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Exposición de Ciencias de los Materiales

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Erika Rojas

on 11 April 2013

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Transcript of Exposición de Ciencias de los Materiales

Aceros bajos en carbono.

Constituye la mayor parte de todo el acero fabricado. Contienen menos del 0.25 % en peso de C, no responde al tratamiento térmico para dar martensita ni se pueden endurecer por acritud. La microestructura consiste en ferrita y perlita. Por tanto, son relativamente blandos y poco resistentes pero con extraordinaria ductilidad y tenacidad. Son de fácil mecanizado, soldables y baratos. Se utilizan para fabricar vigas, carrocerías de automóviles, y láminas para tuberías edificios y puentes. Diagrama Hierro-Carbono (Fe-C)

En el diagrama de equilibro, o de fases, Fe-C se representan las transformaciones que sufren los aceros al carbono con la temperatura, admitiendo que el calentamiento (o enfriamiento) de la mezcla se realiza muy lentamente de modo que los procesos de difusión (homogeneización) tienen tiempo para completarse. Dicho diagrama se obtiene experimentalmente identificando los puntos críticos temperaturas a las que se producen las sucesivas transformaciones. Ejemplos de átomos que, debido a su pequeño tamaño, pueden disolverse intersticialmente en cristales metálicos, son: H, C, N y O. Nótese que todos estos elementos de Z pequeño, son no metales. Cuando ellos se disuelven en un cristal metálico, siempre lo hacen en una concentración baja, por lo que el material sigue siendo preponderantemente de enlace metálico.
Un ejemplo importante de soluciones sólidas intersticiales son las formadas por el C disuelto intersticialmente en Fe (CC, ferrita) y en Fe (CCC,
austenita. 1. Los diámetros de los átomos de los elementos no deben diferir en mucho más de un 15 %, aproximadamente.

2. Las estructuras cristalinas de los dos elementos por separado tienen que ser las mismas. (Condición necesaria para que haya solubilidad total, al 100%)

3. No debe haber diferencias apreciables en electronegatividades de los dos elementos, para evitar que se formen compuestos definidos con facilidad.

4. Los dos elementos deben tener la misma valencia. Hay otros procedimientos que aprovechan la movilidad atómica al estado sólido; en este caso hay que calentar (sin fundir) o bien hay que deformar muy severamente
En relación con los metales, lo más frecuente es que se empleen industrialmente aleaciones metálicas.
En esas aleaciones puede haber varios tipos de fases, y frecuentemente una de esas fases (que a veces es la única presente) es una solución sólida. Regla de la palanca

Los porcentajes en peso de las fases en cualquiera de las regiones de doble fase de un diagrama de fases en equilibrio binario, se pueden calcular usando la regla de la palanca.

Las ecuaciones de la regla de la palanca se obtienen usando los balances de peso. Al sumar la fracción de peso de la fase liquida, X1, y la fraccion de peso la fase solida, Xs, las cuales deben de ser igual a 1, resulta una ecuacion para deducir dichas ecuaciones. De este modo, Regla de las Fases de Gibbs

J.W. Gibbs obtuvo una ecuación que permitía calcular el numero de fases que pueden coexistir en equilibrio en cualquier sistema. Esta ecuación , llamada regla de las fases de Gibbs, es

P +F = C +2

Donde P = numero de fases que pueden coexistir en el sistema
C= numero de componentes en el sistema
F= grados de libertad Diagramas de Fase de Sustancias Puras


Una sustancia pura como el agua puede existir en las fases solida, liquida y vapor, según sean las condiciones de temperatura y presión. Un ejemplo muy conocido de dos fases de una sustancia pura en equilibrio, es un vaso de agua que contiene unos cubos de hielo. En este caso, el agua, solida y liquida, da lugar a dos fases distintas separadas por una fase limite, la superficie de los cubos de hielo. Durante la ebullición del agua, el agua liquida y el agua vaporizada constituyen dos fases en equilibrio. Los diagramas de fase son representaciones graficas de las fases que existen en un sistema de materiales a varias temperaturas, presiones y composiciones. Los diagramas, en su mayoría, se han construido en condiciones de equilibrio, y son utilizados por ingenieros y científicos para entender y predecir muchos aspectos del comportamiento de los materiales. Diagramas de Fase Aceros altos en carbono.

Generalmente contienen entre el 0.60 y 1.4 % en peso de C. Son más duros y resistentes (y menos dúctiles) que los otros aceros al carbono. Casi siempre se utilizan contratamientos de templado y revenido que lo hacen muy resistentes al desgaste y capaces de adquirirla forma de herramienta de corte. Generalmente contienen Cr, V, W y Mo, los cuales dan carburos muy duros como Cr23C6, V4C3 y WC. Se utilizan como herramientas de corte, matrices para hechuras materiales, herramientas de herrería y carpintería. Por ejemplo, cuchillos, navajas, hojas de sierra, brocas para cemento, corta tubos, troqueles, herramientas de torno, muelles e hilos e alta resistencia. Aceros medios en carbono.

Contienen entre el 0.25 y 0.60 % en peso de C. Estos aceros pueden ser tratados térmicamente mediante autenticación, temple y revenido para mejorar las propiedades mecánicas. La microestructura generalmente es martensita revenida. Las adiciones de Cr, Ni y Mo facilitan el tratamiento térmico que en su ausencia es difícil y útil solo para secciones de pieza relativamente delgadas. Son más resistentes que los aceros bajos en carbono pero menos dúctiles y maleables. Se suelen utilizar para fabricar cinceles, martillos, cigüeñales, pernos, etc. Los aceros al carbono

Solo contienen concentraciones residuales de impurezas mientras que los aceros aleados contienen elementos que se añaden intencionadamente en concentraciones específicas. Los aceros y aleaciones en general se pueden designar de acuerdo a las instrucciones dadas por AISI “American Iron and Steel Institute” ASTM “American Society for 7Testing and Materials” y SAE “Society of Automotive Engineers”. Aceros

Los aceros son aleaciones hierro-carbono con concentraciones apreciables de otros elementos aleantes. Existen miles de aceros de diferentes composiciones y/o tratamientos térmicos. Los aceros se clasifican según su contenido en carbono en: bajo, medio y alto contenido en carbono. Las fases en las que se puede encontrar la aleación Hierro-Carbono dentro del diagrama de equilibrio son:
Ferrita, solución sólida de Fe-α, con composición máxima del 0,025% de C a 723º C y de 0,008% a temperatura ambiente.
Austenita, solución sólida de Fe-γ, con composición máxima del 2% de C, a 1130ºC
Cementita, compuesto definido con formula CFe3 de estructura ortorrómbica, compuesto por 6,67% de C y 93'33% de Fe. Es magnética hasta los 210º C.
Perlita, constituyente compuesto por un 86,5% de Ferrita y 13,5% de Cementita, de estructura laminar.
Ledeburita, constituyente eutéctico con composición 4,3% de Carbono y 95,7% de Hierro. El carburo de hierro se descompone de una manera muy lenta en hierro y carbono (grafito), lo cual requiere un periodo de tiempo muy largo a temperatura ambiente. El carburo de hierro se considerará entonces meta estable, por tanto, el diagrama hierro-carburo de hierro, aunque técnicamente representa condiciones meta estables, puede considerarse como representante de cambios en equilibrio, bajo condiciones de calentamiento y enfriamiento relativamente lentas. En este diagrama, las proporciones de Carbono y de Carburo de Hierro (CFe3) se representan en el eje de abscisas, en un rango porcentual que va del 0% al 6,67% de Carbono, limite de solubilidad de éste en la cementita. A la temperatura ambiente, salvo una pequeña parte disuelta en la ferrita, todo el carbono que contienen las aleaciones Fe-C está en forma de carburo de hierro. Por otra parte, el cristal Fea (CC) es menos denso que el cristal Fey (CCC), y la solubilidad intersticial del C es menor en el cristal menos denso (Fey,
CCC). Sin embargo, para la solubilidad, lo que interesa es el tamaño de los intersticios específicos donde se ubicará el C y no la densidad global de la matriz, ver Fig. 5. En el Fea (CC), el radio del mayor intersticio es solamente de 0,036 nm, por lo que, por debajo de 723 °C, apenas un 0,025%p.C puede disolverse intersticialmente en el Fe. Hay otras
aleaciones muy complejas, como la
superaleación base níquel denominada
Inconel 718, utilizada en componentes
de motores a reacción; ella incluye unos
10 elementos en su composici6n
nominal y varios tipos de fases
coexistiendo, algunas de las cuales son
cerámicas (no metálicas). Una fase es una región de materia homogénea; al estado sólido, ella tiene asociada composición, estructura cristalina y propiedades que le son propias. Ejemplos: Los metales puros Que comercialmente se emplean industrialmente son los conductores eléctricos usuales, normalmente hechos de Cu o bien de Al. Entre las aleaciones metálicas simples, constituidas por una única fase se encuentra la aleación de aluminio 5083; en este caso la fase
presente es esencialmente una solución sólida de sustitución de Mg disuelto en una matriz de Al (CCC); esta aleación se emplea, por ejemplo, para fabricar cascos de lanchas; admite ser conformada plásticamente y ser soldada, además tiene una buena resistencia a la corrosión. ¿Qué es una Fase? Una solución sólida es un cristal que consta de dos o más elementos que están atómicamente dispersos, formando una única estructura fase; este material no tiene una composición única: por ser una solución, hay un rango de solubilidad. Un caso básico importante es cuando un elemento (impureza) está disuelto en el cristal (matriz) de un segundo elemento (solución binaria: de dos elementos).
Obviamente, la unión entre elementos metálicos no se puede hacer a temperatura ambiente por falta de movilidad atómica; por ello las aleaciones se preparan preferentemente fundiendo, y luego solidificando y enfriando.
. ¿Qué es una solución solida? SOLUCIONES SOLIDAS En la región BC, el metal esta en forma de mezcla de fases solidas y liquidas. A medida que se acerca al punto C, la fracción de peso del solido de la mezcla aumenta hasta que termina la solidificación. La temperatura permanece constante porque hay equilibrio entre la perdida de calor del metal por el molde y el calor latente suministrado por el metal que se solidifica. Ejemplo

En la curva de enfriamiento para un metal puro. Si se permite que el metal se enfrié en condiciones de equilibrio (enfriamiento lento), su temperatura cae continuamente a lo largo de la línea ab de la curva. En el punto de fusión (temperatura de congelación) comienza la solidificación y la curva de enfriamiento se vuelve plana (segmento horizontal BC, también llamada meseta o región de confinamiento térmico) y permanece plana hasta que se completa la solidificación Curvas de Enfriamiento

Las curvas de enfriamiento pueden emplearse para determinar las temperaturas de transición de las fases tanto para metales puros como para aleaciones.
Una curva de enfriamiento se obtiene al registrar la temperatura de una material y compararla con el tiempo a medida que se enfría desde una temperatura en la cual se funde, mediante solidificación, y finalmente, a temperatura ambiente. Ejemplo

Considerando la aplicación de la regla de Gibbs al diagrama de fases presion-temperatura PT del agua pura. En el punto triple coexisten tres fases en equilibrio y como hay un componente en el sistema (agua), se puede calcular rl numero de grados de libertad:

P +F =C + 2
3 +F =1 + 2
F = 0 (cero grados de libertad)

Como ninguna de las variables ( presion temperatura) se puede cambiar, mateniendo el equilibrio al punto triple se llama punto invariante. En el diagrama de fases presión-temperatura del agua existe un punto triple a baja presión (4.579 torr) y baja temperatura (0.0098 °C) donde coexisten las fases solida, liquida y vapor. Las fases liquidas y vapor se dan a lo largo de la línea de vaporización y las fases liquida y solida a lo largo de la línea de congelación.



Fig. 5 La distorsión del C intersticial es menor en el cristal Fey (CCC), izquierda, que en el cristal Fea (CC), derecha. En las soluciones sólidas intersticiales,
los átomos de soluto se sitúan en los
intersticios (espacios) que hay entre los
átomos del cristal matriz. Se pueden
formar soluciones sólidas intersticiales
solo cuando el átomo de la matriz es
mucho mayor que el otro, de modo que
los intersticios de la matriz sean
suficientemente grandes para el tamaño
del soluto (impureza). Soluciones sólidas de inserción En las soluciones sólidas de sustitución, Los átomos de soluto (impureza) sustituyen, en términos de posición, a átomos de la matriz (cristal madre o solvente). Para este tipo de solubilidad los dos átomos deben ser similares en radio atómico, estructura cristalina, electro-negatividad y valencia. Soluciones sólidas de sustitución Hemos visto las estructuras cristalinas de varios elementos puros (Fe, Cu, C, diamante, etc.), así como de algunos compuestos no metálicos de
composición definida (NaCl, SiO2, etc.). Lo que abordaremos ahora son soluciones sólidas basadas en elementos puros, particularmente en elementos metálicos.
Así, el tipo más sencillo de aleación es el de solución sólida INTRODUCCIÓN X1 + Xs = 1
X1 = 1 – Xs
Xs = 1 - X1

Una segunda ecuación para la deducción de la regla de la palanca se obtiene por balance de peso de B en la aleación como un todo y la suma de B en las dos fases por separado. Considérese 1 g de la aleación y efectúese el balance de peso. Las soluciones solidas se clasifican en
:
Sustitucionales. Intersticiales. Clasificacion AB’= xB ( o porcentaje de B);
BC’ = xC ( o porcentaje de C);
CA’ = xA ( o porcentaje de A);
Si el punto P está expresado en
coordenadas dadas
en porcentaje en peso, no tiene porqué
coincidir con el punto P equivalente,
expresado en coordenadas dadas
en en fracciones molares. 1) El triángulo equilátero tiene iguales sus lados,
sus ángulos internos y externos, sus
alturas, sus transversales de gravedad y sus bisectrices.
Cada altura coincide con la
transversal de gravedad, con la bisectriz y con la simetral
correspondiente de modo
que el baricentro es a la vez ortocentro y
centro del triángulo.

2) Si los lados del triángulo expresan las
concentraciones de A, B y C ( en fracciones
molares o en porcentaje en peso),
entonces la concentración de A, B y C de un
punto P cualquiera en el interior del triángulo viene dada por: 3) Una transversal cualquiera, por ejemplo CQ en la
figura, es el lugar geométrico de los puntos que cumplen la
condición xA/ xB= constante, o bien %A/ %B= constante, en el caso que el
triángulo esté expresado en porcentaje en peso.

4) Una paralela a cualquier lado del triángulo,
por ejemplo MN / AB en la figura, debe satisfacer la relación
que la suma de las concentraciones de los componentes ubicados en el lado paralelo es constante. Así, para MN se tiene xA +xB = 1 – xC = constante, o bien (%A +%B)=100-%C = constante 1.-PROPIEDADES DEL TRIANGULO DE
CONCENTRACIONES En este tipo de sistemas se tienen 4 variables independientes:
presión, temperatura y dos concentraciones.

En materiales cerámicos, dada la naturaleza y estabilidad de
los compuestos con que habitualmente se trabaja, es posible debido a
sus bajas presiones de vapor, despreciar el efecto de la presión en el
estudio de diagramas de equilibrio de fases, de tal forma que la
relación que da cuenta del fenómeno queda:
P+F=C+1 (sistemas condensados)

Donde:
4 fases: invariante (F=0)
3 fases: univariante (F=1)
2 fases: bivariante (F=2)
1 fase = trivariante (F=3) DIAGRAMAS DE FASE DE 3
COMPONENTES O TERNARIO El triángulo equilátero es elegido para representar las concentraciones de un sistema ternario.
A continuación se verán las propiedades geométricas que se usan al estudiar el equilibrio heterogéneo en sistemas ternarios. 5) Si se elige, por ejemplo el punto P ubicado en el interior del triángulo AQC de la figura, las concentraciones de él pueden quedar expresadas en términos de A,Q y C, pero es imposible expresarlas en términos de Q, B y C porque el triángulo QBC ni siquiera contiene al punto P. 2.- LÍNEAS Y REGLAS DE ALKEMADE Como las líneas de Alkemade son muy importantes en los enfriamientos, se ven dos reglas importantes.
Reglas de Alkemade:
1.- La temperatura, a lo largo de una curva límite entre fases, decrece alejándose de la línea de Alkemade. 2.- La temperatura máxima en una curva límite entre
fases se encuentra
en la intersección de ésta con la línea
de Alkemade
( o en la extrapolación de ésta en el
caso que no la corte).
En un diagrama ternario el trazado de
una línea de Alkemade ,
genera inmediatamente 2
nuevos triángulos (A-AB-C y C-AB-B). Se entiende por línea de Alkemade a la línea que une a un compuesto AB con el tercer componente del sistema ternario.
Esta definición es muy importante para una correcta interpretación de ternarios, y para el trabajo de aplicación de los diagramas.
Las líneas de Alkemade dependen de los datos experimentales, luego son resultados o consecuencia de ello. La fundición blanca contienen poco carbonoy silicio (< 1%) y se obtienen por enfriamiento rápido. La mayor parte del carbono aparece como cementita en lugar de grafito, y la superficie fracturada tiene una tonalidad blanca La fundición dúctil o esferoidal
Se consigue añadiendo pequeñas cantidades de magnesio y cerio a la fundición gris en estado líquido. En este caso, el grafito no se segrega como escamas sino que forma esferoides La fundición blanca es extremadamente dura frágil por lo que es in mecanisable. Su aplicación se limita a componentes de gran dureza y resistencia al desgaste y sin ductilidad como los cilindros de los trenes de laminación. Generalmente la fundición blanca se obtiene como producto de partida para fabricar la fundición maleable. La fundición maleable se obtiene a partir de lafundición blanca por calentamiento prolongado en atmósfera inerte (para prevenir la oxidación) a temperaturas entre 800 y 900 °C. Fines Recocido Normalizado Son tratamientos térmicos aplicados a materiales con el fin de variar su dureza y cambiar su resistencia mecánica. Procesos Recocido
Normalizado
Revenido
Temple El recocido consiste en calentar el metal hasta
una determinada temperatura para después
dejar que se enfríe lentamente, habitualmente,
apagando el horno y dejando el metal
en su interior para que su temperatura
disminuya de forma progresiva, para
después de se formar. Tiene como finalidad el ablandamiento, la recuperación de la estructura o la eliminación de tensiones internas generalmente en metales.
Cualquier metal que haya sido tratado tiene como resultado una alteración de las propiedades físicas del mismo. El procedimiento consiste en calentar la pieza entre 30 y 50 grados centígrados por encima de la temperatura crítica superior, tanto para aceros hipereutectoides, como para aceros hipoeutectoides, y mantener esa temperatura el tiempo suficiente para conseguir la transformación completa en austenita. Fines Se emplea para dar al acero una estructura y características tecnológicas que consideran el estado natural o inicial del material que fue sometido a trabajos de forja, laminación o tratamientos defectuosos. 2. Enfriamiento controlado de la zona a templar. Es muy importante controlar el medio de temple (agua, agua + polímero, aceite…), caudal, presión y la tipología de sistema de ducha utilizado.Con un correcto ajuste del temple se consigue la transición estructural de austenitaa martensita, mejorando notablemente la dureza de la zona templada. Cómo se consigue el temple? Existe un tercer paso necesario asociado al temple en aceros con alto grado de fragilidad.
Dureza y fragilidad son características directamente proporcionales por lo que hay que hacer un tratamiento posterior para equilibrar ambas. Este tratamiento se conoce como recocido de eliminación de tensiones (revenido) y consiste en mantener las piezas a temperaturas ≤ 650 ºC durante un tiempo determinado El diagrama TTT continuo muestra la
progresión del temple. La dureza depende de la temperatura y el tiempo de enfriamiento.
Incluso los cambios más leves en el eje de tiempo (grado de enfriamiento) causan una diferencia importante en los niveles de dureza que se puede alcanzar. Posterior al temple se realiza un tratamiento de revenido de tipo 1 a temperaturas de entre 200 ºC y 300 ºC con la finalidad de optimizar la tenacidad y reducir la fragilidad de las piezas. Temple y Revenido El tratamiento de temple consiste en enfriar de manera controlada a la mayoría de las variantes de aceros aleados previamente calentados a temperaturas de entre 750 ºC y 1.300 ºC.
Dependiendo del material base, la temperatura y tiempo de calentamiento, y severidad del enfriamiento se puede conseguir una amplia gama de durezas. 1. Calentamiento controlado en temperatura (entre 750 ºC y 1.300 ºC dependiendo del material base), rampa de calentamiento y tiempo de mantenimiento a temperatura máxima. Ajustando estos tres puntos de control podemos conseguir las condiciones idóneas previo al temple disolviendo los elementos aleantes de manera correcta y obteniendo una estructura austenítica deseada. De esta manera aseguramos unos resultados finales óptimos, uniformes y repetibles. Tipos Ventajas Fases El tratamiento de revenido consiste en calentar al acero seguido del normalizado o templado, a una temperatura menor al punto crítico, seguido de un enfriamiento controlado que puede ser rápido cuando se deseen resultados elevados en tenacidad, o lento, para reducir al máximo las tensiones térmicas que puedan causar deformaciones. Revenido Estructura de la matriz El enfriamiento rápido (temple) del acero desde la temperatura de temple hace la estructura cúbica original más rígida. Este estado impuesto conlleva una distorsión tetragonal de la matriz produciendo una celda unitaria centrada en el cuerpo típica.
El nombre de este elemento constitutivo microestructural es “martensita”.
Este proceso supone un importante refuerzo de la matriz debido a la gran movilidad reducida de las dislocaciones dentro del material. Esto explica la alta dureza y la gran resistencia de la fase martensítica y también su baja tenacidad y su mala ductilidad. Es un tratamiento complementario del
temple, que regularmente sigue a éste. A
la unión de los dos tratamientos también
se le llama "bonificado". Mejorar los efectos del temple, llevando al acero a un punto de mínima fragilidad.
Reducir las tensiones internas de transformación, que se originan en el temple.
Cambiar las características mecánicas, en las piezas templadas generando los siguientes efectos:
-Reducir la resistencia a la rotura por tracción, el límite elástico y la dureza.
-Elevar las características de ductilildad; alargamiento estricción y las de tenacidad; resilencia. Baja temperatura o eliminación de tensiones
Alta temperatura o bonificación
Estabilización Baja temperatura Finalidad: Reducir tensiones internas del material templado, sin reducir la dureza.
Procedimiento: Seleccionar el acero adecuado, seleccionar la temperatura de calentamiento, determinar la dureza inicial, calentar la pieza de 200°C a 300°C, mantener la temperatura constante (dependiendo del espesor de la pieza), sacar la pieza del horno y enfriarla, determinar la dureza final. Alta temperatura o bonificación Finalidad:Aumentar la tenacidad de los aceros templados
Procedimiento: Seleccionar el acero adecuado, seleccionar la temperatura de calentamiento, determinar la dureza inicial, calentar la pieza de 580°C a 630°C , mantener la temperatura constante, sacar la pieza del horno y enfriarla lentamente preferiblemente al aire, determinar la dureza final. Estabilización Finalidad: Eliminar tensiones internas de los aceros templados para obtener estabilidad dimensional.
Procedimiento: Seleccionar el acero adecuado, determinar la dureza inicial, calentar la pieza a 150°C , mantener la temperatura constante (t=k 6-8 h), sacar la pieza del horno y enfriarla lentamente preferentemente al aire, determinar la dureza final. Calentamiento a una temperatura inferior a la crítica.
El calentamiento se suele hacer en hornos de sales. Para los aceros al carbono de construcción, la temperatura de revenido está comprendida entre 450°C a 600°C, mientras que para los aceros de herramienta la temperatura de revenido es de 200°C a 350°C.

Mantenimiento de la temperatura
La duración del revenido a baja temperatura es mayor que a las temperaturas más elevadas, para dar tiempo a que sea homogénea la temperatura en toda la pieza. Enfriamiento
La velocidad de enfriamiento del revenido no tiene influencia alguna sobre el material tratado cuando las temperaturas alcanzadas no sobrepasan las que determinan la zona de fragilidad del material; en este caso se enfrían las piezas directamente en agua. Si el revenido se efectua a temperaturas superiores a las de fragilidad, es convenientemente enfriarlas en baño de aceite caliente a unos 150°C y después al agua, o simplemente al aire libre.
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