4 Diagramas de Fases TTT

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

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

Material de apoyo

Diagrama de Fase Hierro-carbono

Material de apoyo

Material de apoyo

Diagrama de Fase Hierro-carbono

Material de apoyo

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

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

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)


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


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)


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


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


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


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


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


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

Material de apoyo

Material de apoyo

Age-hardening

Material de apoyo

Material de apoyo

Age-hardening

4 Diagramas de Fases TTT

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