Transformaciones con Difusión en Sólidos: Nucleación y Crecimiento

Este documento aborda las transformaciones de fase en sólidos que ocurren mediante procesos de difusión, incluyendo la precipitación, la transformación eutectoide y las reacciones de ordenación, masivas y polimórficas. Estas transformaciones se producen por nucleación y crecimiento, procesos controlados por la difusión.

Nucleación Homogénea en Sólidos

En las interfases sólido/líquido (S/L), la energía libre superficial (γ) varía ampliamente, desde valores muy bajos para las interfases coherentes hasta valores muy altos para las interfases incoherentes. La concentración de núcleos que alcanzan un tamaño crítico (C*) es determinante. La velocidad de nucleación homogénea (N_hom) viene dada por una relación como N_hom = f C*, donde f depende de la frecuencia con la que un núcleo crítico puede recibir un átomo de la matriz α. La forma más efectiva de minimizar la energía de activación (ΔG*) es la formación de un núcleo con la menor energía interfacial total. En muchos sistemas, las fases α y β tienen diferentes estructuras cristalinas y es imposible formar interfases coherentes de baja energía, por lo que la nucleación de la fase β de equilibrio es imposible.

Variación de la Nucleación con la Temperatura

La máxima velocidad de nucleación (N) se consigue a temperaturas de transformación (ΔT) intermedias. N_hom puede ser inicialmente lenta, aumentar gradualmente para finalmente disminuir otra vez cuando el primer núcleo formado empieza a crecer y se reduce la sobresaturación de la fase α.

Variación de la Nucleación con la Composición

Si la aleación contiene menos soluto, el ΔT crítico puede no alcanzarse hasta que la temperatura sea tan baja que haga que la difusión sea lentísima, y puede que no se produzca la transformación.

Nucleación Heterogénea en Sólidos

Los sitios para la nucleación heterogénea (N_hete) son los defectos preexistentes:

1. Exceso de vacantes.
2. Dislocaciones.
3. Límites de grano (LG).
4. Faltas de apilamiento.
5. Inclusiones.
6. Superficies libres con exceso de energía libre.

Nucleación en Límites de Grano

Los núcleos se forman eliminando parte de la energía asociada a un defecto; se minimiza el valor total de ΔG y se dispone de la energía suficiente para vencer ΔG*. Depende de cos θ, es decir, de la relación entre las tensiones superficiales (γαα/γαβ). Si la relación es > 2, entonces cos θ = 1; θ = 0 y no hay barrera para la nucleación. Los límites de grano de gran ángulo son muy efectivos como sitios de nucleación para precipitados incoherentes con alto valor de tensión superficial.

Nucleación en Dislocaciones

La distorsión en la red en la vecindad de una dislocación puede ayudar a la nucleación: ayudan al crecimiento del embrión para alcanzar el tamaño crítico, reduciendo la contribución de la energía de deformación (ΔG_s) a ΔG*.

Exceso de Vacantes

Cuando una aleación envejecible se templa desde alta temperatura, se retiene durante el temple el exceso de vacantes. Estas vacantes ayudan a la nucleación por aumento de la velocidad de difusión o disminuyendo las energías de deformación. Los sitios de nucleación, en orden decreciente de ΔG*, serían: sitios homogéneos, vacantes, dislocaciones, faltas de apilamiento, límites de grano y límites de fase, y superficies libres.

Crecimiento de Precipitados

Para que crezca el precipitado, la interfase debe migrar, y la forma final dependerá de la velocidad a la cual migren las interfases. Las interfases semicoherentes tienen baja movilidad, pero las incoherentes son muy móviles y migran a mayor velocidad que las semicoherentes. Un núcleo con un plano de buen acoplamiento puede crecer en forma de disco o placa, siendo este el origen de la estructura de Widmanstätten.

Límite de Grano Alotriomórfico

El precipitado avanza hacia el grano sin presentar formas de placas o agujas. Para que se produzca, se llevan a cabo varios procesos:

1. Difusión por la red de soluto hacia el límite de grano.
2. Difusión de soluto a lo largo del límite de grano.
3. Difusión por la interfase α/β, permitiendo un ensanchamiento acelerado.

Diagrama TTT

Se denomina diagrama o curva TTT al diagrama que relaciona el tiempo y la temperatura requeridos para una transformación que puede darse de forma isotérmica o por enfriamiento continuo. El diagrama TTT también se conoce como el diagrama de descomposición isotérmica de la austenita. Estos diagramas tienen una variable importante y determinante en el proceso, y que los diagramas de fase hierro-carbono no presentan, y es el tiempo que dura el proceso. El diagrama TTT para la reacción perlítica tiene forma de “C”, lo que indica una transformación por nucleación y crecimiento.