Transformaciones de Fase en Materiales Metálicos 2022-2023 PDF

1. TRANSFORMACIONES EN MATERIALES METÁLICOS TEMA 1. TRANSFORMACIONES EN MATERIALES METÁLICOS 1.1. Transformaciones en estado líquido. a. Solidificación. Estructura granular. b. Control del tamaño y forma de grano en la solidificación. c. Defectos producidos en la solidificaci...

1. TRANSFORMACIONES EN MATERIALES METÁLICOS TEMA 1. TRANSFORMACIONES EN MATERIALES METÁLICOS 1.1. Transformaciones en estado líquido. a. Solidificación. Estructura granular. b. Control del tamaño y forma de grano en la solidificación. c. Defectos producidos en la solidificación. 1.2. Difusión en estado sólido. 1.3. Transformaciones en estado sólido. Transformaciones térmicas. a. Características de las transformaciones térmicas. b. Cambios alotrópicos. c. Transformaciones de precipitación. d. Procesos de recristalización. 1.4. Transformaciones en estado sólido. Transformaciones atérmicas. 1-1 1.1. TRANSFORMACIONES EN ESTADO LÍQUIDO 1.1. Transformaciones en estado líquido 1-2  1.1. TRANSFORMACIONES EN ESTADO LÍQUIDO a. Solidificación. Estructura granular.  Solidificación: paso de un material del estado líquido al estado sólido. Pueden formarse, o no, una o varias fases cristalinas.  Estado líquido: la agitación térmica hace que los átomos posean una gran energía cinética.  Continuamente, en todo el seno del líquido, un pequeño número de átomos se agrupa, formando entre ellos enlaces y constituyendo un primer germen de sólido.  Cuando la temperatura es elevada, los átomos del líquido, que se mueven a gran velocidad por la agitación térmica, impactan sobre los gérmenes, comunicándoles energía y disgregándolos el germen no es estable. 1-3  1.1. TRANSFORMACIONES EN ESTADO LÍQUIDO  La transformación de líquido a sólido cristalino se dará en enfriamiento, por debajo de una cierta temperatura: temperatura de fusión.  Al bajar la temperatura:  Aumentan las fuerzas de atracción entre átomos y la tendencia a formar un sólido.  Disminuye la energía cinética de los átomos del líquido.  Consecuencia: algunos gérmenes pasan a ser estables se constituye un núcleo.  Tamaño crítico de germen: para cada temperatura, es el tamaño del germen (no estable) para el cual pasa a ser un núcleo (estable) → ese tamaño disminuye cuando disminuye la temperatura. 12-4  1.1. TRANSFORMACIONES EN ESTADO LÍQUIDO  El paso del estado líquido a una estructura sólida cristalina al bajar la temperatura es una transformación estable porque disminuye la energía de Gibbs. G = E – TS. En Tf: GL = GS La solidificación puede producirse si GS < GL. La fuerza impulsora de la solidificación, por unidad de volumen es: GV = GL- GS 1-5  1.1. TRANSFORMACIONES EN ESTADO LÍQUIDO  Fases del proceso de solidificación al disminuir T (TS < Tf): Líquido gérmenes núcleos (estables) crecimiento de núcleos granos cristalinos  Es un proceso de nucleación y crecimiento. 1-6  1.1. TRANSFORMACIONES EN ESTADO LÍQUIDO  Nucleación.  Cuando los gérmenes alcanzan un tamaño crítico, r*, se consideran núcleos estables.  Tipos de nucleación:  Homogénea: la generada en el seno del líquido.  Heterogénea: la generada en las paredes del molde, o en partículas o impurezas en el interior del líquido (que reducen la energía necesaria para formar un núcleo estable).  La nucleación heterogénea precisa menor energía de activación que la nucleación homogénea.  La presencia de partículas o elementos que actúen como nucleantes o impurezas aumenta la nucleación. 1-7  1.1. TRANSFORMACIONES EN ESTADO LÍQUIDO  Cambio energético en el sistema en el paso de líquido a sólido. Volumen = 4/3  r3 Sólido de radio r Líquido 2 4 3 G T (r )  4r  G e  r  G V 3 Área = 4  r2 Entrecara sólido-líquido Ge: Aumento de energía de los átomos de la entrecara líquido-sólido generada, que tienen mayor energía (siempre es positivo). GV es: negativo para T > Tf positivo para T < Tf  A T > Tf será GT > 0 se pueden formar gérmenes, pero serán inestables (lo estable es el líquido).  El número nr de gérmenes de radio r para una temperatura será, según la estadística de Boltzman, proporcional a: exp ( -GT / kT ) 1-8  1.1. TRANSFORMACIONES EN ESTADO LÍQUIDO  A cada T < Tf, la variación de energía libre total es función del radio del germen y de la temperatura, GT(r,T), por lo que hay un máximo (GT/r=0), para un tamaño de germen r*.  Para radios de germen mayores que el radio crítico, r > r* el crecimiento del germen es estable núcleo.  r* es el tamaño crítico del germen y GT* es la “energía de activación” para la formación de un núcleo.  r* y GT* son menores cuanto menor es la temperatura. 1-9  1.1. TRANSFORMACIONES EN ESTADO LÍQUIDO  Para que la solidificación se verifique, la temperatura alcanzada (TS) debe estar por debajo de la de fusión: TS