Transformaciones de Fase 1532 Teoría Ma. Eugenia Noguez Amaya

UNIDAD 1 Introducción a las Transformaciones de Fase

PLAN OFICIAL • Panorama

transformaciones-propiedades.

• Alternativas de clasificación.

• Movimientos atómicos civiles y militares.

• Panorama difusionales-adifusionales.

• Introducción a conceptos: Fuerza motriz-nucleación-crecimiento

• Transformaciones en este curso

COMENTARIOS • Dura 1.5 -3hrs, las

primeras clases. • En realidad es una plática. • Se explicará la clasificación

del Porter • Se aprovecha para hablar

sobre las actitudes en la vida tanto profesional como personal, metas, el entorno en el que se vive (la ciudad, el planeta) y lo que podemos hacer para el futuro.

Unidad 2 Principios de Microscopía Electrónica PLAN OFICIAL

• Introducción. Términos y características

• Componentes de los Microscopios

• Comparación MEB-MET- MO

• Conceptos, Señales, Producción de señales

• Microanálisis químico

• Muestras, Montajes y otras características

COMENTARIOS • Lo dará la Dra. Guillermina

González Mancera • Habrá evaluación de esta

clase

UNIDAD 3 Difusión PLAN OFICIAL

• Modelo Atomístico.

• 1ª y 2ª leyes de Fick, Ecuación Arrhenius, Modelo químico: El potencial químico: fuerza motriz, Sendas de alta difusividad, Autodifusión.

• La difusión fenomenológica:

• Leyes de Fick, Coeficiente de difusión, Sol. analítica a la 2da ley. Ejemplos y problemas.

• Difusión sustitucional (Kirkendall).

• Problemas y ejemplos en polímeros y sinterizado.

Comentarios • De 12 a 15 h, es la parte

mas larga del curso • Se necesita que el profesor

de laboratorio desarrolle el tema en laboratorio

UNIDAD 4 Recristalización y Crecimiento PLAN OFICIAL

• Características generales.

• Teoría de nucleación y crecimiento, el estado deformado, recuperación, recristalización y crecimiento, Fuerza motriz, cinética, microestructura, control, propiedades, Ecuación Johnson-Mehl-Avrami.

• Cristalización en polímeros.

• Borde de grano.

• Modelos, energía y cinética de crecimiento

COMENTARIOS • Dura 12 h en la parte

metalúrgica y 1.5-3 h en polímeros.

• El tema de polímeros es dado por los especialistas invitados.

• Consume 4 semanas.

UNIDAD 4 Transformación de austenita PLAN OFICIAL

• Alotriomorfa, widmanstätten, perlitica, bainitica, martensita: cinética, morfología y propiedades.

• Transformaciones isotérmicas y de enfriamiento continuo en aceros hipo e hipereutectoides. Interpre

tación de diagramas TTT y CCT.

COMENTARIOS

• Interfaces glisiles y no glisiles

• La duración para los demás temas es de 6 hrs.

• La experiencia del laboratorio en este tema es especialmente fundamental

Unidad 5 Transformaciones Difusionales de Austenita

• Conceptos de cinética

• Interpretacion de diagramas TTT

• Transformación Ferrítica( alotriomorfa y Widmanstatten

• Transformación perlítica y bainítica

• Temas impartidos en seminario por alumnos

UNIDAD 6 Transformación adifusional: martensita

• PLAN OFICIAL • Características generales.

Maclas de deformación y maclas martensíticas. Cristalografia. Modelo de Bain. Martensita del Fe-C Características especificas. Cinética. Martensitas termoelásticas y aleaciones de memoria de forma

• COMENTARIOS

• Dura 6 hrs con examen diario antes de clase.

• Este tema tiene un enfoque informativo y los alumnos participan dando seminarios.

UNIDAD 7 Transformaciones de precipitación submicroscópica • PLAN OFICIAL • 5.1 El concepto de

envejecimiento Aleaciones y materiales envejecibles.

• Propiedades, morfología, termodinámica, cinética y control.

• COMENTARIOS

• Normalmente es sólo una clase

Resumen de tiempo teoría y laboratorio

UNIDAD Teoría [h] Laboratorio [h]

1 1.5 0

2 1.5 6

3 12 12

4 15 18

5 6 6

6 12 6

7 3 0

TOTAL 48 48

Programa oficial

• Programa oficial en AMYD o pagina de la facultad

• Bibliografía oficial:

• Porter D.A., Easterling K.E., Sherif M.Y. ―Phase transformations in Metals and Alloys‖. CRC Press. 2009.

• Verhoeven, J. D., Fundamentos de Metalurgia Física. Limusa 1987.

• Reed-Hill R.E. and Abbaschian R., Physical Metallurgy Principles, PWS Pub.Co.Boston, 3th Ed. 1994.

• Shewmon, P.G. ―Transformations in Metals‖Mc Graw Hill, 1969

Evaluación

• Calificación final: 60% Teoría - 40% Laboratorio

• Examen de teoría al final de cada Tema

• Exposiciones y/o algunas actividades señaladas en clase se califican y entran al promedio

• Se toma en cuenta para redondeo de calificación

• Actividades en casa (Tareas)

• Algunas actividades en clase

Objetivos Introducción

• Entender la importancia de las transformaciones de fase en las propiedades mecánicas de los materiales

• Elementos de estudio en una transformación de fase

• Ejemplo introductorio de transformación de fase (fusión)

• Movimientos atómicos durante una transformación de fase

• Clasificación de las transformaciones de fase

• Repaso diagrama Fe-C

• Repaso regla de la Palanca

Efecto de la composición en fases y propiedades en Aceros

Ferrita + perlita

Efecto del tratamiento térmico en las fases y propiedades en Aceros

Normalizado (ferrita +

perlita)

Martensita

Efecto de la composición y tratamiento térmico en las fases y propiedades del aluminio

Elementos a estudiar en una transformación de fase 1. ¿Porqué se da la transformación de fase, cual

es la fuerza motriz?

2. ¿Como se lleva a cabo la transformación de fase, cual es su cinética y que factores la afectan?

3. ¿Como logro llevar a cabo la transformación de fase y en que materiales se puede realizar?

4. ¿Cómo se ve modificado el material; su estructura y propiedades?

La fuerza motriz

• La fuerza motriz para llevar a cabo una transformación de fase es la Energía Libre de Gibbs

Ejemplo de transformación: Fusión de un metal puro • En la solidificación de un metal puro el cambio en la energía libre de

Gibbs depende solo de la temperatura

• ∆𝐺 = ∆𝐻 − 𝑇∆𝑆

• 𝐺 𝑇 = 𝐻 − 𝑇𝑆

Ejemplo de transformación: Fusión de un metal puro • Se tiene Al solido (Temperatura de fusión 660 °C) en un crisol y se

introduce a una mufla que se encuentra a 700 °C. La mufla ya está por encima de la temperatura de fusión.

• ¿Cuál es el estado de agregación estable para el Al dentro de la mufla?

• ¿El aluminio se transformaría instantáneamente en liquido?

• ¿Si la mufla estuviera a 660 °C exactamente se llevaría a cabo la transformación después de que el metal haya alcanzado la temperatura?

Respuestas

• ¿Cuál es el estado de agregación estable para el Al dentro de la mufla? • Liquido

• ¿El aluminio se transformaría instantáneamente en liquido? • No, tardaría un tiempo en calentarse después en fundirse

• ¿Si la mufla estuviera a 660 °C exactamente se llevaría a cabo la transformación después de que el metal haya alcanzado la temperatura? • No, a 660 °C es la temperatura de fusión donde puede existir el Al

en estado solido o liquido, ambas fases son estables. Se requiere sobrecalentar para llevar a cabo la transformación. Se requiere suministrar energía (entalpía de fusión) para que se lleve a cabo la transformación.

Ejemplo de transformación: Fusión de un metal puro • ¿Qué signo debe tener el ∆𝐺 para que la

transformación sea espontanea?

• ¿Dentro de la mufla cual seria mayor 𝐺𝑙í𝑞𝑢𝑖𝑑𝑜 o 𝐺𝑠ó𝑙𝑖𝑑𝑜? Considerando

∆𝐺𝑓𝑢𝑠𝑖𝑜𝑛 = 𝐺𝑙í𝑞𝑢𝑖𝑑𝑜 − 𝐺𝑠ó𝑙𝑖𝑑𝑜

• ¿Cuál seria la fuerza motriz para que se llevara a cabo la transformación?

Respuestas

• ¿Qué signo debe tener el ∆𝐺 para que la transformación sea espontanea?

• ∆𝐺 = − , los procesos espontáneos siempre tienen un signo negativo

• ¿Dentro de la mufla cual seria mayor 𝐺𝑙í𝑞𝑢𝑖𝑑𝑜 o 𝐺𝑠ó𝑙𝑖𝑑𝑜?

• 𝐺𝑙í𝑞𝑢𝑖𝑑𝑜 < 𝐺𝑠ó𝑙𝑖𝑑𝑜 porque ∆𝐺𝑓𝑢𝑠𝑖𝑜𝑛 = 𝐺𝑙í𝑞𝑢𝑖𝑑𝑜 −

𝐺𝑠ó𝑙𝑖𝑑𝑜 debe ser negativo

• ¿Cuál seria la fuerza motriz para que se llevara a cabo la transformación?

• La diferencia de temperatura ∆𝑇 entre el metal y el interior de la mufla, esto provocaría que el metal se calentara (Ley 0 de la termodinámica)

Ejemplo de transformación: Fusión de un metal puro • ¿Qué tan rápido se llevaría a cabo la

transformación?, ¿La termodinámica clásica podría darnos información?

• ¿Qué factores afectan que tan rápido se lleva a cabo la transformación?

• ¿El material tiene las mismas propiedades antes y después de la transformación?

Respuestas

• ¿Qué tan rápido se llevaría a cabo la transformación?, ¿La termodinámica clásica podría darnos información?

• La termodinámica no podría proporcionar información acerca de la cinética de la transformación, habría que medirla e intentar plantear un modelo.

• ¿Qué factores afectan la velocidad a la que se lleva a cabo una fusión?

• El tipo de material, la cantidad de material, el sobre calentamiento, etc.

• ¿El material tiene las mismas propiedades antes y después de la transformación?

• No, las propiedades de un sólido son muy diferentes a las de un líquido

Tabla comparativa de energía implicada en diferentes fenómenos

Transformación ∆G J mol -1

Oxidación 0 hasta 10 6

Reacción formación intermetálicos

300 - 5 x 10 4

Solidificación 8-22

Transformación polimórfica 1 -8

Recristalización 15 aprox

Engrosamiento precipitados 0.7 a 7

Crecimiento de grano 2 x 10 -2

Movimientos militares y civiles

• En los movimientos militares todos los elementos (átomos, electrones, personas, etc) se mueven al mismo tiempo como en la marcha de un ejército

• En los movimientos civiles los elementos (átomos, electrones, personas, etc) se mueven de uno en uno como en el llenado de un vagón del metro

Movimientos militares y civiles

• Militar • Civil

Sin ∆𝑉

Con ∆𝑉

Flujo de agua en una manguera

Tabla de clasificación de las transformaciones de fase (Porter)

Tipo de movimiento MILITAR CIVIL

Efecto de temperatura Atérmica Activada Térmicamente

Tipo de interfase Glisil (coherente / semi-coherente)

No glisil (coherente, semi-coherente, incoherente)

Composición fase previa-fase producto

Misma composición

Diferente composición

Proceso de DIFUSIÓN NO DIFUSIVA DIFUSIÓN de corto rango ( en la interfaz)

DIFUSIÓN de rango largo (en la rejilla)

Control por interfase, o por difusión, o mezclado

Controlado por interface

Controlado por interfase

Principal-mente por interface

Princi-palmente por difusión

Control Mixto

Ejemplos Martensita Maclado

Masiva Polimórfica Recristalización Crecimiento de grano

Precipitación Bainita

Precipita-ción Solidifica-ción

Precipi-tación, Eutectoide. Celular

Repaso diagrama Fe-C

• Escriba los nombres y símbolos de las fases para cada zona del diagrama Fe-C

• Encierre en un circulo y nombre las transformaciones (eutéctica, peritéctica, eutectoide, etc.) dentro del diagrama.

• Indique la composición y temperatura donde se forma el microconstituyente que se llama comúnmente Perlita.

• Señale cual es el rango de composiciones para aceros hipereutectoides e hipoetuectoides

• Señale los puntos donde se encuentre un máximo de solubilidad e indique a que fase corresponde

• Indique a que sistema cristalino (bcc, fcc, hcp, ortorrómbica, etc.) para cada fase solida

Análisis de algunas transformaciones del diagrama de fases Fe-C

Transformación

¿Cambio la estructura cristalina del material? si o no

¿Cambió la composición dentro del material? si o no

¿Se deformó la estructura cristalina del material? si o no

a

b

c

d

e

f

Análisis de algunas transformaciones del diagrama de fases Fe-C Transformaci

ón ¿Cambio la estructura cristalina del material? si o no

¿Cambió la composición dentro del material? si o no

¿Se deformó la estructura cristalina del material? si o no

a Si, de L a fcc No, el C esta

homogéneamente distribuido

No, el liquido no tiene estructura cristalina

b Si, de L a bcc No, es Fe puro No, el liquido no

tiene estructura cristalina

c Si, de fcc a ortorrómbico una parte de γ

Si, el C salió de γ para formar Fe3C

Si, debido la formación de Fe3C

d Si, de fcc a bct No, durante el temple el C

no le da tiempo de moverse Si, el temple deforma la estructura

e Si, de fcc a bcc + ortorrómbico

Si , se movió el C para formar 2 fases y la perlita

Si, por la formación de 2 fases y la perlita

f Si, una parte se transforma en ortorrómbico

Si, el C salio de α para formar Fe3C

Si por la formación de Fe3C

Repaso Regla de la palanca

• Señale las zonas (áreas y líneas) donde se puede aplicar la regla de la palanca en el diagrama eutéctico Au-Si

Repaso regla de la palanca

• Se tiene un crisol con una aleación “A”

• ¿A 1453°C en que fase se encontraría la aleación?

• ¿A 1453°C si tomáramos una muestra y lleváramos esa fase a análisis químico cual seria la composición?

Repaso regla de la palanca

• ¿Si se enfría la aleación liquida hasta la temperatura T1 que porcentaje de la aleación ya estaría solido?

• ¿Al enfriar hasta la temperatura T1 que porcentaje de la aleación estaría aun liquido?

Repaso regla de la palanca

• ¿Si a la temperatura T1 tomáramos una muestra del solido que se ha formado que composición tendría?

• ¿Si a la temperatura T1 tomáramos una muestra del liquido que se ha formado que composición tendría?

Análisis de la transformación

• ¿Al solidificar la aleación 50% Cu - 50% dónde se formaran los primeros solidos; en el seno del liquido, el fondo del crisol o en las paredes?

• ¿El movimiento de los átomos al solidificar es civil o militar?

• ¿Qué se entiende por una solidificación al equilibrio?

• ¿Los granos metálicos al formarse tendrán una composición homogénea, si no se solidifica al equilibrio?

Respuestas

• ¿Al solidificar la aleación 50% Cu - 50% Ni dónde se formaran los primeros solidos; en el seno del liquido, el fondo del crisol o en las paredes? • Se formaran lo que se conoce como núcleos solidos, algunos en el

seno del líquido (Nucleación homogénea) pero la mayor parte en las paredes (Nucleación heterogénea)

• ¿El movimiento de los átomos al solidificar es civil o militar? • El movimiento formar los núcleos de solido y también para hacerlos

crecer de tamaño es civil

• ¿Qué se entiende por una solidificación al equilibrio? • Un sistema demasiado pequeño donde la temperatura es

homogénea y el enfriamiento durante la solidificación es muy lento

• ¿Los granos metálicos al formarse tendrán una composición homogénea, si no se solidifica al equilibrio? • No tendrán una composición homogénea se forma lo que se conoce

como dendritas. La dendrita tendrá mayor contenido del elemento con menor punto de fusión en el centro, habrá segregación del elemento con mayor punto de fusión e impurezas.

Actividad 1

• En una hoja de cálculo en Excel

• Graficar ∆𝐺 𝑘𝐽

𝑚𝑜𝑙 vs 𝑇 𝐾 para la fusión de Fe,

• 5 puntos de 𝑇 desde 1450 °C a 1550°C, intervalos de 25°C

• Ajustar una recta 𝑦 = 𝑚𝑥 + 𝑏 y obtener el valor de m, b y R

• A partir de que temperatura el ∆𝐺 es negativo

• Datos

• ∆𝐻𝑓 = 13.81 𝑘𝐽

𝑚𝑜𝑙

• 𝑇𝑓 = 1538°𝐶

• ∆𝐺𝑓 = ∆𝐻𝑓 − 𝑇∆𝐻𝑓

𝑇𝑓

Objetivos Actividad 1 Excel

• Introducción a Excel como herramienta ingenieril

• Introducción de símbolos como Δ

• Formato de celdas

• Formulas básicas

• Desplazamiento de formulas

• Uso de $ en formulas

• Series con intervalos definidos

• Graficas y vs x

• Ajuste lineal