Aleaciones Diagramas de equilibrio

TECNOLOGÍA INDUSTRIAL I1. Departamento de Tecnología. IES Nuestra Señora de la Almudena
Mª Jesús Saiz
TEMA 9: ALEACIONES. DIAGRAMAS DE EQUILIBRIO
1.- Aleaciones
Características
Los metales puros tienen poca aplicación en la industria. La mayoría de ellos se combinan con
otros metales o no metales para mejorar sus propiedades (mayor dureza, resistencia mecánica,
resistencia a la corrosión, etc.)
Se denomina aleación metálica a la mezcla de dos o más elementos químicos, uno de los cuales
tiene carácter metálico, que en estado sólido tiene propiedades metálicas.
Los elementos de una aleación deben ser totalmente miscibles en estado líquido, de forma que
al solidificarse resulte un producto homogéneo.
Cuando se mezclan metales que cristalizan en la misma red tridimensional, se denomina
disolvente al que interviene en mayor proporción y soluto al que lo hace en proporción menos.
Cuando se mezclan metales que cristalizan en distinta red, se llama disolvente al metal cuya
estructura cristalina es la misma que la de la aleación, aunque intervenga en menor proporción.
Estructura: soluciones sólidas
Las aleaciones metálicas son soluciones sólidas entre 2 ó más elementos. Dependiendo de la
disposición de los átomos del disolvente y del soluto, nos podemos encontrar con dos tipos de
soluciones:
Solución solida de sustitución: son aquellas aleaciones en las
que los átomos del elemento disuelto (soluto) sustituyen y ocupan
los nudos de los átomos del elemento disolvente en su red
cristalina, sin modificarla, siendo ambos casi del mismo tamaño
Para que dos átomos A y B sean totalmente solubles en estado
sólido, se deben cumplir varias condiciones:
- Ambos metales han de cristalizar en el mismo sistema.
- Ambos metales deben tener la misma valencia.
- Ambos metales han de poseer una electronegatividad
semejante
- Los diámetros atómicos no deben diferir en más de un 15%.
Ejemplo: cobre con níquel (Cu-Ni); oro con plata (Au-Ag)
La mayor parte de los metales forman únicamente soluciones sólidas de solubilidad parcial.
Solución sólida de inserción son aquellas aleaciones en las que
los átomos del elemento soluto se sitúan en los intersticios, entre los
átomos del elemento disolvente, siendo el tamaño de los átomos del
elemento disuelto mucho menores.
El elemento que suele actuar de soluto es un no metal de pequeño
tamaño (C, N, O ó H).
Los metales que actúan de disolvente suelen ser metales de
transición (Fe, Cr, Mn, Co, Ni,…)
Las aleaciones hierro-carbono (acero) se presentan siempre como
soluciones sólidas intersticiales, (Ferrita que es hierro α con carbono intersticial y la
Austerita, que es hierro γ con carbono intersticial). El radio atómico del hierro es de 0,129 nm
y el del carbono es de 0,075 nm.
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2.- Solidificación de las aleaciones
La solidificación de materiales y aleaciones metálicas es un proceso industrial que parte del estado
líquido y enfría el material en forma de lingote o en un molde con la forma definitiva. Las propiedades
del material formado dependen en gran medida de la manera en que se lleva a cabo esta solidificación.
El proceso de solidificación de un metal o de una aleación metálica puede representarse mediante la
curva de enfriamiento, en función de la temperatura y el tiempo.
Curva de enfriamiento de un metal y de una aleación
METAL PURO
Temperatura
Temperatura
Líquido
T
solidificación
ALEACIÓN EUTÉCTICA
ALEACIÓN
Temperatura
Líquido
Líquido
2
1
T inicio
solidificación
1
T fin
solidificación
2
Intervalo
solidificación
T
solidificación
2
1
Sólido
Sólido
tiempo
tiempo
1 = Inicio del proceso de solidificación
Sólido
tiempo
2 = Fin del proceso de solidificación
Los metales puros tienen una sóla temperatura de solidificación, mientras que las aleaciones
tienen un intervalo de solidificación (excepto la aleación eutéctica, que es la aleación de menor
punto de fusión y que veremos más adelante)..
3.- Diagrama de equilibrio en aleaciones
Se llaman diagramas de equilibrio o diagrama de fases. Representan la relación entre la estructura, la
composición, el número de fases y las transformaciones desde el estado líquido al estado sólido.
Fase: es cada una de las partes o masa homogénea de que se compone un sistema y se
diferencia físicamente del resto (ej: fase sólida, líquida y gaseosa).
Dentro de un sólido pueden existir varias fases
Componente: son cada una de las sustancias o elementos químicos que forman un material.
(ej: el Fe (hierro) y el Fe3C (cementita)son constituyentes del acero)
Los diagramas de equilibrio nos permiten saber qué fases se encuentran presentes para cada
composición de una aleación y a qué temperatura. También permiten saber las temperaturas de inicio
y fin del proceso de solidificación; las temperaturas en que se produce un cambio de fases y la
solubilidad que tienen los componentes en estado sólido y líquido.
En todos los diagramas vamos a analizar tres datos:
Numero de fases
Composición de cada fase (mediante la regla de la horizontal),
Cantidad o proporción de cada fase (mediante la regla de la palanca o de los segmentos
inversos),
Representación de diagramas de equilibrio de una aleación A-B:
Para dibujar un diagrama hay que seguir los siguientes pasos:
-
-
Se parte de las curvas de enfriamiento de los metales puros A y B, de las curvas de
enfriamiento de alecciones con diferentes composiciones de A y B. Y se obtienen las
temperaturas de inicio y fin del proceso de solidificación.
Con los datos anteriores se dibuja la gráfica temperatura-concentración. Para ello se unen
todos los puntos de inicio del proceso de solidificación, obteniendo una línea por encima de
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la cual todo es líquido (línea de liquido). Y se unen todos los puntos del fin del proceso de
solidificación, obteniendo una línea por debajo de la cual todo es sólido (línea de solido).
La zona comprendida entre ambas líneas está formada por dos fases, una fase en estado
líquido y otra en estado sólido.
Las gráficas que se obtienen pueden ser de tres tipos dependiendo del tipo de solubilidad que
presentan los elementos A y B
Tª
Línea de liquido
1600
LÏQUIDO L
1500
1400
Diagrama de equilibrio en
aleaciones totalmente
solubles estado sólido
L+
SAB
1300
1200
Línea de solido
SÓLIDO SAB
1100
0
25
50
%B
75
100
Línea de liquido
Tª
1500
LÏQUIDO L
1400
Diagrama de equilibrio en
aleaciones insolubles en
estado sólido
1300
L + SB
1100
Aleación eutéctica
Sólido(A+B)
1000
0
Tª
Línea de solido
L + SA
1200
%B
20
40
60
100
80
A
B
Línea de liquido
1800
LÏQUIDO L
1600
1400
Diagrama de equilibrio en
aleaciones parcialmente
solubles en estado sólido
L+α
L+β
1200
1000
α
Aleación eutéctica
β
Línea de solido
Solido (α+β)
800
%B
0
20
40
60
80
100
DIAGRAMA DE EQUILIBRIO EN ALEACIONES TOTALMENTE SOLUBLES EN ESTADO
LÍQUIDO Y ESTADO SÓLIDO
Se toman los metales puros A y B y diferentes aleaciones A-B, se funden y se dejan enfriar
lentamente. Se dibujan sus gráficas de enfriamiento y se toman sus puntos de inicio y fin del
proceso de solidificación para dibujar el diagrama de equilibrio (gráfica Temperaturaconcentración)
T1 = temperatura de inicio de solidificación (comienza la formación de cristales)
T2 = temperatura de fin de solidificación (formación del último cristal
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1600
1500
En estas aleaciones existe una solubilidad total
en estado sólido, por lo que los átomos se
mezclan en el interior del grano cristalino, es
decir, dentro de los granos hay metal A y B.
Todos los granos son similares.
Línea de
liquidus
Tª
LÏQUIDO L
T1 =T2
T1
El diagrama se divide en tres zonas:
T1
T1
1400
L+
T2
1300
s
T2
1200
Línea de
solidus
T2
T1=T2
SÓLIDO s
1100
0%B
100%A
25%B
75%A
50%B
50%A
Mª Jesús Saiz
%B
100%B
0%A
75%B
25%A
▪ En la zona L hay una sola fase, líquida y
homogénea.
▪ En la zona L+S hay dos fases, una de
líquido AB y otra de cristales de aleación
sólida S (AB mezclados).
▪ En la zona S hay una fase sólida formada
por la mezcla AB.
Vamos a analizar el diagrama fijándonos en los
siguientes puntos:
Tª
Ejemplo: Aleación 75% A y 25% B:
-
En el punto “a”
1600
•
Numero de fases = 1 (liquido)
•
Composición de cada fase:
Líquido =75% A - 25 %B
1400
Cantidad o proporción de cada fase:
1300
•
s
l
b
L+S
1200
En el punto “b”
c
SÓLIDO S
•
Numero de fases = 2 (líquido y sólido S)
•
Composición de cada fase: se aplica la regla
0 10
50
25
75
100
de la horizontal para hallar la composición química
del sólido y del líquido (se traza una línea horizontal
que pase por el punto “b” y corte a las líneas de fase; el punto
de corte con la línea de líquido nos da la composición de la fase líquida y el punto de
corte con la línea de sólido nos da la composición de la fase sólida)
Líquido L= 75% B y 25% A
Sólido S = 10% B y 90% A
•
Cantidad o proporción de cada fase: se aplica la regla de la palanca o de los
segmentos inversos para hallar la cantidad en tanto por ciento de la fase sólida y de la
fase líquida (se traza una línea horizontal que pase por el punto “b” y corte a las líneas
de fase; esa línea s-l es el denominador y en el numerador se coloca el segmento inverso
desde nuestro punto “b” a la línea de fase)
Wlíquido =
𝑏−𝑠
𝑙−𝑠
𝑙−𝑏
25−10
100 (%) =
1100
100 = 23%
75−10
75−25
Wsólido =
100 (%) =
100 = 77%
𝑙−𝑠
75−10
-
LÏQUIDO L
1500
Wlíquido = 100 %
-
a
En el punto “c”
•
Numero de fases = 1 (sólido S)
•
Composición de cada fase:
Solido =75% A - 25 %B
•
Cantidad o proporción de cada fase:
Wsólido = 100 %
4
%B
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DIAGRAMA DE EQUILIBRIO EN ALEACIONES TOTALMENTE SOLUBLES EN ESTADO
LÍQUIDO E INSOLUBLES EN ESTADO SÓLIDO
Se toman los metales puros A y B y diferentes aleaciones A-B, se funden y se dejan enfriar
lentamente. Se dibujan sus curvas de enfriamiento y se toman sus puntos de inicio y fin del
proceso de solidificación para dibujar el diagrama de equilibrio (gráfica Temperaturaconcentración)
T1 = temperatura de inicio de solidificación (comienza la formación de cristales)
T2 = temperatura de fin de solidificación (formación del último cristal
Observamos que todas las aleaciones A-B acaban de solidificar a la misma temperatura.
Los metales puros A y B y la aleación eutéctica tienen una sola temperatura de solidificación.
El resto de aleaciones tiene un intervalo de solidificación
Se representa el diagrama de fases
Línea de
liquidus
Tª
1500
1400
T1 =T2
LÏQUIDO L
T1 =T2
T1
T1
T1
1300
L+B
L+A
1200
T2
T2
T2
1100
Línea de
solidus
SÓLIDO A+B
1000
0
%B
20
40
Aleación
hipoeutéctica
60
80
100
Aleación
hipereutéctica
El diagrama se divide en cuatro zonas.
▪ En la zona L hay una sola fase, líquida y
homogénea.
▪ En la zona L+A hay dos fases, una de
líquido A-B y otra de cristales de solido A.
▪ En la zona L+B hay dos fases, una de
líquido A-B y otra de cristales de solido B.
▪ En la zona sólida hay un sólido formado
por dos fases A y B, que no se mezclan.
En estas aleaciones existe una insolubilidad
entre sus elementos en estado sólido, lo que
hace que, al formarse los granos cristalinos,
los metales no se mezclan dentro del grano
por lo que cada grano es de un metal puro;
Es decir, tenemos granos formados por el
metal A y granos del metal B (dos fases)
mezclados al azar.
A la aleación de punto de fusión más bajo se
le llama aleación eutéctica.
Aleación
eutéctica
A las aleaciones a la izquierda de la aleación
eutéctica se las llama aleaciones
hipoeutécticas. A las aleaciones a la derecha de la aleación eutéctica se las llama aleaciones
hipereutécticas.
Reacción eutéctica: transformación de un líquido a cierta temperatura en dos fases sólidas.
Es la aleación de menor temperatura de fusión
Vamos a analizar el diagrama fijándonos en las siguientes zonas:
▪
En las aleaciones hipoeutécticas, por debajo de la línea de líquido comienza la
solidificación y los cristales que solidifican en la zona L+A son de sólido puro A, mientras
que el líquido AB que queda se va progresivamente empobreciendo en A.
Al llegar a la temperatura T2 desaparece todo el líquido y el sólido que se forma en ese
instante contiene cristales de A puro y B puro que no se mezclan dentro del grano (sólido
con dos constituyentes A+B). Este sólido tiene la misma cantidad o concentración de A y
B que la aleación eutéctica.
A temperaturas menores toda la aleación está en estado sólido, pero podemos considerar
que tenemos un sólido con dos fases: una fase de sólido A que se formó en la zona L+A
(A proeutéctico, se formó antes de la temperatura eutéctica), y una fase compuesta de
sólido A+B (composición eutéctica). Es la zona Ap+(A+B)eu
▪
En la aleación eutéctica sólo hay un punto de solidificación y toda la aleación pasa de
estado líquido a sólido a la temperatura T2. Se forman dos fases A y B, que no se mezclan.
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▪
Mª Jesús Saiz
En las aleaciones hipereutécticas, comienza la solidificación a la temperatura T1, los
cristales que solidifican en la zona L+B son de sólido puro B, mientras que el líquido que
queda se va empobreciendo en B.
Al llegar a la temperatura T2 desaparece todo el líquido y la aleación sólida formada en
ese instante contiene cristales de A puro y B puro que no se mezclan (sólido con dos
fases A+B de composición eutéctica)
A temperaturas menores toda la aleación está en estado sólido, pero podemos considerar
que tenemos un sólido con dos fases: una fase de sólido B que se formó en la zona L+B
(B proeutéctico, se formó antes de la temperatura eutéctica), y una fase compuesta de
sólido A+B (composición eutéctica). Es la zona Bp+(A+B)eu
Para calcular la composición de cada una de las fases se emplea la regla de la horizontal. Y
para calcular la cantidad de cada fase se emplea la regla de la palanca.
Línea de
liquidus
Tª
LÏQUIDO L
a
1400
b
1300
L + Bp
L + Ap
1200
1100
c
A+B
Línea de
solidus
Aleación eutéctica
1000
Ap+(A+B)eu
0
Bp+(A+B)eu
%B
20
40
60
Aleación
hipoeutéctica
80
100
Aleación
hipereutéctica
Ejemplo: Aleación 80% A y 20% B:
-
Bp = B proeutéctico
(A+B)eu = aleación
eutéctica
1500
-
Ap = A proeutéctico
En el punto “a”
•
Numero de fases = 1 (liquido AB)
•
Composición de cada fase: Líquido =80% A - 20 %B
•
Cantidad o proporción de cada fase: Wlíquido = 100 %
En el punto “b”
•
Numero de fases = 2 (liquido AB y sólido A)
•
Composición de cada fase: se aplica la regla de la horizontal
Líquido = 40% B y 60% A
Sólido A = 0% B y 100% A
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•
Mª Jesús Saiz
Cantidad o proporción de cada fase: se aplica la regla de la palanca o de los
segmentos inversos
Wlíquido =
𝑏−𝑠
100 = 50%
40−0
40−20
Wsólido =
100 (%) =
100 = 50%
𝑙−𝑠
40−0
-
𝑙−𝑠
𝑙−𝑏
20−0
100 (%) =
En el punto “c”
•
Numero de fases = 2 (solido A y sólido A+B)
•
Composición de cada fase: Sólido A =100% A - 0 %B
Sólido A+B =80% A - 20 %B (eutéctica)
•
Cantidad o proporción de cada fase:
Primero se calculan las cantidades totales de A y B
WA = 80% y WB = 20%
Para conocer las cantidades de cada fase A y fase A+B, se compara la fase A+B con la
composición del punto eutéctico.
WAeutectico = 40%
WBeutectico = 60%
Comparamos los cristales de B que son todos eutécticos, mediante regla de tres:
Eutéctico
Punto c
Aeutéctico
Beutéctico
40
60
x
20
Resolviendo: x = 13,3%, de modo que el A primario o proeutéctico será 80-13,3 = 66,7.
Y la cantidad de cada fase es:
WA proeutéctico = 66,7% y W(A+B) eutéctico = 13,3 + 20 = 33,3%
DIAGRAMA DE EQUILIBRIO EN ALEACIONES TOTALMENTE SOLUBLES EN ESTADO
LÍQUIDO Y PARCIALMENTE SOLUBLES EN ESTADO SÓLIDO
La mayor parte de los metales de uso industrial presentan alguna solubilidad entre sí al
alearse. Por ejemplo: en la
aleación Cu-Zn, el cobre no
Tª A
B
es capaz de solubilizar más
de un 30% de Zn
Línea de
1800
LÏQUIDO L
liquidus
Se representa el diagrama
de fases
1600
En estos sistemas los
metales son solubles, pero
en
pequeña
cantidad
(parcialmente solubles, Al
solidificar
aparecen
soluciones sólidas α y β
Línea de
solidus
1400
L+
1200
1000
α = solución sólida de B
disuelto en A (mucha
cantidad de A y poca de B)
α
α
L+
β
β
α+β
Aleación
eutéctica
Aleación eutéctica
SÓLIDO α+β
800
β = solución sólida de A
disuelto en B (mucha
cantidad de B y poca de A)
0
%B
20
40
Aleación
hipoeutéctica
7
60
80
100
Aleación
hipereutéctica
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A la temperatura eutéctica las fases sólidas que se forman son soluciones α y β.
Se observa en el diagrama que ocurren transformaciones en estado sólido.
El diagrama se divide en seis zonas:
-
▪
▪
En la zona L hay una sola fase, líquida AB y homogénea.
En la zona L+α hay dos fases, una de líquido AB y otra de cristales de aleación sólida
α (sólido α con solubilidad parcial)
En la zona L+β también hay dos fases, una de líquido AB y otra de cristales de aleación
sólida β (sólido β con solubilidad parcial)
En la zona α, hay una fase sólida formada por cristales de aleación sólida α.
En la zona β, hay una fase sólida formada por cristales de aleación sólida β.
En la zona α+β hay un sólida formado por dos fases α y β, que son soluciones sólidas
con solubilidad parcial.
En las aleaciones hipoeutécticas,
comienza la solidificación a la
temperatura T1, los cristales que
solidifican en la zona L+α son de
sólido α, mientras que el líquido que
queda se va empobreciendo en A.
Al llegar a la temperatura T2
desaparece todo el líquido y la
aleación formada contiene cristales
de α (proeutécticos), más una
estructura compuesta de α+β
(composición eutéctica). Es la zona
α+(α+β).
En aleaciones hipoeutécticass con
pequeñas cantidades de B, todo el
sólido está en forma de α y este
sólido no sufre transformaciones,
todo es solución sólida α
Tª A
B
1800
LÏQUIDO L
1600
a
1400
L+
αP
L+
b
βP
1200
1000
α
c
Aleación eutéctica
αP+(α+β)eu
800
357
0
β
α+β
βP+(α+β)eu
90 92
50
20
40
Aleación
hipoeutéctica
60
80
100
Aleación
hipereutéctica
▪
En la aleación eutéctica sólo hay un
punto de solidificación y toda la
aleación pasa de estado líquido a
sólido α+β a la temperatura T2.
▪
En las aleaciones hipereutécticas, comienza la solidificación a la temperatura T1, los cristales
que solidifican en la zona L+β son de sólido β, mientras que el líquido que queda se va
empobreciendo en B.
Al llegar a la temperatura T2 desaparece todo el líquido y la aleación formada contiene
cristales de β (proeutécticos), más una estructura compuesta de α+β (composición eutéctica).
Es la zona β+(α+β)
▪
En aleaciones hipereutécticas,con pequeñas cantidades de A, todo el sólido está en forma de
β y este sólido no sufre transformaciones, todo es solución sólida β
Para calcular la composición de cada una de las fases se emplea la regla de la horizontal. Y
para calcular la cantidad de cada fase se emplea la regla de la palanca.
Ejemplo:
Aleación 60% A y 40% B:
-
En el punto “a”
•
Numero de fases = 1 (liquido AB)
•
Composición de cada fase:
Líquido =60% A - 40 %B
8
%B
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▪
Mª Jesús Saiz
Cantidad o proporción de cada fase:
Wlíquido = 100 %
-
En el punto “b”
•
Numero de fases = 2 (liquido y sólido α)
•
Composición de cada fase: se aplica la regla de la horizontal
Líquido = 50% B y 50% A
Sólido α = 3% B y 97% A
•
Cantidad o proporción de cada fase: se aplica la regla de la palanca o de los
segmentos inversos
Wlíquido =
𝑏−𝑠
100 = 78,7%
50−3
50−40
Wsólido =
100 (%) =
100 = 21,3%
𝑙−𝑠
50−3
-
𝑙−𝑠
𝑙−𝑏
40−3
100 (%) =
En el punto “c”
•
Numero de fases = 2 (solido α y sólido α+β)
•
Composición de cada fase: se aplica la regla de la horizontal
Sólido α = 5% B y 95% A
Sólido β = 92% B y 8% A
•
Cantidad o proporción de cada fase: se aplica la regla de la palanca o de los
segmentos inversos
Primero se calculan las cantidades totales de α y β
Wα =
Wβ =
92−40
92−5
40−5
92−5
100 = 59,8%
100 = 40,2%
Para conocer las cantidades de cada fase α y fase α+β, se compara la fase α+β con la
composición del punto eutéctico.
Wαeutectico =
Wβeutectico=
90−60
90−7
60−7
90−7
100 = 36,1%
100 = 63,9%
Comparamos los cristales de β que son todos eutécticos, mediante regla de tres:
αeutéctico
βeutéctico
Eutéctico
36,1
63,9
Punto c
x
40,2
Resolviendo: x = 22,7%, de modo que el α primario será 59,8 - 22,7 = 37,1%.
Y la cantidad de cada fase es:
Wα proeutéctico = 37,1% y W(α+β) eutéctico = 22,7 + 40,2= 62,9 %
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ALEACIONES Fe-C. PROPIEDADES Y CLASIFICACIÓN
1.- Estados alotrópicos del Hierro (Fe)
Según las condiciones de temperatura, el hierro puede presentar diferentes estados, con mayor o menor
capacidad para disolver el carbono.
Hierro α: cristaliza hasta una temperatura de 768 ºC en la red CCB. No disuelve prácticamente
al carbono. Es magnético.
Hierro β: cristaliza entre 768 ºC- 910 ºC en la red CCB. No es magnético. Tiene mayor volumen
(mayor distancia entre átomos).
Hierro γ: cristaliza entre 910 ºC- 1400 ºC en la red CCF. Disuelve más carbono (hasta un 2, 11
%). Es no magnético
Hierro δ: cristaliza entre 1400 ºC- 1539 ºC en la red CCB. Es magnético. Muy parecido al hierro
α. Poca aplicación
2.- Formas de encontrar el carbono en las aleaciones férreas
Disuelto o combinado:
Formando soluciones sólidas de inserción con el hierro α (ferrita = Fe α - C). La ferrita
disuelve muy poca cantidad de carbono. La estructura cristalina será CCB
Formando soluciones sólidas de inserción con el hierro γ (austenita = Fe γ - C).
La estructura cristalina será CCF
En forma de carburo de hierro (Fe3C = cementita). La cementita tiene un 6,67% en
peso de carbono (la mayor proporción de carbono que puede solubilizarse con el hierro),
y es un compuesto de inserción. La estructura cristalina que se forma es del tipo
ortorrómbica con 12 átomos de hierro y 4 átomos de carbono por celda.
Libre: formando nódulos o láminas de grafito, cuando el porcentaje de carbono es superior al
6,67%.
El grafito es una de las formas alotrópicas en las que se puede presentar
el carbono (como el diamante y el grafeno). Los átomos se colocan en capas
superpuestas formando hexágonos regulares.
Es de color negro con brillo metálico, se exfolia con facilidad, es conductor y
muy blando.
3.- Diagrama Fe-C
Los aceros son aleaciones Fe-C, donde el carbono está en proporciones del 0,03 – 2,11 %. Son
forjables.
Las fundiciones son aleaciones Fe-C, donde el carbono está en proporciones del 2,11 – 6,67%.
Son no forjables.
El 6,67% C es la máxima proporción de carbono que se puede disolver. Al compuesto con este
porcentaje 6,67% C, se le llama cementita. (Fe3C)
10
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Constituyentes de las aleaciones Fe-C
Ferrita (α): prácticamente Fe α, tiene muy poca solubilidad ya que apenas disuelve carbono
(máxima solubilidad es 0,02 % C). Cristaliza en la red CCB. Es el más blando y dúctil
constituyente de los aceros. Es magnético. Se emplea en la fabricación de imanes permanentes,
en núcleos de inductancias y transformadores. .
Bobinado de ferrita para uso como
transformador de corriente eléctrica
C
Cementita: Fe3C, tiene un 6;67% de carbono. La estructura
cristalina es muy compleja, es del tipo ortorrómbica con 12 átomos
de hierro y 4 átomos de carbono por celda.
Es el más duro y frágil constituyente de los aceros. Tiene muy poca
resiliencia y no es posible utilizarla para operaciones de laminado o
forja Es magnético hasta los 210ºC.
La cementita se llama primaria cuando se forma desde la fase líquida
y secundaria si procede de austenita durante el enfriamiento lento.
Y terciaria si se desprende de la ferrita al enfriarse por debajo de
910 ºC.
Perlita: α + Fe3C, es la mezcla eutectoide de ferrita y cementita (86,5% de ferrita y 13,5% de
cementita). Tiene propiedades intermedias.
A 723ºC la solución sólida austenita origina en el enfriamiento dos nuevas fases sólidas (a esto se
le llama reacción eutectoide)
Austenita γ
Ferrita α + cementita Fe3C
86,5%
13,5%
perlita
Austenita (γ): solución sólida de inserción de carbono en Fe γ, con un máximo porcentaje de
carbono de 2,11%. Cristaliza en la red CCF Se forma con temperaturas superiores a 723ºC. Es
blando, ductil, resistente, tenaz, no magnético y muy denso.
La austenita no es estable a temperatura ambiente. Es blanda y dúctil y, en
general, la mayoría de las operaciones de forja y laminado de aceros se
efectúa a aproximadamente los 1100 ºC, cuando la fase austenítica es
estable.
Ledeburita: γ + Fe3C, es la mezcla eutectica de austenita y cementita
(52% de austenita y 48% de cementita). Se da con un porcentaje de carbono del 4,3 %. Es un
constituyente de las fundiciones.
A 1130 ºC la aleación líquida, solidifica formando un sólido con dos fases (reacción eutéctica)
Austenita γ + cementita Fe3C
Líquido
48 %
52%
ledeburita
Es estable hasta los 723ºC, descomponiéndose a partir de esta temperatura en ferrita y cementita
Martensita: Se obtiene por enfriamiento rápido de la austenita. A velocidades de enfriamiento
bajas o moderadas, los átomos de C pueden difundirse hacia afuera de la estructura austenítica.
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C
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b
c
De este modo, los átomos de Fe se mueven ligeramente y se da una transformación de Fe γ en
Fe α. Es una solución sólida sobresaturada de carbono en Fe α. Es el constituyente principal de
los aceros templados. Tras la cementita, es el constituyente más duro de los aceros.
La martensita se presenta en forma de agujas y cristaliza en la red tetragonal
a
Diagrama Fe-C
Los cambios de estado del hierro y el acero se verifican cuando los cambios de temperatura son lentos,
según se representa en el diagrama hierro-carbono.
Tª (ºC)
Línea de liquidus
1539
L = líquido
γ = austenita
L
1500
γ
1300
L+ γ
1130
910
α
723
700
500
γ + Fe3C
γ+α
Línea de
solidus
723
α + Fe3C
Perlita
α + Fe3C
300
0,89
2,1
1
Hipoeutectoides
4,3
2
Hipereutectoides
3
Hipoeutéctico
4
6,67
5
6
7
%C
Hipereutéctico
Fundiciones
Aceros
-
1130
γ + Fe3C
Ledeburita
1100
900
Fe3C = cementita
L+ Fe3C
En la zona L hay una sola fase, líquida y homogénea.
En la zona L+γ hay dos fases, una de líquido y otra sólida austenita.
En la zona γ, hay una fase sólida formada por austenita.
En la zona α, hay una fase sólida formada por ferrita.
En la zona L+Fe3C hay dos fases, una de líquido y otra de sólido cementita.
En la zona γ+ Fe3C hay un sólido formado por dos fases austenita y cementita.
En la zona α+ Fe3C hay un sólido formado por dos fases ferrita y cementita.
Dependiendo de la zona la austenita y la cementita pueden ser primarias (proeutécticas) o
secundarias (eutécticas)
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En los aceros hipoeutéctoides (<0,89%C) existen varias zonas según vamos bajando la
temperatura
• Fase líquida
• 2 fases: Líquido y sólido austenita
• Fase sólida austenita
• 2 Fases sólidas donde el hierro γ se transforma progresivamente en hierro
α
• A 723ºC toda la austenita se transforma en perlita y cementita
• 2 Fases sólidas de ferrita primaria y perlita
En los aceros eutéctoides (0,89%C) existen varias zonas según vamos bajando la temperatura
• Fase líquida
• 2 fases: Líquido y sólido austenita
• Fase sólida austenita
• A 723ºC toda la austenita se transforma en perlita
En los aceros hipereutéctoides (0,89% - 2,11%C) existen varias zonas según vamos
bajando la temperatura
• Fase líquida
• 2 fases: Líquido y sólido austenita
• Fase sólida austenita
• 2 Fases sólidas austenita y cementita
• A 723ºC toda la austenita se transforma en perlita
• 2 Fases sólidas de perlita y cementita
En las fundiciones hipoeutécticas (2,11% - 4,3%C) existen varias zonas según vamos bajando
la temperatura
• Fase líquida
• 2 fases: Líquido y sólido austenita
• 2 Fases sólidas austenita primaria y ledeburita
• A 723ºC toda la austenita se transforma en perlita
• 2 Fases sólidas de perlita y cementita
En las fundiciones eutécticas (4,3%C) existen varias zonas según vamos bajando la
temperatura
• Fase líquida
• A 1130ºC se produce la transformación de la fase líquida en ledeburita.
• A 723ºC toda la austenita eutéctica se transforma en perlita
En las fundiciones hipereutécticas (>4,3%C) existen varias zonas según vamos bajando la
temperatura
• Fase líquida
• 2 fases: Líquido y sólido cementita
• 2 Fases sólidas ledeburita y cementita primaria
• A 723ºC toda la austenita eutéctica se transforma en perlita
• 2 Fases sólidas de perlita y cementita
Para calcular la composición de cada una de las fases se emplea la regla de la horizontal.
Y para calcular la cantidad de cada fase se emplea la regla de la palanca.
4.- Propiedades de los aceros
Al disminuir el %C: dúctiles, maleables, tenaces, soldables
Al aumentar el %C: resistentes, duros, frágiles.
Son oxidables y corroibles.
Densidad = 7,6 – 7,8 g/cm3
5.- Clasificación de los aceros
En función del porcentaje de C:
Aceros hipoeutectoides: del 0,03 – 0,89 %.C
Aceros eutectoides: 0,89 %.C
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Aceros hipereutectoides: del 0,89 – 2,1 %.C
En función de su composición:
Aceros al C: aleación de Fe – C y bajo porcentaje de otros elementos (según las normas).
Aceros aleados: aleación de Fe – C e impurezas. Además, llevan de forma voluntaria otros
elementos que modifican sus propiedades.
• Aceros inoxidables: Cr, Ni.
Acero galvanizado: Zn
• Aceros de corte (muy duros): Wf
• Aceros de alta dureza: Mo, Cr, Co
• Aceros resistentes a la fatiga: Vanadio
6.- Propiedades de las fundiciones
Son aleaciones férricas con un porcentaje de C mayor del 2,11%. No son forjables. Funden a
temperatura inferior a los aceros por lo que se moldean con facilidad.
No son dúctiles, no maleables, sueldan con dificultad.
Menor densidad = 7,2 – 7,68 g/cm3
Tienen tendencia a la formación de grafito (carbono libre formando láminas o nódulos).
7.- Clasificación de las fundiciones
En función del porcentaje de C:
Fundiciones hipoeutéctica: del 2,11 – 4,3 %.C
Fundiciones oeutécticas : 4,3 %.C
Fundiciones hipereutéctica del 4,3 – 6,67 %.C
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