temas 16-21 - Universidad Nebrija

“TEMAS 16-21”
Noviembre 2005
Belén Molina Sánchez
UNIVERSIDAD ANTONIO DE NEBRIJA
ASIGNATURA: MATERIALES I
1
DIAGRAMAS DE EQUILIBRIO DE FASES
• Sistema: porción del universo que ha sido aislada de tal modo que sus propiedades
pueden ser estudiadas.
•Microconstituyente: aquello que es observable a nivel microscópico.
• Fase: es un microconstituyente:
• Parte homogénea de un sistema separable del resto a través de una barrera de
separación (físicamente diferenciable de las demás).
• Porción de un sistema material homogéneo y separado físicamente.
• Una sustancia pura puede presentarse en tres fases: sólida, líquida y gaseosa:
Tienen una misma estructura o arreglo atómico.
Tienen la misma composición química.
Tienen las mismas propiedades físicas.
Presentan una interfase definida con cualquier otra fase que la rodee.
• Componente: elementos o compuestos químicos que entran a formar un sistema.
• Grados de libertad (F): número de variables (temperatura, presión y composición)
que se pueden variar independientemente sin que tenga lugar cambio de fase.
• Regla de las fases (ley de Gibs): da una relación entre los componentes (C), las fases
(P) y los grados de libertad (F) cuando la presión es aproximadamente igual a 1 atm:
P → C −F +1
• El número de fases no puede superar nunca al número de componentes más 1.
• Cuando en un sistema en equilibrio se alteran las fases, el equilibrio se pierde. El
sistema evoluciona de forma que neutralice la alteración. Así en un enfriamiento se
produce una expulsión de energía y en un calentamiento se absorbe energía.
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DIAGRAMAS DE EQUILIBRIO DE FASES
• Un diagrama de fase es un mapa que describe las fases presentes en
un material en función de variables termodinámicas. Se suponen
condiciones de enfriamiento y calentamiento muy lentas.
• Para especificar por completo el estado de un sistema en equilibrio, es
necesario especificar tres variables independientes: temperatura,
presión y composición. Si se supone que la presión permanece
constante, el diagrama de equilibrio indicará los cambios estructurales
debidos a la variación de temperatura y composición.
• Existen dos tipos de solubilidad:
• Solubilidad ilimitada: se produce una fase sólida. Ej: cobre + níquel.
• Solubilidad limitada: uno de los componentes puede disolverse hasta
cierto límite en el otro. Se producen dos o más fases sólidas. Ej: cobre +
zinc.
• Es posible que no exista solubilidad entre dos materiales.
• Se estudian los diagramas de fase binarios (dos componentes o C=2).
Aplicando la regla de las fases: F → C − P + 1
• Si el número de fases presentes es 3 no hay ningún grado de libertad.
• Si el número de fases presentes es 2 hay un grado de libertad, el
sistema evoluciona fijando la temperatura con concentraciones únicas a
esa temperatura.
• Si el número de fases presentes es 1 hay dos grados de libertad, el
sistema puede coexistir a cualquier temperatura y concentración.
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DIAGRAMAS DE EQUILIBRIO DE FASES
Microestructura de una sola fase
correspondiente al molibdeno puro
200x
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Microestructura de dos fases correspondiente
a la perlita hallada en un acero con 0.8% en
peso de C 500x
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DIAGRAMAS DE EQUILIBRIO DE FASES
• Diagrama de fase PT del agua pura:
• Diagrama de fase PT del hierro puro:
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DIAGRAMAS DE EQUILIBRIO DE FASES
• El estudio de la fases viene dado por las curva de enfriamiento.
• Curva de enfriamiento de un metal puro o un compuesto químico:
• Formación de diagramas de fase a partir de las curvas de enfriamiento:
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DIAGRAMAS DE EQUILIBRIO DE FASES
• Coordenadas de los diagramas de fases:
• Los diagramas se grafican con la temperatura (en grados centígrados)
como la ordenada y la composición de la aleación (como porcentaje en
peso) como la abcisa.
• Si una aleación está formada por el elemento A y el elemento B, el
porcentaje en peso de cada uno será:
• La información que se puede obtener en un diagrama de fases es:
• Mostrar qué fases están presentes a diferentes composiciones y temperaturas en
condiciones de enfriamiento lento (equilibrio).
• Indicar la solubilidad en estado sólido y en equilibrio de un elemento (o bien de un
compuesto) en otro.
• Indicar la temperatura a la cual una aleación que se ha enfriado en condiciones
de equilibrio comienza a solidificar así como el rango de temperatura en el que
ocurre la solidificación.
• Indicar la temperatura a la cual empiezan a fundirse las diferentes fases.
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DIAGRAMAS DE EQUILIBRIO DE FASES
• Tipos más importantes de diagramas de fases:
• Componentes completamente solubles en estado líquido:
• Completamente solubles en estado sólido (tipo I)
• Insolubles en estado sólido: la reacción eutéctica (tipo II)
• Parcialmente solubles en estado sólido: la reacción eutéctica (tipo
III)
• Formación de una fase intermedia de fusión congruente (tipo IV)
• La reacción peritéctica (tipo V)
• Componentes parcialmente solubles en estado líquido: la reacción
monotéctica (tipo VI).
• Componentes insolubles en estado líquido e insolubles en estado sólido
(tipo VII).
• Transformaciones en estado sólido:
• Cambio alotrópico
• Orden-desorden
• La reacción eutectoide
• La reacción peritectoide
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DIAGRAMAS DE EQUILIBRIO DE FASES
• Tipo I: dos metales completamente solubles en los estados líquido y
sólido: como los dos metales son completamente solubles en el estado
sólido, el único tipo de fase sólida formada será una solución sólida
sustitucional. Los dos metales tendrán generalmente el mismo tipo de
estructura cristalina y diferirán en sus radios atómicos en menos del
8%.
Punto de
fusión de B
Punto de
fusión de A
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DIAGRAMAS DE EQUILIBRIO DE FASES
• El diagrama consta de dos puntos, dos líneas y tres áreas:
• Los puntos TA y TB representan los puntos de fusión de los dos metales
puros.
• La línea superior se llama línea liquidus y la inferior se llama solidus.
• El área por encima de la línea liquidus es una región monofásica
(solución líquida homogénea). El área por debajo de la línea de solidus es
también una región unifásica (solución sólida homogénea). Entre la línea
de solidus y liquidus hay una región bifásica (mezcla de una solución
líquida y una sólida).
Liquidus: temperatura a la cual el
líquido empieza a solidificar en
condiciones de equilibrio
Solidus: temperatura durante la
solidificación de una aleación a la cual
solidifica la última parte de la fase
líquida
• Las aleaciones no tienen una temperatura de solidificación (o fusión)
definida. Solidifican en un rango de temperaturas.
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DIAGRAMAS DE EQUILIBRIO DE FASES
• A partir de los diagramas de fases se obtiene también la composición
química de cada fase a una temperatura específica:
• Si la aleación contiene sólo una fase, la composición de esta fase es
igual a la composición de la aleación.
• Si la aleación tiene dos fases, la composición se encuentra así:
• A partir de los diagramas de fase se obtiene la cantidad de cada fase
con respecto a la masa total de la aleación utilizando la regla de la
palanca.
• Se traza una línea vertical que representa la aleación y una línea
horizontal a la temperatura requerida.
• La línea vertical dividirá a la horizontal en dos partes cuyas longitudes
son inversamente proporcionales a la cantidad de las fases presentes.
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DIAGRAMAS DE EQUILIBRIO DE FASES
• Regla de la palanca:
Distancia _ B
* 100
Distancia _ A + Distancia _ B
Distancia _ A
%∞ =
* 100
Distancia _ A + Distancia _ B
%L =
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DIAGRAMAS DE EQUILIBRIO DE FASES
• Equilibrio de masas:
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DIAGRAMAS DE EQUILIBRIO DE FASES
• Aplicación de la regla de las fases:
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DIAGRAMAS DE EQUILIBRIO DE FASES
• Microestructuras:
Todo líquido
Cristales de SS1 en
una matriz de L1
Sólido policristalino
(Sssystem)
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DIAGRAMAS DE EQUILIBRIO DE FASES
• Microestructuras:
100% líquido
(Lsystem)
10% SS1 en una
matriz de L1
40% SS2 en una
matriz de L2
90% SS3 en una
matriz de L3
100% sólido
(SSsystem)
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DIAGRAMAS DE EQUILIBRIO DE FASES
• Ejemplo diagrama de fase del sistema NiO-MgO:
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DIAGRAMAS DE EQUILIBRIO DE FASES
• Ejemplo diagrama de fase del sistema Cobre-Níquel:
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DIAGRAMAS DE EQUILIBRIO DE FASES
• Tipo II: dos metales completamente solubles en estado líquido
y completamente insolubles en estado sólido:
• Cada metal disminuye el punto de fusión del otro.
• La línea liquidus debe mostrar un mínimo, conocido como punto
eutéctico.
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DIAGRAMAS DE EQUILIBRIO DE FASES
• El diagrama está formado por cuatro áreas:
• El área arriba de la línea liquidus es una solución líquida homogénea de una sola
fase, ya que los dos metales son solubles en estado líquido.
• Las áreas restantes son de dos fases.
• En estas aleaciones ocurre la reacción eutéctica:
Líquido → sólido1 + sólido2
Enfriamiento
• La reacción eutéctica se da a una temperatura fija llamada temperatura
eutéctica.
• Un sólido eutéctico tiene una forma diferente a las otras fases de la
aleación, por lo que se considera una fase del material: se solidifican
alternativamente A y B puros, resultando una mezcla muy fina (mezcla
eutéctica)
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DIAGRAMAS DE EQUILIBRIO DE FASES
• Diagrama de fase tipo eutéctico:
Etapas en el enfriamiento
lento de una aleación
80A-20B
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DIAGRAMAS DE EQUILIBRIO DE FASES
• Microestructuras:
Todo líquido (Leutéctico)
Cristales de A en una
matriz de L1
Cristales de B en
matriz de L2
Microestructura
eutéctica, fina capas
alternadas de A y B
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DIAGRAMAS DE EQUILIBRIO DE FASES
• Ejemplo diagrama de fase del sistema aluminio-silicio:
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DIAGRAMAS DE EQUILIBRIO DE FASES
• Tipo III: dos metales completamente solubles en el estado líquido,
pero sólo parcialmente solubles en el estado sólido.
•Cuando la solubilidad es parcial, el diagrama de fase es diferente:
• La línea de solubilidad describe cuánto de un componente puede disolverse en
otro.
• Al cruzar la línea de solubilidad durante el enfriamiento se da la precipitación de
una de las fases.
• En estas aleaciones ocurre también la reacción eutéctica.
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DIAGRAMAS DE EQUILIBRIO DE FASES
• Varias microestructuras características de distintas regiones:
Todo líquido (Leutéctico)
Cristales de α3 en
una matriz de L1
Cristales de β1 en una
matriz de L2
Sólido
policristalino (α1)
Microestructura
eutéctica, finas capas
alternas de α2 y β2
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DIAGRAMAS DE EQUILIBRIO DE FASES
• Evolución de la microestructura durante el enfriamiento lento
de una composición eutéctica:
100% líquido
(Leutéctico)
Microestructura eutéctica,
finas capas alternadas de
α1 y β 1
Microestructura eutéctica,
finas capas alternadas de
α2 y β2*
* Las únicas diferencias con respecto a la
microestructura de T1 son las composiciones de
fase y las cantidades relativas de cada fase.
Por ejemplo, la cantidad de β será proporcional
α:
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DIAGRAMAS DE EQUILIBRIO DE FASES
• Evolución de la microestructura durante el enfriamiento lento
de una composición hipereutéctica:
100% líquido
(Lsystem = 80%B)
10% β1 en
matriz de L1
67% β2 (=90%
B) en matriz
de L2 (=60% B)
67% β3 (=90% B) en
matriz de microestructura
eutéctica = 17%α3 (=30%
B) + 83%β3 (=90% B)
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DIAGRAMAS DE EQUILIBRIO DE FASES
• Evolución de la microestructura durante el enfriamiento lento
de una composición hipoeutéctica:
100% líquido
(Lsystem = 40%B)
10% α1 en
matriz de L1
10% β1 en
matriz de L1
67% α2 (=30% B) en
matriz de L2 (=60% B)
67% α3 (=30% B) en
matriz de
microestructura
eutéctica = 83%α3
(=30% B) + 17%β3
(=90% B)
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DIAGRAMAS DE EQUILIBRIO DE FASES
• Microestructuras de dos composiciones que evitan la reacción
eutéctica:
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DIAGRAMAS DE EQUILIBRIO DE FASES
• Ejemplo diagrama de fase del sistema estaño-plomo:
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DIAGRAMAS DE EQUILIBRIO DE FASES
• Tipo IV: la fase intermedia de fusión congruente.
•Cuando una fase cambia en otra isotérmicamente (a temperatura constante) y sin
ninguna modificación en composición química, se dice que es un cambio de fase
congruente o una transformación congruente.
• Las fases intermedias son congruentes porque son únicas y se presentan entre
las fases terminales en un diagrama de fase.
• Si la fase intermedia tiene un reducido intervalo de composición, como sucede en
los compuestos intermetálicos y los compuestos intersticiales, entonces se
representa en el diagrama con una línea vertical y se indica con la fórmula del
compuesto.
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DIAGRAMAS DE EQUILIBRIO DE FASES
• Tipo V: la reacción peritéctica.
• En la reacción peritéctica un líquido y un sólido reaccionan isotérmicamente para
formar un nuevo sólido al enfriarse.
• La reacción peritéctica se expresa como:
Líquido + sólido1 → sólido2
Enfriamiento
Fase intermedia de fusión
congruente
Diagrama de equilibrio que
muestra una aleación
intermedia que es un
compuesto intermetálico
estequiométrico (AxBy)
donde x e y están definidos
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DIAGRAMAS DE EQUILIBRIO DE FASES
• Tipo V: la reacción peritéctica.
Diagrama de equilibrio Ti-Ni
que muestra varios
compuestos intermetálicos el
TiNi es un compuesto
intermetálico no
estequiométrico (AxBy)
donde x e y no están
definidos, el compuesto se
representa como un campo
(solución sólida secundaria)
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DIAGRAMAS DE EQUILIBRIO DE FASES
• Diagrama de fase que muestra la formación de una fase
intermedia de fusión incongruente por una reacción peritéctica:
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DIAGRAMAS DE EQUILIBRIO DE FASES
• Microestructuras del sistema peritéctico:
Cristales de B en
una matriz de L1
Sólido policristalino
(compuesto AB)
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DIAGRAMAS DE EQUILIBRIO DE FASES
• Ejemplo diagrama de fase del sistema hierro-Fe3C:
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DIAGRAMAS DE EQUILIBRIO DE FASES
• Tipo VI: dos líquidos parcialmente solubles en el estado líquido: la
reacción monotéctica.
• Hasta ahora se ha supuesto que había solubilidad completa en estado líquido, sin
embargo es posible que sobre cierto intervalo de composición se formen dos
soluciones líquidas no miscibles entre sí.
• La reacción monotéctica se expresa como:
Líquido1 → líquido 2 + sólido
Zona de miscibilidad
Enfriamiento
El punto C se conoce
como punto monotéctico
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DIAGRAMAS DE EQUILIBRIO DE FASES
• Tipo VII: dos metales insolubles en el estado líquido y sólido.
• Ejemplo diagrama de fase del sistema aluminio-plomo:
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DIAGRAMAS DE EQUILIBRIO DE FASES
• Transformaciones en estado sólido:
• Alotropía: diversos metales pueden existir en más de un tipo de estructura
cristalina, dependiendo de la temperatura. El hierro, el estaño, el manganeso y el
cobalto son algunos ejemplos.
•Transformación orden-desorden: al formarse una solución sólida de tipo
sustitucional los átomos de soluble generalmente no ocupan ninguna posición
específica, sino que están distribuidos al azar en la estructura reticular del
solvente. Se dice que la aleación está en una condición “desordenada”. Algunas de
estas soluciones si se enfrían lentamente sufren un arreglo de los átomos.
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DIAGRAMAS DE EQUILIBRIO DE FASES
• Transformaciones en estado sólido:
• La reacción eutectoide: semejante a la reacción eutéctica, pero no
incluye al líquido:
Sólido1 → sólido 2 + sólido3
Enfriamiento
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DIAGRAMAS DE EQUILIBRIO DE FASES
• Microestructuras:
Sólido policristalino
(γευτεχτοιδε)
Microestructura
eutéctica, nódulos de
tamaño fino de γ1 en una
matriz de β1
Microestructura
eutéctica, finas capas
alternas de α1 y β2
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DIAGRAMAS DE EQUILIBRIO DE FASES
• Transformaciones en estado sólido:
• La reacción peritectoide: semejante a la peritéctica, pero no incluye el
líquido.
Sólido1 + sólido 2 → sólido3
Enfriamiento
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DIAGRAMAS DE EQUILIBRIO DE FASES
• Resumen de las posibles reacciones de un diagrama en
equilibrio:
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DIAGRAMAS DE EQUILIBRIO DE FASES
• Reglas de diagramas binarios:
• En cada región de equilibrio pueden coexistir como mucho dos fases.
• Con excepción de la fase líquida, todas las regiones de fase única están
ocupadas por fases sólidas.
• Cuando se atraviesa una línea oblicua, el número de fases se reduce a
una.
• Toda región cuyo contorno esté limitado por una línea horizontal
contiene dos fases.
• Las regiones de dos fases limitadas por la misma horizontal no
contienen más que tres fases asociadas dos a dos.
• La región de equilibrio de dos fases puede quedar dividida en zonas por
las verticales que parten de puntos singulares en la líneas horizontales
(eutéctico, eutectoide...) Las fases que coexisten en las zonas de una
misma región son las mismas pero están distribuidas de forma diferente.
• La línea de solidus está por debajo de la de liquidus.
• Toda horizontal que corta al solidus corta al liquidus y las
concentraciones de los puntos de intersección son los que
necesariamente deben contener las fases líquidas y sólidas a esa
temperatura.
• Un punto de conjunción del liquidus y solidus indica una concentración
en la que se verifica la transformación a temperatura constante.
• Toda línea horizontal en el solidus indica una temperatura a la que se
verifica la solidificación de todo el líquido residual de aleación a
temperatura constante.
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DIAGRAMAS DE EQUILIBRIO DE FASES
• Reglas de diagramas binarios:
• Toda rama vertical en el solidus indica la existencia de una fase pura, sea metal o
compuesto químico.
• Toda rama inclinada en el solidus indica la existencia de una solución sólida.
• La intersección de una rama de solidus horizontal con una inclinada de
temperaturas inferiores indica la existencia de un punto de tránsito en la rama
horizontal.
• En la reacción reversible se forma un compuesto químico si la rama es vertical y
una solución sólida extrema si es inclinada, siendo en ambos casos la
concentración de ambas fases la correspondiente al punto de intersección.
• En toda reacción durante la solidificación las fases que intervienen están sobre
una rama horizontal o su concentración y la fase intermedia da lugar a las
extremas.
• Los compuestos pueden ser:
• Estequiométricos: AxBy con x e y definidos.
• No estequiométricos: AxBy con x e y no definidos.
• Los compuestos también se pueden clasificar:
• De fusión congruente: L
AxBy
• De fusión incongruente:
Peritéctica: L + S1
• Peritectoide: S1 + S2
•
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AxBy
AxBy
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DIAGRAMAS DE EQUILIBRIO DE FASES
• Diagrama reales: los diversos tipos de diagramas de equilibrios
expuestos se combinan de muchas maneras para formar diagramas
reales.
• Ejemplo diagrama de fase del sistema aluminio-cobre:
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DIAGRAMAS DE EQUILIBRIO DE FASES
• Ejemplo diagrama de fase del sistema aluminio-magnesio:
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ASIGNATURA: MATERIALES I
47
DIAGRAMAS DE EQUILIBRIO DE FASES
• Ejemplo diagrama de fase del sistema zinc-cobre:
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ASIGNATURA: MATERIALES I
48
DIAGRAMAS DE EQUILIBRIO DE FASES
• Ejemplo diagrama de fase del sistema óxido de aluminio-óxido de
silicio:
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ASIGNATURA: MATERIALES I
49
DIAGRAMAS DE EQUILIBRIO DE FASES
• Ejemplo diagrama de fase del sistema óxido de aluminio-óxido de
magnesio:
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ASIGNATURA: MATERIALES I
50
DIAGRAMAS DE EQUILIBRIO DE FASES
• Ejemplo diagrama de fase del sistema óxido de calcio-óxido de
zirconio:
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ASIGNATURA: MATERIALES I
51
DIAGRAMAS DE EQUILIBRIO DE FASES
• Curva de enfriamiento de una aleación con x% de A es la
representación de la temperatura en función del tiempo, indicando las
transformaciones que van teniendo lugar.
• Diagrama de solidificación de una aleación con x% de A es la
representación del porcentaje de cada fase presente a cada temperatura
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EL SISTEMA HIERRO-CARBONO: MICROESTRUCTURAS
• El hierro es un constituyente fundamental de algunas de las
más importantes aleaciones.
• En una forma casi pura, conocida como hierro dulce, se usa en
alcantarillas, material para techos y conductos. Contiene
aproximadamente 0.012% de carbono, 0.017% de manganeso,
0.005% de fósforo, 0.025% de azufre y pequeñas trazas de silicio.
• El hierro es un metal alotrópico.
• Curva de enfriamiento para el hierro puro:
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53
EL SISTEMA HIERRO-CARBONO: MICROESTRUCTURAS
• El acero se obtiene de mezclar hierro y carbono.
• Las fases presentes en el acero son:
• Ferrita α: es hierro con estructura BCC. La ferrita es dúctil y magnética.
• Austenita γ: es hierro con estructura FCC. Es menos dúctil que la ferrita.
Es no magnética.
• Cementita (Fe3C): es un compuesto intermetálico, llamado también
carburo de hierro. Es una fase muy dura y frágil.
• Perlita: es la fase que resulta de la reacción eutectoide del acero:
Austenita( γ ) → Ferrita(α ) + Cementita(Fe3C)
Enfriamiento
Perlita
• El sólido eutectoide tiene una estructura laminar parecida a la
del sólido eutéctico.
• Los aceros pueden dividirse en tres tipos:
• Aceros hipoeutectoides: %C < 0.77
• Aceros eutectoides: %C = 0.77
• Aceros hipereutectoides: %C > 0.77
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54
EL SISTEMA HIERRO-CARBONO: MICROESTRUCTURAS
• Diagrama hierro-carburo de hierro (cementita):
Los aceros tienen un porcentaje en
carbono máximo de 2%
Los hierro colados tienen un
porcentaje de carbono entre 2 y 4,3%
Hay tres líneas horizontales
que indican reacciones
isotérmicas
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ASIGNATURA: MATERIALES I
55
EL SISTEMA HIERRO-CARBONO: MICROESTRUCTURAS
• Diagrama hierro-carburo de hierro:
Definición de las estructuras:
* Cementita (carburo de hierro): fórmula
química Fe3C contiene 6.67% de C por peso.
Compuesto intersticial duro y frágil.
* Austenita: es el nombre dado a la solución
sólida γ. Es una solución sólida intersticial de
carbono disuelto en hierro γ (FCC). Tiene baja
tenacidad. No es estable a temperatura
ambiente. Bajo ciertas condiciones se puede
obtener.
* Ledeburita: mezcla eutéctica de austenita y
cementita. Contiene 4.3% de carbono.
* Ferrita: es el nombre dado a la solución
sólida α. Es una solución sólida intersticial de
una pequeña cantidad de carbono (hasta
0.008% C a temperatura ambiente) en hierro α
(BCC). Es la estructura más suave.
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* Perlita: mezcla eutectoide que contiene
0.8% de C. Es una mezcla muy fina de ferrita
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y cementita.
EL SISTEMA HIERRO-CARBONO: MICROESTRUCTURAS
• Microestructuras:
Microestructura de
austenita 500x
Microestructura de
ferrita 100x
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Microestructura de
perlita 2500x
Microestructura de
perlita 17000x
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57
EL SISTEMA HIERRO-CARBONO: MICROESTRUCTURAS
• Líneas de temperatura crítica:
• La líneas crítica en calentamiento es siempre mayor que la línea
crítica en enfriamiento.
• Las líneas críticas en calentamiento se llaman AC y las líneas
críticas en enfriamiento Ar.
• Los puntos críticos son:
• A1: línea eutectoide teórica (723 ºC)
• Ar1: fin de la transformación de austenita a perlita
• Ac1: inicio de la transformación de perlita a austenita
• A3: línea teórica de separación entre las regiones (α + γ) y γ
• Ac3: final de la disolución de la ferrita en austenita
• Ar3: comienzo de la segregación de la ferrita desde la austenita
• Acm: línea teórica de separación de (γ + Fe3C) y γ
• Accm: fin de la disolución de la cementita en austenita
• Arcm: comienzo de la precipitación de la cementita desde la austenita
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58
EL SISTEMA HIERRO-CARBONO: MICROESTRUCTURAS
• El acero hipoeutectoide está formado por una mezcla de ferrita
más perlita:
0.77 − %C
%α =
* 100
0.77 − 0.022
%C − 0.022
%perlita =
* 100
0.77 − 0.022
• La perlita está formada por una mezcla de ferrita y cementita.
6.67 − 0.77
* 100 = 88.7%
6.67 − 0.022
0.77 − 0.022
%Fe3C _ en _ perlita =
* 100 = 11.3%
6.67 − 0.022
%α _ en _ perlita =
• La cantidad total de ferrita que contiene el acero se forma en dos
etapas:
• Arriba de 727 ºC. Se llama ferrita proeutectoide.
• A 727 ºC como parte de la perlita. Se llama ferrita eutectoide.
6.67 − %C
* 100
6.67 − 0
%C − 0
%total _ Fe 3C =
* 100
6.67 − 0
%total _ ferrita =
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59
EL SISTEMA HIERRO-CARBONO: MICROESTRUCTURAS
• El acero hipereutectoide está formado por cementita y perlita:
%C − 0.77
* 100
6.67 − 0.022
6.67 − %C
%perlita =
* 100
6.67 − 0.077
%cementita =
• El acero eutectoide está formado por 100% perlita:
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EL SISTEMA HIERRO-CARBONO: MICROESTRUCTURAS
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EL SISTEMA HIERRO-CARBONO: MICROESTRUCTURAS
• Evolución microestructural de una fundición blanca:
Todo el carbono se
encuentra
combinado bajo la
forma de cementita
γ2 en una matriz
de
microestructura
eutéctica (islas
de γ + Fe3C)
Islas de Fe3C (de
la eutéctica) +
perlita (α + Fe3C,
del eutectoide)
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EL SISTEMA HIERRO-CARBONO: MICROESTRUCTURAS
• Evolución de la microestructura de un acero eutectoide:
Microestructura
eutéctica, finas
capas alternadas
de α y Fe3C
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EL SISTEMA HIERRO-CARBONO: MICROESTRUCTURAS
• Evolución de la microestructura durante el enfriamiento lento
de un acero hipereutectoide:
Cementita
proeutectoide en
los bordes de
grano de γ
Cementita
proeutectoide +
perlita
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EL SISTEMA HIERRO-CARBONO: MICROESTRUCTURAS
• Evolución de la microestructura durante el enfriamiento lento
de un acero hipoeutectoide:
Ferrita
proeutectoide en
los bordes de
grano de γ
Ferrita
proeutectoide +
perlita
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65
EL SISTEMA HIERRO-CARBONO: MICROESTRUCTURAS
• Diagrama hierro-carbono:
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EL SISTEMA HIERRO-CARBONO: MICROESTRUCTURAS
• Evolución de una microestructura de una fundición gris:
γ2 en matriz de
microestructura
eutéctica (γ +
láminas de C)
Láminas de C (de las
reacciones eutécticas
y eutectoide) en una
matriz de ferrita
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EL SISTEMA HIERRO-CARBONO: MICROESTRUCTURAS
• Variación de las propiedades mecánicas de una aleación en
función del tanto por ciento de carbono presente:
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68
EL SISTEMA HIERRO-CARBONO: INFLUENCIA DE LOS
ELEMENTOS DE ALEACIÓN
• Aluminio:
• Es el mejor medio para desoxidar y desnitrurizar.
• Tiene una influencia muy favorable sobre el envejecimiento.
• En pequeñas proporciones restringe el crecimiento de grano.
• Al combinarse con el nitrógeno forma un compuesto de gran dureza, con lo
que se usa en los aceros para nitrurar.
• Aumenta la estabilidad de la fase ferrítica por lo que se usa para aceros
aleados resistentes a altas temperaturas.
• Carbono:
• Es el elemento aleante más importante del acero y el que tiene la mayor
influencia.
• Aumenta la resistencia mecánica y las propiedades de dureza, pero disminuye
la ductilidad, forjabilidad, soldadura y propiedades de corte.
• Cromo:
• Aumenta la dureza y resistencia (a razón de 8 a 10 kg/mm2 por 1% de cromo)
y reduce la resistencia al choque y reduce mínimamente la elasticidad.
• Con un alto contenido en cromo se consiguen aceros inoxidables.
• Con el carburo forma aceros de alta resistencia al desgaste.
• Las propiedades de soldadura empeoran notablemente con el aumento de
cromo.
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EL SISTEMA HIERRO-CARBONO: INFLUENCIA DE LOS
ELEMENTOS DE ALEACIÓN
• Cobre:
• Aumenta la resistencia y el límite elástico, reduciendo la dilatación.
• Aumenta la resistencia a la corrosión atmosférica.
• Hidrógeno:
• Es el un elemento dañino ya que causa fragilidad debido a la reducción de la
elasticidad y la estricción, sin incremento del límite elástico ni de la resistencia.
• Favorece la formación de grietas.
• Manganeso:
• Mejora las propiedades de resistencia del acero, estando su elasticidad poco
influida.
• Tiene buena influencia en las propiedades de forjado y soldabilidad.
• Un alto contenido en manganeso en presencia de carbono aumenta
resistencia al desgaste substancialmente.
• Con hasta un 3% de manganeso la resistencia de los aceros aumenta cerca
de 10 kg/mm2 por cada porcentaje. Con un contenido de entre 3 y 8% el
incremento es más lento y con un 8% disminuye. El límite elástico se comporta
de manera similar.
• Aumenta substancialmente la profundidad de temple.
• Todos los aceros comerciales contienen entre 0.3 y 0.8% de manganeso para
reducir óxidos y sulfuros.
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70
EL SISTEMA HIERRO-CARBONO: INFLUENCIA DE LOS
ELEMENTOS DE ALEACIÓN
• Molibdeno:
• Mejora la resistencia y tiene influencia positiva en las propiedades de
soldabilidad.
• Es frecuentemente usado en combinación con el cromo.
• En combinación con el cromo y níquel, el molibdeno produce altos límites
elásticos y resistencias.
• Se usa en los aceros rápidos y aceros para alta temperatura, en aceros
inoxidables austeníticos, aceros cementados y templados y para la reducción
de la fragilidad.
• Nitrógeno:
• En los aceros austeníticos estabiliza la estructura incrementando la dureza y
especialmente el límite elástico y las propiedades mecánicas a altas
temperaturas.
• Produce un alto endurecimiento superficial por la formación de nitruros
durante el proceso de nitruración.
• Es perjudicial por la reducción de la resiliencia durante el proceso de temple
de endurecimiento.
• Causa envejecimiento y fragilidad azul aumentando la posibilidad de corrosión
intergranular en aceros no aleados o de baja aleación.
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EL SISTEMA HIERRO-CARBONO: INFLUENCIA DE LOS
ELEMENTOS DE ALEACIÓN
• Níquel:
• Incrementa la resistencia de los aceros, aunque menos que el silicio o el
manganeso, disminuyendo la elasticidad mínimamente.
• Con más de un 10% de níquel el acero se vuelve frágil.
• Asegura buena resiliencia, especialmente cuando el acero contiene también
cromo.
• Los aceros al cromo-níquel son inoxidables y resistentes al calor.
• No afecta a las propiedades de soldabilidad.
• Incrementa la resistencia al choque de los aceros estructurales
considerablemente, especialmente a bajas temperaturas.
• Es apropiado para el uso en aceros austeníticos, aceros resistentes a la
corrosión y aceros templados y cementados para mejorar su resiliencia.
• Oxígeno:
• Es perjudicial para el acero, pero su influencia depende del tipo y composición
de los componentes, así como de la forma y distribución.
• Las propiedades mecánicas, especialmente la resistencia al impacto
disminuyen en la dirección transversal, mientras que la tendencia a la fragilidad
de envejecimiento aumenta.
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EL SISTEMA HIERRO-CARBONO: INFLUENCIA DE LOS
ELEMENTOS DE ALEACIÓN
• Fósforo:
• Hay varias clases de fósforo, blanco, rojo, negro...
• En general es perjudicial para el acero por lo que se intenta mantener el
contenido en fósforo entre 0.03 y 0.05%.
• Azufre:
• Produce fragilidad.
• Se permiten contenidos entre 0.025 y 0.03%.
• Silicio:
• Como el manganeso, el silicio está presente en todos los aceros, ya que el
hierro usado en la fabricación contiene una variable cantidad del mismo.
• Aumenta la resistencia mecánica, la densidad (especialmente en los aceros
fundidos).
• La elasticidad está mínimamente influenciada, mientras que la resistencia se
incrementa alrededor de 10 kg/mm2 por cada porcentaje de silicio y el límite
elástico aumenta de una manera similar.
• Los aceros con un alto contenido en silicio tienen tendencia a formar una
estructura de grano grueso.
• Un alto contenido en silicio (14%) permite al acero resistir ataques químicos,
pero no podrá ser forjado.
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EL SISTEMA HIERRO-CARBONO: INFLUENCIA DE LOS
ELEMENTOS DE ALEACIÓN
• Titanio:
• Metal muy duro, gran formador de carburos.
• Predominante en los aceros austeníticos resistentes a la corrosión
intercristalina.
• Produce afinamiento de grano.
• Vanadio:
• Pequeñas adiciones mejoran la dureza en caliente y reduce el crecimiento de
grano.
• Es favorable para aceros estructurales y de herramienta.
• Es un fuerte formador de carburos.
• Aumenta la resistencia y el límite elástico.
• Se prefiere en combinación con el cromo en aceros estructurales y resistentes
al calor.
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