1 DISOLUCIONES SÓLIDAS. ALEACIONES Constitución de las aleaciones. Los metales puros tienen poca utilidad en la industria por no cumplir una serie de especificaciones técnicas. Para conseguirlas se mezclan con otros metales o no metales, formando aleaciones. Aleación es todo producto que resulta de la unión de dos o más elementos químicos, uno de los cuales tiene carácter metálico. Deben de cumplir las siguientes condiciones: Que los elementos sean totalmente miscibles en estado líquido, de forma que al solidificarse forme un producto homogéneo. Que el producto resultante tenga carácter metálico. Disolvente y soluto Disolvente es el componente que entra en mayor proporción, y soluto el que lo hace en menor proporción. Cuando los elementos solubles no poseen la misma red cristalina, se considera disolvente al elemento que conserva la red. mS = masa de soluto La concentración porcentual será: mD = masa de disolvente
2 Tipos de disoluciones sólidas. Deformaciones en la red cristalina Solución por sustitución: Los átomos de disolvente y soluto tienen estructura cristalina similar y ambos forman parte del edificio cristalino al reemplazase átomos de disolvente por átomos de soluto. Solución por inserción: Se presenta cuando los átomos de soluto son muy pequeños comparados con los átomos del disolvente, y se colocan en el interior, en los intersticios, de la red cristalina del disolvente.
3 CRISTALIZACIÓN DE LOS METALES PUROS Y DE LAS ALEACIONES Solidificación La cristalización tiene lugar mediante un proceso de solidificación. En los metales puros ésta se hace a temperatura constante, aunque en determinadas condiciones la masa líquida debe permanecer a una temperatura inferior a la de fusión (fenómeno de subfusión). En los metales con solución de otros elementos , en general , la temperatura no permanece constante en el proceso de solidificación. Curvas de enfriamiento: a) metales puros b) subfusión c) aleaciones
4 Energía necesaria para llevar a un metal al estado líquido Vamos a calcular sin tener en cuenta las pérdidas, la energía precisa para su fusión desde la temperatura de 25º C. Dada por: Q = m c ?t Q = energía que se debe aportar para elevar la temperatura hasta la de fusión. m = masa del metal a fundir c = calor específico del metal a fundir ?t = variación de temperatura hasta alcanzar la fusión La energía para el cambio de estado, dada por: Q = m C Q = energía para el cambio de estado C = calor latente de fusión
5 Etapas de solidificación. En la solidificación de un metal o aleación se dan las siguientes etapas. Nucleación o formación de núcleos estables en la masa fundida. Cristalización o crecimiento del núcleo en las tres direcciones del espacio, en las denominadas dentritas para dar origen a cristales. Formación del grano. Los cristales anteriores van dando a su vez origen a una estructura granular. Interesa que el tamaño de estos granos sea pequeño ya que se obtienen mejores propiedades mecánicas.
6 REGLA DE LAS FASES DE GIBBS Cada una de las sustancias o elementos químicos que forman un sistema material se denomina componente. Ejemplo, en el acero el acero el hierro y el carbono. A cada una de las partes homogéneas de un sistema que se diferencia físicamente del resto, se la llama fase. Ejemplo, en el agua: sólida (hielo), líquida y gaseosa (vapor). Las fases no tienen que estar formadas por elementos químicos puros. El número de variables que podemos modificar libremente (temperatura, presión, concentración, etc.), recibe el nombre de grados de libertad. Gibbs obtuvo la ecuación que permite calcular el número de fases que pueden coexistir en equilibrio dentro de un sistema material, regla de las fases, se expresa como: F + N = C + 2 F = Número de fases que pueden coexistir. N = Variables de estado o grados de libertad. C = Número de componentes de un sistema material.
7 Ejemplo de aplicación al diagrama de fases regulada por las variables presión-temperatura del agua pura. En el punto triple. Coexisten tres fases en equilibrio: sólido líquido y vapor. El número de componentes es uno, el agua. El número de grados de libertad será: F+N = C+2 ; 3+N = 1+2 ; N = 0 Consecuencia: ninguna de las variables (P-T) se puede modificar, punto invariable. En el punto A, de la curva sólido-líquido, coexisten dos estados, tendremos: 2+N = 1+2 ; de donde N = 1. Consecuencia: una variable (P,T) puede cambiar manteniendo un sistema donde coexisten dos fases. A una presión determinada, solo existe una temperatura en la que las dos fases sólido líquido coexisten. En un punto cualquiera B, dentro de una fase única, se tiene que el número de fases es uno y aplicando la regla, será: 1+N = 1+2 ; de donde N = 2. Consecuencia: se pueden modificar dos variables (P y T), y el sistema permanecerá en una única fase.
8 DIAGRAMA DE EQUILIBRIO DE FASES. REGLA DE LA PALANCA La utilidad de los diagramas de fases consiste en la posibilidad de predecir las transformaciones y las microestructuras resultantes de los cambios de fase, que pueden estar o no en equilibrio. Los diagramas de equilibrio de fases representan la relación entre la estructura de composición y el número de fases presentes en el equilibrio, así como las transformaciones que se producen desde el estado líquido hasta la temperatura ambiente. La temperatura la presión y la composición son las variables principales. Como la presión suele ser la atmosférica, solo quedan temperatura y composición. A las diferentes fases se las denomina con letras griegas (excepto al material fundido que simplemente se le llama líquido). Con el uso de estos diagramas se puede determinar la composición o porcentaje de cada fase para una concentración y temperatura determinadas de los materiales que entran en la aleación.
9 La figura representa una aleación binaria. A la izquierda un elemento A y a la derecha un elemento B. Para una concentración del 40% de B, la fase a se va convirtiendo en la ß, pero que hasta que eso sucede pueden convivir las dos fases en el seno de la aleación. Estudiamos los puntos: P1. El 100% de la aleación se encuentra en fase a.. P2. A partir de aquí empieza la fase ß. P3. En el conviven las fases a y ß. Para averiguar el porcentaje de cada una se aplica la regla de la palanca. En T3, se traza un segmento horizontal (isoterma) que corta en los puntos Ca y Cß. A cada punto le corresponde una concentración, en el ejemplo de: 60% y 25% de B en la aleación.
10 Las fracciones de las fases se calculan según las expresiones: La fase a tiene un 42,86% en la aleación en las condiciones del punto P3, con una concentración del 40% de B a la temperatura T3. La fase ß tiene un 57,14% en la aleación en las condiciones del punto P3, con una concentración del 40% de B a la temperatura T3. P4. Desaparece la fase a y comienza la fase ß. P5. El 100% está en la fase ß.
11 DIAGRAMAS ISOMORFOS BINARIOS. SOLUBILIDAD TOTAL EN ESTADO LÍQUIDO Y SÓLIDO En una aleación, al enfriar el líquido se va formando sólido. Antes de que todo esté solidificado coexistirán las fases líquida y sólida. El diagrama de fases se obtiene estudiando el enfriamiento de diferentes concentraciones de aleación. Consideramos una aleación binaria de componentes A y B que son totalmente solubles en estado líquido y sólido (sistema isomorfo, solo hay una única fase sólida). Para el diagrama de enfriamiento: Se toma un número de aleaciones con distintos porcentajes A y B. Se funden y se dejan enfriar lentamente; se toman los datos tiempo temperatura. Los puntos (1) de cada curva representan el comienzo de la Formación de cristales, los puntos (2) representan la formación del último cristal.
12 Se trasladan éstos puntos a una gráfica temperatura- concentración, colocándolos en la perpendicular correspondiente de isoconcentración (puntos de igual concentración) Se unen con una línea todos los puntos (1), y de la misma forma todos los puntos (2), obteniéndose el diagrama de equilibrio de la aleación A-B. La línea que une los puntos (1) se denomina línea de líquidos. La línea que une todos los puntos (2) representa la línea de sólidos.
13 La línea de sólidos y líquidos divide el diagrama en tres zonas. En cada punto de una determinada zona, cada fase está perfectamente definida. En la zona correspondiente entre las líneas de sólido y líquido, hay dos fases sólida y líquida. Si analizamos lo que sucede en una aleación de 70% de A y 30% de B. Se traza una perpendicular a-e por la concentración A-B 70-30. Por debajo de bS todo está en la fase sólida, por encima de dL todo se encuentra en la fase líquida. Entre bS y dL, a medida que aumenta la temperatura, va aumentando la fase líquida y disminuye la sólida Las concentraciones de cada fase en el punto c son las que determinan el trazado de la recta de reparto, al cortar las líneas de sólido y líquido respectivamente: CL representa la concentración de líquido, que es el 42% de A y 58% de B. CS la concentración de sólido, del 80% de A y del 20% de B.
14 La cantidad relativa de cada fase (WL y WS) se calcula aplicando la ley de la palanca: Para otro punto cualquiera n de la misma aleación, también se obtendrá de la misma manera: la fase líquida nL = 40% de B y 60% de A, y para la fase sólida nS =10% de B y 90% de A. Luego se calculan las cantidades relativas: Se puede comprobar que también se cumple para los puntos bS y dL.
15 DIAGRAMAS DE EQUILIBRIO DE ALEACIONES TOTALMENTE SOLUBLES EN ESTADO LÍQUIDO E INSOLUBLES EN ESTADO SÓLIDO Se toma un número determinado de aleaciones con diferentes porcentajes de sus componentes A-B. Se representan sus curvas de enfriamiento en un diagrama de temperatura-tiempo. Las curvas I y VI corresponden a los elementos puros. En ellas la temperatura permanece constante mientras dura la solidificación. Viendo el diagrama se deduce que en todas las aleaciones A-B sea cual sea su concentración solidifican a la misma temperatura.
16 Llevando estos datos a un diagrama de temperatura concentración y uniendo los puntos de características iguales resulta el diagrama de equilibrio de la figura. Por encima de los puntos (1) todas las aleaciones están en estado líquido. Por debajo de los puntos (3) las aleaciones son totalmente sólidas. Se pude saber los puntos de fusión y solidificación de cualquier aleación y determinar la composición de una aleación para que funda a una temperatura fija. También nos permite conocer la aleación de punto de fusión más bajo llamada eutéctica, En la figura corresponde a la aleación III.
17 Cualquier punto de la zona L representa fase líquida y homogénea de concentración, y más o menos fluida, según la distancia de la línea de líquidos. En la zona L+A existen dos fases bien definidas: una de líquido y otra de cristales de la aleación A. Veamos que pasa con una aleación de menor contenido de B que la aleación eutéctica, por ejemplo, la que representa la línea a-d: En el punto a, todo el líquido es de concentración A-B 70-30, que es la de la aleación. En el punto bL comienzan a formarse los primeros núcleos cristalinos de A. La concentración de la fase líquida es de 70-30, y la correspondiente a los cristalinos, del punto bS, es A-B 100-0. En el punto n se tienen cristales de concentración nS = A-B100-0, y líquido de concentración nL = A-B 55-45. Las cantidades relativas de cada fase se obtienen aplicando la ley de la palanca:
18 En el punto d se tienen cristales de concentración dS = A-B 100-0, y el resto será líquido, cuya concentración es la del punto c; es decir, el de la aleación eutéctica dL = A-B 40-60. A partir del punto d hacía abajo, las aleaciones están formadas por los cristales de A, formados entre bL y d (cristales primarios de A), y de cristales mixtos de B+A (secundarios de A). Las concentraciones serán el 30% del total de B y el 70% de A, subdividido en 50% de A primario y 70-50=20 de A secundario. En una aleación eutéctica resulta: En un punto e, la aleación está en estado líquido; el porcentaje es el de la aleación A-B 40-60 y hasta el punto c. Al llegar al punto c comienzan a cristalizar, al mismo tiempo, cristales del componente A y del componente B, íntimamente mezclados formando cristales mixtos de composición total eutéctica.
19 3. Por debajo de c y hasta la temperatura ambiente, no hay cambio alguno. Por último una aleación con mayor contenido de B que las eutécticas: En el punto k se tiene líquido homogéneo de concentración igual a la de la aleación. En el punto d comienza la formación de fase sólida de cristales de componente B. En el punto p coexisten dos fases , la líquida y la sólida. La sólida está formada por cristales puros de B. la líquida, de aleación A-B con concentración pL = A-B 32,5-67,5. 4. Al llegar a q, la fase líquida tiene una concentración c = A-B 40-30 Las aleaciones anteriores a la eutéctica se llama hipoeutécticas, y las posteriores, hipereutécticas.
20 ALEACIONES HIERRO-CARBONO: COMPOSICIÓN, CONSTITUCIÓN Y ESTRUCTURA. El hierro puro tiene pocas aplicaciones industriales, pero formando aleaciones con el carbono y otros elementos, es el metal más empleado en la industria. Las aleaciones con contenidos de carbono entre 0,1 y 1,76 % son los aceros. Si el porcentaje de carbono sobrepasa el 1,76% tenemos las fundiciones. Constitución de las aleaciones Fe-C Ferrita: solución sólida de carbono en hierro a. Se considera a la ferrita como hierro puro. Es el más blando y dúctil constituyente de los aceros, posee propiedades magnéticas. Cementita (Fe3C): es el constituyente más duro y frágil de los aceros. Tiene propiedades magnéticas hasta los 210ºC. Perlita: formada por 85,5% de ferrita y 13,5 de cementita. Austenita: formada por una solución sólida por inserción de carbono en hierro ?. La proporción de carbono disuelto varía de 0 al 1,76%. Es el constituyente más denso de los aceros. No es magnética. Martensita: es una solución sólida sobresaturada de carbono en hierro a. Se obtiene por enfriamiento rápido de la austenita de los aceros, después de haber sido calentada para conseguir una constitución austenítica. Presenta propiedades magnéticas.
21 Troostita: constituyente intermedio de la martensita y sorbita. Se produce mediante una transformación isotérmica de la auastenita entre las temperaturas de 500 y 600º C. Sorbita: se produce también por transformación isotérmica de la auastenita entre las temperaturas de 600 y 650º C. Bainita: también se produce también por transformación isotérmica de la auastenita entre las temperaturas de 250 y 550º C. Estructura de las aleaciones Fe-C Estructura cristalina: no es uniforme, varía con los constituyentes de la aleación, y éstos cambian con la composición y la temperatura. Estructura micrográfica: el elemento fundamental de ésta estructura es el grano. Las propiedades de los aceros son en general peores cuanto mayor es el tamaño del grano, a excepción de la capacidad de trabajarlo con máquinas que se ve aumentada con el tamaño del grano. Estructura macrográfica: depende de las impurezas que contenga el acero y de la forja a que puede ser sometido.
22 ANÁLISIS DEL DIAGRAMA Fe-C La línea ACD es la línea de liquidus a partir de la cual empiezan a solidificar las aleaciones. La línea AECF es la línea de solidus indica las temperaturas pertenecientes al final de la solidificación. En el diagrama se pueden destacar los puntos: Punto A es la temperatura de solidificación del hierro en estado puro. Punto C representa la aleación eutéctica 4,3% de carbono, compuesta por austenita y cementita formando la ledeburita.
23 El punto E es el de máxima solubilidad del carbono en hierro ?, que corresponde al 1,76%. El punto D está en el límite del diagrama 6,67% de carbono (cementita pura). En el punto 5 (eutectoide), la austenita se transforma en perlita con un 0,89% de carbono. Estudiamos el proceso de solidificación de seis aleaciones con porcentajes de carbono de: 0,5; 0,89; 1,2; 3,2; 4,3 y 5,4%. Aleación I (0,5% de C). Por encima de 1 existe solamente la fase líquida. Comienza la formación de austenita hasta que en 2 solidifica totalmente. En el punto 3 el hierro ? se transforma totalmente en ferrita o hierro a. Durante la transformación anterior, la austenita residual se enriquece en carbono hasta que en el punto 4, con una proporción del 0,89% de C se convierte en perlita. Aleación II (0,89% de C). Comportamiento idéntico al anterior, salvo que no existe el punto 3, porque toda la austenita se transforma bruscamente en perlita. Es la llamada eutectoide. Aleación III (1,2% de C). En el punto 5 comienzan a separarse cristales de cementita, hasta que en el punto 6 a 723º C con porcentaje de 0,89% de C se transforma en perlita. Aleación IV (3,2% de C). En el punto 7 comienza la solidificación y se forma austenita. Todo se transforma en ledebu-rita en el punto 8. En el punto 9 se convierte en perlita.
24 Aleación V (4,3% de C). Idéntica a la anterior, aunque en el punto C presenta un paso brusco de solidificación en ledeburita (aleación eutéctica). Aleación VI (5,4% de C). En el punto 10 empiezan a formarse cristales de cementita hasta que a 1130º C solidifica en ledeburita con un porcentaje de carbono de 4,3%. ALEACIONES FÉRRICAS Son muy versátiles ya que se pueden modificar hasta conseguir determinadas propiedades físico-químicas y mecánicas. Su principal inconveniente es su facilidad de corrosión. Se clasifican en función del porcentaje de carbono. Acero. Aleación de Fe-C forjable, cuya proporción de carbono está comprendida entre 0,10 y 1,76 %. Fundición. Aleación de Fe-C no forjable, cuya proporción de carbono está comprendida entre 1,76 y 5%. Hierro. Metal puro, o con una proporción de carbón inferior al 0,03%. Se puede obtener por procedimientos electrolíticos pero tiene pocas aplicaciones industriales.
25 CLASIFICACIÓN DE LOS ACEROS En función del procedimiento de fabricación En función del porcentaje de carbono Aceros hipoeutectoides. En ellos, el porcentaje de carbono es inferior al punto eutectoide. Aceros eutectoides. En ellos, el porcentaje de carbono es igual al punto eutectoide. Aceros hipereutectoides. En ellos, el porcentaje de carbono es superior al punto eutectoide. El punto eutectoide para los aceros para los aceros al carbono corresponde a un 0,89% de carbono.
26 En función de su constitución interna. Aceros perlíticos. Constituidos después del enfriamiento por perlita y ferrita o perlita y cementita, dependiendo de si el porcentaje de carbono es menor o mayor al eutectoide. Son los aceros normales, los aceros al carbono y los aceros de baja y media aleación. Aceros martensíticos. Formados en su mayor parte por martensita. En realidad son aceros perlíticos, cuya velocidad de temple es muy lenta, y son templados después del enfriamiento al aire. Aceros austeníticos. Costituidos por auastenita a la temperatura ambiente. No son atraidos por un imán. Aceros ferríticos. Formados por ferrita acualquier temperatura. No se pueden templar. Pertenecen a este punto los aceros de bajo contenido en carbono. Aceros con carburo. Contienen un porcentaje de carburos de elementos de aleación muy superiores al que se considera como normal en los aceros al carbono.
27 En función de su composición Podemos hablar de aceros al carbono y aceros aleados.
28 FUNDICIONES Son aleaciones férricas con un porcentaje de carbono superior al 2,1%. En la práctica contienen entre el 3 y el 4,5% de carbono. Funden a temperaturas inferiores a los aceros entre 1150 y 1300º C. Se moldean con facilidad. En la mayoría de las fundiciones el carbono aparece en forma de grafito. Fundición gris El carbono varía entre el 2,5 y el 4%. Generalmente el grafito aparece en forma de escamas o láminas. Son frágiles y poco resistentes a la tracción. La resistencia y la ductilidad a los esfuerzos de compresión son muy elevados. Tienen alta resistencia al desgaste. Son muy fáciles de moldear por su gran fluidez. Son uno de los materiales férricos mas baratos. Fundición esferiodal Se forma con pequeñas adicciones de magnesio y/o cesio a la fundición gris, que modifican su microestructura. El grafito se presenta en forma esferoidal. Son mas resistentes y dúctiles que las grises, y tienen propiedades mecánicas similares a las del acero.
29 Fundición blanca y maleable Partiendo de fundiciones bajas en carbono, que contengan menos de 1% de silicio, y aumentando considerablemente la velocidad de enfriamiento, la mayoría del carbono se convierte en cementita en lugar de grafito, obteniéndose la fundición blanca. La fundición blanca es extremadamente dura y frágil, hastta el punto de no poderse mecanizar. Su aplicación se limita a componentes de gran dureza y resistencia al desgaste y sin ductilidad, como los cilindros de laminación. Calentando la fundición blanca hasta temperaturas entre 800 y 900º C durante largo tiempo y en la atmósfera inerte, la cementita se descompone y forma grafito en forma de racimos o rosetas. La microestructura es similar a la de la fundición esferidal por lo que presenta una resistencia relativamente alta y apreciable ductilidad o maleabilidad.