Transformaciones con movimiento corporativo de tomos

Transformaciones con movimiento cooperativo de tomos- Existen transformaciones de fase en las cuales el crecimiento de la nueva fase no se produce por el salto trmicamente activado de los tomos individuales, sino por el movimiento coordinado o cooperativo de muchos miles de tomos de la fase inicial.- Regiones discretas del slido transforman, por lo general simultneamente, con una alta velocidad (prxima a la velocidad del sonido en el cristal), que es prcticamente independiente de la temperatura.Conocidas como:Transformaciones DISPLACIVAS (transformaciones sin difusin, Atrmicas o de corte.)Caractersticas :

Distancia efectiva del movimiento de cada tomo es menor a un espaciado interatmico. Cada tomo conserva a los mismos vecinos que tena antes de transformar y la configuracin espacial de los tomos est sistemticamente distorsionada sin que se rompan los enlaces de la redCada cristal de la nueva fase tiene el mismo nmero de tomos que la regin del cristal de la fase de la cual se gener1Transformacin MartensticaMartensita puede formarse a muy bajas temperaturas

Martensita crece muy rpidamente

No hay cambio de composicin durante la transformacin

Es una transformacin de primer orden tiene asociada cambios de entalpa y entropa

Se produce por nucleacin y crecimiento

Es no difusiva. Hereda la composicin qumica, el orden atmico y los defectos de la estructura cristalina de la fase madre.

Para minimizar la energa de deformacin se forma sobre un plano cristalogrfico especial llamado plano de hbito. (Las fases madre y la martensita coexisten en este plano. Es mvil, sin distorsin ni rotacin durante la transformacin (invariante), permitiendo el crecimiento de martensita dentro de la fase madre)

La martensita transforma a bajas temperatura (relativas) y a altas velocidades. La interfaz debe poder moverse con facilidad sin requerir difusin, sus interfases pueden ser coherentes o semicoherentes2Es una deformacin cuasi homognea de la red cristalina, que implica una deformacin de corte o cizalla ms una dilatacin.

Hay un movimiento coordinado de tomos que se desplazan a distancias menores a las interatmicas. Existe una relacin cristalogrfica bien definida entre la fase madre y la fase martensita.3

aparece a menudo con forma de placa o listn y abarca inicialmente la totalidad del grano austentico.La densidad de placas no es funcin del tamao de grano austenticoLa fraccin en volumen de martensita aumenta por la transformacin sistemtica de la austenita remanente entre las placas ya formadasLas primeras placas de martensita se forma a la temperatura Ms (martensitic start)

Fe-31.9Ni-0.02C- 77K4

La formacin de placas de martensita se forma a partir de la temp. denominada Ms (Martensite start).Esta temp. se asocia a una fuerza impulsora caracterstica de las trans. sin difusinEn aceros de bajo C Ms500C , pero a > concentraciones de C se ve la progresiva disminucin de la Ms

La temp. Mf (Martensite finish) corresponde a la temperatura por debajo de la cual , a pesar del enfriamiento no se incrementa la fraccin volumtrica de martensitaG H (T0-Ms)/T0 5En la pactica , Mf puede o no corresponde al 100% de martensita . Podra llegar a retenerse cierto porcentaje de austenita por debajo de de MfEsto se debe a las altas tensiones elsticas entre las ltimas placas de martensita que se forman, que tienden a suprimir su posterior crecimiento o engrosamiento entre las placas existentes. Aprox. 10-15% de austenita retenida es una caracterstica comn en aleaciones de altos contenidos de C (aceros para rulemanes).

Cuando las placas se cruzan la superficie de un espcimen pulido se produce una deformacin elstica, o la inclinacin de la superficie Macroscpicamente las regiones transformadas aparecen coherente con la austenita circundantese ha demostrado que el crecimiento total de una placa que abarca un grano entero se forma en 10-7 seg lo que significa que el mov de la interfaz / alcanza casi la velocidad del sonido en el slido (estudio casi imposible)6Cristalografa de la MartensitaLa regin de ajuste elstico en forma de una discontinuidad en la superficie demuestra que el esfuerzo de corte no produce ninguna rotacin significativa del plano de hbitoSi el plano de hbito hubiera sido girado, sera necesario deformacin plstica para mantener la coherencia entre la martensita y austenita . Esto hubiera provocado desplazamientos adicionales de la superficie.

La teora cristalogrfica de la formacin de la martensita se basa en dos observaciones microestructurales macroscpicas importantes: 1)que el plano de hbito no est rotado ni distorsionado y 2) que el cambio de forma que produce la inclinacin de la superficie es homogneo y es un resultado de la deformacin del plano que puede visualizarse como cillazamiento o desplazamiento sobre planos paralelos al plano de hbitoEl cambio de forma no se produce simplemente por la deformacin de la red (por ej. en los aceros, el cambio de red desde la austenita fcc a la martensita bct). Es necesaria otra deformacin para satisfacer el requerimiento de la deformacin del plano y mantener el plano de hbito no distorsionado. Esta deformacin adicional, deformacin de la red invariante, involucra la deformacin del cristal de martensita bct por maclado o deslizamiento pero no un cambio de la red o de la estructura cristalina en s7La Fig. muestra dos celdas unitarias adyacentes fcc de la austenita en donde se identific una celda unitaria bct.identificacin de un conjunto de tomos en la fase madre que transformar en un conjunto de tomos en la fase producto se denomina correspondencia de la redlas dimensiones de la celda bct son aquellas derivadas del parmetro de red de la austenita (a y c)Se requiere de la deformacin de la red para producir la martensita desde la austenitadeformacin de Bain produce una contraccin a lo largo del eje c y una expansin a los largo de los ejes a.la deformacin de la red causar una rotacin por fuera del plano de hbito donde se asume que nmero de celdas del cristal madre (a) transforman a una nueva red (b).

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(c) y (d) muestran la martensita deformada por deslizamiento (movimiento de dislocaciones) o maclado, respectivamente, para satisfacer en una escala macroscpica el requerimiento de un plano de hbito sin rotacin y sin distorsin.Esta es otra representacin esquemtica de los modos de deslizamiento (a) y de maclado (b) de la deformacin de la red invariante en las placas de martensita.En los cristales reales, cuando el mecanismo de acomodamiento es el deslizamiento, no slo se introducen dislocaciones entre la interfase austenita-martensita, sino que tambin una alta densidad de dislocaciones permanecen en la fina estructura dentro de las placas.

la restriccin que provoca la circundante, causa que la martensita se acomode o se deforme mediante una deformacin de la red invariante a los lmites originales

9El desplazamiento generado por la transformacin martenstica puede descomponerse en una dilatacin normal al plano de hbito () y una deformacin de corte o cizalla paralela al plano de hbito (s).

Fase madremartensitaPlano de hbito

cortedilatacinDado que en la transformacin -> tambin existe expansin (4%) , esto implica a su vez que existe una dilatacin normal al plano de hbito10Teora de la nucleacin de la Martensita

La nucleacin es un proceso muy importante debido a la influencia en la forma final de las placas de martensita (prop. mecnicas).Por las altas velocidades de transf. involucradas es un proceso de dificil estudio experimental.Mediciones de vs tiempo muestra que > Este pequeo incremento de se explica como una deformacin inicial de la red por ncleos coherentes de MartensitaEl G asociada a nucleos totalmente coherentes iniciales

No tiene en cuenta energas asociadas a tensiones externas, producidas durante el enfriamiento o durante el rpido crecimiento de placas.Concideremos un ncleo elptico delgado de radio a, semiespesor c y volumen v

Se asume que la nucleacin no ocurre en BDG y sin influencia de otros defectos de la redEste ncleo se forma por el esfuerzo de corte s II al plano del disco manteniendo coherencia con la matriz 11Con esto

Si 1/3

Derivando respecto de a y c

Expresa la barrera de energa por fluctuacin trmica que los tomos deben vencer si se asume nucleacin homognea clsica de la martensita.Asi tambin se pueden calcular los tamaos crticos de a y c para que el ncleo crezca y forme un placa

12En realidad , existen numerosos trabajos experimentales que evidencian que la nucleacin de la martensita es un proceso heterogneo.Se estudiaron metalogrficamente esferas muy pequeas de aleaciones de Fe-Ni (algunos micrones a fracciones de mm de ) enfriadas a v de enfriamiento y temp por debajo de Ms mostrando que:No todas las partculas transformaron (para ciertas aleaciones se alcanzaron temp >600C por debajo de Ms) por lo que es posible descartar nucleacin homognea. El nro de ncleos (por conteo de placas)fue mucho menor (10-4 n/mm3) que el esperado si la nucleacin hubiera sido puramente homognea.Como las superficies y los BDG no contribuyen significativamente a la nucleacin, la transformacin se inicia en defectos dentro del cristal (dislocaciones aisladas)Influencia de las dislocaciones en la nucleacin

El campo de deformacin asociado con una dislocacin puede en ciertos casos proporcionar una interaccin favorable con el campo de deformacin de la ncleo martensita, de tal manera que es neutralizado reduciendo de este modo la energa total de la nucleacin. Tal interaccin modifica por lo tanto la energa total de la Ecuacin 6.5 a

13Crecimiento de la martensitaUna vez que la placa ha alcanzado el tamao crtico, la componente volumtrica de la energa libre se hace tan importante que la placa de martensita crece indefinidamente hasta encontrarse con otra placa o un BDG de alto nguloSe produce por medio de Listones (o lminas) o de Placas.

Rangos de formacin de martensita en placas o en lminas en aleaciones Fe-C.Una caracterstica microestructural importante de los listones es la tendencia de muchas lminas de alinearse paralelas entre ellas en grandes reas de los granos de la austenita madre (paquetes).

Fe-0,2CEl crecimiento por listones de martensita se da mayoritariamente en aleaciones de mas altas Ms con baja probabilidad de retener austenita entre los mismos. 14Estabilizacin

Fenmeno asociado con muestras enfriadas a temperaturas intermedias entre Ms y Mf, se mantuvo all durante un perodo de tiempo y luego se enfra nuevamente. La transformacin no contina inmediatamente, y la cantidad total de martensita transformada es menor que la obtenida por los enfriamientos continuos en toda la gama de transformacin.Se observa que las placas actuales no siguen creciendo despus de la estabilizacin.Nuevas placas nuclean en su lugar.El grado de estabilizacin es funcin del tiempo mantuvo a la temperatura.En aceros, el carbono tiene tiempo para difundir a la interfaz por influencia de las altas tensiones asociadas con crecimiento de la placa o por relajacin atmica local en la interfaz, aumentando as la nucleacin de dislocacionesEl crecimiento por placas de martensita es mas comn en aceros de medio o alto C, a temperaturas Ms mucho mas bajas con posibilidad de retener austenita en mucho mayores cantidades

Fe-1,4C15Efecto de tensiones externas

Una tensin aplicada externamente ayudar a la generacin de dislocaciones y por lo tanto al crecimiento de la martensita. En algunos casos se eleva la temperatura Ms hasta un valor lmite superior definida como Md.Inversamente la temperatura Ms se puede disminuir a temperaturas ms bajas, por ejemplo manteniendo la muestra que se transforma bajo compresin hidrosttica. Esto se debe a la creciente presin estabiliza la austenita reduciendo la fuerza impulsora G de transformacin a martensita. La presencia de un gran campo magntico puede elevar la Ms debido a que favorece la formacin de la fase ferromagntica.El exceso de deformacin plstica puede en algunos casos suprimir la transformacin. El efecto de deformar plsticamente la austenita antes de la transformacin y aumentar el nmero de sitios de nucleacin (refinar tamao de la placa) es el llamado proceso de ausforming (aceros de alta resistencia combinando de tamao de la placa fina, de endurecimiento por carbono en solucin y endurecimiento por dislocaciones).16Efecto del tamao de grano

El crecimiento de la martensita se basa en el mantenimiento de una cierta coherencia con la austenita circundante, un lmite de grano de gran ngulo de es una barrera eficaz al crecimiento de la placa. As, mientras que el tamao de grano no afecta a la cantidad ncleos en un volumen dado de martensita, el tamao de la placa de martensita final es una funcin del tamao de grano. Otra caracterstica importante del tamao de grano es su efecto sobre la tensin residual despus que la transformacin se ha completado. En material de gran tamao de grano de la dilatacin asociada con la transformacin provoca grandes tensiones residuales entre granos adyacentes y esto puede incluso conducir a la ruptura de lmite grano (agrietamiento de enfriamiento) y aumentar sustancialmente la densidad de dislocaciones en la martensita. Materiales de tamao de grano mas fino tienen martensita de pequeo tamao de la placa, dndole mayor resistencia y tenacidad.17

Martensita termoelsticaHistresis pequea .Interfaz (plano de hbito) con gran movilidad.Si el enfriamiento para, el crecimiento para, pero si el enfriamiento continua, elcrecimiento continua hasta que las agujas alcanzan el borde de grano u otras agujas. En el calentamiento las agujas revierten hasta alcanzar la microestructura original.Cristalogrficamente reversible.Fase martenstica revierte a la fase madre en su orientacin original. Martensita no termoelstica Histresis grande. En el enfriamiento las agujas crecen pero si para el enfriamiento, las agujas (en general) no siguen creciendo (interfaz inmvil) y si el enfriamiento continua se nuclean nuevas agujas.En el calentamiento, la fase madre nuclea con diferentes orientaciones, la fase madre no recupera su aspecto original. 18Materiales con memoria de forma

La martensita tambin es posible inducirla mediante la aplicacin de un esfuerzo externo sobre el material. El efecto memoria de es la capacidad que tiene un material para deformarse mediante un esfuerzo aplicado (aparentemente de manera plstica) y recuperar posteriormente su forma original mediante un simple calentamiento. Este efecto se produce gracias a la existencia de una transformacinmartenstica.As como se construyen expresiones que estiman Ms en funcin de la composicin, tambin se pueden obtener relaciones de pm o esfuerzo crtico (esfuerzo al cual comienza la transformacin inducida de esta forma) en funcin de la composicin, a una temperatura dada

Tambin existe la nucleacin por efecto de una deformacin plstica, en la que sta produce nuevos sitios de nucleacin, lo que suceder al alcanzar el esfuerzo crtico correspondiente19Muestra la induccin de martensita ante un esfuerzo de tensin. Sin esfuerzo externo se induce espontneamente a una temperatura MS. Si aumenta T se necesitar una tensin para inducir la transformacin, (martensita inducida mediante esfuerzo)A > T ->, mayor ser el esfuerzo necesario para inducir la transformacin, el lmite es MS, (mxima T para inducir la martensita por esfuerzo).Si T > MS , el aumento de tensin provoca deformacin plstica en la austenita (a d) lo que facilitar la induccin de martensita (martensita inducida por mediante deformacin). El caso lmite es Md, a partir de la cual no podemos inducir martensita por esfuerzo.

20Efecto memoria de forma simple

3.- A continuacin el esfuerzo se relaja conservndose una deformacin residual.

4.- Finalmente la aleacin recupera su forma original mediante la elevacin de la temperatura por encima de Af. La deformacin residual desaparece a travs de la transformacin inversa a austenita de una forma reversible. es la capacidad que tiene un material para deformarse mediante un esfuerzo aplicado (aparentemente de manera plstica) y recuperar posteriormente su forma original mediante un simple calentamiento. Este efecto se produce gracias a la existencia de una transformacin martenstica1.- enfriamiento desde una temperatura superior a Af, hasta una temperatura inferior a Mf. -> produce la transformacin directa y la martensita se forma de una manera autoacomodada para minimizar la energa del sistema, de manera que la forma macroscpica del material no cambia2.- Se aplica un esfuerzo creciente de manera que la aleacin deforma elsticamente la martensita (reorientacin de las variantes formadas durante el enfriamiento, que se mueven con facilidad, para acomodarse al esfuerzo aplicado). Si el esfuerzo se aplica con la intensidad y direccin adecuada se puede llegar a conseguir una martensita monovariante. Si el esfuerzo es muy grande se puede introducir deformacin plstica u otro tipo de defectos que hagan que el proceso no sea totalmente reversible.

21Superelasticidad

Es posible inducir la transformacin martenstica por esfuerzo cuando el material est en austenita, a una temperatura mayor que Af.

Al aplicar este esfuerzo el material, inicialmente en austenita, se deforma elsticamente hasta llegar al valor pm, a partir del cual se inicia la transformacin (El esfuerzo realiza el aporte energtico suficiente como para que la transformacin tenga lugar a temperaturas por encima de la Ms).

Cuando se retira el esfuerzo externo tiene lugar la transformacin inversa, existiendo tambin histresis. Este efecto se define como superelasticidad.

A pesar de que la transformacin es inducida de manera mecnica, la temperatura juega un papel muy importante.

Si la temperatura no es suficientemente alta (slo ligeramente superior a Ms) puede darse el caso de que la martensita inducida por esfuerzo no retransforme.

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