Metalurgia Física

Microestructura de fases, granos,

límites de grano y estructura de

fases metálicas M.C. Agustín Eduardo Bravo Bénard

Unidad de Investigación y Asistencia Técnica en Materiales

Departamento de Ingeniería Mecánica

Facultad de Ingeniería,

Universidad Nacional Autónoma de México

Contenido: Fases

Formación de microestructuras

Microestructura:

Monocristales y Policristales

Granos y Límites de Grano

Tamaño de Grano

Relación con la resistencia mecánica

Estructura y Teoría de Fases Metálicas

Conceptos Básicos

Fase

Region de un sistema con propiedades físicas y

químicas homogéneas

Puede estar separada por una frontera

Ejemplos sólido, líquido, gas, ferrita (hierro- BCC),

grafito, diamante, Al2Cu

Transformación de fase:

Cambio de una fase a otra: Sólido a Líquido, Liq. a Gas, diamante

a grafito, -Fe -Fe

Ocurren debido a que el sistema (termodinámico) pasa de un

estado de energía a otro (generalmente a uno menor)

Conceptos Básicos

Componente (elemento o compuesto)

Substancia pura: Fe, C, Al, Cu, H2O, Fe3C, Al2Cu, etc.

Se utiliza para expresar la composición de las fases en

un sistema

Composición

Proporciones relativas de los componentes

Puede estar dada en fracciones o porcentajes:

Fracción en masa, porcentaje en peso, fracción

volumétrica, porcentaje atómico, etc.

Diagrama de Fases

Representación de fases presentes bajo ciertas

condiciones (P, T, Composición, etc.)

Fases del Agua

Regla de Fases de Gibbs

P + F = C + 2 P: número de fases

C: número de componentes

F: número de grados de libertad

(número de variables intensivas

independientes)

Para sistemas incompresibles

i.e. presión constante:

P + F = C + 1

F = C - P + 2

F = C - P + 1

No dependen del tamaño

(masa) del sistema:

Composición, Presión,

Temperatura,

• Placa de Nb-Hf-W soldada por un haz de electrones.

• Cada grano es un cristal.

• Para un material policristalino con orientaciones variadas, las

propiedades direccionales se anulan.

1 mm

Microestructuras Metálicas

Monocristales:

Anisótropos

Policristales (orientaciones aleatorias):

Isótropos

Policristales (con orientaciones preferenciales, i.e. textura):

Anisótropos

Amorfos (vidrios metálicos):

Isótropos

Directionally solidified cast Ni-base eutectic alloy (Courtesy of W.

Yankauskas, TRW.

Wrought 2024-F aluminum (Al – 4.4% Cu – 1.5% Mg – 0.6% Mn) bar (28.5 mm

diam.) showing the grain structure and intermetallics. Magnification bar is 200 µm

long. Anodized with Barker’s reagent (30 V dc, 2 min.). Transverse plane.

Wrought 7075-T74 aluminum (Al –1.6% Cu – 2.5% Mg – 5.6% Zn – 0.23% Cr)

anodized with Barker’s reagent (20 V dc, 2 min.) showing highly elongated,

recrystallized surface grains on a fine grained interior structure. Magnification bar is 50

µm long. Viewed with crossed polarized light plus sensitive tint.

Composite of wrought 6061 aluminum and 22.5 wt. % alumina (Al2O3). As polished. Original at 200X.

Composite of wrought 2124 aluminum and 20 wt. % SiC. As polished. Original at 1000X.

Weld Base

Microstructure of a friction stir weld in 2519 aluminum (Al – 5.8% Cu – 0.3%

Mn – 0.3% Mg – 0.06% Ti – 0.1% V – 0.15% Zr) etched with Weck’s reagent

and viewed with polarized light plus sensitive tint. Original at 100X. The

magnification bar is 100 µm long.

Bas

e

Heat Affected Zones

Laser Weld Nugget -

6061

Microstructure of a laser weld in 6061 aluminum (Al – 0.6% Si – 0.3% Cu – 1%

Mg – 0.2% Cr) etched with Weck’s reagent and viewed with polarized light plus

sensitive tint. Original at 50X. The magnification bar is 200 µm long.

15 HCl - 10 Acetic Acid -

10 HNO3

Waterless Kalling’s

Lucas’ Reagent

2 V dc, 10s

Dendritic structure of cast IN-738 alloy (Ni – 0.17C – 16Cr – 8.5Co – 2.6W –

1.75 Mo – 0.9Nb – 1.75Ta – 3.4Al – 0.01B – 0.1Zr).

Glyceregia Waterless Kallings

Lucas’ Reagent

2 V dc, 10s

Dendritic solidification structure in cast Russian alloy CNK7 (Ni – 0.08C –

15Cr – 9Co – 7W – 0.4Mo – 3.5Ti – 4.2Al – 0.01B – 0.02Ce).

Límites de grano

Modelo de burbujas

Lattice defects in the soap bubbles model

substitutional

smaller atom

interstitial atom

dislocation

vacancy

¿Cómo hacen las burbujas?

En el laboratorio...

Angulo de desorientación entre dos granos

Angulo de desorientación entre dos granos Tipos de desalineamiento

entre dos granos

Angulo de desorientación entre dos granos

Red con sitios coincidentes

(ángulo entre cristales: 18°)

Desorientación de la red tipo Σ11 vista en

la dirección [110]

Densidad de dislocaciones en límites de grano

Dislocaciones en un límite

de grano de ángulo pequeño

Dislocaciones en un límite

de grano de ángulo grande

Dislocaciones en un

límite de grano con

un ángulo de 60°

Desorientación entre granos en una microestructura

El diámetro promedio de los granos D se puede

determinar mediante la ecuación: 𝐷 =

𝐿

𝑁

a lo largo de líneas aleatorias, donde L es la longitude de la línea y N es el

número de intersecciones con los límites de grano.

La relación entre el area superficial S del grano y el volumen V de los granos es:

𝑆

𝑉=2𝑁

𝐿=4𝑙

𝐴

N*= 2n−1

Donde l es la longitud total de los límites de grano y A es el area total de los

granos en un plano aleatorio de la muestra pulida.

Para determiner el tamaño de grano ASTM (n) se determina el número de granos

por pulgada cuadrada a un aumento de 100x (N) utilizando la ecuación:

TAMAÑO DE GRANO ASTM

TAMAÑO DE GRANO ASTM

TAMAÑO DE GRANO ASTM

Acero de bajo contenido de carbono, 100x

Distribución bimodal de

tamaño de grano

TAMAÑO DE GRANO ASTM

Tamaño de grano El desalineamiento de los granos

implica que también los sistemas de deslizamiento estan desalineados.

Los límites de grano actuan como barreras que impiden el movimiento de dislocaciones

La ecuación de Hall-Petch relaciona el tamaño de grano con el esfuerzo de cedencia:

2/1 dk yoy

Microestructura celular

10 p, 11.57 def

Amorfización En Estado Sólido Deformación Plástica Severa.

Solidificación Rápida.

Microestructura dendrítica

(a) The secondary dendrite arm spacing (SDAS). (b) Dendrites

in an aluminum alloy (x 50). (From ASM Handbook, Vol. 9,

Metallography and Microstructure (1985), ASM International,

Materials Park, OH 44073-0002.)

©2003 Brooks/Cole, a division of Thomson Learning, Inc. Thomson Learning™ is a trademark used herein under license.

Figure 8.10 The effect of solidification time on the secondary dendrite

arm spacings of copper, zinc and aluminum

©2003 B

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Figure 8.11 The

effect of the

secondary dendrite

arm spacing on the

properties of an

aluminum casting

alloy

Ley de Schmid

Dirección de

deslizamiento

Esfuerzo cortante

r = Fr/A

A0

A

= F/A0

r = cos cos

Tracción en un monocristal

Mecanismos de deformación Sistemas de deslizamiento Maclaje Transformaciones de Fase

Deformación en un monocristal

Deformación plástica por Maclaje

Reacción Peritéctica: L+δ -> γ

Reacción Eutéctica: L -> γ+Fe3C

AISI American Iron and Steel Institute

SAE Society of Automotive Engineers

ASME American Society of Mechanical Engineers

AISI-SAE Classification of Steels

Classifications Specifications

Carbon steels 10XX

Carbon steels, resulfurized 11XX

Carbon steels, resulfurized and 12XX

rephosphorized 12XX

Manganese steels 13XX

Nickel steels 2XXX

Nickel steels 3.50% Ni 23XX

Nickel steels 5.0% Ni 25XX

Nickel chromium steels 3XXX

Ni-Cr steels 0.7% Ni, 0.7% Cr 30XX

Ni-Cr steels 1.25% Ni, 0.6% Cr 31XX

Ni-Cr steels 1.75% Ni, 1.0% Cr 32XX

Ni-Cr steels 3.50% Ni, 1.50% Cr 33XX

Carbon-molybdenum steels 40XX

Chromium-molybdenum steels 41XX

Chromium-nickel-molybdenum steels 43XX

Nickel-moly steels 1.65% Ni, 0.25% Mo 46XX

Nickel-moly steels 3.25% Ni, 0.25% Mo 48XX

Low chromium steels 50XX

Medium chromium steels 51XX

Carbon-chromium steels 52XX

Chromium-vandium steels 61X

Low Ni-Cr-Moly steels 0.20% Mo 86XX

Low Ni-Cr-Moly steels, 0.25% Mo 87XX

Silicon-Manganese Spring steels 92X

Silicon-Manganese-Cr Spring steels 93XX

Note: First figure indicates the major class of steel.

Second figure indicates a sub-division of the major class

and the percentage of the major alloying elements.

The Third and Fourth figures indicate carbon in hundredths of a percent.

Plasticidad inducida por Transformaciones de Fase

Diagramas de Propiedades

Plasticidad inducida por Transformaciones de Fase