Carrera: TECNICATURA UNIVERSITARIA EN MECATRÓNICA Asignatura: ESTUDIO Y ENSAYO DE MATERIALES Unidad nº 3
ENDURECIMIENTO POR DISPERSIÓN Y DIAGRAMAS DE FASES EUTÉCTICAS Introducción
En clases anteriores vimos que cuando se excede la solubilidad de un material adicionando demasiado de un componente o compuesto de aleación, se forma una segunda fase y se produce un material con dos fases. El límite entre las dos fases, lo llamaremos interfaz de interfases, y es una superficie donde el arreglo atómico no es perfecto. perfec to. En los materiales metálicos, este límite también interfiere con el deslizamiento o movimiento de las dislocaciones, ocasionando el endurecimiento del material. Al endurecimiento producto de la introducción de una segunda fase se lo conoce c onoce como endurecimiento por dispersión. El proceso de endurecimiento por dispersión se logra controlando el proceso de solidificac ión de la aleación, es por eso que estudiaremos los diagramas de fases que involucran la formación de mltiples fases. !os concentraremos en el estudio de los diagramas de fases eutécticas. " revio a esto, deberemos estudiar los fundamentos del endurecimiento por dispersión y así podremos determinar la microestructura que queremos generar y luego examinaremos los tipos de reacciones que producen las aleaciones con mltiples fases.
Principios y ejemplos del endurecimiento por dispersión #a mayoría de los materiales de ingeniería están compuestos por más de una f ase y muc$os de estos materiales se dise%an para proveer proveer un cierto nivel de resistencia. En las aleaciones endurecidas por dispersión simples, se introducen partículas peque%as de una fase, que por lo general son muy resistentes y duras, en una segunda fase, la cual es más débil pero más dctil. A la la fase blanda, por lo general continua c ontinua y presente en mayores cantidades, se la llama matriz. A la fase de endurecimiento se la conoce como fase dispersa o precipitado. "ara que ocurra el endurecimiento por dispersión, la fase dispersa o precipitado debe ser lo suficientemente peque%a para proveer obstáculos efectivos al movimiento de las dislocaciones. En la mayoría de las aleaciones, aleacio nes, el endurecimiento por dispersión se produce por medio de transformaciones de fase. !osotros por a$ora nos concentraremos en el estudio de una transformación de solidificación por medio de la c ual se solidifica un líquido para formar f ormar de manera simultánea dos fases sólidas. A este fenómeno se lo llama reacción eutéctica. &ás adelante veremos la reacción eutectoide , en la cual una fase sólida reacciona para formar de manera simultánea dos fases sólidas distintas' esta reacción es la clave para el control de las propiedades de los aceros.
Consideraciones para un endurecimiento por dispersión 1) La matriz debe ser blanda y dúctil, mientras que la fase dis persa debe ser dura y resistente.
#as partículas de la fase dispersa interfieren con el deslizamiento, mientras que la matriz provee al menos algo de ductilidad a la aleación general.
1
Carrera: TECNICATURA UNIVERSITARIA EN MECATRÓNICA Asignatura: ESTUDIO Y ENSAYO DE MATERIALES Unidad nº 3
2) La fase dispersa dura debe ser discontinua, mientras que la matriz blanda y dúctil debe ser continua.
(i la fase dispersa dura y quebradiza fuese continua, las grietas podrían propagarse a lo largo de toda la estructura.
3) Las partculas de la fase dispersa deben ser peque!as y numerosas.
Al ser peque%as y numerosas, se incrementan las probabilidades de que interfieran con el proceso de deslizamiento dado que el área de la interfaz de interfases aumenta de manera significativa.
") Las partculas de la fase dispersa deben ser redondas en lu#ar de tener forma de a#u$as.
#a forma redonda es menos probable que inicie una grieta o acte como c omo una muesca.
%) Las concentraciones m&s altas de la fase dispersa incrementan la resistencia de la aleación
&ayor cantidad de partículas duras favorecen la resistencia de la aleación.
Compuestos intermet&licos
)n compuesto intermetálico contiene dos o mas elementos metálicos, que generan una nueva fase con composición, estructura cristalina y propiedades propias. #os compuestos intermetálicos casi siempre son muy duros y quebradizos. (on muy similares, en términos de propiedades mecánicas, a los materiales cerámicos. *por qué nos interesan i nteresan los compuestos intermetálicos+ "or dos motivos' a porque generalmente las aleaciones endurecidas por dispersión contienen un compuesto intermetálico como fase dispersa. 2
Carrera: TECNICATURA UNIVERSITARIA EN MECATRÓNICA Asignatura: ESTUDIO Y ENSAYO DE MATERIALES Unidad nº 3
b &uc$os compuestos intermetálicos por sí mismo -no como una segunda fase, se están estudiando y desarrollando para aplicaciones a altas temperaturas. #os compuestos intermetálicos estequiométricos tienen una composición fia. #os aceros se endurecen por medio de un compuesto estequiométrico, llamado carburo de $ierro -/e 01 o cementita, el cual tiene una razón fia de tres átomos de $ierro por cada átomo á tomo de carbono.
Diagrama de fases eutécticas #a reacción eutéctica permite que el sólido se solidifique como una mezcla íntima de dos fases. #os sistemas plomo2esta%o -"b2(n solo contienen una reacción eutéctica simple. Este sistema es la base para las aleaciones mas comunes utilizadas en soldaduras blandas. )saremos este sistema para estudiar el diagrama de fases eutécticas, para ello analizaremos cuatro combinaciones de "b2(n.
'leaciones de soluciones sólidas
(i consideramos una aleación "b2 (n que contiene entre un 3 y 45 de (n, esta aleación se comportará de la misma manera que lo $acen las aleaciones de 1u2!i, es decir, como aquellas que tienen solución sólida ilimitada. En efecto, si observamos el gráfico, veremos que solo se forma una fase a durante la solidificación si nos paramos en algn punto comprendido entre el intervalo -3245 de (n. Estas aleaciones se endurecen por medio del endurecimiento por solución sólido. 3
Carrera: TECNICATURA UNIVERSITARIA EN MECATRÓNICA Asignatura: ESTUDIO Y ENSAYO DE MATERIALES Unidad nº 3
'leaciones que e(ceden el lmite de solubilidad
#as aleaciones que contienen entre un 4 y 675 de (n también se solidifican para producir una solución sólida de una sola fase a, pero a medida que la solución contina enfriándose, ocurre una reacción de estado sólido que $ace que se precipite una segunda fase sólida b a partir de la fase original a a.. En este diagrama de fases, α es una solución sólida de esta%o en plomo' sin embargo, la solubilidad del esta%o en la solución sólida sól ida α es limitada. A 38 1, solo puede disolverse 45 de (n en α. A medida que la temperatura aumenta, se disuelve más esta%o en el plomo $asta que, a 690 81, la l a solubilidad del esta%o en el plomo $a aumentado a umentado al 675 de (n. :sta es la la solubilidad máxima del esta%o en el plomo. #a solubilidad del esta%o en el plomo sólido a cualquier c ualquier temperatura está dada por la curva de solus. 1ualquier aleación que contenga entre 4 y 675 de (n se enfría a través de la c urva de solvus, se excede el límite de solubilidad y se forma una cantidad peque%a de β.
'leaciones eutécticas
#a aleación que contiene ;6,75 de esta%o tiene la composición eutéctica. #a palabra eutéctica proviene del griego eutéctos que significa e $ec$o en un sistema binario que muestre una reacción eutéctica, una aleación con una composición eutéctica tiene la temperatura de fusión más baa. :sta es la composición para la que no $ay intervalo de solidificación -es decir, la solidificación de la aleación eutéctica ocurre a 69081 para el sistema "b2 (n. "or encima de los 69081 la aleación es toda líquida y, por lo tanto debe contener ;6,75 de (n. >espués de que el líquido se enfría por debao de los 69081, comienza la reacción reacci ón eutéctica?
4
Carrera: TECNICATURA UNIVERSITARIA EN MECATRÓNICA Asignatura: ESTUDIO Y ENSAYO DE MATERIALES Unidad nº 3
#;6,75 (n
Y
α675 (n @ β7,B5 (n
(e forman dos soluciones sólidas - α y β durante la reacción eutéctica. #as composiciones de las do s soluciones sólidas están dadas por los extremos de la línea eutéctica. >urante la solidificación, el crecimiento eutéctico requiere la eliminación del calor latente de fusión y la redistribución por difusión de las dos especies atómicas disitintas. 1omo la solidificación ocurre por completo a 69081, la curva de enfriamiento es similar a la de un metal puro, es decir a temperatura constante. Cimos con anterioridad, que las aleaciones solidifican en un intervalo de temperaturas -entre la temperatura de liquidus y la de solidus, al que llamamos intervalo de solidificación. #as composiciones eutécticas son una excepción a esta regla dado que se transforman de líquido a sólido a temperatura constante -a la temperatura eutéctica. A medida que los átomos se redistribuyen durante la solidificación eutéctica, se desarrolla una microestructura característica. En el sistema plomo2esta%o, las fases sólidas α y β crecen en el líquido con una forma laminar o parecido a una placa. #a estructura laminar permite que los átomos de plomo y esta%o se muevan a través de líquido, en el cual l a difusión es rápida, sin tener que moverse una distancia considerable. Esta estructura laminar es típica de varios otros sistemas eutécticos.
El producto de la reacción eutéctica tiene un arreglo característico de las dos fases sólidas llamado microconstituyentes eutéctico. eutéctico. En la aleación de "b ;6,75 ;6,75 (n, se forma 6335 del microconstituyentes eutéctico, dado que todo el líquido pasa a través de la reacción.
'leaciones *ipoeutécticas e *ipereutécticas
)na aleación $ipoeutéctica es una aleación con una composición entre la del extremo izquierdo de la línea de interconexión que define la reacción eutéctica y la composición co mposición eutéctica. A medida que una aleación $ipoeutéctica que contiene entre un 67 y ;6,75 de esta%o se enfría, el líquido comienza a solidificarse a la temperatura de liquidus, produciendo un sólido a' sin embargo, la solidificación se completa al pasar a través de la reacción eutéctica. Esta secuencia de solidificación ocurre para las composiciones en las q ue la línea vertical que corresponde corr esponde a la composición original de la aleación atraviesa el li quidus y el eutéctico. A la composición de una aleación entre la del extremo derec$o de la línea de interconexión que define la reacción eutéctica y la composición eutéctica se la conoce como aleación $ipereutéctica. En el sistema "b2(n, cualquier composición entre el ;6,7 y 7,B 5 de(n es $ipereutéctica. 5
Carrera: TECNICATURA UNIVERSITARIA EN MECATRÓNICA Asignatura: ESTUDIO Y ENSAYO DE MATERIALES Unidad nº 3
1onsideremos una aleación $ipoeutéctica que contiene "b2035 (n y sigamos los cambios en la estructura de solidificación. Al alcanzar al canzar la temperatura de liquidus a 4;381, el sólido a que contiene alrededor de 645 de (n nuclea. El sólido α crece $asta que la aleación al eación se enfría usto por debao de la aleación eutéctica. A 69D81, 69 D81, se traza una línea de interconexión i nterconexión y se encuentra que el sólido a contiene 675 (n y el líquido restante contiene ;6,7 5 de (n. (e observa que a 69D81, el líquido contiene la composición eutécticaF. 1uando la aleación se enfría por debao de 69081, todo el líquido restante pasa por la reacción reacc ión eutéctica y se transforma e una mezcla laminar de α y β. Gbservamos que el microconstituyentes eutéctico rodea al sólido α que se forma entre las temperaturas de liquidus y la eutéctica. El microconstituyentes eutéctico es continuo y la f ase primaria se dispersa entre las colonias del microconstituyente eutéctico.
6
