Transformaciones en Estado Sólido con Difusión y Cambio de Fase
Tipos de Transformaciones
En este documento, se abordan las transformaciones en estado sólido que involucran difusión y cambio de fase. Se describen los siguientes tipos de reacciones:
- Reacciones de precipitación:
- Transformaciones eutectoides:
- Reacciones de ordenación:
- Transformaciones masivas:
Precipitación
La precipitación es un proceso fundamental en la metalurgia y la ciencia de materiales. Se puede dividir en dos tipos principales de nucleación:
Nucleación Homogénea
En la nucleación homogénea, el cambio en la energía libre de Gibbs (G) asociado a la nucleación tiene tres contribuciones principales:
- A una temperatura donde la fase β es estable, la creación de un volumen V de β provocará una reducción de energía libre de V·Δ
. - Asumiendo que la energía interfacial α/β es isótropa, la creación de un área A de interfase dará lugar a un aumento de energía libre
. - El volumen transformado es distinto al espacio original ocupado por la matriz y da lugar a un desacoplamiento con una energía de deformación Δ
por unidad de volumen 
.
/ 
/ 
/ 
La concentración de núcleos que alcanza un tamaño crítico (C*) se define como: C* = 
, donde
es el número de átomos por unidad de volumen en la fase.
La velocidad de nucleación homogénea se expresa como: 
, donde:
- f es la velocidad a la que cada núcleo puede ser supercrítico.
es la energía de activación para la migración atómica por átomo.
es un factor que incluye la frecuencia de vibración de los átomos y el área del núcleo crítico, y es aproximadamente constante. 
es la movilidad atómica.
es la concentración potencial de núcleos.
Nucleación Heterogénea
La nucleación heterogénea ocurre en defectos como:
- Exceso de vacantes
- Dislocaciones
- Límites de grano
- Faltas de apilamiento
- Inclusiones
- Superficies libres
/ 
, donde
es la energía liberada por la eliminación de un defecto.
Nucleación en Límites de Grano
/ V es el volumen del embrión. 
es el área de la interfase α/β de energía 
creada. 
es el área del límite de grano α/α de energía eliminada, es decir, 
.
El radio crítico (r*) independiente del límite de grano es: r* = 
/ 
, donde
es la energía de activación para la nucleación.
La velocidad de nucleación heterogénea (Het) es: 
/ 
/ 
, donde
es la concentración de sitios para la nucleación heterogénea por unidad de volumen. 
es el espesor del límite de grano y D es el tamaño de grano.
En bordes y esquinas, 
se hace más pequeño al ser igual a 
y 
.
Otros Sitios de Nucleación
Dislocaciones
Una dislocación reduce la contribución de 
para reducir la energía total de deformación. Un núcleo con desacoplamiento negativo (
) puede reducir su 
por la formación por encima de una dislocación de borde. Un núcleo con desacoplamiento positivo (
) es energéticamente favorable a formarse por debajo de la dislocación.
El soluto ayuda a la nucleación a formarse y a alcanzar el tamaño crítico. La nucleación en dislocaciones requiere buen acoplamiento entre el precipitado y la matriz, por ello se forman interfaces de baja energía. Si el precipitado y la matriz tienen diferentes estructuras cristalinas, el núcleo crítico tendrá forma de disco o aguja.
Exceso de Vacantes
Las vacantes ayudan a la nucleación por aumento de la velocidad de difusión o disminuyendo las energías de deformación. Como
es pequeña para las vacantes, la nucleación tendrá lugar con una combinación de las siguientes: baja energía interfacial, completamente coherente, pequeña energía de deformación, elevada fuerza motriz.
Los sitios de nucleación se pueden ordenar según aumenta
, es decir, según disminuye
. De mayor a menor
: sitios homogéneos, vacantes, dislocaciones, faltas de apilamiento, límites de grano y de fase, superficies libres.
Nucleación y Crecimiento en el Límite de Grano
La nucleación se produce por la formación de una interfase semicoherente en uno de los granos y el otro incoherente. Si es a baja sobresaturación, se favorece el crecimiento por la interfase incoherente. Si es a alta sobresaturación, por la semicoherente. Si ambas fases son semicoherentes, se propaga igual.
Crecimiento en Límite de Grano Alotriomórfico
En el crecimiento alotriomórfico, los granos carecen de límites rectos. Se consideran los siguientes pasos:
- Difusión por la red de soluto hacia el límite de grano.
- Difusión de soluto a lo largo del límite de grano.
- Difusión por la interfase α/β permitiendo un ensanchamiento elevado.
Ensanchamiento de Precipitados en Forma de Placa
(estructura tetragonal centrada en el cuerpo (ccc) distorsionada). 
(se forma como placas sobre α). 
(estructura compleja tetragonal centrada).
Mecanismo de Endurecimiento
El endurecimiento es el resultado del impedimento que las partículas del precipitado presentan al deslizamiento de los planos. El máximo endurecimiento está asociado con un tamaño de partículas crítico.
Transformación Total
Los factores que determinan la cinética de la transformación total son:
- Velocidad de nucleación
- Velocidad de crecimiento
- Densidad y distribución de los sitios de nucleación
- Choque de volúmenes adyacentes
Nucleación Perlítica
γ → 
(α + Fe3C). La perlita crece por el lado incoherente siempre, y en casos de ferrita o cementita también.
El crecimiento de la perlita es similar al crecimiento de los eutécticos laminares. Existe un mínimo espaciado interlaminar posible (S*), que varía inversamente proporcional con ΔT y como el espaciado que se obtiene 
es proporcional a S*: 
S* ~ 
.
Transformación Celular
Consideramos la transformación α → β. Las celdas nuclean continuamente con una velocidad constante N, crecen como esferas a velocidad v y cuyo volumen a t=0 es: 
. Como la celda no nuclea hasta un tiempo t, 
/ 
→ f1 > 
.
Descomposición Espinoidal
En la descomposición espinoidal no existe barrera de nucleación. Las aleaciones entre los puntos espinoidales son inestables y pueden descomponerse en dos fases coherentes 
y 
sin necesidad de alcanzar la barrera energética de activación. Las aleaciones entre la laguna de miscibilidad coherente y la espinoidal son metaestables y pueden descomponerse solo después de la nucleación de la otra fase.
Crecimiento Espinoidal
; Energía libre coherente debida a la diferencia de composición 
; Energía libre interfacial, como es intercara difusa, depende de 
; Energía de deformación coherente. E’=E/(1-v). n=1/a(da/dx). n=cambio de parámetro de red por unidad de composición que varía. v=módulo de Poisson. 
Condición para que una solución homogénea se descomponga espinoidalmente: 
Diagrama de Fases
- Región 1: α estable homogénea.
- Región 2: α metaestable homogénea, solo pueden nuclear fases incoherentes.
- Región 3: α metaestable homogénea, pueden nuclear fases coherentes.
- Región 4: α inestable homogénea, no hay barrera para la nucleación, se produce la descomposición espinoidal.
Transformaciones de Primer y Segundo Orden
Transformación de primer orden: 
; 
Transformación de segundo orden: 
= –