Transformaciones de fase

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Tema 4: Transformaciones

de fase

Transformaciones de fase

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Transformaciones de faseUna transformación de fase es cualquier proceso en el que se produzca un cambio en el número o en el carácter de las fases presentes.

Se clasifican en varios tipos:

• Difusionales: necesitan difusión. Ej.: crecimiento de grano, transformación de austenita en perlita, etc.• No difusionales: no se produce difusión atómica.Ej.: transformación de austenita en martensita.

• Congruentes: sin cambio en la composición de las fases. Ej.: una transformación alotrópica (Fe- Fe-), la fusión (o la solidificación) de un metal puro, la fusión de algunos intermetálicos (Mg2Pb), etc.

• Incongruentes: con cambio en la composición de alguna de las fases. Ej.: la reacción eutectoide austenita perlita, la fusión parcial de una aleación binaria Cu-Ni, la reacción peritéctica del sistema Fe-Fe3C, etc.

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Equilibrio termodinámico y tiempoPara que un sistema alcance el equilibrio termodinámico se precisan tiempos muy largos, normalmente impracticables.Puesto que en muchas transformaciones de fase el tiempo juega un papel esencial, lo normal es que en una situación real no estemos en equilibrio.

Cuando externamente se lleva un sistema a una situación fuera del equilibrio, necesita tiempo para que todo el sistema llegue a la fase de equilibrio.

Es usual representar la fracción de material que se ha transformado frente al tiempo, a una temperatura dada. En muchos procesos esta dependencia sigue una ley de Avrami:

k y n dependen de los mecanismos de nucleación y crecimiento de la nueva fase.

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Crecimiento de granoLos metales y aleaciones suelen ser policristalinos. Los granos se crean tras la solidificación, la recristalización, etc. Después crecen por difusión, ya que al disminuir la superficie total de los granos, baja esta contribución energética.

El tamaño de grano es esencial para las propiedades mecánicas, y por tanto interesa tener control sobre el mismo.

En muchas ocasiones el tamaño promedio de grano, d, evoluciona con el tiempo, t, según:

donde K es una constante que depende de la temperatura siguiendo una ley de Arrhenius, n es un exponente 2, y d0 = d(t=0).

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Crecimiento de grano

http://lagrit.lanl.gov/new_html/tmap-a.gif

Si la temperatura y el tiempo son suficientes, los granos grandes crecen a costa de los pequeños. Esto hace aumentar el tamaño medio de grano (y empeorar las propiedades mecánicas).

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Alotropía 

Resumen

1539 ºC

1400 ºC

910 ºC

Aceros Fundiciones

Reacción EUTÉCTICA a 

1130 ºCL  + Fe3C

(LEDEBURITA)

ReacciónEUTECTOIDEa 727 ºC

+ Fe3C(PERLITA)

Reacción PERITÉCTICA + L

(AUSTENITA)

(FERRITA)

0.77%                   

727

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Desarrollo de microestructuras

Composición eutectoide: 0,77% C

Microestructura perlítica: el C de la fase se distribuye por difusión entre las fases (menor %C) y Fe3C (mayor %C), formando láminas adyacentes:

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Transformación perlítica

Supongamos que tenemos austenita con 0,77% C en equilibrio a 750 ºC. Entonces se enfría bruscamente a 675 ºC y se mantiene a esa temperatura mucho tiempo.

La fase de equilibrio a 675 ºC es perlita, pero se requiere tiempo para que todo el material se transforme:

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Diagramas de transformación

isotérmica (TTT)

A partir de las curvas anteriores medidas a varias temperaturas se van construyendo otras en las que se representan los tiempos de inicio y final de la transformación para cada temperatura.

En cada caso, la austenita se ha enfriado bruscamente y luego se mantiene a esa temperatura mucho tiempo.

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Perlita fina y perlita gruesa

Acero al carbono eutectoide

La perlita se forma por difusión. A alta temperatura el crecimiento de grano es muy rápido y aparece la perlita gruesa, formada por láminas gruesas. A baja temperatura (difusión más lenta) se forma perlita fina, con espaciado menor.

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Perlita gruesa

Perlita fina

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Diagrama TTT para un acero eutectoide (0,77% C)

En el diagrama TTT de un acero eutectoide, por debajo de 540 ºC (y hasta 215 ºC) aparece otro microconstituyente de no equilibrio: la bainita.

A: austenitaP: perlitaB: bainitaN: “nariz” bainítica

La “nariz”, N, separa las regiones de las transformaciones perlítica y bainítica.

La bainita está formada por una matriz de ferrita con “placas” micrométricas de Fe3C en su interior.

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La martensitaSi al austenita se enfría muy rápidamente (temple) por debajo de 215 ºC, el C no tiene tiempo de difundir y no se puede formar Fe3C. Se produce una solución sobresaturada de C en una red de ferrita distorsionada, con estructura tetragonalcentrada en el cuerpo: la martensita. Su dureza es muy alta (50-68 HRC).

Agujas de martensita (oscuras) en una matriz de austenita retenida (clara)

Intersticios que pueden alojar al C

La martensita se mantiene a baja temperatura en estado metaestable. Si se somete a un tratamiento térmico posterior, sufre nuevas transformaciones de fase en las que el exceso de carbono precipita en forma de Fe3C.

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Diagrama TTT completo para un acero eutectoide

(0,77% C)

La formación de la martensita es no difusional. Por eso es casi instantánea y no depende del tiempo.

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Diagramas TTT para aceros al carbono hipoeutectoidesAparece ferrita proeutectoide. La nariz bainítica se desplaza a tiempos menores.

En la práctica estos aceros tienen muy bajatemplabilidad, pues se requieren velocidades de enfriamiento enormes.

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Diagramas TTT para aceros

aleados

Introducir elementos de aleación permite estabilizar la austenita a temperaturas más bajas y desplazar la nariz bainítica a tiempos más altos.

Algunos elementos de aleación se añaden para mejorar la templabilidad.

0,4% C – 1,8% Ni – 0,8% Cr – 0,7% Mn – 0, 25% Mo

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Diagramas de enfriamiento continuo (TEC)Muestran las transformaciones que tienen lugar cuando el acero se enfría a velocidad constante.

Las curvas de inicio y final de la transformación A P se desplazan un poco hacia tiempos mayores y

temperaturas más bajas.

Las temperaturas de la transformación martensítica

(inicio, 50% y 90%) no cambianrespecto a las del diagrama TTT.

En estos tratamientos, los aceros al carbono no contienen bainita (que

sólo se da tras un tratamiento isotérmico de la austenita a baja Tª).

Diagrama TEC para acero eutectoide

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Velocidad de enfriamiento

Se controla a través del medio en que se enfríe (agua, aceite, sales...).

A velocidades más altas que la velocidad crítica de templese tiene sólo martensita.

Estos diagramas son muy útiles para procesos de soldadura.

A velocidades más bajas se forma total o parcialmente perlita.

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Templabilidad

En una pieza templada el enfriamiento en la superficie es muy rápido, pero en el interior es más lento, pudiendo no alcanzar la velocidad crítica de temple.

La templabilidad mide la facilidad de penetración del temple de la superficie al núcleo. Depende de la composición de cada acero.

Alta templabilidad

Baja templabilidad

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Ensayo Jominy

1. Austenización (30 min).2. Enfriamiento por chorro de agua

vertical (10 min).3. Medida de HRC en función de d.

UNE-EN ISO 642:2000: “Acero. Ensayo de templabilidad por templado final (ensayo Jominy)”

Una pieza cilíndrica austenizada se templa enfriándola por un extremo con un chorro de agua. Después se mide la dureza a lo largo de su generatriz.

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Ensayo Jominy

http://www.youtube.com/watch?v=qW0aUbTWtVM

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Curva de templabilidad Jominy

C45F-1140

0,40-0,50 % CMÁXIMA

MÍNIMA

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Curvas Jominy para varios aceros

0,30-0,40 % C0,50-0,80 % Mn

C35F-1130

MALA TEMPLABILIDAD

BUENA TEMPLABILIDAD

34CrMo4F-1250

0,30-0,37 % C0,60-0,90 % Mn0,90-1,20 % Cr

0,15-0,30 % Mo