64

5.

DIAGRAMAS DE FASES Y TRANSFORMACIONES DE LOS MATERIALES 66 5.1 REGLA DE LAS FASES DE GIBS ............................................................. 66 5.2 DIAGRAMA DE UNA SUSTANCIA PURA ................................................. 67 5.3 DIAGRAMAS BINARIOS ............................................................................ 69 5.3.1 Diagrama de solubilidad total ............................................................ 69 5.3.2 Regla de la palanca ............................................................................. 71 5.3.3 Diagrama de solubilidad Parcial ........................................................ 74 5.3.4 Otras reacciones invariantes en los diagramas de fases binarios . 79 1 METALES Y ALEACIONES .......................................................................... 81 6.1 PRINCIPALES ESTRUCTURAS CRISTALINAS METALICAS ................. 81 6.1.1 Estructura cristalina cúbica centrada en el cuerpo (BCC) .............. 82 6.1.2 Estructura cristalina cúbica centrada en las caras (FCC) ............... 83 6.1.3 Estructura cristalina Hexagonal compacta (HCP) ............................ 84 6.2 SOLIDIFICACION EN METALES ............................................................... 85 6.2.1 Nucleacion homogénea ...................................................................... 85 6.2.2 Nucleación heterogénea..................................................................... 86 6.3 SOLUCIONES SÓLIDAS METALICAS ...................................................... 87 6.4 PROCESO DE FABRICACION DEL ACERO............................................. 95 6.5 EFECTO DE LA TEMPERATURA DE DEFORMACIÓN .......................... 100 6.5.1 Trabajo en Frío .................................................................................. 101 6.5.2 Trabajo en Tibio................................................................................. 101 6.5.3 Trabajo en Caliente ........................................................................... 102 6.6 ACEROS ................................................................................................... 102 6.6.1 Aceros al carbono ............................................................................. 102 6.6.2 Aceros de aleación........................................................................... 104 6.6.3 Aceros inoxidables ........................................................................... 106 6.6.4 Aceros para herramientas ............................................................... 108 6.7 TRATAMIENTOS TERMICOS .................................................................. 111 6.7.1 Recocido ............................................................................................ 111 6.7.2 Normalizado....................................................................................... 114 6.7.3 Temple................................................................................................ 114 6.7.4 Revenido ............................................................................................ 115 6.7.5 Curva Tiempo – Temperatura – Transformación (TTT)............... 116 6.7.6 Templabilidad .................................................................................... 121 6.7.7 Mecanismos de Endurecimiento en materiales ferrosos .............. 123 6.8 FUNDICIONES O HIERROS FUNDIDOS ................................................. 124 6.8.1 Fundición blanca............................................................................... 125 6.8.2 Fundición gris.................................................................................... 125 6.8.3 Fundición nodular (dúctil) ................................................................ 126 6.8.4 Fundición maleable........................................................................... 127 6.9 TRATAMIENTOS SUPERFICIALES......................................................... 128 6.9.1 Carburización .................................................................................... 128 6.9.2 Nitruración ......................................................................................... 130 6.9.3 Carbonitruración ............................................................................... 130 6.10 EL ALUMINIO Y SUS ALEACIONES ..................................................... 133 6.10.1 Características Térmicas................................................................ 134

65

6.10.2 Conductividad Eléctrica ................................................................. 135 6.10.3 Características Mecánicas. ............................................................ 135 6.10.4 Influencia de las Impurezas sobre las propiedades físicas y mecánicas................................................................................................... 136 6.10.5 Resistencia a la corrosión y respuesta a los tratamientos superficiales ............................................................................................... 137 6.10.6 Resistencia la Oxidación. ............................................................... 138 6.10.7 Aplicaciones del aluminio sin alear y sus aleaciones. ................ 138 6.11 EL COBRE Y SUS ALEACIONES .......................................................... 142 6.11.1 Características Físicas ................................................................... 142 6.11.2 Características mecánicas ............................................................. 143 6.11.3 Aplicaciones del cobre sin alear y sus aleaciones ...................... 143 6.12 EL NIQUEL Y SUS ALEACIONES.......................................................... 146 6.12.1 Características Físicas ................................................................... 146 6.12.2 Aplicaciones del Níquel sin alear y sus aleaciones ..................... 147 6.13 EL MAGNESIO Y SUS ALEACIONES.................................................... 149 6.13.1 Características Físicas ................................................................... 150 6.13.2 Aplicaciones del Magnesio sin alear y sus aleaciones................ 150 6.14 EL TITANIO Y SUS ALEACIONES......................................................... 151 6.14.1 Características Físicas ................................................................... 151 6.14.2 Aplicaciones del Titanio sin alear y sus aleaciones .................... 152

66

5. DIAGRAMAS DE FASES Y TRANSFORMACIONES DE LOS MATERIALES Existen muchas aplicaciones de los materiales en el campo de la ingeniería; por lo general los materiales no se usan puros como se menciono anteriormente, sino que se usan como aleaciones en la gran mayoría de los casos. Estas aleaciones también poseen diferentes

estructuras y por ende propiedades

a diferentes

temperaturas y/o presiones, lo que hace adquirir importancia el conocimiento de los diagramas de fases. Se puede definir una fase como cada una de las porciones homogéneas físicamente separables en un sistema formado por uno o varios componentes. Por ejemplo, el agua tiene tres fases: liquida, sólida y gaseosa (vapor). Una fase posee ciertas características a saber: •

Posee la misma estructura

•

Posee el mismo arreglo atómico

•

Posee la misma composición química generalmente

•

Posee las mismas propiedades

Los diagramas de fase se definen como representaciones graficas de las fases presentes en un sistema de uno, dos o tres materiales bajo las variables de temperatura, composición y/o presión. Un componente de una mezcla es una sustancia químicamente independiente de la cual esta compuesta una la fase.

5.1 REGLA DE LAS FASES DE GIBS

En 1875 J. Willaid Gibbs relacionó tres variables: fases (P), componentes(C), y grados de libertas o varianza (F) para diagramas de fases. El objetivo era calcular

67

el número de fases que pueden coexistir en equilibrio en un sistema y su expresión matemática está dada por: P+F=C+2 Donde:

[24]

C = número de componentes del sistema P = número de fases presentes en el equilibrio F = número de grados de libertad del sistema (variables: presión, temperatura, composición).

El Grado de libertad o varianza se puede definir como el número de variables que pueden ser alteradas independientemente y arbitrariamente sin provocar la desaparición o formación de una nueva fase. También se define con el número de factores variables. F=0 indica invariante F=1 univariante F=2 bivariante Los diagramas de fase existen de diversos estilos a saber: •

Diagrama de una sustancia Pura

•

Diagrama Binario Diagrama de solubilidad total Diagrama de solubilidad parcial o eutectoide

•

Diagrama Ternario

Aquí se explicaran los diagramas de sustancias puras y binarios que son los casos más prácticos y usados

5.2 DIAGRAMA DE UNA SUSTANCIA PURA Este es uno de los diagramas mas sencillo (generalmente es presión vs temperatura), tal como se muestra en la figura 51. En la mencionada figura se puede apreciar que el agua posee tres fases: Sólida, liquida y gaseosa o vapor. Se

68

observa también un punto denominado punto triple en el cual pueden coexistir los estados sólido, líquido y gaseoso. Adicionalmente se encuentran dos líneas: la línea de vaporización y la línea de solidificación (presión, temperatura) corresponden

para las cuales los pares

a una transición de fase entre una fase

sólida y una fase líquida; y entre una fase sólida y una fase vapor respectivamente.

Figura 1 Diagrama de fase del agua [Adaptado de: Wikipedia, 2008]

Ahora se aplicara la regla de fase de Gibbs al diagrama del agua en diferentes puntos como se muestra en la figura 51: •

En el Punto triple: Fases presentes = 3, Numero de componentes =1, por lo tanto, P+F=C+2, luego

3+F=1+2 entonces F=0.

El hecho que el grado de libertad o varianza sea F=0, quiere decir que Como ninguna de las variables (presión, temperatura o composición) se pueden cambiar manteniendo las tres fases de coexistencia, el punto triple es un •

punto invariante.

En un Punto sobre la línea de solidificación: Fases presentes = 2, Numero de componentes =1, por lo tanto, P+F=C+2, luego

2+F=1+2 entonces F=0.

El hecho que el grado de libertad o varianza sea F=1, quiere decir que

69

Una variable (Temperatura o Presión) se puede cambiar manteniendo aún un sistema con dos fases que coexisten, es decir, si se especifica una presión determinada, sólo hay una temperatura en la que las fases sólida y líquida coexisten. •

En un Punto dentro de una fase única (Zona liquido): Fases presentes = 1, Numero de componentes =1, por lo tanto, P+F=C+2, luego

1+F=1+2 entonces F=2.

El hecho que el grado de libertad o varianza sea F=2, quiere decir que dos variables (Temperatura o Presión) se pueden cambiar independientemente y el sistema permanece con una única fase.

5.3 DIAGRAMAS BINARIOS Estos diagramas contrario a los de las sustancias puras, se realizan entre temperatura y composición, dejando la presión constante, es decir la regla de gibbs para estos será P+F=C+1. La característica de un sistema binario es que muestra las fases formadas para diferentes muestras de dos elementos o dos compuestos en un rango de temperaturas. 5.3.1 Diagrama de solubilidad total Este diagrama recibe el también el nombre de sistemas isomorfos debido a que los componentes del diagrama son totalmente solubles a altas y bajas temperaturas. Para que un sistema sea completamente soluble debe cumplir ciertas condiciones: •

Estructura Cristalina: La estructura cristalina debe ser la misma

•

Tamaño: Los atomos o iones que constituyen el sistema deben tener una diferencia de radios atómicos que no debe ser mayor del 15%, para minimizar la deformación de la red.

70

•

Electronegatividad: No debe haber diferencias significativas en los valores de electronegatividad, debido a que si existen se formaran compuestos y no soluciones., por ejemplo Na +Cl = NaCl

•

Valencia: No debe existir diferencia significativa de valencias, debe ser la misma.

Estos diagramas presentan únicamente la línea de líquidus, la cual se define como la temperatura arriba de la cual un material es totalmente líquido y la línea de sólidus, que se define como la temperatura por debajo de la cual esa aleación es totalmente sólida (figura 52). La diferencia de temperaturas entre la línea de liquido y la de solido es el intervalo de solidificación de la aleación, dentro de este intervalo de temperaturas se puede encontrar islas de solido en fase liquida. Ejemplo de aleaciones con este tipo de diagrama de solubilidad total son: Cu-Ni, NiO-MgO,Tl-Pb entre otros.

Figura 2. Diagrama isomorfo o de solubilidad total

Para ubicar un punto (a) en este diagrama se requiere de un porcentaje de composición y una temperatura. Por ejemplo, la aleación entre Cu-Ni de la figura 53, muestra que la aleación que pasa por el punto (a) de la figura tiene una composición de 80% de Ni +20% Cu, para un total de 100% de la aleación.

71

Para una aleación de 40%Cu y 60% Ni, según el diagrama de la figura 53, por encima de los 1280ºC la aleación es totalmente liquida, debido a que este es el límite o linea de liquidus. Por debajo de los 1240 ºC, la aleación es totalmente sólida y en el rango de 1280ºC – 1240ºC, se pueden encontrar las dos fases (solido y liquido), es decir en estos 40ºC de diferencia es donde la aleación empieza a solidificarse hasta llegar a la línea de solidus.

Figura 3.Diagrama Cu-Ni

5.3.2 Regla de la palanca La regla de la palanca, es un método que permite conocer la composición química de las fases y las cantidades relativas de cada una de ellas. Para determinar la composición química de las fases primero se debe trazar una línea de enlace o isoterma, la cual es una línea horizontal en una región de dos fases como se muestra en la figura 54, esta línea une dos puntos de la línea de liquidus y solidus en este caso. Los extremos de esta línea representan las composiciones de las dos fases. A continuación prolongar los puntos hasta tocar la línea de composición en los puntos Ca y Cl. El punto Ca quiere decir que la aleación considerada

a la temperatura (T) contiene líquido de una composición

72

química de % del elemento B y el restante del elemento A. El punto Cl quiere decir que la aleación considerada contiene sólido de una composición química de % del elemento B y el restante del elemento A.

Figura 4. Regla de la palanca

Por ultimo para determinar las cantidades relativas de cada una de las fases presentes (liquida y sólida en este caso), se procede a usar la regla de la palanca. Esta se puede escribir de la siguiente forma: Porcentaje de fase =

Brazo opuesto de la palanca X 100 Longitud local de la isoterma

[25]

Se puede utilizar la regla de la palanca en cualquier región bifásica de un diagrama de fases binario. En regiones de una fase no se usa el cálculo de la regla de la palanca puesto que la respuesta es obvia (existe un 100% de dicha fase presente). De esta manera la fracción o porcentaje de fase sólida será:

% de fase solida =

Cl − C m X 100 Cl − C a

Y la fracción o porcentaje de fase liquida será:

[26]

73

% de fase liquida =

Cm − Ca X 100 Cl − C a

[27]

Hay que tener cuidado al seleccionar el brazo de la palanca para el numerador de la formula, ya siempre es el lado opuesto a la fase que se calcula. Ejemplo: Una aleación de cobre – níquel contiene 47% en peso de Cu y 53% de Ni y está a 1.300 °C. (a)¿Cuál es el porcentaje en peso de cobre y níquel en las fases sólida y líquida a esta temperatura? (b)¿Qué porcentaje en peso de la aleación es líquida, y qué porcentaje es sólida? SOLUCION: a) Para desarrollar el ejercicio se debe usar el diagrama de la figura 55 y trazar la línea correspondiente a la aleación

47% en peso de Cu y 53% de Ni, y la

correspondiente isoterma a 1.300 °C., es posible determinar el porcentaje en peso de cobre y níquel en las fases sólida y líquida a esta temperatura. % Cu en fase líquida: 55% Cu aprox. + 45 % Ni aprox. % Cu en fase sólida: 4O% Cu aprox. + 60 % Ni aprox.

74

Figura 5. Diagrama Cu-Ni para el ejemplo

b) Para determinar que porcentaje en peso de la aleación es líquida, y que porcentaje es sólida se realiza la regla de la palanca usando los resultados anteriores.

Cm − Ca X 100 Cl − C a 60 − 53 % de fase liquida = X 100 = 46.66% 60 − 45 C − Cm % de fase solida = l X 100 Cl − C a 53 − 45 % de fase solida = X 100 = 53 . 33 60 − 45 % de fase liquida =

5.3.3 Diagrama de solubilidad Parcial Este diagrama tambien recibe el nombre de diagrama de fases eutecticas, debido al nombre de la reacción que se produce. Se presenta en muchos sistemas de aleaciones en donde se presenta solubilidad limitada. Las características de este diagrama que se muestra en la figura 56 son: •

Existe una mezcla de los elementos constituyentes que solidifican a una única temperatura como un elemento puro, denominandose a este punto, punto eutéctico.

•

Presenta una línea de liquidus, por encima de la cual todas las aleaciones posibles se encuentran en estado liquido

•

Presentan una temperatura eutéctica o línea eutéctica, la cual es la temperatura más baja a la cual el líquido puede existir.

•

Posee dos regiones de solubilidad sólida restringida, las cuales se designan con letras griegas y que reciben el nombre de soluciones solidas terminales α y β. La fase α, es una fase rica en el elemento A, puesto que se encuentra mas cerca a este y la fase β s una fase rica en el elemento B.

•

Posee una reacción eutéctica, que es la reacción que ocurre durante el enfriamiento de la composición eutéctica en la cual la fase liquida se

75

transforma en do formas sólidas diferentes (α y β), esta reacción ocurre en el punto eutéctico. •

Presenta dos regiones bifásicas: α o β + líquido = región bifásica ( sólido y líquido) α + β = región bifásica (mezcla sólida)

Figura 6. Diagrama de solubilidad parcial fuente [Fuente: UNCOMA, 2008]

La secuencia de transformación de fases de la reacción eutéctica se muestra en la figura 57, en esta se parte de la aleación cuando esta es totalmente liquida (fundida) e inicia el proceso de descenso de temperatura hasta llegar a la línea o temperatura eutéctica donde se inicia la formación de núcleos, que al seguir descendiendo la temperatura y estar por debajo de la temperatura eutéctica comenzaran a crecer y formaran granos. En este paso ya el material se encuentra en estado sólido formado por átomos de las fases α y β sólidas. El enfriamiento deberá ser lento para que el proceso se produzca en el equilibrio.

76

Figura 7. Esquema de la Reacción eutéctica [Adaptado de: UNCOMA, 2008]

La secuencia de transformación de fases para una aleación hipoeutéctica, es decir, aleaciones con composiciones menores a la eutéctica se muestra en la figura 58. En esta se parte de la aleación cuando esta es totalmente liquida (fundida) e inicia el proceso de descenso de temperatura hasta llegar a la temperatura T1, donde inicia la solidificación (sólido α) en sitios de nucleación. En esta zona a medida que desciende la temperatura ira aumentando cada vez mas la cantidad de sólido α conformando granos e irá disminuyendo la cantidad de liquido hasta la línea o temperatura eutéctica donde se inicia la enucleación de la composición eutéctica, es decir el liquido contenido en la fase anterior inicia la reacción para convertirse en sólido α y β. Al pasar la línea eutéctica los granos de composición eutéctica continúan creciendo y formando granos hasta que finalmente la aleación solidifica completamente presentando en su estructura solido α y sólido eutéctico.

77

Figura 8. Transformación de aleaciones hipoeutécticas [Adaptado de: UNCOMA, 2008]

La transformación para una aleación hipereutectoide es algo similar a la hipo, la diferencia radica en que el material al final de la solidifcacion que es sólido β y solido eutéctico. Ejemplo: Para una aleación de 40% de Sn y 60% de Pb determinar las fases presentes, composición de las fases y cantidades de las fases en los puntos a) Temperatura de 300ºC b) Temperatura de 230ºC c) Temperatura de 183- ΔT SOLUCION: Para realizar este ejemplo se usara el diagrama Pb-Sn mostrado en la figura 59. a) Fases presentes = 1 Composición de las fases = 40% de Sn y 60% de Pb

78

Cantidad de fases = 100% liquida b) Fases presentes = 2 Composición de las fases= liquida 48% Sn+52%Pb y alfa 17% de Sn y 83 % de Pb Cantidad de fases = (Regla de la palanca)

% de fase liquida =

40 − 17 X 100 = 74.2% 48 − 17

% de fase Sólidaα =

48 − 40 X 100 = 25.80% 48 − 17

c) Fases presentes = 2 Composición de las fases= Beta 19% Sn+81%Pb y alfa 97.5% de Sn y 2.5 % de Pb Cantidad de fases = (Regla de la palanca)

% de fase solida α =

97 − 40 X 100 = 73.08% 97 − 19

% de fase Sólida β =

40 − 19 X 100 = 26.92% 97 − 19

79

Figura 9.Diagrama Pb-Sn

5.3.4 Otras reacciones invariantes en los diagramas de fases binarios Como se menciono en los diagramas anteriores existen en estos, reacciones denominadas invariantes, las cuales tienen lugar a una temperatura y composición especifica, como es el caso de la reacción eutéctica. Además de esta reacción, en los diagramas solubilidad total y solubilidad parcial, se pueden encontrarse otras reacciones invariantes, a saber: •

Reacción eutéctica: La fase liquida se transforma en dos fases solidad diferentes como se muestra en la figura 60. L →α +β

Figura 10. Reaccion eutéctica

[28]

80

•

Reacción eutectoide: una fase sólida se convierte en dos fases solidas diferentes, como se muestra en la figura 61

γ →α +β

•

[29]

Figura 11. Reacción eutectoide

Reacción Peritéctica: una fase liquida mas solida se convierte en un solido diferente, como se muestra en la figura 62 L +α → β

[30]

Figura 12. Reacción Peritéctica

•

Reacción Peritectoide: Dos fases sólidas se convierte en un solido diferente, como se muestra en la figura 63

γ +α → β

Figura 13. Reacción Peritectoide

[31]

81

1

METALES Y ALEACIONES

6.1 PRINCIPALES ESTRUCTURAS CRISTALINAS METALICAS En los sistemas cristalinos existen cuatro tipos básicos de celda unidad: sencilla, centrado en el cuerpo, centrado en las caras y hexagonal compacta.; de los cuales los tres últimos son los mas importantes para el caso de los metales. Polimorfismo o Alotropía se define como aquel material que presenta diversas estructuras cristalinas a diferentes temperaturas: Ejemplo: acero y el cerámico PSZ

82

6.1.1 Estructura cristalina cúbica centrada en el cuerpo (BCC) Este tipo de celda unidad se caracteriza porque los átomos (representados como esferas) se encuentran localizados en cada uno de los vértices del cubo y uno más se encuentra en el centro de la celda (figura 64). Para esta celda el número de coordinación es ocho (8), debido a que este termino define a la cantidad de átomos vecinos mas cercanos a uno en particular (alrededor).

Figura 14.Celda BCC

La cantidad de átomos que se encuentra dentro de la celda (cubo) es el equivalente de 2 átomos. Un átomo completo localizado en el centro de la celda unidad, y un octavo de esfera en cada vértice de la celda, haciendo el equivalente de otro átomo. En consecuencia, hay un total de 1 (en el centro) + 8 x 1/8 (en los vértices) = 2 átomos por celda unidad. Para esta celda los átomos se encuentran unidos a través de la diagonal que se muestra en la figura 65, pudiendo relacionarse la longitud de la cara del cubo (a0) con el radio atómico (r) de la siguiente manera: a0 =

4r 3

Figura 15. Relación entre constante de red (a0) y el radio atómico (r)

[4]

83

A esta celda también es posible determinar el Factor de Empaquetamiento Atómico (APF), el cual indica que fracción de la celda esta ocupado por los átomos, se calcula de la siguiente manera: APF =

Volumen de atomos en la celda BCC Volumen de la celda

4 (2atomos )( πR 3 ) 3 , APF = a3

pero como a =

4R 3

[5]

,

Entonces, APF = 0.68 Luego el 68% del volumen de la celda esta ocupado por átomos, el 33% restante es espacio vacio. Algunos metales con estructura

BCC son: Cromo, hierro,

vanadio. 6.1.2 Estructura cristalina cúbica centrada en las caras (FCC) Este tipo de celda unidad se caracteriza porque los átomos (representados como esferas) se encuentran localizados en cada uno de los vértices del cubo y uno en el centro de cada una de las caras del cubo, como se muestra en la figura 66. Para esta celda el numero de coordinación es doce (12).

Figura 16.Celda FCC [Fuente: (Der) I.E.S, 2008]

La cantidad de átomos que se encuentra dentro de la celda (cubo) es el equivalente de 4 átomos. Un octavo de esfera en cada vértice de la celda, haciendo el equivalente de un átomo, y medio átomo en cada una de las caras haciendo 3 átomos. En consecuencia, hay un total de 8 x 1/8 (en los vértices) + 6 x ½ = 4 átomos por celda unidad.

84

Para esta celda los átomos se encuentra unidos a través de la diagonal de las caras como se muestra en la figura 67, pudiendo relacionarse la longitud de la cara del cubo (a0) con el radio atomico (r) de la siguiente manera: a0 =

4r 2

[6]

Figura 17. Relación entre constante de red (a0) y el radio atómico (r)

El Factor de Empaquetamiento Atómico (APF), el cual indica que fracción de la celda esta ocupado por los átomos, para esta celda es 0.74 (74%). Comparando con el valor de la celda BCC, en esta los átomos se encuentran más unidos (dejan menos espacio vacío). Algunos metales con estructura FCC son: Aluminio hierro, cobre. 6.1.3 Estructura cristalina Hexagonal compacta (HCP) Este tipo de celda unidad se caracteriza porque los átomos se encuentran localizados en la capa superior, en la capa inferior y tres en el centro de la celda, como se muestra en la figura 68. Para esta celda el numero de coordinación es doce (12). La cantidad de átomos que se encuentra dentro de la celda es el equivalente de 6 átomos. Un sexto de esfera en cada esquina de la capa superior e inferior de la celda, haciendo el equivalente de dos átomos, tres átomos en el centro y medio átomo en cada una de las capas haciendo 2 átomos. En consecuencia, hay un total de 6 x 1/6 (en la capa superior) + 6 x 1/6 (en la capa inferior) + 3 (en el centro)+ 2 x ½ = 6 átomos por celda unidad.

85

Figura 18. Celda HCP

[Fuente: I.E.S, 2008]

El Factor de Empaquetamiento Atómico (APF), para esta celda es 0.74 (74%). Algunos metales con estructura HCP son: Cadmio, Zinc, titanio.

6.2 SOLIDIFICACION EN METALES La gran mayoría de metales

para poder generar productos requieren de un

proceso de extracción (minerales), derretirlo para que fluya por gravedad a un molde en el cual este se enfría y solidifica. Este proceso de solidifación es diferente si el caso es el de un metal puro o el de una aleación, como será explicado mas adelante. En la solidificación de un material existe una etapa llamada nucleación (formación de núcleos en el metal líquido). Este tipo de nucleacion puede ser homogénea o heterogénea. 6.2.1 Nucleacion homogénea Consiste en que el metal liquido fundido proporciona por si mismo los átomos para formar núcleos. Este proceso se divide como se muestra en la figura 69 en: •

Generación de núcleos: Es la agrupación de átomos a partir de pequeños movimientos de estos.

•

Generación de cristales: En este paso algunos núcleos se generan y se disuelven mientras exista suficiente líquido, otros continúan creciendo hasta formar los cristales.

86

•

Creación de límites de grano: Al continuar el proceso de enfriamiento, algunos núcleos crecen y se reorientan para convertirse en granos, los cuales crearan una frontera llamada límite de grano.

Figura 19. Nucleación homogénea

6.2.2 Nucleación heterogénea Este tipo de nucleación se produce en el metal líquido sobre las paredes del molde al usar un agente insoluble; es decir sin refinadores de grano. Esta nucleación difiere si el caos es un metal puro o una aleación. El proceso de solidificación de un metal puro se caracteriza porque solidifica a temperatura constante (Tm), estos puntos son conocidos por medio de tablas. El proceso que ocurre en el molde es el siguiente (figura 70): •

Generación de una capa delgada producto del rápido enfriamiento en las paredes al vaciar el liquido en el molde

•

El espesor de esta película aumenta generándose una costra

•

En las costras que se forman, los granos son equiaxiales, finos y orientados aleatoriamente producto del rápido enfriamiento

•

Se sigue introduciendo metal fundido y se generan granos columna res, debido a que se enfrían perpendiculares a la costra y las paredes molde, este proceso recibe el nombre de crecimiento dendrítico

del

87

Figura 20.Estructura característica de un metal puro solidificado [Fuente: Groover ,2007]

Las aleaciones generalmente no poseen una temperatura única de solidificación sino un rango de temperaturas, este rango depende de la aleación y composición particular. El proceso que se ilustra en la figura 71 consiste en: •

Al igual que el metal puro se vierte el material fundido y se forma una capa fina

•

Luego se forma granos columnares o dendritas como en el metal puro, similar al paso del metal puro.

•

Como es una aleación y por lo tanto dos puntos de fusión de los elementos de la aleación diferentes, se genera una zona donde existe sólido con islas de liquido (zona blanda). Esta zona

puede ser ancha o angosta en la

aleación por las siguientes razones: 1) Diferencia alta de temperatura entre liquidus y solidus 2) Lenta transferencia de calor del metal fundido hacia fuera del molde

Figura 21.Estructura característica de una aleación solidificada [Fuente: Groover ,2007]

6.3 SOLUCIONES SÓLIDAS METALICAS

88

Como se menciono anteriormente muchos de los materiales que se usan industrialmente no son totalmente puros (ejemplo el cobre en cables eléctricos), la gran mayoría se usan como aleaciones para mejorar ciertas propiedades como resistencia a tensión, dureza, etc. Dentro de los diferentes tipos de aleaciones, el tipo más simple de aleaciones es la Solución Sólida. Esta se define como una aleación formada por dos o más partículas distribuidas dentro de una fase única. Existen dos tipos de soluciones sólidas: sustitucional e intersticial •

Solución sólida sustitucional:

Este tipo de soluciones consta de dos

elementos o partículas en los cuales uno de los elementos (disolvente) sustituye en las posiciones a otros átomos de soluto. La estructura cristalina del elemento progenitor o disolvente permanece inalterada, pero las posiciones cristalinas se pueden distorsionar debido a la presencia de átomos de soluto (figura 72)

Figura 22. Solución sólida sustitucional [Adaptado de: Smith, 2004

Existen ciertas condiciones que facilitan este tipo de solución:

•

•

La diferencia entre los diámetros atómicos debe ser menor que el 15%

•

La estructura cristalina debe ser la misma

•

No debe haber mucha diferencia entre las electronegatividades

•

Los elementos deben tener la misma valencia

Solución sólida Intersticial: En este tipo de solución los átomos de soluto encajan en los espacios que hay entre los átomos de disolvente. Estos

89

huecos son llamados intersticios (figura 73). Se forma debido a que hay gran diferencia entre los diámetros atómicos. Estos átomos

de soluto

(pequeños) pueden ser de Nitrógeno, carbono, hidrogeno y oxigeno.

Figura 23. Solución sólida intersticial [Adaptado de: Smith, 2004]

En el campo de la ingeniería, una de las aleaciones metálicas más importante es el acero. Esta es una aleación producto de la unión del hierro, quien junto con una pequeña proporción de carbono, proporcionan al acero diversas propiedades especiales tales como dureza, resistencia y ductilidad entre otras. El hierro es un metal alotrópico, quiere decir que posee diferentes estructuras reticulares dependiendo de la temperatura a la que sea sometido. Técnicamente se considera hierro puro a aquel material con menos de 0.008% de carbono, este es un metal blanco azulado, dúctil y maleable que permite ser forjado y moldeado. En la figura 74, se muestra una parte del diagrama binario importante

en

ingeniería, el diagrama hierro-carbono o como es comúnmente llamado hierro Fe3C, debido a que esta parte del diagrama (entre 0 y 6.67%C), es la que reviste gran importancia tecnológica ya que en esta porción se pueden encontrar los diferentes aceros y fundiciones. El extremo que no se muestra en le diagrama rico en carbono no es estudiado debido a que un material rico en carbono es muy duro, pero extremadamente frágil.

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Figura 24. Diagrama Fe-Fe3C

En este diagrama las aleaciones que contienen hasta un 2% de carbono constituyen los aceros y las aleaciones que contienen mayor porcentaje de carbono se denominan fundiciones. El carbono puede presentarse en este diagrama en tres formas distintas a saber: •

Como una solución sólida intersticial (explicado anteriormente)

•

Combinado con el hierro para formar un compuesto ínter metálico denominado cementita Fe3C

•

Como carbono libre o grafito

En el diagrama hierro – Fe3C, se puede apreciar las diferentes transformaciones alotrópicas del hierro: •

Ferrita o hierro δ: Es una solución sólida intersticial de carbono en la red cristalina del hierro cúbica centrada en el cuerpo BCC. Posee una estructura cúbica centrada en el cuerpo. Existe entre temperaturas de 1934ºC y 1538ºC, la máxima solubilidad de carbono es de 0.09% a 1495ºC

•

Austenita o hierro γ: Es una solución sólida intersticial de carbono en la red cristalina del hierro cúbica centrada en las caras FCC. Existe en el rango de temperaturas entre 727ºC y 1495ºC. la máxima solubilidad de

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carbono es 2.1% 1.148ºC y la mínima solubilidad es de 0.77 a 727ºC. (figura 75)

Figura 25. Acero AISI 1010, en estado templado, austenizado a 800C, y enfriado en agua. En 100X y 1000X (aumentos)

•

Ferrita o hierro α: Es una solución sólida intersticial de carbono en la red cristalina del hierro cúbica centrada en el cuerpo BCC. Existe por debajo de los 912ºC y la máxima solubilidad del carbono es 0.0218% a 727ºC, la mínima solubilidad. Tiene una dureza de 90 Brinell y una resistencia a la tracción de 28 kg/mm2, llegando hasta un alargamiento del 40%.Tiene una dureza de 300 Brinell, una resistencia a la tracción de 100 kg/mm2 y un alargamiento del 30 %. Posee constante de red (arista del cubo) menor que la ferrita o hierro δ. (figura 76)

Figura 26. Acero W1 Normalizado a 1000x (izq.) y Acero 1010. En estado de entrega a 100x

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Otro constituyente metálico que puede presentarse en los aceros es la cementita o carburo de hierro Fe3C (figura 76), contiene 6.67 %C y 93.33 % de hierro, es el micro constituyente más duro y frágil de los aceros al carbono y no presenta solubilidad, alcanza una dureza Brinell de 700 (68 Rc) y cristaliza en la red ortorrómbica. Esta aparece en las estructuras metalográficas en las formas siguientes: •

Cementita proeutectoide, ocurre en aceros hipereutectoides formando una red que envuelve los granos perliticos

•

Componente de la perlita, al suceder la reacción eutectoide.

La perlita (figura 76) es otro tipo de estructura de tipo laminar de α y Fe3C, la cual es un micro constituyente del acero. Esta compuesta por el 88 % de ferrita y 12 % de cementita, contiene el 0.8 %C. Tiene una dureza de 250 Brinell, resistencia a la tracción de 80 kg/mm2 La perlita aparece en general en el enfriamiento lento a l producirse la reacción eutectoide, es decir la transformación de la austenita 727°C En el diagrama, Fe- Fe3C se encuentran tres líneas horizontales que indican reacciones isotérmicas o tres reacciones invariantes estas son (figura 74): •

Reacción Peritéctica: Esta reacción ocurre con un porcentaje de 0.53% de carbono ya una temperatura de 1465ºC (línea isoterma). Dicha reacción responde a la ecuación: L +δ → γ

•

[32]

Reacción Eutéctica: Esta reacción ocurre en el punto eutéctico con un porcentaje de 4.3% de carbono ya una temperatura de 1148ºC (línea isoterma). Cuando una determinada aleación cruce esta línea, la parte líquida que la compone debe solidificar formándose austenita y carburo de hierro o cementita. Esta mezcla eutéctica, recibe el nombre de ledeburita, Dicha reacción responde a la ecuación: L → γ + Fe3C

•

[33]

Reacción Eutectoide: Esta reacción ocurre en el punto eutéctico con un porcentaje de 4.3% de carbono ya una temperatura de 1148ºC (línea isoterma). Cualquier porción de austenita presente se transformará en una

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fina mezcla eutectoide de ferrita y cementita, llamada perlita. Dicha reacción responde a la ecuación:

γ → ferrita α + Fe3 C

[34]

Una primera clasificación que se hace de los aceros es de acuerdo al contenido de carbono; esto es, los aceros con contenido de carbono por debajo de 0.77%C se denominan aceros hipoeutectoides, los aceros Eutectotides son los que tienen 0.77% de carbonos y los aceros hipereutectoides son los que tiene contenido de carbono por encima de 0.77% hasta 2%C. La micro estructura de un acero hipoeutectoide se caracteriza por estar formada a temperatura ambiente por ferrita+ perlita. Como se muestra en la figura 77, las zonas negras corresponden a perlita embebida en zonas blancas corresponden a granos de ferrita (matriz)

Figura 27. Microestructura de un acero hipoeutectoide

Para un acero eutectoide la microestructura es fácil de entender debido a que ocurre alga similar al proceso de reacción eutectoide. La aleación por encima de 723ºC tiene una estructura austenitica y al pasar por debajo de esta se transforma en perlita (ferrita+cementita) hasta la temperatura ambiente como se muestra en la figura 78

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Figura 28. Microestructura de un acero eutectoide

Por ultimo los aceros hipereutectoides presentan un micro estructura constituida por granos de perlita rodeados de cementita. Aunque en el diagrama estos pueden llegar hasta el 2% de carbono, en la realidad son escasos los que sobrepasan el 1.5%C. (Figura 79)

Figura 29. Microestructura de un acero Hipereutectoide

Los pasos que se llevan a cabo en una aleación hipoeutecotide e hipereutecoide se muestran en la figura 80. Para los aceros hipo, por arriba de 800ºC para este caso el acero posee una estructura austenitica, al descender la temperatura hasta por debajo de los 750ºC ferrita empieza a nuclear y crece, por lo general alrededor de los granos de austenita. La ferrita primaria o proeutectoide como se le llama por haberse formado antes de la temperatura eutctoide (727ºC) sigue creciendo hasta llegar a 727ºC donde la austenita que se traía se transforma en perlita (ferrita eutectoide+cementita).

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Figura 30. Evolución microestructural de los aceros Hipo e hipereutectoides. [Fuente: Askeland, 2003]

El proceso que se lleva a cabo en un acero hipereutectoide (figura 80) es algo similar, parte también del enfriamiento desde la zona autenitica, al iniciar el proceso de enfriamiento empiezan a nuclear y crecer cementita (Fe3C) proetutectoide alrededor de los granos de austenita (γ). Luego la austenita se enfría a través de la reacción eutectotide, terminando a temperatura ambiente una estructura de granos de perlita (ferrita +cementita eutectoide) rodeados por una matriz de cementita proeutectoide Realizar el siguiente ejemplo: Un acero de 0.4%C se somete a un enfriamiento lento desde 940ºC. (a) A temperatura de 727+ΔT, calcular el % en peso de austenita y el % en peso de ferrita. (b) A temperatura de 727-ΔT, calcular el % en peso de ferrita proeutectoide, el % en peso de ferrita eutectoide y % en peso de cementita 6.4 PROCESO DE FABRICACION DEL ACERO El proceso de fabricación del acero inicia con las materias primas, dentro de las cuales la mas importante es el mineral de hierro o bien chatarra férrea, según el proceso que se use para fundirlo, ya que en el proceso a base de mineral de hierro se utiliza un alto horno y en el proceso con la chatarra férrea se usa un

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horno de arco eléctrico. Los principales minerales de los que se extrae el hierro son: Hematita (mena roja) 70%, de hierroMagnetita (mena negra) 72.4%, de hierroSiderita (mena café pobre)48.3% de hierro y Limonita (mena café) 60-65% de hierro. En resumen los cuatro elementos necesarios parta la producción del acero son: •

Mineral de hierro

•

Coque

•

Piedra caliza

•

Aire

El coque es un combustible de alto carbono que se produce al calentar durante varias horas un carbón bituminoso en una atmósfera escasa de oxigeno, para luego rociarles agua a través de torres de enfriamiento especiales, generándose un carbón rico en carbono destilado y es extremadamente combustible El coque tiene como objetivos suministrar el calor para la reacción y producir monóxido de carbono (CO) para reducir el mineral de hierro. La piedra caliza es una piedra que contiene carbonato de calcio. Esta tiene como objetivo en el proceso actuar como fundente para que reaccione con la mezcla en la formación de una escoria que recoja, durante los procesos de fusión y afino, los elementos que se introducen con la carga que pueden ser perjudiciales para el acero final, dejando el baño limpio de impurezas. A la caliza, el coque y el mineral de hierro se les preparan antes de introducirse al alto horno, esto se logra por medio del lavado, triturado y cribado para que tengan la calidad, el tamaño y la temperatura adecuada, Para iniciar el proceso se coloca una carga de mineral, coque y caliza dentro del alto horno, esta se carga o se introduce por la parte superior por medio de vagones que son volteados en una tolva. En general los altos hornos tienen un

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diámetro mayor a 8 m y llegan a tener una altura superior de los 60 m. Están revestidos de refractario de alta calidad. Los altos hornos pueden producir entre 800 y 1600 toneladas de arrabio cada 24 h. Luego del proceso en el alto horno se produce hierro fundido o arrabio como es ampliamente conocido, este es un hierro de poca calidad, su contenido de carbón no está controlado y la cantidad de azufre rebasa los mínimos permitidos en los hierros comerciales. Sin embargo es el producto de un proceso conocido como la fusión primaria del hierro y del cual todos los hierros y aceros comerciales proceden. La escoria o impurezas del proceso, flotan en la superficie del arrabio, por ser menos densa y puede utilizarse en otras aplicaciones industriales, por ejemplo para la construcción de carreteras o en la producción de cemento. Estos son recolectados a través de carros cucharas de hierro caliente para llevarlos a procesos posteriores Luego se lleva a cabo un proceso de refinación del hierro, para obtener acero; los hornos que se usa actualmente es el

horno de oxigeno básico (BOF) y el

eléctrico, lo que se genera de estos es acero al carbono. El objetivo de este horno es inyectar suficiente oxigeno para oxidar el carbono e impurezas como el silicio, manganeso y fósforo. Durante este proceso el contenido de carbono en el hierro disminuye (control de carbono). Luego de refinarlo se agregan elementos de aleación, si lo que se quiere fabricar es un acero aleado. A continuación se lleva a cabo la colada y luego pasara por trenes de laminación para fabricar los productos. La secuencia del proceso de fabricación del acero a partir de mineral de hierro se muestra en la figura 81.

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Figura 31. Secuencia de Fabricación del acero a partir de mineral de hierro [Fuente: Arcelor, 2008]

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Para la elaboración del acero a partir de chatarras seleccionadas, estas se mezclan con ferroaleaciones para obtener la composición y especificación deseada. La calidad de la chatarra depende de tres factores: •

De su facilidad para ser cargada en el horno

•

De su comportamiento de fusión (densidad de la chatarra, tamaño, espesor, forma, etc.)

•

De su composición, siendo fundamental la presencia de elementos residuales que sean difíciles de eliminar en el proceso del horno

Como se menciono, la chatarra puede provenir de diferentes piezas o componentes metálicos, esta se puede clasificar en tres grupos: •

Chatarra reciclada: formada por despuntes, rechazos, etc. originados en la propia fábrica. Se trata de una chatarra de excelente calidad

•

Chatarra de transformación: producida durante la fabricación de piezas y componentes de acero (virutas de máquinas herramientas, recortes de prensas y guillotinas, etc.)

•

Chatarra de recuperación: suele ser la mayor parte de la chatarra que se emplea en la acería y procede del desguace de edificios con estructura de acero, plantas industriales, barcos, automóviles, electrodomésticos, etc.

La secuencia del proceso de fabricación del acero a partir de chatarra seleccionada se muestra en la figura 82

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Figura 32. Fabricación del acero a partir de chatarra seleccionada [Fuente: IPAC, 2008]

Link Flash Proceso de fabricación del acero, aplicaciones y reciclaje http://www.apta.com.es/otua/otua2004.swf

6.5 EFECTO DE LA TEMPERATURA DE DEFORMACIÓN Como se observo en el flash anterior,

para la fabricación de productos

comerciales de acero (alambron, perfiles, barras, bobinas, etc.), se hace necesario el uso de un tren de laminación o rodillos laminadores, los cuales van a permitir darle las formas comerciales del acero. Estos procesos de laminación, forja, extrusión, requieren temperaturas para llevar a cabo su objetivo. Debido a la

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temperatura los procesos se pueden clasificar en tres tipos: trabajo en frío, trabajo en caliente y Trabajo en tibio 6.5.1 Trabajo en Frío Es el formado del metal que se realiza a temperatura ambiente o ligeramente por encima