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mauricio-keller-mellado
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13-05-2012
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
13-05-2012
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
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• 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
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• 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
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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
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Adapted
from Fig.
10.15,
Callister 6e.
EJ: ENFRIAMIENTO Fe-C, (3)
R.Padilla,DIMET
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R.Padilla, DIMET 11
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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
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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
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• 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)
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• 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
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R.Padilla, DIMET 13
19
Adapted from
Fig. 10.27,
Callister 6e.
RESUMEN: OPCIONES DE PROCESAMIENTO
R.Padilla,DIMET