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SAMANTADIAGRAMA DE FASES
• En termodinámica y ciencia de materiales se denomina diagrama de fase o diagrama de estados de la materia, a la representación entre diferentes estados de la materia, en función de variables elegidas para facilitar el estudio del mismo.
Cuando en una de estas representaciones todas las fases corresponden a estados de agregación diferentes se suele denominar diagrama de cambio de estado.
• Los diagramas de equilibrio pueden tener diferentes concentraciones de materiales que forma una aleación a distintas temperaturas. Dichas temperaturas van desde la temperatura por encima de la cual un material está en fase líquida hasta la temperatura ambiente y en que generalmente los materiales están en estado sólido.
DIAGRAMA DE FASE BINARI0
• Cuando aparecen varias sustancias, la representación de los cambios de fase puede ser más compleja. Un caso particular, el más sencillo, corresponde a los diagramas de fase binarios. Ahora las variables a tener en cuenta son la temperatura y la concentración, normalmente en masa.
• Hay punto y líneas en estos diagramas importantes para su caracterización:
• Sólido puro o disolución sólida
• Mezcla de disoluciones sólidas (eutéctica, eutectoide, peritéctica, peritectoide)
• Mezcla sólido - líquido• Únicamente líquido, ya sea mezcla de líquidos
inmiscibles (emulsión)o un líquido completamente homogéneo.
• Mezcla líquido - gas• Gas (lo consideraremos siempre homogéneo,
trabajando con pocas variaciones da altitud).
• En un diagrama binario pueden aparecer las siguientes regiones:
• Línea de líquidus, por encima de la cual solo existen fases líquidas.
• Línea de sólidus, por debajo de la cual solo existen fases sólidas.
• Línea eutéctica y eutectoide. Son líneas horizontales (isotermas) en las que tienen lugar transformaciones eutécticas y eutectoides, respectivamente.
• Línea de solvus, que indica las temperaturas para las cuales una disolución sólida (α) de A y B deja de ser soluble para transformarse en (α)+ sustancia pura (A ó B).
• Concentraciones definidas, en las que tienen lugar transformaciones a temperatura constante:• Eutéctica• Eutectoide• Peritéctica• Peritectoide• Monotéctica• Monotectoide• Sintéctica• Catatéctica
FERNANDO
5.1 IntroducciónEn el diagrama de equilibrio o de fases, Fe-C se representan las
transformaciones que sufren los aceros al carbono con la
temperatura, admitiendo que el calentamiento (o enfriamiento) de la
mezcla se realiza muy lentamente de modo que los procesos de
difusión (homogeneización) tienen tiempo para completarse.
Uno de los materiales de fabricación y construcción más versátil,
más adaptable y más ampliamente usado es el ACERO. A un precio
relativamente bajo, el acero combina la resistencia y la posibilidad
de ser trabajado, lo que se presta para fabricaciones mediante
muchos métodos. Además, sus propiedades pueden ser manejadas de
acuerdo a las necesidades específicas mediante tratamientos con
calor, trabajo mecánico, o mediante aleaciones.Los materiales No
Ferrosos no contienen hierro. Estos incluyen el aluminio, magnesio,
zinc, cobre, plomo y otros elementos metálicos. Las aleaciones el
latón y el bronce, son una combinación de algunos de estos metales
No Ferrosos y se les denomina Aleaciones No Ferrosas.
El Acero es básicamente una aleación o combinación de hierro y
carbono (alrededor de 0,05% hasta menos de un 2%). Algunas veces
otros elementos de aleación específicos tales como el Cr (Cromo) o
Ni (Níquel) se agregan con propósitos determinados.
Si la aleación posee una concentración de carbono mayor al 2,0% se
producen fundiciones que, en oposición al acero, son quebradizas y
no es posible forjarlas sino que deben ser moldeadas.
5.2 Definiciones Austenita:Fase γ, una solución solida intersticial de carbono en
hierro FCC. La máxima solubilidad en estado del carbono en la
austenita es del 2%. [1]
Austenización: Calentamiento de un acero dentro de un rango
de temperatura de la austenita para que su composición se
convierta en austenita. La temperatura de la austenización varia
dependiendo de la composición del acero. [1]
Ferrita: Fase α, una solución solida intersticial de carbono en
hierro BCC. La máxima solubilidad solida de carbono en hierro
BCC es del 0,02%. [1]
Cementita: El compuesto intermetálico Fe3C; una sustancia dura
y quebradiza. [1]
Perlita: Una mezcla de fases ferrita y cementita en laminas
paralelas producida por la descomposición eutectoide de la
austenita. [1]
Eutectoide: Acero con un 0,8% C. [1]
Hipoeutectoide: Acero con menos de 0,8% C. [1]
Hipereutectoide: Acero con un 0,8% C a un 2% C. [1]
Alotropía del Hierro: Muchos elementos y compuestos existen
en más de una forma cristalina, bajo diferentes condiciones de
temperatura y presión. Este fenómeno es determinado como
polimorfismo o alotropía. Muchos metales industrialmente
importantes como el hierro, titanio y cobalto experimentan
transformaciones alotrópicas a elevadas temperaturas y a presión
atmosférica. [1]
Acero: Es toda aleación Fe-C entre 0,008% y 1,76% de Carbono.
edwin
5.3 Diagrama Hierro Carbono (Fe-C)En el diagrama de fase del Fe se observa las formas alotrópicas del
hierro sólido, BCC y FCC, a distintas temperaturas:
Hierro alfa (α): Cristaliza a 768 ºC. Su estructura cristalina es BCC
con una distancia interatómica de 2.86 Å. Prácticamente no disuelve
en carbono.
Hierro gamma (γ): Se presenta de 910ºC a 1400ºC. Cristaliza en la
estructura cristalina FCC con mayor volumen que la estructura
cristalina de hierro alfa. Disuelve fácilmente en carbono y es una
variedad de Fe amagnético.
Hierro delta (δ): Se inicia a los 1400ºC y presenta una reducción en
la distancia interatómica que la hace retornar a una estructura
cristalina BCC. Su máxima solubilidad de carbono es 0.007% a
1487ºC. No posee una importancia industrial relevante. A partir de
1537ºC se inicia la fusión del Fe puro.
Según el porcentaje de carbono las aleaciones Hierro-Carbono puede
clasificarse en:
Aceros %C ≤1.76%.
Fundiciones %C≥1.76% – 6.667%C
El carbono puede presentarse en tres formas distintas en las
aleaciones Fe-C:
En solución intersticial.
Como carburo de hierro.
Como carbono libre o grafito.
El estado actual del diagrama de equilibrio de las aleaciones
hierro−carbono fue establecido como resultado de las
investigaciones hechas por varios científicos. La elaboración de este
diagrama fue empezada por D. Chernov, quien estableció en 1968 los
puntos críticos del acero. Más tarde volvió a estudiar reiteradamente
este diagrama. N. Gutovski, M. Wittorft, Roberts Austen, Roozebom
hicieron una gran aportación al estudio de este diagrama. Los
últimos datos acerca del diagrama están expuestos en las obras de I.
Kornilov.
Las aleaciones hierro−carbono pertenecen al tipo de aleaciones que
forman una composición química. El carbono se puede encontrar en
las aleaciones hierro−carbono, tanto en estado ligado (Fe3C), como
en estado libre (C, es decir, grafito), por eso, el diagrama comprende
dos sistemas:
Fe−Fe3C (metaestable); este sistema está representado en el
diagrama con líneas llenas gruesas y comprende aceros y
fundiciones blancas, o sea, las aleaciones con el carbono ligado,
sin carbono libre (grafito).
Fe−C (estable); en el diagrama se representa con líneas
punteadas; este sistema expone el esquema de formación de las
estructuras en las fundiciones grises y atruchadas donde el
carbono se encuentra total o parcialmente en estado libre
(grafito).
Para estudiar las transformaciones que tienen lugar en aceros y
fundiciones blancas se emplea el diagrama Fe−Fe3C, y para estudiar
fundiciones grises, ambos diagramas (Fe−Fe3C y Fe−C).
Temperatura a que tienen lugar los cambios alotrópicos en el hierro
está influida por elementos de aleación, de los cuales el más
importante es el carbono. Muestra la porción de interés del sistema
de aleación hierro − carbono. Esta la parte entre hierro puro y un
compuesto intersticial, carburo de hierro, Fe3C, que contiene 6.67 %
de carbono por peso; por tanto, esta porción se llamará diagrama de
equilibrio hierro − carburo de hierro. Este no es un verdadero
diagrama de equilibrio, pues el equilibrio implica que no hay cambio
de fase con el tiempo; sin embargo, es un hecho que el compuesto
carburo de hierro se descompondrá en hierro y carbono (grafito).
oscar
5.4 Fases Del Diagrama Hierro Carbono
5.4.1 Fase Austenítica (0 hasta 2,1% C)
La austenita es el constituyente más denso de los aceros y está
formado por una solución sólida por inserción de carbono en hierro
gamma, como lo muestra la Figura 5.3 La cantidad de carbono
disuelto, varía de 0 a 2.1 % C que es la máxima solubilidad a la
temperatura de 1130 °C.
La austenita presenta las siguientes características:
Baja temperatura de fusión.
Baja tenacidad.
Excelente soldabilidad.
No es magnética.
La austenita está formada por cristales cúbicos centrados en las
caras estructura (FCC).
Figura 5.5 Microestructura interna de la austenita. [6]
Camila
5.4.2 Fase Ferrítica
5.4.2.1 Ferrita alfa α (0 hasta 0,022%C)
Es el nombre dado a la solución sólida α. Su estructura cristalina es
BCC con una distancia interatómica de 2.86 Å. Prácticamente no
disuelve en carbono, como se puede observar en la Figura 5.4, donde
se tiene un acero con bajo porcentaje de carbono.
La máxima solubilidad es 0,022% de C a 727°C, y disuelve sólo
0,008% de C a temperatura ambiente.
Figura 5.6 Microestructura interna de la ferrita. [7]
5.4.2.2 Ferrita delta δ (0 hasta 0,09%C)
Se inicia a los 1400ºC y presenta una reducción en la distancia
interatómica que la hace retornar a una estructura cristalina BCC.
Su máxima solubilidad de carbono es 0.007% a 1487ºC. Las
características de la ferrita δ son:
Muy blanda.
Estructura cristalina BCC
Es magnética.
Muy poca posibilidad de disolución del carbono.
La ferrita experimenta a 912°C una transformación polimórfica a
austenita FCC o hierro γ. No posee una importancia industrial
relevante. A partir de 1537ºC se inicia la fusión del Fe puro.
La ferrita δ es como la ferrita α, y sólo se diferencian en el tramo de
temperaturas en el cual existen.
5.4.3 Fase Cementita (0,022% a 6,67%C)
Se forma cementita (Fe3C) cuando se excede el límite de solubilidad
del carbono en ferrita α por debajo de 727°C (la composición está
comprendida en la región de fases α+Fe3C). La cementita, desde el
punto de vista mecánico, es dura y frágil, y su presencia aumenta
considerablemente la resistencia de algunos aceros.
La cementita se presenta de forma oscura al ser observada al
microscopio como se puede ver en la Figura 5.5, Estrictamente
hablando, la cementita es sólo metaestable; esto es, permanece como
compuesto a temperatura ambiente indefinidamente. Pero si se
calienta entre 650 y 700°C durante varios años, cambia
gradualmente o se transforma en hierro α y carbono, en forma de
grafito, que permanece al enfriar hasta temperatura ambiente. Es
decir, el diagrama de fases no está verdaderamente en equilibrio
porque la cementita no es un compuesto estable. Sin embargo,
teniendo en cuenta que la velocidad de descomposición de la
cementita es extraordinariamente lenta, en la práctica todo el
carbono del acero aparece como Fe3C en lugar de grafito y el
diagrama de fases hierro-carburo de hierro es, en la práctica, válido.
Figura 5.7 Microestructura interna de la cementita[8]
Las zonas oscuras corresponde a cementita que es el mayor
constituyente en la fundición blanca, las zonas claras corresponden a
perlita
La cementita posee las siguientes propiedades:
Alta dureza.
Muy frágil.
Alta resistencia al desgaste.
Sergio
5.4.4 Fase Ledeburita
La ledeburita no es un constituyente de los aceros, sino de las
fundiciones. Se encuentra en las aleaciones Fe-C cuando el
porcentaje de carbono en hierro aleado es superior al 25%, es decir,
un contenido total de 1.76% de carbono.
La ledeburita se forma al enfriar una fundición líquida de carbono
(de composición alrededor del 4.3% de C) desde 1130ºC, siendo
estable hasta 723ºC, descomponiéndose a partir de esta temperatura
en ferrita y cementita. Está formada por 52% de cementita y 48% de
austenita. La ledeburita no existe a temperatura ambiente en las
fundiciones ordinarias debido a que en el enfriamiento se transforma
en cementita y perlita; sin embargo en las fundiciones se puede
conocer las zonas donde existió la ledeburita por el aspecto eutéctico
con que quedan las agrupaciones de perlita y cementita.
Figura 5.8 Microestructura interna de la ledeburita [8]
5.4.5 Fase Perlita
Es la mezcla eutectoide que contiene 0,77 % de C y se forma a 727°C
a un enfriamiento muy lento. Es una mezcla muy fina, tipo placa o
laminar de ferrita y cementita. Se le da este nombre porque tiene la
apariencia de una perla al observarse microscópicamente a pocos
aumentos.
Cuando esta estructura laminar es muy fina (las láminas son muy
delgadas) la perlita se ve al microscopio óptico como negra. Sin
embargo ambas fases, ferrita y cementita en condiciones normales
de ataque son blancas. El color oscuro o negro lo producen el gran
número de límites de grano existentes entre la matriz ferrítica y las
láminas de cementita. Se comprende que cuanto más anchas sean las
láminas (se habla entonces de perlita abierta o basta) la tonalidad se
irá aclarando hasta poder distinguirse las distintas láminas, no por
ello la perlita pierde su carácter de microconstituyente.
Hay dos tipos de perlita:
Perlita fina: dura y resistente.
Perlita gruesa: menos dura y más dúctil.
La perlita gruesa es más dúctil que la perlita fina a consecuencia de
la mayor restricción de la perlita fina a la deformación plástica.
Mecánicamente las perlitas tienen las propiedades intermedias entre
la blanda y dúctil ferrita y la dura y quebradiza cementita.
Figura 5.9 Micro-estructura interna de la perlita [9]
5.2.6 Fase Grafito
Cuando las aleaciones hierro carbono, exceden el 2% de carbono se
tiende a formar grafito, en la matriz de la aleación. Es especialmente
cierto en la fundición gris, donde el grafito aparece en forma de
escamas y es una característica predominante de la microestructura.
En la Figura 5.8 se observa la una forma típica del grafito, la cual
muestra la formación de este en forma de esferas.
Figura 5.10 Microestructura interna del grafito [8]
Es bastante duro, por lo que una cantidad elevada de grafito hace
que la aleación sea muy dura pero a la vez, muy frágil, además los
copos de grafito imparten una buena maquinabilidad actuando como
rompe virutas, y también presentan una buena capacidad de
amortiguación.
El grafito se puede clasificar en varios tipos:
El grafito tipo A: Es obtenido cuando son utilizadas bajas
velocidades de solidificación. Una fundición que presente este
tipo de grafito adquiere propiedades como superficie mejor
acabadas, respuesta rápida a algunos tratamientos térmicos, baja
dureza, alta tenacidad y alta ductilidad.
El grafito tipo B: Se presenta en una fundición que presenta una
composición casi eutéctica.
El grafito tipo C: Aparece en hierros hipereutécticos,
preferiblemente con altos contenidos de carbono.
Los grafitos tipo D y E: S forman cuando las velocidades de
enfriamiento son altas pero no tan altas como para formar
carburos. Sus propiedades son alta dureza y resistencia a la
tracción, baja ductilidad y baja tenacidad.
