Apunte 06 Estructura Polifasica de Los Metales y Diagrama de Fases

UNIVERSIDAD DEL BÍO BÍO FACULTAD DE INGENIERIA

DEPARTAMENTO DE MECANICA

Apunte 6 : Estructura Polifásica en metales y Diagramas de Fases Profesor : Federico Grossmann. Asignatura : Materiales.

31.10.2006

UBB DIMEC Materiales

Estructuras polifásicas en metales

• Bajo condiciones de equilibrio Diagrama de fases

• Bajo condiciones de no-equilibrio

Reacciones de precipitación

Los metales puros y las soluciones sólidas son útiles, pero las estructuras metálicas de mayor resistencia, dureza y resistencia al desgaste, están compuestas por dos o más fases en una dispersión bien controlada.

Esta micro estructura, generalmente no la encontramos en la pieza fundida o lingote original. Esta se forma a través de un cuidadoso proceso controlado que involucra Trabajado en Caliente y Tratamientos Térmicos. Ejemplo: Aleación Al 2014 % Alarg. σ fluencia conv 0.2 %

Resistencia a la Tracción

Aleación Al 2014 Recocida 18 980 Kg/cm2 1900 Kg/cm2 Aleación Al 2014 fortalecida con Trat. Térmico 13 4220 Kg/cm2 4920 Kg/cm2


SOLUCIONES SÓLIDAS

La cantidad de soluto que el solvente puede disolver es generalmente función de la temperatura ( a P = Cte.) y suele aumentar con el incremento de la Tº. Una solución sólida puede estar:

• No Saturada. • Saturada (Línea Solvus) • Sobresaturada.

Solución Sólida Sobresaturada

Si disuelve mas soluto del que debiera en condiciones de equilibrio, esta condición se puede conseguir por:

• Enfriamiento rápido de la solución. • Agitación.

La condición de sobresaturación es inestable, si se da un tiempo suficiente o un

poco de energía, la solución tenderá a estabilizarse o saturarse mediante el rechazo o la precipitación del exceso de soluto. Precipitación

Formación de una nueva fase como resultado de una Sobresaturación de la fase inicial, producida por un cambio de temperatura. Ocurre principalmente en las fronteras de grano de una solución sólida sobresaturada.

La Sobresaturación es lo que permite endurecer las aleaciones no ferrosas (algunas). Si la línea Solvus fuera vertical, las aleaciones no se podrían endurecer. Esta transformación involucra un cambio de Composición Química (CQ).


DIAGRAMAS DE EQUILIBRIO DE FASES

1. METAL PURO

2. ALEACIONES

2.1 ALEACIONES BINARIAS

Conocida la Composición Química (CQ) y la temperatura (T º) de una aleación binaria determinada mediante diagramas, en condiciones de equilibrio, es posible predecir en cualquier punto del diagrama:

• El número de fases presentes. • La composición química de las fases, y • El porcentaje relativo de cada una de ellas.

Estos diagramas se emplean para una presión P = P atmosférica = Constante.

• Fases Líquidas • Fases Sólidas • Punto Eutéctico: TE – CE • Líneas ( Liquidus, Solidus, Solvus )

3. Diagramas

3.1 Sistema de Solubilidad Total

Aleaciones Cu - Ni Ag – Au


Diagrama de fases Cu – Ni

Figura Diagrama de fases Cu – Ni

• Cu y Ni tienen una solubilidad líquida y sólida completa. Las soluciones sólidas de Cu y Ni funden más bien en un rango de Tº que a una Tº fija, como los metales puros. 3.2 Sistema de Solubilidad Parcial o Sistema Eutéctico. En estas aleaciones, los metales son parcialmente solubles al estado sólido en un rango de Composición Química y presentan un diagrama eutéctico.

Figura : Propiedades mecánicas de las aleaciones Cobre-Níquel. El cobre es endurecido con un 60 % de Ni y el níquel con un 40 % de Cu.


Cu – Ag Aleaciones

as propiedades mecánicas ( Resistencia ) en estas aleaciones son máximas

para la

Figura : Modificación en la estructura de una aleación Cu – 40 % Ni durante la

Al – Si Pb – Sn

L composición química eutéctica ( CQ = CQEutecica )

•

solidificación en equilibrio. Los átomos de Níquel y de cobre deben difundir durante el enfriamiento para poder satisfacer el diagrama de fases y producir una estructura de equilibrio uniforme.


Diagrama de fases Al – Si

a : (a) Diagrama de fases Aluminio-Silicio. (b) El efecto del silicio y de la

igura : de fases

Figurmodificación sobre las propiedades de las aleaciones aluminio-silicio.

FDiagrama en equilibrio plomo-estaño


Figura : Efecto de la composición

Figura 12 : 61.9 % Sn.

química y el mecanismo de endurecimiento, en la resistencia a la tensión de las aleaciones plomo-estaño.

Solidificación y microestructura de la aleación Eutéctica Pb – Sn , con un


Figura La curva de enfriamiento ( Temperatura – Tiempo ) para una aleación eutéctica Pb – Sn, 61.9 % Sn, muestra una meseta o estabilización térmica en la temperatura eutéctica ( 183 º C ), similar a la de un metal puro.

ep β y

.(b) Fotomicrografía del microconstituyente

Figura : Redistribución atómica durante el crecimiSn. Los átomos de estaño del líquido se difunden los átomos de Pb se difunden a las placas αdel eutéctico plomo-estaño.

nto laminar de un eutéctico Pb - referencialmente a las placas


Figura 14 : Solidificación y microestructura de una aleación hipoeutéctica (Pb-30 % Sn). La curva de enfriamiento muestra tanto un cambio en la pendiente en el Líquidus, como una estabilización térmica en el eutéctico.


Figura : Diagramas cobre-aluminio, parcial y total


DIAGRAMAS TERCIARIOS

CS = CaO * SiO2 C3S2 = 3CaO * 2SiO2 C2S = 2CaO * SiO2 C3S = 3CaO * SiO2 A3S2 = 3Al2O3 * 2SiO2 (mulita) C3A = 3CaO * Al2O3 C12A7 = 12CaO * 7Al2O3 CA = CaO * Al2O3 CA2 = CaO * 2Al2O3 CA6 = CaO * 6Al2O3 CAS2 = CaO * Al2O3 * 2SiO2 (anonita) C2AS = 2CaO * Al2O3 * SiO2 (gelenita)

Figura : Gráfico de Líquidus para el diagrama terciario CaO-SiO2-Al2O3


Figura : Ubicaciones aproximadas de cementos típicos, vidriados y refractarios en el diagrama de fases CaO - SiO2 - Al2O3

Figura : Ubicación de productos de arcilla típicos en el diagrama de fases Sílice-arcilla-feldespato


CONTROL DE LAS REACCIONES DE PRECIPITACIÓN EN EL ESTADO SÓLIDO Ejemplos de este efecto:

• Control de la precipitación de la Fe3C en el acero de gran importancia. • Endurecimiento por envejecimiento

Aleaciones de Al , fase CuAl2 En el acero, existen dos ciclos térmicos para endurecerlo, pero por

mecanismos diferentes. Ambos dan como resultado un refinamiento en la dispersión del Fe3C. A continuación se muestran los dos ciclos térmicos:

1. Reacción de Nucleación y Crecimiento de Grano (dependiente del tiempo). 2. Cambio rápido de la estructura, en forma de Cizallamiento.

Consideremos ambas reacciones para un acero 0.8 % C

a) Formación de Perlita Diagrama Fe - C ó Fe - Fe3C

Figura : Diagrama Fe – C parcial. Para un 0.8 % C y sobre los 723 º C se tiene un100 % de fase austenítica (γ = Solución sólida CCC ).


El diagrama muestra que bajo condiciones de equilibrio, al enfriar por debajo de los 723 ºC, la fase γ se transforma en dos fases:

• α, ferrita, hierro CC ( Dúctil ) • Fe3C, Carburo de Fierro o Cementita ( de alta dureza )

100 % γ 0.8 % C 723 ºC α0.03 % C + Fe3C6.67 % C

Enfriamiento Perlita

En condiciones de enfriamiento lento la dispersión de plaquetas de Fe3C en α es poco fina y la dureza es baja ≈ VHN 230.

Si calentamos el mismo acero a 723 ºC + ∆T y luego templamos en un baño

de Pb o de sales a 540 ºC, la reacción ocurrirá a esta Tº y en un periodo de menos de 1 minuto. Con lo anterior se obtiene una dispersión más fina y con una mayor dureza VHN 300.

En condiciones de enfriamiento rápido del acero (Temple) desde la fase

austenita (γ) hasta la Tº ambiente, la fase Austenita se transforma en Martensita, obteniendose una estructura muy dura y con alto nivel de tensiones internas.

ENDURECIMIENTO POR ENVEJECIMIENTO O PRECIPITACIÓN

Para realizar este proceso se deben tener en consideración tres pasos:

1. Calentar la aleación para disolver toda o parte de la segunda fase de la matriz. 2. Templarla para retener el soluto en una solución sólida sobresaturada. 3. Dejar que la segunda fase se precipite en forma de partículas muy finas, coherentes con la matriz. El envejecimiento (endurecimiento) se lleva a cabo de dos formas:

• Envejecimiento Natural (Tº ambiente) • Envejecimiento Artificial (calentamiento entre 95 – 205 ºC)


DIAGRAMA Fe-C Figura : Diagrama Fe – C , donde A3, Acm y A1 son Líneas críticas (líneas de solubilidad) y son la base de los tratamientos térmicos. REACCIONES CARACTERÍSTICAS Reacción Eutéctica 100 % líq. 4.3 % C 1145 ºC γ2 % C + Fe3C6.67 % C

Ladeburita

Reacción Eutectoide 100 % γ 0.8 % C 723 ºC α0.03 % C + Fe3C6.67 % C

Perlita


CARACTERÍSTICAS DE LAS FASES EN UN ACERO Austenita (CCC)

• Es más densa que la ferrita Ferrita (CC 0.06 % C a Tº ambiente)

• Es la fase mecánicamente más débil. • 38 % de alargamiento • Baja resistencia 28 Kg/mm2 • Dureza 100 BHN. • Importante en el aspecto Químico. • Punto de partida de los aceros Inoxidables (bajo % C)

Cementita Fe3C (estructura ortorrómbica 6.67 % C)

• Mejores propiedades mecánicas. • Alta dureza 64 RC. • Resistencia 180 Kg/mm2. • Gran fragilidad. • Resiliencia 0.2 Kg-mt.

Martensita (estructura tetragonal distorsionada centrada)

• Las propiedades mecánicas obtenidas después del temple varían según el porcentaje de carbono y los elementos de aleación presentes en el acero.

• Tiene propiedades mecánicas similares a la cementita para la composición química eutectiode (0.8% C)

Acero 0.8 % C : Dureza 65 RC

Resistencia 180 Kg/mm2 Resiliencia 0.5 Kg-mt

ESTRUCTURAS – Fases en los aceros. Simbología α : Ferrita γ : Austenita Fe3C : Cementita. α+Fe3C : Perlita. : Bainita : Martensita son dúctiles, blandas α, γ (CC – CCC) Alargamiento > 40 % Dureza 100 – 150 BHN Fe3C (Estructura ortorrómbica) Estructura frágil Alta dureza

α cc γ ccc δcc CTC

1% vol EXP 0.5 % vol


Figura : Diagrama Fe – C . Desarrollo de la microestructura hipoeutectoide ( 0.6 % C ) y de la hipereutectoide ( 1.1 % C ) de los aceros durante el enfriamiento desde la fase austenítica.

Figura : (a) Acero hipoeutectoide que muestra la fase ferrita α primaria (blanco) y perlita. ( oscuro ). (b) Acero hipereutectoide que presenta cementita Fe3C primaria (blanco) en los límites de grano rodeando a la perlita (oscuro).


Figura : Efecto del porcentaje carbono y del tratamiento térmico en las propiedades mecánicas del acero.

Figura : Relación entre el porcentaje de carbono en aceros enfriados lentamente y el porcentaje de Perlita - Cementita y , la relación entre el contenido de carbono y el esfuerzo de fluencia - resistencia a la tracción obtenida.


Figura : Diagrama de equilibrio hierro-carbono


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