solidificación de aleaciones fuera de equilibrio

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Solidificacin de aleaciones fuera de equilibrioLas fases fuera de equilibrio no pueden estimarse de un diagrama hierro-carbono. Se requiere de un diagrama adicional que considere el tiempo de enfriamiento del material. Controlando la cantidad de carbono que posee el acero as como el tiempo en el que se enfra desde la fase de Austenita se pueden hacer varias las fases que estarn presentes en el material. Esta versatilidad del acero de poseer varias fases diferentes hace que las propiedades de este material se puedan variar en un rango muy amplio

Velocidad de enfriamiento rpida: Diagrama de fases:

A) La difusin en el liquido siempre es alta (composicin calculada con gran precisin). Lnea liquidus en equilibrio

B) La difusin en el slido es muy lenta ( composicin del solido solo aproximada) Lnea solidus fuera de equilibrio

Segregacin: composicin no homognea de los granos (solidificacin fuera de equilibrio)

Solidificacin fuera de equilibrioPara su anlisis se consideran 5 suposiciones que son:1-

Composicin uniforme del liquido

2- Intercara solido-liquido plana 3- Difusin en el estado slido insignificante 4- Ko Constante 5- Densidades del metal solido y liquido iguales

Una importante consecuencia de la solidificacin fuera de equilibrio para aleaciones isomorfas es una distribucin no uniforme de los dos elementos dentro de los cristales denominada segregacin. La regin central de cada grano es la primera que ha solidificado y es rica en el elemento de alta temperatura de fusin (ej: nquel para el sistema NiCu), mientras que la concentracin del elemento de baja temperatura de fusin va aumentando desde el centro al lmite del grano. El hecho de enfriar ms rpidamente el acero hace que la transformacin de la austenita y la micro estructura resultante se vean alteradas, ya que como el enfriamiento no se produce en condiciones de equilibrio, el diagrama hierro-carburo de hierro no es aplicable para predecir las proporciones de ferrita y perlita proeutectoide que existirn a temperatura ambiente. Ahora, se tendr menos tiempo para la formacin de la ferrita proeutectoide, en consecuencia, habr menos cantidad de esta en comparacin con los aceros recocidos. Aparte de influir en la cantidad de constituyente proeutectoide que se formar, la mayor rapidez de enfriamiento en la normalizacin tambin afectar a la temperatura de transformacin de austenita y en la fineza de la perlita. El hecho de que la perlita (que es una mezcla eutectoide de ferrita y cementita) se haga ms fina implica que las placas de cementita estn ms prximas entre s, lo que tiende a endurecer la ferrita, de modo que esta no ceder tan fcilmente, aumentando as la dureza. El enfriamiento fuera del equilibrio tambin cambia el punto eutectoide hacia una proporcin de carbono ms baja en los aceros hipoeutectoides y ms alta en los aceros hipereutectoides. El efecto neto de la normalizacin es que produce una estructura de perlita ms fina y ms abundante que la obtenida por el recocido, resultando un acero ms duro y ms fuerte.

Fundiciones de hierroLas fundiciones de hierro son aleaciones de hierro carbono del 2 al 5%, cantidades de silicio del 2 al 4%, del manganeso hasta 1%, bajo azufre y bajo fsforo. Se caracterizan por que se pueden vaciar del horno cubilote para obtener piezas de muy diferente tamao y complejidad pero no pueden ser sometidas a deformacin plstica, no son dctiles ni maleables y poco saldables pero s maquinables, relativamente duras y resistentes a la corrosin y al desgaste. Las fundiciones tienen innumerables usos y sus ventajas ms importantes son: 1- Son ms fciles de maquinar que los aceros. 2-Se pueden fabricar piezas de diferente tamao y complejidad. 3- En su fabricacin no se necesitan equipos ni hornos muy costosos. 4-Absorben las vibraciones mecnicas y actan como auto lubricantes. 5- Son resistentes al choque trmico, a la corrosin y de buena resistencia al desgaste.

De acuerdo con la apariencia de su fractura, las fundiciones pueden ser grises, blancas, atruchadas, aunque tambin existen las fundiciones maleables, nodulares y especiales o aleadas.

34Micro constituyentes de la las fundicionesLas fundiciones de hierro pueden presentar los mismos constituyentes de los aceros, ms el eutctico ledeburita compuesto de austenita y cementita, el eutctico ternario de cementita, ferrita y fosfuro de hierro (esteadita) y el carbono en forma de lminas, ndulos o esferitas de grafito, su micro estructura se basa en el diagrama hierro carbono estable. Ledeburita: Es el constituyente eutctico que se forma al enfriar la fundicin lquida de 4.3% C desde 1145C. Est formada por 52% de cementita y 48% de austenita de 2% C. La ledeburita no existe a temperatura ambiente en las fundiciones ordinarias debido a que en el enfriamiento se transforma en cementita y perlita; sin embargo en las fundiciones se pueden conocer la zonas donde existi la ledeburita por el aspecto eutctico con que quedan las agrupaciones de perlita y cementita. Esteadita: Es un constituyente de naturaleza eutctica duro, frgil (300 a 350 Vickers) y de bajo punto de fusin (960C), que aparece en las fundiciones de alto contenido en fsforo (ms de 0. l5 % P)

Propiedades Es muy frgil, dureza baja de unos 80 a 100 HB, resistente al choque trmico, a la corrosin, absorbe las vibraciones, bajo costo y poco soldable comparado con el acero. Aspecto

La superficie exterior en la fundicin es de color gris oscuro, mientras que la fractura es oscura (fundicin negra) o gris (fundicin gris) o atruchada (puntos claros sobre fondo oscuro, o viceversa) o clara (fundicin blanca); al aire libre, la superficie externa se cubre de herrumbe (xido hidratado de hierro) de color rojo pardo que penetra lentamente en el interior. Peso especfico El peso especfico vara con la composicin y por consiguiente con el aspecto de la fundicin; se puede admitir, por trmino medio: Fundicin gris = 7 a 7.2 Fundicin atruchada = 7.3 a 7.4 Fundicin blanca = 7.4 a 7.6

Temperatura de fusin: Vara con la composicin y el aspecto de la fundicin. En promedio es: Fundicin negra gris 1200 C Fundicin blanca 1100 C Fluidez: Es la propiedad del metal lquido de correr y de llenar bien los moldes: en igualdad de temperatura, la fundicin fosforosa es ms fluida que la fundicin con poco fsforo.

Contraccin: Como se ha visto, el metal, al solidificarse, sufre una contraccin: en la fundicin blenca la contraccin es casi igual a la del acero (16 a 18 por 1000). En las fundiciones grises, en las cuales en el momento de la solidificacin se segregan las laminillas de grafito ( de peso especfico - 2 ) con aumento de volumen de la masa, la contraccin final

resulta menor ( 10 por 1000); la contraccin varia tambin segn los obstculos mayores o menores que encuentra la colada en el molde. Resistencia a la traccin: La fundicion gris tiene una carga de rotura a la traccin que, de cerca de 15 Kg/mm2 , llega a los 30 , 40 y 45 Kg/ mm2. Las fundiciones aleadas y las esferidales sobrepasan este lmite llegando a cargas que se pueden comparar a las de los aceros de calidad (70 y hasta 80 Kg/ mm2.) en las fundiciones maleables las cargas de rotura son de por lo menos 32 Kg/ mm2, generalmente en torno a 40 Kg/ mm2. La resistencia a la comprensin es mayor, y para las fundiciones grises normales resulta cerca de tres veces la de la traccin: por eso, como vemos, es aconsejable someter las piezas de fundicin a esfuerzos de compresin, ms bien que a los de traccin. Resistencia a la flexin: Puesto que en la flexin las fibras del elemento quedan tensas en la parte convexa, y comprimidas en la cncava, la resistencia a la flexin vara segn la orientacin de la seccin. Resistencia al choque: El choque y la resiliencia son solicitaciones dinmicas, y en su confrontacin la fundicin se comporta de un modo particular. Las fundiciones grises , resisten no muy bien los choque y son frgiles porque no sufren deformaciones plsticas. Las fundiciones maleables, por el contrario, y las de grafito nodular (fundiciones dctiles) resisten bien; no obstante, si los choques est contenidos en el lmite de seguridad; las fundiciones grises tienen un ptimo comportamiento, por su propiedad caracterstica de amortiguar las vibraciones, por esto (adems de por razones econmicas) se ha llegado a sustituir los cigueales de acero tratado para compresores y para

motores de combustin interna, por rboles colados con fundicin gris, obtenindose un funcionamiento ms regular ms suave y menos ruidoso.

Dureza: La dureza de la funcin es relativamente elevada. La fundicin gris tiene una dureza de 140 a 250 Brinell, se puede mecanizar fcilmente, porque la viruta se desprende mejor y por la presencia de grafito liberado, que lubrica el paso de la viruta sobre el corte de la herramienta, la Viruta es siempre escamosa, excepto en las fundiciones maleables y en las de grafito nodular. Las fundiciones blancas tienen una dureza superior a 350 a 400 Brinell. Hasta cerca de 550 Brinell se pueden mecanizar con herramientas de carburo; ms all, requieren la muela de esmeril Resistencia qumica: La funcidin tiene una discreta resistencia qumica, es decir, a los cidos, a los lcalis, a las oxidaciones y al fuego. Por esto se hacen elementos para mquinas e instalaciones qumicas y elementos para mquinas e instalaciones termicas (parrillas, por ejemplo, calderas,etc) Otras propiedades: La fundicin no es dctil, no es maleable (en el verdadero sentido de la palabra); se puede soldar al latn; en la soldadura oxiacetilnica y en la elctrica de arco, el metal de aporte (acero o fundicin) adquiere una elevada dureza y slo con alguna dificultad puede ser trabajado. La fundicin puede recibir baos galvnicos (ser niquelada, por ejemplo), ser galvanizada en caliente, estaada y esmaltada al fuego (piezas de uso domstico y par la industria qumica)

Diagrama de hierro- carbono

Los aceros son aleaciones hierro-carbono y constituyen la familia industrialmente ms importante de todas las aleaciones metlicas debido a su versatilidad y propiedades mecnicas nicas. La mayora de las aleaciones de hierro derivan del diagrama Fe-C que puede ser modificado por distintos elementos de aleacin.

Formas alotrpicas del hierro Hierro alfa (): Cristaliza a 768 C. Su estructura cristalina es BCC con una distancia interatmica de 2.86 . Prcticamente no disuelve en carbono. Hierro gamma (): Se presenta de 910C a 1400C. Cristaliza en la estructura cristalina FCC con mayor volumen que la estructura cristalina de hierro alfa. Disuelve fcilmente en carbono y es una variedad de Fe amagntico. Hierro delta (): Se inicia a los 1400C y presenta una reduccin en la distancia interatmica que la hace retornar a una estructura cristalina BCC. Su mxima solubilidad de carbono es 0.007% a 1487C. No posee una importancia industrial relevante. A partir de 1537C se inicia la fusin del Fe puro.

Segn el porcentaje de carbono las aleaciones Hierro-Carbono puede clasificarse en: Fundiciones %C1.76% Aceros %C 1.76%. El carbono puede presentarse en tres formas distintas en las aleaciones Fe-C:

En solucin intersticial. Como carburo de hierro. Como carbono libre o grafito.

Fases presentes: : (Ferrita): Es una solucin slida de carbono con una solubilidad a temperatura ambiente muy pequea. Es la fase ms blanda y dctil de los aceros. Cristaliza en una estructura BCC. Tiene una dureza de 95 Vickers y una resistencia a la rotura de 28 Kg. /mm , llegando a un alargamiento del 35 al 40%. Presenta propiedades magnticas. En los aceros aleados, suele contener Ni, Mn, Cu, Si, Al en disolucin slida sustitucional. Al microscopio aparece como granos monofsicos, con lmites de grano ms irregulares que la austenita.2

: (Austenita). Es la fase ms densa de los aceros. Est formado por la solucin slida por insercin de carbono. La proporcin de carbono disuelto vara desde el 0% al 1.76%, correspondiendo este ltimo al porcentaje de mxima solubilidad a la temperatura de 1130 C. La austenita comienza a formarse a la temperatura de 723C. Posee una estructura cristalina FCC, una dureza de 305 Vickers, una resistencia de 100 Kg. /mm y un alargamiento de un 30 %. No presenta propiedades magnticas.2

: Hierro delta Cem: (Cementita- Carburo de Hierro) Es carburo de hierro y por tanto su composicin es de 6.67% de C. Es la fase ms dura y frgil de los aceros, alcanzando una dureza de 960 Vickers. Cristaliza formando un paraleleppedo ortorrmbico de gran tamao. Es magntica hasta los 210C, temperatura a partir de la cual pierde sus propiedades magnticas.

Grafito Perlita Es la fase formada por el enfriamiento lento de la austenita. Tiene una dureza de aproximadamente 200 Vickers, con una resistencia a la rotura de 80 Kg. /mm y un alargamiento del 15%. Cada grano de perlita est formado por lminas de cementita y ferrita. Led: (Ledeburita)2

DIAGRAMA HIERRO-CARBONO La lnea ABCD es la lnea de lquidus y la lnea AHJECF es la lnea de slidus. Los puntos ms destacables de diagrama son: Punto A: temperatura de solidificacin del hierro puro (1.539 C). Punto C: aleacin eutctica (4,3% de C), compuesta por austenita y cementita formando ledeburita. Punto E: mxima solubilidad de C en Fe (1,76% de C). Punto D: lmite del diagrama (6,67% de C), corresponde a la cementita pura (100% cementita). Punto S eutectoide: la austenita se transforma en perlita (0,89% de C).