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Tecnología industrial 2º Bachillerato. Aleaciones. Diagramas de fase. Diagramas del hierro carbono.

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    Aleaciones diagramas Aleaciones diagramas Presentation Transcript

    • ALEACIONES DIAGRAMAS DE EQUILIBRIOTECNOLOGÍA INDUSTRIAL 2º BACHILLERATOFRANCISCA VEGA MONDELO
    • Disoluciones sólidas. AleacionesAleación es todo producto que resulta de la unión de dos o más elmentos químicos,uno de los cuales tiene carácter metálico. Las propiedades que interesen, comotencidad, dureza o conductividad, se mejoran en la aleación notablemente respectodel metal base.Para que el producto resultante de la unión de dos o más elementos químicos tengacarácter de aleación se debe cumplir:a) Que los elementos componentes sean totalmente miscibles en estado líquido,de tal forma que al solidificarse resulte un producto homogéneo.b) Que el producto resultante tenga carácter metálico. Los enlaces metálicos debenpermanecer en la aleación.Disolvente, es el componente que entra en mayor proporción, y soluto es el que lohace en menor proporción.Pero cuando los elementos solubles no posean la misma red cristalina, se consideradisolvente al elemento que conserva la red, aunque se encuentre en menorproporción.Concentración: masa de soluto por masa total de aleación en forma porcentual: C= ms/(ms+mD)
    • Estructura cristalina de las aleacionesA. Que los dos metales A y B, sean solubles en estado líquido e insolubles enestado sólido. En este caso la estructura cristalina de la aleación será una mezclamecánica, formándose cristales de A y B por separado. B. Que los dos metales, A y B, sean solubles en estado líquido y en estado sólido. En este caso la estructura cristalina de la aleación será una disolución sólida formada por granos homogéneos. Existen dos tipos: por inserción y por sustitución. C. Que los dos metales sean solubles en estado líquido y parcialmente solubles en estado sólido. En este caso, la estructura cristlina será una mezcla mecánica formada por dos soluciones sólidas. Estas soluciones sólidas α y β pueden formarse por sustituición o por inserción.D. Que los dos elementos reaccionen químicamente. En este caso, la relación entrelos átomos de cada elemento concuerda con una proporción estequiométrica, la cual sepuede expresar por una fómula sencilla AmBn.
    • Tipos de disoluciones sólidasLas aleaciones metálicas son disoluciones sólidas entre dos o más elementos.Dependiendo de la disposición de los átomos del disolvente y soluto, se dan dostipos de disoluciones:a) Solución por sustitución: los átomos de disolvente y soluto tienen estructuracristalina similar y ambos forman parte del edificio cristalino al reemplazarseátomos del disolvente por átomos del soluto.b) Solución por inserción: se presenta cuando los átomos de soluto son muypequeños comparados con los átomos del disolvente, y se colocan en el interior, enlos intersticios, de la red cristalina del disolvente. Si los átomos que se sustituyen o se insertan en la red son de tamaño superior a los sustituidos o a los huecos que presenta la red, esta se deforma. Si en la aleación de sustitución se coloca un átomo de menor tamaño sucede una contracción de la red. En ambos casos el material aumenta la carga de rotura pero se vuelve más frágil.
    • Cristalización de los metales puros y las aleacionesSOLIDIFICACIÓN:En los metales puros la solidificación se hace a temperatura constante. Realmente, endeterminadas condiciones la masa líquida debe permanecer a una temperatura inferior ala de fusión (fenómeno de subfusión).Aquellas aleaciones que se comportan como un metal puro respecto de la solidificación(solidifican a temperatura constante) se denominan aleaciones eutécticas.ENERGÍA NECESARIA PARA LLEVAR A UN METAL AL ESTADO LÍQUIDO:1) Energía necesaria para su fusión desde una temperatura de 25 ºC Q= m.c.ΔtDonde Q es la energia que se debe aportar para elevar la temperatura hasta la defusión. m, es la masa de metal a fundir, y Δt es la variación de temperatura hastaalcanzar la de fusión.2) Energía necesaria para el cambio de estado: Q= m. CDonde Q es la energía necesaria para el cambio de estado, m es la masa del metal afundir, y C es el calor latente de fusión.
    • Cristalización de los metales puros y las aleacionesETAPAS DE SOLIDIFICACIÓNEn la solidificación de un metal o aleación se dan las siguientesetapas: a) Nucleación: o formación de núcleos estables en la masafundida. Para ello es preciso un subenfriamiento de forma que losembriones iniciales de sólido puedan crecer y proporcionarauténticos núcleos, pues en otro caso el sólido embrionario sevolvería a fundir. b) Cristalización: o crecimiento del núcleo en las tresdirecciones del espacio, en las denominadas dentritas, para darorigen a cristales. c) Formación del grano: los cristales enteriores van dandoorigen a una estructura granular que se junta con la que provienede otro lugar en los límites de grano. En metalurgia interesa que eltamaño de estos granos cristalinos sea pequeño ya que seobtienen mejores propiedades mecánicas.Durante el enfriamiento, el metal se contrae, y si está en un molde, pueden aparecerdefectos, como los rechupes y las sopladuras, originados por la falta de metal líquidoen la superficie libre del molde o en el interior, respectivamente.
    • Cristalización de los metales puros y las aleaciones
    • Cristalización de los metales puros y las aleaciones
    • Cristalización de los metales puros y las aleaciones
    • Regla de las fases de GibbsComponente:Cada una de las sustancias o elementos químicos que forman unsistema material se denomina componente. Son los elementos o sustancias queforman el sistema. Por lo tanto un metal puro será un sistema de 1 componente y unaaleación de dos metales será un sistema de dos componentes.Fase: A cada una de las partes homogéneas de un sistema que se diferenciafísicamente del resto, se le llama fase. En los elementos puros, fase, es sinónimo deestado. Por ejemplo dentro del sistema agua, pueden existir tres fases: la sólida(hielo), la fase líquida y la fase gaseosa (vapor de agua).Grados de libertad: El número de variables que podemos modificar libremente( temperatura, presión, concentración, etc.) reciben el nombre de grados de libertad.Es el número de factores externos e internos (temperatura, presión y concentración)que pueden cambiarse sin variar el número de fases del sistema.Josiah Willar Gibbs, en sus estudios termodinámicos, obtuvo una ecuación quepermite calcular el número de fases que pueden coexistir en equilibrio dentro de unsistema material.REGLA DE LAS FASES DE GIBBS: F+N= C+2Donde F es el número de fases que pueden coexistir, N es el número de grados delibertad o variables de estado, C es el número de componentes del sistema.
    • Regla de las fases de Gibbs EJEMPLO: AGUA PURA en el PUNTO TRIPLE En el punto triple coexisten tres fases: sólido, líquido y vapor. Como es agua pura, el número de componentes es 1. Se pueden calcular los grados de libertad, aplicando la regla de las fases de Gibbs: F+N=C+2 sustituyendo, 3+N=1+2 Por lo tanto, el número de grados de libertad, N es cero. Ninguna de las variables, temperatura, presión se puede modificar. Se dice que el punto triple es invariante. En el punto A, coexisten dos fases o estados, por lo tanto tendremos un grado de libertad. A una presión determinada, sólo existe una teperatura en que las dos fases sólido líquido coexisten. En el punto B, tenemos una sóla fase, por lo tanto los grados de libertad serán dos. Se pueden modificar dos variables (P y T) , y el sistema permanecerá en una única fase.
    • Diagrama de equilibrio de fases. Regla de la palancaLos diagramas de equilibrio de fases representan la relación entre la estructura, lacomposición y el número de fases presentes en el equilibrio, así como las transformacionesque tienen lugar desde el estado líquido hasta la temperatura ambiente. En los diagramas generalmente, a las diferentes fases se les denomina con letras griegas. Con el uso de estos diagramas se puede determinar la composición o porcentaje de cada fase para una concentración y temperatura determinadas de los materiales que entran en la aleación. La figura representa una aleación binaria, a la izquierda se ha puesto un elemento A y a la derecha un elemento B. Desde A a B vamos de una concentración del 0% de B al 100 % de B, en cambio de B a A iremos de una concentración del 0% de A al 100 % de A.
    • Diagrama de equilibrio de fases. Regla de la palancaEstudiemos una serie de puntos: P1. En esta zona solamente hay fase α, así será hasta bajar a la línea que se denomina línea de fase α. P2. Es un punto sobre la línea de fase α, a partir de aquí comenzará a aparecer la fase β. P3. Este punto es el más interesante del estudio, pues en esa zona conviven las fases α y β, con lo que se debe averiguar el porcentaje de cada una. Para ello se aplica la denominada regla de la palanca. P4. Es un punto sobre la línea de fase β, desaparece la fase α y a partir de aquí comenzará a estar solamente la fase β. P5. Ahora se está como al principio, pero con el 100 % de fase β.
    • Regla de la palancaP3. conviven las fases α y β, con lo que se debe averiguar el porcentaje de cada una. 1. En la temperatura T3, correspondiente al punto de estudio, se traza un segmento horizontal (isoterma) que corta en los puntos Cα y Cβ a las líneas de fase α y de fase β. A cada uno de estos puntos corresponde una concentración, en nuestro caso son 60% y 25 % las concentraciones de B en la aleación. 2. La fracción de una fase, por ejemplo la fase α Se calcula midiendo la longitud del segmento de la isoterma (también denominada recta de reparto), desde la concentración de la aleación (P3) hasta el límite de la otra fase, en este caso la β, y dividiéndola por la longitud total del segmento de isoterma. Asi: Fracción de α= P3 Cβ / (Cα Cβ)= (40-25)/(60-25)=15/35 =0,4286. Por lo tanto, de fase α se tiene un 42,86% en la aleación que se encuentra en las condiciones del punto P3, es decir, con una concentración del 40% de B y a temperatura T3. Para la otra fase se procede de la misma forma.
    • Diagramas isomórficos binarios. Solubilidad total en estado líquido y sólido.Se forma entonces una única fase sólida, constituida por una solución sólida formadapor sustitución. Los dos metales tienen, por lo general, la misma estructura cristalina.Para obtener el diagrama de fases de una aleación AB de este tipo, se parte de la seriede curvas de enfriamiento, obtenidas experimentalmente variando las concentracionesde A y B.
    • Diagramas isomórficos binarios. Solubilidad total en estado líquido y sólido.Los puntos TA y TB representan los puntos de solidificación de los metales puros. Lacurva obtenida al unir los puntos que indican el comienzo de la solidificación sedenomina línea de líquidus, en tanto que la curva inferior que muestra el final de lamisma, se denomina línea de solidus.El área que se encuentra por encima de la curva de líquidus es una región unifásica, ycualquier aleación en esta región consistirá en una solución líquida homogénea.El área por debajo de la línea de solidus es una región unifásica y cualquier aleaciónen esta región consistirá en una solución sólida homogénea.Entre las líneas de solidus y líquidus existe una región bifásica, y cualquier aleaciónen esta región constará de dos fases, una sólida y otra líquida.
    • Diagramas isomórficos binarios. Solubilidad total en estado líquido y sólido.COMPOSICIÓN QUÍMICA DE LAS FASES PRESENTES: Punto 1: una sola fase (solución líquida homogénea) de composición química 60A y 40B. Punto 2: dos fases (líquida y sólida) de composición química : líquido X (A%, B%) y sólido Y (A%, B%) Punto 3: una sola fase (solución sólida homogénea) de composición química 60A 40B.
    • Diagramas isomórficos binarios. Solubilidad total en estado líquido y sólido.COMPOSICIÓN QUÍMICA DE LAS FASES PRESENTES:Para determinar la composición química de las fasesen una región bifásica, se traza una línea horizontalpara la temperatura considerada, llamada “línea devínculo o coexistencia”, hasta la intersección con laslíneas de líquidus y sólidus. La proyección e lospuntos de corte sobre el eje de abscisas permite leerdirectamente las composiciones de cada fase..CANTIDADES RELATIVAS DE LAS FASES PRESENTES:Para determinar las cantidades relativas de cada fase, a una temperatura determinada, enuna región bifásica, se utiliza la denominada regla de la palanca.Consiste en trazar una línea vertical, que representa la aleación en estudio y otra horizontal,que representa la temperatura. La línea vertical divide en dos partes a la línea horizontal.Por lo tanto, la línea de coexistencia queda dividida en dos partes, LO y OS. Aplicando laregla de la palanca tenemos: Líquido (%) = (SO/SL).100 Sólido (%)= (OL/SL). 100
    • Diagramas isomórficos binarios. Solubilidad total en estado líquido y sólido. PROCESO DE CRISTALIZACION POR ENFRIAMIENTO EN EQUILIBRIOEn la figura podemosseguir el enfriamiento deuna aleacion decomposición 57A y 43B.Como puede observarse ala temperatura T4solidifica el último líquido,muy rico en componenteB. La difusión seencargará de que lacomposición final de todoslos granos sea uniforme.
    • Aplicación a la aleación de Cu-NiDESCRIPCIÓN: En el diagrama de la figura, en ordenadas se representa la temperatura y en las abscisas la concentración en peso. En la gráfica, el líquido L, es una solución homogénea compuesta por Cu y Ni. La fase α es una solución sólida por sustitución, de átomos de Cu y de Ni, de estructura FCC. A temperaturas inferiores a 1080 ºC el Cu y el Ni son mutuamente solubles en estado sólido a cualquier composición. Las líneas de sólidus y líquidus interseccionan a derecha e izquierda con la ordenada temperatura; los puntos de intersección coinciden con los puntos de fusión de los componentes puros. En este caso 1085ºC para el Cu y 1455ºC para el Ni.
    • Aplicación a la aleación de Cu-NiINTERPRETACIÓN GENERAL DEL DIAGRAMA DE FASES CU-NI NÚMERO DE FASES PRESENTES: El punto A representa una aleación de composición 60% en peso de Ni, y 40% en peso de Cu, a 1100ºC. Se encuentra en la región monofásica α, por lo que únicamente estará presente la fase α. El punto B representa una aleación de 35 % en peso de Ni y 65% en peso de Cu a 1250ºC, y se encuentra en la región bifásica α+L, por tanto, estarán presentes la fase α en equilibrio con la fase líquida L. El punto C se encuentra en la zona de líquido, le sucede como al punto A, el 60% es Ni líquido y el 40% es Cu líquido.
    • Aplicación a la aleación de Cu-NiINTERPRETACIÓN GENERAL DEL DIAGRAMA DE FASES CU-NI DETERMINACIÓN DE LA COMPOSICIÓN DE LAS FASES: En un sistema monofásico, la composición de la fase coincide con la composición total de la aleación. Ejemplo: El punto A representa una aleación de composición 60% en peso de Ni, y 40% en peso de Cu, a 1100ºC. En una región bifásica, la solución es más complicada. Ejemplo El punto B trazamos la recta de reparto. Esta línea de reparto corta a la línea de líquidus para las concentraciones 32% Ni y 68% de Cu, que es la composición de la fase líquida. La intersección de la línea de reparto con la línea de sólidus se hace para las concentraciones de 43% de Ni y 57% de Cu, que corresponde a la composición de la fase sólida.
    • Aplicación a la aleación de Cu-NiINTERPRETACIÓN GENERAL DEL DIAGRAMA DE FASES CU-NI DETERMINACIÓN DE LOS PORCENTAJES DE CADA FASE En un sistema monofásico, El porcentaje será del 100 %, ya que solo existe una fase. En una región bifásica, se calculan los porcentajes de cada fase mediante la regla de la palanca. El punto B determinación del % de cada fase. % fase líquida = s/(r+s) . 100 % fase sólida = r/(r+s) . 100 También se puede obtener % fase líquida en funcion de las concentraciones: % fase líquida= WL= (Cα-C)/(Cα-CL) .100 Wα=(C-CL)/(Cα-CL) .100
    • Aleaciones con solubilidad total en estado líquido e insolubilidad en estado sólido.Para obtener el diagrama de fses de una aleación AB de este tipo, se parte igualmente deuna serie de curvas de enfriamiento, obtenidas experimentalmente, y que en este casomuestran diferente comportamiento. Nótese que existe una curva de enfriamiento que muestra la solidificación a una temperatura constante, que es además la más baja de la serie. Esta aleación se denomina eutéctica, y la temperatura, temperatura eutéctica. Aun cuando la solidificacion de esta aleación se parece ala de un metal puro, no es una aleación de fusion conguente, ya que el sólido está constituido por dos fases.
    • Aleaciones con solubilidad total en estado líquido e insolubilidad en estado sólido.El diagrama de fases se puede dibujar representando gráficamente la temperatura frente ala composición.
    • Aleaciones con solubilidad total en estado líquido e insolubilidad en estado sólido.ENFRIAMIENTO EN EQUILIBRIO: Aleación 1: es la composicion eutéctica. Se enfría desde T0 hasta TE, intervalo en el cual la aleacion es una mezcla líquida homogénea. A llegar a TE como es la intersección con la línea de líquidus y sólidus, comienza y termina la solidificación a temperatura constante, dando lugar a una mezcla de dos fases, sólido A (punto F) y sólido B(punto G). Resulta así una mezcla muy fina de granos de A y B puros, que se conoce como mezcla eutéctica. El cambio de este líquido de composición E en dos sólidos a temperatura constante se conoce como reacción eutéctica.
    • Aleaciones con solubilidad total en estado líquido e insolubilidad en estado sólido.ENFRIAMIENTO EN EQUILIBRIO: Aleación 2: es una aleación hipoeutéctica. Conserva una solución líquida hasta T1 y a partir de ese momento empieza a solidificar sólido A puro, aumentando la concentración de B en el líquido. En T2, el sólido continúa siendo A puro y el líquido está enriquecido en B, y así sucesivamente hasta llegar a TE. La cantidad relativa de cada fase y a cada temperatura puede determinarse mediante la regla de la palanca. Cuando llegamos al punto TE, el líquido sufre la reacción eutéctica solidificando la mezcla eutéctica (A+B).
    • Aleaciones con solubilidad total en estado líquido e insolubilidad en estado sólido.ENFRIAMIENTO EN EQUILIBRIO:Aleación 3: es una aleación hipereutéctica.Sigue el mismo proceso descrito anteriormente, si bien en este caso el resultado seráuna aleación compuesta de sólido B+ mezcla eutéctica..
    • Aleaciones con solubilidad total en estado líquido y solubilidad parcial en estado sólido.Los puntos de fusión de losmetales puros son Ta y Tb.La línea de líquidus se forma alunir los puntos Ta, E y Tb.La de solidus al unir Ta, F, E, Gy Tb.Las fases existentes en cadaregión están indicadas en lagráfica.Se observa en el diagrama quenunca cristalizan A y B puros,sino en forma de soluciones α yβ de una sola fase. Estassoluciones limitadas por los ejesse denominan solucionessólidas terminales.
    • Aleaciones con solubilidad total en estadolíquido y solubilidad parcial en estado sólido. Aparecen unas curvas nuevas denominadas SOLVUS, que indican las solubilidadesmáximas de B en A (solución α) y de A en B (solución β), en función de latemperatura. Al descender la temperatura, desciende la solubilidad.
    • Aleaciones con solubilidad total en estadolíquido y solubilidad parcial en estado sólido.ENFRIAMIENTO LENTO DE ALGUNAS ALEACIONES:Aleación 1: sigue un proceso exactamente igual al de cualquier aleación desolubilidad total en líquido y sólido.
    • Aleaciones con solubilidad total en estadolíquido y solubilidad parcial en estado sólido. ENFRIAMIENTO LENTO DE ALGUNAS ALEACIONES: Aleación 1: a la temperatura T1, la aleación comienza a solidificar, formándose cristales de A, y el líquido se enriquece en B. A la temperatura T4 termina la solidificación, siendo el sólido total una solución sólida α homogénea que permanece así hasta la temperatura ambiente.
    • Aleaciones con solubilidad total en estadolíquido y solubilidad parcial en estado sólido.ENFRIAMIENTO LENTO DE ALGUNAS ALEACIONES: Aleación 2: es la composición eutéctica y permanece líquida hasta la temperatura Te, sufriendo la reacción eutéctica a temperatura constante y originando la mezcla eutéctica formada por dos fases α y β. Las cantidades relativas de cada fase pueden calcularse mediente la regla de la palanca. Debido al cambio de solubilidad de B en A y de A en B, dado por las curvas de solvus, habrá un cambio en las cantidades relativas de α y de β cuando se enfríen hasta temperatura ambiente.
    • Aleaciones con solubilidad total en estadolíquido y solubilidad parcial en estado sólido. ENFRIAMIENTO LENTO DE ALGUNAS ALEACIONES:Aleación 3: se encuentra en estado líquido hasta T3, donde empieza a cristalizar lasolución sólida α rica en A.A medida que la temperatura disminuye, el líquido se hace más rico en B.Cuando llegamos a Te, el líquido que resta sufre la reacción eutéctica (α y β) decomposición dada por los extremos de la recta FG.A medida que disminuye la temperatura, precipita algo de β debido al descenso desolubilidad indicado por la solvus.
    • Aleaciones con solubilidad total en estadolíquido y solubilidad parcial en estado sólido. ENFRIAMIENTO LENTO DE ALGUNAS ALEACIONES:Aleación 4: sigue el mismo proceso que la aleación 1. El punto P es una solucióninsaturada. En el punto Q la solución se stura de B.A temperatura ambiente el exceso de B debe salir, pero como A es soluble en B, esteexceso sale como solución sólida β.A temperatura ambiente, la aleación consiste en granos de α con pequeñas cantidades de βalojadas en las fronteras de grano. Esta cantidad se puede determinar con la regla de lapalanca.
    • ALEACIONES HIERRO-CARBONOEl hierro puro tiene muy pocas aplicaciones, pero no ocurre así con las aleacionesde hierro y carbono, que son las más utilizadas en la industria.La clasificación de los productos siderúrgicos de acuerdo a la norma UNE-36001es la siguiente: Hierro: aleación que contiene menos el 0,008% de carbono. Aceros: aleaciones hierro-carbono cuyo contenido en este último elemento oscilaentre el 0,008 % y el 1,76% Fundiciones: aleaciones hierro-carbono cuyo contenido en carbono varía entreel 1.76% y el 5%.EL HIERRO. FORMAS ALOTRÓPICAS El hierro cambia de estructura de cristalización en función de la temperatura; es decir, se trata de un material alotrópico. Como se puede observar en la gráfica, existen cuatro estructuras critalinas diferentes, que corresponden a las cuatro formas alotrópica del hierro conocidas, y se denominan con las letras griegas α (alfa), β (beta), γ (gamma) y δ (delta).
    • ALEACIONES HIERRO-CARBONO EL HIERRO. FORMAS ALOTRÓPICAS Hierro α: el hierro cristaliza en esta forma hastauna temperatura de 768 ºC. La red cristalina escúbica centrada (CC o BCC). La distancia entrelos átomos de los vértices es igual a 2,86 A.Tiene poca capacidad de disolución del carbono,siendo la solubilidad máxima de 0,02% a 768ºC.Otra propiedad es el magnetismo. Hierro β: El hierro cristaliza en esta forma enun intervalo de temperaturas que oscila entre 768y 910ºC. La red cristalina que adopta es cúbicacentrada, sin embargo la distancia entre losátomos de los vértices es algo mayor (2,9 A a800 ºC y 2,905 A a 900ºC). El aumento de esteparámetro se atribuye a la dilatación por elaumento de temperatura. Hierro γ: el hierro cristaliza en esta forma en unintervalo de temperaturas que oscila entre 910 y1400 ºC. La red cristalina adoptada en este caso,es la cúbica centrada en las caras. Hierro δ: cristaliza en esta forma a partir deuna temperatura igual o superior a 1400 ºC hasta Hierro δ: Cristaliza en BCC, y lala temperatura de fusión, 1539ºC. distancia entre vértices es de 2,93 A.
    • EL HIERRO. FORMAS ALOTRÓPICAS
    • ALEACIONES HIERRO-CARBONO ACEROS Y FUNDICIONES Se definen las aleaciones de hierro-carbono como las sustancias que se obtienen porfusión del hierro, carbono y otros elementos como el azufre, el fósforo, el oxígeno y elnitrógeno que entran a formar parte de la aleacion con carácter de impurezas. CARBONO Los dos constituyentes fundamentales de los aceros y fundiciones son el hierro y elcarbono. Este último, el carbono, se puede encontrar de tres formas: Disuelto en hierro α y en hierro γ, formando soluciones sólidas por inserción. Combinado, formando con el hierro el compuesto intermetálico Fe3C (cementita). Libre, formándo láminas o nódulos. ACEROS: Son aleaciones de hierro y carbono donde el contenido en carbono es inferior al 1,76%. Los aceros por su parte se clasifican en : Aceros hipoeutectoides, si el contenido en carbono es inferior al 0,89 % Aceros eutectoides, si el contenido es del 0,89 % de carbono. Aceros hipereutectoides, si el contenido en carbono está comprendido entre el 0,89 y 1,76 % de carbono. FUNDICIONES: Las fundiciones son aleaciones de hierro y carbono, siendo el contenido en carbono mayor del 1,76% y menor del 6,67%. Se clasifican en función del % de carbono en: Fundiciones hipoeutécticas: si el contenido en carbono está entre el 1,76% y 4,3% Fundiciones eutécticas: si el contenido en carbono es del 4,3% Fundiciones hipereutécticas: si el contenido en carbono es mayor del 4,3 %
    • ALEACIONES HIERRO-CARBONO DIAGRAMA DE FASES DE HIERRO-CARBONOEl diagrama de fases del hierro-carbono se representa en el intervalo de concentracionesque va desde el hierro puro hasta la cementita. Sobre el eje de abscisas se representandos escalas: la que indica el contenido en carbono, y la que muestra el contenido encementita.En el diagrama de hierro-carbono cabe destacar: La línea de líquido, formada por los puntos ABCD, que indica la temperatura decomienzo de la solidificación de las aleaciones del sistema. Por encima de ella todas lasaleaciones se encuentran en estado líquido. La línea de sólido, formadapor los puntos AHNBECF,indica la temeratura final de lasolidificaicón de las aleacionesdel sistema. La línea de enfriamiento delhierro, formada por los puntosANG. El punto G (910ºC)corresponde a la temperaturade equilibrio del hierro β y elhierro γ.
    • ALEACIONES HIERRO-CARBONO DIAGRAMA DE FASES DE HIERRO-CARBONO A L1495ºC δ+L δ δ+γ γ+L γ N 0,09 % C 0,17 % C 0,53% C El punto A corresponde a la temperatura de solidificación del hierro, 1539ºC; El punto N corresponde (1400 ºC) es la temperatura de equilibrio de hierro δ y hierro γ.
    • ALEACIONES HIERRO-CARBONO DIAGRAMA DE FASES DE HIERRO-CARBONO El punto C define la aleacion eutéctica, con el 4,3 % de Carbono, formándose la ledeburita(mezcla de austenita y cementita). El punto E corresponde a la máxima solubilidad de carbono en hierro γ y corresponde auna proporción de carbono del 1,76%. El punto P define la aleación eutectoide, con el 0,89% de carbono. La austenita setransforma en perlita(mezcla de ferrita y cementita). K P
    • ALEACIONES HIERRO-CARBONO DIAGRAMA DE FASES DE HIERRO-CARBONO La línea GP define las temperaturas de transformación de la austenita en ferrita, en funcióndel porcentaje de carbono. La línea PE define las temperaturas de transformación de la austenita en cementita enfunción del porcentaje de carbono. La línea PK define las temperaturas de transformación de la austenita en perlita. El punto D está en el límite del diagrama 6,67% de carbono, que corresponde a lacementita pura.
    • ALEACIONES HIERRO-CARBONODIAGRAMA DE FASES DE HIERRO-CARBONO
    • ALEACIONES HIERRO-CARBONODIAGRAMA DE FASES DE HIERRO-CARBONO
    • DIAGRAMA DE FASES DE HIERRO-CARBONO
    • ALEACIONES HIERRO-CARBONODIAGRAMA DE FASES DE HIERRO-CARBONO
    • CONSTITUCIÓN DE LAS ALEACIONES DE HIERRO CARBONOFERRITA(α o β): está formada por una solución sólida por inserción de carbono enhierro α o hierro β, siendo la solubilidad del carbono 0,008% a temperatura ambiente. Por ello se suele considerar hierro puro.Es el constituyente más blando y maleable de los aceros. Ferrita Ferrita Cementita(los bordes blancos)CEMENTITA: es un compuesto químico, un carburo de hierro (Fe3C) que contieneun 6,67% de C.Es el constituyente más duro y frágil de los aceros y fundiciones. Cristaliza en redesortorrómbicas.
    • CONSTITUCIÓN DE LAS ALEACIONES DE HIERRO CARBONOPERLITA: está formada por la mezcla eutectoide de ferrita y cementita, y contiene un0,8 % de C. La perlita es un constituyente que se forma por láminas alternativas deferrita y cementita, de estructura muy fina, semejante a las huellas dactilares. Suspropiedades mecánicas son intermedias entre las de la ferrita y la cementita.PERLITA: está formado por un 86,5% de ferrita y 13,5% de cementita. Tiene unadureza de 200 HB.Presenta estructura laminar si el enfriamiento ha sido lento = PERLITA LAMINAR.Estructura más borrosa si el enfriamiento es más brusco= PERLITA SORBÍTICA.Si la perlita laminar la calentamos hasta una temperatrua de 723 ºC, la cementitaadquiere forma de glóbulos incrustados en masa de ferrita= PERLITA GLOBULAR.
    • CONSTITUCIÓN DE LAS ALEACIONES DE HIERRO CARBONOAUSTENITA: está formada por una solución sólida por inserción de carbono en hierro γ.Tan solo es estable a temperaturas altas, desdoblándose por reaccion eutectoide atemperaturas inferiores, en ferrita y cementita. La proporción de carbono disuelto varíadesde el 0 al 1,76%.Es el constituyente más denso de los aceros. No es magnética.LEBEDURITA: está formada por una mezcla eutéctica de austenita y cementita, ycontiene un 4,3% de carbono. Se origina al terminar la solidificacion de las fundiciones a1145ºC. En las fundiciones ordinarias no aparece a temperatura ambiente, ya que sedescompone en perlita y cementita.MARTENSITA: tras la cementita, es el constituyente más duro de los aceros. Lamartensita es una solución sólida sobresaturada de carbono en hierro α.Se obtiene por enfriamiento rápido de la austenita de los aceros, después de haber sidocalentada para conseguir una constitución austenística. Austenita Martensita Martensita
    • CONSTITUCIÓN DE LAS ALEACIONES DE HIERRO CARBONOTROOSTITA: constituyente intermedio de la martensita y sorbirta. Se produce mediante unatransformacion isotérmica de la austenita entre las temperaturas de 500 a 600 ºC. Se enfríarápidamente la austenita hasta el intervalo 500-600ºC, y posteriormente se mantiene latemperatura constante, hasta que toda la austenita se convierte en troostita. Se presentaen forma de nódulos de láminas radiales de cementita sobre ferrita. Es un constituyentenodular oscuro y aparece generalmente acompañando a la martensita y a la austenita.SORBITA: se produce también por transformación isotérmica de la austenita a temperaturacomprendida entre 600 a 650 ºC. El procedimiento es similar al anterior.Se presenta formando láminas más finas que las de troostita y similares a las de perlita.BAINITA: también se produce por una transformación isotérmica de la austenita, en elintervalo de temperaturas que va desde 250 a 550ºC. La bainita se produce en un templedefectuoso, llamado isotérmico o bainítico. Su fin no es transformar la austenita enmartensita (temple clásico), sino que es la transformación total de la austenita en bainita.Troostita nodular Sorbita MIcroestructura de una bainita
    • TRANSFORMACIONES PORENFRIAMIENTO LENTO EN LOS ACEROSACERO HIPOEUTECTOIDE ALEACIÓN I:%C < 0,89% Por encima del punto 1 existe una fase líquida. En el punto 1 empiezan a formarse los granos de austenita, es decir, una solución sólida por inserción de carbono en hierro γ. Entre los puntos 1 y 2 existen dos fases, una sólida y otra líquida. La fase sólida corresponde a la austenita. En el punto 2 se produce toda la transformación de la fase líquida en austenita. Entre los puntos 2 y 3 existe una sola fase sólida formada por austenita. En el punto 3 comienza la transformación de la austenita en ferrita en los bordes de los granos de austenita. Entre los puntos 3 y 4 existen dos fases sólidas, una solucion sólida de ferrita y otra de austenita. En el punto 4, se produce el cambio alotrópico del hierro y la reaccion eutectoide, cuyo resultado es la formacion de la perlita.
    • TRANSFORMACIONES PORENFRIAMIENTO LENTO EN LOS ACEROSACERO EUTECTOIDE ALEACIÓN II:%C=0,89% Por encima del punto 1 existe una fase líquida. En el punto 1 empiezan a formarse los granos de austenita, es decir, una solución sólida por inserción de carbono en hierro γ. Entre los puntos 1 y 2 existen dos fases, una sólida y otra líquida. La fase sólida corresponde a la austenita. En el punto 2 se produce toda la transformación de la fase líquida en austenita. Entre los puntos 2 y 3 existe una sola fase sólida formada por austenita. En el punto 3 toda la austenita se transforma en perlita. En resumen, la estructura final de los aceros eutectoides está formada solo por perlita. En cambio, en el caso anterior, los aceros hipoeutectoide, la estructura final de los mismos está formada por granos de perlita rodeados de ferrita.
    • TRANSFORMACIONES PORENFRIAMIENTO LENTO EN LOS ACEROSAleacion I, acero hipoeutectoide
    • TRANSFORMACIONES PORENFRIAMIENTO LENTO EN LOS ACEROSAleacion II, acero eutectoide
    • TRANSFORMACIONES PORENFRIAMIENTO LENTO EN LOS ACEROSACERO HIPEREUTECTOIDE ALEACIÓN III:%C > 0,89% Por encima del punto 1 existe una fase líquida. En el punto 1 empiezan a formarse los granos de austenita, es decir, una solución sólida por inserción de carbono en hierro γ. Entre los puntos 1 y 2 existen dos fases, una sólida y otra líquida. La fase sólida corresponde a la austenita. En el punto 2 se produce toda la transformación de la fase líquida en austenita. Entre los puntos 2 y 3 existe una sola fase sólida formada por austenita. En el punto 3 comienza la transformación de la austenita en cementita en los bordes de los granos de austenita. Entre los puntos 3 y 4 existen dos fases sólidas, cementita y austenita. En el punto 4, se produce el cambio alotrópico del hierro y la reaccion eutectoide, cuyo resultado es la formacion de la perlita a partir de la austenita.
    • TRANSFORMACIONES PORENFRIAMIENTO LENTO EN LOS ACEROSAleacion III, acero hipereutectoideEn resumen, la estructurafinal de los aceroshipereutectoides estáformada por granos de perlitarodeados de cementita.
    • ESTUDIO DE LA COMPOSICIÓN Y DE LA CONCENTRACIÓN DE LOS ACEROS. Temperatura G Austenita Ferrita + Cementita + T m austenita o austenita M P Ferrita + Cementita + perlita perlita Composición 0,89 %C Composición de Composición de Ferrita austenitaPara determinar la composición de una aleación que se encuentra a una temperatura T,se traza una línea paralela al eje de abscisas a la altura de dicho punto T. Esta línea cortaa las líneas de transformación GM y GP en dos puntos, m y o , respectivamente.El punto m indica la composición de ferrita y el punto o, la composición de austenita.Para determinar la concentración relativa de cada constituyente a la temperatura T, seusará la regla de la palanca.
    • TRANSFORMACIONES POR ENFRIAMIENTO EN LAS FUNDICIONESLas fundiciones se diferencian de los aceros en la composición (poseen más cantidad decarbono) y en la forma en que el carbono se une al hierro. Se puenden distinguir así: FUNDICIÓN BLANCA: cuando el carbono se encuentra en forma de cementita Fe3C. FUNDICIÓN GRIS: cuando el carbono se encuentra en forma de grafito laminar oesferoidal.Las fundiciones son aleaciones férreas con un porcentaje de Carbono superior al 2,1 %. Enla práctica las fundiciones contienen entre el 3 y el 4,5 % de carbono. Funden atemperaturas inferiores a los aceros, que varían entre 1150 ºC y 1300 ºC, por lo que semoldean con facilidad.La tendencia que tienen las fundiciones a la grafitización (formación de grafito) se regulamediante la composición y la velocidad de enfriamiento.Fundición blanca Fundición gris laminar Fundición gris nodular
    • TRANSFORMACIONES POR ENFRIAMIENTO EN LAS FUNDICIONES FUNDICIÓNES BLANCAS HIPOEUTÉCTICAS ALEACION I (%C < 4,3%) Por encima del punto 1 existe una fase líquida. En el punto 1 comienzan a formarse granos de austenita. Entre los puntos 1 y 2 hay una fase líquida y otra sólida de austenita. En el punto 2 la fase líquida residual se transforma en ledeburita, que es el constituyente eutéctico de las fundiciones. Entre los puntos 2 y 3, al ir descendiendo la temperatura, la austenita que está presente en la ledeburita va segregando cementita proeutéctica hasta llegar al punto 3. En el punto 3, la austenita restante se convierte en perlita. En resumen, las fundiciones hipoeutécticas están formadas grandes cristales de perlita derivados de la austenita primaria rodeados de cementita.
    • TRANSFORMACIONES POR ENFRIAMIENTO EN LAS FUNDICIONES FUNDICIÓNES BLANCAS EUTÉCTICAS ALEACION II ( %C= 4,3%) Por encima del punto 1 existe una fase líquida. En el punto 1 se produce la transformación de la fase líquida en la fase sólida ledeburita. Entre los puntos 1 y 2, al ir descendiendo la temperatura, parte de la austenita que está presente en la ledeburita segrega cementita, y el resto se transforma en perlita. En resumen, las fundiciones blancas eutécticas están formadas por granos de cementita y perlita.
    • TRANSFORMACIONES POR ENFRIAMIENTO EN LAS FUNDICIONES FUNDICIÓNES BLANCAS HIPEREUTÉCTICAS ALEACION III ( %C >4,3%) Por encima del punto 1 existe una fase líquida. En el punto 1 comienzan a formarse granos de cementita. Entre los puntos 1 y 2 hay una fase líquida y otra sólida de cementita. En el punto 2 la fase líquida residual se transforma en ledeburita, que es el constituyente eutéctico de las fundiciones. Entre los puntos 2 y 3, al ir descendiendo la temperatura, la austenita que está presente en la ledeburita va segregando cementita hasta llegar al punto 3. En el punto 3, la austenita restante se convierte en perlita. En resumen, las fundiciones hipoeutécticas están formadas por granos de cementita y perlita.
    • TRANSFORMACIONES POR ENFRIAMIENTO EN LAS FUNDICIONES 1 2 1 – Fundición blanca hipoeutéctica 2 – Fundición blanca eutéctica 3 3 – Fundición blanca hipereutéctica.
    • FUNDICIONESFUNDICIÓN GRIS:El carbono varía entre el 2,5 y el 4%. Generalmente, el grafito aparece en forma deescamas o láminas.Mecánicamente son fŕagiles y poco resistentes a la tracción. La resistencia a lacompresión y la ductilidad son muy elevados.Son muy efectivas en el amortiguamiento de vibraciones, por eso se suelen construir lasbancadas de las máquinas con este tipo de fundiciones. Tienen una alta resistencia aldesgaste.
    • FUNDICIONESFUNDICIÓN ESFEROIDAL:Se forma con pequeñas adiciones de magnesio y/o ceso a la fundición gris, que modificansu microestructura, resultando que el grafito, en vez de escamas, presenta formaesferoidal.Son más reistentes y más dúctiles que las grises de grafito laminar, y tienen propiedadesmecánicas similares a las del acero. Estas fundiciones se utilizan para fabricar cuerpos debomba, pistones, cigüeñales, etc..
    • FUNDICIONESFUNDICIÓN BLANCA :Partiendo de fundiciones bajas en carbono, que contengan menos e 1 % de Si, yaumentando considerablemente la velocidad de enfriamiento, la mayoría de carbono seconvierte en cementita en lugar de grafito, obteniendo la denominada fundicion blanca,porque su superficie de rotura presenta este color.A causa de la gran cantidad de cementita que presenta, la fundición blanca esextremadamente dura y muy frágil, hasta el punto de no poderse mecanizar. Se aplicaciónse limita a componentes de gran dureza y resistencia al desgaste y sin ductilidad, comolos cilindros de laminación.
    • FUNDICIONESFUNDICIÓN MALEABLE:Calentando la fundición blanca hasta temperaturas comprendidas entre 800 y 900 ºCdurante largo tiempo y en atmósfera inerte (para prevenir la oxidación), la cementita sedescompone y forma grafito en forma de racimos o rosetas.La microestructura es similar a la de la fundición esferoidal, por lo que presenta unaresistencia relativamente alta y apreciable ductilidad y maleabilidad. Sus aplicaciones seencuentran en engranajes de transmisión, cajas de diferencial, etc.
    • CLASIFICACION DE LOS ACEROS1) EN FUNCION DEL PROCEDIMIENTO DE FABRICACIÓNSe clasifican en aceros Bessemer, Thomas, Siemens, eléctricos, al crisol y hierrospudelados (aceros de bajo contenido en carbono).2) EN FUNCIÓN DEL % DE CARBONOAceros hipoeutectoides, aceros eutectoides, aceros hipereutectoides ( en funcion de si el %de carbono está por debajo, es igual, o está por encima de 0,89% de carbonorespectivamente.)3) EN FUNCIÓN DE SU CONSTITUCIÓN INTERNAEsta clasificación es válida para aceros calentados hasta austenización completa yenfriados al aire. - Aceros perlíticos: constituidos después del enfriamiento por perlita y ferrita o perlita ycmentita, dependiendo de si el porcentaje de carbono es menor o mayor al eutectoide. Sonlos aceros normales, los aceros al carbono y los aceros de baja y media aleación. - Aceros martensíticos: formados en su mayor parte por martensita. En realidad sonaceros perlíticos, cuya velocidad de temple es muy lenta, y son templados después delenfriamiento al aire. Aceros inoxidables. - Aceros austeníticos: constituidos por austenita a temperatura ambiente. Entre ellosdestacan los aceros al cromo níquel y los inoxidables de 18% de cromo. No son atraídospor un imán. - Aceros ferríticos: están formados por ferrita a cualquier temperatura. No se puedentemplar porque no alcanzan el estado austenítico por calentamiento y por lo tanto elmartensítico en el enfriamiento. Aceros de bajo contenido en carbono. - Aceros con carburo: contienen un porcentaje de carburos de elementos de aleacionmuy superiores al que se considera como normal en los aceros. (carburos: son compuestosmuy duros que se forman al combinarse los elementos ferrita, cementita, austenita, etc conel carbono.
    • CLASIFICACION DE LOS ACEROS4) EN FUNCIÓN DE SU COMPOSICIÓN - ACEROS AL CARBONO: están formados por hierro y carbono, y el porcentaje de otroselementos no debe superar los preestablecidos según las normas. - ACEROS ALEADOS: además de carbono e impurezas, contienen elementos de aleaciónvoluntaria, como cromo, níquel, molibdeno, etc. Estos elementos aleados modifican laspropiedades de los aceros, aumentando o disminuyendo la templabilidad, la dureza, etc.