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ALEACIONES y
DIAGRAMAS DE FASES
CONSTITUCIN DE
ALEACIONES
UNIDAD V
BIBLIOGRAFA RECOMENDADA:
1.- CAPTULOS 5, 6 y 7 DEL LIBRO SIDNEY
AVNER.
2.- CAPTULO 10 DEL LIBRO SMITH HASTA
LA PGINA 16 DE ESE CAPTULO.
Aleaciones y Fases Una aleacin es una sustancia que tiene propiedades metlicas y est
constituida por dos o ms elementos qumicos, de los cuales, a lo
menos uno de ellos es metal.
El trmino fase describe cualquier masa homognea de material, tal
como un metal en el que los granos tienen todos la misma estructura
de red cristalina.
En una solucin slida, el elemento de disolvente o base es metlico,
y el elemento disuelto puede ser metlico o no metlico.
Las soluciones slidas se pueden presentar en dos formas, que se
muestran en la Figura 1. La primera es una solucin slida de
sustitucin, en el que los tomos del elemento de disolvente se
sustituyen en su celda unidad por el elemento disuelto. El latn es un
ejemplo clsico en el que el Zn est disuelto en el Cu.
Formas de Solucin Slida
Dos formas de solucin slida:
a) S. S. Sustitucional,
b) S. S. Insterticial
Figura 1
REGLAS PARA LA SOLUBILIDAD DE SLIDOS
En relacin a dos elementos que se disuelven por completo entre s,
normalmente satisfacen una o ms de las sgtes. condiciones formuladas
por el investigador metalrgico ingls William Hume-Rotery (1899-1968) y
conocidas como las reglas de solubilidad de slidos de Hume-Rotery:
La estructura cristalina de cada elemento de la solucin slida debe ser la
misma,
El tamao de los tomos de cada uno de los dos elementos no debe diferir
en ms de un 15%,
Los elementos no deben formar compuestos entre s, esto es, no debe
haber diferencias apreciables entre las electronegatividades de ambos
elementos,
Los elementos deben tener la misma valencia.
No todas la reglas de Hume-Rotery son siempre aplicables para todas las
parejas de elementos que presentan solubilidad total en el estado slido.
SOLUCIN SLIDA INTERTICIAL
El segundo tipo de solucin slida es una solucin slida intersticial,
en el que los tomos del elemento de disolucin encajan en los
espacios vacos entre los tomos de metales base en la estructura
reticular. De ello se desprende que los tomos que encajan en
estos intersticios deben ser pequeos en comparacin con los del
metal disolvente. El ejemplo ms importante de este segundo tipo
es de carbono disuelto en el hierro para formar el acero.
En ambas formas de solucin slida, la estructura de la aleacin es
generalmente ms fuerte y ms duro que cualquiera de los
elementos componentes individualmente o en forma pura.
Fases Intermedias
Como era de esperarse, existen lmites a la solubilidad de un elemento en
otro.
Cuando la cantidad del elemento de disolucin en la aleacin excede el
lmite de solubilidad slida del metal base, una segunda fase tendr forma
en la aleacin.
El trmino fase intermedia se utiliza para indicar y aclarar que su
composicin qumica es intermedio entre los dos elementos puros.
Su estructura cristalina es tambin diferente de la de aquella que tienen los
elementos puros.
Dependiendo de la composicin, y reconociendo que muchas aleaciones
constan de ms de dos elementos, estas fases intermedias pueden ser de
varios tipos, incluyendo: 1) compuestos metlicos constituidos por un metal
y un no metal tal como Fe3C; y (2) los compuestos intermetalicos en que dos metales que forman un compuesto, tal como Mg2Pb6.
La composicin de la aleacin es a menudo tal que la fase intermedia se
mezcla con la solucin slida primaria para formar una estructura de dos
fases, una fase dispersa a travs de la segunda.
Introduccin al Diagrama de Fases Binario
Estas aleaciones bifsicas son importantes porque se pueden formular y ser
tratadas trmicamente (tmto. trmico) y as aumentar su resistencia mecnica
significativamente tal que sea mayor que el de la solucin slida original.
El trmino de diagrama de fases debe entenderse como un medio grfico de
representacin de las fases de un sistema de aleacin de metal como una
funcin de la composicin y la temperatura. Esta discusin del diagrama se
limita (simplificadamente) a los sistemas de aleacin que consta de dos
elementos a presin atmosfrica. Este tipo de diagrama se llama un diagrama
de fases binario.
Figura 2.- Ejemplo de
diagrama de fases
binario entre los
elementos A y B con
una T y una [ ] eutctica
SISTEMA BIFSICO Cu-Ni
La mejor manera de introducir el diagrama de fase es el ejemplo de la Figura
3 en el que se presenta uno de los casos ms simples, el sistema de
aleacin de Cu-Ni. Cualquier punto en el diagrama indica la composicin
global y la fase o fases presentes en la temperatura dada. El cobre puro se
funde a 1083 C, y el nquel puro a 1455 C. Composiciones de aleacin entre estos extremos exhiben fusin gradual que comienza en el solidus y
concluye en la fase lquida a medida que aumenta la temperatura. El sistema
cobre-nquel es una aleacin de solucin slida en toda su gama de
composiciones. En cualquier parte de la regin por debajo de la lnea de
solidus, la aleacin es una solucin slida; NO hay fases slidas intermedias
en este sistema. Sin embargo, hay una mezcla de fases en la regin limitada
por el solidus y liquidus. La lnea o frontera solidus es la temperatura a la que
el metal slido comienza a derretirse a medida que aumenta la temperatura,
y el liquidus es la temperatura a la que se completa la fusin. Ahora se
puede ver a partir del diagrama de fase que estas temperaturas varan con la
composicin. Entre el solidus y liquidus, el metal es una mezcla slido-
lquido.
DIAGRAMA DE FASES Cu-Ni
Figura 3.- Diagrama de Fases Binario Cu-Ni
Figura 3.- Sistema
Binario Cu-Ni
Determinacin de la Comp. Qca. de las Fases Presentes
Aunque la composicin total de la aleacin est dado por su
posicin a lo largo del eje horizontal, las composiciones de las fases
lquida y slida no son las mismas. Es posible determinar estas
composiciones desde el diagrama de fase dibujando una lnea
horizontal a la temperatura de inters. Los puntos de interseccin
entre la lnea horizontal y el solidus y liquidus indican las
composiciones de las fases slida y lquida presentes,
respectivamente. Simplemente construir las proyecciones verticales
de los puntos de interseccin con el eje x y leer las
correspondientes composiciones.
Para ilustrar el procedimiento, supongamos que se quiere analizar
las composiciones de las fases lquida y slida presente en el
sistema de cobre-nquel en una composicin de 50% de nquel y
una temperatura de 1260 C
Continuacin del Procedimiento de Clculo
Una lnea horizontal se dibuja en el nivel de temperatura dado,
como se muestra en la Figura 3. La lnea se cruza con el solidus en
una composicin de 62% de nquel, lo que indica la composicin de
la fase slida. La interseccin con el liquidus se produce a una
composicin de 36% de Ni, correspondiente al anlisis de la fase
lquida
Como se reduce la temperatura de la aleacin de Cu-Ni 50-50, la
lnea solidus se alcanza a alrededor de 1221 C. Aplicando el mismo procedimiento usado en el ejemplo, la composicin del metal
slido es 50% de nquel, y la composicin de la ltima gota del
lquido restante para solidificar es de aprox. 26% de nquel. Cmo
es esto, que la ltima gota de metal fundido tiene una composicin
tan diferente de la de metal slido en el cual se congela? La
respuesta es que el diagrama de fases asume las condiciones de
equilibrio que prevalecen. De hecho, el diagrama de fase binario es
un diagrama de equilibrio debido a esta suposicin.
Fenmeno de Segregacin Interna Durante la
Solidificacin
Lo que significa es que se permite el tiempo suficiente para que el
metal slido pueda cambiar gradualmente su composicin por
difusin para alcanzar la composicin indicada por el punto de
interseccin a lo largo de la lnea liquidus. En la prctica, cuando se
solidifica la aleacin (por ejemplo, una pieza de fundicin), ocurre un fenmeno de segregacin en la masa slida debido a las condiciones de no equilibrio. El primer lquido que solidifica tiene
una composicin que es rica en el metal con el punto de fusin ms
alto. Entonces, como el metal restante se solidifica, su composicin
es diferente de la del primer metal solidificado. Como los ncleos
que estn creciendo y formando los granos de la masa slida
solidificada, las composiciones se distribuyen dentro de la masa,
dependiendo de la temperatura y el tiempo en el proceso en que se produjo la solidificacin. La composicin total es la media de la distribucin.
DETERMINACIN DE LA CANTIDAD DE CADA
FASE. REGLA DE LA PALANCA.
Las cantidades de cada fase presente en una temperatura dada en
el diagrama de fase tambin se puede determinar. Esto se hace por
la regla de la palanca inversa: (1) utilizando la misma lnea
horizontal como antes que indica la composicin general a una
temperatura dada, medir las distancias entre la composicin de
agregado y los puntos de interseccin con el liquidus y solidus, la
identificacin de las distancias como CL y CS, respectivamente
(referirse a la Figura 3); (2) la proporcin de fase de lquido presente
est dada por:
Proporcin de fase L = CS ec. (1)
CS + CL
Proporcin de fase S = CL ec. (2)
CS + CL
Ejemplo del Uso de la Regla de la Palanca
Determinar las proporciones de fases lquida y slida para la
composicin de nquel 50% del sistema de cobre-nquel a la
temperatura de 1260 C.
Solucin: Utilizando la misma lnea horizontal en la figura 3 como en
el Ejemplo 1 anterior, las distancias CS y CL se miden como 12% y
14% respectivamente. As, la proporcin de la fase lquida es 12/26
= 0,46 (46%), y la proporcin de fase slida es 14/26 = 0,54 (54%).
Las proporciones dadas por las ecuaciones. (1) y (2) son en peso,
lo mismo que los porcentajes diagrama de fases. Tener en cuenta
que las proporciones se basan en la distancia en el lado opuesto de
la fase de inters; de ah el nombre regla de la palanca inversa. La
lgica de esto se encuentra tomando el caso extremo cuando, por
ejemplo, CS = 0; en ese punto, la proporcin de la fase lquida es
cero porque el solidus se ha alcanzado y la aleacin est por lo
tanto completamente solidificada.
Los mtodos para determinar la composicin qumica de
las fases y las cantidades de cada fase son aplicables a
la regin slida del diagrama de fase, as como la regin
de solidus-liquidus. Dondequiera que hay regiones en el
diagrama de fase en el que dos fases estn presentes,
se pueden utilizar estos mtodos. Cuando slo una fase
est presente (en la figura 3, se trata de toda la regin
slida), la composicin de la fase es su composicin de
agregado en condiciones de equilibrio; y la regla de la
palanca inversa no se aplica porque hay una sola fase.
Diagrama de Fases Sn-Pb
Un diagrama de fases ms complicado es el sistema de Sn-Pb, se muestra
en la Figura 3. Las aleaciones de estao y plomo se han utilizado
tradicionalmente como soldaduras para realizar conexiones elctricas y
mecnicas. El diagrama de fase exhibe varias caractersticas que no se
incluyen en el sistema Cu-Ni anterior. Una caracterstica es la presencia de
dos fases slidas, alfa () y beta (). La una fase es una solucin slida de Sn en Pb en el lado izquierdo del diagrama, y la fase es una solucin slida de Pb en Sn que ocurre slo a temperaturas elevadas alrededor de 200C en el lado derecho del diagrama. Entre estas soluciones slidas se encuentra
una mezcla de las dos fases slidas + .
Otra caracterstica de inters en el sistema SN-Pb es cmo el pto. de fusin
vara para diferentes composiciones. Estao puro funde a 232C y el plomo puro funde a 327C. Las aleaciones de estos elementos se funden a temperaturas ms bajas. El diagrama muestra dos lneas liquidus que
comienzan en los puntos de fusin de los metales puros y se renen en la
composicin de 61,9% Sn. Esta es la composicin eutctica para el sistema
de estao y plomo. En general, una aleacin eutctica es una composicin
particular en un sistema de aleacin para la cual el solidus y liquidus estn a
la misma temperatura
Diagrama de Fases Binario Sn-Pb
Figura 4.- Binario Sn-Pb
Concepto de Eutctico
La temperatura eutctica correspondiente, el punto de fusin de la
composicin eutctica, es 183C en el caso Sn-Pb. La T eutctica siempre es el punto de fusin ms bajo para un sistema de
aleacin (eutctica se deriva del griego eutektos, que significa
fcilmente fundida). Los mtodos para determinar el anlisis
qumico de las fases y las proporciones de fases presentes se
pueden aplicar fcilmente al sistema de Sn-Pb tal como se utiliza
en el sistema Cu-Ni. De hecho, estos mtodos son aplicables en
cualquier regin que contiene dos fases, incluyendo dos fases
slidas. La mayora de los sistemas de aleacin se caracterizan
por la existencia de mltiples fases slidas y composiciones
eutcticas, y as los diagramas de fase de estos sistemas son a
menudo similar al diagrama de Sn-Pb. Por supuesto, muchos
sistemas de aleacin son considerablemente ms complejos. Uno
de estos es el sistema de aleacin de Fe-C.
Reacciones Posibles en un Diagrama de Fases de Equilibrio
La Reaccin Peritectoide
Esta es una reaccin relativamente comn en los diagramas de fases y se
presenta en el estado slido y aparece en varios sistemas de aleacin. En
general, la reaccin peritectoide puede describirse de la sgte. forma:
Solido 1 + Solido 2 NUEVO SLIDO
La nueva fase slida suele ser una fase intermedia, aunque tambin podra
tratarse de una solucin slida. La Rx peritectoide tiene la misma relacin a la
reaccin peritctica que la eutectoide la tiene con la eutctica. Esencialmente,
es el remplazo de un lquido por un slido. Las figuras 5.1 y 5.2 muestran dos
diag. de fases hipotticos para ilustrar la Rx peritectoide.
Fig. 5.1
Fig. 5.2
La Reaccin Peritectoide
En la figura 4, 2 fases slidas reaccionan en la lnea de la T peritectoide EF para dar forma a una fase intermedia. La relacin puede escribirse
como:
+
En la figura 5, dos fases slidas, el metal puro A y la soluc. Slida reaccionan en la lnea de la T peritectoide CD para formar una nueva fase slida; la s.s. terminal . Esta reaccin se puede escribir como:
A +
La microestructura de una Rx peritctica rara vez muestra una transformacin
completa. Esto es a causa que se requiere DIFUSIN a travs de la nueva
fase para alcanzar el equilibrio. Como la Rx peritectoide ocurre por completo
en estado slido y, gralmente. a T menores a la Rx peritctica, la veloc. de difusin ser menor y habr menor probabilidad de que se alcance las
estructuras de equilibrio. La fig. 6 muestra una parte del diagrama de equilibrio
Ag-Al que contiene una Rx peritectoide:
enfriamiento
calentamiento
enfriamiento
calentamiento
Rx Peritctica; Ejemplo Real
Figura 6.- Zona
rica en Plata del
diagrama de Equi_
librio Ag-Al.
Peritectoide
La velocidad de enfriamiento juega un rol importante en la proporcin de
Fase que se pueda obtener en la microestructura final de esta aleacin. Est comprobado que en esta caso se requieren varias horas de enfriamiento para
lograr un porcentaje elevado de fase en la microestructura a T ambiente.
Ejemplo Clsico de Peritctico. Diagrama Binario Fe-C en
rea de Fe cerca del pto de Fusin del Fe
Reaccin Peritctica:
+ L
enfriamiento
calentamiento
Fig. 7.- Regin de Fase delta en Fe-C
Ejemplo de Reacciones Diversas en un Sistema
Cuaternario Ferroso
Fig. 8.- Efecto de los
elementos de aleacin sobre
un acero al C.
Acero aleado con 4% Cr, 5%
Mo, 6% W y 2% V.
Observar el efecto sobre el
campo alfa del acero, la
desaparicin de la fase y la aparicin de una fase K
DIAGRAMA DE FASES Fe-C
MECANISMOS DE ENDURECIMIENTO DE LAS ALEACIONES METLICAS
OBJETIVOS
Establecer los diferentes mecanismos de endurecimiento presentes en una aleacin.
Establecer la informacin que ofrecen los diagramas de fase para decidir el procedimiento ms
efectivo para el endurecimiento de las aleaciones binarias.
Profundizar en la esencia y los mecanismos internos de endurecimiento de las aleaciones por
diferentes vas como preparacin para comprender el endurecimiento de las aleaciones reales de
uso ingenieril estudiadas en el captulo de propiedades mecnicas del slido.
TEMAS
6.1. Endurecimiento por reduccin del tamao de grano.
6.2. Endurecimiento por deformacin plstica.
6.3. Endurecimiento por solucin slida.
6.4. Endurecimiento por presencia y control de dos fases que se forman simultneamente.
6.5. Endurecimiento por precipitacin y dispersin de segundas fases en una matriz blanda.
MECANISMOS DE ENDURECIMIENTO DE
LOS METALES O ALEACIONES
Endurecimiento por trabajo en fro.
Endurecimiento por precipitacin.
Endurecimiento por tratamientos termoqumicos.
Endurecimiento por temple.
Endurecimiento por aleacin o solucin.
Endurecimiento por tamao de grano.
MECANISMO DE ENDURECIMIENTO POR
PRECIPITACIN
El requisito bsico es la menor solubilidad del soluto a menor T.
Mecanismo muy usado en aleaciones de Al en aeronutica para endurecerlas
MECANISMO DE ENDURECIMIENTO POR
PRECIPITACIN
Si se templa la aleacin a T suficientemente bajas, la ppcin de un tipo cualquiera de 2da fase puede suprimirse incluso por completo, de modo que
se obtendr una s.s. metaestable.
Ahora; si se templa a T moderadamente bajas, se encuentra frecuentemente que ocurre la ppcin de una nueva fase; sin embargo la nueva fase no es sino que una nueva fase metaestable, la cual, desde luego, no se representa
en el diagrama de equilibrio de fases. A menudo este tipo de Rxs que
conducen a efectos grandes de reforzamiento se denominan endurecimiento
por precipitacin.
DEFORMACIN DE LOS METALES
Los metales son blandos y deformables a causa del
movimiento de las dislocaciones en la estructura
cristalina y el endurecimiento de los mismos se produce
cuando se dificulta este movimiento (lectura del Cap. I libro Shewmon)
El endurecimiento mximo de los metales puros se obtiene
por deformacin en fro. En este caso, se produce un
sistema de dislocaciones complejo (incluye generacin de
maclas) que hace extremadamente difcil cualquier
movimiento posterior.
Los procedimientos utilizados para el endurecimiento de los
metales puros pueden emplearse tambin para las
aleaciones; sin embargo, existen otros mtodos para
aumentar su resistencia mecnica, tales como:
MECANISMOS DE ENDURECIMIENTO DE LOS METALES
Los que se basan en reacciones en el estado slido, halladas
en un nmero relativamente pequeo de sistemas de
aleacin.
Los que se basan en el endurecimiento por aleacin
(formacin de soluciones slidas o presencia de una segunda
fase) que se produce en todas las aleaciones. Este mtodo
es el ms comn.
Endurecimiento por Introduccin de Elementos Aleantes
Los elementos de aleacin en solucin slida endurecen siempre el
metal solvente. El grado de endurecimiento producido por un
determinado elemento de aleacin depender de las diferencias en
tamao y la estructura electrnica que existen entre este elemento y el
metal solvente.
Endurecimiento del Cobre al ser aleado con
elementos de diferente tamao atmico
.
Fig. 9.- Endurecimiento por Aleacin
del Cu con Ni. Propiedad
mecnica Vara segn sea el
contenido de Ni en la aleacin
Bloqueo de Dislocaciones por tomos de Soluto
Si los tomos solutos se renen preferentemente alrededor de las
dislocaciones, la fuerza necesaria para mover una dislocacin puede
aumentar considerablemente. Puesto que la matriz est en tensin en la
regin por abajo de la dislocacin de borde, la energa del sistema disminuye
cuando los tomos solutos se mueven desde posiciones al azar en la red a
posiciones de esta regin. Entonces se dice que la dislocacin est
bloqueada por una "atmsfera" de tomos del soluto.
Formacin de una atmsfera de Cottrell de tomos de soluto alrededor de
una dislocacin; los grandes tomos de soluto en posiciones al azar crean
una energa de deformacin y el movimiento de los tomos solutos hacia
posiciones bajo la dislocacin, disminuye esta energa.
Endurecimiento por Presencia de Segunda Fase
Cuando existe una segunda fase, se produce otro tipo de endurecimiento
por aleacin. Aunque una dislocacin puede pasar a travs de un conjunto
de tomos de soluto separados, no puede hacer esto en el caso de
partculas de una segunda fase. Por el contrario, la dislocacin ha de ser
forzada a pasar entre las partculas adyacentes dejando un anillo de
dislocacin alrededor de cada partcula.
Lnea de dislocacin forzada a
travs de partculas de una
segunda fase o
microconstituyente situadas en su
plano de deslizamiento
Fig. 10.- Formacin de anillos de dislocacin
Reacciones en el Estado Slido
El endurecimiento por aleacin y la deformacin en fro se aplican
ampliamente, pero en ciertos sistemas de aleacin es posible sustituirlos o
aumentarlos por medio de las reacciones especiales de endurecimiento
que se producen en el estado slido.
Estas reacciones en el estado slido son especialmente significativas por
las siguientes razones:
-Aumentan la dureza muy por encima del grado posible conseguido
en el endurecimiento por aleacin.
-No precisan que la pieza se deforme plsticamente.
-Permiten realizar el endurecimiento en el momento ms conveniente
del proceso de fabricacin
Reacciones en el Estado Slido
Sin embargo, este tipo de endurecimiento tiene algunos inconvenientes:
-No en todos los sistemas de aleacin pueden producirse reacciones
en el estado slido.
-Una reaccin en el estado slido en condiciones de equilibrio no
conduce a un endurecimiento apreciable. Para producir el
endurecimiento es necesario formar una estructura fuera de equilibrio
- El grado de endurecimiento producido por una reaccin determinada
en el estado slido vara de sistema a sistema y puede ser
insignificante en algunos casos. La aparicin de una reaccin dada
debe considerarse condicin necesaria pero no suficiente para el
endurecimiento.
REACCIONES TPICAS CAPACES DE AUMENTAR
DUREZA EN LAS ALEACIONES
Reacciones en el estado slido capaces de producir aumentos tiles de
dureza:
a) Descomposicin eutectoide.
b) Precipitacin en una solucin slida
c) Ordenamiento de una solucin slida al azar.
d) Reaccin de difusin.
(a)
(b)
(c)
(d)
REACCIONES TPICAS CAPACES DE
AUMENTAR DUREZA EN LAS ALEACIONES
En las figuras a) hasta la d) anteriores, se presenta
esquemticamente la forma necesaria de las relaciones de fase
para estas reacciones. Para producir la descomposicin eutectoide
se requieren condiciones como las que se representan en (a), un
diagrama eutectoide tpico. Si el lmite entre una regin monofsica
y otra bifsica (la lnea de solvus), se inclina en la forma indicada en
(b), puede producirse la precipitacin. Para que la ordenacin sea
posible, debe poder realizarse en la fase slida del sistema de
aleacin en cuestin, una reaccin del tipo de la figura (c). Las
condiciones necesarias para una reaccin de difusin se indican en
(d). La composicin de una aleacin endurecible (un metal B en un
metal A) debe variar de una regin de una fase a otra de dos fases,
como resultado de la difusin de un tercer componente (metal C)
hacia la aleacin inicial.
MICROESTRUCTURAS TPICAS DE SISTEMA Fe-C
Nombre de la microestructura Descripcin
Ferrita d Solucin slida intersticial de carbono en hierro (BCC)
Autenita g, ( Fe-g) Solucin slida intersticial de carbono en hierro (CFC)
Ferrita a, (Fe - a) Solucin slida intersticial de carbono en hierro (BCC)
Perlita P, (a+Fe3C)
Eutectoide de ferrita y cementita con microestructura
laminar de placas alternadas de Fe- y cementita
Bainita B
Eutectoide de ferrita y cementita. La ferrita puede tener apariencia
plumosa o de placas. Las partculas de carburo estn entre regiones de
ferrita .
Ledeburita (Fe-g + Fe3C)
Eutctico de austerita y cementita. De estructura laminar parecida con la
perlita. Tpicamente encontrada en fundiciones
Esferoidita (cementita globular() Partculas esfricas de cementita en una matriz de ferrita a
Martensita
Solucin Slida intersticial de carbono en estructura cristalina
tetragonal centrada en el cuerpo (TCC) del hierro.
Aceros hipoeutectoides
Aleaciones de composicin a la izquierda de la reaccin eutectoide
Aceros hiperutectoides
Aleaciones de composicin a la derecha de la reaccin eutectoide.
Ferrita proeutectoide Ferrita que se forma antes de la reaccin eutectoide
Cementita proeutectoide Cementita que se forma antes de la cementita eutectoide
POLIMORFISMO Y ALOTROPA
TABLA 1 FORMAS CRISTALINAS ALOTRPICAS DE ALGUNOS METALES
Metal Estructura cristalina a temperatura ambiente A otras temperaturas
Ca FCC BCC (> 447C)
Co HCP FCC (> 427C)
Hf HCP BCC (> 1742C)
Fe BCC FCC (912 1394C)
BCC (> 1394C)
Li BCC HCP (< -193C)
Na BCC HCP (< -223C)
Tl HCP BCC (>234C)
Ti HCP BCC (> 883C)
Y HCP BCC (>1481C)
Zr HCP BCC (> 872C)
Muchos compuestos y elementos existen en ms de una forma cristalina bajo diferentes
condiciones de temperatura y presin. Este fenmeno es determinado como polimorfismo
o alotropa. Muchos metales industrialmente importantes como el Fe, Ti y Co
experimentan transformaciones alotrpicas a elevadas temperaturas manteniendo la
presin atmosfrica. La tabla 1 muestra algunos metales seleccionados que sufren
transformaciones alotrpicas y cambios de estructura u ordenamiento atmico.
DIAGRAMA Fe C
Ejemplo Tpico del caso a)
.
Fig. 11.- Porcin del diagrama de fases Fe-C en que se muestra la
regin eutectoide, las reacciones de equilibrio involucradas y las
distintas fases presentes en cada rea del diagrama.
MICROCONSTITUYENTES DE EQUILIBRIO!!
Endurecimiento por Transformaciones en el
Estado Slido en Aceros
Las transformaciones que ocurren en los aceros, particularmente las de
carcter difusional, presentan una gran dependencia con la temperatura.
Esta dependencia, sin lugar a dudas, est relacionada con la movilidad de
los tomos, la cual decrece al disminuir la temperatura.
La transformacin martenstica no requiere de activacin trmica como ocurre en el caso de las transformaciones difusionales, sin embargo, para la
que transformacin comience es necesario alcanzar la temperatura Ms, y
para que contine es necesario seguir reduciendo la temperatura. La
fraccin de austenita transformada es funcin solamente de dicha variable y
el lmite de esta fraccin es la temperatura Mf, donde la transformacin se
detiene. Las propiedades de la martensita dependern esencialmente de la
cantidad de carbono presente, de esta forma la temperatura de
austenitizacin definir las propiedades de esta fase, en que a una mayor
temperatura, la cantidad de carbono en la austenita ser mayor y mayor ser
la dureza de la martensita.
ASPECTOS RELEVANTES DE LA
TRANSFORMACIN MARTENSTICA
La transformacin martenstica se presenta en un gran nmero de
aleaciones entre las que se incluyen Fe-C, Fe-Ni, Fe-Ni-C, Fe-Mn, Cu-Zn,
Au-Cd, y en algunos metales puros como Li, Zr, Co. Pero slo produce
endurecimiento en los aceros con contenido de carbono superior al 0,3%.
Otra caracterstica de la reaccin martenstica es la gran velocidad de
crecimiento de las placas; casi un tercio de la velocidad del sonido. Esto
indica que la energa de activacin para el crecimiento de una placa es muy
baja y, por lo tanto, es la energa de nucleacin la que determina la
cantidad de martensita formada bajo una condicin determinada. La
martensita empieza a formarse cuando la fase original se enfra por debajo
de la temperatura crtica Ms, y la transformacin termina a la temperatura
inferior, Mf. Al disminuir la temperatura por abajo de Ms, aumenta la fuerza
promotora para la transformacin, con lo cual se incrementa la formacin
de ncleos que pueden crecer en ese momento determinado. La
deformacin mecnica promueve la formacin de martensita a
temperaturas superiores a Ms.
Endurecimiento por Transformaciones en el
Estado Slido en Aceros
En los aceros, el efecto obtenido por las transformaciones est relacionado
principalmente a la temperatura a la cual se produce la transformacin. En
general, mientras ms baja la temperatura de transformacin mayor es el
efecto endurecedor; esto se debe a que la temperatura de transformacin
afecta a todos los mecanismos de endurecimiento usualmente en el sentido
de aumentar su intensidad. De esta forma, mientras ms baja la
temperatura de transformacin obtendremos una mejor eficiencia en los
mecanismos antes mencionados:
Tamao de grano fino del producto de la transformacin
Menor densidad de dislocaciones
Dispersin fina de cualquier fase precipitada
Mayor tendencia a retener solutos en solucin sobresaturada
La Figura 12 muestra el efecto de la temperatura de transformacin de la
austenita sobre la resistencia de los aceros estudiada por F. Pickering en la
segunda mitad del siglo pasado.
Figura 12.- Efecto de la temperatura de Transformacin en la resistencia a la traccin de estructuras con martensita, ferrita, perlita y bainticas
La interaccin de todos estos efectos conlleva a resultados complejos,
pues todos ellos contribuyen a aumentar la resistencia pero cada uno
tiene un efecto individual sobre otras propiedades tales como la
ductilidad o tenacidad.
La Transformaciones del Sistema Fe-C
MICROESTRUCTURAS RESULTANTES TPICAS DE
ALEACIONES Fe-C SEGN SU COMPOSICIN
Relacin Resistencia- Ductilidad en Aceros
Relacin Inversa entre Resistencia y Ductilidad conforme se
incrementa La Dureza de un acero Martenstico Revenido
ESQUEMA GENERAL DE LOS TRATAMIENTOS
TRMICOS PRACTICADOS A MATERIALES
METLICOS
TRATAMIENTO TRMICO DE REVENIDO
Revenido: Es un tratamiento complementario del temple, que regularmente sigue a ste. A la unin de los dos tratamientos
tambin se le llama "bonificado". El tratamiento de revenido consiste
en calentar al acero seguido del normalizado o templado, a una
temperatura menor al punto crtico, seguido de un enfriamiento
controlado que puede ser rpido cuando se deseen resultados
elevados en tenacidad, o lento, para reducir al mximo las
tensiones trmicas que puedan causar deformaciones