transformacion de fase

1. Transformaciones de fase
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Tema 4:
Transformaciones
de fase

2. Transformaciones de fase
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Transformaciones de fase
Una transformación de fase es cualquier proceso en el que se produzca un
cambio en el número o en el carácter de las fases presentes.
Se clasifican en varios tipos:
• Difusionales: necesitan difusión. Ej.: crecimiento
de grano, transformación de austenita en perlita, etc.
• No difusionales: no se produce difusión atómica.
Ej.: transformación de austenita en martensita.
• Congruentes: sin cambio en la composición de las fases. Ej.: una
transformación alotrópica (Fe-  Fe-), la fusión (o la solidificación) de un
metal puro, la fusión de algunos intermetálicos (Mg2Pb), etc.
• Incongruentes: con cambio en la composición de alguna de las fases. Ej.:
la reacción eutectoide austenita  perlita, la fusión parcial de una aleación
binaria Cu-Ni, la reacción peritéctica del sistema Fe-Fe3C, etc.

3. Transformaciones de fase
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Equilibrio termodinámico y tiempo
Para que un sistema alcance el equilibrio termodinámico se precisan tiempos
muy largos, normalmente impracticables.
Puesto que en muchas transformaciones de fase el tiempo juega un papel
esencial, lo normal es que en una situación real no estemos en equilibrio.
Cuando externamente se lleva un sistema a una situación fuera del equilibrio,
necesita tiempo para que todo el sistema llegue a la fase de equilibrio.
Es usual representar la fracción de material
que se ha transformado frente al tiempo, a
una temperatura dada. En muchos procesos
esta dependencia sigue una ley de Avrami:
k y n dependen de los mecanismos de
nucleación y crecimiento de la nueva fase.

4. Transformaciones de fase
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Crecimiento de grano
Los metales y aleaciones suelen ser policristalinos. Los granos se crean tras la
solidificación, la recristalización, etc. Después crecen por difusión, ya que al
disminuir la superficie total de los granos, baja esta contribución energética.
El tamaño de grano es esencial para las propiedades mecánicas, y por tanto
interesa tener control sobre el mismo.
En muchas ocasiones el tamaño promedio de
grano, d, evoluciona con el tiempo, t, según:
donde K es una constante que depende de la
temperatura siguiendo una ley de Arrhenius,
n es un exponente  2, y d0 = d(t=0).

5. Transformaciones de fase
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Crecimiento de grano
http://lagrit.lanl.gov/new_html/tmap-a.gif
Si la temperatura y el tiempo son suficientes, los granos grandes crecen a costa
de los pequeños. Esto hace aumentar el tamaño medio de grano (y empeorar
las propiedades mecánicas).

6. Transformaciones de fase
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Alotropía
Resumen
1539 ºC
1400 ºC
910 ºC
Aceros Fundiciones
Reacción
EUTÉCTICA a
1130 ºC
L   + Fe3C
(LEDEBURITA)
Reacción
EUTECTOIDE
a 727 ºC
   + Fe3C
(PERLITA)
Reacción
PERITÉCTICA
 + L  
(AUSTENITA)
(FERRITA)
0.77%
727

7. Transformaciones de fase
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Desarrollo de microestructuras
Composición eutectoide: 0,77% C
Microestructura perlítica: el C de la
fase  se distribuye por difusión entre
las fases  (menor %C) y Fe3C (mayor
%C), formando láminas adyacentes:

8. Transformaciones de fase
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Transformación perlítica
Supongamos que tenemos austenita con
0,77% C en equilibrio a 750 ºC. Entonces se
enfría bruscamente a 675 ºC y se mantiene a
esa temperatura mucho tiempo.
La fase de equilibrio a 675 ºC es perlita,
pero se requiere tiempo para que todo el
material se transforme:

9. Transformaciones de fase
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Diagramas de
transformación
isotérmica (TTT)
A partir de las curvas anteriores
medidas a varias temperaturas se
van construyendo otras en las que
se representan los tiempos de
inicio y final de la transformación
para cada temperatura.
En cada caso, la austenita se ha
enfriado bruscamente y luego se
mantiene a esa temperatura
mucho tiempo.

10. Transformaciones de fase
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Perlita fina y perlita gruesa
Acero al carbono eutectoide
La perlita se forma por difusión. A alta temperatura el crecimiento de grano es
muy rápido y aparece la perlita gruesa, formada por láminas gruesas. A baja
temperatura (difusión más lenta) se forma perlita fina, con espaciado menor.

11. Transformaciones de fase
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Perlita
gruesa
Perlita
fina

12. Transformaciones de fase
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Diagrama TTT para un acero eutectoide (0,77% C)
En el diagrama TTT de un acero
eutectoide, por debajo de 540 ºC
(y hasta 215 ºC) aparece otro
microconstituyente de no
equilibrio: la bainita.
A: austenita
P: perlita
B: bainita
N: “nariz” bainítica
La “nariz”, N, separa las regiones
de las transformaciones perlítica y
bainítica.
La bainita está formada por
una matriz de ferrita con
“placas” micrométricas de
Fe3C en su interior.

13. Transformaciones de fase
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La martensita
Si al austenita se enfría muy rápidamente (temple) por debajo de 215 ºC, el C no
tiene tiempo de difundir y no se puede formar Fe3C. Se produce una solución
sobresaturada de C en una red de ferrita distorsionada, con estructura tetragonal
centrada en el cuerpo: la martensita. Su dureza es muy alta (50-68 HRC).
Agujas de martensita (oscuras) en una
matriz de austenita retenida (clara)
Intersticios
que pueden
alojar al C
La martensita se mantiene a baja temperatura en estado metaestable. Si se
somete a un tratamiento térmico posterior, sufre nuevas transformaciones
de fase en las que el exceso de carbono precipita en forma de Fe3C.

14. Transformaciones de fase
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Diagrama TTT
completo para un
acero eutectoide
(0,77% C)
La formación de la martensita
es no difusional. Por eso es casi
instantánea y no depende del
tiempo.

15. Transformaciones de fase
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Diagramas TTT para aceros al carbono hipoeutectoides
Aparece ferrita proeutectoide. La nariz bainítica se desplaza a tiempos menores.
En la práctica estos
aceros tienen muy baja
templabilidad, pues se
requieren velocidades de
enfriamiento enormes.



16. Transformaciones de fase
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Diagramas TTT
para aceros
aleados
Introducir elementos de
aleación permite estabilizar
la austenita a temperaturas
más bajas y desplazar la
nariz bainítica a tiempos
más altos.
Algunos elementos de
aleación se añaden para
mejorar la templabilidad.
0,4% C – 1,8% Ni – 0,8% Cr – 0,7% Mn – 0, 25% Mo

17. Transformaciones de fase
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Diagramas de enfriamiento continuo (TEC)
Muestran las transformaciones que tienen lugar cuando el acero se enfría
a velocidad constante.
Las curvas de inicio y final de la
transformación A  P se desplazan
un poco hacia tiempos mayores y
temperaturas más bajas.
Las temperaturas de la
transformación martensítica
(inicio, 50% y 90%) no cambian
respecto a las del diagrama TTT.
En estos tratamientos, los aceros al
carbono no contienen bainita (que
sólo se da tras un tratamiento
isotérmico de la austenita a baja Tª).
Diagrama TEC para acero eutectoide

18. Transformaciones de fase
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Velocidad de enfriamiento
Se controla a través del medio en
que se enfríe (agua, aceite, sales...).
A velocidades más altas que
la velocidad crítica de temple
se tiene sólo martensita.
Estos diagramas son muy útiles
para procesos de soldadura.
A velocidades más bajas se forma
total o parcialmente perlita.

19. Transformaciones de fase
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Templabilidad
En una pieza templada el enfriamiento en la superficie es muy rápido, pero en
el interior es más lento, pudiendo no alcanzar la velocidad crítica de temple.
La templabilidad mide la facilidad de penetración del temple de la superficie al
núcleo. Depende de la composición de cada acero.
 Alta
templabilidad
Baja 
templabilidad

20. Transformaciones de fase
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Ensayo Jominy
1. Austenización (30 min).
2. Enfriamiento por chorro de agua
vertical (10 min).
3. Medida de HRC en función de d.
UNE-EN ISO 642:2000: “Acero. Ensayo de templabilidad por templado final (ensayo Jominy)”
Una pieza cilíndrica austenizada se templa enfriándola por un extremo con un
chorro de agua. Después se mide la dureza a lo largo de su generatriz.

21. Transformaciones de fase
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Ensayo Jominy
http://www.youtube.com/watch?v=qW0aUbTWtVM

22. Transformaciones de fase
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Curva de templabilidad Jominy
C45
F-1140
0,40-0,50 % C
MÁXIMA
MÍNIMA

23. Transformaciones de fase
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Curvas Jominy para varios aceros
0,30-0,40 % C
0,50-0,80 % Mn
C35
F-1130
MALA TEMPLABILIDAD
BUENA TEMPLABILIDAD
34CrMo4
F-1250
0,30-0,37 % C
0,60-0,90 % Mn
0,90-1,20 % Cr
0,15-0,30 % Mo