INGENIERÍA DE SOLDADURA
Ju J ulio A. Aco Acosta sta Su Sulllcahuamán SALIR SALIR
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ALEACIONES Y DIAGRAMAS DE FASE O DE EQUILIBRIO
1. SOLIDIFICACIÓN 2. CONSTITU CONSTITUCIÓN CIÓN DE LAS ALEACIONES ALEACIONES 3. DIAGRAMAS DE EQUILIBRIO 4. TIPOS DE DIAGRAMA DE EQUILIBRIO 5. MECANISMOS DE ENDURECIMIENTO 21/06/2007
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1. Solidificaci ó ón n
Transformaciones de fase los medios principales para el control de las propiedades de las aleaciones Diferentes tipos de transformaciones de fase:
vapor vapor líquido sólido 1 a a a
líquido (condensación de la humedad) sólido sólido (formación (formación de escarcha en en una ventana) sólido (formación de hielo en un lago) sólido 2
alotrópica: Fe-α a Fe-γ ( 910°C ) precipitación: formación de Fe3C por enfriamiento de γ recristal recristalizaci ización: ón: formación de nuevos nuevos granos de Cu trabajado en frío a altas temperaturas
La más importante
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transformaciónn líquido-sólido transformació jaasullcahuamán
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1. Solidificación
MECANISMOS DE SOLIDIFICACIÓN
Esencialmente, todas las transformaciones de fase, y particularmente la solidificación, ocurren en dos etapas: Formación ación de núcl núcleos o nucleación nucleación , y Form Crecimiento de núcleos
Nucleación La nucleación nucleación de los metal metales es puros puros puede puede comenzar comenzar simultáneamente en muchos puntos del líquido En el estado líquido los átomos se mueven al azar y se encuentran muy próximos unos de otros a la Tf Ts es posible suponer que periódicamente un grupo de ellos adopta la configuración geométrica exacta del estado sólido Si la temperatura es inferior a la de solidificación, tal agrupación puede ser estable se forman los núcleos ≃
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1. Solidificación
En metales puros a la temperatura de solidificación, la energía desprendida es insuficiente para que se puedan formar núcleos estables debido a la barrera de energía superficial de los núcleos sólidos Por Por lo que que el el metal metal líqui líquido do se sobreenfri sobreenfriará ará invariablem invariablemente ente por debajo de la temperatura de fusión antes que ocurra la solidificación (ver figura siguiente) Después espués de que que ocurra ocurra la la nucleaci nucleación ón a T = Tnucl la temperatura sube rápidamente debido al calor latente desprendido durante la solidificación en curso Sin embargo, esta elevación de la temperatura se detiene abruptamente cuando se alcanza la temperatura del punto de fusión, Tf , y luego permanece permanece constante constante No puede haber sobrecalentamiento el calor latente por sí mismo es insuficiente para causar esta fusión
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1. Solidificación
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Cur urva va de de enfr enfriiamien ento to de de los met eta ales pu purros con subenfriamiento ÍNDICE ÍNDICE
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1. Solidificación
Curvas de enfriamiento de fases homogéneas
Metales puros y compuestos (fases de fusión congruente) 21/06/2007
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Soluciones sólidas
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1. Solidificación Crecimiento Los núcleos ya formados atraen nuevos átomos del líquido, los que se van ordenando en la red espacial y preferentemente a lo largo de los ejes cristalográficos El crecimiento da origen a una estructura característica arborescente denominada dendrítica los cristales así formados reciben el nombre de dendritas Las dendritas crecen independientemente unas de otras en las tres dimensiones hasta que al disminuir la cantidad de líquido presente tropiezan con las arborescencias de las dendritas adyacentes, en cuyo momento cesan su desarrollo se forman los granos
Al interferirse el crecimiento de unos granos con otros, se crean unas zonas de contacto entre ellos llamados
contornos, fronteras o límites de grano
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1. Solidificación Etapas iniciales en el crecimiento de una dendrita metálica
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1. Solidificación
Crecimiento dendrítico de los cristales metálicos a partir del estado líquido 21/06/2007
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1. Solidificación
Todos los metales y aleaciones solidifican en forma dendrítica Si se forman muchos núcleos metal de grano fino Si se forman pocos núcleos metal de grano grueso Factores que contribuyen a aumentar la velocidad de
nucleación y por tanto el tamaño de grano: Velocidad de enfriamiento el más importante a a
enfriamiento rápido muchos núcleos grano fino enfriamiento lento pocos núcleos grano grueso
Presencia de impurezas sólidas y partículas insolubles como por ejemplo el Al y Ti
que dan lugar a la formación de óxidos insolubles en el acero
Agitación del metal fundido durante el proceso de solidificación los cristales se destruyen antes de haber alcanzado un tamaño excesivamente grande
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1. Solidificación
La estructura de grano fino se obtiene mediante enfriamientos rápidos, por ejemplo, en coquillas (moldes de metal) La estructura de grano grueso se obtiene mediante enfriamientos lentos, por ejemplo, en moldes de arena En general los materiales de grano fino presentan mejores propiedades mecánicas:
mayor dureza mayor resistencia a la tracción mayor tenacidad mayor resistencia al impacto
En un lingote grande, la forma y tamaño de grano puede variar considerablemente de la superficie al centro
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equiaxiales pequeños, columnares y equiaxiales grandes en función al gradiente de temperaturas producido por la transferencia de calor del metal al molde (lingotera) ÍNDICE ÍNDICE
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1. Solidificación
Sección longitudinal de un lingote grande 21/06/2007
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1. Solidificación
Temperatura en el líquido cercano a la pared del molde 21/06/2007
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1. Solidificación
Sección longitudinal de un lingote grande y las tres zonas básicas de solidificación 21/06/2007
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1. Solidificación
Sección transversal de un lingote grande y las tres zonas básicas de solidificación 21/06/2007
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1. Solidificación
Segregación de impurezas
Las impurezas disueltas tienden a permanecer en aquella porción de metal que solidifica al final Como consecuencia se produce una variación de composición en la aleaciones metálicas
Segregación mayor o macrosegregación
Tendencia de las impurezas a concentrarse en la zona central (núcleo) del molde (lingote) y a lo largo de su eje
Segregación menor o microsegregación
Ocurre dentro de un grano o cristal segregación
En una solución sólida:
transcristalina o intracristalina a a
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núcleo de la dendrita átomos de punto de fusión más alto bordes de grano átomos de punto de fusión más bajo ÍNDICE ÍNDICE
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1. Solidificación
Segregación durante la solidificación dendrítica o columnar y principales zonas de solidificación 21/06/2007
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1. Solidificación
Tipos de segregación Microsegregación y macrosegregación 21/06/2007
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2. Constituci ó ón n las aleaciones Con excepción del Cu y el Al que se utilizan puros como conductores eléctricos Los metales se utilizan principalmente en forma de aleaciones La aleación puede mejorar las propiedades mecánicas y muchas de las físicas Además las aleaciones pueden mejorarse todavía más por medio del tratamiento térmico y el trabajo en frío Para comprender los fundamentos del tratamiento térmico, es necesario conocer:
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los tipos de aleaciones los cambios de fase y diagramas de equilibrio ÍNDICE ÍNDICE
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2. Constitución de las aleaciones
DEFINICIONES
Aleación
Es una sustancia que tiene propiedades metálicas y está constituida por dos o más elementos químicos, de los cuales por lo menos uno es metal
Sistema de aleación
Contiene todas las aleaciones que pueden formarse por varios elementos combinados en todas las proporciones posibles
Fase
dos elementos sistema de aleación binaria tres elementos sistema de aleación ternaria
Conglomerado de materia, homogéneo y físicamente distinto a otros.
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2. Constitución de las aleaciones
ESTRUCTURA DE LAS ALEACIONES
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2. Constitución de las aleaciones
COMPUESTOS
La mayoría son combinaciones de elementos con valencia positiva y negativa (metales y no metales) Ejemplos H2O, NaCl, etc.
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La relación entre el número de átomos de cada elemento está definida representada por una fórmula química El tipo de enlace es fuerte iónico o covalente Los elementos que forman el compuesto pierden en gran medida su identidad individual propiedades y características Fase de fusión congruente curva de enfriamiento similar a la de los metales puros Fase intermedia de aleación composiciones químicas intermedias entre los dos metales puros Se clasifican en: intermetálicos, intersticiales y electrónicos ÍNDICE ÍNDICE
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2. Constitución de las aleaciones
Compuestos intermetálicos o de valencia
Dos metales químicamente diferentes tienden a formar compuestos de valencia siguen reglas de valencia química Por sus enlaces iónicos o covalentes propiedades esencialmente no metálicas
son frágiles y su conductividad eléctrica es baja
Ejemplos CaSe, Cu2Se, Mg2Si, Mg2Pb y AlSb, etc.
Compuestos intersticiales
Se forman por la unión de:
los elementos de transición: Sc, Ti, Ta, Wy Fe con elementos de tamaño pequeño: C, H, O, N y B que se acomodan en los intersticios de la estructura cristalina
Tienen mayor carácter metálico, durezas y puntos de fusión elevados y un estrecho intervalo de composición Ejemplos: TiC, TaC, TiN, Fe3C, Fe4N, W2C, CrN y Mn2N
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2. Constitución de las aleaciones
Compuestos electrónicos
Formados por: Cu, Au, Ag, Fe y Ni con Cd, Mg, Sn, Zn y Al Se forman con estructuras cristalinas similares y composiciones químicas con una razón definida de número de electrones de valencia a número de átomos Propiedades parecidas a las soluciones sólidas: alta ductilidad, baja dureza y amplio intervalo de composición
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2. Constitución de las aleaciones SOLUCIONES SÓLIDAS
Cuando en un metal sólido se disuelve un segundo elemento, la fase resultante se llama solución sólida
Cualquier solución está constituida por dos partes:
por analogía con las familiares soluciones acuosas soluto y solvente
La cantidad de soluto que el solvente puede disolver es, por lo general, función de la temperatura ( a presión constante) y suele aumentar con el incremento de la temperatura Una solución puede tener una de tres condiciones:
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no saturada saturada y Sobresaturada (en condiciones de no equilibrio) ÍNDICE ÍNDICE
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2. Constitución de las aleaciones
Ejemplos Cu - Ni, Cu - Zn, Fe - C, etc.
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La relación entre el número de átomos de cada elemento no está definida y puede variar en un rango de composiciones que puede llegar a ser la totalidad del sistema de aleación se representan por una letra griega El tipo de enlace es metálico propiedades metálicas Los elementos que forman la solución sólida no pierden su identidad individual propiedades y características similares al solvente (su estructura cristalina es la misma del solvente) Solidificación en un rango de temperaturas (diferente a los metales puros y los compuestos) Generalmente son soluciones sólidas terminales sus composiciones químicas son adyacentes a los metales puros que forman el sistema de aleación Se clasifican en: sustitucionales e intersticiales ÍNDICE ÍNDICE
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2. Constitución de las aleaciones Soluciones sólidas
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sustitucionales e intersticiales
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2. Constitución de las aleaciones
Solución líquida Cu-Ni
Solución sólida Cu-Ni
Aleación bifásica de Cu-Zn: Solución sólida y compuesto 21/06/2007
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3. Diagramas de equilibrio El conocimiento de los diagramas de fase de las
aleaciones es de capital importancia
Existe una fuerte relación entre microestructura y propiedades mecánicas El control de las propiedades mecánicas de las aleaciones está en función directa del control de su microestructura:
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En condiciones de equilibrio enfriamiento muy lento que permiten un reajuste continuo de las composiciones mediante la difusión en estado sólido a medida que la T° desciende En condiciones fuera de equilibrio enfriamiento demasiado rápido como para que los átomos se difundan y establezcan las condiciones de equilibrio ÍNDICE ÍNDICE
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3. Diagramas de equilibrio DEFINICIONES Y CONCEPTOS FUNDAMENTALES Diagrama de equilibrio o diagramas de fase
Es un modelo gráfico (bidimensional) de un sistema de aleación “mapa” que muestra las fases que deben existir en condiciones de equilibrio termodinámico para cualquier combinación específica de composición y temperatura
Muestra las fases presentes a medida que se varía la temperatura y la composición de un sistema de aleación en condiciones de equilibrio
Es un diagrama que muestra la relación entre la temperatura, la composición y la microestructura de una aleación cualquiera de un sistema de aleación, obtenidas éstas en condiciones de equilibrio
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3. Diagramas de equilibrio
Ejemplo de diagrama de equilibrio o de fases
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3. Diagramas ...
Curvas de enfriamiento de diferentes aleaciones (tipo solución sólida) de un sistema de aleación
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3. Diagramas de equilibrio
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Construcción de un diagrama de fase ÍNDICE ÍNDICE
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3. Diagramas de equilibrio
En la interpretación de los diagramas de equilibrio, se encontraron útiles las siguientes definiciones y reglas (combinación modificada de la regla de las fases de Gibbs y las reglas de Portevin)
Las áreas del diagrama se llaman “campos de fase”
y al pasar de un campo al vecino, el número de fases cambiará siempre en uno es decir, dos campos de fase única estarán siempre separados por un campo de fase doble que contiene a ambas en un sistema binario pueden existir tres fases solamente en un punto
Una fase que no ocupa un campo por sí misma, pero que aparece sólo en un campo de dos fases, es o bien un metal puro o un compuesto intermetálico de composición invariable
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3. Diagramas de equilibrio
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3. Diagramas de equilibrio
Si una línea vertical, que representa la composición de una aleación, cruza alguna curva del diagrama, significa que en ese punto ocurrirán cambios en el número de fases es decir, aparecerá una fase o será absorbida En un punto de un campo de dos fases, pueden existir juntas estas fases
las composiciones químicas de dichas fases se pueden
determinar trazando una línea horizontal de temperatura que pase por este punto y ubicando la composición correspondiente en la intersección de esta recta con los límites del campo respectivo Las cantidades relativas de las fases (que coexisten en un campo) son inversamente proporcionales a las “longitudes relativas” de los segmentos que definen la recta horizontal de temperatura y los límites del campo que forman dichas fases:
REGLA DE LA PALANCA 21/06/2007
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3. Diagramas de equilibrio
Enfriamiento en equilibrio de una aleación de 70A-30B 21/06/2007
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3. Diagramas de equilibrio Ejemplo
Composición química de las fases
aleación 70A-30B a la temperatura T2
líquido: L2 (55A-45B)
y
sólido : α 2 (90A-10B)
Cantidades relativas de las fases: regla de la palanca
Sea: x la cantidad relativa de líquido (fracción en peso) e
y la cantidad relativa de sólido
De las composiciones químicas de las fases se tiene:
55x + 90y = 70 45x + 10 y =30
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%L = 100x = 100a / (a+b) %α = 100y = 100b / (a+b) [%L] b = [%α ] a ÍNDICE ÍNDICE
x=
20 35
10B
e a=20B
y=
15 35
30B b=15B 45B
L
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3. Diagramas de equilibrio
Microsegregación o segregación transcristalina
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3. Diagramas de equilibrio
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Enfriamiento fuera de equilibrio ÍNDICE ÍNDICE
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4. Tipos de diagramas de equilibrio Dos metales completamente solubles en estados líquido y
sólido Dos metales completamente solubles en estado líquido y completamente insolubles en estado sólido Dos metales completamente solubles en estado líquido, pero parcialmente solubles en estado sólido Fase intermedia de fusión congruente Reacción peritéctica Dos líquidos parcialmente solubles en estado líquido: reacción monotéctica Dos metales insolubles en estado líquido y sólido
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4. Tipos de diagramas de equilibrio
Diagrama tipo I
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4. Tipos de diagramas de equilibrio
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Propiedades de las aleaciones Cu-Ni
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4. Tipos de diagramas de equilibrio
I I o p i t a m a r g a i D
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4. Tipos de diagramas de equilibrio
Microestructuras de las mezclas eutécticas
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4. Tipos de diagramas de equilibrio
Aleación eutéctica:
aleación de mín. Tf (aleación 1) E : punto eutéctico T E : temperatura eutéctica
Reacción eutéctica: L
A+B mezcla eutéctica ↔
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4. Tipos de diagr ... ...
I I I o p i t a m a r g a i D
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4. Tipos de diagramas de equilibrio Aleación eutéctica:
aleación de mín. Tf (aleación 2) E : punto eutéctico T E : temperatura eutéctica
Reacción eutéctica: L
↔
α + β
mezcla eutéctica : sol. sólida de B en A : sol. sólida de A en B (sol. sólidas terminales) 21/06/2007
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4. Tipos de diagramas de equilibrio
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Aleación 1 jaasullcahuamán
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4. Tipos de diagramas de equilibrio
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Aleación 3 jaasullcahuamán
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4. Tipos de diagramas de equilibrio
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Aleación 4 jaasullcahuamán
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4. Tipos de diagramas de equilibrio
Fase intermedia de aleación de composición constante 21/06/2007
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4. Tipos de diagramas de equilibrio n ó i l c e a b a e i l a r a e v d n a ó i i c d i e s o m r p e m t n o i c e e s d a F
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4. Tipos de diagramas de equilibrio
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4. Tipos de diagramas de equilibrio
e d i o t c e t u e n ó i c c a e R
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4. Tipos de diagramas de equilibrio
i S l A a m a r g a i D
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4. Tipos de diagramas de equilibrio
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4. Tipos de diagramas de equilibrio
n Z u C a m a r g a i D
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4. Tipos de diagramas de equilibrio
n S g M a m a r g a i D
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5 . Mecanismos de endurecimiento
Recuerdese que:
La deformación plástica se debe al movimiento de las dislocaciones La resistencia a la fluencia de un metal (o aleación) usualmente se puede incrementar mediante la introducción de obstáculos al movimiento de dislocaciones
Tales obstáculos pueden ser:
Enmarañamiento de dislocaciones Límites de grano Estructuras cristalinas distorsionadas debido a átomos de impureza Pequeñas partículas dispersas en la estructura cristalina
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5. Mecanismos de endurecimiento Métodos
de endurecimiento de los metales
MÉTODO
Trabajo en frío Afinamiento de grano Fortalecimiento por solución sólida Endurecimiento por precipitación Fases múltiples Templado y revenido 21/06/2007
CARACTERÍSTICA QUE IMPIDE EL MOVIMIENTO DE DISLOCACIONES Elevadas densidades de dislocaciones producen enmarañamientos Cambios en la orientación del cristal y otras irregularidades en los límites de grano Impurezas intersticiales o substitucionales distorsionan la estructura cristalina Partículas finas de un material duro precipitan fuera de la solución en el enfriamiento Discontinuidades en los límites de fase de una estructura cristalina Estructuras multifásicas de martensita y carburos precipitados (Fe3C)
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5. Mecanismos de endurecimiento Endurecimiento por solución sólida
El fortalecimiento por solución sólida ocurre como resultado de la distorsión que producen los átomos de impureza en la red cristalina haciendo más difícil el movimiento de las dislocaciones
Los elementos de aleación formarán solución sólida con un metal si estos átomos son incorporados en la estructura cristalina del mismo en una forma ordenada
Los átomos que producen el fortalecimiento pueden ser localizados en las posiciones sustitucionales o intersticiales de la estructura cristalina
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intersticiales átomos muy pequeños: C, H, O, N, B sustitucionales tamaños atómicos aprox. similares ÍNDICE ÍNDICE
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5. Mecanismos de endurecimiento s o s m e l o t i a á c r i t o s p r e d t n e r i a e l s e l e d a n n o ó i i c c u a t i t m r s o u f e s D
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5. Mecanismos de endurecimiento n ó i c a e l a u e C d l e s d o s t n e e d a m d e e l e i p s o o r l p e s d l a o t e c r e b f o E s
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5. Mecanismos de endurecimiento Endurecimiento por precipitación
envejecimiento
La solubilidad de una impureza (o aleación) particular en un metal puede ser muy limitada si los dos elementos tienen propiedades químicas y físicas disímiles
Pero esta solubilidad limitada usualmente se incrementa con la temperatura
Tal situación puede ofrecer una oportunidad para el fortalecimiento debido al endurecimiento por la precipitación
de una segunda fase
La resistencia a la fluencia se puede incrementar si:
la segunda fase tiene una estructura cristalina dura y
particularmente si ésta existe como partículas muy finas que son distribuidas muy uniformemente en la matriz
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5. Mecanismos de endurecimiento
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5. Mecanismos de endurecimiento
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Envejecimiento
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