La_Estructura_de_los_Metales_-_Dra._Nora_Lindenvald

LA ESTRUCTURA DE LOS METALESTercera Edicin

Dra. Nora LindenvaldProfesora de la Facultad de Ingeniera Universidad de Buenos Aires Experta de Naciones Unidas en Metalografa y Tratamientos Trmicos

EDITORIAL GEMINIS S.R.L. BUENOS AIRES - MCMLXXXMrdiablo

EDITORIAL GEMINIS S.R.L.BUENOS AIRES Copyright 1980, Nora Lindenvald

Reservados todos los derechos. Ninguna parte de la presente publicacin puede ser reproducida o almacenada en un sistema de informtica o transmitida de cualquier forma o por cualquier medio: electrnico, mecnico, fotocopia, grabacin u otros sin el previo expreso permiso por escrito del autor.TERCERA EDICION 1980

Queda hecho el depsito que marca la ley nmero 11.723. Impreso en la Argentina Printed in Argentine.

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Tercera edicin

Prlogo

Dada la favorable acogida que esta obra ha recibido por parte del pblico, se presenta esta tercera edicin, corregida y ampliada. La primera intencin de esta obra ha sido la de presentar en forma sucinta los conocimientos bsicos necesarios para encarar las disciplinas de Metalografa y Tratamientos Trmicos, pero durante su utilizacin se ha visto que cumple adems con otros objetivos. Uno de stos es hacer de puente de unin entre los fundamentos de la metalurgia y su aplicacin en los distintos procesos de la industria, mejorando el nivel de calidad de las diversas tecnologas, introduciendo en ellas el estudio metalogrfico de la materia prima, el control durante el proceso y el control d calidad final. Tambin presta su utilidad en la programacin de los procesos a partir de la estructura de origen y del diagrama de equilibrio correspondiente a la aleacin metlica. Por otra parte, ha demostrado facilitar al profesor el dictado de un curso de Metalografa, Tratamientos Trmicos, Soldadura, Conformacin Plstica, etc., con alumnos de diferente nivel de preparacin previa. En efecto, esta obra constituye la introduccin a dichos cursos. Sirve al alumno familiarizado con la Termodinmica Metalrgica y la Fsica del Slido para puntualizar los principios que se aplicarn en el curso. En cambio, para los asistentes que no poseen los conocimientos previos necesarios, constituye un elemento valioso para estudiar los temas expuestos en forma breve y concisa, sin tener que recurrir a varios cursos previos de Fsica Metalrgica, Termodinmica, etc. En este caso, para fijar los conceptos, se aconseja resolver los ejercicios y problemas de aplicacin que figuran en el captulo 9. Por ltimo, en la vida profesional constituye un apoyo para la utilizacin de los diagramas de equilibrio de las aleaciones en las tareas de la industria y una gua para los trabajos en el laboratorio metalogrfico. En varias Universidades y Escuelas Superiores de Amrica Latina se adopt como texto en asignaturas denominadas Metalografa, Metalurgia Fsica o Metalurgia I. Buenos Aires, 1980 Nora LindenvaldMrdiablo

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CONTENIDO Prlogo a la tercera edicin, III Contenido, V 1 El cristal metlico, 1 Introduccin, 1 Enlaces atmicos, 2 El cristal metlico, 6 Estructura cristalogrfica y propiedades, 9 El grano metlico - Borde de grano - Tamao de grano - Propiedades, 10 La notacin en el cristal metlico, 12 ndices de Miller, 12 El estudio de las redes cristalogrficas, 15 Difraccin de rayos X, 15 Aleaciones - Distintos tipos - La solucin slida - El compuesto intermetlico - Sistemas Bi y polifsicos, 21 2 Estructuras metalogrficas Su mecanismo de formacin y propiedades, 25 Estructuras de nucleacin y crecimiento, 26 Estructuras eutcticas o de coprecipitacin, 32 Estructuras martensticas, 33 Estructuras de compuestos intermetlicos, 34 3 Diagramas de equilibrio Sistemas binarios, 36 Aleaciones binarias de componentes solubles en estado lquido y completamente insolubles en estado slido, 40 Aleaciones binarias completamente solubles en estado lquido y slido, 47 Aleaciones binarias de componentes parcialmente solubles en estado slido (completamente miscibles en estado lquido), 51 Aleaciones binarias que contienen compuestos intermetlicos, 58 Estructura y propiedades mecnicas, 63 Aleaciones binarias que se forman mediante una reaccin peritctica, 70 Aleaciones binarias de componentes insolubles en estado lquido y slido, 78

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VI

Contenido Aleaciones binarias parcialmente solubles en estado lquido. La reaccin monotctica, 79

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Diagramas de equilibrio II, 82 Definiciones, 82 Transformaciones en estado slido, 88 Diagramas de equilibrio Sistemas ternarios, cuaternarios, etc., 93 Representacin bidimensional de los sistemas complejos, 98 Principio de los tratamientos trmicos, 101 Recristalizacin alotrpica, 101 Recocido, 107 Normalizado, 108 Temple, 109 Recristalizacin con deformacin plstica previa, 110 Endurecimiento por precipitacin, 111 Deformacin plstica de los metales, 114 Mecanismo de la deformacin plstica, 116 Deslizamiento, 116 Maclado, 125 Deformacin en fro, 126 Recristalizacin, 129 Estructuras obtenidas por la recristalizacin, 133 Deformacin en caliente, 134 Fluencia viscosa o creep, 135 Fractura, 136 Difusin, 137 Primera Ley de Fick, 140 Segunda Ley de Fick, 144 Efecto Kirkendall, 145 Aplicaciones, 147 Homogeneizacin, 147 Soldadura, 150 Placado, 150 Transformaciones en estado slido, 151 Cementacin, 152 Estructuras en bandas, 153Mrdiablo

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Contenido 9 Ejercicios de aplicacin, 157 10 Diagramas de equilibrio de aleaciones binarias, 165 11 Fotomicrografas, 289

VII

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1El cristal metlico

INTRODUCCIN

Las propiedades de las sustancias dependen en gran parte de la disposicin de sus tomos en el espacio y del tipo de enlace que los une. Los metales son slidos cristalinos con propiedades tpicas debidas al ordenamiento de sus tomos segn sistemas geomtricos determinados. Estos tomos, a su vez estn unidos entre s de un modo particular, caracterstico de los metales. Para el estudio de la metalurgia es indispensable conocer la estructura ntima del cristal metlico y el enlace tpico que aparece entre sus tomos. Esto es lo que abordaremos en este captulo, para deducir luego las propiedades de los metales. En los captulos subsiguientes veremos que es posible modificar estas propiedades para adaptar los materiales a nuestras necesidades. Estas modificaciones se logran mediante operaciones denominadas Tratamientos Trmicos.

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LA ESTRUCTURA DE LOS METALES

ENLACES ATOMICOS

Existen cuatro mecanismos mediante los cuales los tomos adyacentes en un slido se unen y logran su estado de equilibrio (energa libre del sistema). Son los llamados cuatro tipos de enlace atmico. El tipo de enlace atmico rige muchas de las propiedades de las sustancias. Generalmente aparecen en un mismo material uno o dos tipos de enlaces.

1. El enlace inico

Se basa en la atraccin elctrica entre iones de carga opuesta dispuestos en forma alternada. Se presenta por ejemplo en los cristales salinos como el cloruro de sodio. El sodio, con un solo electrn de valencia, tiende a cederlo y quedar con la capa electrnica exterior saturada con ocho electrones (configuracin de menor energa libre). Queda as el tomo de sodio cargado positivamente. A su vez el tomo de cloro, con siete electrones perifricos, tiende a tomar uno para completar su capa exterior con ocho electrones y llegar as a su configuracin de equilibrio. El tomo de cloro se convierte, pues, en un ion negativo. Estos iones se disponen segn un ordenamiento regular y alternado ocupando los puntos de una red cristalogrfica, atrados entre s por su carga elctrica. A esta atraccin se suma la fuerza de unin debida al descenso del valor de la energa interna del sistema por el intercambio de los electrones perifricos. Por lo tanto las uniones de este tipo son rgidas y muy, fuertes. Estos cristales inicos no poseen plasticidad alguna, debido a la rigidez de sus enlaces, no pudindose laminar, forjar, etc. Sometidos a esfuerzos se rompen por clivaje a lo largo de determinados planos cristalogrficos. Tampoco son buenos conductores de la electricidad (en estado slido) por tener sus cargas elctricas comprometidas en el enlace inico.

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EL CRISTAL METALICO

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2. Enlace homopolar o covalente

Consiste en la coparticipacin de electrones perifricos por parte de dos tomos. Ocurre con tomos de ms de tres electrones perifricos. As por ejemplo en la molcula biatmica de cloro, los dos tomos comparten dos electrones (uno de cada uno) y de este modo ambos tomos completan su capa exterior con ocho electrones y alcanzan as su configuracin de equilibrio (figura 1.1). El diamante es un slido de uniones covalentes; cada tomo de carbono se encuentra ligado a otros cuatro con enlace covalente. De este modo el tomo de cuatro electrones perifricos se beneficia con otros cuatro electrones que comparten con l los cuatro tomos vecinos.

Figura

1-1

Como puede deducirse, las uniones resultan muy rgidas. Los materiales con este tipo de enlace resultan generalmente duros y con escasa conductividad elctrica.

3. Enlace de Van der Waals

Son uniones dbiles entre molculas saturadas o tomos con la capa electrnica perifrica completa. En estas molculas o tomos neutros se produce una polarizacin de las cargas en el momento de acercarse las partculas. De este modo la porcin de una partcula dirigida hacia la vecina polariza su carga positiva hacia la porcin negativamente polarizada de la otra. Se producen en consecuencia atracciones dbiles que dan lugar a su vez a uniones tambin dbiles.

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4. Enlace metlico

Se presenta entre tomos con pequeo nmero de electrones perifricos, como ocurre en los metales. Los tomos tienden a desprender estos electrones y los iones positivos que quedan se disponen en una estructura geomtrica ordenada y simtrica, denominada estructura cristalina. Esta estructura puede ser ms o menos compleja y puede contener algunas irregularidades. Con retculos cristalinos simples y regulares se alcanzan valores muy bajos de energa interna del sistema, o sea un estado de equilibrio altamente estable. Los electrones desprendidos forman una atmsfera o nube electrnica que envuelve y se interpone entre los iones positivos ordenados. Este tipo de unin atmica denominada enlace metlico, es muy fuerte porque la atraccin electrosttica entre los iones positivos y la nube electrnica se suma a la disminucin de energa debido a: a) la formacin de iones con su capa perifrica completa; b) el ordenamiento de estos iones en retculos cristalogrficos. La nube electrnica cuyos electrones cambian de lugar constantemente entre los iones positivos y existen tambin por momentos en estado libre, es la responsable de la conductividad elctrica de los metales. Por otra parte, todos los iones positivos son equivalentes, por lo cual el metal sometido a esfuerzos se comporta de una manera plstica. sitio, deslizarse hacia otra posicin y restablecer las ligadura? Esto se ve facilitado por la existencia de numerosas imperfecciones en el retculo cristalino. A consecuencia de una fuerza aplicada, los lugares vacos en la red son ocupados por iones y aparecen las imperfecciones en otro sitio. Por lo tanto los metales son plsticos: pueden laminarse, forjarse, trafilarse, etc.

Los iones positivos del retculo cristalino forman estructuras compac-as que podran representarse con esferas tangentes entre s. Para estudiar las diferentes disposiciones geomtricas de los iones positivos de un metal se conviene en representar solamente los centros de los iones con un punto cada uno y unirlos con segmentos para formar los diferentes

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cuerpos geomtricos cuya repeticin a lo largo del retculo forma la estructura del cristal. La nube electrnica se omite en estas representaciones (figura 1.2).

Figura

1-2

a) b) c) d) e)

sistema sistema sistema sistema sistema

cbico simple cbico de cuerpo centrado cbico de caras centradas hexagonal simple hexagonal compacto

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EL CRISTAL METALICO

En una red cristalogrfica es siempre posible elegir ocho puntos prximos que unidos forman un cuerpo geomtrico que se repite a lo largo de la red. Las aristas de este cuerpo geomtrico constituyen los parmetro de la red o vectores de la malla. Los tomos que forman este cuerpo geomtrico ms otros que puede tener alojados en su interior, forman la celda estructural. Segn el tipo de celda estructural el metal pertenece a un sistema cristalogrfico determinado. Un sistema queda definido por los tres vectores de la malla o constantes de malla y los tres ngulos interaxiales. Existen siete sistemas cristalogrficos fundamentales. A su vez, la mayora de ellos puede presentar su malla con tomos alojados dentro de la celda estructural. Ejemplo: en el sistema cbico, en el cual la celda que se repite es el cubo, podemos tener tres variedades:. a) el sistema cbico simple con un tomo en cada vrtice del cubo; b) el sistema cbico a cuerpo centrado con un tomo en cada vrtice del cubo y uno en el centro del cubo y c) el sistema cbico a caras centradas con un tomo en cada vrtice del cubo y uno en cada centro de cara (la figura 1.2 ilustra este caso).

En la tabla 1.1 se indican los diferentes sistemas cristalogrficos con sus variantes, sus vectores de malla y sus ngulos interaxiales. En los meMrdiablo

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tales los sistemas cristalogrficos ms frecuentemente encontrados son el cbico y el hexagonal (figura 1.2).

Tabla 1.1SISTEMA CRISTALINO Cbico VARIANTES EJES

ANGULOS. ===9O

Simple A cuerpo centrado A caras centradas Simple A cuerpo centrado Simple A cuerpo centrado A base centrada A caras centradas Simple Simple Compacto

a=b=c

Tetragonal

a=bc

===9O==y=90

Ortorrmbico

abc

Rombodrico Hexagonal

a=b=c a1 =a2 =a3 c

==90 ==90; =120

Monoclnico

Simple A base centrada Simple

abc abc

==90;

Triclnico

90

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En la tabla 1.2 se dan algunos ejemplos de los metales ms utilizados y el sistema cristalogrfico al cual pertenecen. Tabla 1.2SISTEMA EJEMPLOS

Cbico de cuerpo centrado Cbico de caras centradas Hexagonal compacto

Cr, Fe , Mo, WAl, Cu, Au, Pb, Ni, Pt, Ag, Fe Co, Mg, Ti, Zn

A veces conviene usar la representacin del retculo con la celda elemental o primitiva, que es una celda unitaria con tomos en los vrtices solamente. Se puede considerar que la celda unitaria posee un solo punto reticular pues los otros siete se atribuyen a los otros siete paraleleppedos adyacentes. As, por ejemplo, la celda primitiva del cubo centrado en las caras es el romboedro. La del hexagonal es el tetragonal (figura 1.3).

celda estructural

celda elemental o primaria

Figura 1-3

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Algunos metales pueden cambiar su estructura cristalogrfica variando las condiciones de temperatura y presin. As el hierro a temperatura ambiente posee una estructura cbica de cuerpo centrado (Fea), mientras que por encima de 910-C cambia esa estructura por la cbica de caras centradas ( F e ) . Por encima de los 1.400 C y hasta la temperatura de fusin vuelve a aparecer la estructura de cubos de cuerpo centrado (Fe ).

ESTRUCTURA CRISTALOGRAFICA Y PROPIEDADES El ordenamiento interno de los tomos es la caracterstica esencial del estado cristalino. La simetra externa que presentan algunos cristales no es ms que una evidencia de su estructura interna. Las caras externas de un cristal son planos cristalogrficos de tomos ordenados. Del mismo modo, las aristas exteriores son lneas de tomos pertenecientes a la red. El tipo de retculo cristalogrfico determina muchas de las propiedades tsicas y qumicas que caracterizan a un metal, como la conductividad, la solubilidad, la resistencia mecnica, el coeficiente de dilatacin,etc. A consecuencia de la estructura cristalogrfica, los metales presentan distintas propiedades en las diferentes direcciones dentro del cristal. Por este carcter vectorial de las propiedades fisicas se dice que los metales son anistropos. En cambio los gases, lquidos y sustancias amorfas son isotrpicos. En los cristales que poseen direcciones equivalentes desaparecen las diferencias en las propiedades. As, en el sistema cbico la resistividad elctrica, la conductividad trmica, etc, tienen valores iguales a lo largo de direcciones equivalentes. Al hablar de enlace metlico hemos mencionado las propiedades fundamentales que caracterizan a los metales: la conductividad elctrica y la plasticidad. La conductividad elctrica se atribuye a la existencia de la nube electrnica que envuelve al retculo de iones positivos. La plasticidad en cambio se debe a la equivalencia de los iones positivos que forman la red y pueden deslizarse unos sobre otros, cambiando su posi cin. Esto es facilitado por las imperfecciones que la red cristalogrfica suele presentar (ej: planos incompletos de tomos, denominados dislocaciones). De este modo el metal sometido a solicitaciones puede deformarse plsticamente.Mrdiablo

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Esta propiedad de plasticidad vara, como las dems propiedades, con la estructura cristalogrfica. As los metales que cristalizan en el sistema cbico de caras centradas presentan los valores mayores de plasticidad. Cuando se trata de aleaciones de dos o ms metales, cuanto ms simple y simtrica sea la estructura cristalogrfica de la aleacin, mayor ser la facilidad de deformacin plstica. En cambio, en estructuras complejas de red cristalogrfica poco simtrica, las propiedades de la aleacin se acercan cada vez ms a las sustancias amorfas: disminuye la plasticidad, aumenta la resistencia mecnica y la dureza, etc.

EL GRANO METALICO - BORDE DE GRANO - TAMAO DE GRANO PROPIEDADES

Los materiales metlicos se presentan casi siempre con estructuras policristalinas. Esto se debe a que la cristalizacin comienza al mismo tiempo en diversos puntos y progresa hasta que las diversas porciones de cristal se toquen e impidan su ulterior crecimiento. Cada porcin de cristal formado se denomina grano y su lmites bordes de grano. Los bordes de grano son sitios donde cambian las direcciones de los planos cristalogrficos. Constituyen, pues, sitios que tienden a trabar los deslizamientos atmicos. De esto se deduce que un metal de grano fino (gran cantidad de borde de grano en relacin con el volumen total) es menos deformable plsticamente y ofrece, por lo tanto, mayor resistencia mecnica (esttica). Tambin puede aumentar la resistencia al choque o tenacidad (resistencia a esfuerzos dinmicos) puesto que el material adquiere mayor homogeneidad por su grano ms fino. Este aumento de la resistencia mecnica del material con la disminucin del tamao de grano se cumple a temperaturas que no sean excesivamente altas. A muy altas temperaturas la cohesin del material en los bordes disminuye bruscamente y produce fragilidad intergranular. Esto se menciona muy poco en los libros de metalurgia convencional, pues las temperaturas usadas en los tratamientos comunes estn por debajo de la zona de peligro. Pero en los materiales destinados a equipos modernos de ingeniera espacial, debe estudiarse cuidadosamente este fenmeno. A la temperatura de fusin la cohesin del borde de granoMrdiablo

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vale cero y crece a medida que desciende la temperatura. Pero en el cristal que forma el grano hay tambin una cierta fuerza de cohesin (que posibilita el ordenamiento) que tambin crece al disminuir la temperatura aunque menos que en el borde del grano. De modo que existe una temperatura de equicohesin (figura 1.4). Si tenemos dos

t fusin

t equicohesin

fuerza de cohesin

Figura 1-4

trozos de metal: uno de grano fino A (mucha superficie de borde de grano) y otro de grano grueso B (poco borde de grano) (figura 1.4) por arriba de la temperatura de equicohesin, ser ms resistente a la deformacin el de grano B y a la temperatura ambiente el de grano pequeo A. Por la misma causa, por arriba de la temperatura de equicohesin la fractura es generalmente intercristalina (por los bordes de grano) y por debajo, en cambio, transcristalina (por los planos cristalogrficos o de clivaje).

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LA NOTACION EN EL CRISTAL METALICO

Existen varios mtodos para localizar un punto o un plano dentro de una aleacin metlica. Cada uno de estos mtodos pertenece a un "sistema de notacin". Hemos hablado del retculo cristalogrfico que forman los tomos de los metales, donde ocurren los distintos fenmenos de deformacin plstica, difusin, transformaciones, etc. Cuando estos fenmenos son direccionales es conveniente poder individualizar los distintos planos cristalogrficos que forman el metal. El mtodo de notacin ms utilizado es el de los ndices de Miller.

Ley de los ndices Racionales de Huy

Dado un sistema de tres ejes coordenadas y tomando como unidad a la menor distancia del origen a un plano del retculo, todo otro plano cortar a los ejes a una distancia que es mltiplo entero de dicha unidad.

INDICES DE MILLER

Para determinar el ndice de Miller de un plano cristalogrfico se toma como, origen a uno de los vrtices de la celda estructural y se trazan desde l tres ejes de referencia coincidentes con las tres aristas de la celda que convergen en dicho punto. Se gradan los ejes en unidades de distancia interaxiales, que son para cada eje la menor distancia del origen a un plano del retculo. Para localizar un plano cristalogrfico se determinan las coordenadas de los puntos de interseccin del plano sobre cada eje. Las inversas de estos valores constituyen los ndices de Miller (Ej.: figura 1.5).

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Si un plano corta a los ejes coordenadas a las distancias del origen , , , en unidades de longitudes axiales, los ndices de Miller sern 1/n, 0, 0 sea los recprocos de esas distancias. Por lo tanto para los ejes x, y y z de la figura 1.6 el plano (100) es paralelo a y y a z.

Figura 1-5

Mtodo de determinacin: 1) Se mide, en unidades de longitudes axiales, la distancia, desde el origen, a la cual el plano en cuestin corta los ejes. En la figura 1.5 es: 2; 3; 1. 2) Se toman los recprocos de esos nmeros: 1/2; 1/3; 1. 3) Se reducen a nmeros del menor valor absoluto que guarden la misma proporcin: 3; 2; 6. 4) Se representa (326). Los planos con ndices homlogos proporcionales son paralelos. Para designar una serie de planos paralelos se los reduce a su mnima expresin. As: (333) // (222) // (111) y se escribe (111). Los ejes se pueden designar por el ndice que corresponde al plano perpendicular, entre corchetes. Ej.: [111].Mrdiablo

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Permutando los ndices se tiene un sistema de planos (los planos correspondientes a un sistema cristalogrfico). Ej.: los planos de las caras en el sistema cbico son: (100) (010) (001) (100) (010) (001) y se representan con el primer ndice entre llaves {100}(significa sistema cbico). La figura 1.6 muestra tres ejemplos de planos cristalogrficos en el sistema cbico.

Figura

1-6

ndice de Miller Bravais En el sistema hexagonal las caras laterales de los prismas hexagonales no tienen ndices de Miller obtenibles por permutacin. Se toma un cuarto eje en la base del prisma a 120 de ox y su dato se coloca en el tercer lugar en el ndice: (h k i l). Es redundante, pues i= -(h + k) pero obvia muchos inconvenientes en su uso.

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METALICO

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EL ESTUDIO DE LAS REDES CRISTALOGRAFICAS Si sobre los planos de un retculo incide un haz de rayos de longitud de onda del orden de magnitud de los espaciados del retculo, stos se convierten en centros de difraccin y originan nuevas radiaciones. Los rayos difractados que no se encuentran en fase (cuando las crestas de una radiacin coinciden con los valles de otra) se anulan parcial o totalmente entre s. En cambio, aquellos que se encuentran en fase se refuerzan y emergen. Para que ello ocurra, el ngulo que forma el rayo emergente con el plano del cristal debe cumplir la Ley de Bragg, que dice que la diferencia o atraso de los rayos reflejados en los distintos planos cristalogrficos (o sea 2 d sen 6 en la figura 1.7) debe ser un nmero entero de la longitud de onda de la radiacin.

Figura 1-7

Se vara el ngulo hasta obtener el haz deseado y luego se calcula d o constante de la red. Para dar una idea general de las dimensiones de los parmetros en los cristales metlicos, diremos que en el sistema cbico a oscila entre 3 y 5 . En el sistema hexagonal compacto, a oscila entre 2 y 3 y c entre 3 y 6 .

DIFRACCION DE RAYOS X

Las radiaciones de la luz visible poseen longitudes de onda demasiado

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grandes para poder ser difractadas por los retculos cristalogrficos de los metales. En cambio existen otras radiaciones, como los rayos X, cuya longitud de onda es del orden de la magnitud del retculo metlico. La luz visible se origina cuando a causa de una excitacin algunos electrones perifricos o de valencia caen a posiciones de nivel energtico menor. En cambio los rayos X, que son tambin, como la luz, de naturaleza electromagntica, se producen por la transicin de electrones de capas internas. Sus longitudes de onda son 10.000 veces menores que las de la luz visible (0,25 - 0,1 x 10-8 cm). Generalmente se produce una serie de rayos X de diferente longitud de onda, correspondiendo a lo que en la radiacin luminosa se llama luz blanca. Dentro de ella hay siempre preponderancia de determinada longitud de onda denominada radiacin caracterstica. Los rayos X se producen en un tubo con dos electrodos donde se hace el vaco y se origina una diferencia de potencial de 30.000 voltios entre los electrodos. En el ctodo se emiten electrones desde un filamento incandescente calentado desde el exterior. Estos electrones a causa del gradiente de potencial se dirigen al nodo o antictodo. Por su gran velocidad producen perturbaciones en las capas externas e internas de los electrones del antictodo (generalmente de cobre o molibdeno). El reajuste que sigue a esta perturbacin se acompaa de un desprendimiento de energa en forma de ondas electromagnticas denominadas rayos X. Los rayos X se aplican para el estudio de las redes cristalogrficas de los metales. Para ello se aplica la Ley de Bragg (ver figura 1.7). Los diversos mtodos aplicados difieren: a) en la utilizacin de rayos de una sola longitud de onda o de un haz blanco de rayos X; y b) en hacer incidir dichos rayos en un cristal fijo, uno giratorio o un polvo de cristal.

Mtodo de Laue

Utiliza un haz "blanco" de rayos X sobre un cristal fijo perfecto y sin tensiones (figura 1.8). El filamento en el ctodo C emite electrones que llegan al antictodo A donde se produce una emisin de rayos X. Un haz de rayos X de una gama de longitudes de ondas llega a un diafragma D que deja pasar un haz delgado que incide sobre el cristal fijo O. Este

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difracta los rayos (S - S') y la imagen se registra en una placa fotogrfica P.

Figura

1-8

Mtodo de Bragg

Este mtodo usa rayos X monocromticos que inciden sobre un cristal que gira. Durante la rotacin cada serie de planos pasa por una posicin donde su ngulo 0 satisface la Ley de Bragg y produce una radiacin que se registra en una pelcula, como lo muestra la figura 1.9.

Figura

1-9

Mtodo de los polvos

El mtodo Debie Scherrer, o de los polvos, expone a un haz monocromtico de rayos X un polvo de cristal o una gran cantidad de pequeos cristales. Tambin puede exponerse un material policristalino de pequeo tamao de grano, fijo en un soporte. En este caso existen siempre, para cada serie de. planos, cristales con posicin favorable para cumplir con la Ley de Bragg. Todas las posiciones de una serie de planos forman un haz difractado en forma de cono. Cada uno de estos

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conos forma una lnea curva en su interseccin con una cinta de pelcula plana, como lo muestra la figura 1.10. Con el mtodo de los polvos adems de poder estudiar la estructura de los metales despus de una deformacin plstica, puede tambin estudiarse la orientacin preferente de los cristales despus de una deformacin plstica, las tensiones residuales, el rango del tamao de los granos de un material, etc.

Figura

1-10

Difraccin de electrones Los electrones en movimiento en un campo con gran cada de potencial actan como un haz de rayos X y pueden ser difractados por un retculo cristalogrfico y registrar figuras de difraccin para estudios similares a los realizados con los rayos X. La diferencia entre ambos consiste en la corta duracin de la exposicin fotogrfica con la difraccin de electrones (fracciones de segundo) contra varias horas para los rayos X y la poca penetracin de los haces de electrones, que los hacen aptos para el estudio de capas muy finas de recubrimientos metlicos.

El espectmetro de rayos X La intensidad de los rayos X reflejados por un cristal puede medirse con un dispositivo electrnico como un contador Geiger o una cmara de ionizacin, en lugar de una pelcula fotogrfica (figura 1.11.). La muestra consta de un cristal que gira a una velocidad determinada. El instrumento de medicin de intensidad (contador Geiger) se mueve a una velocidad doble de la muestra. De este modo el registrador formar siempre con el haz el ngulo apropiado para recoger cada reflexin de

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Bragg ni bien aparezca. En los aparatos modernos el medidor de inten-

Figura

1-11

sidad se conecta a un amplificador y luego a un registrador que dibuja el grfico correspondiente (figura 1.12). Cada cresta de intensidad corresponde a un plano cristalogrfico en una posicin reflectante. En lugar del cristal reflejante puede utilizarse una probeta de polvos o un trozo de metal policristalino. Gracias a la precisin de los resultados de la medicin de intensidades de reflexin Bragg este mtodo puede utilizarse para hacer anlisis qumicos cualitativos y cuantitativos.

Figura

1-12

Para el estudio de algunas propiedades de los metales se recurre a la localizacin de los diferentes planos de su retculo cristalogrfico. La manera ms prctica de localizar y representar en forma bidimen sional los diferentes planos en un retculo cristalogrfico es la:

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Proyeccin estereogrfica El mtodo consiste en trazar una circunferencia alrededor del cristal, cmo lo indica la figura 1.13.

Figura

1-13

Si queremos representar los planos AB, BC, CD, DE y EF del cristal, trazaremos lneas perpendiculares a los mismos que pasen por el centro del crculo y corten su permetro en los puntos P, M, N, O y P " " (figura 1:13). Se ubica un punto focal o polo Q en la parte inferior de la circunferencia y se unen los puntos de interseccin P, M, N, O y P " " con Q. Estas lneas cortan al plano ecuatorial en los puntos P, P', P", p ' " y p " " . Estos puntos son los que representan a los planos cristalogrficos de referencia. Con esta representacin obtenemos las denominadas "figuras polares", muy tiles por ejemplo en la localizacin de los planos durante la deformacin plstica de los metales. La Red de Wulf es una proyeccin estereogrfica sobre lneas de latitud y longitud, como lo indica la figura 1.14.

Figura

1-14

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ALEACIONES-DISTINTOS TIPOS-LA SOLUCION SOLiDA-EL COMPUESTO INTERMETALICO-SISTEMAS BI Y POLIFASICOS

Se denomina aleacin a la reunin de dos o ms metales o de uno o ms metales con sustancias no metlicas. En todos los casos el producto final posee estructura cristalogrfica en estado slido. Existen diversos tipos de aleaciones que veremos ms adelante con mayor detalle. Aqu hacemos solamente un enfoque somero para sealar la correspondencia de las propiedades de las diferentes aleaciones con su estructura cristalogrfica. . Cuando se dice que un metal b es soluble en el metal a, significa que la estructura cristalogrfica de la aleacin corresponde a la que caracteriza al metal puro a. Los tomos del componente b se encuentran dispersos dentro de la red cristalogrfica del metal a y la aleacin se llama solucin slida. Existen dos formas de solucin slida: cuando el soluto tiene sus to mos alojados en los espacios interatmicos del solvente se dice que tenemos una solucin intersticial. En cambio, cuando sustituye tomos del metal solvente se dice que la solucin slida es sustitucional. Generalmente el volumen atmico es el factor que determina el tipo de solu cin slida. Soluciones intersticiales pueden originarse solamente con solutos de pequeo volumen atmico. El tomo de soluto sustitucional puede tener un dimetro ligeramente menor o mayor que el del solven-e. Como los parmetros de la red o distancias interatmicas tienden a mantenerse constantes, en el caso de tomos de soluto de menor dimetro, los tomos del solvente se acercarn a ellos. En caso contrario se alejarn. Cualquiera que sea el tipo de solucin slida sta posee una red cristalogrfica menos simtrica que el solvente puro. Por lo tanto, el metal puro y las soluciones slidas de baja concentracin son los materiales ms deformables. Esto lo podemos comprobar en los aceros, los bronces, etc. As, en el bronce (solucin slida de Sn en Cu), cuanto menor es el porcentaje de Sn mayor ser la facilidad para la deformacin plstica. La irregularidad introducida en la malla con la presencia de otro metal disuelto distorsiona la red y acta trabando el deslizamiento de los, planos atmicos, aumentando as la resistencia mecnica de la aleacin. Se tiene otro ejemplo en los aceros aleados con nquel, que al disolverse en la red del hierro la distorsiona, disminuye su plasticidad y aumenta su resistencia mecnica.

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Podemos aplicar estas mismas consideraciones a otras propiedades de los metales. Cuanto ms simple, regular y simtrica sea la red cristalogrfica (ms metlica ser la sustancia), mayor ser la conductividad elctrica del metal. As, por ejemplo, el cobre electroltico es muy buen conductor. Pero ya, con pequeas cantidades de impurezas, la conductividad elctrica decrece considerablemente. Existen elementos que no son solubles en determinados metales, formando una fase separada. En realidad no hay insolubilidad total sino una solubilidad muy reducida. Esa cantidad nfima del segundo constituyente disuelto distorsiona muy poco la red del cristal, pero para propiedades tan sensibles como la conductividad elctrica cualquier impureza, an las llamadas insolubles, pueden hacer notar sus efectos. No nos ocuparemos de puntualizar la influencia de la estructura cristalogrfica en otras propiedades de los metales por el carcter reducido de este libro; consideramos que la plasticidad, la conductividad, la dureza y la resistencia mecnica son propiedades representativas suficientes para aclarar el problema. Cuando en una aleacin adems de un metal puro p una solucin slida tenemos otra (ej. una mezcla de dos tipos de solucin slida y ) generalmente corresponde una estructura cristalogrfica a y otra a . Los trozos de cristal (grano) a constituyen una fase del sistema y los otra fase. Si tenemos una mezcla de ambos cristales existirn interfases entre ambos que interrumpen la continuidad del material, trabando los posibles deslizamientos de los planos atmicos y, por consiguiente, disminuyendo el coeficiente de deformacin plstica. Esto origina a su vez un aumento de la resistencia mecnica esttica (ej. a la traccin). Un ejemplo lo constituyen los bronces o aleaciones cobre-estao. En estas aleaciones con concentraciones de estao hasta un 10 % tenemos una solucin slida homognea, llamada a. Por arriba del 14% de Sn se presenta una mezcla de dos fases slidas y . Pues bien, los bronces a se usan para estampar por su facilidad de deformacin plstica. En cambio, los bronces + se llaman bronces mecnicos y se utilizan en estado de colada: se aplican donde se necesita mayor resistencia mecnica pero no pueden deformarse plsticamente. En algunos casos, en los sitios de interfase, la cohesin del material se hace muy pobre y pueden formarse zonas de fragilidad. En los bronces, a concentraciones mayores de 30% aparecen constituyentes con interfases de gran fragilidad.

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EL CRISTAL METALICO

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De este modo puede definirse a los sitios de interfase como zonas lmites entre dos estructuras cristalogrficas diferentes. Su influencia se manifiesta en: a) el aumento de la resistencia esttica (por trabar el deslizamiento de los planos atmicos); y b) en la disminucin eventual de la resistencia dinmica (al choque), pues por sus valores de cohesin pueden resultar zonas de fragilidad. (Un ejemplo clsico es la interfase grafito-perlita en la fundicin gris.) Si las distintas fases del material se forman en momentos diferentes (tienen distintas temperaturas de solidificacin), con procesos lentos podemos obtener granos bien conformados en su estado de equilibrio estable, que pueden poseer altos valores de plasticidad. Con procesos metalrgicos ms bruscos impedimos en parte el ordenamiento regular de los tomos, disminuyendo la plasticidad y aumentando su dureza y fragilidad. Cuando, en cambio, las distintas fases de una aleacin aparecen al mismo tiempo, o sea coprecipitan, se forman estructuras de granos muy finos de gran resistencia y poca plasticidad denominadas eutc-icos. Tanto en los metales puros como en las soluciones slidas pueden efectuarse, como hemos dicho, deformaciones plsticas (como forja, laminacin etc.). Cuando un metal es muy plstico la deformacin puede efectuarse en fro. En este caso los granos se alargan en el sentido de la deformacin y el retculo cristalogrfico se distorsiona. Esta distorsin impide la deformacin ulterior. Se dice que se produce una consolidacin mecnica. Existen aleaciones que contienen porciones de material formadas por un compuesto qumico definido, llamado compuesto intermetlico. Estos compuestos poseen generalmente uniones atmicas covalentes. Constituyen compuestos rgidos y duros y, por consiguiente, se oponen a toda deformacin plstica. Son, adems, difciles de maquinar y sus interfases con el resto del material suelen presentar valores muy bajos de cohesin. Las aleaciones que los contienen resultan as muy frgiles.

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Podemos resumir las estructuras cristalogrficas de los metales en la forma siguiente: a) Estructuras cristalogrficas altamente simtricas y regulares: corresponden a los metales puros y soluciones de muy baja concentracin. Confieren propiedades de plasticidad (pueden laminarse, estamparse, forjarse, etc.) , baja resistencia mecnica (ej: traccin) y alta conductividad elctrica. Tanto la conductividad elctrica como la plasticidad disminuyen al aumentar la cantidad de soluto en las soluciones slidas. Dentro de este tipo de estructuras cuanto ms fino sea el grano mayor ser la resistencia a la traccin y la tenacidad. A temperaturas por arriba de la temperatura de equicohesin se invierten los valores de la resistencia. b) Dos o ms fases en una aleacin: presentan baja plasticidad (no se laminan, forjan, etc.) y alta resistencia mecnica. Sin embargo pueden resultar frgiles. Esto depende del valor de la fuerza de cohesin en las interfases. c) Estructuras de deformacin plstica. Granos alargados. Presentan mayor dureza y resistencia y menor plasticidad que las estructuras de las cuales provienen. d) Aleaciones con compuestos intermetlicos: duros y frgiles. En los captulos siguientes se volvern a tratar las mismas estructuras desde el punto de vista de su mecanismo de formacin, su aspecto en el microscopio y su representacin mediante los diagramas de equilibrio siempre en relacin con las propiedades que confieren al material.

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2Estructuras metalogrficas Su mecanismo de formacin y propiedades

Como ya hemos mencionado, la cristalizacin puede comenzar en varios puntos de la masa metlica generando porciones de cristal llamadas granos. Si se trata de un metal puro todos los granos respondern al mismo sistema cristalogrfico pero tendrn diferente orientacin. Los lmites entre dos granos o bordes de grano contienen tomos no ordenados, o sea que no han alcanzado el alto grado de equilibrio de la red cristalogrfica. Poseen por lo tanto una energa libre mayor que el resto del material. Los bordes de grano pueden considerarse porciones de cristal distorsionado donde los tomos se encuentran desplazados de su posicin de equilibrio. La tensin provocada por este desplazamiento origina el aumento de energa libre mencionado. Adems, los bordes de grano son sitios de acumulacin de impurezas. En efecto, las impurezas insolubles en el metal slido presentan generalmente una solubilidad algo mayor en estado lquido. Por lo tanto al ir solidificando el metal, las impurezas siguen quedando en el lquido remanente hasta quedar aprisionadas entre los granos. Por todas estas consideraciones, los bordes de grano son sitios de mayor reactividad con los cidos.Mrdiablo

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Si pulimos una superficie metlica y la atacamos con un reactivo cido, como el nital (cido ntrico al 2-5% en alcohol) utilizado en la observacin de los aceros, se atacarn mucho ms rpidamente los bordes de los granos que el resto del material. Veremos pues en el microscopio las lneas atacadas (rugosas y, por lo tanto, no devuelven los rayos en forma perpendicular) que marcan los bordes de grano. Las caractersticas de los granos as revelados (tamao, forma, distribucin, etc.) originan una estructura llamada metalogrfica. Cuando existen varios constituyentes, los granos de uno de ellos se atacan ms que los del otro, destacndose por ello en la estructura metalogrfica. De sta deducimos el posible comportamiento del material. La tcnica metalogrfica consiste pues en poner en evidencia los distintos tipos de granos, llamados constituyentes metalogrficos, y su tamao, forma y distribucin. Existen diversas estructuras metalogrficas que, de acuerdo al modo de formarse, podemos clasificar en: a) estructuras metalogrficas de nucleacin y crecimiento (regulares e irregulares); b) estructuras eutcticas o de coprecipitacin; c) estructuras martensticas; d) estructuras de compuestos intermetlicos. Veremos en detalle cada una de ellas. Cada tipo de estructura sugiere un comportamiento determinado de la aleacin. Es sumamente importante conocer el mecanismo de su formacin pues, de ese modo, en piezas ya fabricadas podemos destruir una estructura y generar otra, de acuerdo ala modificacin de propiedades deseada. Estos procesos se denominan tratamientos trmicos.

ESTRUCTURAS DE NUCLEACION Y CRECIMIENTO

Comenzaremos considerando el caso de la formacin de una fase slida en el seno de un lquido. Es la solidificacin de un metal. Para forMrdiablo

ESTRUCTURAS METALOGRAFICAS

SU MECANISMO DE

FORMACION

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mar una porcin de fase nueva necesitamos disponer de una cantidad de energa libre. En efecto, para crear esta porcin de cristal en el seno del metal lquido debemos crear un volumen nuevo y una superficie de interfase. El volumen del slido formado se acompaa de un desprendimiento de energa libre Fv, puesto que, segn las condiciones fsicas ya existentes (temperatura, presin, concentracin, etc.) el material slido se encuentra en estado de equilibrio ms estable (menor valor de energa interna) que el lquido. Por lo tanto la formacin de la partcula slida va acompaada por un desprendimiento de energa libre que es proporcional al volumen del slido formado: Fv (figura 2.1). Por el contrario, la superficie de interfase que debe formarse es un sitio de mayor energa y, por lo tanto, debemos entregar al sistema una cantidad de energa que es proporcional a la superficie formada: Fs (figura 2.1). De este modo, durante la formacin de una partcula de cristal dentro del lquido, el sistema desprende una cantidad de energa proporcional al cubo del radio (volumen) y absorbe otra, proporcional al cuadrado del radio (superficie). Con partculas de tamao pequeo (superficie grande respecto del volumen) prevalecer el valor de la energa superficial, o sea que el sistema absorbe energa. Pero en partculas cada vez mayores, el valor de Fv va influyendo cada vez ms puesto que ste aumenta proporcionalmente al cubo del radio, mientras Fs vara con el cuadrado del mismo. Si sumamos ambas funciones, tendremos una curva resultante F total,, que pasa por un valor mximo y luego disminuye. Esto significa que para que una partcula (germen) se convierta en ncleo y siga creciendo, debe poseer un radio mayor que el radio crtico r* y una energa libre mayor que F* (figura 2.1 ). La frmula siguiente y la figura 2.1 ilustran el proceso de la nucleacin.

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LA ESTRUCTURA D LOS METALES

Figura 2-1

Siendo Fs = La energa necesaria para crear la interfase. Fv = La energa liberada por el volumen de fase condensada. = Coeficiente. Es la energa necesaria para crear una unidad de superficie de interfase. = Coeficiente. Energa liberada por la formacin de una unidad de volumen de fase condensada. En efecto, sabemos que un sistema fsico progresa siempre en sentido tal que le permita disminuir su energa interna. Pues bien, una partcula de radio r1 con una energa libre correspondiente al punto A (figura 2.1) disminuye su energa libre cuando avanza hacia el punto 0, o sea disminuye su radio. Esta partcula tiene probabilidades de desaparecer. En cambio una partcula de radio r2 con una energa libre correspondiente al punto B, disminuye su estado energtico avanzando hacia la derecha, o sea aumentando su radio. Esta partcula est destinada a crecer} Se dice que el germen se ha convertido en ncleo (r>r*) y crece. Generalmente se necesitan partculas extraas de impurezas que proporcionan el ncleo inicial y permiten la formacin de la nueva fase. Con grandes cantidades de impurezas dispersas, se forman muchos ncleos, o sea que el material comienza a cristalizar en muchos sitios dando una estructura de granos finos. Con lquidos muy puros, en cambio, se forman muy pocos centros de nucleacin. Esto permite un amplio crecimiento de los cristales individuales antes de tocarse mutuamente. Es decir que el material ser de grano grueso. Por ejemplo, en la colada de acero, cuando se quiere obtener un material de grano fino, se utiliza como desoxidante del bao el aluminio. El producto de la reaccin de desoxidaxin es el xido de aluminio. Esta sustancia tiene dificultad para subir a la escoria, quedando en el bao un sinnmero de Mrdiablo


SU MECANISMO DE FORMACION

partculas de Al2 O3 finamente divididas. Estas partculas actan luego durante la solidificacin como ncleos de cristalizacin. Por eso se dice que "el aluminio afna el grano del acero". Una vez constituido el ncleo, ste crece dando lugar al grano. En los sitios de gradientes trmicos muy acentuados (paredes de lingoteras, etc.) este crecimiento se har ms velozmente en ja direccin del gradiente trmico, dando lugar a granos alargados. En otras condiciones los granos sern ms o menos equiaxiales. El crecimiento se efecta segn determinados ejes cristalogrficos en forma arborescente. Por ello se llaman dendritos a los cristales en formacin y crecimiento dendrtico al fenmeno (figura 2.2).

Figura 2-2

Cuando dos dendritos se tocan impiden su mutuo crecimiento y forman bordes de grano (figura 2.2). Durante la solidificacin las impurezas quedan atrapadas en los bordes de grano. Es el fenmeno denominado segregacin. Los elementos solubles tambin se concentran en la periferia de los granos que solidifican en ltimo trmino. A este fenmeno se le da el nombre de nucleizado. Estas estructuras se llaman de colada (formacin de cristales a partir de un metal lquido) y pueden presentar heterogeneidad qumica en cantidad tanto mayor cuanto mayor sea la velocidad de enfriamiento. Si el enfriamiento es lento o se realizan tratamientos posteriores de calentamiento, los elementos solubles difunden y homogeinizan la composicin qumica del material. Pasemos ahora al caso de la nucleacin y crecimiento de una fase slida, en un slido ya existente, denominado recristalizacin. Supongamos tener una fase homognea . Si se quieren eliminar ras tros de tratamientos anteriores, afinar el grano o efectuar cualquier ope racin de recristalizacin, deber primero introducirse en el material una cantidad de energa libre correspondiente a F* (figura 2.1). EstoMrdiablo

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se logra por medio de una deformacin plstica (laminacin, trefilacin, forja, etc.). Luego se calienta para dotar a los tomos de la energa cintica necesaria, notndose que en los sitios de mayor energa acumulada (los bordes de grano) aparecen nuevos granos pequeos equiaxiales. Estos crecen a expensas de los granos formados. Al cabo de un tiempo todo el material est recristalizado (figuras 2.3, 11.3, 1 1.4 y 11.5).

Figura 2-3

En este caso debe agregarse otro trmino a la ecuacin de la figura 2.1 que corresponde a la energa de deformacin de la fase matriz al introducir una nueva fase dentro de ella. As se tendr:

Si se siguen calentando los nuevos cristales equiaxiales formados, stos comienzan a crecer. Existe una cantidad mnima de deformacin (se expresa en % de reduccin) necesaria para posibilitar la recristalizacin. Por arriba de ese valor, a cada porcentaje de deformacin le corresponde una temperatura mnima de recristalizacin. En estas reacciones juega un papel importante la difusin de los componentes qumicos de la aleacin para permitir la formacin de la nueva fase. Los mecanismos que se han descripto mediante los cuales aparece una nueva fase con granos ms o menos equiaxiales, se llaman de nucleacin y crecimiento. Se presentan en los metales puros y en las aleaciones que forman solucin slida. Cuando se trata fe soluciones slidas, la cristalizacin no ocurre a una temperatura constante, sino durante un intervalo de temperaturas y dura un cierto tiempo. Cuando durante el calentamiento de la aleacin ocurre un cambio de estructura cristalogrfica, como sucede en el hierro que a 910 C pasa de

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ESTRUCTURAS

METALOGRAFIAS

SU MECANISMO DE

FORMACION

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hierro a (cbico de cuerpo centrado) a Fe (cbico de caras centradas), la recristalizacin puede efectuarse sin realizar una deformacin plstica previa. Simplemente se calienta la aleacin hasta transformar todo el Fe en Fe y se vuelve a enfriar lentamente. La estructura pasa nueva mente a Fea producindose la recristalizacin. La estructura metalogrfica de los constituyentes de nucleacin y crecimiento es el de granos poligonales (figuras 2.4, 11.1 y 11.38) en su estado de equilibrio estable. Se obtiene con enfriamientos lentos despus de la recristalizacin. Se denomina estructura de recocido.

Figura 2-4

Existen estructuras irregulares de nucleacin y crecimiento. Se obtienen: a) Con enfriamientos algo bruscos (al aire), que no permiten la correcta conformacin de los granos, dando estructuras de grano fino de formas irregulares. El constituyente que se nuclea pero no llega a conformar los granos equiaxiales puede adoptar un aspecto de red dentro de la estructura. Son las estructuras denominadas de normalizado (figura 11.13). b)Con tratamientos de temperaturas o tiempos insuficientes no se llegan a destruir completamente los granos previos y se obtienen estructuras heterogneas. Estas se obtienen tambin cuando la deformacin previa es insuficiente (F < F*) (figuras 11.40 y 11.48). c) Con calentamientos excesivos que dan lugar al crecimiento de los granos. Esto origina a menudo estructuras aciculares y frgiles (figuras 11.14 y 11.15). En algunos casos quedan vestigios de la deformacin plstica previa observndose en el microscopio unas franjas que atraviesan algunos granos. Estas franjas se llaman maclas y se las trata en el captulo de Deformacin Plstica (figura 11.38). Las propiedades mecnicas correspondientes a estas estructuras de granos poligonales, constituyentes de nucleacin y crecimiento, son deMrdiablo

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baja dureza, altos valores de alargamiento (plasticidad) y poca resistencia mecnica (traccin). En la solucin slida el aumento de la cantidad de soluto baja la plasticidad y aumenta la resistencia mecnica.

ESTRUCTURAS EUTECTICAS O DE COPRECIPITACION

Existen aleaciones, que en determinadas condiciones de temperatura y concentracin producen una precipitacin conjunta de dos. o ms constituyentes metalogrficos. La estructura obtenida se llama eutctica. Esto ocurre solamente para una determinada concentracin de los componentes qumicos de la aleacin. La temperatura de solidificacin es la ms baja de toda la serie de aleaciones. As, por ejemplo, en la aleacin de los metales A y B, si la concentracin que produce el eutctico (coprecipitacin de A y B) es el 70% A y el 30% B, todas las dems concentraciones imaginables de A y B comenzarn a solidificar a temperaturas superiores a la temperatura de solidificacin del eutctico. Esta temperatura se llama temperatura eutctica. La cristalizacin eutctica lleva un tiempo determinado (no es instantnea) pero mientras se efecta, la temperatura permanece constante. La transformacin eutctica ocurre simultneamente en toda la masa metlica, por lo cual los granos formados son muy pequeos y no pueden crecer. Se obtiene una yuxtaposicin de los dos o tres componentes de la aleacin, que pueden tener formas globulares o laminares. Esto depende del estado de la fase madre de la que provienen. Si es un lquido, el eutctico es globular; si provienen de un slido se llama eutectoide y puede ser laminar o globular. La ledeburita es un ejemplo de eutctico globular. La perlita, en cambio, es un eutectoide laminar o globular (figuras 2.5, 11.18 y 11.19). Los eutcticos por su grano sumamente fino no poseen la facilidad de deformacin plstica de los metales puros y las soluciones slidas. En cambio son algo ms duros y resistentes. Sobre todo poseen, altos valores de resistencia al choque o tenacidad. Una aleacin puede estar formada por varios constituyentes meta logrficos. As puede contener granos poligonales de solucin slida y zonas de eutctico, etc. Por ejemplo, el acero de 0,45% de carbono contiene granos de perlita (eutectoide) y ferrita (solucin slida) (figuras 2.6 y 11.12).Mrdiablo


SU MECANISMO DE

FORMACION

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perlita globular

perlita laminar

acero S.A.E. 1045

Figura 2-5

Figura 2-6

ESTRUCTURAS MARTENSITICAS

Provienen de tratamientos trmicos. Cuando una aleacin presenta diferentes estados alotrpicos a distintas temperaturas (ej. Fe - Fe) la recristalizacin puede hacerse sin deformacin previa. En esta recristalizacin intervienen dos mecanismos: la transposicin de la estructura cristalogrfica y la difusin. En efecto, los dos estados alotrpicos tienen distinta capacidad para disolver a los dems componentes de la aleacin. Es por eso necesario acompaar al cambio de estructura cristalogrfica del movimiento de los tomos, que permita la introduccin o la salida de tomos de soluto en las distintas redes que se organizan durante la recristalizacin. Este movimiento se llama difusin. Ahora bien, la transposicin cristalogrfica es sumamente rpida, en cambio la difusin es relativamente lenta. Si despus de calentar y mantener la aleacin a la temperatura conveniente para que la fase de alta temperatura se homogeinice, se lo enfra lentamente, se permite una recristalizacin normal, pues los tomos solutos han tenido el tiempo suficiente para difundir y tomar la configuracin de equilibrio estable correspondiente a la temperatura ambiente. La aleacin habr recristaliza do, eliminndose estructuras anteriores y se encontrar en equilibrio estable. El tratamiento trmico se llama recocido.

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Si en cambio se efecta un enfriamiento brusco, de tal forma que pueda producirse la transformacin cristalogrfica pero no la difusin, se obtendr como resultado la estructura cristalogrfica estable a temperatura ambiente pero con una cantidad de soluto que corresponde a otra estructura. Se tendr, pues, la red distorsionada y una estructura inestable. El tratamiento se llama transformacin martenstica y el producto de la reaccin: martensita, en el caso de los aceros. En otras aleaciones, tambin se encontrar esta transformacin, que igualmente se denomina martenstica, pero los productos de la reaccin tienen nombres diferentes. La transformacin martenstica es esencialmente una transformacin sin difusin. Los productos obtenidos son duros, frgiles y de gran resistencia a la abrasin. Generalmente deben sufrir un tratamiento adicional de un calentamiento a baja temperatura (revenido) para disminuir su fragilidad. El aspecto metalogrfico de estas estructuras es de grano fino y acicular (agujas que forman entre s ngulos agudos) (figuras 11.20 y 11.47).

ESTRUCTURAS DE COMPUESTOS INTERMETALICOS

Son compuestos qumicos de gran dureza y resistencia a la abrasin. Corresponden al porcentaje de los componentes que presenta el punto de fusin ms alto. Cuando se generan a partir de un lquido, se presentan en forma de grandes agujas o placas muy duras con interfases que poseen poca cohesin con el resto del material. De este modo, las aleaciones que los contienen son frgiles, duras y difciles de maquinar (figura 11.35). Cuando se originan en la aleacin ya solidificada se ubican en los bordes de los granos formando redes de fragilidad (figura 11.24). Si se logra su precipitacin en forma de cristales aislados de pequeo volumen pueden usarse como elementos resistentes a la abrasin o cortantes (figuras 11.49 y 11.29).

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A modo de resumen se enunciarn las diferentes estructuras metalogrficas, su mecanismo de formacin y sus propiedades: a) Estructuras metalogrficas de nucleacin y crecimiento. Se presentan en los metales puros y las soluciones slidas. Son granos poligonales que confieren plasticidad y poca resistencia. Para generarse y crecer necesitan una energa libre y un radio de partcula crticos. En la solidificacin necesitan partculas de impurezas que proporcionan el r*. En la recristalizacin necesitan una deformacin previa que provea el F*. Si hay cambios alotrpicos durante el calentamiento no se precisa la deformacin previa. Dentro de este tipo de estructuras metalogrficas pueden presentarse casos irregulares: 1) estructuras de colada con muchas heterogeneidades qumicas (se puede homogeneizar mediante tratamientos) y 2) recristalizacin con enfriamientos algo bruscos o normalizados,que no permiten la conformacin correcta de los granos equiaxiales, dando estructuras irregulares, reticulares o de grano muy fino. En caso de calentamientos excesivos se obtienen estructuras aciculares frgiles. Son comunes en los aceros. b) Estructuras metalogrficas de tipo eutctico. Coprecipitacin de dos o ms constituyentes. Grano fino, globular o laminar. Poca plasticidad. Buena resistencia mecnica. Especialmente gran tenacidad. c) Estructuras metalogrficas martensticas. Provienen de una transformacin cristalogrfica sin difusin. Estructura acicular (agujas) fina. Dura, frgil, resistente a la abrasin. Puede disminuirse la fragilidad con un tratamiento adicional. d) Estructuras de compuestos intermetlicos. Compuestos qumicos que forman con la matriz interfases de poca cohesin que producen fragilidad. Gran dureza y resistencia a la abrasin, por lo cual se las emplea en la fabricacin de herramientas y material antifriccin.

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3Diagramas de equilibrio Sistemas binariosANALISIS TERMICO - CURVAS DE ENFRIAMIENTO

Se denomina anlisis trmico al estudio de la variacin de temperatura experimentada por un metal o aleacin durante su -calentamiento o enfriamiento. Si suministramos calor a un material metlico ste experimentar un aumento de temperatura. Con cantidades de calor constante por unidad de tiempo tendremos una elevacin continua de temperatura en el material, siempre que ste no experimente transformacin alguna. La representacin grfica de la variacin de la temperatura del material con el tiempo se denomina curva de calentamiento o curva de enfriamiento. Un metal que no experimenta transformacin alguna en el rango de temperaturas consideradas, posee la curva de calentamiento correspondiente a la figura 3.1 y la curva de enfriamiento de la figura 3.2.

Figura 3-1

Figura 3-2

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DIAGRAMAS DE EQUILIBRIO

SISTEMAS BINARIOS

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Las transformaciones experimentadas en la estructura de metales ocurren generalmente con absorcin o desprendimiento de energa. Si durante el enfriamiento de un metal ste pasa por una temperatura a la cual experimenta alguna transformacin estructural, su,curva de enfriamiento presentar una inflexin, As, por ejemplo, la curva de enfriamiento de un metal puro presenta una meseta que corresponde a su temperatura de solidificacin (figura 3.3). En efecto, mientras dura la solidificacin el sistema desprende la diferencia de energa entre el estado lquido y slido. Esta energa desprendida compensa a la que se retira del sistema durante el enfriamiento. Por lo tanto, la temperatura permanecer constante mientras dura el cambio de estado. Una vez completada la solidificacin, la curva de enfriamiento contina su descenso (figura 3.3). En la prctica suele necesitarse un pequeo subenfriamiento para lograr el comienzo de la solidificacin (figura 3.4). Una vez comenzada la

tiempo

tiempo

Figura

3-3

Figura

3-4

cristalizacin, la temperatura sube hasta el valor que le corresponde y se . mantiene constante durante toda la solidificacin. Luego sigue el enfriamiento, ya en fase slida. Las aleaciones no suelen presentar curvas de enfriamiento de este tipo. As, por ejemplo, una aleacin de dos metales que se disuelven mutuamente en estado slido en todas proporciones, presenta unMrdiablo

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intervalo de solidificacin (T1 - T2 en la figura 3.5) en lugar de la meseta. Los puntos M y N de la curva de enfriamiento corresponden a los puntos de comienzo y fin de la solidificacin. El intervalo de solidificacin toma distintos valores de acuerdo a la concentracin de los

Figura 3-5

metales componentes de la aleacin. As, por ejemplo, siendo A y B los componentes de la solucin slida, podemos determinar toda una gama de curvas de enfriamiento, como lo muestra la figura 3.6.

Figura 3-6

Si representamos esta serie de curvas en un solo diagrama, indicando sobre las ordenadas las temperaturas y sobre las abscisas las concentraciones de B en A, tendremos la figura 3.7. Si ahora unimos todos los

Figura 3-7

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SISTEMAS BINARIOS

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puntos de comienzo y todos los de fin de la solidificacin, tendremos el diagrama de transformacin de la aleacin, que en este caso est constituido por dos curvas: la superior o lquidus, por arriba de la cual toda la aleacin se encuentra en estado lquido, y la inferior denominada slidus, por debajo de la cual toda la aleacin est en estado slido (figura 3.8). Entre ambas curvas tenemos una aleacin bifsica: coexistencia de fases liquida y slida.

Figura 3-8

Los diagramas de transformacin representan los cambios experimentados por las distintas aleaciones al variar su concentracin y su temperatura. Estas representaciones aluden a transformaciones lentas, que permiten al sistema efectuar los desplazamientos atmicos necesarios para mantener durante todo el tiempo un estado de equilibrio estable. Por eso se denominan tambin diagramas de equilibrio. Se obtienen yuxtaponiendo curvas de enfriamiento correspondientes a toda la gama de concentraciones de una aleacin determinada y uniendo los puntos de inflexin (de transformacin) que presentan (figura 3.7). En esta figura, los planos que contienen las curvas de enfriamiento se consideran perpendiculares al plano del papel. Los diagramas de equilibrio presentan aspectos diferentes para cada tipo de aleacin. Su estudio facilita comprender los caracteres distintivos de los diversos tipos de aleaciones. Por otra parte resultan ser auxiliares inapreciables en todos los trabajos de metalurgia. Estudiaremos los diagramas de equilibrio de los siguientes tipos de aleaciones:

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1. Aleaciones binarias de componentes a) Solubles en estado lquido e insolubles en estado slido. b) Solubles en estado lquido y solubles en estado slido. c) Solubles en estado lquido y parcialmente solubles en estado slido. d) Insolubles en estado lquido e insolubles en estado slido. e) Insolubles en estado lquido y parcialmente solubles en estado slido. f) Que contienen compuestos intermetlicos. g) Que contienen reacciones peritcticas. h) Que contienen transformaciones en estado slido. 2. Aleaciones ternarias, cuaternarias, etc. Destacaremos en cada caso la estructura metalogrfica y las propiedades mecnicas de la aleacin correspondiente a cada zona del diagrama.

ALEACIONES BINARIAS DE COMPONENTES SOLUBLES EN ESTADO LIQUIDO Y COMPLETAMENTE INSOLUBLES EN ESTADO SOLIDO

Diagrama Eutctico Este es un caso muy importante y el estudio del diagrama correspondiente ofrece mucho inters al metalurgista. Estudiaremos la aleacin Cadmio-Bismuto, que es un ejemplo caracterstico de este tipo de aleaciones. El anlisis trmico de las aleaciones Cd-Bi de diferentes concentraciones arroja curvas con un intervalo de solidificacin y una meseta (figura 3.9). A medida que aumentamos el porcentaje de Bi de la aleacin, disminuye el intervalo de solidificacin y aumenta la longitud de la meseta, hasta llegar a una concentracin critica, en este caso 60% Bi y 40% Cd, para la cual no existe intervalo de solidificacin y la meseta adquiere su longitud mxima. Esta aleacin presenta, como los metales puros, una nica temperatura de solidificacin. Se denomina aleacin eutctica. La concentracin que le corresponde se llama concentracin eutctica y su temperatura de solidificacin temperatura eutctica (ver figura 3.9). Las aleaciones de concentracin en Bi mayor que 60% vuelven a presentar, adems de la meseta, un intervalo de solidificacin.

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SISTEMAS BINARIOS

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Figura 3-9

Si unimos ahora los puntos de comienzo y fin de la solidificacin obtendremos el diagrama de equilibrio que corresponde a este tipo de aleaciones denominado tambin diagrama eutctico (figura 3.10).

Figura 3-11

Figura 3-10

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En efecto, de acuerdo a la ley crioscpica de R a u l (fsica: soluciones) referente a los puntos de solidificacin de soluciones cuyos componentes resultan insolubles en estado slido tenemos que: "La temperatura de solidificacin de un lquido disminuye con el agregado de una sustancia soluble en estado lquido e insoluble en estado slido". La disminucin de la temperatura de solidificacin es proporcional a la cantidad de molculas disueltas (propiedad coligativa). De este modo, siendo las temperaturas de solidificacin de los metales puros Cd y Bi 325 C y 273 C, respectivamente (figura 3.10), toda aleacin de ambos componentes solidificar a temperaturas menores que las citadas, originndose dos curvas de solidificacin descendentes (lquidus) que debern converger en un punto. A este punto se lo denomina eutctico y corresponde a la aleacin de menor punto de solidificacin. Ejemplo de aplicacin. Si se toma una aleacin A de 20% de Bi en Cd en estado lquido y se lo enfra, al llegar al punto B (figura 3.10) comienzan a separarse cristales de metal Cd puro. El lquido remanente pierde componente Cd y se va enriqueciendo en Bi. En consecuencia, y de acuerdo a la Ley de Raoult, bajar su temperatura de solidificacin. Por lo tanto, para proseguir la solidificacin debe efectuarse un descenso de la temperatura del lquido. A medida que sigue bajando la temperatura y prosigue la precipitacin de Cd puro, aumentando los cristales en nmero y tamao, la composicin del lquido remanente toma los valores de las proyecciones sobre la abscisa de los puntos de la curva BE. Finalmente, cuando la temperatura llega a 140 C estaremos en presencia de cristales de Cd puro en el seno de un lquido cuya composicin qumica corresponde al eutctico E. En ese punto las lneas del lquidus y slidus coinciden. Por debajo de esta temperatura no puede existir metal lquido. Por lo tanto en este punto debe solidificar todo el lquido remanente formado por Cd y Bi. Pero hemos dicho que estos metales no son miscibles en estado slido. Precipitarn por lo tanto en forma separada yuxtaponindose los pequeos cristales de ambos metales impidiendo, de esta manera, su mutuo crecimiento. Cada cristal de Cd precipitado produce a su alrededor una sobresaturacin en Bi, que precipitar luego. Se origina una estructura de grano muy fino uniformemente distribuido, denominado eutctico, que rodea a los cristales primarios de Cd puro formados previamente. Si tomamos ahora una aleacin correspondiente a la concentracin de 60% Bi y 40 % Cd en estado lquido (por ejemplo el punto C de la figura 3.10) y la enfriamos, no experimentar cambio alguno hasta que la temperatura alcance el valor de 140 C. En este momento coprecipiMrdiablo


SISTEMAS BINARIOS

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tan cristales puros de Cd y Bi, formando el eutctico. Como se ve en la figura 3.10, sta es la aleacin de menor punto de solidificacin de toda la gama. Si estudiamos una aleacin lquida de 80% de Bi (en el punto D de la figura 3.10) veremos que durante el enfriamiento, al llegar al punto F, comienza a precipitar Bi puro a partir del lquido. El lquido remanente, al ir perdiendo Bi, se enriquece en Cd y su composicin sigue los valores de las proyecciones sobre la abscisa de la curva FE. Al llegar a la temperatura de 140 C (temperatura eutctica) tendremos cristales de Bi puro en el seno de un lquido de composicin eutctica, que a partir de este instante precipita en forma de eutctico rodeando los cristales primarios de Bi. La precipitacin del eutctico no es instantnea. Su duracin es proporcional a la cantidad de eutctico a formarse. Pero durante su precipitacin la temperatura permanece constante, como en el caso de los metales puros. En el proceso de solidificacin podemos medir el tiempo durante el cual la temperatura permanece constante. Este tiempo toma un valor mximo para la aleacin eutctica y va disminuyendo a medida que nos alejamos hacia ambos extremos del diagrama. Si superponemos al diagrama de equilibrio de la figura 3.10 otro que comparta la abscisa con el primero y cuya ordenada represente los tiempos de permanencia a temperatura constante durante la solidificacin (longitudes de las mesetas, en las curvas de enfriamiento de la figura 3.9), tendremos la figura 3.11. Una aplicacin prctica de este diagrama doble es poder calcular la composicin qumica de una aleacin (su ley) a partir del dato del tiempo de permanencia a temperatura constante durante la solidificacin. Debe trabajarse con la misma masa total de aleacin que la que ha servido para construir el diagrama de los tiempos. Durante la solidificacin descripta podemos conocer a cada tempera tura la proporcin entre las cantidades de lquido y slido presentes. En efecto, en la figura 3.10 los segmentos horizontales correspondientes a cada temperatura estn subdivididos por la vertical de la concentracin inicial en dos partes inversamente proporcionales a las cantidades de lquido y slido presentes.

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As, a la temperatura de 220 C tendremos para la aleacin de 20 % de Bi en Cd:

Tendremos pues a 220 C, por ejemplo, una cantidad en % de lquido igual a x 100, de composicin qumica R (45 % Bi) y una cantidad en % de slido igual a x 100, de composicin qumica 100% Cd.

Para el estudio de la estructura metalogrfica y propiedades mecnicas de las diversas aleaciones que representa un diagrama eutctico, dividiremos stas en: a) aleaciones hipoeutcticas Nos. 2 y 3 (figura 3.12); b) aleaciones eutcticas N 4 (figura 3.12); y c) aleaciones hipereutcticas Nos. 5 y 6 (figura 3.12). .

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Figura 3-12

Detallaremos a continuacin la estructura metalogrfica y las propiedades mecnicas de cada una de las aleaciones representadas en la figura 3.12. La aleacin N 1 corresponde al metal puro A. Presenta una estructura metalogrfica de granos ms o menos equiaxiales (poligonales) (figuras 3.13 y 14.1). Las propiedades mecnicas que le corresponden son las de los metales puros: gran plasticidad y conductividad elctrica y poca dureza y resistencia mecnica. No ofrece fragilidad puesto que se forma de un solo tipo de granos (una sola fase) y no tiene, en consecuencia, interfases que puedan dar valores bajos de cohesin. Como todo metal puro se genera por el mecanismo de nucleacin y crecimiento y, por lo tanto, el tamao de grano est regido por "el nmero de grmenes existentes en el bao lquido antes de la solidificacin y por la velocidad de enfriamiento del mismo. Las aleaciones Nos. 2 y 3 (figura 3.12) se denominan hipoeutcticas. La estructura metalogrfica presenta cristales primarios de metal puro A rodeados por un eutctico formado por los componentes A y B (figura 3.14).Mrdiablo

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Figura 3-13

Figura 3-14

Figura

3-15

En la aleacin N 2 tenemos mayor cantidad y tamao de cristales A que en la 3. En estas aleaciones va desapareciendo la plasticidad a medida que aumenta el porcentaje de eutctico en su estructu-a, aumentando al mismo tiempo la resistencia mecnica. Como se trata de una aleacin bifsica, debemos tener en cuenta la mayor o menor cohesin existente en la interfase. En caso de contar con valores bajos de cohesin, podemos encontrarnos con la propiedad de fragilidad en materiales de grano grande. La aleacin N 4 muestra en el microscopio una estructura fina y homognea de granos pequesimos A y B, denominada eutctico (figuras 3.15 y 1 1.34). Las propiedades mecnicas correspondientes son: ausencia de plasticidad (facilidad de deformacin plstica, laminacin, forja, etc), buena resistencia mecnica, mayor dureza que las aleaciones hipoeutcticas y gran resistencia al choque y a la fatiga (esfuerzos alternados). Las aleaciones Nos 5 y 6 son llamadas hipereutcticas. Su estructura y propiedades se asemejan a las aleaciones 2 y 3 (figura 3.12). La aleacin N 7 corresponde al metal puro B y su estructura y propiedades pueden compararse con la Nl.

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DIAGRAMAS DE EQUILIBRIO ALEACIONES BINARIAS LIQUIDO Y SOLIDO

SISTEMAS BINARIOS COMPLETAMENTE SOLUBLES EN

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Se trata del caso mencionado en las figuras 3.5, 3.6, 3.7 y 3.8. En estas aleaciones los tomos del segundo elemento denominado soluto, se encuentran alojados en los intersticios de la red cristalogrfica (solucin slida intersticial) o reemplazando tomos del solvente (solucin slida sustitucional). En ambos casos los diagramas de equilibrio son similares y la aleacin consta de una sola fase. El anlisis trmico arroja curvas de enfriamiento con un intervalo de solidificacin, como lo indica la figura 3.7. Durante la solidificacin podemos determinar para cada temperatura las cantidades de lquido y slido presentes, como tambin la composicin qumica de cada uno de ellos. As, por ejemplo, para la aleacin X de composicin P dada por la abscisa (figura 3.16) a la temperatura T1 tendremos una cantidad de slido y lquido inversamente proporcional

Figura 3-16

a los segmentos determinados sobre la horizontal de la temperatura de trabajo, por las intersecciones del lquidus, del slidus y de la vertical correspondiente a la composicin de la aleacin dada.

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En la figura 3.16 los segmentos citados son JO y OK, respectivamente. As:

Tomaremos como ejemplo la aleacin Cobre-Nquel (figura 3.17). Todas las aleaciones de esta serie dan slidos homogneos cuando se encuentran en estado de equilibrio estable. Esto se consigue con un enfriamiento lento a partir del estado lquido o con un tratamiento posterior al de solidificacin.

Figura 3-17

Con enfriamiento infinitamente lento a partir de un lquido de composicin P (por ejemplo: punto x de la figura 3.17), tendremos una separacin de granos slidos de composicin N como primer precipitado. Al seguir bajando la temperatura (punto/B) precipitar sobre los ncleos de composicin N, un material de composicin M. Pero a esta temperatura (T2 , figura 3.17)

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la composicin promedio del slido precipitado debe ser M. Por lo tanto debe haber una velocidad de difusin lo suficientemente grande como para permitir a algunos tomos de cobre penetrar en el precipitado primeramente formado (N) y aumentar su concentracin en Cu hasta el valor M. A la temperatura T3 (punto C de la figura 3.17) precipitan cristales de solucin slida de concentracin O en forma aislada y envolviendo a las anteriores. De nuevo ahora se necesita contar con una difusin eficiente para lograr que a esta temperatura los cristales anteriormente precipitados absorban tomos de Cu hasta tener una composicin promedio correspondiente al punto O. Finalmente a la temperatura T4 termina la solidificacin (punto D) y siempre que la difusin lo haya permitido, todo el slido tendr la composicin P, coincidente con el valor del lquido original. Durante la solidificacin la composicin qumica del lquido toma los valores de las proyecciones sobre la abscisa de los puntos A, E, F y G. A cada temperatura durante la solidificacin se cumple la regla de las proporciones entre las cantidades de lquido y slido presentes, de acuerdo a lo explicado (figura 3.16). En la prctica no se cumplen todas las condiciones citadas, puesto que la difusin suele ser ms o menos deficiente. Como consecuencia, a cada temperatura precipitarn los cristales correspondientes a la composicin terica, pero los previamente formados no modificarn su concentracin lo suficiente para dar los valores tericos requeridos. De este modo, por ej.: a la temperatura T2 (figura 3.18) el promedio de compo-

Figura 3-18

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sicin del slido existente sera M' en lugar de M, a la temperatura T3 ser P', etc. La lnea del slidus 1 - 2 - 3 se convertir en la 1 - 2' -3' - O. Por lo tanto la solidificacin no terminar en el punto 3 sino en el O, a una temperatura ms baja. Los granos formados tendrn un gradiente de composiciones. En su centro sern ms ricos en la componente de mayor punto de solidificacin (Ni en nuestro caso) y en la periferia en la otra. Para conseguir una estructura homognea, no basta pues en la mayora de los casos con un enfriamiento lento a partir del lquido. Se necesita efectuar un tratamiento de calentamiento y mantenimiento a temperaturas cercanas a la lnea del slidus, seguido de un enfriamiento lento. A este tratamiento se lo denomina recocido de homogeneizacin. Se requiere partir de una estructura de grano chico para acortar los recorridos de los tomos en la difusin. Por ello se prefiere efectuar un enfriamiento rpido a partir del lquido que produce granos heterogneos pero chicos y, luego, un recocido de homogeneizacin. La estructura y las propiedades mecnicas de las aleaciones solubles en todas las proporciones en estado slido son granos poligonales ms o menos equiaxiales (figuras 3.19 y 11.1), semejantes a los

Figura 3-19

metales puros. Gran plasticidad ( ductilidad , forjabilidad, etc.) en las composiciones correspondientes a ambos extremos del diagrama. Luego la plasticidad va disminuyendo y aumenta la resistencia mecnica hasta una composicin aproximada de 50% de ambos componentes. No presenta fragilidad puesto que hay una sola fase (no existen interfases). Como la solucin slida se genera por el mecanismo de nucleacin y crecimiento, el tamao del grano depender del nmero de grmenes existentes durante la solidificacin y lie la velocidad de enfriamiento del material. A su vez, como se ha mencionado con anterioridad, el tamao de grano influye sobre la resistencia mecnica del material: a temperatura ambiente, a menor tamao de grano corresponde mayor resistencia mecnica; a temperaturas muy elevadas se invierten los valores.Mrdiablo


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Existen digramas de solucin slida total con una temperatura mxima o mnima de solidificacin correspondiente a una aleacin intermedia de la serie (figura 3.20). A ambos lados de esta temperatura lmite, tenemos solucin slida total, pero el material de la izquierda solidifica segn un sistema cristalogrfico; el de la derecha segn otro.

Figura 3-20

ALEACIONES BINARIAS DE COMPONENTES PARCIALMENTE SOLUBLES EN ESTADO SOLIDO (COMPLETAMENTE MISCIBLES EN ESTADO LIQUIDO)

En este caso estamos en presencia de dos metales, cada uno de los cuales disuelve una cantidad limitada del otro. El diagrama correspondiente presenta dos zonas de solucin slida en sus extremos y y un eutctico en su regin intermedia (E en la figura 3.21). TA y TB son las temperaturas de solidificacin de los metales puros A y B. El punto G indica la mxima cantidad de metal B que puede disolverse en A. Este valor mximo de solubilidad es N % y se obtiene a la temperatura T2. A temperaturas menores la solubilidad de B en A va disminuyendo segn indica la curva GM, y a la temperatura ambiente el metal A puede contener tan slo M% de B disuelto. Otro tanto ocurre en el extremo B del diagrama: el punto H indica la mayor cantidad de metal A soluble en B. Esta solubilidad (R) disminuye con la temperatura de acuerdo a la curva de solubilidad de A en B en estado slido (curva HP).

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Figura 3-21

El punto E indica la existencia de un eutctico, T2 la temperatura de su formacin y O la composicin qumica que le corresponde. En este caso el eutctico no es ya una yuxtaposicin de cristales de dos metales puros A y B , puesto que stos a la temperatura de formacin del eutctico llevan disuelto N y (100R)%del otro componente, respectivamente. El eutctico E est formado, pues, por la yuxtaposicin de cristales de solucin slida de composicin N y de solucin slida de com posicin R. La lnea CEF corresponde al lquidus, CGEHF al slidus, GM a la solubilidad de B en A en, estado slido y HP a la solubilidad de A en B en estado slido. Estas ltimas pueden adoptar formas diferentes (figura 3.23) y de acuerdo a ellas podrn aplicarse determinados tratamientos al material. Desarrollaremos los procesos de solidificacin de los diferentes tipos de aleacin correspondientes a las distintas zonas de este diagrama.

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a) Solucin slida pura. Aparece a ambos extremos del diagrama. As por ejemplo, la aleacin 1 (figura 3.21) al enfriarse desde el estado lquido, corta la lnea de lquidus precipitando en primer trmino cristales de solucin slida de composicin 1', seguidos de otros de composicin 1", como en el caso de las aleaciones totalmente solubles en estado slido. Con enfriamientos muy lentos o tratamientos trmicos de homogeneiza cin posteriores, tendremos un material de composicin homognea relativamente dctil y blando, de valores bajos de resistencia mecnica y sin indicios de fragilidad. Su estructura metalogrfica es de granos poligonales ms o menos equiaxiales (figura 3.22). Si el enfriamiento, a partir del lquido, ha sido brusco y no se efectu tratamiento trmico posterior alguno, pueden revelarse heterogeneidades de composicin: en el centro de los granos mayor cantidad del componente A y en la periferia del componente B.

Figura 3-22

La aleacin 2 sigue el mismo mecanismo de solidificacin descripto para la aleacin 1, o sea: produce solucin slida (figura 3.21). Pe ro una vez slida, al seguir bajando la temperatura y cruzar la lnea GM que limita la zona de solubilidad slida, comienza a segregarse el componente B en los bordes de grano y sobre los planos cristalogrficos de la estructura anterior. De este modo, un material que solidifica en una estructura homognea se escinde durante su enfriamiento ulterior. Se puede obtener la estructura homognea con un enfriamiento rpido desde la temperatura de solubilidad slida mxima. La lnea GM puede adoptar otras formas, como se seala en la figura 3.23. Las lneas GM' y GM" no provocan la precipitacin ulterior del constituyente B anteriormente mencionado. Cuando la lnea de

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solubilidad adopta la forma GM (figura 3.23) se hace posible efectuar un tratamiento trmico muy interesante, llamado endurecimiento por precipitacin o envejecimiento artificial. En el captulo 6 se estudiar en detalle este tratamiento.

Figura 3-23

b) Solucin slida rodeada de eutctico. Es el caso de la aleacin N 3 de la figura 3.21: al enfriarse a partir del estado lquido se llega a la lnea de lquidus y precipita solucin slida a, como en el caso anterior. Pero en este caso se llega a la temperatura eutctica cuando an existe lquido rodeando a los cristales de solucin slida formados. Este lquido remanente, cuya composicin ha ido siguiendo los valores dados de la lnea CE, posee a la temperatura eutctica la composicin correspondiente al punto E. Por debajo de esta temperatura no puede existir lquido alguno. Solidifican, por lo tanto, en forma isotrmica cristales alternados de las dos soluciones slidas: (de composicin N) y (de composicin R). El slido as formado en un enfriamiento ulterior vara su composicin por difusin. En efecto, tanto los cristales primarios como los pe queos cristales constitutivos del eutctico poseen, a la temperatura de su formacin, N%de componente B. Pero la solubilidad de B en A va disminuyendo con el descenso de temperatura en el estado slido, segn la lnea GM, segregndose por lo tanto N-M %de componente B de la solucin slida ya formada. Este constituyente as segregado va al borde de los granos, donde tiene la posibilidad de nuclearse. No ser metal B puro sino solucin slida de concentracin P, pues a temperatura ambiente B disuelve una pequea cantidad de metal A. A su vez los pequeos cristales constitutivos del eutctico tendrn, en el momento de su formacin, la concentracin R que, por segregacin

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ulterior, quedar en un valor igual a P a temperatura ambiente (figura 3.21). Estamos, en definitiva, en el caso de una aleacin bifsica como en las aleaciones Nos. 2 y 3 de la figura 3.12, cuya estructura metalogrfica (granos poligonales de solucin slida rodeados de eutctico) se asemeja a la figura 3.14. Cuanto mayor sea la cantidad y tamao de los granos de solucin slida, ms blanda ser la aleacin y cuanto mayor la proporcin del eutctico mayor ser su resistencia mecnica, su tenacidad y su resistencia a la fatiga. Como en el caso citado, debemos tener en cuenta el tamao de grano en caso de tener interfases con valores bajos de cohesin. En cuanto a la colabilidad (fluidez) aumenta con la cantidad de eutctico presente. En las aleaciones de solucin slida sin eutctico y en especial en los tenores altos de soluto (ej.: aleacin 2 de la figura 3.21), la colabilidad es mala, aparecen fisuras de solidificacin y porosidades en zonas extensas. En las aleaciones que contienen eutctico, en cambio, hay mayor fluidez, ausencia de fisuras de colada y porosidades. Hay una cavidad central (rechupe) en la zona superior de los lingotes, que puede eliminarse por corte. c) Eutctico. Se trata de la aleacin N 4 de la figura 3.21. Aqu tenemos un proceso de solidificacin muy simple. La aleacin lquida permanece inalterada hasta llegar al punto E, confluencia de las lneas del lquidus y el slidus. A esta temperatura precipita un eutctico constituido por solucin slida y de composicin N y R respectivamente. Durante el enfriamiento ulterior cada uno de los cristales segrega algo del otro componente en los bordes de los granos hasta quedar con las concentraciones M y P respectivamente (figura 3.21). Este material es el de grano ms fino de la serie y, por lo tanto, ser ms duro, tenaz y resistente que cualquier otra aleacin correspondiente a este diagrama. Tiene, adems, excelente colabilidad sin presentar fisuras de solidificacin. Su estructura metalogrfica se asemeja a la figura 3.15. La aleacin N 5 de la figura 3.21 se asemeja a la N 3 y la aleacin N6 a la N l. El diagrama que hemos estudiado se puede obtener, como los tratados anteriormente, por medio de anlisis trmico, o sea la construccin de una serie de curvas de enfriamiento de aleaciones de distinta composicin y la unin de los puntos de comienzo y fin de la solidificacin. La figura 3.24 ilustra el procedimiento.

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Al igual que en los casos precedentes, podemos ac seguir el proceso de solidificacin y saber a cada temperatura la

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