Estructura interna materiales

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Estructura interna materiales

  1. 1. MATERIALES INDUSTRIALES- ESTRUCTURA INTERNA DE LOS MATERIALES - TECNOLOGÍA INDUSTRIAL II – 2º BACHILLERATO Luis Miguel GARCÍA GARCÍA-ROLDÁN Dpto. de Tecnología IES CAP DE LLEVANT - MAÓ Maó - 2010
  2. 2. Contenido  Descripción de la estructura atómica de la materia y de los diferentes tipos de enlaces atómicos. Representación gráfica de diferentes estructuras cristalinas.  Propiedades de los materiales. Elaboración de una lista de propiedades de materiales usuales.  Interpretación de diagramas de equilibrio (hierro/carbono, níquel/cromo, estaño/plomo) y cálculo del número de fases presente, composición de las fases y la cantidad de cada una.  Técnicas de modificación de las propiedades.  Apreciación de la necesidad de desarrollar nuevos materiales.  Actitud crítica para relacionar la estructura de la materia y sus propiedades.  Oxidación y corrosión. Planificación práctica de oxidaciones y corrosiones de algún material.  Reconocimiento de la necesidad de reducir el gasto que suponen los fenómenos de oxidación y corrosión.  Comparación de los diferentes tipos de tratamiento superficial.  Reconocimiento del esfuerzo e inversión necesarios para investigar nuevos sistemas de protección y tratamiento superficial y los beneficios que se pueden obtener. 2CONTENIDO LA MATERIA PROP. MATERIALES DIAGR. EQUILIBRIO OXIDACIÓN Y CORROSIÓN
  3. 3. Molécula  MOLÉCULA es la mínima porción de la materia que conserva las propiedades de un material. 3CONTENIDO LA MATERIA PROP. MATERIALES DIAGR. EQUILIBRIO OXIDACIÓN Y CORROSIÓN
  4. 4. El átomo  ÁTOMO es una estructura eléctrica formada por la agrupación de partículas elementales. Es la unidad elemental básica que puede experimentar cambio químico. Diferenciamos dos partes fundamentales: núcleo y corteza  Los átomos son neutros, tienen el mismo número de protones que de electrones. Un ión es un átomo cargado por exceso o defecto de electrones. EL ÁTOMO 4CONTENIDO LA MATERIA PROP. MATERIALES DIAGR. EQUILIBRIO OXIDACIÓN Y CORROSIÓN
  5. 5. El átomo. Variantes  ISÓTOPOS son átomos con el mismo número de protones y distinto de neutrones  ISÓTONOS son átomos con el mismo número de neutrones y distinto de protones  ISÓBAROS son átomos con el mismo número másico 5CONTENIDO LA MATERIA PROP. MATERIALES DIAGR. EQUILIBRIO OXIDACIÓN Y CORROSIÓN
  6. 6. El átomo. Modelos atómicos 6CONTENIDO LA MATERIA PROP. MATERIALES DIAGR. EQUILIBRIO OXIDACIÓN Y CORROSIÓN
  7. 7. El átomo. Niveles energéticos  La corteza del átomo está formada por niveles energéticos y los electrones son entes corpusculares que pueden ocuparlos. Se producen saltos electrónicos de un nivel inferior a uno superior o viceversa cuando se absorbe o emite energía, respectivamente. 7CONTENIDO LA MATERIA PROP. MATERIALES DIAGR. EQUILIBRIO OXIDACIÓN Y CORROSIÓN
  8. 8. Sistema periódico de elementos  SISTEMA PERIÓDICO DE ELEMENTOS es la ordenación sistemática de los elementos según su configuración electrónica 8CONTENIDO LA MATERIA PROP. MATERIALES DIAGR. EQUILIBRIO OXIDACIÓN Y CORROSIÓN
  9. 9. Iteracción entre átomos (I)  Dos átomos de igual signo se repelen y de distinto signo se atraen. La fuerza con la que lo hacen es de origen electroestático, pues despreciamos las de origen magnético o gravitatorio.  Dos átomos iguales en contacto sufren fuerzas de atracción debido a la naturaleza del enlace y a las atracciones electrostáticas entre el núcleo de uno y la nube electrónica del otro, y fuerzas de repulsión entre núcleos y entre nubes. 9CONTENIDO LA MATERIA PROP. MATERIALES DIAGR. EQUILIBRIO OXIDACIÓN Y CORROSIÓN
  10. 10. Iteracción entre átomos (II)  ENERGÍA DE ENLACE es la necesaria para separarlos átomos o moléculas que lo forman una distancia infinita; es decir, para destruir el enlace.  Se define distancia de equilibrio aquella a la que dos átomos igualan las fuerzas de repulsión y atracción. Es el punto de mínima energía de enlace. Es del orden de unos 3A.  La naturaleza de las fuerzas y energías de penden del tipo de enlace atómico. 10CONTENIDO LA MATERIA PROP. MATERIALES DIAGR. EQUILIBRIO OXIDACIÓN Y CORROSIÓN
  11. 11. Reactividad química  Los gases nobles son los elementos más estables y menos reactivos ya que tienen completa su última capa electrónica s2 p6, que es la que posee los electrones reactivos.  Los elementos electropositivos (metales) tienen pocos electrones en la última capa y los ceden para producir iones positivos (cationes). El número de electrones cedidos es el número de oxidación positivo.  Los elementos electronegativos (no metales) tienen muchos electrones en la última capa y aceptan electrones para producir iones negativos (aniones). El número de electrones aceptados es el número de oxidación negativo.  Los elementos de los grupos centrales de la tabla pueden comportarse como electronegativos o electropositivos. 11CONTENIDO LA MATERIA PROP. MATERIALES DIAGR. EQUILIBRIO OXIDACIÓN Y CORROSIÓN
  12. 12. Electronegatividad  Electronegatividad es la capacidad de un átomo de atraer electrones. 12CONTENIDO LA MATERIA PROP. MATERIALES DIAGR. EQUILIBRIO OXIDACIÓN Y CORROSIÓN
  13. 13. Enlaces moleculares  Dipolo permanente. Se forman entre moléculas que poseen dipolos permanentes. Son relativamente débiles  Dipolo inducido. Se forman entre moléculas que poseen dipolos cuya densidad electrónica va cambiando en el tiempo por efectos de dispersión o movimientos de carga. Son muy débiles 13CONTENIDO LA MATERIA PROP. MATERIALES DIAGR. EQUILIBRIO OXIDACIÓN Y CORROSIÓN
  14. 14. Enlaces atómicos (I)  Dos átomos enlazados son más estables porque tienen menor energía potencial que de forma separada. Se forman entre moléculas que poseen dipolos permanentes. Son relativamente débiles  Enlaces fuertes o primarios. Pueden ser enlaces iónicos (se ceden electrones), covalentes (se comparten electrones) o metálicos (se comparten electrones deslocalizados).  Enlaces débiles o secundarios. Pueden ser fuerzas de Van der Waals o puentes de hidrógeno 14CONTENIDO LA MATERIA PROP. MATERIALES DIAGR. EQUILIBRIO OXIDACIÓN Y CORROSIÓN
  15. 15. Enlaces atómicos (II) 15CONTENIDO LA MATERIA PROP. MATERIALES DIAGR. EQUILIBRIO OXIDACIÓN Y CORROSIÓN
  16. 16. Enlace iónico (I)  Se da entre un átomo electropositivo (metal) y un átomo electronegativo (no metal).  El electropositivo cede electrones al electronegativo hasta que ambos adquieren la configuración de gas noble en el último nivel.  Se producen un catión y un anión.  Se generan materiales duros y frágiles, con elevados puntos de fusión y ebullición, buenos aislantes térmicos y eléctricos, aunque buenos conductores en disolución. 16CONTENIDO LA MATERIA PROP. MATERIALES DIAGR. EQUILIBRIO OXIDACIÓN Y CORROSIÓN
  17. 17. Enlace iónico (II) ENLACE IÓNICO 17CONTENIDO LA MATERIA PROP. MATERIALES DIAGR. EQUILIBRIO OXIDACIÓN Y CORROSIÓN
  18. 18. Enlace covalente (I)  Se da entre dos átomos con electronegatividad similar.  Los dos átomos comparten electrones hasta que ambos adquieren la configuración de gas noble en el último nivel.  Las energías de los dos átomos asociados son menores que las de los átomos por separado (más estables).  Pueden ser enlaces sencillos o múltiples. 18CONTENIDO LA MATERIA PROP. MATERIALES DIAGR. EQUILIBRIO OXIDACIÓN Y CORROSIÓN
  19. 19. Enlace covalente (II) ENLACE COVALENTE 19CONTENIDO LA MATERIA PROP. MATERIALES DIAGR. EQUILIBRIO OXIDACIÓN Y CORROSIÓN
  20. 20. Enlace covalente para el carbono  La configuración de la última capa del carbono es 1s2 2s2 2p2, por lo que debería hacer dos enlaces covalentes con los orbitales 2p semillenos. En realidad, muchas veces hace cuatro enlaces covalentes de igual fuerza  Esto se produce debido a un fenómeno de hibridación, por el que un orbital 2s se separa formando 4 orbitales sp3. 20CONTENIDO LA MATERIA PROP. MATERIALES DIAGR. EQUILIBRIO OXIDACIÓN Y CORROSIÓN
  21. 21. Enlace metálico  Se forman estructuras cristalinas ordenadas sistemáticamente formadas por núcleos de iones positivos y electrones de valencia dispersos en forma de nube electrónica que pueden moverse fácilmente dentro de la red cristalina ya que las fuerzas que los unen a los núcleos son muy débiles.  Esta configuración hace de los metales materiales muy conductores del calor y de la electricidad, son fácilmente deformables y tienen energías de enlace y puntos de fusión muy diversos. 21CONTENIDO LA MATERIA PROP. MATERIALES DIAGR. EQUILIBRIO OXIDACIÓN Y CORROSIÓN
  22. 22. Fuerzas de Van der Waals  Unen los átomos de los gases nobles.  Se deben a la aparición de dipolos variables originados en el movimiento de los electrones dentro de los átomos.  Existen dos efectos fundamentales:  Polarización: se produce cuando uno de los átomos de la molécula tiene más afinidad por los electrones. Se produce un dipolo eléctrico.  Efectos de dispersión: producidos por el movimiento de los electrones dentro de los átomos. 22CONTENIDO LA MATERIA PROP. MATERIALES DIAGR. EQUILIBRIO OXIDACIÓN Y CORROSIÓN
  23. 23. Puentes de hidrógeno  Se producen en moléculas bipolares como el agua.  Se deben a la atracción entre el núcleo del hidrógeno de una molécula y los electrones no compartidos de los otros átomos de otra molécula 23CONTENIDO LA MATERIA PROP. MATERIALES DIAGR. EQUILIBRIO OXIDACIÓN Y CORROSIÓN
  24. 24. Estructura cristalina  La estructura física de los sólidos es consecuencia de la disposición en la que se encuentran átomos y moléculas y de las fuerzas que los unen. Si esta estructura se repite en el espacio el sólido tiene estructura cristalina.  El elemento que se repite en la red espacial es la celda unitaria, que se caracteriza por tres vectores que convergen en un vértice y tres ángulos. 24CONTENIDO LA MATERIA PROP. MATERIALES DIAGR. EQUILIBRIO OXIDACIÓN Y CORROSIÓN
  25. 25. Sistemas cristalinos  Dependiendo de cómo sea la celda unitaria, existen 7 sistemas cristalinos y 14 retículos espaciales diferentes. 25CONTENIDO LA MATERIA PROP. MATERIALES DIAGR. EQUILIBRIO OXIDACIÓN Y CORROSIÓN
  26. 26. Propiedades de los materiales industriales  Propiedades químicas  Propiedades físicas  Propiedades mecánicas  Propiedades estéticas y económicas  Propiedades de fabricación 26CONTENIDO LA MATERIA PROP. MATERIALES DIAGR. EQUILIBRIO OXIDACIÓN Y CORROSIÓN
  27. 27. Propiedades químicas Las propiedades químicas de los materiales son consecuencia directa de su estructura química. Existen dos procesos naturales que pueden alterar la composición química de un material:  Oxidación  Es la combinación de un material con el oxígeno para formar óxidos más o menos complejos  Corrosión  Es una oxidación que se produce en ambientes húmedos o en presencia de otras sustancias agresivas. La resistencia que ofrezca un material a la oxidación y a la corrosión son dos de sus principales propiedades químicas 27CONTENIDO LA MATERIA PROP. MATERIALES DIAGR. EQUILIBRIO OXIDACIÓN Y CORROSIÓN
  28. 28. Propiedades físicas (I) Son consecuencia del ordenamiento en el espacio de los átomos. Las principales son:  Densidad  Es la relación entre la masa de una determinada cantidad de material y el volumen que ocupa. (Kg/m3)  Peso específico  Es la relación entre el peso de una determinada cantidad de material y el volumen que ocupa. (N/m3)  Propiedades eléctricas  Resistividad es la resistencia que ofrece un material al paso de corriente eléctrica. (m). Según sea la resistividad los materiales son conductores, aislantes o semiconductores. Superconductores.  Rigidez dieléctrica es la máxima tensión que puede soportar por unidad de longitud un aislante sin que se produzca en él una chispa o descarga (kV/cm) 28CONTENIDO LA MATERIA PROP. MATERIALES DIAGR. EQUILIBRIO OXIDACIÓN Y CORROSIÓN
  29. 29. Propiedades físicas (II)  Propiedades térmicas  Dilatación térmica es el aumento de tamaño de un material al aumentar la Tª. Se debe a la mayor vibración de las partículas.  Calor específico es la cantidad de calor que hay que aportar a la unidad de masa de una sustancia para elevar un grado su Tª. ( J/(Kg K) )  Tª de fusión es la Tª a la que una sustancia empiece a fundirse.  Calor latente de fusión es el calor que hay que dar a la unidad de masa de una sustancia que está a la Tª de fusión para que pase de sólido a líquido. (kJ/mol)  Difusión es el desplazamiento de los átomos de un cuerpo desde su posición de equilibrio debido a la agitación térmica.  Conductividad térmica es la capacidad de un cuerpo para transmitir calor. (K) 29CONTENIDO LA MATERIA PROP. MATERIALES DIAGR. EQUILIBRIO OXIDACIÓN Y CORROSIÓN
  30. 30. Propiedades físicas (III)  Propiedades magnéticas  Según cual sea el comportamiento frente a los campos magnéticos, los cuerpos pueden ser diamagnéticos (se oponen al campo magnético debilitándolo. Ej: oro, plata,…), paramagnéticos (aumentan ligeramente un campo magnético aplicado. Ej: oxígeno, aluminio,…) o ferromagnéticos (amplifican un campo magnético aplicado. Ej: hierro, cobalto, níquel,…).  Propiedades ópticas  Según sea el comportamiento de un cuerpo al recibir luz (ésta sufre reflexión, difusión y refracción), éste será opaco, transparente o translúcido. 30CONTENIDO LA MATERIA PROP. MATERIALES DIAGR. EQUILIBRIO OXIDACIÓN Y CORROSIÓN
  31. 31. Propiedades mecánicas (I)  Elasticidad Es la capacidad para recuperar la forma primitiva cuando  cesa la carga que deforma a un material. Cuando se rebasa el límite elástico la deformación será permanente.  Plasticidad  Es la capacidad de un material para adquirir deformaciones permanentes sin llegar a la rotura. (maleabilidad y ductilidad).  Cohesión  Es la resistencia que ofrecen los átomos a separarse.  Dureza  Es la resistencia que ofrecen los cuerpos a ser rayados o penetrados. Depende de la cohesión atómica. 31CONTENIDO LA MATERIA PROP. MATERIALES DIAGR. EQUILIBRIO OXIDACIÓN Y CORROSIÓN
  32. 32. Propiedades mecánicas (II)  Tenacidad Es la resistencia a la rotura por acción de fuerzas externas.   Fragilidad  Es la propiedad opuesta a la tenacidad. Intervalo plástico muy corto y límites elástico y de rotura muy próximos.  Resistencia a la fatiga  Es la resistencia que ofrecen un material a los esfuerzos repetitivos.  Resiliencia  Es la energía absorbida en una rotura por impacto. 32CONTENIDO LA MATERIA PROP. MATERIALES DIAGR. EQUILIBRIO OXIDACIÓN Y CORROSIÓN
  33. 33. Propiedades estéticas y económicas  Propiedades estéticas  Aspecto. (Ej: ropa)  Textura. (Ej: madera)  Color. (Ej: ropa)  Olor. (Ej: madera)  Propiedades económicas  Precio del material.  Coste del transporte desde el lugar de producción hasta el de consumo.  Disponibilidad del material. 33CONTENIDO LA MATERIA PROP. MATERIALES DIAGR. EQUILIBRIO OXIDACIÓN Y CORROSIÓN
  34. 34. Propiedades de fabricación Las propiedades de fabricación dan idea de la posibilidad de someter a un material a determinados procesos industriales.  Maleabilidad  Es la capacidad de un material para ser laminado.  Ductilidad  Es la capacidad de un material para ser convertido en hilos.  Forjabilidad  Es la capacidad de un material para ser forjado.  Maquinabilidad  Es la capacidad de un material para ser sometido a procesos de arranque de viruta. 34CONTENIDO LA MATERIA PROP. MATERIALES DIAGR. EQUILIBRIO OXIDACIÓN Y CORROSIÓN
  35. 35. Selección de materiales No existe ningún material perfecto que sea utilizable en cualquier aplicación. Por este motivo, cuando se va a elegir un material con una finalidad determinada, es preciso sopesar sus cualidades y defectos y actuar en consecuencia PROPIEDADES ATRIBUTOS INTRÍNSECAS Precio y Disponibilidad Propiedades Mecánicas Propiedades de Fabricación DISEÑO Propiedades Físicas Propiedades Estéticas Propiedades Químicas 35CONTENIDO LA MATERIA PROP. MATERIALES DIAGR. EQUILIBRIO OXIDACIÓN Y CORROSIÓN
  36. 36. Diagramas de equilibrio. Aleaciones  Aleación (disoluciones sólidas) Es una disolución sólida entre dos o más elementos, uno de ellos de carácter metálico. Los átomos que se introducen del segundo elemento pasan a formar parte de la estructura cristalina del metal mejorando así propiedades como la dureza, tenacidad y conductividad. Para que el producto resultante de la disolución sea una aleación tiene que cumplirse:  Los elementos a mezclar tienen que ser miscibles en estado líquido de manera que al solidificar resulte un producto homogéneo.  El producto resultante tiene que tener carácter metálico. Se mantienen los enlaces metálicos. 36CONTENIDO LA MATERIA PROP. MATERIALES DIAGR. EQUILIBRIO OXIDACIÓN Y CORROSIÓN
  37. 37. Diagramas de equilibrio. Componentes de una aleación (I) En una aleación el disolvente es el elemento que conserva la red cristalina y el soluto el otro elemento, independientemente de cual esté en mayor proporción. Se define concentración como la relación entre la cantidad de masa de soluto y la masa total de la aleación, expresada en términos porcentuales. ms C  100 ms  m D 37CONTENIDO LA MATERIA PROP. MATERIALES DIAGR. EQUILIBRIO OXIDACIÓN Y CORROSIÓN
  38. 38. Diagramas de equilibrio. Componentes de una aleación (II) ___EJERCICIOS___  Se disuelven 85 Kg de Co en 1 tm de acero. ¿Cuál es la concentración de Co en masa de la solución? ms 85 C  100   100  7.8% de Co ms  m D 85  1000  ¿Qué cantidad de Co se debe añadir a 1.5 tm de acero para tener una aleación al 8% de Co? m Co m Co C 100  8 100  m Co  130.4 Kg m Co  m Acero m Co  1500CONTENIDO LA MATERIA PROP. MATERIALES DIAGR. EQUILIBRIO OXIDACIÓN Y CORROSIÓN
  39. 39. Diagramas de equilibrio. Tipos de aleaciones  Tipos de aleaciones según la deformación de la red cristalina:  Solución por sustitución: Los átomos de disolvente y soluto tienen estructura cristalina similar y ambos forman parte de la estructura cristalina al reemplazarse átomos del disolvente por átomos del soluto.  Solución por inserción: Los átomos del soluto son muy pequeños comparados con los del disolvente y se colocan en el interior, en los huecos, de la red cristalina del disolvente. Cuando los átomos del soluto son de tamaño superior o inferior a los que sustituyen del disolvente o a los huecos en los que se insertan de éste, la estructura cristalina original se deforma provocando tensiones internas semejantes a las producidas en ensayos de tracción o deformaciones en frío, provocando un aumento del límite elástico. El material aumenta la carga de rotura pero también su fragilidad. 39CONTENIDO LA MATERIA PROP. MATERIALES DIAGR. EQUILIBRIO OXIDACIÓN Y CORROSIÓN
  40. 40. Diagramas de equilibrio. Energía en las aleaciones (I)  Normalmente los metales no están en estado líquido, pero es necesario licuarlos para poder realizar una aleación. Para ello es necesario dar energía al metal en forma de calor para elevar su Tª desde 25ºC hasta la Tª de fusión: donde  Q es la energía que se debe aportar Q  m Ce t  m es la masa a fundir  Ce es el calor específico del metal a fundir  ∆t es la variación de Tª hasta alcanzar la de fusión  Mientras que la energía necesaria para el cambio de estado se calculará: donde  Q es la energía que se debe aportar para el cambio de estado  m es la masa a fundir Q  mC  C es el calor latente de fusión del metal a fundir 40CONTENIDO LA MATERIA PROP. MATERIALES DIAGR. EQUILIBRIO OXIDACIÓN Y CORROSIÓN
  41. 41. Diagramas de equilibrio. Energía en las aleaciones (II) ___EJERCICIO___  Calcular la energía precisa para fundir 1 tm de Al. Q  m Ce Δt  1000Kg  0.215Kcal/Kgº C  (660  25)º C  136525 Kcal Mientras que la energía necesaria para el cambio de estado será: Q  m C  1000Kg  92.7Kcal/Kg  92700 Kcal La energía total necesaria será la suma de las dos Q  136525 Kcal  92700 Kcal  229225 Kcal expresada en Kwh (1Kwh = 861.24Kcal) será Q = 226 Kwh Normalmente hace falta mucha más energía para conseguir la fusión completa ya que gran parte de la energía invertida se pierde en las paredes del horno y, además, hay que elevar la Tª muy por encima del punto de fusión para que el metal no comience a solidificar hasta que sea utilizado el metal líquido. 41CONTENIDO LA MATERIA PROP. MATERIALES DIAGR. EQUILIBRIO OXIDACIÓN Y CORROSIÓN
  42. 42. Diagramas de equilibrio. Cristalización (I)  La cristalización de los metales puros y de las aleaciones tiene lugar mediante un proceso de solidificación. En los metales puros este proceso se produce a Tª constante (siempre que no se de el proceso de subfusión que se produce a una Tª inferior a la de fusión), mientras que en las aleaciones la Tª no permanece constante durante la solidificación. 42CONTENIDO LA MATERIA PROP. MATERIALES DIAGR. EQUILIBRIO OXIDACIÓN Y CORROSIÓN
  43. 43. Diagramas de equilibrio. Cristalización (II) En el proceso de solidificación se dan las siguientes etapas:  1) Nucleación es la formación de núcleos estables en la masa fundida.  2) Cristalización o crecimiento de los núcleos en las 3 dimensiones del espacio. Se forman las dentritas para dar origen a cristales.  3) Formación del grano a partir de los cristales anteriores. Interesa que el tamaño del grano sea pequeño para obtener mejores propiedades mecánicas. Cuando los metales solidifican en un molde, el proceso de cristalización es más rápido en los bordes que en el centro del molde debido a que el enfriamiento en las paredes del molde es más rápido y a que el metal se adhiere a las paredes del mismo. Esto provoca que se creen más cristales y se formen granos de menor tamaño; en el interior los granos que se forman son más grandes y, por consiguiente, se forman columnas en dirección perpendicular a la pared. Además, al enfriarse el metal se contrae por lo que pueden aparecer defectos. 43CONTENIDO LA MATERIA PROP. MATERIALES DIAGR. EQUILIBRIO OXIDACIÓN Y CORROSIÓN
  44. 44. Diagramas de equilibrio. Regla de las fases de Gibbs (I)  Componente (C) es cada una de las sustancias o elementos químicos que forman un material. Ej: acero es hierro + carburo de hierro.  Fase (F) es cada una de las partes homogéneas de un sistema que se diferencia físicamente del resto; los sistemas pueden ser elementos puros, compuestos químicos, aleaciones o disoluciones. En el caso de un elemento puro las fases son cada uno de los estados en los que puede estar. Ej: cada uno de los tres estados del agua es una fase.  Grados de libertad (N) es el número de variables de un sistema que podemos variar libremente: Tª, presión, concentración, etc. Gibbs desarrolló una ecuación que permite calcular el número de fases que pueden coexistir en equilibrio dentro de un sistema material. Es la regla de las fases de Gibbs: F+N=C+2 44CONTENIDO LA MATERIA PROP. MATERIALES DIAGR. EQUILIBRIO OXIDACIÓN Y CORROSIÓN
  45. 45. Diagramas de equilibrio. Regla de las fases de Gibbs (II) En la figura vemos el diagrama de fases del agua pura regulado por las variables presión y Tª.  En el punto triple coexisten tres fases (sólido, líquido y vapor) y solo hay un componente. Por lo que el número de grados de libertad será: F + N = C + 2 => 3 + N = 1 + 2 => N = 0 Por tanto, ninguna de las variables P-T se puede modificar. El punto triple es invariante.  En un punto cualquiera de la curva de solidificación (roja) coexisten 2 estados o fases y por tanto F + N = C + 2 => 2 + N = 1 + 2 => N = 1 una de las variables P-T se puede modificar manteniendo un sistema con dos fases. A una P determinada sólo existe una T determinada a la que las dos fases sólido-líquido coexistan. F + N = C + 2 => 1 + N = 1 + 2 => N = 2 por lo que se pueden modificar dos variables y el sistema permanece en una fase única. 45CONTENIDO LA MATERIA PROP. MATERIALES DIAGR. EQUILIBRIO OXIDACIÓN Y CORROSIÓN
  46. 46. Diagramas de Equilibrio de Fases.  Contienen toda la información sobre la estructura de fases de una aleación. Son la representación de la relación entre la estructura, la composición y el número de fases presentes en el equilibrio, así como las transformaciones que se producen al cambiar de una fase a otra.  Mediante estos diagramas podemos predecir las transformaciones y la microestructuras resultantes de los cambios de fase que se originan al modificar la Tª, presión y/o concentraciones de la aleación (se pueden modificar otras variables pero estas son las usuales). En estos casos, las fases pueden aparecer, desaparecer o cambiar de una a otra, generándose transformaciones y microestructuras que pueden estar o no en equilibrio.  Cada fase se nombra con una letra griega y al material fundido se le llama líquido.  Normalmente se representan diagramas de dos componentes y a presión atmosférica, con lo que solo quedan dos variables: Tª (eje ordenadas) y concentración en % (eje abscisas).  El diagrama nos indicará la composición o porcentaje de cada fase para una Tª y una concentración de los materiales implicados dada. Por ejemplo, para 40% del material A, existirán dos fases posibles α y ß. Al disminuir la Tª la fase α va convirtiéndose en la fase ß, pero hasta lograrlo pueden convivir las dos fases en la aleación (zona verde). 46CONTENIDO LA MATERIA PROP. MATERIALES DIAGR. EQUILIBRIO OXIDACIÓN Y CORROSIÓN
  47. 47. Diagramas de Equilibrio de Fases. Regla de la Palanca (I)  P1: en esta zona el 100% de la aleación está en fase α hasta llegar a la línea de fase α.  P2: es la zona de la línea de fase α, a partir de aquí empieza a generarse la fase ß.  P3: en esta zona conviven las dos fases. Para averiguar en qué porcentaje lo hacen se usa la regla de la palanca.  A la T3 se traza la isoterma, segmento horizontal hasta cortar las líneas de fase, generando los puntos de corte con éstas Cα y Cß cuyas concentraciones correspondientes de componente B son 60% y 25%.  La fracción de una fase es la relación entre el segmento formado por el punto de estudio P3 y el punto de corte con la otra fase y la isoterma (o recta de reparto). Así: P3 C 40  25 Fracción de    100   100  42.86% C C 60  25 P3 C 60  40 Fracción de    100   100  57.14% C C 60  25  Estas son los porcentajes de cada fase en el punto P3, ; es decir, a la T3 y con una concentración del 40% del componente B. 47CONTENIDO LA MATERIA PROP. MATERIALES DIAGR. EQUILIBRIO OXIDACIÓN Y CORROSIÓN
  48. 48. Diagramas de Equilibrio de Fases. Regla de la Palanca (II)  P4: es la zona de la línea de fase ß, a partir de aquí empieza solamente la fase ß.  P5: en esta zona el 100% de la aleación esta en fase ß. 48CONTENIDO LA MATERIA PROP. MATERIALES DIAGR. EQUILIBRIO OXIDACIÓN Y CORROSIÓN
  49. 49. Diagramas Isomórficos Binarios. Solubilidad total en estado líquido y sólido (I) Un sistema isomórfico binario es una aleación que está formada por dos componentes A y B que son ambos totalmente solubles en estado líquido y sólido. Para obtener el diagrama de equilibrio de una aleación se toman un número de aleaciones con distintos porcentajes de A y B primero se obtienen las diferentes curvas de enfriamiento. Para ello, se funde cada una de ellas y se deja enfriar lentamente, representando una gráfica Tª- t y anotando en ellas los puntos críticos: Tª de licuefacción (cuando empiezan a formarse cristales) y Tª de solidificación (cuando se forma el último cristal). Después se trasladan estos puntos a una gráfica Tª-concentración y se unen todos los puntos de Tª de licuefacción formando la línea de liquidus y todos los puntos de Tª de solidificación formando la línea de solidus. Se puede determinar la Tª a la que empieza a fundirse una aleación (Tª de licuefacción) y la Tª a la que estará totalmente fundida (Tª de solidificación) para una concentración determinada trazando una vertical sobre dicha concentración y evaluando los puntos de corte de ésta con las líneas de liquidus y solidus. 49CONTENIDO LA MATERIA PROP. MATERIALES DIAGR. EQUILIBRIO OXIDACIÓN Y CORROSIÓN
  50. 50. Diagramas Isomórficos Binarios. Solubilidad total en estado líquido y sólido (II) 50CONTENIDO LA MATERIA PROP. MATERIALES DIAGR. EQUILIBRIO OXIDACIÓN Y CORROSIÓN
  51. 51. Diagramas Isomórficos Binarios. Solubilidad total en estado líquido y sólido (III)  Número de fases presente: Las líneas de solidus y liquidus dividen el diagrama en tres zonas dentro de las cuales toda la aleación estará formada por las mismas fases. Aplicando la regla de las fases de Gibbs, se puede apreciar que:  Cualquier punto de la zona L representa una fase líquida única. Cuanto más alejado se esté de la línea de liquidus, más líquida será la aleación.  En la zona α existe una única fase, sólida.  En la zona α+L estarán presentes las dos fases, líquido y sólido, en equilibrio. La composición y porcentajes de cada fase dependerá de la Tª para una composición de la aleación dada. 51CONTENIDO LA MATERIA PROP. MATERIALES DIAGR. EQUILIBRIO OXIDACIÓN Y CORROSIÓN
  52. 52. Diagramas Isomórficos Binarios. Solubilidad total en estado líquido y sólido (IV)  Determinación de las Tª de solidificación y licuefacción para una concentración dada: Trazamos una vertical sobre la concentración de estudio y evaluamos los puntos de corte de ésta con las líneas de liquidus y solidus. En la concentración 70-30, la Tª de licuefacción será la correspondiente al punto dL mientras que la Tª de solidificación será la correspondiente al punto bS. 52CONTENIDO LA MATERIA PROP. MATERIALES DIAGR. EQUILIBRIO OXIDACIÓN Y CORROSIÓN
  53. 53. Diagramas Isomórficos Binarios. Solubilidad total en estado líquido y sólido (V)  Determinación de la composición de las fases: En la zona bifásica, la composición de cada fase para una concentración dada la determinan los puntos de corte de la recta de reparto trazada a la Tª de estudio y las líneas de solidus y liquidus. Para el caso del punto C, la composición de líquido será CL(42% de A y 58% de B) mientras que la composición de sólido será CS (80% de A y 20% de B). En una zona monofásica, la composición de la fase será la concentración de la aleación en ese punto de estudio.  Determinación de los porcentajes de cada fase: La cantidad de masa de aleación relativa a cada fase para una concentración y Tª dadas se calcula aplicando la regla de la palanca en el punto de estudio. CS C 80  70 WL   100   100  26.32% CS C L 80  42 C CL 70  42 WS   100   100  73.68% CS C L 80  42 53CONTENIDO LA MATERIA PROP. MATERIALES DIAGR. EQUILIBRIO OXIDACIÓN Y CORROSIÓN
  54. 54. Diagramas Isomórficos Binarios. Solubilidad total en estado líquido y sólido (VI) ___EJERCICIO___  Interpretar el diagrama de fases Cu-Ni En estado líquido 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 1080ºC el Cu y el Ni son mutuamente solubles en estado sólido a cualquier composición, ya que tienen la misma estructura cristalina, y similares radios atómicos, electronegatividades y valencias. El sistema resultante es isomorfo.  Indica los puntos de fusión de los componentes puros.  Analiza las temperaturas de licuefacción y solidificación para una composición del 50% de cada componente.  Calcula el número de fases presentes en los puntos A, B y C, indicando la Tª y las concentraciones de Ni y Cu en cada punto.  Calcula la composición de fases en los puntos anteriores.  Calcula el porcentaje de cada fase en los puntos anteriores (utiliza el gráfico ampliado) 54CONTENIDO LA MATERIA PROP. MATERIALES DIAGR. EQUILIBRIO OXIDACIÓN Y CORROSIÓN
  55. 55. Diagramas de Equilibrio de aleaciones totalmente solubles en estado líquido e insolubles en estado sólido (I). 55CONTENIDO LA MATERIA PROP. MATERIALES DIAGR. EQUILIBRIO OXIDACIÓN Y CORROSIÓN
  56. 56. Diagramas de Equilibrio de aleaciones totalmente solubles en estado líquido e insolubles en estado sólido (III). CONCENTRACIÓN 70% A / 30% B ALEACIÓN HIPOEUTÉCTICA  a: toda la aleación es de fase líquida y su concentración es la de la aleación 70% de A y 30% de B.  bL: comienzan a formarse los primeros cristales de A. La concentración de la fase líquida es bL (70-30) y la de la fase sólida es bS (100-0).  n: en esta zona conviven las dos fases. La concentración de la fase líquida es nL (55-45) y la de la fase sólida es bS (100-0). Para averiguar en qué porcentaje lo hacen se usa la regla de la palanca. nS n 100  70 n nL 70  55 WL   100   100  66.70% WS   100   100  33.30% nS nL 100  55 nS nL 100  55  d: existen cristales puros de A de concentración dS (100-0) y el resto será líquido de concentración la de la aleación eutéctica. Los porcentajes: dS d 100  70 d dL 70  40 WL   100   100  50% WS   100   100  50% dS dL 100  40 dS dL 100  40  A partir del punto d hacia abajo, las aleaciones están formadas por los cristales de A formados entre bL y d (cristales primarios de A) y cristales mixtos de A+B (cristales secundarios de A). Las concentraciones serán las de la aleación, 30% de B y 70% de A, formado por 50% de A primario y 70-50 = 20% de A secundario. 56CONTENIDO LA MATERIA PROP. MATERIALES DIAGR. EQUILIBRIO OXIDACIÓN Y CORROSIÓN
  57. 57. Diagramas de Equilibrio de aleaciones totalmente solubles en estado líquido e insolubles en estado sólido (IV). CONCENTRACIÓN 40% A / 60% B. ALEACIÓN EUTÉCTICA  e: toda la aleación es de fase líquida y su concentración es la de la aleación 40% de A y 60% de B.  c: comienzan a formarse los primeros cristales de A y de B de igual manera e íntimamente mezclados, formando cristales mixtos de composición total la de la aleación eutéctica.  A partir del punto c hacia abajo, y hasta la Tª ambiente, no hay cambio alguno. Las aleaciones eutécticas tienen el menor punto de fusión y por ello son idóneas para fabricar piezas fundidas mediante moldes. Rellenan mejor los moldes y son más homogéneas. 57CONTENIDO LA MATERIA PROP. MATERIALES DIAGR. EQUILIBRIO OXIDACIÓN Y CORROSIÓN
  58. 58. Diagramas de Equilibrio de aleaciones totalmente solubles en estado líquido e insolubles en estado sólido (V). CONCENTRACIÓN 25% A / 75% B ALEACIÓN HIPEREUTÉCTICA  k: toda la aleación es de fase líquida y su concentración es la de la aleación 25% de A y 75% de B.  d: comienzan a formarse los primeros cristales de B. La concentración de la fase líquida es dL (25-75) y la de la fase sólida es dS (0-100).  p: en esta zona conviven las dos fases. La concentración de la fase líquida es pL (32.5-67.5) y la de la fase sólida de cristales de B es pS (0-100). Para averiguar en qué porcentaje lo hacen se usa la regla de la palanca. p pS 25  0 WS  100  77  23 % WL   100   100  77% p L pS 32.5  0  q: existen cristales puros de B de concentración qS (0-100) y el resto será líquido de concentración la de la aleación eutéctica. Los porcentajes q qS 25  0 WS  100  62 .5  37 .5% WL   100   100  62.5% q L qS 40  0  A partir del punto q hacia abajo, las aleaciones están formadas por los cristales de B formados entre d y q (cristales primarios de B) y cristales mixtos de A+B (cristales secundarios de B). Las concentraciones serán las de la aleación, 25% de A y 75% de B, formado por 37.5% de B primario y 75-37.5 = 37.5% de B secundario. 58CONTENIDO LA MATERIA PROP. MATERIALES DIAGR. EQUILIBRIO OXIDACIÓN Y CORROSIÓN
  59. 59. Aleaciones hierro-carbono: En industria el hierro puro no tiene prácticamente aplicaciones, pero es muy utilizado en forma de aleaciones con el carbono y otros elementos. Mediante la variación de la velocidad en los calentamientos y enfriamientos del acero se pueden obtener determinadas estructuras y con ello variar considerablemente las propiedades de los aceros y las piezas fabricadas con este material. Los objetivos que se logran con los tratamientos térmicos son:  Lograr una estructura de menor dureza y mayor maquinabilidad.  Eliminar tensiones internas para evitar deformaciones después del mecanizado.  Eliminar la acritud originada por el trabajo en frío. (hierro quebradizo)  Conseguir una estructura más homogénea.  Obtener máxima dureza y resistencia.  Variar alguna de las propiedades físicas. No todos los objetivos se logran con el mismo tratamiento térmico, sino que existen diferentes tratamientos a aplicar a los materiales en función del objetivo u objetivos a conseguir. Como tratamientos térmicos más destacados se pueden citar el temple, recocido, normalizado y el revenido. En todos los tratamientos la primera fase es un calentamiento del material. 59CONTENIDO LA MATERIA PROP. MATERIALES DIAGR. EQUILIBRIO OXIDACIÓN Y CORROSIÓN
  60. 60. Aleaciones hierro-carbono: estados alotrópicos del Fe El hierro es un metal alotrópico, es decir, cambia de estructura de cristalización en función de la Tª, como podemos ver en las curvas de enfriamiento y calentamiento. 60CONTENIDO LA MATERIA PROP. MATERIALES DIAGR. EQUILIBRIO OXIDACIÓN Y CORROSIÓN
  61. 61. Aleaciones hierro-carbono: composición (I) El carbono se puede encontrar en el hierro de las siguientes formas:  Disuelto en hierro α (ferrita) en muy pequeñas proporciones. (a Tª ambiente)  Disuelto en hierro γ, formando una solución sólida denominada austenita. (al aumentar la Tª)  Combinado con el hierro, formando un compuesto denominado cementita (Fe3C)  Libre formando láminas o nódulos de grafito. Los cambios de estado del hierro y el acero se verifican cuando los cambios de temperatura son lentos, según se representa en el diagrama hierro-carbono. 61CONTENIDO LA MATERIA PROP. MATERIALES DIAGR. EQUILIBRIO OXIDACIÓN Y CORROSIÓN
  62. 62. Aleaciones hierro-carbono: composición (II) Las aleaciones con contenidos de carbono comprendidos entre 0.10% y 1.76% reciben el nombre de aceros (que a su vez pueden alearse con otros elementos) mientras que si el porcentaje de carbono sobrepasa el 1.76% reciben el nombre de fundiciones, que no se pueden forjar. La máxima proporción de carbono que una aleación puede disolver es 6.67%, compuesto denominado cementita (Fe3C puro). Tanto los aceros como las fundiciones presentan impurezas de elementos como el azufre o el fósforo que despreciaremos a la hora de analizar el diagrama de equilibrio. 62CONTENIDO LA MATERIA PROP. MATERIALES DIAGR. EQUILIBRIO OXIDACIÓN Y CORROSIÓN
  63. 63. Aleaciones hierro-carbono: constitución (I). Las aleaciones están formadas por constituyentes, cuya naturaleza varía en función de la concentración de sus componentes químicos y de la Tª. Los principales constituyentes son:  Ferrita: solución sólida de carbono en hierro α. Su baja solubilidad a Tª ambiente (0.008% de C como máximo) hace que se la considere hierro α puro. Es el más blando y dúctil de los aceros. Cristaliza en red cúbica centrada en el cuerpo (BCC). Tiene una dureza de 90HB (dureza en grados Brinell) y una resistencia a la rotura de 28 Kg/mm2; puede sufrir alargamientos del 30 al 40%. Posee propiedades magnéticas.  Cementita (Fe3C): Es el constituyente más duro (hasta 800HB) y frágil de los aceros. Posee propiedades magnéticas hasta los 210ºC. Cristaliza en redes ortorrómbicas.  Perlita: solución formada por un 86.5% de ferrita y un 13.5% de cementita. Tiene una dureza de 200HB, una resistencia a la rotura de 80 Kg/mm2 y un alargamiento del 15%. Si el enfriamiento ha sido lento posee una estructura laminar (perlita laminar) y si no presenta una estructura más borrosa (perlita sorbítica). A una Tª de 723ºC en la perlita laminar la cementita adquiere forma de glóbulos incrustados en la masa de la ferrita (perlita globular). ferrita cementita perlita 63CONTENIDO LA MATERIA PROP. MATERIALES DIAGR. EQUILIBRIO OXIDACIÓN Y CORROSIÓN
  64. 64. Aleaciones hierro-carbono: constitución (II).  Austenita: está formada por una solución sólida por inserción de carbono en hierro γ. La proporción del carbono varía desde 0 a 1.76%. Es el constituyente más denso de los aceros y está formada por cristales cúbicos de hierro γ, donde los átomos de carbono están intercalados en las aristas y en el centro. Tiene una dureza de hasta 300HB, una resistencia a la rotura de 100 Kg/mm2 y un alargamiento del 30%. No es magnética.  Martensita: después de la cementita es el más duro de los constituyentes. Es una solución sólida sobresaturada de carbono en hierro α que se obtiene por enfriamiento rápido de la austenita de los aceros, después de haber sido calentada para conseguir una constitución austenítica. Se presenta en forma de agujas y cristaliza en el sistema tetragonal. La proporción de C varía hasta el 0.89%, aumentando según sea esta su dureza (de 50 a 68HB), su resistencia a la rotura (de 175 a 250 Kg/mm2) y su alargamiento (de 2.5 a 5%). Posee propiedades magnéticas.  Troostita: Intermedio de la martensita y la sorbita, se produce mediante una transformación isotérmica de la austenita que se enfría rápidamente hasta el intervalo de temperaturas de 600ºC a 650ºC y se mantiene la Tª para que toda la austenita se convierta en troostita. Se presenta en forma de nódulos de láminas radiales de cementita sobre ferrita. Su dureza es de 450HB y su resistencia a la rotura de 250 Kg/mm2. austenita martensita troostita 64CONTENIDO LA MATERIA PROP. MATERIALES DIAGR. EQUILIBRIO OXIDACIÓN Y CORROSIÓN
  65. 65. Aleaciones hierro-carbono: constitución (III).  Sorbita: se produce mediante una transformación isotérmica de la austenita que se enfría rápidamente hasta el intervalo de temperaturas de 500 a 600ºC en un procedimiento similar al anterior. Se presenta en forma de láminas más finas que las de troostita y similares a las de perlita. Su dureza es de 350HB y su resistencia a la rotura de 100 Kg/mm2.  Bainita: también se produce mediante una transformación isotérmica de la austenita en un intervalo de temperaturas de 200ºC a 250ºC en un temple defectuoso llamado isotérmico o bainítico. sorbita bainita 65CONTENIDO LA MATERIA PROP. MATERIALES DIAGR. EQUILIBRIO OXIDACIÓN Y CORROSIÓN
  66. 66. Aleaciones hierro-carbono: estructuras Hay tres tipos de estructuras:  Estructura cristalina: no es uniforme, varía según los constituyentes de la aleación, y éstos cambian con la composición y la Tª.  Estructura micrográfica: es típica de los aceros y está formada por granos, el tamaño de los cuales determinará las propiedades físicas y mecánicas de los diferentes aceros. En general estas propiedades son peores cuanto mayor es el grano, salvo la capacidad de trabajar con máquinas, que aumenta.  Estructura macrográfica: depende de las impurezas que contenga el acero y de la forja a la que puede ser sometido. 66CONTENIDO LA MATERIA PROP. MATERIALES DIAGR. EQUILIBRIO OXIDACIÓN Y CORROSIÓN
  67. 67. Diagrama de equilibrio con transformaciones en estado sólido (I) La aleación hierro-carbono, en realidad, es una aleación hierro-carburo de hierro (Fe3C) donde tenemos el 6,67% de C y el 93,33% de Fe. En esta parte del diagrama vamos a elegir tres aleaciones tipo, identificadas con las cifras ll, III y IV.  Aleación III (0,89% de C): En a toda la aleación esta en estado líquido. En b comienzan a formarse cristales de austenita. En c coexisten dos fases: fase líquida y fase sólida. En d se solidifica el último resto del líquido. Entre d y A13 los cristales son todos de austenita, solución sólida de cementita en hierro γ. En A13 el hierro γ (CCC) se transforma en hierro α (CC), que no es capaz de mantener disuelta a la cementita. Los cristales de austenita se transforman en otros de hierro α (ferrita) y carburo de hierro (cementita), denominados perlita. 67CONTENIDO LA MATERIA PROP. MATERIALES DIAGR. EQUILIBRIO OXIDACIÓN Y CORROSIÓN
  68. 68. Diagrama de equilibrio con transformaciones en estado sólido (II)  Aleación II (C < 0,89%): Sucede lo mismo que en la anterior, hasta llegar al punto A3. En este momento empiezan a transformarse los cristales de hierro γ en hierro α o ferrita. En n (0,45% de C) ya se han transformado una serie de cristales de hierro γ en hierro α. La concentración y cantidad relativa de cada fase se calcula como en casos anteriores:  Los cristales de ferrita son hierro puro.  Los cristales de austenita tienen la concentración correspondiente al punto nγ (aproximadamente 0,75% de C): n n 0.30 W   100   100  40% de ferrita n n 0.75 W  100  40  60 % de austenita  Al alcanzar A1 se tendrán cristales de hierro α y cristales de austenita (0,89% de C), y las cantidades serán: 68CONTENIDO LA MATERIA PROP. MATERIALES DIAGR. EQUILIBRIO OXIDACIÓN Y CORROSIÓN
  69. 69. Diagrama de equilibrio con transformaciones en estado sólido (III) 0.89  0.45 W   100  49% de ferrita 0.89 W  100  49  51 % de austenita  Del punto A1 hacia abajo, la ferrita primaria sigue invariable y la austenita de concentracion 0,89% de carbono se transforma en perlita.  Aleación IV (C > 0,89%): Sucede lo mismo que en los otros casos hasta llegar al punto Acm, donde comienzan a formarse cristales de cementita. A partir de ese punto va empobreciéndose la austenita en contenido de carbono, y al llegar al punto A1 alcanza la concentración A13 (0,89% de C). En los puntos intermedios entre Acm y A1 se puede saber la concentración de la austenita y de la cantidad de ella y de la cementita segregada. Para m se tendrá que la concentración de austenita es la correspondiente al punto m (aproximadamente 1,1% de C). Las cantidades serán: 69CONTENIDO LA MATERIA PROP. MATERIALES DIAGR. EQUILIBRIO OXIDACIÓN Y CORROSIÓN
  70. 70. Diagrama de equilibrio con transformaciones en estado sólido (IV) mm 1.3  1.1 WFe3C   100   100  3.57% cementita m6, 7 m 6.7  1.1 W  100  3.57  96 .43 % de austenita Por debajo de A1 se la austenita se transforma en perlita, y la cementita permanece. Esta parte del diagrama Fe-C es similar al de los diagramas de aleaciones eutécticas en cuanto a formas y comportamiento, pero el diagrama Fe-C se parte de una aleación en estado sólido y las transformaciones se logran siempre en este estado. Debido a esta similitud, a la aleación de 0,89% de C se Ie llama eutectoide. El constituyente eutectoide es la perlita, formada por cristales mixtos de los dos componentes, hierro (ferrita) y carburo de hierro (cementita). Las aleaciones de menos de 0,89% de C se llaman hipoeutectoides y las de mas de 0,89% hipereutectoides. 70CONTENIDO LA MATERIA PROP. MATERIALES DIAGR. EQUILIBRIO OXIDACIÓN Y CORROSIÓN
  71. 71. Diagrama de equilibrio de fases Fe-C (I) 71CONTENIDO LA MATERIA PROP. MATERIALES DIAGR. EQUILIBRIO OXIDACIÓN Y CORROSIÓN
  72. 72. Diagrama de equilibrio de fases Fe-C (II) Conocidos los componentes y constituyentes que podemos encontrar en las aleaciones hierro- carbono, se puede determinar cuales de ellos las forman, según sean las proporciones de hierro y carbono, así como la Tª a que se encuentran. En la se ha representado un diagrama de hierro- carbono; de su observación y análisis se puede deducir:  1.- La línea ABCD es la línea de liquidus, a partir de la cual comienzan a solidificar las aleaciones del sistema. La línea AECF o línea de solidus indica las temperaturas pertenecientes al final de la solidificación.  2.- El punto A coincide con la Tª de solidificación del hierro en estado puro.  3.- El punto C representa la aleación eutéctica con una proporción de carbono del 4.3%, compuesta por austenita y cementita formando la ledeburita. 72CONTENIDO LA MATERIA PROP. MATERIALES DIAGR. EQUILIBRIO OXIDACIÓN Y CORROSIÓN
  73. 73. Diagrama de equilibrio de fases Fe-C (III)  4.- El punto E es el de máxima solubilidad del C en hierro , que corresponde a una proporción de carbono del 1,76% .  5.- El punto D está en el limite del diagrama 6,67% de carbono, que corresponde a la cementita pura.  6.- En el punto S o eutectoide, la austenita se transforma en perlita. Esta aleación tiene el 0,89% de carbono. 73CONTENIDO LA MATERIA PROP. MATERIALES DIAGR. EQUILIBRIO OXIDACIÓN Y CORROSIÓN
  74. 74. Diagrama de equilibrio de fases Fe-C (IV) Para la mejor comprensión del diagrama, estudiaremos el proceso de solidificación de seis aleaciones de los siguientes porcentajes de carbono: 0.5%; 0.89%; 1.2%; 3.2%; 4.3% y 5.4%.  Aleación I (0.5% de C). Por encima del punto 1 existe solamente la fase líquida. Comienza la formación de austenita hasta que en 2 solidifica totalmente. En el punto 3 el hierro γ se transforma progresivamente en ferrita o hierro α. Mientras dura la transformación anterior, la austenita residual se enriquece en carbono hasta que en el punto 4, con una proporción de 0,89 de C, se convierte en perlita.  Aleación II (0.89% de C). Comportamiento idéntico al anterior, con una sensible diferencia, y es que no existe el punto 3, porque toda la austenita se transforma bruscamente en perlita. Es la llamada eutectoide.  Aleación III (1.2% de C). En el punto 5 comienzan a separarse cristales de cementita, empobreciéndose progresivamente en carbono la austenita restante, hasta que en el punto 6 a la temperatura de 723ºC el porcentaje es de 0.89%, y se transforma bruscamente en perlita. 74CONTENIDO LA MATERIA PROP. MATERIALES DIAGR. EQUILIBRIO OXIDACIÓN Y CORROSIÓN
  75. 75. Diagrama de equilibrio de fases Fe-C (IV)  Aleación IV (3.2% de C). En el punto 7 comienza la solidificación y se forma austenita. Cuando el Iíquido residual llega a la línea eutéctica, todo el se transforma en ledeburita, punto 8. Conforme desciende la temperatura, la austenita va segregando cementita preeutéctica, hasta que en el punto 9 se convierte en perlita. Como la ledeburita está formada por el 52% de cementita primaria y el 48% de austenita, también se transforma en perlita (ledeburita transformada).  Aleación V (4.3% de C). Idéntica a la anterior, aunque en el punto C presenta un paso brusco de solidificación en ledeburita (aleación eutéctica).  Aleación VI (5.4% de C). En el punto 10 comienzan a formarse cristales de cementita, mientras que la fase líquida va perdiendo carbono hasta que a la temperatura de 1130ºC solidifica en ledeburita con un porcentaje de carbono de 4.3%. 75CONTENIDO LA MATERIA PROP. MATERIALES DIAGR. EQUILIBRIO OXIDACIÓN Y CORROSIÓN
  76. 76. Técnicas de modificación de las propiedades de los materiales industriales Controlando el enfriamiento de las aleaciones es posible alterar la estructura y, en consecuencia, las propiedades de los materiales.  Tratamientos térmicos  Temple  Recocido  Revenido  Normalizado  Tratamientos termoquímicos  Cementación  Cianurización  Nitruración  Sulfinización  Tratamientos Mecánicos  En frío  En caliente  Tratamientos superficiales  Metalización  Cromado duro 76CONTENIDO LA MATERIA PROP. MATERIALES DIAGR. EQUILIBRIO OXIDACIÓN Y CORROSIÓN
  77. 77. Tratamientos Térmicos: Temple (I) Consiste en someter a los metales o aleaciones a un proceso de calentamiento y enfriamiento rápido y continuo en un medio adecuado: agua, aceite o aire. Tras el tratamiento se consigue un metal cuya superficie es muy dura, debido a que el enfriamiento tan rápido impide a los cristales de la superficie adquirir un equilibrio estable. Es el tratamiento típico de los aceros martensíticos. Un acero templado tendrá mejores propiedades cuanta mayor sea la cantidad de martensita que se haya generado en el proceso de enfriamiento. Se define la templabilidad como la aptitud de la aleación para endurecerse por la formación de martensita como consecuencia de un tratamiento térmico. 77CONTENIDO LA MATERIA PROP. MATERIALES DIAGR. EQUILIBRIO OXIDACIÓN Y CORROSIÓN
  78. 78. Tratamientos Térmicos: Temple (II)  Factores que influyen en el temple  Composición del acero: cuanta mayor sea la cantidad de carbono mejores propiedades tendrá el temple. La presencia de otros elementos que puedan formar carburos también favorecerán la templabilidad, es decir la formación de martensita a velocidades de enfriamiento menores.  Temperatura de calentamiento: Variará en función del contenido de carbono y de otros elementos.  Tiempo de calentamiento: Dependerá de la masa de la pieza.  Velocidad de enfriamiento: Es el factor más importante y depende del medio de temple.  Características del medio de temple: Condiciona la velocidad de enfriamiento.  Tamaño y geometría de la muestra: Condiciona el tiempo de enfriamiento y la homogeneidad del la pieza resultante.  Medios de temple  Agua: Es el medio más rápido de enfriamiento, se consiguen temples muy fuertes y se utiliza para templar aceros al carbono. Nunca debe llegar a los 30ºC. Es conveniente agitar el agua para evitar la formación de burbujas de vapor y para aumentar la velocidad de enfriamiento y, por tanto, la efectividad del temple.  Aceite: Al ser más viscosos se enfrían más lentamente y por tanto se consiguen temples más suaves. Se emplean para aceros aleados, pues cuanta mayor sea la cantidad de carbono el temple en el agua puede ser muy severo y provocar deformaciones y grietas. Conviene agitarlo.  Aire: Es el medio más lento. Provoca microestructuras totalmente perlíticas. 78CONTENIDO LA MATERIA PROP. MATERIALES DIAGR. EQUILIBRIO OXIDACIÓN Y CORROSIÓN
  79. 79. Tratamientos Térmicos: Temple (III)  Tipos de Temple  Temple continuo de austenización completa: se aplica a aceros hipoeutectoides. Su principal componente estructural es la martensita.  Temple continuo de austenización incompleta : se aplica a aceros hipereutectoides. La estructura resultante será martensita y cementita.  Temple martensítico o martempering: Se enfría la austenita en un baño de sales a Tª constante. La martensita obtenida es muy dura, resistente al rozamiento y frágil.  Temple austenpering: Es similar al anterior pero con mayor tiempo de permanencia en las sales para que el resultado final sea bainita.  Temple superficial: Consiste en calentar rápida y superficialmente un material de forma que solo la superficie se transforme en austenita. Luego se produce el enfriado rápido de manera que el núcleo de la pieza permanece blando, tenaz, resilente y resistente al desgaste, mientras que la superficie de la pieza es dura y resistente al rozamiento como un temple martensítico. El calentamiento de la pieza puede hacerse con soplete oxiacetilénico o por inducción eléctrica. 79CONTENIDO LA MATERIA PROP. MATERIALES DIAGR. EQUILIBRIO OXIDACIÓN Y CORROSIÓN
  80. 80. Tratamientos Térmicos: Recocido Consiste en calentar el material hasta una temperatura determinada durante un tiempo previsto para posteriormente enfriarlo lentamente hasta la Tª ambiente. Se consigue así eliminar los defectos estructurales introducidos por el temple para disminuir la dureza y favorecer el mecanizado de la pieza. Los objetivos que se buscan con el recocido son:  Eliminar tensiones del temple.  Aumentar la plasticidad, ductilidad y tenacidad.  Conseguir una microestructura específica. En función del tamaño y geometría de la pieza, es imprescindible controlar perfectamente los tiempos de calentamiento y enfriamiento así como las velocidades de variación de la Tª para evitar deformaciones y agrietamiento internos en las piezas. Según los resultados esperados hay tres tipos de recocidos:  Homogeneización: Se aplica en metales con soldaduras defectuosas.  Regeneración: Se aplica en aleaciones demasiado duras por haber enfriado demasiado rápido.  Estabilización: Consigue eliminar tensiones internas en metales y aleaciones sometidas a forjado o laminado. 80CONTENIDO LA MATERIA PROP. MATERIALES DIAGR. EQUILIBRIO OXIDACIÓN Y CORROSIÓN
  81. 81. Tratamientos Térmicos: Revenido Es un proceso posterior al temple para eliminar la fragilidad y mejorar la tenacidad a costa de disminuir la dureza. Consiste en calentar el material hasta una temperatura inferior a la de temple para lograr que la martensita se transforme en una estructura más estable para posteriormente enfriarlo rápidamente. Los factores que más influyen son la Tª y el tiempo de calentamiento: cuanto más se acerque a la Tª de temple y mayor sea el tiempo, mayor será el ablandamiento y mayor la tenacidad. Si bien se destruye parte del temple, el acero resultante es más blando pero menos frágil. 81CONTENIDO LA MATERIA PROP. MATERIALES DIAGR. EQUILIBRIO OXIDACIÓN Y CORROSIÓN
  82. 82. Tratamientos Térmicos: Normalizado Es un tratamiento térmico similar al recocido pero con una velocidad de enfriamiento más elevada. Se calienta el material para convertir la ferrita en austenita y se enfría al aire libre. Mediante este proceso se afinan los aceros, consiguiendo disminuir el tamaño de grano medio. 82CONTENIDO LA MATERIA PROP. MATERIALES DIAGR. EQUILIBRIO OXIDACIÓN Y CORROSIÓN
  83. 83. Tratamientos Termoquímicos Son procesos de calentamiento y enfriamiento de metales y aleaciones que además varían la composición química superficial de éstos, añadiendo otros elementos. La finalidad es mejorar determinadas propiedades en la superficie como la dureza y resistencia a la corrosión. Los principales tratamientos termoquímicos son:  Cementación: Se aumenta la cantidad de carbono en superficie para aumentar la dureza y la resiliencia. El material será más resistente a la fricción y a los golpes.  Nitruración: Se aumenta la cantidad de nitrógeno en superficie para aumentar la dureza. Se aplica a cigüeñales, brocas, sierras, etc donde la dureza es muy importante.  Cianurización: Se aumenta la cantidad de carbono y de nitrógeno. Es la combinación de los tratamientos anteriores.  Sulfinización: Se incorpora azufre, nitrógeno y carbono a la superficie del material. Se mejora la resistencia al desgaste y a la corrosión. 83CONTENIDO LA MATERIA PROP. MATERIALES DIAGR. EQUILIBRIO OXIDACIÓN Y CORROSIÓN
  84. 84. Tratamientos Mecánicos Son operaciones de deformación permanente de los metales y aleaciones mediante un esfuerzo mecánico. Mejoran la estructura interna al eliminar posibles fisuras y/o cavidades internas y homogeneizar el material. Se pueden llevar a cabo en frío o en caliente.  En frío: Los más conocidos son el laminado en frío, la estampación en frío, el estirado y el hilado. Se utilizan para obtener chapas, hilos y cables  En caliente: Los más conocidos son la forja, el laminado en caliente, la estampación en caliente y la extrusión. Se utilizan para fabricar herramientas y en artesanía. 84CONTENIDO LA MATERIA PROP. MATERIALES DIAGR. EQUILIBRIO OXIDACIÓN Y CORROSIÓN
  85. 85. Tratamientos Superficiales Son tratamientos que consisten en la mejora de las calidades superficiales de los metales y aleaciones. Los más conocidos son la metalización y el cromado duro.  Metalización: Se proyecta un metal fundido sobre la superficie de otro para conseguir que la superficie del segundo adquiera las propiedades del primero. Se usa para aumentar la resistencia al desgaste o a la corrosión.  Cromado duro: Se efectúa mediante un proceso electrolítico especial para conseguir que la capa de cromo sea más gruesa de lo habitual, de manera que el metal presente menor coeficiente de fricción y mayor resistencia al desgaste. 85CONTENIDO LA MATERIA PROP. MATERIALES DIAGR. EQUILIBRIO OXIDACIÓN Y CORROSIÓN
  86. 86. Oxidación y Corrosión Los dos componentes básicos del aire atmosférico son el nitrógeno (79%) y el oxígeno (21%). El nitrógeno es un gas muy poco activo mientras que el oxígeno es el responsable de la mayoría de los procesos químicos que se producen en los materiales expuestos a la intemperie. ■ En ambiente seco y cálido el oxígeno provoca la oxidación de muchos materiales. ■ En ambiente húmedo se produce corrosión. La mayor parte de los materiales se oxidan en contacto con el oxígeno, pero analizaremos sólo la oxidación y la corrosión de los metales. 86CONTENIDO LA MATERIA PROP. MATERIALES DIAGR. EQUILIBRIO OXIDACIÓN Y CORROSIÓN
  87. 87. Oxidación Desde el punto de vista químico, la oxidación es una reacción en la que el elemento que se oxida cede electrones al elemento oxidante. Aunque el más común de los oxidantes es el oxígeno (O2), la oxidación de los metales puede ser provocada por otros agentes como el cloro (Cl2), el bromo (Br2), el azufre (S), el hidrógeno (H), el iodo (l2), los óxidos de azufre (SO2 y SO3) y los de carbono (CO y CO2). En algunos metales como el cobre, el níquel, el estaño, el aluminio, el cromo, el proceso de oxidación depende de la Tª: ■ A Tª ambiente la capa de óxido que los recubre se compacta impidiendo el contacto del metal con el agente corrosivo y evitando que continúe la oxidación. ■ Si la Tª se eleva se puede producir una rotura de la capa de óxido y una difusión del oxígeno a través de esta capa, con lo que la oxidación llega al interior del metal. 87CONTENIDO LA MATERIA PROP. MATERIALES DIAGR. EQUILIBRIO OXIDACIÓN Y CORROSIÓN
  88. 88. Corrosión Es la destrucción lenta y progresiva de un material producida por el oxígeno del aire combinado con la humedad. Los procesos de corrosión son procesos electroquímicos, ya que en la superficie del metal se generan micropilas galvánicas en las que la humedad actúa como electrolito. Por tanto, se producen dos reacciones químicas simultaneas: una reacción anódica y una reacción catódica. ■ La reacción anódica se produce en la superficie del metal, que actúa como ánodo y cede electrones formándose el óxido correspondiente. ■ La reacción catódica consiste en la captura de los electrones por los radicales OH- y el posterior desprendimiento de hidrógeno gas (H2). Los agentes corrosivos más habituales son el cloruro de sodio presente en el agua de mar y el dióxido de azufre que se produce en las combustiones. 88CONTENIDO LA MATERIA PROP. MATERIALES DIAGR. EQUILIBRIO OXIDACIÓN Y CORROSIÓN
  89. 89. Corrosión. Tipos (I) Se suelen distinguir unos ocho tipos de corrosión: uniforme, galvánica, por aireación diferencial, picaduras, intergranular, erosión y corrosión bajo tensiones. ■ Corrosión uniforme: Cuando se coloca un metal en un electrolito (puede ser aire húmedo), puede verse al microscopio que unas zonas actúan como cátodo y otras como ánodo, repartiéndose al azar y cambiando, lo que da lugar a una corrosión uniforme incluso sin contacto con otro material. Es el caso de la herrumbre en el acero o la capa que recubre algunos objetos decorativos. Es la forma más común y predecible de corrosión, por lo que se puede prevenir con recubrimientos o barnices protectores. ■ Corrosión galvánica: Tiene lugar al poner próximos dos metales o aleaciones distintas que están expuestos a un electrolito (agua, aire húmedo etc.). El metal menos noble o más activo en el ambiente del electrolito es el que se corroe. Se debe tener especial cuidado de no poner juntos metales o aleaciones con electronegatividades muy diferentes y, si no queda más remedio, se debe utilizar un área anódica lo mas grande posible o aislar los metales con aislantes eléctricos (caucho, pintura, plástico) antes de juntarlos. También se puede realizar una protección catódica si se conecta eléctricamente un tercer metal anódico a los otros dos. 89CONTENIDO LA MATERIA PROP. MATERIALES DIAGR. EQUILIBRIO OXIDACIÓN Y CORROSIÓN
  90. 90. Corrosión. Tipos (II) ■ Corrosión por aireación diferencial: Ocurre en objetos formados por un mismo metal en los que pueden existir grietas y rendijas, en las cuales penetra la suciedad y la humedad, con lo que las zonas exteriores están más aireadas y las interiores quedan empobrecidas de oxígeno, al gastarse en la oxidación y no poder ser renovado. Si en lugar de uniones remachadas, atornilladas o por plegado se emplean soldadas, el efecto se puede reducir. También hay que procurar que no existan zonas estancas sin aireación y que tengan un buen drenaje. ■ Picaduras: Es una forma localizada de corrosión que penetra desde la superficie al interior. El fenómeno es parecido al del caso anterior, pues una pequeña grieta donde se inicie una oxidación hará que la superficie bajo ella se quede sin oxígeno. Las superficies pulidas presentan mayor resistencia a este tipo de corrosión. ■ Corrosión intergranular: Sucede cuando en los limites de grano ha precipitado una segunda fase, con lo que se produce una celda galvánica (dos componentes que tienen distinta electronegatividad). En el acero la ferrita es anódica respecto de la cementita, con lo que se produce una circulación de electrones. 90CONTENIDO LA MATERIA PROP. MATERIALES DIAGR. EQUILIBRIO OXIDACIÓN Y CORROSIÓN

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