Transformaciones en estado sólido

Estas transformaciones pueden tener lugar tanto en estructuras obtenidas después de una colada como en las resultantes de una conformación posterior. Se discutirán tres tipos: a) la precipitación de una fase a partir de soluciones sólidas; b) la reacción eutectoide; c) la transformación martensítica.

a) La morfología de los precipitados formados a partir de una solución sólida es más variada que los obtenidos de una solución líquida. Esto es debido a peculiaridades en la estructura del estado sólido que no existen en el líquido, como son los límites de grano y de fase, y la posibilidad de sostener, a veces indefinidamente, un estado metaestable de sobresaturación a temperaturas muy por debajo de la línea solvus del diagrama de equilibrio. Hay, además, otras diferencias importantes entre los procesos de cristalización a partir de ambos tipos de soluciones; En las soluciones sólidas es la temperatura la que principalmente determina la velocidad del proceso; en las soluciones líquidas, es la velocidad de enfriamiento. En las soluciones sólidas la nucleación puede ser homogénea (sin mostrar preferencias dentro de la masa de solución) o heterogénea (en límites de grano o de fase). En las soluciones líquidas la nucleación es, casi exclusivamente, heterogénea.

Los procesos de precipitación son fundamentales para lograr, por tratamientos térmicos, ciertas características mecánicas y ciertas propiedades físicas en los sistemas aleados.

La preferencia de ciertos puntos para nuclear un precipitado se manifiesta mejor para pequeños subenfriamientos. Por ejemplo, a temperaturas próximas a la de la línea solvus para la composición de un determinado sistema, la precipitación tiene lugar, invariablemente, en los límites de grano; pero importa subrayar que esta preferencia para la nucleación en los límites de grano no es absoluta, y es sólo temporal: a la misma temperatura, aunque un poco más tarde, irá apareciendo el precipitado en multitud de puntos en el interior de los granos. Esto pone de manifiesto la naturaleza probabilística del proceso de nucleación.

Antes de que se produzca la nucleación homogénea, ésta se habrá manifestado, también, en otros puntos o superficies activos, como son límites de macas y de subgranos, bandas de deslizamiento, etc. Reconocidas todas estas superficies como lugares de nucleación preferente, se comprende que cuanto menos extensos sean los límites de grano y subgranos, y mayor la deformación previa, más rápido será el proceso de precipitación homogénea, que puede llegar a ser simultáneo al de la nucleación heterogénea, en cuyo caso, el precipitado aparece a la vez en todo el grano.

El crecimiento de las formas precipitadas dependerá de las condiciones en que se hayan formado, y de aquellas en que vayan a crecer.

Los precipitados, en su forma embrionaria, tienen, con frecuencia, forma laminar o de bastón, y su orientación en la matriz guarda estrecha relación con la de ésta. El hecho de que tengan que cumplirse ciertos requisitos cristalográficos entre la matriz y el precipitado permite comprender que existan varias posibilidades. Por ejemplo, que las láminas no sólo se dispongan en direcciones paralelas, siempre que, en cada caso, las relaciones angulares entre los planos de la matriz y las direcciones del precipitado sean, precisamente, las permitidas por la cristalografía.

Cuando un precipitado se nuclea en un límite de grano crece en él, incluso hasta hacerse una lámina continua, sigue sólo direcciones determinadas por la geometría de la superficie límite, independientemente de la orientación relativa de los granos contiguos. Sin embargo, cuando el precipitado penetra en los granos, lo hace obedeciendo la disciplina cristalográfica en cuanto a forma y ángulos de intersección.

La forma que toma una partícula precipitada al crecer, parece ser la resultante de la participación en el proceso de la energía del retículo deformado y de la tensión superficial de la fase precipitada y, a veces, de la dirección en que ésta pueda recibir la mayor cantidad de soluto.

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. Cada núcleo crece como una lámina siguiendo algunos de los planos cristalográficos permitido. Cuando se intersectan en su crecimiento sólo se interrumpen el crecimiento en las trazas de intersección. Las secciones al azar de esta estructura revelan una disposición geométrica de la fase precipitada en conjuntos de formas paralelas, pero formando ciertos ángulos cada conjunto con los otros.

Como ya se ha indicado, el grado de subenfriamiento con respecto a la temperatura que corresponda al punto de la línea solvus para la composición del sistema, es un factor importante en la estructura final del precipitado. A medida que las temperaturas de subenfriamiento son más bajas, se van igualando los tiempos en que se inicia la precipitación en los límites y en el interior de los granos, hasta que llega a desaparecer el enmarcado de los límites por la fase precipitada. También va disminuyendo el tamaño del precipitado llegando a hacerse irresoluble, en algunos casos.

Se ha dicho que la forma y orientación de los núcleos o gérmenes cristalinos son un compromiso entre las energías superficiales y deformación reticular. Al terminar la precipitación, las tensiones que rodean a las partículas se van relajando, y llega un momento en que la poco favorable relación de superficie-volumen de las partículas es termodinámicamente inestable; alcanzando este punto, el precipitado se hace lentamente más grueso y toma formas más macizas (esferoidales). La deformación plástica, tanto en caliente como en frío, acelera este proceso.

 

b) Como se recordará, la transformación en estado sólido denominada eutectoide se caracteriza, en un sistema binario, por la precipitación simultanea de dos fases, estructural y químicamente distintas a partir de otra fase sólida. La reacción tiene lugar, teóricamente a una temperatura fija. Sin embargo, la fase originaria puede existir a temperaturas inferiores aun a condición metaestable, lo cual significa que, en esas condiciones, no puede mantenerse por tiempo indefinido sin desdoblarse, aunque prácticamente, así ocurre a veces. La transformación cuando se dan estas condiciones de metaestabilidad, puede inducirse por deformación práctica y el sistema evoluciona o a constituyentes previstos en el diagrama de equilibrio, o a otra fase metaestable (por ejemplo, martensita).

Puesto que este tipo de transformación supone difusión en estado sólido, la fase estable a alta temperatura puede subenfriarse rápidamente hasta temperatura ambiente (temple) y evitar que la reacción natural se produzca en la mayoría de los sistemas aleados, movilidades atómicas a temperatura ambiente son despreciables a efectos de difusión. incluso a temperaturas relativamente altas, pero inferiores a la eutectoide, la fase metaestable puede permanecer sin transformarse durante periodos de tiempo finitos. Este es, precisamente, el fundamento de la técnica de Bain para el trazado de los diagramas temperatura-tiempo en condiciones isotérmicas, ampliados después a condiciones de enfriamiento continuo.

Así como en la cristalización de un eutéctico la composición y la temperatura del sistema están prácticamente comprendidas entre límites estrechos, en la transformación eutectoide estos límites son más amplios; de hecho por debajo de la isoterma eutectoide hay una zona limitada por la prolongación, desde el punto eutectoide, de las líneas que marcan la separación de fase primaria, en la cual la fase metaestable también separa simultáneamente las dos fases del agregado eutectoide. Por tanto, según las condiciones de enfriamiento, este agregado puede presentar una proporción volumétrica muy variada de ambas fases, aunque dentro de la relación eutectoide. Así, por ejemplo, aunque la composición eutectoide para el sistema Fe-C según el diagrama de equilibrio corresponde a un 0,8 % de carbono, el eutectoide ferrita-cementita (perlita) puede ocupar, en determinadas condiciones todo el campo de la microestructura en aceros cuyo contenido en carbono oscile entre 0,4 y 1,2 % (extrapolación de Hultgren).

El agregado eutectoide se presenta en la microestructura en colonias de láminas alternas de las dos fases que lo constituyen. De hecho son láminas discontinuas y paralelas en una de las fases dispersas en la otra su semejanza es máxima con la estructura de un eutéctico laminar, e incluso en cuanto al mecanismo de la nucleación y crecimiento de sus fases. La diferencia más acusada está en que, en la reacción eutectoide, estos procesos de nucleación y crecimiento no dependen del gradiente de temperatura. La nucleación tiene lugar con preferencia en los límites de grano de la fase originaria, o en la superficie de ciertos precipitados proeutectoides. Existe continuidad entre la fase proeutectoide y la misma fase en el agregado.

Si la segunda fase, o fase discontinua no puede nuclearse en la primera, o fase continua, la fase originaria se enriquece en la zona adyacente a la fase proeutectoide hasta que se produce la nucleación. Los núcleos así formados no serán paralelos entre sí y el resultado será un eutectoide no laminar.

 

c) La transformación martensítica observada y estudiada primeramente en los aceros se ha identificado después en otras aleaciones.

El producto de la transformación tiene la misma composición que la fase originaria peor su estructura es invariablemente, distinta: con frecuencia, idéntica a una de las fases que sustituye. Puesto que tiene la misma composición, no necesita que los átomos de la fase originaria se desplacen más de una o dos distancias interatómica. Esto permite que las transformaciones martensíticas se produzcan con gran rapidez a velocidades del orden de la de las ondas elásticas.

El subenfriamiento es una condición necesaria para la iniciación de la transformación martensítica; pero las deformaciones, tanto plásticas como elásticas, pueden llegar a provocar la transformación a temperaturas en que la fase originaria es aparentemente estable. La formación de martensita tiene lugar, generalmente, por debajo de la temperatura de relajación de deformaciones en la fase originaria y, con objeto de disminuir la energía de deformación del nuevo sistema, la transformación se realiza de tal manera que exista un máximo de conformidad entre la fase originaria y la resultante; ésta es la razón de la forma astillada o acicular de la estructura martensítica.

Las martensitas nuclean por debajo de la temperatura que suele designarse como temperatura Ms, y lo hacen en el interior de los granos, propagándose hacia los límites en dos direcciones opuesta. El crecimiento lateral es máximo en el punto de iniciación y mínimo en el de la parada, de ahí también su forma acicular. Su crecimiento se detiene en límites de grano o en otras agujas que se interponen en su trayectoria; así, pueden distinguirse agujas de la primera, segunda o tercera generación. La intersección de agujas adyacentes suele tener según ángulos muy agudos, produciéndose así las formas en punta de flecha.

La transformación martensítica va acompañada por grandes deformaciones anisótropas.

Las agujas o láminas de martensita representan soluciones sólidas sobresaturadas y, al calentar a temperatura por debajo del campo de la fase originaria, el sistema tiende a la condición de equilibrio precipitado soluto o una fase rica en él. Este es, precisamente, el fundamento de los tratamientos de revenido. La transformación alotrópica de un metal puro es un caso especial de transformación martensítica, aunque no presente morfología acicular.