los átomos chocando entre sí. A bajas temperaturas, la inestabilidad origina la nucleación
Cinemática de reacciones (nucleación homogénea)
Temperatura de Supercooling
https://www.youtube.com/watch?v=DpiUZI_3o8s
Cinemática de reacciones (nucleación heterogénea)
Para la nucleación homogénea, ΔT puede llegar a ser de cientos de °C. En casos más reales, la nucleación se da agunos °C. La razón es la disminución de la energía libre superficial (γ – tensión superficial).
0<S(θ)<1
Cinemática de reacciones (crecimiento)
La velocidad de crecimiento se rige bajo el mismo comportamiento que la difusión.
Cinemática de reacciones (crecimiento)
5,0
1
tratio
log t
Mientras mayor el ratio, menor el tiempo para completar la cristalización
Cinemática de reacciones (crecimiento)
sólido
)exp(1 nkty
5,0
1
tratio
log t líquido
El proceso se puede describir con la ecuación de Avrami:
El ratio se incrementa a medida que crece el área superficial y crece el núcleo
Ratio máximo alcanzado, ratio disminuye
Mientras mayor el ratio, menor el tiempo para completar la cristalización
Cinemática de reacciones (crecimiento)
Comportamiento de Arrhenius
Adapted from Fig.
10.11, Callister 7e.
(Fig. 10.11 adapted
from B.F. Decker and
D. Harker,
"Recrystallization in
Rolled Copper", Trans
AIME, 188, 1950, p.
888.)
135C 119C 113C 102C 88C 43C
1 10 102 104
)exp(RT
QAratio
El ratio se incrementa con la temperatura
R = constante de los gases T = temperature (K) A = factor pre-exponencial Q = energía de activación
Diagramas isotérmicos de transformación
Se utilizan los diagramas de
crecimiento para formar los
diagramas isotérmicos de
transformación
Enfriamiento eutectoide • Composición eutectoide, Co = 0.76 wt% C
• Empieza a T > 727°C
• Rápidamente se enfría a 625°C y se mantiene isotérmicamente
perlita
Baja nucleación, Alto crecimiemto
alta nucleación, bajo crecimiemto
Velocidad de transformación eutectoide
Perlita gruesa se forma a altas T - suave
Perlita fina se forma a bajas T - duro
Difusión de C
a
a
g g
a
• La perlita crece desde la austenita:
Adapted from
Fig. 9.15,
Callister 7e.
g a a a a
a
a
dirección de
crecimiento
perlita
Austenita (g)
Borde de
grano
cementita (Fe3C)
ferrita (a)
g
• velocidad de
recristalización aumenta
con T. Adapted from
Fig. 10.12,
Callister 7e.
675°C
0
50
y (
% p
earlite)
600°C
650°C
100 Perlita gruesa Perlita fina
Velocidad de transformación eutectoide
Perlita gruesa Perlita fina
Materiales hipereutectoides
a
CO = 1.13 wt% C
TE (727°C)
T(°C)
time (s)
A
A
A +
C
P
1 10 102 103 104
500
700
900
600
800
A +
P
Fe
3C
(ce
me
ntite
)
1600
1400
1200
1000
800
600
400 0 1 2 3 4 5 6 6.7
L
g (austenite)
g +L
g +Fe3C
a +Fe3C
L+Fe3C
d
(Fe) Co , wt%C
T(°C)
727°C T
0.7
6
0.0
22
1.1
3
Para aceros no eutectoides (hipo/hiper) se forma ferrita/cementita proeutectoide Esta curva de crecimiento debe estar incluido en el diagrama TTT
Perlita, bainita y martensita
Bainita: forma de agujas compuestas de cementita y ferrita (+fino que la perlita) Martensita: formada del temple (evitando difusión de C, BCT)
100% pearlite
100% bainite
Martensita
x x x
x
x
x
C
átomos
Fe
átomos
martensita austenita
60
m
BCT
pocos planos de deslizamiento
duro, frágil
Esferoidita
a ferrita
Fe3C (cementita)
perlita en transformación
granos a con Fe3C esféricos 1. dependiente de difusión 2. calentar bainita o perlita en periodos largos 3. reduce el área superficial(driving force)
Transformación de fase de aleaciones
Efecto de añadir otros elementos Cambian la temperatura de transición Cr, Ni, Mo, Si, Mn retardada la transformación g a + Fe3C
Curva de enfriamiento (CCT)
Si seguimos el mismo procedimiento que para las curvas TTT, el cambio de T ocasiona un desfase en las curvas de crecimiento. Las curvas TTT se mueven hacia abajo y a la derecha.
Acero con perlita fina (prop. mecánicas)
Comparación perlita fina/gruesa y esferoidita
Dureza en perlita/bainita // Martensita vs. perlita
Martensita tratada • reduce la fragilidad de la martensita
• reduce los esfuerzos internos causados por el templado
• reduce TS pero aumenta %RA
•
•
Produce partículas extremadamente pequeñas de Fe3C rodeada de a.
9
m
Resumen: opciones de proceso
Austenita (g)
Bainita (a + Fe3C agujas)
Perlita (a + Fe3C layers +
fase proeutectoide
Martensita (fase BCT
sin difusión)
Martensita tratada (a + partículas
finas Fe3C
lento moderado
rápido
recalentar
resis
ten
cia
ductilid
ad
martensita martensita tratada
bainita perlita fina
perlita gruesa esferoidita
en
fria
mie
nto