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03 – Metalurgia física

Año 2017

17/08/2017 1

Contenido

• Metalografía

estructuras metalográficas

• Transformaciones de fase

• Procesos con difusión o sin difusión

• Nucleación y crecimiento

–

Nucleación homogénea

–

Nucleación heterogénea

–

Crecimiento

• Precipitación

–

Coprecipitación

• Transformación martensítica

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Enlace Metálico

Enlace Iónico

Conceptos Previos

22/08/2017 Metalurgia física 3

Cristalino: estado de un material sólido caracterizado por un arreglo tridimensional de átomos, iones o moléculas que se repite periódicamente en el espacio.

Estructura cristalina: para materiales cristalinos, es la forma en que los átomos o iones están dispuestos en el espacio. Se define por una celda unitaria y la disposición de átomos o iones en esa celda

Conceptos Previos

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Conceptos Previos

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Conceptos Previos

Estructura del Diamante y del Grafito

Conceptos Previos

Grano y Borde de Grano

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Aleaciones

Estructuras Metalográficas

Metalografía (o Microscopía)

Es la cienciaque estudia las características microestructurales de un metalo aleación, relacionándolas con las propiedades físicas, químicas y mecánicas.

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

Microscopio Electrónico De Barrido

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ESTRUCTURAS

METALOGRAFICAS

Granos equiaxiales de solución sólida; ferrita y eutectoide laminar: perlita. Estructura de acero SAE 1045en estado de recocido. Estructura en bandas, los constituyentes se disponen en hileras.

Estructura de Widmanstätten. Solución sólida blanca acicular y eutectoide fino. Acero SAE 1045

hipernormalizado. Ferrita acicular y perlita fina. Grano grande.

Estructura de granos reticulares de solución sólida blanca y eutectoide laminar fino. Acero SAE 1045

normalizado. Ferrita reticular y perlita fina no resuelta

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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

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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

22/08/2017 Metalurgia física

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.

Transformaciones de Fases

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.

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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 ∆G= ∆H – T ∆S < 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 sólida.

•Cada núcleo tiene una geometría esférica y un radio r.

r

Area = 4

p

r

2

Volumen = 4/3

p

r

3

Sólido

Líquido

r

Area = 4

p

r

2

Volumen = 4/3

p

r

3

Sólido

Líquido

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Contribuciones al cambio de energía libre total asociada a la transformación de fase:

La energía libre de volumen ∆G_V.

Es la diferencia de energía libre entre las fases sólido y líquido. Su valor seránegativosi la temperatura está por debajo de la temperatura de solidificación de equilibrio. La magnitud de su contribución es el producto de ∆G_Vpor el volumen del núcleo esférico (4/3 πr3_).

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 γpor el área superficial del núcleo esférico (4 πr2_).

r

Area = 4πr2 Volumen = 4/3 πr3

Sólido Líquido

γ

r

4π

∆G

r

π

3

4 ∆G

V 2

3

+

=

Nucleación Homogénea

r

Area = 4πr2 Volumen = 4/3 πr3

Sólido Líquido

γ

r

4π

∆G

r

π

3

4 ∆G

V 2

3

+

=

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

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Puede demostrarse que tanto ∆G* 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 nucleación, la heterogénea.

Nucleación Homogénea

Nucleación Heterogénea

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.

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: γ_SL, γ_SI,γ_IL.

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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(punto de fusión de más de 2000 °C) finamente divididas. Estas partículas actúan luego durante la solidificación como agentes nucleadores.

Nucleación Heterogénea

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 dendritas.

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Crecimiento

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Precipitación

α’ es una solución sólida sobresaturada metaestable,

βes un precipitado estable o metaestable

αes 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.

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

Precipitación

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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 Widmanstättenes 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.

Precipitación

Coprecipitación

(eutéctico o eutectoide)

Coprecipitación:

Precipitación conjunta de dos o más constituyentes metalográficos mediante un mecanismo de nucleación y crecimiento.

La estructura obtenida se llama eutécticasi proviene de un líquido o eutectoidesi proviene de un sólido. Estas transformación son reversibles. La transformación se da isotérmicamente.

Los eutécticos y eutectoides, 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.

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Eutéctica globular de la ledeburita Eutéctica laminar de una aleación Sn-38%Pb.

Perlita laminar Esferoidita (únicamente luego de un TT)

Coprecipitación

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 llamadatransformación martensíticay el producto de la reacción martensita.

La transformación martensítica es una transformación sin difusión.

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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.

Transformación Martensítica

Preguntas

1. ¿Cuántas estructuras cristalinas existen?

a. 7

b. 14

c. muchas

2. ¿Qué es una transformación de fase?

3. Describa el proceso de realización de una metalografía.

4. ¿Cuáles son los tipos de transformaciones de fase que existen? 5. ¿Qué diferencia hay entre un embrión y un núcleo?

6. ¿De qué factores depende un proceso de difusión? 7. ¿Cuándo se considera un proceso de transformación sin

difusión?

8. ¿Qué se entiende por precipitación?

9. ¿Qué diferencia hay entre una transformación eutéctica y una eutectoide?

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Preguntas

10. ¿Qué diferencia hay entre nucleación homogénea y nucleación heterogénea?

11. En un proceso de nucleación, ¿qué se entiende por subenfriamiento?

12. Describa un ejemplo práctico de nucleación heterogénea. 13. ¿Qué esperaría que sea más dúctil una microestructura de

solución sólida o una estructura eutéctica?

14. ¿Qué características tienen los productos de una transformación martensítica?

15. ¿Qué es una dendrita?

Preguntas

16. ¿Qué tipo de tratamiento térmico suele recibir la martensita para reducir su fragilidad?

1. revenido 2. temple 3. quenching 4. recocido

17. ¿Qué tipo de transformación son aquellas donde el movimiento de los átomos es de corto alcance?

1. difusionales 2. coprecipitación 3. eutectoide 4. martensítica

5. ninguna de las anteriores es correcta

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Preguntas

18. ¿Con qué tipo de mecanismo de solidificación está relacionado el concepto de subenfriamiento?

1. nucleación homogénea 2. nucleación heterogénea 3. transformación martensítica 4. crecimiento epitaxial

19. ¿Cuál de las siguientes transformaciones se da sin nucleación ni crecimiento?

1. difusionales 2. coprecipitación 3. Líquido a sólido 4. martensítica 5. eutectoide

Preguntas

20. ¿Cuál de los siguientes no puede determinarse con un ensayo metalográfico?

1. tamaño y forma de fases 2. composición química 3. tamaño de grano

4. forma de compuestos intersticiales 5. presencia de compuestos intermetálicos

21. Ordene según la secuencia del ensayo, las siguientes etapas del ensayo metalográfico

1. desbaste 2. observación 3. pulido

4. corte y obtención de la muestra 5. inclusión

6. ataque con reactivo