TIPOS DE MATERIALES MATERIAL DEFINICION
METALES
CERAMICOS
Sólidos verdaderos
Sólidos verdaderos Solido no verdadero y amorfos. Orgánico Inorgánico Unión covalenteUnión iónica o débil covalente
Inorgánico Enlace metálico
PROPIEDA DES FISICAS
PROPIEDA DES QUIMICAS
RESISTENCIA MEC. (Rp0,2)
Alta (misma en tracción que en compresión)
Alta en compresión
POLIMEROS
Baja
Baja en tracción RIGIDEZ
Alta
Alta
Baja
DUCTILIDAD
Alta
Frágil
Alta
TENACIDAD
Alta
Baja
Baja
CONDUCTIVIDAD
Alta
Baja
Aislante
DENSIDAD
Alta
Baja
Baja
RESISTENCIA A LA CORROSION
Baja
Alta
Media
Alta
Baja
Alta
PROPIEDA TRABAJABILIDAD DES TECNOLOGI MALEABILIDAD CAS CONFORMABILIDAD COLABILIDAD MAQUINABILIDAD SOLUBILIDAD
ESTADOS DE LA MATERIA
ENLACES FUERTES:
1. ENLACE IONICO: son duros, frágiles y rompen por clivaje, malos conductores conductores del calor y de la electricidad Transferencia de electrones No direccional ○ No saturable (no hay limitación en la agregación de iones) ○ Electronegatividad Electronegatividad diferente (unos son electro positivos y otros electro negativos) COVALENTE:: extremadamente 1. ENLACE COVALENTE extremadamente duros, malos conductores del calor y de la electricidad. Comparten electrones Direccional Saturable Electronegatividad Electronegatividad igual 1. ENLACE METALICO: Los NUMEROS DE COORDINACION son altos, varían entre 8 y 12. Una característica de este enlace es que todos los iones positivos son equivalentes, equivalentes, buenos conductores conductores de electricidad, calor y son dúctiles. Comparten electrones Nube de electrones No direccional (adireccional) (adireccional) ○ ○
○ ○ ○ ○
○ ○ ○
○
No saturable
ENLACES DEBILES O SECUNDARIOS Tienen energías menores, SIN DISTRIBUCION COMPARTIDA DE ELECTRONES, el mecanismo de enlace es por atracción de cargas opuestas, la atracción depende de distribuciones distribuciones asimétricas de carga positiva y negativa. En enlace puede ser temporal o permanente. FUERZAS DE VAN DER WAALS O PUENTE DE HIDROGENO: son blandos, en muchos agregados funden a temperaturas muy por debajo de los 0°C. •
ESTRUCTURA CRISTALINA Hay 7 sistemas cristalinos los cuales cuales corresponden corresponden a las posibles formas de celdas celdas unitarias. Hay 14 celdas unitarias que representan las posibles disposiciones de los puntos a través del espacio tridimensional. tridimensional. La característica central de las estructuras cristalinas es que es regular y repetitiva. El conjunto de líneas imaginarias imaginarias que unen unen los átomos del solido cristalino cristalino define una red espacial. espacial. La intersección de 3 líneas de la red espacial se define NODO, y en cada nodo hay asociado un MOTIVO, MOTIVO, que puede ser SIMPLE O COMPLEJO. Los 7 sistemas son: CUBICO
TETRAGONAL
ORTORROMBICO
EXAGONAL
MONOCLINICO
TRICLINICO
ROMBOEDRICO
El agrupamiento periódico de celdas unitarias genera una red espacial de puntos. Estos retículos son los esqueletos bajo los cuales se construyen las estructuras del cristal, colocando los átomos o grupos de átomos (motivo) en, o cerca de los puntos reticulares (nodos). ESTRUCTURAS DE METALES: la mayoría mayoría de los metales elementales elementales a temperatu temperatura ra ambient ambiente e se encuentra encuentran n en una de tres estructur estructuras as de cristales cristales,, las más comunes comunes son la cubica centrada centrada en el cuerpo (BCC), la cubica centrada en las caras (FCC), y la hexagonal compacta (HCP). FCC: ductilidad alta, baja resistencia, N° coordinación 12 (4 átomos), átomos), empaquetamiento empaquetamiento 0,74, apilamiento CBACBACBA. BCC: ductilidad media, alta resistencia, N° coordinación coordinación 8 , empaquetamiento empaquetamiento 0,68, 48 sistemas de deslizamiento. deslizamiento. HCP: ductilid ductilidad ad baja, baja, media media resisten resistencia, cia, N° coordina coordinación ción 12 12 (2 átom átomos), os), empaq empaqueta uetamien miento to 0,74, 0,74, apilamiento BABABA La FCC y la HCP solo difieren solamente en el patrón de apilamiento de los planos atómicos de empaquetado compacto. ESTRUCTURAS CERAMICAS: tiene una gran variedad de estructuras, algunas son similares a las estructuras más simples de los metales. ESTRUCTURAS POLIMERICAS: se caracterizan por tener largas cadenas complejas y la l a mayoría de los polímeros comerciales son cristalinos parcialmente. parcialmente. ESTRUCTURA CRISTALINA DE METALES: la unión metálica obedece a la forma en que se relacionan los átomos metálicos en estado sólido. Esta caracterizada porque los núcleos del metal se encuentran ocupando ocupando lugares determinados y fijos, y los electrones de valencia forman una nube electrónica que los rodea. Los electrones deslocalizados son los que mantienen unidos a los átomos, permiten la deformación de los metales en forma dúctil (sin romper) y determinan la buena conductividad eléctrica que tienen los metales. Generalmente los metales sólidos poseen estructuras estructuras simples, (FCC, HCP y BCC). Algunos metales en estado sólido pueden presentar más de una estructura cristalina, dependiendo dependiendo de la l a temperatura, a estas variaciones en la estructura cristalina se las conoce como “TRANSFORMACIONES “TRANSFORMACIONES ALOTRÓPICAS”. ALOTRÓPICAS”. Un ejemplo es el hierro alfa que tiene una estructura BCC, y al calentarlo a 910°C pasa a hierro gamma con una estructura FCC y si caliento a 1395°C pasa a ser hierro delta con una estructura BCC.
DEFECTOS EN LOS CRISTALES METALICOS Se consideras como defecto de la red cristalina a cualquier desviación de la periodicidad del arreglo de los átomos. Según su enlace dentro de la red cristalina se pueden clasificar en: DEFECTOS PUNTUALES Vacancia Átomo sustitucional ○ ○
DEFECTOS SUPERFICIALES Borde de grano Borde de subgrano ○ ○
Átomo intersticial Defecto de SCHOTTKY Defecto de FRENKEL DEFECTOS LINEALES Dislocación de borde Dislocación de hélice ○ ○ ○
○
Borde de macla Fin de cristal DEFECTOS VOLUMÉTRICOS Inclusiones Precipitados ○ ○
○ ○
○
DEFECTOS PUNTUALES O CERODIMENSIONALES: CERODIMENSIONALES: Se caracterizan por afectar a una zona del tamaño de un átomo. VACANCIA: VACANCIA: un nodo de la red se encuentre encuentre vacio (le falta un motivo). Es un defecto termodinámicamente estable, para cada temperatura hay una concentración de vacancias que minimiza la energía libre del cristal, esta concentración aumenta con el incremento de la temperatura. Deforma la red. Es formador de aleaciones. ATOMO SUSTITUCIONAL: Un átomo de otro metal puede estar ocupando un nodo de la red sustituyendo sustituyendo a un átomo propio (solvente). Deforma la red, aumenta la entropía del sistema y está en equilibrio termodinámico. termodinámico. Es formador de aleaciones. ATOMO INTERSTICIAL: Un átomo de un no metal más pequeño puede presentarse en una posición de la red que no corresponde a un nodo. Hace que baje la energía del cristal que está en equilibrio termodinámico. termodinámico. No en todos los espacios se puede colocar un átomo intersticial. Deforma la red. Es formador de aleaciones. Ej.: C,H,O,N. DEFECTO DE FRENKEL: FRENKEL : El átomo del mismo metal puede desplazarse de un nodo a un intersticio, dando como resultado una vacancia y un átomo autointersticial. autointersticia l. DEFECTO DE SCHOTTKY: tiene un efecto de vacancia conjugada que solo se da en enlace iónico. No interviene en formación de aleaciones. En todos estos casos de produce una deformación deformación de la red, lo que genera tensiones internas en el metal y un aumento de la resistencia mecánica del mismo. Los defectos puntuales tienen un papel importante en la formación de las aleaciones y en la resistividad de los l os metales. DEFECTOS LINEALES Tienen un lugar cuando un cristal se deforma a lo largo y en un entorno de una línea llamada LINEA DE HELICE. Cuando la dislocación DISLOCACION, las mismas pueden ser de BORDE o de HELICE. dislocaci ón se desplaza paralela a la dirección de apilamiento del esfuerzo, estamos en presencia de una dislocación de borde, y si avanza en forma perpendicular a la dirección del esfuerzo, es una dislocación de hélice. A este MOVIMIENTO PRINCIPAL lo llamamos DESLIZAMIENTO, y es el responsable responsable de la deformación plástica de los metales. El deslizamiento deslizamiento siempre se efectúa sobre planos compactos, compactos, que se caracterizan por su VECTOR DE BURGERS, que en el caso de una dislocación de borde, el vector es perpendicular a la línea de dislocación, y en una dislocación de hélice el vector es paralelo. Este deslizamiento corresponde corresponde al desplazamiento desplazamiento de un plano de átomos respecto de otro una distancia interatómica. TREPADO, que son dislocaciones de borde que pueden desplazarse El MOVIMIENTO SECUNDARIO es el TREPADO, verticalmente hacia arriba o hacia abajo, para que aparezca este movimiento tiene que haber una energía extra. Las dislocaciones de hélice cuando encuentran un obstáculo continúan con su desplazamiento secundario. A este mecanismo lo llamamos DESLIZAMIENTO CRUZADO. Las dislocaciones son importantes como responsables de la deformación pastica de los metales. Además están asociados al fenómeno de endurecimiento por conformado, al de fluencia, fatiga, CREEP y la fractura dúctil. Las dislocaciones son termodinámicamente termodinámicamente inestables, ya que aumentan aumentan la energía libre del cristal o grano, tendiendo a eliminarse las que son de signo contrario. DEFECTOS SUPERFICIALES GRANO, donde se encuentran porciones de metal que El defecto más importante es el BORDE DE GRANO, poseen la misma estructura cristalina, pero con una orientación distinta, esto genera una zona con elevada energía de deformación. Algunos metales al ser deformados reaccionan rotando una zona de la red cristalina pero sin cambiarla, esto se conoce con el nombre de MACLA, el plano que separa la zona maclada de la zona no maclada se conoce como BORDE DE MACLA, éste es el defecto. El otro defecto superficial es el BODE DE SUBGRANO, que son zonas dentro de un mismo cristal que poseen una orientación distinta, pero con una diferencia que no supera los 1,5°, y está asociado a un arreglo particular de dislocaciones. dislocaciones.
INTERFACES, o sea aquellas superficies que separan dos fases Son también defectos superficiales las INTERFACES, diferentes, que pueden ser coherentes, semi-coherentes semi-coherentes o incoherentes. Un caso particular es el FIN DE CRISTAL que es aquella donde termina el cristal se debe a que los átomos que están adentro de la molécula atraen a los que están afuera que no tienen el mismo parámetro de red. La FALLA DE APILAMIENTO Es el principal mecanismo de endurecimiento de los metales puros. Ocurre cuando hay un cambio en la estructura cristalina del material por el vector de Burgers, se produce un desdoblamiento (ABABABC ABCABC). ABCABC). DEFECTOS VOLUMETRICOS VOLUMETRICOS PRECIPITADOS, se denomina Los defectos más importantes están constituidos por INCLUSIONES y PRECIPITADOS, PRECIPITADOS a las partículas que le confiere a una aleación mejores propiedades. Es el principal mecanismo mecanismo del endurecimiento endurecimiento de las aleaciones no ferrosas. Aparecen si la composición química es adecuada. adecuada. Se considera INCLUSIONES a las partículas nocivas para las propiedades del acero, aparecen durante el periodo de fabricación sin importar la química, e influyen en la anisotropía que presenta el material según la forma en que se extraiga la probeta. CARACTERISTICAS: CARACTERISTICAS: PRECIPITADOS (aparecen si la composición química es adecuada)
INCLUSIONES
Metálicos
No metálicos (tienen uniones débiles)
Coherentes / semi-coherentes/ semi-coherentes/ incoherentes (según el tamaño. Los nodos coinciden en la interfase)
Incoherentes(ningún nodo coincide en la interfase)
Mejoran la resistencia mecánica
Desmejoran todas las propiedades
Favorecen la rotura dúctil
Favorecen la rotura dúctil
DEFORMACION DEFORMACION ELASTICA: llamamos deformación deformación elástica cuando a un metal solido a temperatura ambiente le aplicamos una intensidad de carga pequeña y el material luego l uego de la solicitación recupera su forma primitiva. DEFORMACION PLASTICA: es cuando el valor de la carga o solicitación es elevado, el cristal metálico no recupera su forma anterior mediante el deslizamiento de algunos planos de átomos sobre otros. Según estos planos de deslizamiento y la dirección puede producirse MACLADO. Los metales que poseen estructura FCC presentan una gran cantidad de sistemas de deslizamiento (12), generalmente tienden a deslizar. Los de estructura HCP presentan una cantidad limitada de plano y direcciones compactas y no siempre está orientado adecuadamente para deslizar, una vez agotados los sistemas de deslizamiento pueden maclar, o sea deslizan y maclan. Los que tienen estructura BCC presentan 48 sistemas de deslizamientos no compacta, siempre presentan un sistema orientado en forma favorable para deslizar. Por ser este un sistema no compacto, la energía para producir deslizamiento es mayor que la de las demás analizadas. Las deformaciones alcanzadas antes de romper están entre 25 y 35%. LAMINACION EN CALIENTE Y EN FRIO Cada metal y aleación tiene una temperatura mínima por debajo de la cual lo granos, una vez deformados deformados no vuelven a regenerarse y no retornan a su forma primitiva (recristalizar), sino que permanecen alargados. alargados. Si en cambio se lamina a mayor temperatura temperatura que la citada, los granos se regeneran y vuelven a su forma cubico-poligonal (recristalizan). (recristalizan). LUDWIK (temperaturas homologas) deformación en frio (no hay fenómeno de restauración) T(K)/Tf (K)≤0,25 (K)≤0,25 0,25≤T(K)/Tf (K)≤0,6 (K)≤0,6 deformación en tibio (solo hay recuperación) deformación en caliente (ambos fenómenos de restauración r estauración T(K)/Tf (K) (K) ≥0,6 en forma automática) • • •
DEFORMACION EN FRIO
Mediante la deformación en frio, el metal se endurece progresivamente a medida que aumenta la deformación plástica, plástica, lo que puede llegar a ser una desventaja. Pero también posee ventajas industriales: 1. Buenas Buenas tolerancia toleranciass dimensiona dimensionales les y buena terminac terminación ión superfici superficial. al. 2. Mínimas perdidas del material por oxidación o reacciones químicas superficiales. 3. Aumento Aumento de la resisten resistencia cia (por (por deformació deformación n en frio) para para el producto producto final. final. 4. Capacidad para aceptar recubrimientos, recubrimientos, pinturas pinturas y rugosidades rugosidades controlables. controlables. Una de las características de la deformación en frio es que a medida que aumentamos la deformación, el material pierde ductilidad y aumenta su resistencia, de forma tal que cada vez debemos aplicar una fuerza mayor para obtener una menor deformación, se dice que el metal se ha endurecido por la deformación en frio (ACRITUD (ACRITUD). ). En realidad lo que ha ocurrido es que mientras se deforma, se mueven las dislocaciones y además, se crean nuevas dislocaciones. El movimiento de las mismas se ve frenado por el borde de grano y en algunos lugares por la interacción de dislocaciones que se movilizan sobre otros planos de deslizamiento, dando lugar a madejas de dislocaciones, que actúan como anclaje de las mismas. Cuando se llega a este límite, si es necesario seguir deformando deformando al metal, se debe efectuar un recocido de ablandamiento, que consiste en un calentamiento gradual hasta una temperatura predeterminada, manteniendo a esta temperatura durante un tiempo predeterminado, y posteriormente enfriarlo con horno apagado. Cuando se llega al máximo de resistencia y mínimo de ductilidad, el material rompe RECUPERACION: en esta etapa se llevan a cabo los siguientes procesos: a) RECUPERACION: • Disminución del número de vacancias y de átomos intersticiales • Aniquilación mutua de dislocaciones de distinto signo • Reordenamiento de las dislocaciones en agrupaciones más estables No hay un cambio aparente de la microestructura, sin embargo se recuperan las propiedades físicas (conductividad). (conductividad). En el último proceso se produce el reordenamiento de las dislocaciones dando lugar a la poligonización se reordenan formando límites de ángulo pequeño (límites de subgranos). b) RECRISTALIZACIÓN: Con el aumento progresivo de la temperatura y dependiendo dependiendo de la deformación del metal, se puede o no presentar esta segunda etapa en la que se produce una reordenamiento reordenamiento completo de los átomos para formar cristales completamente nuevos, libres de deformación, deformación, con un número de dislocaciones mucho menor que las que tenía el metal deformado. Es un proceso de nucleación y crecimiento, crecimiento, en el que a partir de ciertos lugares preferenciales de la micro estructura se originan cristales nuevos, que deben tener un cierto radio crítico para poder seguir creciendo, caso contrario se detiene su crecimiento hasta que se den condiciones térmicas favorables favorables que le permitan crecer hasta alcanzar su tamaño crítico. Una vez alcanzado el mismo el crecimiento se efectúa en forma continua. C) CRECIMIENTO DE GRANO: Si se aumenta la temperatura temperatura de un metal recristalizado, los granos más grandes tienden a crecer a expensas de los más pequeños y el tamaño de grano medio aumenta. Este proceso se produce debido a que, como cada borde de grano tiene asociada una energía superficial, el sistema tenderá a disminuir las superficies presentes para disminuir su energía li bre DEFORMACIÓN EN CALIENTE La deformación en caliente se realiza a temperaturas temperaturas superiores a la de recristalización. A estas temperaturas, temperaturas, los metales y aleaciones poseen elevada ductilidad y baja resistencia a la l a deformación; ambas propiedades permiten obtener grandes deformaciones aplicadas a altas velocidades. Por lo tanto, presenta varias ventajas para las operaciones de desbaste a escala industrial; fundamentalmente: • Baja resistencia del material (menor consumo consumo de energía); • Elevada ductilidad (facilidad en cambiar de forma y dimensiones); dimensiones); • Mejoramiento estructural (modificación (modificación de la estructura de colada, pasa de granos gruesos a tener granos finos y equiaxiada) equiaxiada) • Homogeneización Homogeneización de la composición química química (la difusión atómica se ve favorecida por la alta temperatura). En este caso los procesos de recuperación y recristalización se producen durante el trabajado (restauración dinámica) o bien entre 2 deformaciones deformaciones sucesivas (restauración metadinámica) metadinámica) En el caso del trabajado en caliente ocurren 2 fenómenos que se contraponen: endurecimiento por deformación y restauración restauración dinámica o metadinámica; metadinámica; las curvas de fluencia (tensión σ –deformación –deformación ε) muestran la gran dependencia con la temperatura (T) y la velocidad de deformación ( ε) Donde: σ es la tensión efectiva y ε es la l a deformación efectiva o equivalente. equivalente.
Una amplia clasificación del comportamiento comportamiento en caliente de metales y aleaciones, permite dividirlos en 2 grandes grupos tal como se indica en la siguiente tabla (sólo se indican los casos típicos). En particular para los aceros (que es uno de los casos más complejos), la influencia de la composición química sobre la resistencia en caliente involucra 3 mecanismos mecanismos diferentes: • Formación de solución sólida (sustitucional o intersticial) con la austenita: endurecen endurecen la matriz por efecto del soluto; para alto contenido de aleantes, el C y el N tienden a incrementarla, incrementarla, el Mo y el Mn endurecen los aceros poco aleados; • Precipitación de carburos, nitruros y carbonitruros: endurecimiento por precipitación de segundas fases finamente dispersas, bajo ciertas condiciones condiciones de temperatura, temperatura, tiempo y deformación (depende de la historia termo mecánica), en aceros micro aleados (Nb, Ti, V) se procura reducir la velocidad de recristalización y limitar el tamaño de grano; • Presencia de estructuras dúplex (α + γ): la resistencia depende de la cantidad y distribución de las fases presentes, como también de la temperatura de trabajado. La ductilidad en caliente depende de la composición química, en particular en el caso de los aceros, de ciertos elementos residuales (Pb, Sn, Sb, As), como también del grado de limpieza del acero (nivel inflacionario) y del contenido de oxígeno. También resulta de importancia el ciclo de precalentamiento precalentamiento elegido.
ALEACIONES ALEACIONES METÁLICAS A altas temperaturas dos metales fundidos forman una solución liquida; una mezcla homogénea. Cuando la temperatura desciende y comienza a solidificar puede ocurrir que: •
•
•
•
Sigan siendo totalmente solubles en estado sólido, formando una solución solida en todo el rango de composición química. Este tipo de solubilidad solo puede producirse para soluciones solidas sustitucionales sustitucionales en las cuales los átomos metálicos que las forman deben muy similares, tal como lo establecen las reglas de Hume-Rothery: 1. Relaciona Relacionado do con con la electrone electronegati gatividad vidad similar similar 2. Igua Iguall estru estructu ctura ra cris cristal talina ina 3. Igual Igual cantid cantidad ad de de electro electrones nes de valen valencia cia 4. Relacionada con la diferencia de radios atómicos (r<8% => SS total; 8 SS parcial; 15 SS parcial o compuestos intermetalicos; r>20% => Comp. Metálicos). Sean parcialmente solubles en estado sólido, formando una solución solida parcial en ciertos rangos de composición química. Las estructuras cristalinas deben ser compatibles. Sean totalmente insolubles donde los 2 metales solidificarían en forma independiente. Entre los metales no se presenta nunca este diagrama porque porque siempre existe algún porcentaje de solubilidad de un metal en otro. intermetálico), guardando una relación de tipo Formen un compuesto químico (intermetálico), estequiométrica o con un rango de composiciones variables alrededor de su composición.
Las aleaciones se forman por una mezcla de átomos de solvente, en mayor proporción, con átomos de soluto, originando una solución solida. Estas pueden ser sustitucionales o intersticiales, según los átomos de soluto se encuentren ocupando un nodo en la red sustituyendo a un átomo del solvente o un sitio distinto del nodo (intersticios). En las aleaciones sustitucionales, sustitucionales, la mezcla se produce por la interacción de los átomos de soluto con las variaciones, dando origen a un proceso de difusión (si aumenta la temperatura, los elementos difunden de un lugar de mayor concentración a uno de menor) y hay una redistribución redistribución del soluto en el solvente). En las aleaciones intersticiales los átomos más pequeños pequeños (CHON) difunden por los intersticios de la red.
DIAGRAMAS DE EQUILIBRIO Son graficas que muestran las fases presentes en un sistema formado por uno o más componentes en equilibrio equilibri o con su entorno. Llamamos sistema a una porción aislada de materia. El componente es cada uno de los elementos químicos que forman el sistema y fase es una porción de materia de iguales propiedades físicas, químicas, químicas, y de todo tipo; es indivisible, no se puede separar porque las propiedades son homogéneas. Mediante estos diagramas se pueden conocer las fases presentes, sus composiciones y las cantidades cantidades relativas de cada una de ellas en función de la temperatura, temperatura, la presión y la composición composición total del material. Estos pueden ser unitarios (un componente), componente), binarios (2), ternarios, cuaternarios cuaternarios y diagramas de orden superior.
Los diagramas de fases también son una representación de las fases que estarán presentes a determinadas determinadas temperaturas, presiones y composiciones, composiciones, pero bajo ciertas condiciones que no son necesariamente necesariamente las de equilibrio. LA REGLA DE LAS FASES DE GIBBS establece que en un sistema dado, el numero de variables que pueden modificarse independientemente independientemente sin alterar el numero de fases presentes en equilibrio es V=C-F+2; donde F es el numero de fases en equilibrio, V es el limitado, y es una relación dada por: V=C-F+2; numero de variables independientes y C el número de componentes. DIAGRAMAS UNITARIOS Las zonas bifásicas están representadas por líneas o curvas como la indicada por 2 en la figura, que muestra el equilibrio entre el Fe en estado líquido y el Fe en vapor. Las 3 fases (solida, líquida, vapor) solo pueden coexistir en equilibrio a una presión y temperatura temperatura determinadas; a este punto se lo llama invariante (el 3 en el diagrama) y allí no puedo modificar las variables del sist sistem ema a ya que que cam cambiar biaria ia sus sus prop propie ieda dade dess y perd perder ería ía su equilibr equilibrio. io. En este diagrama diagrama está representad representada a la alotropí alotropía a del hierro. Las curvas de enfriamiento se realizan para ver cómo será la solidificación del material. Todas las transformaciones transformaciones se efectúan isotérmicamente (temperatura cte.) mientras coexisten las dos fases. Los cambios bruscos en su pendiente indican el comienzo o finalización de una transformación de fase.
DIAGRAMAS BINARIOS Estos Estos diagrama diagramass deben deben cumplir cumplir Gibbs, con la regla de fases de Gibbs, que para este caso será: V=CF+1; los dominio dominioss monofás monofásicos icos deben eben est estar sepa eparad rados por campos bifásicos. Los diagramas diagramas binarios más simples son los que responden a metales totalm totalment ente e solub solubles les en estad estado o sóli sólido do (SS (SS tota total) l);; metal etales es totalmente insolubles en estado sólido sólido (insol (insolub ubilid ilidad ad total total)) y metale metaless parci parcialm alment ente e solub solubles les en estado sólido (SS parcial). parcial). El diagrama está formado por una región liquida monofásica, una solida monofásica y una región bifásica en la que coexisten liquidus, y la que liquido y solido. La línea que separa la zona liquida de la liquida-solida se denomina liquidus, solidus. separa la zona solida de la liquida-solida se la llama solidus.
Exis Existe te una una com composi posici ción ón (E) (E) que que se comp compor orta ta com como si estuviera en presencia de un metal puro; el punto de fusión de esta aleación es inferior a los de cada uno de los metales por separado y se conoce como EUTÉCTICO (de fácil fusión). Cada Ca da uno uno de los los comp compon onen ente tess soli solidi difi fica ca como como una una fase fase independiente al mismo tiempo, formando el constituyente eutéctico eutéctico.. El eutéctico eutéctico es un punto punto invariant invariante e que ocurre a una determin determinada ada composici composición ón y temperatu temperatura. ra. Un material material
solido cuya composición es inferior a la del eutéctico se llama hipoeutectico y al que está por encima se lo llama hipereutectico.
Los diagramas binarios de solubilidad solida parcial son aquellos que se presentan en soluciones solidas terminales y poseen eutéctico. En este diagrama además de las líneas de liquidus y solidus, está la de solvus, que indica la solubilidad en estado estado sólido sólido de un componente componente en otro. otro. La solubilid solubilidad ad máxima se presenta presenta en la temperatu temperatura ra eutéctica. El eutéctico está formado por una mezcla de dos fases de soluciones solidas (α y β). También se puede aplicar la regla de la palanca para determinar la composición química y la cantidad de fases. Los diagramas binarios binarios pueden presentar presentar soluciones solidas solidas intermedias (fases α, β y γ) y compuestos intermedios. REGLA DE LA PALANCA: %L = (CN-CS/CL-CS) x 100 %S = 100- %L CS: COMPOSICION SOLIDA CN: COMPOSICION NOMIAL CL: COMPOSICION LIQUIDA
SOLIDIFICACION NUCLEACIÓN Y CRECIMIENTO Para que haya un intercamb i ntercambio io de fases debe hacer un intercambio de energía libre del sistema. En el caso de equilibrios metaestables, metaestables, puede haber varios equilibrios metaestables hasta llegar al estable, que será el punto mínimo de le grafica.
La ENERGIA DE ACTIVACION es la energía que necesito aplicar para que la transformación se produzca, es variable y no forma parte de ΔG. Hay 2 mecanismos de transformación de fase. CON DIFUSION a. CORTO ALCANCE (los átomos átomos para ocupar las las nuevas posiciones se mueven menos que una distancia interatómica). b. LARGO LARGO ALCANCE (los (los átomos átomos se mueven mueven >> que la distanc distancia ia interatóm interatómica). ica). SIN DIFUSION a. Trae aparejadas aparejadas tensiones de corte, es una una transformación transformación continua continua ANISOTERMICA, ANISOTERMICA, se da cuando yo enfrío un material muy rápidamente. rápidamente. Esta transformación es reversible, salvo en el sistema Fe-C. Siempre que tengo DIFUSION hay NUCLEACION, aparece un volumen de una nueva fase que tiene menos energía La nucleación genera una interfase que hace aumentar la energía. Los núcleos son esféricos porque es el que menos superficie tiene. O sea que por más que la interfase haga aumentar la energía, dentro del núcleo va a haber menos energía que fuera del núcleo. Para que los núcleos sean estables, deben tener un cierto radio crítico por lo que poseen una determinada cantidad de masa solida de metal. Si no se alcanza el radio critico, la partícula tiende a fundirse nuevamente. nuevamente. Cuanto más grande es la partícula, tengo > volumen y < superficie, la fase β crece y la l a γ va desapareciendo (los átomos de γ pasan a la posición de β). Para la solidificación, el caso ideal es cuando las variaciones de temperatura temperatura son extremadamente pequeñas pequeñas y el sistema alcanza su equilibrio; la solidificación ocurre a una dada temperatura. En el caso real, fuera del equilibrio, nunca se solidifica a esa temperatura ideal sino que hay que hacer un sobreenfriamiento para conseguir la formación de núcleos sólidos sólidos a partir de los cuales la solidificación progresará, progresará, esto se debe a que fuera del equilibrio, los tiempos para estabilizar las temperaturas temperaturas no son infinitos. La nucleación es homogénea cuando ocurre en el seno liquido y es heterogénea cuando ocurre sobre las paredes del recipiente que contiene al metal liquido, para igual radio critico, la cantidad de material que necesito para la nucleación heterogénea heterogénea siempre siempre es menor. SOLIDIFICACIÓN DENDRÍTICA La solidificación progresa a partir de proyecciones que se producen en la interfase, crecen ramificándose ramificándose y se conocen con el nombre de dendritas. Las ramas crecen a 90° siguiendo el patrón cristalino cubico y a 60° siguiendo el patrón hexagonal. hexagonal. Esta forma de solidificación se produce en
metales y aleaciones. Eliminan las impurezas y los aleantes que son expulsados del sólido hacia el líquido que se encuentra encuentra próximo al frente de solidificación produciéndose produciéndose un apilamiento de soluto justo frente a la interfase del lado líquido. La zona del borde de grano es la última en solidificarse. Desde el centro de grano que es lo primero en solidificarse hasta el borde de grano hay diferencias en la composición química y hay distintas propiedades; esto se debe a las condiciones de equilibrio termodinámico porque se mueve en condiciones de no equilibrio termodinámico. Macroscópicamente se produce el rechupe, que es una zona de alta segregación.
