Unidad6

Unidad
6
ENDURECIMIENTO POR
ALEACION. ALEACIONES
CON SOLUBILIDAD PARCIAL
EN ESTADO SOLIDO
1
PRESENTACION
En esta Unidad se analiza la casuística que aparece cuando en el estado sólido
existen componentes o aleaciones que cambian su estructura cristalina, alotropía.
En concreto analizamos la transformación eutectoide; que describe el cambio de
estructura cristalina a velocidades de enfriamiento calificadas de reversibles termodinámicamente.
Igualmente, se analiza la transformación que sucede en las zonas de solubilidad variable
con la temperatura, total a altas temperaturas y limitada a bajas temperaturas. Esto permite la
precipitación de segundas fases en estado sólido, tras aplicaciones de enfriamiento irreversible,
lo que permite el endurecimiento por envejecimiento.
El objetivo de esta Unidad es, por tanto:
• Definir los procesos que justifican cada una de las transformaciones.
• Determinar sus variables de control e influencia sobre el proceso.
• Correlacionarlas con las características resistentes.
El ámbito de aplicación es amplio, aún no existiendo muchos metales que apunten este
comportamiento, cambio de fase en estado sólido. En efecto, sólo la existencia del hierro y sus
aleaciones, aceros, justifica un detenimiento en este tema por su gran importancia de aplicación
industrial.
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2
ENDURECIMIENTO POR PRECIPITACIÓN
El endurecimiento por precipitación de
segundas fases en el cristal matriz se denomina
envejecimiento. En el envejecimiento el campo de
aplicación está limitado a aquellas aleaciones que
muestran curvas de insolubilidad parcial, directas
con la temperatura, delimitando una zona
monofásica y otra bifásica. Las características de las
composiciones de estas aleaciones en procesos
reversibles conducen a estructuras fragilizadas,
figura 6.1, pero bien conducidas, mediante procesos
irreversibles,
pueden
alcanzar
interesantes
variaciones de características resistentes.
El endurecimiento por precipitación entra en el
rango de procesos de endurecimiento por
tratamientos térmicos. Para su identificación se
adoptan comúnmente denominaciones sinónimas:
endurecimiento por precipitación, envejecimiento, bonificado, etc.
2.1
θ
L
L+α
α
A
%B
Figura 6.1. Diagrama típico para poder aplicar el
endurecimiento por precipitación.
EXPERIENCIA SOBRE EL PROCESO
PRECIPITACION (ENVEJECIMIENTO)
DE
ENDURECIMIENTO
POR
2.1.1 Objetivo de la experiencia
Investigar el proceso de endurecimiento por envejecimiento y las teorías que lo justifican.
2.1.2 Material empleado
Probetas de aluminio en estado de recocido, temple fresco, envejecidas y sobrenvejecidas.
Probetas de aleación cobre-berilio recocidas, templadas y envejecidas.
Probetas de acero ICO, endurecible por precipitación.
2.1.3 Descripción del proceso y equipos
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Unidad 6 - Endurecimiento por aleación. Aleaciones con solubilidad parcial en estado sólido
2.1.4 Dibuja el aspecto de las microestructuras de las diferentes muestras observadas.
2.1.5 Resultados de dureza obtenidos
3
ALEACIONES CON TRANSFORMACION EUTECTOIDE
En los diagramas de fase binarios, pueden ocurrir transformaciones entre fases,
componentes y productos, todas ellas en estado sólido, por cambio del sistema de cristalización,
que son excepcionalmente importantes a causa del enorme valor industrial de estas aleaciones,
nos referimos a los aceros.
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3.1
SOBRE LAS TRANSFORMACIONES EN
ESTADO SOLIDO.
Líquido
Punto de fusión
de A
L+α
Temperatura
Durante el estudio de metales y estructura
cristalina, se destaca que diversos metales pueden existir
en más de un tipo de estructura cristalina, dependiendo
α
Cambio
γ +
de la temperatura. El hierro, el estaño, el manganeso y el
alotrópico
γ
cobalto son ejemplos de metales que tienen esta
propiedad, conocida como alotropía. En un diagrama de
α
equilibrio, este cambio alotrópico se indica por un punto
o puntos en la línea vertical que representa el metal puro,
tal como se muestra en la figura 6.2. En este diagrama, el
campo de solución sólida gamma está anillado. El metal
A
B
Composición
puro A y las aleaciones ricas en A sufren dos
Figura 6.2. Diagrama de equilibrio con un
transformaciones. Muchos de los diagramas de equilibrio
metal A alotrópico.
que incluyen hierro, como Fe-Si, Fe-Mo y Fe-Cr,
muestran este campo de solución sólida anillado. Como el tipo de hierro que existe en este
intervalo de temperatura es hierro gamma, el campo generalmente se llama anillo gamma.
En un enfriamiento lento, las estructuras que se obtienen son las indicadas en el diagrama,
habitualmente monofásicas α o γ, según las temperaturas de estabilidad del metal. La
transformación eutectoide es la transformación que sucede en estado sólido cuando en las
fases producidas no existe solubilidad total entre los metales. Se asemeja en cierto modo con
la transformación eutéctica por cuanto su diagrama mostraba insolubilidad total o parcial en la
zona de fases producto.
3.2
SOBRE LA ALEACION HIERRO-CARBONO, ACEROS
El hierro es un metal alotrópico, lo que significa, tal como se ha comentado
anteriormente, que puede presentarse en diversas variedades de estructuras cristalinas,
dependiendo de la temperatura a la que se encuentre.
Al solidificar, a 1536°C, lo hace en la forma δ (delta), que pertenece a la red cúbica de
cuerpo centrado. Cuando desciende la temperatura, a 1392°C, tiene lugar un cambio de fase
reagrupándose los átomos y dando origen a la variedad γ (gamma), la cual cristaliza en el sistema
de red cúbica de caras centradas y es no magnética. Al proseguir el enfriamiento del metal, se
presenta un nuevo cambio alotrópico a 911°C, pasando la estructura del hierro de la variedad γ, a
la α (alfa), que pertenece a la red cúbica de cuerpo centrado y también es no magnética.
Finalmente, a 769°C, aparece un cambio en las propiedades magnéticas del hierro α, el cual pasa
de no magnético a magnético, sin que la estructura cristalina sufra variación alguna.
La adición de elementos de aleación al hierro, influye en las temperaturas a que se producen
las transformaciones alotrópicas. Entre estos elementos, el más importante es el carbono, el cual
al alearse con el hierro lo hace según el diagrama de equilibrio representado en la figura 6.3,
cuyas transformaciones en estado sólido, hasta un 2% de carbono, aceros, investigaremos en la
experiencia.
En el diagrama aparecen tres líneas horizontales, las cuales indican reacciones isotérmicas.
La horizontal que corresponde a la temperatura de 1493°C es la típica línea de una reacción
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peritéctica, cuyo resultado es la aparición del hierro γ, que muestra una máxima solubilidad del
carbono a los 1146°C, con un 2% aproximadamente, temperatura a la que tiene lugar la reacción
eutéctica.
1600
Líquido + Fe δ
1493°C
1536
1500
Fe δ
Líquido
Temperatura, °C
Ferromagnétic Paramagnétic
o
o
1400
1392 Austenita + Fe δ
Líquido + Austenita
1300
Fe γ (Austenita)
1200
Recocido de homogeneización
1100
1000
Austenización
Tem completa
ple y
norm
aliza
769°C
do
900
Austenita
+ ferrita 8 0 0
de
n
ió
luc
o
S
723°C
700
ros
u
b
car
Esferoidización
Alivio de tensiones
600
Fe α (Ferrita)
Recocido de recristalización
300
200
100
Aceros eutectoides
400
Perlita
Revenido
500
Aceros hipoeutectoides
Aceros hipereutectoides
0
0
0
0,2
0,4
5
0,6
0,8
1
1,2
1,4
% en peso de carbono
10
15
1,6
20
% en peso de cementita
25
1,8
2
30
Figura 6.3 Diagrama de equilibrio Hierro - Carbono, en la parte de Aceros.
La línea horizontal representada a los 723°C, corresponde a la transformación eutectoide
del acero.
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3.3
EXPERIENCIA SOBRE LA TRANSFORMACION EUTECTOIDE.
3.3.1 Objetivo de la experiencia
Investigar la transformación eutectoide, su conformación, microestructura y características
resistentes.
3.3.2 Material empleado
Aceros con diferente contenido en carbono, en concreto se observarán aceros con un 0.08,
0.15, 0.20, 0.30, 0.40, 0.60, 0.8 y 1.10 % de carbono.
3.3.3 Descripción del proceso y equipos utilizados
3.3.4 Resultados obtenidos
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Unidad 6 - Endurecimiento por aleación. Aleaciones con solubilidad parcial en estado sólido
3.3.5 Dibuja el aspecto de la microestructura del material tras el ataque, indicando la forma,
coloración y distribución de los granos.
0.08% C
0.15% C
0.20% C
0.30% C
0.40% C
0.60% C
0.80% C
1.10% C
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4
CUESTIONES PROPUESTAS POR LAS EXPERIENCIAS
1 - Dibuja esquemáticamente el aspecto microscópico de una aleación de aluminio envejecible
en los siguientes estados: en estado de equilibrio a temperatura ambiente, recién templada y
tras el envejecimiento.
2 - Define las cuatro etapas más importantes en un proceso de endurecimiento por precipitación.
3 - ¿Qué tipos de granos se observan en los aceros hipoeutectoides?
4 - ¿Qué tipos de granos se observan en los aceros hipereutectoides?
5 - ¿Donde se encuentra la cementita, Fe3C, en los aceros hipoeutectoides?
6 - ¿Donde se encuentra la cementita, Fe3C, en los aceros hipereutectoides?
7 - Representa la evolución de las características mecánicas de los aceros al carbono en función
del contenido en carbono y del contenido en perlita.
8 - Las características de los aceros con un 0.10% de C y 0.80% de C, son las siguientes:
%C
0.10
0.80
R (MPa) 400
950
LE (MPa) 200
700
%A
35
10
a) ¿Pueden determinarse las características mecánicas mediante observación
metalográfica? Establece un modelo matemático para R = f (% ferrita, % perlita)
b) ¿Qué contenido en C presentan los aceros de construcción soldables (tipo AE420)
empleados en perfiles estructurales?
c) ¿Por qué no se emplean para dicha aplicación aceros con mayor contenido en carbono,
por ejemplo, 0.8% C, que permitirían reducir el tamaño de las secciones?
9 - Indique los contenidos máximos admitidos en los aceros sin alear de los siguientes
elementos: S, P, Si y Mn.
10 - Indica algunos de los aleantes y sus porcentajes de adición más habitualmente empleados en
los aceros aleados.
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ALUMNO
APELLIDOS:
GRUPO DE PRÁCTICAS:
NOMBRE:
FECHA DE ENTREGA:
RESPUESTAS DE LAS CUESTIONES A RESOLVER
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