IV Transformaciones de Fases (1)
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Descripción: Ciencias de los Materiales 2...
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ema Fases
: rans ormac ones e
INTRODUCCIÓN: Importante es señalar que la obtención de propiedades mecánicas deseadas en e un material, resulta de la transformación de fase que se puede pu ede realizar bajo un tratamiento térmico. a Como hemos visto la gran parte de las r de fases no ocurren e s transformaciones e instantáneamente. or qué! n l e a ". #os obstáculos impiden el desarrollo de la i g r n e reacción. t %umento de de energ&a energ&a asoc asociad iada a a la for formac mación ión e a $. %umento M del l&mite entre la fase madre ' la a transformada. c n #o anterior, debido a un reordenamiento atómico e debido a la difusión.
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: rans ormac ones e
CONCEPTO: Como 'a hemos visto en los tratamientos de los materiales se produce e una gran variedad de transformaciones de fases, las que representan algunas a alteraciones en la microestructura, estas las r e s dividiremos dividiremos en dos do s categor&as( e n l e a I. )rans ransfo forrmaci macion ones es depe depend ndie ient ntes es de la i g r difusión. n e t II. ) ransfo forrmaci macione ones s adifus adifusio iona les. s. e a II. Fe Cnale Ferans Eutectoid M a c n e
3
γ
(Austenite) C
transformation (cementite)
+
α
FCC
(ferrite)
(BCC)
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: rans ormac ones e
CONCEPTO: Como 'a hemos visto en los tratamientos de los materiales se produce e una gran variedad de transformaciones de fases, las que representan algunas a alteraciones en la microestructura, estas las r e s dividiremos dividiremos en dos do s categor&as( e n l e a I. )rans ransfo forrmaci macion ones es depe depend ndie ient ntes es de la i g r difusión. n e t II. ) ransfo forrmaci macione ones s adifus adifusio iona les. s. e a II. Fe Cnale Ferans Eutectoid M a c n e
3
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(Austenite) C
transformation (cementite)
+
α
FCC
(ferrite)
(BCC)
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: rans ormac ones e
! CIN"TIC! DE !# TR!N#FORM!CIONE# DE F!#E# EN E#T!DO #ÓIDO$ *n una transformación de fase al menos se forma una e nueva fase que tiene caracter&sticas f&sicas+qu&micas '+o estructura diferente. a uchas transformaciones de fases no ocurren r e s instantáneamente. e rimero, se forman numerosas part&culas pequeñas de n l e a la nueva fase, las cuales aumentan en tamaño hasta i g r n e que se complete la transformación. t *ste proceso consta de $ etapas( -ucleación ' e a Crecimiento. M a *l estudio de la velocidad a la cual ocurre la c transformación transformación de fase se denomina cinética, en donde n e la fracción de reacción transcurrida se mide en función del tiempo, manteniendo constante la temperatura.
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! CIN"TIC! DE !# TR!N#FORM!CIONE# DE F!#E# EN E#T!DO #ÓIDO$ e
a r e s e n l e a i g r n e t e a M a c n e
*l progreso de la transformación se mide por microscop&a, /0, ultrasonido o midiendo los cambios de conductividad eléctrica. #os datos obtenidos ara generalmente este se comportamiento, la representan en una curva del tipo fracción de sigmoidal, gra1cando la fracción transformación transformació n es( transformada transformada vs el logaritmo del tiempo.
2%vrami3
onde( ' es la
cantidad
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! CIN"TIC! DE !# TR!N#FORM!CIONE# DE F!#E# EN E#T!DO #ÓIDO$ e
or convención, la velocidad de una transformación se toma como el rec&proco a Como se puede apreciar, lala del tiempo necesario para conseguir r e s mitad de la transformación( temperatura tiene una gran transform ación( e n importancia en la cinética ' l
e a i g r n e t e a M a c n e
por lo tanto en la velocidad de transformación. or ejemplo, en la /6 del Cu a diferentes )7s.
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! CIN"TIC! DE !# TR!N#FORM!CIONE# DE F!#E# EN E#T!DO #ÓIDO$ e
*n la ma'or&a de las transformaciones de fase, el material se subenfr&a por debajo de la a temperatura de equilibrio a la cual ocurre la r e s Cuando transformación de fase )ambién, 28)3. vimos la razón a la vimos nucleación e durante la solidi1cación, cual los átomos se van n l e a determinamos la cantidad adhiriendo desde el l&quido i g r n e de n9cleos estables cr&ticos al n9cleo sólido( t 2que tienen un radio ma'or e a a rc 3( M a c n e
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! CIN"TIC! DE !# TR!N#FORM!CIONE# DE F!#E# EN E#T!DO #ÓIDO$ e
a r e s e n l e a i g r n e t e a M a c n e
or lo tanto, la velocidad de nucleación se puede escribir como( #a velocidad de nucleación es lenta para 8) pequeños ' aumenta para 8) ma'ores.
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! CIN"TIC! DE !# TR!N#FORM!CIONE# DE F!#E# EN E#T!DO #ÓIDO$ •
e
a r e s e n l e a i g r n e t e a M a c n e
*l crecimiento de la nueva fase, es un proceso controlado por la velocidad de difusión ' la dependencia con la temperatura es la misma que para el coe1ciente de difusión, de acuerdo a una relación de tipo %rrhenius, la velocidad de crecimiento de esos n9cleos estables es(
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! CIN"TIC! DE !# TR!N#FORM!CIONE# DE F!#E# EN E#T!DO #ÓIDO$ •
e
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or lo tanto la velocidad de la transformación total es el producto entre icroestructura de tamaño de grano grande. icroestructura de tamaño de grano chico.
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! CIN"TIC! DE !# TR!N#FORM!CIONE# DE F!#E# EN E#T!DO #ÓIDO$ :na limitación de los diagramas de equilibrio es su e incapacidad para indicar el tiempo necesario para alcanzar el equilibrio. a r #os sistemas sólidos se apro6iman al equilibrio en e s forma tan lenta que prácticamente es imposible e n l e a obtener estructuras en equilibrio. i or lo general durante los enfriamientos de no g r n e equilibrio, las transformaciones ocurren a t e a temperaturas inferiores a las indicadas en los M diagramas de fases, fenómeno denominado a s%&enfriamiento. #a intensidad de este fenómeno c n depende de la velocidad de cambio de temperatura. e or este motivo nos entraremos en el estudio del efecto del tiempo ' velocidad en las reacciones.
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DI!'R!M!# DE TR!N#FORM!CIÓN I#OT"RMIC! EN #I#TEM! FE(C )IT * TTT+ PERIT!:
#a temperatura juega un rol fundamental en la velocidad de transformación(
a r e s e n l e a i g r n e t e a M a c n e
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DI!'R!M!# DE TR!N#FORM!CIÓN I#OT"RMIC! EN #I#TEM! FE(C )IT * TTT+ PERIT!: ;tra forma de interpretar esta transformación es utilizando un diagrama tiempo= s3. @. *sta curva 2C3 es sólo válida para la composición eutectoide.
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DI!'R!M!# DE TR!N#FORM!CIÓN I#OT"RMIC! EN #I#TEM! FE(C )IT * TTT+ ". Aeamos la curva %BC PERIT!: para un tratamiento
a r e s e n l e a i g r n e t e a M a c n e
térmico de esta aleación. $. *nfriamiento rápido 27C, las capas i g r n e en la perlita deber&an ser t e6tremadamente 1nas generando e a una energ&a de interfase mu' Mgrande. ara reducir esta energ&a, a c la cementita precipita en forma n distinta a la perlita, formando as& e la bainita.
erli ta
Bai nita
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DI!'R!M!# DE TR!N#FORM!CIÓN I#OT"RMIC! EN #I#TEM! FE(C )IT * TTT+ ,!INIT!:
a r e s e n l e a i g r n e t e a M a c n e
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DI!'R!M!# DE TR!N#FORM!CIÓN I#OT"RMIC! EN #I#TEM! FE(C )IT * TTT+ E#FEROIDIT!:
*sta microestructura a se genera cuando un r acero con estructura e sperl&tica se calienta ehasta una temperatura n l e ainferior a la eutectoide i g r n e' se mantiene a esta t )7 por largo tiempo. e a*n vez de una M microestructura de a o capas c láminas n alternadas de ferrita ' e cementita 2erlita3, la cementita aparece en forma de part&culas
ema : rans ormac ones e Fases DI!'R!M!# DE TR!N#FORM!CIÓN e
I#OT"RMIC! EN #I#TEM! FE(C )IT * TTT+ #a martensita es una estructura :n pequeño desplazamiento M!RTEN#IT!:
de una fase en no equilibrio que resulta de una transformación a adifusional, en donde no se r sigue la cinética de e stransformación de una relación ede tipo %A/%I. -o ha' cambio n l de composición. e a i Fe forma cuando una aleación g r n eHeE seg ' posteriormente se templa a )7 ambiente. n l e a *nfriamiento rápido hasta $=>7C, donde se mantiene i g r n e durante ">> seg ' posteriormente se templa a )7 ambiente. t *nfriamiento rápido hasta =>7C, donde se mantiene e a durante $> seg ' posteriormente se enfr&a rápidamente a M E>>7C donde se mantiene durante "> @ seg ' se templa a )7 a ambiente. c
n e
ema Fases e
: rans ormac ones e
DI!'R!M!# DE TR!N#FORM!CIÓN I#OT"RMIC! EN #I#TEM! FE(C )IT * TTT+ :tilizando E/EMPOel diagrama de la 1gura, especi1que la naturaleza de
la microestructura resultante cuando una pequeña probeta se a somete a una )7 de L>7C 2austenita3 ' se enfr&a de acuerdo a r las siguientes condiciones( e s *nfriamiento rápido hasta @=>7C, donde se mantiene e durante ">E seg ' posteriormente se templa a )7 ambiente. n l
e a i g r n e t e a M a c n e
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ema Fases e
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la microestructura resultante cuando una pequeña probeta se a somete a una )7 de L>7C 2austenita3 ' se enfr&a de acuerdo a r las siguientes condiciones( e s *nfriamiento rápido hasta =>7C, donde se mantiene e durante $> seg ' posteriormente se enfr&a rápidamente a n l e a E>>7C donde se mantiene hasta "> @ seg del tratamiento ' se i g r templa a )7 ambiente. n
e t e a M a c n e
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: rans ormac ones e
DI!'R!M!# DE TR!N#FORM!CIÓN I#OT"RMIC! EN #I#TEM! FE(C )IT * TTT+ e )rozos pequeños ' delgados de tiras de acero ">M> de >.$= E/EMPO mm de espesor laminadas en caliente son calentados durante a " h a M=>NC ' después se les dan los tratamientos térmicos r mencionados en la lista siguiente. :sando el diagrama de e stransformación isotérmica de la 1gura, determine las emicroestructuras de las muestras después de cada tratamiento n l e atérmico. i g r n ea3 )emplado con agua a temperatura ambiente. t b3 )emplado en caliente en sal fundida a J>NC ' mantenido $ e ahO templado en agua. M c3 )emplado en caliente a ">NC ' mantenido @ min O templado a c en agua. n d3 )emplado en caliente a =M>NC ' mantenido $ s O templado en e agua. e3 )emplado en caliente a E=>NC ' mantenido " h O templado en agua.
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: rans ormac ones e
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e t e a M a c n e
Folo artensita
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e a M a c n e
Folo erlita Gruesa
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e a M a c n e
Folo erlita Hina
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: rans ormac ones e
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e a M a c n e
%pp =>? erlita 1na ' =>? artensita
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: rans ormac ones e
DI!'R!M!# DE TR!N#FORM!CIÓN I#OT"RMIC! EN #I#TEM! FE(C )IT * TTT+ e )rozos pequeños ' delgados de tiras de acero ">M> de >.$= E/EMPO mm de espesor laminadas en caliente son calentados durante a " h a M=>NC ' después se les dan los tratamientos térmicos r mencionados en la lista siguiente. :sando el diagrama de e stransformación isotérmica de la 1gura, determine las emicroestructuras de las muestras después de cada tratamiento n l e atérmico. i g r n ee3 )emplado en caliente a E=>NC ' mantenido " h O templado t en agua.
e a M a c n e
Folo bainita superior
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: rans ormac ones e
DI!'R!M!# DE TR!N#FORM!CIÓN I#OT"RMIC! EN #I#TEM! FE(C )IT * TTT+ e )rozos pequeños ' delgados de tiras de acero ">M> de >.$= E/EMPO mm de espesor laminadas en caliente son calentados durante a " h a M=>NC ' después se les dan los tratamientos térmicos r mencionados en la lista siguiente. :sando el diagrama de e stransformación isotérmica de la 1gura, determine las emicroestructuras de las muestras después de cada tratamiento n l e atérmico. i g r n ef3 )emplado en caliente a @>>NC ' mantenido @> min O t templado en agua.
e a M a c n e
%pp =>? de bainita inferior
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: rans ormac ones e
DI!'R!M!# DE TR!N#FORM!CIÓN I#OT"RMIC! EN #I#TEM! FE(C )IT * TTT+ e )rozos pequeños ' delgados de tiras de acero ">M> de >.$= E/EMPO mm de espesor laminadas en caliente son calentados durante a " h a M=>NC ' después se les dan los tratamientos térmicos r mencionados en la lista siguiente. :sando el diagrama de e stransformación isotérmica de la 1gura, determine las emicroestructuras de las muestras después de cada tratamiento n l e atérmico. i g r n eg3 )emplado en caliente a @>>NC ' mantenido = h O templado t en agua.
e a M a c n e
Folo bainita inferior
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DI!'R!M!# DE TR!N#FORM!CIÓN POR ENFRI!MIENTO CONTINUO$
Como lo hemos visto los diagramas )) isotérmicos no entregan e información cuando e6isten distintas velocidades de enfriamiento. a :n diagrama ))) sólo es válido a )7 constantes ' debe a temperaturas %cero eutectoide r modi1carse si las transformaciones ocurren e sque cambian continuamente. *ste tipo de diagramas se edenominan )*C 2transformación de enfriamiento continuo3.
n l e a i g r n e t e a M a c n e
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DI!'R!M!# DE TR!N#FORM!CIÓN POR ENFRI!MIENTO CONTINUO$
e
*n los diagramas de enfriamiento continuo, el tiempo que se necesite para que la reacción comience ' termine se retrasa, como se ve en la 1gura. %cero
a r e s e n l e a i g r n e t e a M a c n e
eutectoide
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DI!'R!M!# DE TR!N#FORM!CIÓN POR ENFRI!MIENTO CONTINUO$
Consideremos aceros de composición eutectoide ' donde el C sea el elemento aleante principal, en general no se forma e bainita en estos aceros, debido a que en el mismo tiempo en donde se podr&a transformar la austenita en bainita, 'a a se ha convertido en perlita. r e s #a curva %B representa el termino de la transformación e austenita.$=Pt? no se n tratan térmicamente para e obtener martensita, toda vez que las velocidades de enfriamiento ser&an demasiado
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: rans ormac ones e
COMPORT!MIENTO MEC0NICO DE !E!CIONE# FE(C e Perlita: /ecordemos que la cementita es a mas dura pero mas frágil que la r ferrita. or lo tanto, un aumento e sen la cantidad de cementita, la ealeación resulta mas dura ' n l resistente mecánicamente. e %:*-)%( :)F, ' dureza. a i g r n e t e a M a c n e
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: rans ormac ones e
COMPORT!MIENTO MEC0NICO DE !E!CIONE# FE(C e Perlita: /ecordemos que la cementita es a mas dura pero mas frágil que la r ferrita. or lo tanto aumento la e scantidad de cementita, la ealeación resulta en mas dura ' n l resistente mecánicamente. e IFI-:Q*( uctilidad ' a i g r tenacidad. n e t e a M a c n e
ema Fases e
: rans ormac ones e
COMPORT!MIENTO MEC0NICO DE !E!CIONE# Perlita: FE(C *l espesor de las capas o láminas de ferrita ' cementita en
la microestructura perl&tica inRu'e también en el comportamiento mecánico de la aleación. ". Como la cementita es dura ' r&gida restringe la deformación de la a ferrita en las regiones ad'acentes al borde. r $. #a perlita 1na ejerce una restricción ma'or que la gruesa ' e s además obstaculiza el deslizamiento de las dislocaciones de e ma'or forma. n l
e a i g r n e t e a M a c n e
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: rans ormac ones e
COMPORT!MIENTO MEC0NICO DE !E!CIONE# FE( CEsferoidita: la distribución ' forma de la cementita, también e
inRu'e en el comportamiento mecánico del material. ". #as aleaciones que tienen microestructura perl&tica tienen ma'or resistencia mecánica ' dureza que aquellas que son esferoidales. #a *sferoidita tiene menor bordes de área por unidad de volumen que la perlita. $. *s una microestructura mu' d9ctil ' tenaz, debido principalmente a que una grieta durante su crecimiento se encuentre con solo una pequeña fracción de cementita ' no en un área ma'or.
a r e s e n l e a i g r n e t e a M a c n e
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COMPORT!MIENTO MEC0NICO DE !E!CIONE# FE(C ,ainita: Como la bainita tiene una estructura 1na 2part&culas
pequeñas de ferrita α ' He@C3, es por lo general mu' resistente mecánicamente ' con gran dureza, e6hibiendo una decente a ductilidad. r #os grá1cos nos muestra como var&an estas propiedades en un e sacero eutectoide, dependiendo de la temperatura de etransformación isotérmica. n l
e a i g r n e t e a M a c n e
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COMPORT!MIENTO MEC0NICO DE !E!CIONE# FE(C Martensita: e todas las microestructuras conocidas que se pueden obtener en un acero, la martensita es la mas dura ' resistente mecánicamente, siendo también la Fu dureza depende el mas frágil. Básicamente, no es d9ctil.
a r e s contenido de carbono. e #a efectividad en la n l e a obstaculización de las i g r n e dislocaciones por la t e a distorsión generada, es Msu mejor caracter&stica. a Como la austenita es c n levemente mas densa e que la martensita, durante el enfriamiento
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COMPORT!MIENTO MEC0NICO DE !E!CIONE# FE(C Martensita Re1enida: Fe genera producto de un )) denominado /evenido. #a martensita se eleva a una -ormalmente, se lleva temperatura por debajo de la eutectoide por un tiempo entre los $=>7C ' =>7C, determinado.
a r e s en donde las tensiones e n l internas pueden ser e a i aliviadas a )7 más bajas g r n e como los $>>7C. t proceso es e a *ste M difusional generando laartensita revenida a 2S THases He@C3consistentes c siguiente9nica reacción( os Hase n en una fase de sobresaturada e part&culas mu' de carbono artensita 2BC)3
pequeñas uniformemente
'
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COMPORT!MIENTO MEC0NICO DE !E!CIONE# FE(C Martensita Re1enida: #a caracter&stica mas importante de la martensita revenida es que prácticamente mantiene *l de las part&culas de cementita su tamaño resistencia mecánica ' dureza, sin embargo aumenta inRu'en en el comportamiento de su ductilidad, en comparaciónmecánico a la martensita.
a r e sla martensita revenida. e n l e a i g r n e t e a M a c n e
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COMPORT!MIENTO MEC0NICO DE !E!CIONE# FE(C Martensita Re1enida: *n el gra1co se presenta la dependencia de la dureza con respecto al tiempo para diferentes temperaturas para un acero eutectoide.
a r e s e n l e a i g r n e t e a M a c n e
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COMPORT!MIENTO MEC0NICO DE !E!CIONE# FE(C Martensita Re1enida: *l revenido en algunos aceros produce una reducción de la tenacidad, fenómeno llamado fragilización por e revenido. *ste fenómeno ocurre cuando el acero es revenido a )7 por sobre los a =L=7C, seguido de un enfriamiento lento hasta la temperatura r ambiente. e s#os aceros que son propensos a este fenómeno contienen econcentraciones apreciables de n, -i o Cr, además de arsénico, n l e aestaño, fósforo como impurezas en bajas concentraciones. i g r #a presencia de estas impurezas cambian la temperaturas de n etransición d9ctil>7C.
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