TEMA 13: TRANSFORMACIONES EN ESTADO SÓLIDO EN MATERIALES METÁLICOS

13.1. DIFUSIÓN EN ESTADO LÍQUIDO

Procesos Térmicamente Activados

Aquellos en los que la velocidad del Proceso aumenta exponencialmente cuando aumenta la T. Ejemplos: la oxidación o La deformación por fluencia. La ecuación que describe esto es la de Arrhenius: Velocidad del proceso= Cexp(-Q/RT), Donde Q es la energía de Activación del proceso (en J/mol), R es la constante universal de Los gases y T es la temperatura absoluta.

La energía de activación es la energía que necesita un sistema para poder iniciar un determinado Proceso. Puede definirse como la barrera energética, q, que debe superar un átomo mediante la ayuda de la activación térmica.

El valor de la energía de Activación es carácterístico del mecanismo del proceso que está actuando por lo Que, determinado el valor de Q a partir de la velocidad del proceso a Diferentes temperaturas, puede conocerse el mecanismo que tiene lugar.

Difusión en Metales

Proceso por el cual los átomos se mueven de una parte a otra de la Materia, redistribuyéndose. Para que ocurra el movimiento de los átomos por el Material, son necesarias dos condiciones: • Debe existir un espacio libre Adyacente. • El átomo debe poseer energía suficiente para romper los enlaces Atómicos y distorsionar la red.

El enlace metálico es no direccional y más débil individualmente por lo Que habrá mayor facilidad para la difusión.

Fenomenología Observada

En los materiales metálicos el fenómeno de la difusión puede manifestarse De maneras diferentes: • Difusión de átomos por el interior del material: —

Autodifusión

Cuando se difunden átomos del propio metal base.

–Interdifusión

Cuando se difunden átomos de otros elementos. Está regida por diferencias de concentración, Producirá cambios de composición, precipitación…

• Difusión de átomos desde el ambiente circundante  • Difusión  De átomos desde el material hacia el ambiente

Mecanismos Fundamentales de Difusión:

• Intercambio simple de átomos: (casi Imposible).    • Intercambio cíclico De átomos:(casi Imposible). • Difusión a través de vacantes: implica el salto de un átomo desde una posición reticular que estaba ocupando hacia una posición Vacante de la red.La posibilidad de difusión será función del número de vacantes disponibles, Que aumenta exponencialmente con la temperatura. Además, la migración de átomos A través de la red implica en este mecanismo un movimiento de vacantes en Sentido opuesto al flujo de átomos.• Difusión Intersticial: los átomos intersticiales se desplazan a través de posiciones Intersticiales adyacentes de la red. En este caso no es necesario que haya Vacantes próximas. Se produce la difusión de átomos de soluto e impurezas de Radio atómico muy pequeño en relación al radio atómico del metal base. Será Función del número de huecos disponibles y del tamaño de los mismos. Es mucho Más rápida que la difusión por vacantes.• Difusión A través de otras discontinuidades o imperfecciones: superficiales (bordes de grano, superficie del material) o lineales (dislocaciones).

Factores que Influyen en la capacidad de difusión:

• El mecanismo de difusión • La Temperatura • La estructura de la red del disolvente • El tipo de enlace del Disolvente. • La zona a través de la cual se produce la difusión • La Concentración de los elementos a difundir.

DIFUSIVIDAD O COEFICIENTE DE DIFUSIÓN: D= Do.Exp(-Q/RT)

13.2. TRANSFORMACIONES TÉRMICAS. NUCLEACIÓN Y CRECIMIENTO

Carácterísticas de las Transformaciones Térmicas:

• Térmicamente Activadas, se rigen por la difusión. •Los átomos se desplazan por difusión  • Son transformaciones de nucleación y Crecimiento. • La temperatura es un parámetro fundamental. • La reacción avanza Con el tiempo. • La velocidad de transformación depende de la temperatura. • Estas transformaciones pueden o no producirse a temperaturas muy bajas, o Impedirse por enfriamiento brusco. • La cantidad transformada depende de la Temperatura y el tiempo. • Las fases inicial y final pueden tener composición Y/o estructura diferente.   • Ambas fases Pueden tener, o no, la misma red cristalina.

Se define la velocidad de transformación como 1/t_0,5 Donde t_0,5 es el tiempo que ha de transcurrir a dicha temperatura Para que se produzca la mitad de la transformación.

13.3. ALOTROPÍA

Alotropía o polimorfismo:

la posibilidad de cristalizar en diferentes redes cristalinas en función De la temperatura. Las temperaturas de transformación se denominan puntos Críticos.

La transformación alotrópica es una Transformación en estado sólido similar a la solidificación. Como ésta, es También un proceso de nucleación y crecimiento. Sin embargo, en el estado Sólido hay menor movilidad atómica y mayores inercias para que se produzca la Transformación. Las zonas por las que puede comenzar la transformación alotrópica Son aquéllas con mayor energía libre en el cristal.

Estas transformaciones se pueden Producir a distintas temperaturas:

• Si la transformación se produce en El enfriamiento: — Las velocidades de nucleación y crecimiento varían como En la solidificación. — Si la transformación se produce a alta temperatura, el Grano final será grueso. — Puede evitarse por enfriamiento brusco.

• Si la transformación se produce en El calentamiento: — Las velocidades de nucleación y crecimiento aumentan Con la temperatura, puesto que se favorece la difusión y aumenta le tendencia a Que se produzca el cambio. — El tamaño de grano obtenido aumenta con la Temperatura y el tiempo de permanencia implica tener precaución con los Tratamientos térmicos.

13.4. TRANSFORMACIONES ATÉRMICAS O SIN DIFUSIÓN

Las transformaciones atérmicas son Aquellas en las que el proceso no es térmicamente activado. En estas no Interviene la difusión. Se conocen también como martensíticas.

Carácterísticas de las Transformaciones Atérmicas:

• Se producen por cizalladura de planos Cristalográficos. • Se produce la formación de una nueva fase, con una red Cristalina diferente de la original, aunque guardan algún tipo de relación de Orientación.     • Al no haber difusión Las fases inicial y final tienen la misma composición. • La nucleación y el Crecimiento de la nueva fase cristalina son instantáneos, lo que significa que la Reacción no evoluciona con el tiempo. • Suelen producirse a baja temperatura. Se Definen Ms (la temperatura a la que da comienzo la transformación) y Mf (la Temperatura de final de transformación). • La cantidad transformada depende únicamente de la temperatura alcanzada, mientras que la velocidad de reacción no Depende de la temperatura. • La fase final es metaestable.

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