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1TRATAMIENTO DE LOS METALES

Unidad de Aprendizaje:

1. Diagrama Temperatura Tiempo Transformacin

02 Transformaciones de Fase en los Metales

Parte A

Tratamiento de los Metales

Ing. Luis Astorga Glasinovic

Primavera 2015

2Tratamiento de los Metales - Transformaciones de Fases en los Metales

Fotomicrografa de un

acero con perlita laminar

transformada

parcialmente a

esferoidita. x 2000.


TRANSFORMACIONES DE FASES

Desarrollo de microestructuras

y

alteracin de propiedades mecnicas


10.1 INTRODUCCIN

Los materiales metlicos son verstiles

debido a la gran variedad de propiedades

mecnicas susceptibles de alteracin por

diferentes medios.


Se han mencionado tres mecanismos de

consolidacin (aumento de resistencia):

Afinamiento del tamao de grano.

Disolucin slida, y.

Endurecimiento por deformacin.


Las propiedades mecnicas fundamentadas

en las caractersticas microestructurales se

modifican con tcnicas adicionales idneas.


La evolucin de la microestructura de

aleaciones mono y bifsicas suele

implicar algn tipo de transformacin de

fase: alteracin en el nmero y/o carcter

de las fases.


En la primera parte de este anlisis figura

una breve discusin de alguno de los

principios fundamentales relacionados con

las transformaciones que ocurren en las

fases slidas.


Puesto que la mayora de las

transformaciones de fases no transcurren

instantneamente, se relaciona la

dependencia del progreso de la reaccin

con el tiempo o velocidad de

transformacin.

10

Tratamiento de los Metales - Transformaciones de Fases en los Metales

Luego se discute el desarrollo de las

microestructuras bifsicas de la aleacin

hierro-carbono.

Se introducen diagramas de fases

modificados que permiten la determinacin

de la microestructura originada por un

tratamiento trmico especfico.

11


Finalmente se discuten las propiedades

mecnicas aportadas por

microconstituyentes distintos de la perlita.

12


TRANSFORMACIONES DE FASES

10.2 CONCEPTOS FUNDAMENTALES

En los tratamientos de los materiales se

produce una gran variedad de

transformaciones de fases, que representan

alguna alteracin de la microestructura.

Estas transformaciones, para los fines de

este curso, se dividen en tres categoras.

13


1. En un grupo se renen las transformaciones que son simples difusiones:

No cambia ni el nmero ni la composicinde las fases presentes.

Son ejemplos de ellas:

la solidificacin de un metal puro.

las transformaciones alotrpicas, y.

la recristalizacin y crecimiento de grano.

14


2. En otro tipo de transformacin

dependiente de la difusin hay

alteracin en las composiciones de

fases y, a veces, en el nmero de

fases.

La reaccin eutectoide, descrita por la

Ecuacin 9.16, pertenece a este tipo y

se trata en la Seccin 10.5.

15


3. El tercer tipo de transformacin es sin

difusin y se forma una fase

metaestable.

La transformacin martenstica (Seccin

10.5) de algunos aceros es un ejemplo.

16


10.3 CINTICA DE REACCIONES EN

ESTADO SLIDO

La mayora de las reacciones en estado

slido no ocurren instantneamente

porque los obstculos impiden el

desarrollo de la reaccin y la hacen

depender del tiempo.

17


Por ejemplo, la mayora de las

transformaciones representan la formacin

de una nueva fase que tiene una

composicin y/o estructura cristalina

diferente de la de partida y se requiere

algn reordenamiento atmico mediante

la difusin.

La difusin, es un fenmeno que depende

del tiempo.

18


Un segundo impedimento se debe al

incremento de la energa asociada a la

formacin de un lmite de fases entre fase

madre y fase producida.

19


Desde el punto de vista microestructural,

el primer proceso que acompaa a una

transformacin de fase es la nucleacin o

formacin de partculas muy pequeas, casi

submicroscpicas, o ncleos de una nueva

fase, capaces de crecer.

Las posiciones favorables para la formacin

de estos ncleos son las imperfecciones,

especialmente los lmites de grano.

20


El segundo proceso es el crecimiento o

incremento de tamao del ncleo.

Durante este proceso desaparece volumen

de la fase madre.

La transformacin es completa si el

crecimiento de estas nuevas partculas de

fases llega hasta alcanzar el equilibrio.

21


La velocidad de transformacin tiene

importancia capital en el tratamiento trmico

de los materiales y su estudio constituye la

cintica.

En muchas investigaciones cinticas, la

fraccin de reaccin transcurrida se mide en

funcin del tiempo, mientras la

temperatura permanece constante.

22


Usualmente se sigue la evolucin de la

transformacin mediante observacin

microscpica o midiendo alguna

propiedad fsica, como la conductividad

elctrica, cuya magnitud sea distinta en la

nueva fase.

Los datos se representan grficamente

como la fraccin de material transformado

en funcin del logaritmo del tiempo.

23


Una curva en forma de S, parecida a la de

la Figura 10.1, representa el

comportamiento cintico tpico de la

mayora de las reacciones en estado slido.

En esta figura se aprecian las etapas de la

nucleacin y del crecimiento.

24


Las transformaciones en estado slido que

se comportan cinticamente como la

representacin de la Figura 10.1., la

fraccin de transformacin y es funcin del

tiempo t segn:

1nkty e (10.1)

donde k y n son constantes de la reaccin

independientes del tiempo. Esta expresin se

suele denominar Ecuacin de Avrami.

25


Ejemplo 1:

Para una transformacin que tiene una

cintica que obedece la ecuacin de Avrami,

determinar el tiempo que se necesita para

llegar al 90% de transformacin si el valor

del parmetro n es 1,5 y despus de 125 s

la reaccin alcanza un 25% de

transformacin.

26


Solucin:

Con los datos de la transformacin que alcanza un

25%, determinamos el valor de la constante k,

aplicando directamente la ecuacin de Avrami:

1,5125 1,50,25 1 ln 1 0,25 125 ln eke k

1

4

1,5

ln 0,752,058485 10

125k

Donde: y = 0,25; t = 125; n = 1,51nkty e

27


1,5

1,5

1,5

ln 0,75 ln 0,751251250,90 1 0,1

tt

e e

1,5 1,5ln 0,1

ln0,1 ln0,75125 ln0,75 125

t t

1.5ln 0,1

125 500ln 0,75

t segundos

Para alcanzar el 90% de transformacin se

requieren 500 segundos.

28


Figura 10.1 Representacin grfica de la fraccin transformada frente al

logaritmo del tiempo, tpica de muchas transformaciones en

estado slido a temperatura constante.

29


Figura 10.2 Porcentaje de recristalizacin del cobre puro en

funcin del tiempo a temperatura constante.

30


Por convencin, la velocidad de una

transformacin r se toma como el recproco

del tiempo necesario para conseguir la

mitad de la transformacin, t0,5.

0,5

1r

t (10.2)

Este t0,5 tambin esta representado en la

Figura 10.1.

31


Ejemplo 2:

Calcular la velocidad de una reaccin que

cumple la ley cintica de Avrami,

suponiendo que las constantes n y k valen

2,0 y 5 x 10-4, respectivamente, para el

tiempo en segundos.

32


1nkty e

Solucin:

La velocidad de reaccin se define como el

recproco del tiempo necesario para

alcanzar una transformacin del 50%. Por lo

tanto aplicamos directamente la ecuacin de

Avrami para esta situacin:

4 25100,50 1 te

Donde: y = 0,50; n = 2; k = 5 x 10-4

33


En este caso, el tiempo t calculado corresponde a

t0,5 y por lo tanto, la velocidad de la transformacin

la calculamos con la frmula correspondiente:

4 2510 4 21 0,5 ln0,5 5 10te t

4

ln 0,537,233

5 10t segundos

1

0,5

1 10,0269

37,233r seg

t

34


Ejemplo 3:

Se sabe que la cintica de la recristalizacin

de algunas aleaciones cumple la ecuacin

de Avrami y el valor de n en la exponencial

es 5,0. Si a una temperatura la fraccin

recristalizada es 0,30 despus de 100min,

determinar la velocidad de recristalizacin a

esta temperatura.

35


Solucin:

Si la cintica de recristalizacin de la

aleacin cumple la ecuacin de Avrami,

podemos determinar el valor de k y se tiene:

1 exp ny kt50,30 1 exp 6000k

Donde: 0,30; 5,0; 100min 60 6000segundos

y n t segundosminuto

50,30 1 exp 6000k 50,70 exp 6000k

36


La velocidad de recristalizacin se define como el

recproco del tiempo necesario para transformar el

50% de la aleacin, por lo tanto calcularemos el

tiempo necesario para transformar este 50%.

5ln0,70 6000 ln expk20

5

ln 0,704,5869 10

6000k

1

1 exp ny kt 55

ln 0,700,50 1 exp

6000t

5

0,50 1 exp ln 0,706000

t

37

Tratamiento de los Metales - Transformaciones de Fases en los Metales5

0,50 exp ln 0,706000

t

5

ln 0,50 ln 0,70 ln exp6000

t

1

5

5ln 0,50 ln 0,50

6000 68536000 ln 0,70 ln 0,70

tt segundos

4 1 3 1

0,5

1 11,46 10 8,76 10

6853r seg min

t

Por lo tanto, la velocidad de

transformacin es la siguiente:

38


Ejemplo 4:

La cintica de la transformacin austenita-perlita cumple la reaccin de Avrami. Utilizando los datos adjuntos de fraccin transformada-tiempo, determinar el tiempo necesario para que el 95% de la austenita se transforme en perlita.

Fraccin transformada Tiempo (s)

0,2

0,6

280

425

39


Solucin:

A partir de los datos proporcionados de fraccin transformada y tiempo, se tiene un sistema de dos ecuaciones con dos incgnitas que nos prmite determinar las constantes k y n que rigen la transformacin, de la siguiente manera:

1 exp ny kt0,6 1 exp 425nk

0,2 1 exp 280nk

40


Luego, tomando el logaritmo natural en ambas ecuaciones, e igualando k se tiene:

0,6 1 exp 425nk

0,2 1 exp 280nk 0,8 exp 280nk

0,4 exp 425nk

ln 0,8 280 ln expnk

ln0,4 425 ln expnk

ln 0,8 ln 0,4

280 425n n1

1

425 ln 0,4

280 ln 0,8

n

41


Tomando logaritmos en la expresin anterior y despejando n, se tiene:

ln 0,4ln

ln 0,8425 ln 0,4ln ln 3,385

425280 ln 0,8ln

280

n n

Luego, podemos calcular el valor de k de

cualquiera de las dos ecuaciones anteriores:

9

3,385 3,385

ln 0,8 ln 0,41,16 10

280 425k

42


El tiempo necesario para que el 95% de la

austenita se transforme en perlita lo

calculamos directamente con la ecuacin de

Avrami con los valores de k = 1,16x10-9 y n =

3,385 calculados:

9 3,3851,16 100,95 1 e t

9 3,3851,16100,05 e t

1nkty e

43


Luego, tomando logaritmo natural, se tiene:

9 3,385ln 0,05 1,16 10 lnt e

3,3859

ln 0,05603

1,16 10t segundos

1

El tiempo necesario para transformar el 95%

de austenita en perlita es de 603 segundos.

44


Ejemplo 5:

Se han tabulado los datos de fraccin de recristalizacin-tiempo para el aluminio deformado y calentado a 350C. Suponiendo que la cintica de esta transformacin cumple la relacin de Avrami, determinar la fraccin recristalizada despus de 116,8min.

Fraccin recristalizada Tiempo (min)

0,30

0,80

95,2

126,6

45


Solucin:

A partir de los datos proporcionados de fraccin recristalizada y tiempo, se tiene un sistema de dos ecuaciones con dos incgnitas que permiten determinar las constantes k y n que rigen la transformacin, de la siguiente manera:

1 enkty

57120,3 1 enk

75960,8 1 enk

(*)

(*): El tiempo dado en minutos se

convirti a segundos multiplicando

por 60.

(*)

46


Luego, tomando logaritmos en ambas ecuaciones, e igualando k se tiene:

57120,3 1 enk

ln0,70 5712 ln enk

ln0,20 7596 ln enk

ln 0,70 ln 0,20

5712 7596n nk1

1

7596 ln 0,20

5712 ln 0,70

n

75960,8 1 enk

57120,7 enk

75960,2 enk

47


Tomando logaritmos en la expresin anterior y despejando n, se tiene:

ln 0,20ln

ln 0,707596 ln 0,20ln ln 5,286

75965712 ln 0,70ln

5712

n n

Luego, podemos calcular el valor de k de

cualquiera de las dos ecuaciones anteriores:

21

5,286 5,286

ln 0,7 ln 0,24,94 10

5712 7596k

48


La fraccin recristalizada despus de 116,8

minutos la calculamos directamente con la

ecuacin de Avrami con los valores de k =

4,94x10-21 y n = 5,286 calculados:

21 5,2864,94 10 70081 ey

0,65y

1nkty e

116,8 minutos = 7008 segundos

La fraccin recristalizada alcanza un valor de 0,65, es

decir un 65%.

49


La temperatura es una variable controlable

en los tratamientos trmicos y puede tener

gran influencia en la cintica y en la

velocidad de transformacin.

Esto se demuestra en la Figura 10.2, que

representa los valores de y frente a log t,

grficas en forma de S, de la recristalizacin

del cobre a varias temperaturas.

50


En la mayora de las reacciones la velocidad

se incrementa con la temperatura, en un

tramo especfico de temperaturas, segn,

Q RTr Ae (10.3)donde

R = constante de los gases

T = temperatura absoluta

A = constante independiente de la temperatura

Q = energa de activacin para una reaccin especfica

51


Conviene recordar que el coeficiente de

difusin depende de la temperatura.

Los procesos cuyo coeficiente tiene esta

relacin con la temperatura se denominan

activados trmicamente.

52


10.4 TRANSFORMACIONES MULTIFASE

En las aleaciones metlicas pueden ocurrir

transformaciones multifase al variar la

temperatura, la composicin y la presin

externa; sin embargo, en los tratamientos

trmicos se utilizan exclusivamente los

cambios de temperatura para generar

cambios de fases.

53


Esto equivale a cruzar un lmite de fase en

un diagrama de fases composicin-

temperatura, cuando se calienta o se enfra

una aleacin de composicin determinada.

Durante una transformacin de fases, una

aleacin evoluciona a travs de estados de

equilibrio caracterizados por un diagrama de

fases en trminos de fases producidas,

composicin y cantidad relativa.

54


La mayora de las transformaciones de

fases necesitan un tiempo finito para

completarse y la velocidad suele ser

importante en la relacin entre tratamientos

trmicos y microestructura desarrollada.

Una limitacin de los diagramas de

equilibrio es su incapacidad para indicar el

tiempo necesario para alcanzar el

equilibrio.

55


Los sistemas slidos se aproximan al

equilibrio a una velocidad tan lenta que

raramente se consiguen las verdaderas

estructuras de equilibrio.

56


Las condiciones de equilibrio slo se

alcanzan si las velocidades de

calentamiento o de enfriamiento se

realizan a una velocidad tan lenta como

imprctica.

57


En los enfriamientos de no equilibrio, las

transformaciones ocurren a temperaturas

inferiores a las indicadas por el diagrama

de fases; en los calentamientos, los

cambios son a temperaturas superiores.

Estos fenmenos se denominan

subenfriamiento y sobrecalentamiento,

respectivamente.

58


Las intensidades de estos fenmenos

dependen de la velocidad de cambio de

temperatura:

cuanto mayores son las velocidades de enfriamiento o de calentamiento,

mayores los subenfriamientos o

sobrecalentamientos.

59


Por ejemplo, la velocidad normal de

enfriamiento de la reaccin eutectoide

hierro-carbono es de 10 a 20C por debajo

de la temperatura de la transformacin en

equilibrio.

60


Para muchas aleaciones de importancia

tecnolgica la microestructura es

metaestable, intermedia entre los estados

iniciales y de equilibrio; a veces interesa una

microestructura lejana a la del equilibrio.

61


Por este motivo es de gran inters investigar

la influencia del tiempo en las

transformaciones de fases.

En ltima instancia, la informacin cintica

es ms interesante que el estado final de

equilibrio.

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