2 PCF

UNIVERSIDAD NACIONAL EXPERIMENTAL FRANCISCO DE MIRANDA ÁREA DE TECNOLOGÍA DEPARTAMENTO MECÁNICA Y TECNOLOGÍA DE LA PRODUCCIÓN MATERIA CS. DE LOS MATERIALES

PROF. ING. FRANCISCO J. HERNANDEZ

TEMA Nº 04. DIAGRAMA DE FASES. Sistema de aleación: Se refiere a los elementos químicos que se combinan para producir una solución. Un sistema de aleación es en lo fundamental un a combinación de dos o mas elementos que forman soluciones sólidas dentro de unos limites específicos de temperatura, presión y composición. Los sistemas de aleaciones se clasifican de acuerdo con la cantidad de componentes o elementos que constituyen el sistema. Por ejemplo, dos componentes forman un sistema binario, tres componentes un sistema ternario, así sucesivamente. Fase: Material que tiene la misma composición, estructura y propiedades en todo sitio bajo condiciones de equilibrio. Es una porción de un sistema de aleación físicamente diferenciada y homogénea (uniforme en su composición química). En las aleaciones, las fases están delineadas con fronteras definidas y su composición o es invariable (fijas) o varía de una forma continua. Componente: Es uno de los elementos químicos que constituye el sistema de aleación. Un sistema de aleación puede contener cualquier cantidad de componentes. Solubilidad: Se refiere a la cantidad de material que se disolverá completamente en un segundo material, sin crear una segunda fase. Solubilidad limitada: Condición referente a que sólo se puede disolver una cantidad máxima de un material soluto en un material solvente, creando así una segunda fase. Ejemplo: agua y sal, agua y azúcar, cobre y zinc (solubilidad máxima a temperatura ambiente es de 36% de zinc en cobre) Solubilidad ilimitada: Condición que se presenta cuando la cantidad de un material que se disolverá en otro es ilimitada, independientemente de la cantidad de soluto o solvente, sin crear una segunda fase. Ejemplo: Agua y alcohol, cobre y níquel. Microestructura: Apariencia física de la estructura interna de un material. Para observar la microestructura, el material se prepara mediante pulido y ataque químico y luego se coloca bajo el microscopio. Constituyente: Fase o mezcla de fases en una aleación con una apariencia distinta.

Regla de fases de Gibbs: Enunciado que describe el número de grados de libertad, es decir el número de variables que deberán ser fijadas para especificar la temperatura y la composición de una fase. Los equilibrios físico-químicos están regidos por esta ley, la cual se expresa por la siguiente ecuación: F: Grados de libertad, el número de variables (temperatura, presión o composición) que pueden modificarse de manera independiente sin cambiar el número de fases en equilibrio. P: Número de fases presentes

1 PCF

100%21

12 x

WFWF

WOWFF

100%

12

21 x

WFWF

WOWFF

C: Número de componentes, es un elemento, compuesto o solución del sistema. 2: Es un valor constante de la ecuación que implica que tanto la temperatura como la presión tienen posibilidad de cambiar, en muchos casos los sistemas de aleación se consideran a presión constante (1 atm) entonces podemos escribir la ecuación siguiente: Diagrama de Fase:

Son representaciones graficas de las fases que están presentes en un sistema de materiales a varias temperaturas, presiones y composiciones. Son esquemas que muestran las fases y sus composiciones en cada combinación de temperatura y composición de la aleación, la mayoría de los diagramas de fases han sido construidos en condiciones de enfriamiento lento (condiciones de equilibrio). Se tienen tres tipos de diagramas de fases: diagrama de fases de sustancias puras, diagrama de fase binario isomorfo y diagrama de fase binario con reacciones de tres fases. Diagrama de fase de sustancias pura:

Forma del diagrama de fase en el cual solo existe un componente y presentan líneas que dividen las fases sólido, liquida y vapor, como lo indica la figura 1 que nos muestra un diagrama de fase del magnesio (puro) Diagrama de fase isomorfo: Es un diagrama de fase que presenta dos componentes y donde solo existe una única fase sólida, es decir que los dos componentes presentan solubilidad sólida ilimitada, entre ellos tenemos el sistema cobre – níquel (figura 2). En la figura apreciamos tres regiones, una región llamada “liquido” que se encuentra en la parte superior del diagrama y en ella están presentes las aleaciones en la fase liquida, otra región llamada “solución sólida α” que se encuentra en la parte inferior del diagrama y en ella están presentes las aleaciones en fase sólida (las fases generalmente se representan con letras griegas); y una ultima región ubicada en la zona intermedia llamada L+α (liquido y solución sólida α) que es una región bifásica donde coexisten las fases liquido y sólido α. También apreciamos dos líneas: línea “liquidus” que separa la zona de liquido puro de la región bifásica L+α y la línea de “solidus” que separa la región bifásica L+α de la zona de solidó. También se utiliza la “isoterma” que no es mas que una línea de trabajo horizontal y que opera a una temperatura determinada. Entre dos fases limites, con el objeto de aplicar sobre ella la regla de la palanca. Construcción del diagrama de fases: Este se construye mediante varias curvas de enfriamiento liquido- solidó. (Figuras 3 y 4). Variación de las propiedades en las aleaciones: Al variar el % en peso de los componentes de un sistema de aleaciones también se producen variaciones en las propiedades de la aleación resultante (figura 5). Regla de la Palanca Se utiliza para determinar la cantidad de cada fase presente en una zona bifásica. Para una zona de dos fases F1 y F2, tenemos que:

El % en peso de Fase F1 el % en peso de la Fase F2

100%% 21 FF

WF1= % en peso de uno de los componentes en la fase F1. WF2= % en peso de uno de los componentes en la fase F2. W0= % en peso de uno de los componentes en la aleación.

Diagrama de fases binarios con reacciones de tres fases: Algunos diagramas de dos componentes presentan reacciones que involucran tres fases independientes; las cinco reacciones de tres fases mas importantes son las siguientes: eutectica, peritectica, monotectica, eutectoide y peritectoide como se muestran en la figura 6. Fases terminales: Se presentan en los extremos de los diagramas colindando con los componentes puros, ejemplo las soluciones sólidas α y β de la figura 7a y 7b. Fases intermedias: En los diagrama de fases a veces existen fases intermedias, las cuales se encuentran separadas de otras fases por regiones bifásicas en los diagramas binarios. Existen dos tipos: las fases intermedias estequiomericas y las fases intermedias no estequiometricas. Fases medias estequiometricas: tienen una composición fija y están representados en los diagramas por una línea vertical, ver γ en la figura 7a Fases intermedias no estequiometricas: Tienen un rango de composición y están representados por una zona en los diagramas de fase, ver γ en la figura 7b.

Diagrama de Fases hierro Carbono (Fe-C)

En el diagrama de fases Fe-Fe3C de la figura (7) se muestran las fases presentes en las

aleaciones de hierro carbono enfriadas muy lentamente, a varias temperaturas y composiciones de

hierro con porcentajes de carbono hasta 6,67%. Diagrama Fe-C. Fases en el sistema Fe-Fe3C. Se

representa el diagrama de fases del sistema binario Fe- Fe3C para contenidos altos de hierro. El

hierro sufre cambios estructurales con la temperatura antes de fundir. A temperatura ambiente la

forma estable es la ferrita o Fe-α. A 912 °C la ferrita sufre una transformación polimórfica a

austenita o Fe-γ. La austenita se transforma a otra fase a 1394 °C que se conoce como ferrita-δ, la

cual funde a1538 °C. Todos estos cambios se pueden observar en el eje vertical del diagrama de

fases para el hierro puro. El otro eje sólo llega al 6.70 % en peso de C, concentración que coincide

con el 100 % molar del compuesto intermedio Fe3C conocido como carburo de hierro o

cementita.

Hierro (Fe)

El hierro técnicamente puro, es decir, con menos de 0,008% de carbono, es un metal

blanco azulado, dúctil y maleable. El hierro puro apenas tiene aplicaciones industriales, pero

formando aleaciones con el carbono (además de otros elementos), es el metal más utilizado en la

industria moderna. A la temperatura ambiente, salvo una pequeña parte disuelta en la ferrita, todo

el carbono que contienen las aleaciones Fe-C está en forma de carburo de hierro (Fe3C). Por eso,

las aleaciones Fe-C se denominan también aleaciones hierro-carburo de hierro.

Estructura Cristalina del hierro Puro (formas alotrópicas del hierro)

El hierro cristaliza en la variedad alfa (α) hasta la temperatura de 768ºC. La red espacial a

la que pertenece es la red cúbica centrada en el cuerpo (BCC). La distancia entre átomos es de

2.86 Å. El hierro alfa no disuelve prácticamente en carbono, no llegando al 0.008% a temperatura

ambiente, teniendo como punto de máxima solubilidad a T=723ºC (0,02%).

La variedad beta (β) existe de 768ºC a 910ºC. Cristalográficamente es igual a la alfa, y

únicamente la distancia entre átomos es algo mayor: 2.9 Å a 800ºC y 2905ºC a 900ºC.

La variedad gamma (γ) se presenta de 910ºC a 1400ºC. Cristaliza en la estructura FCC. El

cubo de hierro gamma tiene más volumen que el de hierro alfa. El hierro gamma disuelve

fácilmente en carbono, creciendo la solubilidad desde 0.85% a 723ºC hasta 1.76% a 1130ºC para

decrecer hasta el 0.12% a 1487ºC. Esta variedad de Fe es magnética.

La variedad delta (δ) se inicia a los 1400ºC, observándose, entonces una reducción en el

parámetro hasta 2.93Å, y un retorno a la estructura BCC. Su máxima solubilidad de carbono es

0.007% a 1487ºC. Esta variedad es poco interesante desde el punto de vista industrial. A partir de

1537ºC se inicia la fusión del Fe puro.

Carbono (C)

Es el elemento que tiene mas influencia en el comportamiento del acero. Al aumentar el

contenido de carbono mejora la resistencia mecánica y las propiedades de endurecimiento pero

disminuye la elasticidad y la facilidad de forja, soldadura y corte.

Acero

Acero, aleación de hierro que contiene entre un 0,008 y un 1,76% de carbono y a la que se añaden

elementos como níquel, cromo, manganeso, silicio o vanadio, entre otros.

Figura 01. Curva esquemática de enfriamiento que muestra las transformaciones polimorfita y magnética.

Hierro colado

También es llamado fundición y tiene entre el 1,76 y el 4,3% de carbono, es duro y/o frágil.

Clasificación de los aceros según el porcentaje de carbono

Eutectoides

Contienen cerca de un 0,89% de Carbono, cuya estructura está constituida únicamente por perlita

Aceros hipoeutectoides:

Composición de menor concentración que la del eutectoide, o sea al 0,89%, con estructura

formada por ferrita y perlita

Aceros hipereutectoides:

Composición de mayor concentración que la del eutectoide, contienen del 0,89 al 1,76%

de C y cuya estructura consta de perlita y cementita.

Microestructuras de los aceros

Las propiedades físicas del acero y su comportamiento a distintas temperaturas varían

según la cantidad de carbono y su distribución en el hierro. Antes del tratamiento térmico, la mayor

parte de los aceros son una mezcla de tres sustancias: la ferrita, blanda y dúctil; la cementita, dura y

frágil; y la perlita, una mezcla de ambas y de propiedades intermedias. Cuanto mayor es el

contenido en carbono de un acero, menor es la cantidad de ferrita y mayor la de perlita: cuando el

acero tiene un 0,89% de carbono, está compuesto por perlita. El acero con cantidades de carbono

aún mayores es una mezcla de perlita y cementita. Al elevar la temperatura del acero, la ferrita y la

perlita se transforman en austenita, que tiene la propiedad de disolver todo el carbono libre

presente en el metal. Si el acero se enfría despacio, la austenita vuelve a convertirse en ferrita y en

perlita, pero si el enfriamiento es repentino, la austenita se convierte en martensita, de dureza

similar a la ferrita, pero con carbono en disolución sólida.

Fases y constituyentes en las aleaciones hierro – carbono:

Ferrita

Austenita

Hierro Delta (δ)

Cementita

Perlita

Martensita

Bainita

Los constituyentes metálicos que pueden presentarse en los aceros al carbono son: ferrita, austerita,

hierro delta, cementita, perlita, martensita, bainita.

Ferrita (Hierro α)

Es una solución sólida de carbono en hierro alfa, su solubilidad a la temperatura ambiente

es del orden de 0.008% de carbono, por esto se considera como hierro puro, la máxima

solubilidad de carbono en el hierro alfa es de 0,025% a 723 °C.

Figura 02. Cristales de ferrita x 1000. Acero normalizado

La ferrita es la fase más blanda y dúctil de los aceros, cristaliza en la red cúbica centrada en el

cuerpo, dependiendo de la temperatura a la que se encuentre es magnética, pero pasa a ser no

magnética a temperaturas superiores a 768 o

C, tiene una dureza de 90 Brinell y una resistencia a la

tracción de 28 kg/mm2, llegando hasta un alargamiento del 40%. La ferrita se observa al

microscopio como granos poligonales claros.

La ferrita en la naturaleza aparece como elemento proeutectoide que acompaña a la perlita en:

- Cristales mezclados con los de perlita (0.55% C)

- Formando una red o malla que limita los granos de perlita (0.55% a 0.85% de C)

- Formando agujas en dirección de los planos cristalográficos de la austenita.

Austenita

Es el constituyente más denso de los aceros y está formado por una solución sólida por

inserción de carbono en hierro gamma. La cantidad de carbono disuelto, varía de 0.8 al 2 % C que

es la máxima solubilidad a la temperatura de 1130 °C. La austenita no es estable a la temperatura

ambiente pero existen algunos aceros al cromo-níquel denominados austeníticos cuya estructura es

austenita a temperatura ambiente. La austenita está formada por cristales cúbicos centrados en las

caras, con una dureza de 300 Brinell, una resistencia a la tracción de 100 kg/mm2 y un

alargamiento del 30 %, no es magnética y es relativamente dúctil.

Figura 03. Microestructura de la austenita

Hierro Delta δ:

Tiene esencialmente la misma estructura que la ferrita, excepto que existe por encima de

los 1400 o

C y presenta una solubilidad máxima del 0,10%.

Cementita o carburo de hierro

Es el carburo de hierro de fórmula Fe3C, contiene 6.67 %C y 93.33 % de hierro, es el

microconstituyente más duro y frágil de los aceros al carbono, alcanzando una dureza Brinell de

700 (68 Rc) y cristaliza en la red ortorrómbica. Es magnética hasta los 210ºC, temperatura a partir

de la cual pierde sus propiedades magnéticas. Aparece como:

- Cementita proeutectoide, en aceros hipereutectoides, formando un red que

envuelve a los granos perlíticos.

- Componente de la perlita laminar.

- Componente de los glóbulos en perlita laminar.

- Cementita alargada (terciaria) en las uniones de los granos (0.25% de C)

Figura 04. Microestructura del acero 1% C, red blanca de cementita

Perlita

Es un constituyente compuesto por el 86.5% de ferrita y el 13.5% de cementita, es decir, hay 6.4

partes de ferrita y 1 de cementita. La perlita tiene una dureza de aproximadamente 200 Vickers, con una

resistencia a la rotura de 80 Kg/mm2

y un alargamiento del 15%. Cada grano de perlita está formado por

láminas o placas alternadas de cementita y ferrita. Esta estructura laminar se observa en la perlita formada por

enfriamiento muy lento. Si el enfriamiento es muy brusco, la estructura es más borrosa y se denomina perlita

sorbítica. Si la perlita laminar se calienta durante algún tiempo a una temperatura inferior a la crítica (723 ºC),

la cementita adopta la forma de glóbulos incrustados en la masa de ferrita, recibiendo entonces la

denominación de perlita globular.

Figura 05. Perlita laminar x 1000. Acero normalizado.

Martensita

Es el constituyente de los aceros templados, está conformado por una solución sólida

sobresaturada de carbono o carburo de hierro en ferrita y se obtiene por enfriamiento rápido de

los aceros desde su estado austenítico a altas temperaturas. El contenido de carbono suele variar

desde muy poco carbono hasta el 1% de carbono, sus propiedades físicas varían con su contenido

en carbono hasta un máximo de 0.7 %C.

La martensita cristaliza en red tetragonal compacta en vez de cristalizar en BCC como el

hierro α, debido a la formación que ocurre en su red cristalina por la inserción de los átomos de

carbono. Tiene una dureza de 50 a 68 Rc, resistencia a la tracción de 170 a 250 kg/mm2 y un

alargamiento del 0.5 al 2.5 %, muy frágil y presenta un aspecto acicular formando grupos en zigzag

con ángulos de 60 grados.

Los aceros templados suelen quedar demasiado duros y frágiles, inconveniente que se

corrige por medio del revenido que consiste en calentar el acero a una temperatura inferior a la

crítica inferior (727°C), dependiendo de la dureza que se desee obtener, enfriándolo luego al aire o

en cualquier medio.

Figura 06. Microestructura de la martensita

Bainita

Es el constituyente que se obtiene en la transformación isotérmica de la austenita cuando la

temperatura del baño de enfriamiento es de 250 a 500°C. Se diferencian dos tipos de estructuras: la

bainita superior de aspecto arborescente formada a 500-580°C, compuesta por una matriz ferrítica

conteniendo carburos. Bainita inferior, formada a 250-400C tiene un aspecto acicular similar a la

martensita y constituida por agujas alargadas de ferrita que contienen delgadas placas de carburos.

La bainita tiene una dureza variable de 40 a 60 Rc comprendida entre las correspondientes

a la perlita y a la martensita.

Los constituyentes que pueden presentarse en los aceros aleados son los mismos de los

aceros al carbono, aunque la austenita puede ser único constituyente y además pueden aparecer

otros carburos simples y dobles o complejos.

Figura 07. Diagrama de fases hierro carbono

Otros diagramas de fases de interés

A continuación se muestran algunos diagramas binarios de importancia para la industria de

los metales:

Figura 08. Diagrama de fases Al-Si

Figura 09. Diagrama de fases del Pb-Sn

Figura 10. Diagrama de fases Al-Cu

Figura 11. Diagrama de fases del Al-Mg

Figura 12. Diagrama de fases Cu-Ni

Figura 14. Diagrama de fases del Cu-Zn

4.5 tratamiento térmico

Es la combinación de varios procedimientos en el tratamiento de una pieza, sometido a cambios de

temperatura y con el propósito de obtener determinadas características mecánicas del material.

El tratamiento térmico es un proceso donde se controla la temperatura y el tiempo de

enfriamiento, con el propósito de generar fases deseadas en el acero.

Son los procesos a que se someten los materiales y aleaciones ya sea para modificar su estructura,

cambiar la forma y tamaño de sus granos o bien para transformación de sus constituyentes.

Tipos de tratamientos térmicos:

Normalizado

Recocido

Templado

Revenido

Normalizado

- Consistente en calentar el acero a una temperatura 40 o

C ó 50 o

C superior a la temperatura crítica

y una vez pasado todo el material al estado austenítico, se deja enfriar al aire.

- El objeto del normalizado es volver el acero al estado que se supone normal después del

tratamiento defectuoso, se consigue así afinar su estructura y eliminar tensiones internas.

- Se emplea generalmente para aceros con bajo o medio contenido de Carbono (C 0.15 a 0.50%).

- El propósito es formar perlita o bainita muy fina.

Recocido

Tratamiento térmico utilizado para producir una perlita blanda y gruesa en un acero mediante la

austenización y, a continuación, enfriado en horno. El recocido consiste en aplicarle al material una

operación de calentamiento seguidamente de un enfriamiento lento. El objetivo de este tratamiento

térmico es:

a. hacer desaparecer las tensiones o esfuerzos internos

b. producir suavidad

c. modificar la ductilidad, tenacidad, las propiedades eléctricas u otras propiedades físicas

d. refinar la estructura cristalina

e. eliminar gases

f. producir una microestructura definida

Todos los aceros deben calentarse lentamente hasta su temperatura de recocido y mantenerse en

ese punto una o dos horas por cada pulgada de espesor máximo de la pieza, dejándola enfriar

luego muy lentamente dentro del horno. La tasa de enfriamiento no debe exceder de 28o

C (50o

F)

por hora hasta llegar alrededor de los 540o

C (1000o

F) para obtener los mejores resultados.

Temple o templado

Tratamiento térmico sin cambio de composición, tiene como finalidad aumentar la dureza, la

resistencia mecánica y el límite elástico. Por lo tanto disminuyen la estricción y el alargamiento, y

generalmente desaparece el periodo plástico.

Consiste en un calentamiento a temperatura elevada para transformar toda la masa en Austenita,

seguido de un enfriamiento rápido para transformar la Austenita en Martensita.

Revenido

El revenido es un proceso de calentamiento de acero martensítico a una temperatura por debajo de

la temperatura de transformación eutectoide para hacerlo mas blando y mas dúctil. Es un

tratamiento complementario del temple, que generalmente es posterior a este. Antiguamente se

denominaba bonificación al conjunto de los dos tratamientos.

La finalidad del revenido es eliminar las tensiones internas, frente a una disminución de la

resistencia mecánica, el límite elástico, la dureza y aumenta la tenacidad, la estricción y

alargamiento. El tratamiento implica calentamiento y mantenimiento de una temperatura por

debajo de la eutectoide durante aproximadamente una hora, seguido de un enfriamiento lento. El

resultado es la precipitación de partículas muy finas de carburo de la solución martensítica hierro

carburo y una transformación gradual de la estructura cristalina centrada en el cuerpo (BCC). Esta

nueva estructura se llama martensita revenida.

Identifique las reacciones de tres fases que ocurren en el diagrama

Porcentaje de B

Diagrama de fase hipotético