UNIDAD 6

UNIDAD 6
Endurecimiento por aleación. Aleaciones
con solubilidad parcial en estado sólido
6.1 CUESTIONES DE AUTOEVALUACIÓN
1 - En los aceros hipereutectoides la cementita aparece en:
a) Bordes de grano de la perlita.
b) Bordes de grano de la ferrita.
c) Disuelta en la ferrita.
d) En los bordes de grano y en la perlita.
2 - El endurecimiento óptimo de aleaciones por envejecimiento, aumenta:
a) Con la temperatura de envejecimiento.
b) Con la cantidad de fase beta coherente endurecedora.
c) Con el tiempo de envejecimiento.
d) Con la cantidad de partículas beta observadas al microscopio.
3 - En los tratamientos mixtos acritud + envejecimiento, la acritud se aplica:
a) Tras el envejecimiento antes del sobrenvejecimiento.
b) Antes de la solubilización.
c) En estado de temple.
d) Durante la solubilización.
4 - El sobrenvejecimiento fundamenta su ablandamiento en:
a) Disolución de las partículas de precipitado.
b) Engrosamiento de las partículas.
c) Desaparición de las partículas pequeñas.
d) Pérdida de coherencia de las partículas con la matriz.
5 - Con el envejecimiento artificial obtenemos:
a) Características mecánicas menos elevadas.
b) Aumento de su fragilidad.
c) Precipitados coherentes.
d) Todas son correctas.
6 - ¿Qué contenido aproximado en perlita presentará un acero al carbono con 0,2% de C?:
a) 25%.
b) 37%.
c) 50%.
d) 63%.
97
Cuestiones y ejercicios de Fundamentos de Ciencia de Materiales
7 - ¿Qué contenido aproximado en perlita presentará un acero al carbono con 0,6% de C?:
a) 25%.
b) 37%.
c) 50%.
d) 75%.
8 - La microestructura de la perlita varía con:
a) El contenido en carbono del acero.
b) La velocidad de enfriamiento.
c) La composición de la ferrita.
d) La temperatura de austenización.
9 - En los aceros hipoeutectoides la cementita aparece en:
a) En la perlita.
b) En los bordes de grano de la ferrita.
c) En los bordes de grano de la austenita.
d) Disuelta en la austenita.
10 - Si realizamos el envejecimiento a alta temperatura obtendremos:
a) Altas características resistentes.
b) Tiempos de procesos largos.
c) Riesgo de sobreenvejecimiento.
d) Aumento asintótico de las características dúctiles.
11 - El endurecimiento por envejecimiento puede aplicarse:
a) A todas las aleaciones.
b) Sólo a las que tienen cambio de fase en estado sólido.
c) Sólo a las que muestran zonas monofásicas con curva de solubilidad creciente con la
temperatura.
d) En aleaciones con al menos cuatro componentes.
12 - El proceso de envejecimiento requiere que la primera fase de solubilización y enfriamiento
se realice:
a) Con las condiciones de reversibilidad del diagrama de equilibrio en las dos etapas.
b) Reversible la etapa de solubilización e irreversible la de enfriamiento.
c) Sin las condiciones de reversibilidad en las dos etapas.
d) No importa en qué condiciones se realice.
13 - El Envejecimiento artificial se efectúa a temperaturas más altas que el natural a fin de:
a) Incrementar características resistentes.
b) Acortar el tiempo de tratamiento de envejecimiento.
c) Incrementar características plásticas.
d) Modificar la estructura de la aleación.
14 - El sobrenvejecimiento es la peculiaridad del tratamiento de envejecimiento por el que:
a) Disminuyen características resistentes y plasticidad de la pieza envejecida.
b) Se fragiliza la pieza en proceso de envejecimiento.
c) Aumenta la plasticidad y disminuyen las características resistentes de la pieza
envejecida.
d) Aumentan las características mecánicas.
98
Unidad 6 – Endurecimiento por aleación. Aleaciones con solubilidad parcial en estado sólido
15 - El envejecimiento fundamenta el endurecimiento en la dificultad que imponen al
movimiento de dislocaciones:
a) Los precipitados visibles por microscopio óptico.
b) Los precipitados coherentes invisibles por microscopía óptica.
c) Los precipitados incoherentes visibles por microscopía electrónica.
d) Cualquier tipo de precipitados.
16 - Las partículas que precipitan en primer lugar en el proceso de envejecimiento son con
forma y dimensiones:
a) Placa fina en modo coherente.
b) Placa gruesa en modo incoherente.
c) Esférica fina coherente.
d) Esférica gruesa incoherente.
17 - La estructura de Windmasttaeten requiere para su formación:
a) Altas velocidades de enfriamiento.
b) Bajas velocidades de enfriamiento.
c) Bajo nivel de dislocaciones.
d) Bajos niveles de sobresaturación del soluto.
18 - El mecanismo de Orowan justifica el endurecimiento de las aleaciones envejecidas por:
a) Corte de las partículas de precipitado.
b) Discrepancia de las semipartículas deformadas.
c) Enlazamiento de partículas por dislocaciones.
d) Eliminación de las partículas precipitadas.
19 - La deformación plástica de la probeta después del temple consigue, por la nucleación
heterogénea de los precipitados en dislocaciones:
a) Mejorar las características plásticas del material.
b) Estabilizar el periodo postenvejecimiento.
c) Mejorar las características resistentes y disminuir el sobrenvejecimiento.
d) Disminuir la cantidad de precipitados obtenidos.
20 - El enfriamiento enérgico, en el temple, tiene como consecuencia mejorar las características
resistentes por:
a) Nuclear de forma heterogénea en dislocaciones por el enfriamiento.
b) Acumular el envejecimiento con las tensiones internas del temple.
c) Obtener menor nivel de sobresaturación.
d) Aumentar la incoherencia de las partículas.
21 - Por el análisis dilatométrico diferencial se registra, con relación a la probeta de referencia:
a) La variación de longitud en función de la temperatura.
b) El coeficiente de dilatación lineal.
c) El coeficiente de dilatación superficial.
d) La transmisión de calor.
22 - Un cambio de fase se identifica en un registro dilatométrico, por:
a) Un salto de longitud a la temperatura de transformación.
b) Un incremento brusco de la temperatura.
c) Un cambio de pendiente a la temperatura de transformación.
d) Un cambio brusco de pendiente en la zona de temperaturas de transformación entre dos
pendientes, fase inicial y final, diferenciadas.
99
Cuestiones y ejercicios de Fundamentos de Ciencia de Materiales
23 - La transformación eutectoide sucede solamente:
a) Para la composición eutectoide.
b) Para la temperatura de transformación eutectoide.
c) Para la temperatura de transformación eutectoide y zona inferior bifásica.
d) Cuando coexisten zonas monofásicas y bifásicas.
24 - Los granos de perlita, eutectoide Fe-C, se conforman:
a) Por creación de nuevos granos a partir de los granos de austenita, fase primaria de la
transformación eutectoide.
b) Sustituyendo, uno a uno, los granos de austenita por los de perlita.
c) Por formación previa de precipitados de cementita.
d) Por recristalización de la austenita.
25 - Una ventaja de la transformación eutectoide es que:
a) Consigue aumentar el tamaño de grano con el cambio de fase.
b) Aumentar los parámetros de plasticidad de la aleación.
c) Aumentar la embutibilidad de la aleación.
d) Consigue mejorar las características resistentes de las aleaciones por la formación del
eutectoide.
26 - La transformación eutectoide consigue sobre el metal puro:
a) Aumentar el límite elástico.
b) Aumentar el alargamiento.
c) Disminuir la dureza.
d) Aumentar la estricción.
27 - Las semejanzas más importantes de la transformación perlítica con el proceso de
recristalización están en:
a) La conformación de fases nuevas.
b) La conformación de nuevos granos.
c) La precipitación en forma de placas.
d) El uso de los procesos de difusión.
28 - Las semejanzas más importantes de la transformación perlítica con el proceso de
precipitación está en:
a) La conformación de fases nuevas.
b) La precipitación en forma de placas.
c) La conformación de nuevos granos.
d) El uso de los procesos de difusión.
6.2 CUESTIONES DE HETEROEVALUACIÓN
1. Dibuja y define las diferentes microestructuras en una aleación envejecible, en las etapas: a)
colada, b) solubilizada, c) envejecida, y, d) sobreenvejecida.
2. Comenta que entendemos por sobreenvejecimiento. ¿Cuales son sus causas y
consecuencias?.
3. Un acero contiene 42 % en peso de ferrita proeutectoide. ¿Cuál es el contenido de C de este
acero?
4. Distinguir entre ferrita proeutectoide y ferrita eutectoide.
5. Justifique sobre un gráfico temperatura - tiempo, la secuencia de operaciones para dar un
100
Unidad 6 – Endurecimiento por aleación. Aleaciones con solubilidad parcial en estado sólido
tratamiento mixto de acritud + envejecimiento natural a una aleación de aluminio que tiene
una temperatura de solvus de 500°C, su temperatura de liquidus en 610°C y la de sólidus en
580°C.
6. Señale sobre un gráfico límite elástico - tiempo, como evoluciona esta propiedad mecánica
con el tiempo de envejecimiento para una aleación de aluminio AA 6005 para cada una de
las temperaturas siguientes:
a) 210°C. b) 150°C. c) 25°C.
7. Para un acero con 1.2 %C se pide:
a) Dibujar la microestructura de equilibrio a temperatura ambiente.
b) Calcular el porcentaje de granos de perlita.
NOTA:
• Composición del eutectoide = 0.8 % C
• Composición del eutéctico = 4.3 % C
• Composición de la cementita = 6.67 % C
• Composición de la ferrita = 0 % C
8. Justifique la falsedad o veracidad de esta frase: “Las aleaciones endurecibles por
precipitación tienen una utilización limitada por la temperatura. NO PUEDEN destinarse a
usos continuos a temperaturas iguales o superiores que las que originan el envejecimiento
artificial.
9. Establece los límites de observación de tamaños de partículas precipitadas por microscopía
óptica y electrónica y su asociación al concepto de coherencia o incoherencia de las mismas
con la matriz.
10. Justifica las causas que determinan la inexistencia de ablandamiento en el proceso de
envejecimiento.
11. Hipotetiza sobre la microestructura y características resistentes que se obtienen después de
un proceso por tiempo indefinido a temperaturas de envejecimiento sensibles al
sobrenvejecimiento.
12. Hipotetiza sobre la diferencia de microestructuras y características de la aleación después de
envejecimiento por tiempo indefinido de la cuestión anterior, con la alcanzada en un proceso
de enfriamiento reversible después de la etapa de solubilización.
13. Determina el procedimiento para establecer la correlación entre temperatura y solubilización
de partículas precipitadas mediante técnicas DSC, calorímetro diferencial de barrido.
14. Describe el procedimiento para establecer la correlación existente entre temperaturas y
precipitación de partículas mediante técnicas de DSC.
15. Justifica la formación de estructuras de Windmasttaeten en el proceso de entrada en la tierra
de meteoritos formados por hierro y otros elementos de aleación, o en la soldadura de aceros
dulces con 0.2-0.3 % carbono.
16. Esquematiza el proceso de engrosamiento de partículas, cuando existe soluto disponible, en
régimen de coherencia y coherencia parcial.
17. Esquematiza el proceso de engrosamiento de partículas después del consumo de todo el
soluto disponible.
18. Analiza la influencia de la velocidad de temple sobre la precipitación para diversas
101
Cuestiones y ejercicios de Fundamentos de Ciencia de Materiales
aleaciones envejecibles, curva de la C.
19. Justifica las diferencias existentes entre la microestructura de un eutéctico y de un eutectoide.
20. Analiza las diferencias de transformación que sucede en las temperaturas hipoeutectoides A3
e hipereutectoides A3.1.
21. Correlaciona las características resistentes, carga de rotura, límite elástico, alargamiento, con
el contenido de carbono, con los datos obtenidos en la norma UNE 36.011 de la familia de
aceros finos al carbono.
22. Establece el índice de endurecimiento, Ie = Le/R, entre el límite elástico y carga de rotura, y
correlaciónalo con el porcentaje de carbono.
23. Justifica las diferencias de microestructura que pueden observarse entre las aleaciones de
hierro con un 15% de cromo o con un 8% de cromo.
24. Establece los principios fundamentales de los procesos de recristalización, precipitación de
segundas fases y transformación perlítica, y las conexiones comunes entre ellos.
25. Establece las diferencias que pudieran existir entre los productos en la transformación
perlítica hipereutectoide y la hipoeutectoide.
26. Justifica la inaplicabilidad de los aceros hipereutectoides en estado de recocido.
6.3 PROBLEMAS Y EJERCICIOS PRACTICOS PROPUESTOS
Problema 6.1 Sobre el diagrama de fases Cu-Ag, representado en la figura siguiente,
determinar:
1100
1084.5°
1000
961.93°
Líquido
Temperatura °C
900
(Cu)
800
7.9
91.2 (Ag)
71.9
700
600
500
400
0
Cu
10
20
30
40
50
60
70
Porcentaje en peso de Plata
80
90
100
Ag
a) El rango de aleaciones en base cobre que pueden ser endurecidas mediante envejecimiento.
b) El rango de temperaturas de homogeneización para una aleación de Cu con un 3% de Ag.
c) El rango de temperaturas de envejecimiento para la aleación de cobre anterior.
d) El rango de aleaciones en base Ag que pueden ser endurecidas mediante envejecimiento,
indicando para una aleación de Ag con un 5% de Cu el rango de temperaturas de
homogeneización y envejecimiento.
102
Unidad 6 – Endurecimiento por aleación. Aleaciones con solubilidad parcial en estado sólido
Problema 6.2 Las aleaciones Al-Cu
constituyen un ejemplo característico de
aleaciones endurecibles por precipitación,
utilizándose en la construcción de estructuras de aviones y otras aplicaciones
dónde se requiera alta resistencia mecánica y ligereza. Con ayuda del diagrama
de la figura, indique:
750
700
L + ε2
660°C
650
L
Temperatura °C
600
a) Rango de composiciones que pueden
someterse a envejecimiento.
L + η1
L+α
550
α
5.65
548°C
33.2
52.5
500
450
α+θ
θ
θ + η1
θ + η2
400
350
b) Temperaturas óptimas de línea u
homogeneización para las aleaciones
Al-4.5% Cu.
300
0
10
Al
20
30
40
50
60
70
% en peso de cobre
c) Temperaturas de envejecimiento artificial aplicables, sabiendo que para este tipo de
aleaciones, el óptimo se encuentra entre 0.20 Thom y 0.30 Thom.
Temperatura °C
d) Porcentaje en peso teórico de fase θ que se tiene en la aleación, a 25°C, si ésta se halla
completamente sobreenvejecida.
1800
1700
1600
1500
1400
1300
1200
1100
1000
900
800
700
600
1670°C
Líquido
1455°C
1380°C
1310°C 54.9
984°C
37.8
942°C
β
27.9
765°C
Ti
54.5
10
20
30
86.1
1118°C
65.7
ε
δ
ζ
γ
5.5
α
0
1304
40
50
630°C
60
70
80
Porcentaje en peso de níquel
90 100
Ni
Problema 6.3 A partir del diagrama de la figura de aleaciones Ti-Ni determinar:
a) Composiciones y temperaturas donde existen transformaciones eutécticas.
b) Composiciones y temperaturas donde existen transformaciones eutectoides.
c) Para la aleación del 20% en peso de Ni, dibujar el registro de enfriamiento (curva
Temperatura-Tiempo).
d) Para esta misma aleación, calcular la composición y proporción de fases presentes a
1000°C.
103
Cuestiones y ejercicios de Fundamentos de Ciencia de Materiales
Problema 6.4 Con el diagrama de fases de los bronces (Cu-Sn), presentado en la figura
siguiente:
a) Indicar las fases existentes en las zonas bifásicas.
1100
1084.5
°
L
1000
900
800
13.5
799°
22.0
Temperatura °C
β
700
(Cu)
600
15.8
15.8
500
25.5
756° 30.6
γ
ζ
590°
24.6
586°
520°
27.0
676°
640°
58.6
ε
582°
δ
415°
59.0
400
92.4
~350°
11.0
32.55
300
η
1.3 % a 200°
200
60.9
189°
60.3
227
°186
231.968°
99.1
°
η’
100
(β - Sn)
13°
0
0
Cu
(α - Sn)
10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
Porcentaje en peso de estaño
Sn
b) Para una aleación del 20 % de Sn, trazar las curvas de enfriamiento hasta la temperatura
ambiente.
c) Para esta misma aleación indicar la composición y proporción de fases existentes a 850°C.
d) A la temperatura de (520-∆T)°C indicar qué proporción de granos a proeutectoide habrá
en la aleación.
104
Unidad 6 – Endurecimiento por aleación. Aleaciones con solubilidad parcial en estado sólido
Problema 6.5. A partir del diagrama de
la figura se pide trazar los siguientes
correlaciones:
2100
2022° 63.2
2000
Temperatura °C
a) Composición de α - Temp.
b) Composición de γ - Temp.
c) Composición de δ - Temp.
d) Proporción de α - Temp.
e) Proporción de γ - Temp.
f) Proporción de δ - Temp.
γ
1900 1863°
1800
δ
1700°
1700
9.7
α
34.2
1600
para una aleación del 20% B enfriada de
forma reversible desde 2100°C.
1500
Problema 6.6 En el diagrama de
equilibrio Au-Ti, indicar:
0
10
20
30
40
50
A
Porcentaje en peso de B
60
70
B
a) Composición y temperatura de las transformaciones eutécticas existentes.
b) Composición y temperatura de las transformaciones eutectoides existentes.
c) Para una aleación del 30 % en peso en oro, dibujar el registro de enfriamiento (curva
temperatura - tiempo), indicando las fases en cada intervalo.
1800
1700
1670°C
L
1600
1495°C
1395°C
1367
1400
1300
1310°C
1385
γTiAu
(βTi)
1200
1100
1172
1064.43°C
TiAu2
882°C
900
832°C
TiAu4
1000
800
1455°C
Ti3Au
Temperatura °C
1500
(Au)
(αTi)
700
600
βTiAu
500
0
Ti
10
20
30
40
50
60
70
αTiAu
80
90
100
Porcentaje en peso de Au
Au
Problema 6.7 A partir del diagrama de fases Fe-Nb, de la figura, determinar:
a) Composición y temperaturas donde existen transformaciones eutécticas.
b) Composición y temperaturas donde existen transformaciones eutectoides.
c) Para una aleación del 10% de Nb, dibujar la curva de enfriamiento (curva temperatura tiempo) con indicación de las fases presentes en cada zona.
105
Cuestiones y ejercicios de Fundamentos de Ciencia de Materiales
d) Para una aleación del 30% de Nb indicar la proporción de fases, su composición y
transformación para 1211 y 1209°C.
e) Representar gráficamente la microestructura que se observaría para la aleación del 30%
de Nb a 1211 y 1209°C.
2469°C
2400
2200
Temperatura °C
2000
1800
1627°C
1600
1538°C
1400
1200
5.2
18.6
2.5 (δFe) 1210°C
1.5
(γFe)
1000
0.7
1.2
1373°C
1535°C
62
38
95.3
(Nb)
ε
961°C
µ
(αFe)
770°C
Transformación magnética
800
1400°C
75
600
0
10
20
Fe
30
40
50
60
70
80
90
100
Nb
Porcentaje en peso de niobio
Problema 6.8 Una aleación se que endurece mediante precipitación de segundas fases, puede
hacerlo mediante los procesos térmicos representados en las figuras siguientes.
θ1
θ1
θ2
θ2
t1
t2
t1
t2
Plastificación
(A)
(B)
Se pide:
a) Señalar sobre los gráficos A y B las diferentes etapas del proceso.
b) ¿Qué características debe presentar el diagrama de fases de estas aleaciones?
c) ¿Qué ventaja tecnológica presenta el proceso con deformación plástica intermedia?.
d) ¿Qué limitación presenta este proceso con deformación plástica intermedia?.
Problema 6.9 Para la aleación Ni-V, del 45 % en peso de vanadio, cuyo diagrama de equilibrio
se representa en la figura:
106
Unidad 6 – Endurecimiento por aleación. Aleaciones con solubilidad parcial en estado sólido
a) Indicar las fases presentes a 1204, 950, 830 y 600°C.
b) Calcular la cantidad de fases presentes a 950°C.
c) Calcular la cantidad de cada tipo de grano presente en la microestructura a 950°C.
d) Hacer una representación gráfica de la microestructura de la aleación a los 830°C.
2000
1910°C
1800
L
1600
1400
58.1
1200
40
(Ni)
1045°C
1000
51
1202°
σ´
908° 922°
890°
35.2
600
Mag.
Trans.
790°
900°
76.3
70.7
88.1
650°
~72
405°C
σ
Ni2V
NiV3
Ni5V
400
(V)
73
64
29.5
800
1280°
47
Ni3V
Temperatura °C
1455°C
200
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
Porcentaje en peso de vanadio
Ni
100
V
Temperatura °C
Problema 6.10 A partir del diagrama Ti-Ni, de la figura:
a) Dibujar la microestructura que cabría esperar en los tres puntos seleccionados en la misma
para una aleación con 22% de níquel.
b) Calcular la composición y proporción de fases correspondientes a esos tres puntos.
1800
1700
1600
1500
1400
1300
1200
1100
1000
900
800
700
600
1670°C
Líquido
1455°C
1380°C
1310°C 54.9
984°C
37.8
942°C
β
27.9
765°C
Ti
54.5
10
20
30
86.1
1118°C
65.7
ε
δ
ζ
γ
5.5
α
0
1304
40
50
630°C
60
70
80
Porcentaje en peso de níquel
90 100
Ni
107
Cuestiones y ejercicios de Fundamentos de Ciencia de Materiales
c) Dibujar la curva de enfriamiento
de la aleación base titanio con un
10% de níquel.
d) Calcular la composición y
proporción de constituyentes
microestructurales, a 700°C, para
las aleaciones con un 10% de
níquel y un 30% de níquel.
Temperatura °C
Problema 6.11 A partir del diagrama
Ti-Ni, de la figura:
1800
1700
1600
1500
1400
1300
1200
1100
1000
900
800
700
600
1670°C
1455°C
1380°C
1310°C 54.9
942°C
β
765°C
5.5
α
0
Ti
Problema 6.12 En el diagrama de
equilibrio Ti-Au, indicar:
Líquido
27.9 γ
1304
1118°C
65.7
ε4
δ
984°C
37.8
54.5
86.1
ζ
630°C
10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
Ni
Porcentaje en peso de níquel
a) La transformación que experimenta una aleación con un 10% de Au en peso, desde 1200°C
hasta los 700°C.
1800
L
1495°C
1500
1367
1400
1300
1310°C
1385
γTiAu
(βTi)
1200
1172
1100
882°C
900
TiAu 2
1000
800
1455°C
1395°C
1064.43°C
832°C
TiAu4
d) ¿Cuál sería la microestructura a 700°C
de una aleación con el 60% de Au?
1670°C
1600
Ti3Au
c) Proporción y composición de las fases
de la aleación 10% de Au, a 700°C.
1700
Temperatura °C
b) Representación
gráfica
de
la
microestructura que se observaría para
la aleación del apartado a), a la
temperatura de 700°C.
(Au)
(αTi)
700
600
βTiAu
500
0
Ti
10
20
30
40
50
60
70
Porcentaje en peso de Au
αTiAu
80
90
100
Au
SOLUCION A LAS CUESTIONES DE AUTOEVALUACION:
1 - d, 2 - b, 3 - c, 4 - d, 5 - c, 6 - a, 7 - d, 8 - b, 9 - a, 10 - c, 11 - c, 12 - b, 13 - a, 14 - a, 15 - b,
16 - a, 17 - a, 18 - c, 19 - c, 20 - a, 21 - a, 22 - d, 23 - c, 24 - a, 25 - d, 26 - a, 27 - b, 28 - d.
108
Unidad 6 – Endurecimiento por aleación. Aleaciones con solubilidad parcial en estado sólido
6.4 PROBLEMAS Y EJERCICIOS PRACTICOS RESUELTOS
Solución al problema 6.1
a) Para ser endurecibles por precipitación o envejecimiento, es requisito necesario que la
aleación corte a la curva de solvus, que separa la zona monofásica α de la zona bifásica α + β.
Para las aleaciones en base cobre (el cobre hace de solvente y la plata es el soluto o
aleante), estas condiciones se dan para las aleaciones con contenido en plata desde
aproximadamente 0.2% Ag hasta el 7.9% Ag.
Por debajo de 0.2%, la plata permanece disuelta en la red de cobre y la estructura es
siempre monofásica α.
b) Tal como se representa en el diagrama, el rango de temperaturas de homogeneización estará,
para una aleación con un 3% de Ag, entre los 1040°C y los 557°C.
1100
1084.5°
1040°C
1000
961.93°
Líquido
Temperatura °C
900
870°C
(Cu)
780°C
800
7.9
91.2 (Ag)
71.9
700
695°C
600
557°C
500
400
0
Cu
10
20
30
40
50
60
70
Porcentaje en peso de Plata
80
90
100
Ag
Si tomamos un intervalo de seguridad tanto por encima como por debajo, ya que
temperaturas muy elevadas pueden originar inicios de fusión o en todo caso engrosamientos
exagerados del tamaño de grano. Por el contrario, temperaturas bajas, cercanas a la mínima de
solubilidad, permitirá poco la difusión y por lo tanto requerirá largos tiempos para su
homogeneización. Todo ello lleva a que la temperatura industrial de homogeneización para estas
aleaciones pueda estar entre los 700 y 900°C.
c) El rango de temperaturas de envejecimiento estaría entre la temperatura ambiente hasta los
557°C. También en este caso limitamos las temperaturas elevadas que podrían propiciar
recristalizaciones de la microestructura derivadas de la acritud inducida por el enfriamiento
brusco durante el temple. Es por ello que las temperaturas idóneas de envejecimiento se
considerarán, industrialmente, entre los 150 y 350°C.
d) En la otra rama del diagrama, aleaciones en base plata (la plata hace de solvente y el cobre es
el soluto o aleante), estas condiciones se dan para las aleaciones con contenido en cobre desde
aproximadamente 0.2% Cu hasta el 8.8% Cu.
109
Cuestiones y ejercicios de Fundamentos de Ciencia de Materiales
Para una aleación con un 5% de Cu, las temperaturas de homogeneización estarán entre
los 695°C hasta los 870°C. Las temperaturas de envejecimiento deben ser entre la
temperatura ambiente hasta los 695°C, centrándose principalmente, en el campo industrial,
entre los 175 y los 400°C.
Solución al problema 6.2
a) Sólo son envejecibles aquellas aleaciones que cortan a la curva de solvus:
% Cu entre aproximadamente 1 - 5.65% Cu
b) La homogeneización requiere la permanencia durante un tiempo suficiente a temperaturas
dónde la aleación presente estructura monofásica α. En este caso, con 4.5% Cu, el rango posible
es:
Thom posible: desde 470° a 610°C.
Para acelerar el proceso es conveniente aumentar la temperatura mínima. Por contra, debe
evitarse un acercamiento excesivo a la línea de sólidus para evitar una posible fusión en bordes
de grano si, como suele ocurrir, ha existido segregación dendrítica durante el proceso de
solidificación. El rango óptimo es por tanto más estrecho:
Thom óptima: 510-570°C
c) Temperaturas de envejecimiento artificial.
Para esta aleación, el envejecimiento puede, teóricamente, darse entre Tamb y 470°C.
Para el envejecimiento artificial, las temperaturas óptimas se encuentran entre 0.2 Thom y
0.3 Thom. Temperaturas superiores provocan un rápido sobreenvejecimiento.
T envejecimiento artificial = 120°C - 171°C
d) Un sobreenvejecimiento total implica que toda la fase θ ha perdido la coherencia con la matriz
y ha formado precipitados gruesos. La cantidad total de fase θ presente puede por lo tanto
estimarse a partir del diagrama de equilibrio para esa temperatura.
En la figura siguiente se muestra con
mayor detalle el diagrama Al-Cu hasta
temperatura ambiente.
α
Fases:
Composición:
0.02% Cu
θ
700
L + ε2
660°C
650
L
600
Temperatura °C
Se traza la isoterma de 25°C y se
calculan las composiciones de cada fase. Para
la aleación con 4.5%, las fases presentes son α,
solución sólida de Cu en Al, y la fase
intermedia θ que ha precipitado. La proporción
de fase θ en la estructura se calcula de forma
inmediata mediante la regla de la palanca.
750
550
α
5.65
548°C
33.2
52.5
500
450
α+θ
350
27°C
300
0
Al
10
θ + η1
54.0%
4.5%
0.02%
θ
θ + η2
400
20
30
40
% en peso de cobre
54.0% Cu
Proporción de θ: (4.5-0.02)/(54-0.02) = 0.083
Existe por tanto un 8.3% de fase θ en la aleación sobreenvejecida.
110
L + η1
L+α
50
60
70
Unidad 6 – Endurecimiento por aleación. Aleaciones con solubilidad parcial en estado sólido
Solución al problema 6.3
a) Transformaciones eutécticas
Transformación
Composición (% Ni)
Temperatura (°C)
L⇔β+γ
27.9
924
L⇔δ+ε
65.7
1118
L⇔ε+ζ
86.1
1304
Composición (% Ni)
Temperatura (°C)
β⇔α+γ
5.5
765
δ⇔γ+ε
54.5
630
b) Transformaciones eutectoides
Transformación
c) La curva de enfriamiento (Temperatura - Tiempo) se traza en la figura siguiente, junto al
diagrama.
θ
1800
1700 1670°C
1600
Líquido
Temperatura °C
1500
1400
1300
L+β
1200
1100
1000
β
900
11 942°C
27
27.9
765°C
800
37.8
γ
5.5
α
700
600
0
10
20
30
40
t
Ti % en peso de níquel
Obsérvese que se cumple lo siguiente:
• La aparición de una nueva fase provoca un cambio en la pendiente de la curva.
• El paso por líneas horizontales de transformaciones singulares (eutéctico y eutectoide)
requiere un lapso de tiempo a dicha temperatura para completar la reacción, por lo que se
observa una meseta horizontal en la curva de enfriamiento.
d) La aleación se encuentra en una zona bifásica de L + β. Los puntos de corte de la isoterma de
111
Cuestiones y ejercicios de Fundamentos de Ciencia de Materiales
1000°C con las líneas del diagrama que separan a esta zona de las respectivas zonas
monofásicas: β por la izquierda y L por la derecha, nos dan la composición de cada fase.
A partir de los valores de composición pueden calcularse las proporciones de cada fase,
aplicando la regla de la palanca:
β
L
11% Ni
27% Ni
(27-20)/(27-11)
(20-11)/(27-11)
= 43.75%
= 56.25%
fases
Composición
Proporción
Solución al problema 6.4
a) En las zonas bifásicas coexisten las fases que se encuentran a izquierda y derecha de dicha
zona. En la figura siguiente se muestra el diagrama completo.
b) La curva de enfriamiento (Temperatura - Tiempo) se ha trazado junto al diagrama.
1100
1084.5
°
Temperatura °C
900
L+α
α
800
13.5
700
600
500
400
799°
22.0
β
15.8
15.8
24.6 590
586° °
520°
27.0
100
0
γ
ζ
676°
α+γγ
δ
α+δ
δ
11.0
300
200
L+β
β
β+γγ
25.5
756° 30.6
(Cu)
α
θ
L
1000
~350°
640°
ε
582°
58.6
L+εε
δ+εε
59.0
32.55
1.3 % a 200°
α+εε
ε+η
η
189°
ε+η
η’
415°
L+η
η
η
60.9
60.3
η’
92.4
227°
186°
231.968°
99.
1
η+β
β(Sn)(β - Sn)
η'+β
β(Sn) 13°
(α -
Sn) 100
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90
Sn
Cu
Porcentaje en peso de estaño
t
Obsérvese que se cumple lo siguiente:
• La aparición de una nueva fase provoca un cambio en la pendiente de la curva.
• El paso por líneas horizontales de transformaciones singulares (eutéctico, eutectoide,
peritéctico, etc.) requiere un lapso de tiempo a dicha temperatura para completar la
reacción (eutéctico, eutectoide, peritéctico, etc.), lo que se manifiesta por una meseta
horizontal en la curva de enfriamiento.
c) La aleación se encuentra en una zona bifásica de L + α(Cu). Los puntos de corte de la
isoterma de 850°C con las líneas del diagrama que separan a esta zona de las respectivas zonas
monofásicas: α(Cu) por la izquierda y L por la derecha, nos dan la composición de cada fase.
A partir de los valores de composición pueden calcularse las proporciones de cada fase,
aplicando la regla de la palanca:
112
Unidad 6 – Endurecimiento por aleación. Aleaciones con solubilidad parcial en estado sólido
fases
Composició
n
α
L
8% Cu
23% Cu
950
900
(23-20)/(23-8)
(20-8)/(23-8)
= 20%
= 80%
800
d) Inmediatamente debajo de 520°C la aleación se
encuentra en una zona bifásica α + δ, donde la fase
α aparece en dos constituyentes: formando parte
junto con δ del eutectoide (27% Sn), y como α
proeutectoide que ya se había formado a
temperaturas por encima de 520°C.
Puede estimarse la cantidad relativa de cada
tipo de grano: α proeutectoide, aplicando la regla de
la palanca entre la línea de solvus por la izquierda,
que da la composición de α (15.8% Sn), y la
composición eutectoide (27% Sn). En este caso se
tendrá:
Constituyentes:
Proporción:
13.5
799°
22.0
β
700
(Cu)
650
600
15.8
550
15.8
500
L
23
750
Temperatura °C
Proporción
8
850
25.5
756° 30.6
γ
ζ
590°
24.6
586°
520°
27.0
450
676°
δ
400
~350°
11.0
350
32.55
300
0
10
20
30
Cu % en peso de estaño
α proeutectoide
Eutectoide
(32-27)/(32-15.8)
(27-15.8)/(32-15.8)
= 30.8%
= 69.2%
40
Solución al problema 6.5
Apartados a y d) Transformaciones de la fase α.
Comienza su aparición a 1825°C. Por encima no existe.
Entre 1825 y 1700°C aparece mezclada con la fase γ.
Entre 1700 y 1500°C aparece mezclada con la fase δ.
Entre 1825 y 1700°C:
Composición: Viene dada por la línea del diagrama que separa la zona monofásica a de la
zona bifásica α+γ: varía desde 2% B a 1825 hasta 9.7% B a 1700°C.
Proporción: Viene dada por la regla de la palanca en la zona bifásica α + γ:
Aumenta progresivamente desde:
hasta un
0 α a 1825°C
(34.2-20)/(34.2-9.7) = 0.58 a 1700°C.
Entre 1700°C y 1500°C:
La fase γ desaparece completamente por la reacción eutectoide: γ = α + δ, dándose en
esta zona la existencia de fases α y δ.
Composición de α: Viene dada por la línea del diagrama que separa la zona monofásica α
de la zona bifásica α + δ. varía desde 9.7% B a 1700°C hasta 5% B a 1500°C.
113
Cuestiones y ejercicios de Fundamentos de Ciencia de Materiales
Proporción: Viene dada por la regla de la palanca en la zona bifásica α + δ:
A 1700°C - ∆T, justo debajo del
eutectoide vale:
La proporción de α disminuye
progresivamente conforme desciende la
temperatura hasta que a 1500°C, se tiene:
% α = 100 (62.5-20)/(62.5-5) = 73.9% α
Los resultados se muestran gráficamente
en las figuras siguientes.
Apartados b), c), e) y f): fases γ y δ.
Composición α, γ y δ
γ
1900 1863°
1800
1700°
1700
9.7
34.2
δ
1600
α
1500
0
Las correlaciones correspondientes a
las fases γ y δ, se presentan indicadas en las
figuras siguientes.
2022° 63.2
2000
Temperatura °C
% α = 100 (62.5-20)/(62.5-9.7) = 80.5%
α, siendo el resto δ de composición 62.5% B
2100
A
10
20
30
40
Porcentaje de B
50
60
70
2100
°C
2000
1900
1825°C
1800
%α
1700
%γ
1700°C
%δ
1600
1500
0
20
40
60
80
%
100
Solución al problema 6.6
a) Las transformaciones eutécticas tienen lugar a las temperaturas y proporciones siguientes:
Contenido en oro (%)
52.0
67.5
86.0
Temperatura (°C)
1367
1310
1385
b) El único eutectoide del diagrama tiene una composición del 15% de Au a una temperatura
832°C.
c) En la figura se representa el registro de enfriamiento de la aleación con un 30% de Au, que
114
Unidad 6 – Endurecimiento por aleación. Aleaciones con solubilidad parcial en estado sólido
inicia la solidificación a fase β alrededor de los 1550°C, finalizando la misma a los 1460°C. A
partir de esa temperatura tenemos una sola fase, fase β del Ti, que ha partir de los 1200°C
precipita una fase Ti3Au. A los 832°C la fase β restante, sufre transformación eutectoide en fase
α + fase Ti3Au
Solución al problema 6.7
a) Las transformaciones eutécticas tienen lugar a las temperaturas y proporciones siguientes:
Contenido en niobio (%)
18.6
75.0
55.0
Temperatura (°C)
1373
1400
1535
b) El único eutectoide del diagrama tiene una composición del 2.5% de Nb a una temperatura
1210°C.
c) En la figura se representa el registro de enfriamiento de la aleación con un 10% de Nb, que
inicia la solidificación a fase δ alrededor de los 1420°C, finalizando la misma a los 1373°C,
donde tiene lugar la transformación eutectoide. Desde esta temperatura hasta la de 1210°C,
donde tiene lugar la transformación eutectoide, pasando de fases δ + ε, a las fases γ + ε. A los
961°C la fase γ sufre una transformación en fase α.
d) Aleación del 30% Nb
A temperatura de 1211°C, estarán presentes las fases δ (2.5% Nb) y ε (38% Nb), con los
siguientes porcentajes:
38 − 30
%δ =
= 22.5 %
38 − 2.5
%ε
30 − 2.5
38 − 2.5
=
=
77.46 %
A temperatura de 1209°C, estarán presentes las fases γ (1.5% Nb) y ε (38% Nb), con los
siguientes porcentajes:
%γ
%ε
=
38 − 30
38 − 15
.
= 2191
. %
=
30 − 15
.
38 − 15
.
= 78.09 %
e) Representación gráfica de la aleación 30% de Nb, a distintas temperaturas:
1211°C
1209°C
Ε
Εutectoide
ε
Ε
ε
ε
ε
ε
ε
ε
ε
Ε
ε
ε
Ε
ε
Εutectoide
ε
ε
Εutectoide
ε
ε
ε
ε
115
Cuestiones y ejercicios de Fundamentos de Ciencia de Materiales
Solución al problema 6.8
a) En los gráficos se señalan las diferentes etapas del proceso de precipitación.
θ1
Solubilización
Temple
Envejecimiento
θ2
Solubilización
θ1
t1
Temple
Envejecimiento
θ2
t2
t1
t2
Plastificación
(A)
(B)
b) El diagrama de fases debe presentar solubilidad parcial en estado sólido con curva de solvus.
c) El proceso de deformación plástica mejora la nucleación de precipitados, aumentando las
características mecánicas.
d) La temperatura de envejecimiento debe ser inferior a la temperatura de recristalización de la
aleación, para que no pierda las propiedades mecánicas obtenidas con la deformación plástica.
Solución al problema 6.9
a) Las fases presentes a cada temperatura, serán, según el diagrama de equilibrio:
1204°C
980°C
830°C
600°C
L + (Ni)
σ’ + (Ni)
σ’ + Ni2V
σ + Ni2V
2000
1910°C
1800
L
1600
1400
58.1
1200
47
40
(Ni)
1045°C
1000
29.5
908°
922°
800
1202°
51
890°
51
600
Mag.
Trans.
70.7
790°
76.3
900°
88.1
650°
~72
405°C
σ
Ni2V
NiV 3
Ni5 V
400
(V)
73
σ´
36
35.2
1280°
64
Ni3 V
Temperatura °C
1455°C
200
0
Ni
10
20
30
40
50
60
70
Porcentaje en peso de vanadio
80
90
100
V
b) La cantidad de fases presentes a 950°C, será, considerando el porcentaje de vanadio en la fase
σ’ de un 51 % y en la fase α(Ni) de un 36 %.
116
Unidad 6 – Endurecimiento por aleación. Aleaciones con solubilidad parcial en estado sólido
45 − 36
51 − 36
%σ' =
=
51 − 45
51 − 36
% ( Ni ) =
60 %
=
40 %
c) La cantidad de cada tipo de grano vendrá dada por la proporción de granos ricos en níquel,
fase (Ni), y de granos eutécticos a la temperatura de 950°C.
% Eutectico =
% ( Ni )
45 − 36
47 − 36
47 − 45
47 − 36
=
=
818
. %
= 18.2 %
Eutectoide
d) La microestructura obtenida a los 830°C será
como la representada en la figura, con una
combinación de granos con transformación
eutectoide procedentes de los granos con
transformación eutéctica a mayores temperaturas y
formando matriz la fase σ’.
Fase σ’
Solución al problema 6.10
Temperatura °C
a) En el diagrama se representa el esquema de las
microestructuras que se obtendrían a cada
temperatura.
1800
1700
1600
1500
1400
1300
1200
β
β
1670°C
L
β
β
L
Líquido
1455°C
Eutéctico
1100
1000
900
800
700
600
β
β
β
β
984°C
37.8
942°C
β
27.9
765°C
Ti
20
30
86.1
1118°C
65.7
ε
δ
ζ
Euectoide
Fase γ
54.5
10
1304
γ
5.5
α
0
1380°C
1310°C 54.9
40
50
630°C
60
70
80
Porcentaje en peso de níquel
90 100
Ni
117
Cuestiones y ejercicios de Fundamentos de Ciencia de Materiales
b) Las fases, composición y proporción en cada uno de las tres temperaturas será la siguiente:
A 1050°C habrá dos fases, fase β con un 11% de Ni y fase líquida con un 26% de Ni, cuya
proporción vendrá dada por:
%β =
26 − 22
= 26,67%
26 − 11
%líqido =
22− 11
= 73,33%
26−11
A 850°C habrá dos fases, fase β con un 8% de Ni y fase γ con un 37% de Ni, cuya proporción
vendrá dada por:
%β =
37 − 22
= 51,72%
37 − 8
%γ =
22−8
= 48,28%
37−8
A 700°C habrá también dos fases, fase α con un 1% de Ni y fase γ con un 37,5% de Ni, cuya
proporción vendrá dada por:
%α =
37,5−22
= 42,47%
37,5 − 1
%γ =
22−1
= 57,53%
37,5 − 1
Solución del problema 6.11.
a) la curva de enfriamiento será como la representada en la figura, donde se especifican las
temperaturas de transformación y las fases en cada zona.
Temperatura
1520°C
L+β
1100°C
Fase β
870°C
Fases β + γ
Eutectoide (α + γ) + γ
Tiempo
1800
1700
1600
1500
1400
1300
1200
1100
1000
900
765°C
800
700
600
1670°C
1380°C
1310°C 54.9
984°C
37.8
942°C
β
27.9
1304
86.1
1118°C
65.7
δ
ε4
ζ
γ
765°C
5.5
54.5
α
0
Ti
118
Líquido
1455°C
Temperatura °C
Líquido
10
20
30
40
50
630°C
60
70
80
Porcentaje en peso de níquel
90 100
Ni
Unidad 6 – Endurecimiento por aleación. Aleaciones con solubilidad parcial en estado sólido
b) Para un 10 % de níquel tendremos como constituyentes microestructurales granos eutectoides
de transformación de la fase β, con una composición de 5.5% de Ni, y fase γ precipitada en
borde de grano, con una composición de 38% de Ni. Con ello la proporción de los granos será:
% gra nos eutectoides
% gra nos γ
=
=
38 − 10
38 − 5.5
10 − 5.5
38 − 5.5
= 86.15%
= 13.85%
Para la aleación con el 30% de níquel tendremos granos, inicialmente, granos proeutecticos
γ envueltos por los granos eutecticos que sufrirán más tarde la transformación eutectoide
correspondiente
% gra nos eutectoides
% gra nos γ
=
=
38 − 30
38 − 5.5
30 − 5.5
38 − 5.5
=
24.62%
= 75.38%
Solución del problema 6.12.
a) Desde los 1200°C hasta los 650°C no presenta transformación alguna, es a partir de los 865°C
aproximadamente cuando inicia la transformación alotrópica de fase (βTi) a fase (αTi), que
continua la transformación hasta los 832°C donde tiene lugar la transformación eutectoide, por
lo que su microestructura será la correspondiente a una aleación hipoeutectoide. A partir de esta
temperatura y hasta los 700°C ya no muestra ninguna otra transformación.
b) La microestructura será la correspondiente a una aleación
hipoeutectoide, con aproximadamente una mitad de granos α
proeutectoides y granos eutectoides.
Εutectoide
Fase α
=
58 − 10
58 − 4.5
Ti 3 Au
α
α
α
α
c) Las fase a 700°C serán fase α con un 4.5 % de Au e intermetálico
Ti3Au con un 58% de Au. La proporción de estas fases será:
Εutectoide
α
α
α
α
α
Εutectoide
α
α
α
α
= 89.7%
=
10 − 4.5
58 − 4.5
= 10.3%
d) La microestructura, a 700°C, de la aleación con un 60% de oro, estará formada por granos de
intermetálico Ti3Au, del tipo proeutéctico, solidificados desde los 1395°C hasta los 1310°C
donde tendrá lugar la solidificación del resto de líquido mediante transformación eutéctica que se
conformará mediante láminas de intermetálico Ti3Au y fase γTiAu. De manera aproximada
tendría un 25% de granos proeutecticos y una 75% de estructura eutéctica rodeando o
envolviendo a los anteriores.
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