Unidad5

Unidad
5
ENDURECIMIENTO
POR ALEACION
1
PRESENTACION
Dos metales (A, B) a temperaturas superiores a sus respectivos puntos de fusión
(TA,TB) se encuentran en estado líquido pudiéndose disolver y conformar así una fase única
líquida. Esto quiere decir que no podemos establecer diferencias de comportamiento u
observación entre las distintas partes del líquido y que los metales en las proporciones mezcladas
tienen la propiedad de miscibilidad. Si la mezcla líquida, XA-XB, la sometemos a un proceso de
solidificación, mediante enfriamiento, llegamos a obtener el producto que se denomina aleación
de los metales A y B.
Es conocido que las aleaciones mejoran las características de los metales puros.
Realmente debería decirse que introducen variables que diferencian el comportamiento de los
metales puros que las componen, porque en algunas circunstancias pueden perjudicar sus
propiedades. Obviamente, conformar una aleación es uno de los medios más primitivos que la
ingeniería ha dispuesto para actuar sobre las propiedades de los metales puros, incluso
históricamente la aleación es predecesora como lo justifica el bronce, Edad del bronce.
Este es pues el objetivo: correlacionar las propiedades resistentes con las
composiciones de las aleaciones. Este objetivo parecería sencillo si sólo conformara el modelo
la variable composición, que correspondería a una solidificación en equilibrio, reversible
termodinámicamente. Pero el modelo se enriquece por la influencia de las características de los
procesos de enfriamiento, con distintos grados de irreversibilidad, o determinadas velocidades de
enfriamiento, lo que evidentemente determinará la conformación de la microestructura, granos y
fases, y desde aquí las diferentes respuestas del material ante solicitaciones específicas.
Así pues, tres son los objetivos que nos hemos impuesto:
A - Correlacionar las propiedades resistentes de las aleaciones obtenidas en condiciones
industrialmente reversibles.
B - Diferenciar la influencia que sobre las aleaciones imponen las condiciones de velocidad de
enfriamiento alta, termodinámicamente irreversibles, subrayando en especial:
FCM 5 / 61
Unidad 5 – Endurecimiento por aleación. Aleaciones con transformación eutéctica
• La influencia que sobre la microestructura tiene una velocidad de enfriamiento mayor
que la calificada como reversible.
• La influencia que esta irreversibilidad tiene sobre las características resistentes de la
aleación.
C - Analizar los tratamientos térmicos que permitan reconducir las aleaciones obtenidas en
procesos irreversibles, como es el caso de recocido de homogeneización en las estructuras
con segregación dendrítica.
El campo de aplicación de esta unidad es vastísimo, pues la aleación se constituye como
el primer medio de endurecimiento de los metales. Prácticamente todos los metales disponen de
concentraciones que pueden alearse con solubilidad total o parcial en estado sólido, como es el
caso de los aceros, bronces, latones, cuproníqueles, oro o plata, que se alean para mejorar sus
características resistentes o de otro tipo.
2
LA CINETICA DEL PROCESO DE SOLIDIFICACION
Cuando un metal puro en estado líquido sometido a un proceso de enfriamiento
alcanza su temperatura de solidificación, se inicia un proceso de formación de embriones o
núcleos sobre los que van agregándose átomos, conformando así la estructura cristalina. La
velocidad de formación de embriones o velocidad de nucleación será una variable importante en
el tamaño y la forma de cada estructura monocristalina. La otra variable fundamental para la
definición del grano será la velocidad de crecimiento del grano. La combinación de altas
velocidades de nucleación y de crecimiento tendrán como consecuencia pequeñas dimensiones
de granos. E inversamente, pequeñas velocidades de nucleación y crecimiento concluyen en
grandes tamaños de grano. Analizaremos los diferentes modos de nucleación que pueden darse
en la solidificación de metales.
Podría pensarse que la curva cinética de la temperatura del metal en el enfriamiento es
simétrica a la que se describe en un proceso de fusión de un metal puro, de todos conocidos
figura 5.1, con la meseta requerida para recibir el calor latente necesario para el cambio de
estado de sólido a líquido a la temperatura de fusión Tf. Sin embargo podremos comprobar que
esto no sucede así, como consecuencia de la no reversibilidad de los procesos termodinámicos
aplicados.
La descripción teórica del detalle de
formación de embriones está en concordancia
con el principio termo-dinámico citado. En
efecto, a la temperatura de fusión Tf, la
Tf
diferencia esencial entre el líquido y el sólido
∆T
está en la energía cinética que anima al líquido,
mientras que la energía potencial de ambos es
del mismo orden. Parece lógico admitir que en
algún lugar puede producirse una pequeña
agrupación de átomos, núcleos homogéneos, con
la ordenación cristalina. Su transformación en
cristal provoca inmediatamente un aumento de
t1
t
temperatura por causa de la liberación del calor
Figura 5.1. Cinética de fusión, 0 - t1, y ,solidificación t > latente correspondiente. Con ello se produciría
t1 de un metal puro.
la rotura de la estructura cristalina del embrión
T
FCM 5 / 62
Unidad 5 – Endurecimiento por aleación. Aleaciones con transformación eutéctica
que se formó al transformarse esta energía latente en energía cinética. Así pues, una condición
necesaria es que el embrión formado se encuentre a temperatura inferior a la de fusión, lo que se
cuantifica con el denominado grado de subenfriamiento, ∆T.
2.1
EXPERIENCIA SOBRE LA CINETICA DE SOLIDIFICACION DE METALES
PUROS
2.1.1 Objetivo de la experiencia
Investigar la cinética de solidificación de metales puros correlacionando forma y tamaño
de grano, grado de subenfriamiento, tipo de molde de enfriamiento y afinadores de grano.
2.1.2 Material empleado
2.1.3 Descripción del proceso y equipos
2.1.4 Dibuja el aspecto de las muestras tras el macroataque, indicando la forma y
distribución de los granos.
FCM 5 / 63
Unidad 5 – Endurecimiento por aleación. Aleaciones con transformación eutéctica
2.2
EXPERIENCIA SOBRE LA INFLUENCIA DE LOS AFINADORES DE GRANO
2.2.1 Objetivo de la experiencia
Investigar la influencia de los afinadores de grano en la solidificación de metales puros,
relacionándolo con la forma y tamaño de los granos.
2.2.2 Material empleado y descripción del proceso y equipos utilizados
2.2.3 Dibuja el aspecto de las muestras tras el macroataque, indicando la forma y
distribución de los granos.
3
ALEACIONES CON
ESTADO SOLIDO
SOLUBILIDAD
COMPLETA
EN
El objetivo es realizar el estudio de las aleaciones que muestran solubilidad total en
estado sólido, que resumimos:
A - Correlacionar propiedades mecánicas en condiciones de reversibilidad.
B - Mostrar la influencia sobre las propiedades de las condiciones de irreversibilidad.
C - Investigar los procesos térmicos que se requieren para estabilizar la aleación.
Plasmado esquemáticamente, los diferentes objetivos son:
FCM 5 / 64
Unidad 5 – Endurecimiento por aleación. Aleaciones con transformación eutéctica
PROCEDIMIENTOS PARA
OBTENCION DE ALEACIONES
FUNDAMENTOS DEL
DIAGRAMA DE EQUILIBRIO
ALEACIONES CON DIAGRAMA DE
EQUILIBRIO CON SOLUBILIDAD COMPLETA
•CONDICIONES DE REVERSIBILIDAD
•CARACTERÍSTICAS MECÁNICAS
ALEACIONES EN CONDICIONES DE
VELOCIDAD DE ENFRIAMIENTO ALTA
•MICROESTRUCTURA
•CARACTERÍSTICAS MECÁNICAS
RECOCIDO DE HOMOGENEIZACIÓN
• PROCESO
VARIABLES DE CONTROL
• LEYES DE DIFUSION
3.1
EL DIAGRAMA DE EQUILIBRIO ENTRE FASES
Al igual que el geógrafo tiene el mapa geográfico, el técnico en materiales
dispone del diagrama de equilibrio entre fases. En efecto, un diagrama de equilibrio describe,
para dos metales que componen una aleación, y cada conjunto de variables, la composición y la
ponderación de las fases que hacen mínima la energía libre del sistema. Para ello es necesario
que, los procesos de evolución del sistema, hasta alcanzar los valores buscados de las variables
sean reversibles desde el punto de vista termodinámico. Solo así las fases de equilibrio serán una
función del estado y no del camino seguido en la evolución. Por tanto, un diagrama de
equilibrio de fases obtenido de este modo, es función unívoca del estado de las variables del
sistema: presión, temperatura y concentraciones de sus componentes.
3.1.1 Determinación de los diagramas de equilibrio de fases
Definir un diagrama de equilibrio significa determinar las temperaturas en las que
aparecen cambios de fase para cada una de las composiciones posibles. El procedimiento para
definir los diagramas de equilibrio de las aleaciones es, usualmente, el análisis térmico o
estudio de la variación de las temperaturas frente al tiempo para una determinada velocidad de
extracción de calor, que permite analizar los cambios de fase que suceden en el paso de líquido a
sólido, o de sólido a sólido, por cuanto cada fase tiene una definida entalpía que la identifica. En
definitiva, un cambio de fase significa una liberación o absorción de calor de acuerdo con su
entalpía asociada.
FCM 5 / 65
Unidad 5 – Endurecimiento por aleación. Aleaciones con transformación eutéctica
Para ganar sensibilidad en las transformaciones de fase, el análisis térmico se registra
diferencialmente con relación a un patrón que es invariante a los cambios de fase, figura 5.2. De
este modo las variaciones registradas corresponden sólo a las investigadas por los cambios de
fase. En la figura 5.3, se muestra un registro x-y, dθ-θ, tipo en las transformaciones de una resina
epoxi.
40
Epoxy Prepeg (sin curado)
A
s
30
B
E
S
C
D
Figura 5.2. Esquema de un dispositivo de análisis
térmico diferencial.
Flujo calorífico, mW
e
Pico de: 122,62
a: 261,72
Onset: 153,23
J/g = 109,90
20
10
Pico = 170,96
El análisis térmico diferencial
0
permite registrar los cambios de fase que
50,00
80,00 110,00 140,00 170,00 200,00 230,00
Temperatura, °C
suceden a cada temperatura durante el
enfriamiento o calentamiento de un
Figura 5.3. Transformación de resina epoxi.
material. La variación de temperatura,
ordenadas, indica el cambio de fase a la temperatura registrada, abscisas.
260,00
3.1.2 Identificación de las fases
Se realizan por medio de las técnicas ya estudiadas, que recordamos:
• Técnicas metalográficas; que permiten visualizar las fases existentes a las temperaturas
que son estabilizadas. Como las preparaciones metalográficas se realizan a temperatura
ambiente, en principio, sólo pueden ser observadas aquellas fases estables a esta
temperatura. No obstante, en ocasiones, puede extrapolarse su campo de observación
provocando un enfriamiento brusco, templado, desde la temperatura en que la fase
investigada es estable, siempre y cuando este enfriamiento no determine otros cambios de
fase desde aquella original.
• Microdureza; que nos permite cuantificar y diferenciar las características resistentes de
las fases presentes a temperatura ambiente.
• Difracción de Rayos X; que nos permite identificar la fase estable por comparación del
espectro característico obtenido
La identificación de las fases de una aleación estable o estabilizada se consigue a
través de técnicas metalográficas, de análisis de microdurezas y de difracción de rayos X.
3.2
SOBRE LA SOLIDIFICACION DE ALEACIONES
3.2.1 Objetivo de la experiencia
Investigar las posibilidades de conformación de una aleación de dos componentes y
diversos rangos de composición.
FCM 5 / 66
Unidad 5 – Endurecimiento por aleación. Aleaciones con transformación eutéctica
3.2.2 Materiales empleados
3.2.3 Descripción del proceso y equipos
3.2.4 Representa el diagrama de equilibrio de fases de los componentes estudiados
3.2.4 Dibuja la microestructura de la diferentes aleaciones, indicando la forma y
distribución de los granos.
FCM 5 / 67
Unidad 5 – Endurecimiento por aleación. Aleaciones con transformación eutéctica
3.3
SOBRE LA SOLIDIFICACION INDUSTRIAL DE UNA ALEACION
3.3.1 Objetivo de la experiencia
Investigar las variaciones que afectan al diagrama de fases y a la microestructura cuando
la velocidad de enfriamiento es industrial, irreversible. Definir la segregación dendrítica y el
efecto "coring".
3.3.2 Materiales empleados
3.3.3 Dibuja la microestructura observada tras enfriamiento rápido de la aleación
3.3.4 Define y representa el efecto coring observado en las microestructuras
3.4
SOBRE EL RECOCIDO DE HOMOGENEIZACION
3.4.1 Objetivo de la experiencia
Investigar la influencia de los parámetros que son variables en un recocido de
homogeneización sobre probetas con la estructura segregada, e importancia de la difusión.
3.4.2 Materiales empleados
FCM 5 / 68
Unidad 5 – Endurecimiento por aleación. Aleaciones con transformación eutéctica
3.4.3 Descripción del proceso y equipos
3.4.4 Dibuja las microestructuras de la aleación con los diferentes parámetros.
4
ENDURECIMIENTO POR ALEACION CON TRANFORMACION EUTECTICA
Cuando los dos metales aleantes son inmiscibles, o parcialmente miscibles, en estado
sólido, nos encontramos, con ganancia en sus características resistentes si bien sus causas son
bien distintas, al permitir la transformación eutéctica.
1 - Facilidad en el proceso de colada, por
las mínimas temperaturas necesarias.
2 - Optimas características resistentes.
350
327,5°
300
Temperatura, °C
La aplicación de estas aleaciones en
la industria es grande y diversa,
especialmente en piezas obtenidas mediante
colada. Bastidores de estructuras, bloques de
motor, llantas de automóviles, etc., son
algunos casos en los que aleaciones con
transformación
eutéctica
encuentran
aplicaciones ventajosas. Sus dos ventajas
fundamentales son:
250
200
232,0°
(Pb)
183°
18,3
61,9
97,8
150
β (Sn)
100
50
0
0
Pb
20
40
60
80
Porcentaje en peso de estaño
100
Sn
Figura 5.5. Diagrama de equilibrio Pb-Sn con solubilidad
Es lógico pensar que las zonas de
parcial en estado sólido.
insolubilidad sean crecientes con la disminución de temperatura y que las composiciones intermedias de los sistemas binarios sean más
FCM 5 / 69
Unidad 5 – Endurecimiento por aleación. Aleaciones con transformación eutéctica
proclives que las extremas, a la existencia de la insolubilidad. De acuerdo con estos postulados,
en la figura 5.4 se observa una zona central, composición-temperatura, donde existe una mezcla
de dos fases. Las zonas α y ß a la derecha e izquierda de la zona insoluble, son de solubilidad
total y por tanto monofásicas siendo las fronteras de separación de estas zonas líneas de
saturación del componente aleante.
Obviamente, la zona de insolubilidad es una zona bifásica, de las fases α y ß, y de su
conformación dependen las características específicas de la aleación eutéctica, este es
precisamente nuestro objetivo: analizar el proceso de conformación, la microestructura
resultante y su correlación con las características resistentes.
4.1
EXPERIENCIA SOBRE TRANSFORMACION EUTECTICA
4.1.1 Objetivo de la experiencia
Investigar la transformación eutéctica, su conformación y microestructura
4.1.2 Materiales ensayados
4.1.3 Descripción del proceso, probetas y equipos
4.1.4 Dibuja el aspecto de la microestructura del material tras el ataque, indicando la
forma y distribución de los granos.
FCM 5 / 70
Unidad 5 – Endurecimiento por aleación. Aleaciones con transformación eutéctica
4.2
SOBRE LAS CARACTERISTICAS MECANICAS DE LAS ALEACIONES CON
TRANSFORMACION EUTECTICA
4.2.1 Objetivo de la experiencia
Investigar las características resistentes de las aleaciones con transformación eutéctica.
4.2.2 Materiales ensayados
4.2.3 Descripción del proceso, probetas y equipos
4.2.4 Resultados obtenidos y representación de las características mecánicas con el
porcentaje de transformación eutéctica.
FCM 5 / 71
Unidad 5 – Endurecimiento por aleación. Aleaciones con transformación eutéctica
5
CUESTIONES PROPUESTAS POR LAS EXPERIENCIAS
1. ¿Cómo afecta la temperatura del molde a la velocidad de nucleación de embriones sólidos
de metal?
2. ¿Cómo afecta la naturaleza del molde a la velocidad de nucleación, embriones sólidos de
metal?
3. Distingue los lugares preferentes de formación de embriones sólidos en un molde en
condiciones de nucleación homogénea y en condiciones de nucleación heterogénea.
4. Justifica ¿qué ventajas, si las tienen, presentan los moldes de arena frente a las coquillas
metálicas?
5. Señala tres tipos de aleaciones industriales para fundición con transformación eutéctica.
Indica así mismo alguna aplicación para tales aleaciones.
6. Justifica el empleo de coquillas metálicas en la producción industrial de piezas coladas.
7. ¿Cómo puede evitarse, durante la fabricación, el efecto coring de las aleaciones con
solubilidad total en estado sólido?
8. Describe el por qué del fenómeno de segregación dendrítica que muestran algunas
aleaciones con solubilidad total en estado sólido.
9. Razona la posibilidad de que algunas aleaciones con solubilidad parcial en estado sólido
muestren segregación dendrítica o efecto coring.
10. Describe como se forman los granos eutécticos durante la solidificación de las aleaciones
con esta transformación.
11. Analiza las diferencias entre la solidificación de un metal puro y una aleación con
transformación eutéctica.
FCM 5 / 72
Unidad 5 – Endurecimiento por aleación. Aleaciones con transformación eutéctica
ALUMNO
APELLIDOS:
GRUPO DE PRÁCTICAS:
NOMBRE:
FECHA DE ENTREGA:
RESPUESTAS DE LAS CUESTIONES A RESOLVER
FCM 5 / 73