Transformaciones en estado sólido

Presentación del tema: "Transformaciones en estado sólido"— Transcripción de la presentación:

1 Transformaciones en estado sólido
Profesor Dr Ing Ernesto Gustavo Maffia

2 Unidad temática VII Transformaciones con difusión.
Solución y precipitación. Interfaces coherentes e incoherentes. Cristalografía. Transformación orden - desorden.

3 Introducción LA NATURALEZA DE LOS CAMBIOS DE FASE EN ESTADO SÓLIDO Las características de nucleación y crecimiento de las transformaciones en estado sólido dependen: «de la estructura atómica en los límites de interfases sólido-sólido»

4 Introducción Los cambios de fases sólido-sólido no son directos como sus transformaciones análogas líquido-sólido porque las fases (madre y producto) son cristalinas Entonces debe considerarse la naturaleza cristalográfica de ambas fases en la interfase.

5 Algunas características de las transformaciones sólido-sólido……..

6 Introducción El 1ra caracteristica y la mas importante es la relación cristalográfica entre las fases madres y productos. Si existe una relación de orientación entonces es probable que el plano de la interfase sea cristalográfico con respecto a ambas fases y se produzca un cierto grado de ajuste atómico Ejemplo: si la interfase mantiene su carácter cristalográfico durante el crecimiento, esto conduce a un tipo facetado de crecimiento y morfología. Como ejemplo citamos al crecimiento del compuesto Ag2Al desde una solución sólida Al-Ag.

7 Introducción Por otro lado, si no está presente una relación de orientación entre las fases madre y producto, no seria posible el desarrollo de interfases cristalográficas Entonces, la transformación procedería en un plano de hábito no facetado. Tal caso es ilustrado en la figura 2, para el crecimiento del Fe  desde Fe  en un acero con 0,3 % de C. Figura 2: Crecimiento de Fe , o ferrita, en los límites de granos de Fe , o austenita, induciendo un red de límites de Fe , en la cual los límites de interfase  -  son incoherentes..

8 Introducción 2da caracteristica a considerar en el cambio de fases en estado sólido se da cuando el desarrollo de una relación de orientación proviene de una deformación por corte (macro o microscópica) de una red dentro de la otra. Respuesta: los procesos de corte tienen una gran importancia, por ejemplo en la formación de martensita y bainita

9 Introducción La 3ra caracteristica es la posible partición del soluto entre las fases madre y producto. Respuesta: si el transporte de soluto es una parte necesaria de la transformación en estado sólido, entonces la difusión del soluto a través de la red de la fase madre o a lo largo del límite de la interfase podría ser el factor controlante en la transformación, y uno podría esperar solamente transformaciones con menos corte bajo estas condiciones.

10 ¿Cuál es la mayor diferencia entre las transformaciones S-L y S-S?
Factores cineticos y termodinamicos

11 Introducción Una situación que aumenta la lentitud de las transformaciones sólidas se debe al hecho que se producen fases metaestables transitorias en lugar de fases de equilibrio. Esta situación surge porque el sistema tiende a perder una dada cantidad de energía libre (fuerza impulsora de la transformación) para producir una reacción de producto estable Así, muchas transformaciones sólido-sólido pasan a través de algunos estados intermedios distintos, antes de alcanzar su estado de equilibrio. Esta secuencia de eventos maximiza la velocidad de decrecimiento de la energía libre del sistema.

12 Introducción puede variarse la magnitud del cambio de energía libre de una transformación en estado sólido permitiendo que la transformación ocurra a diferentes temperaturas. Que se logra?? diferentes productos de transformación, los cuales dependerán de la temperatura empleada .

13 comportamiento de los aceros de composición eutectoide.
Introducción comportamiento de los aceros de composición eutectoide. Cuando la transformación ocurre dentro de los 100 ºC de la temperatura de equilibrio eutéctoide (727 ºC), se genera una morfología laminar de dos fases. Esta es llamada perlita y consiste de ferrita y cementita, Fe3C metaestable. La transformación perlítica es de difusión, no de corte, y es similar a las transformaciones eutécticas metal-metal. Entre ºC una reacción de productos llamada bainita es obtenida por un proceso que involucra difusión de largo alcance y transformación de corte. La bainita, al igual que la perlita, también consiste de dos fases ferrita y cementita. Por debajo de los 250ºC una fase metaestable, tetragonal de cuerpo centrado, denominada martensita es producida por una transformación de corte. NOTA: ya que se obtienen diferentes productos desde una aleación de composición eutectoide, el término ”transformación eutectoide” solo se utiliza cuando se refiere a la reacción de productos laminares.

14 Hay muchas diferencias entre las transformaciones S-L y S-S
Introducción COMENTARIOS FINALES Hay muchas diferencias entre las transformaciones S-L y S-S Pero, lo importante no es el tipo de reacción (eutéctoide, peritéctoide, etc.) sino el mecanismo de reacción (difusión, corte, civil, militar, etc.).

15 COMENTARIOS FINALES A seguir,…….. se examinarán como la relación cristalográfica, relación de orientación, difusión del soluto, influyen en la nucleación y crecimiento de precipitados en una matriz solida luego se considerara como la velocidad y el mecanismo de migración de la interfase es influenciado por diferentes tipos de estructuras de la interfase sólido-sólido.

16 NUCLEACIÓN EN ESTADO SÓLIDO

17 NUCLEACIÓN EN ESTADO SÓLIDO
Cuando un elemento puro es enfriado a través de la temperatura de transformación alotrópica Ó cuando una aleación es enfriada a través de un rango de temperaturas donde se produce una transformación de fase sólida de acuerdo con el diagrama de equilibrio, La fase de baja temperatura debe primero nuclear dentro de la matriz antes que pueda desarrollarse la transformación.

18 G (líquido-sólido) = A. Gv + B. SL
El formalismo matemático para la nucleación de una fase sólida dentro de otra es similar al utilizado para la transformación líquido-sólido G (líquido-sólido) = A. Gv + B. SL En las transformaciones sólido-sólido la diferencia de volumen específico entre la matriz y el precipitado introduce un término extra de energía, energía de deformación, , a causa de que el cambio de volumen de la transformación no puede ser fácilmente acomodado por la matriz debido a su rigidez.:

19 El término de energía de deformación,  , se adiciona como una contribución positiva al cambio de energía libre, por lo tanto, incrementa la barrera de activación para la nucleación. Además, los tres términos de la derecha de la ecuación [] son dependientes de la composición. Las características de los procesos de nucleación sólido-sólido, por ende, varían ampliamente dependiendo en particular de la composición, estructura cristalina y constantes elásticas de la matriz y precipitado en cuestión. [3]

20 Nucleación homogénea y heterogénea
La nucleación homogénea toma lugar dentro de una red perfecta e independientemente de defecto. La nucleación heterogénea, ocurre en los defectos del cristal dentro de la fase madre y a causa de esto, la distribución de los precipitados es controlada por la estructura de defecto de la matriz. NOTA: La nucleación homogénea es la menos probable de las nucleaciones puesto que ella requiere una mayor energía de activación que sobrepasa la barrera de energía para la nucleación heterogénea.

21 Nucleación homogénea: Coherente, semi-coherente e incoherente
Considerando algunos efectos de las propiedades químicas y físicas de cualquier sistema dado sobre los tres términos de la ecuación [3] encontraremos que: a)composición, b)estructura cristalina, c)constante elásticas de las dos fases ……….afectan la morfología del precipitado………

22 Nucleación homogénea El 1er factor a estudiar es la naturaleza de la interfase entre matriz y precipitado a) Si ambas fases son de similar estructura cristalina hay una posibilidad obvia que el precipitado nuclee sobre ciertos planos cristalográficos y a los largo de ciertas direcciones cristalográficas específicas, permitiendo interfases a través de las cuales el ajuste de la red es perfecto. b) Si las estructuras cristalinas son completamente diferentes, no será posible un buen ajuste de la red entre ellos. NOTA: Estos dos casos ilustran los extremos límites en posibilidades de estructuras de interfases, los términos coherente e incoherente son usados, respectivamente, para describirlas.

23 Nucleación homogénea Cuando solo una cantidad limitada de ajuste de la red es posible y la interfase precipitado/matriz comprende regiones con buen ajuste entremezcladas con regiones de pobre ajuste, la interfase es descripta como semicoherente. Interfase coherente

24 Nucleación homogénea Asociado con cada tipo de estructura interfacial (coherente, semi-coherente e incoherente), el límite interfacial tiene una energía característica Las superficies sólido-sólido pueden exhibir una marcada anisotropía de energía de superficie, debido al hecho que el ajuste cristalográfico de ambas redes puede ocurrir en ciertas orientaciones relativas. Interfases que presentan un buen ajuste entre ambas redes (COHERENCIA) tienen baja energía, mientras que interfases con pobre ajuste tienen alta energía. Como consecuencia de esto la barrera de energía para la nucleación coherente es menor

25 Nucleación homogénea El 2do factor a considerar es el término de la energía de deformación de la ecuación: Cuando dos fases están situadas tal que la interfase entre ellas comprende planos de bajo índices de cada una y al menos una dirección principal de cada una es paralela, el desajuste entre ambas fases puede se expresado en términos del parámetro de desajuste, . Si la dimensión de un cristal unitario de la fase precipitada es b0 y la dimensión equivalente de la matriz es b0 + b el desajuste es dado por:

26 Nucleación homogénea La barrera de energía para la nucleación debido al parámetro de desajuste « » En cualquier sistema, se llega a un compromiso entre dos términos de energía y este depende del módulo elástico de las dos fases.

27 Nucleación homogénea Diferentes tipos de disposiciones atomicas en interfases para diferentes valores del parametro de desajuste, « » .

28 precipitados coherentes…..
Nucleación homogénea precipitados coherentes….. Debido a la anisotropía de las constantes elásticas de la matriz, la energía de deformación asociadas con precipitados coherentes se reduce si la precipitación ocurre sobre planos normales a las direcciones elásticamente mas blandas de la matriz. Por lo tanto, precipitados coherentes asociados con los campos de energía de deformación tienden a formar partículas en forma de placas sobre los planos 100 en las redes fcc y bcc PORQUE??? porque sus módulos elásticos son mínimos a los largo de las direcciones 100 . La figura siguiente muestra precipitados en forma de

29 Nucleación homogénea Figura 9: Micrografía de una lámina delgada mostrando los precipitados coherentes  en forma de placas en una matriz de aluminio (80.000x).

30 Para precipitados incoherentes…..
Nucleación homogénea Para precipitados incoherentes….. la deformación de dilatación en la interfase por el ajuste de a red es cero, y solo hay deformaciones elásticas s surgidas de la diferencia de volumen específico entre la matriz y precipitado. El espacio en la matriz dentro del cual las partículas podrá, ser demasiado grande o demasiado pequeño, para éstas y por lo tanto, ambas fases se deformarán para acomodarse una a la otra: La energía de deformación se vuelve dependiente de la forma

31 Nucleación homogénea Se podría demostrar que para un núcleo incompresible de forma de elipsoide achatado teniendo como ejes a y b el factor de forma f (a/b) varía con la excentricidad de la partícula en la manera gráficamente mostrada en la figura 10. Por lo tanto, habrá un máximo en la energía de deformación cuando las partículas precipitadas sea esféricas…..

32 Nucleación homogénea La figura 11 muestra partículas esféricas, de Sílice amorfa, precipitadas en una aleación de Cu-Si, internamente oxidada, ilustrando que en este caso al menos el término energía de superficie será predominante en el control de la forma de la partícula. Figura 11: Micrografía de una lámina delgada mostrando los precipitados esféricos de sílice amorfa en una matriz de cobre (80.000x).

33 Nucleación homogénea El 3er término a considerar en la formula de la energía libre de nucleación, es el término energía libre de volumen GV. En un sistema multicomponente GV es dependiente de la composición (y la temperatura) con respecto a la concentración de soluto en la matriz y la composición de las partículas precipitadas, nucleadas desde la solución sólida. Para una transformación alotrópica GV es simplemente dependiente de la temperatura y representa la diferencia de energía libre de volumen entre la forma alotrópica de baja y alta temperatura a la temperatura de transformación.

34 Barrera de energía de nucleación como función del sobreenfriamiento .
Nucleación homogénea Barrera de energía de nucleación como función del sobreenfriamiento . La barrera de energía de nucleación para un dado tamaño de núcleo es mostrado, en la figura 12, como función del sobreenfriamiento de la temperatura de equilibrio de la transformación.

35 Nucleación (sólido-sólido) heterogénea
Nucleación heterogénea Nucleación (sólido-sólido) heterogénea Los defectos cristalinos en la matriz pueden actuar como centros para la nucleación heterogénea. Por ejemplo: Cluster o agrupamiento de vacancias. Dislocaciones. Límites de granos y límites de interfases. Superficie libre del sólido.

36 Estos defectos también son llamados catalizadores de nucleación.
Nucleación heterogénea Estos defectos también son llamados catalizadores de nucleación. La razón por qué los defectos cristalinos ayudan a la nucleación es porque ellos tienen cierta energía asociada, cuando los defectos son total o parcialmente destruidos durante el evento de nucleación, se elimina la energia de defecto. Esta situación disminuye la energía total necesaria para sobrepasar la barrera de energía para la nucleación. Entonces se puede escribir la formulación de la energía libre para la nucleación heterogénea como:

37 Cluster (ó racimos) de vacancias
Nucleación heterogénea Cluster (ó racimos) de vacancias Pueden actuar como centros de nucleación heterogéneos. Este tipo de nucleación ocurre en aleaciones que enduren por precipitación, templadas desde alta temperaturas y precipitadas o envejecidas a bajas temperaturas. COMO SE LOGRA EL ENDURECIMIENTO POR PPCION??: el enfriamiento rápido (temple) retiene un exceso de vacancias en la red y estas, posteriormente, ayudan tanto a la difusión del soluto hacia el núcleo precipitado como al evento propio de nucleación. NOTA: vacancias simple y pequeños cluster de vacancias no son observables en microscopio electrónico,

38 Nucleación heterogénea
Por ejemplo, ahora se expone una de las formas de evidenciar que las vacancias asisten a la nucleación heterogénea El exceso de vacancias retenidas en la red después del temple son aniquilados en los límites de grano (habiendo simultáneamente una baja de soluto en la matriz en la zona vecina al límite de grano), Por lo tanto, se observa ( en sistemas que endurecen por precipitación y en la vecindad de los limites de grano) una zona libre de precipitados La nucleación (asistida por las vacancias) produce una copiosa distribución de partículas precipitas por toda la fases matriz. NOTA; Este tipo de precipitación ha sido llamado precipitación continua porque la matriz pierde soluto continua y uniformemente en todo su volumen (excepto, por supuesto, en la zona de los límites).

39 Nucleación en líneas de dislocaciones
Nucleación heterogénea Nucleación en líneas de dislocaciones Actúan como centro de catálisis para la nucleación heterogénea b a Ejemplos de nucleación sobre dislocaciones. (a) Partículas de Ag precipitadas a lo largo de líneas de dislocación en bromuro de plata (1.000x). (b) Precipitación sobre dislocaciones helicoidales en una aleación de Al con 2,7 % de Cu y 1,36 % de Mg (14.000x).

40 Nucleación en límite de grano
Nucleación heterogénea Nucleación en límite de grano es un evento común en sistemas metalúrgicos a causa de la alta energía de los límites de grano de ángulo alto; la energía de los límites de grano es removida cuando la precipitación ocurre allí. La figura (a) muestra este efecto esquemáticamente, mientras que la figura (b) muestra la precipitación de sílice amorfa en una aleación de Cu-Si internamente oxidada. Las partículas de SiO2 han sido nucleadas heterogéneamente sobre los límites, proceso durante el cual la energía del límite de grano ha sido proporcionada como una contribución negativa al cambio total de energía de la precipitación. Nótese que la forma lenticular del precipitado es debido al equilibrio de tensiones entre el límite de grano y el límite de interfases

41 Nucleación heterogénea
Posibilidad de tener coherencia entre la partícula de precipitado y la matriz El límite de grano de alto ángulo no puede tener elementos de simetría con respecto a ambos granos simultáneamente Entonces, si un núcleo forma una interfase coherente (o semicoherente), no puede, excepto por mera casualidad, tener una interfase coherente con el otro grano. Esta característica es mostrada esquemáticamente en la figura: el lado coherente de núcleo permanecera plano para minimizar su energía de deformación, y el lado opuesto tendería a forma esférica para minimizar su energía de superficie (si el límite fuera incoherente) Limite incoherente Limite coherente

42 Nucleación heterogénea
Ademas……el lado coherente de núcleo permanecería plano para minimizar su energía de deformación, y el lado opuesto tendería a una forma poliedral si el límite fuera semicoherente, para minimizar su energía de superficie

43 Nucleación heterogénea
ejemplosnucleación con interfases coherentes/semicoherente y semicoherente/incoherente son mostrados en la figura (a) precipitación coherente/semicoherente (de ferrita desde austenita en una aleación de hierro con 20% at. de Co) (b) ejemplo de nucleación en un vértice de grano de una aleación de Cu hipoeutectoide, -, el precipitado es coherente con un grano pero no con los otros dos.

44 Velocidad de Nucleación: curvas «C»
La velocidad de nucleación de precipitado de partículas sólidas desde una aleación saturada es función de 2 factores: G*, energía libre de formación de un núcleo de tamaño crítico, y D, coeficiente de difusión del soluto en la matriz. CONCLUSION: la velocidad de nucleación depende de la fuerza impulsora termodinámica detrás del evento de nucleación y también de la velocidad a la cual los átomos de soluto se juntan para alcanzar el núcleo de tamaño estable.

45 Ambos factores, termodinámico (G) y cinético (D), son funciones dependiente de la temperatura:
G* depende de la sobresaturación, la cual está directamente relacionada a la temperatura; y la difusión, el cual es un proceso térmicamente activado, cada sistema posee una característica de energía de activación para la difusión, Q.

46 Se analiza un argumento simple (cualitativo )para indicar que la velocidad de nucleación varía con la temperatura Se puede demostrar empleando mecánica estadística que el número n(i) de agrupamientos consistente de i átomos en un sistema conteniendo un total de N átomos es dado por: donde, Gi es la energía libre para la formación de un agrupamiento conteniendo i átomos Considerando la aleación binaria de composición C0 de la figura. A la temperatura T0, temperatura de equilibrio de la línea de solvus a C0, el cambio crítico de energía libre para la nucleación G* es infinito y por lo tanto la probabilidad de encontrar un núcleo de la fases  de tamaño finito i es cero. El valor de G* decrece progresivamente desde su valor infinito a la temperatura de equilibrio de solvus a prácticamente cero a muy bajas temperaturas. por consiguiente, siempre existe la posibilidad finita de encontrar un agrupamiento de tamaño crítico en la aleación a cualquier temperatura por debajo de T0.

47 Desde el punto de vista termodinámico
la frecuencia de formación de un agrupamiento aumentara con la disminución de la temperatura en la manera dada por la ecuación (5) (se muestra esquemáticamente en la figura por la curva designada por n(i)).

48 La velocidad de nucleación, I, es determinada por la velocidad a la cual embriones de tamaño crítico comienzan a ser núcleos viables, esto es, la velocidad a la cual los embriones crecen desde un tamaño i* a i*+1. Esto es dado por la ecuación (5) multiplicada simplemente por la frecuencia de arribo y suma de (i*+1) veces átomos de soluto a partículas de embriones. Este factor cinético es obviamente controlado por la velocidad de difusión del soluto, D, en la matriz. La dependencia de D con la temperatura es conocida y de la forma:

49 La velocidad de nucleación a cualquier temperatura es dada por el producto de los términos termodinámicos y cinéticos: El valor de I como una función de T es mostrado en la figura (a): a muy bajas temperaturas la velocidad de nucleación es baja a causa que la velocidad de difusión es lenta, esto es, la reacción es controlada cinéticamente. (b): a altas temperaturas la velocidad de nucleación es baja a causa del alto valor de G*, esto es, la reacción es termodinámicamente controlada. (c): a temperaturas intermedias, la velocidad de nucleación llega al máximo

50 En la práctica no se usa el valor de I directamente, sino su inversa, esto es mucho mas conveniente para medir y registrar el tiempo requerido a cualquier temperatura para formar un núcleo estable. La forma de la curva de nucleación luego obtenida es la curva C mostrada en la figura , la cual es del tipo de las curvas características de nucleación y crecimiento de todas las transformaciones en estado sólido de difusión. NOTA: cuando se combina información de velocidad de migración de la interface con información de nucleación, puede establecerse la tasa de transformación como función de la temperatura Esto conduce al concepto de curvas Temperatura-Tiempo-Transformación (TTT).

51 Que tipo de productos generan las transformaciones en estado sólido?
Muchos de los productos de las transformaciones en estado solido, son metastables . La fase metastable puede sufrir una segunda transformación para aliviar la sobresaturación. Esta última (la fase metaestable) muy a menudo, es, simplemente una REACCION DE PRECIPITACION En la práctica metalúrgica, la mayoría de las transformaciones en estado sólido ocurren durante el enfriamiento continuo de la aleación y sobre un amplio rango de temperaturas. En esas condiciones, se desarrollan diferentes mecanismos de crecimiento diferentes con una gran variedad de productos. NOTA: el enfriamiento continuo genera estos problemas, por lo tanto, la información relacionada a la naturaleza fundamental de las transformaciones en estado sólido proviene de los estudios sobre transformaciones isotérmicas.

52 Como es la asecuencia de crecimiento de una fase a partir de una solucion sólida?
Nuestro interés son las microestructuras que aparecen cuando se enfría una fase de alta temperatura, como lo es , y cae dentro del campo  Por lo tanto, se analizan las características de la nucleación de la nueva fase.

53 Nucleación múltiple en límite de granos
Consideraciones iniciales: debemos enfocar nuestra atención en el ejemplo mostrado en el diagrama anterior y en particular el enfriamiento de una aleación de composición Co, atravesando la región bifásica . La precipitación será heterogénea y la nucleación se desarrollará en los clusters de vacancias, en las líneas de dislocaciones y en los límites de grano. Asumamos por un momento que las zonas G.P. y las fases metaestable no se producen, entonces, el curso más probable de la precipitación será la nucleación y crecimiento de la fase  a partir de los límites de grano de la fase .

54 los núcleos en los límites de grano, frecuentemente, tienen una interfaz semicoherente y la otra incoherente, como se muestra en el esquema de la Fig 7.2 (a). incoherente Semi coherente Podrán surgir formas de precipitados muy diferentes en los granos, (a cada lado del precipitado) por causa de las diferentes estructuras interfaciales y mecanismos de crecimiento.

55 Dirección del crecimiento
Que sucede con el modo de crecimiento cuando estamos en una situacion de baja sobresaturación ? A temperaturas apenas por debajo de la línea solvus, los precipitados serán como los mostrados en la Fig.7.2 (b). En esta situación, la interfase semicoherente es estática mientras que la interfase incoherente es móvil y puede migrar normal a sí misma Dirección del crecimiento incoherente

56 alta sobresaturación se producen formas como las mostradas en la Fig 7.2 (c). En este caso, la interfase incoherente ha migrado normalmente a sí misma como en el caso anterior y el lado semicoherente del precipitado se desarrolla con forma de aguja o placa, manteniendo su relación de orientación con respecto a los granos de la matriz y continúa ligado a interfases semicoherentes. A veces, los núcleos en un límite grano pueden desarrollarse como agujas o placas hacia ambos lados, como se muestra en la Fig.7.2 (d) indicando que el precipitado tiene algún grano de coherencia con respecto a los dos granos. Semi coherente

57 Finalmente……. Se presenta la secuencia completa de la nucleación y crecimiento de precipitados en borde de grano. Los eventos de nucleación, generalmente ocurren con la producción de una interfase semicoherente y en el lado opuesto del núcleo otra interfase no-coherente. el crecimiento con una baja sobresaturación favorece la propagación de interfaces incoherentes. el crecimiento con alta sobresaturación favorece la migración de interfaces semicoherentes si se satisfacen ciertas condiciones cristalográficas, podrían desarrollarse interfaces semicoherentes en ambos lados del precipitado.

58 Que sucede cuando hay múltiples eventos de crecimiento en el limite de grano?
En general, muchos eventos de nucleación individuales tienen lugar simultáneamente a lo largo de cualquier límite de grano, siendo cada núcleo en esos límites semicoherente con respecto a un grano e incoherente con respecto al lado opuesto. Nunca mostrarán todas las interfases semicoherentes con el mismo grano En general, la mitad de los núcleos serán semicoherentes con respecto a un grano y la mitad será semicoherente con el otro grano. Este efecto se muestra en la Fig 7.3 (a).

59 incoherente A bajo grado de saturación, crecerá el lado incoherente del núcleo, mientras que el lado semicoherente permanece inmóvil. Se generan filamentos continuos de fase  en el límite de grano, y donde la interfase  es totalmente incoherente

60 A alto grado de sobresaturación, crecerán interfases semicoherentes y la morfología de este crecimiento se muestra en la Fig 7.3(c).

61 Ejemplo de un proceso de nucleación en estado sólido
Es frecuentemente encontrar que el proceso de descomposición de una solución sólida sobresaturada depende de la temperatura a cual toma lugar la precipitación diferentes tipos de eventos de nucleación ocurren en rangos de temperaturas, dependiendo de los valores relativos de los cuatro términos de energía GV, , , y GD. La nucleación de una segunda fase pasa a través de estados intermedios antes de alcanzar el precipitado de equilibrio. Y el desarrollo de estas fases intermedias es cinética y energéticamente más favorable que la precipitación inmediata de la fase de equilibrio

62 Fenómeno de endurecimiento por precipitación
Enunciado: se estudiara la precipitación a baja temperatura de una aleación de Al-Cu. La parte rica en Al de diagrama de equilibrio es mostrada en la figura y serán considerados cuatro estados de precipitación a 130ºC en una aleación de composición Al-4 % de Cu.

63 El primer estado de precipitación involucra el agrupamiento de átomos de Cu en forma de placa a lo largo de los planos {100} de la matriz. Estos son llamados zonas de Guinier-Preston, o zonas G.P1, las cuales tienen la forma de discos circulares con un espesor de dos átomos y un diámetro de unos treinta átomos. Ellos son coherentes con la matriz. La figura siguiente (a) muestra las zonas G.P. a lo largo de un juego de planos {100} Al ser coherentes con la matriz, solo necesitan un mínimo de energía para formar la interfase

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65 (2) El próximo estado en la secuencia de precipitación es que las zonas G.P2. transforman in situ a , las cuales son mas grandes que las zonas G.P., teniendo un diámetro de alrededor de 1500Å y un espesor próximo a los 150 Å. La figura (b) muestra la estructura de este estado. Los precipitados  tienen una estructura cristalina tetragonal y una composición aproximada de Al2Cu. Es coherente a través del diámetro e incoherente a lo largo del espesor Existen deformaciones de corte radiales ( donde existe coherencia) y compresión a través del espesor( donde no hay coherencia)

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67 (3) Después de un largo tiempo de envejecido , se transforma , fase que tiene la misma composición pero una estructura cristalina mas ordenada que . La fase  es semicoherente con la matriz de Al. La figura (c) muestra la interfase de dislocaciones en los precipitados . Debido a su gran tamaño ,la densidad de precipitados en la matriz decrece a causa de la necesaria resolución de algunos precipitados de fase  para alimentar con soluto a los precipitados .

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69 (4) El cuarto y final estado de los eventos de precipitación es la formación de la fase estable Al2Cu (fase ) la cual tiene una estructura cristalina tetragonal y es incoherente (o vagamente semicoherente) con la matriz de Al. Se forman por medio de una expansión de la celda  en las direcciones radiales de las zonas GP2 y una contracción en la dirección del espesor La resistencia de la estructura  es mayor que la de la matriz, entonces, cuando la aleación se sobre-envejece las partículas  dispersas originan un leve endurecimiento de la matriz. Pero si estas partículas crecen, entonces, la cantidad de obstáculos al movimiento de las dislocaciones disminuye y puede llegarse al extremo que la dureza de la aleación sobre-envejecida sea menor que la de la aleación sobre-saturada

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76 Como se observa el fenomeno de Endurecimiento por dispersión a nivel de las particulas?
se produce endurecimiento cuando se logra que nucleen partículas extremadamente pequeñas y dispersas por toda la matriz. Además, la distancia entre ellas debe ser escasa Cuando una dislocación se encuentra ( en su movimiento) con una partícula, esta debe cortarla o rodearla o arquearse a su alrededor, como se muestra esquemáticamente en la figura. 9.1.

77 Dislocación y resistencia
El esfuerzo local, , necesario para distribuir las dislocaciones alrededor de una partícula, es, de un modo general, igual al esfuerzo necesario para rodear una dislocación dentro de un semicírculo de radio l/2. Este esfuerzo se obtiene de la ecuacion: =2.T/B.l Como T lineal de una dislocación=G.B2 Entonces, =G.B/l

78 Que debe suceder ( en cuanto a la distribución y tipo de partículas) para un endurecimiento eficaz ?(fig. 9.2): la matriz debe ser suave y dúctil, mientras que las partículas deben ser duras y discontinuas. Una matriz dúctil resiste mejor la propagación de una grieta catastrófica. Cuando las partículas son numerosas y pequeñas, son más eficaces en interferir con movimiento de la dislocación. Lo opuesto sucede cuando las partículas son más grandes y están más ampliamente separadas. Preferiblemente, las partículas deben ser esféricas en lugar de tipo agujas para evitar efectos de concentración de esfuerzos. Por último, cuanto mayor es la cantidad de partículas, mayor será el endurecimiento.

79 Las partículas se clasifican generalmente como deformables o no deformables, lo que significa que la dislocación es capaz de cortar a través de ellas (si son deformables) o la partícula es tan fuerte que la dislocación no puede cortar a través (no deformable). Para un eficaz endurecimiento por partículas (fig. 9.2),

80 Teoría del endurecimiento por precipitación
El endurecimiento por precipitación también se conoce como endurecimiento por envejecimiento o envejecido (aging). Esto es para indicar el aumento de resistencia en función del tiempo. A veces, el termino endurecimiento por envejecimiento se utiliza para denotar las aleaciones que endurecen o envejecen a temperatura ambiente, mientras que el término endurecimiento por precipitación se utiliza para denotar aleaciones que deben calentarse a valores por encima de la temperatura ambiente, para que el endurecimiento ocurra a una velocidad apreciable. Sin embargo, en ambos casos, el mecanismo de endurecimiento es la precipitación de partículas extremadamente finas, que impide el movimiento de dislocación.

81 efectos de las diferentes temperaturas de envejecimiento
Porción de un diagrama de fases para un sistema de aleación que tiene las características requeridas para el endurecimiento por precipitación Debe ser observado que el metal disolvente en el borde izquierdo del diagrama puede absorber mucho más soluto a elevado temperatura de lo que puede a temperatura ambiente Cuando la aleación se calienta a la temperatura de solubilizado y se mantiene durante un tiempo suficiente, el metal disolvente absorbe parte del soluto. Entonces, cuando se enfría rápidamente a temperatura ambiente, los átomos del soluto están atrapados, formando una solución sólida sobresaturada en el metal disolvente. El recalentamiento a una temperatura intermedia de envejecimiento, precipita desde la solución sobresaturada partículas muy finas que actúan como barreras al movimiento de las dislocaciones.

82 A que temperatura debe envejecerse una aleación?
Si el metal se envejece a una temperatura demasiado baja (T1), el proceso de precipitación será incompleto, y la resistencia deseada no será lograda , una condición conocida como bajo-envejecido (under_aging). Por otro lado, el envejecimiento a una temperatura demasiado alta (T4) también se traduce en una resistencia menor a lo deseado. Esto es asi porque las partículas de precipitado se engrosan y el aleación, se dice que está sobre-envejecida (over_aging). Los tratamientos térmicos comerciales están más cerca de T2 y T3, en los que se puede obtener la resistencia óptima en un tiempo razonable de envejecimiento.

83 Relación entre redes de ppdo-matriz
si hay correspondencia atómica, o coherencia, entre la fase de transición y la matriz, la fase de transición va a crear un campo de deformación local dentro de la matriz. Las partículas iniciales de precipitado son a menudo no esféricas pero pueden ser en forma de placas o en forma de varillas. La combinación de un tamaño de precipitado fino con los campos de deformación localizada es una barrera eficaz para el movimiento de la dislocación. Para que el endurecimiento por precipitación sea efectivo, debe estar presente una interfaz coherente o semicoherente

84 Como actúan las redes en el movimiento de las dislocaciones?
Si se distorsiona la red por un precipitado coherente (creando un campo de deformación elástico), este efecto impide el movimiento de la dislocación, como se ilustra en la figura.

85 Como se alcanza la resistencia maxima?.
cuando la aleación es envejecida hasta el punto donde se manifiestan en simultaneo la tensión generada por el corte de las dislocaciones a través de las partículas y la tensión generada por el curvado de las dislocaciones sobre las partículas.

86 Precipitado o fase de equilibrio
La eventual formación de fases de equilibrio siempre es energéticamente favorable. Si la aleación se envejece a temperatura ambiente, el equilibrio nunca se alcanza. Sin embargo, cuando la aleación se envejece a temperatura elevada, ya sea a tiempos de envejecimiento más largo o temperaturas más altas, resulta en la formación de precipitados finales de equilibrio. Efecto de un ppdo grande en la resistencia: Ya que el precipitado de equilibrio es más grande y esta más ampliamente espaciado, no impone un campo de deformación en la matriz y no es tan eficaz en el bloqueo del movimiento las dislocaciones, entonces disminuye la resistencia.

87 La fase de equilibrio generalmente nuclea separado, desde fases de transición y compite con la fase de transición menos estable por el soluto, causando finalmente que la fase de transición se disuelva de nuevo ya que sus partículas se hacen más pequeños. A medida que crece la fracción en volumen de fase de equilibrio, los tamaños de las partículas de precipitado aumentan, su cantidad disminuye, y la distancia entre partículas aumenta, lo que permite un paso más fácil de dislocaciones. Es importante recordar que aleaciones endurecidas por precipitación son metaestables; equilibrio siempre está muy próximo!!.

88 ABLANDAMIENTO Todas las aleaciones endurecidas por precipitación se ablandan con el tiempo si se calienta a temperaturas suficientemente altas o si están expuestas a temperaturas más bajas durante largos períodos de tiempo. Dicho esto, algunas son extremadamente estables a temperaturas elevadas, tales como el precipitado Ni3(Al,Ti) en superaleaciones a base de níquel endurecibles por precipitación que se utilizan en los lugares mas calientes de los motores a reacción. En las superaleaciones a base de níquel, la red del precipitado Ni3(Al,Ti) tiene poco desajuste con la red matriz de níquel (52%), lo que produce muy bajas energías (10 a 30 MJ/m2) y proporciona resistencia a sobre-envejecimiento durante períodos prolongados en altas temperaturas