CLASE 8
“MICROESTRUCTURA Y SOLIDIFICACIÓN” En general, los productos metálicos se originan en una primera etapa en estado líquido, luego del cual se pasa al estado sólido mediante moldes o por colada continua. El proceso de solidifcación es determinante para la calidad del producto fnal , porque si el material queda defectuoso en esta etapa, será muy difícil efectuar las correcciones en el procesamiento posterior. posterior.
SOLIDIFICACIÓN La solidicación es un proceso físico que consiste en el camio de estado de la materia de líquido a sólido. Es el proceso in!erso a la fusión.
La solidicación de metales y aleaciones es un importante proceso industrial ya que la mayoría de los metales se funden para moldearlos "asta una forma acaada o semiacaada. #unto de Fusión del Agua $ %& #unto de Solidifcación del Agua $ %& #unto de Fusión del 'ierro ()e* $ %& #unto de Fusión del Aluminio (Al* $ %& #unto de Fusión del Core (Cu* $ %&
SOLIDIFICACIÓN DE LOS METALES En general, la solidicación de un metal o aleación puede di!idirse en los siguientes pasos+
Paso 1: La aparic aparición ión de ncleos ncleos en di!ersos puntos del líquido.
Paso 2: Aglomeración de ncleos.
Paso 3: Los ncleos ncleos crece crecen n en tres tres dimensiones, dando lugar a una una estr estruc uctu tura ra tipo tipo áro ároll llamada dendrita.
Paso 4: A medida que se da el crecimiento de las dendritas - esta se ostruyen mutuamente creando fronteras entre los diferentes cris crista tale les s llam llamad ados os bordes de grano.
Concretamente desde el punto de !ista físico, la solidicación de un metal o aleación suele di!idirse en dos etapas diferenciales+ Nucleación ()ormación de una nue!a fase sólida*
Crecimiento (Crecimiento o engrosamiento de la nue!a fase sólida* Los mecanismos principales por los que acontece la nucleación de partículas sólidas en un metal liquido son+ Nucleación o!o"#nea+ Es el caso más simple de nucleación. Esta se da en el líquido fundido cuando el metal proporciona por sí mismo los átomos para formar los ncleos. Se da
en los metales puros.
Nucleación e$e%o"#nea+ en este caso la nucleación sucede en un líquido sore la supercie del recipiente que lo contiene, impure/as insolules, u otros materiales estructurales (inoculantes*- los cuales actan como centros de nucleación. Se da en las aleaciones ingenieriles.
Una vez ue los n!cleos "an sido #ormados$ inicia la etapa de crecimiento$ cu%o ob&etivo fnal es la #ormación de los cristales' 0n metal solidicado que contiene muc"os cristales se denomina policristalino& Los cristales en el metal solidicado se llaman granos' y las supercies entre ellos, bordes de grano' El nmero de sitios de nucleación disponiles para el metal, afectará a la estructura granular del metal sólido producido+ Si "ay pocos puntos de nucleación, se produce una estructura de grano grueso y tosca. Si "ay muc"os puntos de nucleación disponiles, se dará una estructura de grano no. La estructura de grano no constituye el tipo más deseale en la otención de productos metálicos resistentes y uniformes.
El aspecto que cada grano adquiere despu1s de la solidicación del metal depende de !arios factores, de entre los que son importantes los gradientes t1rmicos. Los granos denominados equia2iales, son aquellos en que su crecimiento "a sido igual en todas las direcciones. (ona $e!)lada o *ona Cill+ Es una estrec"a anda de granos, orientados al a/ar y locali/ada sore la supercie de la pie/a. El metal que está sore la pared del molde es el primero en enfriarse a una temperatura igual a la temperatura de solidicación. (ona Colu!na%+ Contiene granos alargados orientados en una dirección cristalográca particular. Conforme el molde del material liera calor de la fundición, los granos en la /ona fría empie/an a crecer en dirección opuesta al 3u4o de calor. Esto signica que los granos crecerán perpendiculares a la pared del molde. (ona E,uia-ial+ Contiene granos nue!os orientados aleatoriamente, originados a menudo por una a4a temperatura de !aciado, elementos de aleación, o agentes inoculantes o renadores de grano. Los granos crecen con formas relati!amente redondas e impiden el crecimiento de los granos columnares.
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Ma$e%iales Isó$%o)os+ Cristales orientados aleatoriamente o al a/ar. Ma$e%iales Aniso$%ó)icos+ Cristales con orientaciones cristalográcas preferenciales o especícas.
En la mayoría de los materiales policristalinos, las orientaciones cristalográcas de los granos indi!iduales son completamente al a/ar. En estas circunstancias, aunque cada granos sea anisotrópico, la estructura compuesta por un con4unto de granos, se comportará isotrópicamente. La direccionalidad de las propiedades se denomina anisotrop(a y está relacionada con la !ariación de la distancia atómica o iónica segn la dirección cristalográca. #or su parte, las sustancias cuyas propiedades son independientes de la dirección se denominan isotrópicas'
Iso!o%fs!o+ Es el fenómeno en el que sustancias o compuestos con diferentes
composiciones químicas poseen la misma estructura cristalina. #or e4emplo+ Aleaciones Cu6 7i y Al6Li ()CC* Cristales orientados aleatoriamente o al a/ar. .oli!o%fs!o+ Es la capacidad de un material sólido de e2istir en más de una estructura cristalina, todas ellas con la misma composición química. En el caso de sustancias puras o elementos químicos se "ala de Alo$%o)/a.
ALOTRO.0A DEL 1IERRO
CLASE 9
“ALEACIONES MET2LICAS+ FASES Y CONSTITUYENTES METALO3R2FICOS” La mayoría de los metales usados en ingeniería son cominados con otros metales o no metales para conseguir una mayor dure/a, mayor resistencia a la corrosión u otras propiedades. 0na aleación metálica o, simplemente una aleación, es una me/cla de dos o más metales, o de un metal con un no metal. Las aleaciones se otienen fundiendo los di!ersos metales en un mismo crisol y de4ando luego solidicar la solución líquida formando una estructura granular cristalina apreciale con ayuda del microscopio óptico. :0;A7:>)>CAC>=7 LA ES<;0C<0;A (A 7>?EL @>C;=* :E LA ALEAC>=7 0E:A;A C=7)=;@A:A #=; :>)E;E7<0BE7)>CA; C=@=+ . Me$ales .u%os& 5. Soluciones Sólidas& . Me*clas Eu$#c$icas& D. Co!)ues$os In$e%!e$4licos&
FASES Y CONSTITUYENTES
5u# es una 6ase7 85u# se en$iende )o% cons$i$u9en$e o !ic%ocons$i$u9en$e7 8Cu4l es la di6e%encia en$%e 6ase 9 cons$i$u9en$e7 METALES .UROS+ En el caso de metales insolules, que no se pueden me/clar, al solidicarse permanecen puros, por lo que microestructuralmente se presentarán en capas independientes o granos diferenciales entre si.
SOLUCIONES SOLIDAS+ Son aquellas aleaciones misciles en estado líquido, y que al solidicar siguen disueltas. :e esta forma, los átomos de un elemento se distriuyen aleatoriamente con otro sin cominación química, en una estructura de fase nica. a4o tales condiciones e2iste un sol!ente, que es el elemento cuya red espacial perdura y un soluto, que es el elemento que se disuel!e en el sol!ente. Se pueden distinguir de 5 tipos+ Soluciones Sólidas Sus$i$ucionales y Soluciones Sólidas In$e%s$iciales. Sólido que consta de dos o más elementos dispersos atómicamente en una estructura de fase nica.
SOLUCIONES SOLIDAS SUSTITUCIONALES D
Se crean soluciones solidas sus$i$ucionales cuando un átomo de la red cristalina es rempla/ado por otro de un tipo distinto. En este caso los átomos del soluto rempla/an a los átomos del sol!ente en sus posiciones originales.
#ara que se forme una solución solida sustitucional los átomos que constituyen el soluto y el sol!ente deen cumplir con las ;eglas de 'ume6;ot"ery+ . La diferencia entre los diámetros atómicos de los elementos no dee ser mayor del FG de su diámetro. 5. La estructura cristalina de los dos elementos dee ser la misma. . 7o dee "aer diferencias apreciales en las electronegati!idades de los dos elementos, a n de e!itar su reacción y que formen compuestos. D. Los dos elementos deen tener la misma !alencia.
SOLUCIONES SOLIDAS INTERSTICIALES Cuando los átomos del soluto son consideralemente más pequeHos que los átomos del sol!ente, estos pueden alo4arse en los "uecos o intersticios de la red cristalina, creando soluciones solidas in$e%s$iciales.
METALES .UROS :S& SOLUCIONES SOLIDAS+ En comparación con los metales puros, las aleaciones de soluciones sólidas poseen ciertas características+
Co!o :en$a;as+
@ayor dure/a y resistencia a la tracción. @enor temperatura de fusión por lo menos de uno de sus componentes.
Co!o Des
:isminución de la ductilidad, la tenacidad y la conducti!idad t1rmica y el1ctrica.
ME(CLAS EUT=CTICAS+ Cuando una aleación solidica como una me/cla intima de cristales o de componentes puros a una misma temperatura, se forma una !e*cla eu$#c$ica. Estas aleaciones tienen una composición denida y una temperatura de fusión constante. 0n rasgo característico es que los dos componentes de la aleación se solidican a la !e/ desde la aleación líquida, constituyendo un producto ifásico. Estas aleaciones son de poca aplicación práctica deido a sus a4os puntos de fusión y a4as propiedades mecánicas.
F
#or su a4a temperatura de fusión, se emplean casi e2clusi!amente para la soldadura. El e4emplo típico lo constituye la aleación #lomo6 EstaHo empleada en la soldadura de láminas de inc, Core y Latón.
COM.UESTOS INTERMET2LICOS+ En ocasiones, cuando las aleaciones solidican, tienden a formar compuestos de forma que los átomos del soluto no se distriuyen aleatoriamente entre los del sol!ente, sino que lo "acen de forma denida y concreta, dando lugar a compuestos químicos, normalmente denominados co!)ues$os in$e%!e$4licos o in$e%!edios. A diferencia de las soluciones sólidas, los compuestos intermetálicos generalmente son estequiometricos. =tras Características+ Son estequiom1tricos, e4emplo+ )eC. Son uenos refor/antes al precipitarse. Asociado a su alto punto de fusión, ofrecen rigide/, resistencia a la o2idación y a la 3uencia, E4+
I
CLASE J
“DIA3RAMAS DE E5UILI>RIO” DIA3RAMAS DE FASES :urante la solidicación, el desarrollo de la microestructura de una aleación esta directamente relacionada con las características de su diagrama de fases. Los diagramas de fases son representaciones gracas de las áreas de dominio de las fases en función de la presión, temperatura y composición. Los diagramas de fases, tami1n llamados diagramas de equilirio representan la relación entre la estructura y- la composición y las cantidades de fases en equilirio. La utilidad de los diagramas de equilirio radica en la posiilidad de la predicción de las transformaciones de fases y de la microestructura resultante, que puede estar o no en equilirio.
Conce)$os Funda!en$ales+ 85u# es una 6ase7 85u# se en$iende )o% $%ans6o%!ación de Fase7 85u# se conoce co!o Mic%oes$%uc$u%a7 K
8Cuando se conside%a ,ue se alcan*a el E,uili?%io7 Los diagramas de fases más comunes in!olucran
)os *iagramas de +ases nos permiten: Conocer las fases presentes a diferentes composiciones y temperaturas a4o condiciones de enfriamiento lento (equilirio*. :eterminar la soluilidad, en los estados sólido y liquido, de un elemento (o compuesto* en otro. :eterminar la temperatura a la cual una aleación enfriada a4o condiciones de equilirio comien/a a solidicar y la temperatura a la cual ocurre la solidicación. Conocer la composición química de cada una de las fases y las temperaturas a la cuales ocurren las transformaciones de fases.
TI.OS DE DIA3RAMAS DE FASES @& DIA3RAMAS DE SOLU>ILIDAD TOTAL Los diagramas de fases de soluilidad total, se generan por la aleación de dos metales A y , misciles entre si tanto en el estado liquido como en el estado solido, de allí el nomre de los diagramas, que tami1n suelen denominarse como dia"%a!as ?ina%ios iso!o%6os. En estos diagramas+ Se representa la temperatura en el e4e de las ordenadas y la composición en el e4e de las ascisas. Las soluciones solidas se suelen representar con letras del alfaeto griego (, M, N, O*. Aparecen tres regiones de fases, o campos diferentes+ un campo solido alfa (*, un campo liquido (L* y un campo ifásico donde coe2isten P L. Cada región o campo se dene por la fase o fases e2istentes en el tramo de temperaturas y composiciones delimitado por las líneas del limite de fases. En los sistemas isomorfos, sólo se forma una fase sólida- los dos componentes del sistema presentan soluilidad sólida ilimitada, denida por las líneas del limite de fases+ )(nea )iuidus: es la línea superior del diagrama- representa el inicio de la solidicación y marca la transición entre la fase liquida y la fase liquida P solida. )(nea ,olidus: es la línea inferior del diagrama- representa el nal de la transformación y marca la transición entre la fase liquida P solida y la fase solida.
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& DIA3RAMAS DE SOLU>ILIDAD .ARCIAL Los diagramas de fase de soluilidad parcial, se generan por la aleación de dos metales A y , misciles entre si en estado liquido, que forman una me/cla eut1ctica durante la solidicación. #or tal ra/ón, tami1n suelen denominarse Dia"%a!as de Fases Eu$#c$icos. Entre las principales características de este tipo de :iagramas, se pueden mencionar+ La aparición de dos soluciones solidas y M+ es una solución de A, con átomos de como soluto, mientras M es una solución solida de con átomos de A como soluto.
La ocurrencia de una reacción Eut1ctica, en la que un liquido al solidicar genera una me/cla intima de dos solidos y M, a una temperatura (< E* y composición especica (C E*. La soluilidad de las fases solidas es limitada y esta descrita por la línea Sol
B& DIA3RAMAS DE INSOLU>ILIDAD TOTAL Los diagramas de fase de insoluilidad total, se generan por la aleación de dos metales A y , misciles entre si en estado liquido, que forman una me/cla eut1ctica durante la solidicación pero que permanecen insolules en dic"o estado.
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& COM.UESTOS INTERMET2LICOS
REACCIONES IN:ARIANTES Las ;eacciones >n!ariantes son aquellas que ocurren a una composición y temperatura denida, especica y constante- pueden ser de dos tipos+ >. :urante el enfriamiento, una 6ase se se)a%a en dos& >>. :urante el enfriamiento' dos 6ases %eaccionan )a%a )%oduci% una $e%ce%a, diferente de las dos reaccionantes.
J
EN EL ESTADO L05UIDO+ @& Reacción Eu$#c$ica+ L
↔
& Reacción .e%i$#c$ica+ L
B& Reacción Mono$#c$ica+ L@ L
↔
↔
& Reacción Sin$#c$ica+ L@ L
EN EL ESTADO SÓLIDO+ @& Reacción Eu$ec$oide+
↔
↔
G
& Reacción .e%i$ec$oide+
SISTEMAS EUTECTOIDES
G
↔
CLASE
“DIA3RAMA FeHFeBC' CONSTITUYENTES METALO3R2FICOS DE LOS ACEROS” DIA3RAMA FeHFeBC
DIA3RAMA FeHFeBC
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DIA3RAMA FeHFeBC
CONSTITUYENTES DE LOS ACEROS FERRITA
Es una solución sólida intersticial de Carono en una red cica centrada en el cuerpo de 'ierro. Admite "asta un J,J5F G de Carono en solución a la temperatura eutectoide. Es el constituyente más lando del acero, su resistencia es de 58 QgRmm5 (5,K @#a*. Es ferromagn1tico siendo su temperatura de Curie KI8C. A partir de esta temperatura "asta los 9JC su comportamiento es paramagn1tico, por lo que antigua y equi!ocadamente se le creyó otra fase denominándosele "ierro eta ()eM*.
CEMENTITA
Es el caruro de "ierro )eC con un contenido 4 o de carono del I,IKG. Es el constituyente más duro y frágil del acero alcan/ando una dure/a de I8 ';C (KJJ rinell*.
Cristali/a en la red ortorrómica. La morfología de la cementita es muy !ariada siendo destacales algunas estructuras típicas. Se consideran las siguientes en los aceros+ a* Cementita lire, no asociada con otras fases suele aparecer en los aceros "ipereutectoides, como Cementita Proeutectoide, formando una red continua que enmarca una estructura granular formada por colonias de perlita. * Cementita Eutectoide, que forma parte de la #erlita.
.ERLITA
Es el microconstituyente eutectoide formado por capas alternadas de )errita y Cementita, compuesta por el 88G de )errita y 5G de Cementita, contiene J,8G de Carono.
D
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