Tema 3: Diagramas de aleaciones y del acero

1. introduccin

Los metales puros tienen poca aplicacin en la industria. La mayora de ellos se combinan con otros metales o no metales para mejorar sus propiedades (mayor dureza, resistencia mecnica, resistencia a la corrosin, etc.)

Cristalizacin:La cristalizacin es el proceso de solidificacin del que dependen en gran medida las propiedades del material. Cuando se enfra un metal en estado fundido, llega un momento en que se alcanza la temperatura de equilibrio. Este proceso de cristalizacin se regula por: Velocidad de nucleacin (Vn). Es la cantidad de cristales que se forman por unidad de tiempo.

Velocidad de cristalizacin (Vc). Es el aumento de longitud de los cristales por unidad de tiempo.

Los metales puros solidifican formando una red cristalina a partir de un ncleo central sobre el que se depositan otros en planos perpendiculares (dendritas).

Aleacin: Es todo producto que resulte de la unin de dos o ms elementos qumicos, uno de los cuales ha de tener carcter metlico. Para que la unin de estos elementos se considere aleacin tienen que cumplirse dos condiciones: Que los elementos componentes sean totalmente miscibles en estado lquido.

Que el producto resultante tenga mayora de enlaces metlicos, (carcter metlico).

Las aleaciones mejoran notablemente las propiedades mecnicas de los metales puros como pueden ser tenacidad, dureza, resistencia a la oxidacin, etc; sin embargo se empeoran propiedades como conductividad elctrica y trmica.

2.Aleaciones

2.1Disolvente o solvente y soluto

Cuando se mezclan metales que cristalizan en la misma red tridimensional, se denomina disolvente al que interviene en mayor proporcin y soluto al que lo hace en proporcin menos.

Cuando se mezclan metales que cristalizan en distinta red, se llama disolvente al metal cuya estructura cristalina es la misma que la de la aleacin, aunque intervenga en menor proporcin

Tipo de soluciones

Solucin slida por sustitucin: en este caso, el disolvente y soluto tienen una estructura cristalina similar, por lo que un tomo de soluto ocupa la posicin de otro tomo de disolvente en la estructura cristalina final.

Solucin slida por insercin: ocurre cuando los tomos de soluto son muy pequeos y ocupan los huecos intersticiales del disolvente. Esto provoca un aumento de la resistencia de la aleacin, ya que se hace ms difcil la deformacin del producto final.

2.2 Conceptos previos de Diagramas de fases

Fase: es cada una de las partes o masa homognea de que se compone un sistema y se diferencia fsicamente del resto (ej: fase slida, lquida y gaseosa)

Componente: son cada una de las sustancias o elementos qumicos que forman un material. (ej: el Fe (hierro) y el Fe3C (cementita)son constituyentes del acero).

Regla de fases de Gibbs: El nmero de fases que pueden coexistir depende de los grados de libertad (variables que podemos controlar, presin , temperatura y concentracin. La ecuacin es:F+N=C+2F = fasesN =grado de libertadC= numero de componentes del sistema

Como generalmente se trabaja a presin constante la formula real que se usa es: F+N=C+1

2.3 DIAGRAMA DE EQUILIBRIO EN ALEACIONES TOTALMENTE SOLUBLES EN ESTADO LQUIDO Y ESTADO SLIDO

Los diagramas se construyen representando las lneas de enfriamiento para distintas composiciones.Los puntos marcados con L corresponden a los valores de temperatura a los que la aleacin comienza a solidificar, y los puntos marcados con S las temperaturas a partir de las que la aleacin es totalmente slida.Uniendo todos los puntos marcados con L en el diagrama de enfriamiento anterior se obtiene la lnea de lquidus, es decir, la lnea de temperaturas por encima de las cuales la aleacin se encuentra en una zona monofsica, en la que slo hay lquido, y uniendo los puntos S se obtiene la lnea de slidus, lnea por debajo de la cual la aleacin vuelve a estar en una zona monofsica, pero esta vez slo encontramos slido.

2.4 Regla de la palanca para aleaciones solubles

La regla de la palanca es el mtodo empleado para conocer el porcentaje de fase slida y lquida presentes en una aleacin de una cierta concentracin cuando se encuentra a una determinada temperatura.

El protocolo a seguir consiste en trazar la lnea vertical X (por la concentracin que deseamos analizar) y la lnea isoterma de la temperatura indicada, lnea horizontal L-O-S, en el diagrama de equilibrio de la aleacin AB. Determinando su interseccin el punto O y la interseccin con las lneas de lquidus y slidus los puntos L y S.

Proyectando sobre el eje de concentraciones dichos puntos de interseccin se obtienen las concentraciones de la fase lquida, wL y de la fase slida, wS.

La concentracin de la muestra que vamos a estudiar es wo.

Una vez determinadas estas concentraciones, se aplica la regla de la palanca para obtener el porcentaje de cada una de las fases en las condiciones del problema. El resultado de la suma de ambas debe ser el 100%

2.5 DIAGRAMA DE EQUILIBRIO DE ALEACIONES TOTALMENTE SOLUBLES EN ESTADO LQUIDO E INSOLUBLES EN ESTADO SLIDO

Se caracterizan por un punto llamado eutctico, que es la aleacin de punto de fusin ms bajo en la cual coexisten las fases slidas A y B y la fase lquida L . En este punto, el grado de libertad es cero, por tanto, la solidificacin se produce a temperatura constante.El diagrama se divide en cuatro zonas. En la zona L hay una sola fase, lquida y homognea. En la zona L+A hay dos fases, una de lquido y otra de cristales de aleacin A, que forman una aleacin hipoeutctica. En la zona L+B tambin hay dos fases, una de lquido y otra de cristales de aleacin B, que forman una aleacin hipereutctica. En la zona slida hayun slido formado por dos fases A y B, que no se mezclan.

DIAGRAMA DE EQUILIBRIO DE ALEACIONES TOTALMENTE SOLUBLES EN ESTADO LQUIDO Y PARCIALMENTE SOLUBLES EN ESTADO SLIDO

Un caso particular son las aleaciones eutcticas con solubilidad parcial, es decir, los metales presentan una cierta solubilidad en estado slido. En este caso, a la temperatura eutctica las fases slidas que se forman son soluciones y , cuyas composiciones vienen determinadas por los extremos de la lnea horizontal. Un ejemplo es la aleacin Pb-Sn

Alotropa del hierro

Segn las condiciones de temperatura, el hierro puede presentar diferentes estados, con mayor o menor capacidad para disolver el carbono.Hierro : cristaliza hasta una temperatura de 768 C en la red CCB. No disuelve prcticamente al carbono. Es magntico.

Hierro : cristaliza entre 768 C -910 C en la red CCB. No es magntico. Tiene mayor volumen (mayor distancia entre tomos).

Hierro : cristaliza entre 910C -1400C en la red CCF. Disuelve ms carbono (hasta un 2,11 %). Es no magntico

Hierro : cristaliza entre 1400 C- 1539 C en la red CCB. Es magntico. Muy parecido al hierro . Poca aplicacin

Interaccin entre el carbono y el hierro

Disuelto o combinado: Formando soluciones slidas de insercin con el hierro (ferrita= Fe - C). La ferrita disuelve muy poca cantidad de carbono. La estructura cristalina ser CCB.

Formando soluciones slidas de insercin con el hierro (austenita= Fe - C). La estructura cristalina ser CCF.

En forma de carburo de hierro(Fe3C= cementita). La cementita tiene un 6,67% en peso de carbono(la mayor proporcin de carbono que puede solubilizarse con el hierro), y es un compuesto de insercin. La estructura cristalina que se forma es del tipo ortorrmbica con 12 tomos de hierro y 4 tomos de carbono por celda.

Cementita

Austenita

Ferrita

A concentraciones superiores a 6,67 % de carbn se forman lminas de grafito, junto con la cementita.

Aleaciones de hierro - carbono

Los aceros son aleaciones Fe-C, donde el carbono est en proporciones del 0,03 2,11%. Son forjables.Las fundiciones son aleaciones Fe-C, donde el carbono est en proporciones del 2,116,67%. Son no forjables, pero si son moldeables.

El 6,67% C es la mxima proporcin de carbono que se puede disolver. Al compuesto con este porcentaje 6,67% C, se le llama cementita.(Fe3C)

Estructuras de las aleaciones

Se distinguen tres tipos de estructuras: Estructura cristalina.- no es uniforme, vara segn los constituyentes de la aleacin.

Estructura microgrfica.- el elemento fundamental es el grano, por lo que es necesario controlar su formacin y desarrollo en los tratamientos trmicos. Cuanto mayor sea el grano, peores son las propiedades de los aceros, excepto la capacidad para trabajarlo en mquinas.

Estructura macrogrfica.- depende de las impurezas que contenga la aleacin.

Constituyentes de la aleacin de hierro carbono I

Ferrita():prcticamente Fe , tiene muy poca solubilidad ya que apenas disuelve carbono (mxima solubilidad es 0,02 % C a 723C). Cristaliza en la red CCB. Es el ms blando y dctil constituyente de los aceros. Es magntico. Se emplea en la fabricacin de imanes permanentes, en ncleos de inductancias y transformadores.

Cementita: Fe3C, tiene un 6;67% de carbono. La estructura cristalina es muy compleja, es del tipo ortorrmbica con 12 tomos de hierro y 4 tomos de carbono por celda. Es el ms duro y frgil constituyente de los aceros. Tiene muy poca resiliencia y no es posible utilizarla para operaciones de laminado o forja Es magntico hasta los 210C.La cementita se llama primaria cuando se forma desde la fase lquida y secundaria si procede de austenita durante el enfriamiento lento. Y terciaria si se desprende de la ferrita al enfriarse por debajo de 910C.

Constituyentes de la aleacin de hierro carbono II

Perlita: + Fe3C, es la mezcla eutectoide de ferrita y cementita (86,5% de ferrita y 13,5% de cementita). Tiene propiedades intermedias.A 723C la solucin slida austenita origina en el enfriamiento dos nuevas fases slidas (a esto se le llama reaccin eutectoide). Austenita Ferrita + cementita Fe3C 86,5% 13,5% Perlita

Austenita (): solucin slida de insercin de carbono en Fe , con un mximo porcentaje de carbono de 2,11%. Cristaliza en la red CCF Se forma con temperaturas superiores a 723C. Es blando, ductil, resistente, tenaz, no magntico y muy denso.La austenita no es estable a temperatura ambiente. Es blanda y dctil y, en general, la mayora de las operaciones de forja y laminado de aceros se efecta a aproximadamente los 1100 C, cuando la fase austentica es estable.

Constituyentes de la aleacin de hierro carbono III

Ledeburita: + Fe3C, es la mezcla eutectica de austenita y cementita (52% de austenita y 48% de cementita). Se da con un porcentaje de carbono del 4,3 %. Es un constituyente de las fundiciones. A 1130 C la aleacin lquida, solidifica formando un slido con dos fases (reaccin eutctica)Lquido Austenita + cementita Fe3C 48 % 52%ledeburita

Es estable hasta los 723C, descomponindose a partir de esta temperatura en ferrita y cementita.

Martensita: Se obtiene por enfriamiento rpido de la austenita. A velocidades de enfriamiento bajas o moderadas, los tomos de C pueden difundirse hacia afuera de la estructura austentica. De este modo, los tomos de Fe se mueven ligeramente y se da una transformacin de Fe en Fe . Es una solucin slida sobresaturada de carbono en Fe .Es el constituyente principal de los aceros templados. Tras la cementita, es el constituyente ms duro de los aceros. La martensita se presenta en forma de agujas y cristaliza en la red tetragonal.

Diagrama del acero I

El acero

Clasificacin del acero

Por la cantidad de carbonoAceros hipoeutectoides : del 0,03 0,89 %.C

Aceros eutectoides: 0,89 %.C

Aceros hipereutectoides: del 0,89 2,1 %.C

Aceros aleados: Llevan adems de carbono otros elementos que modifican sus propiedades.Aceros inoxidables: Cr, Ni.

Acero galvanizado: Zn

Aceros de corte (muy duros): Wf

Aceros de alta dureza: Mo, Cr, Co

Aceros resistentes a la fatiga: Vanadio

Las fundiciones

Son aleaciones frricas con un porcentaje de C mayor del 2,11%.

No son forjables. Funden a temperatura inferior a los aceros por lo que se moldean con facilidad.

No son dctiles, no maleables, sueldan con dificultad.

Menor densidad = 7,2 7,68 g/cm3 (acero 7,85 g/cm3)

Tienen tendencia a la formacin del grafito (carbono libre formando lminas o ndulos)

Clasificacin de las fundiciones

En funcin del porcentaje de C:Fundicioneshipoeutctica: del 2,11 4,3 %.C

Fundiciones eutcticas: 4,3 %.C

Fundiciones hipereutcticadel 4,3 6,67 %.C

En funcin de su constitucinFundicin gris

Fundicin esferoidal

Funcin blanca

Fundicin gris: 2,5 4 % C . El grafito aparece en forma de escamas o lminas dentro de la ferrita o perlita. Son frgiles y poco resistentes a la traccin, pero resistentes a compresin. Amortiguan muy bien las vibraciones. Alta resistencia al desgaste. Se utiliza en bloque de motores, tambores de freno, cilindros y pistones de motores.

Fundicin esferoidal: Son fundiciones grises adicionando en estado lquido pequeas cantidades de magnesio y/o cesio. El grafito aparece de forma esferoidal. Son ms resistentes y dctiles que las grises. Tienen propiedades mecnicas similares al acero. Se suele utilizar para la fabricacin de vlvulas y engranajes de alta resistencia, cigeales y pistones

Fundicin blanca y maleable: Se parte de fundiciones bajas en C y con un porcentaje menor del 1% de Si, se aumenta la velocidad de enfriamiento. Se logra que la mayora del carbono est como cementita y no como grafito. Muy dura y muy frgil. Muy resistente al desgaste. Aplicaciones: engranajes, cajas de diferencial.