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R.Padilla, DIMET 1

• Transformar una fase en otra toma tiempo

• ¿Depende la transformacion de T y tiempo?

1

• ¿Como podemos retrazar la transformación para

obtener estructuras de no-equilibrio? • ¿Las estructuras de no-equilibrio son mejores?

Fe

(Austenite)

Eutectoid transformation

C FCC

Fe3C

(cementite)

(ferrite)

+

(BCC)

TRANSFORMACION DE FASES

R.Padilla,DIMET

Transformation de Fases

Nucleación

– nucleos (semillas) actuan como base para crecimiento de cristales

– Para la formación de nucleos, la veloc. De adición de atomos debe ser

más rpida que la veloc de perdida

– Una vez nucleado, crece hasta alcanzar equilibrio.

Fuerza motriz para nuclear aumenta con aumento de T

– Sobre-enfriamiento (eutectico, eutectoide)

– Sobre-calentamiento (peritectico)

Poco sobre-enfriamiento pocos nucleos – crystales grandes

Grande sobre-enfriamiento nucleation rápida – muchos nucleos,

cristales pequeños

R.Padilla,DIMET

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R.Padilla, DIMET 2

Solidificación: proceso de

nucleación

• Nucleación homogenea

– Nucleo se forma en el seno del metal liquido

– requiere sobre-enfriamiento (típico 80-300°C max)

• Nucleation heterogenea – Más facil , “nucleos” estables ya estan presentes

• Pueden ser: pared del molde, o impurezas en el líquido.

– Permite solidificarse con solo 0.1-10ºC sobre-enfriamiento.

R.Padilla,DIMET

r* = núcleo crítico: nucleos< r* se hunden; nuclosi>r* crecen (para reducir energía)

Adapted from Fig.10.2(b), Callister 7e.

Nucleación Homogenea & Efectos de Energía

GT = Total Free Energy

= GS + GV

Energia libre de superficie destabilizes

los nucleos (se necesita energía

para hacer una interface)

24 rGS

= tension superficial

Energía libre de Volumen (Bulk)–

estabiliza los nucleos (libera energía)

GrGV3

3

4

volume unit

energy free volume G

R.Padilla,DIMET

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R.Padilla, DIMET 3

Solidificación

TH

Tr

S

m

2*

Nota: HS = función altamente dependiente de T

= function debil de T

r* decrece con aumento en T

Para típico T r* ca. 100Å

HS = calor latente de solidificación

Tm = temperatura de fusión

= energ+ia libre de superficie

T = Tm - T = sobreenfriamiento

r* = radio crítico

R.Padilla,DIMET

Velocidad de transformación de fases

Cinetica – mide el acercamiento al equilibrio vs.

tiempo

• Mantener temperatura constante & medir

conversión vs. tiempo

Ondas de sonido – una muestra

conductividad electrica –una muestra

X-ray diffraction –muchas pruebas, muestras

¿Cómo se mide la conversion?

R.Padilla,DIMET

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R.Padilla, DIMET 4

Velocidad de transformación de fases

Ecuación de Avrami => y = 1- exp (-ktn)

– k & n para muestras específicas

completado

log t Fra

ction t

ransfo

rmed, y

T fija

fracción

transformada

tiempo

0.5

Por convención r = 1 / t0.5

Adapted from

Fig. 10.10,

Callister 7e.

maximum veloc – cant de material sin convertirse disminuye, veloc disminuye

t0.5 Veloc aumenta con aumento en area

superficial & los núcleos crecen

R.Padilla,DIMET

Velocidad de transformación de fases

• En general, veloc aumenta con T

r = 1/t0.5 = A e -Q/RT

– R = constant de gases

– T = temperatura (K)

– A = Factor preexponencial

– Q = Energía de activación

Expresión de

Arrhenius

Adapted from Fig.

10.11, Callister 7e.

(Fig. 10.11 adapted

from B.F. Decker and

D. Harker,

"Recrystallization in

Rolled Copper", Trans

AIME, 188, 1950, p.

888.)

135C 119C 113C 102C 88C 43C

1 10 102 104

R.Padilla,DIMET

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R.Padilla, DIMET 5

3 3

Adapted from Fig.

9.21,Callister 6e. (Fig.

9.21 adapted from Binary Alloy Phase Diagrams,

2nd ed., Vol. 1, T.B.

Massalski (Ed.-in-Chief),

ASM International,

Materials Park, OH, 1990.)

TRANSFORMACIONES & SOBRE-ENFRIAMIENTO

• Ocurre en: ...727ºC (enfriamiento lento)

...bajo727ºC (“sobre-enfriar “!)

• Eutectoide transf. (Fe-C System):

ferrita

1600

1400

1200

1000

800

6 00

4 00 0 1 2 3 4 5 6 6

.7

L

austenita

+L

+Fe 3 C

Fe 3 C

cementita +Fe 3 C

L+Fe 3 C

(Fe) C o , wt% C

Eutectoide:

0.7

7

727°C

T(°C)

T

0.0

22

+ Fe 3 C

0.77wt%C 0.022wt%C

6.7 wt%C

Undercooling by T : T transf. < 727ºC

Equil. cooling: T transf. = 727ºC

4

• Crecimiento de perlita desde austenita:

• veloc. de reacción

aumenta con

T.

Adapted from

Fig. 9.13,

Callister 6e.

Adapted from

Fig. 10.3,

Callister 6e.

VELOCIDAD DE TRANSFORMATION EUTECTOIDAL ~ T

perlita dirección de crecimiento

Austenita ( )

Limite

de grano

cementita (Fe3C)

ferrita ( )

Flujo difusivo de C

necesario

R.Padilla,DIMET

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R.Padilla, DIMET 6

5

• Veloc de transf: es el resultado de nucleación

y crecimiento de cristales.

• Ej-:

Adapted from

Fig. 10.1, Callister 6e.

NUCLEACIÓN Y CRECIMIENTO

% Pearlite

0

50

10 0

Nucleación

regimen

crecimiento regimen

log (time) t 50

Veloc.Nucleation aumenta con T

Veloc. crecimiento aumenta con T

Nucleation, veloc.alta

T cerca < T E T moderadamente < T E T <<< T E Nucleación,veloc.baja

Crecim.veloc. alta

Colonia de

perlita

Nucleation, veloc. med .

Crecim. Veloc, med. Crecim. Veloc. baja

R.Padilla,DIMET

6

• Sistema Fe-C, Co = 0.77wt%C

• Transformación a T = 675C.

Adapted from Fig. 10.4,Callister 6e.

(Fig. 10.4 adapted from H. Boyer (Ed.)

Atlas of Isothermal Transformation and Cooling Transformation Diagrams,

American Society for Metals, 1977, p.

369.)

DIAGRAMAS DE TRANSFORMACION ISOTERMICA

R.Padilla,DIMET

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R.Padilla, DIMET 7

7

• Composition eutectoidal, Co = 0.77wt%C

• Empieza a T > 727C

• Enfriamiento rápido a 625C y mantención isothermal.

Adapted from Fig.

10.5,Callister 6e.

(Fig. 10.5 adapted from

H. Boyer (Ed.) Atlas of Isothermal Transformation and Cooling Transformation Diagrams, American

Society for Metals,

1997, p. 28.)

Ej: Enfriamiento Real en Sistema Fe-C

R.Padilla,DIMET

8

- Smaller T:

colonies are larger

- Larger T:

colonies are smaller

• Ttransf justo bajo TE -- Talta: difusion es rápida

--Perlita es de aspecto

grueso.

Dos casos: • Ttransf muy por debajo deTE --Tbaja: difusión es lenta

--Pearlita es fina.

Adapted from Fig. 10.6 (a) and (b),Callister 6e. (Fig. 10.6 from R.M. Ralls et al., An Introduction to Materials Science and Engineering, p. 361, John Wiley and Sons, Inc., New York, 1976.)

MORFOLOGIA DE PERLITA

R.Padilla,DIMET

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R.Padilla, DIMET 8

9

• Bainita: -- franjas con barras largas de Fe3C

--difusión control.

• Transf.Isotermal:Diagrama

Adapted from Fig. 10.9,Callister 6e.

(Fig. 10.9 adapted from H. Boyer (Ed.) Atlas of Isothermal Transformation and Cooling Transformation Diagrams, American Society for Metals, 1997, p. 28.)

(Adapted from Fig. 10.8, Callister, 6e. (Fig.

10.8 from Metals Handbook, 8th ed.,

Vol. 8, Metallography, Structures, and Phase Diagrams, American Society for

Metals, Materials Park, OH, 1973.)

Fe3C

(cementite)

5 m

(ferrite)

PRODUCTOS de TRANSFORMACION : Fe-C

Veloc. De reacción:

r bainit e Q / RT

R.Padilla,DIMET

10

60 m

(ferrite)

Fe3C

(cementite)

• Esferodita: --Cristales con esferas de Fe3C

--dependiente de difusión.

--Calentar bainita o perlita por t largos

--reduce area interfacial (fuerza motriz)

• Diagrama de transformación

Isotermal

Adapted from Fig. 10.9,Callister 6e.

(Fig. 10.9 adapted from H. Boyer (Ed.) Atlas of Isothermal Transformation and Cooling Transformation Diagrams, American Society for

Metals, 1997, p. 28.)

(Adapted from Fig. 10.10, Callister, 6e. (Fig. 10.10 copyright United

States Steel Corporation, 1971.)

OTROS PRODUCTOS: Fe-C

R.Padilla,DIMET

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R.Padilla, DIMET 9

11

• Martensita: --(FCC) a Martensita (BCT)

Adapted

from Fig.

10.13,

Callister 6e.

(Adapted from Fig. 10.12, Callister, 6e. (Fig. 10.12 courtesy United

States Steel Corporation.)

• Diagrama de transf. isotermal

xx x

x

x

xpotential C atom sites

Fe atom sites

(involves single atom jumps)

Martentite needlesAustenite

60

m

• to M.. -- es rápida!

-- % transf. depende sólo de T .

(Adapted from Fig.

10.11, Callister, 6e.

OTROS PRODUCTOS: Fe-C

R.Padilla,DIMET

12

Adapted

from Fig.

10.15,

Callister 6e.

ENFRIAMIENTO : Fe-C (1)

R.Padilla,DIMET

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R.Padilla, DIMET 10

13

Adapted

from Fig.

10.15,

Callister 6e.

EJ. ENFRIAMIENTO Fe-C, (2)

R.Padilla,DIMET

14

Adapted

from Fig.

10.15,

Callister 6e.

EJ: ENFRIAMIENTO Fe-C, (3)

R.Padilla,DIMET

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R.Padilla, DIMET 11

15

Adapted from Fig. 10.20,

Callister 6e. (Fig. 10.20

based on data from

Metals Handbook: Heat Treating, Vol. 4, 9th ed.,

V. Masseria (Managing

Ed.), American Society

for Metals, 1981, p. 9.)

Adapted from Fig. 9.27,Callister 6e. (Fig. 9.27 courtesy Republic

Steel Corporation.)

Adapted from Fig. 9.30,Callister 6e. (Fig. 9.30 copyright 1971 by

United States Steel Corporation.)

PROPIEDADES MECANICAS: Fe-C , (1)

R.Padilla,DIMET

16

Adapted from Fig. 10.21, Callister 6e. (Fig. 10.21 based on data from

Metals Handbook: Heat Treating,

Vol. 4, 9th ed., V. Masseria

(Managing Ed.), American Society

for Metals, 1981, pp. 9 and 17.)

PROPIEDADES MECANICAS: Fe-C (2)

• Perlita fina vs gruesa, perlita vs esferodita

• Dureza : fina >gruesa> esferodita

• %AR: fina < gruesa < esferodita

8 0

160

240

320

wt%C 0 0.5 1

Bri

ne

ll h

ard

ne

ss

fine

pearlite coarse

pearlite spheroidite

0

3 0

6 0

90

wt%C 0 0.5 1

Du

cti

lity

(%

AR

)

fine

pearlite

coarse

pearlite

spheroidite

Hypo Hyper Hypo Hyper

R.Padilla,DIMET

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R.Padilla, DIMET 12

17

• Perlita fina vs Martensita:

• Dureza: perlita << martensita.

Adapted from Fig. 10.23,

Callister 6e. (Fig. 10.23

adapted from Edgar C. Bain,

Functions of the Alloying Elements in Steel, American

Society for Metals, 1939, p. 36;

and R.A. Grange, C.R. Hribal,

and L.F. Porter, Metall. Trans. A, Vol. 8A, p. 1776.)

PROPIEDADES MECANICAS: Fe-C, (3)

R.Padilla,DIMET

18

• reduce fragilidad de martensita,

• reduce stress interno causado por enfriamiento brusco (quenching).

Adapted from

Fig. 10.24,

Callister 6e.

(Fig. 10.24

copyright by

United States

Steel

Corporation,

1971.)

Adapted from

Fig. 10.25,

Callister 6e.

(Fig. 10.25

adapted from

Fig. furnished

courtesy of

Republic Steel

Corporation.)

TEMPLADO DE MARTENSITA

R.Padilla,DIMET

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R.Padilla, DIMET 13

19

Adapted from

Fig. 10.27,

Callister 6e.

RESUMEN: OPCIONES DE PROCESAMIENTO

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