Apunte 6 Estructuras Polifasicas de Los Metales y Diagramas de Fases [2012] (1)

UNIVERSIDAD DEL BO BO FACULTAD DE INGENIERIA

DEPARTAMENTO DE,1*(1,(5,$ MECANICA

Apunte 6 : Estructura Polifsica en metales y Diagramas de Fases. Asignatura : Materiales. Profesor : Federico Grossmann.

Estructuras polifsicas en metales

Bajo condiciones de equilibrio Diagrama de fases

Bajo condiciones de no-equilibrio

Reacciones de precipitacin

Los metales puros y las soluciones slidas son tiles, pero las estructuras metlicas de mayor resistencia, dureza y resistencia al desgaste, estn compuestas por dos o ms fases en una dispersin bien controlada.

Esta micro estructura, generalmente no la encontramos en la pieza fundida o lingote original. Esta se forma a travs de un cuidadoso proceso controlado que involucra Trabajado en Caliente y Tratamientos Trmicos. Ejemplo: Aleacin Al 2014 % Alarg. fluencia conv 0.2 % Resistencia a la Traccin Aleacin Al 2014 Recocida 18 980 Kg/cm

2 1900 Kg/cm2 Aleacin Al 2014 fortalecida con Trat. Trmico 13 4220 Kg/cm

2 4920 Kg/cm2

UBB DIMEC Materiales 2012 2

SOLUCIONES SLIDAS

La cantidad de soluto que el solvente puede disolver es generalmente funcin de la temperatura ( a P = Cte.) y suele aumentar con el incremento de la T. Una solucin slida puede estar:

No Saturada. Saturada (Lnea Solvus) Sobresaturada.

Solucin Slida Sobresaturada

Si disuelve mas soluto del que debiera en condiciones de equilibrio, esta condicin se puede conseguir por:

Enfriamiento rpido de la solucin. Agitacin.

La condicin de sobresaturacin es inestable, si se da un tiempo suficiente o un

poco de energa, la solucin tender a estabilizarse o saturarse mediante el rechazo o la precipitacin del exceso de soluto. Precipitacin

Formacin de una nueva fase como resultado de una Sobresaturacin de la fase inicial, producida por un cambio de temperatura. Ocurre principalmente en las fronteras de grano de una solucin slida sobresaturada.

La Sobresaturacin es lo que permite endurecer las aleaciones no ferrosas (algunas). Si la lnea Solvus fuera vertical, las aleaciones no se podran endurecer. Esta transformacin involucra un cambio de Composicin Qumica (CQ).


DIAGRAMAS DE EQUILIBRIO DE FASES

1. METAL PURO

2. ALEACIONES

2.1 ALEACIONES BINARIAS

Conocida la Composicin Qumica (CQ) y la temperatura (T ) de una aleacin binaria determinada mediante diagramas, en condiciones de equilibrio, es posible predecir en cualquier punto del diagrama:

El nmero de fases presentes. La composicin qumica de las fases, y El porcentaje relativo de cada una de ellas.

Estos diagramas se emplean para una presin P = P atmosfrica = Constante.

Fases Lquidas Fases Slidas Punto Eutctico: TE CE Lneas ( Liquidus, Solidus, Solvus )

3. Diagramas

3.1 Sistema de Solubilidad Total

Aleaciones Cu - Ni Ag Au


Diagrama de fases Cu Ni

Figura Diagrama de fases Cu Ni

Cu y Ni tienen una solubilidad lquida y slida completa. Las soluciones slidas de Cu y Ni funden ms bien en un rango de T que a una T fija, como los metales puros. 3.2 Sistema de Solubilidad Parcial o Sistema Eutctico. En estas aleaciones, los metales son parcialmente solubles al estado slido en un rango de Composicin Qumica y presentan un diagrama eutctico.

Figura : Propiedades mecnicas de las aleaciones Cobre-Nquel. El cobre es endurecido con un 60 % de Ni y el nquel con un 40 % de Cu.


Cu Ag Aleaciones

as propiedades mecnicas ( Resistencia ) en estas aleaciones son mximas

para la

Figura : Modificacin en la estructura de una aleacin Cu 40 % Ni durante la

Al Si Pb Sn

L composicin qumica eutctica ( CQ = CQEutecica )

solidificacin en equilibrio. Los tomos de Nquel y de cobre deben difundir durante el enfriamiento para poder satisfacer el diagrama de fases y producir una estructura de equilibrio uniforme.


Diagrama de fases Al Si

a : (a) Diagrama de fases Aluminio-Silicio. (b) El efecto del silicio y de la

igura : de fases

Figurmodificacin sobre las propiedades de las aleaciones aluminio-silicio.

FDiagrama en equilibrio plomo-estao


Figura : Efecto de la composicin

Figura 12 : 61.9 % Sn.

qumica y el mecanismo de endurecimiento, en la resistencia a la tensin de las aleaciones plomo-estao.

Solidificacin y microestructura de la aleacin Eutctica Pb Sn , con un


Figura La curva de enfriamiento ( Temperatura Tiempo ) para una aleacin eutctica Pb Sn, 61.9 % Sn, muestra una meseta o estabilizacin trmica en la temperatura eutctica ( 183 C ), similar a la de un metal puro.

ep y

.(b) Fotomicrografa del microconstituyente

Figura : Redistribucin atmica durante el crecimiSn. Los tomos de estao del lquido se difunden los tomos de Pb se difunden a las placas del eutctico plomo-estao.

nto laminar de un eutctico Pb - referencialmente a las placas


Figura 14 : Solidificacin y microestructura de una aleacin hipoeutctica (Pb-30 % Sn). La curva de enfriamiento muestra tanto un cambio en la pendiente en el Lquidus, como una estabilizacin trmica en el eutctico.


Figura : Diagramas cobre-aluminio, parcial y total


DIAGRAMAS TERCIARIOS

CS = CaO * SiO2 C3S2 = 3CaO * 2SiO2 C2S = 2CaO * SiO2 C3S = 3CaO * SiO2 A3S2 = 3Al2O3 * 2SiO2 (mulita) C3A = 3CaO * Al2O3 C12A7 = 12CaO * 7Al2O3 CA = CaO * Al2O3 CA2 = CaO * 2Al2O3 CA6 = CaO * 6Al2O3 CAS2 = CaO * Al2O3 * 2SiO2 (anonita) C2AS = 2CaO * Al2O3 * SiO2 (gelenita)

Figura : Grfico de Lquidus para el diagrama terciario CaO-SiO2-Al2O3


Figura : Ubicaciones aproximadas de cementos tpicos, vidriados y refractarios en el diagrama de fases CaO - SiO2 - Al2O3

Figura : Ubicacin de productos de arcilla tpicos en el diagrama de fases Slice-arcilla-feldespato


CONTROL DE LAS REACCIONES DE PRECIPITACIN EN EL ESTADO SLIDO Ejemplos de este efecto:

Control de la precipitacin de la Fe3C en el acero de gran importancia. Endurecimiento por envejecimiento

Aleaciones de Al , fase CuAl2 En el acero, existen dos ciclos trmicos para endurecerlo, pero por

mecanismos diferentes. Ambos dan como resultado un refinamiento en la dispersin del Fe3C. A continuacin se muestran los dos ciclos trmicos:

1. Reaccin de Nucleacin y Crecimiento de Grano (dependiente del tiempo). 2. Cambio rpido de la estructura, en forma de Cizallamiento.

Consideremos ambas reacciones para un acero 0.8 % C

a) Formacin de Perlita Diagrama Fe - C Fe - Fe3C

Figura : Diagrama Fe C parcial. Para un 0.8 % C y sobre los 723 C se tiene un100 % de fase austentica ( = Solucin slida CCC ).


El diagrama muestra que bajo condiciones de equilibrio, al enfriar por debajo de los 723 C, la fase se transforma en dos fases:

, ferrita, hierro CC ( Dctil ) Fe3C, Carburo de Fierro o Cementita ( de alta dureza )

100 % 0.8 % C 723 C 0.03 % C + Fe3C6.67 % C Enfriamiento Perlita

En condiciones de enfriamiento lento la dispersin de plaquetas de Fe3C en es poco fina y la dureza es baja VHN 230.

Si calentamos el mismo acero a 723 C + T y luego templamos en un bao

de Pb o de sales a 540 C, la reaccin ocurrir a esta T y en un periodo de menos de 1 minuto. Con lo anterior se obtiene una dispersin ms fina y con una mayor dureza VHN 300.

En condiciones de enfriamiento rpido del acero (Temple) desde la fase

austenita () hasta la T ambiente, la fase Austenita se transforma en Martensita, obteniendose una estructura muy dura y con alto nivel de tensiones internas.

ENDURECIMIENTO POR ENVEJECIMIENTO O PRECIPITACIN

Para realizar este proceso se deben tener en consideracin tres pasos:

1. Calentar la aleacin para disolver toda o parte de la segunda fase de la matriz. 2. Templarla para retener el soluto en una solucin slida sobresaturada. 3. Dejar que la segunda fase se precipite en forma de partculas muy finas, coherentes con la matriz. El envejecimiento (endurecimiento) se lleva a cabo de dos formas:

Envejecimiento Natural (T ambiente) Envejecimiento Artificial (calentamiento entre 95 205 C)


DIAGRAMA Fe-C Figura : Diagrama Fe C , donde A3, Acm y A1 son Lneas crticas (lneas de solubilidad) y son la base de los tratamientos trmicos. REACCIONES CARACTERSTICAS Reaccin Eutctica 100 % lq. 4.3 % C 1145 C 2 % C + Fe3C6.67 % C

Ladeburita

Reaccin Eutectoide 100 % 0.8 % C 723 C 0.03 % C + Fe3C6.67 % C Perlita


CARACTERSTICAS DE LAS FASES EN UN ACERO Austenita (CCC)

Es ms densa que la ferrita Ferrita (CC 0.06 % C a T ambiente)

Es la fase mecnicamente ms dbil. 38 % de alargamiento Baja resistencia 28 Kg/mm2 Dureza 100 BHN. Importante en el aspecto Qumico. Punto de partida de los aceros Inoxidables (bajo % C)

Cementita Fe3C (estructura ortorrmbica 6.67 % C)

Mejores propiedades mecnicas. Alta dureza 64 RC. Resistencia 180 Kg/mm2. Gran fragilidad. Resiliencia 0.2 Kg-mt.

Martensita (estructura tetragonal distorsionada centrada)

Las propiedades mecnicas obtenidas despus del temple varan segn el porcentaje de carbono y los elementos de aleacin presentes en el acero.

Tiene propiedades mecnicas similares a la cementita para la composicin qumica eutectiode (0.8% C)

Acero 0.8 % C : Dureza 65 RC

Resistencia 180 Kg/mm2 Resiliencia 0.5 Kg-mt

ESTRUCTURAS Fases en los aceros. Simbologa : Ferrita : Austenita Fe3C : Cementita. +Fe3C : Perlita. : Bainita : Martensita son dctiles, blandas , (CC CCC) Alargamiento > 40 % Dureza 100 150 BHN Fe3C (Estructura ortorrmbica) Estructura frgil Alta dureza

cc ccc cc CTC

1% vol EXP 0.5 % vol


Figura : Diagrama Fe C . Desarrollo de la microestructura hipoeutectoide ( 0.6 % C ) y de la hipereutectoide ( 1.1 % C ) de los aceros durante el enfriamiento desde la fase austentica.

Figura : (a) Acero hipoeutectoide que muestra la fase ferrita primaria (blanco) y perlita. ( oscuro ). (b) Acero hipereutectoide que presenta cementita Fe3C primaria (blanco) en los lmites de grano rodeando a la perlita (oscuro).


Figura : Efecto del porcentaje carbono y del tratamiento trmico en las propiedades mecnicas del acero.

Figura : Relacin entre el porcentaje de carbono en aceros enfriados lentamente y el porcentaje de Perlita - Cementita y , la relacin entre el contenido de carbono y el esfuerzo de fluencia - resistencia a la traccin obtenida.


Figura : Diagrama de equilibrio hierro-carbono


Apunte 6 Estructuras Polifasicas de Los Metales y Diagramas de Fases [2012] (1)

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