tratamiento de los metales 02 2015.pdf
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1TRATAMIENTO DE LOS METALES
Unidad de Aprendizaje:
1. Diagrama Temperatura Tiempo Transformacin
02 Transformaciones de Fase en los Metales
Parte A
Tratamiento de los Metales
Ing. Luis Astorga Glasinovic
Primavera 2015
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2Tratamiento de los Metales - Transformaciones de Fases en los Metales
Fotomicrografa de un
acero con perlita laminar
transformada
parcialmente a
esferoidita. x 2000.
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3Tratamiento de los Metales - Transformaciones de Fases en los Metales
TRANSFORMACIONES DE FASES
Desarrollo de microestructuras
y
alteracin de propiedades mecnicas
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4Tratamiento de los Metales - Transformaciones de Fases en los Metales
10.1 INTRODUCCIN
Los materiales metlicos son verstiles
debido a la gran variedad de propiedades
mecnicas susceptibles de alteracin por
diferentes medios.
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5Tratamiento de los Metales - Transformaciones de Fases en los Metales
Se han mencionado tres mecanismos de
consolidacin (aumento de resistencia):
Afinamiento del tamao de grano.
Disolucin slida, y.
Endurecimiento por deformacin.
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6Tratamiento de los Metales - Transformaciones de Fases en los Metales
Las propiedades mecnicas fundamentadas
en las caractersticas microestructurales se
modifican con tcnicas adicionales idneas.
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7Tratamiento de los Metales - Transformaciones de Fases en los Metales
La evolucin de la microestructura de
aleaciones mono y bifsicas suele
implicar algn tipo de transformacin de
fase: alteracin en el nmero y/o carcter
de las fases.
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8Tratamiento de los Metales - Transformaciones de Fases en los Metales
En la primera parte de este anlisis figura
una breve discusin de alguno de los
principios fundamentales relacionados con
las transformaciones que ocurren en las
fases slidas.
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9Tratamiento de los Metales - Transformaciones de Fases en los Metales
Puesto que la mayora de las
transformaciones de fases no transcurren
instantneamente, se relaciona la
dependencia del progreso de la reaccin
con el tiempo o velocidad de
transformacin.
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Tratamiento de los Metales - Transformaciones de Fases en los Metales
Luego se discute el desarrollo de las
microestructuras bifsicas de la aleacin
hierro-carbono.
Se introducen diagramas de fases
modificados que permiten la determinacin
de la microestructura originada por un
tratamiento trmico especfico.
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Tratamiento de los Metales - Transformaciones de Fases en los Metales
Finalmente se discuten las propiedades
mecnicas aportadas por
microconstituyentes distintos de la perlita.
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Tratamiento de los Metales - Transformaciones de Fases en los Metales
TRANSFORMACIONES DE FASES
10.2 CONCEPTOS FUNDAMENTALES
En los tratamientos de los materiales se
produce una gran variedad de
transformaciones de fases, que representan
alguna alteracin de la microestructura.
Estas transformaciones, para los fines de
este curso, se dividen en tres categoras.
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Tratamiento de los Metales - Transformaciones de Fases en los Metales
1. En un grupo se renen las transformaciones que son simples difusiones:
No cambia ni el nmero ni la composicinde las fases presentes.
Son ejemplos de ellas:
la solidificacin de un metal puro.
las transformaciones alotrpicas, y.
la recristalizacin y crecimiento de grano.
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Tratamiento de los Metales - Transformaciones de Fases en los Metales
2. En otro tipo de transformacin
dependiente de la difusin hay
alteracin en las composiciones de
fases y, a veces, en el nmero de
fases.
La reaccin eutectoide, descrita por la
Ecuacin 9.16, pertenece a este tipo y
se trata en la Seccin 10.5.
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Tratamiento de los Metales - Transformaciones de Fases en los Metales
3. El tercer tipo de transformacin es sin
difusin y se forma una fase
metaestable.
La transformacin martenstica (Seccin
10.5) de algunos aceros es un ejemplo.
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Tratamiento de los Metales - Transformaciones de Fases en los Metales
10.3 CINTICA DE REACCIONES EN
ESTADO SLIDO
La mayora de las reacciones en estado
slido no ocurren instantneamente
porque los obstculos impiden el
desarrollo de la reaccin y la hacen
depender del tiempo.
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Tratamiento de los Metales - Transformaciones de Fases en los Metales
Por ejemplo, la mayora de las
transformaciones representan la formacin
de una nueva fase que tiene una
composicin y/o estructura cristalina
diferente de la de partida y se requiere
algn reordenamiento atmico mediante
la difusin.
La difusin, es un fenmeno que depende
del tiempo.
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Tratamiento de los Metales - Transformaciones de Fases en los Metales
Un segundo impedimento se debe al
incremento de la energa asociada a la
formacin de un lmite de fases entre fase
madre y fase producida.
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Tratamiento de los Metales - Transformaciones de Fases en los Metales
Desde el punto de vista microestructural,
el primer proceso que acompaa a una
transformacin de fase es la nucleacin o
formacin de partculas muy pequeas, casi
submicroscpicas, o ncleos de una nueva
fase, capaces de crecer.
Las posiciones favorables para la formacin
de estos ncleos son las imperfecciones,
especialmente los lmites de grano.
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Tratamiento de los Metales - Transformaciones de Fases en los Metales
El segundo proceso es el crecimiento o
incremento de tamao del ncleo.
Durante este proceso desaparece volumen
de la fase madre.
La transformacin es completa si el
crecimiento de estas nuevas partculas de
fases llega hasta alcanzar el equilibrio.
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Tratamiento de los Metales - Transformaciones de Fases en los Metales
La velocidad de transformacin tiene
importancia capital en el tratamiento trmico
de los materiales y su estudio constituye la
cintica.
En muchas investigaciones cinticas, la
fraccin de reaccin transcurrida se mide en
funcin del tiempo, mientras la
temperatura permanece constante.
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Tratamiento de los Metales - Transformaciones de Fases en los Metales
Usualmente se sigue la evolucin de la
transformacin mediante observacin
microscpica o midiendo alguna
propiedad fsica, como la conductividad
elctrica, cuya magnitud sea distinta en la
nueva fase.
Los datos se representan grficamente
como la fraccin de material transformado
en funcin del logaritmo del tiempo.
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Tratamiento de los Metales - Transformaciones de Fases en los Metales
Una curva en forma de S, parecida a la de
la Figura 10.1, representa el
comportamiento cintico tpico de la
mayora de las reacciones en estado slido.
En esta figura se aprecian las etapas de la
nucleacin y del crecimiento.
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Tratamiento de los Metales - Transformaciones de Fases en los Metales
Las transformaciones en estado slido que
se comportan cinticamente como la
representacin de la Figura 10.1., la
fraccin de transformacin y es funcin del
tiempo t segn:
1nkty e (10.1)
donde k y n son constantes de la reaccin
independientes del tiempo. Esta expresin se
suele denominar Ecuacin de Avrami.
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Tratamiento de los Metales - Transformaciones de Fases en los Metales
Ejemplo 1:
Para una transformacin que tiene una
cintica que obedece la ecuacin de Avrami,
determinar el tiempo que se necesita para
llegar al 90% de transformacin si el valor
del parmetro n es 1,5 y despus de 125 s
la reaccin alcanza un 25% de
transformacin.
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Tratamiento de los Metales - Transformaciones de Fases en los Metales
Solucin:
Con los datos de la transformacin que alcanza un
25%, determinamos el valor de la constante k,
aplicando directamente la ecuacin de Avrami:
1,5125 1,50,25 1 ln 1 0,25 125 ln eke k
1
4
1,5
ln 0,752,058485 10
125k
Donde: y = 0,25; t = 125; n = 1,51nkty e
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Tratamiento de los Metales - Transformaciones de Fases en los Metales
1,5
1,5
1,5
ln 0,75 ln 0,751251250,90 1 0,1
tt
e e
1,5 1,5ln 0,1
ln0,1 ln0,75125 ln0,75 125
t t
1.5ln 0,1
125 500ln 0,75
t segundos
Para alcanzar el 90% de transformacin se
requieren 500 segundos.
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Tratamiento de los Metales - Transformaciones de Fases en los Metales
Figura 10.1 Representacin grfica de la fraccin transformada frente al
logaritmo del tiempo, tpica de muchas transformaciones en
estado slido a temperatura constante.
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Tratamiento de los Metales - Transformaciones de Fases en los Metales
Figura 10.2 Porcentaje de recristalizacin del cobre puro en
funcin del tiempo a temperatura constante.
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Tratamiento de los Metales - Transformaciones de Fases en los Metales
Por convencin, la velocidad de una
transformacin r se toma como el recproco
del tiempo necesario para conseguir la
mitad de la transformacin, t0,5.
0,5
1r
t (10.2)
Este t0,5 tambin esta representado en la
Figura 10.1.
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Tratamiento de los Metales - Transformaciones de Fases en los Metales
Ejemplo 2:
Calcular la velocidad de una reaccin que
cumple la ley cintica de Avrami,
suponiendo que las constantes n y k valen
2,0 y 5 x 10-4, respectivamente, para el
tiempo en segundos.
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Tratamiento de los Metales - Transformaciones de Fases en los Metales
1nkty e
Solucin:
La velocidad de reaccin se define como el
recproco del tiempo necesario para
alcanzar una transformacin del 50%. Por lo
tanto aplicamos directamente la ecuacin de
Avrami para esta situacin:
4 25100,50 1 te
Donde: y = 0,50; n = 2; k = 5 x 10-4
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Tratamiento de los Metales - Transformaciones de Fases en los Metales
En este caso, el tiempo t calculado corresponde a
t0,5 y por lo tanto, la velocidad de la transformacin
la calculamos con la frmula correspondiente:
4 2510 4 21 0,5 ln0,5 5 10te t
4
ln 0,537,233
5 10t segundos
1
0,5
1 10,0269
37,233r seg
t
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Tratamiento de los Metales - Transformaciones de Fases en los Metales
Ejemplo 3:
Se sabe que la cintica de la recristalizacin
de algunas aleaciones cumple la ecuacin
de Avrami y el valor de n en la exponencial
es 5,0. Si a una temperatura la fraccin
recristalizada es 0,30 despus de 100min,
determinar la velocidad de recristalizacin a
esta temperatura.
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Tratamiento de los Metales - Transformaciones de Fases en los Metales
Solucin:
Si la cintica de recristalizacin de la
aleacin cumple la ecuacin de Avrami,
podemos determinar el valor de k y se tiene:
1 exp ny kt50,30 1 exp 6000k
Donde: 0,30; 5,0; 100min 60 6000segundos
y n t segundosminuto
50,30 1 exp 6000k 50,70 exp 6000k
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Tratamiento de los Metales - Transformaciones de Fases en los Metales
La velocidad de recristalizacin se define como el
recproco del tiempo necesario para transformar el
50% de la aleacin, por lo tanto calcularemos el
tiempo necesario para transformar este 50%.
5ln0,70 6000 ln expk20
5
ln 0,704,5869 10
6000k
1
1 exp ny kt 55
ln 0,700,50 1 exp
6000t
5
0,50 1 exp ln 0,706000
t
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Tratamiento de los Metales - Transformaciones de Fases en los Metales5
0,50 exp ln 0,706000
t
5
ln 0,50 ln 0,70 ln exp6000
t
1
5
5ln 0,50 ln 0,50
6000 68536000 ln 0,70 ln 0,70
tt segundos
4 1 3 1
0,5
1 11,46 10 8,76 10
6853r seg min
t
Por lo tanto, la velocidad de
transformacin es la siguiente:
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Tratamiento de los Metales - Transformaciones de Fases en los Metales
Ejemplo 4:
La cintica de la transformacin austenita-perlita cumple la reaccin de Avrami. Utilizando los datos adjuntos de fraccin transformada-tiempo, determinar el tiempo necesario para que el 95% de la austenita se transforme en perlita.
Fraccin transformada Tiempo (s)
0,2
0,6
280
425
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Tratamiento de los Metales - Transformaciones de Fases en los Metales
Solucin:
A partir de los datos proporcionados de fraccin transformada y tiempo, se tiene un sistema de dos ecuaciones con dos incgnitas que nos prmite determinar las constantes k y n que rigen la transformacin, de la siguiente manera:
1 exp ny kt0,6 1 exp 425nk
0,2 1 exp 280nk
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Tratamiento de los Metales - Transformaciones de Fases en los Metales
Luego, tomando el logaritmo natural en ambas ecuaciones, e igualando k se tiene:
0,6 1 exp 425nk
0,2 1 exp 280nk 0,8 exp 280nk
0,4 exp 425nk
ln 0,8 280 ln expnk
ln0,4 425 ln expnk
ln 0,8 ln 0,4
280 425n n1
1
425 ln 0,4
280 ln 0,8
n
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Tratamiento de los Metales - Transformaciones de Fases en los Metales
Tomando logaritmos en la expresin anterior y despejando n, se tiene:
ln 0,4ln
ln 0,8425 ln 0,4ln ln 3,385
425280 ln 0,8ln
280
n n
Luego, podemos calcular el valor de k de
cualquiera de las dos ecuaciones anteriores:
9
3,385 3,385
ln 0,8 ln 0,41,16 10
280 425k
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Tratamiento de los Metales - Transformaciones de Fases en los Metales
El tiempo necesario para que el 95% de la
austenita se transforme en perlita lo
calculamos directamente con la ecuacin de
Avrami con los valores de k = 1,16x10-9 y n =
3,385 calculados:
9 3,3851,16 100,95 1 e t
9 3,3851,16100,05 e t
1nkty e
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Tratamiento de los Metales - Transformaciones de Fases en los Metales
Luego, tomando logaritmo natural, se tiene:
9 3,385ln 0,05 1,16 10 lnt e
3,3859
ln 0,05603
1,16 10t segundos
1
El tiempo necesario para transformar el 95%
de austenita en perlita es de 603 segundos.
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Tratamiento de los Metales - Transformaciones de Fases en los Metales
Ejemplo 5:
Se han tabulado los datos de fraccin de recristalizacin-tiempo para el aluminio deformado y calentado a 350C. Suponiendo que la cintica de esta transformacin cumple la relacin de Avrami, determinar la fraccin recristalizada despus de 116,8min.
Fraccin recristalizada Tiempo (min)
0,30
0,80
95,2
126,6
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Tratamiento de los Metales - Transformaciones de Fases en los Metales
Solucin:
A partir de los datos proporcionados de fraccin recristalizada y tiempo, se tiene un sistema de dos ecuaciones con dos incgnitas que permiten determinar las constantes k y n que rigen la transformacin, de la siguiente manera:
1 enkty
57120,3 1 enk
75960,8 1 enk
(*)
(*): El tiempo dado en minutos se
convirti a segundos multiplicando
por 60.
(*)
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Tratamiento de los Metales - Transformaciones de Fases en los Metales
Luego, tomando logaritmos en ambas ecuaciones, e igualando k se tiene:
57120,3 1 enk
ln0,70 5712 ln enk
ln0,20 7596 ln enk
ln 0,70 ln 0,20
5712 7596n nk1
1
7596 ln 0,20
5712 ln 0,70
n
75960,8 1 enk
57120,7 enk
75960,2 enk
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Tratamiento de los Metales - Transformaciones de Fases en los Metales
Tomando logaritmos en la expresin anterior y despejando n, se tiene:
ln 0,20ln
ln 0,707596 ln 0,20ln ln 5,286
75965712 ln 0,70ln
5712
n n
Luego, podemos calcular el valor de k de
cualquiera de las dos ecuaciones anteriores:
21
5,286 5,286
ln 0,7 ln 0,24,94 10
5712 7596k
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Tratamiento de los Metales - Transformaciones de Fases en los Metales
La fraccin recristalizada despus de 116,8
minutos la calculamos directamente con la
ecuacin de Avrami con los valores de k =
4,94x10-21 y n = 5,286 calculados:
21 5,2864,94 10 70081 ey
0,65y
1nkty e
116,8 minutos = 7008 segundos
La fraccin recristalizada alcanza un valor de 0,65, es
decir un 65%.
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Tratamiento de los Metales - Transformaciones de Fases en los Metales
La temperatura es una variable controlable
en los tratamientos trmicos y puede tener
gran influencia en la cintica y en la
velocidad de transformacin.
Esto se demuestra en la Figura 10.2, que
representa los valores de y frente a log t,
grficas en forma de S, de la recristalizacin
del cobre a varias temperaturas.
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Tratamiento de los Metales - Transformaciones de Fases en los Metales
En la mayora de las reacciones la velocidad
se incrementa con la temperatura, en un
tramo especfico de temperaturas, segn,
Q RTr Ae (10.3)donde
R = constante de los gases
T = temperatura absoluta
A = constante independiente de la temperatura
Q = energa de activacin para una reaccin especfica
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Tratamiento de los Metales - Transformaciones de Fases en los Metales
Conviene recordar que el coeficiente de
difusin depende de la temperatura.
Los procesos cuyo coeficiente tiene esta
relacin con la temperatura se denominan
activados trmicamente.
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Tratamiento de los Metales - Transformaciones de Fases en los Metales
10.4 TRANSFORMACIONES MULTIFASE
En las aleaciones metlicas pueden ocurrir
transformaciones multifase al variar la
temperatura, la composicin y la presin
externa; sin embargo, en los tratamientos
trmicos se utilizan exclusivamente los
cambios de temperatura para generar
cambios de fases.
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Tratamiento de los Metales - Transformaciones de Fases en los Metales
Esto equivale a cruzar un lmite de fase en
un diagrama de fases composicin-
temperatura, cuando se calienta o se enfra
una aleacin de composicin determinada.
Durante una transformacin de fases, una
aleacin evoluciona a travs de estados de
equilibrio caracterizados por un diagrama de
fases en trminos de fases producidas,
composicin y cantidad relativa.
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Tratamiento de los Metales - Transformaciones de Fases en los Metales
La mayora de las transformaciones de
fases necesitan un tiempo finito para
completarse y la velocidad suele ser
importante en la relacin entre tratamientos
trmicos y microestructura desarrollada.
Una limitacin de los diagramas de
equilibrio es su incapacidad para indicar el
tiempo necesario para alcanzar el
equilibrio.
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Tratamiento de los Metales - Transformaciones de Fases en los Metales
Los sistemas slidos se aproximan al
equilibrio a una velocidad tan lenta que
raramente se consiguen las verdaderas
estructuras de equilibrio.
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Tratamiento de los Metales - Transformaciones de Fases en los Metales
Las condiciones de equilibrio slo se
alcanzan si las velocidades de
calentamiento o de enfriamiento se
realizan a una velocidad tan lenta como
imprctica.
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Tratamiento de los Metales - Transformaciones de Fases en los Metales
En los enfriamientos de no equilibrio, las
transformaciones ocurren a temperaturas
inferiores a las indicadas por el diagrama
de fases; en los calentamientos, los
cambios son a temperaturas superiores.
Estos fenmenos se denominan
subenfriamiento y sobrecalentamiento,
respectivamente.
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Tratamiento de los Metales - Transformaciones de Fases en los Metales
Las intensidades de estos fenmenos
dependen de la velocidad de cambio de
temperatura:
cuanto mayores son las velocidades de enfriamiento o de calentamiento,
mayores los subenfriamientos o
sobrecalentamientos.
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Tratamiento de los Metales - Transformaciones de Fases en los Metales
Por ejemplo, la velocidad normal de
enfriamiento de la reaccin eutectoide
hierro-carbono es de 10 a 20C por debajo
de la temperatura de la transformacin en
equilibrio.
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Tratamiento de los Metales - Transformaciones de Fases en los Metales
Para muchas aleaciones de importancia
tecnolgica la microestructura es
metaestable, intermedia entre los estados
iniciales y de equilibrio; a veces interesa una
microestructura lejana a la del equilibrio.
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Tratamiento de los Metales - Transformaciones de Fases en los Metales
Por este motivo es de gran inters investigar
la influencia del tiempo en las
transformaciones de fases.
En ltima instancia, la informacin cintica
es ms interesante que el estado final de
equilibrio.