TRANSFORMACION ESTRCTURAL.
5.1. TRANSFORMACION ESTRUCTURAL Y REGLA DE FASES……………………………………………………………………………………… 4
5.2. SECUENCIA DE RECONSTRUCCION SOLUBLES EN ESTADO LÍQUIDO Y PARCIALMENTE SOLUBLE EN ESTADO SOLIDO ………… 9
5.3. DIAGRAMA Fe-Fe3C…………………………………………………………………. 10
5.4. CLASIFICACION DE LOS TIPOS DE TRATAMIENTOS T RATAMIENTOS TERMICOS………………………………………………………………………………... 13
En el siguiente trabajo de investigación de la unidad 5. - Transformación estructural. Se hablará de la transformación estructural de los materiales metálicos así como la aplicación de la regla de fases. También se abordara la secuencia de reconstrucción para un ejemplo de real de un material de dos componentes solubles en estado líquido y parcialmente soluble en estado sólido. Así como la descripción de los diferentes micros constituyentes de los aceros. También la interpretación del diagrama de Fe -Fe3C en el ámbito de las trasformaciones en equilibrio. Y por último la clasificación de los diferentes tipos de tratamientos térmicos que se le aplica los materiales metálicos en específico al Acero.
El concepto de sistema heterogéneo implica el concepto de fase. Fase es toda porción de un sistema con la misma estructura o arreglo atómico, con aproximadamente la misma composición y propiedades en todo el material que la constituye y con una interface definida con toda otra fase vecina. Puede tener uno o varios componentes. Debe diferenciarse del concepto de componente, que se refiere al tipo de material que puede distinguirse de otro por su naturaleza de sustancia química diferente . Por ejemplo, una solución es un sistema homogéneo (una sola fase) pero sin embargo está constituida por al menos dos componentes. Por otro lado, una sus tancia pura (un solo componente) puede aparecer en dos de sus estados físicos en determinadas condiciones y así identificarse dos fases con diferente organización atómica y propiedades cada una y con una clara superficie de separ ación entre ellas (interfase). Los equilibrios entre fases pueden corresponder a los más variados tipos de sistemas heterogéneos: un líquido en equilibrio con su vapor, una solución saturada en equilibrio con el soluto en exceso, dos líquidos parcialmente solubles el uno en el otro, dos sólidos totalmente solubles en equilibrio con su fase fundida, dos sólidos parcialmente solubles en equilibrio con un compuesto formado entre ellos, etc. El objetivo es describir completamente el sistema. El comportamiento de estos sistemas en equilibrio se estudia por medio de gráficos que se conocen como diagramas de fase: se obtienen graficando en función de variables como presión, temperatura y composición y el sistema en equilibrio queda definido para cada punto (los gráficos de cambio de estado físico o de presión de vapor de una solución de dos líquidos -ley de Raoult- son ejemplos de diagramas de fases). Para obtener información de estos gráficos, para un sistema y condiciones particulares se usa la regla de las fases de Gibbs, que describe el estado de un material y tiene la forma general F=C-P+2 Donde F es el número de grados de libertad, es decir, el número de variables (como presión, temperatura, composición, etc.) que pueden modificarse independientemente sin cambiar el número de fases en equilibrio, C el número de componentes y P el número de fases presentes.
El equilibrio entre los distintos estados físicos del Mg puro servirá para ejemplificarla (Fig.1) En el diagrama de fases para el Mg puro, solo hay un componente, pero según el punto que se considere el número de fases varía y también los grados de libertad. Por ejemplo en el punto A existe una sola fase entonces habrá dos grados de libertad (es decir pueden variar temperatura y presión sin alterar la fase, dicho de otro modo deben fijarse las dos variables para describir el sistema).
En el punto B, donde coexisten el Mg sólido y líquido, hay dos fases entonces habrá un solo grado de libertad. Esto significa que al fijar una variable la otra queda determinada, mientras ambas fases estén presentes. En el punto C, el número de fases es 3 y el número de grados de libertad, cero. Coexisten las tres fases solo a esa presión y temperatura (punto triple). Cuando se mezclan varios componentes aparece la variable composición del sistema. Además es interesante y necesario determinar la cantidad de un material que se puede mezclar con otro en solución verdadera antes de producir una fase adicional por exceso del mismo. Es decir, definir la solubilidad de un componente en otro, se trate de líquidos, sólidos o gases. La separación de algún insoluble origina una nueva fase que también aparecerá descripta en los diagramas de fase. Entre muchos componentes la solubilidad es ilimitada. Así como el agua y el alcohol etílico son solubles en todas proporciones, muchos metales forman solucion es sólidas y su solubilidad es ilimitada (ejemplo: el cobre y el níquel se disuelven ilimitadamente uno en el otro si están fundidos y también al solidificar se obtiene una única fase sólida). Para muchos otros, en cambio, la solubilidad es limitada (ejemplo: sal en agua, cobre y zinc; cuando se agrega zinc en exceso, pasa el límite de solubilidad y aparece una nueva fase, un compuesto Cu-Zn). Para que dos sustancias exhiban solubilidad ilimitada en ambas fases deben cumplirse ciertas condiciones: átomos de tamaño similar (menos de 15% de diferencia en radios atómicos), con la misma estructura cristalina en su estado sólido, con la misma valencia y electronegatividades similares para evitar que formen compuestos entre ellos. Por ejemplo los materiales cerámicas Mg0 y Ni0 que cumplen estas condiciones presentan solubilidad sólida ilimitada.
Para seguir trabajando con dos coordenadas se definen condiciones de presión constante y se estudian los equilibrios de fusión-solidificación de manera aná loga a los de evaporación para temperatura vs. Composición de mezclas Cuando en el sistema sólo están presentes dos componentes el diagrama de fases se denomina binario y si además los dos componentes del sistema presentan solubilidad ilimitada (obteniéndose una sola fase sólida), el gráfico que describe el comportamiento del equilibrio para el cambio de estado correspondiente se denomina diagrama de fases binario isomorfo (repasar el mismo caso aplicado a dos líquidos en la ley de Raoult). Las Fig. 2 y Fig. 3 lo ejemplifican para los sistemas Cu-Ni y Mg0-Ni0 antes mencionados.
Para interpretar esos gráficos es interesante comprender como se construyen. Cuando una sustancia pura solidifica la temperatura a la que lo hace es una constante física, definida y neta conocida como punto de fusión (a presión atmosférica) constante para esa sustancia mientras coexistan ambas fases (ver Fig.1). Pero cuando estamos considerando la fusión o solidificación de una mezcla binaria, por ejemplo una aleación, la temperatura no se mantiene constante mientras se completa el fenómeno. La temperatura de fusión no es un valor determinado, sino un rango de temperaturas cuyos valores dependen de la composición del sistema. El cambio de pendiente en el gráfico muestra que se trata de una mezcla. Se denomina temperatura de liquidus aquella a la que aparece el primer sólido. Se debe calentar el sistema de por encima de liquidus para obtener una fase totalmente líquida. Se denomina temperatura de solidus aquella a la que desaparece el último líquido. El sistema no estará completamente sólido sino debajo de esa temperatura
La unión de los puntos liquidus y solidus para todas las composiciones posibles resulta en los diagramas isomorfos de temperaturas en función de composición (Figs. 2 y 3), La diferencia de temperatura entre liquidus y solidus se denomina r a n g o d e solidificación, en ese rango coexisten las dos fases, liquida y sólida, esta última es una solución sólida y comúnment e se la denomina con la letra α . De acuerdo a la regla de las fases, en un sistema de dos componentes, en la región de dos fases habrá dos grados de libertad. Si consideramos que las condiciones de trabajo son prácticamente siempre a presión constante, resta solo establecer un grado de libertad para tener totalmente descripto el sistema, es decir al determinar una temperatura, a composición de ambas fases queda definida. Por lo general la composición se expresa como porcentaje en peso (%peso) o en moles (%moles) para toda solución entre 0 y 100%. Cuando está presente una sola fase su composición es igual a la de la aleación. En la zona donde coexisten la solución sólida con la fase liquida, sus composiciones diferirán entre si y de la composición general original (como en los diagramas de fase para el cambio de estado líquido-gas, la fase líquida estará enriquecida en el componente de menor punto de fusión) y quedan fijas al especificar la temperatura. Por lo tanto se puede utilizar una isoterma (solo en la región de dos fases) para determinar la composición de ambas: el punto donde una dada isoterma corta la curva de liquidus y de solidus indica las composiciones de las fases líquida y sólida respectivamente a esa temperatura. En la Fig.2 están señaladas las temperaturas de liquidus y de solidus para una aleación Cu-40%Ni. Como ejercicio determine el número de fases presentes y la composición de cada fase a 1300, 1270, 1250 y 1200 °C. Establezca además la composición del primer sólido que se forma al enfriar y la del último líquido antes de solidificar totalmente. Si, además de la composición, se desea conocer la cantidad relativa de cada fase acierta temperatura, se utiliza un cálculo conocido como la regla de la palanca: para calcular la cantidad de una fase a determinada temperatura se construye una palanca sobre la isoterma, con el punto de apoyo en la composición original de la mezcla.
Existe otro tipo de punto invariante (como el eutéctico) que se describe en los sistemas que forman un compuesto intermedio de punto de fusión incongruente: cuando ese compuesto intermedio se funde, el líquido tiene una composición diferente de la del sólido y además se forma una nueva fase sólida (por lo tanto existen tres fases en equilibrio y el sistema está en un punto invariante). Este punto se denomina peritéctico y el proceso, reacción peritéctica. Puede interpretarse como que el compuesto intermedio formado es inestable sobre cierta temperatura. La mayoría de los sistemas binarios pueden presentar diagramas de fases mucho más complejos, pero la interpretación de los mismos sigue los mismos principios ejemplificados en los casos anteriores más simples: en el diagrama se verá reflejada la aparición de nuevas fases sea por cambio de estado de agregación ó por sobrepasar el límite de solubilidad, tanto en las fases sólidas como e ventualmente en las líquidas, pero el tratamiento matemático en las zonas de dos fases ó el concepto de punto invariante siguen siendo válidos. En los sistemas que no poseen solubilidad sólida ilimitada, se llega a un punto en que se excede l límite de solubilidad y se formará una nueva fase sólida (precipitado) a partir de la fase original. En un diagrama de fases binario este equilibrio se define a lo largo de una línea conocida como s o l v u s , línea de solubilidad que separa una región que tiene una fase sólida (solución) de otra que tiene dos fases sólidas (solución y precipitado). Todos esos elementos pueden visualizarse en el diagrama de fases del sistema MgO - Al2 03 que muestra una solubilidad en sólidos limitada y la solución sólida intermedia MgAl2O4 o espinel, siendo las curvas que la rodean por los lados líneas de s o l v u s y por arriba líneas de liquidus (Fig.9). Hay que remarcar que aunque se da una formula por conveniencia, las soluciones sólidas tienen composición variable y están en equilibrio con sus componentes también sólidos. Al enfriar se comportan como una mezcla líquida enfriándose hacia el eutéctico. Las fases presentes en cada región del gráfico son: I- solución sólida de MgO + liquido. II- solución sólida espinel + liquido. III- solución sólida de Al2O3 + liquido. IV- MgO sólido. V- solución sólida de MgO + solución sólida de espinel. VI- solución sólida de espinel. VII- solución sólida de espinel + solución sólida de Al2O3.
Cuando aparecen varias sustancias, la representación de los cambios de fase puede ser más compleja. Un caso particular, el más sencillo, corresponde a los diagramas de fase binarios. Ahora las variables a tener en cuenta son la temperatura y la concentración, normalmente en masa. En un diagrama binario pueden aparecer las siguientes regiones: Sólido puro o disolución sólida Mezcla de disoluciones sólidas (eutéctica, eutectoide, peritéctica, peritectoide) Mezcla sólido - líquido Únicamente líquido, ya sea mezcla de líquidos inmiscibles (emulsión), ya sea un líquido completamente homogéneo. Mezcla líquido - gas Gas (lo consideraremos siempre homogéneo, trabajando con pocas variaciones da altitud). Hay punto y líneas en estos diagramas importantes para su caracterización: Línea de líquidus, por encima de la cual solo existen fases líquidas. Línea de sólidus, por debajo de la cual solo existen fases sólidas. Línea eutéctica y eutectoide. Son líneas horizontales (isotermas) en las que tienen lugar transformaciones eutécticas y eutectoides, respectivamente. Línea de solvus, que indica las temperaturas para las cuales una disolución sólida (α) de A y B deja de ser soluble para transformarse en (α)+ sustancia pura (A ó B).
Concentraciones definidas, en las que tienen lugar transformaciones a temperatura constante: EUTÉCTICA EUTECTOIDE PERITÉCTICA PERICTECTOIDE MONOTÉCTICA MONOTECTOIDE SINTÉCTICA CATATÉCTICA
Fases de la aleación de hierro-carbono Austenita (hierro-ɣ. duro) Ferrita (hierro-α. blando) Cementita (carburo de hierro. Fe3C) Perlita (88% ferrita, 12% cementita) Ledeburita (ferrita - cementita eutectica, 4.3% carbón) Bainita Martensita Tipos de acero Acero al carbono (0,03-2.1% C) Acero corten (para intemperie) Acero inoxidable (aleado con cromo) Acero microaleado («HSLA», baja aleación alta resistencia) Acero rápido (muy duro, tratamiento térmico) Otras aleaciones Fe-C Hierro dulce (prácticamente sin carbón) Fundición (>2.1% C) Fundición dúctil (grafito esferoidal)
En el diagrama de equilibro, o de fases, Fe-C se repre sentan 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. Dicho diagrama se obtiene experimentalmente identificando los puntos críticos —temperaturas a las que se producen las sucesivas transformaciones— por métodos diversos. Transformación de la austenita Zona de los aceros (hasta 2% de carbono) del diagrama de equilibrio meta estable hierro-carbono. Dado que en los aceros el carbono se encuentra formando carburo de hierro se han incluido en abcisas las escalas de los porcentajes en peso de carbono y de carburo de hierro (en azul). El diagrama de fases Fe-C muestra dos composiciones singulares: Un eutéctico (composición para la cual el punto de fusión es mínimo) que se denomina ledeburita y contiene un 4,3% de carbono (64,5 % de cementita). La ledeburita aparece entre los constituyentes de la aleación cuando el contenido en carbono supera el 2% (región del diagrama no mostrada) y es la responsable de la mala forjabilidad de la aleación marcando la frontera entre los aceros con menos del 2% de C (forjables) y las fundiciones con porcentajes de carbono superiores (no forjables y fabricadas por moldeo). De este modo se observa que por encima de la temperatura crítica A3 [21] los aceros están constituidos sólo por austenita, una solución sólida de carbono en hierro γ y su microestructura en condiciones de enfriamiento lento dependerá por tanto
de las transformaciones que sufra ésta. Un eutectoide en la zona de los aceros, equivalente al eutéctico pero en estado sólido, donde la temperatura de transformación de la austenita es mínima. El eutectoide contiene un 0,77 %C (13,5% de cementita) y se denomina perlita. Está constituido por capas alternas de ferrita y cementita, siendo sus propiedades mecánicas intermedias entre las de la ferrita y la cementita. La existencia del eutectoide permite distinguir dos tipos de aleaciones de acero: Aceros hipoeutectoides (< 0,77% C). Al enfriarse por debajo de la temperatura crítica A3 comienza a precipitar la ferrita entre los granos (cristales) de austenita y al alcanzar la temperatura crítica A1 la austenita restante se transforma en perlita. Se obtiene por tanto a temperatura ambiente una estructura de cristales de perlita embebidos en una matriz de ferrita. Aceros hipereutectoides (>0,77% C). Al enfriarse por debajo de la temperatura crítica se precipita el carburo de hierro resultando a temperatura ambiente cristales de perlita embebidos en una matriz de cementita. Otros microconstituyentes Las texturas básicas descritas (perlíticas) son las obtenidas enfriando lentamente aceros al carbono, sin embargo modificando las condiciones de enfriamiento (base de los tratamientos térmicos) es posible obtener estructuras cristalinas diferentes:
La martensita es el constituyente típico de los aceros templados y se obtiene de forma casi instantánea al enfriar rápidamente la austenita. Es una solución sobresaturada de carbono en hierro alfa con tendencia, cuanto mayor es el carbono, a la sustitución de la estructura cúbica centrada en el cuerpo por tetragonal centrada en el cuerpo. Tras la cementita (y los carburos de otros metales) es el constituyente más duro de los aceros. Velocidades intermedias de enfriamiento dan lugar a la bainita, estructura similar a la perlita formada por agujas de ferrita y cementita pero de mayor ductilidad y resistencia que aquélla. También se puede obtener austenita por enfriamiento rápido de aleaciones con elementos gammágenos (que favorecen la estabilidad del hierro γ) como el níquel y el
manganeso, tal es el caso por ejemplo de los aceros inoxidables austeníticos. Antaño se identificaron también la sorbita y la troostita que han resultado ser en realidad perlitas de muy pequeña distancia interlaminar por lo que dichas denominaciones han caído en desuso.
El hierro puro presenta tres estados alotrópicos a medida que se incrementa la temperatura desde la ambiente: Hasta los 911 °C, el hierro ordinario, cristaliza en el sistema cúbico de cuerpo centrado y recibe la denominación de hierro α o ferrita. Es
un material dúctil y maleable responsable de la buena forjabilidad de la aleaciones con bajo contenido en carbono y es ferromagnético hasta los 770 °C ( temperatura de Curie a la que pierde dicha cualidad). La ferrita puede disolver muy pequeñas cantidades de carbono. Entre 911 y 1400 °C cristaliza en el sistema cúbico de caras centradas y recibe la denominación de hi erro γ o austenita. Dada su mayor compacidad la austenita se deforma con mayor facilidad y es paramagnética. Entre 1400 y 1538 °C cristaliza de nuevo en el sistema cúbico de cuerpo centrado y recibe la denominación de hierro δ que es en esencia el mismo hierro alfa pero con parámetro de red mayor por efecto de la temperatura. A mayor temperatura el hierro se encuentra en estado líquido. Si se añade carbono al hierro, sus átomos podrían situarse simplemente en los intersticios de la red cristalina de éste último; sin embargo en los aceros aparece combinado formando carburo de hierro (Fe3C), es decir, un compuesto químico definido y que recibe la denominación de cementita de modo que los aceros al carbono están constituidas realmente por ferrita y cementita.
Tratamiento Térmico: Proceso al que se somete los metales u otros tipos de
materiales sólidos como polímeros con el fin de mejorar sus propiedades mecánicas, especialmente la dureza, la resistencia y la elasticidad. Consiste en Calentar el acero y a una temperatura determinada Enfriarlo a la velocidad conveniente y Mantenerlo a esa temperatura durante un cierto tiempo hasta que se forme la estructura deseada. Propiedades Mecánicas Dependen tanto de la composición química como de la estructura cristalina que tenga el acero. Los tratamientos térmicos modifican esa estructura cristalina sin alterar la composición química, dando a los materiales unas características mecánicas concretas. Resistencia al desgaste: Es la resistencia que ofrece un material a dejarse erosionar cuando está en contacto de fricción con otro material. Tenacidad: Es la capacidad que tiene un material de absorber energía sin producir fisuras (resistencia al impacto). Maquinabilidad: Es la facilidad que posee un material de permitir el proceso de mecanizado por arranque de viruta. Dureza: Es la resistencia que ofrece un acero para dejarse penetrar. Las propiedades físicas y mecánicas dependen del tamaño, la forma y el perfil de los micros constituyentes presentes. Por lo general, los micros constituyentes presentes en el acero son la ferrita, troostita, sorbita, austenita y cementita. Vd Principio del Tratamiento Térmico; Un metal cambia de estructura cuando se calienta a cierta temperatura y los cambios estructurales ocurren nuevamente cuando la aleación se enfría a temperatura ambiente. Para conocer a que temperatura debe elevarse el metal para que se reciba un tratamiento térmico es recomendable contar con los diagramas de cambio de fases como el de hierro –carbono. En este tipo de diagramas se especifican las temperaturas en las que suceden los cambios de fase (cambios de estructura cristalina), dependiendo de los materiales diluidos. Referentes de temperaturas en los tratamientos; Son las líneas de transformación de los constituyentes estables en el diagrama Fe-C (perlita, ferrita y cementita) Ac3: ferrita Acm: cementita Ac1: perlita Técnicas de Modificación Tratamientos térmicos Térmico Recocido: Consiste básicamente en un calentamiento hasta temperatura de
austenitización (800se logra aumentar la elasticidad, mientras que disminuye la dureza. Térmico cementación: También facilita el mecanizado de las piezas al homogeneizar la estructura, afinar el grano y ablandar el material, eliminando la acritud que produce el trabajo en frío y las tensiones internas. Estado en el que se encuentra un material cuando ha perdido su ductilidad y maleabilidad. Térmico Temple: Su finalidad es aumentar la dureza y la resistencia del acero. Para ello, se calienta el acero a una temperatura ligeramente más elevada que la crítica superior Ac (entre 900-950 °C) y se enfría luego más o menos rápidamente (según características de la pieza) en un medio como agua, aceite, etcétera.
Térmico Revenido: Se aplica a aceros previamente templados, para disminuir
ligeramente los efectos del temple, conservando parte de la dureza y aumentar la tenacidad. Consigue disminuir la dureza y resistencia de los aceros templados, se eliminan las tensiones creadas en el temple y se mejora la tenacidad, dejando al acero con la dureza o resistencia deseada. Térmico Normalizado: Tiene por objeto dejar un material en estado normal, es decir, ausencia de tensiones internas y con una distribución uniforme del carbono. Se suele emplear como tratamiento previo al temple y al revenido. Técnicas de Modificación termo-químicos Termoquímico Cementación: Aumenta la dureza superficial de una pieza de acero
aumentar el contenido de carbono de la zona periférica, obteniéndose después, por medio de temples y revenidos, una gran dureza superficial, resistencia al desgaste y buena tenacidad en el núcleo. Termoquímico Nitruración: Al igual que la cementación, aumenta la dureza superficial, aunque lo hace en mayor medida, incorporando nitrógeno en la composición de la superficie de la pieza. Se logra calentando el acero a temperaturas comprendidas entre 400 y 525 °C, dentro de una corriente de gas amoníaco, más nitrógeno. Termoquímico Cianuración: Endurecimiento superficial de pequeñas piezas de acero. Se utilizan temperaturas entre 760 y 950 °C. Termoquímico Carbonitruración: (C+N): al igual que la cianuración, introduce carbono y nitrógeno en una capa superficial, pero con hidrocarburos como metano, etano o propano; amoníaco (NH3) y monóxido de carbono (CO). En el proceso se requieren temperaturas de 650 a 850 °C y es necesario realizar un temple y un revenido posterior.
Fase es toda porción de un sistema con la misma estructura o arreglo atómico, Los equilibrios entre fases pueden corresponder a los más variados tipos de sistemas heterogéneos, El comportamiento de estos sistemas en equilibrio se estudia por me dio de gráficos que se conocen como diagramas de fase. En el diagrama de equilibro, o de fases, Fe-C se repre sentan las transformaciones que sufren los aceros al carbono con la temperatura va cambiando su estructura. El Tratamiento Térmico es proceso al que se somete los metales u otros tipos de materiales sólidos como polímeros con el fin de mejorar sus propiedades mecánicas, especialmente la dureza, la resistencia y la elasticidad. Existen dos tipos de tratamientos; tratamiento térmico y tratamiento termoquímico. El tipo de tratamiento térmico que se le va aplicar depende de los que se quiera hacer con el material por ejemplo el tratamiento térmico revenido se usa para que el material adquiera mayor maleabilidad y disminuya su dureza en ejemplo de material tratado en el tratamiento térmico revenido es el alambre recocido. En esencia: Térmicos Recocido: Suavizar aceros, mejorar maquinabilidad. Temple: Aumentar dureza y resistencia del acero. Revenido: Disminuir la dureza y resistencia de los aceros templados. Normalizado: Dejar un material en estado normal, es decir, ausencia de tensiones internas. En esencia: Termoquímicos Cementación: Aumenta la dureza superficial de una pieza de acero dulce. Nitruración: Aumenta la dureza superficial, aunque lo hace en mayor medida. Cianuracion: Endurecimiento superficial de pequeñas piezas de acero. Carbonitruracion: Obtener superficies extremadamente duras y un núcleo tenaz.
