4 Diagramas de Fases TTT
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Estructura de las Aleaciones
Soluciones Sólidas
Compuestos Intermetálicos
TECNOLOGÍAS DE MATERIALES
Dr. Manuel Martínez Martínez
Material de apoyo
Soluciones Sólidas
Una solución sólida es una aleación en la cual un elemento está disuelto en otro para formar una estructura de fase única.
Una fase se define físicamente como una porción homogénea distinta en un material: cada fase tiene sus propias características y propiedades.
Soluto (o elemento disuelto) es el elemento menor que se agrega al solvente ( como sal o azúcar), el cual es elemento base o elemento mayor (como el agua).
Material de apoyo
Soluciones Sólidas
Solución sólida substitucional
Los átomos del elemento solvente son remplazados
por átomos del elemento soluto.
Ejm. El zinc se disuelve en el cobre para formar latón.
Reglas de substitución:
1.- radio atómico similar (15%)
2.- celdas cristalinas iguales
3.- si diferente valencia, el menor es el solvente
4.- si alta afinidad, entonces es un compuesto, no
aleación
Si tales reglas no se satisfacen no se obtendrá una solución sólida completa
Material de apoyo
Soluciones Sólidas
Solución sólida intersticial
Los átomos del elemento soluto o disuelto se introducen en los espacios vacantes interatómicos de la estructura del material base
Ejm. El carbono disuelto en hierro forma acero
Condiciones:
1.- los átomos del soluto son más pequeños que
los del solvente. Al menos 59% del radio
atómico del solvente
2.- el átomo del solvente debe tener más de una
valencia
Material de apoyo
Compuestos Intermetálicos
Son estructuras complejas que consisten de dos metales (compuestos intermetálicos) o también de un metal y un no metal (compuestos metálicos).
Esto sucede cuando se exceden los límites de solubilidad del soluto en el solvente. Entonces, se forma lo que denominamos una segunda fase o fase intermedia. Esta fase intermedia se localiza entre dos metales puros (si es de 2) y su estructura cristalina es distinta a tales metales
Material de apoyo
Diagrama de fases
Definición:
Es un diagrama de equilibrio o constitucional que
muestra las relaciones entre cantidades de temperatura,
de composición y de fases presentes en una aleación
particular bajo condiciones de equilibrio (el estado del
sistema permanece constante en un período de tiempo
indefinido).
Un diagrama de fase binario es un sistema de aleación
constituido por dos elementos a presiones atmosféricas.
Material de apoyo
Actividad Colaborativa
Resolver :
Para el diagrama de fase Cu-Ni estimar para las
siguientes cantidades de la aleación, 20% Cu – 80% Ni:
a) La temperatura de liquido
b) El porcentaje de níquel en el líquido a 1400oC
c) La razón de sólido a líquido a 1400oC
Material de apoyo
- a estaño en plomo, b plomo en estaño
- Temperaturas de fusión de materiales puros
- Temperatura de fusión de la aleación
- Composición eutéctica
- Regla de la palanca inversa
Material de apoyo
Diagrama de Fase Hierro-carbono:
Características
Temperatura de fusión del hierro puro (1538oC)
Alfa = ferrita (suave y dúctil)
Gama = austenita
Delta
Cementita (dura y frágil)
Hierro electrolítico 99%; en investigación y aplicaciones alto grado de pureza.
Hierro de lingote impurezas de = 0.1% en apl. alta ductilidad resist a la corrosión.
Hierro dulce 3% escoria, operaciones de formado en caliente: Forjado.
Límites de solubilidad:
Carbono en ferrita 0.022% @ 723oC
Carbono en austenita 2.11% @ 1130oC
Acero de 0.022% a 2.11% de carbono de 2.11% a 4 ó 5% es hierro fundido
Composición eutéctica en 4.3% de carbono @ 1148oC
Composición eutectoide en 0.77% de carbono @ 727oC
Debajo de 0.77% aceros hipoeutectoides, de 0.77% a 2.11% aceros hipereutectoides
Material de apoyo
Carbon (%) c(nm) a(nm)
0 0.286 0.286
0.20 0.288 0.2858
0.40 0.291 0.2856
Fe Ferrite Fe
atoms
C
atom
Austine
Fe
C
Fe atom C
atom
a
c
Martensite
(a) (b)
(c)
(d)
Material de apoyo
500
400
600
700
800
900
1000
1100
2000
1500
1000
0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5
Te
mp
era
ture
(°C
)
°F
+ Fe3C
a+
a
+ Fe3C
Fe3C
Ferrite
a
727 °C
Carbón (% by weight)
Microestructuras al equilibrio (muy baja velocidad de
enfriamiento), ejemplo: Perlita
Pearlite
Material de apoyo
500
400
600
700
800
900
1000
1100
2000
1500
1000
0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5
Te
mp
era
ture
(°C
)
°F
+ Fe3C
a+
a
+ Fe3C
Fe3C
Ferrite
a
727 °C
Carbón (% by weight)
Microestructuras al equilibrio (muy baja velocidad de
enfriamiento), ejemplo: Perlita
Pearlite
Material de apoyo
Microestructuras al equilibrio, ejemplo:
a
a + Fe3C
Fe3C
+Fe3C a +
Hyper
Hypo
800
600
1000
400
200
Fe 0.4 0.8 1.2 6.67
Weight percent carbon Pearlite Pearlite
Fe3C
Tem
pera
ture
a
Fe3C
Ferrita (a)
Fe3C
Material de apoyo
Microestructuras al equilibrio, ejemplo:
a
a + Fe3C
Fe3C
+Fe3C a +
Hyper
Hypo
800
600
1000
400
200
Fe 0.4 0.8 1.2 6.67
Weight percent carbon Pearlite Pearlite
Fe3C
Tem
pera
ture
a
Fe3C
Ferrita (a)
Fe3C
Material de apoyo
Microestructuras al equilibrio, ejemplo:
a
a + Fe3C
Fe3C
+Fe3C a +
Hyper
Hypo
800
600
1000
400
200
Fe 0.4 0.8 1.2 6.67
Weight percent carbon Pearlite Pearlite
Fe3C
Tem
pera
ture
a
Fe3C
Ferrita (a)
Fe3C
Material de apoyo
Hierro fundido, tipos y metalografías.
Fierro Gris con
hojuelas (negro)
embebidas en una
matriz ferrítica (a)
Fierro (dúctil)
Nodular con
nódulos de grafito
(negro) rodeado
por una matriz
ferrítica (a)
Fierro Blanco, con
cementita (regiones
claras) rodeadas
por perlita (laminas
de ferrita y
cementita)
Fierro Maleable,
con rosetas de
grafito
compuestas por
carbón revenido
(región obscura)
en un a matriz
ferrítica (a)
Material de apoyo
Hierro fundido, propiedades.
Tensile Strength
(psi)
Yield Strength
(psi)
%E
Notes
Gray irons:
Class 20 12,000 - 40,000 - -
Class 40 28,000 - 54,000 - -
Class 60 44,000 - 66,000 - -
Malleable irons:
32510 50,000 32,000 10 Ferritic
35018 53,000 35,000 18 Ferritic
50005 70,000 50,000 5 Pearlitic
70003 85,000 70,000 3 Pearlitic
90001 105,000 90,000 1 Pearlitic Ductile irons:
60 - 40 - 18 60,000 40,000 18 Annealed
65 - 45 - 12 65,000 45,000 12 As-cast ferritic
80 - 55 - 06 80,000 55,000 6 As-cast pearlitic
100 - 70 - 03 100,000 70,000 3 Normalized
120 - 90 - 02 120,000 90,000 2 Quenched and tempered
Compacted graphite irons:
Low strength 40,000 28,000 5 90% Ferretic
High strength 65,000 55,000 1 80% Pearlitic
Material de apoyo
Tratamientos Térmicos del acero
TECNOLOGÍAS DE MATERIALES
Dr. Manuel Martínez Martínez
Material de apoyo
800
700
600
500
400
300
200
100
10-1 10 102 103 104 105
M (90%)
M(50%)
M (start)
M + A 50%
A
+
B
P
B
A
A
A
Eutectoid temperature
A + P
400
200
600
800
1000
1200
1400
1
0
Time (s)
Tem
pera
ture
(°C
)
Tem
pera
ture
(°F
)
Aleación Hierro-carbón eutectoide
Diagrama de Transformación Isotérmica
El diagrama muestra
diferentes zonas de
transformación que son
posibles obtener según el tipo
de enfriamiento empleado,
donde:
A = Austenita
P = Perlita
B = Bainita
M = Martensita
Material de apoyo
Transformación Isotérmica
El Diagrama de Transformación Isotérmica de los aceros se construye a partir de
pruebas con un acero específico a diferentes temperaturas. El procedimiento es el
siguiente:
1- Se eleva la temperatura del material superior a su línea austenítica.
2- Se disminuye rápidamente su temperatura hasta un nivel deseado de estudio.
3- Se registran los tiempos en donde inicie y termine la transformación.
4- Se repite el procedimiento a otra temperatura para crear punto a punto las curvas.
Austenite pearlite
transformation
Denote that a transformation
is occuring
1 10 102
500
600
700
1s 1min
103 104 105
1h 1day
1400
1200
800
1000
Fine pearlite
Austenite (stable) Eutectoid
temperature
Coarse pearlite
D
C
727°C
a Ferrite
Fe3C
Time (s)
Material de apoyo
800
700
600
500
400
300
200
100
10-1 10 102 103 104 105
M (90%)
M(50%)
M (start)
Slow cooling
curve
(full anneal)
Eutectoid temperature
400
200
600
800
1000
1200
1400
1
0
Time (s)
Tem
pera
ture
(°C
)
Tem
pera
ture
(°F
)
Coarse
pearlite
Fine
pearlite
Moderately
rapid cooling curve
(normalizing)
Denotes a
transformation
during cooling
Diagrama de Transformación por enfriamiento continuo
Aleación Hierro-
carbón eutectoide
Los Diagramas de Transformación
por Enfriamiento Continuo, son
requeridos cuando se emplean
tratamientos con perfiles de
enfriamiento que tienen una razón
constante en ºC/seg.
En la gráfica se muestran 2
tratamientos térmicos con diferentes
razones de cambio (ºC/seg). El que
corresponde a Perlita fina se logra a
una mayor razón de cambio que el
correspondiente a Perlita Gruesa.
Material de apoyo
800
700
600
500
400
300
200
100
10-1 10 102 103 104 105
M (90%)
M(50%)
M (start)
M + A 50%
A
+
B
P
B
A
A
A
Eutectoid temperature
A + P
400
200
600
800
1000
1200
1400
1
0
Time (s)
Tem
pera
ture
(°C
)
Tem
pera
ture
(°F
)
(c)
50% Pearlite
50% Bainite
(b)
100%
Martensite
(a)
100%
Bainite
(c)
(c)
(a)
(b)
Aleación Hierro-carbón eutectoide
con Tratamientos Térmicos
En la figura se muestran 3 tratamientos:
1- Tratamiento con 100% Martensita: que
se logra enfriando el material con un
templado y sin pasar por las zonas de
perlita y bainita.
2- Tratamiento con 50% de Perlita y 50%
Bainita: que se logra con un enfriamiento
hasta aproximadamente 640ºC, se
mantiene la temperatura por un periodo
de tiempo (aprox. 90 seg.), enseguida se
enfría hasta 400ºC y se mantiene por
espacio de 1000 segundos y finalmente
se enfría.
3- Tratamiento con 100% Bainita: que se
obtiene al librar la zona perlítica
enfriando hasta 350ºC y manteniendo
aprox. 10000 seg. para asegurar que
todo se transforme en bainita.
Templado (quenching)
Material de apoyo
Aleación Hierro-carbón eutectoide
800
700
600
500
400
300
200
100
10-1 10 102 103 104 105
M (90%)
M(50%)
M (start)
M + A 50%
A
+
B
P
B
A
A
A
Eutectoid temperature
A + P
400
200
600
800
1000
1200
1400
1
0
Time (s)
Tem
pera
ture
(°C
)
Tem
pera
ture
(°F
)
1 2 3 4
1.- Temple en un solo medio de
enfriamiento. (en agua para acero
al carbono y en aceite para acero
aleado.
2.- Temple interrumpido. Para evitar
tensiones internas. En agua y
después en aceite o aire.
3.- Temple por etapas. En baño de
sales, se mantiene y luego al aire.
4.- Temple isotérmico. Bastante
plasticidad. En baño de sales hasta
que transforme toda la austenita.
Templado
Material de apoyo
Medios de enfriamiento
1. Salmuera (agua salada) generalmente agitada.
2. Agua fresca en reposo.
3. Aceite en reposo.
4. Aire.
La salmuera suministra el enfriamiento más rápido, y el aire el
más lento.
Mientras más efectivo sea el medio, mayor probabilidad de
esfuerzos internos, distorsión y grietas en el producto.
Material de apoyo
240
200
160
320
120
0
80
1.0 0.8 0.6 0.4 0.2
280
0 3 6 9 12 15
35
30
25
20 100
90
80
70
60
Spheroidite
Coarse Pearlite
Fine Pearlite
HRB
HRC
Composition (wt%C)
Percent Fe3C
Microestructuras y propiedades obtenibles
Material de apoyo
70
60
50
90
40
0
30
1.0 0.8 0.6 0.4
80
0 3 6 9 12 15
Spheroidite
Coarse Pearlite
Fine Pearlite
Composition (wt%C)
Percent Fe3C
20
10
0.2
Microestructuras y propiedades obtenibles
Material de apoyo
700
600
500
3
400
0
300
65
200
100
Rockw
ell
hard
ness H
RC
1.0 0.8 0.6 0.4 0.2
Composition (wt%C)
60
30
50
4
0
20
Percent Fe3C
0 12 9 6 15
Martensite
Fine Perlite
Microestructuras y propiedades obtenibles
Material de apoyo
800
700
600
500
400
300
200
100
10-1 10 102 103 104 105
M (90%)
M(50%)
M (start)
M + A 50%
A
+
B
P
B
A
A
A
Eutectoid temperature
A + P
400
200
600
800
1000
1200
1400
1
0
Time (s)
Tem
pera
ture
(°C
)
Tem
pera
ture
(°F
)
Revenido (tempering)
T.T. para los aceros. Para reducir
su fragilidad e incrementar su
ductilidad y tenacidad. Para
aliviar los esfuerzos residuales en
la estructura martensítica.
Ligera disminución en resistencia
y dureza. Mejora en ductilidad y
tenacidad.
La nueva estructura se llama:
Martensita revenida.
Martensita es dura y frágil !!!
Material de apoyo
280
300
260
240
220
200
180
160
140
120
100
200
400 600 800 1200 1000
500 400 600
1800
1600
1400
1200
1000
800
Tempering Temperature (°C)
Tempering Temperature (°F)
30
60
50
40
Yield strength
Tensile strength
Area reduction
10
3P
si
Acero aleado
templado en aceite
(4340)
Revenido
Material de apoyo
Aceros Hipoeutectiodes Aceros Hipereutectiodes
Recocido (annealing) y Normalizado
Recocido = recalentamiento y enfriamiento en horno
Recocido total : para producir perlita gruesa
Proceso de Recocido : para permitir trabajos posteriores
Recocido : como TT final, no va a someterse a otro proceso posterior
Recuperación por recocido : retorno parcial de la estructura original
Recocido para alivio de esfuerzos : reduce distorsión y variación dimensional
Recristalización : recocido con recuperación total (en el tiempo).
Normalizado : parecido pero enfriamiento más rápido que el recocido, se
obtiene perlita fina. Para mejorar su maquinabilidad.
Material de apoyo
1800
1200
1300
1400
1500
1600
1700
1000
900
800
700
600
0.2 0.4 0.6 0.8 1.4 1.2 1.0 0 1.6
Composition (wt %C)
Normalizing
Spheroidizing A1
A3
Acm
Full annealing
Rangos de Temperatura para aceros