DIAGRAMAS DE FASE GENERALIDADES. Los metales puros rara vez se emplean como tales, debido a que se pueden mejorar algunas de sus propiedades al alearlos. Por ejemplo el hierro puro es un metal tan blando como otros muchos, pero si de alguna manera se introduce otro elemento en su red cristalina, obtenemos un significativo aumento en la dureza de este material, de modo que esta llega a ser una de las mayores entre los materiales metálicos. Las aleaciones Hierro-Carbono constituyen el grupo de mayor uso en la actualidad, principalmente una de ellas: el acero.

En esta unidad estudiaremos las aleaciones desde el punto de vista de su obtención. Para ello haremos uso de una herramienta muy importante en tal estudio: el Diagrama de Fases.

Antes de estudiar estos diagramas, daremos algunas definiciones básicas y profundizaremos en la

caracterización de las aleaciones.

• Aleación: Aleación es una sustancia de carácter metálico compuesta por dos o mas elementos químicos, de los cuales uno por lo menos es metal. Volviendo a nuestro ejemplo anterior, el acero es una aleación de Fe y C. El hierro es metal y el carbono no lo es, pero el acero tiene evidentemente carácter metálico

• Sistema de aleación: Un sistema de aleación es el conjunto de todas las aleaciones posibles que

pueden formarse con varios elementos combinados en cualquier proporción. Si se combina dos elementos, se obtiene un sistema de aleación binario (por ejemplo el sistema binario Hierro-Carbono). Para tres elementos tenemos un sistema ternario, etc. Nosotros estudiaremos solo sistemas binarios.

• Fase: Fase es una de un sistema, homogénea y físicamente distinta a las demás partes del sistema, de

las que esta separada por una superficie limite bien definida. En general cada sólido constituye una fase diferente, los liquidos pueden o no constituir fases diferentes según sean o no sean inmiscibles y los gases siempre constituyen una sola fase. Cuando la estructura cristalina de un metal se modifica, existe un cambio de fase. Por ejemplo el hierro a 910 ºC cambia de estructura BCC a FCC, lo que implica un cambio de fase.

CLASIFICACION DE LAS ALEACIONES. Tomando en consideración la estructura, las aleaciones pueden ser homogéneas o mezclas. En el primer caso la aleación esta constituida por una sola fase y en el segundo por mas de una fase.

En estado sólido, podemos encontrar a las aleaciones en cualquiera de las tres siguientes fases (puras

o mezcladas): • Metales puros. • Fases de aleación intermedia o compuestos. • Fases terminales o soluciones sólidas.

Si una aleación es homogénea ( no se distingue al microscopio fases diferentes), puede tratarse de una solución sólida o un compuesto. En caso que la aleación sea una mezcla, esta puede estar constituida por dos o más fases cualesquiera que coexisten en equilibrio en el estado sólido.

Un metal puro tiene temperatura de fusión (o de solidificación) fija e invariable, desde el comienzo hasta el final de la solidificación, esta temperatura se mantiene constante. FASES DE ALEACIÓN INTERMEDIA O COMPUESTOS. Se habla de fases de aleación intermedia o compuestos, cuando se forma una fase diferente a partir de los elementos de aleación, combinados en forma aproximadamente estequiometrica (la composición puede variar dentro de márgenes estrechos). El compuesto formado puede tener, a veces, propiedades muy diferentes a los elementos que lo componen. La mayoría de

estos compuestos son cristalinos, de modo que la curva de enfriamiento es similar a la de un metal puro (tienen punto de fusión definido).

Las tres fases de aleación intermedia son:

• Compuestos Intermetálicos. • Compuestos Insterticiales. • Compuestos electrónicos

COMPUESTOS INTERMETALICOS. Son también llamados compuestos de valencia. Están formadas por metales químicamente diferentes, enlazados en forma covalente o iónica. Las propiedades de estos compuestos, se asemejan a las de los compuestos no metálicos, es decir, son poco dúctiles y malos conductores. Entre estos compuestos podemos citar: CaSe, Mg2Pb, Mg2Sn, Cu2Se . COMPUESTOS INSTERTICIALES. Pertenecen a este grupo los compuestos formados por los metales de transición (principalmente Ti, Ta, W, Fe), con átomos pequeños como lo son el H, C, B. N. El nombre de estos compuestos deriva del hecho que los átomos pequeños se ubican en los insterticios de la red cristalina de los metales de transición.

Los compuestos insterticiales tienen carácter netamente metálico, una composición química casi constante y presentan altos puntos de fusión. Ejemplos: TaC, Fe3C, Fe2N.

Muchos de estos compuestos forman parte y mejoran las propiedades de los aceros.

COMPUESTOS ELECTRÓNICOS. Son compuestos en que el numero de electrones de valencia guarda una relación definida con el numero de átomos, y para una proporción dada, la estructura cristalina es similar. Esto se ve en la Tabla 1.

RELACION 3:2 (BCC)

RELACION 21:13 (CUBICA COMPLEJA)

RELACION 7:4 HCP

AgCd Ag5Cd8 AgCd3

AgZn Cu9Al4 Ag5Al3

Cu3Al Cu31Sn8 AuZn3

AuMg Fe5Zn21 Cu3Si FeAl Au5Zn8 FeZn7

Cu5Sn Ni5Zn21 Ag3Sn

Solo con el objeto de fijar ideas, tomemos un ejemplo:

• Au5Zn8

Electrones de Valencia: Au 5*1 = 5 Zn 8*2 = 16

Total: 21 electrones de valencia Numero de Átomos: 8+5 =13 Relación: 21/13

Estos compuestos tienen a veces propiedades similares a las soluciones solidas, esto es, composición

química variable ( en un rango pequeño) y poca dureza. SOLUCIONES SÓLIDAS. Toda solución esta formada por un solvente que es quien esta presente en una mayor cantidad, y un soluto que lo esta en menor cantidad. Las soluciones son mezclas homogéneas en las que domina el estado físico del solvente. La cantidad máxima de soluto (solubilidad) que puede aceptar una

Tabla 1

solución en equilibrio, depende fundamentalmente de la temperatura. En estas condiciones se dice que la solución esta saturada. Una solución sólida sobresaturada, corresponde a una situación de no-equilibrio y puede obtenerse mediante un enfriamiento rápido. Pero como esta situación es inestable, precipita el exceso de soluto, en los limites de grano generalmente.

Las soluciones sólidas solidifican en un rango de temperatura. Las soluciones sólidas pueden ser de dos tipos: por sustitución y por inserción. En las primeras, los átomos de soluto ocupan las mismas posiciones de los átomos de solvente que han sustituido. En las otras, los átomos de soluto ocupan posiciones intersticiales. SOLUCIONES SÓLIDAS POR SUSTITUCIÓN

Para que se forme una solución sólida de este tipo debe cumplirse un conjunto de factores, denominados Reglas de Hume-Rothery. Estos factores son:

• Factor Estructura Cristalina: Los sistemas de cristalización de soluto y solvente deben ser similares. Por ejemplo el oro y la plata tienen ambos estructura FCC, y son solubles en todas proporciones.

• Factor Tamaño Relativo de los Átomos : Para obtener soluciones sólidas sustitucionales, es necesario

que la diferencia en tamaño de los átomos sea menor al 15%. Si esta diferencia es mayor, la solubilidad es muy restringida.

• Factor Afinidad Química: Mientras mayor es la afinidad química, menor es la solubilidad, pues hay

tendencia a formar compuestos químicos.

• Factor Valencia Relativa: La solubilidad es mayor cuando la valencia del soluto es mayor que la del solvente. Por ejemplo el oro, de valencia uno disuelve hasta un 5% de magnesio, de valencia dos; sin embargo este ultimo disuelve solo 0.1% de oro

SOLUCIONES SÓLIDAS POR INSERCIÓN. Estas soluciones se obtienen cuando el soluto tiene pequeño radio atómico comparado con el de solvente. Los solutos son, en este caso, átomos de pequeño radio, como Boro, Carbono, Hidrógeno, Nitrogeno. La cantidad de soluto es, en estas condiciones, siempre menor que la necesaria para formar un compuesto insterticial. En caso que la solución se sobresature, los átomos de soluto segregan para formar tal compuesto.

La formación de una solución sólida por inserción va siempre acompañada por una dilatación de la red cristalina del solvente. Esta dilatación dificulta el movimiento de las dislocaciones y por lo tanto aumenta la resistencia de la aleación.

Las soluciones sólidas insterticiales son siempre mas fáciles de separar que los compuestos de este tipo, y como ya se dijo, no tienen un punto de fusión definido y sus propiedades dependen de las propiedades del soluto y del solvente. DIAGRAMAS DE FASES. Los metales y las aleaciones se obtienen, en la mayoría de los casos, por procedimientos pirometalúrgicos: De manera que casi siempre se generan por solidificación de un baño de metal liquido. Al enfriarse este liquido y solidificar, ocurren una serie de transformaciones, que es necesario conocer, para así poder predecir las propiedades que tendrá la aleación a su temperatura de servicio.

Los diagramas de fase son una herramienta muy útil para inferir tales propiedades, pues son una gráfica que representa las regiones en que es estable cada una de las fases posibles de un sistema de aleación.

Estos diagramas son también denominados Diagramas de Equilibrio, pues nos indican las zonas de

estabilidad de las fases, siempre que estas se hayan formada en condiciones de equilibrio.

COORDENADAS DE LOS DIAGRAMAS DE FASE. Sabemos que para especificar el estado de un sistema termodinámico, es necesario conocer un conjunto de variables de estado que fijan dicho estado. Si nuestro sistema es una aleación, bastaría conocer la presión (P), la temperatura (T) y la composición de la aleación, para conocer su estado. Como generalmente en metalurgia se trabaja a presión de una atmósfera, podemos obviar esa variable y especificar solo temperatura y composición. Si graficamos en un sistema de coordenadas cartesianas, temperatura en las ordenadas y composición en las absisas, los puntos del plano temperatura- composición, nos indicaran todos los estados posibles del sistema de aleación.

En resumen un diagrama de fases no es mas que la representación de los estados de un sistema de aleación ( o de las zonas de estabilidad de las fases), en coordenadas cartesianas. La temperatura se puede expresar en ºC ó ºF, y la composición en porcentaje en peso o fracción molar. La figura 1 muestra las coordenadas de un diagrama de fases.

En los diagramas de fase, la línea por encima de la cual hay solo líquido, se denomina Liquidus. La línea bajo la cual solo hay sólido, se denomina Solidus. Las soluciones sólidas se denominan con las letras griegas α,β,γ,....Las regiones se nombran según las fases que existan en ellas, por ejemplo: L es la región en que existe solo liquido; L + α es la region que existen liquido y solido α en equilibrio. Ademas se acostumbra indicar el eje 100% A – 0%B, con la letra A y al eje 100 %B – 0% A, con la letra B. Todo lo anterior puede observarse en la figura 2, que muestra un diagrama de fases sencillo. El sistema Cobre – Níquel presenta un diagrama de este tipo.

TEM

PER

ATU

RA

% en peso de B ó % atómico de B A B 90 80 70 60 50 40 30 20 10

Figura 1 Coordenadas de los diagramas de fase binarios

LÍQUIDO (L) liquidus

LÍQUIDO + SÓLIDO

SÓLIDO (α) solidus

A B

Tem

pera

tura

% B

Figura Nº2. Diagrama Isomorfo

( L + α )

INFORMACIONES QUE SE PUEDEN OBTENER DE UN DIAGRAMA DE FASES. Volvamos al diagrama isomorfo. Supongamos que enfriamos un liquido de composición Co. El diagrama nos da todas las informaciones que veremos a continuación (ver figura 3):

• Entre T1 y T2, el liquido se enfría sin cambio de composición. • En T2 comienza la solidificación. El primer núcleo de cristalización de sólido tiene una composición

C1, que es la composición de equilibrio a dicha temperatura. • Si continua descendiendo la temperatura, llegamos a T3. A esta temperatura existe equilibrio entre un

liquido de composición C3, con un sólido de composición C2. Nótese que estas composiciones corresponden a los puntos en que una horizontal trazada a la temperatura T3, corta la línea liquidus y solidus respectivamente.

• Un infinitésimo antes de llegar a la temperatura T4, existe equilibrio entre un liquido de composición C5 y un sólido de composición Co.

Es interesante observar que, si el enfriamiento se ha hecho muy lentamente, el sólido que se esta

formando entre las temperaturas T2 y T4, se esta homogenizando permanentemente por difusión, de modo que en todo momento, todo este sólido tiene la composición de equilibrio. Dicho en otras palabras, la composición del sólido sigue en un enfriamiento lento la línea solidus. Obviamente la composición del liquido sigue la linea liquidus, por ser mas rápida la difusión en ese estado.

Todo lo anterior constituye la primera regla de los diagrama de fases. Esta se puede denominar regla

de las composiciones y puede enunciarse así: Si una aleación esta a una temperatura en que coexisten dos fases, al trazar una horizontal correspondiente a dicha temperatura se cortara las líneas de equilibrio que encierran la región considerada. Los puntos en que la horizontal corta dichas líneas de equilibrio corresponden a la composición de las fases presentes.

La segunda regla para trabajar con diagramas de fase, relaciona las cantidades relativas de la fase 1 y

la fase 2, en un punto de una región en que coexisten dos fases. Esta regla se denomina Regla de la Palanca. No la enunciaremos sino la explicaremos con un ejemplo.

Supongamos que tenemos un diagrama isomorfo y una aleación de composición Co, a una

temperatura To en que coexisten dos fases ( ver figura 4).

A B

T1

S1 L1

T2

T3

T4

S2 L2

L3

C5 C3 Co C2 C1

Tem

pera

tura

Composición Figura 3 Variación de la composición de líquido y sólido en el enfriamiento

La regla de la palanca indica: pmtrazo

nmtrazo

faseladePesofaseladePeso

−

−=

21

Para obtener un resultado numérico, asignemos valores a las composiciones indicadas en la figura.

Así: Cn = 30 %B ; Co = 45 %B ; Cp = 65 %B

Aplicando la regla de la palanca, tenemos:

%8.421003515100

306530451001001% =⋅=⋅

−−

=⋅−−

=⋅=np

no

CCCC

npnmfase

obviamente % fase 2 = 57.2 %

La regla de la palanca es valida en todas las regiones en donde coexisten dos fases, para cualquier diagrama binario.

CASOS QUE PUEDEN PRESENTARSE EN LAS ALEACIONES DEL TIPO SOLUBILIDAD COMPLETA EN EL ESTADO SÓLIDO. El caso mas común es el ya estudiado (diagrama isomorfo típico), en el cual la temperatura de fusión de las aleaciones, esta siempre comprendida entre los puntos de fusión de los metales puros y pasan por un máximo o un mínimo, tal como se ve en la figura 5.

La particularidad que presentan los diagramas de la figura 5, es que en ambos casos existen aleaciones (diferentes a los metales puros), que presentan un punto de fusión definido. Esta aleaciones corresponden a la concentración designada como X en la figura. Los puntos designados por la letra C, en

n m p

Fase 1

Fase 2

A B Cn Co Cp

Figura 4 Regla de la palanca

C

A B

Líquido

L + α L + α

α

C

A B

L + α L + α

Líquido

α

Figura 5 Diagramas con punto de fusión congruente

ambos casos, se conoce como Puntos de Fusión Congruente. Una solidificación congruente es aquella en que un liquido solidifica a una temperatura constante, sin que se separen fases de distinta composición. SISTEMA DE DOS METALES TOTALMENTE SOLUBLES EN ESTADO LIQUIDO Y PARCIALMENTE SOLUBLES EN ESTADO SÓLIDO. En muchos casos hay solubilidad ( aunque a veces muy pequeña) en el estado sólido, de manera que se forma una solución sólida al enfriar algunas aleaciones y se separan dos fases sólidas si al enfriar otras aleaciones.

Veamos un diagrama que corresponde a nuestra actual situación, el diagrama plomo - estaño

En la figura 6 se observa que se forma dos soluciones sólidas: • α es una solución de estaño en plomo (plomo es el solvente y estaño el soluto) • β es una solución de A en B ( estaño es solvente, plomo es soluto)

Se observa además una zona amplia en el estado sólido en que coexisten dos fases (α y β) y dos zonas en que coexisten líquido y una fase sólida.

Veamos ahora que sucede al enfriar lentamente varias aleaciones (ver figura 7 ). En la aleación (a), la situación es similar a la vista en los diagramas isomorfos, hasta T3, temperatura

a la comienza una segregación de fase β a partir de la fase α. Esta segregación se produce por sobresaturación de la fase alfa en la especie B. A temperatura ambiente, la aleación (b) estará constituido por granos de α rodeados de una malla de solución sólida de β que ha segregado hacia los limites de grano.

Figura 6 Diagrama de fases plomo - estaño

La aleación (b) se comporta de manera diferente. A T1 comienza la solidificación, formándose un

primer sólido (α) de aproximadamente 14% de estaño. A una temperatura levemente superior a TE , que hemos denominado T3 hay equilibrio entre un liquido de 61.9 % Sn y una solución sólida α de aproximadamente 19 %Sn. A esta solución α por haberse producido a una temperatura superior a la temperatura eutectica se le denomina α primario. A la temperatura eutectica el liquido remanente se transforma en una mezcla eutectica α + β, según la reacción:

L → α + β (reacción eutéctica) Al continuar descendiendo la temperatura, los granos de α primario se encuentran sobresaturados de

B, de modo que comienza a segregar solución sólida β en los limites de estos granos. A temperatura ambiente la aleación (c) estará constituida por : α primario, β segregado y una matriz de la mezcla eutectica α + β . Esta microestructura se muestra en la figura 8.

α α

α

β segregado

Eutéctico α + β

Figura 8 Microestructura que muestra segregación

Figura 7 Enfriamiento de dos aleaciones plomo - estaño

(a) (b)

T3

T2

T1

To

To

T1

T2 T3 T4

Para conocer la cantidad relativa de fases presentes durante la solidificación de esta aleación, se puede hacer una balance de materia, del tipo que presentamos a continuación.

• A To existe 100% de liquido, de 40 % estaño. • A T1 ( ≈ 240 ºC) comienza a formarse la solución sólida α, con una composición de

aproximadamente 14 % B

• A T2 (200 ºC) hay dos fases: líquido y solución sólida α - (40 – 18)/(56 – 18) · 100 = 57.9 % en peso de liquido (regla de la palanca)

- 42.1 % de α primario

• A T3 ( una temperatura levemente superior a TE), aun existen las dos fases ya citadas, pero la proporción es:

- 48.95 % de liquido de composición eutectica. - 51.05 % de α primario

• A una temperatura inmediatamente inferior a TE hay equilibrio entre dos fases sólidas, la proporción entre ellas es:

- 73.24 % de α y 26.75 % de β (regla de la palanca) Si se compara la situación entre T3 y T4 se tiene que aumentó bruscamente la cantidad de fase α; apareció una cantidad importante de fase β y desapareció el líquido, es decir se produjo el cambio:

L → α + β

Esto significa que a TE el 48.95 % del liquido restante, se transforma en una mezcla eutectica. PROPIEDADES EN LOS SISTEMAS EUTECTICO. Las propiedades de una aleación compuesta de varias fases dependen de las características de las fases presentes y de la distribución de las fases (micro estructura). Propiedades como densidad, conductividad y coeficiente de la dilatación térmica, varían linealmente con la composición en las zonas binarias. Otras como la resistencia, dureza y ductilidad, dependen del tamaño, numero y distribución de ambas fases.

En un sistema binario, en el cual una de las fases es blanda y plástica y la otra dura y frágil, la resistencia se va incrementando desde la región correspondiente a la fase plástica, alcanzando un máximo para la composición eutéctica. Después disminuye debido a la presencia de granos primarios de la fase frágil. Por lo general es el eutéctico quien tiene la mayor resistencia. FASES INTERMEDIAS DE FUSION CONGRUENTE. Se habla de fusión congruente cuando una fase se transforma en otra isotérmicamente, sin que la composición química varíe.

Cuando la solidificación de una fase intermedia es congruente, se puede considera resta como otro componente del diagrama de fases. Pueden presentarse dos casos:

• Que la nueva fase se presente en un rango relativamente amplio de composiciones. En este

caso estamos en presencia de un compuesto electrónico, que se designa en general por una letra griega.

• Que la fase se presente en un rango pequeño, lo que indica la presencia de un compuesto intermetálico o intersticial, que se indica por una línea vertical en el diagrama y se designa por el símbolo del compuesto.

22.19 % 26.75 % 48.95 %

El estudio de sistemas reales en que se presentan varias fases de fusión congruente, puede

simplificarse subdividiendo estos sistemas en varios sistemas parciales. En nuestro caso el sistema (b), puede dividirse en dos subsistemas. LA REACCION PERITECTICA. Cuando una fase liquida y una fase sólida reacciona entre si, dando origen a otra fase sólida, se dice que ha ocurrido una reacción perictectica. Esta reacción puede escribirse así:

Liquido + Sólido 1 → Sólido 2

Hay dos casos posibles:

• Que el nuevo sólido formado sea un compuesto intermedio. • Que el nuevo sólido sea una solución sólida final.

Ambos casos se muestran en la figura 10.

Analicemos en el caso (a). La reacción peritéctica produce el sólido AmBn, de composición 70A-30B. Supongamos que enfriamos un liquido de composición 90A-10B: En T1, se inicia la solidificación, formándose cristales de A puro. La solidificación termina T2. A una

temperatura levemente superior a T2. A una temperatura levemente superior a T2, tenemos la siguiente situación:

- 25% de liquido de composición 60A-40B

α

α + η

η L +

η η + β

β L +

β

L +

α

A L

+ η

B A AmBn

α + AmBn AmBn + β

L + AmBn AmB

n + L

α

α + L L + β

β

B

Figura 9. a) Compuesto electrónico. b) Compuesto químico

A 10 20 30 40 50 60 70 80 90 B

L 40%

1 2

L + A

AmBn + B

L + AmBn L + B

A + AmBn

L L + α

α + β

α

β

β + L

A B Figura 10 Diagramas peritécticos

- 75% de sólido A puro.

A una temperatura levemente inferior de T2, tenemos:

- 33% de un compuesto AmBn, de composición 70A-30B - 67% de sólido A.

Este balance nos indica que un 8% del sólido A, ya formado, tiene que recombinarse para formar el

compuesto intermedio. Este proceso de recombinación debe ser lento, ya que el elemento A debe difundir a través del sólido AmBn, para tomar contacto con el liquido y reaccionar. La reacción peritéctica se realiza alrededor de cada grano de A primario, de la manera indica por la figura 11.

Veamos que sucede al enfriar una aleación de composición 65A-35B, correspondiente al mismo

sistema de aleación del diagrama (a) : En T1

´ comienzan a formarse cristales de A. A una temperatura levemente superior a T2 tenemos:

- 87.5% de liquido, de composición 60A-40B - 12.5% de sólido A puro.

A una temperatura levemente inferior a T2, no existe sólido A puro ( para nuestra aleación), entonces todo este sólido formado con anterioridad a T2, debe consumirse en la reacción peritéctica.

Entre T2 y T3 continua formándose el compuesto intermedio, a expensas del liquido que sigue cambiando de composición. A una temperatura levemente superior a TE, tenemos:

- 10% de liquido de composición eutectica - 90% del compuesto intermedio AmBn

A TE, el liquido remanente sufre la reacción eutectica, de modo que a temperatura ambiente la

aleación esta formada por granos de AmBn rodeados de mezcla eutectica. METALES PARCIALMENTE SOLUBLES EN ESTADO LIQUIDO: LA REACCION MONOTECTICA: Al comenzar el capitulo dijimos que dos líquidos podían constituir fases distintas, en caso de ser inmiscibles o constituir una sola fase si son totalmente miscibles (solubles). Hasta ahora solo hemos visto líquidos totalmente solubles entre si. Ahora estudiaremos líquidos parcialmente solubles, es decir, aleaciones que para cierta composición, se separan en dos fases liquidas. Este caso se muestra en la figura 12. Examinando este diagrama podemos observar que la región en que coexisten dos líquidos no esta definida. Esto se debe exclusivamente a dificultades de orden experimental para demarcar tal región. Además se observa que bajo TM, no existe L1 (Liquido rico en la especie A).

A A A

A A A

Líquido

Compuesto AmBn

Sólido A

Figura 11. Mecanismo de la reacción peritéctica.

TRANSFORMACIONES DEL ESTADO SÓLIDO. ALOTROPIA. Hay metales que en el estado sólido pueden presentar diversas estructuras, dependiendo de las temperatura. Tal es el caso del hierro, que bajo los 910 ºC tiene una estructura BCC y sobre dicha temperatura presenta una estructura FCC. La transformación citada se denomina Transformación Alotrópica. Otros metales (además del hierro) que presentan esta propiedad son el magnesio y el estaño. En un metal puro las transformaciones alotropicas son puntos en la vertical que representa el metal puro, pero en las aleaciones estas transformaciones se dan en regiones, generalmente en forma de lazo, como indica el diagrama Fe – Cr que se muestra abajo (figura 13). La zona de transformación alotrópica, se conoce también como lazo gamma.

TRANSFORMACIÓN ORDEN DESORDEN. Las soluciones sólidas son en general desordenadas, es decir los átomos de soluto reemplazan en posiciones al azar a átomos del solvente, pero existen algunas en que los átomos de soluto ocupan posiciones fijas, como ocurre por ejemplo con algunas aleaciones cobre – oro. En la figura 14 se muestra que en el sistema de aleación cobre – oro aparecen tres zonas en que hay soluciones sólidas ordenadas. En la figura 15 se muestra esquemáticamente la solución ordenada α”, que tiene aproximadamente 50% atómico de oro (75 % en peso de oro)

L1 L2 L1 + L2

A + L2

A + β

A + L1

β

L2 +β

A B

Figura 12 Diagrama monotéctico

Figura 13 Diagrama con zona de transformación alotrópica

LA REACCION EUTECTOIDE. Esta es una reacción que se produce enteramente en el estado sólido. Consiste en una descomposición de una fase sólida en dos nuevas fases sólidas. La ecuación general de esta transformación, se puede escribir así:

Sólido 1 → Sólido 2 + Sólido 3

Figura 14 Diagrama de fases cobre - oro

Fracción atómica de oro

α’’’

α” α’

α

Figura 16 Reacción eutectoide

L

L + γ

γ γ + B

α + C

L + C

•

• •

•

•

T4

Ta

T3 T2

T1

A C

α + γ

Oro

Cobre Figura 15 Solución sólida ordenada α”

La mezcla eutectoide es muy fina y presenta un aspecto similar a la mezcla eutectica. El diagrama de la figura 16 muestra una reacción eutectoide. Analicemos que sucede en el

enfriamiento de una aleación hipoeutectoide, como la que se indica con una línea punteada en la figura. A T1 hay líquido. Hasta T2 el enfriamiento es similar al de un diagrama isomorfo. Un poco por debajo de esa temperatura empieza a separarse una fase sólida α a partir de la fase γ, situación que continúa hasta la temperatura eutectoide, en que ocurre la reacción ya citada. Por debajo de esa temperatura, es decir a T4 habrá granos grandes de α primaria y una mezcla eutectoide α +γ LA REACCION PERICTOIDE. Es también una reacción en estado sólido, que puede expresarse genéricamente por la reacción: Sólido 1 + Sólido 2 → Sólido 3

En la figura 121 se muestran tres casos de reacción perictectoide.

En (a) la reacción peritectoide produce una fase terminal; en (b) un compuesto electrónico y en (c) un compuesto químico.

RESUMEN. A manera de recuento de lo visto hasta ahora presentamos una tabla en que se muestra las diferentes reacciones vistas en este capitulo.

DIAGRAMAS COMPLEJOS. Existen aleaciones que presentan diagramas de equilibrio complejos. Tales diagramas pueden ser analizados considerándoles una suma de diagramas simples. Por ejemplo el diagrama Cobre- Antimonio mostrado en la figura 18 consiste en una serie de reacciones que detallaremos en seguida.

NOMBRE DE LA REACCION ECUACION FORMA EN EL DIAGRAMA Monotéctica L1 → S + L2

Eutéctica L → S1 + S2

Eutectoide S1 → S2 + S3

Peritéctica L + S1 → S2

Peritectoide S1 + S2 → S3

δ

β A + β

A + δ

A + β → δ

α β α + β

γ α + γ γ + β

α + β → γ

α β

α + β

α + C1

C1 + β

C1 + C2 C2 + β

α + β → C1 y C1 + β → C1

C1 C2

Figura 17 Reacción peritectoide

L1

S + L2

S1 + S2

L

S1

S2 + S3

S2

L + S1

S1 + S2

S3

Las reacciones que se producen el sistema de aleación Cu-Sb, las hemos ordenado, según la temperatura a que se producen, en forma decreciente, en el cuadro siguiente:

TEMPERATURA NOMBRE DE LA REACCION ECUACION

T1 Eutéctica L → α + β

T2 Peritéctica L + γ → Cu2Sb

T3 Eutectica L → Cu2Sb + β

T4 Peritectoide α + γ → δ

T5 Eutectoide γ → δ+Cu2Sb 5.14 PROBLEMAS PROPUESTOS.

• Los metales A ( PF =4 100 ºC) y B( PF = 780 ºC), son totalmente solubles en estado liquido. Una aleación de 85A-15B comienza a solidificar a 610ºC y termina de solidificar a 500 ºC, bajo esta temperatura se presenta como una fase homogénea ( α). A 700ºC y para una composición 50ª-50B se presenta un eutectico. A dicha temperatura la solubilidad de B en A es de 35% y desciende hasta 30% a temperatura ambiente. Por otra parte a temperatura eutéctica la solubilidad de A en B es 15%, descendiendo hasta 0% a temperatura ambiente.

a) En base a los datos anteriores, dibuje a escala el diagrama de equilibrio del sistema A-B e

identifique puntos, líneas y zonas. b) Dibuje las curvas de enfriamiento que sea necesario para construir este diagrama,

imaginando que esta haciendo análisis termico. c) Describa el enfriamiento de una aleación de 32%B y dibuje la microestructura aproximada

de esta aleación.

CuSb + β

CuSb + L

CuSb

β

δ

γ

α + γ α

L + γ

L + α

α + δ δ + CuSb

γ +

CuS

b Cu Sb

Figura 18. Diagrama de Equilibrio Cu-Sb ( Aproximado)

Líquido

T5

T4 T3

T2 T1

• Suponga que en el sistema de aleación A-B, cuyo diagrama se representa en la figura 10-a, El metal A y el compuesto AmBn se puede separar gravitacionalmente (por diferencia de densidades).

a) ¿ Cuantos kilogramos de A puro se puede recuperar a partir de 5.34 toneladas de una

aleación 80A-20B, en estado sólido? b) ¿ Existe alguna forma de recuperar mayor cantidad de A puro por métodos gravitacionales?

ALEACIONES FERROSAS. GENERALIDADES. El hierro es un metal alotrópico que forma con el carbono diversas aleaciones como lo son el acero y las fundiciones. Estas aleaciones tienen tal importancia industrial que hemos considerado conveniente dedicar un capitulo especial a su estudio.

En el capitulo anterior vimos transformaciones alotrópicas y dijimos que en un metal, estas son puntos en la vertical que representa el metal puro. En el hierro, estas transformaciones se presentan a 1401ºC y 910ºC. La figura 19 muestra la posible curva de enfriamiento del hierro puro, considerando dichas transformaciones.

En al figura anterior se advierte que a 767ºC existe una transformación, que sin ser cambio de fase, involucra un cambio de comportamiento del hierro. A esta temperatura el hierro alfa adquiere propiedades ferromagnéticas y tal punto es denominado punto de Curie. DIAGRAMA HIERRO-CARBONO.

Antes de analizar el diagrama Fe-Fe3C, es necesario aclarar que este no es un diagrama de equilibrio en el estricto sentido de la palabra, ya que la cementita (Fe3C) es una fase metaestable, que con el tiempo tiende a descomponerse en hierro y grafito. Pero esta descomposición es muy lenta, incluso a altas temperaturas, de modo que para efectos practicos este diagrama puede ser considerado del mismo tipo de los ya estudiados en el capitulo cinco.

En el diagrama Fe-Fe3C se advierte la existencia de tres reacciones:

• A 1493 ºC se produce una reaccion peritectica, en lña cual un liquido de 0.5% de carbono reacciona con un solido δ (BCC) de 0.10% de carbono, para formar un solido γ (FCC) de 0.18% C la ecuación que representa tal reaccion es:

γδ →+L Esta reacción no influye en las propiedades finales de los aceros, ya que tanto dentro como fuera del

rango de la reacción, se llega a una solución sólida homogénea (o que se homogeniza por existir a altas

Figura 19 Curva de enfriamiento del hierro

Líquido

Fe δ (BCC)

Fe γ (FCC)

Fe α no magnético

Fe α magnético

1537

1401

910

767 Tem

pera

tura

ºC

tiempo

temperaturas) y la microestructura de los aceros, a temperatura ambiente, no muestra huellas que se haya producido tal reacción.

• A 1129 ºC se produce una reacción eutectica. En esta reacción un liquido de 4.3% de carbono se transforma en una mezcla eutectica (Lebedurita), consistente en una solución sólida γ de 2%C y cementita. Esta reacción puede representarse como:

CFeL 3+→ γ

Esta reacción es particularmente importante para las fundiciones blancas. De hecho el limite entre aceros y fundiciones blancas es 2%C, es decir, la composición por sobre la cual se produce la reacción eutectica. La mezcla eutectica denominada Ledeburita no se observa al microscopio en la forma que se produce, ya que la fase γ originada en tal reaccion, se transforma y desaparece en el enfriamiento.

• A 723 ºC se produce una reacción eutectoide, en que la fase γ (Austenita) de 0.8%C, se descompone en fase α (ferrita) de 0.025%C y cementita, es decir:

CFe3+→ αγ

Esta reacción es importante en los aceros y las fundiciones ya que las fases mencionadas (α, Fe3C), existen a temperatura ambiente en dichas aleaciones. La mezcla eutectica α + Fe3C, se denomina perlita; tiene una estructura laminar característica y se encuentra presente en casi todos los aceros y fundiciones normales ( sin tratamiento térmico).

El diagrama Fe-Fe3C es de amplio uso, especialmente en tratamientos termicos. En el diagrama

mismo se acostumbra entregar gran cantidad de información, sobre todo en lo referente a microestructuras

2% 3% 4.3% 5% 1% 0.83% 6% 6.67 0.5%

15371492 1400 1130 910 723 210

Aceros Hipoeutectoides Hipereutectoides

Fundiciones

Austenita: Solución sólida de carbón en hierro gamma

γ

δ + L

δ + γ

A1

A2 A3

α + γ

Punto de Curie

Perlita y Ferrita

Perlita y Cementita

Austenita Ledeburita y Cementita γ + Fe3C

α + Fe3C Cambio magnético del Fe3C

γ + L

L + Fe3C

Fe3C

Tem

pera

tura

% Carbono

Figura 20 Diagrama Hierro - Cementita

Líquido

Línea liquidus

para distintos rangos de composición y corrimiento de las lineas de equilibrio para distintas velocidades de enfriamiento. Nosotros hemos omitido esa sobrecarga de información en la figura 20, ya que la iremos dando gradualmente. DEFINICION DE ESTRUCTURAS. En la figura 20 se indico los nombres de las estructuras que aparecen en las aleaciones Fe-C. Ahora indicaremos las propiedades de esas estructuras en el cuadro que sigue:

NOMBRE DESCRIPCION DUREZA RESISTENCIA DUCTILIDAD

FERRITA

Solución sólida de C en Fe (BCC), con 0,008 %C a temperatura ambiente

Inferior a 0 RC

28 kg / mm2

40% de alargamiento

en 2”

CEMENTITA

Compuesto insterticial, de formula Fe3C

Muy dura

Baja

Muy frágil

AUSTENITA

Solución sólida de C en Fe (FCC) a 1129 la solubilidad es máxima con 2,17 %C.

40 RC (**)

105 Kg / mm2

(**)

Muy dúctil

PERLITA

Mezcla eutectoide de ferrita y Fe3C, con 0.8 %C

20 RC

84 Kg / mm2

20% de alargamiento

en 2”

LEBEDURITA

Mezcla eutéctica de γ y cementita que se forma a 1129 ºC

Muy dura

(**) Valores de acero inoxidable austenítico

SOLUBILIDAD DE CARBONO EN HIERRO. En el diagrama Fe-Fe3 C puede observarse que el hierro γ tiene mayor capacidad para disolver carbono que el hierro α. El hierro γ tiene una estructura FCC, lo que equivale a una factor de acomodamiento de 0.74 y el hierro α una estructura BCC, con FA = 0.68. Esto indica que la estructura mas compacta tiene una mayor capacidad para disolver carbono. Este comportamiento aparentemente contradictorio puede explicarse fácilmente comparando el tamaño de los insterticios de ambas redes.

En la red FCC, los intersticios mayores son del tipo octaédrico y se encuentran en el centro del cuerpo y en el punto medio de las aristas, tal como se observa en la figura 21. El diámetro de estos intersticios vale 0.82RFe, es decir 1.02 ángstrom

En la red BCC, los intersticios mayores son del tipo tetraédrico y se encuentran en las posiciones ½;

¼; 0. El diámetro de estos intersticios vale 0.58RFe, es decir 0.72 A (Ángstrom)

a / 2

FCC BCC

a / 4

Figura 21. Posición de los intersticios mayores en la redes FCC y BCC

El diámetro de una átomo de carbono es aproximadamente 1.4 A , de manera que al disolverse carbono en hierro γ se produce una alta distorsión en la red, que limita la solubilidad hasta un 2 %C máximo. Los intersticios de la red del Fe α son tan pequeños comparados con el tamaño de un átomo de carbono, que la solubilidad se limita enormemente, tal como ya habíamos observado.

Micro estructuras de aceros al carbono

CLASIFICACION DE LOS ACEROS. Los aceros se pueden clasificar a diversos criterios:

• Por su fabricación. De acuerdo a este criterio podemos clasificar los aceros en fabricados en hornos Siemens-Martin, en convertidores neumáticos, en horno eléctrico, en convertidor al oxígeno, etc

• Por se uso. De este modo se pueden clasificar en aceros estructurales, aceros de herramientas, aceros

de resortes, aceros inoxidables, etc.

• Por su composición química. Es este el criterio mas usado y el mas acertado. La composición química se puede expresar a través de una simbología numérica como lo es la nomenclatura SAE, que veremos a continuación. La SAE (Sociedad de Ingenieros de la industria automotriz Norteamericana) usa una nomenclatura de cuatro dígitos (XXXX), en la que el primero indica el tipo de acero, el segundo indica el porcentaje aproximado del elemento de aleación dominante y los dos últimos, cien veces el contenido de carbono expresado en porcentaje en peso.

Un acero 1015 por ejemplo, es un acero al carbono sin un elemento de aleación dominante, con 0.15% de carbono.

La tabla siguiente muestra las series de aceros mas comunes.

SERIE DESCRIPCION 10XX Aceros al carbono 11XX Aceros al carbono, altos en azufre y bajos en P obtenidos en

Siemens-Martin o Bessemer ácido 12XX Aceros al carbono, altos en S y P, obtenidos en horno Siemens-Martin 13XX Aceros altos en Manganeso (1.6 a 1.9% Mn) 23XX Aceros al níquel (3.5% Ni) 25XX Aceros al níquel (5% Ni) 31XX Aceros al níquel – cromo (1.25% Ni, 0.6% Cr) 33XX Aceros al níquel – cromo (3.5% Ni, 1.5% Cr) 40XX Aceros al molibdeno (0.25% Mo) 41XX Aceros al cromo – molibdeno (1% Cr, 0.2% Mo) 43XX Aceros al cromo-níquel-molibdeno 46XX Aceros al níquel-molibdeno (1.75%Ni, 0.25% Mo)

Cementita

Ferrita

Perlita

(a) (b)

Figura 22 Micro estructura aproximada de aceros al carbono a) Hipoeutectoide; b) Hipereutectoide

51XX Acero al cromo (0.8% cromo) 52XX Acero al cromo (1.5% cromo) 61XX Acero al cromo-vanadio 86XX Aceros al níquel-cromo molibdeno (0.55% Ni, 0.5%Cr, 0.2%Mo) 92XX Aceros al manganeso- silicio (0.8% Mn, 2%Si) 3XX Aceros inoxidables austeníticos (8 – 12 % Ni; 16 – 18 % Cr) 4XX Aceros inoxidables ferríticos (12 – 23 % Cr; %C < 0.3%) 4XX Aceros inoxidables Martensíticos (12 – 18% Cr; %C < 0.3%)

Letra Número Aceros de Herramientas (las letras son: W; S; O; A; D; H; T; M; L; P; F y los números enteros de uno o dos dígitos a lo más) (Ejemplos: A2; W6; O1; H11; etc.)

TABLA 2. Aceros más comunes

CLASIFICACION DE LAS FUNDICIONES. Las fundiciones se clasifican usualmente según su estructura metalografica. En estas el carbono puede encontrarse combinado formando cementita o libre, en forma de grafito, influye notablemente las propiedades de la fundición. Una fundición en que todo el carbono este combinado en forma de Fe3C, puede analizarse en base al diagrama Fe- Fe3C ya estudiado. En caso que presente grafito libre, podemos estudiarla en base al diagrama estable hierro-grafito.

Según el criterio ya indicado, las fundiciones mas comunes son:

• Fundición Blanca, en que todo el carbono esta formando parte de la cementita.

• Fundición Maleable, en que la mayoría del carbono esta sin combinar, formando partículas arracimadas. Se obtiene por un tratamiento térmico de fundiciones blancas

• Fundición gris, en que la mayor parte del carbono esta libre formando laminas de grafito

• Fundiciones nodulares, en que la mayor parte del carbono esta libre, formando esferoides de

grafito. Esto se logra adicionando elemento difusores en le baño liquido de manera de obtener el grafito libre directamente por solidificación.

• Fundiciones Aleadas, cuyas estructuras pueden corresponder a cualquiera de las ya indicas,

pero cuyas propiedades han sido mejoradas por los elementos de aleación.

A continuación describiremos en forma breve las características mas importantes de las fundiciones. FUNDICION BLANCA. Las fundiciones blancas tienen usualmente entre 2 y 4.3% C. La cantidad relativa de fases presentes, para una composición determinada, puede obtenerse fácilmente mediante el análisis por enfriamiento de una de estas fundiciones, usando el diagrama Fe- Fe3C. Por poseer gran cantidad de cementita libre ( no formando parte de la perlita), estas fundiciones son duras y extremadamente frágiles, lo que limita su uso a casos en que se necesite alta resistencia al desgaste y se requiere poca ductilidad. El mayor volumen de producción de fundición blanca se destina a servir de materia prima para la producción de fundición maleable. FUNDICION MALEABLE. Ya hemos dicho que la cementita es una fase metaestable, de modo que al calentarla se puede descomponer según la reacción:

CFeCFe +→ 33 Esta descomposición esta favorecida cinéticamente por el aumento de temperatura, la presencia de

elementos de adición ( catalizadores) y el incremento en contenido de carbono. Para maleabilizar una fundición blanca se le calienta lentamente hasta una temperatura comprendida entre 850-950ºC, por 20 a

cuarenta horas y después se enfría a velocidad controlada. Después de ello la estructura de la fundición es la que se muestra esquemáticamente en la figura 23.a FUNDICION GRIS. Este es el tipo mas corriente de fundición de hierro. En esta fundición el grafito libre forma laminas curvadas y alargadas, que dan a la fundición una característica fractura grisácea, de la cual deriva su nombre. Su microesdtructura se muestra en la figura 23.b

La fundición gris se obtiene directamente desde el estado liquido, sin tratamiento termicos posteriores.

La acción de silicio tiende a formar una fundición gris con todo el grafito libre, es decir, con matriz

ferritica. Para obtener una matriz parcial o totalmente perlítica es necesario contrarrestar la acción del silicio mediante un elemento que fije el carbono de la matriz. Este elemento de adición es el manganeso, el cual tiene poca influencia en la grafitización a temperaturas altas, pero un a enérgica acción de fijación del carbono en la zona de reacción eutectoide. La existencia de grafito en forma de laminas rompe la continuidad de la matriz de la fundición, favoreciendo la fractura del material.

Las fundiciones grises tienen baja resistencia a la tracción, pero alta resistencia a la compresión y

capacidad amortiguante. Estas características la hacen apropiada para servir de base o soporte de estructuras. FUNDICION NODULAR. Esta fundición se caracteriza por presentar el grafito libre en forma de nódulos aproximadamente esféricos. Esta característica la hace mas resistente y menos frágil que la fundición gris. La distribución tan particular del grafito que presenta esta fundición se debe a la acción de ciertos elementos de aleación formadores de nódulos, entre los que podemos mencionar al magnesio y cerio, que usualmente se agregan en las ollas de colada.

(a)

Figura 23. Microestructura de las fundiciones de hierro: a) Maleable; b) Gris; c) Nodular

(c) (b)

Figura 24 Microestructura de aceros: a) Acero de bajo carbono (AISI 1015); b) acero de carbono medio (AISI 1045) (nota las zonas oscuras son perlita y las claras son ferrita)