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TECNOLOGÍA DE MATERIALES TECNOLOGÍAS DE UNIÓN

TEMA 1.- CONCEPTOSPREVIOS

AEJB 5º Ingeniería Industrial (2009/2010) 1


1.1.- DEFINICIONES y LEY DE GIBBS

● Sistema: “Porción de materia aislada en un recipiente inerte, real o imaginario.”

Ejemplo: Un volumen de agua.

Por extensión habitualmente denominamos como sistema a un dominio general de la materia(aleaciones hierro carbono o sistema hierro carbono).

● Fases: “Porción homogénea de un sistema que tiene características físicas y químicasuniformes.”

Para diferenciar dos fases en un sistema es suficientemente con que haya diferencias en suspropiedades físicas o químicas.

Ejemplo: Hielo y agua son dos fases (físicamente) distintas.

Una fase puede consistir en una cantidad, grande o pequeña, de materia que puede estar enuna sola porción o dividida en diferentes porciones más pequeñas. De esta forma, el hielo representauna fase, tanto si está en un solo bloque como dividido en trozos pequeños, sin embargo estafragmentación no debe alcanzar dimensiones moleculares. Una disolución en la que existen dosespecies químicas, se considera una sola fase, aunque la subdivisión hasta la escala molecular reveleque no es uniforme en su totalidad.

● Componente: “Elemento o compuesto químico estable en las condiciones del proceso.”

También podemos decir que es el menor numero de especies químicas diferentes eindependientes, necesario para describir la composición de cada una de las diferentes fases de unsistema.

Ejemplo: La composición de una disolución de sal común en agua, se describe especificandoque están presentes dos componentes, agua y sal común, si la disolución está suficientementesaturada y la enfriamos, puede comenzar a separarse una fase formada por sal común sólida. Deacuerdo con la anterior definición, el sistema tiene dos componentes, pero la fase sólida solo estáformada por una especie química.

● Grado de libertad: “Variable independiente que puede modificarse hasta ciertos valoresmanteniendo el equilibrio de un sistema”.

Ejemplo: La temperatura.

Para describir exactamente el estado de un sistema sencillo, se pueden medir y reseñar valoresde muchas propiedades, esto es, se puede reseñar la presión, la temperatura, la densidad, el índice derefracción, el calor especifico, y así sucesivamente, sin embargo la experiencia enseña que no esnecesario especificar todas estas propiedades para caracterizar propiamente el sistema.

● Disolución sólida: “Disolución de átomos en la que los átomos del soluto ocupan posicionessustitucionales o intersticiales en la red del disolvente, manteniéndose la estructura cristalinadel disolvente.”

● Límite de solubilidad: “Concentración máxima de átomos de soluto que se disuelven en eldisolvente para formar una disolución sólida.”



● Microestructura: “Características de los granos que forman un material cuando éstos son detamaño microscópico.” Para las aleaciones metálicas, la microestructura se caracteriza por elnúmero de fases y por la proporción y distribución de las mismas. Depende de:

○ Número de aleantes.

○ Concentración de cada aleante.

○ Tratamiento térmico.

REGLA DE LAS FASES O LEY DE GIBBS: “En un sistema en el que hay C componentespresentes en forma de F fases, existen L grados de libertad, según la siguiente expresión:

L = C – F + 2”

Esta regla fue deducida por J. Willard Gibbs hacia 1880, pero su publicación en "Transactions ofthe Conneticut Academy" de poca difusión impidió su conocimiento hasta principios del 1900.

Todas las propiedades intensivas (independientes de la cantidad) de una sustancia pura (por ej.del agua liquida) están determinadas si lo están la temperatura y la presión, se podrían haber fijadootras propiedades, pero en cualquier caso el estado de la sustancia estaría totalmente definido.

1.2.- DIAGRAMAS DE EQUILIBRIO DE FASES

Generalmente se presupone que los sistemas con sus fases y sus componentes están enequilibrio, lo cual es una visión estática y final, además de una situación ideal y homogénea. Sinembargo, es frecuente que en los sistemas existan situaciones de equilibrio no alcanzadas. En el casode una situación cambiante estaremos ante un equilibrio activo, la tendencia del sistema será la dealcanzar el equilibrio ideal.

Con bastante frecuencia se obtienen situaciones de desequilibrio o equilibrio no alcanzado,encontrándonos ante un equilibrio metaestable. Cuando sea posible, si las variables lo permiten, sealcanzara el equilibrio final.

La importancia de los diagramas de fases radica en que a partir de las transformaciones defases que se producen al modificar la temperatura se originan la mayoría de las microestrucuras,posibilitando la predicción de la transformación y de la microestructura resultante.

1.2.1.- SISTEMAS DE UN SOLO COMPONENTE. EL SISTEMA AGUA

El comportamiento de las fases de un sistema de un solo componente, como función de lapresión y la temperatura, puede representarse de forma adecuada con diagramas que muestran lavariación de la Presión (P) en función de la Temperatura (T), como en el caso del agua que se muestraen la Figura 1 para un intervalo de temperaturas y presiones moderadas.



Figura 1.- Diagrama de fases en función de la presión y la temperatura para el agua (sin escala).

Consideremos las líneas y superficies que aparecen:

● La línea TC representa los valores de la presión del vapor del agua liquida a aquellastemperaturas en que liquido y vapor están en equilibrio. A temperaturas superiores al punto C(punto critico) no puede producirse condensación, sea cual sea la presión.

● El significado de las superficies adyacentes a la línea TC se comprende si se siguen las líneasde trazos:

○ 1-2 ó 1-3: Si partimos del punto 1 el agua se encuentra en estado vapor, si disminuimos latemperatura siguiendo la línea 1-2 se produce la condensación pasando a agua en estadolíquido en el punto 2. También podemos partir del punto 1 en estado vapor, y siguiendo lalínea 1-3, aumentando la presión, obtenemos en el punto 3 agua en estado líquido. Enconsecuencia la línea TC es la línea de equilibrio liquido-vapor para el agua, en la parte altaesta la fase liquida y en la parte baja está la fase vapor.

● La línea TA representa la presión de vapor del sólido o lo que es lo mismo, las temperaturas ypresiones en las que sólido y vapor están en equilibrio. Las zonas a ambos lados son de vapory sólido.

● La línea TB, representa la variación de los puntos de fusión del hielo en función de latemperatura, o lo que es lo mismo las temperaturas y presiones en las que el hielo y el agualiquida están en equilibrio.

● En línea de puntos se representa la línea TD, en determinadas situaciones de lentitud, quietudy pureza (ausencia de iniciadores de cristalización), el agua liquida puede permanecer pordebajo del punto de congelación en forma liquida, dando origen a un equilibrio metaestable enforma de agua liquida enfriada.

● En el punto T coexisten las tres fases: sólido, vapor y líquido, es el punto triple del agua.



Aplicando la Ley de Gibbs. Para cualquier zona del diagrama podemos comprobar sucumplimiento. Así para la zona vapor:

L = 1-1 + 2 = 2 → 2 grados de libertad: Presión y Temperatura.

Para cualquiera de las líneas de equilibrio:

L = 1- 2 + 2 = 1 → 1 grado de libertad: Fijando P o Tel sistema está perfectamente definido.

Por ultimo para el punto triple T:

L = 1 - 3 + 2 = 0 → No hay grados de libertad, es un punto fijo.Se trata de un punto invariante.

La Figura 2 muestra el diagrama de fases del agua para altas presiones, en este diagramapueden observarse muchas fases sólidas diferentes, correspondientes a hielo con diferentesestructuras cristalinas, esto es bastante frecuente y se conoce con el nombre de polimorfismo.

Figura 2.- Diagrama de fases del agua a presiones elevadas.

Puede observarse que el hielo tipo VII, por encima del punto K, puede tener un punto de fusiónsuperior a 100ºC; y que la fase liquida se mantiene a 3000 atm por debajo de -20 ºC.

1.2.2.- SISTEMA DE DOS COMPONENTES

Cuando existe una sola fase en sistemas de 2 componentes, el numero de grados de libertad es3, debiendo definirse, Presión, Temperatura y Concentración. La representación del diagrama precisade 3 ejes de coordenadas y el diagrama es tridimensional.

Se suele proceder a representaciones por proyección sobre un plano o, mejor aún, a fijar una de



las variables y realizar una representación plana de las dos restantes. En Metalurgia generalmente serecurre a representaciones de las variables temperatura y concentración, fijando la presión (en lapresión atmosférica) al objeto de disponer de diagramas prácticos.

Además se suele recurrir a la representación de los equilibrios binarios Líquido-Gas, Sólido-Gas,o Líquido-Sólido, de este modo por reducción de una de las variables y utilizando únicamente larepresentación de 2 fases y su equilibrio, obtenemos diagramas sobre los que se puede trabajar deforma relativamente sencilla.

1.2.2.1.- Sistemas líquido-líquido

El más sencillo de los diagramas de fases para sistemas de dos componentes es el de lossistemas que pueden separarse en dos fases líquidas, estudiados a presión constante (generalmente apresión atmosférica), para evitar que aparezca fase vapor en equilibrio con las fases líquidas y atemperaturas que evitan la presencia de fases sólidas. Si la presión está determinada, las variablesrestantes son la temperatura y la concentración.

Los diagramas de fases se construyen mostrando el comportamiento del sistema en relacióncon la temperatura y concentración, en peso porcentual. Se han caracterizado tres tipos diferentes decomportamiento representados en la Figura 3.

Figura 3.- Sistemas de 2 componentes líquidos parcialmente miscibles a presión atmosférica.

En cada diagrama de la Figura 3, la línea de trazo continuo delimita la región de dos fases. Enbase al diagrama tenemos información de la composición de las fases líquidas, si nos fijamos en laslíneas de puntos de la Figura 3.a, a 60ºC, vemos que hasta un determinado valor a la izquierda de lalínea (punto “a”), el alcohol isobutílico es soluble en agua formando una única fase, en este punto sealcanza la máxima solubilidad del alcohol isobutílico en agua a esta temperatura. En el punto “c” de lamisma figura a la derecha de la curva, tenemos alcohol isobutílico que ha disuelto agua en una solafase.

En cualquier punto entre “a” y “c” tenemos dos fases, una de agua con alcohol disuelto y una de



alcohol con agua disuelta, composiciones “a” y “c” respectivamente, en la proporción que correspondapara dar el valor “b” por ejemplo. Las cantidades relativas de las dos fases pueden calcularse según sedetalla en la Figura 4.

Figura 4.- Determinación de la composición de fases en sistemas líquidos de 2 fases.

El sistema tiene un peso total “w” y una fracción global o fracción en peso del componente Aigual a “x”. Los pesos de las dos fases en que se separa el sistema son “w1” y “w2” y esas fases tienenfracciones en peso del componente A iguales a “x1” y “x2”. Por lo tanto tenemos:

w = w1 + w2

Y, en consecuencia:

x•w = x1•w1 + x2•w2

En donde:

x•(w1 +w2) = x1•w1 + x2•w2 → w1•(x - x1) = w2•(x2 - x) → w1/w2 = (x2 – x)/(x - x1)

Lo que significa que los pesos de las fases están en proporción a lo segmentos a ambos ladosde la composición.

En el caso correspondiente a la Figura 3.a, existe una temperatura crítica de solubilidad otemperatura máxima de cosoluto, de tal modo que si desde el punto “b” elevamos la temperatura hastaalcanzar aproximadamente los 110ºC se produce la redisolución de las fases obteniéndose una solafase.



Para el caso de la Figura 3.b, agua y trietilamina, existe un mínimo de redisolución o temperaturamínima de cosoluto, y en casos mucho más raros como para el agua y la nicotina (Figura 3.c) sepresenta una temperatura máxima y una temperatura mínima de cosoluto.

1.2.2.2.- Sistemas líquido-sólido. Solubilidad total

En estos sistemas el comportamiento más sencillo se presenta cuando ambos componentes enestado sólido y en fase líquida presentan total solubilidad. Este es el caso del sistema Cu-Ni de laFigura 5.

Figura 5.- Sistema de dos componentes, Cu-Ni

En este sistema cualquier composición intermedia presenta un rango de equilibrio entre sólido ylíquido a temperaturas intermedias a las de los puntos de fusión de los componentes del sistema.Aplicando la regla de las fases en estado líquido, o en el sólido, al tener una sola fase tenemos 3grados de libertad. Fijada la presión, trabajamos con las variables temperatura y concentración.

Si aplicamos la ley de Gibbs a las líneas de equilibrio (curva de solidificación o fusión) o al áreacomprendida entre ellas, disponemos de 2 grados de libertad, de tal modo que fijada la presión, solocabe definir la temperatura o mejor la concentración para tener control matemático del sistema.

Estos sistemas que presentan en estado sólido una sola fase, son resultado de una miscibilidadtotal de los componentes sólidos, cosa algo infrecuente. Más frecuente suele ser la miscibilidad osolubilidad parcial mutua de dos fases sólidas lo cual da lugar a fenómenos eutécticos (fácilmentefusible).

Este fenómeno de miscibilidad parcial se presenta con frecuencia cuando los átomos de uncomponente son pequeños y pueden colocarse en los espacios intersticiales de la red del compuesto,



formada por átomos de mayor tamaño. De esta forma resultan las denominadas aleacionesintersticiales, siendo un caso particular el de las aleaciones con carbono. La miscibilidad total de dossólidos tiene lugar en los casos en los que el tamaño atómico de los elementos son parecidos,produciéndose aleaciones sustitucionales de una estructura con átomos de la otra, éste es el caso delsistema descrito para Cu-Ni.

La curva superior de la Figura 5 contiene las temperaturas de inicio de solidificación dealeaciones de diferente composición, iniciándose la segregación del componente de más alto punto defusión. La curva inferior señala la composición del sólido que precipita, empobreciéndose la aleaciónen Ni, produciéndose una matriz sólida de Ni en la que finalmente por sucesivo empobrecimiento,solidificará el Cu restante a su temperatura de solidificación.

1.2.2.3.- Sistemas líquido-sólido. Formación de una mezcla eutéctica

Consideremos un sistema de dos componentes, totalmente miscibles en fase liquida y que enfase sólida dan lugar a sus formas cristalinas puras. En la Figura 6 tenemos como ejemplo el sistemaBenceno-Naftaleno.

Figura 6.- Diagrama de fases del sistema Benceno- Naftaleno a presión atmosférica.

Las curvas AE y BE muestran las líneas de equilibrio líquido/Benceno sólido puro ylíquido/Naftaleno sólido puro respectivamente. La línea horizontal es la temperatura por debajo de laque no existe fase líquida.

El estudio del enfriamiento de diferentes composiciones a lo largo del tiempo es la fuente deinformación para la construcción de este tipo de diagramas. En los procesos de metalurgia en general,y de soldadura en particular, los equilibrios más interesantes corresponden a la existencia de faselíquida y sólida simultáneamente, que son los involucrados en los procesos de fundición y soldadura.



En fisicoquímica básica existen dos métodos para establecer las condiciones de equilibrio entrefases:

1. MÉTODO DE SATURACIÓN O SOLUBILIDAD. Es el método más adecuado para elestudio de sistemas de dos componentes en estado líquido, como el agua y el alcoholisobutílico antes comentado.

2. ANÁLISIS TÉRMICO. Mediante este método, y siguiendo la evolución de lastemperaturas de enfriamiento en función del tiempo, pueden determinarse los cambios de faselíquido-sólido, estableciendo temperaturas de cambio de fase para ensayos de diferentesconcentraciones. Es el método que resulta más adecuado para el estudio y construcción de losdiagramas de fases de las aleaciones.

Utilizando el método de análisis térmico, se preparan aleaciones de composición conocida queson sometidas a enfriamiento en un calorímetro, midiéndose la curva de enfriamiento a través deltiempo y los valores de fenómenos isotérmicos correspondientes a etapas de solidificación o cambiode fase. Veamos lo que sucede con el sistema Benceno-Naftaleno. Si estudiamos cuatrocomposiciones (100% Benceno, líneas “e” y “b” de la Figura 6, y 100% Naftaleno), obtenemos lascurvas representadas en la Figura 7.

Figura 7.- Curvas de enfriamiento del sistema Benceno-Naftaleno mediante Análisis Térmico

Las líneas de los componentes puros presentan una meseta correspondiente a las temperaturasde solidificación A y B (Figura 6) de los componentes puros.

La línea e presenta una meseta correspondiente a un valor de temperatura inferior a B y a A, elEUTÉCTICO.

La línea b tiene un cambio de pendiente durante la segregación del Naftaleno en fase sólida yuna meseta en la segregación del EUTÉCTICO.

En este punto eutéctico estamos en presencia de un equilibrio líquido-sólido, con una sola faselíquida y dos fases sólidas (Benceno y Naftaleno puros). Si aplicamos la Ley de Gibbs tenemos:



L = 2 – 3 + 2 = 1

Solo hay un grado de libertad, la presión, que si la suponemos fija, tendremos que el eutéctico esun punto totalmente definido.

1.2.2.4.- Concepto de Eutéctico

Cuando en un sistema de 2 componentes una composición determinada presenta un cambio defase completo para los dos componentes, con inmiscibilidad en fase sólida, y este punto presenta unmínimo de temperatura de fusión en el conjunto, decimos que se produce un EUTÉCTICO.

A esta concentración, a veces mal denominada compuesto, se llama composición eutéctica; a latemperatura a la que se produce (suponiendo fija la presión) se denomina temperatura eutéctica y elpunto concreto del diagrama de fase se cita como punto eutéctico. Las aleaciones que presentaneutécticos permiten la segregación de uno u otro de los componentes quedando atrapado el más ricoen una matriz eutéctica.

Veamos otro ejemplo de punto eutéctico en el sistema Bismuto-Cadmio que queda reflejado enlas curvas de enfriamiento y el diagrama de fases resultante (Figuras 8 y 9).

Figura 8.- Análisis Térmico para el Bi-Cd. Curvas de enfriamiento.



Figura 9.- Diagrama de fases para el sistema Bi-Cd

1.2.2.5.- Sistemas líquido-sólido. Miscibilidad parcial en estado sólido y formaciónde una mezcla eutéctica

Un caso algo más complejo se presenta cuando en fase sólida existe algo de miscibilidad osolubilidad de una fase sólida en otra. En esta situación, el diagrama presenta en las proximidades delcomponente puro una zona en la que la solidificación se realiza en forma de una única fase, ya seaintersticial o sustitucional. En el caso del sistema Plata-Cobre de la Figura 10 se puede apreciar estaformación para ambos componentes, que en este caso es solubilidad o aleación sustitucional.

Figura 10.- Diagrama de fases para el sistema Ag-Cu con miscibilidad parcial en fase sólida y formación deEutéctico.



Figura 11.- La presencia de puntos eutécticos es una herramienta de gran importancia en los procesosmetalúrgicos de fundición y soldadura, así como para la obtención de propiedades mejoradas en materiales metálicos

1.2.3.- SISTEMAS DE TRES COMPONENTES

Cuando el sistema presenta tres componentes se recurre a diagramas de tipo triangular,anotando sobre el diagrama de forma algebraica los cambios y puntos singulares. Estos diagramas defases para tres componentes se establecen para dos grados de libertad prefijados, por ej. presión ytemperatura dada.

En realidad, estos diagramas triangulares son secciones isotérmicas de un sólido geométricocuya base es un triángulo equilátero, en el cual se marcan las concentraciones, y un eje vertical en elque se marca la temperatura. Tal sólido se puede construir mediante un estudio de un sistema ternariodado a diversas temperaturas, y la subsecuente reunión de las secciones isotérmicas en un modelotridimensional.

El resultado de esta clase de estudio para el sistema Bi-Sn-Pb, se ilustra esquemáticamente enla Figura 12. En este sistema de tres componentes se puede observar que se forman tres eutécticosbinarios Bi-Pb, Pb-Sn y Sn-Bi que a su vez confluyen en un ternario a 96 ºC. Aplicando la Ley de Gibbsal eutéctico triple tenemos:

L = 3 - 4 + 2 = 1

Los cortes isotérmicos representan zonas con sólido precipitado correspondiente al vérticeadyacente.



Figura 12.- Sistema Sn-Bi-Pb con un eutéctico triple

Se han propuesto varios métodos para trazar diagramas de equilibrio bidimensionales parasistemas de tres componentes. El más empleado es el sistema triangular propuesto por Stokes yRoozeboom. En general se recurre a representar con diagramas triangulares según la composiciónpara cada isoterma, representando las líneas de cambio de fase sobre el diagrama (Figura 13).

Figura 13.- Diagrama triangular isotermo

Cualquier diagrama de fases complejo, puede considerarse como una combinación de un ciertonumero de diagramas sencillos.

De esta forma, si clasificamos los sistemas condensados de dos componentes según lamiscibilidad de las fases liquidas, y éstas a su vez de acuerdo con la naturaleza de las fases sólidasque cristalizan a partir de la solución, los tipos elementales mas importantes son:

● Clase A. Los dos componentes son completamente miscibles en estado líquido.

○ Tipo I: Los componentes puros solo cristalizan a partir de la solución.



○ Tipo II: Los componentes forman un compuesto sólido estable hasta fusión.

○ Tipo III: Los componentes forman un compuesto que se descompone antes dealcanzar el punto de fusión.

○ Tipo IV: Los componentes son completamente miscibles en estado sólido.

○ Tipo V: Los componentes son parcialmente miscibles en estado sólido y formansoluciones sólidas estables.

○ Tipo VI: Los componentes forman soluciones sólidas que son estables solo hasta unatemperatura de transición.

● Clase B. Los dos componentes son parcialmente miscibles en estado liquido.

○ Tipo I: Los componentes solo cristalizan a partir de la solución.

● Clase C. Los dos componentes no son miscibles en estado líquido.

○ Tipo I: Los componentes puros solo cristalizan a partir de la solución.

1.3.- DIAGRAMA Fe-C

El diagrama de fases para los componentes Fe y C (Figura 14) presenta un punto eutéctico enla composición 4,3% de C y temperatura de 1147ºC. Esta composición cae en el dominio de lasFundiciones Férreas que metalográficamente adopta la forma de LEDEBURITA.

En las proximidades del Fe puro tiene lugar, a 1493ºC, la formación de un punto inverso operitéctico (Figura 15) mediante la segregación de una estructura de Fe delta, cúbica centrada en elcuerpo, y la solidificación de una fase sólida con estructura cúbica centrada en las caras o fasegamma.

Para concentraciones inferior al punto peritéctico, 0,18% de C, aparece el Fe delta. Estatransformación es de carácter expansivo desde el punto de vista dimensional en su cristalización,pasando de una interdistancia de 2,9 Å a 3,65 Å.

A ambos lados del eutéctico ledeburita (4,3% de C) se produce la solidificación de una faseaustenita o gamma, cúbica centrada en las caras, por debajo del 4,3% y cementita/carburo de hierro,por encima del 4,3%.

En el diagrama Fe-C (Figura 14) cabe destacarse además la variación de fases en forma sólida,lo cual da lugar a la segregación de pseudofases en lo que podría denominarse un falso eutéctico omejor expresado punto eutectoide. Esta segregación se produce a una composición del 0,8% de Cdenominándose PERLITA (láminas de ferrita y cementita) y dando lugar a la reconversión de la faseAUSTENITA o Fe gamma en una matriz de ferrita o Fe alfa cúbico centrado en el cuerpo, y unasegregación de perlita por debajo del eutectoide, mientras que por encima del eutectoide se segreganperlita y cementita (Fe3C, 6,67%C).

Esta transformación sólida es de carácter compresivo produciéndose una contracción de laestructura gamma a la formación ferrita con estructura centrada en cuerpo denominada alfa desde 3,65 Å hasta 2,9 Å.



Al dominio de la existencia de la austenita como fase sólida, rango del 0 al 2,03% de contenidoen C, es a lo que se denomina dominio de los aceros, por encima de este valor se sitúa el dominio delas fundiciones férreas.

Al conjunto de aceros por debajo del punto eutectoide se les denomina HIPOEUTECTOIDESsiendo de gran importancia industrial. Mientras que por encima del 0,8% reciben el nombre deHIPEREUTECTOIDES, con poca relevancia industrial.

Para muy bajos contenidos en C, por debajo del 0,028%, a 723ºC se puede disponer de la faseferrita pura en forma de Fe alfa.

Para valores entre el 2,03% de C y el eutéctico la estructura sólida consiste en austenita +ledeburita + cementita, que en la transformación sólida se convierte en cementita y perlita dando lugaral dominio de las fundiciones PERLÍTICAS, mientras que para valores superiores al 4,3% de C sepresenta una clara segregación de GRAFITO dando lugar a la familia de las fundicionesESFEROIDALES.

Figura14.- Diagrama de fases Fe-C. Puntos Críticos.



Figura 15.- Región peritéctica del diagrama Fe-C.

1.3.1.- PUNTOS CRÍTICOS

Punto crítico: “Temperatura a la que se produce, durante el calentamiento o enfriamiento de unacero, un cambio de fase”.

Esta temperatura también se denomina “temperatura de transformación” o “temperatura crítica”.

Tradicionalmente, los puntos críticos se designan con la letra A y los subíndices:

● “c” para los cambios de fase que aparecen durante el calentamiento.

● “r” para los que aparecen durante el enfriamiento.

Los subíndices numéricos (1, 2, 3,...) señalan el orden en el que aparecen los puntos críticos.

Se presenta una histéresis en las temperaturas de transformación, según estemos calentando oenfriando la aleación. Los fenómenos de transformación durante el calentamiento se presentan atemperaturas un poco superiores que durante el enfriamiento.

Los puntos críticos principales con cambios de fase en el diagrama Fe-C, según lastemperaturas que aparecen durante el enfriamiento y siguiendo la norma UNE, son:

● A1.- Temperatura de transformación de la austenita en perlita y a la inversa.

○ Ac1.- Temperatura a la cual la perlita se transforma en austenita.

○ Ar1.- Temperatura a la cual la austenita se transforma en perlita.

● A3.- Temperatura a la cual la austenita se transforma en ferrita y a la inversa.

○ Ac3.- Temperatura a la cual se completa la transformación de ferrita en austenita.

○ Ar3.- Temperatura a la cual la austenita empieza a transformarse en ferrita.



Figura 16.- Diagrama Fe-C y Tratamientos Térmicos principales.

● Acm.- Temperatura de transformación de austenita en cementita y a la inversa en losaceros hipereutectoides. Por encima de este punto sólo la austenita es estable y por debajoempieza a aparecer progresivamente la cementita.

○ Accm.- Temperatura a la cual se completa la disolución del carbono de la cementita enla austenita durante el calentamiento.

○ Arcm.- Temperatura a la que se produce la precipitación de la cementita a partir de laaustenita durante el enfriamiento.



● A4.- Temperatura de transformación del Fe gamma en Fe delta.

● Los puntos críticos sin cambio de fase son:

○ A0.- Temperatura a la cual la cementita pasa del estado magnético al no magnético ya la inversa.

○ A2.- Temperatura a la cual la ferrita pasa del estado magnético al no magnético y a lainversa.

1.3.2.- COMPONENTES ESTRUCTURALES DEL DIAGRAMA METAESTABLE Fe-C

Como se ha indicado, en fase sólida los aceros sufren modificaciones cristalinas que llevanconsigo cambios de las distancias intercristalinas, lo que significa expansiones y contracciones conrecolocación de los átomos de Carbono:

● En el proceso de solidificación hasta los 1400ºC se produce la transición desde Fe δhasta austenita (Fe γ), produciéndose una expansión en volumen.

● A 910ºC se produce de nuevo una transformación desde austenita (Fe γ) hasta Fe α,teniendo lugar una contracción en volumen.

Figura 17.- Modificaciones cristalinas del acero.



En función de las anteriores transformaciones cristalinas y del contenido en Carbono del acero,nos podemos encontrar con los siguientes componentes estructurales:

➔ FERRITA. Es una aleación sólida intersticial de Carbono en Fe α (ferrita), con los átomode carbono situados en el centro de las caras. La ferrita disuelve muy poca cantidad decarbono a temperatura ambiente, con un máximo de 0,028%C a 723ºC.

La ferrita también disuelve pequeñas cantidades de Si, P, Ni, Cr, Cu, etc., elementos quefiguran en los aceros como impurezas o elementos de aleación.

Es el constituyente más blando, dúctil y maleable de los aceros, con una resistencia a latracción de aproximadamente 30 kg/mm2, presentando una elevada permeabilidad magnética.

En los aceros, la ferrita actúa como un proeutectoide junto con la perlita, y como eutectoidemezclado con la cementita para formar perlita.

➔ PERLITA. Es una mezcla eutectoide, formada por láminas alternadas de poco espesorde ferrita y cementita. La separación de estas láminas viene afectada por la velocidad deenfriamiento, a mayor velocidad de enfriamiento menor separación de las láminas.

La perlita tiene una composición del 0,8%C, la mayor parte en forma de cementita.

➔ CEMENTITA. Es un componente intersticial formado por el carburo de Hierro Fe3C, conun contenido en Carbono del 6,67% y de Hierro del 93,33%. Es el constituyente más duro yfrágil de los que aparecen en el diagrama Fe-C, con una resistencia a la tracción limitada perocon una elevada resistencia a la compresión.

En los aceros hipereutectoides aparece como proeutectoide con la perlita, como eutectoide conláminas intercaladas de ferrita formando la perlita, y como proeutéctico con la ledeburita en losaceros hipereutécticos.

➔ AUSTENITA. Es una aleación sólida intersticial de Carbono en Fe γ, llegando hasta uncontenido máximo en carbono de 2,06%. Es el constituyente más denso de los aceros, peorconductor del calor y la electricidad que el Fe α, y no es magnética.

A partir de los 723ºC se desdobla en ferrita y cementita.

➔ LEDEBURITA. Es una mezcla eutéctica formada por un 48% de austenita y un 52% decementita estable hasta 723ºC, transformándose en agrupaciones de perlita y cementita deaspecto eutéctico por debajo de esta temperatura. Tiene un contenido en carbono del 4,3%.



a) b)

c) d)

e) f)

Figura 18.- Microestructura de diferentes aceros: a) Acero con muy bajo contenido en C; b), c) y d) Aceroshipoeutectoides; e) Acero eutectoide; f) Acero hipereuctectoide.



a) b)

c) d)

e)

Figura 19.- Microestructura de diferentes aceros y fundiciones: a) Fundición hipoeutéctica; b) Fundicióneutéctica; c) y d) Fundición hipereutéctica; e) Acero enfriado rápidamente.



1.4.- DIAGRAMA TTT

Las diferentes transformaciones alfa-gamma o gamma-alfa precisan de un tiempo derecolocación cristalina, de tal forma que la migración de los átomos de Carbono desde la estructuraaustenítica centrada en las caras hasta la estructura ferrítica centrada en el cuerpo, además de laformación de la fase perlita (láminas de ferrita y cementita), necesita su tiempo.

Este tiempo de migración y recolocación cristalina es una característica típica de cada acero enparticular. La representación gráfica de estas transformaciones está contenida en el diagrama Tiempo-Temperatura-Transformación, o diagrama específico TTT para cada acero en particular (Figura 20).

Figura 20.- Diagrama tipo Tiempo-Temperatura-Transformación

En los aceros de bajo contenido en Carbono, incluso con tiempos muy cortos de enfriamiento,las transformaciones tienen lugar sin problemas, dando lugar a las estructuras finales descritas. Por elcontrario, los aceros con un contenido medio-alto en carbono (o elementos equivalentes) el tiempo deenfriamiento debe ser tal que se permita una completa transformación de las estructuras.

Si ésto no sucede, o la transformación solo inicia el corte de la “nariz bainítica” (ver Figura 20)sin agotarse el cambio, en el rango de temperatura de los 400ºC se producirá una congelación de laestructura austenita, distorsionándose y dando lugar a la formación de martensita, una estructura muydistorsionada, tetragonal, muy dura, con los átomos de Carbono en el centro de las caras superior einferior y en el centro de las aristas verticales, provocándose la situación de un átomo de Fe en elcentro del cubo además de en los 8 vértices.

Si el tiempo es muy corto, la transformación de la austenita en ferrita y cementita ni se inicia



consiguiéndose toda la cantidad posible de martensita de acuerdo con la teoría de Bain.

La temperatura de inicio y final de formación de martensita viene dada por la formula de STEVEy HAYNES:

Ms (ºC) = 561 - 474·(%C) - 33·(%Mn) - 17·(%Ni) - 17·(%Cr) – 21·(%Mo)

Mf (ºC) = Ms - 215 +- 15

Estas expresiones son de aplicación para composiciones:

%C de 0,10 a 0,55 %Mn de 0,20 a 1,70 %Si de 0,10 a 0,35

%Cr hasta 3,5 %Ni hasta 5 %Mo hasta 1

Al fenómeno de enfriamiento en ausencia de transformación se le denomina TEMPLE. Losdiferentes tipos de temple son conocidos en función de su severidad y dan lugar a diferentes grados detransformación, siendo importante distinguir también la geometría de la pieza que puede llegar a darresultados disimilares, por ej. en el templado de un eje. Para la determinación del grado de temple serealiza el ensayo JOMINY (Figura 21).

Figura 21.- Instalación para el ensayo Jominy y curvas de penetración

El que la estructura metalúrgica sea bainita superior, bainita inferior o martensita, depende dedos factores básicos:

● Contenido en carbono y aleantes.

● Velocidad de enfriamiento.



1.4.1.- COMPONENTES ESTRUCTURALES DEL DIAGRAMA TTT

➔ PERLITA. Ya quedó definida en el diagrama Fe-C como un eutectoide formado porláminas alternas de ferrita y cementita.

Se forma en la zona de alta temperatura perlítica del diagrama, obteniéndose perlita de granogrueso, medio o fino según la zona en la que se produzca la transformación (Figura 20):

● La perlita de grano grueso aparece en la parte alta de la zona superior, con velocidadesde enfriamiento pequeñas.

● La perlita de grano fino aparece en la parte inferior cerca de la nariz perlítica.

● La de grano medio se encuentra en la zona intermedia.

➔ BAINITA. Mezcla de agujas de ferrita con precipitados de cementita en el contorno. Laaustenita se transforma en ferrita al cambiar la red de cúbica centrada en las caras a cúbicacentrada en el cuerpo, facilitando la difusión de carbono para formar carburos.

Los cristales de ferrita se forman al producirse un plegamiento de la red en forma de agujas. Laferrita recién formada está sobresaturada de carbono, que tiende a precipitar en forma decementita.

➔ MARTENSITA. Consiste en una solución sobresaturada de carbono en Fe α. Lamartensita se origina al transformarse la red centrada en las caras de la austenita en Fe αcentrada en el cuerpo. Esta red sólo disuelve pequeñas cantidades de C, por lo que al nopoderse producir la difusión por la elevada velocidad de enfriamiento, se produce unensanchamiento tetragonal de la red cúbica alfa. De esta forma, la martensita tiene un volumenmayor que la austenita de la que procede.

Se caracteriza por tener una estructura de agujas orientadas según ángulos de 60º y por sugran dureza. Es la estructura típica del tratamiento térmico de temple, cuyo objetivo suele ser elendurecimiento del acero.



a) b)

c) d)

e) f)



g) h)

i) j)

k) l)



m) n)

o) p)

q) r)

s) t)



u) v)

Figura 22.- Microestructura de diferentes aceros tratados térmicamente.



Figura 23.- Curva TTT para acero al carbono, 0,06%C.



1.5.- CLASIFICACIÓN DE LOS ACEROS

Según la norma UNE EN 10020, se define acero como: “Material en el que el hierro es elelemento predominante, el contenido en carbono es, generalmente, inferior al 2% y contiene ademásotros elementos. Para un limitado número de aceros al cromo, el contenido en carbono puede sersuperior al 2%, pero este valor es el contenido límite habitual que separa al acero de la fundición”

Existen múltiples clasificaciones de los aceros. Por su interés, y teniendo en cuenta el alcanceen esta parte de la asignatura, vamos a realizar esta clasificación desde tres enfoques diferentes. Enprimer lugar haremos un repaso a la clasificación que se establece en la norma UNE EN 10020, quedistingue los aceros según su composición química y según su calidad. Otro enfoque que puedetomarse es desde el punto de vista de su utilización. Y finalmente, y de forma específica para estaparte de la asignatura, los aceros se pueden clasificar en función de su soldabilidad, teniendo encuenta las familias de aceros soldables y los aspectos básicos que deben tenerse en cuenta para suestudio.

1.5.1.- CLASIFICACIÓN SEGÚN LA COMPOSICIÓN QUÍMICA (UNE EN 10020)

Según la norma UNE EN 10020, en función de la composición química, los aceros puedenclasificarse en:

1. Aceros no aleados. Se considera a aquel en el que el contenido de cualquiera de suselementos es inferior al mostrado en la tabla 1 de la citada norma.

2. Aceros inoxidables. Son aquellos que contienen un mínimo de 10,5% de Cromo y unmáximo de 1,2% de Carbono.

3. Otros aceros aleados. Cualquier otro acero que no cumpliendo con la definición deacero inoxidable, el contenido, de al menos uno de sus elementos es igual o superior al valorlímite dado en la tabla 1 de la norma UNE EN 10020.

1.5.2.- CLASIFICACIÓN SEGÚN SU CALIDAD (UNE EN 10020)

Según la calidad, los aceros se pueden dividir en:

1.- Aceros no aleados.

1.1.- Aceros no aleados de calidad. Aquellos a los que se les exige, en general,requisitos de características específicas como tenacidad, tamaño de grano y/oformabilidad, etc.

1.2.- Aceros no aleados especiales. Aquellos que presentan una mayor pureza que losaceros de calidad, en especial en relación con el contenido de inclusiones no metálicas.Generalmente se destinan al tratamiento de temple y revenido, caracterizándose por unarespuesta regular a estos tratamientos. Se fabrican con control preciso de su composición ycondiciones, confiriéndoles propiedades mejoradas para responder a éstos estrictos



requisitos. Generalmente las propiedades requeridas, entre límites estrechos, incluyenvalores de límite elástico o templabilidad elevados, algunas veces asociados a unaadecuada conformabilidad en frío, soldabilidad o tenacidad.

2.- Aceros inoxidables. Se subdividen, a su vez, en función de:

2.1.- Su contenido en Níquel:

2.1.1.- Ni < 2,5%

2.1.2.- Ni ≥ 2,5%

2.2.- Sus características:

2.2.1.- Resistencia a la corrosión.

2.2.2.- Resistencia a la oxidación en caliente.

2.2.3.- Resistencia a la fluencia.

3.- Otros aceros aleados.

3.1.- Aceros aleados de calidad. Aquellos aceros para los que existen requisitos como,por ejemplo, de tenacidad, control de tamaño de grano y/o formabilidad. En general, no sedestinan al tratamiento de temple y revenido o al de temple superficial. Entre estos acerosse incluyen a:

3.1.1.- Aceros de construcción metálica, aparatos a presión o tubos, de grano fino ysoldables.

3.1.2.- Aceros aleados para carriles, tablestacas y cuadros de entibación de minas.

3.1.3.- Aceros aleados para productos planos, laminados en caliente o frío,destinados a operaciones severas de conformación en frío.

3.1.4.- Aceros cuyo único elemento de aleación es el cobre.

3.1.5.- Aceros aleados para aplicaciones eléctricas, cuyos principales elementos dealeación son el Si o Si y Al, y que cumplen los requisitos de inducción magnética,polarización o permeabilidad necesarios.

3.2.- Aceros aleados especiales. Aceros distintos de los inoxidables, caracterizadospor un control preciso de su composición química y unas condiciones particulares deelaboración y control para asegurar unas propiedades mejoradas. Estos aceros incluyen:

3.2.1.- Aceros aleados de construcción mecánica y para aparatos a presión.

3.2.2.- Aceros para rodamientos.

3.2.3.- Aceros para herramientas.

3.2.4.- Aceros rápidos.

3.2.5.- Aceros con características físicas especiales (aceros con coeficiente dedilatación controlado, para resistencias eléctricas, etc.)



1.5.3.- CLASIFICACIÓN SEGÚN SU UTILIZACIÓN

Según su aplicación, los aceros pueden clasificarse en:

1.- Aceros de construcción. Debido a su campo de aplicación, estos aceros suelen sersoldables.

2.- Aceros de uso general. Generalmente comercializados en estado bruto de laminación.

3.- Aceros cementados. Son aceros caracterizados por una corteza dura, con un núcleodúctil y tenaz.

4.- Aceros para temple y revenido. Con estructura final de martensita revenida.

5.- Aceros para usos especiales. Incluyendo los aceros inoxidables.

6.- Aceros para herramientas. Aceros con alta dureza y resistencia al desgaste.

7.- Aceros no aleados. Generalmente con un tratamiento de temple.

8.- Aceros aleados. Los elementos de aleación más comunes son: Mn, Cr, Mo, V, W y Ni.

9.- Aceros rápidos. Utilizados para grandes velocidades de corte. Los elementos dealeación más comunes son: W, Mo y Mo-Co.

1.5.4.- CLASIFICACIÓN DE LOS ACEROS SOLDABLES

En función de los diferentes aleantes se pueden distinguir comercialmente varias familias deaceros soldables, que van a ser los que estudiaremos principalmente en esta asignatura:

1. Aceros no aleados.

2. Aceros de baja aleación.

• Aceros al carbono y al carbono-manganeso. También conocidos como aceros dealto límite elástico o aceros microaleados. Son los conocidos típicamente como aceros deconstrucción. Dentro de estos aceros prestaremos especial atención a:

• La influencia de los aleantes.

• El contenido en Hidrógeno.

• El contenido en impurezas e inclusiones como el Azufre y el Fósforo.

• Los defectos por desgarre laminar.

• El límite de Nb.

En estos aceros se estudiará la importancia de los tratamientos deprecalentamiento, PWHT (postwelding heat treatment) y el concepto de carbonoequivalente.

• Aceros bonificados. Aceros sometidos a un templado y revenido para mejorar sus



propiedades mecánicas. En estos aceros deberemos tener en cuenta distintos fenómenoscomo:

• Los asociados a los distintos medios de templado y sus consecuenciasmetalúrgicas y mecánicas.

• La influencia del revenido en las estructuras esbeltas.

• Problemas de rotura frágil.

• Ensayo Robertson.

3. Aceros de media aleación.

• Aceros al carbono-molibdeno y al cromo-molibdeno. Son aceros resistentes aaltas temperaturas y al creep, así como a la oxidación en caliente y a la fragilización porHidrógeno. Estudiaremos la influencia del factor J y de los tratamientos deprecalentamiento y PWHT.

• Aceros criogénicos o aceros al níquel. Materiales para su utilización atemperaturas por debajo de 0ºC (-100, -140 ó -200ºC) y distintos porcentajes de Ni (3,5, 5 y9%). Los problemas principales a estudiar con estos aceros son:

• Su limitación magnética.

• El crecimiento de grano en la ZAT.

4. Aceros de alta aleación o Inoxidables. Cuando el % de Cr supera el 13% entramos enel gran grupo de los aceros inoxidables, aleados además en algunos casos con Mo y Ni.Dentro de los aceros inoxidables caben distinguirse 4 familias:

• Ferríticos.

• Martensíticos.

• Austeníticos.

• Duplex.

1.6.- TECNOLOGÍAS DE UNIÓN DE MATERIALES

Dentro de los Procesos de Fabricación, podemos establecer 4 grandes grupos de “Técnicas deUnión de Materiales”:

I.- REMACHADO. Esta técnica, que incluye las técnicas de roblonado (algo en desuso),consiste en la unión de materiales mediante la utilización de piezas y elementos de fijación pordeformación plástica para conseguir uniones locales en multitud de aplicaciones industriales.

II.- ATORNILLADO. También utilizando piezas especiales, como tornillos, pernos, tuercas yarandelas, se consiguen uniones locales. Su principal característica y ventaja frente a losprocesos de remachado es la reversibilidad. Los procesos de atornillado están asociados aldesarrollo de la mecánica.



III.- SOLDADURA. Técnica de unión metalúrgica que permite la continuidad material y lasuniones en el límite de la perfección. Se trata una unión de características mecánicas,metalúrgicas y eléctricas. La soldadura es un proceso asociado al desarrollo de la metalurgia.

IV.- ADHESIÓN. Es el grupo más moderno de las técnicas de unión de materiales,extraordinariamente asociado al progreso de la química moderna.

En las técnicas de unión de materiales debemos tener en cuenta las características intrínsecasde los propios materiales, y sobre todo un concepto que en calidad tiene mucha importancia, el de“adecuación al uso”.

Para conseguir una buena adecuación al uso las técnicas de unión de materiales deben tener encuenta un conocimiento profundo de los propios materiales y de los elementos que intervienen en launión, no solo desde el punto de vista tecnológico, sino desde el punto de vista de la explotaciónposterior de la tecnología.

En las técnicas de REMACHADO resulta básico un amplio conocimiento del comportamientoplástico de los materiales y de sus características elásticas, resistencia de los materiales, aspectoscorrosivos, principios de diseños, etc.

En las técnicas de ATORNILLADO, además de la propia tecnología de los elementos deempernado, su fabricación y los métodos de apriete, resulta de importancia fundamental elconocimiento amplio de la resistencia de materiales y del comportamiento de los mismos sometidos acargas estáticas , dinámicas y ciclos de fatiga, así como todo lo relativo a los fenómenos de rozamientoen los aprietes.

Las técnicas de SOLDADURA forman una parte importante de la metalurgia en su sentido másamplio. Si se dejan a un lado los procesos, la soldadura en cualquiera de sus especialidades esmetalurgia aplicada.

La unión con ADHESIVOS es también una parte importante de la química de lasmacromoléculas, sin dejar de prestar atención a los especiales estudios de estado superficial de losmateriales, de las técnicas de pasivación y activación superficial, así como los fenómenos de cohesiónde los propios materiales y de adhesión o actividad superficial, que son básicos para un adecuadoempleo de estas técnicas.

Por todo ello podemos adivinar que las TECNOLOGÍAS DE UNIÓN DE MATERIALES son unaparte básica de la Tecnología de Materiales, e incluso el ámbito se amplia cuando nos ocupamos deesta parte de la tecnología.

1.6.1.- TÉCNICAS DE UNIÓN POR SOLDADURA

Existen tres grandes grupos de técnicas de unión de materiales que conocemos bajo el úniconombre castellano de SOLDADURA, pero que incluyen variaciones conceptuales importantes. Cuandohablamos de soldadura, salvo en casos muy especiales, estamos en el dominio de los materialesmetálicos y sus aleaciones. Dentro de este concepto podemos distinguir:

a) Unión por WELDING. Corresponde a una unión con:

○ Continuidad metalúrgica.

○ Resistencia mecánica garantizada del mismo orden que la de los materiales baseque se unen.



○ Continuidad eléctrica.

b) Unión por BRAZING. Corresponde a una unión con:

○ Resistencia mecánica, más en concreto con características de anclaje mecánicomediante la utilización de materiales de aporte intermedios.

○ Continuidad eléctrica.

c) Unión por SOLDERING. Corresponde a uniones elaboradas mediante la utilización deaportes de bajo punto de fusión para la obtención uniones con la característica fundamental decontinuidad eléctrica.

1.6.2.- EFECTOS TÉRMICOS Y METALÚRGICOS EN LAS UNIONES SOLDADAS

Al realizar uniones por los diferentes métodos de soldadura nos vamos a encontrar con dos tiposprincipales de efectos:

a) EFECTOS TÉRMICOS. Dentro de estos efectos debemos tener en cuenta los siguientes:

1. Calor de fusión.

2. Calor de tratamiento.

3. Zona fundida.

4. Zona afectada.

5. Zona transformada.

6. Velocidad de enfriamiento.

7. Tiempo de solidificación.

8. Tiempo 800/500.

b) EFECTOS METALÚRGICOS. Entre ellos podemos destacar:

1. Subaleación.

2. Sobrealeación.

3. Modificación metalúrgica.

4. Combinaciones.

5. Uniones disimilares.

6. Absorción de gases.

7. Oxidaciones.

8. Elementos aleantes.

9. Materiales de aporte.


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