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