Unidad 4
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1
OBJETIVOS
Conocer e interpretar el rol que cumplen tanto la estructura
cristalina del acero como sus constituyentes de aleación
en el hierro carbono en las propiedades de los materiales.
Comprender el concepto de metalografía.
Comprender los requerimientos para el desarrollo de la
práctica de metalografía.
Entender e interpretar las curvas características en el
diagrama TTT.
Conocer, interpretar y analizar el diagrama hierro carbono
La materia está constituido por elementos químicos Sin orden:
Los átomos y moléculas carecen de una arreglo ordenado, por ejemplo los gases
se distribuyen aleatoriamente en el espacio donde se confina el gas.
Los átomo monoatómicos inertes no tienen ordenamiento regular de átomos
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Ordenamiento particular (corto alcance): El arreglo se restringe solamente a átomos circunvecinos (agua, cerámicos,
polímeros).
Algunos materiales, que incluyen vapor de agua, nitrógeno gaseoso, silicio
amorfo y vidrios de silicato tienen orden de corto alcance
Ordenamiento general (largo alcance):El arreglo se distribuye por todo el material. El arreglo difiere de un material a
otro en forma y dimensión, dependiendo del tamaño de los átomos y de los tipos
de enlace de estos.
Metales, aleaciones, muchos cerámicos y algunos polímeros tienen
ordenamiento regular de átomos o iones
Dentro de los sólidos se puede hacer una
clasificación entre sólido amorfo y sólido
cristalino.
el estado amorfo
Consiste de átomos
dispuestos según un orden
geométrico regular
Los átomos se encuentran
mezclados en una manera
completamente desordenada
La estructura cristalina
El estado Sólido
Por constituir una ordenación atómica no
manifiesta un idéntico comportamiento ante
agentes externos en cualquier de las direcciones de
los cristales
ANISITROPIA
Presentará idénticas propiedades
en cualquier dirección
ISOTROPIA
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Sus partículas presentan atracciones lo suficientemente fuertes para impedir
que la sustancia fluya, obteniendo un sólido rígido y con cierta dureza.
No presentan arreglo interno ordenado sino que sus partículas se agregan al
azar.
Al romperse se obtienen formas irregulares.
Se ablandan dentro de un amplio rango de temperatura y luego funden o se
descomponen. Ejemplos: Asfalto, Parafina, Ceras, Vidrios, algunos polímeros,
algunos cerámicos.
AMORFA
a) Orden de largo alcance en sílice cristalino
b) Vidrio de sílice sin orden de largo alcance
c) Estructura amorfa en los polímeros
AMORFA
Los materiales amorfos son caracterizados por
el orden de corto alcance.
Así por ejemplo, los vidrios, principalmente
formados por cerámicos y poliméricos, son
materiales amorfos.
Algunos geles poliméricos también pueden
considerarse amorfas.
La mezcla inusual de sus propiedades arroja
átomos irregularmente repetidos en su
composición.
CRISTALINA
Presentan un arreglo interno ordenado, basado en
minúsculos cristales individuales cada uno con una
forma geométrica determinada.
Los cristales se obtienen como consecuencia de la
repetición ordenada y constante de las unidades
estructurales (átomos, moléculas, iones).
Al romperse se obtienen caras y planos bien
definidos.
Presentan puntos de fusión definidos, al calentarlos
suficientemente el cambio de fase ocurre de una
manera abrupta. Ejemplos: NaCl, Sacarosa, Sales en
general, Metales, Algunos polímeros, Algunos
cerámicos .
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Los metales poseen una distribución organizada de sus átomos.
Su ESTRUCTURA CRISTALINA se caracteriza por un apilamiento simétrico de
los átomos en el espacio. Este apilamiento se denomina RED CRISTALINA y es
propio de cada elemento.
El elemento mas pequeño representativo de la simetría de la red es la CELDA
UNITARIA
Ordenamiento espacial de átomos y
moléculas que se repite sistemáticamente
hasta formar un Cristal
RED CRISTALINA
Celda Unitaria
Red Espacial• Celda Unitaria es un bloque
de átomos el cual se repite así
mismo para formar la red espacial.
Las propiedades de los sólidos depende de la estructura
cristalina y de las fuerzas de enlace.
Está formado por la repetición de ocho
átomos.
El cristal se puede representar mediante
puntos en los centros de esos átomos.
Las agrupaciones de cristales, dentro de los cuales hay un orden se llama GRANO
y al sólido se le llama POLICRISTALINO
La dimensión de los granos es del orden de 0.02 a 0.2 mm. Su observación a
través del microscopio define su ESTRUCTURA MICROGRAFICA
Frontera o borde de grano
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Aleación: Sustancia metálica compuesta de dos o más elementos.
Cristal: Sólido con estructura atómica que posee simetría translacional operiodicidad en tres dimensiones.
Estructura cristalina: El ordenamiento de los átomos en un monocristal.
Vidrio: Un sólido formado mediante el enfriamiento rápido de un líquido paraevitar la cristalización. El ordenamiento de los átomos en un vidrio carece deperiodicidad
Grano: Cada uno de los monocristales que componen un material policristalino.
Frontera de grano: la intercara que separa dos granos adyacentes en unpolicristal, que poseen diferente orientación cristalográfica.
Microestructura: la estructura interna de un material (defectos, fronteras degrano, fases,…)
Dependiendo de la posición delos átomos no situados en losvértices, se puede dar lugar avarias redes cristalinas:
Sencilla o cúbica simple.
Centradas en el cuerpo.
Centradas en la cara.
Centradas en la base.
Con las distintas combinacionesse crean las redes de Bravais:
Mayormente los metales cristalizan en tres redes
cristalinas:
RED CUBICA CENTRADA EN EL CUERPO (Body Centered Cubic Unit cell) BCC
Cromo, Tungsteno, Hierro (alfa), Hierro (beta), Molibdeno, Vanadio, Sodio
RED CUBICA CENTRADA EN LAS CARAS (Fase Centered Cubic Unit cell) FCC
Aluminio, Cobre, Plomo, Plata, Niquel, Oro, platino, Hierro (gamma)
RED HEXAGONAL COMPACTA (Hexagonal Closed Packed) HCP
Magnesio, Berilio , Zinc y Cadmio
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La forma de los cristales dependerá de varios factores:
1. La naturaleza del metal
2. Los tratamientos térmicos a los que se someta el
metal
3. La forma en la que se realicen estos últimos
ESTRUCTURA CRISTALINA
Estructura de red cúbica centrada (BCC)
Estructura cristalina cúbica centrada
en la caras (FCC)
Estructura de red hexagonal compacta
(HCP)
ESTRUCTURA CRISTALINA DEL HIERRO Polimorfismo y Alotropía
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Polimorfismo y AlotropíaExisten elementos y compuestos que pueden presentar distintas estructuras cristalinas dependiendo de varios factores como la presión y la temperatura.
• Isomorfismo: se llaman isomorfas las sustancias que teniendo el mismo sistema de cristalización, son de distinta naturaleza
• Polimorfismo: se llaman polimorfas las sustancias que teniendo la misma naturaleza, cristalizan de forma distinta
• Alotropía: cuando las sustancias polimorfas son puras , el fenómeno se llama alotropía y los estados que toman en diferente red espacial se denominan estados alotrópicos
El diamante y el grafito son dos alótropos del carbono: formas puras del mismo
elemento, pero que difieren en estructura.
La ferrita o hierro α, el hierro ß, el hierro γ o austenita y el hierro δ son estados
alotrópicos del hierro.
Polimorfismo y Alotropía
-2730C 9120C 13940C 15390C
Hierro α
BCC
Hierro γ
FCCHierro δ
BCC
Hierro
Liquido
Estructura micrográfica
• El elemento más importante es el grano y puede observarse en el microscopio metalográfico después de una adecuada preparación.
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Micrografías de diferentes materialesFormación del grano
La formación del grano va adepender de dos factores: Elnumero de gérmenes por unidad devolumen del liquido y la velocidadde cristalización a partir de cadagermen. Variará el tamaño y laforma del grano en función de estosfactores
Importancia del tamaño del granoLas propiedades de los metales varían de manera considerable en función deltamaño del grano. Propiedades como, por ejemplo, dureza, elasticidad,plasticidad, resistencia a la tracción y al choque. Tanto menor es el tamaño delgrano, mejores son las propiedades de éste.
El conocimiento de las aleaciones requiere el empleo de representaciones gráficas que registren las diferentes micro
estructuras presentes a cualquier temperatura y composición.
Estas representaciones son los diagramas de fases
Una fase es una parte de la micro estructura de una material que se caracteriza por tener la misma estructura y composición química
Toda la fase tiene el mismo ordenamiento atómico
Tiene igual composición química.
Por las características descritas en el punto 1 y 2 se deduce que tienen
las mismas propiedades.
Siempre existe una interfase que separa a dos fases distintas.
• El desarrollo de nuevas aleaciones para aplicacionesespecíficas.
• Diseño y control de procedimientos de tratamientostérmicos para aleaciones específicas que produzcanrequerimientos mecánicos y propiedades físicas yquímicas.
• Para resolver problemas metalúrgicos de aleaciones demala performance en aplicaciones comerciales.
• Para el control de estructuras formadas en el cordón desoldadura y la ZAC.
Los diagramas de fase son útiles para:
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Conceptos fundamentales
Antes de interpretar o utilizar los diagramas de fase es
necesario establecer un conjunto de definiciones
relacionados a las aleaciones, las fases y el equilibrio.
¿ Que es una fase ?
• La materia mayormente existe en estado gaseoso,líquido y sólido (normalmente llamado una fase),dependiendo de las condiciones de estado comocomposiciones, temperatura, presión, campomagnético, campo electrostático, campo gravitatorio,etc.
• El término " fase" se refiere a esa región de espacioocupada por un material físicamente homogéneo.
• Se dice que el equilibrio existe en cualquier sistemacuando las fases del mismo no conducen a ningúncambio en las propiedades con el paso del tiempo ypermite que las fases tengan las mismas propiedadescuando se tienen las mismas condiciones con respecto alas variantes que se han alcanzado por procedimientosdiferentes.
Equilibrio mecánico
(a) Estable. (b) Metastable. (c) Inestable.
Equilibrio de fase
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Constitución de un diagrama de fase
• Las regiones rojas indican donde el material es líquido.
• Las regiones azules indican donde el material es sólido.
• Las regiones verdes indican donde las fases sólidas y líquidas están en el equilibrio.
• Quitando el eje de tiempo de las curvas y reemplazándolo con la composición, las curvas refrescantes indican las temperaturas del solidusy liquidus para una composición dada.
• Esto permite trazar el solidus y liquidusproducir el diagrama de la fase:
Curvas de enfriamiento
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REGLA DE LA PALANCA
• La regla de la palanca puede explicarse considerando un equilibrio simple. La composición de la aleación se representa por la base, y las composiciones de las dos fases por los extremos de la barra. Las proporciones de las fases presentes son determinadas por los pesos necesarios para equilibrar el sistema.
% Fase 1 = (C2 - C) / (C2 - C1)
% Fase 2 = (C - C1) / (C2 - C1)
REGLA DE LA PALANCA
Interpretación de un diagrama de fase
• Un diagrama de fase es un mapa de temperatura - composición que indica las fases presentes a una temperatura y composición dada.
• Esto se determina experimentalmente registrando las velocidades de enfriamiento en un rango de composiciones.
Tipos de diagramas de fase
• Tipo I: aleaciones totalmente solubles en estado sólido y líquido
• Tipo II: aleaciones totalmente solubles en estado líquido e insolubles en estado sólido
• Tipo III: aleaciones totalmente solubles en estado líquido y parcialmente solubles en estado sólido
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Tipo I: Aleaciones totalmente solubles en estado sólido y líquido
SISTEMAS ISOMORFICOS BINARIOS
• Los átomos de losconstituyentes deben ser detamaño similar.
• Los metales deben tener lamisma estructura cristalina.
• Los metales deben teneridéntica valencia y similarelectronegatividad.
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Para cada punto A, B y C determina el numero de fases la composición
y la proporción relativa de cada fase
EJERCICIO 1
PUNTO A
Fase : 1 fase (L)
Composición :
30% de Ni
70% de Cu
Proporción:
% L = 100 %
PUNTO B
Fase : 2 fase (L y S)
Composición :
Proporción:
LC
SC
30% Ni , 70 % Cu
40% Ni , 60 % Cu
LC
SC % .100%
40 35% 100% 50%
40 30
% 50%
s B
s L
C CL
C C
L x
S
EJERCICIO 2
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PUNTO B
Fase : 2 fase (L y S)
Composición :
Proporción:
LC
SC
20% Sb , 80 % Bi
65% sb , 35 % Bi
% .100%
65 45% 100% 44.4%
65 20
% 55.6%
s B
s L
C CL
C C
L x
S
EJERCICIO 3
Tipo II: Aleaciones totalmente solubles en estado líquido e insolubles en estado sólido
• Punto eutéctico: Es elpunto correspondiente a laaleación de punto de fusiónmás bajo. A esta aleaciónse le da el nombre deeutéctica y la reacción quetiene lugar en ella es lareacción eutéctica. Estaaleación se comporta comoun metal puro en cuanto aque funde a temperaturaconstante
EJERCICIO
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El Diagrama de Equilibrio del Sistema Fe-C
TRANSFORMACIONES MÁS RELEVANTES EN
EL DIAGRAMA HIERRO CARBONO
TRANSFORMACIÓN PERITÉCTICA
(1495 )..... (0.53% ) . . (0.09% ) . . (0.17% )o
pAT C L C s s C s s C
TRANSFORMACIÓN EUTECTICA
3(1129 )..... (4.3% ) . . (2.11% )o
pAT C L C s s C Fe C
TRANSFORMACIÓN EUTECTOIDE
3(723 )..... . . (0.8% ) . . (0.0218% )o
pAT C s s C s s C Fe C
TRANSFORMACIÓN PERITÉCTICA
(1495 )..... (0.53% ) . . (0.09% ) . . (0.17% )o
pAT C L C s s C s s C
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TRANSFORMACIÓN EUTECTICA
3(1129 )..... (4.3% ) . . (2.11% )o
pAT C L C s s C Fe C
TRANSFORMACIÓN EUTECTOIDE
3(723 )..... . . (0.8% ) . . (0.0218% )o
pAT C s s C s s C Fe C
MICROCONSTITUYENTES MÁS IMPORTANTES
QUE APARECEN EN EL DIAGRAMA Un acero de un 0,8% C (eutectoide) justo por encima de la temperatura eutectoide (723oC) se
encuentra 100 % en fase de austenita.
Si se enfría muy lentamente hasta temperatura eutectoide o justo por debajo de ésta, se
provocará la transformación de la estructura total de la austenita en una estructura laminar de
placas alternadas de ferrita-α y cementita (Fe3C).
Esta estructura eutectoide recibe el nombre de perlita.
La estructura perlítica se mantendrá prácticamente invariable si continua el enfriamiento hasta
la temperatura ambiente.
ACERO EUTECTOIDE
perlita eutectoide. La fase oscura es cementita y la fase blanca ferrita
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Un acero de un 0,4%C justo por encima de la temperatura de transformación se encuentra
100 % en fase de austenita. Si se enfría muy lentamente hasta la temperatura b de la figura,
se producirá la transformación de parte de la estructura de la austenita en ferrita-α (ferrita
proeutectoide), que crecerá mayoritariamente en los bordes de grano austeníticos. Conforme
se va enfriando, acercándose a la temperatura eutectoide (punto c de la figura), la cantidad
de ferrita proeutectoide formada irá aumentando hasta que transforme aproximadamente el
50% de la austenita. A 723 °C, si prevalecen las condiciones de enfriamiento muy lento, la
austenita remanente se transformará en perlita (ferrita-α + cementita). La ferrita-α de la perlita
se llama ferrita eutectoide, para distinguirla de la ferrita proeutectoide formada anteriormente
por encima de 723 °C.
ACERO HIPOEUTECTOIDE
El componente oscuro es perlita y el blanco ferrita proeutectoide.
Un acero de un 1,2%C justo por encima de la temperatura de transformación se encuentra 100
% en fase de austenita. Si se enfría muy lentamente hasta la temperatura b de la figura, se
producirá la transformación de parte de la estructura de la austenita en cementita (Fe3C)
(cementita proeutectoide), que crecerá principalmente en los bordes de grano de la austenita.
Con otro enfriamiento también lento hasta el punto c, acercándose a la temperatura eutectoide
(723 °C), se formará más cementita proeutectoide en los citados bordes. A 723 °C, o justo por
debajo, si prevalecen las condiciones de enfriamiento muy lento, la austenita remanente se
transformará en perlita según la reacción eutectoide. La cementita formada según la reacción
eutectoide se denomina cementita eutectoide, para distinguirla de la cementita proeutectoide
formada a temperaturas por encima de 723 °C. La ferrita-α de la perlita es ferrita eutectoide,
formada también mediante la reacción eutectoide.
ACERO HIPEREUTECTOIDE
La cementita proeutectoide aparece como el constituyente blanco,
alrededor de la perlita. La cementita perlítica toma la forma de láminas oscuras paralelas separadas por otras blancas de ferrita
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A medida que el contenido de
carbono de cualquier acero
hipereutectoide aumenta, el
espesor de la red de cementita
proeutectoide se incrementa.
Enfriamiento lento de un acero SAE 1020
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Regla de la palanca Regla de la palanca
Regla de la palanca
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MICROCONSTITUYENTES MÁS IMPORTANTES
QUE APARECEN EN EL DIAGRAMA
AUSTENITA
Solución sólida de con C.
La máxima solubilidad de carbono es de 2.11 % a 1129 °C.
Teniendo en cuenta que el presenta una estructura F.C.C. se
trata de un constituyente blando.
Muchos procesos de transformación basados en la deformación
plástica, aprovechan la estructura de la austenita.
( )Fe
( )Fe Su estructura es dúctil, tenaz, blanda, resistente al desgaste.
Es el constituyente principal para la mayoría de los tratamientos
térmicos.
AUSTENITA
Transformación de la austenita
El diagrama de fases Fe-C muestra dos composiciones singulares
Eutéctico
Composición para la cual el punto de fusión es mínimo que se denomina
ledeburita y contiene un 4,3% de carbono (64,5 % de cementita). La
ledeburita aparece entre los constituyentes de la aleación cuando el
contenido en carbono supera el 2% (región del diagrama no mostrada) y
es la responsable de la mala forjabilidad de la aleación marcando la
frontera entre los aceros con menos del 2% de C (forjables) y las
fundiciones con porcentajes de carbono superiores (no forjables y
fabricadas por moldeo).
De este modo se observa que por encima de la temperatura crítica A3[1]
los aceros están constituidos sólo por austenita, una solución sólida de
carbono en hierro γ y su microestructura en condiciones de enfriamiento
lento dependerá por tanto de las transformaciones que sufra ésta.
.
Eutectoide
Un eutectoide en la zona de los aceros, equivalente al eutéctico pero en
estado sólido, donde la temperatura de transformación de la austenita
es mínima. El eutectoide contiene un 0,77 %C (13,5% de cementita) y
se denomina perlita. Está constituido por capas alternas de ferrita y
cementita, siendo sus propiedades mecánicas intermedias entre las de
la ferrita y la cementita
Transformación de la austenita
.La existencia del eutectoide permite distinguir dos tipos de aleaciones de acero:
Aceros hipoeutectoides (< 0,77% C): Al enfriarse por debajo de la temperatura
crítica A3 comienza a precipitar la ferrita entre los granos (cristales) de austenita y
al alcanzar la temperatura crítica A1 la austenita restante se transforma en perlita.
Se obtiene por tanto a temperatura ambiente una estructura de cristales de perlita
embebidos en una matriz de ferrita.
Aceros hipereutectoides (>0,77% C): Al enfriarse por debajo de la temperatura
crítica se precipita el carburo de hierro resultando a temperatura ambiente
cristales de perlita embebidos en una matriz de cementita
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si el carbono que contienen no supera el 2% (en peso) y
los llamados fundiciones, si excede de ese límite.
O < C < 2% %C > 2%
ACEROS FUNDICIONES
CONSTITUCIÓN DE LAS ALEACIONES HIERRO – CARBONO CONSTITUCIÓN DE LAS ALEACIONES HIERRO – CARBONO
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CONSTITUCIÓN DE LAS ALEACIONES HIERRO – CARBONO CONSTITUCIÓN DE LAS ALEACIONES HIERRO – CARBONO
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