transiciones de fases unidad ii cinètica de las transformaciones de fase
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Transformaciones de fases principalesTRANSCRIPT
OBJETIVO(S) GENERAL(ES) DEL CURSO
Conocerá y comprenderá los mecanismos cinéticos que rigen las transformaciones de fase en estado sólido de los materiales y su relación con su estructura.
OBJETIVO:
El estudiante comprenderá la importancia técnica científica que tienen los diagramas de equilibrio bifásicos y multifásicos en el control de la microestructura de un material que se enfría en condiciones de equilibrio o fuera de equilibrio.
Contenidos:
1.1. Sistemas bifásicos
1.2. Sistemas multicomponentes
Las propiedades mecánicas de los materiales ingenieriles dependen fuertemente de su microestructura. Por esto, los ingenieros deberán poseer un conocimiento básico de cómo se forman las microestructuras y como estas estructuras influencian las propiedades del material.
El propósito de este estudio es brindar entendimiento de las transformaciones de fases que deben realizarse proximas al equilibrio (condiciones de enfriamientos muy lentos), por lo que los diagramas de fases pueden ser utilizados como una ayuda en la interpretación de la microestructura.
Microestructura: Puede consistir en una “simple” estructura de granos en un metal o cerámico puro, o en una más compleja mezcla de distintas fases en una aleación.
Equilibrio
Mecánico Térmico
Material
Equilibrio de fases
Equilibrio químico
T T
dq
T T
P P
dV
P P
i i
dni
Los Diagramas de fases son representaciones gráficas de temperatura vs. composición a presión constante, que permiten conocer:
› las fases presentes para cada temperatura y composición› solubilidades a diferentes temperaturas de un componente en otro› temperatura de solidificación, etc.
Los diagramas de fases se construyen a partir de datos experimentales de Análisis Térmico diferencial (ATD), observación metalográfica y difracción de rayos X.
› Diagrama de fases binario: 2 componentes (r=2).› Diagrama de fases ternario: 3 componentes (r=3).
Una fase es una región espacial donde la composición es homogénea.
Una fase de una sustancia es una forma de la materia que es uniforme en su composición química y estado físico en todos sus puntos (Atkins)
A presión fija, la transición de fase se produce a la temperatura de transición que es característica de cada sustancia. SÓLIDO
LÍQUIDO
GAS
P determinada
Tf Tv
Ts
Potencial químico estándar (1 atm), Potencial químico estándar (1 atm), temperatura y cambios de fasetemperatura y cambios de fase
Al aumentar T, el µ° de una sustancia pura disminuye (S° > 0)
En cada temperatura la sustancia fluye a la fase de menor potencial químico.
Solución sólida: Àtomos de dos tipos diferentes: uno mayoritario, que es el disolvente y otro minoritario, que es el soluto. Los átomos del soluto ocupan posiciones susbstitucionales o intersticiales en la red del disolvente y se mantiene la estructura cristalina del disolvente
Por ejemplo, la solución sólida de Cr203 -Al203 produce el rubí, con propiedades ópticas especiales, los distintos tipos de vidrios se desarrollan por modificaciones de la red cristalina de la sílice
P + F = C + N
Para la mayoría de los sistemas N=2 (presión y temperatura) y en la mayoría de los procesos la presión es constante, así que N=1.
Para un sistema de dos componentes (binario) esta regla queda: P + F = 2 + 1 = 3
Así para F = 0, se tiene que el número máximo de fases en equilibrio en un sistema binario, es:
P = 3
Por tanto, en un sistema binario cuando 3 fases están en equilibrio, el número de grados de libertad es 0 (F=0). De esta forma el equilibrio es invariante, o sea, todas las variables son fijas, por tanto el equilibrio entre 3 fases ocurre a una determinada temperatura y las composiciones de las 3 fases son fijas.
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Limite de solubilidadPara muchos sistemas ypara una determinada temperatura, existe una concentración máxima deátomos de soluto que puede ser disuelta en el solvente formando una solución sólida. Esa concentración máxima esllamada límite de solubilidad
Diagramas Binarios
Un par de elementos puros o de compuestos puros pueden ser mezclados en un número infinito de proporciones diferentes. Cada composiciòn global, o estado de equilíbrio (el número de fases presentes, sus composiciones y las proporciones relativas de cada fase) son funciòn de la temperatura y de la presiòn. La mayor parte de las operaciones usadas en el procesamento de los materiales es cercana a la presiòn atmosférica o a una presiòn próxima a esta. Por tanto, frecuentemente, la presiòn no es una variable significativa.
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Sistemas de dos componentes – solubilidad en estado sólidoDos componentes son completamente solubles uno en otro si su estado de equilíbrio de cualquier combinaciòn de los dos es una fase única:
(a) El agua líquida y el álcohol etìlico son solubles uno en otro en cualquier proporciòn, a temperatura ambiente; formando un líquido homogèneo, monofásico;
(b) El cobre y el níquel son también solubles uno en otro en todas las proporciones, tanto en estado líquido como en sólido.
Los àtomos o moléculas de un componente se pueden acomodar en la estructura de otro componente.
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Reglas de Hume-Rothery para preveer la existencia de solubilidades en soluciones sólidas metálicas:1- Tamaño atòmico: Los átomos de soluto y de solvente, deben tener tamaño semejante, com uma diferencia de radio atòmico no mayor al 15 %, para minimizar la deformaciòn de la red, es decir minimizar, a nivel atòmico las desviaciones causadas a las distancias interatòmicas. 2- Estructura cristalina: El tipo de estrutura cristalina debe ser la misma.3- Valencia química: El metal de menor valencia (soluto) probablemente se disolverá en el metal de mayor valencia (solvente) (Mezclas de Cu, Ag y Au con metales de mayor valência).
4 - Electronegatividad: Las electronegatividades deben ser casi iguales; cuanto mas electropositivo sea un componente y mas electronegativo el otro, mayor será la tendencia a la formaciòn de compuestos entre ellos y menor será su solubilidad.
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Regla de la Palanca: Cantidad Relativa de FasesLos diagramas de equilíbrio, pueden especificar: i - Cuàles fases estàn presentes a una dada temperatura; ii - Sus composiciones;ademàs permiten también calcular las cantidades relativas de cada fase presente, a la temperatura considerada.
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Regla de la Palanca: Cantidad Relativa de Fases
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Regla de la Palanca: Cantidad Relativa de Fases
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Regla de la Palanca: Cantidad Relativa de Fases
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Regla de la Palanca: Cantidad Relativa de Fases
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Regla de la Palanca: Cantidad Relativa de Fases
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Regla de la Palanca: Cantidad Relativa de Fases
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Regla de la Palanca: Cantidad Relativa de Fases
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Análisis TérmicoLos diagramas de equilíbrio pueden ser interpretados, y también determinados, a través de las curvas de enfriamento de diferentes composiciones.
Diagrama Eutético Binário Los tipos de diagramas de equilíbrio que pueden existir cuando hay solubilidad limitada en estado sólido son los diagramas eutético binário.
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Diagrama Eutético Binário
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Diagrama de equilíbrio binário hipotético para los elementos A e B que son completamente solubles en todas las proporciones en estado líquido, y parcialmente solubles en el estado sólido. TA
e TB son los
puntos de fusiòn de A puro e B puro; Te es
la temperatura eutética.
Diagrama Eutéctico Binário – Plomo-Estaño
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Diagrama Eutéctico Binário – Plomo-Estaño
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Diagrama Eutéctico Binário – Plomo-Estaño
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Diagrama Eutético Binário – Plomo-Estaño
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Diagrama Eutéctico Binário – Plomo-Estaño
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Diagrama Eutéctico Binário – Plomo-Estaño
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Diagrama Eutéctico Binário – Plomo-Estaño
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Diagrama Eutéctico Binário – Plomo-Estaño
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Diagrama Eutéctico Binário – Plomo-Estaño
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Diagrama Eutéctico Binário – Plomo-Estaño
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Curva de enfriamento Pb-Sn
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Calculo de las fases presentesRegla de la palanca
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
A B
Linea liquidus
Line
a so
lidus
Liquido
Sólido
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0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
X Y
Liquido
Sólido
A
B
C
D
Calculo de las fases presentesRegla de la palanca
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Diagrama Eutéctico Al-Si
Líquido +ß
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14
Líquido
α + ß
Punto EutécticoLíquido +α
α
660 ºC
577 ºC
ß
1,65% 12,5%
Unidad I Diagramas de Equilibrio
Diagrama Peritéctico
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Reacciòn peritéctica en el punto P donde α+L →β
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Diagrama Peritéctico
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Reacciòn peritéctica
Reacciòn eutectóide
Reacciones Invariantes
Los diagramas de equilíbrio de sistemas binários usualmente no son diagramas de soluciòn sólida, eutécticos o peritécticos simples. Por el contrário, son diagramas compuestos, conteniendo una serie de regiones de dos fases y una serie de reacciones invariantes. Las reacciones invariantes mas comunes recibiran nombres específicos y son de dos tipos generales:1 - Una fase se separa en dos fases. Eutética: Líquido →α+β
2 - Dos fases reaccionan para producir una tercera fase, distinta de las dos iniciales.
Peritética: Líquido + α →β
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Estructuras segùn las Condiciones de EquilíbrioIntroducciònMuchas transformaciones de fase que ocurren en materiales de ingenieria, durante un proceso de solidificaciòn, no producen estructuras en equilíbrio termodinâmico, siendo denominadas transformaciones de fase fuera de equilíbrio. Las microestructuras que resultan de esas transformaciones pueden ser indeseables, o por el contrario, pueden presentar propiedades tecnológicas interesantes. Asi, por medio del conocimento y del control de las transformaciones de fases fuera de equilíbrio se puede actuar sobre las propiedades tecnológicas de los materiales sólidos.
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Estruturas segun las Condiciones de EquilíbrioLos diagramas de fases en condiciones de equilíbrio tratan de situaçiones en que el enfriamiento ocurre muy lentamente, representando una situaciòn en el cual el equilíbrio entre las fases es continuamente mantenido. Cuando una aleaciòn binária fundida se solidifica en condiciones de equilíbrio, pasando por una regiòn que contenga sólido y líquido, las composiciones de las fases líquida y sólida y las cantidades relativas de cada una de las fases deben reajustarse continuamente, a medida que la temperatura decrece. Estos reajustes son realizados por difusiòn de los átomos de ambos elementos en las dos fases.
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Estructuras segùn las Condiciones de Equilíbrio
Las estructuras fuera de equilíbrio son generalmente producidas por un enfriamento tan rápido del material que no da tiempo y la energia térmica suficientes para que los átomos se redistribuyan en una configuraciòn de equilíbrio.
Como la velocidad de difusiòn en estado sólido tiende a ser baja, es necesario un tiempo excesivamente largo para eliminar los gradientes de composiciòn.
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Estructuras segùn las Condiciones de EquilíbrioMicroestructuras al Equilíbrio: Aleaciòn alumínio (Al)-silício (Si)
Parte del diagrama de equilíbrio alumínio-silício muestra una transformaciòn eutética de equilíbrio (enfriamento lento) y una transformacion eutéctica fuera de equilíbrio (enfriamento rápido). En el enfriamento lento, se forma solamente la mezcla eutética α + β . Mientras que en el enfriamento muy rápido se forma α primário y una mezcla eutética α + β com mayor tenor de β . Si la composiciòn inicial es 14% (en peso) de Si, con enfriamiento rápido somente se formará una mezcla eutética.
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Estructuras Fuera de las Condiciones de EquilíbrioEl Sistema Fierro-Carbono: Diagrama Binário Fe-Fe3C
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Diagrama de equilíbrio fierro carbono
Las transformaciones responsables de la
formaciòn de los constituyentes de las aleaciones
fierro-carbono, donde los fierros fundidos se
incluyen, es estudiada y analizada, a partir del
diagrama de equilíbrio fierro-carbono.
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El diagrama de fase a seguir no es un diagrama de
equilíbrio completo, porque està representado solamente
hasta 6,7% de carbono, ya que forma con el fierro un
compuesto Fe3C que contiene 6,67% de carbono.
Aleaciones de 4,0 a 4,5% de carbono, tienen poco o nulo
interès comercial, debido a la alta dureza y fragilidad que
presentan.
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Este diagrama no es un diagrama de equilíbrio
verdadero, ya que la cementita no es una fase de
equilíbrio. El grafito es mas estable que la cementita;
en condiciones adecuadas, la cementita se
decompone, formando grafito.
En los aceros comunes esa descomposiciòn nunca es
observada, porque la nucleaciòn de la cementita en
fierro sobresaturado de carbono ocurre mas
facilmente que la nucleaciòn del grafito.
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El diagrama fierro-carbono se caracteriza por tres
puntos principales:
Punto peritéctico con 0,16% de carbono a 1493 0C;
Punto eutéctico con 4,3% de carbono a 1147 0C;
Punto eutectóide con 0,8% de carbono a 723 0C.
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Ponto Peritético
Ponto Eutetóide
Ponto Eutético
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La transformaciòn peritética ocurre a temperaturas
elevadas y en aceros de bajo contenido de carbono.
Todas las composiciones de esta fase pasan, en
seguida, por campo monofásico CFC. Asi, los efectos
sobre la estructura a temperatura ambiente son
secundários y normalmente se desprecian.
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La soluciòn sólida cúbica de caras centradas CFC, o
fase (gama), es llamada austenita. Todas las
aleaciones conteniendo menos de 2,06% de C pasan
por la regiòn austenítica al enfriamiento.
Las aleaciones conteniendo menos del 2,06% de
carbono son arbitrariamente llamadas aceros (la
mayoria de los aceros contienen menos del 1,0% de
carbono).
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Alotropia de fierro puro
1- Temperatura de Fusiòn 15380C
2- Entre 15380C a 13940C, el fierro solidifica de acuerdo
con el reticulado CCC (ferro delta - ).
3- A 13940C el ferro delta () sufre una redisposiciòn
espontânea y forma un nuevo reticulado CFC, (fierro
gama - ) que permanece estable hasta 9120C.
4- A 9120C el fierro sufre una nueva transformaciòn, con
un nuevo rearreglo atômico CCC, (fierro alfa - ), no
habiendo mas transformaciones hasta la temperatura
ambiente.
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Constituyentes de las aleaciones fierro-carbono
metaestables
Ferrita o fierro alfa ():Estructura CCC menores espaciamientos interatômicos
son pronunciadamente alargados, no pueden acomodar
con facilidad los átomos de carbono solubilidad de
carbono es cerca de 0,008% a temperatura ambiente, y
0,23% a 727 0C.
Ferrita maleable y dúctil, con limite de resistência abajo
de 32 Kgf/mm2 y dureza Brinell alrededor de 90 HB.
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Fierro puro – granos de ferrita.
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Austenita o fierro gama (): forma estable de fierro
puro entre 910 ºC y 14000C.
Estructura CFC, con espacios interatomicos mayores,
aunque son menores que un átomo de carbono, de
forma que la disoluciòn de carbono en austenita
introduce deformaciones en la estructura, impidiendo
que todos los interstícios sean ocupados
simultaneamente, fijando una solubilidad máxima de
carbono en 2,0% en peso (8,7% en átomos).
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Ferrita delta o fierro delta (): arriba de 1400 0C, la
austenita deja de ser la forma mas estable, volviendo a
ser la estructura CCC. Este constituyente no presenta
importancia en el estudio de los aceros.
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Cementita o carburo de fierro: El exceso de carbono en
relaciòn con el limite de solubilidad forma una segunda
fase.
Posee un reticulado ortorrômbico com 12 átomos de fierro
y 4 de carbono por célula, correspondiendo al 6.67% de
carbono.
Dada la proporciòn de átomos de fierro y carbono de 3
para 1 en el reticulado cristalino es usualmente
representada como Fe3C.
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Comparado con la ferrita y la austenita, la cementita es
muy dura, cerca de 67HRC o 900 HV.
La cementita cuando se presenta asociada con la ferrita
en partícula finas, aumenta mucho la resistencia de los
aderos , ya que inhibe el corrimiento y evita el
cizallamiento de la fase dúctil ferrita.
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Perlita con laminas de cementita en un fondo de ferrita. Fierro con 0,8% de carbono. 500X.
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Perlita: abajo de la temperatura eutectóide las fases
estables son la ferrita y la cementita. A 0,8% de
carbono, ocurre una reacciòn, que envuelve la
formaciòn simultânea de ferrita y cementita a partir de
la austenita de composiciòn eutectóide, resultando en
una mezcla de las fases ferrita y cementita
denominada perlita. Esta estructura consiste de
plaquetas alternadas de Fe3C y ferrita siendo la ferrita
la fase contínua. La perlita contiene 12% de cementita
y 88% de ferrita.
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1-Nucleaciòn inicial de cementita.
2- Nucleaciòn de laminas de ferrita junto a la cementita.
3- Crecimiento lateral y para el frente de la cementita.
4- Nuevo núcleo de cementita formado con orientaciòn diferente a los anteriores. 5- Crecimiento de la nueva colônia.
Fe3C
γγ
α
Fe3Cγγ
γγ
γ
γ
γ γ
Fe3C
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Aleaciòn eutectóide1. Inicialmente, existe solo γ.
2. A una temperatura inmediatamente abajo del eutectóide toda la fase γ se transforma en perlita (ferrita + Fe3C) de acuerdo con la reacciòn eutectóide.
3. Estas dos fases tienenconcentraciones de carbono muy diferentes. Esta reacciòn es rápida.No hay tiempo para que haya una grandifusiòn de carbono. Las fases se organizan como laminas alternadas de ferrita y cementita.
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Aleaciòn hipoeutetóide1. Inicialmente, existe solo γ.
2. Enseguida comienza a surgir la fase en las fronteras de grano de la fase γ. La concentraciòn de austenita baja con la temperaturasiguiendo la linea que separa el campo γ+ del campo γ.
3. A T inmediatamente arriba del eutectoide la concentraciòn de la fase γ es 0.77 % C, eutectóide.
4. A T inmediatamente abajo del eutectoide toda la fase γ se transforma en perlita. La fase , que no cambia , es denominada ferrita pro-eutectoide.
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Liga hipereutetóide1. Inicialmente, existe apenas γ.
2. Em seguida começa a surgir a fase Fe3C nas fronteiras de grão da fase γ. A concentração da Fe3C é constante igual a 6.7 % C. A concentração da austenita cai com a temperaturaseguindo a linha que separa o campo γ+Fe3C do campo γ.
3. A T imediatamente acima da eutetóide a concentração da fase γ é 0.77 % C, eutétóide.
4. A T imediatamente abaixo da eutetóide toda a fase γ se transforma em perlita. A fase Fe3C , que não muda, é denominada cementita pro-eutetóide.
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Ejemplos de microestructuras
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Tipos de Reacciones
Eutéctica: Líquido--> Sólido A + Sólido B
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peritéctica: Líquido + Sólido 1 --> Sólido 2
monotéctica : Líquido 1 --> Líquido 2 + Sólido
eutectoide: Sólido 1 --> Sólido 2 + Sólido 3
peritectoide: Sólido 1 + Sólido 2 --> Sólido 3
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