tema 9: aleaciones. diagramas de...

TECNOLOGÍA INDUSTRIAL I1. Departamento de Tecnología. IES Nuestra Señora de la Almudena Mª Jesús Saiz

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TEMA 9: ALEACIONES. DIAGRAMAS DE EQUILIBRIO

1.- Aleaciones

Características

Los metales puros tienen poca aplicación en la industria. La mayoría de ellos se combinan con otros metales o no metales para mejorar sus propiedades (mayor dureza, resistencia mecánica, resistencia a la corrosión, etc.)

Se denomina aleación metálica a la mezcla de dos o más elementos químicos, uno de los cuales tiene carácter metálico, que en estado sólido tiene propiedades metálicas.

Los elementos de una aleación deben ser totalmente miscibles en estado líquido, de forma que al solidificarse resulte un producto homogéneo.

Cuando se mezclan metales que cristalizan en la misma red tridimensional, se denomina disolvente al que interviene en mayor proporción y soluto al que lo hace en proporción menos.

Cuando se mezclan metales que cristalizan en distinta red, se llama disolvente al metal cuya estructura cristalina es la misma que la de la aleación, aunque intervenga en menor proporción.

Estructura: soluciones sólidas

Las aleaciones metálicas son soluciones sólidas entre 2 ó más elementos. Dependiendo de la disposición de los átomos del disolvente y del soluto, nos podemos encontrar con dos tipos de soluciones:

Solución solida de sustitución: son aquellas aleaciones en las que los átomos del elemento disuelto (soluto) sustituyen y ocupan los nudos de los átomos del elemento disolvente en su red cristalina, sin modificarla, siendo ambos casi del mismo tamaño

Para que dos átomos A y B sean totalmente solubles en estado sólido, se deben cumplir varias condiciones:

- Ambos metales han de cristalizar en el mismo sistema. - Ambos metales deben tener la misma valencia. - Ambos metales han de poseer una electronegatividad

semejante - Los diámetros atómicos no deben diferir en más de un 15%.

Ejemplo: cobre con níquel (Cu-Ni); oro con plata (Au-Ag)

La mayor parte de los metales forman únicamente soluciones sólidas de solubilidad parcial.

Solución sólida de inserción son aquellas aleaciones en las que los átomos del elemento soluto se sitúan en los intersticios, entre los átomos del elemento disolvente, siendo el tamaño de los átomos del elemento disuelto mucho menores.

El elemento que suele actuar de soluto es un no metal de pequeño tamaño (C, N, O ó H).

Los metales que actúan de disolvente suelen ser metales de transición (Fe, Cr, Mn, Co, Ni,…)

Las aleaciones hierro-carbono (acero) se presentan siempre como soluciones sólidas intersticiales, (Ferrita que es hierro α con carbono intersticial y la Austerita, que es hierro γ con carbono intersticial). El radio atómico del hierro es de 0,129 nm y el del carbono es de 0,075 nm.


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2.- Solidificación de las aleaciones

La solidificación de materiales y aleaciones metálicas es un proceso industrial que parte del estado líquido y enfría el material en forma de lingote o en un molde con la forma definitiva. Las propiedades del material formado dependen en gran medida de la manera en que se lleva a cabo esta solidificación.

El proceso de solidificación de un metal o de una aleación metálica puede representarse mediante la curva de enfriamiento, en función de la temperatura y el tiempo.

Curva de enfriamiento de un metal y de una aleación

1 = Inicio del proceso de solidificación 2 = Fin del proceso de solidificación

Los metales puros tienen una sóla temperatura de solidificación, mientras que las aleaciones tienen un intervalo de solidificación (excepto la aleación eutéctica, que es la aleación de menor punto de fusión y que veremos más adelante)..

3.- Diagrama de equilibrio en aleaciones

Se llaman diagramas de equilibrio o diagrama de fases. Representan la relación entre la estructura, la composición, el número de fases y las transformaciones desde el estado líquido al estado sólido.

Fase: es cada una de las partes o masa homogénea de que se compone un sistema y se diferencia físicamente del resto (ej: fase sólida, líquida y gaseosa). Dentro de un sólido pueden existir varias fases

Componente: son cada una de las sustancias o elementos químicos que forman un material. (ej: el Fe (hierro) y el Fe3C (cementita)son constituyentes del acero)

Los diagramas de equilibrio nos permiten saber qué fases se encuentran presentes para cada composición de una aleación y a qué temperatura. También permiten saber las temperaturas de inicio y fin del proceso de solidificación; las temperaturas en que se produce un cambio de fases y la solubilidad que tienen los componentes en estado sólido y líquido.

En todos los diagramas vamos a analizar tres datos:

Numero de fases

Composición de cada fase (mediante la regla de la horizontal),

Cantidad o proporción de cada fase (mediante la regla de la palanca o de los segmentos inversos),

Representación de diagramas de equilibrio de una aleación A-B:

Para dibujar un diagrama hay que seguir los siguientes pasos:

- Se parte de las curvas de enfriamiento de los metales puros A y B, de las curvas de enfriamiento de alecciones con diferentes composiciones de A y B. Y se obtienen las temperaturas de inicio y fin del proceso de solidificación.

- Con los datos anteriores se dibuja la gráfica temperatura-concentración. Para ello se unen todos los puntos de inicio del proceso de solidificación, obteniendo una línea por encima de

Líquido

Sólido

T solidificación

METAL PURO

Temperatura

tiempo

Líquido

Sólido

T inicio solidificación

ALEACIÓN

tiempo

T fin solidificación

Intervalo solidificación

Líquido

Sólido

T solidificación

ALEACIÓN EUTÉCTICA

Temperatura

tiempo

Temperatura

1 2

1

2 1 2


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la cual todo es líquido (línea de liquido). Y se unen todos los puntos del fin del proceso de solidificación, obteniendo una línea por debajo de la cual todo es sólido (línea de solido). La zona comprendida entre ambas líneas está formada por dos fases, una fase en estado líquido y otra en estado sólido.

Las gráficas que se obtienen pueden ser de tres tipos dependiendo del tipo de solubilidad que presentan los elementos A y B

Diagrama de equilibrio en aleaciones totalmente solubles estado sólido

Diagrama de equilibrio en aleaciones insolubles en estado sólido

Diagrama de equilibrio en aleaciones parcialmente solubles en estado sólido

DIAGRAMA DE EQUILIBRIO EN ALEACIONES TOTALMENTE SOLUBLES EN ESTADO LÍQUIDO Y ESTADO SÓLIDO

Se toman los metales puros A y B y diferentes aleaciones A-B, se funden y se dejan enfriar lentamente. Se dibujan sus gráficas de enfriamiento y se toman sus puntos de inicio y fin del proceso de solidificación para dibujar el diagrama de equilibrio (gráfica Temperatura- concentración)

T1 = temperatura de inicio de solidificación (comienza la formación de cristales) T2 = temperatura de fin de solidificación (formación del último cristal

Tª

%B 0 20 60 80

1000

1200

1600

1800

800

1400

LÏQUIDO L

Solido (α+β)

L + α

40 100

L + β

A B

β α Aleación eutéctica

Línea de liquido

Línea de solido

%B 100

Tª

0 25 50

75

1200

1300

1500

1600

1100

1400

LÏQUIDO L

SÓLIDO SAB

L + SAB

Línea de liquido

Línea de solido

Tª

%B 0

20 60 80

1100

1200

1400

1500

1000

1300

LÏQUIDO L

L + SA

Línea de liquido

Línea de solido

40 100

L + SB

Aleación eutéctica

Sólido(A+B)


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En estas aleaciones existe una solubilidad total en estado sólido, por lo que los átomos se mezclan en el interior del grano cristalino, es decir, dentro de los granos hay metal A y B. Todos los granos son similares.

El diagrama se divide en tres zonas:

▪ En la zona L hay una sola fase, líquida y homogénea.

▪ En la zona L+S hay dos fases, una de líquido AB y otra de cristales de aleación sólida S (AB mezclados).

▪ En la zona S hay una fase sólida formada por la mezcla AB.

Vamos a analizar el diagrama fijándonos en los siguientes puntos:

Ejemplo: Aleación 75% A y 25% B:

- En el punto “a”

• Numero de fases = 1 (liquido)

• Composición de cada fase:

Líquido =75% A - 25 %B

• Cantidad o proporción de cada fase:

Wlíquido = 100 %

- En el punto “b”

• Numero de fases = 2 (líquido y sólido S)

• Composición de cada fase: se aplica la regla de la horizontal para hallar la composición química del sólido y del líquido (se traza una línea horizontal que pase por el punto “b” y corte a las líneas de fase; el punto de corte con la línea de líquido nos da la composición de la fase líquida y el punto de corte con la línea de sólido nos da la composición de la fase sólida)

Líquido L= 75% B y 25% A Sólido S = 10% B y 90% A

• Cantidad o proporción de cada fase: se aplica la regla de la palanca o de los segmentos inversos para hallar la cantidad en tanto por ciento de la fase sólida y de la fase líquida (se traza una línea horizontal que pase por el punto “b” y corte a las líneas de fase; esa línea s-l es el denominador y en el numerador se coloca el segmento inverso desde nuestro punto “b” a la línea de fase)

Wlíquido = 𝑏−𝑠

𝑙−𝑠 100 (%) =

25−10

75−10 100 = 23%

Wsólido = 𝑙−𝑏

𝑙−𝑠 100 (%) =

75−25

75−10 100 = 77%

- En el punto “c”

• Numero de fases = 1 (sólido S)

• Composición de cada fase: Solido =75% A - 25 %B


Wsólido = 100 %

Tª

%B

T1

T1

T1

T1

T1

T2

T2 T2

=T2

=T2

0%B 100%A

25%B 75%A

50%B 50%A

75%B 25%A

100%B 0%A

1200

1300

1500

1600

1100

1400

LÏQUIDO L

SÓLIDO s

L + s

Línea de liquidus

Línea de solidus

%B 100

Tª

0 25 50

75

1200

1300

1500

1600

1100

1400

LÏQUIDO L

SÓLIDO S

L + S

a

b

c

10

l s


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DIAGRAMA DE EQUILIBRIO EN ALEACIONES TOTALMENTE SOLUBLES EN ESTADO LÍQUIDO E INSOLUBLES EN ESTADO SÓLIDO

Se toman los metales puros A y B y diferentes aleaciones A-B, se funden y se dejan enfriar lentamente. Se dibujan sus curvas de enfriamiento y se toman sus puntos de inicio y fin del proceso de solidificación para dibujar el diagrama de equilibrio (gráfica Temperatura- concentración)

T1 = temperatura de inicio de solidificación (comienza la formación de cristales) T2 = temperatura de fin de solidificación (formación del último cristal

Observamos que todas las aleaciones A-B acaban de solidificar a la misma temperatura.

Los metales puros A y B y la aleación eutéctica tienen una sola temperatura de solidificación. El resto de aleaciones tiene un intervalo de solidificación

Se representa el diagrama de fases

El diagrama se divide en cuatro zonas. ▪ En la zona L hay una sola fase, líquida y

homogénea. ▪ En la zona L+A hay dos fases, una de

líquido A-B y otra de cristales de solido A. ▪ En la zona L+B hay dos fases, una de

líquido A-B y otra de cristales de solido B. ▪ En la zona sólida hay un sólido formado

por dos fases A y B, que no se mezclan.

En estas aleaciones existe una insolubilidad entre sus elementos en estado sólido, lo que hace que, al formarse los granos cristalinos, los metales no se mezclan dentro del grano por lo que cada grano es de un metal puro; Es decir, tenemos granos formados por el metal A y granos del metal B (dos fases) mezclados al azar.

A la aleación de punto de fusión más bajo se le llama aleación eutéctica.

A las aleaciones a la izquierda de la aleación eutéctica se las llama aleaciones

hipoeutécticas. A las aleaciones a la derecha de la aleación eutéctica se las llama aleaciones hipereutécticas.

Reacción eutéctica: transformación de un líquido a cierta temperatura en dos fases sólidas. Es la aleación de menor temperatura de fusión

Vamos a analizar el diagrama fijándonos en las siguientes zonas:

▪ En las aleaciones hipoeutécticas, por debajo de la línea de líquido comienza la solidificación y los cristales que solidifican en la zona L+A son de sólido puro A, mientras que el líquido AB que queda se va progresivamente empobreciendo en A. Al llegar a la temperatura T2 desaparece todo el líquido y el sólido que se forma en ese instante contiene cristales de A puro y B puro que no se mezclan dentro del grano (sólido con dos constituyentes A+B). Este sólido tiene la misma cantidad o concentración de A y B que la aleación eutéctica. A temperaturas menores toda la aleación está en estado sólido, pero podemos considerar que tenemos un sólido con dos fases: una fase de sólido A que se formó en la zona L+A (A proeutéctico, se formó antes de la temperatura eutéctica), y una fase compuesta de sólido A+B (composición eutéctica). Es la zona Ap+(A+B)eu

▪ En la aleación eutéctica sólo hay un punto de solidificación y toda la aleación pasa de

estado líquido a sólido a la temperatura T2. Se forman dos fases A y B, que no se mezclan.

Tª

%B

T1

T1

T1

T1

T1

T2 T2 T2

=T2

=T2

0 20 60

80

1100

1200

1400

1500

1000

1300

LÏQUIDO L

SÓLIDO A+B

L + A

Línea de liquidus

40 100

L + B


Aleación hipereutéctica

Aleación hipoeutéctica

Línea de solidus


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▪ En las aleaciones hipereutécticas, comienza la solidificación a la temperatura T1, los cristales que solidifican en la zona L+B son de sólido puro B, mientras que el líquido que queda se va empobreciendo en B. Al llegar a la temperatura T2 desaparece todo el líquido y la aleación sólida formada en ese instante contiene cristales de A puro y B puro que no se mezclan (sólido con dos fases A+B de composición eutéctica) A temperaturas menores toda la aleación está en estado sólido, pero podemos considerar que tenemos un sólido con dos fases: una fase de sólido B que se formó en la zona L+B (B proeutéctico, se formó antes de la temperatura eutéctica), y una fase compuesta de sólido A+B (composición eutéctica). Es la zona Bp+(A+B)eu

Para calcular la composición de cada una de las fases se emplea la regla de la horizontal. Y para calcular la cantidad de cada fase se emplea la regla de la palanca.

Ejemplo: Aleación 80% A y 20% B:


• Numero de fases = 1 (liquido AB)

• Composición de cada fase: Líquido =80% A - 20 %B

• Cantidad o proporción de cada fase: Wlíquido = 100 %


• Numero de fases = 2 (liquido AB y sólido A)

• Composición de cada fase: se aplica la regla de la horizontal Líquido = 40% B y 60% A Sólido A = 0% B y 100% A

Tª

%B 0

20 60

80

1100

1200

1400

1500

1000

1300

LÏQUIDO L

A+B

L + Ap

Línea de liquidus

Línea de solidus

40 100

L + Bp




Ap+(A+B)eu Bp+(A+B)eu

a

b

c


Ap = A proeutéctico

Bp = B proeutéctico

(A+B)eu = aleación eutéctica


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• Cantidad o proporción de cada fase: se aplica la regla de la palanca o de los segmentos inversos


𝑙−𝑠 100 (%) =

20−0

40−0 100 = 50%


𝑙−𝑠 100 (%) =

40−20

40−0 100 = 50%


• Numero de fases = 2 (solido A y sólido A+B)

• Composición de cada fase: Sólido A =100% A - 0 %B

Sólido A+B =80% A - 20 %B (eutéctica)


Primero se calculan las cantidades totales de A y B

WA = 80% y WB = 20%

Para conocer las cantidades de cada fase A y fase A+B, se compara la fase A+B con la

composición del punto eutéctico.

WAeutectico = 40% WBeutectico = 60%

Comparamos los cristales de B que son todos eutécticos, mediante regla de tres:

Aeutéctico Beutéctico

Eutéctico 40 60

Punto c x 20

Resolviendo: x = 13,3%, de modo que el A primario o proeutéctico será 80-13,3 = 66,7.

Y la cantidad de cada fase es:

WA proeutéctico = 66,7% y W(A+B) eutéctico = 13,3 + 20 = 33,3%

DIAGRAMA DE EQUILIBRIO EN ALEACIONES TOTALMENTE SOLUBLES EN ESTADO LÍQUIDO Y PARCIALMENTE SOLUBLES EN ESTADO SÓLIDO

La mayor parte de los metales de uso industrial presentan alguna solubilidad entre sí al alearse. Por ejemplo: en la aleación Cu-Zn, el cobre no es capaz de solubilizar más de un 30% de Zn

Se representa el diagrama de fases

En estos sistemas los metales son solubles, pero en pequeña cantidad (parcialmente solubles, Al solidificar aparecen soluciones sólidas α y β

α = solución sólida de B disuelto en A (mucha cantidad de A y poca de B)

β = solución sólida de A disuelto en B (mucha cantidad de B y poca de A)

Tª

%B 0

20 60

80

1000

1200

1600

1800

800

1400

LÏQUIDO L

SÓLIDO α+β

L + α

Línea de liquidus

Línea de solidus

40 100

L + β




A B

β α α+β



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A la temperatura eutéctica las fases sólidas que se forman son soluciones α y β.

Se observa en el diagrama que ocurren transformaciones en estado sólido.

El diagrama se divide en seis zonas:

- En la zona L hay una sola fase, líquida AB y homogénea. - En la zona L+α hay dos fases, una de líquido AB y otra de cristales de aleación sólida

α (sólido α con solubilidad parcial) - En la zona L+β también hay dos fases, una de líquido AB y otra de cristales de aleación

sólida β (sólido β con solubilidad parcial) - En la zona α, hay una fase sólida formada por cristales de aleación sólida α. - En la zona β, hay una fase sólida formada por cristales de aleación sólida β. - En la zona α+β hay un sólida formado por dos fases α y β, que son soluciones sólidas

con solubilidad parcial.

▪ En las aleaciones hipoeutécticas, comienza la solidificación a la temperatura T1, los cristales que solidifican en la zona L+α son de sólido α, mientras que el líquido que queda se va empobreciendo en A. Al llegar a la temperatura T2 desaparece todo el líquido y la aleación formada contiene cristales de α (proeutécticos), más una estructura compuesta de α+β (composición eutéctica). Es la zona α+(α+β).

▪ En aleaciones hipoeutécticass con pequeñas cantidades de B, todo el sólido está en forma de α y este sólido no sufre transformaciones, todo es solución sólida α

▪ En la aleación eutéctica sólo hay un

punto de solidificación y toda la aleación pasa de estado líquido a sólido α+β a la temperatura T2.

▪ En las aleaciones hipereutécticas, comienza la solidificación a la temperatura T1, los cristales

que solidifican en la zona L+β son de sólido β, mientras que el líquido que queda se va empobreciendo en B. Al llegar a la temperatura T2 desaparece todo el líquido y la aleación formada contiene cristales de β (proeutécticos), más una estructura compuesta de α+β (composición eutéctica). Es la zona β+(α+β)

▪ En aleaciones hipereutécticas,con pequeñas cantidades de A, todo el sólido está en forma de β y este sólido no sufre transformaciones, todo es solución sólida β


Ejemplo:

Aleación 60% A y 40% B:


• Numero de fases = 1 (liquido AB)

• Composición de cada fase:

Líquido =60% A - 40 %B

Tª

%B 0 20 60

80

1000

1200

1600

1800

800

1400

LÏQUIDO L

αP+(α+β)eu

L + αP

40 100

L + βP



A B

β α α+β


βP+(α+β)eu

c

b

a

50 3 92 5 90 7


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▪ Cantidad o proporción de cada fase:

Wlíquido = 100 %


• Numero de fases = 2 (liquido y sólido α)

• Composición de cada fase: se aplica la regla de la horizontal

Líquido = 50% B y 50% A

Sólido α = 3% B y 97% A

• Cantidad o proporción de cada fase: se aplica la regla de la palanca o de los segmentos inversos


𝑙−𝑠 100 (%) =

40−3

50−3 100 = 78,7%


𝑙−𝑠 100 (%) =

50−40

50−3 100 = 21,3%


• Numero de fases = 2 (solido α y sólido α+β)

• Composición de cada fase: se aplica la regla de la horizontal

Sólido α = 5% B y 95% A

Sólido β = 92% B y 8% A

• Cantidad o proporción de cada fase: se aplica la regla de la palanca o de los segmentos inversos Primero se calculan las cantidades totales de α y β

Wα = 92−40

92−5 100 = 59,8%

Wβ = 40−5

92−5 100 = 40,2%

Para conocer las cantidades de cada fase α y fase α+β, se compara la fase α+β con la

composición del punto eutéctico.

Wαeutectico = 90−60

90−7 100 = 36,1%

Wβeutectico= 60−7

90−7 100 = 63,9%

Comparamos los cristales de β que son todos eutécticos, mediante regla de tres:

αeutéctico βeutéctico

Eutéctico 36,1 63,9

Punto c x 40,2

Resolviendo: x = 22,7%, de modo que el α primario será 59,8 - 22,7 = 37,1%.

Y la cantidad de cada fase es:

Wα proeutéctico = 37,1% y W(α+β) eutéctico = 22,7 + 40,2= 62,9 %


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ALEACIONES Fe-C. PROPIEDADES Y CLASIFICACIÓN

1.- Estados alotrópicos del Hierro (Fe)

Según las condiciones de temperatura, el hierro puede presentar diferentes estados, con mayor o menor capacidad para disolver el carbono.

Hierro α: cristaliza hasta una temperatura de 768 ºC en la red CCB. No disuelve prácticamente

al carbono. Es magnético.

Hierro β: cristaliza entre 768 ºC- 910 ºC en la red CCB. No es magnético. Tiene mayor volumen

(mayor distancia entre átomos).

Hierro γ: cristaliza entre 910 ºC- 1400 ºC en la red CCF. Disuelve más carbono (hasta un 2, 11 %). Es no magnético

Hierro δ: cristaliza entre 1400 ºC- 1539 ºC en la red CCB. Es magnético. Muy parecido al hierro

α. Poca aplicación

2.- Formas de encontrar el carbono en las aleaciones férreas

Disuelto o combinado:

Formando soluciones sólidas de inserción con el hierro α (ferrita = Fe α - C). La ferrita

disuelve muy poca cantidad de carbono. La estructura cristalina será CCB

Formando soluciones sólidas de inserción con el hierro γ (austenita = Fe γ - C). La estructura cristalina será CCF

En forma de carburo de hierro (Fe3C = cementita). La cementita tiene un 6,67% en

peso de carbono (la mayor proporción de carbono que puede solubilizarse con el hierro),

y es un compuesto de inserción. La estructura cristalina que se forma es del tipo

ortorrómbica con 12 átomos de hierro y 4 átomos de carbono por celda.

Libre: formando nódulos o láminas de grafito, cuando el porcentaje de carbono es superior al

6,67%.

El grafito es una de las formas alotrópicas en las que se puede presentar

el carbono (como el diamante y el grafeno). Los átomos se colocan en capas

superpuestas formando hexágonos regulares.

Es de color negro con brillo metálico, se exfolia con facilidad, es conductor y

muy blando.

3.- Diagrama Fe-C

Los aceros son aleaciones Fe-C, donde el carbono está en proporciones del 0,03 – 2,11 %. Son forjables.

Las fundiciones son aleaciones Fe-C, donde el carbono está en proporciones del 2,11 – 6,67%. Son no forjables.

El 6,67% C es la máxima proporción de carbono que se puede disolver. Al compuesto con este

porcentaje 6,67% C, se le llama cementita. (Fe3C)


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Constituyentes de las aleaciones Fe-C

Ferrita (α): prácticamente Fe α, tiene muy poca solubilidad ya que apenas disuelve carbono

(máxima solubilidad es 0,02 % C). Cristaliza en la red CCB. Es el más blando y dúctil constituyente de los aceros. Es magnético. Se emplea en la fabricación de imanes permanentes, en núcleos de inductancias y transformadores. .

Cementita: Fe3C, tiene un 6;67% de carbono. La estructura

cristalina es muy compleja, es del tipo ortorrómbica con 12 átomos

de hierro y 4 átomos de carbono por celda.

Es el más duro y frágil constituyente de los aceros. Tiene muy poca resiliencia y no es posible utilizarla para operaciones de laminado o

forja Es magnético hasta los 210ºC. La cementita se llama primaria cuando se forma desde la fase líquida y secundaria si procede de austenita durante el enfriamiento lento. Y terciaria si se desprende de la ferrita al enfriarse por debajo de 910 ºC.

Perlita: α + Fe3C, es la mezcla eutectoide de ferrita y cementita (86,5% de ferrita y 13,5% de

cementita). Tiene propiedades intermedias.

A 723ºC la solución sólida austenita origina en el enfriamiento dos nuevas fases sólidas (a esto se le llama reacción eutectoide)

Austenita γ Ferrita α + cementita Fe3C

86,5% 13,5%

perlita

Austenita (γ): solución sólida de inserción de carbono en Fe γ, con un máximo porcentaje de

carbono de 2,11%. Cristaliza en la red CCF Se forma con temperaturas superiores a 723ºC. Es blando, ductil, resistente, tenaz, no magnético y muy denso. La austenita no es estable a temperatura ambiente. Es blanda y dúctil y, en general, la mayoría de las operaciones de forja y laminado de aceros se efectúa a aproximadamente los 1100 ºC, cuando la fase austenítica es estable.

Ledeburita: γ + Fe3C, es la mezcla eutectica de austenita y cementita

(52% de austenita y 48% de cementita). Se da con un porcentaje de carbono del 4,3 %. Es un constituyente de las fundiciones.

A 1130 ºC la aleación líquida, solidifica formando un sólido con dos fases (reacción eutéctica)

Líquido Austenita γ + cementita Fe3C

48 % 52%

ledeburita

Es estable hasta los 723ºC, descomponiéndose a partir de esta temperatura en ferrita y cementita

Martensita: Se obtiene por enfriamiento rápido de la austenita. A velocidades de enfriamiento bajas o moderadas, los átomos de C pueden difundirse hacia afuera de la estructura austenítica.

Bobinado de ferrita para uso como transformador de corriente eléctrica

C

C


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De este modo, los átomos de Fe se mueven ligeramente y se da una transformación de Fe γ en

Fe α. Es una solución sólida sobresaturada de carbono en Fe α. Es el constituyente principal de

los aceros templados. Tras la cementita, es el constituyente más duro de los aceros. La martensita se presenta en forma de agujas y cristaliza en la red tetragonal

Diagrama Fe-C

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.

- En la zona L hay una sola fase, líquida y homogénea.

- En la zona L+γ hay dos fases, una de líquido y otra sólida austenita.

- En la zona γ, hay una fase sólida formada por austenita.

- En la zona α, hay una fase sólida formada por ferrita.

- En la zona L+Fe3C hay dos fases, una de líquido y otra de sólido cementita.

- En la zona γ+ Fe3C hay un sólido formado por dos fases austenita y cementita.

- En la zona α+ Fe3C hay un sólido formado por dos fases ferrita y cementita.

Dependiendo de la zona la austenita y la cementita pueden ser primarias (proeutécticas) o secundarias (eutécticas)

a

b

c

Tª (ºC)

Fundiciones

Hipoeutéctico Hipereutéctico Hipo-

eutectoides Hipereutectoides

Aceros

L

γ + Fe3C

Ledeburita

γ + Fe3C γ+α

α α + Fe3C

Perlita

α + Fe3C

1539

1130

910

723

500

% C

L+ Fe3C L+ γ γ

0,89 2,1 4,3 6,67

1 2 3 4 5 6 7

700

900

1100

1300

1500

300

L = líquido

γ = austenita

Fe3C = cementita

Línea de liquidus

Línea de solidus 723

1130


13

- En los aceros hipoeutéctoides (<0,89%C) existen varias zonas según vamos bajando la temperatura

• Fase líquida

• 2 fases: Líquido y sólido austenita

• Fase sólida austenita

• 2 Fases sólidas donde el hierro γ se transforma progresivamente en hierro α

• A 723ºC toda la austenita se transforma en perlita y cementita

• 2 Fases sólidas de ferrita primaria y perlita - En los aceros eutéctoides (0,89%C) existen varias zonas según vamos bajando la temperatura

• Fase líquida



• A 723ºC toda la austenita se transforma en perlita - En los aceros hipereutéctoides (0,89% - 2,11%C) existen varias zonas según vamos

bajando la temperatura

• Fase líquida



• 2 Fases sólidas austenita y cementita

• A 723ºC toda la austenita se transforma en perlita

• 2 Fases sólidas de perlita y cementita - En las fundiciones hipoeutécticas (2,11% - 4,3%C) existen varias zonas según vamos bajando

la temperatura

• Fase líquida


• 2 Fases sólidas austenita primaria y ledeburita

• A 723ºC toda la austenita se transforma en perlita

• 2 Fases sólidas de perlita y cementita - En las fundiciones eutécticas (4,3%C) existen varias zonas según vamos bajando la

temperatura

• Fase líquida

• A 1130ºC se produce la transformación de la fase líquida en ledeburita.

• A 723ºC toda la austenita eutéctica se transforma en perlita - En las fundiciones hipereutécticas (>4,3%C) existen varias zonas según vamos bajando la

temperatura

• Fase líquida

• 2 fases: Líquido y sólido cementita

• 2 Fases sólidas ledeburita y cementita primaria

• A 723ºC toda la austenita eutéctica se transforma en perlita

• 2 Fases sólidas de perlita y cementita


4.- Propiedades de los aceros

Al disminuir el %C: dúctiles, maleables, tenaces, soldables

Al aumentar el %C: resistentes, duros, frágiles.

Son oxidables y corroibles.

Densidad = 7,6 – 7,8 g/cm3

5.- Clasificación de los aceros

En función del porcentaje de C:

Aceros hipoeutectoides: del 0,03 – 0,89 %.C

Aceros eutectoides: 0,89 %.C


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Aceros hipereutectoides: del 0,89 – 2,1 %.C

En función de su composición:

Aceros al C: aleación de Fe – C y bajo porcentaje de otros elementos (según las normas).

Aceros aleados: aleación de Fe – C e impurezas. Además, llevan de forma voluntaria otros

elementos que modifican sus propiedades.

• Aceros inoxidables: Cr, Ni. Acero galvanizado: Zn

• Aceros de corte (muy duros): Wf

• Aceros de alta dureza: Mo, Cr, Co

• Aceros resistentes a la fatiga: Vanadio

6.- Propiedades de las fundiciones

Son aleaciones férricas con un porcentaje de C mayor del 2,11%. No son forjables. Funden a

temperatura inferior a los aceros por lo que se moldean con facilidad.

No son dúctiles, no maleables, sueldan con dificultad.

Menor densidad = 7,2 – 7,68 g/cm3

Tienen tendencia a la formación de grafito (carbono libre formando láminas o nódulos).

7.- Clasificación de las fundiciones

En función del porcentaje de C:

Fundiciones hipoeutéctica: del 2,11 – 4,3 %.C

Fundiciones oeutécticas : 4,3 %.C

Fundiciones hipereutéctica del 4,3 – 6,67 %.C

tema 9: aleaciones. diagramas de...

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