DISOLUCIONES S

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(No Transcript)
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DISOLUCIONES SÓLIDAS. ALEACIONES
Constitución de las aleaciones.

• Los metales puros tienen poca utilidad en la
  industria por no cumplir una serie de
  especificaciones técnicas. Para conseguirlas se
  mezclan con otros metales o no metales, formando
  aleaciones.
• Aleación es todo producto que resulta de la unión
  de dos o más elementos químicos, uno de los
  cuales tiene carácter metálico.
• Deben de cumplir las siguientes condiciones
• Que los elementos sean totalmente miscibles en
  estado líquido, de forma que al solidificarse
  forme un producto homogéneo.
• Que el producto resultante tenga carácter
  metálico.

Disolvente y soluto
Disolvente es el componente que entra en mayor
proporción, y soluto el que lo hace en menor
proporción. Cuando los elementos solubles no
poseen la misma red cristalina, se considera
disolvente al elemento que conserva la red. mS
masa de soluto La concentración porcentual
será mD masa de disolvente
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Tipos de disoluciones sólidas. Deformaciones en
la red cristalina

• Solución por sustitución Los átomos de
  disolvente y soluto tienen estructura cristalina
  similar y ambos forman parte del edificio
  cristalino al reemplazase átomos de disolvente
  por átomos de soluto.
• Solución por inserción Se presenta cuando los
  átomos de soluto son muy pequeños comparados con
  los átomos del disolvente, y se colocan en el
  interior, en los intersticios, de la red
  cristalina del disolvente.

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CRISTALIZACIÓN DE LOS METALES PUROS Y DE LAS
ALEACIONES
Solidificación
La cristalización tiene lugar mediante un proceso
de solidificación. En los metales puros ésta se
hace a temperatura constante, aunque en
determinadas condiciones la masa líquida debe
permanecer a una temperatura inferior a la de
fusión (fenómeno de subfusión). En los metales
con solución de otros elementos , en general , la
temperatura no permanece constante en el proceso
de solidificación.
Curvas de enfriamiento a) metales puros b)
subfusión c) aleaciones
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Energía necesaria para llevar a un metal al
estado líquido
Vamos a calcular sin tener en cuenta las
pérdidas, la energía precisa para su fusión desde
la temperatura de 25º C. Dada por Q m c
?t Q energía que se debe aportar para elevar la
temperatura hasta la de fusión. m masa del
metal a fundir c calor específico del metal a
fundir ?t variación de temperatura hasta
alcanzar la fusión La energía para el cambio de
estado, dada por Q m C
Q energía para el cambio de
estado C calor latente de fusión
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Etapas de solidificación.

• En la solidificación de un metal o aleación se
  dan las siguientes etapas.
• Nucleación o formación de núcleos estables en la
  masa fundida.
• Cristalización o crecimiento del núcleo en las
  tres direcciones del espacio, en las denominadas
  dentritas para dar origen a cristales.
• Formación del grano. Los cristales anteriores van
  dando a su vez origen a una estructura granular.
  Interesa que el tamaño de estos granos sea
  pequeño ya que se obtienen mejores propiedades
  mecánicas.

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REGLA DE LAS FASES DE GIBBS
Cada una de las sustancias o elementos químicos
que forman un sistema material se denomina
componente. Ejemplo, en el acero el acero el
hierro y el carbono. A cada una de las partes
homogéneas de un sistema que se diferencia
físicamente del resto, se la llama fase. Ejemplo,
en el agua sólida (hielo), líquida y gaseosa
(vapor). Las fases no tienen que estar formadas
por elementos químicos puros. El número de
variables que podemos modificar libremente
(temperatura, presión, concentración, etc.),
recibe el nombre de grados de libertad. Gibbs
obtuvo la ecuación que permite calcular el número
de fases que pueden coexistir en equilibrio
dentro de un sistema material, regla de las
fases, se expresa como F N C 2
F Número de fases que pueden coexistir.
N Variables de estado o grados de
libertad. C Número de componentes
de un sistema material.
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Ejemplo de aplicación al diagrama de fases
regulada por las variables presión-temperatura
del agua pura.
En el punto triple. Coexisten tres fases en
equilibrio sólido líquido y vapor. El número de
componentes es uno, el agua. El número de grados
de libertad será FN C2 3N 12 N 0
Consecuencia ninguna de las variables (P-T) se
puede modificar, punto invariable. En el punto
A, de la curva sólido-líquido, coexisten dos
estados, tendremos 2N 12 de donde N 1.
Consecuencia una variable (P,T) puede cambiar
manteniendo un sistema donde coexisten dos fases.
A una presión determinada, solo existe una
temperatura en la que las dos fases sólido
líquido coexisten. En un punto cualquiera B,
dentro de una fase única, se tiene que el número
de fases es uno y aplicando la regla, será 1N
12 de donde N 2. Consecuencia se pueden
modificar dos variables (P y T), y el sistema
permanecerá en una única fase.
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DIAGRAMA DE EQUILIBRIO DE FASES. REGLA DE LA
PALANCA
La utilidad de los diagramas de fases consiste en
la posibilidad de predecir las transformaciones y
las microestructuras resultantes de los cambios
de fase, que pueden estar o no en equilibrio. Los
diagramas de equilibrio de fases representan la
relación entre la estructura de composición y el
número de fases presentes en el equilibrio, así
como las transformaciones que se producen desde
el estado líquido hasta la temperatura ambiente.
La temperatura la presión y la composición son
las variables principales. Como la presión suele
ser la atmosférica, solo quedan temperatura y
composición. A las diferentes fases se las
denomina con letras griegas (excepto al material
fundido que simplemente se le llama líquido). Con
el uso de estos diagramas se puede determinar la
composición o porcentaje de cada fase para una
concentración y temperatura determinadas de los
materiales que entran en la aleación.
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• La figura representa una aleación binaria. A la
  izquierda un elemento A y a la derecha un
  elemento B.
• Para una concentración del 40 de B, la fase a se
  va convirtiendo en la ß, pero que hasta que eso
  sucede pueden convivir las dos fases en el seno
  de la aleación.
• Estudiamos los puntos
• P1. El 100 de la aleación se encuentra en fase
  a..
• P2. A partir de aquí empieza la fase ß.

• P3. En el conviven las fases a y ß. Para
  averiguar el porcentaje de cada una se aplica la
  regla de la palanca.
• En T3, se traza un segmento horizontal
  (isoterma) que corta en los puntos Ca y Cß. A
  cada punto le corresponde una concentración, en
  el ejemplo de 60 y 25 de B en la aleación.

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• Las fracciones de las fases se calculan según las
  expresiones

La fase a tiene un 42,86 en la aleación en las
condiciones del punto P3, con una concentración
del 40 de B a la temperatura T3. La fase ß tiene
un 57,14 en la aleación en las condiciones del
punto P3, con una concentración del 40 de B a la
temperatura T3.

• P4. Desaparece la fase a y comienza la fase ß.
• P5. El 100 está en la fase ß.

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DIAGRAMAS ISOMORFOS BINARIOS. SOLUBILIDAD TOTAL
EN ESTADO LÍQUIDO Y SÓLIDO
En una aleación, al enfriar el líquido se va
formando sólido. Antes de que todo esté
solidificado coexistirán las fases líquida y
sólida. El diagrama de fases se obtiene
estudiando el enfriamiento de diferentes
concentraciones de aleación. Consideramos una
aleación binaria de componentes A y B que son
totalmente solubles en estado líquido y sólido
(sistema isomorfo, solo hay una única fase
sólida).

• Para el diagrama de enfriamiento
• Se toma un número de aleaciones con distintos
  porcentajes A y B.
• Se funden y se dejan enfriar lentamente se toman
  los datos tiempo temperatura. Los puntos (1) de
  cada curva representan el comienzo de la

Formación de cristales, los puntos (2)
representan la formación del último cristal.
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Se trasladan éstos puntos a una gráfica
temperatura- concentración, colocándolos en la
perpendicular correspondiente de isoconcentración
(puntos de igual concentración)
Se unen con una línea todos los puntos (1), y de
la misma forma todos los puntos (2), obteniéndose
el diagrama de equilibrio de la aleación A-B. La
línea que une los puntos (1) se denomina línea de
líquidos. La línea que une todos los puntos (2)
representa la línea de sólidos.
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La línea de sólidos y líquidos divide el diagrama
en tres zonas. En cada punto de una determinada
zona, cada fase está perfectamente definida. En
la zona correspondiente entre las líneas de
sólido y líquido, hay dos fases sólida y
líquida. Si analizamos lo que sucede en una
aleación de 70 de A y 30 de B.

• Se traza una perpendicular a-e por la
  concentración A-B 70-30.
• Por debajo de bS todo está en la fase sólida, por
  encima de dL todo se encuentra en la fase
  líquida.
• Entre bS y dL, a medida que aumenta la
  temperatura, va aumentando la fase líquida y
  disminuye la sólida
• Las concentraciones de cada fase en el punto c
  son las que determinan el trazado de la recta de
  reparto, al cortar las líneas de sólido y líquido
  respectivamente CL representa la concentración
  de líquido, que es el 42 de A y 58 de B. CS la
  concentración de sólido, del 80 de A y del 20
  de B.

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La cantidad relativa de cada fase (WL y WS) se
calcula aplicando la ley de la palanca
Para otro punto cualquiera n de la misma
aleación, también se obtendrá de la misma manera
la fase líquida nL 40 de B y 60 de A, y para
la fase sólida nS 10 de B y 90 de A. Luego se
calculan las cantidades relativas
Se puede comprobar que también se cumple para los
puntos bS y dL.
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DIAGRAMAS DE EQUILIBRIO DE ALEACIONES TOTALMENTE
SOLUBLES EN ESTADO LÍQUIDO E INSOLUBLES EN ESTADO
SÓLIDO
Se toma un número determinado de aleaciones con
diferentes porcentajes de sus componentes A-B. Se
representan sus curvas de enfriamiento en un
diagrama de temperatura-tiempo. Las curvas I y VI
corresponden a los elementos puros. En ellas la
temperatura permanece constante mientras dura la
solidificación.
Viendo el diagrama se deduce que en todas las
aleaciones A-B sea cual sea su concentración
solidifican a la misma temperatura.
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Llevando estos datos a un diagrama de temperatura
concentración y uniendo los puntos de
características iguales resulta el diagrama de
equilibrio de la figura. Por encima de los puntos
(1) todas las aleaciones están en estado líquido.
Por debajo de los puntos (3) las aleaciones son
totalmente sólidas. Se pude saber los puntos de
fusión y solidificación de cualquier aleación y
determinar la composición de una aleación para
que funda a una temperatura fija.
También nos permite conocer la aleación de punto
de fusión más bajo llamada eutéctica, En la
figura corresponde a la aleación III.
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• Cualquier punto de la zona L representa fase
  líquida y homogénea de concentración, y más o
  menos fluida, según la distancia de la línea de
  líquidos.
• En la zona LA existen dos fases bien definidas
  una de líquido y otra de cristales de la aleación
  A. Veamos que pasa con una aleación de menor
  contenido de B que la aleación eutéctica, por
  ejemplo, la que representa la línea a-d
• En el punto a, todo el líquido es de

• concentración A-B 70-30, que es la de la
  aleación.
• En el punto bL comienzan a formarse los primeros
  núcleos cristalinos de A. La concentración de la
  fase líquida es de 70-30, y la correspondiente a
  los cristalinos, del punto bS, es A-B 100-0.
• En el punto n se tienen cristales de
  concentración nS A-B100-0, y líquido de
  concentración nL A-B 55-45. Las cantidades
  relativas de cada fase se obtienen aplicando la
  ley de la palanca

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• En el punto d se tienen cristales de
  concentración dS A-B 100-0, y el resto será
  líquido, cuya concentración es la del punto c es
  decir, el de la aleación eutéctica dL
  A-B 40-60.

• A partir del punto d hacía abajo, las aleaciones
  están formadas por los cristales de A, formados
  entre bL y d (cristales primarios de A), y de
  cristales mixtos de BA (secundarios de A). Las
  concentraciones serán el 30 del total de B y el
  70 de A, subdividido en 50 de A primario y
  70-5020 de A secundario.
• En una aleación eutéctica resulta
• En un punto e, la aleación está en estado
  líquido el porcentaje es el de la aleación A-B
  40-60 y hasta el punto c.
• Al llegar al punto c comienzan a cristalizar, al
  mismo tiempo, cristales del componente A y del
  componente B, íntimamente mezclados formando
  cristales mixtos de composición total eutéctica.

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• 3. Por debajo de c y hasta la temperatura
  ambiente, no hay cambio alguno.
• Por último una aleación con mayor contenido de B
  que las eutécticas
• En el punto k se tiene líquido homogéneo de
  concentración igual a la de la aleación.
• En el punto d comienza la formación de fase
  sólida de cristales de componente B.
• En el punto p coexisten dos fases , la líquida y
  la sólida. La sólida está formada por cristales
  puros de B. la líquida, de aleación A-B con
  concentración pL A-B
  32,5-67,5.

4. Al llegar a q, la fase líquida tiene una
concentración c A-B 40-30
Las aleaciones anteriores a la eutéctica se llama
hipoeutécticas, y las posteriores,
hipereutécticas.
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ALEACIONES HIERRO-CARBONO COMPOSICIÓN,
CONSTITUCIÓN Y ESTRUCTURA.
El hierro puro tiene pocas aplicaciones
industriales, pero formando aleaciones con el
carbono y otros elementos, es el metal más
empleado en la industria. Las aleaciones con
contenidos de carbono entre 0,1 y 1,76 son los
aceros. Si el porcentaje de carbono sobrepasa el
1,76 tenemos las fundiciones.
Constitución de las aleaciones Fe-C

• Ferrita solución sólida de carbono en hierro a.
  Se considera a la ferrita como hierro puro. Es el
  más blando y dúctil constituyente de los aceros,
  posee propiedades magnéticas.
• Cementita (Fe3C) es el constituyente más duro y
  frágil de los aceros. Tiene propiedades
  magnéticas hasta los 210ºC.
• Perlita formada por 85,5 de ferrita y 13,5 de
  cementita.
• Austenita formada por una solución sólida por
  inserción de carbono en hierro ?. La proporción
  de carbono disuelto varía de 0 al 1,76. Es el
  constituyente más denso de los aceros. No es
  magnética.
• Martensita es una solución sólida sobresaturada
  de carbono en hierro a. Se obtiene por
  enfriamiento rápido de la austenita de los
  aceros, después de haber sido calentada para
  conseguir una constitución austenítica. Presenta
  propiedades magnéticas.

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• Troostita constituyente intermedio de la
  martensita y sorbita. Se produce mediante una
  transformación isotérmica de la auastenita entre
  las temperaturas de 500 y 600º C.
• Sorbita se produce también por transformación
  isotérmica de la auastenita entre las
  temperaturas de 600 y 650º C.
• Bainita también se produce también por
  transformación isotérmica de la auastenita entre
  las temperaturas de 250 y 550º C.

Estructura de las aleaciones Fe-C

• Estructura cristalina no es uniforme, varía con
  los constituyentes de la aleación, y éstos
  cambian con la composición y la temperatura.
• Estructura micrográfica el elemento fundamental
  de ésta estructura es el grano. Las propiedades
  de los aceros son en general peores cuanto mayor
  es el tamaño del grano, a excepción de la
  capacidad de trabajarlo con máquinas que se ve
  aumentada con el tamaño del grano.
• Estructura macrográfica depende de las impurezas
  que contenga el acero y de la forja a que puede
  ser sometido.

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ANÁLISIS DEL DIAGRAMA Fe-C

• La línea ACD es la línea de liquidus a partir de
  la cual empiezan a solidificar las aleaciones. La
  línea AECF es la línea de solidus indica las
  temperaturas pertenecientes al final de la
  solidificación.
• En el diagrama se pueden destacar los puntos
• Punto A es la temperatura de solidificación del
  hierro en estado puro.
• Punto C representa la aleación eutéctica 4,3 de
  carbono, compuesta por austenita y cementita
  formando la ledeburita.

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• El punto E es el de máxima solubilidad del
  carbono en hierro ?, que corresponde al 1,76.
• El punto D está en el límite del diagrama 6,67
  de carbono (cementita pura).
• En el punto 5 (eutectoide), la austenita se
  transforma en perlita con un 0,89 de carbono.
• Estudiamos el proceso de solidificación de seis
  aleaciones con porcentajes de carbono de 0,5
  0,89 1,2 3,2 4,3 y 5,4.
• Aleación I (0,5 de C). Por encima de 1 existe
  solamente la fase líquida. Comienza la formación
  de austenita hasta que en 2 solidifica
  totalmente. En el punto 3 el hierro ? se
  transforma totalmente en ferrita o hierro a.
  Durante la transformación anterior, la austenita
  residual se enriquece en carbono hasta que en el
  punto 4, con una proporción del 0,89 de C se
  convierte en perlita.
• Aleación II (0,89 de C). Comportamiento idéntico
  al anterior, salvo que no existe el punto 3,
  porque toda la austenita se transforma
  bruscamente en perlita. Es la llamada eutectoide.
• Aleación III (1,2 de C). En el punto 5 comienzan
  a separarse cristales de cementita, hasta que en
  el punto 6 a 723º C con porcentaje de 0,89 de C
  se transforma en perlita.
• Aleación IV (3,2 de C). En el punto 7 comienza
  la solidificación y se forma austenita. Todo se
  transforma en ledebu-rita en el punto 8. En el
  punto 9 se convierte en perlita.

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• Aleación V (4,3 de C). Idéntica a la anterior,
  aunque en el punto C presenta un paso brusco de
  solidificación en ledeburita (aleación
  eutéctica).
• Aleación VI (5,4 de C). En el punto 10 empiezan
  a formarse cristales de cementita hasta que a
  1130º C solidifica en ledeburita con un
  porcentaje de carbono de 4,3.

ALEACIONES FÉRRICAS

• Son muy versátiles ya que se pueden modificar
  hasta conseguir determinadas propiedades
  físico-químicas y mecánicas. Su principal
  inconveniente es su facilidad de corrosión.
• Se clasifican en función del porcentaje de
  carbono.
• Acero. Aleación de Fe-C forjable, cuya proporción
  de carbono está comprendida entre 0,10 y 1,76 .
• Fundición. Aleación de Fe-C no forjable, cuya
  proporción de carbono está comprendida entre 1,76
  y 5.
• Hierro. Metal puro, o con una proporción de
  carbón inferior al 0,03. Se puede obtener por
  procedimientos electrolíticos pero tiene pocas
  aplicaciones industriales.

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CLASIFICACIÓN DE LOS ACEROS
En función del procedimiento de fabricación
En función del porcentaje de carbono

• Aceros hipoeutectoides. En ellos, el porcentaje
  de carbono es inferior al punto eutectoide.
• Aceros eutectoides. En ellos, el porcentaje de
  carbono es igual al punto eutectoide.
• Aceros hipereutectoides. En ellos, el porcentaje
  de carbono es superior al punto eutectoide.
• El punto eutectoide para los aceros para los
  aceros al carbono corresponde a un 0,89 de
  carbono.

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En función de su constitución interna.

• Aceros perlíticos. Constituidos después del
  enfriamiento por perlita y ferrita o perlita y
  cementita, dependiendo de si el porcentaje de
  carbono es menor o mayor al eutectoide. Son los
  aceros normales, los aceros al carbono y los
  aceros de baja y media aleación.
• Aceros martensíticos. Formados en su mayor parte
  por martensita. En realidad son aceros
  perlíticos, cuya velocidad de temple es muy
  lenta, y son templados después del enfriamiento
  al aire.
• Aceros austeníticos. Costituidos por auastenita a
  la temperatura ambiente. No son atraidos por un
  imán.
• Aceros ferríticos. Formados por ferrita
  acualquier temperatura. No se pueden templar.
  Pertenecen a este punto los aceros de bajo
  contenido en carbono.
• Aceros con carburo. Contienen un porcentaje de
  carburos de elementos de aleación muy superiores
  al que se considera como normal en los aceros al
  carbono.

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En función de su composición
Podemos hablar de aceros al carbono y aceros
aleados.
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FUNDICIONES
Son aleaciones férricas con un porcentaje de
carbono superior al 2,1. En la práctica
contienen entre el 3 y el 4,5 de carbono. Funden
a temperaturas inferiores a los aceros entre 1150
y 1300º C. Se moldean con facilidad. En la
mayoría de las fundiciones el carbono aparece en
forma de grafito.
Fundición gris
El carbono varía entre el 2,5 y el 4.
Generalmente el grafito aparece en forma de
escamas o láminas. Son frágiles y poco
resistentes a la tracción. La resistencia y la
ductilidad a los esfuerzos de compresión son muy
elevados.
Tienen alta resistencia al desgaste. Son muy
fáciles de moldear por su gran fluidez. Son uno
de los materiales férricos mas baratos.
Fundición esferiodal
Se forma con pequeñas adicciones de magnesio y/o
cesio a la fundición gris, que modifican su
microestructura. El grafito se presenta en forma
esferoidal. Son mas resistentes y dúctiles que
las grises, y tienen propiedades mecánicas
similares a las del acero.
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Fundición blanca y maleable
Partiendo de fundiciones bajas en carbono, que
contengan menos de 1 de silicio, y aumentando
considerablemente la velocidad de enfriamiento,
la mayoría del carbono se convierte en cementita
en lugar de grafito, obteniéndose la fundición
blanca. La fundición blanca es extremadamente
dura y frágil, hastta el punto de no poderse
mecanizar. Su aplicación se limita a componentes
de gran dureza y resistencia al desgaste y sin
ductilidad, como los cilindros de
laminación. Calentando la fundición blanca hasta
temperaturas entre 800 y
900º C durante largo tiempo y en la atmósfera
inerte, la cementita se descompone y forma
grafito en forma de racimos o rosetas. La
microestructura es similar a la de la fundición
esferidal por lo que presenta una resistencia
relativamente alta y apreciable ductilidad o
maleabilidad.