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Contenido Introducción Inestabilidad de las fases Nucleación y Crecimiento Difusión Transformación Eutectoide Transformación Bainítica Transformación Martensítica Diagramas TTT
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Contenido Introducción Inestabilidad de las fases Nucleación y Crecimiento Difusión Transformación Eutectoide Transformación Bainítica Transformación Martensítica Diagramas TTT
• Los principios fundamentales relacionados con las
transformaciones que ocurren en las fases sólidas.
• El desarrollo de las microestructuras de la aleación
Fe-C (ACERO) por su gran aplicación y gran
variedad de microestructuras y propiedades.
• Las propiedades mecánicas aportadas por
microconstituyentes distintos de la perlita. (bainita y
martensita)
Diagrama de Equilibrio Diagrama de No Equilibrio
En la práctica este tiempo es excesivamente elevado
(velocidades de transformación muy lentas), por lo
que es habitual y, a veces, incluso deseable recurrir
a condiciones de no equilibrio.
TRANSFORMACIONES DE FASE
En el desarrollo de la microestructura de las aleaciones y por tanto, para alcanzar las
propiedades requeridas.
Equilibrio No Equilibrio
Condición
Tratamientos Térmicos
Son determinantes:
+
¿Qué es una fase?
Es toda porción de un sistema con la misma estructura y arreglo atómico, con
aproximadamente la misma composición química y/o propiedades.
Entonces, ¿ que se entiende por transformación de fase?
Se denomina transformación de fase a todo cambio en la naturaleza
de una fase, sea químico, mecánico o estructural y que conlleva a una
alteración de la microestructura final.
En condiciones de Equilibrio = Velocidades lentas de transformación
→ Fases Estables
En condiciones de No Equilibrio = Velocidades rápidas de transformación
→ Fases Metaestables (¿Qué significa que una fase es metaestable?)
Implica movimientos o cambios. Estudio de la dependencia con el tiempo de las
transformaciones de fase, es decir, de las velocidades de transformación.
Cinética
Equilibrio - No hay cambio de fase ni de propiedades en el
tiempo.
Los sistemas tienden a estados
de mínima energía.
Estable: Nivel de energía
más bajo.
Metaestable: No tiene el
nivel más bajo, reúne
condiciones de equilibrio.
Inestable: No reúne
condiciones de equilibrio.
Estabilidad de las Fases
Las transformaciones de fase pueden
clasificarse de la siguiente manera:
Con
difusión
Tipo
Sin difusión
Sin cambio de composición. Ej. Las
transformaciones alotrópicas
Ej. La formación de martensita.
Con cambio de composición. Ej. La reacción
eutectoide
El factor tiempo
La mayoría de las transformaciones en
estado sólido no transcurren
instantáneamente: dependen del tiempo.
Esto es especialmente dado en las
transformaciones que implican fenómenos de
DIFUSIÓN, que depende de la temperatura y
del tiempo.
El factor tiempo
Microestructuralmente, las transformaciones
conllevan una etapa de nucleación seguida de
una etapa de crecimiento.
La cinética de las transformaciones es de
capital importancia en la relación entre
tratamientos térmicos y microestructuras
desarrolladas.
No estar en condiciones de equilibrio
implica:
-Ocurren otras transformaciones de fases que las
previstas en los Diagramas de Fases.
- Existen fases de no equilibrio, no contempladas
en los Diagramas de Fases.
Estabilidad de las Fases
•Una fase en el estado sólido cambia: Si cambian las variables termodinámicas varían
las magnitudes energéticas de las fases presentes
haciendo algunas inestables (mayor energía) y a
otras estables (mínima energía).
G
T
a
g
Te
Fase a
Fase g
Estabilidad de las Fases
Importancia de la temperatura en la
transformación de fase en el estado sólido
• Define metalúrgicamente el cambio de fase.
• Un incremento de la temperatura ocasiona
un aumento de la energía de los átomos y por
lo tanto, un aumento en el movimiento atómico
y la difusión de átomos.
Estabilidad de las Fases
La energía de activación se define como la
energía mínima que deben poseer las entidades
químicas, bien sean átomos, moléculas, iones o
radicales; para producir una reacción química.
Energía de Activación
Estabilidad de las Fases
Representa una barrera
energética que tiene
que ser sobrepasada
para que la reacción o
transformación tenga
lugar.
Energía de Activación
Estabilidad de las Fases
•Es la energía requerida para provocar un
cambio de fase.
•A una temperatura determinada solo una
fracción de moléculas o átomos del sistema
tendrán suficiente energía para alcanzar Ea.
•A mayor temperatura aumenta el número de
átomos para alcanzar el nivel de Ea.
• Estudió el efecto de la temperatura en el
incremento de la energía de las moléculas de
un gas.
•Muestra y describe la cinética en los procesos
sólidos que implican movimiento de átomos.
Relación de Boltzmann
Estabilidad de las Fases
•Solamente una fracción de átomos o
moléculas en un sistema superara la barrera
energética.
Relación de Boltzmann
Estabilidad de las Fases
n/Nt = Ce-(E*/kT)
Donde:
n= n de átomos mayor E*. C= cte. K= cte de boltzmann
Nt= n total de atomos sistema. T= temperatura
•Similar a la relación de boltzmann.
•Describe el efecto de la T en las
velocidades de las reacciones químicas.
•Estudia el efecto de la T en la difusión de
los átomos y la conductividad eléctrica de
los semiconductores.
Vr = Ce-(Q/RT)
Donde:
Q= Energía de activación. C= cte de velocidad
R= Cte de los gases T= temperatura
Ecuación de Arrhenius
Estabilidad de las Fases
•Típicamente la cinética de las transformaciones en estado
sólido responden a una gráfica en forma de S.
•La velocidad de transformación es baja al inicio y al final,
pero rápida en los estados intermedios.
Ecuación de Avrami
Estabilidad de las Fases
Presenta las etapas de nucleación y crecimiento.
Ecuación de Avrami
Estabilidad de las Fases
-La baja velocidad inicial se explica por el tiempo
necesario para que un número significativo de
partículas formen núcleos de la nueva fase lo
suficientemente grandes y estables como para poder
crecer.
-Durante la fase intermedia la transformación es
rápida: los núcleos, numerosos y de tamaño
suficiente, comienzan a crecer consumiendo la
antigua fase, al tiempo que nuevos núcleos
continúan formándose en la fase antigua.
Ecuación de Avrami
Estabilidad de las Fases
- Sin embargo, cuando la transformación está a
punto de concluir, existe tan poca fase no
transformada que los núcleos que puedan formarse o
crecer a expensas de la misma es mucho menor;
esto provoca que el crecimiento de la nueva fase sea
lento.
r = Ae-(Q/RT)
Donde:
Q= Energía de activación. A= cte independiente T
R= Cte de los gases T= temperatura
Velocidad de
Transformación
•La temperatura es una variable controlable
en los TT y puede tener gran influencia en la
cinética y en la velocidad de transformación.
Ecuación de Avrami
Estabilidad de las Fases
Nucleación y
Crecimiento
Esencialmente todas las
transformaciones de fases se
representan por una nucleación y por
el crecimiento de núcleos.
Nucleación y Crecimiento
Los mecanismos principales por los que
acontece la nucleación de partículas sólidas en
un metal liquido son:
- Nucleación homogénea. - Nucleación heterogénea.
Nucleación
Nucleación homogénea: Es el caso más simple de nucleación. Esta se da en el liquido fundido cuando el metal proporciona por sí mismo los átomos para formar los núcleos. Se da en los metales puros Nucleación heterogénea: en este caso la nucleación sucede en un liquido sobre la superficie del recipiente que lo contiene, impurezas insolubles, u otro materiales estructurales, los cuales actúan como centros de nucleación. Se da en las aleaciones ingenieriles.
Nucleación y Crecimiento
Nucleación
Subenfriamiento:
- Es la energía de activación que necesita una
molécula que está en el líquido para pasar del
estado líquido al estado sólido.
- Los metales se subenfrian debido a que la
formación de la superficie del núcleo actúa
como una barrera para la nucleación, cuanto
mayor es el subenfriamiento, mayor es la
energía libre disponible para forzar la
transformación.
Nucleación y Crecimiento
Nucleación
Subenfriamiento:
-Diferencia de Temperatura entre la
temperatura a la cual ocurre la transformación
y la temperatura de equilibrio.
- Hay subenfriamiento cuando la temperatura
del liquido está por debajo del punto de fusión
del solido.
Nucleación y Crecimiento
Nucleación
Para que el núcleo estable pueda
transformarse en cristal debe alcanzar un
tamaño crítico.
Debido a su inestabilidad los embriones se
están formando y redisolviendose
constantemente en el metal fundido por la
agitación de los átomos.
Nucleación y Crecimiento
Nucleación
Nucleación y Crecimiento
Nucleación
ΔGv
ΔGs
ΔGT
Fuerza Impulsora (ΔG) :
(Energía Libre)
-La fuerza impulsora para la
transformación de L-S es la
DGv.
- Es el cambio de energía
entre la transformación
antigua a la nueva fase. (DGv)
- Es una cantidad negativa por
la liberación de la energía
debido a la transformación.
Energías involucradas:
ΔGv. Cambio de Energía Libre Volumétrica liberada
por la transformación de Liquido a Sólido.
ΔGs. Cambio de Energía Libre Superficial
requerida para formar las nuevas superficies sólidas
de las partículas solidificadas.
ΔGT. Cambio de la Energía libre total asociada a la
formación de una partícula solida.
Nucleación y Crecimiento
Nucleación
Nucleación y Crecimiento
Nucleación
ΔGv
ΔGs
ΔGT
Energías involucradas:
ΔGv. Favorece el
proceso de formación de
nucleos.
ΔGs. Se opone al
proceso de formación de
embriones y nucleos.
ΔGT= -ΔGv + ΔGs
Nucleación y Crecimiento
Nucleación
Efecto de la Temperatura sobre la energía libre de la partícula en función del radio
A bajas temperaturas existe mayor DT mayor DGv
G
T
DG1 DG3 DG2
DT1
DT2
DT3
Nucleación y Crecimiento
Nucleación
Efecto de la Temperatura sobre la energía libre de la partícula en función del radio
- La fuerza impulsora va a gobernar el proceso de nucleación y el tamaño del núcleo formado. -El tamaño critico del núcleo es determinado por DGv .
Nucleación y Crecimiento
Nucleación
Radio Critico Vs. DT
- A mayor T menor DT.
-Cuando se alcanza DT
suficiente se crean numerosos
núcleos por movimiento lento
de átomos.
- La energía libre total de la
partícula es menor y menor
radio critico.
Formación de Cristales
1. La aparición de núcleos en diversos
puntos del liquido.
2. Aglomeración de núcleos.
Nucleación y Crecimiento
Crecimiento
Formación de Cristales
3. Los núcleos crecen en tres dimensiones,
dando lugar a una estructura tipo árbol llamada
dendrita.
Nucleación y Crecimiento
Crecimiento
Formación de Cristales
4. Al disminuir la cantidad de liquido, y al
mismo tiempo el crecimiento de las dendritas
obstruirse mutuamente. Se crea la frontera
entre los diferentes cristales llamados bordes
de grano.
Nucleación y Crecimiento
Crecimiento
Una vez formados núcleos estables en metal en solidificación, estos núcleos crecen hasta formar cristales.
Nucleación y Crecimiento
Crecimiento
•El número de sitios de nucleación disponibles
para el metal, afectará a la estructura granular
del metal sólido producido.
•Si hay pocos puntos de nucleación, se produce
una estructura de grano grueso y tosca.
•Si hay muchos puntos de nucleación
disponibles, se dará una estructura de grano
fino.
Nucleación y Crecimiento
Crecimiento
Proceso de
Difusión
•La difusión es el movimiento de los átomos
en un material.
•Los átomos se mueven de una manera
predecible, tratando de eliminar diferencias
de concentración y de producir una
composición homogénea y uniforme.
Generalidades
Difusión
•Las imperfecciones presentes en la red de
un cristal e incluso los átomos que ocupan
puntos en la red, no son totalmente estables
ni están en reposo. En lugar de ello, los
átomos poseen cierta energía térmica y son
capaces de moverse.
Generalidades
Difusión
• Por ejemplo, un átomo puede trasladarse
de un punto normal de la red a una
vacancia cercana o pueden moverse de un
sitio intersticial a otro y saltar a través de
un borde de grano, haciendo que dicho
borde se mueva.
Generalidades
Difusión
•La capacidad de los átomos y de las
imperfecciones para difundirse aumenta
conforme se incrementa la temperatura, o
los átomos incrementan su energía
térmica.
Generalidades
Difusión
Mecanismos de
Difusión
•Autodifusión.
• Interdifusión.
• Difusión de vacancias.
•Difusión Intersticial.
Difusión
Mecanismos de Difusión
El movimiento de átomos puede darse en los
metales puros. Este proceso se conoce como
autodifusión y puede detectarse utilizando
trazadores reactivos puesto que no genera
cambios en la composición química.
Aunque la autodifusión ocurre de manera
continua en todos los materiales, su efecto en
el comportamiento del material no es
importante.
Difusión
Autodifusión
Suponga que se introduce un isótopo
radioactivo del oro (Au198) en la superficie del
oro normal (Au197). Después de cierto periodo
de tiempo, los átomos radioactivos se habrán
distribuido de manera uniforme en toda la
muestra de oro.
Difusión
Autodifusión
Puede ocurrir la difusión de átomos
distintos en un material, fenómeno que se
conoce como interdifusión o difusión de
impurezas.
Por ejemplo si se suelda una lámina de
níquel a una lámina de cobre, los átomos
de níquel gradualmente se difunden en el
cobre y viceversa. Al transcurrir del tiempo
los átomos quedarán uniformemente
distribuidos.
Difusión
Interdifusión
Láminas de Cobre y Níquel
antes del tratamiento térmico
Zona de aleación por difusión
después del tratamiento térmico a
elevada temperatura.
Concentraciones de Cobre y Níquel en
función de la distancia en cada una de
las láminas.
Difusión
Interdifusión
En la autodifusión y en la difusión de
átomos sustitucionales, un átomo
abandona su sitio en la red para llenar una
vacancia cercana; creando así una nueva
vacancia en su lugar original en la red.
Conforme continua la difusión, se tiene un
flujo de vacancias y átomos en sentidos
opuestos conocido como difusión por
vacancias.
Difusión
Difusión de Vacancias
El número de vacancias, que se
incrementa al aumentar la temperatura,
ayuda a determinar la extensión tanto de
la autodifusión como de la difusión de los
átomos sustitucionales.
Difusión
Difusión de Vacancias
Este mecanismo tiene lugar por la
interdifusión de solutos tales como
hidrogeno, carbono, nitrógeno y oxígeno,
que tienen átomos pequeños, idóneos para
ocupar posiciones intersticiales.
Difusión
Difusión Intersticial
En la mayoría de las aleaciones, la difusión
intersticial ocurre más rápidamente que la
difusión por vacancias, ya que los átomos
intersticiales son más pequeños que las
vacancias y tienen mayor movilidad.
Teniendo en cuenta que hay más
posiciones intersticiales vacías que
vacancias, la probabilidad del movimiento
atómico intersticial es mayor que la difusión
por vacantes.
Difusión
Difusión Intersticial
1ERA LEY DE FICK
Estado Estacionario
La velocidad a la cual se difunden los
átomos en un material se pude medir
mediante el flujo J, que se define como el
número de átomos que pasa a través de un
plano de superficie unitaria por unidad de
tiempo.
Difusión
La primera ley de Fick determina el flujo neto de
átomos:
J = -D * (∆c/∆x)
Donde:
J = flujo de átomos (átomos/cm3)
D = difusividad o coeficiente de difusión (cm3/s)
∆c/∆x = gradiente de concentración (átomos/cm3*cm)
Difusión
La condición para que exista un estado estacionario
es que el flujo de difusión no cambie con el tiempo.
Difusión
En este tipo de fenómeno se
refiere a la energía que
permite la ocurrencia de la
difusión como la fuerza
impulsora, siendo esta el
gradiente de concentración.
Un ejemplo de la difusión en estado estacionario es
la difusión de átomos de un gas a través de una
lámina metálica cuyas concentraciones (o
presiones) de las sustancias que difunden se
mantienen constantes a ambos lados de la lámina.
Difusión
Difusión
Si se representa la
concentración C frente a
la posición o distancia
dentro del sólido x, la
gráfica resultante se
denomina perfil de
concentración. La
pendiente de esta gráfica
en un punto determinado
es el gradiente de
concentración.
Un ejemplo de la difusión en estado estacionario tiene
lugar en la purificación del gas hidrógeno: una cara de
una fina lámina de paladio se expone al gas impuro,
compuesto por hidrogeno, nitrógeno, oxígeno y vapor
de agua, y entonces el hidrogeno difunde
selectivamente a través de la lámina hacia el lado
opuesto, que se mantiene a una presión de hidrogeno
constante y baja.
Difusión
2DA LEY DE FICK
Estado No
Estacionario
La mayoría de las situaciones prácticas de
difusión son en estado no estacionario. En
una zona determinada del sólido, el flujo
de difusión y el gradiente de difusión
varían con el tiempo, generando
acumulación o agotamiento de las
sustancias que difunden.
Difusión
Los perfiles dejan de ser lineales y se
genera un estado dinámico de la
difusión de los átomos, descrito por la
segunda ley como una ecuación
diferencial:
Donde:
C X = concentración de átomos a una distancia x de la superficie del material
CS = concentración de átomos a difundir en la superficie del material
CO = concentración inicial de átomos en el material
La solución de esta ecuación depende de las condiciones de frontera para un
situación en particular, estableciéndose:
Difusión
La expresión es la función de error Gaussiana.
Difusión
La solución de la segunda ley de Fick permite calcular
la concentración de una de las especies en difusión
cerca de la superficie del material en función del tiempo
y la distancia, siempre y cuando el coeficiente de
difusión D permanezca constante y las
concentraciones de átomos en difusión en la superficie
y dentro del material no sufran modificación alguna.
La segunda ley de Fick también es útil en el diseño de
una diversidad de técnicas de procesamiento de
materiales, incluyendo tratamientos térmicos del acero
como: la nitruración y la carburización.
Difusión
Factores de la
Difusión
•Tipo de Mecanismo. Que la difusión sea
intersticial o sustitucional afectará al coeficiente de
difusión. Átomos pequeños pueden difundir
intersticialmente en una red cristalina de átomos de
mayor tamaño. Por ejemplo: el C difunde en el Fe
BCC o FCC, Cu difunde en una red de Al como
disolvente, ambos tienen tamaños aproximados.
• Temperatura. Ejerce gran influencia en los
coeficientes y en las velocidades de difusión. Al
aumentar la T el coeficiente también aumenta.
Difusión
Factores de la Difusión
•Estructura Cristalina. El coeficiente de difusión
BCC es mayor que una FCC debido a que posee un
menos factor de empaquetamiento ( 0.68 Vs 0.74),
los espacios interatómicos son más anchos en el Fe
BCC y se pueden difundir más fácilmente.
• Concentración de las especies. A mayores
concentraciones de átomos de soluto que difunden
aumentara el coeficiente de difusión.
Difusión
Factores de la Difusión
•Defectos Cristalinos. Permite una difusión más
rápida entre los átomos. En metales y ceramicos la
difusión tiene lugar más rapidamente en los limites
de grano que en la propia matriz. En metales y
aleaciones las vacantes en exceso aumentarán la
velocidad de difusión.
Difusión
Factores de la Difusión
Aplicaciones
Industriales
El movimiento de los átomos es necesario para
muchos de los tratamientos que llevamos a cabo
sobre los materiales.
Es necesaria la difusión para el tratamiento térmico
de los metales, la manufactura de los cerámicos, la
solidificación de los materiales, la fabricación de
transistores y celdas solares y la conductividad
eléctrica de muchos cerámicos.
Aplicaciones Industriales
Si comprendemos claramente como se
transfiere la masa mediante la difusión,
podremos diseñar técnicas de procesamiento
de los materiales, dispositivos a prueba de
fugas e incluso equipos de purificación.
Tres ejemplos donde son importantes los
conceptos de difusión son los siguientes:
1. Crecimiento de Granos.
2. Soldadura por Difusión.
3. Sinterización.
Aplicaciones Industriales
El crecimiento de los granos implica el deslizamiento de
los bordes de grano, permitiendo que algunos granos
crezcan a costa de otros. En este caso los átomos se
difunden a través de los bordes de grano y, en
consecuencia, el crecimiento de los granos está
relacionado con la energía de activación necesaria para
que un átomo salte a través del borde de grano .
Aplicaciones Industriales
Altas temperaturas o bajas energías de activación
incrementarán el tamaño de los granos. Muchos
tratamientos térmicos de los metales, que implican
mantener el metal a una temperatura alta, deben
controlarse cuidadosamente, a fin de evitar un
crecimiento excesivo de los granos.
Aplicaciones Industriales
Aplicaciones Industriales
El proceso de soldadura por difusión es
utilizado para unir metales reactivos
como el titanio, para unir metales y
materiales distintos y para unir
cerámicos.
Pasos en la soldadura por difusión:
Inicialmente el área de
contacto es pequeña
La difusión de los bordes de grano da como resultado la contracción de los
vacíos
La aplicación de presión deforma la
superficie, incrementando el
área de unión
Finalmente se da la eliminación
total de los vacíos
Aplicaciones Industriales
Es un proceso que se realiza a altas temperatura y cuyo
objeto es la consolidación de pequeñas partículas en una
masa sólida.
Aplicaciones Industriales
Aplicaciones en
Aceros
La difusión interviene en el proceso de
homogenización que iguala la composición de la
fundición de un lingote, en la disolución de partículas,
en el alivio de tensiones residuales, en el recocido y
la recristalización y en la termofluencia de los
metales, además de muchos otros tratamientos.
Como se puede observar la difusión interviene en
todos los proceso térmicos, es decir tratamientos
térmicos, a los que se somete a los materiales para
modificar sus microestructuras y propiedades.
Aplicaciones en Aceros
Durante la solidificación, la segregación preferente
de los solutos hacia el líquido crea heterogeneidades
de composición en el lingote o en la pieza fundida.
La fase sólida tiene una menor concentración de
soluto que el líquido residual, porque los átomos de
soluto se segregan hacia el líquido.
Aplicaciones en Aceros
Estos son dos procesos muy importantes de
tratamiento térmico del acero, los cuales
producen una superficie dura sobre un acero de
núcleo blando.
La superficie dura es el resultado de la formación
de martensita, y es deseable para tener
resistencia al desgaste, en tanto que el acero
conserva un núcleo blando que le confiere
tenacidad. Todos los engranajes de acero de
maquinarias y equipos están carburizados o
nitrurados.
Aplicaciones en Aceros
Capa de martensita
Ferrita proeuctetoide
Cristales de perlita
Aplicaciones en Aceros
Micrografías de un acero AISI 4140 nitrurado
Aplicaciones en Aceros
Diagrama TTT
•En los tratamientos térmicos se utilizan los
cambios de temperatura para generar cambios
en una transformación de fase.
•En la mayoría de los casos los enfriamientos
no ocurren bajo condiciones tan lentas,
formándose estructuras fuera del equilibrio,
haciéndose necesario la aplicación de los
diagramas TTT.
Introducción
G
T
DG1 DG3 DG2
DT1
DT2
DT3
T
tiempo
V3 V2 V1
DT1
DT2
DT3
Te
Treal
Introducción
“La velocidad a la que se produce la transformación
de fase es gobernada por la temperatura”
• Incrementos en la Velocidad de
enfriamiento producen aumentos de DT .
• Incrementos en el DT proporcionan a su
vez incrementos en la fuerza impulsora que
provocan los cambios de fase.
Introducción
• Si el núcleo se forma rápidamente y crece
con lentitud, se formaran muchos cristales
se obtiene un grano fino.
• Si la velocidad de nucleación es pequeña
comparada con la velocidad de
crecimiento, los granos serán grandes.
Introducción
-La velocidad de transformación
depende del DT.
- Para pequeños DT, menor velocidad
de nucleación.
- La velocidad de crecimiento siempre
disminuye con la temperatura y esta
controlada por la difusión.
- La velocidad de difusión depende de
la temperatura.
Introducción
Velocidad de
Crecimiento
Te
Velocidad de
Transformación
Total
Velocidad de
Nucleación
Diagramas TTT
•Son una representación de Temperatura –
Tiempo - Transformación que describe el
tiempo requerido a cualquier temperatura
para que inicie y termine una transformación
de fase.
•Este diagrama supone que durante la
transformación la temperatura es constante,
por lo cual, también se conocen como
Diagramas de Transformación Isotérmica.
γ
α + Fe3C
723 ºC
γ (0,8 % C) α (0,025 %C) + Fe3C (6,67
%C)
Diagrama TTT
• Representan el tiempo necesario para transformar de
forma isotérmica la Austenita a una temperatura subcrítica
específica y el producto de dicha transformación.
Del diagrama TTT se puede obtener la siguiente
información:
Cuánto tiempo se requiere para comenzar la
transformación a una temperatura subcrítica
específica.
• Cuanto tiempo se necesita para estar
completamente trasformada, y
• Cual será la naturaleza del producto de esta
transformación.
Diagramas TTT
•Se calienta un conjunto de probetas iguales a la
temperatura de austenización (723 ºC a 1400
ºC).
• Se enfrían bruscamente en baños de sales o
metal fundido hasta la temperatura deseada, que
permanecerá constante mientras dure el ensayo.
• A intervalos de tiempo determinados se sacan
las probetas del baño y se enfrían bruscamente
hasta temperatura ambiente.
Diagramas TTT
Obtención
•Mediante un examen microscópico se
determina la cantidad de austenita
transformada en función del tiempo y con ello,
el principio y el final de la transformación.
•Se obtiene así el diagrama que da la cantidad
de austenita transformada en función del
tiempo, a temperatura constante.
Diagramas TTT
Diagramas
TTT
Diagramas TTT
Se construyen a partir de las curvas de transformación
isotérmicas.
Diagramas TTT
Se representan los puntos de inicio, 50% y fin
de transformación, para las diferentes
temperaturas.
Diagramas TTT
Sin embargo, estos Diagramas presentan
restricciones:
• Composición fija.
• Referidos a transformaciones
isotérmicas.
Diagramas TTT
Las curvas TTT permiten deducir, para cada acero en
particular, las fases en las que se transforma la
austenita en función de la velocidad de enfriamiento:
• La microestructura que se forme depende de cuanto
este subenfriado el material.
• Si la transformación ocurre a altas temperaturas la
microestructura será gruesa.
• A temperaturas bajas la microestructura es más fina.
•Diseño de Tratamientos térmicos
•Predicción de propiedades
Diagramas TTT
•Si la temperatura de transformación se mantiene
sobre los 550ºC, la microestructura será perlita.
•A temperaturas menores a 550ºC, la difusión es
lenta. La microestructura resultante serán partículas
redondeadas de cementita en una matriz ferrítica,
llamada bainitica.
Diagramas TTT
El área a la izquierda indica el inicio de
la transformación, y consta de
austenita inestable.
El área a la derecha de la línea del fin
de la transformación, y el producto al
que se transformará la austenita a una
temperatura constante.
El área entre el principio y el fin
de la transformación, consta de
tres fases: la austenita, ferrita y
cementita.
Diagramas TTT
Acero Eutectoide
FACTORES QUE INFLUYEN EN LOS
DIAGRAMAS TTT
• Contenido de Carbono: Cuanto menor el
contenido de carbono (aceros bajo carbono) más difícil es de obtener una estructura Martensítica. Los aceros ultrabajos en Carbono no son templables (0,020 – 0,010 %C).
• Elementos Aleantes:A mayor contenido de
aleación más numerosas y complejas son las reacciones. Todos los elementos de aleación (excepto el Cobalto) desplazan las curvas hacia la derecha, retardando las transformaciones, de tal manera que facilitan la formación de Martensita.
• Temperatura de Austenización
Los factores que desplazan las curvas TTT, hacia la derecha o izquierda, alterando la transformación son los siguientes:
Diagramas TTT
Diagramas TTT
Diagrama TTT para un acero
0,5%C (Hipoeutectoide)
Diagrama TTT para un acero
1,13%C (Hipereutectoide)
Excepto en el diagrama del Acero Eutectoide, aparece una línea adicional por
encima de la región de la nariz. La primera línea a la izquierda indica el
principio de la transformación de la Austenita a Ferrita Proeutectoide en aceros
hipoeutectoides o Cementita proeutectoide en aceros hipereutectoides, en tanto
que la segunda línea indica el principio de la transformación a perlita. El área
entre ambas líneas se marca como A+F o A+C.
Transformación de
Fase
Perlita
Bainita
Martensita
•Es el microconstituyente eutectoide formado por
capas alternadas de ferrita y cementita,
compuesta por el 88% de ferrita y 12% de
cementita, contiene el 0.8%C.
γ (0,8 % C) α (0,025 %C) + Fe3C (6,67) %C)
• Aparece bajo enfriamiento lento de la austenita
y por la transformación isotérmica de la austenita
por debajo de 723°C hasta 550ºC.
Formación de perlita a
partir de la austenita
Tiene una dureza
de 250 Brinell,
resistencia a la
tracción de 80
kg/mm2 y un
alargamiento del
15%.
LA PERLITA PUEDE SER:
- Perlita gruesa: esta se forma
para enfriamientos
suficientemente lentos, a
temperaturas próximas a la
eutectoide (723⁰C), y
corresponde a la descrita en el
diagrama Fe-FE3C.
- Perlita fina: aparece a medida
que la transformación ocurre a
temperaturas más bajas, las
láminas de la perlita se hacen
más delgadas, pasando a
denominarse perlita fina para
temperaturas entre 600 y 550⁰C.
Crecimiento
Difusional de la
Perlita
Diagramas TTT
Acero Eutectoide
M (S)
M (F)
•La Bainita es el constituyente que se obtiene
por transformación isotérmica de la austenita por
debajo de 550ºC, en el rango de 250 a 550⁰C.
•Aparece bajo enfriamiento moderado de la
austenita y consta de las fases de ferrita y
cementita y en su formación intervienen
procesos de difusión.
•La obtención de la bainita depende del grado
de subenfriamiento al que se someta el acero,
por tanto, la transformación bainítica es
fuertemente dependiente de la temperatura a la
que ocurra y del tiempo.
•Dado que la transformación se realiza a menor
temperatura que la perlítica, la bainita pierde la
característica laminar de esta y tienen a formar
agujas, en las cuales se entremezclan las fases
α y Fe3C.
Bainita Superior
Bainita Inferior
Formada entre 550 y 350⁰C, compuesta por una
matriz ferrítica conteniendo carburos. Su
crecimiento está controlado por la difusión del
carbono en la austenita.
Formada entre 350 y 250⁰C, tienen un aspecto
acicular similar a la martensita y constituida por
agujas alargadas de ferrita que contienen
delgadas placas de carburo. En su formación no
se da la difusión del carbono, o su ocurrencia no
es muy significativa, puesto que las temperaturas
son muy bajas.
Se diferencian dos tipos de estructuras:
TRATAMIENTO PARA OBTENCIÓN DE LA BAINITA
M (S)
M (F)
Bainita
superior
Bainita inferior
La bainita tienen una dureza variable de 40 a 60
HRC. Su dureza varía en función de su
temperatura de formación, a medida que la bainita
se forma a temperaturas menores, esta será más
fina y dura.
Estructura de bainita mediante micrografía electrónica.
La Martensita es el constituyente de los aceros templados, está conformada por una solución sólida sobresaturada de carbono en hierro alfa y se obtiene por enfriamiento rápido de los aceros desde su estado austenítico a altas temperaturas. La Martensita posee un aspecto acicular y tiene una dureza que va de 50 a 67 HRC, una resistencia a la tracción de 170 – 250 Kg/mm2 y un alargamiento de 0,5 a 2,5%, por lo que es sumamente frágil.
Fotomicrografía de una cero con estructura martensítica
La transformación martensítica no implica difusión, ya que lo que ocurre es un cambio microestructural debido a la imposibilidad del carbono a difundir por las altas velocidades de enfriamiento. Por lo tanto la martensita conserva la misma composición química de la austenita de la que proviene, pero microestructuralmente la celda FCC se deforma y pasa a BCT. La transformación martensítica también es atérmica es decir, que no ocurre a una temperatura constante, sino que ocurre a temperaturas específicas para cada tipo de acero de acuerdo a su composición química.
Austenita Martensita
Enfriamiento rápido: Sin difusión ni cambios
en la composición química.
Transformación atérmica
M (S)
M (F)
TRATAMIENTO PARA OBTENCIÓN DE LA MARTENSITA
Diagramas TTT
- A (Perlita)
- B (Bainita)
- C (Martensita)
- D ( Perlita + Martensita)
- E (Bainita +Martensita)
A
B
C D E
- A (HORNO)= Perlita gruesa
- B (AIRE)= Perlita más fina y
dura que la anterior
- C(AIRE SOPLADO)= Perlita
más fina y dura que la anterior
- D (ACEITE)= Perlita fina más
martensita
- E (AGUA)= Martensita
- T = velocidad crítica de temple
La velocidad de enfriamiento y por tanto las propiedades
mecánicas del material pueden controlarse modificando el modo
de enfriamiento
Diagramas TTT
1. Dibuje las trayectorias de enfriamiento temperatura-
tiempo y describa el tratamiento térmico correspondiente
para un acero eutectoide en el diagrama de
transformación isotérmica de modo que se produzcan las
siguientes microestructuras. Considere que el acero se
ha calentado a 790ºC.
a. 100% Martensita.
b. 50% Perlita Gruesa y 50% Martensita.
c. 100% Bainita.
- A 100% Martensita.
Templado en agua hasta T
ambiente.
- B 50% Perlita Gruesa + 50%
Martensita
Temple hasta 680ºC, se
mantiene la T durante 103 seg y
luego se enfria rápidamente
hasta T ambiente.
- C 100% Bainita Inferior.
- Temple hasta 315ºC, se
mantiene la T durante 104 seg y
se enfria rápido hasta T
ambiente.
790ºC
