ALEACIONES y

DIAGRAMAS DE FASES

CONSTITUCIN DE

ALEACIONES

UNIDAD V

BIBLIOGRAFA RECOMENDADA:

1.- CAPTULOS 5, 6 y 7 DEL LIBRO SIDNEY

AVNER.

2.- CAPTULO 10 DEL LIBRO SMITH HASTA

LA PGINA 16 DE ESE CAPTULO.

Aleaciones y Fases Una aleacin es una sustancia que tiene propiedades metlicas y est

constituida por dos o ms elementos qumicos, de los cuales, a lo

menos uno de ellos es metal.

El trmino fase describe cualquier masa homognea de material, tal

como un metal en el que los granos tienen todos la misma estructura

de red cristalina.

En una solucin slida, el elemento de disolvente o base es metlico,

y el elemento disuelto puede ser metlico o no metlico.

Las soluciones slidas se pueden presentar en dos formas, que se

muestran en la Figura 1. La primera es una solucin slida de

sustitucin, en el que los tomos del elemento de disolvente se

sustituyen en su celda unidad por el elemento disuelto. El latn es un

ejemplo clsico en el que el Zn est disuelto en el Cu.

Formas de Solucin Slida

Dos formas de solucin slida:

a) S. S. Sustitucional,

b) S. S. Insterticial

Figura 1

REGLAS PARA LA SOLUBILIDAD DE SLIDOS

En relacin a dos elementos que se disuelven por completo entre s,

normalmente satisfacen una o ms de las sgtes. condiciones formuladas

por el investigador metalrgico ingls William Hume-Rotery (1899-1968) y

conocidas como las reglas de solubilidad de slidos de Hume-Rotery:

La estructura cristalina de cada elemento de la solucin slida debe ser la

misma,

El tamao de los tomos de cada uno de los dos elementos no debe diferir

en ms de un 15%,

Los elementos no deben formar compuestos entre s, esto es, no debe

haber diferencias apreciables entre las electronegatividades de ambos

elementos,

Los elementos deben tener la misma valencia.

No todas la reglas de Hume-Rotery son siempre aplicables para todas las

parejas de elementos que presentan solubilidad total en el estado slido.

SOLUCIN SLIDA INTERTICIAL

El segundo tipo de solucin slida es una solucin slida intersticial,

en el que los tomos del elemento de disolucin encajan en los

espacios vacos entre los tomos de metales base en la estructura

reticular. De ello se desprende que los tomos que encajan en

estos intersticios deben ser pequeos en comparacin con los del

metal disolvente. El ejemplo ms importante de este segundo tipo

es de carbono disuelto en el hierro para formar el acero.

En ambas formas de solucin slida, la estructura de la aleacin es

generalmente ms fuerte y ms duro que cualquiera de los

elementos componentes individualmente o en forma pura.

Fases Intermedias

Como era de esperarse, existen lmites a la solubilidad de un elemento en

otro.

Cuando la cantidad del elemento de disolucin en la aleacin excede el

lmite de solubilidad slida del metal base, una segunda fase tendr forma

en la aleacin.

El trmino fase intermedia se utiliza para indicar y aclarar que su

composicin qumica es intermedio entre los dos elementos puros.

Su estructura cristalina es tambin diferente de la de aquella que tienen los

elementos puros.

Dependiendo de la composicin, y reconociendo que muchas aleaciones

constan de ms de dos elementos, estas fases intermedias pueden ser de

varios tipos, incluyendo: 1) compuestos metlicos constituidos por un metal

y un no metal tal como Fe3C; y (2) los compuestos intermetalicos en que dos metales que forman un compuesto, tal como Mg2Pb6.

La composicin de la aleacin es a menudo tal que la fase intermedia se

mezcla con la solucin slida primaria para formar una estructura de dos

fases, una fase dispersa a travs de la segunda.

Introduccin al Diagrama de Fases Binario

Estas aleaciones bifsicas son importantes porque se pueden formular y ser

tratadas trmicamente (tmto. trmico) y as aumentar su resistencia mecnica

significativamente tal que sea mayor que el de la solucin slida original.

El trmino de diagrama de fases debe entenderse como un medio grfico de

representacin de las fases de un sistema de aleacin de metal como una

funcin de la composicin y la temperatura. Esta discusin del diagrama se

limita (simplificadamente) a los sistemas de aleacin que consta de dos

elementos a presin atmosfrica. Este tipo de diagrama se llama un diagrama

de fases binario.

Figura 2.- Ejemplo de

diagrama de fases

binario entre los

elementos A y B con

una T y una [ ] eutctica

SISTEMA BIFSICO Cu-Ni

La mejor manera de introducir el diagrama de fase es el ejemplo de la Figura

3 en el que se presenta uno de los casos ms simples, el sistema de

aleacin de Cu-Ni. Cualquier punto en el diagrama indica la composicin

global y la fase o fases presentes en la temperatura dada. El cobre puro se

funde a 1083 C, y el nquel puro a 1455 C. Composiciones de aleacin entre estos extremos exhiben fusin gradual que comienza en el solidus y

concluye en la fase lquida a medida que aumenta la temperatura. El sistema

cobre-nquel es una aleacin de solucin slida en toda su gama de

composiciones. En cualquier parte de la regin por debajo de la lnea de

solidus, la aleacin es una solucin slida; NO hay fases slidas intermedias

en este sistema. Sin embargo, hay una mezcla de fases en la regin limitada

por el solidus y liquidus. La lnea o frontera solidus es la temperatura a la que

el metal slido comienza a derretirse a medida que aumenta la temperatura,

y el liquidus es la temperatura a la que se completa la fusin. Ahora se

puede ver a partir del diagrama de fase que estas temperaturas varan con la

composicin. Entre el solidus y liquidus, el metal es una mezcla slido-

lquido.

DIAGRAMA DE FASES Cu-Ni

Figura 3.- Diagrama de Fases Binario Cu-Ni

Figura 3.- Sistema

Binario Cu-Ni

Determinacin de la Comp. Qca. de las Fases Presentes

Aunque la composicin total de la aleacin est dado por su

posicin a lo largo del eje horizontal, las composiciones de las fases

lquida y slida no son las mismas. Es posible determinar estas

composiciones desde el diagrama de fase dibujando una lnea

horizontal a la temperatura de inters. Los puntos de interseccin

entre la lnea horizontal y el solidus y liquidus indican las

composiciones de las fases slida y lquida presentes,

respectivamente. Simplemente construir las proyecciones verticales

de los puntos de interseccin con el eje x y leer las

correspondientes composiciones.

Para ilustrar el procedimiento, supongamos que se quiere analizar

las composiciones de las fases lquida y slida presente en el

sistema de cobre-nquel en una composicin de 50% de nquel y

una temperatura de 1260 C

Continuacin del Procedimiento de Clculo

Una lnea horizontal se dibuja en el nivel de temperatura dado,

como se muestra en la Figura 3. La lnea se cruza con el solidus en

una composicin de 62% de nquel, lo que indica la composicin de

la fase slida. La interseccin con el liquidus se produce a una

composicin de 36% de Ni, correspondiente al anlisis de la fase

lquida

Como se reduce la temperatura de la aleacin de Cu-Ni 50-50, la

lnea solidus se alcanza a alrededor de 1221 C. Aplicando el mismo procedimiento usado en el ejemplo, la composicin del metal

slido es 50% de nquel, y la composicin de la ltima gota del

lquido restante para solidificar es de aprox. 26% de nquel. Cmo

es esto, que la ltima gota de metal fundido tiene una composicin

tan diferente de la de metal slido en el cual se congela? La

respuesta es que el diagrama de fases asume las condiciones de

equilibrio que prevalecen. De hecho, el diagrama de fase binario es

un diagrama de equilibrio debido a esta suposicin.

Fenmeno de Segregacin Interna Durante la

Solidificacin

Lo que significa es que se permite el tiempo suficiente para que el

metal slido pueda cambiar gradualmente su composicin por

difusin para alcanzar la composicin indicada por el punto de

interseccin a lo largo de la lnea liquidus. En la prctica, cuando se

solidifica la aleacin (por ejemplo, una pieza de fundicin), ocurre un fenmeno de segregacin en la masa slida debido a las condiciones de no equilibrio. El primer lquido que solidifica tiene

una composicin que es rica en el metal con el punto de fusin ms

alto. Entonces, como el metal restante se solidifica, su composicin

es diferente de la del primer metal solidificado. Como los ncleos

que estn creciendo y formando los granos de la masa slida

solidificada, las composiciones se distribuyen dentro de la masa,

dependiendo de la temperatura y el tiempo en el proceso en que se produjo la solidificacin. La composicin total es la media de la distribucin.

DETERMINACIN DE LA CANTIDAD DE CADA

FASE. REGLA DE LA PALANCA.

Las cantidades de cada fase presente en una temperatura dada en

el diagrama de fase tambin se puede determinar. Esto se hace por

la regla de la palanca inversa: (1) utilizando la misma lnea

horizontal como antes que indica la composicin general a una

temperatura dada, medir las distancias entre la composicin de

agregado y los puntos de interseccin con el liquidus y solidus, la

identificacin de las distancias como CL y CS, respectivamente

(referirse a la Figura 3); (2) la proporcin de fase de lquido presente

est dada por:

Proporcin de fase L = CS ec. (1)

CS + CL

Proporcin de fase S = CL ec. (2)

CS + CL

Ejemplo del Uso de la Regla de la Palanca

Determinar las proporciones de fases lquida y slida para la

composicin de nquel 50% del sistema de cobre-nquel a la

temperatura de 1260 C.

Solucin: Utilizando la misma lnea horizontal en la figura 3 como en

el Ejemplo 1 anterior, las distancias CS y CL se miden como 12% y

14% respectivamente. As, la proporcin de la fase lquida es 12/26

= 0,46 (46%), y la proporcin de fase slida es 14/26 = 0,54 (54%).

Las proporciones dadas por las ecuaciones. (1) y (2) son en peso,

lo mismo que los porcentajes diagrama de fases. Tener en cuenta

que las proporciones se basan en la distancia en el lado opuesto de

la fase de inters; de ah el nombre regla de la palanca inversa. La

lgica de esto se encuentra tomando el caso extremo cuando, por

ejemplo, CS = 0; en ese punto, la proporcin de la fase lquida es

cero porque el solidus se ha alcanzado y la aleacin est por lo

tanto completamente solidificada.

Los mtodos para determinar la composicin qumica de

las fases y las cantidades de cada fase son aplicables a

la regin slida del diagrama de fase, as como la regin

de solidus-liquidus. Dondequiera que hay regiones en el

diagrama de fase en el que dos fases estn presentes,

se pueden utilizar estos mtodos. Cuando slo una fase

est presente (en la figura 3, se trata de toda la regin

slida), la composicin de la fase es su composicin de

agregado en condiciones de equilibrio; y la regla de la

palanca inversa no se aplica porque hay una sola fase.

Diagrama de Fases Sn-Pb

Un diagrama de fases ms complicado es el sistema de Sn-Pb, se muestra

en la Figura 3. Las aleaciones de estao y plomo se han utilizado

tradicionalmente como soldaduras para realizar conexiones elctricas y

mecnicas. El diagrama de fase exhibe varias caractersticas que no se

incluyen en el sistema Cu-Ni anterior. Una caracterstica es la presencia de

dos fases slidas, alfa () y beta (). La una fase es una solucin slida de Sn en Pb en el lado izquierdo del diagrama, y la fase es una solucin slida de Pb en Sn que ocurre slo a temperaturas elevadas alrededor de 200C en el lado derecho del diagrama. Entre estas soluciones slidas se encuentra

una mezcla de las dos fases slidas + .

Otra caracterstica de inters en el sistema SN-Pb es cmo el pto. de fusin

vara para diferentes composiciones. Estao puro funde a 232C y el plomo puro funde a 327C. Las aleaciones de estos elementos se funden a temperaturas ms bajas. El diagrama muestra dos lneas liquidus que

comienzan en los puntos de fusin de los metales puros y se renen en la

composicin de 61,9% Sn. Esta es la composicin eutctica para el sistema

de estao y plomo. En general, una aleacin eutctica es una composicin

particular en un sistema de aleacin para la cual el solidus y liquidus estn a

la misma temperatura

Diagrama de Fases Binario Sn-Pb

Figura 4.- Binario Sn-Pb

Concepto de Eutctico

La temperatura eutctica correspondiente, el punto de fusin de la

composicin eutctica, es 183C en el caso Sn-Pb. La T eutctica siempre es el punto de fusin ms bajo para un sistema de

aleacin (eutctica se deriva del griego eutektos, que significa

fcilmente fundida). Los mtodos para determinar el anlisis

qumico de las fases y las proporciones de fases presentes se

pueden aplicar fcilmente al sistema de Sn-Pb tal como se utiliza

en el sistema Cu-Ni. De hecho, estos mtodos son aplicables en

cualquier regin que contiene dos fases, incluyendo dos fases

slidas. La mayora de los sistemas de aleacin se caracterizan

por la existencia de mltiples fases slidas y composiciones

eutcticas, y as los diagramas de fase de estos sistemas son a

menudo similar al diagrama de Sn-Pb. Por supuesto, muchos

sistemas de aleacin son considerablemente ms complejos. Uno

de estos es el sistema de aleacin de Fe-C.

Reacciones Posibles en un Diagrama de Fases de Equilibrio

La Reaccin Peritectoide

Esta es una reaccin relativamente comn en los diagramas de fases y se

presenta en el estado slido y aparece en varios sistemas de aleacin. En

general, la reaccin peritectoide puede describirse de la sgte. forma:

Solido 1 + Solido 2 NUEVO SLIDO

La nueva fase slida suele ser una fase intermedia, aunque tambin podra

tratarse de una solucin slida. La Rx peritectoide tiene la misma relacin a la

reaccin peritctica que la eutectoide la tiene con la eutctica. Esencialmente,

es el remplazo de un lquido por un slido. Las figuras 5.1 y 5.2 muestran dos

diag. de fases hipotticos para ilustrar la Rx peritectoide.

Fig. 5.1

Fig. 5.2

La Reaccin Peritectoide

En la figura 4, 2 fases slidas reaccionan en la lnea de la T peritectoide EF para dar forma a una fase intermedia. La relacin puede escribirse

como:

+

En la figura 5, dos fases slidas, el metal puro A y la soluc. Slida reaccionan en la lnea de la T peritectoide CD para formar una nueva fase slida; la s.s. terminal . Esta reaccin se puede escribir como:

A +

La microestructura de una Rx peritctica rara vez muestra una transformacin

completa. Esto es a causa que se requiere DIFUSIN a travs de la nueva

fase para alcanzar el equilibrio. Como la Rx peritectoide ocurre por completo

en estado slido y, gralmente. a T menores a la Rx peritctica, la veloc. de difusin ser menor y habr menor probabilidad de que se alcance las

estructuras de equilibrio. La fig. 6 muestra una parte del diagrama de equilibrio

Ag-Al que contiene una Rx peritectoide:

enfriamiento

calentamiento

enfriamiento

calentamiento

Rx Peritctica; Ejemplo Real

Figura 6.- Zona

rica en Plata del

diagrama de Equi_

librio Ag-Al.

Peritectoide

La velocidad de enfriamiento juega un rol importante en la proporcin de

Fase que se pueda obtener en la microestructura final de esta aleacin. Est comprobado que en esta caso se requieren varias horas de enfriamiento para

lograr un porcentaje elevado de fase en la microestructura a T ambiente.

Ejemplo Clsico de Peritctico. Diagrama Binario Fe-C en

rea de Fe cerca del pto de Fusin del Fe

Reaccin Peritctica:

+ L

enfriamiento

calentamiento

Fig. 7.- Regin de Fase delta en Fe-C

Ejemplo de Reacciones Diversas en un Sistema

Cuaternario Ferroso

Fig. 8.- Efecto de los

elementos de aleacin sobre

un acero al C.

Acero aleado con 4% Cr, 5%

Mo, 6% W y 2% V.

Observar el efecto sobre el

campo alfa del acero, la

desaparicin de la fase y la aparicin de una fase K

DIAGRAMA DE FASES Fe-C

MECANISMOS DE ENDURECIMIENTO DE LAS ALEACIONES METLICAS

OBJETIVOS

Establecer los diferentes mecanismos de endurecimiento presentes en una aleacin.

Establecer la informacin que ofrecen los diagramas de fase para decidir el procedimiento ms

efectivo para el endurecimiento de las aleaciones binarias.

Profundizar en la esencia y los mecanismos internos de endurecimiento de las aleaciones por

diferentes vas como preparacin para comprender el endurecimiento de las aleaciones reales de

uso ingenieril estudiadas en el captulo de propiedades mecnicas del slido.

TEMAS

6.1. Endurecimiento por reduccin del tamao de grano.

6.2. Endurecimiento por deformacin plstica.

6.3. Endurecimiento por solucin slida.

6.4. Endurecimiento por presencia y control de dos fases que se forman simultneamente.

6.5. Endurecimiento por precipitacin y dispersin de segundas fases en una matriz blanda.

MECANISMOS DE ENDURECIMIENTO DE

LOS METALES O ALEACIONES

Endurecimiento por trabajo en fro.

Endurecimiento por precipitacin.

Endurecimiento por tratamientos termoqumicos.

Endurecimiento por temple.

Endurecimiento por aleacin o solucin.

Endurecimiento por tamao de grano.

MECANISMO DE ENDURECIMIENTO POR

PRECIPITACIN

El requisito bsico es la menor solubilidad del soluto a menor T.

Mecanismo muy usado en aleaciones de Al en aeronutica para endurecerlas

MECANISMO DE ENDURECIMIENTO POR

PRECIPITACIN

Si se templa la aleacin a T suficientemente bajas, la ppcin de un tipo cualquiera de 2da fase puede suprimirse incluso por completo, de modo que

se obtendr una s.s. metaestable.

Ahora; si se templa a T moderadamente bajas, se encuentra frecuentemente que ocurre la ppcin de una nueva fase; sin embargo la nueva fase no es sino que una nueva fase metaestable, la cual, desde luego, no se representa

en el diagrama de equilibrio de fases. A menudo este tipo de Rxs que

conducen a efectos grandes de reforzamiento se denominan endurecimiento

por precipitacin.

DEFORMACIN DE LOS METALES

Los metales son blandos y deformables a causa del

movimiento de las dislocaciones en la estructura

cristalina y el endurecimiento de los mismos se produce

cuando se dificulta este movimiento (lectura del Cap. I libro Shewmon)

El endurecimiento mximo de los metales puros se obtiene

por deformacin en fro. En este caso, se produce un

sistema de dislocaciones complejo (incluye generacin de

maclas) que hace extremadamente difcil cualquier

movimiento posterior.

Los procedimientos utilizados para el endurecimiento de los

metales puros pueden emplearse tambin para las

aleaciones; sin embargo, existen otros mtodos para

aumentar su resistencia mecnica, tales como:

MECANISMOS DE ENDURECIMIENTO DE LOS METALES

Los que se basan en reacciones en el estado slido, halladas

en un nmero relativamente pequeo de sistemas de

aleacin.

Los que se basan en el endurecimiento por aleacin

(formacin de soluciones slidas o presencia de una segunda

fase) que se produce en todas las aleaciones. Este mtodo

es el ms comn.

Endurecimiento por Introduccin de Elementos Aleantes

Los elementos de aleacin en solucin slida endurecen siempre el

metal solvente. El grado de endurecimiento producido por un

determinado elemento de aleacin depender de las diferencias en

tamao y la estructura electrnica que existen entre este elemento y el

metal solvente.

Endurecimiento del Cobre al ser aleado con

elementos de diferente tamao atmico

.

Fig. 9.- Endurecimiento por Aleacin

del Cu con Ni. Propiedad

mecnica Vara segn sea el

contenido de Ni en la aleacin

Bloqueo de Dislocaciones por tomos de Soluto

Si los tomos solutos se renen preferentemente alrededor de las

dislocaciones, la fuerza necesaria para mover una dislocacin puede

aumentar considerablemente. Puesto que la matriz est en tensin en la

regin por abajo de la dislocacin de borde, la energa del sistema disminuye

cuando los tomos solutos se mueven desde posiciones al azar en la red a

posiciones de esta regin. Entonces se dice que la dislocacin est

bloqueada por una "atmsfera" de tomos del soluto.

Formacin de una atmsfera de Cottrell de tomos de soluto alrededor de

una dislocacin; los grandes tomos de soluto en posiciones al azar crean

una energa de deformacin y el movimiento de los tomos solutos hacia

posiciones bajo la dislocacin, disminuye esta energa.

Endurecimiento por Presencia de Segunda Fase

Cuando existe una segunda fase, se produce otro tipo de endurecimiento

por aleacin. Aunque una dislocacin puede pasar a travs de un conjunto

de tomos de soluto separados, no puede hacer esto en el caso de

partculas de una segunda fase. Por el contrario, la dislocacin ha de ser

forzada a pasar entre las partculas adyacentes dejando un anillo de

dislocacin alrededor de cada partcula.

Lnea de dislocacin forzada a

travs de partculas de una

segunda fase o

microconstituyente situadas en su

plano de deslizamiento

Fig. 10.- Formacin de anillos de dislocacin

Reacciones en el Estado Slido

El endurecimiento por aleacin y la deformacin en fro se aplican

ampliamente, pero en ciertos sistemas de aleacin es posible sustituirlos o

aumentarlos por medio de las reacciones especiales de endurecimiento

que se producen en el estado slido.

Estas reacciones en el estado slido son especialmente significativas por

las siguientes razones:

-Aumentan la dureza muy por encima del grado posible conseguido

en el endurecimiento por aleacin.

-No precisan que la pieza se deforme plsticamente.

-Permiten realizar el endurecimiento en el momento ms conveniente

del proceso de fabricacin

Reacciones en el Estado Slido

Sin embargo, este tipo de endurecimiento tiene algunos inconvenientes:

-No en todos los sistemas de aleacin pueden producirse reacciones

en el estado slido.

-Una reaccin en el estado slido en condiciones de equilibrio no

conduce a un endurecimiento apreciable. Para producir el

endurecimiento es necesario formar una estructura fuera de equilibrio

- El grado de endurecimiento producido por una reaccin determinada

en el estado slido vara de sistema a sistema y puede ser

insignificante en algunos casos. La aparicin de una reaccin dada

debe considerarse condicin necesaria pero no suficiente para el

endurecimiento.

REACCIONES TPICAS CAPACES DE AUMENTAR

DUREZA EN LAS ALEACIONES

Reacciones en el estado slido capaces de producir aumentos tiles de

dureza:

a) Descomposicin eutectoide.

b) Precipitacin en una solucin slida

c) Ordenamiento de una solucin slida al azar.

d) Reaccin de difusin.

(a)

(b)

(c)

(d)

REACCIONES TPICAS CAPACES DE

AUMENTAR DUREZA EN LAS ALEACIONES

En las figuras a) hasta la d) anteriores, se presenta

esquemticamente la forma necesaria de las relaciones de fase

para estas reacciones. Para producir la descomposicin eutectoide

se requieren condiciones como las que se representan en (a), un

diagrama eutectoide tpico. Si el lmite entre una regin monofsica

y otra bifsica (la lnea de solvus), se inclina en la forma indicada en

(b), puede producirse la precipitacin. Para que la ordenacin sea

posible, debe poder realizarse en la fase slida del sistema de

aleacin en cuestin, una reaccin del tipo de la figura (c). Las

condiciones necesarias para una reaccin de difusin se indican en

(d). La composicin de una aleacin endurecible (un metal B en un

metal A) debe variar de una regin de una fase a otra de dos fases,

como resultado de la difusin de un tercer componente (metal C)

hacia la aleacin inicial.

MICROESTRUCTURAS TPICAS DE SISTEMA Fe-C

Nombre de la microestructura Descripcin

Ferrita d Solucin slida intersticial de carbono en hierro (BCC)

Autenita g, ( Fe-g) Solucin slida intersticial de carbono en hierro (CFC)

Ferrita a, (Fe - a) Solucin slida intersticial de carbono en hierro (BCC)

Perlita P, (a+Fe3C)

Eutectoide de ferrita y cementita con microestructura

laminar de placas alternadas de Fe- y cementita

Bainita B

Eutectoide de ferrita y cementita. La ferrita puede tener apariencia

plumosa o de placas. Las partculas de carburo estn entre regiones de

ferrita .

Ledeburita (Fe-g + Fe3C)

Eutctico de austerita y cementita. De estructura laminar parecida con la

perlita. Tpicamente encontrada en fundiciones

Esferoidita (cementita globular() Partculas esfricas de cementita en una matriz de ferrita a

Martensita

Solucin Slida intersticial de carbono en estructura cristalina

tetragonal centrada en el cuerpo (TCC) del hierro.

Aceros hipoeutectoides

Aleaciones de composicin a la izquierda de la reaccin eutectoide

Aceros hiperutectoides

Aleaciones de composicin a la derecha de la reaccin eutectoide.

Ferrita proeutectoide Ferrita que se forma antes de la reaccin eutectoide

Cementita proeutectoide Cementita que se forma antes de la cementita eutectoide

POLIMORFISMO Y ALOTROPA

TABLA 1 FORMAS CRISTALINAS ALOTRPICAS DE ALGUNOS METALES

Metal Estructura cristalina a temperatura ambiente A otras temperaturas

Ca FCC BCC (> 447C)

Co HCP FCC (> 427C)

Hf HCP BCC (> 1742C)

Fe BCC FCC (912 1394C)

BCC (> 1394C)

Li BCC HCP (< -193C)

Na BCC HCP (< -223C)

Tl HCP BCC (>234C)

Ti HCP BCC (> 883C)

Y HCP BCC (>1481C)

Zr HCP BCC (> 872C)

Muchos compuestos y elementos existen en ms de una forma cristalina bajo diferentes

condiciones de temperatura y presin. Este fenmeno es determinado como polimorfismo

o alotropa. Muchos metales industrialmente importantes como el Fe, Ti y Co

experimentan transformaciones alotrpicas a elevadas temperaturas manteniendo la

presin atmosfrica. La tabla 1 muestra algunos metales seleccionados que sufren

transformaciones alotrpicas y cambios de estructura u ordenamiento atmico.

DIAGRAMA Fe C

Ejemplo Tpico del caso a)

.

Fig. 11.- Porcin del diagrama de fases Fe-C en que se muestra la

regin eutectoide, las reacciones de equilibrio involucradas y las

distintas fases presentes en cada rea del diagrama.

MICROCONSTITUYENTES DE EQUILIBRIO!!

Endurecimiento por Transformaciones en el

Estado Slido en Aceros

Las transformaciones que ocurren en los aceros, particularmente las de

carcter difusional, presentan una gran dependencia con la temperatura.

Esta dependencia, sin lugar a dudas, est relacionada con la movilidad de

los tomos, la cual decrece al disminuir la temperatura.

La transformacin martenstica no requiere de activacin trmica como ocurre en el caso de las transformaciones difusionales, sin embargo, para la

que transformacin comience es necesario alcanzar la temperatura Ms, y

para que contine es necesario seguir reduciendo la temperatura. La

fraccin de austenita transformada es funcin solamente de dicha variable y

el lmite de esta fraccin es la temperatura Mf, donde la transformacin se

detiene. Las propiedades de la martensita dependern esencialmente de la

cantidad de carbono presente, de esta forma la temperatura de

austenitizacin definir las propiedades de esta fase, en que a una mayor

temperatura, la cantidad de carbono en la austenita ser mayor y mayor ser

la dureza de la martensita.

ASPECTOS RELEVANTES DE LA

TRANSFORMACIN MARTENSTICA

La transformacin martenstica se presenta en un gran nmero de

aleaciones entre las que se incluyen Fe-C, Fe-Ni, Fe-Ni-C, Fe-Mn, Cu-Zn,

Au-Cd, y en algunos metales puros como Li, Zr, Co. Pero slo produce

endurecimiento en los aceros con contenido de carbono superior al 0,3%.

Otra caracterstica de la reaccin martenstica es la gran velocidad de

crecimiento de las placas; casi un tercio de la velocidad del sonido. Esto

indica que la energa de activacin para el crecimiento de una placa es muy

baja y, por lo tanto, es la energa de nucleacin la que determina la

cantidad de martensita formada bajo una condicin determinada. La

martensita empieza a formarse cuando la fase original se enfra por debajo

de la temperatura crtica Ms, y la transformacin termina a la temperatura

inferior, Mf. Al disminuir la temperatura por abajo de Ms, aumenta la fuerza

promotora para la transformacin, con lo cual se incrementa la formacin

de ncleos que pueden crecer en ese momento determinado. La

deformacin mecnica promueve la formacin de martensita a

temperaturas superiores a Ms.

Endurecimiento por Transformaciones en el

Estado Slido en Aceros

En los aceros, el efecto obtenido por las transformaciones est relacionado

principalmente a la temperatura a la cual se produce la transformacin. En

general, mientras ms baja la temperatura de transformacin mayor es el

efecto endurecedor; esto se debe a que la temperatura de transformacin

afecta a todos los mecanismos de endurecimiento usualmente en el sentido

de aumentar su intensidad. De esta forma, mientras ms baja la

temperatura de transformacin obtendremos una mejor eficiencia en los

mecanismos antes mencionados:

Tamao de grano fino del producto de la transformacin

Menor densidad de dislocaciones

Dispersin fina de cualquier fase precipitada

Mayor tendencia a retener solutos en solucin sobresaturada

La Figura 12 muestra el efecto de la temperatura de transformacin de la

austenita sobre la resistencia de los aceros estudiada por F. Pickering en la

segunda mitad del siglo pasado.

Figura 12.- Efecto de la temperatura de Transformacin en la resistencia a la traccin de estructuras con martensita, ferrita, perlita y bainticas

La interaccin de todos estos efectos conlleva a resultados complejos,

pues todos ellos contribuyen a aumentar la resistencia pero cada uno

tiene un efecto individual sobre otras propiedades tales como la

ductilidad o tenacidad.

La Transformaciones del Sistema Fe-C

MICROESTRUCTURAS RESULTANTES TPICAS DE

ALEACIONES Fe-C SEGN SU COMPOSICIN

Relacin Resistencia- Ductilidad en Aceros

Relacin Inversa entre Resistencia y Ductilidad conforme se

incrementa La Dureza de un acero Martenstico Revenido

ESQUEMA GENERAL DE LOS TRATAMIENTOS

TRMICOS PRACTICADOS A MATERIALES

METLICOS

TRATAMIENTO TRMICO DE REVENIDO

Revenido: Es un tratamiento complementario del temple, que regularmente sigue a ste. A la unin de los dos tratamientos

tambin se le llama "bonificado". El tratamiento de revenido consiste

en calentar al acero seguido del normalizado o templado, a una

temperatura menor al punto crtico, seguido de un enfriamiento

controlado que puede ser rpido cuando se deseen resultados

elevados en tenacidad, o lento, para reducir al mximo las

tensiones trmicas que puedan causar deformaciones