DIAGRAMAS DE FASES 

El concepto de sistema heterogéneo implica el concepto de fase. Fase es toda porción de un sistema con la misma estructura o arreglo atómico, con aproximadamente la misma composición y propiedades en todo el material que la constituye y con una interfase definida con toda otra fase vecina. Puede tener uno ó varios componentes. Debe diferenciarse del concepto de componente, que se refiere al tipo de material que puede distinguirse de otro por su naturaleza de sustancia química diferente.Por ejemplo, una solución es un sistema homogéneo (una sola fase) pero sin embargo está constituida por al menos dos componentes. Por otro lado, una sustancia pura (un solo componente) puede aparecer en dos de sus estados físicos en determinadas condiciones y asi identificarse dos fases con diferente organización atómica y propiedades cada una y con una clara superficie de separación entre ellas (interfase).Los equilibrios entre fases pueden corresponder a los más variados tipos de sistemas heterogéneos: un líquido en equilibrio con su vapor, una solución saturada en equilibrio con el soluto en exceso, dos líquidos parcialmente solubles el uno en el otro, dos sólidos totalmente solubles en equilibrio con su fase fundida, dos sólidos parcialmente solubles en equilibrio con un compuesto formado entre ellos, etc. El objetivo es describir completamente el sistema.El comportamiento de estos sistemas en equilibrio se estudia por medio de gráficos que se conocen como diagramas de fase : se obtienen graficando en función de variables como presión, temperatura y composición y el sistema en equilibrio queda definido para cada punto (los gráficos de cambio de estado físico ó de presión de vapor de una solución de dos líquidos -ley de Raoult- son ejemplos de diagramas de fases).Para obtener información de estos gráficos, para un sistema y condiciones particulares se usa la regla de las fases de Gibbs, que describe el estado de un material y tiene la forma general F = C - P + 2donde F es el número de grados de libertad, es decir, el número de variables (como presión, temperatura, composición, etc) que pueden modificarse independientemente sin cambiar el número de fases en equilibrio, C el número de componentes y P el número de fases presentes.El equilibrio entre los distintos estados físicos del Mg puro servirá para ejemplificarla (Fig.1)

En el diagrama de fases para el Mg puro, solo hay un componente, pero según el punto que se considere el número de fases varía y también los grados de libertad. Por ejemplo en el punto A existe una sola fase entonces habrá dos grados de libertad (es decir pueden variar temperatura y presión sin alterar la fase, dicho de otro modo deben fijarse las dos variables para describir el sistema).

Fig.1

En el punto B, donde coexisten el Mg sólido y líquido, hay dos fases entonces habrá un solo grado de libertad. Esto significa que al fijar una variable la otra queda determinada, mientras ambas fases estén presentes. En el punto C, el número de fases es 3 y el número de grados de libertad, cero.

Coexisten las tres fases solo a esa presión y temperatura (punto triple).

Cuando se mezclan varios componentes aparece la variable composición del sistema. Además es interesante y necesario determinar la cantidad de un material que se puede mezclar con otro en solución verdadera antes de producir una fase adicional por exceso del mismo. Es decir, definir la solubilidad de un componente en otro, se trate de líquidos, sólidos o gases. La separación de algún insoluble origina una nueva fase que también aparecerá descripta en los diagramas de fase.

Entre muchos componentes la solubilidad es ilimitada. Así como el agua y el alcohol etílico son solubles en todas proporciones, muchos metales forman soluciones sólidas y su solubilidad es ilimitada (ej. : el cobre y el níquel se disuelven ilimitadamente uno en el otro si están fundidos y también al solidificar se obtiene una única fase sólida). Para muchos otros, en cambio, la solubilidad es limitada (ej. sal en agua, cobre y zinc; cuando se agrega zinc en exceso, pasa el límite de solubilidad y aparece una nueva fase, un compuesto Cu-Zn).

Para que dos sustancias exhiban solubilidad ilimitada en ambas fases deben cumplirse ciertas condiciones: átomos de tamaño similar ( menos de 15% de diferencia en radios atómicos), con la misma estructura cristalina en su estado sólido, con la misma valencia y electronegatividades similares para evitar que formen compuestos entre ellos. Por ejemplo los materiales cerámicas Mg0 y Ni0 que cumplen estas condiciones presentan solubilidad sólida ilimitada.

Para seguir trabajando con dos coordenadas se definen condiciones de presión constante y se estudian los equilibrios de fusión-solidificación de manera análoga a los de evaporación para temperatura vs. composición de mezclas

Cuando en el sistema sólo están presentes dos componentes el diagrama de fases se denomina binario y si además los dos componentes del sistema presentan solubilidad ilimitada (obteniéndose una sola fase sólida), el gráfico que describe el comportamiento del equilibrio para el cambio de estado correspondiente se denomina diagrama de fases binario isomorfo (repasar el mismo caso aplicado a dos líquidos en la ley de Raoult). Las Fig. 2 y Fig. 3 lo ejemplifican para los sistemas Cu-Ni y Mg0-Ni0 antes mencionados.

Fig.2 y Fig.3Para interpretar esos gráficos es interesante comprender como se construyen. Cuando una sustancia

pura solidifica la temperatura a la que lo hace es una constante física , definida y neta conocida como punto de fusión (a presión atmosférica) constante para esa sustancia mientras coexistan ambas fases (ver Fig.1).

Pero cuando estamos considerando la fusión ó solidificación de una mezcla binaria, por ejemplo una aleación, la temperatura no se mantiene constante mientras se completa el fenómeno. La temperatura de fusión no es un valor determinado, sino un rango de temperaturas cuyos valores dependen de la composición del sistema. El cambio de pendiente en el gráfico muestra que se trata de una mezcla.

Fig 4Se denomina temperatura de liquidus aquella a la que aparece el primer sólido. Se debe calentar el sistema de por encima de liquidus para obtener una fase totalmente líquida.

Se denomina temperatura de solidus aquella a la que desaparece el último líquido. El sistema no estará completamente sólido sino debajo de esa temperatura

La unión de los puntos liquidus y solidus para todas las composiciones posibles resulta en los diagramas isomorfos de temperaturas en función de composición (Figs. 2 y 3),

La diferencia de temperatura entre liquidus y solidus se denomina rango de solidificación , en ese rango coexisten las dos fases, liquida y sólida, esta última es una solución sólida y comúnmente se la denomina con la letra .

De acuerdo a la regla de las fases, en un sistema de dos componentes, en la región de dos fases habrá dos grados de libertad. Si consideramos que las condiciones de trabajo son prácticamente siempre a presión constante, resta solo establecer un grado de libertad para tener totalmente descripto el sistema, es decir al determinar una temperatura, a composición de ambas fases queda

definida.

Por lo general la composición se expresa como porcentaje en peso (%peso) ó en moles (%moles) para toda solución entre 0 y 100%. Cuando está presente una sola fase su composición es igual a la de la aleación . En la zona donde coexisten la solución sólida con la fase liquida , sus composiciones diferirán entre si y de la composición general original (como en los diagramas de fase para el cambio de estado liquido-gas, la fase líquida estará enriquecida en el componente de menor punto de fusión) y quedan fijas al especificar la temperatura. Por lo tanto se puede utilizar una isoterma (solo en la región de dos fases) para determinar la composición de ambas : el punto donde una dada isoterma corta la curva de liquidus y de solidus indica las composiciones de las fases líquida y sólida respectivamente a esa temperatura.

En la Fig.2 están señaladas las temperaturas de liquidus y de solidus para una aleación Cu-40%Ni. Como ejercicio determine el número de fases presentes y la composición de cada fase a 1300, 1270, 1250 y 1200 oC. Establezca además la composición del primer sólido que se forma al enfriar y la del último liquido antes de solidificar totalmente.

Si, además de la composición , se desea conocer la cantidad relativa de cada fase acierta temperatura, se utiliza un cálculo conocido como la regla de la palanca :

para calcular la cantidad de una fase a determinada temperatura se construye una palanca sobre la isoterma, con el punto de apoyo en la composición original de la mezcla.

Fig 5La cantidad de una fase se calcula dividiendo la longitud del brazo opuesto de la palanca por la longitud total de la misma ( x 100 lo expresa en porcentaje)

 

% de fase = L brazo opuesto x 100 L total isoterma

En las regiones de una sola fase, obviamente la fase es el 100%.

Ej : % fase liq.= 45 - 40 x 100 = 38 %45 - 32

Este tipo de diagrama sugiere que tanto la solución liquida como la sólida están muy cerca del comportamiento ideal.

Sin embargo, existen otros sistemas en que, aún dando soluciones líquidas y sólidas en todas proporciones, la desviación del comportamiento ideal es tan pronunciada que deriva en un máximo ó en un mínimo en la curva de punto de fusión (Fig.6 , para las mezclas de HgBr2 y HgI2)

Fig.6

Ahora se considerarará otro sistema que con un diagrama de fases sencillo, pero de naturaleza totalmente distinta al anterior. Es el caso de dos sustancias que exhiben solubilidad ilimitada en la fase líquida pero no forman solución sólida en ninguna proporción, ni tampoco ningún compuesto intermedio entre ellas, por ejemplo las mezclas de NaF y LiF, el diagrama de fases presenta el aspecto indicado en la Fig.7.

Las líneas curvas registran los puntos de separación del primer sólido para todas las composiciones, es decir, las temperaturas de liquidus que hay que superar para tener la mezcla totalmente líquida.

Si se enfría una mezcla líquida que contenga hasta aproximadamente 40% en moles de NaF en LiF, el sólido que se separa es LiF puro, mientras que si la composición del fundido que se enfría varía entre 40 a 100% en moles de NaF, se separará NaF puro. Otra vez, el sistema que por condiciones de composición y temperatura se encuentre en las regiones del gráfico indicadas como “líquido + sólido” tendrá un solo grado de libertad, de acuerdo a la regla de las fases a presión constante (verifíquelo). En estas zonas, una vez fijada la temperatura, la composición de las fasesquedará determinada automáticamente mientras coexistan las dos fases.

Como en el caso anterior puede conocerse la composición y la abundancia relativa de cada fase trazando la isoterma : en este ejemplo, la linea a 725oC , para una mezcla de composición total B,intersecta la curva de liquidus y la de NaF 100% e indica que en ese punto coexisten dos fases :NaF sólido y un líquido con 50 % en moles de NaF y una abundancia relativa de las mismas dada por la regla de la palanca

moles NaF sólido = xmoles de líquido        y

Fig.7

principio que puede ser aplicado en cualquier área de dos fases en cualquier diagrama de fases.

El punto de intersección E entre las dos curvas de liquidus y la de solidus (a 6520C) se llama punto eutéctico: un líquido fundido de esta composición (40% en moles de NaF) solidifica formando dos fases sólidas separadas simultáneamente (NaF y LiF puros). Mientras coexisten tres fases es un punto invariante. Para mezclas de cualquier otra composición de este sistema, que se estén

enfriando, solidifica primero solo un sólido puro, pero la última gota del líquido tendrá la composición del eutéctico.

Si, en un tercer caso, el sistema consiste en dos sustancias que forman un compuesto intermedio con punto de fusión congruente (es decir un compuesto que funde para dar un liquido de la misma composición del sólido) su diagrama de fases tendrá la apariencia que se muestra en la Fig.8 para el sistema NaF-MgF2 .

Se observa que si se enfría un liquido conteniendo exactamente 50% en moles de NaF, tiene lugar la solidificación completa a la temperatura fija y definida M (gráfico) y la fase sólida es una sustancia de fórmula NaMgF3. Se observan dos puntos eutécticos y si se divide el diagrama en la composición del compuesto, ambas mitades son similares al caso de NaF- LiF (Fig.7) y su tratamiento e interpretación es igual al descripto.

Fig 8Como ejercicio describa los cambios de fase que se producirán cuando se enfría lentamente una mezcla de composición 80% en moles de MgF2 -20% en NaF, desde 1200 hasta 750o C y describa el sistema a 1100 oC en cuanto a composición y abundancia de las fases.

Nota : Existe otro tipo de punto invariante (como el eutéctico) que se describe en los sistemas que forman un compuesto intermedio de punto de fusión incongruente : cuando ese compuesto intermedio se funde, el liquido tiene una composición diferente de la del sólido y además se forma una nueva fase sólida (por lo tanto existen tres fases en equilibrio y el sistema está en un punto invariante). Este punto se denomina peritéctico y el proceso, reacción peritéctica. Puede interpretarse como que el compuesto intermedio formado es inestable sobre cierta temperatura.

La mayoría de los sistemas binarios pueden presentar diagramas de fases mucho más complejos, pero la interpretación de los mismos sigue los mismos principios ejemplificados en los casos anteriores más simples: en el diagrama se verá reflejada la aparición de nuevas fases sea por

cambio de estado de agregación ó por sobrepasar el límite de solubilidad, tanto en las fases sólidas como eventualmente en las líquidas, pero el tratamiento matemático en las zonas de dos fases ó el concepto de punto invariante siguen siendo válidos.

En los sistemas que no poseen solubilidad sólida ilimitada, se llega a un punto en que se excede l límite de solubilidad y se formará una nueva fase sólida (precipitado) a partir de la fase original.

En un diagrama de fases binario este equilibrio se define a lo largo de una línea conocida como solvus, línea de solubilidad que separa una región que tiene una fase sólida (solución) de otra que tiene dos fases sólidas (solución y precipitado).

Todos esos elementos pueden visualizarse en el diagrama de fases del sistema MgO - Al2 03 que muestra una solubilidad en sólidos limitada y la solución sólida intermedia MgAl2O4 o espinel, siendo las curvas que la rodean por los lados líneas de solvus y por arriba líneas de liquidus(Fig.9). Hay que remarcar que aunque se da una formula por conveniencia, la soluciones sólidas tienen composición variable y están en equilibrio con sus componentes también sólidos. Al enfriar se comportan como una mezcla líquida enfriándose hacia el eutéctico.

Las fases presentes en cada región del

gráfico son :

I- solución sólida de MgO + liquidoII- solución sólida espinel + liquidoIII- solución sólida de Al2O3 + liquidoIV- MgO sólidoV- solución sólida de MgO + solución

sólida de espinel

VI- solución sólida de espinelVII- solución sólida de espinel +

solución sólida de Al2O3

Fig.9

  Efecto en las propiedades de la formación de una solución sólida

En principio, todos los efectos discutidos en el equilibrio líquido-sólido tienen lugar en sistemas donde todas las fases son sólidas. Sin embargo la difusión de partículas en la fase sólida es

generalmente muy lenta y los equilibrios se lograrán solo luego de tiempos largos. Los sistemas como el descripto en la Fig.4 donde se separan solo sólidos puros son, en realidad, idealizados : quieren significar que respecto a la escala de composición elegida, la cantidad de impureza es despreciable (sin embargo aún pequeñas trazas de impurezas pueden tener un importante efecto en ciertas propiedades de la fase, por ejemplo en el caso de los transistores).

Por otra parte, las propiedades de la solución sólida son diferentes de las de cada componente puro y dependen de la composición de cada solución.

Por ejemplo, la solución sólida de Cr203 -Al203 produce el rubí, con propiedades ópticas especiales, los distintos tipos de vidrios se desarrollan por modificaciones de la red cristalina de la sílice (óxido de silicio), en muchos casos por solución sólida, en otros superando la solubilidad y provocando cristalización y devitrificación. De esta forma se logra diseñar materiales con propiedades específicas según su composición.

En los metales , la introducción en una red cristalina de un átomo sustitucional provoca en las aleaciones endurecimiento por solución sólida, esto es mayor resistencia y dureza.

A mayor diferencia de tamaños entre los átomos, mayor distorsión de la red : se hace más difícil el deslizamiento, lo que se traduce en mayor endurecimiento (atención que si se agregan átomos demasiado grandes ó demasiado pequeños puede excederse el límite de solubilidad y ocurre endurecimiento pero por otro mecanismo). También a mayor cantidad del elemento aleante, mayor endurecimiento.Este fenómeno de endurecimiento por solución sólida se manifiesta en una mayor dureza  y  resistencia, mayor esfuerzo de cedencia y resistencia en altas temperaturas para la aleación, pero por los mismos mecanismos de distorsión de la red presenta menor ductilidad y mucha menor conductividad eléctrica.

En la aleación Cu-Ni que se tomó inicialmente como ejemplo (Fig.2) , se observa que el agregado de Ni endurece al cobre ( a la izquierda del diagrama de fases) pero también el níquel puro se endurece por agregado de Cu : la resistencia máxima se obtiene en una aleación Cu-60%Ni (Monel). El máximo está más cerca del níquel porque el níquel puro es más resistente que el cobre puro.

La introducción de varias fases al superar la solubilidad sólida puede proporcionar beneficios mecánicos al material porque los límites entre las fases impiden el movimiento de las dislocaciones, mejorando la resistencia en los metales y aumentando la tenacidad a la fractura en los materiales cerámicos y en los polímeros. Este tipo de endurecimiento en presencia de más de una fase se conoce como endurecimiento por dispersión.

Diagrama de fase binario

Cuando aparecen varias sustancias, la representación de los cambios de fase puede ser más compleja. Un caso particular, el más sencillo, corresponde a los diagramas de fase binarios. Ahora las variables a tener en cuenta son la temperatura y la concentración, normalmente en masa. En un diagrama binario pueden aparecer las siguientes regiones:

Sólido puro o disolución sólida Mezcla de disoluciones sólidas (eutéctica, eutectoide, peritéctica, peritectoide) Mezcla sólido - líquido Únicamente líquido, ya sea mezcla de líquidos inmiscibles (emulsión), ya sea un líquido completamente

homogéneo.

Mezcla líquido - gas Gas (lo consideraremos siempre homogéneo, trabajando con pocas variaciones da altitud).

Hay punto y líneas en estos diagramas importantes para su caracterización:

Línea de líquidus, por encima de la cual solo existen fases líquidas. Línea de sólidus, por debajo de la cual solo existen fases sólidas. Línea eutéctica y eutectoide. Son líneas horizontales (isotermas) en las que tienen lugar transformaciones

eutécticas y eutectoides, respectivamente. Línea de solvus, que indica las temperaturas para las cuales una disolución sólida (α) de A y B deja de ser

soluble para transformarse en (α)+ sustancia pura (A ó B). Concentraciones definidas, en las que tienen lugar transformaciones a temperatura constante:

o Eutécticao Eutectoideo Peritécticao Perictectoideo Monotécticao Monotectoideo Sintécticao Catatéctica

Diagramas ternarios

Para un sistema de tres componentes la regla de las fases se convierte en F = 5 - P (repasando F, del ingles freedom, son los grados de libertad del sistema, P,de phase, el número de fases presentes). Aún a presión y temperatura constante se necesita un diagrama triangular que represente las variaciones independientes en la cantidad de cada componente.

Un equilibrio de dos fases será univariante y estará representado por una línea en este esquema. Si coexisten tres fases (considerando como antes que se está trabajando a presión y temperatura constantes) el sistema es invariante y se representa con un punto en el diagrama, la intersección de tres líneas.

En el caso de estudiar el efecto de variaciones de temperatura en el sistema ternario deberá recurrirse a diagramas en tres dimensiones.

Esquema para representar la composición de un sistema ternario. Observe la lectura 'antihoraria' de las escalas de A, B y C

Fig 11

Un caso de miscibilidad parcial es el sistema etanol-agua-benceno (Fig 11): 1 - región de una fase zonas de dos fases, las líneas muestran la composición relativa de ambas en equilibrio. E es el punto crítico de solubilidad a esa temperatura.La Universidad Nacional de Chile mantiene un sitio interesante sobre estos temas: http://cipres.cec.uchile.cl/~cdolz/

 

Para ejercitación:

1. En la figura se muestra un método gráfico para la construcción de un diagrama de fases de un sistema de dos componentes mutuamente solubles en la fase líquida, pero no en la fase sólida.

Explique como se construyen las curvas de fusión solidificación (como se obtienen los datos experimentales, como se contruye la curva) de la izquierda, y como con estos datos puede contruirse el diagrama de la derecha.

2. Estime la composición de las fases líquida y sólida de una mezcla de plomo y antimonio (60% de antimonio) que es enfriada desde 700C hasta 500C, 400C, 300C y 200C.

Estime las temperaturas de líquidos y de sólidus para una mezcla 70% de plomo-30% de antimonio. ¿Cuál es la composición del eutéctico?

3. ¿A que tipo de sistema de dos componentes corresponden los datos del gráfico? ¿Cuál será la composición de la fase líquida de una mezcla 50% en A a la temperatura t4?

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EL DIAGRAMA Fe-C

La adición de elementos de aleación al hierro influye en las temperaturas a que se producen las transformaciones alotrópicas. Entre estos elementos, el más importante es el carbono.

El diagrama hierro-carbono, aun cuando teóricamente representa unas condiciones metastables, se puede considerar que en condiciones de calentamiento y enfriamiento relativamente lentas representa cambios de equilibrio.

En el diagrama aparecen tres líneas horizontales, las cuales indican reacciones isotérmicas. La parte del diagrama situada en el ángulo superior izquierdo de la figura se denomina región delta. En ella se reconocerá la horizontal correspondiente a la temperatura de 1493ºC como la típica línea de una reacción peritéctica. La ecuación de esta reacción puede escribirse en la forma.

La máxima solubilidad del carbono en el hierro delta (de red cúbica centrado en el cuerpo) es 0,10 % de C, mientras que el Fe gamma (de red cúbica centrado en las caras) disuelve al carbono en una proporción mucho mayor. En cuanto al valor industrial de esta región es muy pequeño ya que no se efectúa ningún tratamiento térmico en este intervalo de temperaturas.

La siguiente línea horizontal corresponde a una temperatura de 1129ºC, esta temperatura es la de solidificación del eutéctico. y la reacción que en ella se desarrolla es:

La mezcla eutéctica, por lo general, no se ve al microscopio, ya que a la temperatura ambiente la fase gamma no es estable y experimenta otra transformación durante el enfriamiento.

La última línea horizontal, se presenta a los 722ºC, esta línea corresponde a la temperatura de formación del eutectoide, y al alcanzarse en un enfriamiento lento la fase gamma debe desaparecer. La ecuación de la reacción eutectoide que se desarrolla puede expresarse por:

En función del contenido de carbono suele dividirse el diagrama de hierro-carbono en dos partes: una que comprende las aleaciones con menos del 2 % de carbono y que se llaman aceros, y otra integrada por las aleaciones con más de un 2 % de carbono, las cuales se llaman fundiciones. A su vez, la región de los aceros se subdivide en otras dos: una formada por los aceros cuyo contenido en carbono es inferior al correspondiente a la composición eutectoide (0,77 %C) los cuales se llaman aceros hipoeutectoides, y la otra compuesta por los aceros cuyo contenido se encuentra entre 0,77 y 2 %, y que se conocen por aceros hipereutectoides.

Tratamientos Térmicos yTermoquímicos

Tratamientos térmicos del acero .

A través de los tratamientos térmicos podemos modificar las propiedades de los metales, mediante alteraciones de

su estructura, pudiendo así desempeñar con garantías los trabajos demandados. Las aleaciones de tipo ferroso son

las que mejor se prestan a ello.

El tratamiento térmico consiste en calentar el acero a una temperatura determinada, mantenerlo a esa temperatura

durante un cierto tiempo hasta que se forme la estructura deseada y luego enfriarlo a la velocidad conveniente. Los

factores temperatura-tiempo deben ser muy bien estudiados dependiendo del material, tamaño y forma de la pieza.

Con el tratamiento conseguiremos modificar microscópicamente la estructura interna de los metales, produciéndose

transformaciones de tipo físico, cambios de composición y propiedades permitiéndonos conseguir los siguientes

objetivos:

•

Estructura de mejor dureza y maquinabilidad. •

Eliminar tensiones internas y evitar deformaciones después del mecanizado. •

Estructura más homogénea. •

Máxima dureza y resistencia posible. •

Variar algunas de las propiedades físicas.

El tratamiento térmico en el material es uno de los pasos fundamentales para que pueda alcanzar las propiedades

mecánicas para las cuales está creado. Este tipo de procesos consisten en el calentamiento y enfriamiento de un

metal en su estado sólido para cambiar sus propiedades físicas. Con el tratamiento térmico adecuado se pueden

reducir los esfuerzos internos, el tamaño del grano, incrementar la tenacidad o producir una superficie dura con un

interior dúctil. La clave de los tratamientos térmicos consiste en las reacciones que se producen en el material, tanto

en los aceros como en las aleaciones no férreas, y ocurren durante el proceso de calentamiento y enfriamiento de las

piezas, con unas pautas o tiempos establecido.

Para conocer a que temperatura debe elevarse el metal para que se reciba un tratamiento térmico es recomendable

contar con los diagramas de cambio de fases como el de hierro - hierro - carbono. En este tipo de diagramas se

especifican las temperaturas en las que suceden los cambios de fase (cambios de estructura cristalina), dependiendo

de los materiales diluidos.

Los principales tratamientos térmicos son: •

Temple: su finalidad es aumentar la dureza y la resistencia del acero. Para ello, se calienta el acero a una

temperatura ligeramente más elevada que la crítica superior (entre 900 - 950º C) y se enfría luego más o menos

rápidamente (según características de la pieza) en un medio como agua, aceite, etc.

•

Revenido : sólo se aplica a aceros previamente templados, para disminuir ligeramente los efectos del temple,

conservando parte de la dureza y aumentar la tenacidad. El revenido consigue disminuir la dureza y resistencia de

los aceros templados, se eliminan las tensiones creadas en el temple y se mejora la tenacidad, dejando al acero con

la dureza o resistencia deseada. Se distingue básicamente del temple en cuanto a temperatura máxima y velocidad

de enfriamiento.

•

Recocido : Consiste básicamente en un calentamiento hasta temperatura de austenización (800 - 925º C) seguido de

un enfriamiento lento. Con este tratamiento se logra aumentar la elasticidad, mientras que disminuye la dureza.

También facilita el mecanizado de las piezas al homogeneizar la estructura, afinar el grano y ablandar el material,

eliminando la acritud que produce el trabajo en frío y las tensiones internas.

Tratamientos Térmicos yTermoquímicos •

Normalizado : tiene por objeto dejar un material en estado normal, es decir, ausencia de tensiones internas y con

una distribución uniforme del carbono. Se suele emplear como tratamiento previo al temple y al revenido.

Equipos de calentamiento. Pueden ser de calentamiento total o parcial. Los primeros son: Hornos semimuflas: son aquellos en los cuales la llama entra dentro de la cámara donde se encuentra la pieza. Hornos muflas: la llama rodea por fuera la cámara de la pieza. Hornos de sales: en estos, la pieza se sumerge en un baño de sales fundidas. Hornos de atmósfera controlada: la cámara que contiene la pieza es hermética y en su interior encontramos una atmósfera gaseosa. Los hornos de calentamiento parcial o superficial de la pieza, son los de inducción (ver Temple por Inducción). Endurecimiento del acero

El proceso de endurecimiento del acero consiste en el calentamiento del metal de manera uniforme a la temperatura

correcta y luego enfriarlo con agua, aceite, aire o en una cámara refrigerada. El endurecimiento produce una

estructura granular fina que aumenta la resistencia a la tracción (tensión) y disminuye la ductilidad. Cuando se

calienta el acero la perlita se combina con la ferrita, lo que produce una estructura de grano fino llamada austenita.

Cuando se enfría la austenita de manera brusca con agua, aceite o aire, se transforma en martensita, material que es

muy duro y frágil.

TEMPLE (CON REVENIDO)

Este procedimiento tiene lugar en los aceros que tienen un porcentaje de carbono mayor al 0,30 %. Después del

temple siempre debe de realizarse la operación de revenido. Después que se ha endurecido el acero es muy

quebradizo o frágil lo que impide su manejo pues se rompe con el mínimo golpe debido a la tensión interior

generada por el proceso de endurecimiento. Para contrarrestar la fragilidad se recomienda el temple del acero (en

algunos textos a este proceso se le llama revenido y al endurecido temple). Este proceso hace más tenaz y menos

quebradizo el acero aunque pierde algo de dureza. El proceso consiste en limpiar la pieza con un abrasivo para

luego calentarla hasta la temperatura adecuada, para después enfriarla con rapidez en el mismo medio que se utilizó

para endurecerla.

Recordaremos cuales son los cristales de acero que sufren transformaciones durante un tratamiento térmico: Austenita. Si al acero lo calentamos a 1000º C, y lo enfriamos rápidamente, uno de los cristales que obtenemos es la austerita. Es una solución sólida de carburo de hierro, dúctil y tenaz, blanda, poco magnética y resistente al desgaste. Bainita. Es una mezcla difusa de ferrita y cementita, que se obtiene al transformar isometricamente la austenita a una temperatura de 250º - 500º C. Página 2 de 8

Tratamientos Térmicos yTermoquímicos Martensita. Es el constituyente de los aceros cuando están templados, es magnética y después de la cementita es el componente más duro del acero. Ferrita. Es hierro casi puro con impurezas de silicio y fósforo (Si-P). Es el componente básico del acero. Cementita. Es el componente mas duro de los aceros con dureza superior a 60Hrc con moléculas muy cristalizadas y por consiguiente frágil. Perlita. Compuesto formado por ferrita y cementita. Existen diferentes tipos de temple de los cuales describiremos los más interesantes. •

Temple continuo completo. Se aplica a los aceros hipereutectoides (contenido de carbono

inferior a 0,9%). Se calienta la pieza hasta la temperatura de temple y seguidamente se enfría en el medio adecuado

(agua, aceite, sales, aire) con lo que obtendremos como elemento constituyentemartensita.

•

Temple continuo incompleto. Se aplica a los aceros hipereutectoides (contenido de carbono superior a 0,9%). Se calienta la pieza hasta la temperatura indicada, transformándose la

Perlita en austenita y quedando intacta la cementita. Después de enfriar, la estructura resultante estará formada pormartensita ycementita. •

Temple escalonado. Consiste en calentar el acero a temperatura adecuada y mantenerlo hasta que se transforme enaustenita, seguidamente se enfría con una temperatura uniforme en un baño de sales hasta transformarlo enbainita. •

Temple superficial. Se basa en un calentamiento superficial muy rápido de la pieza y un

enfriamiento también muy rápido, obteniendo la austenización solo en la capa superficial, quedando el núcleo de la

pieza blando y tenaz y la superficie exterior dura y resistente al rozamiento.

Temple por inducción

Es un proceso de endurecimiento de acero en el cual las superficies de las piezas se calientan rápidamente a

temperatura de austenitización mediante inducción electromagnética, (con un diseño adecuado del inductor, se

puede confinar el calor a áreas pequeñas). Una vez alcanzada la temperatura de austenitización se aplica una ducha

de agua fría que produce el temple.

El principio del calentamiento por inducción es el siguiente: una bobina que conduce una corriente de alta

frecuencia rodea o se coloca sobre la pieza, se inducen así corrientes alternativas que generan rápidamente calor en

la superficie.

Las corrientes inducidas de alta frecuencia tienden a viajar por la superficie del metal, por tanto, es posible calentar

una capa poco profunda del acero sin necesidad de calentar el interior del material. La profundidad del

calentamiento depende de la frecuencia de la

corriente, la densidad de potencia y el tiempo de aplicación de ésta. Mientras mayor es la

frecuencia, menor es la profundidad calentada, de forma que: altas potencias (100 kHz a 1 Mhz), y tiempos cortos

(en segundos), calientan espesores de 0,25 mm; en cambio, potencias menores (25 kHz), y tiempos más largos

calientan espesores de 10 mm.

Se utiliza en aceros al carbono, con contenido medio de C, en éstos produce superficies endurecidas delgadas.

También se puede utilizar en aceros aleados; los aceros de baja aleación se endurecen fácil y superficialmente

mediante este método; en cambio, los aceros

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Tratamientos Térmicos yTermoquímicos

altamente aleados son más lentos y pueden necesitar de un aumento de temperatura para lograr la estructura

deseada, sin embargo, como el calentamiento mediante este método es muy rápido, se pueden calentar sin peligro

de crecimiento excesivo de grano.

Las piezas de aceros endurecidas mediante este procedimiento sufren menor distorsión total que si se las hubiese

templado luego de calentarlas en un horno. La microestructura del acero antes del templado por inducción es

importante para determinar el ciclo de calentamiento que se utilizará, así por ejemplo, las estructuras que después

del templado y revenido tienen carburos pequeños y uniformemente dispersos se austenitizan más fácilmente,

pudiéndose obtener superficies endurecidas de poca profundidad y de máxima dureza superficial mediante grandes

velocidades de calentamiento.

Entre las ventajas de este proceso podemos destacar el hecho que no necesita de personal especializado para su

operación debido a que es un proceso prácticamente automático. Entre las desventajas resaltan el alto costo del

equipo, el alto costo de mantenimiento y el hecho que no es económico si se desean endurecen pocas piezas.

RECOCIDO

Cuando se tiene que maquinar a un acero endurecido, por lo regular hay que recocerlo o ablandarlo. El recocido es

un proceso para reducir los esfuerzos internos y ablandar el acero. El proceso consiste en calentar al acero por

arriba de su temperatura crítica y dejarlo enfriar con lentitud en el horno cerrado o envuelto en ceniza, cal, asbesto,

etc.

Su función es la de afinar y ablandar el grano, eliminando las tensiones y la acritud producida por la conformación del material en frío. •

Recocido de regeneración. Tiene por objeto afinar el grano de los aceros sobrecalentados. •

Recocido globular. Se realiza para lograr una más fácil deformación en frío. •

Recocido contra la acritud. Recuperamos las propiedades perdidas en la deformación en frío (acritud). •

Recocido de ablandamiento. Ablandamos piezas templadas con anterioridad para su mecanización. •

Recocido de estabilización. Elimina las tensiones de las piezas trabajadas en frío. •

Recocido isotérmico. Mejoramos la maquinabilidad de las piezas estampadas en caliente. •

Doble recocido. Para lograr una estructura mecanizable en aceros de alta aleación. REVENIDO Con este tratamiento eliminamos la fragilidad y las tensiones creadas en la pieza. Siempre hay que realizarlo después del temple.

Consiste en calentar las piezas a una temperatura inferior a la del temple, consiguiendo que la martensita se

transforme en una estructura más estable, terminando con un enfriamiento rápido, dependiendo del tipo de material.

La temperatura y el tiempo de calentamiento son los factores que más influyen en el resultado del revenido. Página 4 de 8

Tratamientos Térmicos yTermoquímicos Hay que tener muy en cuenta que el revenido es fundamental para conseguir el adecuado temple y una buena tenacidad en las piezas. •

Se calienta y enfría el acero para conseguir una estructura molecular del material (temple) para posteriormente

volver a calentarlo y enfriarlo modificando así la estructura anteriormente conseguida (revenido).

Tratamientos termoquímicos del acero

Se efectúa en aceros de bajo porcentaje de carbono (menos del 0,30 % C). En el caso de los tratamientos

termoquímicos, no solo se producen cambios en la estructura del acero, sino también en su composición química,

añadiendo diferentes productos químicos durante el proceso del tratamiento. Estos tratamientos tienen efecto solo

superficial en las piezas tratadas y consiguen aumentar la dureza superficial de los componentes dejando el núcleo

más blando y flexible. Requieren el uso de calentamiento y enfriamiento en atmósferas especiales.

•

Cementación : aumenta la dureza superficial de una pieza de acero dulce, aumentando la concentración de carbono

en la superficie. Se consigue teniendo en cuenta el medio o atmósfera que envuelve el metal durante el

calentamiento y enfriamiento. El tratamiento logra aumentar el contenido de carbono de la zona periférica,

obteniéndose después, por medio de temples y revenidos, una gran dureza superficial, resistencia al desgaste y

buena tenacidad en el núcleo.

•

Nitruración: al igual que la cementación, aumenta la dureza superficial, aunque lo hace en mayor medida,

incorporando nitrógeno en la composición de la superficie de la pieza. Se logra calentando el acero a temperaturas

comprendidas entre 400 - 525º C, dentro de una corriente de gas amoníaco, más nitrógeno.

•

Cianuración: endurecimiento superficial de pequeñas piezas de acero. Se utilizan baños con cianuro, carbonato y cianato sódico. Se aplican temperaturas entre 760 y 950 º C. CEMENTADO

Consiste en el endurecimiento de la superficie externa del acero al bajo carbono, quedando el núcleo blando y

dúctil. Como el carbono es el que genera la dureza en los aceros en el método de cementado se tiene la posibilidad

de aumentar la cantidad de carbono en los aceros de bajo contenido de carbono antes de ser endurecido. El carbono

se agrega al calentar al acero a su temperatura crítica mientras se encuentra en contacto con un material carbonoso.

Los tres métodos de cementación más comunes son: cajas para carburación, baño líquido y gas. La cementación se

aplica a piezas que deben de ser resistentes al desgaste y a los golpes. Dureza superficial y resistencia. La

temperatura usual de cementación es cercana a los 950ºC y la profundidad de este tratamiento depende del tiempo y

de la dureza deseada. Una vez obtenida la capa exterior rica enC, se endurece por temple.

Características de la cementación •

Endurece la superficie •

No afecta al corazón de la pieza •

Aumenta el carbono de la superficie Página 5 de 8