UNIVERSIDAD NACIONAL DEL CENTRO DEL PERÚ FACULTAD DE INGENIERÍA QUÍMICA
DEPARTAMENTO ACADÉMICO DE INGENIERÍA
METALURGIA FISICA Presentado al:
Ing. VILLAVICENCIO RAMON Félix Albert. Facilitador del Curso “METALURGIA FISICA Y EXTRACTIVA”
Realizado por:
CALDERON CALDERON RODRIGUEZ ,Fabiola Susan CHAMBERGO ROMAN, Karina ESPIRITU BASTIDAS ,Ingrid Gabriela Gabriela OLORTICO SOTO. Stefany Deyse PASCUAL VILLANUEVA, Nilson
Alumna del VIII ciclo de la Facultad de Ingeniería Química HUANCAYO, Perú – 2017-I
INTRODUCCION Metalurgia es el arte y la ciencia de obtener los metales a partir de sus minerales y adaptarlos a las necesidades del hombre. Hay, pues, por lo menos dos grandes divisiones de la metalurgia: “la obtención de los metales a partir de sus minerales”, que es la metalurgia extractiva o metalurgia metalurgia química; y “la adaptación a las necesidades del hombre”, metalurgia física o metalurgia adaptiva. En realidad esta última división comprende todos los sistemas de procesamiento de los metales, desde desd e la fundición hasta la soldadura, por ello de un modo más restringido se considera como metalurgia física a la parte de la metalurgia adaptiva que estudia las propiedades de los metales en relación con su estructura. Se entiende por estructura todo tipo de ordenamiento interno, que va desde las dimensiones atómicas (picoestructura), pasa por la estructura cristalina (nanoestructura), la distribución de las fases y cristales (microestructura) hasta la macro estructura, producto de los procesos de fabricación. (Avner S. H., Introduccion ala metalugia fisica, 1890)
La metalurgia física es la ciencia que se ocupa de las características físicas y mecánicas de los metales y aleaciones. Esta rama estudia las propiedades de los metales y de las aleaciones según lo afectan las tres variables como su composición química, el tratamiento mecánico y el tratamiento térmico. Como disciplina la metalurgia física es reconocida con Sorby a inicios de 1864, pero sus orígenes se remontan mucho más atrás en el tiempo. Sorby aplicó los métodos petrográficos al acero, obtuvo fotos de la microestructura, reconoció constituyentes y creó una revolución en la metalurgia física (o metalografía como se le llamaba entonces). Otros nombres importantes en la metalurgia física del siglo XIX fueron Anossof, von Fuchs, Widmänstatten, Martens, David, Karsten, Tchernoff, Roberts-Austen, Osmond, Neuman, Swing, Rosenhain, Young, Barlow, Tredgold, Rozebom, Gerens, Baikov, Bauschinger, Lüders, Wöhler, Kalisher, Stead, Mathiessen , Gibbs, Faraday, Faraday, Berthier, Mushet, Hadfield y Sauveur. En la primera mitad del siglo XX la metalurgia física experimentó grandes avances y pueden mencionarse nombres asociados a ellos como los de Taman,Debye, Bragg, Hume- Rothery, Frenkel, Wagner, Schotty, Volmer, Wiln, Merica, Waltenberg, Scott, Guinier, Preston, Polanyi, Schmid, Boas y Hollomon, entre otros. A partir de 1950 el desarrollo desarrollo ha sido tan vertiginoso que es imposible seguirle el paso en esta corta introducción. Se descubrieron materiales, procesos, instrumentos, tratamientos y técnicas, tantos y tan variados como el electro vacío, la electrónica de semiconductores y la producción de energía atómica. Todo ello ha llevado a la presente revolución revolución de la robótica y la informática en que la metalurgia y los Actualmente a principios del siglo XXI la metalurgia física materiales son esenciales. Actualmente sigue desarrollándose en los principales temas como:
Métodos experimentales para p ara examinar los metales Cristalografía de los metales: Defectos puntuales, dislocaciones, dislocaciones, granos, entercaras
Transformaciones Transf ormaciones
de
fase
no
(Giraldo, 2003)
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difusivas: martensítica y masiva y otros.
RESUMEN En el presente informe se describe la metalurgia física como parte de la metalurgia adaptiva que estudia las propiedades de los metales en relación con su estructura para su procesamiento; es decir, por todo tipo de ordenamiento interno que va desde las dimensiones atómicas, la estructura cristalina, luego por la distribución de las fases y sistemas de cristalización, etc. las cuales al ser modificadas aumentara o disminuirá las propiedades en los procesamientos de los minerales. Por lo cual los objetivos de este informe son conocer los conceptos, principios básicos y describir la metalurgia física, centrándonos en los temas de estructura interna, cristalización de los metales, constitución de las aleaciones y diagrama de fases. Llegando a la conclusión que en la estructura interna se pueden determinar las propiedades de los metales y aleaciones, se puede ejercer control sobre la estructura por medio de procesos como la solidificación, la aleación, la deformación plástica, los tratamientos térmicos y la irradiación, los sistemas de cristalización son la forma en que los átomos o iones están dispuestos en una celda donde el material solido cristalino es un arreglo tridimensional de átomos e iones o moléculas, los cuales definen las propiedades físicas y químicas del metal y por ende de las aleaciones. Al igual que en los diagramas de fase se registran los datos con respecto a los cambios de fase en los sistemas de aleación por medio de ellas se conoció las condiciones bajo las cuales existen estas fases y bajo las cuales ocurrirá un cambio en la fase, reconociendo asi las mas importantes condiciones posibles de equilibrio entre fases en aleaciones binarias que dan a conocer los principios basicos para entender e interpretar sistemas de aleaciones mas complejos. La metalurgia física así pues estudia el metal como una sustancia, sin tener en cuenta su tamaño y su forma apoyándose en la química, física y la termodinámica .
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OBJETIVOS OBJETIVO GENERAL
Conocer y describir los conceptos, principios básicos y principales características de la metalurgia física.
OBJETIVO ESPECIFICO
Definir y conceptualizar la metalurgia física.
Conocer y describir la estructura interna de los metales y la constitución de las aleaciones.
Reconocer las tipos de cristalización que existen en los metales.
Definir que es un diagrama de fases para sistemas de aleación y describir su clasificación.
Conocer los principales diagramas de fases para sistemas de aleación.
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MARCO TEORICO 1. METALURGIA FÍSICA (sordonez, 2003) Pocas cosas de la naturaleza parecen más inanimadas que un pedazo de metal. El observador solo ve su propio reflejo en la superficie brillante y quieta y nada del mundo interno. Este mundo interno, sin embargo, es un lugar de actividad incesante. Los electrones disparan de un lado al otro a inmensa velocidad. Los átomos mismos también se mueven e intercambian lugares, aun cuando el metal está completamente sólido. Los cambios de temperatura pueden hacer que los átomos se reubiquen de improviso, tomando una forma radicalmente diferente de organización. En un acero templado esto puede ocurrir en un par de microsegundos, aún a temperaturas muy por debajo de la ambiente. Deformación plástica ocurre por el paso de defectos cristalinos, llamados dislocaciones, que se mueven a alta velocidad a través del metal y ocasionan deslizamientos visibles entre masas enormes de átomos. El tráfico de dislocaciones puede llegar a ser muy denso. Se forman inmensos tacos de tráfico, que hacen que las dislocaciones no puedan moverse y el metal se endurece. Cuando este metal "endurecido por trabajo" es calentado (recocido) se libera de estas dislocaciones en una ola de reorganización del ordenamiento atómico (recristalización). Ordenamientos atómicos completamente nuevos pueden ser producidos por aleación y estos a su vez pueden ser cambiados por tratamientos térmicos. El estudio de todos estos efectos pertenece a la Metalurgia Física, la parte que trata de la estructura de los metales y aleaciones, con el objeto de diseñar y producir aquellas estructuras que dan las mejores propiedades. Un descubrimiento trascendental para la Metalurgia Física, fue desarrollado por Sorby, en la segunda parte del siglo XIX, la técnica metalográfica para la observación de estructuras de metales y aleaciones con un microscopio óptico de reflexión. La gran barrera del brillo superficial fue penetrada finalmente, por un proceso de pulido y ataque químico para revelar la estructura interna. Se vio entonces la estructura granular de los metales, un ensamble de cristales diminutos entrelazados. Se observaron grandes cambios en la microestructura debido a aleación, trabajo y tratamiento térmico. Las ideas acerca de la naturaleza de estos cambios se agudizaron rápidamente una vez que fue posible interpretar estas observaciones. Aproximadamente en el mismo tiempo, la teoría de la termodinámica fue clarificando lo que sucedía cuando se mezclan diferentes sustancias y esto permitió estudiar las aleaciones científicamente. La combinación de la investigación sistemática en aleaciones mediante microscopia óptica abrió muchas de las puertas hacia la Metalurgia Física. Tanto como los procesos de endurecimiento por temple y revenido, las estructuras y propiedades de las primeras aleaciones, tales como bronce y latones, pudieron ser racionalizadas, y por fin se tenía un método para el desarrollo sistemático de aleaciones diseñadas deliberadamente para tener ciertas propiedades. El método de Difracción de Rayos X, cuya aplicación introdujo la segunda fase de importancia de Metalurgia Física en 1920. También se prepararon mono cristales de metales, en ese tiempo, y sus propiedades mecánicas explicaron buena parte de los procesos de deformación plástica. 5
Los próximos grandes avances fueron teóricos. A principios de 1930 la teoría cuántica de electrones y átomos había llegado a ser suficientemente poderosa como para prever una teoría real del estado metálico, que podía explicar en qué consiste realmente un metal y como conduce la electricidad. Las fuerzas que mantiene juntos a los átomos pudieron entonces ser entendidas y se inició la teoría de las aleaciones.
2. ESTRUCTURA INTERNA (R.L., 1958)La metalografía estudia la estructura interna de los metales y de las aleaciones y relaciona esa estructura con las propiedades mecánicas para establecer las relaciones entre la composición química de los metales y aleaciones con las respectivas propiedades físicas. 2.1 EL ÁTOMO (Saiz, 2017)Toda la materia está compuesta por átomos y éstos por partículas más pequeñas. El núcleo del átomo está integrado por neutrones y protones, y alrededor del núcleo se encuentran los electrones girando. Los electrones tienen carga negativa, los protones carga positiva y los neutrones, como su nombre lo indica, son neutros (carecen de carga positiva o negativa).
Elementos electropositivos: los que ceden electrones en las reacciones químicas (catión). Ejemplo: los metales. Tienen 3 o menos electrones en niveles externos y forman cationes por pérdida de electrones. Elementos electronegativos: cuando captan electrones en las reacciones químicas (anión). Ejemplo: los no metales. Tienen 4 o más electrones en niveles externos y forman aniones por ganancia de electrones. Energía de ionización: es la mínima energía que hay que suministrarle a un átomo para arrancarle un electrón.
2.2 TIPOS DE ENLACES
Enlace iónico: ( Lindenvald, 2008)se forma entre átomos muy electropositivos y muy electronegativos (metales y no metales), consiste en la transferencia de electrones desde los átomos electropositivos a los electronegativos. Se dan fuerzas de enlace de Coulomb. Ejemplo: NaCl (sal común); HF; KCl., LiF
Propiedades: - Alta energía de enlace, y elevada temperatura de fusión. - Duros y frágiles. - Aislantes en estado sólido y conductores en disolución. Enlace covalente: (Lindenvald, 2008) se forma entre átomos con pequeña diferencia de electronegatividad. Los átomos comparten sus electrones externos con otros átomos. Se pueden formar enlaces múltiples de pares de electrones. Ejemplo: F2, O2, N2.
El enlace covalente puede darse entre átomos produciéndose fuertes uniones; o entre moléculas mediante fuerzas de Van der Waals y puentes de hidrógeno, y en estos casos las uniones intermoleculares son débiles. Ejemplo: enlace covalente entre moléculas: H2O (agua); NH3 (amoniaco), polímeros o plásticos Propiedades enlace covalente entre átomos: - Alta energía de enlace, y elevada temperatura de fusión. 6
- Duros y frágiles. - Aislantes en estado sólido y líquido - Solubilidad muy baja.
Propiedades enlace covalente entre moléculas: - Baja energía de enlace, y baja temperatura de fusión. - Blandos y con propiedades de plasticidad. - Aislantes en estado sólido y líquido - Solubles en disolventes orgánicos.
Enlace metálico: (Lindenvald, 2008) se forma entre dos metales. Se produce una atracción de sus núcleos (iones +) y los electrones de la última capa (electrones de valencia) se colocan dispersos en forma de nube electrónica cubriendo un espacio y rodeando a los núcleos, Los átomos tienden a desprender estos electrones y los iones positivos que quedan se disponen en una estructura geométrica ordenada y simétrica, denominada estructura cristalina. Esta estructura puede ser más o menos compleja y puede contener algunas irregularidades. Esto explica la alta conductividad eléctrica y térmica. También explica que la mayoría de los metales puedan deformarse considerablemente sin fracturas, ya que los enlaces se deslizan en lugar de romperse.
Propiedades: - Energía de enlace variable y punto de fusión variable. - Dúctiles y maleables. - Buenos conductores - Insolubles en general - Brillo metálico. FIG.N°1: TIPOS DE ENLACE
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FUENTE: (Coloma, 2010)
2.3 ESTRUCTURAS CRISTALINAS. (Saiz, 2017)Modelo regular tridimensional de átomos en el espacio. 2.3.1 Solido amorfo y sólido cristalino: En un sólido amorfo las partículas carecen de una estructura ordenada (ejemplo: vidrio). En los sólidos cristalinos, sus átomos están dispuestos de manera regular y ordenada formando redes cristalinas. 2.3.2 Sistemas cristalinos Un material tiene estructura cristalina cuando todos sus átomos están ordenados en el espacio repitiendo una distribución espacial. Celda unitaria: es la unidad que se repite dentro de la estructura cristalina Casi todos los metales cristalizan en tres tipos de estructuras fundamentales: La celda unidad se define geométricamente por 6 tres ejes cristalográficos (a, b y c) tres ángulos interaxiales (α, β, Ƴ ).
FIG.N°2: EJES
FUENTE: (Saiz, 2017) 2.3.2.1 BCC Cúbica Centrada en el Cuerpo (CC): los átomos se sitúan en los vértices y en el centro del cubo.
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n: n° de a tomos de cada unidad
Índice de coordinación: i =8 El I.C. de la celda c.c. es de 8, coincidiendo con el del átomo central. Constante reticular = (4 ∗ )/√ 3
1 = 1 + 8 ∗ = 2 8
Ejemplo: temperatura ambiente del fierro
2.3.2.2 FCC Cúbica Centrada en las Caras (CCC): los átomos se sitúan en los vértices y en los centros de cada cara. n: n° de a tomos de cada unidad 1 1 = 6 ∗ + 8 ∗ = 4 2 8 Índice de coordinación: i =12 El I.C. de la celda c.c. es de 12, coincidiendo con el del átomo central. Constante reticular = (4 ∗ )/√ 2 Ejemplo: temperatura ambiente Temperatura ambiente: Cu, Ni y Al Estado alotrópico del hierro: 912ºC
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2.3.2.3 HCP Hexagonal Compacta: los átomos s e sitúan en los vértices y centro de la cara del hexágono y se colocan otros tres átomos internos en triángulo n: n° de a tomos de cada unidad 1 1 = 2 ∗ +2.6∗ + 3 = 6 2 6 Índice de coordinación: i =12 El I.C. de la celda c.c. es de 12, coincidiendo con el del átomo central. Constante reticular = 2 Ejemplo: Temperatura ambiente: Co y Ti
FIG.N°3: SISTEMAS CRISTALINOS
FUENTE: (Saiz, 2017) Variando los parámetros de red se obtienen los 7 sistemas cristalinos
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FIG.N°4: SISTEMAS CRISTALINO
FUENTE: (Saiz, 2017) 2.3.3 Celdilla unidad: repetición tridimensional con la que los átomos se ordenan. 2.3.4 Red o retícula: conjunto de varias celdillas, Los átomos de un material se disponen en forma regular a lo largo de los ejes y planos.
NODOS Celda unitaria
2.3.5 Alotropía: (Saiz, 2017) Indica el cambio que puede sufrir la estructura cristalina de un elemento o compuesto químico al variar la presión y la temperatura que le rodea. A estos diferentes estados los denominaremos polimórficos o alotrópicos. Ejemplo: El hierro a temperatura ambiente cristaliza en el sistema BCC, pero cuando está a temperaturas entre 912ºC y 1394ºC cristaliza n el FCC. El carbono puede cristalizar formando estructuras tetragonales (diamante) o colocarse en capas superpuestas formando hexágonos regulares ( grafito) 2.3.6 Constantes en las estructuras cristalinas: (Saiz, 2017) los datos más importantes de cada una de las estructuras cristalinas son:
Número de átomos por celda unidad: es el número de átomos completos que le pertenecen, contando en cada átomo sólo la parte o fracción que le corresponde. 11
Constante reticular: es la arista “a” de la celda unitaria. Se expresa en función del radio atómico
Índice de coordinación (I.C): es el número de átomos tangentes a otro átomo. El I.C. de la red es el correspondiente al átomo que mayor I.C. tiene. Masa de una celda unitaria (en gramos) (m): se obtiene como el número de átomos de la celda multiplicado por la masa atómica de cada átomo y dividido por el número de Avogadro (NA = 6,023 *10^23).
=
° ∗ (
)
( )
2.4 Cuasi cristales
(Saiz, 2017)Un cuasi cristal es una forma estructural que es ordenada pero no periódica, es decir, no se puede construir mediante la repetición de una celda unidad. El método tradicional para su crecimiento se basa en el enfriamiento rápido de metales fundidos, de manera que los átomos no tienen tiempo de acceder a las posiciones de equilibrio correspondiente a los sólidos cristalinos Los cuasi cristales son estructuras relativamente comunes en aleaciones con metales como el aluminio, cobalto, hierro y níquel. A diferencia de sus elementos constituyentes, son malos conductores de la electricidad, debido, fundamentalmente, a que poseen pocos electrones libres. No presentan acusadas propiedades magnéticas y son más elásticos que los metales ordinarios a altas temperaturas. Son extremadamente duros y resisten bien la deformación, por lo que se pueden utilizar como recubrimientos protectores antiadherentes.
3. SISTEMA DE CRISTALIZACION 4. DIAGRAMA DE FASES Existen muchas posibilidades para la estructura de una aleación. Como las propiedades de un material dependen ampliamente del tipo, número, cantidad y forma de las fases presentes, y pueden cambiarse alterando estas cantidades, es esencial conocer: a) las condiciones bajo las cuales existen estas fases y b) las condiciones bajo las cuales ocurrirá un cambio en la fase. Gran cantidad de información se ha acumulado respecto a los cambios de fase en los sistemas de aleaciones y la mejor manera de registrar los datos es por medio de diagramas de fase. Para especificar por completo el estado de un sistema en equilibrio,es necesario especificar tres variables independientes, mismas que pueden controlarse externamente,a saber :temperatura,presion y composicion. Si se supone que la presion permanece constante con valor atmosferico,el diagrama de equilibrio indica los cambios estructurales debidos a la variacion de temperatura y composicion.El diagrama es,esencialmente,una representacion grafica de un sistema de aleacion. Idealmente el diagrama de fase debera mostrar las relaciones entre las fases bajo condiciones de equilibrio,o sea, bajo la condiciones en las cuales no habra cambio con 12
el tiempo.Las condiciones de equilibrio pueden ser aproximadas por medio de calentamiento y enfriamiento extremadamente lentos,de modo que se deje suficiente tiempo si un cambio de fase esta por ocurrir.En la practica,los cambios de fase tienden a ocurrir a temperaturas ligeramente mayores o menores,dependiendo de la rapidez a la que la aleacion se caleinta o enfria.la rapida variacion en la temperatura,que puede impedir cambios de fase que normalmente ocurririan bajo condiciones de equilibrio,distorsionara y a veces limitara la apilcacion de estos diagramas. Se estudiaran solo las mas importantes condiciones posibles de equilibrio entre fases en aleciones binarias,las cuales se clasifican como: 1. Componentes completamente solubles en estado liquido: a) Completamente solubles en estado solido(tipo I); b) Insolubles en estado solido:la reaccion eutectica(tipo II); c) Parcialmente solubles en estado solido;la reaccion eutectica (tipo III); d) Formacion de una fase intermedia de fusion congruente(tipo IV) e) Reaccion peritectica(tipo V) 2. Componentes parcialmente solubles en estado liquido: la reaccion momotectica(tipo VI) 3. Componente insolubles en estado liquido e insolubles en estado solido(tipo VII) 4. Transformaciones en estado solido: a) Cambio alotropico b) Orden-desorden El estudio de estos diagramas,dan a conocer los principios basicos para entender e interpretar sistemas de aleaciones mas complejos.
Curvas de enfriamiento y determinación de diagramas de fase Los datos para construir diagramas de equilibrio se determinan experimentalmente por diversos métodos, entre los cuales los más importantes son, análisis térmicos, métodos metalográficos y difracción de rayos-x. Existen diferentes tipos de soluciones sólidas, de éstas se derivan tres tipos de diagramas de fase.
a) Dos metales completamente solubles en los estados líquido y sólido El resultado de correr una serie de curvas de enfriamiento para varias combinaciones o aleaciones entre los metales A y B, variando en composición del 100% de A y 0% de B hasta 0% de A y 100% de B, se muestra en la figura VI.2. A fin de ver la relación que existe entre las curvas de enfriamiento, se han graficado en un solo conjunto de ejes; no obstante, 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 tienen lugar a una temperatura constante; sin embargo, como las composiciones intermedias forman una solución sólida, estas curvas de enfriamiento muestran dos r ompimientos o cambios en la pendiente. Para una aleación que contiene 80 de A y 20 de B, el primer rompimiento ocurre a la temperatura T1, lo cual indica el principio de la solidificación, y el rompimiento inferior a una temperatura T2 muestra el final de la solidificación. Todas las composiciones de aleaciones intermedias mostrarán un tipo de curva de enfriamiento semejante. El sentido del diagrama de fase, o alguna idea de su forma, puede obtenerse 13
al dibujar una línea que vincule todos los puntos que muestran el principio de la solidificación (la línea de puntos superior de la figura VI.2) y otra línea que una todos los puntos que muestran el final de la solidificación (la línea punteada inferior de la figura VI.2).
Figura VI.2.- Serie de curvas de enfriamiento para diferentes aleaciones en un sistema complemente soluble. Las líneas punteadas indican la forma del diagrama de fase.
Ahora es posible determinar el diagrama de fase real con una gráfica de la 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 VI.3 como el eje izquierdo representa al metal puro A, TA se grafica 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 signo %. Se dibuja una línea vertical que representa la aleación 80A-20B, y T1 y T2 de la figura VI.3 se grafican a lo largo de esta línea. El mismo procedimiento se emplea para otras composiciones.
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Figura VI.3.- Diagrama de fase de dos metales completamente solubles en los estados líquido y sólido.
b) Dos metales completamente solubles en el estado líquido y completamente insolubles en el estado sólido La serie de curvas de enfriamiento para los metales puros y varias aleaciones, además de las microestructuras a temperatura ambiente se muestran en la figura VI.4. Las curvas de enfriamiento para los metales puros A y B muestran una línea horizontal única en sus puntos de congelación. A medida que se agrega B a A, la temperatura para el comienzo de la solidificación disminuye. De igual forma ocurre en el caso contrario. Por tanto, como cada metal disminuye su punto de congelación del otro, la línea que une los puntos que indican el comienzo de la solidificación (la línea liquida) debe mostrar un mínimo. Esto lo señala la línea punteada superior de la figura VI.4, que muestra un mínimo en el punto E, conocido como punto eutéctico, para una composición 40A-60B. Nótese que sobre un amplio intervalo de composiciones, una porción de la curva de enfriamiento que muestra el final de la solidificación se presenta a una temperatura fija. En una aleación, la composición eutéctica 40A-60B, ocurre la solidificación completa a una sola temperatura, la eutéctica. Aun cuando la congelación de la composición eutéctica se parece a la de un metal puro, no es una aleación de fusión congruente, ya que el sólido que resulta está constituido de dos fases.
Figura VI.4.- Curvas de enfriamiento y microestructuras a temperatura ambiente para una serie de aleaciones de dos metales insolubles en el estado sólido. La línea punteada superior indica la forma de la línea liquidus y la línea punteada inferior muestra la forma de la línea solidus.
El diagrama de fase real puede ahora construirse si se transfieren los quiebres sobre las curvas de enfriamiento a una gráfica de temperatura contra composición, como se muestran en la figura VI.5. Los puntos de fusión de los dos metales puros, M y N, se dibujan sobre las líneas verticales que representan los metales puros. Para una aleación con 80A-20B, el comienzo de la solidificación T1 y la terminación de la solidificación SE 15
TE grafica como se muestra. El mismo procedimiento se sigue para las aleaciones restantes. La línea superior sobre el diagrama de fase que une los dos puntos de fusión, MEN, es la liquidus e indica el comienzo de la solidificación. El punto en que las líneas liquidus se intersecan, el mínimo E, se conoce como punto eutéctico. La línea solidus es siempre una línea continua que une los puntos de fusión de los metales puros, de modo que la línea solidus completa es MFGN.
Figura VI.5.- Diagrama de fase tipo eutéctico.
c) Dos metales completamente solubles en el estado líquido, pero sólo parcialmente solubles en el estado sólido Como la mayoría de los metales muestran alguna solubilidad de uno con otro en el estado sólido, este tipo es el más común y, por tanto, el más importante sistema de aleación. El método para determinar este tipo de diagrama se basa a partir de una serie de curvas de enfriamiento de una forma similar a las dos anteriores. El diagrama final se muestra en la figura VI.6. La línea liquidus es TAETB y la línea solidus es TAFEGTB. Las áreas de fase única se marcan primero. Por encima de la línea liquidus hay sólo una solución líquida de fase única. En los puntos de fusión, donde se intersecan las líneas liquidus y solidus, el diagrama es semejante a uno en forma de puro del tipo de solubilidad sólida completa, y como estos metales son solubles parcialmente en el estado sólido, debe formarse una solución sólida. En las aleaciones en este sistema, los cristales de A puro o de B puro nunca solidifican, sino que siempre solidifican una aleación o una mezcla de soluciones. Ahora pueden marcarse las áreas de la fase única α y de la solución sólida β. Como estas soluciones sólidas están más próximas a los
ejes, se conocen como soluciones sólidas terminales. Las áreas restantes de dos fases pueden marcarse ahora como líquido + α, líquido + β y α + β. En TE, la solución sólid a α disuelve un máximo de 20% de B, como se muestra en el punto F, y la solución sólida β un máximo de 10% de A, como se ve en el punto G. Con la disminución de la
temperatura, la cantidad máxima de soluto que puede disolverse disminuye, como lo indican las líneas FH y GJ, las cuales se llaman líneas solvus e indican la solubilidad máxima (solución saturada) de B en A (solución α) o de A en B (solución β) como función
de la temperatura. El punto E, donde se intersecan en un mínimo las líneas liquidus, como en el tipo de dos metales completamente solubles en el estado líquido y completamente insolubles en el estado sólido, se conoce como punto eutéctico. 16
Figura VI.6.- Diagrama de fase que muestra solubilidad parcial en el estado sólido.
Uso de los diagramas de equilibrio en metalografía Los métodos metalográficos 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.
Transformación eutectoide Anteriormente se analizó la solidificación eutéctica y se hizo notar que se obtiene una estructura regular eutéctica como producto de una f orma de crecimiento acoplado en el cual crecen conjuntamente dos fases sólidas a partir del líquido. También las transformaciones eutectoides se realizan a menudo mediante un proceso de crecimiento acoplado en el cual dos fases sólidas, α y β, crecen conjuntam ente a partir de una tercera fase sólida, γ, como se indica en la figura VI.7.
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Figura VI.7.- a) Difusión requerida del carbono durante el crecimiento de la perlita, b) diagrama de fases Fe-C que localiza la composición de la perlita, 0.77% en peso de C.
Al igual que en el crecimiento eutéctico, la microestructura de las fases acopladas consiste por lo general de laminillas alternadas de α y β, y hay una relación epitaxial preferencial entre los cristales α y β en sus intercaras comunes.
La más famosa y comercialmente importante de las transformaciones eutectoides se presenta al 0.77% de C en peso en el acero. La estructura laminar consiste en placas alternadas de ferrita y cementita, Fe3C, y se le ha dado el nombre de perlita, ver figura VI.7. Aparentemente, este nombre resultó debido a que la estructura perlítica pulida y atacada químicamente tiene el colorido de la madreperla. El color es consecuencia del hecho de que la estructura laminar en la superficie atacada actúa como una rejilla de difracción para la luz. La reacción perlítica en el acero ha sido tan importante para los metalurgistas que es común llamar transformación perlítica a cualquier transformación eutectoide. Nota, la transformación perlítica no está restringida a la composición eutectoide, 0.77% de C. También, a temperaturas que se incrementan por debajo de la temperatura eutectoide se pueden formar las fases α y Fe3C a partir de la fase γ
mediante un proceso de crecimiento no acoplado produciéndose una microestructura llamada Bainita. Morfología Se ha observado bastante que las estructuras perlíticas se nuclean en los límites de grano de la fase madre y crecen hacia ella como granos de forma casi esférica llamados nódulos; ver figura VI.8(a). Cada uno de estos nódulos esta formado de cierto número de unidades estructurales en las cuales las laminillas son en gran medida paralelas; Estas unidades estructurales se denominan generalmente colonias de perlita, ver figura VI.8(b), a menudo, se observa que los nódulos de perlita crecen únicamente hacia uno de los granos adyacentes, como se muestra en la figura VI.8(a). Las microestructuras eutectoides son regularmente del tipo laminar, el cual es el caso para la perlita del acero.
Figura VI.8.- a) esquema de los nódulos de perlita creciendo desde los límites de grano hacia los granos de austenita; b) un nódulo individual que contiene tres colonias.
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Nucleación El mecanismo real del fenómeno de nucleación es bastante complejo. El estudio de Hillert indica que, por lo menos en algunos casos, hay una competencia inicial entre las dos fases con la primera fase formando una película y, luego, la otra nucleando una película adyacente, hasta que finalmente se generan condiciones cristalográficas y de composición que dan como resultado una estructura alternada de ferrita y cementita. Conforme va creciendo esta estructura, el espaciamiento ferrita-cementita se ajusta así mismo mediante un proceso de ramificación hasta que se obtiene el espaciamiento de estado permanente característico de la temperatura de reacción. Crecimiento Una colonia de perlita crecerá según dos formas, ver siguiente figura.
Figura VI.9.- Crecimiento lateral y crecimiento de borde en una colonia de perlita.
El crecimiento de borde se llevaría a cabo mediante un proceso de difusión simple como se muestra en la figura VI.7(a), en donde cada placa se extiende simplemente por su borde delgado. El crecimiento lateral requeriría, sin embargo, además de difusión, la nucleación alternada de las placas de ferrita y cementita. Con técnicas de seccionamiento meticuloso Forsman y Hillert encontraron que todas las placas de cementita en una colonia eutéctica dada están interconectadas, como lo están todas las placas de ferrita. Esto significa que el crecimiento en la dirección lateral se efectúa por medio de una ramificación continua de las placas, y que el frente del crecimiento de las mismas debe formar un ángulo con la intercara de crecimiento el cual esta, en promedio, más cercano a los 90º que 0º. Aunque el crecimiento lateral por nucleación repetida no existe en la mayoría de los sistemas eutectoides, parece que sí se presenta en algunos sistemas.
Transformación Peritectoide Esta es una reacción medianamente común en el estado sólido y aparece en muchos sistemas de aleación. En general, la reacción peritectoide puede escribirse como:
La nueva fase sólida suele ser una aleación intermedia, pero puede ser también una solución sólida. La reacción peritectoide tiene la misma relación a la reacción peritéctica que la eutectoide tiene a la eutéctica. Esencialmente es el reemplazo de un líquido por 19
un sólido. Las figuras VI.10 y VI.11 muestran los diagramas de fase hipotéticos para ilustrar la reacción peritectoide.
Figura VI.10.- Diagrama de fase que muestra la formación de una fase intermedia γ por una reacción peritectoide.
En la figura VI.10, dos fases sólidas α y β reaccionan en la línea de temperatura peritectoide EF para formar una fase intermedia γ. La ec uación puede escribirse como
En la figura VI.11, dos fases sólidas, el metal A puro y la solución sólida β, reaccionan
en la línea de temperatura peritectoide CD para formar una nueva fase sólida: la solución sólida terminal γ. La reacción puede escribir se como
Figura VI.11.- Diagrama de fase que muestra la formación de la solución terminal sólida γ por una reacción peritectoide.
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Al examinar la reacción peritéctica se destacó que la microestructura de una aleación peritéctica rara vez muestra una transformación completa. Esto se debe a que se necesita la difusión a través de la nueva fase para alcanzar el equilibrio. Como la reacción peritectoide ocurre por entero en el estado sólido y generalmente a temperaturas menores que la reacción peritéctica, la rapidez de difusión será menor y habrá menos probabilidad de que se alcancen estructuras de equilibrio. La figura VI.12 muestra una porción del diagrama de fase plata-aluminio que contiene una reacción peritectoide.
Figura VI.12.- parte del diagrama de fase del sistema plata-aluminio.
Si un 70% de la aleación de aluminio se enfría rápidamente, desde el área de dos fases por encima de la temperatura peritectoide, las dos fases se preservarán y la microestructura mostrará una matriz de γ con solo unas cuantas partículas de α. Si la
misma aleación se enfría en forma lenta por debajo de la temperatura peritectoide y se mantiene ahí durante 20 minutos antes de enfriar rápidamente, tendrá lugar alguna transformación. La microestructura muestra que alguna γ se h a transformado a la nueva fase β, en tanto que se conserva mucho de la α original. El diagrama de fase indica que debe haber sólo una fase β única, de modo que, obviamente, no se ha alcanzado el
equilibrio. (Avner S. H.) Del estudio de la siguiente tabla es obvia la semejanza en la ecuación general y en la apariencia de los diagramas de equilibrio, para las reacciones monotéctica, eutéctica, eutectoide, peritéctica y peritectoide. Por ningún motivo estas reacciones son las únicas que pueden ocurrir en los diagramas de equilibrio; sin embargo, son las más comunes y es necesario familiarizarse con ellas.
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Transformaciones en el estado sólido Existen diversos cambios de equilibrio y reacciones que tienen lugar por entero en el estado sólido. Alotropico El hierro, el estaño, el manganeso y el cobalto pueden existir en más de un tipo de estructura cristalina, dependiendo de la temperatura, a esta propiedad es conocida como alotropía. En un diagrama de equilibrio, 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 VI.13. En este diagrama, el campo de solución sólida γ está “anillado”. El metal
puro A y las aleaciones ricas en A sufren dos transformaciones. Muchos de los diagramas de equilibrio que incluyen hierro, como Fe-Si, Fe-Mo y Fe-Cr, muestran este campo de solución sólida anillado. Como el tipo que existe en este intervalo de temperatura es hierro γ, el campo generalmente se llama anillo gamm a.
Figura VI.13.- Diagrama hipotético de equilibrio que muestra al metal A experimentando dos cambios alotrópicos.
En algunos sistemas de aleación que incluyen, el anillo gamma no está cerrado. Esto se ve en el diagrama de equilibrio Fe-Ni que se muestra en la figura VI.14, misma que contiene el punto de congelación del Fe puro a 1 539 °C, formando la solución sólida δ , que es cúbica centrada en el cuerpo. La solución sólida γ está formada por una aleación
peritéctica a 1 512 °C. Nótese que para hierro puro, el cambio alotrópico de estructura cristalina δ (bbc) a la forma γ (fcc) ocurre a 1 400 °C, pero para la aleación este cambio empieza a una temperatura mayor. El último cambio alotrópico tiene lugar a 910 °C, formando la estructura cristalina α (bcc).
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Figura VI.14.- Diagrama de equilibrio del sistema Fe-Ni.
Transformación orden-desorden Al formarse una solución sólida de tipo sustitucional, los átomos de soluble generalmente no ocupan ninguna posición específica, sino que están distribuidos al azar en la estructura reticular del solvente. Se dice que la aleación está en una condición “desordenada”. Algunas de estas soluciones sólidas al azar, si se enfrían lentamente, sufren un rearreglo de los átomos donde los átomos de soluto se mueven en posiciones definidas dentro de la red. Esta estructura se conoce ahora como solución sólida ordenada o superred. El ordenamiento es más común en metales completamente solubles en el estado sólido, y por lo general la máxima cantidad de ordenamient o ocurre en una razón atómica simple de los dos elementos. Por esta razón, algunas veces se da una fórmula química a la fase ordenada, tal como AuCu y AuCu3 en el sistema de aleación Au-Cu, como ya se vio en capítulos anteriores. Cuando la fase ordenada tiene la misma estructura reticular que la fase desordenada, el efecto de ordenamiento sobre las propiedades mecánicas es despreciable. El endurecimiento asociado con el proceso de ordenamiento es más pronunciado en aquellos sistemas en que la forma de la celda unitaria cambia por ordenamiento. Sin considerar la estructura formada como resultado del ordenamiento, un importante cambio de propiedad producido, aun en ausencia de endurecimiento, es una significat iva reducción en la resistencia eléctrica (figura VI.15). Nótese el agudo decremento en la resistividad eléctrica en las composiciones que corresponden a las fases ordenadas AuCu3 y AuCu. En el diagrama de equilibrio Au-Cu no hubo región de dos fases entre las soluciones sólidas desordenadas y ordenadas. En algunos casos habrá una región de dos fases entre las soluciones sólidas ordenadas. Más frecuentemente, esto se asocia con la formación de una estructura cristalina que es diferente de aquella de la fase desordenada de la cual se forma. Esto se ve en el sistema de aleación Cu-Pd (figura VI.16). Este diagrama revela tres fases ordenadas: α, α´, α´´ y β. Tanto el Cu
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como el Pd son fcc y l as soluciones ordenadas α´ y α´´ son bcc; sin embargo, β es bcc y muestra una región de dos fases de cada lado. (Reed-Hill, 1980)
Figura VI.15.- Resistividad eléctrica contra composición para el sistema Au-Cu.
Figura VI.16.- Sistema de aleación Cu-Pd.
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CONCLUSIONES
La metalurgia física es la ciencia que se ocupa de las características físicas y mecánicas de los metales y aleaciones, estudia las propiedades de los metales y metales según la afectan 3 variables: su composición, tratamiento mecánico y térmico.
En su estructura interna se pueden determinar las propiedades de los metales y aleaciones, se puede ejercer control sobre la estructura por medio de procesos como la solidificación, la aleación, la deformación plástica, los tratamientos térmicos y la irradiación.
Los sistemas de cristalización son la forma en que los átomos o iones están dispuestos en una celda donde el material solido cristalino es un arreglo tridimensional de átomos e iones o moléculas, los cuales definen las propiedades físicas y químicas del metal y por ende de las aleaciones.
Los diagramas de fase es la mejor manera de registrar los datos con respecto a los cambios de fase en los sistemas de aleación por medio de ellas se conoció las condiciones bajo las cuales existen estas fases y bajo las cuales ocurrirá un cambio en la fase.
Para especificar el estado de un sistema en equilibrio,se especifica tres variables independientes temperatura,presion y composicion.
Se reconocio las mas importantes condiciones posibles de equilibrio entre fases en aleaciones binarias que dan a conocer los principios basicos para entender e interpretar sistemas de aleaciones mas complejos.
En la practica la rapida variacion en la temperatura, puede impedir cambios de fase que normalmente ocurririan bajo condiciones de equilibrio,distorsionara y a veces limitara la aplicacion de los diagramas.
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ANEXOS DIAGRAMA DE FASES Cu-Ag
DIAGRAMA DE FASE HIERRO – CARBURO DE HIERRO
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Diagrama Isomorfo Solubilidad total en estado líquido y sólido
DIAGRAMA DE FASE DEL Ag - Au
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