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Tema 13 Transformaciones en estado sólido en materiales metálicos 13.1. Difusión en estado sólido Procesos térmicamente activados Procesos térmicamente activados: aquellos en los que la velocidad del proceso aumenta exponencialmente cuando aumenta la temperatura. Ej: oxidación, velocidad de defo...
Tema 13 Transformaciones en estado sólido en materiales metálicos 13.1. Difusión en estado sólido Procesos térmicamente activados Procesos térmicamente activados: aquellos en los que la velocidad del proceso aumenta exponencialmente cuando aumenta la temperatura. Ej: oxidación, velocidad de deformación por fluencia, difusión…. La ecuación que describe estos procesos es la ecuación de Arrhenius: Q: energía de activación(J/mol). Es la energía que necesita un sistema para poder iniciar un determinado proceso. R: constante universal de los gases. T: Temperatura absoluta. Representación de Arrhenius. Representación semilogarítmica: Es una recta de pendiente igual a: (-Q/R). El valor de la energía de activación (Q) puede indicar el mecanismo del proceso de difusión. Difusión en metales Difusión: proceso por el cual los átomos se mueven de una parte a otra de la materia, redistribuyéndose. Para que ocurra el movimiento de los átomos por el material, son necesarias dos condiciones: Debe existir un espacio libre adyacente El átomo debe poseer energía suficiente para romper los enlaces atómicos y distorsionar la red. El enlace metálico, es no direccional y más débil individualmente por lo cual habrá mayor facilidad para la difusión. b.1. Fenomenología observada En los materiales metálicos el fenómeno de la difusión puede manifestarse de maneras diferentes: Caso 1: Difusión de átomos por el interior del material: Auto difusión: Se difunden átomos del propio metal base. Inter difusión: Se difunden átomos de otros elementos dentro del metal base. Regida por diferencias de concentración. Producirá cambios de composición, precipitación. Caso 2: Difusión de átomos desde el ambiente circundante. Caso 3: Difusión de átomos desde el material hacia el ambiente. b.2. Mecanismos fundamentales de difusión Intercambio simple de átomos (casi imposible). n el que dos átomos adyacentes intercambian sus posiciones en la red cristalina. Intercambio cíclico de átomos (casi imposible). Requiere una alta energía de activación. Difusión a través de vacantes. Implica el salto de un átomo desde una posición reticular a una vacante. La posibilidad de difusión es función del número de vacantes que existan, que aumenta con T. Hay un movimiento de átomos en sentido opuesto al de vacantes. Difusión intersticial. Átomos intersticiales se desplazan hacia posiciones intersticiales adyacentes. No hay necesidad de que existan vacantes próximas. Es función del número y tamaño de los huecos de la red. Es mucho más rápida que la difusión por vacantes. Difusión a través de las discontinuidades o imperfecciones: Son superficiales (por los bordes de grano o superficie del material). Lineales (por las dislocaciones) Factores que influyen en la capacidad de difusión. El mecanismo de difusión La temperatura, que aumenta la energía térmica de los átomos facilitando que éstos alcancen la energía de activación necesaria para que haya difusión. La estructura de la red del disolvente. En redes compactas, se dificulta la difusión, pues el espacio libre disponible para el movimiento de los átomos es menor y la distorsión que se producirá en la red cuando se produzca la difusión será mayor. El tipo de enlace del disolvente. Los enlaces covalentes son muy fuertes, lo que dificulta la difusión, de modo que la difusividad es muy pequeña. La zona a través de la cual se produce la difusión Los gradientes de concentración. Los grandes gradientes favorecen la difusión. 13.2. Transformaciones térmicas. Características de las transformaciones térmicas. Térmicamente activadas por lo que se rigen por la difusión. Los átomos han de desplazarse por el interior del material por difusión. Son transformaciones de nucleación y crecimiento. La temperatura es un parámetro fundamental. La reacción avanza con el tiempo,t. La velocidad de transformación depende de la temperatura. Estas transformaciones pueden o no producirse a temperaturas muy bajas, o impedirse por enfriamiento brusco. La cantidad transformada depende de la temperatura y el tiempo. Las fases inicial y final pueden tener composición y/o estructura diferente. Ambas fases pueden tener, o no, la misma red cristalina. Representación gráfica: diagramas TTT En las transformaciones térmicas en estado sólido, la fracción transformada, c , a una cierta temperatura T, en un tiempo t viene dada por la ecuación de Avrami: La expresión de Avrami, es válida para transformaciones térmicas en estado sólido. Se define la velocidad de transformación como 1/t 0.5 (donde t 0.5 es el tiempo para obtener la mitad de la transformación) Fracción transformada en función del tiempo, a T constante: A partir de la curva que representa la velocidad de la transformación en función de la temperatura para un porcentaje de transformación dado, puede trazarse un diagrama temperatura-tiempo-transformación (TTT), que representa la evolución de la transformación con el tiempo a cada T. Obtención del diagrama TTT isotermo 13.3 Alotropía Alotropía o polimorfismo: Posibilidad de cristalizar en diferentes redes cristalinas en función de la temperatura. Las temperaturas de transformación (cambio de red cristalina de un material),de denominan puntos críticos. Es una transformación térmica en estado sólido. Es también un proceso de nucleación y crecimiento. En estado sólido hay menor movilidad atómica y mayores inercias para que se produzca la transformación. Las zonas en las que puede comenzar la transformación alotrópica son aquellas con mayor energía libre en el cristal. (bordes de grano; defectos lineales, superficiales y puntuales). Si la transformación alotrópica se produce en el enfriamiento: Las velocidades de nucleación y crecimiento varían como en la solidificación. Si la transformación alotrópica se produce a alta temperatura, el grano final alcanzado será grueso. La transformación puede evitarse por enfriamiento brusco. Si la transformación alotrópica se produce en el calentamiento: Las velocidades de nucleación y crecimiento aumentan con la temperatura por lo cual se favorece la difusión y aumenta la tendencia a que se produzca el cambio alotrópico. El tamaño de grano obtenido aumenta con la temperatura y el tiempo de permanencia por ello es precisa la precaución en los tratamientos térmicos. Ejemplo: Hierro. 13.4 Transformaciones atérmicas Características de las transformaciones atérmicas: No son térmicamente activadas por lo cual no interviene la difusión. Se denominan también transformaciones “martensíticas” Se producen por cizalladura de planos cristalográficos. La fase final tiene distinta red cristalina que la fase inicial (pero entre ambas existe una determinada relación cristalográfica) Las fases final e inicial tienen la misma composición Nucleación y crecimiento instantáneos, es decir sin difusión y por ello la reacción no evoluciona con el tiempo. La transformación suele producirse a baja temperatura. La cantidad transformada depende sólo de T mientras que la velocidad de reacción no depende de T. La fase final es metaestable. Se definen Ms (temperatura de comienzo de la transformación) y Mf (Temperatura final de la transformación) Una transformación atérmica es una transformación de fase que ocurre sin cambio de temperatura. Esto significa que la transformación se produce instantáneamente, sin ningún período de transición. Diagrama TTT isotermo incluyendo las transformaciones atérmicas(martensíticas)
