TEMA 1.- CONCEPTOS PREVIOS 1.-Definiciones 2.-Diagramas de Equilibrio de Fases 2.1.-Introducción 2.2.-Tipos de Diagramas de Fases 2.3.-Construcción de Diagramas 2.4.-Desarrollo de Microestructuras 2.5.-Resumen 3.-Diagrama Fe-C 3.1.-Puntos Críticos 3.2.-Estructuras Cristalinas 3.3.-Clasificación 3.4.-Componentes Estructurales 3.5.-Tratamientos Térmicos 3.5.1. Diagrama TTT 3.5.2. Componentes Estructurales 4.-Clasificación de los aceros AEJB

1.- Definiciones REGLA DE LAS FASES O LEY DE GIBBS

En un sistema con C componentes presentes en forma de F fases existen L grados de libertad, según la siguientes expresión:

L=C–F+2 Esta regla fue deducida por J. Willard Gibbs hacia 1880, pero publicada en “Transactions of The Conneticut Academy” de poca difusión, impidiendo su conocimiento hasta principios de 1900.

Todas las propiedades intensivas (independientes de la cantidad) de una sustancia pura, están determinadas si lo están la temperatura y la presión. Se podrían haber fijado otras propiedades, pero en cualquier caso el estado de la sustancia estaría totalmente definido. AEJB

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1.- Definiciones Sistema: “Porción de materia aislada en un recipiente inerte, real o imaginario”. Por ejemplo: un volumen de agua, aleaciones de Fe-C (sistema Fe-C). ●

Componente: “Elemento o compuesto químico estable en las condiciones del proceso”. También puede definirse como el “menor nº de especies químicas diferentes e independientes necesarias para describir la composición de cada una de las fases del sistema”. ●

Fase: “Porción homogénea de un sistema, físicamente distinta y mecánicamente separable”. Puede ser una cantidad grande o pequeña de materia, en una porción o en varias, pero no de dimensiones moleculares. ●

Grado de Libertad: “Variable independiente que puedo modificar hasta ciertos valores manteniendo el equilibrio”. Ejemplo: Presión, Temperatura, Densidad, Índice de refracción, Calor especifico, etc. No es necesario especificar todas estas propiedades para caracterizar propiamente el sistema. ●

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1.- Definiciones ●

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Ejemplo: Disolución de sal común en agua. 1 Componente; 1 Fase 1 Componente; 2 Fases 2 Componentes; 1 Fase 2 Componentes; 2 Fases Ejemplo: Agua y hielo 1 Componente; 1 Fase 1 Componente; 2 Fases 2 Componentes; 1 Fase 2 Componentes; 2 Fases Ejemplo: Micrografías 1 Componente; 1 Fase 1 Componente; 2 Fase 2 Componentes; 1 Fase 2 Componentes; 2 Fases

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1.- Definiciones Microestructura: “Forma, tamaño, distribución, orientación, etc. de los granos que forman la estructura de un material”. Determina las propiedades mecánicas y físicas de un material. Puede tratarse desde una “simple” estructura de granos en un metal puro hasta una mezcla compleja de fases en una aleación.

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Microestructura Cu puro Microestructura Acero con distintos tratamientos térmicos AEJB

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1.- Definiciones Solución Sólida: “Mezcla de dos tipos diferentes de átomos, el mayoritario es el disolvente y el minoritario es el soluto”. Los átomos de soluto puede ocupar posiciones de sustitución o intersticiales en la red del disolvente, manteniéndose la estructura cristalina del disolvente. ●

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1.- Definiciones Límite de Solubilidad: “Concentración máxima de átomos de soluto (para una temperatura específica)”. La adición de un exceso de soluto forma otra disolución o compuesto diferente. Ejemplo: Sistema Agua-Azúcar. ●

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2.- Diagramas de Equilibrio de Fases Generalmente se presupone que los sistemas con sus fases y sus componentes están en equilibrio, lo cual es una visión estática y final, una situación ideal y homogénea, pero frecuentemente existen situaciones de equilibrio no alcanzadas. En el caso de una situación cambiante estaremos ante un equilibrio activo, la tendencia del sistema será la de alcanzar el equilibrio ideal. Pero con bastante frecuencia se obtienen situaciones de desequilibrio o equilibrio no alcanzado, estaríamos ante un equilibrio metaestable, cuando sea posible, si las variables lo permiten, se alcanzará el equilibrio final.

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2.1.- Introducción Los diagramas de equilibrio de fase son mapas (temperaturapresión; temperatura-composición) de las fases de equilibrio de un material en función de las condiciones de P, Tª y Composición. Ejemplo: Existen diferentes estructuras cristalinas en la que puede presentarse el H2O en estado sólido, cada una en una región diferente del espacio P-Tª, es decir, es estable para ciertas condiciones de P y Tª.

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2.1.- Introducción Diagrama de fases del H2O para altas presiones: varias fases sólidas diferentes, correspondientes a hielo con diferentes estructuras cristalinas (polimorfismo).

Puede observarse que el hielo tipo VII por encima del punto K puede tener un punto de fusión superior a 100ºC. La fase liquida se mantiene a 3000 atms por debajo de -20 ºC. AEJB

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2.2.- Tipos de Diagramas de Fases SISTEMA DE DOS COMPONENTES: 1 Fase y 2 Componentes = ? Grados de Libertad Debemos definir... Presión, Temperatura y Concentración. Diagramas 3D Proyección sobre un plano o fijar una variable y hacer una representación plana de las otras dos. En Metalurgia se suele fijar la Presión y usar diagramas bidimensionales de Temperatura y Concentración (peso porcentual). Y reducir a equilibrios binarios (Líquido-Gas; Sólido-Gas o Líquido-Sólido). El más sencillo: Dos fases líquidas a presión constante (1 atm) y a temperaturas que no aparezcan fases sólidas.

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2.2.- Tipos de Diagramas de Fases SISTEMA DE DOS COMPONENTES: La línea continua delimita la región de dos fases. Línea de a 60ºC: Hasta el punto a el alcohol isobutílico es soluble en agua (1 fase). El punto a es el punto de máxima solubilidad del alcohol isobutílico en agua a 60ºC. Después del punto c tenemos agua disuelta en alcohol isobutílico (1 fase). Entre a y c tenemos 2 fases en una cierta proporción: Alcohol disuelto en agua Agua disuelta en alcohol AEJB

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2.2.- Tipos de Diagramas de Fases SISTEMA SÓLIDO-LÍQUIDO DE 2 COMPONENTES: En estos sistemas el comportamiento más sencillo se presenta cuando ambos componentes en estado sólido y en fase líquida presentan solubilidad total. Cualquier composición intermedia presenta un rango de equilibrio entre sólido y líquido a temperaturas intermedias a las de los puntos de fusión de los componentes del sistema. En los procesos de Metalurgia en general y de Soldadura en particular los equilibrios más interesantes corresponden a la existencia de fases líquida y sólida. AEJB

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2.2.- Tipos de Diagramas de Fases Ejemplo de diagramas de equilibrio de fases binarios

Los sistemas que presentan en estado sólido una sola fase, son resultado de una miscibilidad total de los componentes sólidos, cosa algo infrecuente, más frecuente suele ser la miscibilidad o solubilidad parcial mutua de dos fases sólidas lo cual da lugar a fenómenos EUTÉCTICOS (fácilmente fusible) . Este fenómeno de miscibilidad parcial se presenta con frecuencia cuando los átomos de un componente son pequeños y pueden colocarse en los espacios intersticiales de la red del compuesto, formada por átomos de mayor tamaño . AEJB

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2.2.- Tipos de Diagramas de Fases SISTEMA SÓLIDO-LÍQUIDO DE 2 COMPONENTES. FORMACION DE UNA MEZCLA EUTECTICA. Consideremos un sistema de dos componentes, totalmente miscibles en fase liquida y que forman en fase sólida sus formas cristalinas puras. Las curvas AE y BE muestran las líneas de equilibrio entre liquido y Benceno o Naftaleno sólido puro respectivamente. La línea horizontal es la temperatura por debajo de la que no existe fase liquida. Ley de Gibbs: L= 2-3+2 =1 Solo hay un grado de libertad, la Presión, si la suponemos fija, el eutéctico es un punto totalmente definido. AEJB

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2.2.- Tipos de Diagramas de Fases DEFINICIÓN DE EUTECTICO: “Cuando en un sistema de 2 componentes, una composición determinada presenta un cambio de fase completo para los dos componentes, con inmiscibilidad en fase sólida, y este punto presenta un mínimo de temperatura de fusión en el conjunto, decimos que se produce un EUTÉCTICO”. A esta concentración, a veces mal denominada compuesto, se llama composición eutéctica, a la temperatura a la que se produce (presión fija) se denomina temperatura eutéctica y el punto concreto del diagrama de fase se cita como punto eutéctico. Las aleaciones que presentan eutécticos permiten la segregación de uno u otro de los componentes quedando atrapado el más rico en una matriz eutéctica.

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2.2.- Tipos de Diagramas de Fases EQUILIBRIOS EN SISTEMAS DE TRES COMPONENTES Cuando el sistema presenta 3 Componentes, se recurre a diagramas de tipo triangular, anotando sobre el diagrama en su caso de forma algebraica los cambios y puntos singulares, estos diagramas de fases para tres componentes se establecen para 2 Grados de Libertad prefijados (Presión y Temperatura). Los diagramas triangulares son realmente secciones isotérmicas de un sólido geométrico cuya base es un triángulo equilátero, en el cual se marcan las concentraciones, y un eje vertical en el que se marca la temperatura. Tal sólido se puede construir con base en un estudio de un sistema ternario dado a diversas temperaturas, y la subsecuente reunión de las secciones isotérmicas en un modelo tridimensional. AEJB

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2.2.- Tipos de Diagramas de Fases EQUILIBRIOS EN SISTEMAS DE TRES COMPONENTES Ejemplo: Sistema Bi-Sn-Pb (sistema con un Eutéctico Triple). En este sistema de tres componentes se puede observar que se forman tres eutecticos Binarios (Bi-Pb Pb-Sn y SnBi) que a su vez confluyen en un ternario a 96ºC. Ley de Gibbs en el Eutectico Triple L= 3 -4 +2 =1 Los cortes isotérmicos representan zonas con sólido precipitado correspondiente al vértice adyacente.

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2.2.- Tipos de Diagramas de Fases Se han propuesto varios métodos para trazar diagramas de equilibrio bidimensionales para sistemas de tres componentes. El sistema triangular propuesto por Stokes y Roozeboom es el más empleado. En general se recurre a representar con diagramas triangulares según la composición para cada isoterma, representando las líneas de cambio de fase sobre el diagrama.

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2.3.- Construcción de Diagramas Los diagramas de fase se pueden determinar mediante: Cálculos termodinámicos. Identificando las fases presentes en función de la Tª y la Composición mediante observación directa en el microscopio y análisis químico. Midiendo cambios de propiedades en función de la Tª y la Composición. Curvas de enfriamiento durante la solidificación: la velocidad de enfriamiento disminuye durante la transformación debido al calor latente de fusión.

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2.3.- Construcción de Diagramas En fisicoquímica básica existen dos métodos para establecer las condiciones de equilibrio entre fases: ANÁLISIS TÉRMICO. Mediante el análisis térmico y siguiendo la evolución de las temperaturas de enfriamiento en función del tiempo, pueden determinarse los cambios de fase líquido-sólido, estableciendo temperaturas de cambio de fase para ensayos de diferentes concentraciones. Este es el sistema adecuado para el estudio y construcción de diagramas de fases de aleaciones. MÉTODO DE SATURACIÓN O SOLUBILIDAD. El método de saturación o solubilidad es más adecuado para el estudio de sistemas de dos componentes en estado líquido, caso de agua y alcohol isobutílico visto anteriormente.

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2.3.- Construcción de Diagramas Veamos lo que sucede con el sistema Benceno Naftaleno en cuatro composiciones: a) Benceno Puro, b) Línea e c) Línea b d) Naftaleno Puro

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2.4.- Desarrollo de Microestructuras Relación entre diagrama de fases y microestructura. Vamos a ver ejemplos de microestructuras de enfriamiento lento (“equilibrio”) típicas.

Solubilidad total en fases sólido y líquido (Diag. Cu-Ni) AEJB

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2.4.- Desarrollo de Microestructuras Sistema con Punto Eutéctico (Diag. Sn-Pb)

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2.4.- Desarrollo de Microestructuras Sistema con Punto Eutéctico (Diag. Sn-Pb): Composición C1

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Sistema con Punto Eutéctico (Diag. Sn-Pb): Composición C2

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2.4.- Desarrollo de Microestructuras Sistema con Punto Eutéctico (Diag. Sn-Pb): Composición C3=Ce

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2.4.- Desarrollo de Microestructuras Sistema con Punto Eutéctico (Diag. Sn-Pb): Composición C4

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2.5.- Resumen Para condiciones fijas en equilibrio termodinámico el conocimiento de un sistema material se obtiene a través de los diagramas de fase. Un sistema se encuentra en equilibrio termodinámico cuando la energía libre del sistema es mínima. Macroscópicamente, un sistema está en equilibrio cuando sus características no cambian con el tiempo, o lo que es lo mismo, permanece estable. El diagrama de fases de un solo componente se construye representando la temperatura en abcisas y la presión en ordenadas, y marcando las líneas que separan las tres fases o estados posibles (sólido, liquido, vapor). Para dos componentes, se procede a fijar una variable (presión), representando en ordenadas la temperatura y en abcisas la concentración de los componentes.

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2.5.- Resumen En los diagramas de fase se puede: Conocer las fases presentes a diferentes composiciones y temperaturas bajo condiciones de enfriamiento lento (en equilibrio). Averiguar la solubilidad en estado sólido de los distintos componentes. Determinar la temperatura de solidificación y fusión de las diferentes fases. Métodos para la construcción de los diagramas de fases: Saturación o Solubilidad, adecuado para disoluciones sólido-liquido, no en metalurgia. Análisis Térmico Diferencial, se determina la curva de enfriamiento de una composición fija en función del tiempo, observando los cambios de la pendiente de la curva de enfriamiento.

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2.5.- Resumen El método ATD presenta limitaciones cuando se quiere conocer los cambios que se producen en estado sólido, en donde el cambio de pendiente por el calor de transformación es muy inferior al calor latente de fusión/solidificación. Para conocer estos cambios de fase en estado sólido se puede emplear el método metalográfico por congelación de la estructura, enfriamiento rápido y la difracción de Rayos X que permite determinar las dimensiones de la red cristalina y los cambios de solubilidad sólida que se producen en función de la temperatura

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2.5.- Resumen Regla de la Palanca: Si en un diagrama de fases, trazamos una horizontal a una temperatura que corte las curvas de liquidus y de solidus, esta línea presenta en las intersecciones las composiciones correspondientes a las fases presentes. Las cantidades relativas de las fases, son inversamente proporcionales al segmento de la composición con la intersección con solidus o liquidus respectivamente. Cambios de fase en el enfriamiento A medida que una composición se va enfriando se produce una solidificación que es más rica en el componente de mayor punto de fusión, a la vez que la fase liquida se va enriqueciendo en el de menos punto de fusión. A lo largo del enfriamiento se van a producir segregaciones orientadas por los puntos de fusión de los componentes. Globalmente la composición no cambia, y si existe difusión suficiente, el sólido será homogéneo, pero las estructuras sólidas pueden presentar fase segregadas. AEJB

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3.- Diagrama Fe-C Peritéctico

E1

Eutectoide

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3.1.- Puntos Críticos ●

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Region Peritectica del Diagrama Fe-C

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3.1.- Puntos críticos

Punto Eutéctico: Composición del 4,3 % de C y temperatura de 1147ºC. Esta composición cae en el dominio de las Fundiciones Férreas metalográficamente adopta la forma de LEDEBURITA. Por debajo del 4,3% solidifica la fase gamma y por encima la cementita (Fe3C). Punto Peritéctico (o inverso): En las proximidades del Fe puro, a 1493ºC y 0,18% de C. Se forma mediante la segregación de una estructura de Fe Delta , cúbico centrado en el cuerpo y la solidificación de una fase sólida con estructura cúbica centrada en caras o fase gamma (transformación de carácter expansivo). Punto Eutectoide (o falso eutéctico): Variación de fases en forma sólida, a 723ºC y 0,8% de C. Esta composición se denomina PERLITA (láminas de ferrita y cementita). Por debajo del 0,8% se segrega ferrita y perlita, y por encima del eutectoide perlita y cementita (transformación compresiva).

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3.2.- Estructuras Cristalinas En fase sólida los aceros sufren modificaciones cristalinas que conllevan cambios de las distancias intercristalinas, lo que significa expansiones y contracciones con recolocación de átomos de Carbono. En el rango de la solidificación hasta los 1400ºC, se produce la transición desde Ferrita (Fe δ) hasta Austenita (Fe γ), produciéndose una expansión en volumen. A 910ºC se produce de nuevo una transformación desde Austenita (Fe γ) hasta Ferrita (Fe α). AEJB

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3.2.- Estructuras Cristalinas FERRITA (Fe α): CELDA CÚBICA CENTRADA EN EL CUERPO (BCC) Nº de coordinación:8 Átomos por celda: 8 aristas*1/8 + 1centro =2 Relación entre la longitud de arista y el radio del átomo:

r=

c

3a 4

Eficacia del empaquetamiento: 68% b a

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Vocupado Vcelda

2(4 3 )πr 3 2(4 3 )πr 3 3π = = = = 0.68 3 3 8 a ( 4r ) 3

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3.2.- Estructuras Cristalinas AUSTENITA (Fe γ): CELDA CÚBICA CENTRADA EN LAS CARAS (FCC) Nº de coordinación:12 Átomos por celda: 8 aristas*1/8 + 6caras*1/2=4 Relación entre la longitud de arista y el radio del átomo: (4r)2=a2+a2 4r

Eficacia del empaquetamiento: 74%

Vocupado a

Vcelda

=

4 ⋅ (4 3 )πr 3 a

3

( 4 3 )πr 3 = 4r

= 0.74

21/ 2

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3.3.- Clasificación Al dominio de la existencia de AUSTENITA (Fe gamma) como fase sólida (0 al 2,03%C) es a lo que se denomina dominio de los aceros. Por encima de este valor se sitúa el dominio de las fundiciones férreas. A los aceros por debajo del punto eutectoide se les denomina hipoeutectoides, de gran importancia industrial. Por encima del eutectoide se denominan hipereutectoides. Por debajo del 0,028%C, a 723ºC, disponemos de ferrita pura (Fe alfa). Entre el 2,03%C y el eutéctico, la estructura sólida consiste en: austenita + ledeburita + cementita, que termina transformándose en cementita y perlita dando lugar a las fundiciones perlíticas. Por encima del 4,3%C se produce la segregación de grafito (fundiciones esferoidales). AEJB

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3.4.- Componentes Estructurales

AEJB

A

B

C

D 40

3.4.- Componentes Estructurales

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3.4.- Componentes Estructurales AUSTENITA Es una aleación sólida intersticial de C en Feo Gamma, llegando hasta un contenido máximo en carbono de 2,06%. Es el constituyente más denso de los aceros, conduce peor el calor y la electricidad que el Fe Alfa, no es Magnética. A partir de los 723ºC se desdobla en Ferrita y Cementita.

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Acero inoxidable austenítico AISI 304

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3.4.- Componentes Estructurales FERRITA Es una aleación sólida instersticial de C en Fe alfa. La ferrita disuelve muy poca cantidad de Carbono a temperatura ambiente, la solubilidad máxima se alcanza a 723ºC y es de 0,028%C. La Ferrita es el constituyente mas blando, dúctil y maleable de los aceros, con una resistencia a tracción aproximada de 30 Kg/mm2, presenta una elevada permeabilidad magnética. En los Aceros la Ferrita se presenta como proeutectoide junto con la perlita y como eutectoide mezclado con la Cementita para formar Perlita. Acero de bajo contenido en carbono (13%, así como Mo y Ni. Podemos distinguir: Ferríticos, Austeníticos, Martensíticos, Duplex. AEJB

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