Propiedades De Los Materiales

TRANSFORMACIONES DE FASE EN LOS METALES

Los materiales metálicos son versátiles debido a la gran variedad de propie¬dades mecánicas susceptibles de alteración por diferentes medios Las propiedades mecánicas fundamentadas en las características microestructurales se modifican con técnicas adicionales idó¬neas. La evolución de la microestructura de aleaciones mono y bifásicas suele implicar algún tipo de transformación de fase: alteración en el número y/o carácter de las fases.

En los tratamientos de los materiales se produce una gran variedad de trans¬formaciones de fases, que representan alguna alteración de la microestruc¬tura. Estas transformaciones, para los fines de este libro, se dividen en tres categorías. En un grupo se reúnen las transformaciones que son simples di¬fusiones: no cambia ni el número ni la composición de las fases presentes.

En otro tipo de transformación dependiente de la difusión hay alteración en las composiciones de fases y, a veces, en el número de fases. El tercer tipo de transformación es sin difusión y se forma una fase me- taestable.

CINÉTICA DE REACCIONES EN ESTADO SÓLIDO

La mayoría de las reacciones en estado sólido no ocurren instantáneamente porque los obstáculos impiden el desarrollo de la reacción y la hacen depen¬der del tiempo.

Desde el punto de vista microestructural, el primer proceso que acompa¬ña a una transformación de fase es la nucleación o formación de partículas muy pequeñas, casi submicroscópicas, o núcleos de una nueva fase, capaces de crecer. Las posiciones favorables para la formación de estos núcleos son las imperfecciones, especialmente los límites de grano. El segundo proceso es el crecimiento o incremento de tamaño del núcleo. Durante este proceso desaparece volumen de la fase madre. La transformación es completa si el crecimiento de estas nuevas partículas de fases llega hasta alcanzar el equi¬librio.

La velocidad de transformación tiene importancia capital en el trata¬miento térmico de los materiales y su estudio constituye la cinética.

TRANSFORMACIONES MULTIFASE

En las aleaciones metálicas pueden ocurrir transformaciones multifase al va¬riar la temperatura, la composición y la presión externa; sin embargo, en los tratamientos térmicos se utilizan exclusivamente los cambios de temperatu¬ra para generar cambios de fases. Esto equivale a cruzar un límite de fase en un diagrama de fases composición-temperatura, cuando se calienta o se en¬fría una aleación de composición determinada.

Durante una transformación de fases, una aleación evoluciona a través de estados de equilibrio caracterizados por un diagrama de fases en térmi¬nos de fases producidas, composición y cantidad relativa. Los sistemas sólidos se aproximan al equilibrio a una velocidad tan lenta que raramente se consiguen las verdaderas estructuras de equilibrio. Las condiciones de equilibrio sólo se alcanzan si las velocidades de calentamien¬to o de enfriamiento se realizan a una velocidad tan lenta como impráctica. En los enfriamientos de no equilibrio, las transformaciones ocurren a tem¬peraturas inferiores a las indicadas por el diagrama de fases; en los calenta¬mientos, los cambios son a temperaturas superiores. Estos fenómenos se denominan subenfriamiento y sobrecalentamiento, respectivamente.

CAMBIOS MICROESTRUCTURALES Y DE PROPIEDADES EN ALEACIONES HIERRO-CARBONO

Los principios fundamentales de las transformaciones en estado sólido en este apartado se amplían y se aplican a las aleaciones hierro-carbono en tér¬minos de las relaciones entre tratamiento térmico, evolución de microes- tructuras y propiedades mecánicas. Se ha escogido la aleación hierro- carbono (acero) debido a su gran aplicación y a la gran variedad de microes- tructuras y de propiedades.

Bainita

En la transformación de la austenita se forma, además de la perlita, un cons¬tituyente denominado bainita. La microestructura bainítica consta de las fa¬ses ferrita y cementita y en su formación intervienen procesos de difusión. La bainita forma agujas o placas, dependiendo de la temperatura de trans¬formación; los detalles microestructurales de la bainita son tan finos que su resolución sólo es posible mediante el microscopio electrónico. La transformación bainítica también depende del tiempo y de la tempe¬ratura y se puede representar en un diagrama de transformación isotérmico, a temperaturas inferiores a las de formación de la perlita; las curvas de ini¬cio, final y semirreacción son parecidas a las de la transformación perlítica.

Esferoidita

Si un acero con microestructura perlítica se calienta hasta una temperatura inferior a la eutectoide durante un período de tiempo largo, por ejemplo a 700°C entre 18 y 24 h, se forma una nueva microestructura denominada es¬feroidita, cementita globular o esferoida. . La fuerza impulsora de esta transformación radica en la disminución del límite de fase a-Fe3C. La cinética de la formación de la esferoidita no está incluida en los diagramas de transformación isotérmica.

Martensita

El enfriamiento rápido (o temple), hasta temperatura próxima a la am¬biental, del acero austenizadó origina otro microconstituyente denominado martensita, que resulta como una estructura de no equilibrio de la transfor¬mación sin difusión de la austenita. La transformación martensítica no es bien conocida. Sin embargo, gran número de átomos se mueven de modo cooperativo, lo que representa pe¬queños desplazamientos de un átomo respecto a sus vecinos. Esta transfor¬mación significa que la austenita FCC experimenta una transformación polimórfica a la martensita tetragonal centrada en el cuerpo.

COMPORTAMIENTO MECÁNICO DE LOS ACEROS AL CARBONO

Se discute ahora el comportamiento mecánico de los aceros al carbono con perlita fina, perlita gruesa, esferoidita, bainita y martensita y la relaóión en¬tre la microestructura y las propiedades mecánicas. En la martensita se pue¬de considerar que existen dos fases: ferrita y cementita.

Perlita

La cementita es más dura y más frágil que la ferrita. Por este motivo al au¬mentar la fracción de Fe3C en un acero, mientras permanecen constantes los otros elementos microestructurales, resulta un material duro y resistente.

Tratamientos térmicos de aleaciones metálicas

Un proceso de recocido es un tratamiento térmico utilizado para eliminar

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