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