unidad 2 equilibrio

36

Aleaciones. Diagrama deequilibrio2

UNIDAD

uando se empieza

a fabricar metales

de forma masiva

para resolver las necesida-

des de la industria, surge la

necesidad de diseñar alea-

ciones específicas capaces

de satisfacerlas. Es enton-

ces cuando se impone cono-

cer los procesos que se pro-

ducen en la solidificación de

los metales para poder así

diseñar aleaciones con las

características requeridas.

Los diagramas de equili-

brio de fases son útiles en

metalurgia, en ingeniería y

en ciencia de materiales

para cuatro propósitos princi-

palmente:

● Diseñar y desarrollar nuevas aleaciones destinadas a aplicaciones específicas.

● Establecer los procedimientos necesarios para fabricar estas aleaciones de forma rentable.

● Diseñar y controlar los tratamientos térmicos y termoquímicos para mejorarlas.

● Prever, minimizar o resolver los problemas que se puedan presentar en su utilización.

Los objetivos que nos proponemos alcanzar con el estudio de esta unidad son los siguientes:

1. Conocer los procesos de solidificación de los metales puros y aleaciones.

2. Estudiar los conceptos básicos acerca del trazado de diagramas de equilibrio de fases

de aleaciones binarias.

3. Conocer e interpretar los diagramas de equilibrio de fases más característicos y ser capaces

de realizar cálculos para determinar proporciones de fases y constituyentes.

4. Conocer e interpretar con detalle el diagrama de equilibrio hierro-carbono.

5. Conocer los tratamientos térmicos y superficiales a los que se pueden someter los metales

para modificar sus características mecánicas.

C

Fractura intergranular de un acero forjado. (DoITPoMS, Universidad deCambridge)

37

1. SOLIDIFICACIÓN DE METALES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38

1.1. Metal puro . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38

1.2. Aleaciones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39

1.3. Soluciones sólidas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39

2. DIAGRAMAS DE EQUILIBRIO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40

2.1. Diagramas de equilibrio de aleaciones solubles en estado líquido y sólido . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40

2.2. Diagrama de equilibrio Cu−Ni . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42

2.3. Diagrama de equilibrio de aleaciones insolubles en estado sólido . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43

2.4. Diagrama de equilibrio Pb−Sn . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46

2.5. Diagramas de equilibrio con transformaciones en estado sólido . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48

2.6. Constituyentes de las aleaciones hierro−carbono . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49

2.7. Diagrama de equilibrio Fe−C . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50

3. TRATAMIENTOS TÉRMICOS Y SUPERFICIALES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54

3.1. Tratamientos térmicos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54

3.2. Tratamientos termoquímicos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56

Í N D I C E D E C O N T E N I D O S

ALEACIONES

SOLIDIFICACIÓN DE METALES● Metal puro● Aleaciones TRATAMIENTOS TÉRMICOS

● Recorrido● Normalizado● Temple● Revenido

TRATAMIENTOSTERMOQUÍMICOS

● Cementación● Nitruración● Cianuración● Sulfinización

DIAGRAMA DE EQUILIBRIO DE FASES● Aleaciones solubles en estado líquido y sólido

► Diagrama de equilibrio Cu-Ni● Aleaciones solubles en estado líquido e insolubles

en estado sólido► Diagrama de equilibrio Pb-Sn

● Diagrama de equilibrio con transformaciones enestado sólido

● Aleaciones hierro-carbono► Constituyentes► Diagrama de equilibrio

38

ALEACIONES. DIAGRAMA DE EQUILIBRIO

2UNIDAD

1. Solidificación de metalesEl estudio de los procesos de solidificación de los metales puros y las aleaciones es fundamental para entender

la cristalización y la formación de los constituyentes que determinarán sus características mecánicas. Nos permitenconocer y modificar la constitución de las aleaciones y son básicos para el estudio de los tratamientos térmicos.

La solidificación de los metales comienza cuando, en el proceso de enfriamiento, se alcanza la temperaturade solidificación, con la formación de núcleos cristalinos en el seno de la masa fundida; estos núcleos van creciendoen todas las direcciones formando agrupamientos cristalinos llamados dendritas. El crecimiento de las dendritasda lugar a la formación de granos que se juntan unos con otros a medida que avanza el proceso de solidificaciónhasta que se completa. El tamaño de estos granos influye en las propiedades mecánicas del material; en general,cuanto menor es el tamaño del grano mejores son sus propiedades mecánicas.

1.1. Metal puroEl estudio de la solidificación de los metales se realiza a través de las curvas de enfriamiento, en las que se

representa el descenso de temperatura del metal, desde que está en estado líquido hasta la temperatura ambiente,en función del tiempo.

En la gráfica se observan tres zonas: el enfriamiento del líquido,en el cual el descenso de temperatura es muy rápido hasta que se alcanzala temperatura de solidificación Ts; la solidificación, que se produce atemperatura constante entre los puntos 1−2, representada con una líneahorizontal; y el enfriamiento del sólido, en el cual la temperatura vuelvea descender, pero de manera cada vez más lenta a medida que nosaproximamos a la temperatura ambiente.

En algunos casos puede producirse el fenómeno de subfusión, queconsiste en que la temperatura del líquido desciende por debajo de latemperatura de fusión, es decir, que el metal permanece líquido a unatemperatura a la que debería haberse solidificado. Este estado es inestable,y cesa al producirse una leve agitación, a la vez que aumenta la temperaturade nuevo hasta Ts.

● Estructura tridimensional de dendritas.(DoITPoMS, Universidad de Cambridge)

● Formación de granos. (DoITPoMS, Universidadde Cambridge)

● Curva de solidificación de un metal puro (A.L.)

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1.2. AleacionesLas aleaciones están formadas por dos o más elementos que forman una

solución sólida de carácter metálico. Estos elementos solidifican a distintatemperatura, lo cual provoca que en las aleaciones la temperatura desciendadurante la fase de solidificación, en lugar de mantenerse constante como ocurrecon los metales puros.

Cuando uno de los metales alcanza la temperatura de solidificación y comienzaa producirse el cambio de fase (punto 1), hay una ralentización en el enfriamientode la mezcla, ya que, mientras en uno de los metales se produce el desprendimientode calor asociado al cambio de fase, el otro metal continúa en fase de enfriamiento.La solidificación se produce entre las temperaturas Ts1 y Ts2

1.3. Soluciones sólidasA escala microscópica, las aleaciones no son homogéneas, sino que están formadas por granos con distinta

composición. A estos microcomponentes de las aleaciones se les conoce como constituyentes. Los constituyentescaracterísticos de las aleaciones son las soluciones sólidas, en las cuales los átomos de los distintos elementospasan a formar parte de una misma red cristalográfica.

En general, en una disolución, el disolvente es el producto que entra en mayor proporción y el soluto el demenor proporción. En las combinaciones de metales, consideramos como disolvente aquel que conserva su red

cristalina; cuando las cantidades de los metales que semezclan son parecidas, puede suceder que sea el metalque entre en menor proporción el que conserve su red.

Soluciones sólidas por sustitución. Se puede producircuando el tamaño de los átomos de disolvente y soluto essimilar. Consiste en que los átomos del elemento solutosustituyen a algunos del disolvente en la red cristalina.

Soluciones sólidas por inserción. Los átomos de solutoson muy pequeños y se sitúan en el interior de los cristalesde disolvente.

● Curva de solidificación de una aleación. (A.L.)

● Solución por substitución de unátomo en una red cúbica centrada.(J. A. E.-A.A.) ● Solución por inserción de un átomo

en el centro de una red cúbica centradaen las caras. (J. A. E.-A.A.)

A c t i v i d a d e sA c t i v i d a d e s

1. ¿Cómo se forman los granos en el proceso de solidificación de un metal?2. Representa la gráfica de solidificación de un metal puro e indica las zonas características.3. Representa la gráfica de solidificación de una aleación e indica las zonas características.4. Indica los tipos de soluciones sólidas que aparecen en las aleaciones y en qué consisten.

R e c u e r d aR e c u e r d a

ü Las dendritas son agrupamientos de cristales que crecen en todas las direcciones en el proceso de solidificacióndel metal.

ü La solidificación de un metal puro se produce a temperatura constante.ü En las aleaciones se produce un descenso de temperatura durante la fase de solidificación.ü En las soluciones sólidas, consideramos como disolvente al metal que mantiene su red cristalina.

40


2UNIDAD

2. Diagramas de equilibrioEn los diagramas de equilibrio de fases se representa la evolución de las aleaciones con la temperatura,

desde el estado líquido hasta la temperatura ambiente, para las distintas concentraciones de los metales queforman dichas aleaciones.

Los diagramas de equilibrio nos ofrecen información sobre los cambios de fase, los constituyentes y susestructuras, la composición y las concentraciones de los metales en las distintas fases.

En esta unidad estudiaremos los diagramas de equilibrio binarios, los más sencillos y representativos, quese corresponden con aleaciones formadas por dos componentes.

2.1. Diagramas de equilibrio de aleaciones solublesen estado líquido y sólido

Se considera una aleación de dos metales solubles en estado líquido y sólido A y B. Para la obtención deldiagrama de equilibrio se trazan las curvas de enfriamiento para aleaciones con distintas composiciones en unagráfica Temperatura−Tiempo, partiendo del 100% de A y 0% de B (aleación I) hasta el 0% de A y 100% de B(aleación V). Se indican en cada gráfica los puntos característicos de comienzo y final de la solidificación, sellevan estos puntos sobre otra gráfica Temperatura−Concentración y se unen con sendas curvas los puntos decomienzo y final de la solidificación respectivamente para obtener el diagrama de equilibrio.

● Obtención del diagrama de equilibrio de aleaciones solubles en estado líquido y sólido. (A.L.)

41

Interpretación del diagramaEl diagrama está delimitado por dos líneas, la línea

de líquidos, que une los puntos (1) de comienzo de lasolidificación, y la línea de sólidos, que une los puntos(2) de final de solidificación. Estas líneas dividen eldiagrama en tres zonas:

○ Por encima de la línea de líquidos: en esta zonatodo el metal está en estado líquido.

○ Por debajo de la línea de sólidos: en esta zonatodo el metal está en estado sólido.

○ Entre la línea de líquidos y la de sólidos: en estazona conviven líquido y sólido.

Analizamos la evolución de la aleación indicada en el diagrama (75%A 25%B) a medida que desciende la temperatura:En el punto a todo el metal está en estado líquido, en el punto b comienza la solidificación, en el punto c hay líquidoy sólido, en el punto d finaliza la solidificación y en el punto e todo el metal está en estado sólido.

Análisis de un punto situado en la zona donde conviven líquido y sólido.

Tomando como referencia el punto c, se traza una línea horizontal; el corte con la línea de líquidos (cL) indicala concentración de los componentes de la fase líquida, 50%A y 50%B; el corte de la horizontal con la línea desólidos (cS) indica la concentración de los componentes de la aleación en el sólido, 13%A y 87%B.

Con ayuda del diagrama de equilibrio se puede determinar, en la zona donde conviven líquido y sólido, lacantidad de masa de cada fase a una temperatura determinada (ML y MS). Para ello recurrimos a la regla de lossegmentos inversos o de la palanca. Tomando como referencia el segmento cS

__cL

___ que representa la masa total, elsegmento c cL

_____ representa la cantidad de sólido y el segmento cS c_____ la cantidad de líquido. Las cantidades relativas

de líquido y sólido en tanto por cien son entonces:

Masa relativa de líquido a la temperatura Tc:

Masa relativa de sólido a la temperatura Tc:

M c cc cL

S

S L

= ⋅100

M ccc cS

L

S L

= ⋅100

● Diagrama de equilibrio de aleaciones solubles en estado líquido y sólido. (A.L.)

EjemploEjemplo

1. En el diagrama de equilibrio de la figura anterior determina el porcentaje de masa de líquido y de sólido para elpunto c (75%A-25%B).En primer lugar determinamos o medimos el valor de los segmentos:c cc ccc

M

S L

S

L

= − == − == − =

87 50 3787 75 1275 50 25

Cantidad de líquido: LLS

S L

SL

S

c cc c

M ccc c

= ⋅ = ⋅ =

=

100 1237

100 32 43, %

Cantidad de sólido:LL

⋅ = ⋅ =100 2537

100 67 57, %

42

2.2. Diagrama de equilibrio Cu−NiEl diagrama de las aleaciones de Cu−Ni (cuproníqueles) representa un ejemplo real de un diagrama de

equilibrio de aleaciones totalmente solubles en estado líquido y sólido. Los cuproníqueles tienen muchas aplicaciones,fabricación de monedas, resistencias eléctricas, aparatos de calefacción, etc.

Las temperaturas extremas del diagrama se corresponden con las temperaturas de solidificación del Cu, 1083ºC,y la del Ni, 1453ºC. En la práctica la concentración de los cuproníqueles oscila entre el 33% al 90% de Cu.

Se realiza el estudio de una aleación con 40%Ni y 60%Cu representada en la anterior figura de la derecha(Detalle). El punto a correspondiente a una temperatura de 1294ºC es el punto de comienzo de la solidificación;el punto c con una temperatura de 1232ºC es el punto de final de la solidificación.

Para el punto b, indicado en la zona donde conviven las dos fases a una temperatura de 1250ºC, se determinala concentración de Cu y Ni en el sólido y líquido y la cantidad de sólido y líquido correspondiente a dicha temperatura.

La vertical por bS indica la concentración de Cu y Ni en el sólido: 44.6% Ni, 55.4% Cu.

La vertical por bL indica la concentración de Cu y Ni en el líquido: 29.3% Ni, 70.7% Cu.

Las cantidades relativas de líquido y sólido a la temperatura indicada se determinan por la regla de lossegmentos inversos.

Determinamos el valor de los segmentos:

● Diagrama de equilibrio de aleaciones de Cu-Ni (A.L.)Diagrama Detalle

b bb bbb

S L

L

S

= − == − == − =

44 6 29 3 15 340 29 3 10 744 6 40 4 6

. . .. .

. .Con estoss datos determinamos las de líquido y sólmasas relativas iido.

Cantidad de : (líquido M bbb bL

S

S L

= ⋅ = ⋅ =100 4 615 3

100 30..

% 229.3% Ni, 70.7% Cu).

Cantidad de :sólido M b bb bS

L

S L

= ⋅ =100 10.7715 3

100 70.

%⋅ = (44.6% Ni, 55.4% Cu).


2UNIDAD

43

2.3. Diagrama de equilibrio de aleaciones insolublesen estado sólido

La obtención del diagrama de equilibrio de aleaciones solubles en estado líquido e insolubles en estadosólido se realiza de forma análoga al diagrama anterior.

Se considera una aleación binaria de dos metales A y B. Se trazan las curvas de enfriamiento para aleacionescon distintas composiciones en una gráfica Temperatura−Tiempo. Se indican los puntos característicos de inicioy fin de de la solidificación. En este caso pueden aparecer distintas situaciones:

● La solidificación de la aleación I, por ser metal puro A (100% A), se produce a temperatura constante.

● La solidificación de la aleación II se produce en dos partes diferenciadas: entre 1 y 2 solidifica el metal Acon descenso de temperatura, hasta que en la fase líquida se alcanza una determinada concentraciónllamada eutéctica, en la cual A y B solidifican a temperatura constante, dando lugar a un compuestoeutéctico formado por finos cristales de A y B mezclados.

● La solidificación de la aleación III, cuya proporción de A y B es la eutéctica, se produce a temperaturaconstante como si fuera un metal puro.

● La solidificación de la aleación IV es análoga a la de la aleación II, con la diferencia de que en este casosolidifica en primer lugar el metal B hasta que se alcanza la composición eutéctica en el líquido, momentoen el cual la mezcla solidifica a temperatura constante.

● Obtención del diagrama de equilibrio de aleaciones solubles en estado líquido e insolubles en estado sólido. (A.L.)

44

Interpretación del diagramaEn el diagrama de equilibrio, de la siguiente

figura, se observan dos zonas separadas dondeconviven sólido y líquido con un punto en comúnentre ellas (e), llamado punto eutéctico. Al igualque en el diagrama anterior, por encima de la líneade líquidos todo el metal está en estado líquido,y por debajo de la línea de sólidos todo el metalestá en estado sólido.

En la zona delimitada por los puntos a−b−e−a,el sólido es todo metal A, y el líquido está formadopor A+B. En la zona delimitada por los puntos c−d−e−c, el sólido es todo metal B, y el líquido esta formado porA+B. Cuando la concentración de A y B se corresponde con la concentración eutéctica, la solidificación seproduce a temperatura constante. La concentración eutéctica corresponde a la menor temperatura de solidificaciónque puede obtenerse para cualquier combinación de esos dos componentes.

Por debajo de la línea de sólidos aparecen distintas combinaciones de A y B. En la zona izquierda aparece enel sólido metal puro A y una mezcla eutéctica de A+B. En la zona derecha aparece metal puro B y una mezclaeutéctica de A+B y debajo del punto e la composición del sólido es la eutéctica A+B.

Análisis de aleaciones característicasEl estudio de las aleaciones características

que pueden aparecer en el diagrama nos permitedeterminar la temperatura de comienzo de lasolidificación, la temperatura de final de lasolidificación y, en la zona de convivencia delíquido y sólido, la concentración del líquido ydel sólido a una temperatura determinada y lamasa relativa de cada fase. A continuación seestudian las aleaciones indicadas en el diagramade equilibrio de la figura siguiente.

Aleación IEn el punto a está todo el metal en estado líquido con una concentración AB 80−20. En el punto b comienza la

solidificación de cristales del componente A. En el punto c hay sólido y líquido, y a medida que desciende la temperaturase solidifica A puro y la concentración del líquido se aproxima a la composición eutéctica. En el punto d terminala solidificación, el líquido que queda alcanza la concentración eutéctica y solidifica a temperatura constante. En elpunto e todo el material está en estado sólido, formado por cristales de A puro y eutécticos de A+B.

Para el punto c, la concentración del líquido se determina por el corte de una horizontal con la línea de líquidos(cL) y la concentración del sólido por el corte con la línea de sólidos (cS). En el modelo de curva simplificado quese está estudiando, la línea de sólidos en esa zona se corresponde con una vertical.

Concentración de líquido: 70%A, 30%BConcentración de sólido: 100%A, 0%B (metal puro A).


2UNIDAD

● Aleaciones características en un diagrama de equilibrio de aleaciones solubles enestado líquido e insolubles en estado sólido. (A.L.)

● Diagrama de equilibrio de aleaciones solubles en estado líquido e insolubles enestado sólido, zonas y puntos característicos. (A.L.)

45

La cantidad de A y B en cada fase la determinamos por la regla de los segmentos inversos. Determinamosla longitud de los segmentos:

Aleación IIEn el punto f, todo es líquido homogéneo con una concentración eutéctica AB 60−40.

En el punto eutéctico g se produce la cristalización a temperatura constante, formándose finos cristalesmezclados de A y B.

En el punto h, todo el material se encuentra en estado sólido (A+B).

Aleación IIIEn el punto k, todo es líquido homogéneo con una concentración de AB 25−75. En el punto m comienza la

solidificación de cristales del componente B. En el punto n hay líquido y sólido, y a medida que desciende latemperatura se solidifica B puro y la concentración del líquido se va empobreciendo en B para aproximarse a laeutéctica. En el punto o termina la solidificación, el líquido tiene la concentración eutéctica y solidifica a temperaturaconstante. En el punto p todo el material está solidificado; este sólido está formado por cristales puros de B yeutécticos de A+B

Para el punto n la concentración del líquido se determina por el corte de una línea horizontal con la de líquidos(nL) y la concentración del sólido por el corte de la horizontal con la línea de sólidos (nS). En el modelo de curvasimplificado que se está estudiando, la línea de sólidos en esa zona se corresponde con una vertical.

Concentración de líquido: 44%A, 56%B

Concentración de sólido: 100%B, 0%A (metal puro B).

La cantidad de A y B en cada fase la determinamos por la regla de los segmentos inversos:

c cc ccc

S L

S

L

= − == − == − =

100 70 30100 80 2080 70 10

Cantidades relativass de líquido y de sólido.

Cantidad de líquido: M c cc cL

S

S L

= ⋅1000 2030

100 66 67= ⋅ =

=

. % (70% A, 30% B)

Cantidad de sólido: M cS

ccc c

L

S L

⋅ = ⋅ =100 1030

100 33 33. % (100% A, 0% B)

n nn nnn

L S

L

S

= − == − == − =

44 0 4444 25 1925 0 25

Cantidades relativas de líquido y de sólido.

Cantidad de líquido: M nnn nL

S

L S

= ⋅ =100 25544

100 56 8⋅ =

=

. % (44% A, 56% B)

Cantidad de sólido: M n nn nS

L

L SS

⋅ = ⋅ =100 1944

100 43 2. % (100% B, 0% A)

46

2.4. Diagrama de equilibrio Pb−SnEl diagrama de equilibrio Pb−Sn en cierta manera es una combinación de los dos tipos anteriores. Se trata de

un diagrama de equilibrio con solubilidad total en estado líquido y solubilidad parcial en estado sólido, enel que además aparecen transformaciones en estado sólido.

Este tipo de diagrama es bastante común (Al−Si, Cu−Ag), aunque muchas veces para su estudio se utilizanmodelos simplificados como el estudiado en el apartado anterior, con insolubilidad en estado sólido (siguiente figura,de la izquierda), o el modelo de solubilidad parcial pero sin transformaciones en estado sólido (figura de la derecha).

Para el diagrama Pb−Sn, analizaremos las zonas y puntos característicos, así como la evolución de tresaleaciones a la izquierda del punto eutéctico. El análisis de las aleaciones a la derecha del punto eutéctico seríaanálogo a las que se van a estudiar.

Líneas, zonas y puntos característicos del diagramaLa línea de líquidos es la AqD. Por encima de esta línea, toda la mezcla está líquida.

La línea de sólidos es la ABqCD. Por debajo de esta línea, todo está sólido.

En las zonas ABqA y qCDq conviven las fases líquida y sólida.

Las temperaturas características del diagrama son, la de fusión del Pb, 327ºC; la de fusión del Sn, 232ºC y lade final de la solidificación, 183ºC, que se correspondecon la temperatura de solidificación de la aleacióneutéctica.

El punto eutéctico se corresponde con unacomposición de Pb−Sn 38,1−61,9

En la siguiente gráfica aparecen las fases α y β.La fase α es una solución sólida de Sn en Pb. Lamáxima proporción de Sn que puede disolverse enPb es la correspondiente al punto B (19,2% Sn). Lafase β es una solución sólida de Pb en Sn, y la máximaproporción de Pb que puede disolverse en Sn es lacorrespondiente al punto C (2,5% Pb).

● Diagramas de equilibrio de aleaciones totalmente solubles en estado líquido: A, diagrama con insolubilidadtotal en estado sólido. B, diagrama con insolubilidad parcial en estado sólido (A.L.)


2UNIDAD

● Diagrama de equilibrio Pb-Sn. (A. L.)

47

Aleaciones característicasAnalicemos las aleaciones indicadas en la figura anterior.Aleación IEn el punto a, los metales están en estado líquido con una concentración Pb−Sn 90−10. En el punto b, comienzan

a formarse cristales de la fase α. En el punto c, hay sólido α y líquido. En el punto d termina la solidificación, y ene toda la aleación está formada por cristales α. En el punto f comienza una transformación en estado sólido:precipitan partículas β. En el punto g, la aleación está formada por α+β.

Aleación IIEn el punto h, la mezcla está en estado líquido con una concentración Pb−Sn 60−40. En el punto k comienza

a solidificar la fase α. En el punto m hay sólido α y líquido, y a medida que desciende la temperatura la concentraciónen el líquido se va aproximando a la de la eutéctica. En el punto n termina la solidificación, y en este punto ellíquido que queda solidifica como eutéctico. En el punto o hay sólido α y sólido eutéctico α+β.

Aleación IIIEn el punto p, la mezcla está en estado líquido, y las proporciones de los componentes son las eutécticas

61.9% de Sn y 30.1% de Pb. En el punto q se produce la solidificación de toda la masa a temperatura constante,más baja que la de cualquier otra proporción. En el punto u hay sólido eutéctico α+β.

EjemploEjemplo

2. a) Para el punto m de la aleación II del diagrama de equilibrio Pb-Sn, de la figura última anterior, determina elporcentaje de masa de líquido y de sólido y la proporción de Pb y Sn en ambas fases.

b) Para el punto o de la misma aleación, determina el porcentaje de sus constituyentes (α-eutéctico)Solución:a) La proporción de Pb y Sn en el líquido es la que corresponde al punto mL y la proporción del sólido la que

corresponde a mS.Determinamos el valor de los segmentos en el punto m:

b) Determinamos el valor de los segmentos

m mm mmm

M

S L

S

L

= − == − == − =

53 17 3640 17 2353 40 13

Cantidad de líquido: LLS

S L

m mm m

= ⋅ = ⋅ =100 2336

100 63 89. % (47%Pb, 53%Sn)

Cantidad de ssólido ( ): (83%Pb, 17%Snα M mmm mS

L

S L

= ⋅ = ⋅ =100 1336

100 36 11, % ))

o oo ooo

e

e

α

α

= − == − == − =

61 9 2 5 59 440 2 5 37 561 9 40 21 9

. . .. .

. .

Cantidad dde constituyente eutéctico: M o oo oe

e

= ⋅ = ⋅ =α

α

100 37 559 4

100 6..

33 13

100 21 959

. %

.

Cantidad de constituyente : α αα

M ooo o

e

e

= ⋅ =..

. %4

100 36 87⋅ =

48

2.5. Diagramas de equilibrio con transformaciones enestado sólido

Algunos metales y aleaciones tienen distintosestados alotrópicos, es decir, cambian su estructuracristalina durante el enfriamiento. Estos cambios sereflejan en los diagramas de equilibrio con la apariciónde líneas de transformación por debajo de la líneade sólidos. Un ejemplo de este tipo de aleacionesse da en el diagrama de equilibrio Fe−C.

Para entender el funcionamiento de estas líneasde transformación, estudiaremos un diagrama binariotipo de dos componentes A y B análogo al diagramaFe−C en la zona de los aceros.

Interpretación del diagrama

En este diagrama de equilibrio aparece un punto de transformación en estado sólido a temperatura constante(E) que, por analogía con el punto eutéctico, recibe el nombre de eutectoide.

Por encima de la línea de líquidos, toda la masa está en estado líquido. Entre las líneas de líquidos y sólidosse produce la solidificación homogénea de A y B, ya que son solubles en estado sólido. Por debajo de la línea desólidos, todo el material está solidificado, formando una solución sólida de A y B. Al descender la temperatura,dependiendo de la composición aparecen distintas situaciones:

● Al cortar la línea de separación de A se produce una segregación de sólido puro A, a la vez que la soluciónde A+B se aproxima a la proporción eutectoide. Cuando se alcanza la temperatura de la transformacióneutectoide, la solución A+B se transforma en eutectoide A+B.

● Si la proporción de A y B es la eutectoide, se produce una transformación alotrópica a temperatura constanteal llegar al punto E, modificando la estructura cristalina para convertirse en eutectoide A+B.

● El proceso al atravesar la línea de separación de B es análogo al que se produce al atravesar la línea deseparación de A, solo que en este caso se produce una segregación de metal puro B.

Los cambios que se producen en la aleación en estado sólido, al atravesar las líneas de separación de A y By la línea eutectoide, son debidos a modificaciones en la estructura cristalina de los constituyentes debido a losdistintos estados alotrópicos.


2UNIDAD

● Diagrama de equilibrio con transformaciones en estado sólido. (A.L.)

49

2.6. Constituyentes de las aleaciones hierro−carbonoEl hierro puro tiene pocas aplicaciones en la industria, pero su empleo en la elaboración de aceros y fundiciones,

aleado con el carbono y otros elementos, lo convierte en el metal más utilizado, con gran diferencia sobre los demás.

En las aleaciones de Fe−C, en función de la concentración de los componentes y la temperatura aparecendistintos agrupamientos cristalinos llamados constituyentes:

Ferrita (Feα). La ferrita, que se considera como hierro α casi puro, disuelve menos del 0,008% de C a temperaturaambiente. Es un constituyente blando y dúctil, tiene una dureza de 90 HB, cristaliza en red cúbica centrada ytiene propiedades magnéticas.

Austenita (Feγ). Es una solución sólida por inserción de carbono en hierro γ. Es el primer constituyente quese forma cuando solidifica el acero. Cristaliza en el sistema cúbico centrado en las caras. La austenita no esestable a temperatura ambiente; existe por encima de la temperatura eutectoide (727ºC).

Cementita (Fe3C). La cementita es carburo de hierro, tiene un contenido de carbono de 6,7%, es el constituyentemás duro de los aceros, alcanzando 68HRC, y cristaliza en una red ortorrómbica.

Perlita (Feα+Fe3C). Resulta de la transformación eutectoide de la austenita al pasar el hierro γ a hierro α ycombinarse el carbono para formar Fe3C. Cuando el enfriamiento es lento, está formada por una estructuralaminar de Ferrita (Feα) y Cementita (Fe3C). Tiene una dureza de 200 HB.

Martensita. Es un constituyente muy duro y resistente característico de los aceros templados. Es una soluciónsólida sobresaturada de carbono en hierro α. Se obtiene por enfriamiento rápido de la austenita. Cristaliza enuna red tetragonal por la deformación que produce la inserción de los átomos de carbono en la red cúbica centradadel hierro α.

Ledeburita. Constituyente característico de las fundiciones. Es un eutéctico de cementita y austenita con un4,3% de carbono que solidifica a 1148ºC.

● Estructura ferríticapertenecienta a un acerocon un contenido encarbono muy bajo.(DoITPoMS, Universidad deCambridge)

● Estructura austenítica.(DoITPoMS, Universidad deCambridge)

● Estructura de cementita(1,3%C), destaca en colorclaro rodeando los granosde perlita. (DoITPoMS,Universidad de Cambridge)

● Perlita con 0,8% C,eutectoide formado porferrita (láminas claras) ycementita (láminasoscuras). (DoITPoMS,Universidad de Cambridge)

● Estructura de martensita(0,9%C). (DoITPoMS,Universidad de Cambridge)

● Fundición gris conincrustaciones de grafito enledeburita. (DoITPoMS,Universidad de Cambridge)

50

2.7. Diagrama de equilibrio Fe−C

Estudio del diagrama de Fe−CEn el diagrama de hierro−carbono se representan las aleaciones hasta 6,7% de carbono. Entre el 0,02% y

2,11% de carbono corresponden a los aceros, y del 2,11% al 6,7% de carbono a las fundiciones. Por encima del6,7% el hierro no puede disolver más carbono para formar carburo de hierro (Fe3C), por lo que el carbono apareceráen forma de grafito.

En el diagrama aparecen varios puntos y líneas características:

● Punto B, denominado eutéctico, que corresponde a un porcentaje de carbono del 4.3%. En este punto seproduce la solidificación a temperatura constante de ledeburita, eutéctica de austenita y cementita. Lasfundiciones con un contenido de carbono inferior al del punto eutéctico reciben el nombre de hipoeutécticasy las que tienen un contenido superior se llaman hipereutécticas.

● Punto A, correspondiente a la temperatura de solidificación del hierro puro (1538ºC).


2UNIDAD

● Diagrama de equilibrio Fe-C. Representación de puntos, líneas y zonas (A.L.)

51

● Punto F, denominado eutectoide, que corresponde a un porcentaje de carbono del 0,77%. En este punto,la austenita se transforma en perlita al producirse la transformación alotrópica de hierro γ en hierro α. Losaceros con un contenido de carbono inferior al del punto eutectoide se llaman hipoeutectoides y los quetienen un contenido superior hipereutectoides.

● Punto E, es el de máxima solubilidad de carbono en hierro γ, correspondiente al 2.11% de carbono. Es ellímite de los aceros; a partir de este punto, las combinaciones de hierro y carbono forman fundiciones.

● Línea ABC, es la línea de líquidos, que marca el comienzo de la solidificación.

● Línea AED, es la línea de sólidos, que marca el final de la solidificación. En el tramo horizontal ED, correspondientea la temperatura eutéctica, el líquido que hay solidifica a temperatura constante formando ledeburita.

Estudio de las aleaciones

Aleación I (0.35%C). Por encima del punto 1, todo el metal está en fase líquida, y al alcanzar dicho puntocomienza la solidificación de la austenita. En el punto 2 termina la solidificación, y en el punto 3 todo es sólidoaustenita. Al alcanzar el punto 4, el hierro γ comienza a transformarse en hierro α (ferrita) a la vez que se separade la austenita, y en el punto 5 hay ferrita y austenita. En el punto 6, la austenita alcanza la proporción eutectoidey se transforma en perlita a temperatura constante. En el punto 7 hay ferrita y perlita.

● Diagrama de equilibrio Fe-C. Representación gráfica de aleaciones. (A.L.)

52

Aleación II (0.77%C). Esta aleación, que corresponde a la composición eutectoide, sigue el mismo procesoque la anterior hasta el punto 8, a partir del cual toda la austenita se transforma en perlita (eutectoide) a temperaturaconstante. En el punto 9, el constituyente es perlita.

Aleación III (1.37%C). Hasta el punto 10, sigue el mismo proceso que la primera aleación hasta el 4. En estepunto comienza la separación de la cementita. En el punto 11 hay austenita y cementita. Al alcanzar el punto 12,la austenita se transforma en perlita, y en el punto 13 los constituyentes son perlita y cementita.

Aleación IV (2,83%C). El proceso de solidificación es igual que en las aleaciones anteriores hasta el punto14, a partir del cual el líquido que hay solidifica a temperatura constante constituyendo ledeburita, la eutéctica deaustenita y cementita. A medida que desciende la temperatura, se produce la segregación de cementita; entonces,en el punto 15 hay austenita, cementita y ledeburita. En el punto 16 se alcanza la temperatura de transformacióndel hierro γ a hierro α, entonces la austenita se convierte en perlita y la ledeburita en ledeburita transformada. Enel punto 17, los constituyentes son perlita, cementita y ledeburita transformada.

Aleación V (4.3%C). Para esta proporción de componentes, la solidificación se produce a temperatura constanteal alcanzar el punto eutéctico. El componente sólido es una eutéctica de ledeburita. A medida que desciende latemperatura se segrega cementita, y en el punto 19 hay cementita y ledeburita. Al alcanzar el punto 20, la ledeburitapasa a ledeburita transformada, mientras que en el punto 21 hay cementita y ledeburita transformada.

Aleación VI (5.43%C). En el punto 22 comienza la solidificación de cementita. No se forma austenita por sermuy alto el porcentaje de carbono. En el punto 23 termina la solidificación, y el líquido que hay se transforma enledeburita; los constituyentes del sólido son cementita y ledeburita. A medida que desciende la temperatura seproduce la separación de cementita. En el punto 24, la ledeburita se convierte en ledeburita transformada, y en elpunto 25 hay cementita y ledeburita transformada.


2UNIDAD

EjemploEjemplo

3.Para el punto d indicado en el diagrama de Fe−C, indicael porcentaje de austenita y ferrita y la concentraciónde carbono en la austenita.Determinamos el valor de los segmentos en el puntod:

d dd ddd

α γ

α

γ

= − == − == − =

0 54 0 015 0 5250 35 0 015 0 3350 54 0 35 0 1

. . .. . .. . . 99

100 0 190 525

100 36

Cantidad de ferrita ( ):α

αγ

α γ

Mddd d

= ⋅ = ⋅ =..

.22

100 0 3350 525

100

%

.

.

Cantidad de austenita ( ):γ

γα

α γ

M d dd d

= ⋅ = ⋅ == 63 8. % (0.54% C)

53


5. Representa en un diagrama de equilibrio de dos metales A-B, solubles en estado líquido y sólido, la evolución deuna aleación en el proceso de solidificación.

6. En el diagrama de la pregunta anterior, para un punto p que se encuentra en la zona donde conviven sólido y líquido,indica cómo se determinan las concentraciones de sólido y líquido y el porcentaje de A y B en cada fase.

7. Representa de forma aproximada un diagrama de equilibrio de dos metales solubles en estado líquido y sólido enel que el componente B tenga una temperatura de solidificación mayor que A.

8. Representa un diagrama de equilibrio de una aleación de dos metales A-B totalmente solubles en estado líquidoe insolubles en estado sólido e indica:a) El punto eutéctico y su significado. b) Evolución de una aleación con una proporción de B mayor que la eutéctica.

9. En el diagrama del ejercicio anterior, indica laevolución de una aleación con una proporciónde A mayor que la eutéctica.

10. En el diagrama de equilibrio con transformacionesen estado sólido, que volvemos a mostrarte,representa una aleación con 75% de A y 25% deB e indica su evolución durante el enfriamiento hastala temperatura ambiente.

11. En el diagrama Fe-C, del Ejemplo 3, para el puntog representado, indica:a) Los constituyentes en dicho punto. b) Porcentaje relativo de cada uno de los

constituyentes. c) Porcentaje de hierro y carbono en cada

constituyente.12. En el mismo diagrama Fe-C, del Ejemplo 3, para el punto e que se encuentra a una temperatura de 726ºC, indica:

a) Los constituyentes en dicho punto. b Porcentaje relativo de cada uno de los constituyentes.

13. En el diagrama de equilibrio Fe-C con la representación gráfica de aleaciones, anteriormente visto (página 51),determina:a) Temperatura de solidificación del hierro puro y de la ledeburita.b) Porcentaje de ferrita y cementita que componen el eutectoide (perlita) y la temperatura a que se forma.


ü En los diagramas de equilibrio de fases se representa la evolución de una aleación con la temperatura, desde elestado líquido hasta la temperatura ambiente, para las distintas concentraciones de los metales que forman dichaaleación.

ü Una aleación eutéctica es aquella que tiene una concentración tal que la solidificación se produce a temperaturaconstante. Es la que solidifica a menor temperatura.

ü El punto en el que se producen transformaciones en estado sólido a temperatura constante debido a las propiedadesalotrópicas de los metales recibe el nombre de punto eutectoide.

ü En las aleaciones Fe-C, en función de la concentración de los componentes y la temperatura, aparecen distintosagrupamientos cristalinos llamados constituyentes. Los más comunes son: ferrita (Feα), austenita (Feγ), cementita(Fe3C), perlita (Feα + Fe3C) y martensita (solución sólida sobresaturada de carbono en Feα).

54

3. Tratamientos térmicos y superficiales

3.1. Tratamientos térmicosLos tratamientos térmicos, aprovechando las propiedades alotrópicas de los metales, modifican la estructura

cristalina para mejorar las propiedades mecánicas, utilizando como únicas variables la temperatura y el tiempo.En la gráfica que se muestra a continuación se indican las temperaturas críticas de calentamiento de los acerosque se toman como referencia para los tratamientos térmicos.

Resumen de los tratamientos térmicos y algunas de sus características.

● Recocido. Hay distintos tipos de recocido según el finconcreto que se pretenda (regeneración, contra acritud,homogeneización, etc.), pero en general, con estetratamiento se pretende regenerar el material que sufrióalteraciones en los procesos de fabricación porconformación a los que fue sometido, eliminandotensiones y mejorando su plasticidad para podertrabajarlo mejor. La temperatura de calentamiento delrecocido varía según el tipo de recocido que preten-damos realizar.

● Normalizado. Es un tratamiento similar al recocido deregeneración. La temperatura de calentamiento essuperior a la crítica A3 en 40−50ºC y el enfriamiento,aunque se realiza al aire, es más rápido que en elrecocido. El tratamiento de normalizado se realiza enaceros hipoeutectoides (C<0.77%). Es un tratamientoque se emplea como previo al temple. El objetivo es homogeneizar (normalizar) la estructura del materialdespués de la forja, laminación o fusión, para afinar el material y eliminar tensiones internas.

● Temple. Es el más importante de los tratamientos térmicos. Tiene por objeto aumentar la resistencia ydureza del material. Se realiza principalmente sobre aceros, pero se puede emplear también en otrasaleaciones. El temple en los aceros se realiza con un calentamiento a una temperatura de 50ºC superior ala crítica, A3 o A1−3, dependiendo de la composición del acero, seguido de un enfriamiento rápido. Al enfriarrápidamente, conseguimos que la austenita se transforme en martensita, el constituyente más duro de losaceros después de la cementita.

● Revenido. Es un tratamiento que se realiza con posterioridad al temple, para disminuir las tensionesinternas y la fragilidad. Tiene como consecuencia negativa una ligera disminución de la dureza. El acerose calienta a temperaturas inferiores a A1 con un enfriamiento rápido, para lograr una estructura másestable que la producida en el temple.


2UNIDAD

● Diagrama de temperaturas críticas de transformación de los aceros.Extracto del diagrama de Fe-C. (A.L.)

55

TEMPERATURAS Y MEDIOS DE ENFRIAMIENTO

PARA LOS TRATAMIENTOS TÉRMICOS DE ALGUNOS ACEROS

ACERO %C

TRATAMIENTO TÉRMICO

Normalizado Recocido Temple Revenido

Temp. ºC Enfr. Temp. ºC Enfr. Temp. ºC Enfr. Temp. ºC Enfr.

GRUPO F-1100 ACEROS AL CARBONO

F-1120 0,25 900 aire 875 aire 860 agua

F-1130 0,35 890 aire 860 horno 650 aire

F-1140 0,45 870 aire 845 horno 835 agua 650 aire

F-1150 0,55 860 aire 830 horno 805 agua 650 aire

GRUPO F 1200 ACEROS ALEADOS DE GRAN RESISTENCIA

F-1210 0,30 890 aire 875 horno 830 aceite 650 aire



GRUPO F-5100 ACEROS AL CARBONO PARA HERRAMIENTAS

F-5110 0,55 740 horno 825 agua 275 aire

F-5120 0,65 740 horno 810 agua 275 aire

F-5130 0,75 730 horno 800 agua 275 aire

GRUPO F-5200 ACEROS ALEADOS PARA HERRAMIENTAS

F-5210 1,80 875 horno 975 aceite 300 aire

F-5220 0,95 820 horno 800 aceite 200 aire

GRUPO F-5500 ACEROS RÁPIDOS

F-5510 0,67 875 horno 1225 ac-ag 540 aire

F-5520 0,72 875 horno 1275 ac-ag 560 aire

Tabla de temperaturas y medios de enfriamiento para los tratamientos térmicos de determinados aceros

56


2UNIDAD

3.2. Tratamientos termoquímicosEn los tratamientos termoquímicos, además de someter el material a un proceso térmico, se varía la composición

química superficial para aumentar la dureza. Estos tratamientos dejan intacto el interior de las piezas, con lo quese mantienen sus características de tenacidad. Los principales tratamientos termoquímicos son: cementación,nitruración, cianuración y sulfinización.

● Cementación. Consiste en aumentar la cantidad de carbono en la capa exterior de una pieza de acero yposteriormente templarla. Con esto conseguimos aumentar su dureza superficial. Se aplica a piezas conbajo contenido en carbono.

● Nitruración. En la nitruración aumentamos la cantidad de nitrógeno de aceros y fundiciones en su capasuperficial. Después de la nitruración no es necesario ningún tratamiento. Con este procedimiento conseguimosdurezas muy elevadas, del orden de 1200 en la escala Brinell. Los aceros nitrurados son muy duros yresistentes a la corrosión

● Cianuración. Consiste en enriquecer de nitrógeno y carbono la capa superficial de la pieza. Es una mezclaentre cementación y nitruración. Se realiza en aceros de medio y bajo contenido en carbono. Después dela cianuración es necesario templar la pieza.

● Sulfinización. En este tratamiento introducimos azufre, nitrógeno y carbono en la capa superficial de lapieza, que puede ser de acero o cobre. Con este tratamiento conseguimos mejorar la resistencia al desgastey disminuir el coeficiente de rozamiento por la acción lubricante del azufre.

57


14. ¿Cuál es el objeto del tratamiento de temple? ¿Qué inconvenientes puede presentar el temple?

15. ¿Cuál es el objetivo del tratamiento de normalizado?

16. Si queremos realizar un temple muy enérgico, ¿qué medio de enfriamiento emplearemos? ¿Por qué?

17. Indica las condiciones del temple y revenido de los siguientes aceros:

a) F-1150.

b) F-1240.

c) F-5110.

18. ¿Cuál es la diferencia entre los tratamientos térmicos y termoquímicos?

19. ¿En qué consiste el tratamiento de cementación?

20. Indica tres piezas reales que, según tu criterio, necesiten tratamientos termoquímicos. Justifica la respuesta.


ü Los tratamientos térmicos modifican las propiedades mecánicas de los metales sometiéndolos a variaciones detemperatura.

ü Los tratamientos termoquímicos modifican la composición química superficial de las piezas para aumentar sudureza.

unidad 2 equilibrio

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