Estructuras Metalográficas
y
Transformaciones de Fases
Conceptos Previos
Enlace Metálico
Enlace Iónico
Conceptos Previos
Cristalino: Estado de un material sólido que se caracteriza por el ordenamiento atómico
periódico y repetitivo de átomos, iones o moléculas.
Estructura cristalina: Forma en la cual están ordenados en el espacio los átomos o iones
de un sólido cristalino.
Conceptos Previos
Conceptos Previos
Conceptos Previos
Estructura del Diamante y del Grafito
Conceptos Previos
Grano y Borde de Grano
Aleación
Reunión de dos o mas metales o de uno o mas metales con un no metal. Sustancia
metálica compuesta de dos o mas elementos.
En una aleación se añade intencionadamente átomos extraños (aleantes) para conseguir
un metal de características específicas.
Disolvente: Elemento o compuesto presente en mayor cantidad.
Soluto: Elemento o compuesto presente en menor concentración.
Al agregar un elemento aleante a un metal puro pueden ocurrir dos casos:
• Se forma una solución sólida  puede ser intersticial o sustitucional.
• Se genera una segunda fase
SOLUCION SOLIDA INTERSTICIAL
Cuando el soluto tiene sus átomos alojados en los espacios interatómicos del solvente.
Se producen cuando los átomos del soluto son pequeños con respecto a los del solvente.
SOLUCION SOLIDA SUSTITUCIONAL
Cuando los átomos del soluto sustituyen átomos del solvente. Los átomos del soluto
pueden ser ligeramente mayor o menor a los del solvente
Aleaciones
Estructuras Metalográficas
Metalografía (o Microscopía)
Es la ciencia que estudia las características microestructurales de
un metal o aleación, relacionándolas con las propiedades físicas,
químicas y mecánicas.
Mediante una metalografía es posible determinar:
• tamaño, forma y distribución de fases
• tamaño y forma de la estructura granular
Esto permite revelar el tratamiento mecánico y térmico
del material.
Microscopio Óptico
Microscopio Electrónico
De Barrido
ESTRUCTURAS
METALOGRAFICAS
Granos equiaxiales de solución sólida; ferrita y
eutectoide laminar: perlita. Estructura de acero SAE
1045 en estado de recocido. Estructura en bandas, los
constituyentes se disponen en hileras.
Estructura de Widmanstätten. Solución solida blanca
acicular y eutectoide fino. Acero SAE 1045
hipernormalizado. Ferrita acicular y perlita fina. Grano
grande.
Estructura de granos reticulares de solucion sólida
blanca y eutectoide laminar fino. Acero SAE 1045
normalizado. Ferrita reticular y perlita fina no resuelta
ESTRUCTURAS
METALOGRAFICAS
ESTRUCTURAS METALOGRAFICAS
Uranio irregularmente deformado en frio y calentado.
Estructura parcialmente recristalizada. Los granos que
alcanzan la deformación crítica han recristalizado. En los
granos que no han recristalizado se notan las maclas de
deformación.
Aumento: 150X
Ataque: ácido perclórico
Latón deformado y recristalizado con un tratamiento de
recocido de alta temperatura y tiempo de mantenimiento
prolongado. Granos grandes equiaxiales maclados.
Aumento: 100X
Ataque: cloruro férrico
ESTRUCTURAS METALOGRAFICAS
ESTRUCTURAS EUTECTICAS 0 DE COPRECIPITACION
Acero SAE 1085. Eutectoide laminar: Perlita (Láminas
alternadas de ferrita y cementita).
Aumento: 700X
Ataque: Nital
Acero SAE 1085. Eutectoide parcialmente
globulizado.
Es el mismo acero de la figura de arriba, después de
un proceso incompleto de un tratamiento térmico de
recocido de globulización.
Aumento: 700X
Ataque: Nital
15
Transformaciones de Fases
Una transformación de fase ocurre cuando se forma al menos una nueva fase con
propiedades físicas, químicas y/o microestructura diferente a la fase original.
Las estructuras metalográficas de los sólidos metálicos se
generan a partir transformaciones de fases.
Clasificación de los mecanismos de transformaciones de fases:
Procesos difusionales (Nucleación y Crecimiento)
Precipitación
Coprecipitación (eutéctico o eutectoide)
Implica el movimiento difusional atómico de largo alcance  cada átomo se puede mover varias veces la
longitud interatómica.
Procesos sin difusión
Transformación Martensítica
Implica el movimiento atómico de corto alcance  implica el movimiento cooperativo de varios átomos en
menos de la longitud interatómica.
Mecanismo de nucleación y crecimiento
Etapa de nucleación:
Aparición de numerosas partículas o núcleos de la nueva fase (de sólo unos cuantos
cientos de átomos).
Existen dos tipos de nucleación, dependiendo del sitio donde tiene lugar:
Nucleación homogénea: los núcleos se forman uniformemente en toda la fase matriz.
 Nucleación heterogénea: los núcleos se forman preferentemente en las
inhomogeneidades estructurales (superficie del recipiente, impurezas insolubles, límites
de grano, etc)
Nucleación Homogénea
Una transformación de fase puede ocurrir en forma espontánea únicamente si
ocurre una disminución de la energía libre del sistema  ΔG= ΔH – T ΔS < 0
La energía libre de Gibbs es función de la energía interna del sistema (la Entalpía, H) y
de la aleatoriedad o desorden de los átomos (la Entropía, S).
Consideraciones:
• Se considera la solidificación de un metal puro.
• Se supone que los núcleos de la fase sólida se forman en el interior del líquido
• Los átomos se aglomeran en núcleos hasta formar una estructura de
empaquetamiento similar a la encontrada en la fase solida.
• Cada núcleo tiene una geometría esférica y un radio r.
Volumen = 4/3 π r3
r
Sólido
Area = 4π r2
Líquido
Nucleación Homogénea
Volumen = 4/3 π r3
r
Líquido
Sólido
Area = 4π r2
Contribuciones al cambio de energía libre total asociada a la transformación de fase:
La energía libre de volumen ΔGV.
Es la diferencia de energía libre entre las fases sólido y líquido. Su valor será negativo si la
temperatura está por debajo de la temperatura de solidificación de equilibrio. La magnitud de
su contribución es el producto de ΔGV por el volumen del núcleo esférico (4/3 π r3).
La energía libre superficial γ.
Es la energía libre que proviene de la formación del límite sólido líquido durante la
transformación de solidificación. Su valor es positivo. La magnitud de su contribución es el
producto de γ por el área superficial del núcleo esférico (4 π r2).
ΔG 
4
3
3
π r ΔG
 4π r γ
2
V
Nucleación Homogénea
Volumen = 4/3 π r3
r
Líquido
ΔG 
4
3
Sólido
3
π r ΔG
 4π r γ
2
V
Area = 4π r2
Si el aglomerado tiene un radio menor que el crítico, se encogerá y se redisolverá.
A esta partícula subcrítica se le llama embrión.
Si el aglomerado alcanza un tamaño que corresponde al radio crítico r*, entonces el
crecimiento continuará junto con una disminución de la energía libre. La partícula de
radio mayor que r* se denomina núcleo.
Nucleación Homogénea
Puede demostrarse que tanto ΔG* como r* disminuyen al disminuir la
temperatura, lo cual es intuitivo, ya que cuanto menor es la temperatura, más
rápido ocurre la solidificación.
Dicho de otra forma, a menor temperatura se forman mayor cantidad de núcleos
de radio mayor a r*, con lo cual la nucleación ocurre con mayor facilidad.
Durante el enfriamiento de un líquido, no se observará una velocidad de nucleación
homogénea apreciable (es decir, solidificación) hasta que la temperatura haya
descendido por debajo de la temperatura de solidificación de equilibrio. A este
fenómeno se lo denomina subenfriamiento.
El subenfriamiento necesario para una nucleación homogénea llega a ser de varios
cientos de grados para la mayoría de los sistemas (por ejemplo 295°C para el
hierro). Dado que en la práctica sólo se necesita de algunos grados de
subenfriamiento, queda claro que debe ocurrir otro mecanismo de la nucleación,
la heterogénea.
Nucleación Heterogénea
Se considera la nucleación de una partícula sólida sobre una superficie plana.
Se supone que tanto las fase sólida como líquida mojan esta superficie plana.
Existen tres energías interfaciales como límites bifásicos: γSL, γSI, γIL.
γSL
Sólido
θ
Líquido
γIL
γSI
Superficie o interfase
El menor valor de energía de activación para la nucleación heterogénea significa
que debe vencerse una barrera menor durante el proceso de nucleación
la nucleación heterogénea ocurre más rápidamente.
Nucleación Heterogénea
Con grandes cantidades de impurezas dispersas, se forman muchos núcleos, o sea que
el material comienza a cristalizar en muchos sitios dando una estructura de granos
finos.
Ejemplo de aplicación: El aluminio / silicio se agrega intencionalmente a los aceros
colados con el objetivo de obtener un material de grano fino, además de cumplir la
función de desoxidante.
El producto de la reacción de desoxidación es el óxido de aluminio. Esta sustancia
tiene dificultad para subir a la escoria, quedando en el baño líquido muchas partículas
de Al2O3 finamente divididas. Estas partículas actúan luego durante la solidificación
como agentes nucleadores.
Crecimiento
La etapa comienza una vez que un
embrión ha sobrepasado el tamaño crítico
r*, y se convierte en un núcleo estable.
El crecimiento de las partículas ocurre
mediante el proceso de difusión atómica a
larga distancia.
En los sitios de gradientes térmicos muy
acentuados (paredes de lingoteras, etc.)
este crecimiento se hará más velozmente
en la dirección del gradiente térmico,
dando lugar a granos alargados. En otras
condiciones, los granos serán más o menos
equiaxiales.
El crecimiento se efectúa según
determinados ejes cristalográficos en
forma arborescente, llamados dendritos.
Crecimiento
Crecimiento
Precipitación
α’ es una solución sólida sobresaturada metaestable,
β es un precipitado estable o metaestable
α es una solución sólida estable con la misma estructura cristalina que α’, pero
con una composición más cercana a la de equilibrio.
El mecanismo de formación es el de nucleación y crecimiento.
Precipitación
Casos donde se presenta reacciones de precipitación en
diferentes diagramas de fases
Precipitación
Si un precipitado se nuclea en un límite de grano, tiende a formar una lámina
continua, independientemente de la orientación cristalina.
Si el precipitado penetra en los granos, lo hace obedeciendo la disciplina
cristalográfica en cuanto a forma y ángulos de intersección.
La precipitación que origina la estructura conocida como Widmanstätten es el
resultado del crecimiento de unos núcleos formados y distribuidos al azar en el seno
de los granos, o que se introducen en éstos después de nucleados en los límites.
Coprecipitación (eutéctico o eutectoide)
Coprecipitación:
Precipitación conjunta de dos o más constituyentes metalográficos mediante un
mecanismo de nucleación y crecimiento.
La estructura obtenida se llama eutéctica si proviene de un líquido o eutectoide si
proviene de un sólido.
Los eutécticos y eutectoides, por su microestructura sumamente fina, no
poseen la facilidad de deformación plástica de los metales puros y las
soluciones sólidas. En cambio son algo más duros y resistentes. Por sobre
todo poseen altos valores de tenacidad.
Coprecipitación
Eutéctica globular de la ledeburita
Perlita laminar
Eutéctica laminar de una aleación Sn-38%Pb.
Esferoidita (únicamente luego de un TT)
Transformación Martensítica
Se considera una aleación con dos estados alotrópicos a distintas temperaturas.
Punto de partida, la aleación en equilibrio en la fase de alta temperatura (austenita).
Dos caminos posibles:
• Enfriamiento lento: se permite una recristalización normal. Los átomos solutos tienen
el tiempo suficiente para difundir y tomar la configuración de equilibrio estable
correspondiente a la temperatura ambiente. La aleación habrá recristalizado,
eliminándose estructuras anteriores y se encontrará en equilibrio estable. El
tratamiento térmico se llama recocido.
• Enfriamiento brusco (temple, por ejemplo en una batea con agua), se produce la
transformación cristalográfica pero no la difusión, se obtendrá como resultado la
estructura cristalográfica estable a temperatura ambiente pero con una cantidad de
soluto que corresponde a otra estructura. Como consecuencia, la red estará muy
distorsionada y la estructura será inestable. Se produce la llamada transformación
martensítica y el producto de la reacción martensita.
La transformación martensítica es una transformación sin difusión.
Transformación Martensítica
Martensita tipo listón de un acero con
menos de 0.6%C,
Martensita tipo placa de un acero con
más de 1%C
Los productos obtenidos de la tranformación martensítica son duros,
frágiles y de gran resistencia a la abrasión. Generalmente deben
recibir un tratamiento térmico adicional de calentamiento a baja
temperatura (revenido) para disminuir su fragilidad.