Transformaciones de Fase 1532 Teoría. Ma. Eugenia Noguez Amaya

Transformaciones de

Fase

1532

Teoría

UNIDAD 1

Introducción a las Transformaciones de Fase

PLAN OFICIAL • Panorama transformaciones-propiedades. • Alternativas de clasificación. • Movimientos atómicos civiles y militares. • Panorama difusionales-adifusionales. • Introducción a conceptos: Fuerza motriz-nucleación-crecimiento • Transformaciones en este curso COMENTARIOS • Dura 1.5 -3hrs, las primeras clases.

• En realidad es una plática.

• Se explicará la clasificación del Porter

• Se aprovecha para hablar sobre las actitudes en la vida tanto profesional como personal, metas, el entorno en el que se vive (la ciudad, el planeta) y lo que podemos hacer para el futuro.

Unidad 2

Principios de Microscopía Electrónica

PLAN OFICIAL • Introducción. Términos y características • Componentes de los Microscopios • Comparación MEB-MET- MO • Conceptos, Señales, Producción de señales • Microanálisis químico

• Muestras, Montajes y otras características

COMENTARIOS

• Lo dará la Dra. Guillermina González Mancera

• Habrá evaluación de esta clase

UNIDAD 3

Difusión

PLAN OFICIAL

• Modelo Atomístico.

• 1ª y 2ª leyes de Fick, Ecuación Arrhenius, Modelo químico: El potencial químico: fuerza

motriz, Sendas de alta difusividad, Autodifusión.

• La difusión fenomenológica:

• Leyes de Fick, Coeficiente de difusión, Sol. analítica a la 2da ley. Ejemplos y problemas.

• Difusión sustitucional (Kirkendall). • Problemas y ejemplos en polímeros y sinterizado. Comentarios • De 12 a 15 h, es la parte mas larga del curso

• Se necesita que el profesor de laboratorio desarrolle el tema en laboratorio

UNIDAD 4

Recristalización y Crecimiento

PLAN OFICIAL • Características generales. • Teoría de nucleación y crecimiento, el estado deformado, recuperación, recristalización y crecimiento, Fuerza motriz, cinética,

microestructura, control, propiedades, Ecuación Johnson-Mehl-Avrami. • Cristalización en polímeros. • Borde de grano.

• Modelos, energía y cinética de crecimiento COMENTARIOS • Dura 12 h en la parte metalúrgica y 1.5-3 h en polímeros. • El tema de polímeros es dado por los especialistas invitados.

UNIDAD 4

Transformación de austenita

PLAN OFICIAL • Alotriomorfa, widmanstätten, perlitica, bainitica, martensita: cinética, morfología y propiedades. • Transformaciones isotérmicas y de enfriamiento continuo en aceros hipo e hipereutectoides. Interpre tación de diagramas TTT y CCT. COMENTARIOS • Interfaces glisiles y no glisiles

• La duración para los demás temas es de 6 hrs.

• La experiencia del

laboratorio en este tema es especialmente

Unidad 5

Transformaciones Difusionales de Austenita

• Conceptos de cinética • Interpretacion de diagramas TTT • Transformación Ferrítica( alotriomorfa y Widmanstatten • Transformación perlítica y bainítica • Temas impartidos en seminario por alumnos

UNIDAD 6

Transformación adifusional: martensita

• PLAN OFICIAL

• Características generales. Maclas de deformación y maclas martensíticas. Cristalografia. Modelo de Bain. Martensita del Fe-C Características especificas. Cinética. Martensitas

termoelásticas y aleaciones de memoria de forma

• COMENTARIOS

• Dura 6 hrs con examen diario antes de clase.

• Este tema tiene un

enfoque informativo y los alumnos participan dando seminarios.

UNIDAD 7

Transformaciones de precipitación

submicroscópica

• PLAN OFICIAL • 5.1 El concepto de envejecimiento Aleaciones y materiales envejecibles. • Propiedades, morfología, termodinámica, cinética y control. • COMENTARIOS

• Normalmente es sólo una clase

Resumen de tiempo teoría y

laboratorio

UNIDAD Teoría [h] Laboratorio [h]

1 1.5 0 2 1.5 6 3 12 12 4 15 18 5 6 6 6 12 6 7 3 0 TOTAL 48 48

Programa oficial

•

Programa oficial en AMYD o pagina de la facultad

•

Bibliografía oficial:

•

Porter

D.A., Easterling K.E., Sherif M.Y. ―Phase

transformations in Metals and Alloys‖. CRC Press.

2009.

•

Verhoeven

, J. D., Fundamentos de Metalurgia Física.

Limusa 1987.

•

Reed-Hill

R.E. and Abbaschian R., Physical Metallurgy

Principles, PWS Pub.Co.Boston, 3th Ed. 1994.

•

Shewmon

, P.G. ―Transformations in Metals‖Mc Graw

Hill, 1969

Evaluación

•

Calificación final: 60% Teoría - 40% Laboratorio

•

Examen de teoría al final de cada Tema

•

Exposiciones y/o algunas actividades

señaladas en clase se califican y entran al

promedio

•

Se toma en cuenta para redondeo de

calificación

•

Actividades en casa (Tareas)

Objetivos Introducción

•

Entender la importancia de las transformaciones de fase

en las propiedades mecánicas de los materiales

•

Elementos de estudio en una transformación de fase

•

Ejemplo introductorio de transformación de fase (fusión)

•

Movimientos atómicos durante una transformación de

fase

•

Clasificación de las transformaciones de fase

•

Repaso diagrama Fe-C

Efecto de la composición en

fases y propiedades en Aceros

Efecto del tratamiento térmico en

las fases y propiedades en Aceros

Normalizado (ferrita + perlita)

Efecto de la composición y tratamiento térmico en las

fases y propiedades del aluminio

Elementos a estudiar en una

transformación de fase

1.

¿Porqué se da la transformación de fase, cual

es la fuerza motriz?

2.

¿Como se lleva a cabo la transformación de

fase, cual es su cinética y que factores la

afectan?

3.

¿Como logro llevar a cabo la transformación de

fase y en que materiales se puede realizar?

4.

¿Cómo se ve modificado el material; su

La fuerza motriz

• La fuerza motriz para llevar a cabo una transformación de fase es la Energía Libre de Gibbs

Ejemplo de transformación:

Fusión de un metal puro

• En la solidificación de un metal puro el cambio en la energía libre de Gibbs depende solo de la temperatura

• ∆𝐺 = ∆𝐻 − 𝑇∆𝑆

Ejemplo de transformación:

Fusión de un metal puro

• Se tiene Al solido (Temperatura de fusión 660 °C) en un crisol y se introduce a una mufla que se encuentra a 700 °C. La mufla ya está por encima de la temperatura de fusión.

• ¿Cuál es el estado de agregación estable para el Al dentro de la mufla?

• ¿El aluminio se transformaría instantáneamente en liquido?

• ¿Si la mufla estuviera a 660 °C exactamente se llevaría a cabo la transformación después de que el metal haya alcanzado la

Respuestas

•

¿Cuál es el estado de agregación estable para el Al

dentro de la mufla?

• Liquido

•

¿El aluminio se transformaría instantáneamente en

liquido?

• No, tardaría un tiempo en calentarse después en fundirse

•

¿Si la mufla estuviera a 660 °C exactamente se llevaría a

cabo la transformación después de que el metal haya

alcanzado la temperatura?

• No, a 660 °C es la temperatura de fusión donde puede existir el Al en estado solido o liquido, ambas fases son estables. Se requiere sobrecalentar para llevar a cabo la transformación. Se requiere suministrar energía (entalpía de fusión) para que se lleve a cabo la transformación.

Ejemplo de transformación:

Fusión de un metal puro

•

¿Qué signo debe tener el

∆𝐺

para que la

transformación sea espontanea?

•

¿Dentro de la mufla cual seria mayor

𝐺

_{𝑙í𝑞𝑢𝑖𝑑𝑜}

o

𝐺

_{𝑠ó𝑙𝑖𝑑𝑜}

? Considerando

∆𝐺

_{𝑓𝑢𝑠𝑖𝑜𝑛}

= 𝐺

_{𝑙í𝑞𝑢𝑖𝑑𝑜}

− 𝐺

_{𝑠ó𝑙𝑖𝑑𝑜}

•

¿Cuál seria la fuerza motriz para que se

Respuestas

•

¿Qué signo debe tener el

∆𝐺

para que la transformación

sea espontanea?

•

∆𝐺 = −

, los procesos espontáneos siempre tienen

un signo negativo

•

¿Dentro de la mufla cual seria mayor

𝐺

_{𝑙í𝑞𝑢𝑖𝑑𝑜}

o

𝐺

_{𝑠ó𝑙𝑖𝑑𝑜}

?

•

𝐺

_{𝑙í𝑞𝑢𝑖𝑑𝑜}

< 𝐺

_{𝑠ó𝑙𝑖𝑑𝑜}

porque

∆𝐺

_{𝑓𝑢𝑠𝑖𝑜𝑛}

= 𝐺

_{𝑙í𝑞𝑢𝑖𝑑𝑜}

−

𝐺

_{𝑠ó𝑙𝑖𝑑𝑜}

debe ser negativo

•

¿Cuál seria la fuerza motriz para que se llevara a cabo la

transformación?

•

La diferencia de temperatura

∆𝑇

entre el metal y el

interior de la mufla, esto provocaría que el metal se

calentara (Ley 0 de la termodinámica)

Ejemplo de transformación:

Fusión de un metal puro

•

¿Qué tan rápido se llevaría a cabo la

transformación?, ¿La termodinámica clásica

podría darnos información?

•

¿Qué factores afectan que tan rápido se lleva a

cabo la transformación?

•

¿El material tiene las mismas propiedades antes

Respuestas

• ¿Qué tan rápido se llevaría a cabo la transformación?, ¿La termodinámica clásica podría darnos información?

• La termodinámica no podría proporcionar información acerca de la cinética de la transformación, habría que medirla e intentar plantear un modelo.

• ¿Qué factores afectan la velocidad a la que se lleva a cabo una fusión?

• El tipo de material, la cantidad de material, el sobre calentamiento, etc.

• ¿El material tiene las mismas propiedades antes y después de la transformación?

• No, las propiedades de un sólido son muy diferentes a las de un líquido

Tabla comparativa de energía implicada

en diferentes fenómenos

Transformación

∆

G J mol

-1

Oxidación

0 hasta 10

6

Reacción formación

intermetálicos

300 - 5 x 10

4

Solidificación

8-22

Transformación polimórfica

1 -8

Recristalización

15 aprox

Engrosamiento precipitados 0.7 a 7

Crecimiento de grano

2 x 10

-2

Movimientos militares y civiles

•

En los movimientos

militares todos los

elementos (átomos,

electrones, personas,

etc) se mueven al

mismo tiempo como

en la marcha de un

ejército

•

En los movimientos

civiles los elementos

(átomos, electrones,

personas, etc) se

mueven de uno en

uno como en el

llenado de un vagón

del metro

Movimientos militares y civiles

•

Militar

•

Civil

Sin ∆𝑉

Con ∆𝑉

Tabla de clasificación de las

transformaciones de fase (Porter)

Tipo de movimiento MILITAR CIVIL

Efecto de temperatura Atérmica Activada Térmicamente

Tipo de interfase Glisil (coherente /

semi-coherente)

No glisil (coherente, semi-coherente, incoherente)

Composición fase previa-fase producto

Misma

composición

Diferente composición

Proceso de DIFUSIÓN NO DIFUSIVA DIFUSIÓN de

corto rango ( en la interfaz)

DIFUSIÓN de rango largo (en la rejilla)

Control por interfase, o por difusión, o mezclado

Controlado por interface Controlado por interfase Principal-mente por interface Princi-palmente por difusión Control Mixto Ejemplos Martensita Maclado Masiva Polimórfica Recristalización Crecimiento de grano Precipitación Bainita Precipita-ción Solidifica-ción Precipi-tación, Eutectoi de. Celular

Repaso diagrama Fe-C

• Escriba los nombres y símbolos de las fases para cada zona del diagrama Fe-C

• Encierre en un circulo y nombre las transformaciones

(eutéctica, peritéctica, eutectoide, etc.) dentro del diagrama.

• Indique la composición y temperatura donde se forma el microconstituyente que se llama comúnmente Perlita.

• Señale cual es el rango de composiciones para aceros hipereutectoides e hipoetuectoides

• Señale los puntos donde se encuentre un máximo de solubilidad e indique a que fase corresponde

• Indique a que sistema cristalino (bcc, fcc, hcp, ortorrómbica, etc.) para cada fase solida

Análisis de algunas transformaciones del diagrama

de fases Fe-C

Transfor mación ¿Cambio la estructura cristalina del material? si o no ¿Cambió la composición dentro del material? si o no ¿Se deformó la estructura cristalina del material? si o no a b c d e f

Análisis de algunas transformaciones del diagrama

de fases Fe-C

Transformaci

ón ¿Cambio la estructura cristalina del material? si o no ¿Cambió la composición dentro del material? si o no ¿Se deformó la estructura cristalina del material? si o no

a

Si, de L a fcc No, el C esta homogéneamente distribuido

No, el liquido no tiene estructura cristalina

b

Si, de L a bcc No, es Fe puro No, el liquido no tiene estructura cristalina

c

Si, de fcc a ortorrómbico una parte de γ

Si, el C salió de γ para formar Fe3C

Si, debido la formación de Fe3C

d

Si, de fcc a bct No, durante el temple el C no le da tiempo de moverse

Si, el temple deforma la estructura

e

Si, de fcc a bcc + ortorrómbico

Si , se movió el C para formar 2 fases y la perlita

Si, por la formación de 2 fases y la perlita

f

Si, una parte se transforma en ortorrómbico

Si, el C salio de α para formar Fe3C

Si por la formación de Fe3C

Repaso Regla de la palanca

• Señale las zonas (áreas y líneas) donde se puede aplicar la regla de la palanca en el diagrama eutéctico Au-Si

Repaso regla de la palanca

• Se tiene un crisol con una aleación “A”

• ¿A 1453°C en que fase se encontraría la aleación?

• ¿A 1453°C si tomáramos una muestra y lleváramos esa fase a análisis químico cual seria la composición?

Repaso regla de la palanca

• ¿Si se enfría la aleación liquida hasta la temperatura T1 que

porcentaje de la aleación ya estaría solido?

• ¿Al enfriar hasta la temperatura T1 que porcentaje de la

Repaso regla de la palanca

• ¿Si a la temperatura T1 tomáramos una muestra del solido que

se ha formado que composición tendría?

• ¿Si a la temperatura T1 tomáramos una muestra del liquido

Análisis de la transformación

• ¿Al solidificar la aleación 50% Cu - 50% dónde se formaran los primeros solidos; en el seno del liquido, el fondo del crisol o en las paredes?

• ¿El movimiento de los átomos al solidificar es civil o militar?

• ¿Qué se entiende por una solidificación al equilibrio?

• ¿Los granos metálicos al formarse tendrán una composición homogénea, si no se solidifica al equilibrio?

Respuestas

• ¿Al solidificar la aleación 50% Cu - 50% Ni dónde se formaran los primeros solidos; en el seno del liquido, el fondo del crisol o en las paredes?

• Se formaran lo que se conoce como núcleos solidos, algunos en el

seno del líquido (Nucleación homogénea) pero la mayor parte en las paredes (Nucleación heterogénea)

• ¿El movimiento de los átomos al solidificar es civil o militar?

• El movimiento formar los núcleos de solido y también para hacerlos

crecer de tamaño es civil

• ¿Qué se entiende por una solidificación al equilibrio?

• Un sistema demasiado pequeño donde la temperatura es

homogénea y el enfriamiento durante la solidificación es muy lento • ¿Los granos metálicos al formarse tendrán una composición

homogénea, si no se solidifica al equilibrio?

• No tendrán una composición homogénea se forma lo que se conoce

como dendritas. La dendrita tendrá mayor contenido del elemento con menor punto de fusión en el centro, habrá segregación del elemento con mayor punto de fusión e impurezas.

Actividad 1

• En una hoja de cálculo en Excel

• Graficar

∆𝐺

𝑘𝐽

𝑚𝑜𝑙 vs 𝑇 𝐾 para la fusión de Fe,

• 5 puntos de 𝑇 desde 1450 °C a 1550°C, intervalos de 25°C

• Ajustar una recta 𝑦 = 𝑚𝑥 + 𝑏 y obtener el valor de m, b y R

• A partir de que temperatura el ∆𝐺 es negativo

• Datos • ∆𝐻_𝑓 = 13.81 𝑘𝐽 𝑚𝑜𝑙 • 𝑇_𝑓 = 1538°𝐶 • ∆𝐺_𝑓 = ∆𝐻_𝑓 − 𝑇 ∆𝐻𝑓 𝑇_𝑓

Objetivos Actividad 1 Excel

• Introducción a Excel como herramienta ingenieril

• Introducción de símbolos como Δ

• Formato de celdas

• Formulas básicas

• Desplazamiento de formulas

• Uso de $ en formulas

• Series con intervalos definidos

• Graficas y vs x