07.03_09_10_Metalicos.Fisico.quimicaBD

UNIVERSIDADE DA CORUUNIVERSIDADE DA CORUA A E.T.S.IE.T.S.I. Caminos, Canales y Puertos. Caminos, Canales y Puertos

Materiales metMateriales metlicos: Flicos: Fsicosico--ququmica y tratamientos del acerosmica y tratamientos del aceros

Materiales de Construccin.

Materiales MetMateriales Metlicos:licos:FFsicosico--ququmica y tratamientos.mica y tratamientos.



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Fsico-qumica y tratamientos del acero. ndice1.- Introduccin2.- Difusin3.- Diagramas de fase

3.1. - Definiciones3.2.- Equilibrio de un componente3.3.- Diagramas isomrficos binarios3.4. - Sistemas eutcticos binarios

4.- Diagrama hierro carbono4.1. - Definiciones4.2.- Desarrollo de microestructuras4.3.- Influencia de elementos de aleacin

5.- Transformaciones de fase: microestructuras6.- Tratamientos de los aceros

6.1. - Tratamientos en la masa6.2.- Tratamientos superficiales6.3. - Tratamientos termomecnicos



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1. Introduccin

Introduccin Existe una relacin entre la microestructura y las propiedades mecnicas El desarrollo de esa estructura cristalina est relacionado con las

caractersticas de los diagramas de fase Los diagramas de fase aportan informacin sobre:

Recristalizacin (tras una soldadura por ejemplo) Fusin Moldeo Tratamientos trmicos y sus efectos

Algunas propiedades de los materiales experimentan alteraciones y mejoras como consecuencia de los procesos y transformaciones queimplican difusin atmica.

Para ejecutar estos tratamientos en un tiempo razonable se sueletrabajar a altas temperaturas para aumentar la velocidad de reaccin

Estos tratamientos se denominan tratamientos trmicos y se aplican en las ltimas etapas de los ciclos productivos de los metales comerciales



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2. Difusin

Definicin La mayor parte de los procesos y reacciones ms importantes del

tratamiento de materiales se basan en la transferencia de masa, bien dentro de un determinado slido o bien desde un lquido, un gas u otro slido

Esta transferencia va siempre acompaada de difusin, que es un fenmeno de transporte por movimiento atmico.

Siempre existe una tendencia a la difusin, que aumenta con la temperatura. En gases mayor que en lquidos, y tambin en slidos.

Se debe a una fuerza impulsora de ese movimiento, que puede ser un gradiente de concentracin de material, una diferencia de presin, etc.



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2. Difusin

Ej Cu-Ni, donde los tomos de un metal difunden en el otro (interdifusin o difusin de impurezas)



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3. Diagramas de fase. Definiciones Definiciones bsicas

Sistema: sustancia o sustancias que estn aisladas en su contorno. Por lo que han de cumplirse las ecuaciones de conservacin de masa y energa.

Fase: porcin homognea de un sistema que tiene caractersticas qumicas y fsicas uniformes. Es cierto que lquido y slido son fases distintas, pero tambin grafito y diamante que difieren en su estructura cristalina.

Componente: metal o compuesto que forma parte de una aleacin. Ejemplo en una latn cobre-zinc, los componentes con el Cu y el Zn

Soluto y disolvente: el soluto se disuelve en el disolvente para formar una disolucin

Aleacin: producto homogneo compuesto de dos o ms elementos, uno de los cuales, al menos ha de ser un metal.

Lmite de solubilidad: concentracin mxima de tomos de soluto que se disuelven en el disolvente para formar una disolucin. Este limite de solubilidad depende de la temperatura y de la presin.

Microestructura: conjunto de propiedades que pueden ser observadas mediante microscopa, como pueden ser la cristalizacin de las fases presentes, la forma y dimensin de los granos, los defectos cristalinos, etc.



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3. Diagramas de fase. Definiciones

Ejemplo Dos componentes:

sal y agua Tres fases:

salmuera, hielo y sal

Temperatura de fusin depende de la composicin y de la presin.



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Un sistema monofsico se denomina homogneo y los compuestos por varias fases heterogneos o mezclas.

La mayora de las aleaciones son multifase y por tanto sus propiedades son la combinacin de las de cada fase y en general mejores que las de cada una por separado.

Acero inoxidable austentico

Acero bajo en carbono comn: Ferrtico-perltico

Latn: cobre y cinc



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3. Diagramas de fase. Definiciones Equilibrio de fases

Concepto qumico de estabilidad, definido mediante la energa libre. Energa libre depende de: Energa interna del sistema / Desorden de

los tomos (entropa) Un sistema est en equilibrio si la energa libre es mnima en

condiciones especficas de presin, temperatura y composicin Diagramas de fase se refieren a sistemas en equilibrio (agua-azcar) En las aleaciones las fases son en muchos casos slidas y no se logra

alcanzar el citado equilibrio, debido a que la velocidad necesaria para alcanzar ese equilibrio es muy lenta.

Cuando se queda en un camino intermedio antes de alcanzar el equilibrio se llega a un estado de no equilibrio o metaestable

Estable Metaestable Inestable

STHG =



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Diagramas de fase: Son representaciones grficas de las fases que estn presentes en un

sistema de materiales a varias temperaturas, presiones y composiciones.

La mayora de los diagramas de fase han sido construidos segn condiciones de equilibrio (condiciones de enfriamiento lento).

Informacin que suministran:1. Conocer que fases estn presentes a diferentes composiciones y

temperaturas bajo condiciones de enfriamiento lento (equilibrio).2. Averiguar la solubilidad, en el estado slido y en el equilibrio, de un

elemento (o compuesto) en otro.3. Determinar la temperatura a la cual una aleacin enfriada bajo

condiciones de equilibrio comienza a solidificar y la temperatura a la cual ocurre la solidificacin.

4. Conocer la temperatura a la cual comienzan a fundirse diferentes fases.




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3. Diagramas de fase. Sistemas de un componente

Equilibrio de fases en sistemas de un slo componente Punto de ebullicin: se define punto de ebullicin de un lquido a la

presin P, como la temperatura a la cual la presin de vapor de equilibrio del lquido es igual a dicha presin

Punto de fusin: se define punto de fusin de un slido a la presin P, como la temperatura a la cual el slido y el lquido se encuentran en equilibrio a dicha presin

El punto C indica el valor mximo (Pc,Tc) en el que pueden coexistir en equilibrio dos fases, y se denomina Punto Crtico. Representa la temperatura mxima a la cual se puede licuar el gas simplemente aumentando la presin.

El punto B marca los valores de P y T en los que coexisten tres fases, slido, lquido y gas, y se denomina Punto Triple. Este punto, que indica la temperatura mnima a la que el lquido puede existir, es caracterstico de cada sustancia



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3. Diagramas de fase. Sistemas de un componente



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3. Diagramas de fase. Sistemas isomrficos binarios

Equilibrio de fases en sistemas isomrficos binarios Componentes ejemplo: cobre, nquel Sistemas: , L, +L

Sistema : monofsico fase dos componente es una disolucin slida susticional

Sistema L: monofsico fase L dos componentes es una disolucin lquida homognea

Sistema +L: bifsico fase L+ es una disolucin lquida que tiene partculas slidas mezcladas

Lneas lquidus y solidus separan



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Determinacin de la composicin de las fases. Localizar el punto temperatura-composicin Si es sistema monofsico, la composicin de la fase coincide con

la de la aleacin Si es un sistema bifsico:

Dibujar rectas de reparto o isotermas Anotar las intersecciones de la recta de reparto con los dos lmites

de fase de los extremos A partir de estas intersecciones trazar perpendiculares hasta cortar

el eje de las composiciones Estas intersecciones se corresponden con la composicin de las

fases presentes



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Determinacin de la cantidad de fases Localizar el punto temperatura-composicin Si es sistema monofsico, la solucin es obvia, el 1 (100 %) Si es un sistema bifsico:

Dibujar rectas de reparto o isotermas Localizar la composicin total de la aleacin en la recta de reparto La fraccin de una fase se calcula midiendo la longitud del

segmento de la recta de reparto desde la composicin de la aleacin hasta el lmite de la otra fase y dividindola por la longitud del segmento de isoterma

La fraccin de la otra fase por el mismo modo o por complementario a 1 (100 %)



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Desarrollo de microestructuras en sistemas isomrficos de dos componentes



2020


Conclusiones Propiedades mecnicas, dependen:

Composicin (si no varan otras variables) Por ser una aleacin se observa una variacin de las propiedades

mecnicas



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3. Diagramas de fase. Sistemas eutcticos binarios

Equilibrio de fases en sistemas de dos componentes Interpretacin con Ej.: Componentes: Estao y Plomo

Fases: dos slidas , , y una lquida Fase : disolucin slida rica en plomo, tiene estructura cristalina FCC y

estao como soluto Fase : disolucin slida rica en estao, con estructura FCC y plomo

actuando de soluto El plomo y el estao puros se consideran fases y

La solubilidad de cada una de estas fases slidas es limitada Lnea solvus Lnea solidus Punto eutctico La solidificacin de un eutctico resulta siempre un producto bifsico



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2323


Desarrollo de microestructuras en sistemas eutcticos dos componentes



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4. Diagrama hierro-Carbono. Definiciones



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Diagrama de equilibrio Componentes:

Hierro Carbono

Fases: Cementita, carburo de

hierro Fe3C, es un constituyente duro y frgil en los aceros Ferrita , se trata de hierro prcticamente puro, tiene estructura

BCC y es blando, maleable y magntico.Debido a su estructura admite muy poca cantidad de C en disolucin slida.

Ferrita , es como la ferrita , diferencindose nicamente en el tramo de temperatura en el que existen


Ferrita



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Austenita o hierro , estando solamente aleado con carbono no es estable por debajo de 727 C, tiene una solubilidad mxima de C de 2,11 % a 1148 C, esta solubilidad es 100 veces superior que la mxima de la ferrita BCC, ya que las posiciones intersticiales de la estructura FCC tienen la formaadecuada para admitir ms tomos de C deformando menosla estructura cristalina.

Puntos y lneas: Eutctico (4,3%C, 1148C) Eutectoide (0,77%, 727C) Lineas liquidus, solidus y solvus A1, Acm y A3 delimitan austenita

Austenita



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4. Diagrama hierro-Carbono. Desarrollo de microestructuras Desarrollo de microestructuras en el diagrama Fe-C

Eutctico: Existe un punto eutctico en 4,30 % de C y 1148 C Eutectoide: Existe un punto eutectoide en 0,77 % de C y 727 C Aleaciones frreas:

Hierro puro, contiene menos de un 0,008 % de C Acero, las aleaciones que contienen entre un 0,008 y 2,11 % de C Fundicin, las aleaciones que tienen entre un 2,11 y un 6,70 % de C



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Acero eutectoide: La austenita se transforma en

ferrita con bajo contenido en C 0,022% y cementita (Fe3C) con un 6,7 % de C

La microestructura del acero eutectoide enfriado lentamente es anloga a la del acero eutctico.

El material que se forma estcompuesto por lminas alternas de dos fases. Estaestructura sedenomina perlita

4. Diagrama hierro-Carbono. Desarrollo de microestructuras



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Acero hipoeutectoide: La austenita se transforma primero en

ferrita Justo antes de la temperatura

eutectoide la austenita y la ferrita tiene la composicin del eutectoide

Al bajar de la temperatura eutectoide, la austenita que tena la composicin eutctica se transforma en perlita (ferrita + cemetita)

Finalmente se obtiene ferrita proeutectoide+ perlita (ferrita+ cementita)

0,2



3333

4. Diagrama hierro-Carbono. Desarrollo de microestructuras Acero hipereutectoide:

La austenita se transforma primero en cementita

Justo antes de la temperatura eutectoide la austenita tiene la composicin del eutectoide

Al bajar de la temperatura eutectoide, la austenita que tena la composicin eutctica se transforma en perlita

Finalmente se obtiene cementita proeutectoide+ perlita



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Fundicin hipoeutctica: El lquido se transforma

primero en austenita. Justo antes de la

temperatura eutctica el lquido tiene la composicin eutctica

Al bajar de la temperatura eutctica, el lquido se transforma en lminas de austenita y cementita

Tras atravesar la temperatura eutectoide, la austenita no puede ser estable por lo que se transforma en lminas alternas de ferrita y cementita.

La estructura final ser de cementita y perlita




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Fundicin hipereutctica: El lquido se transforma primero

en cementita primaria. Justo antes de la temperatura

eutctica el lquido tiene la composicin eutctica

Al bajar de la temperatura eutctica, el lquido se transforma en lminas de austenita y cementita

Tras atravesar la temperatura eutectoide, la austenita no puede ser estable por lo que se transforma en lminas alternas de ferrita y cementita.

La estructura final ser de cementita secundaria y perlita




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Introduccin: Se supone que se permite un enfriamiento de equilibrio para que se

formen las fases correspondientes en cada momento Estas velocidades de enfriamiento son demasiado lentas e incluso

impracticables Muchas veces se prefieren estructuras de no equilibrio

Teniendo en cuenta el tiempo ocurren otras transformaciones no tenidas en cuenta en los diagramas de fase

A temperatura ambiente pueden existir de fases en no equilibrio que no aparecen en el diagrama de fases

5. Transformaciones de fase



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Ejemplo con eutectoide Equilibrio: formacin de la perlita, reaccin eutectoide: (0,77% de

C) (0,022 % de C) + Fe3C(6,70 % de C) La perlita forma lminas porque los tomos de C necesitan difundir

la distancia mnima dentro de la estructura En funcin de la velocidad de enfriamiento, se obtiene perlita de

diferentes grosores. En funcin de esto se obtienen diferentes resistencias



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Martensita: Se obitiene por un enfriamiento rpido hasta una

T prxima a ambiental. Es una estructura de no equilibrio, que resulta de

la cristalizacin sin difusin de la austenita. Si hubiese tiempo para difusin se formara perlita

La austenita FCC se transforma en martensita tetragonal centrada (BCT).

Todos los tomos de C permanecen como solutos intersticiales y constituyen una disolucin slida sobresaturada capaz de transformarse rpidamente en otra, aunque es estable a T ambiente




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5. Transformaciones de fase Comportamiento mecnico de los aceros al carbono

Ferrita: Es la fase ms habitual de los aceros, es muy blanda y dctil aunque poco

resistente. La resistencia se obtiene por la presencia de granos de perlita. Perlita:

La cementita es ms dura y frgil que la ferrita, por ello al aumentar el % de Fe3C de un acero resulta un acero ms duro y frgil

Los espesores de las capas tambin son importantes ya que la perlita fina es mucho ms dura y resistente que la gruesa. Sin embargo la gruesa es ms dctil

Esto se debe a que las lminas de cementita al estar ms prximas impiden la deformacin de la ferrita

Esferoidita: Esta estructura se obtiene cuando se

calienta una estructura perltica a una temperatura inferior a la del eutectoide(p.ej. 700 C durante 18-24 h). Las partculas de Fe3C aparecen como esferasrodeadas de una matriz ferrtica

Los aceros esferoidizados son extremadamente dctiles.



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5. Transformaciones de fase Martensita:

Los aceros martensticos son los ms duros y resistentes, pero tambin los ms frgiles y dctiles

Puede haber problemas de agrietamiento debidos al rpido enfriamiento y a la diferencia de densidad martensita-austenita

Martensita revenida: Para que martensita sea til hay que eliminar la

fragilidad, para ello se emplea el revenido El revenido consiste en calentar entre 250 y 600 C,

y mediante difusin transformar la martensita en martensita revenida

martensita (monofsica BCT) martensita revenida (bifsica + Fe3C)

Presenta una estructura similar a la esferoidita Es casi tan resistente como la martensita pero

mucho ms dctil



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6. Tratamientos trmicos. Masa Recocido

Tiene por objeto ablandar el acero y eliminar las tensiones internas que por diversas causas hayan podido crearse.

La velocidad de enfriamiento es siempre lenta y el calentamiento puede hacerse a temperaturas superiores o inferiores a la crtica.

Cuando la T de calentamiento es superior a la crtica se realiza un recocido de regeneracin o recocido completo cuya misin es ablandar el acero y regenerar su estructura que ha podido ser deformada.

Recocido de ablandamiento: Utilizado para ablandar el acero, se calienta el acero a una temperatura prxima pero inferior a la crtica y se enfra lentamente. Operacin ms econmica.



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6. Tratamientos trmicos. Masa Normalizado

Es un tratamiento que consiste en calentar el acero a temperatura ligeramente superior a la crtica, mantenerlo a esta temperatura el tiempo suficiente para lograr la total austenizacin y enfriarlo al aire libre. Se conviene que as el acero obtiene con las propiedades tpicas de su composicin; de ah el nombre de normalizado.

Se da frecuentemente para eliminar tensiones internas en las piezas que han sufrido procesos de deformacin como, por ejemplo, laminado en fro o caliente, forja, etc. Se obtiene un producto dctil.

Se aplica a los aceros de construccin bajos en carbono. Ventajas sobre el recocido:

Es ms fcil de realizar. Es ms rpido y econmico. Se obtienen estructuras ms finas.



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6. Tratamientos trmicos. Masa Temple

Se templa una pieza calentndola hasta una temperatura ligeramente superior a la crtica (temperatura a la que se mantiene el tiempo suficiente para lograr la total transformacin en austenita) y enfrindola despus rpidamente.

El constituyente microscpico tpico del temple es la martensita. El temple aumenta la dureza, el lmite elstico y la resistencia a la traccin, y

disminuye la tenacidad y la ductilidad. Existen dificultades para templar piezas de gran grosor

Revenido Es un tratamiento complementario del temple, que generalmente sigue a ste.

Al conjunto de los dos: "bonificado". Consiste en calentar al acero despus de normalizado o templado, a una

temperatura inferior al punto crtico, seguido de un enfriamiento controlado que puede ser rpido cuando se pretenden resultados altos en tenacidad, o lento, para reducir al mximo las tensiones trmicas.

Cuando se pretenden los dos objetivos, se recurre al doble revenido, el primero con enfriamiento rpido y el segundo con enfriamiento lento hasta 300C.



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6. Tratamientos trmicos. Superficiales Buscan conferir dureza superficial al material

Fundamental en herramientas de corte y sometidas a desgaste Las piezas conservan su tenacidad y ductilidad interior

El temple superficial Se aplica con soplete o lser y con ello se consigue una superficie muy

dura

Cementacin Se enriquece la superficie de la pieza con carbono. Se emplea en

piezas en las que se necesita una alta tenacidad y dureza, por ejemplo un cigeal

Nitruracin Si el acero se pone en contacto con nitrgeno para se combinan

formando nitruros de gran dureza que dispuestos en los espacios intercristalinos del acero comunican a ste una dureza extraordinaria.



Materiales de Construccin.

Materiales MetMateriales Metlicos:licos:FFsicosico--ququmica y tratamientos.mica y tratamientos.

Materiales de Construccin.Fsico-qumica y tratamientos del acero. ndice1. IntroduccinFsico-qumica y tratamientos del acero. ndice2. Difusin2. DifusinFsico-qumica y tratamientos del acero. ndice3. Diagramas de fase. Definiciones3. Diagramas de fase. Definiciones3. Diagramas de fase. Definiciones3. Diagramas de fase. Definiciones3. Diagramas de fase. Definiciones3. Diagramas de fase. Sistemas de un componente3. Diagramas de fase. Sistemas de un componente3. Diagramas de fase. Sistemas isomrficos binarios3. Diagramas de fase. Sistemas isomrficos binarios3. Diagramas de fase. Sistemas isomrficos binarios3. Diagramas de fase. Sistemas isomrficos binarios3. Diagramas de fase. Sistemas isomrficos binarios3. Diagramas de fase. Sistemas isomrficos binarios3. Diagramas de fase. Sistemas eutcticos binarios3. Diagramas de fase. Sistemas eutcticos binarios3. Diagramas de fase. Sistemas eutcticos binarios3. Diagramas de fase. Sistemas eutcticos binarios3. Diagramas de fase. Sistemas eutcticos binariosFsico-qumica y tratamientos del acero. ndice4. Diagrama hierro-Carbono. Definiciones4. Diagrama hierro-Carbono. Definiciones4. Diagrama hierro-Carbono. Definiciones4. Diagrama hierro-Carbono. Desarrollo de microestructuras4. Diagrama hierro-Carbono. Desarrollo de microestructuras4. Diagrama hierro-Carbono. Desarrollo de microestructuras4. Diagrama hierro-Carbono. Desarrollo de microestructuras4. Diagrama hierro-Carbono. Desarrollo de microestructuras4. Diagrama hierro-Carbono. Desarrollo de microestructurasFsico-qumica y tratamientos del acero. ndice5. Transformaciones de fase5. Transformaciones de fase5. Transformaciones de fase5. Transformaciones de fase5. Transformaciones de faseFsico-qumica y tratamientos del acero. ndice6. Tratamientos trmicos. Masa6. Tratamientos trmicos. Masa6. Tratamientos trmicos. Masa6. Tratamientos trmicos. SuperficialesMateriales de Construccin.

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