Estructuras Metalográficas y Transformaciones de Fases

Conceptos Previos Enlace Metálico Enlace Iónico

Conceptos Previos Cristalino: Estado de un material sólido que se caracteriza por el ordenamiento atómico periódico y repetitivo de átomos, iones o moléculas. Estructura cristalina: Forma en la cual están ordenados en el espacio los átomos o iones de un sólido cristalino.

Conceptos Previos

Conceptos Previos

Conceptos Previos Estructura del Diamante y del Grafito

Conceptos Previos Grano y Borde de Grano

Aleación Reunión de dos o mas metales o de uno o mas metales con un no metal. Sustancia metálica compuesta de dos o mas elementos. En una aleación se añade intencionadamente átomos extraños (aleantes) para conseguir un metal de características específicas. Disolvente: Elemento o compuesto presente en mayor cantidad. Soluto: Elemento o compuesto presente en menor concentración. Al agregar un elemento aleante a un metal puro pueden ocurrir dos casos: Se forma una solución sólida  puede ser intersticial o sustitucional. Se genera una segunda fase SOLUCION SOLIDA INTERSTICIAL Cuando el soluto tiene sus átomos alojados en los espacios interatómicos del solvente. Se producen cuando los átomos del soluto son pequeños con respecto a los del solvente. SOLUCION SOLIDA SUSTITUCIONAL Cuando los átomos del soluto sustituyen átomos del solvente. Los átomos del soluto pueden ser ligeramente mayor o menor a los del solvente

Aleaciones

Estructuras Metalográficas Metalografía (o Microscopía) Es la ciencia que estudia las características microestructurales de un metal o aleación, relacionándolas con las propiedades físicas, químicas y mecánicas. Microscopio Electrónico De Barrido Mediante una metalografía es posible determinar: tamaño, forma y distribución de fases tamaño y forma de la estructura granular Esto permite revelar el tratamiento mecánico y térmico del material. Microscopio Óptico

ESTRUCTURAS METALOGRAFICAS Granos equiaxiales de solución sólida; ferrita y eutectoide laminar: perlita. Estructura de acero SAE 1045 en estado de recocido. Estructura en bandas, los constituyentes se disponen en hileras. Estructura de Widmanstätten. Solución solida blanca acicular y eutectoide fino. Acero SAE 1045 hipernormalizado. Ferrita acicular y perlita fina. Grano grande. Estructura de granos reticulares de solucion sólida blanca y eutectoide laminar fino. Acero SAE 1045 normalizado. Ferrita reticular y perlita fina no resuelta

ESTRUCTURAS METALOGRAFICAS

ESTRUCTURAS METALOGRAFICAS Uranio irregularmente deformado en frio y calentado. Estructura parcialmente recristalizada. Los granos que alcanzan la deformación crítica han recristalizado. En los granos que no han recristalizado se notan las maclas de deformación. Aumento: 150X Ataque: ácido perclórico Latón deformado y recristalizado con un tratamiento de recocido de alta temperatura y tiempo de mantenimiento prolongado. Granos grandes equiaxiales maclados. Aumento: 100X Ataque: cloruro férrico

ESTRUCTURAS METALOGRAFICAS ESTRUCTURAS EUTECTICAS 0 DE COPRECIPITACION Acero SAE 1085. Eutectoide laminar: Perlita (Láminas alternadas de ferrita y cementita). Aumento: 700X Ataque: Nital Acero SAE 1085. Eutectoide parcialmente globulizado. Es el mismo acero de la figura de arriba, después de un proceso incompleto de un tratamiento térmico de recocido de globulización. Aumento: 700X Ataque: Nital

Transformaciones de Fases Una transformación de fase ocurre cuando se forma al menos una nueva fase con propiedades físicas, químicas y/o microestructura diferente a la fase original. Las estructuras metalográficas de los sólidos metálicos se generan a partir transformaciones de fases. Clasificación de los mecanismos de transformaciones de fases:   Procesos difusionales (Nucleación y Crecimiento) Precipitación Coprecipitación (eutéctico o eutectoide) Procesos sin difusión Transformación Martensítica Implica el movimiento difusional atómico de largo alcance  cada átomo se puede mover varias veces la longitud interatómica. Implica el movimiento atómico de corto alcance  implica el movimiento cooperativo de varios átomos en menos de la longitud interatómica.

Mecanismo de nucleación y crecimiento Etapa de nucleación: Aparición de numerosas partículas o núcleos de la nueva fase (de sólo unos cuantos cientos de átomos). Existen dos tipos de nucleación, dependiendo del sitio donde tiene lugar: Nucleación homogénea: los núcleos se forman uniformemente en toda la fase matriz.  Nucleación heterogénea: los núcleos se forman preferentemente en las inhomogeneidades estructurales (superficie del recipiente, impurezas insolubles, límites de grano, etc)

Nucleación Homogénea Una transformación de fase puede ocurrir en forma espontánea únicamente si ocurre una disminución de la energía libre del sistema  ΔG= ΔH – T ΔS < 0 La energía libre de Gibbs es función de la energía interna del sistema (la Entalpía, H) y de la aleatoriedad o desorden de los átomos (la Entropía, S). Consideraciones: Se considera la solidificación de un metal puro. Se supone que los núcleos de la fase sólida se forman en el interior del líquido Los átomos se aglomeran en núcleos hasta formar una estructura de empaquetamiento similar a la encontrada en la fase solida. Cada núcleo tiene una geometría esférica y un radio r. r Area = 4π r2 Volumen = 4/3 π r3 Sólido Líquido

Nucleación Homogénea r Area = 4π r2 Volumen = 4/3 π r3 Sólido Líquido Contribuciones al cambio de energía libre total asociada a la transformación de fase: La energía libre de volumen ΔGV. Es la diferencia de energía libre entre las fases sólido y líquido. Su valor será negativo si la temperatura está por debajo de la temperatura de solidificación de equilibrio. La magnitud de su contribución es el producto de ΔGV por el volumen del núcleo esférico (4/3 π r3). La energía libre superficial γ. Es la energía libre que proviene de la formación del límite sólido líquido durante la transformación de solidificación. Su valor es positivo. La magnitud de su contribución es el producto de γ por el área superficial del núcleo esférico (4 π r2).

Nucleación Homogénea r Area = 4π r2 Volumen = 4/3 π r3 Sólido Líquido Si el aglomerado tiene un radio menor que el crítico, se encogerá y se redisolverá. A esta partícula subcrítica se le llama embrión. Si el aglomerado alcanza un tamaño que corresponde al radio crítico r*, entonces el crecimiento continuará junto con una disminución de la energía libre. La partícula de radio mayor que r* se denomina núcleo.

Nucleación Homogénea Puede demostrarse que tanto ΔG* como r* disminuyen al disminuir la temperatura, lo cual es intuitivo, ya que cuanto menor es la temperatura, más rápido ocurre la solidificación. Dicho de otra forma, a menor temperatura se forman mayor cantidad de núcleos de radio mayor a r*, con lo cual la nucleación ocurre con mayor facilidad. Durante el enfriamiento de un líquido, no se observará una velocidad de nucleación homogénea apreciable (es decir, solidificación) hasta que la temperatura haya descendido por debajo de la temperatura de solidificación de equilibrio. A este fenómeno se lo denomina subenfriamiento. El subenfriamiento necesario para una nucleación homogénea llega a ser de varios cientos de grados para la mayoría de los sistemas (por ejemplo 295°C para el hierro). Dado que en la práctica sólo se necesita de algunos grados de subenfriamiento, queda claro que debe ocurrir otro mecanismo de la nucleación, la heterogénea.

Nucleación Heterogénea Se considera la nucleación de una partícula sólida sobre una superficie plana. Se supone que tanto las fase sólida como líquida mojan esta superficie plana. Existen tres energías interfaciales como límites bifásicos: γSL, γSI, γIL. Sólido Líquido Superficie o interfase θ γSL γIL γSI El menor valor de energía de activación para la nucleación heterogénea significa que debe vencerse una barrera menor durante el proceso de nucleación la nucleación heterogénea ocurre más rápidamente.

Nucleación Heterogénea Con grandes cantidades de impurezas dispersas, se forman muchos núcleos, o sea que el material comienza a cristalizar en muchos sitios dando una estructura de granos finos. Ejemplo de aplicación: El aluminio / silicio se agrega intencionalmente a los aceros colados con el objetivo de obtener un material de grano fino, además de cumplir la función de desoxidante. El producto de la reacción de desoxidación es el óxido de aluminio. Esta sustancia tiene dificultad para subir a la escoria, quedando en el baño líquido muchas partículas de Al2O3 finamente divididas. Estas partículas actúan luego durante la solidificación como agentes nucleadores.

Crecimiento La etapa comienza una vez que un embrión ha sobrepasado el tamaño crítico r*, y se convierte en un núcleo estable. El crecimiento de las partículas ocurre mediante el proceso de difusión atómica a larga distancia. En los sitios de gradientes térmicos muy acentuados (paredes de lingoteras, etc.) este crecimiento se hará más velozmente en la dirección del gradiente térmico, dando lugar a granos alargados. En otras condiciones, los granos serán más o menos equiaxiales. El crecimiento se efectúa según determinados ejes cristalográficos en forma arborescente, llamados dendritos.

Crecimiento

Crecimiento

Precipitación α’ es una solución sólida sobresaturada metaestable, β es un precipitado estable o metaestable α es una solución sólida estable con la misma estructura cristalina que α’, pero con una composición más cercana a la de equilibrio. El mecanismo de formación es el de nucleación y crecimiento.

Precipitación Casos donde se presenta reacciones de precipitación en diferentes diagramas de fases

Precipitación Si un precipitado se nuclea en un límite de grano, tiende a formar una lámina continua, independientemente de la orientación cristalina. Si el precipitado penetra en los granos, lo hace obedeciendo la disciplina cristalográfica en cuanto a forma y ángulos de intersección. La precipitación que origina la estructura conocida como Widmanstätten es el resultado del crecimiento de unos núcleos formados y distribuidos al azar en el seno de los granos, o que se introducen en éstos después de nucleados en los límites.

Coprecipitación (eutéctico o eutectoide) Precipitación conjunta de dos o más constituyentes metalográficos mediante un mecanismo de nucleación y crecimiento. La estructura obtenida se llama eutéctica si proviene de un líquido o eutectoide si proviene de un sólido. Los eutécticos y eutectoides, por su microestructura sumamente fina, no poseen la facilidad de deformación plástica de los metales puros y las soluciones sólidas. En cambio son algo más duros y resistentes. Por sobre todo poseen altos valores de tenacidad.

Coprecipitación Eutéctica globular de la ledeburita Eutéctica laminar de una aleación Sn-38%Pb. Perlita laminar Esferoidita (únicamente luego de un TT)

Transformación Martensítica Se considera una aleación con dos estados alotrópicos a distintas temperaturas. Punto de partida, la aleación en equilibrio en la fase de alta temperatura (austenita). Dos caminos posibles: Enfriamiento lento: se permite una recristalización normal. Los átomos solutos tienen el tiempo suficiente para difundir y tomar la configuración de equilibrio estable correspondiente a la temperatura ambiente. La aleación habrá recristalizado, eliminándose estructuras anteriores y se encontrará en equilibrio estable. El tratamiento térmico se llama recocido. Enfriamiento brusco (temple, por ejemplo en una batea con agua), se produce la transformación cristalográfica pero no la difusión, se obtendrá como resultado la estructura cristalográfica estable a temperatura ambiente pero con una cantidad de soluto que corresponde a otra estructura. Como consecuencia, la red estará muy distorsionada y la estructura será inestable. Se produce la llamada transformación martensítica y el producto de la reacción martensita. La transformación martensítica es una transformación sin difusión.

Transformación Martensítica Martensita tipo listón de un acero con menos de 0.6%C, Martensita tipo placa de un acero con más de 1%C Los productos obtenidos de la tranformación martensítica son duros, frágiles y de gran resistencia a la abrasión. Generalmente deben recibir un tratamiento térmico adicional de calentamiento a baja temperatura (revenido) para disminuir su fragilidad.