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18/07/2012
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ConceptosConceptosFase cristalina, homogénea y sólida quecontiene dos o más especies químicas.Mezcla homogénea de dos o más elementosque forman una sola fase en estado sólido.
Una porción homogénea de un sistema quetiene características físicas y químicasuniformes.
(i) Uno de los elementos que constituyen unsistema químico. (ii) una combinación defases que poseen una configuracióncaracterística en la microestructura de unaaleación.
AcerosAceros
Aleaciones FeAleaciones Fe
Acero es una aleación Fe y C, y también puede contener otros elementos aleantes.
• Forman una solución sólida intersticial• Carbono, nitrógeno, hidrógeno, oxígeno
Aleaciones intersticiales
• Forman una solución sólida sustitucional
• Manganeso
Aleaciones sustitucionales
Fe-δ
Parámetros de la celda:
0.286 nm BCC0.364 nm FCC
Fe-γ
Fe-α
Transformaciones alotrópicas del hierro
����
����
1538-1394°C
1394-912°C
Tª < 912ºC
Sitios intersticiales en el sistema cúbico compacto (FCC)Sitios intersticiales en el sistema cúbico compacto (FCC)Diagrama FeDiagrama Fe--CC
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Diagrama FeDiagrama Fe-- FeFe33CC
• A0:Temperatura de Curie de la Cementita (230ºC)
• A1:T°Transformación eutectoide (723ºC) A1: <0.77 A1.3 : > 0.77
• A2: Temperatura de Curie Fe α (770ºC)
• A3: Línea que separa las regiones de γ y γ+α (depende %C)
• Acm: Línea que separa las regiones de γ y γ + cm(depende %C)
Temperaturas críticas
Diagrama FeDiagrama Fe--CemetitaCemetita
Metalografía de los acerosMetalografía de los aceros
�Microestructuras de equilibrio Principales fases y Principales fases y microcontituyentesmicrocontituyentesde los aceros en el de los aceros en el diagrama Fediagrama Fe--Fe3CFe3C
Ferrita
Austenita Cementita
Perlita
Ferrita (α)
Sol sol intersticial de C en Fe α (BCC)
Máx sol C a 723°C = 0,025%C en peso, disminuyendo hasta 0,008%C a T amb
Resistencia tensil 40000 psi,
dureza < 90HRB (0 HRC)
Estructura más suave del diagrama, dúctil(elongación 40% en 2”) y ferromagnética
No se colorea por los ácidos comunes y en el microscopio óptico se ve blanca. Granos equiaxiales.
Austenita(γ)
Sol sol intersticial de C en Fe γ (FCC)
Máx sol C a 1148°C = 2%C,
Resistencia tensil 150000 psi,
dureza > escala HRB : (40 HRC)
Dúctil, pero menos que la ferrita(elongación 10% en 2”).PARAMAGNÉTICA
No se observa a T ° ambiente en aceros al C, y en condiciones de equilibrio . Sólo se forma bajo ciertas condiciones. Granos con limites más angulares y presencia de maclas.
Su transformación es importante en TT de los aceros
Adición de Ni,Mn, estabilizan la austenita a bajas temperaturas (se encuentra a T ambiente)
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Cementita
Carburo de hierro (Fe3C) Contiene 6.67% en peso de C.
Compuesto intersticial. Estructura ortorrómbica
Resistencia tensíl aprox. 5000 psi, altaresistencia a la compresión.
Estructura MÁS DURA del diagrama y esfrágil.
En microscopía óptica se observa ligeramente grisácea (En esta micrografía está en los límites de grano.
Perlita Producto de la reacción eutectoide que contiene 0.8% en peso en C.
Láminas intercaladas de ferrita y cementita (tipo huella dactilar).
Resistencia tensil aprox. 120.000 psi.
Dureza : 20 HRC: 95-100 HRB.
Elongación 20% en 2”. Más dura yresistente que la ferrita y más blanda que lacementita.
Perlita: Matriz ferrita (blanca) contiene laminas de cementita
(grisácea).
PP mecánicas intermedias entre las fases que la constituyen. Espaciamiento entre láminas determina las propiedad es mecánicas ..
17000 X
α
Perlita
400xLos reactivos (NITAL) oscurecen la perlita
Aceros al carbono
Aceros
Hipoeutectoides
Aceros
Eutectoides
Aceros
hipereutectoides
Las aleaciones de Fe y C con contenido en carbono inferior al 2 %
Aceros
Menos del 0,8 % C.
Ferrita y perlita
Al aumentar el contenido de carbono del acero hipoeutectoide, la proporción de los granos ferríticos va disminuyendo, al tiempo que aumenta la proporción de constituyente eutectoide, la perlita.
Aumenta el porcentaje de C
Perlita
Ferrita
aceros al carbonoaceros al carbono
γγγγ γγγγ
γγγγγγγγ
Acero hipoeutectoide: ferrita + perlita
Estructuras de equilibrio
X 100X 500
FerritaEquiaxiales
Perlita
Aceros al carbono
Aceros
Hipoeutectoides
Aceros
Eutectoides
Aceros
hipereutectoides
Las aleaciones de Fe-Fe3C con contenido en carbono inferior al 2,11 %
Aceros
Menos del 0,8 % C.
Ferrita y perlita
0,8 % C.
Perlita
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γγγγ γγγγ
γγγγγγγγ
Eutectoide: perlita
Estructuras de equilibrio
aceros al carbonoaceros al carbono
Aceros al carbono
Aceros
Hipoeutectoides
Aceros
Eutectoides
Aceros
hipereutectoides
Las aleaciones de Fe-Fe3C con contenido en carbono inferior al 2,0 %
Aceros
Menos del 0,8 % C. 0,8 % C.
PerlitaGranos de perlita rodeados por una red de cementita
Ferrita y perlita
0,8 -2,0 % CIndustriales <1.5%
γγγγ γγγγ
γγγγγγγγ
Hipereutectoide: cementita + perlita
Estructuras de equilibrio
X 100X 500
aceros al carbonoaceros al carbono Relación entre microestructura y propiedades en Relación entre microestructura y propiedades en los aceros al carbonolos aceros al carbono
En función del %C cambia la microestructura y cambian las propiedades
� Resistencia a tracción hasta 0,8%C
�Alargamiento hasta 0,8%C
� Dureza
Carrocerías de coche Alambres
Tornillos Aceros estructurales
Destornilladores Piñones
Cuchillas Cortafríos
Brocas Matrices
Sierras Navajas
Efecto del carbono
AcerosAceros Contenido en C
Bajo carbono
Medio carbono
Alto carbono
0,2-0,5%C<0,2%C >0,5%C
0,2% C 0,4% C 0,8% C
AcerosAceros Contenido en C
Bajo carbono
Medio carbono
Alto carbono
0,2-0,5%C<0,2%C >0,5%CSe deforman fácilmente, son tenaces, blandos, no tienen resistencia al desgaste.
Usos: Defensas y carrocerías de automóviles, (0.05%C)Vigas, placas, canales y ángulos (0.15 y 0.25%)
Son los más usados para la construcción de equipos.>0.3%C � TT
Usos: Industria de automóviles: ejes o árboles, pernos, cigüeñales. Ruedas dentadas (Dureza y R. desgaste � 0.5%C
Endurecen por TT. Baja ductilidad y alta dureza.
Usos: Punzones, matrices, cortafríos, herramientas de corte, serruchos
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Metalografía de los acerosMetalografía de los aceros
�Microestructuras fuera del equilibrio
Diagrama Fe-Fe3C
Posibles microestructurasque se pueden obtener
variando Fe-C. (equilibrio) Proceso muy muy lento
Condiciones fuera del equilibrio: (enfriamientos a diferentes velocidades)
Microestructuras diferentes (Bainita, martensita)
Amplía el rango de propiedades mecánicas del acero
Selección de un acero determinado y un adecuado Selección de un acero determinado y un adecuado tratamiento térmicotratamiento térmico
Tratamiento térmico
Tº
t
¿Porqué cambian las propiedades mecánicas?
Sólido
� Propiedadesdeterminadas
El control de la microestructura permite
producir metales y aleaciones con propiedades adecuadas para las distintas aplicaciones.
TT Aceros Transformación o descomposición de la γ
Transformaciones de fase en estado sólido
(Cambia el tipo de fase y su número)
TiposTransformación eutectoide: γγγγ (FCC) � αααα (BCC) + Fe3C
DifusiónDifusiónSi
No
Transformaciones de fase en estado sólido
(Cambia el tipo de fase y su número)
Tipos
DifusionalCon cambio de composición Reacc. eutectoide
Adifusional Transf. martensítica
Sin cambio de composición Transf. Alotrópica Fe
Nucleación Crecimiento
Etapas
Las transformaciones en estado sólido que implican difusión no
transcurren instantáneamente: dependen de T y t.
t
T
γγγγ
Grano
Imperfecciones
Límite de grano
Difusionales
Estado sólido:Átomos se encuentan en posiciones fijas dentro de una red cristalina y con capacidad de movimiento muy reducida
t, Tº
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C migra
Reordenamiento atómico
0.0 0.5 1.00
100
200
300
400
500
600
700
800
Tem
pera
tura
(ºC
)
C (% peso)
α + Fe3C
γ900
Transformación PERLÍTICA: DIFUSIONAL
αααα + Fe3C
PERLITA
Transformaciones de fase en estado sólido en aceros
Enfriamiento muy muy lento
αααα + Fe3C
PERLITA
αααα + Fe3C
BAINITA
BCTsobresaturada
MARTENSITA
Transformación MARTENSÍTICA: ADIFUSIONAL
T T T
Martensita
En su formación NO HAY DIFUSIÓN. Se forma por deformación de la estructura.
Sol. sólida sobresaturada de C atrapado en una estructura tetragonal centrada en el cuerpo (BCT)
Fase de alta dureza (RC)
Magnética
Forma acicular (agujas)
BainitaSu formación muestra características tanto de la formación por difusión de la perlita como de la no difusionalmartensita
Constituyente de ferrita +cementita
Forma plumosa o acicular dependiendo de la temperatura de transformación.
Detalles microestructurales son muy finosy para resolverlos se usa el SEM
Estructura Propiedades
Los aceros perlíticos son blandos y dúctilesPerlítica
Los aceros más duros y resistentes, pero a la vez son los más frágiles. Su ductilidad es prácticamente nula.
Martensítica
Los aceros bainíticos son más duros y resistentes que los perlíticos al tratarse de una microestructura más fina. Conveniente combinación de resistencia y ductilidad.
Bainítica
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Tratamientos térmicos en aceros Operaciones de calentamiento, mantenimiento y enfriamiento de un metal o aleación en su estado sólido a temperaturas y condiciones determinadas para cambiar sus propiedades mecánicas.
Tomado de http://www.bakereng.ca/workshop.html
TRATAMIENTOS QUE AFECTAN SOLAMENTE LA SUPERFICIE
Temple superficial, tratamientos termoquímicos (Cementación, nitruración, carbonitruración…)
RECOCIDORECOCIDO NORMALIZADONORMALIZADO
TEMPLETEMPLE REVENIDOREVENIDO
Afectan toda Afectan toda la masala masa
Recocido
Objetivos : “ablandar” el acero, regenerar la estructura o eliminar tensiones.
• Estructura homogénea y de afino de grano � Recocido de regeneración
• Reducir la dureza para fácil mecanización � Recocido de ablandamiento
• Mejorar la deformabilidad � Recocido contra acritud
• Eliminar tensiones � Recocido de atenuación de tensiones
tiempo
tem
pera
tura
v cal
Tª max y t permanencia
venf
tiempo
tem
pera
tura
tiempo
tem
pera
tura
v cal
Tª max y t permanencia
venf
Calentamiento, mantenimiento y enfriamiento en el horno (lento)
Las fases constituyentes del eutectoide obtenido (perlita) se presentan en láminas gruesas espaciadas, que al microscopio óptico se resuelven bien.Los contornos de la ferrita son suaves.
Recocido
AMIGO BORRAS, Vicente y otros. Curso de metalografía básica [Recurso electrónico]. Universidad Politécnica de valencia 2003.
NormalizadoNormalizado
Objetivos. Dejar las piezas con las propiedades consideradas normales.
tiempo
tem
pera
tura
v cal
Tª max y t permanencia
venf
tiempo
tem
pera
tura
tiempo
tem
pera
tura
v cal
Tª max y t permanencia
venf
Calentamiento, mantenimiento y enfriamiento al aire
Las fases constituyentes del eutectoide obtenido (perlita) se presentan en láminas finas con poco espaciamiento, que al microscopio óptico no se resuelven bien. Los contornos de la ferrita son angulares.
NormalizadoNormalizado
AMIGO BORRAS, Vicente y otros. Curso de metalografía básica [Recurso electrónico]. Universidad Politécnica de valencia 2003.
Acero con 0,8%C, laminado en caliente, calentado a 800°C durante 1 h
Enfriado en el horno Enfriado al aire
Estructura más fina:Material ligeramente más duro yresistente que el recocido
Las fases constituyentes del eutectoide obtenido (perlita) se presentan en láminas gruesas espaciadas, que al microscopio óptico se resuelven bien.
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TEMPLETEMPLE
Objetivos. Endurecer y aumentar resistencia (martensita).
tiempo
tem
pera
tura
v cal
Tª max y t permanencia
venf
tiempo
tem
pera
tura
tiempo
tem
pera
tura
v cal
Tª max y t permanencia
venf
Calentamiento, mantenimiento y enfriamiento rápido (agua, aceite….)
Templabilidad.Capacidad del acero de adquirir dureza por el temple y hacer que esa dureza penetre el interior de la pieza
TEMPLETEMPLE
Microestructura acicular, muy dura y frágil.AMIGO BORRAS, Vicente y otros. Curso de metalografía básica [Recurso electrónico]. Universidad Politécnica de valencia 2003.
Nomarski intereference micrograph showing the surface displacements accompanying martensitic transformation
REVENIDOREVENIDO
Calentamiento, de aceros templados, a bajas temperaturas (por debajo de la Tº eutectoide) y enfriamiento al aire
Objetivo: Se aplica a aceros templados para eliminar tensiones internas producidas con éste tratamiento.
La dureza y resistencia mecánica a la tensión disminuyen, mientras que la ductilidad y la resistencia al impacto mejoran.
TRATAMIENTOS QUE AFECTAN TODA LA MASA DEL MATERIAL
T
t
Temperatura de austenización
Temperatura de revenido
Martensita revenidaMartensita
Temple + revenido = Bonificado
Acero con 0,3 %C calentado a 870°C durante 1 h
Templado en agua
Templado y revenido a 600°C 2h
Templado y revenido a 600°C 4 días
La sobresaturación deforma la red, creando tensiones que determinan su dureza
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Objetivo: Endurecer superficialmente
Temples superficiales– Llama– Inducción
Tratamientos termoquímicos– Cementación (sólida)– Cianuración (líquida)– Carbonitruración (gaseosa)– Nitruración (gaseosa)
TRATAMIENTOS SUPERFICIALES CEMENTACIÓN
Tomado de Sidney, Avner. Introducción a la metalurgia física (1988)
Tomado de Askeland, D. Ciencia e Ingeniería de los Materiales, 3ra
ed. ITH (1998)
EjercicioEjercicio� Hacer una tabla en la que especifíquen las principales diferencias microestructurales y PP mec. de dos aceros, con la misma composición , sometidos, uno a TT de normalizado y otro a TT de recocido.
Tratamiento Microestructra Propiedades mecánicas
Perlita Ferrita
Normalizado
Recocido
Otras estructuras de los acerosOtras estructuras de los aceros
Transformaciones en el estado sólidoTransformaciones en el estado sólidoTransformación Transformación γ⇨αγ⇨α
Ferrita
Alotriomórfica
Idiomórfica
Widmanstatten
Masiva
Transformación Transformación γ⇨αγ⇨α
Ferrita alotriomórfica
Ferrita idiomórfica
Ferrita Widmanstätten
Implican difusión
Implican Deformación de la red.No hay difusión
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Grain boundary Grain boundary allotriomophallotriomoph of ferrite, and of ferrite, and intragranularintragranular idiomorphidiomorph..
1. Ferrita 1. Ferrita alotriomórficaalotriomórfica� Tiende a nuclear sobre la superficie de los límites de grano de la
austenita, formando capas que siguen los contornos de los limites de grano.
0.34wt% C steel,12min at 790°C. Grain boundary allotriomorphs of ferrite
2. Ferrita 2. Ferrita idiomórficaidiomórfica� Cristales equiaxiales que nuclean dentro de los granos de austenita.
� Se forman usualmente sobre las inclusiones no metálicas presentes en el acero.
0.34wt% C steel, 12 min at 790◦C. Grain boundary allotriomorphs and intragranular idiomorphs of
ferrite.
3. Ferrita 3. Ferrita WidmanstWidmanstättenätten
� Placas que crecen a lo largo de planos bien definidos de la austenita.� No cruzan los limites de grano� Primaria: Crece directamente desde la superficie de los granos de austenita.� Secundaria: Se desarrolla a partir de la ferrita alotriomórfica ya existente
Un enfriamiento rápido desde altas temperaturas obliga a un crecimiento de la ferrita según ciertas direcciones preferenciales, resultando granos alargados en dichas direcciones.
Mixture of Mixture of allotriomorphicallotriomorphic ferrite, ferrite, WidmanstättenWidmanstätten ferrite and ferrite and pearlitepearlite. . Micrograph courtesy of Micrograph courtesy of DoItPomsDoItPoms project.project.
5. 5. MecanismoMecanismo de de laslas transformacionestransformacionesde de fasefase
• Envuelve mezcla de los átomos en cualquier interface entre la fase producto y la fase madre por difusión
Transformaciónreconstructiva
• Envuelve movimiento coordinado de los átomos en la fase madre para cambiar la estructura cristalina
Transformación por
desplazamiento
(Displacive)
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ResumenResumen
(Adapted from H.K.D.H. Bhadeshia, Bainite in Steels, 2nd ed., the Institute of Materials, London, 2001
Clasificación de la evolución microestructural del acero durante operaciones de calentamiento y enfriamiento basadas en el
mecanismo de transformación
Reconstructiva
Ferrita alotriomórfica
Ferrita idiomórfica
Ferrita masiva
Perlita. Crecimientocooperativo de ferrita ycementita
Formación de austenita.Austenización completa
(Displacive) De desplazamiento
Ferrita Widmanstatten
Bainita. Difusión de carbono durante nucleación. No hay difusión durante el crecimiento
Martensita.No hay difusión
Difusión y mezcla de todos los átomos durante la nucleación y crecimiento lento
No hay difusión de Fe o elementos sustitucionales. Hay deformación y forman placas o láminas delgadas
BibliografíaBibliografía
http://www.msm.cam.ac.uk/phase-trans/2008/Steel_Microstructure/SM.html
AMIGO BORRAS, Vicente y otros. Curso de metalografía básica [Recurso electrónico]. Universidad Politécnica de valencia 2003.
GIL MUR, Francisco José y otros. Metalografía. Ediciones UPC. 2005
AVNER. Metalurgia física.
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