Materiales para IngenieríaActividad 3

Actividad 3• Fractura en los metales• Grado de deformación y recristalización• Estructura de las aleaciones• Diagramas de estado y de fases• Regla de las fases y de los segmentos• Construcción de diagramas en equilibrio y desequilibrio• Diagramas de fases de varios componentes• Propiedades mecánicas y diagramas de estado

Análisis de propagación de la grieta• Presupone la existencia de un defecto superficial• Con el aumento de la fuerza se produce una

concentración de tensiones mayores que en el resto del elemento de máquina en el borde del defecto

• La forma del defecto influye• Al llegar a la tensión de fluencia, se deforma el borde del

defecto redondeándose disminuyendo la concentración de tensiones y por la acritud aumenta la resistencia de la zona.

• Rapidez de la aplicación de la fuerza• Mientras menor sea la ductilidad, menor posibilidad de fluir.• Los materiales con mayor resistencia a la propagación de la

grieta.

Tipo de fractura • Frágil• Dúctil• Mixta• Material• Temperatura• Rapidez de aplicación de la carga• Estructura del material

Umbral de fragilidad en frio• Intervalo de temperatura que cambia el tipo de rotura.• La disminución del Tamaño de grano hace que descienda el

umbral• Estructura del material• Composición química, Impurezas• La velocidad de deformación eleva el umbral• Los concentradores de tensión no influyen en el umbral

Fatiga• Variación de la magnitud y/o sentido de la carga sobre un

elemento mecánico• Produce rotura con cargas inferiores a las de la resistencia del

material• Posee tres etapas formación de la grieta, propagación y rotura• El límite de fatiga es la tensión por debajo de la cual no se

produce la fatiga independientemente del número de ciclos• La existencia de esfuerzos por compresión en la superficie

dificultan la fatiga• Los concentradores de tensión disminuyen el tiempo de vida

por fatiga

Recristalización y grado de deformación

• La deformación plástica lleva al metal a un estado inestable• Lleva a procesos espontáneos de eliminación de defectos en la

red cristalina• La temperatura del orden de 200 grados elimina tensiones• La temperatura entre 300 y 400 elimina además defectos de la

red cristalina (Restauración) (disminuyen la resistencia y aumenta la ductilidad un poco)

• Por encima de los 400 grados comienza la formación de nuevos granos ( recristalización)

• Las temperatura de recristalización depende del material

Recristalización• La temperatura de recristalización depende de la temperatura de fusión

del metal y de la pureza de este y fluctúa entre 0,1 a 0,8 la temperatura de fusión

• La temperatura de recristalización depende del grado de deformación que la precedió

• La temperatura de recristalización define si el proceso tecnológico es en frio o en caliente, a partir de si hay recristalización o no y con ello acritud.

• El proceso de recristalización se divide en dos etapas primaria y secundaria

• La primaria es cuando comienza con la formación de granos nuevos pequeños con orientación diversa, con la recuperación de propiedades

• La segunda en el acero por encima de 550, ocurre con un crecimiento de los granos fusionándose unos con otros.

• El crecimiento del grano después de la recristalización depende del grado de deformación plástica antes de deformarlo

Aleaciones metálicas• Sustancia obtenida por la fusión de dos o más elementos• Sus componentes principales son metálicos y sus propiedades son de un

metal.• Las aleaciones están compuestas de al menos dos componentes y de

acuerdo a la solubilidad del soluto en el solvente se clasifican en:• Soluciones sólidas• Mezclas Mecánicas• Compuestos electrónicos• Fases de laves• Fases de inserción

Mezclas Mecánicas• Ambos componentes son insolubles en estado sólido• No reaccionan químicamente formando compuestos• La microestructura estará compuesta por dos redes cristalinas

distintas de a y b respectivamente, distinguibles.• Cada una de estas redes serán idénticas a la de los metales

puros de ambos componentes• Las propiedades mecánicas dependerá de la relación

cuantitativa de un componente con respecto al otro.

Combinación Química• Se forma con dos elementos afines químicamente• La relación entre el número de átomos de cada elemento

concuerda con la proporción estequiométrica designándose AnBm

• Se forma una red cristalina distinta de los elementos que la conforman.

• Posee una temperatura de fusión determinada.• Varia a saltos sus propiedades cuando varía su composición

química• La microestructura es similar a la de una sustancia pura

Solución sólida basada en uno de los componentes• Existe solubilidad total o parcial de uno de los componentes en el otro.• Está constituida por un solo tipo de red cristalina• La microestructura también está compuesta por un solo tipo de grano o red

cristalina• Existe en un intervalo de concentraciones• En la red cristalina del disolvente entran los átomos del componente

disuelto• Existen dos tipos • Por sustitución• Por inserción

• Se conserva la red cristalina del disolvente• En el caso de inserción los parámetros de la red varían• Con solubilidad total, por sustitución es cuando ambos poseen la misma red

cristalina• Para la solubilidad total no debe existir mucha diferencia entre los radios

atómicos

Solución sólida basada en un compuesto químico• Se conserva la red del elemento químico• La cantidad excedente se disuelve en la red cristalina del

compuesto químico• La relación estequiométrica se altera

Soluciones sólidas ordenadas• Los átomos del elemento soluto están distribuidos

ordenadamente• En la solución sólida de oro en cobre que poseen igual red

cristalina y solubilidad total en determinadas condiciones de enfriamiento lento el cobre se sitúa en el centro de las caras y el oro en los vértices

• Puede ser total o parcial• Es un proceso de difusión• Son intermedias entre compuestos químicos y soluciones

sólidas

Diagrama de estado• Diagrama de fases• Diagrama de equilibrio• Realmente enfriamiento lento cercano al equilibrio• Diagramas reales

Fase (f)• Parte homogénea de un sistema separada de las demás partes por una

superficie de separación que al pasar por ella cambian bruscamente la composición química, propiedades y redes cristalina, Ejemplos:• Líquido --------------------una fase• Mezcla mecánica ------dos fases

Componentes (k)• Sustancias que componen el sistema, ejemplo:• Metal puro ---------------------------un componente• Una aleación de dos metales ----dos componentes

• Los compuestos químicos podrán considerarse como un componente cuando no se disocian en sus dos elementos en el intervalo de temperatura que se analiza.

Número de grados de libertad (c)• Varianza de un sistema• Número de factores internos y externos que pueden variarse

sin que varíe el número de fases del sistema (temperatura, presión o concentración)

• Grado de libertad igual a Cero implica que si varia uno de esos factores varía el número de fases (sistema invariante)

• Grado de libertad igual a 1 significa que puede cambiarse uno de ellos en ciertos límites sin que cambie el número de fases (sistema monovariante)

Regla de las fases• Relación matemática que expresa las condiciones de equilibrio

de un sistema• Se expresa como : • Es solo justa en un sistema en equilibrio

Construcción de diagramas de estado• Representa la variación del estado o fases de una aleación en

dependencia de la temperatura y la composición• La presión en los metales se considera constante• Si el sistema es de un solo componente tendrá solamente una

dimensión, la temperatura y los puntos sobre ella indicaran los cambios de fase

• Si es binario la segunda dimensión indica la composición, es decir un diagrama de temperatura vs composición de la aleación

• Las coordenadas extremas del diagrama corresponden a los elementos puros

• A partir de tres componentes los diagramas adquieren formas espaciales

Construcción energética de los diagramas• La existencia de una fase u otra está determinado por su

potencial termodinámico• Método teórico• La exactitud es menor que con métodos experimentales

Construcción experimental de los diagramas• Se construyen a partir de las curvas de enfriamiento en

condiciones cercanas a las de equilibrio, midiendo la temperatura desde antes de comenzar la solidificación

• Los cambios de fase con más de dos fases se reflejan como una línea recta

• El comienzo de la solidificación o aparición de una fase se refleja con el cambio de inflexión de la curva

• Para la construcción el diagrama se plotean en el gráfico los puntos de las curvas de enfriamiento

• Se unen los puntos en la forma lógica de la formación de las fases

• Con el diagrama se determina la posibilidad de aplicar tratamiento térmico, características de las diferentes aleaciones

Diagrama de aleaciones totalmente insolubles en solido• Aleaciones que forman mezclas mecánicas de sus

componentes puros• En realidad no existen aleaciones que sean totalmente

insolubles en sólido• La aleación en la que desde que comienza la solidificación

aparecen las dos fases simultáneamente se le llama eutéctica.• Las aleaciones a la izquierda de esta se le denomina

hipoeutéctica y las de la derecha hipereutéctica

Regla de los segmentos o de la palanca

• Mecanismo para determinar la cantidad de fases y sus composiciones químicas en un punto del diagrama de fases donde existan 2 fases

• Postulado 1 : Para determinar la concentración de los componentes en las fases, en el punto dado que caracteriza el estado de la aleación, se hace pasar una recta horizontal hasta su intersección con las líneas que limitan la región dada, la proyección de los puntos de intercepción sobre el eje de las concentraciones, dan la composición de las fases.

• Postulado 2 : Para determinar la relación cuantitativa entre las fases, por el punto dado se hace pasar una recta horizontal hasta su intercepción con las líneas que limitan la región dada, los segmentos de esta recta comprendidos entre el punto dado y los puntos que determinan las composiciones de las fases, son inversamente proporcionales a las cantidades de estas fases

Diagramas de estado con solubilidad total en estado sólido

• Ambos componentes son solubles en estado sólido y no forman compuestos químicos

• El tipo de red cristalina es una sola y pertenece al elemento disolvente

• La microestructura es una sola fase homogénea

Diagramas de estado con solubilidad parcial en estado sólido

• Ambos componentes son solubles completamente en estado líquido, parcialmente en estado sólido y no forman compuestos químicos

• Se encontrará las soluciones sólidas de cada componente en el otro en estado sólido

• Pueden existir diagramas con eutéctica y diagramas con peritéctica

• En la eutéctica y peritectica coexisten 3 fases en el momento de la soldificación

• En la peritectica ocurre el paso en estado de transformación de la fase sólida formada a la otra fase

Diagramas de estado de aleaciones que forman compuestos químicos estables

• La estabilidad del compuesto químico es con respecto a la temperatura que hasta la fusión no se descomponga

• La aleación correspondiente al compuesto químico divide al diagrama en dos diagrama si se le considera como elemento puro

• Pueden formar soluciones sólidas

Diagramas con aleaciones que forman compuestos químicos inestables• Al llegar a determinada temperatura se descompone en

líquido y uno de los componentes• Son parecidas a la peritéctica con la diferencia en que una de

las fases es el compuesto químico

Diagramas de estado de aleaciones que presentan transformaciones polimórficas

• Durante el enfriamiento en estado sólido existen transformaciones de fase

• Al menos uno de los componentes posee polimorfismo

Cristalización de las aleaciones en condiciones de desequilibrio• Cuando las velocidades de enfriamiento no son lentas y se

corresponden con las velocidades reales• El sobrecalentamiento o subenfriamiento es tanto mayor

mientras mayor sea la velocidad de calentamiento o enfriamiento

• En los sistemas reales las transformaciones ocurren en un intervalo de temperatura

Diagramas de más de dos componentes• Diagramas ternarios• Cortes de temperatura• Métodos simplificados para analizar sistemas de varios

componentes

Relación entre los diagramas de estado y las propiedades mecánicas• En las mezclas mecánicas las propiedades varían de forma

lineal• En las soluciones sólidas se incrementan las propiedades

mecánicas hacia el centro del diagrama de forma curvilínea• En las soluciones sólidas parciales es una combinación entre

ambos diagramas• En los compuestos químicos las propiedades son máximas o

mínimas en el compuesto químico