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CAPITULO VI

Diagramas de fase

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CAPITULO VI DIAGRAMA DE FASE

MICROESTRUCTURA DE ACERO

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6.1. DIAGRAMAS DE FASE Es la representación gráfica de las presiones, temperaturas y composiciones para las cuales las fases son estables. Representan la relación entre la estructura, la composición y el número de fases presentes en el equilibrio, así como de las transformaciones que se producen desde el estado líquido hasta la temperatura ambiente cuando el calentamiento o el enfriamiento se produce a una velocidad adecuada para que se mantenga el equilibrio. Gran parte de la información acerca del control de la estructura de las fases en un determinado sistema se presenta de manera simple y concisa en lo que se denomina un diagrama de fases, también denominado diagrama de equilibrio. Existen tres parámetros controlables externamente que afectan la estructura de las fases: temperatura, presión y composición. Los diagramas de fases se construyen graficando diferentes combinaciones de estos parámetros.

Conceptos Básicos: Componente: Los componentes son metales puros, compuestos o ambos, de los cuales se compone una aleación. Por ejemplo, en un latón Cu-Zn, los componentes son cobre y zinc. Sistema: Puede hacer referencia a dos significados. En primer lugar, puede referirse a un cuerpo específico de material en estudio (por ejemplo, una cuchara de acero fundido). O bien, puede referirse a una serie de posibles aleaciones de los mismos componentes, pero sin considerar la composición de la aleación (por ejemplo, el sistema hierro-carbono). Soluto: Componente o elemento de una disolución presente en una composición menor. Se disuelve en el disolvente. Solvente: Componente o elemento de una disolución presente en una composición mayor. El solvente disuelve al soluto. Límite de solubilidad: Es la concentración máxima de soluto que se puede añadir sin que se forme una nueva fase. Disolución sólida: Consiste en átomos de por lo menos dos tipos diferentes, en donde los átomos de soluto ocupan posiciones sustitucionales o intersticiales en la red del disolvente, conservando la estructura cristalina del disolvente. Energía Libre: Es una propiedad termodinámica, función de la energía interna de un sistema y su entropía (aleatoriedad o desorden de los átomos o moléculas del sistema). Sistema en Equilibrio: Un sistema se dice que está en equilibrio si su energía libre es mínima, para una combinación específica de presión, temperatura y composición. Desde el punto de vista macroscópico, significa que las características del sistema no cambian con el tiempo. Es decir, el sistema es estable. Un cambio de temperatura, presión y/o composición en un sistema en equilibrio, conducirá a un aumento en la energía libre y a un posible cambio espontáneo a otro estado de menor energía libre. Equilibrio metaestable: En algunos sistemas sólidos, la velocidad a la cual se alcanza el equilibrio (estado de mínima energía) es tan lenta que no siempre se logra en un tiempo razonable. En estos casos, y a los fines prácticos, el sistema logra un equilibrio “metaestable” que puede persistir indefinidamente, o bien, experimentan cambios muy ligeros o casi imperceptibles a medida que 117

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pasa el tiempo. Un ejemplo de equilibrio metaestable es el diamante (la forma estable es el grafito). Microestructura: Se refiere a la estructura que se revela por observación microscópica directa, por medio del microscopio óptico o electrónico. Una microestructura se caracteriza por el número de fases presentes, sus proporciones y la manera en que se distribuyen. La microestructura de una aleación depende de: elementos aleantes presentes, concentraciones, temperatura y tratamiento térmico de la aleación. Aleación: Es todo producto que resulte de la unión de dos o más elementos químicos, uno de los cuales ha de tener carácter metálico. Para que la unión de estos elementos se considere aleación tienen que cumplirse dos condiciones: a). Que los elementos componentes sean totalmente miscibles en estado líquido. b). Que el producto resultante tenga mayoría de enlaces metálicos (carácter metálico) Las aleaciones mejoran notablemente las propiedades mecánicas de los metales puros como pueden tenacidad, dureza, resistencia a la oxidación, etc.; sin embargo se empeoran las propiedades como conductividad eléctrica y térmica. Fase: Es una porción homogénea de un sistema que tiene características físicas y químicas uniformes. Todo material puro es de una fase (monofásico), al igual que cualquier disolución sólida, líquida o gaseosa. Por ejemplo, una disolución líquida de azúcar en agua es de una sola fase. Una disolución sobresaturada de azúcar en agua tiene dos fases: azúcar (sólida) y la solución de azúcar en agua (líquida). También, una sustancia puede existir en dos o más formas polimórficas (por ejemplo, si tiene estructuras cúbica de cuerpo centrada y cúbica de caras centrada). Cada una de estas estructuras es una fase separada porque sus características físicas respectivas son diferentes. Una fase tiene las características siguientes: 1. una fase tiene una misma estructura o arreglo atómico en todo el material. 2. una fase tiene aproximadamente una misma composición y propiedades 3. hay una interfase definida entre una fase y cualquier otra que la rodea o que sea su vecina Las distintas fases de un material de fases múltiples no necesariamente se distribuyen también en una forma uniforme en su totalidad. Las fases se pueden combinar de modo reconocible para formar lo que se denomina como constituyente estructural. Se puede definir a un constituyente como cualquier porción de una aleación que, vista al microscopio, aparece como una unidad definida de la microestructura. En un material, una fase es una región que difiere en su microestructura y/o composición, de otra región. Los diagramas de fase son representaciones gráficas de las fases que existen en un sistema de materiales a varias temperaturas, presiones y composiciones. Los diagramas, en su mayoría, se han construido en condiciones de equilibrio, y son utilizados por ingenieros y científicos para entender y predecir muchos aspectos del comportamiento de los materiales. 118

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Los llamados diagramas de estado, que reciben también el nombre de diagramas de fase, diagramas de Equilibrio o diagrama Constitucionales, son de gran utilidad para el estudio de las aleaciones, ya que en ellas podemos encontrar las regiones de estabilidad de las diversas fases que se forman en un sistema de aleación. Información que podemos obtener de los diagramas de fase: 1. Conocer que fases están presentes a diferentes composiciones y temperaturas bajo condiciones de enfriamiento lento (equilibrio). 2. Averiguar la solubilidad, en el estado sólido y en el equilibrio, de un elemento (o compuesto) en otro. 3. Determinar la temperatura a la cual una aleación enfriada bajo condiciones de equilibrio comienza a solidificar y la temperatura a la cual ocurre la solidificación. 4. Conocer la temperatura a la cual comienzan a fundirse diferentes fases. Métodos experimentales Los datos para construir diagramas de equilibrio se determinan experimentalmente por diversos métodos, entre los cuales los más comunes son: Análisis térmicos. Este es el método experimental es el que más se emplea. Cuando se hace un diagrama de temperatura contra tiempo, a composición constante, la curva de enfriamiento resultante mostrará un cambio en la pendiente cuando ocurre un cambio de fase a causa de la evolución del calor por el cambio de fase. Este método parece el mejor para determinar la temperatura de solidificación inicial y final. Los cambios de fase que ocurren sólo en el estado sólido, generalmente comprenden pequeños cambios de calor, y otros métodos dan resultados más exactos. Métodos metalográficos. Estos consisten en calentar muestras de una aleación a diferentes temperaturas, esperando que el equilibrio se establezca y entonces se enfrían rápidamente para retener su estructura de alta temperatura. Entonces las muestras se analizan al microscopio. Es difícil aplicar este método a metales a altas temperaturas, ya que las muestras enfriadas rápidamente no siempre retienen su estructura de alta temperatura, y entonces se requiere gran habilidad para interpretar en forma correcta la microestructura observada. Este método es el más adecuado para verificar un diagrama. Difracción de rayos X. Como este método mide las dimensiones de la red, indicará la aparición de una nueva fase, ya sea por el cambio en las dimensiones de la red o por la aparición de una nueva estructura cristalina. Este método es sencillo, preciso y muy útil para determinar los cambios en la solubilidad sólida en relación con la temperatura. Los diagramas se construyen a partir de datos obtenidos de experimentos realizados a partir de metales puros, y posteriormente con una serie de aleaciones con dos metales para formar los 119

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diagramas binarios variando la composición que va desde 100% A (0% B) hasta 100% B (0% A). Para los metales puros se obtiene una gráfica como la siguiente, Figura 6.1: A y B = Metales constituyentes de la aleación.

Figura 6.1. Curva de enfriamiento de un metal puro Las coordenadas empleadas son, abscisa el tiempo y ordenada la temperatura, y se observa como varía la temperatura con respecto al tiempo, se le llama curva de enfriamiento porque se calienta el metal hasta obtenerlo en forma líquida y posteriormente se le enfría muy lentamente, para observar los cambios de fase que en el ocurre. Los diagramas se pueden obtener, para una serie de aleaciones con diferentes composiciones se muestran en la, Figura 6.2. Estos diagramas constituyen la base para formar los verdaderos diagramas de Equilibrio de las aleaciones binarias. En el cual las coordinadas (abscisa) es la composición y la ordenada la temperatura.

Figura 6.2. Diagrama de fases Cobre-Níquel 120

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Este es un principio como se construyen los diagramas de Equilibrio de las aleaciones binarias. Hemos visto un solo tipo de condición de Equilibrio, pero posteriormente veremos los más importantes diagramas de aleaciones y tipo de reacciones que ocurren en ellas. 6.2. REGLA DE LAS FASES. La regla de las fases describe el estado de un material, número de fases, la cantidad de componentes y la de variables de un sistema de equilibrio. Esta regla de fases fue deducida por J. William Gibbs en 1875 y se puede enunciar de la siguiente manera: P+F=C +2 Donde: F = es el número de grados de libertad, es decir, el número de variables por ejemplo temperatura, presión o composición, que pueden modificarse de manera independiente, sin cambiar el número de fases en equilibrio P = es el número de fases presentes C = es el número de componentes, por lo general elementos compuestos en el sistema El número 2 que aparece en la ecuación de la regla de las fases son las variables experimentales presión y temperatura, pero la mayoría de los experimentos que se llevan a cabo en el equilibrio de las fases metálicas son a presión constante, que es la atmosférica entonces la regla de las fases sufre una transformación que será la que se utilizará para el estudio de los cambios de fases en metales y es la siguiente: P+F = C+1 El método más utilizado para la aplicación de las reglas de las fases es el del análisis térmico que consiste en calentar el sistema estudiado hasta sobrepasar la temperatura de fusión obteniéndose una fase líquida, posteriormente se enfría muy lentamente, esta solución se observa como varía la temperatura en función del tiempo. Por ejemplo, aplicamos la regla de las fases a un metal puro. En la temperatura de fusión (Tm) puede coexistir las fases sólida y líquida, Si la P = 2 y C = 1, sustituyendo esta información en la ecuación siguiente tendremos que: P+F = C + 1 2+F = 1+1 F = 2 - 2 F=0 La regla de las fases predice que, bajo estas condiciones no hay grados de libertad en el sistema. En otras palabras, los metales puros deben presentar un valor discreto de Tm. En la realidad, los metales comercialmente puros presentan un campo de temperaturas de fusión que depende de su grado de contaminación por otros elementos. En los sistemas binarios, cuando dos fases están en equilibrio, la regla de las fases predice la condición siguiente: 121

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P+F=C+1 2+F=2+1 F=3–2 F=1 Este resultado significa que se puede establecer el estado del sistema especificando una de las variables, la temperatura o la composición. Por otra parte, un cambio en una de estas variables produce un cambio correspondiente en la otra. El estudio de un diagrama de fases puede ayudar a comprender estos conceptos. Por ejemplo, el diagrama de fases de un sistema de un componente el H2O, como se observa en la figura 6.3. Este diagrama podemos localizar puntos en el espacio P-T especificando valores de las dos variables, la presión y la temperatura. Se puede ver fácilmente que si un punto de estos se encuentra arriba de la línea BDC, la fase en existencia es líquida o agua en este caso. ¿Pero qué pasa si el punto que se determina con los valores de P y T cae directamente en la línea DC? En este caso coexisten dos fases en equilibrio, agua líquida y vapor de agua. Por último, si la temperatura y la presión especificadas son las coordenadas del punto D, entonces coexisten en equilibrio las tres fases (sólida, líquida y gaseosa). Se conoce a esta condición como punto triple. ¿Cuál será el resultado si aplicamos la regla de las fases a esta situación (punto triple)? P+F=C+2 Resolviendo para F, obtenemos: F=C–P+2 A partir de la figura 6.4, sabemos que: C = 1 componente (H2O) P = 3 fases coexistentes En este caso, tanto la temperatura como la presión son variables; Por lo tanto: F = 1 – 3 +2 F=0

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Figura 6.3. Diagrama de fases del agua

Figura 6.4. Energía libre del agua como una función de la temperatura.

6.3. CONDICIONES PARA LA SOLUBILIDAD SÓLIDA ILIMITADA (REGLAS DE HUMEROTHERY). Para que un sistema de aleación, ejemplo Cobre-Níquel, tenga solubilidad sólida ilimitada, deben satisfacerse ciertas condiciones. Estas condiciones son conocidas como reglas de Hume-Rothery, a un nivel atómico y son las siguientes: 1. Factor de tamaño: Los átomos o iones deben ser de tamaño similar, con no más de 15% de diferencia en el radio atómico, para minimizar la deformación de la red; es decir, minimizar a nivel atómico, las desviaciones ocasionadas en el espaciado interatómico. 2. Estructura cristalina: Los materiales deben poseer la misma estructura cristalina; de otra manera, existen un punto en el cual ocurre una transición de una fase a una segunda fase con una estructura diferente. 3. Valencia: Los iones deben tener la misma valencia; de lo contrario, la diferencia en electrones de valencia promueven la formación de compuestos en vez de soluciones. 4. Electronegatividad: Los átomos deben tener aproximadamente la misma electronegatividad. La electronegatividad es la afinidad hacia los electrones. Si las electronegatividades difieren de manera significativa, se forman compuestos, como cuando los átomos de sodio y cloro se combinan para formar cloruro de sodio. Las condiciones de Home-Rothery deben satisfacerse, pero no necesariamente suficientes para que dos metales, ejemplo Cu y Ni o compuestos como BaTiO3-SrTiO3 tengan solubilidad sólida ilimitada.

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6.4. DIAGRAMAS DE ESTADO DE LAS ALEACIONES BINARIAS. Las aleaciones binarias más importantes se pueden clasificar de la siguiente manera: I.- Componentes completamente solubles en estado líquido. a). Completamente solubles en estado sólido (tipo I) b). Insolubles en estado sólido: la reacción Eutéctica (tipo II) c). Parcialmente solubles en estado sólido: la reacción eutéctica (tipo III). d). Formación de una fase intermedia de fusión congruente (tipo IV) e). La reacción peritéctica (tipo V) II.- Componentes parcialmente solubles en estado líquido: la reacción monotéctica (tipo VI) III. Componentes insolubles en estado líquido e insoluble -en estado sólido (tipo VII) IV. Transformaciones en estado sólido. i) Cambio alotrópico. ii) Orden - desorden iii) La reacción eutectoide iv) La reacción peritectoide. 6.5. REGLA DE LA PALANCA. La regla de la palanca es una técnica analítica para determinar las proporciones de sólido y líquido que coexisten en la región del diagrama de fases que contiene las soluciones líquida y sólida. Esta técnica se puede aplicar a cualquier temperatura y composición y aún más, se puede aplicar en cualquier región de dos fases de los diagramas de fases en general, figura 6.5 y 6.6.

Figura 6.5. Ejemplo del principio del brazo de palanca. La técnica del brazo de palanca es útil para determinar las proporciones de las fases presentes en las regiones de dos fases de los diagramas de fase. Los puntos importantes a recordar son: 1). Los extremos del brazo de palanca representan las composiciones en la intersección de una isoterma con las fronteras de fase (líquida y sólida en este caso). 2). El punto de apoyo es la composición nominal de la aleación en estudio 3). Existe una relación inversa entre las cantidades que se calculan y las partes respectivas del brazo de palanca. 124

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Figura 6.6. Diagrama de fases Cobre-Níquel LÍQUIDUS: Es el límite de puntos invariantes temperatura composición que representan la solubilidad máxima (saturación) de un componente en la fase líquida. En un sistema binario es una línea y en un sistema ternario es una superficie, usualmente curva. SÓLIDUS: Es el límite de puntos invariantes temperatura-composición en un sistema, a temperatura por debajo de la cual sólido y líquido están en equilibrio y por debajo de la cual el sistema es completamente sólido. En un sistema binario sin soluciones sólidas es una línea recta y con soluciones sólidas es una línea curvada o una combinación de curvas y líneas rectas. De otro lado en un sistema ternario el sólido es un plano o una superficie curvada respectivamente. 6.6. ANALISIS DE LOS DIAGRAMAS DE FASES O DE EQUILIBRIO 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%. La gráfica obtenida se muestra en la Figura 6.7:

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Figura 6.7. Serie de curvas de enfriamiento para diferentes aleaciones en un sistema completamente soluble. Las líneas punteadas indican la forma del diagrama de fase. El resultado de correr una serie de curvas de enfriamiento para varias aleaciones entre dos metales A y B, variando la composición del 100% de A y 0% de B hasta 0% de A y 100% de B, como se observa en la figura 6.7. Con el fin de ver la relación que existe entre las curvas de enfriamiento, se han graficado en un solo conjunto de ejes, cada curva de enfriamiento tiene sus propias coordenadas. En otras palabras, cada curva de enfriamiento es un experimento separado que se inicia desde el tiempo cero. Las curvas de enfriamiento para los metales puros A y B muestran sólo una línea horizontal , porque el inicio y el fin de la solidificación tiene lugar a una temperatura constante, sin embargo, como las composiciones intermedias forman una solución sólida, estas curvas de enfriamiento muestran dos rompimientos o cambios en la pendiente. Ahora es posible determinar el diagrama de fase real con una gráfica de temperatura contra la composición. Los puntos apropiados se toman de la serie de curvas de enfriamiento y se grafican en el nuevo diagrama; por ejemplo, en la figura 6.8 (diagrama cobre-níquel), en el eje izquierdo representa al metal puro A, TA se gráfica a lo largo de esta línea. De manera análoga se grafica TB. Como todas las composiciones intermedias son porcentajes de A y B, por simplicidad se omite el %.

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Figura 6.8. Diagrama de fases de dos metales completamente solubles en los estados líquido y sólido Problema Una aleación de cobre - níquel contiene 47% en peso de Cu y 53% de Ni y está a 1300 °C. Utilizando el diagrama de fases cobre-níquel, determine. ¿Cuál es el porcentaje en peso de cobre en las fases sólida y líquida a esta temperatura?

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Solución: Líquido 45

% Líquido 

% sólido 

Sólido 53

58

58  53 x 100  38.46% 58  45

53  45 x 100  61.53% 58  45

Tipo II. Dos metales completamente solubles en el estado líquido y completamente insoluble en el estado sólido Después de haber estudiado el caso en el cual los metales son completamente solubles y observando ciertas características, estudiaremos el caso cuando son completamente insolubles en el estado sólido. Aunque desde el punto de vista químico, dos metales no pueden ser completamente insolubles entre sí, en ciertos casos la solubilidad es tan pequeña que se pueden considerar insolubles. Este tipo de diagrama se obtiene de manera análoga a la obtenida para el diagrama de solución sólida vista anteriormente partiendo de una serie de curvas de enfriamiento pero aquí el compartimiento experimental de las curvas son diferentes como se muestran en la Figura 6.9. La ley de Raoult establece que la relación entre la presión de vapor de cada componente en una solución ideal es dependiente de la presión de vapor de cada componente individual y de la fracción molar de cada componente en la solución.

Figura 6.9. Curvas de enfriamiento para diferentes composiciones de un sistema binario y Diagrama de fases Tipo II (eutéctico) Para los metales puros A y B señalan una línea horizontal única, en sus puntos de congelación. Cuando se le agrega B a A en cierta medida, la temperatura para el comienzo de la solidificación 128

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decrece. Entonces como cada metal disminuye el punto de congelación del otro la línea "líquidus" que indica el comienzo de la solidificación mostrará un mínimo. Este se muestra en la figura con el punto E, conocido como punto eutéctico con composición 40A 60B. EUTÉCTICO: un eutéctico es un punto invariante (temperatura) es el sistema en el cual la fase reacciona, una remoción del calor provoca una desaparición de la fase líquida sin cambio de temperatura. La composición eutéctica es aquella combinación de componentes de un sistema mínimo que tiene el más bajo punto de fusión que cualquier otra relación de componentes y está en la intersección de dos curvas de solubilidad en un sistema binario y de tres superficies de solubilidad en un sistema ternario. En el diagrama también se observa una línea horizontal que muestra el final de la solidificación que es a una temperatura fija. Esta línea horizontal mas baja recibe el nombre de temperatura eutéctica. En esta aleación a la composición 40%A – 60%B, se lleva a cabo la solidificación completa a una sola temperatura que es la eutéctica. Los puntos M y N son los puntos de fusión de los metales puros. En este diagrama se presentan 4 áreas: Uno arriba de la línea líquidus que es una solución líquida homogénea de una sola fase, porque los dos metales son completamente solubles en estado líquido. Las tres áreas restantes son de dos fases. Las áreas que contienen dos fases sobre un diagrama deben estar limitadas a lo largo de una línea horizontal por fases simples. Cuando se marcan primero las áreas de una sola fase, las áreas de dos fases se determinan fácilmente. Para determinar las fases existentes en el área de dos fases MFE, trazamos una línea horizontal o L que intersecta la línea líquidus en L, la que nos indica que el líquido es una de las fases que existen en el área de dos fases e intersecta al eje del lado izquierdo en el punto 0. El eje izquierdo representa el del metal puro A que es una sola fase, que es sólido por debajo del punto de fusión. Se deduce entonces que las dos fases que existen en el área MFE son líquido y sólido A. Se considera generalmente que las aleaciones que se encuentran a la izquierda de la composición eutéctica como hipoeutéctica y los que están a la derecha como hipereutéctica. En la temperatura de equilibrio, el líquido solidificara A y-B puros respectivamente dando como resultado una mezcla muy fina, que se nota en el microscopio, la solidificación resultante se llama mezcla eutéctica cuando el líquido cambia en el punto E dando dos sólidos a una temperatura constante se conoce como "reacción eutéctica” La reacción se describe como: Líquido

Enfriamiento Calentamiento

Sólido A + Sólido B mezcla eutéctica 129

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La solidificación eutéctica es incongruente debido a que existe diferencia en la composición entre el líquido y las fases sólidas individuales, debería esperarse que fuera congruente como sucede en la curva de enfriamiento de un metal puro o cualquier aleación de fusión congruente debido a que se lleva a cabo a una temperatura constante, TIPO III. Dos metales completamente solubles en el estado líquido pero solo parcialmente solubles en el estado sólido. Este tipo es el más importante de los sistemas de aleación porque son los mas generales debido a que la mayoría de los metales muestran alguna solubilidad de uno con otro en el estado sólido. El diagrama se muestra en la Figura 6.10:

Figura 6.10. Diagrama de fase que muestran solubilidad parcial en el estado - sólido.

El diagrama de fases para su análisis, tenemos que los puntos TA y TB nos indican los puntos de fusión de los metales puros A y B respectivamente. La línea de líquidus es TAETB y la de sólidus TAFEGTB. Las áreas que contienen una sola fase se deben marcar primeramente. Como estos metales son solo parcialmente solubles en estado sólido, se debe de formar una solución sólida. En estos sistemas de aleación, los cristales de A ó B puros no solidifican, solidificaran siempre en una aleación o una mezcla de soluciones. Ahora marcamos las áreas de una sola fase (alfa) y de la solución sólida (beta). A estas soluciones se le conoce como soluciones sólidas terminales debido a que se encuentran muy cercanos a los ejes. Las áreas restantes se identifican como dos fases y se nombran enseguida como: Liquido + , líquido +  y  + . En la TE la solución sólida disuelve un máximo de 20% de B mostrado en el punto F, la solución sólida B disuelve un máximo de 10% de A. Al disminuir la temperatura, el soluto que se puede disolver disminuye, que se indican por la líneas llamadas 130

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solvus, estas indican la solubilidad máxima (solución saturada) de B en A (solución ) o de A en B (solución ) en función de la temperatura, Figura 6.11. El punto "E " aleación 2, se conoce como punto eutéctico, que es la intersección de las líneas líquidus en un mínimo como en el caso anterior se estudiaron el enfriamiento lento de varias aleaciones.

Figura 6.11. Diagrama de fases

En la aleación 1 que tiene 95%A-5%B, durante el enfriamiento lento que se le aplica, sigue el mismo proceso de la aleación Tipo I. Cuando se llega a la intersección de la línea líquidus con T1, comienza la solidificación, donde se forman cristales de solución sólida  extremadamente ricos en A. El proceso se continúa, en donde el líquido se va haciendo mas rico en B y moviéndose hacia abajo gradualmente, a lo largo de la línea líquidus. La solución sólida que se hace más rica en B, también sigue con movimiento hacia abajo a lo largo de la línea sólidus, al llegar a la T4 donde la línea sólidus se encuentra y la difusión es al mismo ritmo con el crecimiento del cristal, el sólido total será una solución sólida  homogénea y así se conserva hasta llegar a la temperatura ambiente. En la aleación 2 que tiene la composición eutéctica 30%A-70%B, ésta composición permanecerá líquida hasta el punto E, donde se encuentra la intersección de la línea líquidus y sólidus. Aquí el líquido sufre la reacción eutéctica, a temperatura constante donde como resultado una mezcla muy fina de dos sólidos. Los sólidos formados de la mezcla eutéctica vendrán dados en los extremos de la línea de la temperatura eutéctica en donde decimos que:  de composición F y B. La reacción eutéctica es la siguiente: LÍQUIDO

Enfriamiento Calentamiento

SOLIDO1 (α) + SOLIDO2 (β)

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En la misma reacción del diagrama del tipo II, excepto por la sustitución de soluciones sólidas por metales puros. Para determinar las cantidades relativas de  y  en la mezcla eutéctica utilizamos la regla de la palanca. TIPO IV. La fase intermedia de fusión congruente. Es la transformación de una fase en otra a temperatura constante sin cambio en la composición química. Todos los metales puros solidifican congruentemente. Las fases intermedias se llaman así porque son únicas y se presentan entre las fases terminales en un diagrama de fase. Cualquier fase intermedia puede tratarse como otro componente en un diagrama de fase, Figura 6.12. Si la fase intermedia tiene un reducido intervalo de composición, como sucede en los componentes intermetálicos y el compuesto intersticial es, entonces se representa en el diagrama como una línea vertical y se indica la fórmula química del compuesto. La segunda figura muestra la fase intermedia de la aleación como una línea vertical. Un compuesto se indica como AmBn, m y n son subíndices que señalan el número de átomos combinados en el compuesto; por ejemplo el Mg y Sn forman una fase intermedia que tiene la fórmula química Mg Sn. Punto de fusión de AmBn Punto de fusión de A Punto de fusión de B

Composición AmBn

Figura 6.12. Composición y punto de fusión de (A) puro, (B) puro y un compuesto AmBn Este diagrama puede ser separado en dos partes independientes una para mostrar todas las aleaciones entre A y el compuesto AmBn y otra para mostrar aquellas entre AmBn y B. La porción del diagrama entre A y AmBn puede ser cualquier; de los tipos estudiados. Lo mismo se puede decir para la posición entre AmBn y B. Si el compuesto no muestra alguna solubilidad entre sí el diagrama de equilibrio será como la Figura 6.13.

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Figura 6.13. Diagrama de fases de fase intermedia

Enfriamiento A T1: Liquido

Calentamiento Enfriamiento

A T2:

 + AmBn

AmBn + 

Liquido Calentamiento

TIPO V: LA REACCIÓN PERITECTICA. En este tipo de reacción, un líquido y un sólido reaccionan a Temperatura constante para formar un nuevo sólido al enfriarse. La reacción se puede escribir de la siguiente forma: Enfriamiento SOLIDO1 + SOLIDO2

Calentamiento

NUEVO SÓLIDO2

En el caso del sistema CaO-ZrO2, que se muestra en la figura 6.14, la reacción peritéctica se presenta aproximadamente a una temperatura de 2575°C y %CaO de 7%. En el sistema Ni-Zn también se observa una reacción peritectica a 1040°C y 52%Zn, como se observa en la figura 6.15.

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Figura 6.14. Diagrama de fases del sistema CaO-ZrO2. (Tomado de P. Duwez, F. Odell y F.H. Brown, Jr., J. Amer, Ceramic. Soc. 35, 1952, p. 109).

Figura 6.15. Diagrama de fases Níquel-Zinc. (Tomado de Metals Handbook, 8ª ed., Vol. 8, American Society y for Metals, Metals Park, Ohio) TIPO VI. Dos líquidos parcialmente solubles en el estado líquido: la reacción monotéctica. Otra clase de sistemas de aleaciones que mencionaremos con brevedad son las monotéctica. Este término se refiere a aleaciones que exhiben inmicibilidad en el estado líquido. Debido a que a ciertas temperaturas los componentes no se pueden mezclar entre sí como una fase líquida, 134

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forman dos fases líquidas separadas. Un ejemplo familiar de esta característica es una película de aceite en la superficie del agua. La importancia de este tipo de aleaciones radica en su habilidad para producir una dispersión de gotas de un componente en el otro. Cuando ciertas aleaciones monotécticas se enfrían a partir del estado líquido, la fase líquida con el punto de fusión más alto tiende a formar glóbulos en el líquido con el punto de fusión menor, debido a la tensión superficial. Estos glóbulos persisten después dentro de la estructura sólida. Este proceso se usa para fabricar el latón para apoyo que consta de gotas de plomo dispersas en cobre o zinc. En servicio, el plomo actúa como lubricante, con lo que se disminuye la fricción y el desgaste. Del mismo modo, se añade plomo a ciertos aceros con el objeto de mejorar su trabajabilidad. El plomo es insoluble y forma gotas dispersas al azar en el acero. Después, durante el maquinado, estas gotas se untan en el filo de corte de la herramienta, reduciendo la fricción y el calentamiento local. En la figura 6.16, se muestra el diagrama de fases del sistema de aleación Plomo-zinc. Este diagrama demuestra que la inmicibilidad de estos componentes es dependiente de la temperatura. Si se eleva la temperatura lo suficiente, eventualmente el plomo y zinc se hacen solubles entre sí y forman una fase líquida.

Figura 6.16. Diagrama de fases plomo-zinc donde se ilustra la inmicibilidad en el estado líquido. reacción monotéctica. Cuando un líquido forma otro liquido + un sólido al enfriarse sucede lo que se nombre una reacción monotéctica. Esta ecuación se escribe de la siguiente manera: L1

Enfriamiento Calentamiento

L2 + sólido.

TIPO VII. Dos metales insolubles en los estados líquido y sólido Esto completará el estudio de los diagramas de fase (equilibrio) que implican los estados líquido y sólido. La Figura 6. 17 se muestra un diagrama donde hay reacciones opuestas; hay muchas 135

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combinaciones de metales que son prácticamente insolubles entre sí. Cuando se enfrían, os dos metales parecen solidificar en sus puntos de congelación individuales en dos etapas distintas, con una aguda línea de contacto y casi sin difusión.

Figura 6.16. Diagrama de fase para dos metales insolubles Un sistema de aleación muy próximo a este tipo es aquel entre aluminio y plomo, figura 6.17. Nótese que la región líquida de dos fases se extiende casi por entero a través del diagrama. Esta condición corresponde a un caso límite de la reacción monotéctica y de la reacción eutéctica. De las dos líneas horizontales, la superior representa una reacción monotéctica, en la que el punto monotéctico está muy próximo a la composición y punto de fusión del aluminio puro. La línea inferior representa una reacción eutéctica, en la que el punto eutéctico coincide prácticamente con la composición y punto de fusión del plomo puro.

Figura 6.17. Sistema de aleación aluminio-plomo. (Tomada de la obra Metals Handbook, ed. 1948, pág. 1165, American Society for Metals, Metals Park, Ohio).

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TRANSFORMACIÓN EN ESTADO SÓLIDO Hay diversos cambios de equilibrio y reacciones que tienen lugar por entero en el estado sólido. a) Alotropía El fierro, estaño, manganeso y cobalto en estado puro son metales que tienen esta propiedad que pueden existir en más de un tipo de estructura cristalina dependiendo de la temperatura y es conocida como alotropía, figura 6.18.

Figura 6.18. Curva de enfriamiento del fierro puro. En un diagrama de fases, este cambio alotrópico se indica por un punto o puntos en la línea vertical que represente el metal puro, esto se muestra en la figura 6.19. En este diagrama, el campo de solución sólida gamma esta anillado. El metal puro A y las aleaciones ricas en A sufren dos transformaciones. Muchos de los diagramas de equilibrio que incluyen al fierro, como Fe-Si, Fe-Mo y Fe-Cr, muestran este campo de solución sólida anillado. Como el tipo de fierro que existe en este intervalo de temperaturas en fierro gamma, el campo generalmente se llama anillo gamma.

Figura 6.19. Diagrama hipotético de equilibrio que muestra al metal A experimentando dos cambios alotrópicos

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En algunos sistemas de aleación que incluyen hierro, el anillo gamma no está cerrado. Esto se ve en el diagrama de equilibrio hierro-níquel que se muestra en la figura 6.20, misma que contiene el punto de congelación del hierro puro a 1539°C, formando la solución sólida delta (δ), que es cúbica entrada en el cuerpo. La solución sólida gamma (γ) está formada por una reacción peritéctica a 1512°C.

Figura 6.20. Diagrama de equilibrio del sistema hierro-níquel. (Tomada de la obra Metals Handbook, ed. 1948, pág. 1211, American Society for Metals, Metals Park, Ohio). b). Transformación orden-desorden En los materiales cristalinos, las partículas componentes muestran un ordenamiento regular que da como resultado un patrón que se repite en las tres dimensiones del espacio, y a lo largo de muchas distancias atómicas. Los sólidos cristalinos poseen internamente un orden de largo alcance. La situación en un cristal es tal que el entorno de un determinado tipo de átomo siempre es el mismo (los mismos átomos vecinos y a idénticas distancias). En los materiales amorfos, los átomos siguen un ordenamiento muy localizado, restringido a pocas distancias atómicas y que, por tanto, no se repite en las tres dimensiones del espacio. Se habla de un orden local o de corto alcance. En la Figura 6.21 se ilustran los conceptos de largo y corto alcance, en un esquema bidimensional. Figura 6.21. Arreglos atómicos en una solución sólida, desordenada y ordenada.

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c). La reacción eutectoide Esta es una reacción común en el estado sólido, muy semejante a la reacción eutéctica, pero no incluye al líquido. Aquí se forman dos fases sólidas a partir de otra fase sólida durante el enfriamiento, las dos fases sólidas que resultan son diferentes de la que se formaron. La ecuación general se escribe de la siguiente forma. Enfriamiento Sólido

Calentamiento

Solido2 + Sólido3 mezcla eutectoide

La mezcla eutéctoide que se obtiene es extremadamente fina, parecida a la eutéctica. Al observarlas al microscopio, estas mezclas aparecen generalmente iguales y no es posible determinar en forma microscópica si la mezcla se obtiene de una reacción eutéctica o de una reacción eutéctoide. La figura 6.22, nos da un diagrama de equilibrio que nos muestra la reacción eutéctoide.

Figura 6.22. Diagrama de fase de la reacción eutectoide La línea líquidus es TA E TB y la solidus TA FG TB, la mezcla eutéctica está constituida por las fases que se presentan en ambos extremos de la línea de temperatura eutéctica; a saber la solución sólida  (punto F) y la solución sólida B (punto G). En el punto M encontramos un cambio alotrópico para el metal A puro. La línea solvus MN nos indica que, conforme se incrementa la composición en B, la temperatura en la cual hay un cambio alotrópico disminuye alcanzando un mínimo en el punto. De modo similar, en el sistema se pueden formar compuestos más que de elementos individuales, como por ejemplo, el sistema binario que se forma entre la alúmina (Al2O3) y el silicato (SiO2). En este caso los componentes son compuestos iónicos de aluminio-oxígeno y silicio-oxígeno. El diagrama de fases de este sistema se muestra en la figura 6.23. 139

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Figura 6.23. Diagrama de fases del sistema aluminio-silicio. La mullita es una solución sólida de aluminio y silicio (Al6Si2O13). Algunas aplicaciones de temperaturas altas se relacionan con las fases que se presentan en este diagrama, incluyendo ladrillos refractarios para el recubrimiento interno de hornos, crisoles y cucharones, tejas refractarias, equipo de cerámica para laboratorio y utensilios de cocina resistentes al calor. Una inspección superficial de este diagrama de fases revela que la porción rica en alúmina produce materiales con temperaturas de fusión relativamente más altas, lo que demuestra la utilidad del diagrama en la selección y diseño de los materiales.

d). La reacción peritectoide Es una reacción que regularmente se encuentra en las aleaciones. La reacción se puede escribir como: Sólido1 + Sólido2

Enfriamiento Calentamiento

Nuevo solido3

La fase nueva resultante puede ser una aleación intermedia, pero también puede darnos una solución sólida. Esta reacción tiene la misma relación que la eutectoide tiene con la eutéctica. Esencialmente, es el reemplazo de un líquido por un sólido. Las figuras 6.24 se ilustra la reacción peritectoide.

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Figura 6.24. Diagrama de fases que muestra la formación de una fase intermedia (η) por una reacción peritectoide 6.6. DIAGRAMA DE EQUILIBRIO DE LAS ALEACIONES TERNARIAS El diagrama de estado de las aleaciones ternarias tiene la forma de un prisma triangular. La base del prisma es un triángulo equilátero en la que indica la concentración de los componentes. A este triangulo se le nombra triángulo de concentración. Los componentes que forman la aleación se indican en los vértices del triángulo, las aleaciones binarias en los lados del triangulo, las aleaciones ternarios se encuentran por puntos ubicados dentro del triángulo. Para determinar la composición de una aleación ternaria se emplea la siguiente propiedad de un triángulo equilátero. La suma de los perpendiculares bajadas desde cualquier punto ubicado dentro del triangulo, a cada uno de los lados es igual a la altura del triángulo. SI la altura del triangulo se toma como el 100%, entonces la perpendiculares, M a, Mb y Me indicaran la concentración de lo distintos componentes de la aleación que corresponde al punto M mostrado en la Figura 6.21, 6.22 y 6.23.

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. Figura 6.21. Esquema para representar la composición de un sistema ternario, escalas de A, B y C

Figura 6.22. Representación en el diagrama de fase de la composición química más idónea de la Matriz cuasicerámica a partir de la mezcla mineral: Feldespato, zeolita y calcita

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Figura 6.23. Diagrama de estado de las aleaciones ternarias con una solubilidad limitada de los componentes en los estados sólido y líquido.

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6.7. DESCRIPCIÓN DEL DIAGRAMA HIERRO - CARBONO. 6.7.1. Introducción En el diagrama de equilibrio o de fases Fe-C, se representan las transformaciones que sufren los aceros al carbono con la temperatura, admitiendo que el calentamiento (o enfriamiento) de la mezcla se realiza muy lentamente de modo que los procesos de difusión (homogeneización) tienen tiempo para completarse. Uno de los materiales de fabricación y construcción más versátil, más adaptable y más ampliamente usado es el acero. A un precio relativamente bajo, el acero combina la resistencia y la posibilidad de ser trabajado, lo que se presta para fabricaciones mediante muchos métodos. Además, sus propiedades pueden ser manejadas de acuerdo a las necesidades específicas mediante tratamientos con calor, trabajo mecánico, o mediante aleaciones. Los materiales No Ferrosos son: aluminio, magnesio, zinc, cobre, plomo y otros elementos metálicos. Las aleaciones como el latón y el bronce, son una combinación de algunos de estos metales y se les denomina aleaciones No ferrosas. El Acero es básicamente una aleación o combinación de hierro y carbono (intervalo de carbono de 0,008% – 1.76%), las aleaciones en cambio poseen una concentración de carbono mayor a 1,76% lo que permite crear fundiciones que en oposición al acero son quebradizas y no es posible forjarlas sino que deben ser moldeadas. 6.7.2. Diagrama Hierro-Carbono. El diagrama de equilibrio o de fases hierro-carbono (Fe-C) se representan las transformaciones que sufren los aceros al carbono con la temperatura, admitiendo que el calentamiento (o enfriamiento) de la mezcla se realiza muy lentamente de modo que los procesos de difusión (homogeneización) tengan tiempo para completarse. Dicho diagrama se obtiene experimentalmente identificando los puntos críticos, temperaturas a las que se producen las sucesivas transformaciones por diversos métodos. En el diagrama de fase de Hierro – Carbono se observan las formas alotrópicas del hierro sólido, BCC y FCC, a distintas temperaturas: Hierro alfa (α): Su estructura cristalina es BCC con una distancia interatómica de 2.86Å. Su temperatura va desde 0°- 910°C, es relativamente blanda, prácticamente no disuelve en carbono. Hierro gamma (γ): También conocida como Austenita. Se presenta de 723°C a 1492°C. Cristaliza en la estructura cristalina FCC con mayor volumen que la estructura hierro alfa. Disuelve fácilmente en carbono (más deformable que la ferrita).

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Sus propiedades mecánicas dependen del contenido de carbono, pero podríamos dar como valores medios representativos: Una dureza de 300HB, una carga de rotura de 900MPa a 1100 MPa y alargamientos comprendidos entre 30 y 60%. Hierro delta (δ): Está localizada desde 1400°C y presenta una reducción en la distancia interatómica que la hace retornar a una estructura cristalina BCC. Su máxima solubilidad de carbono es 0.08% a 1492°C. No posee una importancia industrial relevante. A partir de 1539°C se inicia la fusión del Hierro puro. Tomando como base el diagrama metaestable hierro-carbono, se denominan aceros a las aleaciones binarias con contenidos en carbono menor que 1,76%, mientras que las fundiciones de hierro tienen contenidos en carbono superiores a 1.76% (hasta aproximadamente 6.67%). Este diagrama muestra con claridad el comportamiento fuertemente del carbono: la adición de carbono al hierro (γ) aumenta el dominio térmico de estabilidad de la austenita. Así, por ejemplo, la temperatura de transformación del hierro γ en hierro α aumenta hasta 1492°C para un contenido en carbono del 0.18% (punto peritéctico del diagrama), mientras que la de la transformación de la austenita en ferrita disminuye hasta 723°C para la aleación con 0.89% de carbono. El diagrama metaestable hierro-carbono muestra tres puntos invariantes característicos:  Punto peritéctico(1492°C): Fase líquida(0.4%C) + Fe δ (0.08%C) —>Fe γ (0.18% C)  Punto eutéctico(1130°C):Fase líquida(4.3%C) –>Austenita(1,76%C)+Fe3C (6.67%C)  Punto eutectoide(723°C):Austenita(0.80%C)–> Ferrita (0.025%C) + Fe3C (6.67%C) Las líneas que delimitan las diferentes regiones del diagrama hierro-carbono identifican las situaciones en las que tienen lugar cambios estructurales: Las temperaturas de transformación se denominan temperaturas críticas, existiendo así tres temperaturas de especial interés: A1, A3 y Acm. Las temperaturas A1 y A3 son las que respectivamente representan el inicio y el final de la transformación de la austenita desde el dominio donde están presentes las fases ferrita y cementita, mientras que se llama temperatura Acm a aquella que separa el dominio de estabilidad de la austenita de la zona bifásica austenita + cementita. Dado que estas transformaciones no ocurren exactamente a la misma temperatura al calentar y al enfriar, se denotan a veces como Ar o Ac para describir la transformación en el enfriamiento o en el calentamiento respectivamente. El diagrama hierro-carbono, exclusivamente nos sirve para establecer los tratamientos térmicos de los aceros al carbono. De acuerdo al diagrama hierro- carbono se clasifican los aceros de la siguiente manera: Hipoeutectoides: Son que contienen de 0.008% a 0.80% de carbono. Eutectoides: Son aquellos que contienen 0.80% de carbono. Hipereutectoides: Son aquellos que contienen 0.08% a 2.0% de carbono. Con más del 2% de carbono, se les conoce como hierros colados o fundiciones. 145

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Los aceros son aleaciones de hierro y carbono con otros elementos e impurezas. Los otros elementos son: Manganeso, silicio, etc. y las impurezas: Azufre y fósforo. En los aceros especiales son agregados ciertos elementos, tales como: cromo, níquel, tungsteno, wolframio, etc., que llegan a modificar notablemente la constitución y comportamiento de los aceros. El carbono se encuentra generalmente en los aceros, combinado con el hierro formando el carburo de hierro (cementita) que contiene el 6.67% de carbono. Es decir, que forman una sustancia o compuesto químico de propiedades bien definidas y diferentes a las del hierro y del carbono y está formado por tres partes del hierro y una parte del carbono. En las aleaciones hierro-carbono como ya dijimos los dos constituyentes son el hierro y el carburo de hierro. Existe una aleación eutéctica llamada ledeburita, con 35.5% de hierro y 64.5% de carburo de hierro y por tanto de 4.3% de carbono, que es la fase tiene el punto de solidificación mas bajo, y al solidificarse los fenómenos se presentan en forma parecida a los ya conocidos, Figura 6.24.

Figura 6.24. Diagrama Hierro - Carbono

Los aceros de menos de 1.7 % C , podemos observar el proceso de enfriamiento que cuando la temperatura es inferior a 114 °C, todo el metal se encuentra ya en estado sólido , formando una masa homogénea de cristales de austenita. Al continuar descendiendo lentamente la temperatura, ocurren otros fenómenos de recristalización que son para nosotros de gran interés. Al atravesar el metal sólido la zona de temperaturas, comprendidas entre 1145°C y 721°C, hay un desdoblamiento de sus cristales y aparecen nuevos constituyentes, Figura 6.25. 146

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Figura 6.25. Diagrama Hierro – Carbono. Zona de los aceros

Se puede observar que si la austenita o el acero tiene más 0.90% de carbono, al enfriarse lentamente aparecen primero algunos cristales de carburo de hierro (Fe3C) cementita, mientras que si contienen menos de 0.90% de carbono, se formarán primero cristales de hierro (ferrita), continuando en ambos casos, está precipitación mientras la composición del metal madre (austenita) se va empobreciendo en el constituyente que precipita y por fin cuando queda con la composición eutectoide de 0.90% de carbono precipita toda la masa resultante en cristales de esta composición. A temperatura ambiente, los constituyentes fundamentales de estas aleaciones son pues, la ferrita (hierro casi puro) y la cementita (carburo de hierro). El constituyente eutectoide se llama perlita y está compuesto por láminas paralelas de ferrita y cementita (86.5% de ferrita y 13.5% de cementita). En la figura 6.26 se muestran se pueden observar las microestructuras de los aceros al carbono enfriados lentamente. Todas ellas contienen cantidades variables de ferrita, perlita y cementita según su composición.

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Figura 6.26. Descomposición de la austenita en otros constituyentes, en el proceso de enfriado de diversas aleaciones de Hierro - Carbono.

6.8. LAS ALEACIONES HIERRO – CARBONO SE PRESENTAN DIFERENTES CASOS: La austenita, es uno de los componentes que aparece en la solidificación, está compuesta por hierro y cantidades variables de carburo de hierro en solución. La solubilidad del carbono o carburo de hierro en hierro e máxima a 1129°C y entonces llega a contener la austenita 25.5% de carburo de hierro (1.70% de carbono); pero a temperatura inferiores, esa solubilidad disminuye notablemente. A temperaturas un poco inferiores a 723°C, admite en solución hasta 13.5% de carburo de hierro (0.90% de carbono), pero a 723°C desaparece casi totalmente esa solubilidad y a temperaturas inferiores a 723°C el carburo de hierro es prácticamente insoluble en el hierro. A temperaturas próximas, pero inferiores a 723°C, la solubilidad es de 0.035% de carbono, y al descender la temperatura, disminuye todavía más y a la temperatura ambiente es casi nula (0.008% de carbono), Figura 6.27. Al hierro, que es capaz de disolver el carbono se le llama hierro gamma.

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Figura 6.27. Solubilidad del carbono y carburo de hierro. A diferentes temperaturas. Hay otro estado alotrópico del hierro, el hierro alfa, que se disuelve en cantidades pequeñísimas. Por tanto, después del enfriamiento lento, por debajo de 723°C, el hierro o ferrita y el carburo de hierro o cementita, se pueden considerar totalmente insolubles un del otro. En los aceros se presentan en su forma más elemental compuestos por hierro o ferrita y carburo de hierro o cementita. También están formados los aceros por ferrita y perlita o cementita y perlita. La figura 6.28, nos muestra las partes principales del diagrama hierro – carbono. Por otro lado, el diagrama hierro – carbono establece varios puntos básicos que limitan las zonas de transformación, y que son: A1: El cual presenta a una temperatura de 723°C y es una línea paralela al eje de las abscisas. A3: Es una diagonal que va desde 723°C a 910°C. Acm: Es una diagonal que va desde 723°C a 1145°C.

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Figura 6.28. Diagrama Hierro – Carbono. Partes principales En el ángulo superior izquierdo del diagrama se encuentra una región denominada región delta, es una horizontal correspondiente a la temperatura de 1493°C, y es una línea de la reacción peritéctica y se puede escribir de la forma siguiente, Figura 6.29:  + LIQUIDO T °C 1535

A

LIQUIDO

LIQUIDO + δ 1493

1400

δ



0.10%C M

0.50%C

0.18 %C

δ

LIQUIDO + δ

Figura 6.29. Reacción peritectica en diagrama Fe-C 150

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La máxima solubilidad del carbono en el hierro δ (de red cúbica de cuerpo centrado), es de 0.10%, mientras que el Feδ (de red cúbica de caras centradas) disuelve al carbono en una proporción mucho mayor. Sin embargo, la influencia que ejerce el carbono en la transformación alotrópica δ y . Cuando se adiciona carbono al hierro, la temperatura de transformación alotrópica pasa de 1400°C a 1493°C para un contenido de carbono de 0.10%, Figura 6.30. T °C 910

LIQUIDO LÍQUIDO+

 AUSTENITA  +

A3

C

LIQ + Fe3C

EUTECTICO

D

 + Fe3C

Acm

 723  H (0.025%)

A1 H EUTECTOIDE

FERRITA

+

PERLITA ( + Fe3C) + CEMENTITA (Fe3C)

PERLITA

0

0.80

4.3 6.67 Porciento de carbono Figuran 6.30. Partes principales del diagrama hierro carbono

La línea horizontal (c, d), de la figura mostrada anteriormente, a la cual le corresponde una temperatura de 1129°C. Esta temperatura es la de solidificación del eutéctico y la reacción es: Enfriamiento

LIQUIDO

 + Fe3C Calentamiento MEZCLA EUTECTICA

La mezcla eutéctica, por lo general no se ve al microscopio ya que a la temperatura ambiente la fase () no es estable y experimenta otra transformación durante el experimento. La última línea horizontal (H, K), se presenta a los 723°C. Esta línea corresponde a la temperatura de formación del eutectoide, y al alcanzarse en un enfriamiento lento la fase () debe desaparecer y la ecuación de la reacción es: 

Enfriamiento

 + Fe3 C

Calentamiento

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6.9. MICROCONSTITUYENTES ESTRUCTURALES DEL ACERO. Los constituyentes metálicos que pueden presentarse en los aceros al carbono son: ferrita, cementita, perlita, sorbita, troostita, martensita, bainita, y rara vez austenita, aunque nunca como único constituyente. También pueden estar presentes constituyentes no metálicos como óxidos, silicatos, sulfuros y aluminatos. El análisis de las microestructuras de los aceros al carbono recocidos y fundiciones blancas deben realizarse en base al diagrama metaestable Hierro-carburo de hierro o cementita. El enfriamiento de la austenita es de la siguiente manera: Austenita – Cementita – Ferrita – Perlita – Martensita – Troostita – Bainita - sorbita Austenita. Es el constituyente más denso de los aceros y está formado por una solución sólida por inserción de carbono en hierro gamma. La cantidad de carbono disuelto, varía de 0.8 al 2%C que es la máxima solubilidad a la temperatura de 1130°C. La austenita no es estable a la temperatura ambiente pero existen algunos aceros al cromo-níquel denominados austeníticos cuya estructura es austenita a temperatura ambiente. La austenita está formada por cristales cúbicos centrados en las caras, con una dureza de 300 Brinell, una resistencia a la tracción de 100 kg/mm2 y un alargamiento del 30 %, no es magnética, Figura 6.31.

Figura 6.31. Microconstituyente Austenita a 100X Cementita. Es el carburo de hierro de fórmula Fe3C, contiene 6.67%C y 93.33% de fierro, es el microconstituyente más duro y frágil de los aceros al carbono, alcanzando una dureza Brinell de 700 (68 HRc) y cristaliza en la red ortorrómbica, Figura 6.32.

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Figura 6.32. Microestructura del acero 1%C, red blanca de dementita En las probetas atacadas con ácidos se observa de un blanco brillante y aparece como cementita primaria o proeutéctica en los aceros con más de 0.9%C formando una red que envuelve los granos de perlita, formando parte de la perlita como láminas paralelas separadas por otras láminas de ferrita, se presenta en forma de glóbulos o granos dispersos en una matriz de ferrita, cuando los aceros de alto carbono se han sometido a un recocido de globulización, en los aceros hipoeutectoides que no han sido bien templados. Perlita. Es el microconstituyente eutectoide formado por capas alternadas de ferrita y cementita, compuesta por el 88% de ferrita y 12% de cementita, contiene el 0.8%C. Tiene una dureza de 250 Brinell, resistencia a la tracción de 80 kg/mm2 y un alargamiento del 15%; el nombre de perlita se debe a las irisaciones que adquiere al iluminarla, parecidas a las perlas. La perlita aparece en general en el enfriamiento lento de la austenita y por la transformación isotérmica de la austenita en el rango de 650 a 723°C, Figura 6.33.

Figura 6.33. Microestructura del acero al carbono (0.35%C) cristales oscuros de perlita 153

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Si el enfriamiento es rápido (100-200°C/seg.), la estructura es poco definida y se denomina Sorbita, si la perlita laminar se somete a un recocido a temperatura próxima a 723°C, la cementita adopta la forma de glóbulos incrustados en la masa de ferrita, denominándose perlita globular. Ferrita. Es una solución sólida de carbono en hierro alfa, su solubilidad a la temperatura ambiente es del orden de 0.008% de carbono, por esto se considera como hierro puro, la máxima solubilidad de carbono en el hierro alfa es de 0,02% a 723°C, Figura 6.34.

Figura 6.34. Microestructura del acero al carbono, cristales blancos de ferrita La ferrita es la fase más blanda y dúctil de los aceros, cristaliza en la red cúbica centrada en el cuerpo, tiene una dureza de 90 Brinell y una resistencia a la tracción de 28 kg/mm2, llegando hasta un alargamiento del 40%. La ferrita se observa al microscopio como granos poligonales claros. En los aceros, la ferrita puede aparecer como cristales mezclados con los de perlita, en los aceros de menos de 0.6%C, formando una red o malla que limita los granos de perlita, en los aceros de 0.6 a 0.85%C en forma de agujas o bandas circulares orientados en la dirección de los planos cristalográficos de la austenita como en los aceros en bruto de colada o en aceros que han sido sobrecalentados. Este tipo de estructura se denomina Widmanstatten. La ferrita también aparece como elemento eutectoide de la perlita formando láminas paralelas separadas por otras láminas de cementita, en la estructura globular de los aceros de herramientas aparece formando la matriz que rodea los glóbulos de cementita, figura 34, en los aceros hipoeutectoides templados, puede aparecer mezclada con la martensita cuando el temple no ha sido bien efectuado. Martensita. Es el constituyente de los aceros templados, está conformado por una solución sólida sobresaturada de carbono o carburo de hierro en ferrita y se obtiene por enfriamiento rápido de los aceros desde su estado austenítico a altas temperaturas.

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El contenido de carbono suele variar desde muy poco carbono hasta el 1% de carbono, sus propiedades físicas varían con su contenido en carbono hasta un máximo de 0.7 %C, Figura 6.35.

Figura 6.35. Microestructura de la martensita (agujas) La martensita tiene una dureza de 50 a 68HRc, resistencia a la tracción de 170 a 250 kg/mm2 y un alargamiento del 0.5 al 2.5 %, muy frágil y presenta un aspecto acicular formando grupos en zigzag con ángulos de 60 grados. Los aceros templados suelen quedar demasiado duros y frágiles, inconveniente que se corrige por medio del revenido que consiste en calentar el acero a una temperatura inferior a la crítica inferior (727°C), dependiendo de la dureza que se desee obtener, enfriándolo luego al aire o en cualquier medio. Troostita. Es un agregado muy fino de cementita y ferrita, se produce por un enfriamiento de la austenita con una velocidad de enfriamiento ligeramente inferior a la crítica de temple o por transformación isotérmica de la austenita en el rango de temperatura de 500 a 600°C, o por revenido a 400°C. Sus propiedades físicas son intermedias entre la martensita y la sorbita, tiene una dureza de 400 a 500 Brinell, una resistencia a la tracción de 140 a 175 kg/mm2 y un alargamiento del 5 al 10%. Es un constituyente nodular oscuro con estructura radial apreciable a unos 1000X y aparece generalmente acompañando a la martensita y a la austenita, Figura 6.36.

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Figura 6.36. Nódulos negros de troostita sobre un fondo más claro de martensita Bainita. Es el constituyente que se obtiene en la transformación isotérmica de la austenita cuando la temperatura del baño de enfriamiento es de 250 a 500°C. Se diferencian dos tipos de estructuras: la bainita superior de aspecto arborescente formada a 500-580°C, compuesta por una matriz ferrítica conteniendo carburos. Bainita inferior, formada a 250-400°C tiene un aspecto acicular similar a la martensita y constituida por agujas alargadas de ferrita que contienen delgadas placas de carburos. La bainita tiene una dureza variable de 40 a 60HRc comprendida entre las correspondientes a la perlita y a la martensita, Figura 6.37 (a) y (b).

Figura 6.37(a). Bainita superior de aspecto arborescente obtenida por la parcial transformación de la austenita a 540°C. El fondo blanco es martensita.

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Figura 6.37 (b). Bainita inferior acicular, obtenida por la parcial transformación de un acero de 0.90% de carbono a 290°C. El fondo blanco es de martensita.

Sorbita Es también un agregado fino de cementita y ferrita. Se obtiene por enfriamiento de la austenita con una velocidad de enfriamiento bastante inferior a la crítica de temple o por transformación isotérmica de la austenita en la zona de 600 a 650°C, o por revenido a la temperatura de 600°C. Su dureza es de 250 a 400 Brinell, su resistencia a la tracción es de 88 a 140 kg/mm 2, con un alargamiento del 10 al 20%. Con pocos aumentos aparece en forma muy difusa como manchas, pero con 1000X toma la forma de nódulos blancos muy finos sobre fondo oscuro, de hecho tanto la troostita como la sorbita pueden considerarse como perlita de grano muy fino, Figura 6.38(a) y (b).

Figura 6.38(a). Sorbita a 100X

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Figura 6.38 (b). Sorbita a 500X Inclusiones no metálicas Son elementos extraños a la matriz metálica que aparecen en los aceros, siendo muy perjudicial su presencia, ya que reducen sus características y propiedades. Pueden ser las escorias, refractarios o de las materias producidas en los procesos de oxidación y desoxidación, tales como los sulfuros, óxidos y silicatos, Figura 6.39.

Figura 6.40. Inclusiones de alúmina

Figura 6.39. Inclusiones de sulfuro de manganeso

Figura 6.41. Inclusiones de silicato angular

Figura 6.42. Inclusiones de silicato vítreo 158

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Figura 6.43. Inclusiones de sulfuro de Manganeso (color gris paloma) y silicato (color negro oscuro)

Figura 6.44. Inclusiones de sulfuro de manganeso

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Diagramas de fase

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6.10. Problema de aplicación Determine la proporción de la ferrita y de carburo de hierro en la perlita a partir del diagrama de fases hierro carbono, para una acero de 0.80% de carbono. Solución:  Fe3 C 0.025

 =

0.80

6.7

6.7 - 0.80

5.9 x 100 =

6.7 - 0.025

x 100 = 88.4% 6.675

% Fe3C = 100 - 88.4 = 11.6% Problema Determine las transformaciones que experimenta el acero al carbono simple que contiene 0.4% de carbono (acero 1040) a medida que se enfría lentamente desde el estado líquido hasta la temperatura del medio ambiente, ver figura hierro – carbono. Solución: Punto a: La solidificación de la solución sólida delta BCC comienza, con un contenido de carbono de aproximadamente 0.05%. Punto b: A esta temperatura (1495°C) tiene lugar la reacción peritéctica, que transforma la solución sólida delta y algo de aleación líquida a austenita FCC. Entre los límites de (b) a (c), el líquido remanente se solidifica como austenita. Punto c: A esta temperatura se completa el proceso de solidificación y el sistema completo (masa) es austenita con un contenido nominal de carbono de 0.4%. La continuación del enfriamiento desde (c) hasta (d) no produce cambios de fase. En la figura siguiente se muestra la microestructura de esta solución sólida de fase simple. Esta microfotografía se obtiene con técnicas de metalografía de etapa caliente. Punto d: Cuando la aleación A alcanza esta temperatura, se empieza a formar a partir de la austenita, la ferrita BCC. Observe que esta es una reacción de estado sólido y por tanto, la controla la difusión del carbono en la austenita. El contenido de carbono en la ferrita que se forma es muy bajo, como 160

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lo predice nuestro diagrama (menos de 0.025%). Luego, a medida que este proceso continúa enfriándose gradualmente, la concentración de carbono en la austenita remanente se incrementa en forma continua. Punto e: Cuando nos aproximamos a los 723°C (temperatura del eutectoide), la austenita remanente se aproxima a 0.80% de carbono (a pesar que la composición nominal es de 0.4% de carbono). En consecuencia, en este punto se presenta la reacción eutectoide transformándose a perlita ( + Fe3C) la austenita que aún queda, como se explico antes. Podemos determinar las proporciones de los constituyentes por medio de la regla de la palanca 

0.025

 =

Perlita

0.4

0.8

0.8 - 0.4 x 100 = 51.6%;

% perlita = 100 - 51.6 = 48.6%

0.8 - 0.025 BIBLIOGRAFIA [1]. José Apraiz Barreiro, Tratamientos térmicos de los aceros, Editorial Dossat, S. A. 1ª. Edición, Madrid España, 1977 [2]. Lawrence H. Van Vlack, Materiales para ingeniería, Editorial continental, S. A. de C. V. México, 1980. [3]. Sydney H. Avner, Introducción a la metalurgia física, Editorial Mc Graw-Hill, México, 1992. [4]. Donald R. Askeland, Ciencia e ingeniería de los materiales, Editorial Internacional Thomson Editores, Tercera Edición, México, 2004. [5]. William D. Callister, Jr. Materials science and engineering an introduction, Editorial John Wiley & Sons, Inc. Octava Edición, New York, 1999. [6]. William

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