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OBJETIVOS

Conocer e interpretar el rol que cumplen tanto la estructura

cristalina del acero como sus constituyentes de aleación

en el hierro carbono en las propiedades de los materiales.

Comprender el concepto de metalografía.

Comprender los requerimientos para el desarrollo de la

práctica de metalografía.

Entender e interpretar las curvas características en el

diagrama TTT.

Conocer, interpretar y analizar el diagrama hierro carbono

La materia está constituido por elementos químicos Sin orden:

Los átomos y moléculas carecen de una arreglo ordenado, por ejemplo los gases

se distribuyen aleatoriamente en el espacio donde se confina el gas.

Los átomo monoatómicos inertes no tienen ordenamiento regular de átomos

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Ordenamiento particular (corto alcance): El arreglo se restringe solamente a átomos circunvecinos (agua, cerámicos,

polímeros).

Algunos materiales, que incluyen vapor de agua, nitrógeno gaseoso, silicio

amorfo y vidrios de silicato tienen orden de corto alcance

Ordenamiento general (largo alcance):El arreglo se distribuye por todo el material. El arreglo difiere de un material a

otro en forma y dimensión, dependiendo del tamaño de los átomos y de los tipos

de enlace de estos.

Metales, aleaciones, muchos cerámicos y algunos polímeros tienen

ordenamiento regular de átomos o iones

Dentro de los sólidos se puede hacer una

clasificación entre sólido amorfo y sólido

cristalino.

el estado amorfo

Consiste de átomos

dispuestos según un orden

geométrico regular

Los átomos se encuentran

mezclados en una manera

completamente desordenada

La estructura cristalina

El estado Sólido

Por constituir una ordenación atómica no

manifiesta un idéntico comportamiento ante

agentes externos en cualquier de las direcciones de

los cristales

ANISITROPIA

Presentará idénticas propiedades

en cualquier dirección

ISOTROPIA

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Sus partículas presentan atracciones lo suficientemente fuertes para impedir

que la sustancia fluya, obteniendo un sólido rígido y con cierta dureza.

No presentan arreglo interno ordenado sino que sus partículas se agregan al

azar.

Al romperse se obtienen formas irregulares.

Se ablandan dentro de un amplio rango de temperatura y luego funden o se

descomponen. Ejemplos: Asfalto, Parafina, Ceras, Vidrios, algunos polímeros,

algunos cerámicos.

AMORFA

a) Orden de largo alcance en sílice cristalino

b) Vidrio de sílice sin orden de largo alcance

c) Estructura amorfa en los polímeros

AMORFA

Los materiales amorfos son caracterizados por

el orden de corto alcance.

Así por ejemplo, los vidrios, principalmente

formados por cerámicos y poliméricos, son

materiales amorfos.

Algunos geles poliméricos también pueden

considerarse amorfas.

La mezcla inusual de sus propiedades arroja

átomos irregularmente repetidos en su

composición.

CRISTALINA

Presentan un arreglo interno ordenado, basado en

minúsculos cristales individuales cada uno con una

forma geométrica determinada.

Los cristales se obtienen como consecuencia de la

repetición ordenada y constante de las unidades

estructurales (átomos, moléculas, iones).

Al romperse se obtienen caras y planos bien

definidos.

Presentan puntos de fusión definidos, al calentarlos

suficientemente el cambio de fase ocurre de una

manera abrupta. Ejemplos: NaCl, Sacarosa, Sales en

general, Metales, Algunos polímeros, Algunos

cerámicos .

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Los metales poseen una distribución organizada de sus átomos.

Su ESTRUCTURA CRISTALINA se caracteriza por un apilamiento simétrico de

los átomos en el espacio. Este apilamiento se denomina RED CRISTALINA y es

propio de cada elemento.

El elemento mas pequeño representativo de la simetría de la red es la CELDA

UNITARIA

Ordenamiento espacial de átomos y

moléculas que se repite sistemáticamente

hasta formar un Cristal

RED CRISTALINA

Celda Unitaria

Red Espacial• Celda Unitaria es un bloque

de átomos el cual se repite así

mismo para formar la red espacial.

Las propiedades de los sólidos depende de la estructura

cristalina y de las fuerzas de enlace.

Está formado por la repetición de ocho

átomos.

El cristal se puede representar mediante

puntos en los centros de esos átomos.

Las agrupaciones de cristales, dentro de los cuales hay un orden se llama GRANO

y al sólido se le llama POLICRISTALINO

La dimensión de los granos es del orden de 0.02 a 0.2 mm. Su observación a

través del microscopio define su ESTRUCTURA MICROGRAFICA

Frontera o borde de grano

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Aleación: Sustancia metálica compuesta de dos o más elementos.

Cristal: Sólido con estructura atómica que posee simetría translacional operiodicidad en tres dimensiones.

Estructura cristalina: El ordenamiento de los átomos en un monocristal.

Vidrio: Un sólido formado mediante el enfriamiento rápido de un líquido paraevitar la cristalización. El ordenamiento de los átomos en un vidrio carece deperiodicidad

Grano: Cada uno de los monocristales que componen un material policristalino.

Frontera de grano: la intercara que separa dos granos adyacentes en unpolicristal, que poseen diferente orientación cristalográfica.

Microestructura: la estructura interna de un material (defectos, fronteras degrano, fases,…)

Dependiendo de la posición delos átomos no situados en losvértices, se puede dar lugar avarias redes cristalinas:

Sencilla o cúbica simple.

Centradas en el cuerpo.

Centradas en la cara.

Centradas en la base.

Con las distintas combinacionesse crean las redes de Bravais:

Mayormente los metales cristalizan en tres redes

cristalinas:

RED CUBICA CENTRADA EN EL CUERPO (Body Centered Cubic Unit cell) BCC

Cromo, Tungsteno, Hierro (alfa), Hierro (beta), Molibdeno, Vanadio, Sodio

RED CUBICA CENTRADA EN LAS CARAS (Fase Centered Cubic Unit cell) FCC

Aluminio, Cobre, Plomo, Plata, Niquel, Oro, platino, Hierro (gamma)

RED HEXAGONAL COMPACTA (Hexagonal Closed Packed) HCP

Magnesio, Berilio , Zinc y Cadmio

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La forma de los cristales dependerá de varios factores:

1. La naturaleza del metal

2. Los tratamientos térmicos a los que se someta el

metal

3. La forma en la que se realicen estos últimos

ESTRUCTURA CRISTALINA

Estructura de red cúbica centrada (BCC)

Estructura cristalina cúbica centrada

en la caras (FCC)

Estructura de red hexagonal compacta

(HCP)

ESTRUCTURA CRISTALINA DEL HIERRO Polimorfismo y Alotropía

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Polimorfismo y AlotropíaExisten elementos y compuestos que pueden presentar distintas estructuras cristalinas dependiendo de varios factores como la presión y la temperatura.

• Isomorfismo: se llaman isomorfas las sustancias que teniendo el mismo sistema de cristalización, son de distinta naturaleza

• Polimorfismo: se llaman polimorfas las sustancias que teniendo la misma naturaleza, cristalizan de forma distinta

• Alotropía: cuando las sustancias polimorfas son puras , el fenómeno se llama alotropía y los estados que toman en diferente red espacial se denominan estados alotrópicos

El diamante y el grafito son dos alótropos del carbono: formas puras del mismo

elemento, pero que difieren en estructura.

La ferrita o hierro α, el hierro ß, el hierro γ o austenita y el hierro δ son estados

alotrópicos del hierro.

Polimorfismo y Alotropía

-2730C 9120C 13940C 15390C

Hierro α

BCC

Hierro γ

FCCHierro δ

BCC

Hierro

Liquido

Estructura micrográfica

• El elemento más importante es el grano y puede observarse en el microscopio metalográfico después de una adecuada preparación.

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Micrografías de diferentes materialesFormación del grano

La formación del grano va adepender de dos factores: Elnumero de gérmenes por unidad devolumen del liquido y la velocidadde cristalización a partir de cadagermen. Variará el tamaño y laforma del grano en función de estosfactores

Importancia del tamaño del granoLas propiedades de los metales varían de manera considerable en función deltamaño del grano. Propiedades como, por ejemplo, dureza, elasticidad,plasticidad, resistencia a la tracción y al choque. Tanto menor es el tamaño delgrano, mejores son las propiedades de éste.

El conocimiento de las aleaciones requiere el empleo de representaciones gráficas que registren las diferentes micro

estructuras presentes a cualquier temperatura y composición.

Estas representaciones son los diagramas de fases

Una fase es una parte de la micro estructura de una material que se caracteriza por tener la misma estructura y composición química

Toda la fase tiene el mismo ordenamiento atómico

Tiene igual composición química.

Por las características descritas en el punto 1 y 2 se deduce que tienen

las mismas propiedades.

Siempre existe una interfase que separa a dos fases distintas.

• El desarrollo de nuevas aleaciones para aplicacionesespecíficas.

• Diseño y control de procedimientos de tratamientostérmicos para aleaciones específicas que produzcanrequerimientos mecánicos y propiedades físicas yquímicas.

• Para resolver problemas metalúrgicos de aleaciones demala performance en aplicaciones comerciales.

• Para el control de estructuras formadas en el cordón desoldadura y la ZAC.

Los diagramas de fase son útiles para:

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Conceptos fundamentales

Antes de interpretar o utilizar los diagramas de fase es

necesario establecer un conjunto de definiciones

relacionados a las aleaciones, las fases y el equilibrio.

¿ Que es una fase ?

• La materia mayormente existe en estado gaseoso,líquido y sólido (normalmente llamado una fase),dependiendo de las condiciones de estado comocomposiciones, temperatura, presión, campomagnético, campo electrostático, campo gravitatorio,etc.

• El término " fase" se refiere a esa región de espacioocupada por un material físicamente homogéneo.

• Se dice que el equilibrio existe en cualquier sistemacuando las fases del mismo no conducen a ningúncambio en las propiedades con el paso del tiempo ypermite que las fases tengan las mismas propiedadescuando se tienen las mismas condiciones con respecto alas variantes que se han alcanzado por procedimientosdiferentes.

Equilibrio mecánico

(a) Estable. (b) Metastable. (c) Inestable.

Equilibrio de fase

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Constitución de un diagrama de fase

• Las regiones rojas indican donde el material es líquido.

• Las regiones azules indican donde el material es sólido.

• Las regiones verdes indican donde las fases sólidas y líquidas están en el equilibrio.

• Quitando el eje de tiempo de las curvas y reemplazándolo con la composición, las curvas refrescantes indican las temperaturas del solidusy liquidus para una composición dada.

• Esto permite trazar el solidus y liquidusproducir el diagrama de la fase:

Curvas de enfriamiento

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REGLA DE LA PALANCA

• La regla de la palanca puede explicarse considerando un equilibrio simple. La composición de la aleación se representa por la base, y las composiciones de las dos fases por los extremos de la barra. Las proporciones de las fases presentes son determinadas por los pesos necesarios para equilibrar el sistema.

% Fase 1 = (C2 - C) / (C2 - C1)

% Fase 2 = (C - C1) / (C2 - C1)

REGLA DE LA PALANCA

Interpretación de un diagrama de fase

• Un diagrama de fase es un mapa de temperatura - composición que indica las fases presentes a una temperatura y composición dada.

• Esto se determina experimentalmente registrando las velocidades de enfriamiento en un rango de composiciones.

Tipos de diagramas de fase

• Tipo I: aleaciones totalmente solubles en estado sólido y líquido

• Tipo II: aleaciones totalmente solubles en estado líquido e insolubles en estado sólido

• Tipo III: aleaciones totalmente solubles en estado líquido y parcialmente solubles en estado sólido

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Tipo I: Aleaciones totalmente solubles en estado sólido y líquido

SISTEMAS ISOMORFICOS BINARIOS

• Los átomos de losconstituyentes deben ser detamaño similar.

• Los metales deben tener lamisma estructura cristalina.

• Los metales deben teneridéntica valencia y similarelectronegatividad.

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Para cada punto A, B y C determina el numero de fases la composición

y la proporción relativa de cada fase

EJERCICIO 1

PUNTO A

Fase : 1 fase (L)

Composición :

30% de Ni

70% de Cu

Proporción:

% L = 100 %

PUNTO B

Fase : 2 fase (L y S)

Composición :

Proporción:

LC

SC

30% Ni , 70 % Cu

40% Ni , 60 % Cu

LC

SC % .100%

40 35% 100% 50%

40 30

% 50%

s B

s L

C CL

C C

L x

S

EJERCICIO 2

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PUNTO B

Fase : 2 fase (L y S)

Composición :

Proporción:

LC

SC

20% Sb , 80 % Bi

65% sb , 35 % Bi

% .100%

65 45% 100% 44.4%

65 20

% 55.6%

s B

s L

C CL

C C

L x

S

EJERCICIO 3

Tipo II: Aleaciones totalmente solubles en estado líquido e insolubles en estado sólido

• Punto eutéctico: Es elpunto correspondiente a laaleación de punto de fusiónmás bajo. A esta aleaciónse le da el nombre deeutéctica y la reacción quetiene lugar en ella es lareacción eutéctica. Estaaleación se comporta comoun metal puro en cuanto aque funde a temperaturaconstante

EJERCICIO

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El Diagrama de Equilibrio del Sistema Fe-C

TRANSFORMACIONES MÁS RELEVANTES EN

EL DIAGRAMA HIERRO CARBONO

TRANSFORMACIÓN PERITÉCTICA

(1495 )..... (0.53% ) . . (0.09% ) . . (0.17% )o

pAT C L C s s C s s C

TRANSFORMACIÓN EUTECTICA

3(1129 )..... (4.3% ) . . (2.11% )o

pAT C L C s s C Fe C

TRANSFORMACIÓN EUTECTOIDE

3(723 )..... . . (0.8% ) . . (0.0218% )o

pAT C s s C s s C Fe C

TRANSFORMACIÓN PERITÉCTICA

(1495 )..... (0.53% ) . . (0.09% ) . . (0.17% )o

pAT C L C s s C s s C

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TRANSFORMACIÓN EUTECTICA

3(1129 )..... (4.3% ) . . (2.11% )o

pAT C L C s s C Fe C

TRANSFORMACIÓN EUTECTOIDE

3(723 )..... . . (0.8% ) . . (0.0218% )o

pAT C s s C s s C Fe C

MICROCONSTITUYENTES MÁS IMPORTANTES

QUE APARECEN EN EL DIAGRAMA Un acero de un 0,8% C (eutectoide) justo por encima de la temperatura eutectoide (723oC) se

encuentra 100 % en fase de austenita.

Si se enfría muy lentamente hasta temperatura eutectoide o justo por debajo de ésta, se

provocará la transformación de la estructura total de la austenita en una estructura laminar de

placas alternadas de ferrita-α y cementita (Fe3C).

Esta estructura eutectoide recibe el nombre de perlita.

La estructura perlítica se mantendrá prácticamente invariable si continua el enfriamiento hasta

la temperatura ambiente.

ACERO EUTECTOIDE

perlita eutectoide. La fase oscura es cementita y la fase blanca ferrita

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Un acero de un 0,4%C justo por encima de la temperatura de transformación se encuentra

100 % en fase de austenita. Si se enfría muy lentamente hasta la temperatura b de la figura,

se producirá la transformación de parte de la estructura de la austenita en ferrita-α (ferrita

proeutectoide), que crecerá mayoritariamente en los bordes de grano austeníticos. Conforme

se va enfriando, acercándose a la temperatura eutectoide (punto c de la figura), la cantidad

de ferrita proeutectoide formada irá aumentando hasta que transforme aproximadamente el

50% de la austenita. A 723 °C, si prevalecen las condiciones de enfriamiento muy lento, la

austenita remanente se transformará en perlita (ferrita-α + cementita). La ferrita-α de la perlita

se llama ferrita eutectoide, para distinguirla de la ferrita proeutectoide formada anteriormente

por encima de 723 °C.

ACERO HIPOEUTECTOIDE

El componente oscuro es perlita y el blanco ferrita proeutectoide.

Un acero de un 1,2%C justo por encima de la temperatura de transformación se encuentra 100

% en fase de austenita. Si se enfría muy lentamente hasta la temperatura b de la figura, se

producirá la transformación de parte de la estructura de la austenita en cementita (Fe3C)

(cementita proeutectoide), que crecerá principalmente en los bordes de grano de la austenita.

Con otro enfriamiento también lento hasta el punto c, acercándose a la temperatura eutectoide

(723 °C), se formará más cementita proeutectoide en los citados bordes. A 723 °C, o justo por

debajo, si prevalecen las condiciones de enfriamiento muy lento, la austenita remanente se

transformará en perlita según la reacción eutectoide. La cementita formada según la reacción

eutectoide se denomina cementita eutectoide, para distinguirla de la cementita proeutectoide

formada a temperaturas por encima de 723 °C. La ferrita-α de la perlita es ferrita eutectoide,

formada también mediante la reacción eutectoide.

ACERO HIPEREUTECTOIDE

La cementita proeutectoide aparece como el constituyente blanco,

alrededor de la perlita. La cementita perlítica toma la forma de láminas oscuras paralelas separadas por otras blancas de ferrita

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A medida que el contenido de

carbono de cualquier acero

hipereutectoide aumenta, el

espesor de la red de cementita

proeutectoide se incrementa.

Enfriamiento lento de un acero SAE 1020

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Regla de la palanca Regla de la palanca

Regla de la palanca

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MICROCONSTITUYENTES MÁS IMPORTANTES

QUE APARECEN EN EL DIAGRAMA

AUSTENITA

Solución sólida de con C.

La máxima solubilidad de carbono es de 2.11 % a 1129 °C.

Teniendo en cuenta que el presenta una estructura F.C.C. se

trata de un constituyente blando.

Muchos procesos de transformación basados en la deformación

plástica, aprovechan la estructura de la austenita.

( )Fe

( )Fe Su estructura es dúctil, tenaz, blanda, resistente al desgaste.

Es el constituyente principal para la mayoría de los tratamientos

térmicos.

AUSTENITA

Transformación de la austenita

El diagrama de fases Fe-C muestra dos composiciones singulares

Eutéctico

Composición para la cual el punto de fusión es mínimo que se denomina

ledeburita y contiene un 4,3% de carbono (64,5 % de cementita). La

ledeburita aparece entre los constituyentes de la aleación cuando el

contenido en carbono supera el 2% (región del diagrama no mostrada) y

es la responsable de la mala forjabilidad de la aleación marcando la

frontera entre los aceros con menos del 2% de C (forjables) y las

fundiciones con porcentajes de carbono superiores (no forjables y

fabricadas por moldeo).

De este modo se observa que por encima de la temperatura crítica A3[1]

los aceros están constituidos sólo por austenita, una solución sólida de

carbono en hierro γ y su microestructura en condiciones de enfriamiento

lento dependerá por tanto de las transformaciones que sufra ésta.

.

Eutectoide

Un eutectoide en la zona de los aceros, equivalente al eutéctico pero en

estado sólido, donde la temperatura de transformación de la austenita

es mínima. El eutectoide contiene un 0,77 %C (13,5% de cementita) y

se denomina perlita. Está constituido por capas alternas de ferrita y

cementita, siendo sus propiedades mecánicas intermedias entre las de

la ferrita y la cementita

Transformación de la austenita

.La existencia del eutectoide permite distinguir dos tipos de aleaciones de acero:

Aceros hipoeutectoides (< 0,77% C): Al enfriarse por debajo de la temperatura

crítica A3 comienza a precipitar la ferrita entre los granos (cristales) de austenita y

al alcanzar la temperatura crítica A1 la austenita restante se transforma en perlita.

Se obtiene por tanto a temperatura ambiente una estructura de cristales de perlita

embebidos en una matriz de ferrita.

Aceros hipereutectoides (>0,77% C): Al enfriarse por debajo de la temperatura

crítica se precipita el carburo de hierro resultando a temperatura ambiente

cristales de perlita embebidos en una matriz de cementita

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si el carbono que contienen no supera el 2% (en peso) y

los llamados fundiciones, si excede de ese límite.

O < C < 2% %C > 2%

ACEROS FUNDICIONES

CONSTITUCIÓN DE LAS ALEACIONES HIERRO – CARBONO CONSTITUCIÓN DE LAS ALEACIONES HIERRO – CARBONO

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CONSTITUCIÓN DE LAS ALEACIONES HIERRO – CARBONO CONSTITUCIÓN DE LAS ALEACIONES HIERRO – CARBONO

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