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Aleaciones. Diagramas de equilibrio




Enviado por jesus



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    1 DISOLUCIONES SÓLIDAS. ALEACIONES Constitución de
    las aleaciones. Los metales puros tienen poca utilidad en la
    industria por no cumplir una serie de especificaciones
    técnicas. Para conseguirlas se mezclan con otros metales o
    no metales, formando aleaciones. Aleación es todo producto
    que resulta de la unión de dos o más elementos
    químicos, uno de los cuales tiene carácter
    metálico. Deben de cumplir las siguientes condiciones: Que
    los elementos sean totalmente miscibles en estado líquido,
    de forma que al solidificarse forme un producto homogéneo.
    Que el producto resultante tenga carácter metálico.
    Disolvente y soluto Disolvente es el componente que entra en
    mayor proporción, y soluto el que lo hace en menor
    proporción. Cuando los elementos solubles no poseen la
    misma red cristalina, se considera disolvente al elemento que
    conserva la red. mS = masa de soluto La concentración
    porcentual será: mD = masa de disolvente

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    2 Tipos de disoluciones sólidas. Deformaciones en la red
    cristalina Solución por sustitución: Los
    átomos de disolvente y soluto tienen estructura cristalina
    similar y ambos forman parte del edificio cristalino al
    reemplazase átomos de disolvente por átomos de
    soluto. Solución por inserción: Se presenta cuando
    los átomos de soluto son muy pequeños comparados
    con los átomos del disolvente, y se colocan en el
    interior, en los intersticios, de la red cristalina del
    disolvente.

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    3 CRISTALIZACIÓN DE LOS METALES PUROS Y DE LAS ALEACIONES
    Solidificación La cristalización tiene lugar
    mediante un proceso de solidificación. En los metales
    puros ésta se hace a temperatura constante, aunque en
    determinadas condiciones la masa líquida debe permanecer a
    una temperatura inferior a la de fusión (fenómeno
    de subfusión). En los metales con solución de otros
    elementos , en general , la temperatura no permanece constante en
    el proceso de solidificación. Curvas de enfriamiento: a)
    metales puros b) subfusión c) aleaciones

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    4 Energía necesaria para llevar a un metal al estado
    líquido Vamos a calcular sin tener en cuenta las
    pérdidas, la energía precisa para su fusión
    desde la temperatura de 25º C. Dada por: Q = m c ?t Q =
    energía que se debe aportar para elevar la temperatura
    hasta la de fusión. m = masa del metal a fundir c = calor
    específico del metal a fundir ?t = variación de
    temperatura hasta alcanzar la fusión La energía
    para el cambio de estado, dada por: Q = m C Q = energía
    para el cambio de estado C = calor latente de fusión

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    5 Etapas de solidificación. En la solidificación de
    un metal o aleación se dan las siguientes etapas.
    Nucleación o formación de núcleos estables
    en la masa fundida. Cristalización o crecimiento del
    núcleo en las tres direcciones del espacio, en las
    denominadas dentritas para dar origen a cristales.
    Formación del grano. Los cristales anteriores van dando a
    su vez origen a una estructura granular. Interesa que el
    tamaño de estos granos sea pequeño ya que se
    obtienen mejores propiedades mecánicas.

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    6 REGLA DE LAS FASES DE GIBBS Cada una de las sustancias o
    elementos químicos que forman un sistema material se
    denomina componente. Ejemplo, en el acero el acero el hierro y el
    carbono. A cada una de las partes homogéneas de un sistema
    que se diferencia físicamente del resto, se la llama fase.
    Ejemplo, en el agua: sólida (hielo), líquida y
    gaseosa (vapor). Las fases no tienen que estar formadas por
    elementos químicos puros. El número de variables
    que podemos modificar libremente (temperatura, presión,
    concentración, etc.), recibe el nombre de grados de
    libertad. Gibbs obtuvo la ecuación que permite calcular el
    número de fases que pueden coexistir en equilibrio dentro
    de un sistema material, regla de las fases, se expresa como: F +
    N = C + 2 F = Número de fases que pueden coexistir. N =
    Variables de estado o grados de libertad. C = Número de
    componentes de un sistema material.

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    7 Ejemplo de aplicación al diagrama de fases regulada por
    las variables presión-temperatura del agua pura. En el
    punto triple. Coexisten tres fases en equilibrio: sólido
    líquido y vapor. El número de componentes es uno,
    el agua. El número de grados de libertad será: F+N
    = C+2 ; 3+N = 1+2 ; N = 0 Consecuencia: ninguna de las variables
    (P-T) se puede modificar, punto invariable. En el punto A, de la
    curva sólido-líquido, coexisten dos estados,
    tendremos: 2+N = 1+2 ; de donde N = 1. Consecuencia: una variable
    (P,T) puede cambiar manteniendo un sistema donde coexisten dos
    fases. A una presión determinada, solo existe una
    temperatura en la que las dos fases sólido líquido
    coexisten. En un punto cualquiera B, dentro de una fase
    única, se tiene que el número de fases es uno y
    aplicando la regla, será: 1+N = 1+2 ; de donde N = 2.
    Consecuencia: se pueden modificar dos variables (P y T), y el
    sistema permanecerá en una única fase.

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    8 DIAGRAMA DE EQUILIBRIO DE FASES. REGLA DE LA PALANCA La
    utilidad de los diagramas de fases consiste en la posibilidad de
    predecir las transformaciones y las microestructuras resultantes
    de los cambios de fase, que pueden estar o no en equilibrio. Los
    diagramas de equilibrio de fases representan la relación
    entre la estructura de composición y el número de
    fases presentes en el equilibrio, así como las
    transformaciones que se producen desde el estado líquido
    hasta la temperatura ambiente. La temperatura la presión y
    la composición son las variables principales. Como la
    presión suele ser la atmosférica, solo quedan
    temperatura y composición. A las diferentes fases se las
    denomina con letras griegas (excepto al material fundido que
    simplemente se le llama líquido). Con el uso de estos
    diagramas se puede determinar la composición o porcentaje
    de cada fase para una concentración y temperatura
    determinadas de los materiales que entran en la
    aleación.

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    9 La figura representa una aleación binaria. A la
    izquierda un elemento A y a la derecha un elemento B. Para una
    concentración del 40% de B, la fase a se va convirtiendo
    en la ß, pero que hasta que eso sucede pueden convivir las
    dos fases en el seno de la aleación. Estudiamos los
    puntos: P1. El 100% de la aleación se encuentra en fase
    a.. P2. A partir de aquí empieza la fase ß. P3. En
    el conviven las fases a y ß. Para averiguar el porcentaje
    de cada una se aplica la regla de la palanca. En T3, se traza un
    segmento horizontal (isoterma) que corta en los puntos Ca y
    Cß. A cada punto le corresponde una concentración,
    en el ejemplo de: 60% y 25% de B en la aleación.

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    10 Las fracciones de las fases se calculan según las
    expresiones: La fase a tiene un 42,86% en la aleación en
    las condiciones del punto P3, con una concentración del
    40% de B a la temperatura T3. La fase ß tiene un 57,14% en
    la aleación en las condiciones del punto P3, con una
    concentración del 40% de B a la temperatura T3. P4.
    Desaparece la fase a y comienza la fase ß. P5. El 100%
    está en la fase ß.

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    11 DIAGRAMAS ISOMORFOS BINARIOS. SOLUBILIDAD TOTAL EN ESTADO
    LÍQUIDO Y SÓLIDO En una aleación, al enfriar
    el líquido se va formando sólido. Antes de que todo
    esté solidificado coexistirán las fases
    líquida y sólida. El diagrama de fases se obtiene
    estudiando el enfriamiento de diferentes concentraciones de
    aleación. Consideramos una aleación binaria de
    componentes A y B que son totalmente solubles en estado
    líquido y sólido (sistema isomorfo, solo hay una
    única fase sólida). Para el diagrama de
    enfriamiento: Se toma un número de aleaciones con
    distintos porcentajes A y B. Se funden y se dejan enfriar
    lentamente; se toman los datos tiempo temperatura. Los puntos (1)
    de cada curva representan el comienzo de la Formación de
    cristales, los puntos (2) representan la formación del
    último cristal.

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    12 Se trasladan éstos puntos a una gráfica
    temperatura- concentración, colocándolos en la
    perpendicular correspondiente de isoconcentración (puntos
    de igual concentración) Se unen con una línea todos
    los puntos (1), y de la misma forma todos los puntos (2),
    obteniéndose el diagrama de equilibrio de la
    aleación A-B. La línea que une los puntos (1) se
    denomina línea de líquidos. La línea que une
    todos los puntos (2) representa la línea de
    sólidos.

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    13 La línea de sólidos y líquidos divide el
    diagrama en tres zonas. En cada punto de una determinada zona,
    cada fase está perfectamente definida. En la zona
    correspondiente entre las líneas de sólido y
    líquido, hay dos fases sólida y líquida. Si
    analizamos lo que sucede en una aleación de 70% de A y 30%
    de B. Se traza una perpendicular a-e por la concentración
    A-B 70-30. Por debajo de bS todo está en la fase
    sólida, por encima de dL todo se encuentra en la fase
    líquida. Entre bS y dL, a medida que aumenta la
    temperatura, va aumentando la fase líquida y disminuye la
    sólida Las concentraciones de cada fase en el punto c son
    las que determinan el trazado de la recta de reparto, al cortar
    las líneas de sólido y líquido
    respectivamente: CL representa la concentración de
    líquido, que es el 42% de A y 58% de B. CS la
    concentración de sólido, del 80% de A y del 20% de
    B.

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    14 La cantidad relativa de cada fase (WL y WS) se calcula
    aplicando la ley de la palanca: Para otro punto cualquiera n de
    la misma aleación, también se obtendrá de la
    misma manera: la fase líquida nL = 40% de B y 60% de A, y
    para la fase sólida nS =10% de B y 90% de A. Luego se
    calculan las cantidades relativas: Se puede comprobar que
    también se cumple para los puntos bS y dL.

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    15 DIAGRAMAS DE EQUILIBRIO DE ALEACIONES TOTALMENTE SOLUBLES EN
    ESTADO LÍQUIDO E INSOLUBLES EN ESTADO SÓLIDO Se
    toma un número determinado de aleaciones con diferentes
    porcentajes de sus componentes A-B. Se representan sus curvas de
    enfriamiento en un diagrama de temperatura-tiempo. Las curvas I y
    VI corresponden a los elementos puros. En ellas la temperatura
    permanece constante mientras dura la solidificación.
    Viendo el diagrama se deduce que en todas las aleaciones A-B sea
    cual sea su concentración solidifican a la misma
    temperatura.

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    16 Llevando estos datos a un diagrama de temperatura
    concentración y uniendo los puntos de
    características iguales resulta el diagrama de equilibrio
    de la figura. Por encima de los puntos (1) todas las aleaciones
    están en estado líquido. Por debajo de los puntos
    (3) las aleaciones son totalmente sólidas. Se pude saber
    los puntos de fusión y solidificación de cualquier
    aleación y determinar la composición de una
    aleación para que funda a una temperatura fija.
    También nos permite conocer la aleación de punto de
    fusión más bajo llamada eutéctica, En la
    figura corresponde a la aleación III.

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    17 Cualquier punto de la zona L representa fase líquida y
    homogénea de concentración, y más o menos
    fluida, según la distancia de la línea de
    líquidos. En la zona L+A existen dos fases bien definidas:
    una de líquido y otra de cristales de la aleación
    A. Veamos que pasa con una aleación de menor contenido de
    B que la aleación eutéctica, por ejemplo, la que
    representa la línea a-d: En el punto a, todo el
    líquido es de concentración A-B 70-30, que es la de
    la aleación. En el punto bL comienzan a formarse los
    primeros núcleos cristalinos de A. La concentración
    de la fase líquida es de 70-30, y la correspondiente a los
    cristalinos, del punto bS, es A-B 100-0. En el punto n se tienen
    cristales de concentración nS = A-B100-0, y líquido
    de concentración nL = A-B 55-45. Las cantidades relativas
    de cada fase se obtienen aplicando la ley de la palanca:

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    18 En el punto d se tienen cristales de concentración dS =
    A-B 100-0, y el resto será líquido, cuya
    concentración es la del punto c; es decir, el de la
    aleación eutéctica dL = A-B 40-60. A partir del
    punto d hacía abajo, las aleaciones están formadas
    por los cristales de A, formados entre bL y d (cristales
    primarios de A), y de cristales mixtos de B+A (secundarios de A).
    Las concentraciones serán el 30% del total de B y el 70%
    de A, subdividido en 50% de A primario y 70-50=20 de A
    secundario. En una aleación eutéctica resulta: En
    un punto e, la aleación está en estado
    líquido; el porcentaje es el de la aleación A-B
    40-60 y hasta el punto c. Al llegar al punto c comienzan a
    cristalizar, al mismo tiempo, cristales del componente A y del
    componente B, íntimamente mezclados formando cristales
    mixtos de composición total eutéctica.

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    19 3. Por debajo de c y hasta la temperatura ambiente, no hay
    cambio alguno. Por último una aleación con mayor
    contenido de B que las eutécticas: En el punto k se tiene
    líquido homogéneo de concentración igual a
    la de la aleación. En el punto d comienza la
    formación de fase sólida de cristales de componente
    B. En el punto p coexisten dos fases , la líquida y la
    sólida. La sólida está formada por cristales
    puros de B. la líquida, de aleación A-B con
    concentración pL = A-B 32,5-67,5. 4. Al llegar a q, la
    fase líquida tiene una concentración c = A-B 40-30
    Las aleaciones anteriores a la eutéctica se llama
    hipoeutécticas, y las posteriores,
    hipereutécticas.

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    20 ALEACIONES HIERRO-CARBONO: COMPOSICIÓN,
    CONSTITUCIÓN Y ESTRUCTURA. El hierro puro tiene pocas
    aplicaciones industriales, pero formando aleaciones con el
    carbono y otros elementos, es el metal más empleado en la
    industria. Las aleaciones con contenidos de carbono entre 0,1 y
    1,76 % son los aceros. Si el porcentaje de carbono sobrepasa el
    1,76% tenemos las fundiciones. Constitución de las
    aleaciones Fe-C Ferrita: solución sólida de carbono
    en hierro a. Se considera a la ferrita como hierro puro. Es el
    más blando y dúctil constituyente de los aceros,
    posee propiedades magnéticas. Cementita (Fe3C): es el
    constituyente más duro y frágil de los aceros.
    Tiene propiedades magnéticas hasta los 210ºC.
    Perlita: formada por 85,5% de ferrita y 13,5 de cementita.
    Austenita: formada por una solución sólida por
    inserción de carbono en hierro ?. La proporción de
    carbono disuelto varía de 0 al 1,76%. Es el constituyente
    más denso de los aceros. No es magnética.
    Martensita: es una solución sólida sobresaturada de
    carbono en hierro a. Se obtiene por enfriamiento rápido de
    la austenita de los aceros, después de haber sido
    calentada para conseguir una constitución
    austenítica. Presenta propiedades magnéticas.

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    21 Troostita: constituyente intermedio de la martensita y
    sorbita. Se produce mediante una transformación
    isotérmica de la auastenita entre las temperaturas de 500
    y 600º C. Sorbita: se produce también por
    transformación isotérmica de la auastenita entre
    las temperaturas de 600 y 650º C. Bainita: también se
    produce también por transformación
    isotérmica de la auastenita entre las temperaturas de 250
    y 550º C. Estructura de las aleaciones Fe-C Estructura
    cristalina: no es uniforme, varía con los constituyentes
    de la aleación, y éstos cambian con la
    composición y la temperatura. Estructura
    micrográfica: el elemento fundamental de ésta
    estructura es el grano. Las propiedades de los aceros son en
    general peores cuanto mayor es el tamaño del grano, a
    excepción de la capacidad de trabajarlo con
    máquinas que se ve aumentada con el tamaño del
    grano. Estructura macrográfica: depende de las impurezas
    que contenga el acero y de la forja a que puede ser
    sometido.

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    22 ANÁLISIS DEL DIAGRAMA Fe-C La línea ACD es la
    línea de liquidus a partir de la cual empiezan a
    solidificar las aleaciones. La línea AECF es la
    línea de solidus indica las temperaturas pertenecientes al
    final de la solidificación. En el diagrama se pueden
    destacar los puntos: Punto A es la temperatura de
    solidificación del hierro en estado puro. Punto C
    representa la aleación eutéctica 4,3% de carbono,
    compuesta por austenita y cementita formando la ledeburita.

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    23 El punto E es el de máxima solubilidad del carbono en
    hierro ?, que corresponde al 1,76%. El punto D está en el
    límite del diagrama 6,67% de carbono (cementita pura). En
    el punto 5 (eutectoide), la austenita se transforma en perlita
    con un 0,89% de carbono. Estudiamos el proceso de
    solidificación de seis aleaciones con porcentajes de
    carbono de: 0,5; 0,89; 1,2; 3,2; 4,3 y 5,4%. Aleación I
    (0,5% de C). Por encima de 1 existe solamente la fase
    líquida. Comienza la formación de austenita hasta
    que en 2 solidifica totalmente. En el punto 3 el hierro ? se
    transforma totalmente en ferrita o hierro a. Durante la
    transformación anterior, la austenita residual se
    enriquece en carbono hasta que en el punto 4, con una
    proporción del 0,89% de C se convierte en perlita.
    Aleación II (0,89% de C). Comportamiento idéntico
    al anterior, salvo que no existe el punto 3, porque toda la
    austenita se transforma bruscamente en perlita. Es la llamada
    eutectoide. Aleación III (1,2% de C). En el punto 5
    comienzan a separarse cristales de cementita, hasta que en el
    punto 6 a 723º C con porcentaje de 0,89% de C se transforma
    en perlita. Aleación IV (3,2% de C). En el punto 7
    comienza la solidificación y se forma austenita. Todo se
    transforma en ledebu-rita en el punto 8. En el punto 9 se
    convierte en perlita.

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    24 Aleación V (4,3% de C). Idéntica a la anterior,
    aunque en el punto C presenta un paso brusco de
    solidificación en ledeburita (aleación
    eutéctica). Aleación VI (5,4% de C). En el punto 10
    empiezan a formarse cristales de cementita hasta que a 1130º
    C solidifica en ledeburita con un porcentaje de carbono de 4,3%.
    ALEACIONES FÉRRICAS Son muy versátiles ya que se
    pueden modificar hasta conseguir determinadas propiedades
    físico-químicas y mecánicas. Su principal
    inconveniente es su facilidad de corrosión. Se clasifican
    en función del porcentaje de carbono. Acero.
    Aleación de Fe-C forjable, cuya proporción de
    carbono está comprendida entre 0,10 y 1,76 %.
    Fundición. Aleación de Fe-C no forjable, cuya
    proporción de carbono está comprendida entre 1,76 y
    5%. Hierro. Metal puro, o con una proporción de
    carbón inferior al 0,03%. Se puede obtener por
    procedimientos electrolíticos pero tiene pocas
    aplicaciones industriales.

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    25 CLASIFICACIÓN DE LOS ACEROS En función del
    procedimiento de fabricación En función del
    porcentaje de carbono Aceros hipoeutectoides. En ellos, el
    porcentaje de carbono es inferior al punto eutectoide. Aceros
    eutectoides. En ellos, el porcentaje de carbono es igual al punto
    eutectoide. Aceros hipereutectoides. En ellos, el porcentaje de
    carbono es superior al punto eutectoide. El punto eutectoide para
    los aceros para los aceros al carbono corresponde a un 0,89% de
    carbono.

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    26 En función de su constitución interna. Aceros
    perlíticos. Constituidos después del enfriamiento
    por perlita y ferrita o perlita y cementita, dependiendo de si el
    porcentaje de carbono es menor o mayor al eutectoide. Son los
    aceros normales, los aceros al carbono y los aceros de baja y
    media aleación. Aceros martensíticos. Formados en
    su mayor parte por martensita. En realidad son aceros
    perlíticos, cuya velocidad de temple es muy lenta, y son
    templados después del enfriamiento al aire. Aceros
    austeníticos. Costituidos por auastenita a la temperatura
    ambiente. No son atraidos por un imán. Aceros
    ferríticos. Formados por ferrita acualquier temperatura.
    No se pueden templar. Pertenecen a este punto los aceros de bajo
    contenido en carbono. Aceros con carburo. Contienen un porcentaje
    de carburos de elementos de aleación muy superiores al que
    se considera como normal en los aceros al carbono.

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    27 En función de su composición Podemos hablar de
    aceros al carbono y aceros aleados.

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    28 FUNDICIONES Son aleaciones férricas con un porcentaje
    de carbono superior al 2,1%. En la práctica contienen
    entre el 3 y el 4,5% de carbono. Funden a temperaturas inferiores
    a los aceros entre 1150 y 1300º C. Se moldean con facilidad.
    En la mayoría de las fundiciones el carbono aparece en
    forma de grafito. Fundición gris El carbono varía
    entre el 2,5 y el 4%. Generalmente el grafito aparece en forma de
    escamas o láminas. Son frágiles y poco resistentes
    a la tracción. La resistencia y la ductilidad a los
    esfuerzos de compresión son muy elevados. Tienen alta
    resistencia al desgaste. Son muy fáciles de moldear por su
    gran fluidez. Son uno de los materiales férricos mas
    baratos. Fundición esferiodal Se forma con pequeñas
    adicciones de magnesio y/o cesio a la fundición gris, que
    modifican su microestructura. El grafito se presenta en forma
    esferoidal. Son mas resistentes y dúctiles que las grises,
    y tienen propiedades mecánicas similares a las del
    acero.

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    29 Fundición blanca y maleable Partiendo de fundiciones
    bajas en carbono, que contengan menos de 1% de silicio, y
    aumentando considerablemente la velocidad de enfriamiento, la
    mayoría del carbono se convierte en cementita en lugar de
    grafito, obteniéndose la fundición blanca. La
    fundición blanca es extremadamente dura y frágil,
    hastta el punto de no poderse mecanizar. Su aplicación se
    limita a componentes de gran dureza y resistencia al desgaste y
    sin ductilidad, como los cilindros de laminación.
    Calentando la fundición blanca hasta temperaturas entre
    800 y 900º C durante largo tiempo y en la atmósfera
    inerte, la cementita se descompone y forma grafito en forma de
    racimos o rosetas. La microestructura es similar a la de la
    fundición esferidal por lo que presenta una resistencia
    relativamente alta y apreciable ductilidad o maleabilidad.

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