La reacción de formación de perlita en aleaciones Fe-C

Transcripción

1 La Transformación Eutectoide ( Tomado de Porter D. A et al Phase Transformations in metals and alloys. Reed Hill R. Principios de Metalurgia Física, Hume Rothery The Structures of alloys of iron ) La reacción de formación de perlita en aleaciones Fe-C Cuando la austenita contiene alrededor de 0.8%c y se enfría bajo de la temperatura A1, se vuelve sobresaturada simultáneamente con respecto a la ferrita y la cementita, resultando la transformación eutectoide, i.e.: Υ = α + Fe 3 C La manera en la que ocurre esta reacción es muy similar a la transformación eutéctica donde la fase original es un líquido en vez del sólido. En el caso de las aleaciones Fe-C la microestructura resultante es laminar, láminas de cementita embebidas en ferrita como se muestra en la figura 1 y se conoce como perlita. Tanto la cementita como la ferrita se forman directamente en contacto con la austenita, como se muestra en esta figura Figura 1 Los nódulos de perlita se nuclean en los bordes de grano y crecen con una velocidad radial constante dentro de los granos de austenita. A pequeños sub-enfriamientos debajo de A1 el número de nódulos de perlita que se nuclean es relativamente pequeño y éstos pueden crecer como semiesferas o esferas sin que se interfieran unos con otros. A grandes sub-enfriamientos la velocidad de nucleación es mucho mayor y ocurre lo que se conoce como saturación de sitios, los bordes se cubren de nódulos los cuales crecen juntos formando capas de perlita que enmarcan el grano de austenita que existía como se ve en la figura 2 1

2 Figura 2 Nucleación de Perlita El primer paso en la nucleación de Perlita es la nucleación de, ya sea, cementita o ferrita en un borde de grano austenítico. La fase que nuclee primero depende de la estructura y composición. Supóngase que es la cementita, ésta tratará de minimizar la barrera energética de nucleación formándose con una relación de orientación adecuada a uno de los granos de austenita, Υ 1 en la figura 3. La estructura cristalina de la cementita es ortorrómbica y la relación de orientación es cercana a (100) Fe3C (1-1 1) Υ, ( 010) Fe3C (110) Υ, (001) Fe3C ( -1 12) Υ. Por lo tanto, el núcleo tendrá una intercara semicoherente, de baja movilidad con Υ1 y una intercara incoherente móvil con Υ2. La austenita que rodea a este núcleo se ve empobrecida en carbono, este favorece la formación de ferrita, y se forma un núcleo de ferrita adyacente al de cementita con una orientación a Υ1 del tipo Kurdjumov-Sachs. Este proceso se repite causando que la colonia pueda crecer a los lados a lo largo del borde de grano. Figura 3 a) en un borde de grano la cementita nuclea i)con una intercara coherente y una relación de orientación con y1, tiene una intercara incoherente con y2; ii) α se nuclea adyacente a la cementita, también con una intercara coherente y una relación de orientación con y1 ( Esto tambienproduce una relación de orientación entre la cementita y la ferrita.; iii) el proceso de nucleación se repite hacia los lados al tiempo que la intercara incoherente avanza en y2; iv)nuevas placas se forman por un mecanismo de 2

3 ramificación.b) Cuando una fase proeutéctica ( cementita o ferrita) ya existe en lel borde, la perlita se nuclea y crece sobre el lado incoherente. En este caso resulta una orientación diferente entre la ferrita y la cementita. c) Una colonia de perlita con uncrecimiento más avanzado. Despues de la nucleación de ambas fases la colonia de perlita puede crecer hacia los limites por el movimiento de las intercaras coherentes, o sea, la perlita cerce en el grano de austenita con la que no tiene relación de prientación. El carbon que se rechaza al formarse y crecer la ferrita se difunde a través de la austenita en frente de la cementita, como sucede en una solidificación eutéctica. Si la composicion de la aleación no corresponde a la composición eutectoide, los bordes de grano pueden ya estar cubiertos con la ferrita o cementita proeutectoides. Si, por ejemplo el borde de grano ya contiene una capa de cementita, el primer núcleo de ferrita se formará con una relación de orientación a esta cementita sobre el lado móvil incoherente de la alotriomorfa como se ve en la figura 3 b). Otra vez, debido a la mayor movilidad de las intercaras incoherentes la perlita crecerá hacia la austenita con la que no hay relación de orientación. Cualquiera que sea el mecanismo de nucleación, las láminas de cementita son tambien capaces de formarse por ramificación de una lámina en 2 nuevas láminas como se ve en 3iv) o en 3c). La colonia perlitica resultante tiene a las 2 fases interpenetradas Se puede ver que la nucleación de la perlita requiere el establecimiento de un movimiento cooperativo de las 2 fases. Toma tiempo el que se establezca esta cooperación y la velocidad de la nucleación de las colonias se incrementa con el tiempo. En algunos casos la cooperación no se establece para que la ferrita y la cementita crezcan en forma no laminar, llamada perlita degenerada. Crecimiento de la Perlita Dado que la perlita puede formarse a diversas temperaturas, para su estudio se considera el proceso isotermicamente. En este caso, con la suposición de que la velocidad de nucleación es constante, Johnson Mehl demuestra que sepuede expresar la fracción transformada de la siguiente forma: Xr ó f(t) = 1 e- ( π/3 N G 3 t 4 ). En la figura 4 se ilustra la forma que adopta este proceso de transformación de austenita a perlita y que viene representado en una curva TTT 3

4 Figura 4 El espaciamiento laminar es influenciado por la temperatura. Zener, desde 1946 analizó esta dependencia, siguiendo la figura 5 Figura 5 Se trata de imaginar una aleación eutectoide como en la figura 5. Su profundidad es δ, y su espaciamiento laminar S. Por lo tanto, al crecer dx, se tiene un elemento de volúmen S dx δ, con u 4

5 densidad ρ, se tiene una masa de Sρ dx δ. Si esta masa se forma a una temperatura inferior a la eutectoide ( para tener fuerza motriz) se tiene que la energía libre sería: Δ G S dxδρ o mejor ΔH ( ΔT /Te) S dxδρ. Ésta energia se acompaña de un incremento de energía interfacial σ, en la intercara o sea 2 δ σdx. El crecimiento de las láminas sería posible si la energía de superficie que se genera es contrarrestada por la fuerza motriz y eso significa que el espaciamiento posible esta dado por: ΔH ( ΔT /Te) S dxδρ = 2 δ σdx de donde S = esto es, el espaciamiento es inverso al ΔT, a mayor ΔT menor espaciamiento ( perlita fina) y a menor ΔT mayor espaciamiento o perlita gruesa. En la Figura 6 se muestran los 2 tipos de perlita la que formó primero a alta temperatura, después a baja. Cuando se usan temperaturas mas bajas las laminas no se resuelven, solo con microscopia electrónica. Antiguamente se le daba a la perlita muy fina los términos de troostita o sorbita. Figura 6 5