RESUMEN CIENCIAS DE LOS MATERIALES
U1: INTRODUCCIÓN A LOS MATERIALES
Los materiales son productos u objetos que nos rodean y sirven para ser aprovechados por el hombre.
Todos están compuestos por átomos. En muchos casos, el material debe cumplir con propiedades tecnológicas
para ser utilizados. Todas las propiedades macroscópicas de los materiales dependen directamente de la
naturaleza microscópica y atómica de los materiales, es decir, de la disposición de sus átomos y del tipo de
enlace que los une. Se los puede clasificar en 4 según su uso en ingeniería:
•
Materiales Metálicos: sustancias inorgánicas compuestas por uno o más elementos metálicos, aunque
también pueden contener distintos elementos no metálicos (C, N, O). Tienen fuerte ordenamiento
atómico (estructura cristalina). Al solidificarse desde el estado fundido, los átomos se ordenan
formando una estructura cristalina y “perfecta”; que estudios posteriores permiten llegar a la
conclusión que no son tan perfectos.
Son buenos conductores térmicos y eléctricos, posee una dureza elevada, resistencia a la corrosión,
resistencia mecánica, resistencia a las altas temperaturas, resistencia al desgaste ductilidad, densidad
variable, tenacidad etc.
Se utilizan en general, no en estado puro, sino como una mezcla de dos o más metales que reciben el
nombre de aleaciones. Estas, a su vez, se dividen en dos categorías:
o Aleaciones Ferrosas: contienen un alto porcentaje de hierro (utilizado como metal base),
incluye a los aceros y fundiciones de hierro, estos pueden ser aceros al carbono (0,02% a 2%
de C) o fundiciones de hierro son aleaciones de hierro-silicio-carbono (2% a 4% de C y 1% a
5% de Si). Son el grupo comercialmente más importante.
o Aleaciones no Ferrosas: el metal base no es hierro, suele ser Al, Cu, Ti, Ni, Zn. Son mas caras
que las aleaciones ferrosas y con propiedades distintas a las ferrosas por lo que se justifica su
fabricación.
•
Materiales Cerámicos: son materiales inorgánicos formadas por elementos metálicos y no metálicos
químicamente enlazados entre sí. Pueden ser cristalinos, no cristalinos o ambas. Tienen gran dureza,
y resistencia a altas temperaturas, muy frágiles, resistentes a corrosión y además aislantes. Para
aplicaciones industriales, poseen peso ligero y tienen resistencia al desgaste.
o Cerámicos Cristalinos: poseen gran ordenamiento muy marcado.
o Cerámicos Vítreos: vidrios, no tienen un ordenamiento atómico tan marcado, poseen una
estructura amorfa.
o Cerámicos Tradicionales: incluyen arcillas, utilizadas en la fabricación de tejas, ladrillos,
vasijas; la sílice (SiO2) base de casi todos los vidrios y el carburo de silicio.
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o Cerámicos de Ingeniería/Modernos: materiales avanzados, estructuras con mayores
resistencias, alta resistencia a la deformación y compresión, altos ptos. de fusión, muy aislantes.
Por ejemplo, Al 2 O 3, CW, CTi, OZr.
•
Polímeros: están formados por cadenas de moléculas “monómeros”. No son cristalinos con estructura
amorfa, tienen bajas resistencias mecánicas (no resisten fuerzas sin romperse o deformarse), son
aislantes térmicos y eléctricos, resistentes a la corrosión y de fácil procesabilidad.
Existen dos tipos de materiales poliméricos:
o Plásticos: son moldeados bajo calor. Se subdividen en:
▪
Termoplásticos, que se ablandan al ser calentados y recuperan su forma al enfriarse
(son moldeables). Suelen ser reciclables. Por ejemplo, piletas de natación
▪
Termoestables, son estables frente a la temperatura. Una vez calentados, moldeados y
enfriados no se pueden volver a moldear.
o Elastómeros: poseen gran elasticidad para estirarse varias veces y luego recuperar su forma.
Por ejemplo, neopreno, gomas, caucho.
•
Compuestos: resultan de la unión o mezcla de los materiales antes mencionados. Están compuestos
por una matriz constituida por un material polimérico, metálico o cerámico y por un reforzante
polimérico, metálico o cerámico, introducido en forma de fibras o partículas. El material matriz es
aquel que “englutina” / “pega” a los otros.
Las propiedades de los materiales compuestos dependen de sus componentes y sus proporciones.
Algunos compuestos combinan alta resistencia con bajo peso y son apropiados para aplicaciones tales
como piezas de aviación y artículos deportivos. Otros, son resistentes y duros y capaces de conservar
esas propiedades a altas temperatura, por ejemplo, los carburos cementados empleados en las
herramientas de corte.
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U2: ENLACES ATÓMICOS Y ESTRUCTURAS CRISTALINAS
Los enlaces atómicos son los responsables de las interacciones entre los átomos. Las fuerzas de atracción
que se producen en los enlaces están basadas en los orbitales incompletos de la nube electrónica que rodea al
núcleo de los átomos. Es uno de los mecanismos mediante los cuales los átomos adyacentes en un sólido se
unen y logran el estado de equilibrio y un estado menor de energía potencial.
Cuando dos átomos estén a una distancia de equilibrio, las fuerzas de atracción y repulsión de igualan,
y se dice que la distancia interatómica es la mínima. Si se los desease separar, habría que hacer mucha fuerza.
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Vínculos de Unión
Las fuerzas interatómicas son consecuencia directa de la estructura electrónica de los átomos:
interacción entre electrones (-) y núcleos (+). A nivel atómico, los átomos se unen entre sí por medio de enlaces
fuertes o primarios y enlaces débiles o secundarios.
•
Enlaces primarios: se encuentran enlaces como el iónico, covalente y metálico.
•
Enlaces secundarios: son típicos de este tipo los enlaces de Van der Waals y puente Hidrógeno.
Enlaces Primarios:
• Enlace Iónico:
Se basa en la atracción entre iones de distinta carga: aquellos muy poco electronegativos
(metales dispuestos a ceder electrones) con aquellos fuertemente electronegativos (no metal dispuesto
a aceptar dichos electrones). El mecanismo involucra a los electrones periféricos, donde el metal
transfiere e- al no metal. Como resultado el metal se transforma en catión (ión con carga positiva), y el
elemento no metálico se transforma en anión (ion con carga negativa), es decir, se forman iones
cargados con cargas opuestas.
o Fuerza de enlace: Al tener distinta polaridad el catión y el anión, se establece entre los mismos
una fuerza de atracción electrostática. Sin embargo, a una cierta distancia interatómica, las
nubes electrónicas interactúan y comienzan a manifestarse fuerzas repulsivas. Cuando las
fuerzas atractivas igualan a las repulsivas, se anulan entre sí y los iones alcanzan una posición
de equilibrio que es la distancia inter-iónica de equilibrio a esa temperatura.
o Energía de enlazamiento: Durante la unión iónica se ponen en juego dos energías, una atractiva
negativa y una repulsiva positiva La energía resultante es la que corresponde a la suma de
ambas y alcanza el valor mínimo cuando los iones se encuentran a la distancia interi-ónica de
equilibrio.
o Energías reticulares y puntos de fusión: A mayor número de electrones que se intercambian,
mayor es la energía de unión que se establece entre los iones. A mayor energía de unión mayor
será la dificultad de separarlos y, por ende, mayor va a ser el pto, de fusión.
o Empaquetamiento tridimensional: Cuando los iones se empaquetan en un sólido iónico, lo
hacen sin una orientación preferente, por eso; el enlace iónico es no direccional. Sin embargo,
el empaquetamiento tiene como limitación que está gobernado por la disposición
geométricamente posible de los iones (en función del radio del anión y del catión) y por la
neutralidad eléctrica.
o Fractura de un sólido iónico: Cuando se aplica una fuerza a un cristal iónico se rompe la
neutralidad eléctrica entre los iones. Esto explica su carácter frágil.
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o Conductividad eléctrica y térmica: Al ser transmitida la energía eléctrica o térmica por medio
de los electrones libres, debido a la falta de éstos en los cristales iónicos, su conductividad
eléctrica y térmica es muy baja.
• Enlace Covalente:
Consiste en la compartición de electrones periféricos por parte de dos átomos. El enlace
covalente se forma entre átomos con pequeñas diferencias en electronegatividad y ubicados muy
próximos en la tabla periódica (principalmente elementos no metálicos N2, I2, O2, fluoruros, cloruros).
Cuando se unen los átomos que presentan enlaces covalentes, éstos comparten sus electrones externos
de modo que cada átomo alcanza la configuración electrónica de gas noble (orbital externo completo).
Al igual que en el enlace iónico, al unirse los átomos disminuye la energía y se alcanza el valor mínimo
cuando estos se ubican en la distancia de equilibrio.
Pueden compartir uno, dos o tres pares de electrones para tener su orbital externo completo, a
medida que es mayor el número de electrones compartidos, mayor es la energía de enlazamiento.
Tienen un empaquetamiento direccional, debido a que cristalizan con estructuras complejas que tienen
la limitación de cumplir con la neutralidad eléctrica.
Este tipo de enlaces produce uniones rígidas, los sólidos covalentes son frágiles, ya que no admiten
deformación debido a que deben satisfacer la direccionalidad del enlace. Los materiales ligados de esta
manera resultan duros, y con escasa conductividad eléctrica y térmica al no existir electrones libres en
este tipo de sólidos. Tienen puntos de fusión muy elevados. Ejemplo de este tipo de enlace es la
molécula de cloro (Cl2), el ClH o diamante.
• Enlace Metálico:
Para que se produzca este tipo de enlace, es necesario que se unan elementos metálicos que tengan
electronegatividades muy similares, se presenta entre átomos con muy pocos electrones de valencia en
su periferia. A medida que los átomos se aproximan, ceden sus electrones de valencia que se encuentran
débilmente ligados y se transforman en cationes. Estos electrones no pertenecen a ningún átomo en
particular, sino que pueden moverse libremente dentro del sólido, formado una nube electrónica. Entre
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los cationes y la nube electrónica se establece una fuerza de atracción eléctrica que es la responsable
del enlace metálico.
Los electrones libres dan al metal su característica de alta conductividad eléctrica y térmica. La
ductilidad y maleabilidad de los metales tiene su origen en el ordenamiento, la fuerza de unión de los
iones positivos del núcleo y por la forma en que están empaquetados los átomos en el sólido. La alta
ductilidad permite que se pueda deformar el sólido, o sea mover un plano atómico respecto de otro, sin
que se altere el enlazamiento.
Este enlace permite el máximo empaquetamiento ya que no tiene limitaciones como los
presentados por los enlaces iónicos o covalentes. Esto se traduce en que sólidos cristalizan con
estructuras cristalinas sencillas.
Al igual que en el caso de la unión iónica o covalente, la energía de los átomos separados se reduce
al aproximarse los mismos y alcanzar la distancia de equilibrio.
Los electrones de libres absorben poca energía, de este modo todos los metales son opacos a la luz
transmitida.
Enlaces Secundarios:
• Fuerzas de Van der Waals:
Son fuerzas de atracción interatómicas débiles entre moléculas saturadas de átomos con capas
electrónicas completas. Se producen por la generación de pequeños dipolos en moléculas apolares al
momento en que estas se acercan.
Mediante ellas que puede explicarse la existencia de moléculas de los gases nobles y la formación
de “cristalitos” de estos elementos a bajas temperaturas. Los gases nobles tienen su capa externa
completa de electrones, por lo tanto, no pueden combinarse mediante ninguno de los enlaces del tipo
fuertes.
• Fuerzas Puente Hidrógeno (Fijarse Carpeta Química Gral.)
ISOTROPÍA Y ANISOTROPÍA
Cuando los metales presentan distintas propiedades en distintas direcciones, como consecuencia de la
estructura cristalográfica, se puede decir que son ANISÓTROPOS (si mido algo en una determinada
dirección da un valor, pero si la miro en otra dirección, por ej a 90°, da otro valor). Por ejemplo, la resistencia
a la tracción va a variar según la orientación/sentido de laminación de una chapa, cristales.
Cuando las propiedades son iguales en cualquier dirección, estos son ISÓTROPOS. Se da en gases y
líquidos, vidrio, hule, plástico; es decir, aquellos con estructura amorfa.
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ESTRUCTURAS CRISTALINAS
La materia está formada por átomos, iones, moléculas o conjunto de moléculas entre los que se
desarrollan fuerzas de atracción. Según sean estas fuerzas de atracción la materia puede presentarse en tres
estados diferentes:
•
Sólidos: Pueden ser:
o Con ordenamiento regular: Cristales metálicos.
o Con ordenamiento irregular: sólidos amorfos o sólidos amorfos o vítreo.
•
Líquidos: Menor orden que en el sólido pero mayor que en el gas.
•
Gases: Desorden total de los átomos y moléculas que lo componen.
Se ha mencionado que los sólidos se pueden presentar formando estructuras cristalinas o estructuras
amorfas o vítreas. Un sólido cristalino es un material con un arreglo tridimensional ordenado de sus átomos o
iones. Es decir que los mismos ocupan posiciones definidas que se repiten espacialmente.
El ordenamiento estable (de equilibrio) de un material, corresponderá a aquellas condiciones que
minimizan la energía, que de acuerdo a lo que vimos anteriormente, son las que:
• Preservan la neutralidad eléctrica en los sólidos iónicos.
• Satisfacen la direccionalidad de los sólidos covalentes.
• Apilan los átomos tan compactamente como sea posible en los sólidos metálicos.
SUSTANCIAS CRISTALINAS
Formadas por grupos de átomos, moléculas o iones que se repiten periódicamente en el espacio y
ocupando direcciones definidas alrededor de las cuales pueden vibrar. Debido a esa ordenación los cristales
tienen forma exterior definidas por caras que se cortan con aristas y ángulos característicos para cada sustancia.
Los cristales, según sea el enlace que une a sus átomos se clasifican en:
• Cristales Iónicos.
• Cristales de Van Der Waals.
• Cristales Covalentes.
• Cristales de Puente Hidrógeno.
• Cristales Metálicos.
Cristales Iónicos:
Los átomos, iones moléculas de signo opuesto están unidos por importantes fuerzas electrostáticas
llamadas fuerzas de Coulomb. Ej: NaCl o Al2O3. Debido a que no hay electrones libres y la polaridad entre
estos es muy alta, estas fuerzas dan a los cristales iónicos las características de ser:
• De alto punto de fusión y ebullición.
• Duros, frágiles y quebradizos, con muy baja elasticidad.
• Conductividad eléctrica baja (> conductividad a > T°).
• Transparentes u opacos (según la radiación).
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Cristales Covalentes:
Estos cristales son duros, frágiles e incompresibles, y no se deforman plásticamente. Poseen elevada
temperatura de fusión y ebullición. La “conductividad eléctrica es muy variable (depende del elemento que se
trate) pero aumenta levemente con la temperatura: Por ejemplo, el diamante tiene muy baja conductividad y
es aislante; pero el Si y el Ge son semiconductores. El ejemplo típico de estos cristales es el diamante, también
lo tienen el Silicio, Germanio y compuestos como la blenda (SZn).
Cristales de Van der Waals:
Estos cristales son aislantes eléctricos y térmicos, funden a baja temperatura, blandos y deformables,
son transparentes hasta el ultravioleta. Ejemplos de este tipo de cristal son los gases nobles como el He, Ar y
otros (en estado sólido) y también algunas moléculas saturadas de gases como el H2, O2 y CH4. El grafito y
la mica (que poseen enlaces covalentes o iónicos) están unidos por enlaces de Van der Waals.
Las distintas láminas de grafito están unidas entre sí por enlaces del tipo de van der Waals, de este modo sirven
como lubricantes en los procesos de forjado y en otros de otra índole.
Cristales Metálicos:
Están compuestos por una serie de iones positivos inmersos en un mar de electrones móviles. Las
propiedades térmicas y eléctricas de estos cristales son debidas a los electrones de valencia libres de moverse
en su superficie. Tienen brillo metálico, son buenos conductores del calor y la electricidad, son muy dúctiles
y maleables (pueden ser forjados y deformados sin romperse), poseen temperaturas de fusión generalmente
elevadas. Además, también tienen elevadas dureza, resistencia y densidad.
CRISTALES METÁLICOS-ESTRUCTURA GEOMÉTRICA
Los cristales metálicos están “perfectamente” ordenados (posteriormente desmentido), lo que significa
que van a formar celdas elementales. En la teoría, la formación de un cristal metálico se inicia por una
ordenación de átomos adoptando una estructura geométrica o celdilla elemental en torno a la cual se agrupan
los demás hasta formar tridimensionalmente un cristal, es decir, se ordenan con un patrón de repetición a lo
largo de una red.
La forma de empaquetamiento que tienen los átomos controla la forma externa del cristal metálico.
Antes de definir las diferentes estructuras que se pueden encontrar se deben definir algunos conceptos:
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• Red Espacial: es un arreglo/ordenamiento geométrico tridimensional de infinitos puntos o nodos de
red, donde cada pto. o nodo representa/está asociado a un átomo o grupo de átomos; y donde cada uno de
estos tiene un entorno idéntico a los demás.
• Celda unitaria/elemental: es la agrupación de átomos más pequeña que existe. También se puede
decir que es el menor volumen conteniendo un tipo completo de repetición. La característica principal de la
celda unitaria es que contiene una descripción completa de la red, por lo que la red completa puede ser
generada por el agrupamiento de celdas unitarias en las tres dimensiones.
• Sistema cristalográfico: son representaciones gráficas de los distintos tipos de empaquetamiento que
tienen los átomos en un cristal metálico. Existen 7 tipos de sistemas cristalográficos:
Algunas características de los sistemas cristalinos son:
o
Número de coordinación: número de átomos que se encuentran en contacto con un átomo en
particular.
o
Número de átomos por celda unitaria.
o
Factor de Empaquetamiento: es la fracción de la celda unitaria ocupada por los átomos
suponiendo que sean esferas sólidas. Se calcula haciendo:
𝐹𝑎𝑐𝑡𝑜𝑟 𝑑𝑒 𝑒𝑚𝑝𝑎𝑞𝑢𝑒𝑡𝑎𝑚𝑖𝑒𝑛𝑡𝑜 =
o
𝑛 𝑑𝑒 á𝑡𝑜𝑚𝑜𝑠 𝑥 𝑐𝑒𝑙𝑑𝑎 ∗ 𝑣𝑜𝑙. 𝑑𝑒 𝑐𝑎𝑑𝑎 á𝑡𝑜𝑚𝑜
𝑣𝑜𝑙𝑢𝑚𝑒𝑛 𝑑𝑒 𝑙𝑎 𝑑𝑒𝑙𝑑𝑎
Direcciones y planos de máximo empaquetamiento.
Sistema Cúbico Centrado en el Cuerpo (BCC):
Hay un átomo situado en c/u de los vértices de la celda cúbica y uno en el centro de esta. Algunos de
los metales que cristalizan en este sistema son el Cromo, el Hierro (a T ambiente), el Potasio, el Sodio, etc. Es
menos dúctil que el FCC, pero más que el HCP.
o
Número de coordinación: El átomo central, como todos los demás, están rodeados por 8
“vecinos” próximos.
o
Número de átomos por celda unitaria: la celda BCC posee un átomo en el centro y 1/8 de átomo
en c/ vértice. Por lo que el nro. total de átomos es igual a 2.
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o
Factor de Empaquetamiento: 0.68, indica que el 68% del volumen de la celda está ocupada por
átomos. La estructura BCC no es una estructura completamente compacta ya que los átomos podrían
situarse más juntos.
o
Direcciones y planos de máximo empaquetamiento: No tienen planos compactos, pero si tiene
direcciones. Los átomos de esta estructura se compactan entre sí a través de la diagonal del cubo.
(direcciones son las flechas)
Direcciones compactas
Sistema Cúbico Centrado en las Caras (FCC):
Tiene un átomo en cada vértice y uno en el centro de cada una de las caras. Algunos de los metales que
cristalizan en este sistema son: el Cobre, el Aluminio, el Oro, la Plata, etc.
o
Número de coordinación: tiene un valor igual a 12.
o
Número de átomos por celda unitaria: contiene 4 átomos en total, que corresponden a los ½
átomos que se encuentran en cada una de las 6 caras del cubo que se comparten con las otras celdas,
totalizando 3; más un átomo que resulta de los 1/8 de átomo que se encuentran en cada uno de los
vértices del cubo.
o
Factor de Empaquetamiento: 0.74, indica que el 74% del volumen de la celda está ocupada por
átomos. Al igual que la celda HCP, representan el máximo empaquetamiento posible.
o
Direcciones y planos de máximo empaquetamiento: En este sistema, las diagonales de cada
cara del cubo son las direcciones compactas, es decir, compactan según las diagonales de los lados
del cubo. (direcciones son las flechas)
Sistema Hexagonal Compacto (HCP):
Hay un átomo situado en cada uno de los vértices del prisma hexagonal, uno en cada una de las bases y
tres átomos internos a la celda unitaria. No son tan dúctiles como el sistema FCC. Los metales que poseen
este sistema son el Cd, Mg, Zn, Be y Ti.
o
Número de coordinación: tiene un valor igual a 12.
o
Número de átomos por celda unitaria: contiene 6 átomos en total, que corresponden a los 1/6
de átomos que se encuentran en cada uno de los 12 vértices del prisma (2 átomos); ½ átomo en cada
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una de sus bases (1 átomo); y 3 átomos internos a la celda que se obtienen por sumar los ½ átomos
que se encuentran en cada una de las caras del prisma.
o
Factor de Empaquetamiento: 0.74, indica que el 74% del volumen de la celda está ocupada por
átomos. Representa el máximo empaquetamiento posible.
o
Direcciones y planos de máximo empaquetamiento: poseen un plano basal y tres direcciones
compactas.
PLANOS CRISTALINOS
Las deformaciones plásticas de los metales ocurren a través del deslizamiento de los planos más
densamente poblados, por lo tanto, es conveniente identificar esos planos atómicos en los cristales.
•
Plano Denso/Compacto: plano donde hay muchos átomos, tiende a desplazar sobre otro plano.
•
Dirección Compacta: es una dirección donde se van a poder desplazar más fácilmente los
planos compactos.
•
Sistema de Deslizamiento: conjunción de un plano compacto y una dirección compacta.
Los planos más importantes en el sistema cúbico son los siguientes: (no es importante saberse los
números de los planos)
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U3: SOLIDIFICACIÓN Y DIFUSIÓN DE LOS METALES
SOLIDIFICACIÓN
Cuando se cuelan las aleaciones fundidas en un recipiente (por ej. Lingotera), comienza la solidificación
en las paredes del molde a medida que se enfrían. Dichas aleaciones se solidifican dentro de un intervalo de
temperaturas, en el cual la aleación tiene una forma pastosa que consiste en estructuras “arborescentes” (forma
de arbol) llamadas dendritas y metal líquido. El tamaño y forma de las dendritas dependen de la velocidad de
enfriamiento, por lo general son como árboles y lo que cambian suele ser su ramificación. El metal líquido
que se encuentra entre estas estructuras dedríticas, se solidifica formando una estructura completamente sólida
llamada estructura granular (ver).
La estructura cristalina es característica de cada metal o aleación y depende del ordenamiento atómico
de equilibrio, se la puede estudiar con la ayuda de difracción de rayos X. Por otro lado, la estructura granular
(o granos) se forma por el crecimiento de núcleos y depende de la velocidad de solidificación, se estudia con
la ayuda de un microscopio óptico llamado microscopio metalográfico (x200 se ven los granos, x1500 se ven
los lim.de grano).
En la teoría, puede suponerse que la solidificación comienza cuando un grupo de átomos se une
formando una pequeña célula y a partir de ahí, si la energía lo permite, prosigue la solidificación por adición
de átomos. Se produce en el seno del líquido un agrupamiento de átomos apareciendo el denominado
“germen”, a partir de ahí se van añadiendo celdas unitarias en los 3 ejes y formando el sólido
En la práctica, los primeros cristales que se forman no son perfectos y provienen de dislocaciones, puntos
fríos, impurezas que ofrecen núcleos, las paredes de las lingoteras y/o moldes para piezas fundidas, etc. Los
metales puros solidifican a temperatura constante durante el cambio de fase hasta que se libera todo el calor
latente de solidificación.
Esto se da porque en la fase líquida tenemos una altísima energía cinética y mucho movimiento, luego
se unen a los primeros cristales del primer sub-enfriamiento, son chicos y se les unen cada vez más y más
átomos que, al estar fijos, no necesitan más energía. La energía sobrante es el calor latente. Por esto, vamos a
tener que entre el comienzo y fin de la solidificación más átomos líquidos quedan retenidos en el retículo
sólido, como no tienen donde albergar esa energía sobrante, se libera en forma de calor (mantiene T = cte.).
En la solidificación de los metales se pueden distinguir dos etapas:
1.
Nucleación: es la formación de núcleos estables en el baño metálico fundido.
2.
Crecimiento: los núcleos estables crecen hasta formar granos.
Tipos de Nucleación:
La nucleación puede ser homogénea o heterogénea.
•
Nucleación Homogénea:
Solamente se produce bajo condiciones controladas, normalmente en un laboratorio y a partir de metales
muy puros. Uso industrial masivo.
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La nucleación homogénea se produce de la siguiente manera. Se produce el sobre-enfriamiento del metal
líquido, los átomos disminuyen su energía cinética y comienzan a aglomerarse formando embriones o
gérmenes. Estas, son impactadas por otros átomos con todavía alta energía cinética a la temperatura del baño
fundido y las destruyen. Este proceso se repite una y otra vez hasta que la temperatura desciende bastante por
debajo del punto de solidificación y, recién cuando los átomos han perdido suficiente velocidad en lugar de
destruir los embriones, se unen a los mismos y forman núcleos estables, a partir de los cuales crecerán los
cristales.
Para que se formen estos núcleos estables es necesario sobre-enfriar los metales a veces hasta más de
cien grados centígrados por debajo del punto de solidificación del metal. A mayor sobre-enfriamiento el radio
crítico disminuye, lo que favorece la creación de nuevos núcleos.
Por debajo de la temperatura de solidificación, durante la nucleación en el sistema interactúan dos tipos
de energía. La energía libre de volumen ΔGy que disminuye al pasar el material del estado líquido y que cada
vez se hace más negativa al aumentar el tamaño de partícula. Además, al formarse el sólido se crea una
interfase sólido-líquido que lleva una energía libre superficial σ, (de signo contrario a la energía de volumen),
que aumenta con el tamaño del sólido formado. De esta manera el cambio de energía total del sistema durante
la solidificación está dado por la siguiente ecuación:
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∆𝐺 = 𝜋 𝑟 3 + 4 𝜋 𝑟 2 𝜎
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Radio crítico
Con esta ecuación se puede observar que, si las aglomeraciones de átomos tienen un radio menor r*,
(embrión), el sistema disminuye su energía cuando esta aglomeración se destruye. Cuando el radio de la
aglomeración de átomos supera el valor de r*, (núcleo), la energía total del sistema disminuye con el aumento
del radio de la partícula formada y por lo tanto está crecerá. Es decir, a medida que el germen va creciendo y
aumentando su radio en el seno del líquido, su energía también se va a incrementar y volver cada vez más
inestable, hasta que alcanza un tamaño (r*) en el cual disminuye su E automáticamente y se forma un núcleo.
Cuando el radio de la aglomeración de átomos alcanza un tamaño tal que r = r*, se dice que ha alcanzado
el tamaño crítico y al valor r* se lo denomina radio crítico.
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A mayor grado de sobre enfriamiento, mayor será el valor de la energía libre de volumen y dado que el
valor de la energía de superficie se mantiene constante, el valor del tamaño crítico de partícula disminuirá
favoreciéndose la creación de núcleos y por lo tanto la solidificación.
• Nucleación Heterogénea:
Este tipo de nucleación se da en todos los procesos industriales que involucran solidificación de metales
y aleaciones. La nucleación heterogénea se da en el momento en que el líquido toca las paredes de la lingotera
o del molde, con la ayuda/a través de la formación de puntos fríos, pequeños trozos de arena y partículas
extrañas que existen en los moldes (que si bien esta a altas T, es más baja que la T del líquido).
En este tipo de nucleación no es necesario que se formen núcleos estables dentro del baño fundido ya
que los mismos están presentes y pueden ser las paredes del recipiente o impurezas que contiene el metal
fundido o compuestos que forman partículas muy finas que son agregados específicamente para favorecer la
nucleación, y que se denominan afinadores de grano. Las salpicaduras del líquido en las paredes del molde
automáticamente comienzan la solidificación, así, la cantidad de gotas que caen son el principio de la
nucleación.
En este caso, se tiene un radio mayor que el crítico, por lo tanto, solo necesitan agruparse pocos átomos
para producir la partícula sólida con un radio superior al crítico. Por este motivo la nucleación heterogénea es
mucho más fácil y no requiere grandes sobreenfiamientos.
La partícula tiene un radio muy superior al radio crítico por lo tanto el núcleo se forma fácilmente.
Solidificación de un metal puro: (POR EJ, Fe, Ag, Cu, Au, Al)
Primeramente, se comienza calentando el metal en un crisol hasta que este alcance el estado líquido,
representado por un primer punto A. Posteriormente, se lo va a meter al metal líquido para que se produzca la
solidificación. A partir de esto, la temperatura comienza a disminuir hasta llegar a un punto B donde se inicia
la solidificación y se comienzan a formar los primeros cristales. Este proceso va a suceder a temperatura
constante hasta llegar a un punto C donde se culmina la solidificación y todo el metal líquido ya está en estado
sólido. Luego, el sólido continúa disminuyendo su temperatura hasta llegar a un punto D.
Este gráfico representa una curva de enfriamiento, donde se puede determinar que la temperatura de
solidificación de un metal puro va a ser constante (cada metal va a tener su propia temperatura de
solidificación).
La temperatura se va a mantener constante puesto a que, en un comienzo, los átomos en estado líquido
vienen cargados de E cinética, pero a medida que va bajando la temperatura, va disminuyendo. Cuando se
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llega al punto B (T de solidificación), se produce un pequeño sobre-enfriamiento donde se generan los
primeros núcleos y aquellos átomos que queden atrapados en estos van a ceder su energía en forma de calor,
el cual va a ser el responsable de mantener la temperatura constante durante todo ese periodo de solidificación.
Una vez liberado todo ese calor y desaparecido el líquido, ahí recién la T va a comenzar nuevamente a
disminuir.
•
A→B: metal líquido dentro del molde, al no haber llegado a una T suficiente, sigue líquido y todavía
tiene mucha energía cinética.
•
B→C: comienza la solidificación, los átomos de líquido quedan atrapados en retpiculas del sólido, y
como les sobra energía cinética, la entregan al sistema como calor latente.
•
C→D: enfriamiento del metal ya sólido.
Formación de la Estructura Granular y Crecimiento de Cristales
Formación de la Estructura Granular:
En cada cristal, los átomos están ordenados en un modelo regular, pero la orientación de cada cristal
varia cuando concluye la solidificación del metal. Los cristales se juntan unos con otros en diferentes
orientaciones y forman límites cristalinos en los que los cambios de orientación tienen lugar a una distancia
de pocos átomos.
Cuando un metal relativamente puro se moldea, en un molde fijo sin utilizar afinadores de grano, se
producen dos tipos de estructura de grano:
• Equiaxiales: las condiciones de nucleación y crecimiento en un metal líquido durante la solidificación
son tales que los cristales pueden crecer por igual en todas las direcciones, se encuentran normalmente junto
a las paredes del molde frío, con mayor concentración de núcleos, y en el centro del molde/lingotera. ↑
𝑉𝑒𝑙. 𝑑𝑒 𝑒𝑛𝑓𝑟𝑖𝑎𝑚𝑖𝑒𝑛𝑡𝑜 ↑ 𝑆𝑜𝑙𝑖𝑑𝑖𝑓𝑖𝑐𝑎𝑐𝑖ó𝑛 ↓ 𝑟 ∗ .
Los granos crecen con forma aproximadamente redonda con orientaciones aleatorias. Presenta
comportamiento isotrópico (por ejemplo, en contacto/en el centro de la lingotera).
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• Columnares: son alargados, delgados e imperfectos. Se forman cuando un metal solidifica muy
lentamente, hay pocos núcleos disponibles y los granos aparecerán de forma perpendicular a las caras del
molde, ya que en esas direcciones hay grandes gradientes térmicas.
Lo que sucede es lo siguiente:
1. El metal líquido, al entrar el contacto con el molde “frío”, se produce un choque térmico que
hace que se evacúe calor hacia los costados rápidamente. Esto va a hacer que el líquido se enfríe
rápido y se forme una especie de “piel” compuesta por granos muy finos y pequeños, puesto a
que no tuvieron tiempo a crecer.
2. Posteriormente, luego de la piel, se produce el crecimiento dendrítico con una estructura
columnar. Esto se debe a que las dendritas, en teoría, crecen con una forma similar a la de un
árbol con sus diferentes ramas, pero como en este caso no hay lugar para tal crecimiento, crecen
hacia el núcleo/centro del molde con forma de columna.
3. Por último, en el centro de la lingotera va quedando el último líquido que se solidifica, con
impurezas (las cuales sirven como nucleantes) y tienden a nuclear en forma equiaxial, pero con
un tamaño de grano mucho más grande que aquellos de la periferia puesto a que cuesta más
evacuar el calor.
Crecimiento dendrítico: los metales solidifican de manera dendrítica, es decir, formando una especie
de “árboles”. Estas dendritas, tienen una rama principal, ramas secundarias, terciarias y así sucesivamente.
Los brazos primarios tendrán sólido puro, por lo que en el líquido interdendrítico van a ir quedando impurezas.
El último líquido que solidifique en los brazos secundarios y terciarios tendrá mayores impurezas que los
primeros granos.
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Crecimiento de los Cristales:
Los núcleos con diferentes orientaciones van creciendo con el tiempo con la estructura cristalina
correspondiente al metal de que se trate. Cuando la solidificación se completa, cada núcleo en crecimiento
alcanza un tamaño limitado por el crecimiento de otros núcleos. En la unión de los mismos, se forman los
límites de grano, que delimitan a los denominados granos.
Los cristales que constituyen la estructura de los metales (sólidos) se llaman granos, y no están limitados
por caras planas, sino que éstas son totalmente irregulares. Durante la solidificación los metales detienen su
crecimiento al entrar en contacto entre ellos, generándose el contorno de grano, y por este motivo sus caras
son irregulares.
Los límites de grano son aquellos sitios en que los cristales se pusieron en contacto y que estaban
ocupados por el último líquido que quedaba y por lo tanto en los límites de grano hay elevada concentración
de impurezas. Los límites de grano son zonas transición de las redes de cada grano vecino que se acomodan
y se distorsionan formando una ligadura muy fuerte, aunque los átomos del límite estén fuera de sus posiciones
normales/de equilibrio.
Los límites de grano tienen elevada energía debido a las impurezas, y debido a que los átomos se
ordenaron como pudieron fuera de la posición de equilibrio. Será en estas zonas donde los procesos químicos
y físicos actuarán, por ejemplo, la oxidación.
Los bordes de grano son sitios donde cambian las direcciones de los planos, por lo que tienden a trabar
los desplazamientos. A menor tamaño de grano, mayor cantidad de límite de grano, será menos deformable
plásticamente y ofrecerá mayor resistencia mecánica y tenacidad.
Una vez finalizada la solidificación, y posterior a un proceso de pulido, es posible observar bajo
microscopio los diferentes granos que se formaron:
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El tamaño de grano de los metales es una característica importante ya que, a menor tamaño, mayores
serán la resistencia mecánica y la tenacidad. El tamaño que alcanzan los granos durante la solidificación
depende de dos factores principales: la velocidad de enfriamiento y la presencia o no de agentes nucleantes:
• Influencia de la velocidad de enfriamiento: Se obtiene un tamaño de grano chico cuando la velocidad
de enfriamiento durante la solidificación es rápida y un grano grande si se da la condición contraria.
La influencia de este factor se explica de la siguiente manera: si la velocidad es rápida, los núcleos
formados no son destruidos por los átomos del metal fundido ya que éstos pierden rápidamente energía
cinética. Por este motivo se tienen muchos núcleos que crecen simultáneamente y forman un tamaño de grano
chico.
Si la velocidad de enfriamiento es lenta, los núcleos formados van siendo destruidos por los átomos de
alta energía en movimiento, permaneciendo solamente los más grandes. De esta manera quedan pocos núcleos
que crecen y por lo tanto se obtienen un tamaño de grano grande.
• Influencia de los agentes de nucleación: La presencia de agentes de nucleación favorece el tamaño
de grano chico ya que crea dentro del metal fundido una gran cantidad de núcleos estables a partir de los cuales
crecen los granos. Se observa la gran importancia que tienen los mismos en la obtención de un grano pequeño
que brinda buenas propiedades mecánicas.
POLICRISTALES Y MONOCRISTALES
Aquellos materiales denominados policristalinos o poligranulares son aquellos que contienen muchos
granos o cristales. Este tipo de materiales son los que se utilizan en la mayoría de las aplicaciones industriales.
En algunas aplicaciones, sin embargo, es necesario que el material no posea más que solo grano, por
ejemplo, cuando se fabrica silicio o germanio, para su utilización en la fabricación de transistores. En estos
casos nos encontramos en presencia de los denominados materiales monocristalinos o monogranulares y en
su fabricación se utilizan procesos de solidificación bastante complejos.
IMPERFECCIONES CRISTALINAS
Muchos materiales al solidificar forman estructuras cristalinas. Las estructuras de estos materiales no
son cristales perfectos, sino que contienen imperfecciones a nivel atómico que tienen influencia sobre algunas
de sus propiedades. Por ejemplo, un valor teórico de resistencia del acero de bajo carbono es de 20.000
Kg/mm2 lejos del valor real; dicha diferencia se encuentra en las llamadas imperfecciones de los cristales.
Estas imperfecciones se pueden clasificar en:
Defectos Puntuales o Vacancias:
Se llama imperfección puntual cuando en la red falta uno de sus átomos (que estaría en la red perfecta
estaría) o bien cuando en la red hay incluido un átomo que no pertenece a ella.
La ausencia de un átomo en su sitio se llama “vacancia”. Son defectos de equilibrio ya que se forman
durante la solidificación del material y no hay forma de evitar su formación. Normalmente se encuentra un
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lugar vacante cada10.000 sitios ocupados por átomos. Las vacancias también se forman al aumentar la
temperatura de un material sólido.
La presencia de un átomo extraño en la red se llama “átomo de impureza substitucional”. Es decir, un
átomo extraño (soluto) a la red va a ocupar una vacancia. Por lo general, el tamaño de este átomo va a ser
relativamente similar a aquellos de la red (solvente), no obstante, las posiciones cristalinas se distorsionan por
sus diferentes tamaños.
La presencia de un átomo en los intersticios de la red se llama “átomo de impureza intersticial”. En
este caso, el átomo extraño va a ser mucho que los átomos de la red y se va a ubicar entre los intersticios que
existen entre ellos.
Las vacancias deforman la estructura cristalina alrededor de cada una de ellas creando un estado de
tensiones locales. Igualmente lo hacen las impurezas atómicas sustitucionales o intersticiales.
Defectos de Línea o Dislocaciones:
Los defectos de línea se denominan dislocaciones y originan la distorsión de la red alrededor de la línea
de dislocación. Estas pueden ser de borde o helicoidales. Las dislocaciones se crean durante la solidificación
del sólido cristalino y van a favorecer el deslizamiento de planos densos que, como los metales se deforman
por deslizamiento de planos, también va a favorecer su deformación. Existen tres tipos: de borde, helicoidales
y mixtas.
Las dislocaciones de borde se forman por inserción de semiplanos en cristales perfectos. Se crean
esfuerzos de compresión en la zona donde está ubicado el semiplano adicional y esfuerzos de tracción donde
éste no se encuentra. Hay millones de planos extra, el plano extra no continúa por toda la superficie si le hago
un esfuerzo tal que voy empujando dicho plano, sale para el otro lado y se produce una deformación plástica
a nivel atómico.
Las dislocaciones son defectos de no equilibrio y almacenan energía en la región distorsionada de la red
cristalina alrededor de la dislocación. La dislocación de arista presenta una región de tensión o compresión
donde se encuentra el medio plano adicional y una región de esfuerzo a la tensión debajo del medio plano
adicional de átomos
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Las dislocaciones helicoidales se forman cuando se aplican esfuerzos cizallantes/cortantes hacia arriba
y hacia abajo en los renglones del cristal perfecto, que han sido separados por un plano cortante. Estos
esfuerzos cortantes introducen en la estructura cristalina una región de distorsión en forma de una rampa en
espiral de átomos distorsionados.
También se pueden dar las dislocaciones mixtas. La mayoría de las dislocaciones en los cristales son
de tipo mixto, y tienen componentes de arista y helicoidales. En la línea de dislocación curvada AB de la
figura, la dislocación es de tipo helicoidal puro a la izquierda por donde entra en el cristal y de tipo de arista
pura a la derecha por donde deja al cristal. En el interior del cristal, la dislocación es de tipo mixto, con
componentes en arista y helicoidales.
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Defectos de Superficie:
Los principales defectos de superficie son los límites de grano. Estos, son zonas que poseen una elevada
concentración de impurezas y de elevada E debido a que los átomos no están en su posición de equilibrio y en
parte también por las impurezas; haciéndolos más susceptibles a ataques externos (por ejemplo, ser atacados
por la erosión o soluciones ácidas).
Los límites de grano son los defectos de la superficie en los materiales policristalinos que separan a los
granos (cristales) de diferentes orientaciones. Entre mayor sea la energía en los límites de grano y su estructura
sea más abierta, éstos se convertirán en una región más favorable para la nucleación. El menor orden atómico
en los límites de granos también permite una difusión atómica más rápida en esas regiones.
Determinación del tamaño de grano:
El tamaño de los granos es de vital importancia para las propiedades de los metales. De esta forma, a
mayor cantidad de límites de grano, menor será el tamaño de grano, favoreciéndose las propiedades de
resistencia mecánica, tecnológicas y tenacidad. Mientras más grande sea el grano, se van a tener propiedades
más pobres.
Una forma de establecer el tamaño de grano es a través del índice ASTM de tamaño de grano "n"
definido por:
𝑁 = 2𝑛−1
Donde N es el número de granos por plg2 determinados sobre una muestra pulida con un aumento de
100 en el microscopio, y “'n” es un número entero llamado índice ASTM de tamaño de grano. Los granos se
clasifican de 1 a 10 correspondiendo el número 1, al tamaño más grande y el número 10 al tamaño más chico.
Defectos de Volumen o Fallos de Apilamiento:
Los defectos volumétricos o tridimensionales se forman cuando un grupo de átomos o de defectos
puntuales se unen para formar un vacío tridimensional o poro. El tamaño de un defecto volumétrico puede
variar desde unos cuantos nanómetros hasta centímetros o, en ocasiones, puede ser mayor.
MACRODEFECTOS
Son defectos que resaltan a simple vista y aparecen durante la solidificación de los metales debido a la
contracción de volumen que ocurre durante el cambio de estado o bien por el entrampamiento de gases en los
espacios inter-dendríticos. Los más típicos son: Porosidades, Embudos de contracción o rechupes, Fisuras o
Grietas, Segregaciones y Microporosidades.
Porosidad:
Son burbujas de gas que no llegaron a salir a la superficie antes de que se termine la solidificación y
quedaron en el interior del líquido y, por ende, del sólido en la solidificación. Sucede cuando los moldes no
están bien calentados.
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Embutidos de Contracción o Rechupes:
Son cavidades presentes en el interior central y el exterior de la cabeza de la pieza, ocasionado por una
falta de alimentación del metal líquido que compense la concentración de volumen en el cambio de estado.
En el proceso de solidificación, el metal se contrae formando una especie de embudo. El rechupe central se
produce en el centro del lingote debido a la contracción por la solidificación. El rechupe en cabeza se produce
por el mismo cambio de estado y afecta el material de la mazarota (se conoce en fundición y metalurgia al
depósito de metal fundido que se coloca en los sitios críticos del molde; es decir, puntos en que el metal rebosa
por encima, y tienden a generar fallas por falta de material en la pieza terminada.).
Los rechupes centrales se pueden solucionar a través del proceso de CALDEO. Cuando los lingotes
pasan por un tren de laminación, son aplastados a altas T y los rechupes se juntan en el proceso de laminación,
provocando que se suelden y se vuelva a producir el enlace metálico.
Fisuras o Grietas:
Son producidas por el enfriamiento brusco o desigualdad en el enfriamiento.
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DIFUSIÓN
Es común observar que muchos procesos de fabricación o transformación de los materiales se aceleran
con el aumento de la temperatura, esto se debe a que ellos dependen de la difusión atómica en estado sólido,
la que aumenta su velocidad con la temperatura.
Cuando hablamos de difusión se está haciendo referencia a un movimiento atómico, es el mecanismo
por el cual la materia se transporta a través de la materia. Si pensamos en una estructura cristalina perfecta en
la cual no hay espacios huecos (vacancias) sería imposible la difusión ya que los átomos no tendrían lugares
vacíos a donde saltar. De esta forma, es posible confirmar que la difusión atómica se produce porque los
sólidos no tienen una estructura perfecta, sino que hay muchos lugares vacantes donde los átomos se pueden
mover de un lugar a otro.
Existen dos principales mecanismos de la difusión de los átomos en una red cristalina:
• Difusión Sustitucional o de Vacante: se produce cuando el tamaño de los átomos de soluto es similar
que el de los átomos de solvente. Para que los átomos pueden moverse en la red cristalina de una posición
atómica a otra, es necesaria la presencia de defectos puntuales (vacancias) para que se facilite la migración
atómica. Además de existir el lugar donde saltar, los átomos deben tener una energía vibracional superior a la
barrera energética que se opone al salto. Esta barrera energética es conocida como energía de activación y se
la designa normalmente con la letra Q. Ejemplo de esta difusión es el Niquel y el Aluminio.
El aumento de temperatura incrementa la energía vibracional de los átomos y al mismo tiempo favorece
la creación de lugares vacantes, factores ambos que favorecen la difusión atómica en estado sólido. Es por
este motivo que la difusión (velocidad) aumenta con la temperatura.
• Difusión Intersticial: se produce cuando el tamaño de los átomos de soluto es más pequeño que el de
los átomos de solvente. Los átomos de soluto se van a mover y ubicar dentro de los intersticios de la red, por
lo que se mueven con menor dificultad. En este caso, el incremento de temperatura favorece la difusión solo
al aumentar la energía vibracional de los átomos ya que los espacio a donde saltan los átomos, los intersticios,
están siempre presentes.
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En resumen: 𝐷𝑠 = 𝑓(𝑇°, 𝑣𝑎𝑐𝑎𝑛𝑐𝑖𝑎𝑠) y 𝐷𝑖 = 𝑓(𝑇°)
La difusión atómica puede ser de dos tipos a saber: Difusión en estado estacionario y Difusión en estado
no estacionario.
Difusión en Estado Estacionario:
Es aquella en la que la concentración del elemento atómico que está difundiendo depende de la distancia
pero es independiente del tiempo Este tipo de difusión tiene lugar cuando un gas no reactivo se difunde a
través de una lámina metálica. Por ejemplo, cuando el hidrógeno gas se difunde a través de una lámina de
paladio metálico.
Se puede observar en la siguiente curva cómo varía la concentración en función de la distancia
(gradiente de concentración):
Al ser la difusión del tipo estacionario el gradiente no se modifica con el tiempo.
La ecuación que permite calcular el flujo atómico es decir la cantidad de átomos que atraviesa la unidad
de área por unidad de tiempo se conoce como primera Ley de Fick: J= - D dC/dx. Esta ley es útil para evitar
que se exceda la penetración al núcleo
Como se observa el flujo depende de dos términos uno de ellos es el gradiente de concentración (dC/dx)
y el otro es la difusividad D. La difusividad es propia del sistema en el que se está trabajando y depende de
cuatro factores que son:1) temperatura a la cual se produce la difusión 2) estructura cristalina del solvente,3)
mecanismo de difusión (sustitucional o intersticial) y 4) defectos cristalinos (Ej. En el libro).
Para modificar el flujo atómico, de acuerdo con la primera ley de Fick, se puede modificar el gradiente
de concentración o la difusividad, en este último caso, principalmente cambiando la temperatura.
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La difusión en estado estacionario no tiene mucha relevancia desde el punto de vista de los procesos
industriales de fabricación o trasformación.
Difusión en Estado NO Estacionario:
Es aquella en la que concentración atómica del elemento que está difundiendo depende tanto de la
distancia como del tiempo.
Un ejemplo de difusión en estado no estacionario se presenta en un proceso de enriquecimiento
superficial de carbono en aceros que se denomina cementación (el proceso aporta carbono a la superficie
mediante difusión). Este proceso se aplica en piezas fabricadas en acero que deben tener en su núcleo un
contenido de carbón bajo y en superficie un valor alto de este elemento (Por ejemplo, engranajes cajas de
cambio). En los aceros, el contenido de carbono se relaciona con la dureza de este. Un acero con alto contenido
de carbono tendrá una dureza alta, pero al mismo tiempo su tenacidad será baja. Los engranajes de una caja
de cambio son piezas que deben tener una alta dureza superficial y alta resistencia al desgate. Al mismo tiempo
estas piezas, deben tener una buena tenacidad en su parte interna (núcleo); para poder soportar los constantes
choques y vibraciones a que están sometidas Con un acero de un contenido de carbono uniformé en toda la
pieza, en su parte superficial y en su interior, no se puede satisfacer ambos requisitos. La solución se alcanza
fabricando las piezas con un acero de bajo carbono y luego enriquecer superficialmente el contenido de
carbono de las piezas.
El proceso de cementación consiste en la difusión del carbono dentro del acero lo que se logra
calentando las piezas en un horno a aproximadamente a 915º C manteniéndolas a esta temperatura durante un
cierto tiempo en contacto con una atmósfera que cede carbono. La atmósfera gaseosa de la cementación está
formada por gases como CO, H2, y metano (CH4). En función del tiempo del proceso se va incrementando el
espesor de la capa cementada.
Durante el proceso de difusión del carbón dentro de las piezas se va modificando su concentración tanto
en función de la distancia a la superficie de la pieza como del tiempo de procesamiento (tiempo de
cementación). En la siguiente gráfica se muestra perfiles de concentración de carbón en distintos tiempos de
proceso:
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La ecuación que da cuenta a este proceso difusional es la llamada segunda Leyde Fick y es la siguiente:
dC/dt = d/dx (D.C/dx). Con esta ecuación podemos calcular el tiempo para alcanzar un determinado contenido
de carbono a una cierta distancia desde la superficie o bien la concentración de carbono que se alcanzará al
cabo de un tiempo a una determinada distancia de la superficie, es decir, se puede utilizar para calcular el
tiempo que van a tardar en penetrar los átomos de soluto en el solvente.
Variación de la Velocidad de Difusión con la T:
La velocidad de difusión se relaciona con la temperatura a través de la siguiente ecuación:
𝑣 = 𝐴 ∗ 𝑒 −𝑄/𝑅𝑇
En esta ecuación, A se conoce como factor de frecuencia y está relacionado con el número saltos
efectivos que realizan los átomos, de todos los saltos que efectúan en sus intentos de difundir Q es la energía
de activación, R es la constante universal de los gases y T es la temperatura absoluta.
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U4: PROPIEDADES MECANICAS DE LOS METALES
Deformación de los Metales Metálicos
1) Se denomina zona elástica, donde al sacar la tensión no se derforma la probeta de manera permanente,
sino que vuelve a sus dimensiones originales/de equilibrio.
2) En el punto de fluencia, la tensión aplicada es muy grande por lo que provoca que las placas se muevan,
sin poder volver a su forma original, iniciando una deformación permanente. Aquí es donde comienza
la deformación plástica.
3) Aquí es donde la deformación llega al máximo de fuerza aplicada en la probeta luego de continuar
aumentando la tensión. La desunión de átomos y el movimiento de placas generan la deformación
completa permanente.
4) En este punto, es posible observar que al pasar la carga máxima, van a ir comenzando a disminuir los
valores de esta, terminando en la rotura de la probeta.
Fluencia: Cuando un metal o aleación está bajo una carga o esfuerzo constante, puede sufrir una
deformación plástica progresiva después de un tiempo. Esta deformación dependiente del tiempo se
denomina fluencia.
Si sometemos a una muestra de un material metálico a una fuerza de tracción uniaxial, se pueden dar
dos situaciones:
Deformación Elástica:
Es un tipo de deformación en la cual la fuerza aplicada no es suficientemente alta para que el material
se deformara, por lo que al quitar la fuerza la muestra retornará a sus dimensiones originales. En la misma no
hay desplazamiento de capas atómicas, sino que la deformación responde únicamente a que la fuerza origina
a que se aumenten las distancias interatómicas de equilibrio. Al quitar la fuerza los átomos vuelven a sus
posiciones de equilibrio.
Deformación Plástica:
En este caso, la fuerza aplicada es más alta, por lo que llegará un momento en el que el material sufrirá
una deformación tal que al eliminar la fuerza aplicada no retornará a sus dimensiones originales. De esta
forma, ahora si se produce el desplazamiento entre planos atómicos y al eliminar la fuerza ya no se retorna a
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la condición original, es decir que hay un desplazamiento permanente de los átomos respecto de sus posiciones
originales.
Un metal va a deformarse por dos mecanismos: el deslizamiento y el maclado (no se va a dar en todos
los metales).
El deslizamiento se va a dar mediante los planos densamente poblados, puesto a que, como se verá,
mientras más densos, más fácil va a ser moverlos y deformar el cristal.
Esfuerzo Cizallante Critico o Tensión Mínima de Fluencia:
Para que se produzca el desplazamiento de un plano atómico respecto de otro, y que se origine una
deformación permanente, se debe superar un esfuerzo cizallante mínimo denominado esfuerzo cizallante
crítico. Este, va a ser el esfuerzo mínimo que se requiere para desplazar a los planos atómicos y provocar
deformaciones plásticas.
Se ha calculado este esfuerzo para distintos materiales metálicos y se ha encontrado que su valor es de
1 000 a 10 000 veces superior al valor medido experimentalmente. La explicación para esta divergencia es
atribuida a la presencia de los defectos de línea denominados dislocaciones, que como se vio, están presentes
en todos los sólidos metálicos.
Para que se produzca el desplazamiento de un plano atómico respecto de otro en presencia de las
dislocaciones, no es necesario que se rompan simultáneamente todos los enlaces entre átomos situados en
planos adyacentes, sino que, rompiendo de un enlace por vez, la dislocación se va moviendo y finalmente
cuando ésta atraviesa todo el cristal, se habrá producido el desplazamiento entre planos, es decir, el metal se
habrá deformado plásticamente.
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Una situación análoga a la descrita para el movimiento de una dislocación en un metal por la acción de
una tensión de cizalladura, ocurre en el movimiento de una alfombra de grandes dimensiones con una
ondulación que la cruza. Mover la alfombra tirando por uno de sus extremos puede resultar imposible debido
a la fricción entre el suelo y la alfombra. Sin embargo, generando una ondulación en la alfombra (equivalente
a una dislocación en un cristal metálico), y empujando esa ondulación, puede moverse poco a poco la alfombra
a lo largo de la habitación.
La deformación se produce según planos compactos. El desplazamiento se favorece en los planos
compactos porque la tensión de cizalladura requerida para el deslizamiento atómico es menor que en los planos
con menor compactibilidad. Esto lo podemos visualizar gráficamente si comparamos las pendientes que
deben ser vencidas para efectuar el desplazamiento de un átomo de un punto a otro en un plano compacto y
en un plano no compacto. Donde la pendiente del plano compacto es mucho menor que aquella en los planos
no compactos.
Así, el esfuerzo cizallante necesario para mover los átomos sobre planos compactos es menor y por este
motivo los deslizamientos se realizan preferentemente según estos planos. No obstante, si el deslizamiento
sobre un plano de máxima compactibilidad está restringido, por ejemplo, debido a una tensión local elevada,
pueden activarse planos de empaquetamiento menor.
Igual razonamiento cabe para el deslizamiento según direcciones compactas. También se favorece el
deslizamiento en direcciones de máxima compactibilidad porque la energía requerida para mover átomos de
una posición a otra es menor cuando esos átomos están más cerca.
Sistemas de Deslizamiento:
Es la combinación de un plano de deslizamiento y una dirección de deslizamiento. El número de sistemas
de deslizamiento varía según la estructura cristalina de que se trate.
•
Estructura FCC: existen cuatro planos compactos y tres direcciones compactas (las de las
diagonales de las caras del cubo). Por lo tanto, la combinación de los planos y direcciones
compactas da un valor de 12, es decir, se puede decir que los metales con estructura FCC
presentan doce sistemas de deslizamiento o caminos por los cuales puede producirse la
deformación cuando son sometidos a esfuerzos. Este alto número de "caminos de deformación"
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posibles, indica que los metales que cristalizan en este sistema serán fáciles de deformar o sea
dúctiles y maleables. Toman acritud fácilmente. Por ejemplo: Ag, Al, Au, Ni, Fe γ.
•
Estructura BCC: no presenta planos compactos, pero la deformación se produce según los seis
planos no compactos diagonales del cubo y por las dos direcciones compactas (son las diagonales
del cubo). Por lo tanto, hay también doce sistemas de deslizamiento lo que indica que los metales
que presentan este sistema cristalino son también muy dúctiles. La diferencia está, en este caso,
en que al no existir planos compactos se requerirá mayor esfuerzo para que se produzca la
deformación. Por ejemplo: Fe α, Co.
•
Estructura HCP: presenta solo un plano compacto el, el plano basal y tres direcciones
compactas En este caso solo existen tres sistemas de deslizamiento o "caminos de deformación".
Una conclusión inmediata que se puede extraer es que esta estructura cristalina es más frágil que
las anteriores y muy poco dúctil. Por ejemplo: Mg, Zn, Ti.
Acritud: cuando el metal se pone agrio, cuando al deformar a un metal a temperatura ambiente, usando
un movimiento para un lado y el otro hacia la otra dirección, genera energía (calor) y se resiste a ser deformado,
esta resistencia que se presenta se conoce como acritud.
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MACLADO
Otro importante mecanismo por el que se puede producir la deformación plástica de los metales es el
maclado. El maclado es un mecanismo que proporciona planos de deslizamiento con orientación favorable
para la posterior deformación plástica. En este proceso, una parte de la red atómica se deforma de tal modo
que genera una imagen especular de la red no deformada cercana. En este proceso un gran grupo de átomos
se desplaza en conjunto para formar una región de una retícula cristalina metálica que es una imagen de espejo
de una región similar a lo largo de un plano de maclado.
El maclado, igual que el deslizamiento, tiene lugar en una dirección específica denominada dirección de
maclado.
El deslizamiento deja una serie de escalones (líneas), mientras que el maclado deja pequeñas, pero bien
definidas, regiones del cristal deformado.
De las tres estructuras cristalinas más usuales en metales, el maclado es el proceso más importante en la
estructura HCP debido a su reducido número de sistemas de deslizamiento. No obstante, e incluso con la ayuda
del maclado, metales HCP como el Zn y el Mg son menos dúctiles que los metales con estructura BCC y FCC
que tienen más sistemas de deslizamiento. La deformación por maclado ha sido observada en metales HCP a
temperatura ambiente y metales BCC tales como Fe, Mo, W, Ta y Cr deformados a muy baja temperatura.
También se ha observado maclado en metales BCC a temperatura ambiente cuando han sido sometidos a una
velocidad de deformación muy elevada. Los metales FCC tienen menor tendencia a formar maclas de
deformación, aunque en algunos metales FCC puede ocurrir la deformación por maclado si el nivel de tensión
es lo bastante alto y la temperatura suficientemente baja.
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Ignacio Enriquez – 2022 – 2D4
Las maclas pueden clasificarse en dos tipos:
• Maclas mecánicas: se produce por deformación plástica, y es cuando el grano presenta líneas
paralelas.
• Maclas de tratamiento térmico: se producen cuando un metal es fabricado en frío, se generan durante
el tratamiento térmico a materiales que no se maclan.
DEFORMACION PLASTICA DE MONOCRISTALES
Si sometemos una barra de un monocristal o sea de grano único, de un metal tal como el cinc a un
esfuerzo uniaxial para ocasionarle deformación plástica y luego quitamos la fuerza aplicada, observaremos
sobre la superficie del mismo marcas paralelas en forma de escalones denominadas bandas de deslizamiento,
con una orientación de aproximadamente de 45° respecto al eje de la aplicación de la fuerza. Estas marcas dan
cuenta de la intensa deformación, grandes desplazamientos interatómicos sobre planos cristalográficos
específicos denominados planos de deslizamiento; en este caso, según los planos basales: los planos
compactos del sistema HCP, que son los que corresponden a la estructura cristalina del cinc.
MECANISMOS DE ENDURECIMIENTO
Existen diversos mecanismos de endurecimiento de los materiales metálicos. La deformación se facilita
con el movimiento de las dislocaciones, cualquier obstáculo que dificulte el movimiento de las mismas,
originará un endurecimiento del material.
Los mecanismos de endurecimiento que se nombran están relacionados con la deformación de los
metales:
Endurecimiento por deformación en frío:
Al deformar el metal o aleación a temperatura ambiente o por debajo de la temperatura de
recristalización el metal se dice que ha sido deformado en frío. Es cuando se aplica un esfuerzo sobre un
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Ignacio Enriquez – 2022 – 2D4
metal y este se deforma plásticamente, se generan dislocaciones y éstas aumentan cada vez más a medida que
la deformación progresa. Se aplica energía para la deformación, que se va a presentar en forma de calor, pero
que va a quedar almacenada como energía interna para crear dislocaciones.
Cuando la cantidad de dislocaciones se incrementa por deformación comienzan a interferirse entre sí en
su movimiento, se entrecruzan y forman lo que comúnmente se denominan un “bosque de dislocaciones”. El
material se va endureciendo ya que las dislocaciones no pueden moverse tan fácilmente y por este mismo
motivo también se va perdiendo ductilidad y adquirirá acritud. Si se continua la deformación más allá de un
cierto valor, se crea mucho límite de grano que hace que el metal se endurezca antes de romperse. De esta
forma, se habrá fragilizado tanto que ya no admite deformaciones y se corre el riesgo de que se fisure o se
fracture. Si se necesita seguir deformando habrá que recocer el material.
A mayor deformación → mayor rotura de cristales → mayor dificultad para el desplazamiento de las
dislocaciones → mayor resistencia toma el material y menor su ductilidad. Las dislocaciones hacen que los
granos y los limites de grano se alarguen.
Sin deformación
Leve deformación
Fuerte deformación
En el siguiente gráfico se muestra cómo se incrementa la resistencia mecánica del cobre puro y como
disminuya su ductilidad a medida que aumenta la deformación en frío.
El endurecimiento por deformación en frio es uno de los métodos industriales utilizados para aumentar
la resistencia de metales que no responden a otros tipos de tratamientos de endurecimiento Un ejemplo se
presenta en el cobre y en algunas de sus aleaciones como ser, por ejemplo, el latón (aleación de Cu-Zn), que
recurren a este endurecimiento por deformación en frio para aumentar su dureza y resistencia.
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Ignacio Enriquez – 2022 – 2D4
En el mercado se consigue estos materiales con distintos grados de deformación plástica en frío
designando a estos grados comúnmente como: ¼ duro, ½ duro, ¾ duro, duro, extraduro o dureza resorte, que
es el grado que corresponde a la máxima dureza que se puede alcanzar en los mismos.
Ejemplos:
TRAFILADO: proceso para la fabricación de alambres, reducción de sección de un alambre o varilla
haciéndolo pasar a través de un orificio cónico practicado en una herramienta llamada hilera o mandril.
LAMINACIÓN: La laminación en caliente y la laminación en frío son métodos que se usan
comúnmente en la fabricación de metales y aleaciones; para reducir su espesor. Mediante estos métodos se
pueden producir chapas y placas de gran longitud y con secciones transversales uniformes.
La deformación en frío hace
que la chapa se endurezca y
aumente su resistencia; pero
decae su ductilidad.
Endurecimiento por Límite de Grano:
En los materiales policristalinos los límites de gramo restringen el movimiento de las dislocaciones ya
que representan obstáculos que las mismas no pueden superar. A esto, se lo denomina endurecimiento por
límite de grano. Evidentemente cuanto más limites tengamos, o sea, a menor tamaño de grano, mayor será la
resistencia y dureza del material. Sin embargo, son menos dúctiles y resistentes a la corrosión y termofluencia
(deformación bajo carga constante a temperaturas elevadas).
Esfuerzo para deformar el Grano
+ chico el grano
+ esfuerzo para deformar
Grano más pequeño
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Ignacio Enriquez – 2022 – 2D4
Endurecimiento de los Metales por Solución Sólida:
El endurecimiento por solución sólida se pone de manifiesto en las aleaciones metálicas ya que los
átomos del soluto (ya sea metido sustitucional o intersticialmente) al ser de distinto tamaño que los del
solvente, introducen tensiones en la red del solvente y crean tensiones que frenan el movimiento de las
dislocaciones. En este caso, la adición de uno o más elementos al metal puede aumentar la resistencia por la
formación de una disolución sólida. A mayor cantidad de soluto, más serán los obstáculos para el movimiento
de dislocaciones.
Los campos de tensión generados por
átomos de soluto interactúan con los
campos de tensión de las
dislocaciones, promoviendo
endurecimiento.
Esto lo vemos manifestado si comparamos las resistencias a la tracción que tienen el cobre puro y el
latón (Cu-30%Zn), sin deformación plástica. Se observa que la resistencia del cobre es menor que la de su
aleación. Esta última se ha endurecido por solución sólida, es decir al introducir átomos de cinc en la red del
cobre.
Deformación de Policristales
Los metales policristalinos que no han sido sometidos a deformación plástica, presentan muchos granos
de forma poligonal también denominada equiaxial. Cuando estos metales son deformados, las dislocaciones,
como no pueden atravesar los límites de grano, se van acumulando y ejerciendo presión sobre los mismos. Si
la deformación continua esta presión sobre los límites hace que los mismos se muevan en la dirección de la
deformación lo que lleva a que los granos se deformen (se alarguen) hasta que en un determinado momento
se alcanza un grado de deformación tal que el material se ha fragilizado tanto por deformación en frio que no
se puede continuar sin que se corra el riesgo de que el mismo se rompa.
Debido al endurecimiento por deformación en frío se habrán alterado las propiedades físicas y mecánicas
del metal:
• Aumento en el límite de grano.
• Disminuye la ductilidad.
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Ignacio Enriquez – 2022 – 2D4
• Aumenta el límite elástico y la carga de
• Disminuye la conductividad eléctrica.
rotura.
• Disminuye la resistencia a la corrosión.
• Aumenta la resistencia.
En proporción, el límite elástico aumenta más que la carga de rotura, por lo que se debe tener cuidado
cuando se acercan, porque si se sigue deformando se corre el riesgo de que el material se rompa.
RECOCIDO
Si por ejemplo mediante un proceso de deformación en frío tal como la laminación queremos producir
una chapa con un espesor determinado a partir de una chapa de mayor espesor, puede ocurrir que al cabo de
una determinada deformación no se logrado el espesor deseado y el material se ha fragilizado y no admite más
deformación. A fin de continuar con la reducción lo que se debe hacer es realizar sobre el material algún
tratamiento que elimine dislocaciones y por lo tanto lo vuelva a ablandar. Este tratamiento térmico es
denominado "recocido", se efectúa a una temperatura aproximada a los 2/3 del punto de fusión del metal o
aleación de que se trate.
En el mismo, a través de la difusión atómica en estado sólido facilitada por las altas temperaturas, los
átomos se reacomodan eliminando las dislocaciones y ablandando el material. Luego de este tratamiento
podemos continuar con la reducción del espesor por deformación en trío.
En el siguiente gráfico se muestra cómo se modifican la resistencia mecánica y la ductilidad en un ciclo
de deformación plástica en frio y recocido:
Existen 4 tipos de recocido:
•
Recristalización.
•
Contraacritud.
•
Ablandamiento.
•
Globulización.
En el recocido se pueden reconocer 3 etapas según la temperatura y tiempo de tratamiento:
•
Recuperación.
•
Recristalización.
•
Crecimiento de Grano.
Asimismo, se puede dar cuenta de una cuarta etapa denominada “Recristalización Secundaria”, que no
se prefiere ni debería aparecer.
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+ DUREZA
- CONDUCTIVIDAD
- DUREZA
+ CONDUCTIVIDAD
1) Recuperación:
En esta primera instancia, se calienta el metal deformado en el rango de temperatura de recuperación,
justo debajo de la temperatura de recristalización, y se tienden a recuperar las propiedades primitivas del
material. Las dislocaciones se reacomodan dentro del grano en las posiciones de mínima energía y se produce
la eliminación de las tensiones residuales.
Las propiedades físicas son las primeras en recuperarse, mientras que las mecánicas lo harán a mayor
temperatura/tiempo. Durante este proceso, el grano mantiene su forma deformada, la conductividad eléctrica
del material se incrementa, la resistencia de un metal trabajado en frío se reduce ligeramente, pero aumenta
significativamente su ductilidad.
2) Recristalización:
Se denomina así debido a que en este período de tiempo a temperatura se produce la recristalización del
material. Si la temperatura de recocido es la adecuada se produce la recristalización. En esta etapa, dentro de
los granos deformados nacen núcleos de cristales sin deformación y van creciendo en función del tiempo hasta
que todos los granos han recristalizado adquiriendo nuevamente los mismos la forma poligonal (equiaxial)
libre de dislocaciones y tensiones, por lo que se puede seguir el proceso.
En la recristalización, los nuevos granos que aparecen lo hacen por nucleación y crecimiento, por lo que
este proceso va a estar gobernado por dos velocidades. Mientras más deformación haya, mayor va a ser la
nucleación (+ núcleos generados), los granos van a chocar con otros evitando que crezcan (poco crecimiento)
y se produce un grano fino. Si hay menos deformación, los núcleos tienen más tiempo para crecer y
predominan las velocidades de crecimiento.
Se terminan de recuperar las propiedades como la dureza y la resistencia. Mediante la recristalización
total se consigue obtener el material con la mínima dureza y con la máxima ductilidad, eliminándose
completamente el endurecimiento por deformación en trio. Si el tiempo de recristalización no ha sido
suficiente no se logra la recristalización total sino solamente la recristalización parcial.
3) Crecimiento de Grano:
El crecimiento de grano depende fuertemente de las velocidades de nucleación, crecimiento y cantidad
de deformación producida. La idea del método es obtener granos equiaxiales y de tamaño pequeño. Si la
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Ignacio Enriquez – 2022 – 2D4
velocidad de nucleación es alta y el crecimiento del grano es bajo, los granos chocan entre sí, produciendo
granos finos y chicos.
A temperaturas de recocido aún más altas, la recuperación y la recristalización ocurren de manera rápida,
lo cual genera una estructura granular recristalizada fina.
4) Recristalización Secundaria:
Esta etapa no es deseada en el tratamiento. Se da cuando por alguna causa se eleva demasiado la
temperatura o el tiempo (dentro del horno) es excesivo o bien ambas parámetros. De esta forma, se pierde el
control del crecimiento de los granos, provocando granos grandes y limites de grano agrandados, perdiendo
propiedades del metal y generándose fragilidad en el mismo.
Tensión residual: es cuando se hacen deformaciones plásticas o elásticas, las cuales quedan “clavadas” en el
material. Son tensiones elásticas que no salieron al retirar la carga y que, con procesos térmicos (recuperación),
se pueden eliminar.
DEFORMACIÓN PLÁSTICA EN FRÍO Y EN CALIENTE
Se denomina deformación plástica en frio aquella que se efectúa por a temperatura ambiente o debajo
de la temperatura de recristalización. Mediante este proceso el material se endurece y ganan resistencia, y al
mismo tiempo se fragiliza y pierde ductilidad (ACRITUD). En este caso si son necesarias grandes
deformaciones será necesario efectuar recocidos intermedios de ablandamiento.
La deformación plástica en caliente es aquella que se efectúa por encima de la temperatura de
recristalización. Durante esta deformación no hay endurecimiento ya que el material se está continuamente
recristalizando. El grado de deformación es prácticamente ilimitado y, por ejemplo, una chapa muy gruesa
puede ser reducida al espesor de una hoja delgada en forma continua.
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Ignacio Enriquez – 2022 – 2D4
U5: FASES Y DIAGRAMAS DE FASES
FASES METÁLICAS
Cuando se unen dos o más metales puros, se consigue formar lo que se denomina una aleación, los
mismos cuando solidifican se pueden presentar ya sea formando soluciones sólidas, compuestos
intermetálicos, compuestos químicos o incluso pueden estar puros. Son innumerables, según la necesidad para
la que fueron creadas. Pueden ser del tipo binaria, ternaria, cuaternaria, etc. La presencia de distintos
elementos va a producir aleaciones con distintas microestructuras que tendrán por lo tanto propiedades
diferentes. Las propiedades modificadas son muchas: dureza, resistencia, inoxidabidad, resistencia a la
fricción, resistencia al creep (estiramiento lento del metal por tensión y temperatura), resiliencia, ductilidad,
colabilidad, etc. Es importante entonces conocer baje que forma se encontrarán estos metales luego de la
mezcla, es decir, que tipo de “fases” se presentará al mezclar los mismos.
Definiciones:
Sistema: Sustancia o conjunto de sustancias consideradas independientes de la acción de compuestos
extraños; es decir libres de toda alteración producida por otros cuerpos extraños. Ej: Sistema Al-Cu. Fe-C.
Componentes: Son los elementos que constituyen el sistema; ◦ ej: en el sistema Al-Cu son el aluminio
y el cobre.
Fases: es cada parte homogénea de un sistema heterogéneo y que se pueden diferenciar de otra u otras
fases, son físicamente homogéneas. Zona o región de un sistema que se diferencia de otras por su estructura
cristalina o composición química.
Para que cada elemento forme parte del sistema, es necesario que el estado de ese elemento dependa, de
algún modo del estado de los demás.
Las fases en un sistema no son cuerpos o elementos independientes, sino que sus propiedades dependen
de la interacción con las demás fases del sistema.
Diagramas de Fases: son representaciones de las fases que están presentes en un determinado sistema
en función de la temperatura, presión o composición química del mismo. La mayoría de los diagramas de
fases son construidos a partir de datos experimentales, para condiciones en las que el sistema alcanza el
equilibrio. En el caso de los sistemas de aleaciones metálicas, esta condición se alcanza cuando el enfriamiento
de la aleación desde el estado fundido hasta temperatura ambiente es extremadamente lento.
Los diagramas de equilibrio de fases permiten obtener información muy importante sobre el sistema,
por ejemplo, la siguiente:
1) Conocer que fases están presentes a determinada temperatura y composición química.
2) Averiguar la solubilidad de un metal en el otro.
3) Determinar la temperatura a la cual una aleación enfriada bajo condiciones de equilibrio comienza
y termina de solidificar.
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Ignacio Enriquez – 2022 – 2D4
Ejemplo de diagrama de fases del agua, en el mismo se pueden observar las fases presentes bajo distintos
valores de presión y temperatura:
Compuesto Químico:
Se forman por afinidad química, se da por enlaces iónicos u homopolar donde se produce un descenso
de energía. Tienen red característica y fórmula química, rige la ley de proporciones definidas. No tienen
carácter metálico.
Soluciones Sólidas:
Los elementos son solubles uno en el otro (total o parcialmente). En un estado fundido, los metales que
componen aleaciones se encuentran en general disueltos entre sí formando una solución líquida. Cuando la
aleación solidifica, los metales pueden seguir en solución formando soluciones sólidas o compuestos
intermetálicos.
Una solución sólida consta de dos o más elementos que están dispersos atómicamente y forman una
estructura de una sola fase. En las soluciones sólidas, no hay afinidad química, por lo que no se produce una
reacción química ni es posible definir una fórmula química. Cuando los metales forman soluciones sólidas, el
metal que está en mayor proporción se denomina solvente o metal base y disuelve al otro, llamado soluto,
que se encuentra en menor proporción. La red la proporciona el solvente. Predomina el enlace metálico y no
hay proporciones definidas para su formación.
Hay dos tipos de soluciones sólidas:
• Soluciones Sólidas Sustitucionales: En este caso, un átomo de soluto sustituye en la red a uno
de solvente y donde los átomos de soluto tienen un tamaño similar al del solvente. Como ejemplo se
puede mencionar a las aleaciones de Cu-2n. Las posiciones cristalinas se distorsionan debido al diferente
tamaño atómico del soluto y del solvente, pero se mantiene la estructura cristalina del solvente.
Hay aleaciones que presentan solubilidad total entre los metales que las componen en cualquier
proporción, por ejemplo, las aleaciones de Cu-Ni, en las que independientemente del porcentaje de cada
uno de estos metales en la aleación se establece entre los mismos una solubilidad sólida total.
Otros metales solo admiten un cierto porcentaje del otro en solución. En este caso se dice que
tienen solubilidad parcial. Una vez que se excede el porcentaje de soluto admitido en solución, éste se
desprende en forma de un compuesto intermetálico. Por ejemplo, en las aleaciones Al-Cu, el aluminio
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Ignacio Enriquez – 2022 – 2D4
que es el solvente admite como máximo 5.65% de cobre en solución. Si se supera ese porcentaje el
exceso de cobre se separa como el compuesto intermetálico AlCu.
Para que un sistema de aleaciones presente solubilidad sólida total se tienen que cumplirlas las
siguientes condiciones:
1) La diferencia entre los radios atómicos deberá ser menos al 15%
2) Los metales deberán poseer estructuras cristalinas iguales
3) Deben tener una electronegatividad parecida
4) Deben presentar igual valencia
Si no se dan estas condiciones el sistema de aleaciones presentará solubilidad parcial o
insolubilidad total entre los metales participantes.
• Soluciones Sólidas Intersticiales: Las soluciones intersticiales se forman cuando el radio atómico del
soluto es mucho más chico que el del solvente. En este caso, la aleación se forma cuando los átomos de soluto
se ubican en los intersticios de la red del solvente.
Como ejemplo de átomos de soluto que forman soluciones intersticiales se puede mencionar a los
átomos de hidrógeno, oxigeno, carbono, nitrógeno, etc. Dos ejemplos de soluciones sólidas intersticiales son
las que forman el carbono con el hierro gama, Fe (γ), FCC y con el hierro alfa, Fe(α), BCC.
Compuesto Intermetálico:
Se forman por reacción química y tienen red característica propia. Son compuestos de gran dureza y
resistencia a la abrasión. En la solidificación se presentan en forma de agujas o placas muy duras. Las
aleaciones que los contienen son frágiles y difíciles de maquinar. Ejemplos: Cementita (CFe3), Carbonitruro
de Ti (CNTi), Carburos de Tungsteno, Carburos de Cromo, etc.
Ya solidificado el metal pueden ubicarse en el borde de grano (Ej: cementita en los aceros) o pueden
aparecer por precipitación como cristales aislados en, por ejemplo, metales de Babit. Estos últimos, son
metales/cuboides antifricción que se dispersan en un metal más blando. Se utilizan cuando entre dos elementos
hay mucha fricción, se colocan pequeñas piezas del metal para que sea este quien se desgaste y no el
dispositivo.
CONSTITUCIÓN Y ESTABILIDAD DE FASES
Equilibrio: Un sistema está en equilibrio físico-químico cuando en él no se produce ninguna
transformación de sus fases, por mucho que sea el tiempo que transcurra. Existen dos tipos de equilibrio:
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Ignacio Enriquez – 2022 – 2D4
• Equilibrio estable: Cuando a un sistema se le pueden alterar diversos factores (P o T) sin que su
equilibrio se altere.
• Equilibrio Inestable: Cuando tal equilibrio solo se mantiene para ciertos valores de los diversos
factores, de modo que al variar uno de ellos, el equilibrio se rompe. Aparece una fase y desaparece otra.
Los factores de equilibrio son aquellos que al variar pueden hacer cambiar el estado de equilibrio de
un sistema dado. “Presión” y “Temperatura”.
El grado de libertad (G) es el número de factores de equilibrio del sistema que puedo modificar, sin
que el equilibrio se rompa.
En los estados (completamente) sólido, líquido y gaseoso, el equilibrio que se tiene es el estable en
cualquiera de sus puntos; puesto a que, si modificamos la P o la T, el estado sigue siendo el mismo.
Sobre las líneas y en el punto triple es posible identificar un equilibrio inestable, ya que si cambiamos
alguno de los factores de equilibrio se cambia de fase, por ejemplo, de líquido a gaseoso si se aumenta la T.
Ley de Gibbs:
Los equilibrios de los sistemas físico-químicos están regidos por esta ley que establece una relación
entre los componentes del sistema, las fases y los factores de equilibrio. Esta ecuación permite calcular el
número de fases en equilibrio en un sistema cualquiera.
Los grados de libertad (G) de un sistema en equilibrio es igual al número de componentes (n) del
sistema más dos, menos el número de fases (f) en equilibrio:
G=n+2–f
El concepto de grados de libertad indica cuántas variables del sistema se pueden modificar
simultáneamente sin que se altere el equilibrio de fases. En el punto triple, por ejemplo, no existen grados de
libertad (el sistema es invariante), por lo tanto no se puede modificar ninguna de las variables (temperatura o
presión) sin que se rompa el equilibrio En el caso donde el sistema es invariante, los valores de temperatura y
presión son únicos y perfectamente determinados.
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Ignacio Enriquez – 2022 – 2D4
Para el estudio de las aleaciones metálicas no se tomará en cuenta las variaciones de la “presión” como
factor de equilibrio ya que las variaciones de la presión en estos procesos son muy escasas y pueden
considerarse como nulas.
V=n+1–f
Ejemplo: Curva de solidificación de un metal puro. n = 1
f = 1 (fase líquida)
f = 2 (equilibrio fase
líquida y sólida)
f = 2 (fase sólida)
CURVAS DE ENFRIAMIENTO DE LOS METALES
El estudio de las transformaciones que ocurren durante la solidificación de una aleación se puede
apreciar con precisión mediante la observación de las curvas de enfriamiento de esas aleaciones. Las curvas
de enfriamiento pueden emplearse para determinar las temperaturas de transición de las fases tanto para
metales puros como para aleaciones. Una curva de enfriamiento se obtiene al registrar la temperatura de un
material y compararla con el tiempo a medida que se enfría desde una temperatura en la cual se funde,
mediante solidificación y, finalmente, a temperatura ambiente.
Si un sistema no experimenta cambio alguno durante el enfriamiento, la curva representativa de ese
proceso será la siguiente:
Curva de Enfriamiento de un metal puro:
Si se permite que el metal se enfríe en condiciones de equilibrio (enfriamiento lento), su temperatura
cae continuamente a lo largo de la línea AB de la curva. Luego, en el punto de fusión, comienza la
solidificación y la curva de enfriamiento se aplana (segmento BC, también llamada meseta), donde es posible
encontrar a las fases líquida y sólida en equilibrio; y permanece plana hasta que se completa la solidificación.
Se forma esta meseta y la temperatura se mantiene constante porque hay una liberación del calor latente de
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Ignacio Enriquez – 2022 – 2D4
solidificación del metal. Después de concluir la solidificación en C, la curva de enfriamiento mostrará de
nuevo una disminución de la temperatura con el tiempo (segmento CD de la curva).
Es necesario algún grado de subenfriamiento (enfriamiento por debajo de la temperatura de congelación) para
la formación de núcleos sólidos.
Ejemplo: Curva de Solidificación del Fe Puro
La curva de enfriamiento también puede proporcionar información relativa a la transformación de las fases de
estado sólido en los metales. El Fe es un metal alótropo, es decir, que a medida que aumente o disminuya la
temperatura puede cambiar su estructura interna. La curva de enfriamiento del hierro puro en condiciones de
presión atmosférica (P = 1 atm) muestra una temperatura de congelación de 1537°C, punto en el cual se forma
un sólido de estructura BCC a alta temperatura denominado hierro δ con un espacio entre átomos de 2.93 Å.
Con enfriamiento adicional, a una temperatura de 1403°C, aproximadamente, la curva de enfriamiento
muestra una segunda meseta, temperatura donde ocurre una transformación de fase sólida-sólida de BCC δ
ferrita a un sólido FCC llamado hierro γ, con un espacio entre átomos de 3.7 Å. Con más enfriamiento, tiene
lugar una segunda transformación de fase sólida-sólida a una temperatura de 906°C. En esta transformación
el hierro FCC γ vuelve a tomar una estructura de hierro BCC llamado hierro α, con un espacio entre átomos
de 2.85 Å. A los 768 °C aparece otra meseta y pasa de ser Fe α no magnético, a ser Fe α magnético y mantiene
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Ignacio Enriquez – 2022 – 2D4
el mismo espacio entre átomos. Las temperaturas donde el material cambia de estructura son los denominados
puntos alotrópicos
Alotropía: propiedad que poseen determinados elementos químicos de presentarse bajo estructuras
moleculares diferentes, como el Fe, Sn (Estaño), Co, etc.
Curva de Solidifiación/Enfriamiento de una Solución Sólida:
Se tiene dos elementos los cuales componen una solución sólida, se funden, y cuando esta está
completamente líquida se la coloca en un molde/crisol. A partir de este momento, este sistema va a comenzar
a bajar su temperatura hasta llegar al punto G. En dicho punto, comienzan a formarse los primeros cristales
de solución sólida; el elemento de mayor punto de fusión comienza a querer solidificar, que llegado el
momento lo hace, pero lo hace arrastrando consigo algunos átomos del elemento de más bajo punto de fusión.
Los núcleos que logran formarse en un principio tienen mayor composición del elemento de mayor punto de
fusión. Una vez alcanzado el punto H, se termina la solidificación y los últimos cristales tendrán una
composición más rica del elemento de menor punto de fusión. Posterior a ese punto, se da la difusión del
sólido, la cual se va a encargar la composición química de los últimos cristales que son ricos en un elemento
con los primeros que son más ricos en otro.
Comienza la formación de cristales de la
solución sólida
No hay liberación de calor latente
Curva de Solidificación de una Aleación Eutéctica:
Una aleación eutéctica es la aleación de más bajo punto de fusión de un sistema determinado. Por
ejemplo, en el sistema Fe-C hay una aleación eutéctica a los 1145 °C con una composición de C de 4.3%.
Nuevamente, se considera una aleación que se funde hasta el estado líquido y se vuelca en un crisol para
comenzar su enfriamiento/solidificación. En ese momento, comienza a bajar la temperatura hasta un punto B
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que corresponde a la temperatura eutéctica, la cual se va a mantener constante hasta que finalice la
solidificación y, además. donde se va a producir la reacción eutéctica. Durante la solidificación, se formarán
fino cristales yuxtapuestos/entremezclados de las dos fases resultantes. Una vez finalizada la solidificación,
prosigue el enfriamiento del sólido formado.
La reacción eutéctica se refiere a cuando el líquido de la composición eutéctica se enfría lentamente
hasta la temperatura eutéctica y la fase simple líquida se transforma simultáneamente en dos fases sólidas:
soluciones solidas α y β. Como fue dicho, se va a dar a una temperatura eutéctica constante (corresponde a
la mínima temperatura a la cual la fase líquida puede existir cuando se enfría lentamente) y con una
composición química que también va a ser constante y que va a responder a la ley de proporciones definidas.
La reacción eutéctica se llama reacción invariante porque tiene lugar bajo condiciones de equilibrio a
temperatura específica y a composición de la aleación invariable (de acuerdo con la regla de Gibbs, F = 0).
Durante el progreso de la reacción eutéctica, la fase líquida está en equilibrio con las dos soluciones sólidas α
y β, de modo que durante una reacción eutéctica coexisten tres fases y están en equilibrio (f = 3). Ya que la
difusión es lenta a temperaturas más bajas, este proceso no llega a alcanzar el equilibrio normalmente y, de
este modo, las soluciones sólidas α y β pueden aún distinguirse a temperatura ambiente (f = 2).
Si bien la curva se asemeja mucho a la de un metal puro, corresponde a una aleación, es decir, nos
encontramos en presencia de dos o más metales.
DIAGRAMAS DE EQUILIBRIO DE ALEACIONES BINARIAS
Una mezcla de dos metales se denomina aleación binaria y constituye un sistema bicomponente dado
que cada elemento metálico de una aleación se considera como un componente separado. Así, el cobre puro
es un sistema monocomponente, mientras que una aleación de cobre y níquel es un sistema bicomponente.
Se denominan diagramas de equilibrio o de transformación debido a que definen las fases que existen
en equilibrio en el sistema, cualquiera sea la concentración y la temperatura que se considere. Estos diagramas
de transformación representan los cambios experimentados por las distintas aleaciones al variar su
concentración y su temperatura.
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Ignacio Enriquez – 2022 – 2D4
Estos diagramas se obtienen mediante enfriamientos o calentamientos muy lentos para mantener,
durante todo el tiempo, un estado de equilibrio estable. En estos diagramas cada línea significa un cambio o
transformación de la aleación y cada diagrama presenta aspectos diferentes para cada aleación.
El intervalo de solidificación toma distintos valores de acuerdo con la concentración de los metales
componentes de la aleación.
Construcción de Diagrama:
Pasa la construcción de estos diagramas se van a considerar dos componentes que son completamente
solubles entre sí y que, por ende, el producto de solidificación es una solución sólida en todo el rango de
composiciones. Los diagramas de fases binarios de equilibrio para los componentes que son completamente
solubles entre sí en el estado sólido pueden construirse a partir de una serie de curvas de enfriamiento de
líquido-sólido considerando diferentes composiciones de los dos componentes. (Las curvas de enfriamiento
para los metales puros muestran confinamientos térmicos horizontales en sus puntos de congelación, mientras
que las soluciones sólidas binarias muestran cambios de pendiente en sus curvas de enfriamiento).
Una vez determinados los diferentes puntos de inicio y final de solidificación para las distintas
composiciones, los pasamos a un sistema de ejes donde, en el eje de las abscisas tenemos la composición
química en porcentaje de uno de los componentes; y en el eje de las ordenadas tenemos la T. Uniendo los
puntos de inicio de solicitación entre sí, se forma la línea liquidus, encima de la cualquier aleación del sistema
se encuentran fundida/en estado líquido. Mientras que, si se unen los puntos de fin de solidificación, se
determina la línea solidus, por debajo de la cual cualquier aleación del sistema se encuentra formando una
solución sólida denominada α. Entre ambas líneas el sistema es bifásico, ya que se encuentran en un estado
pastoso donde se da cuenta de un equilibrio entre la solución solida α y la aleación líquida.
El diagrama que se forma va a ser el llamado diagrama de solubilidad total en el estado sólido, puesto
a que ambos componentes A y B son completamente miscibles/solubles entre ellos; en el estado líquido
(forman un solo líquido y no se puede diferenciar cual es cual) y en el sólido, y forman una solución sólida en
todo el rango de composiciones.
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Ignacio Enriquez – 2022 – 2D4
En las regiones monofásicas, el sistema es bivariante (G = 2 + 1 - 1 = 2).
En la región bifásica, el sistema es univariante (G = 2 + 1 - 2 = 1).
En los extremos, los puntos de fusión del sistema, el sistema es invariante (G = 1 +1 – 2=0).
T de fusión
de A
T de fusión
de B
100% A
Para determinar las composiciones químicas de las fases de equilibrio, a una temperatura dada, se traza
una isoterma en la zona bifásica. En los puntos donde la isoterma corta a las líneas líquidus y sólidus, se bajan
líneas verticales hasta que cortan el eje de abscisas y se lee en él la composición química de la fase líquida y
sólida.
Diagrama de Insolubilidad Total en Estado Sólido:
Existen sistemas de aleaciones metálicas binaras en las cuales los metales que los componen presentan
una insolubilidad total entre ellos. Cuando se produzca la solidificación, cada uno de los componentes va a
solidificar con su propio arreglo espacial, por lo que no se va a formar ninguna solución sólida. Un ejemplo
el sistema Fe-Pb, en el cual, en estado sólido, el plomo es completamente insoluble en el hierro y se encuentra
en la estructura del hierro, separado del mismo y en estado metálico puro; también el Bi-Cd.
En este caso, la línea TfA-Te-TfB es la línea liquidus, y la línea TfA-O-Te-M-TfB es la línea sólidus.
Te
O
B+L
A+L
E
M
En el gráfico va a ser posible identificar la temperatura eutéctica (Te) y el punto eutéctico (E), donde
la aleación eutéctica estará formada por las dos fases sólidas que serán los metales puros que componen la
aleación luego de solidificar + líquido. Va a ser la aleación de más bajo punto de fusión del sistema.
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Ignacio Enriquez – 2022 – 2D4
Sobre la línea liquidus, nos encontramos con la aleación completamente fundida/líquida. Entre esta y la
línea sólidus, nos vamos a encontrar con diferentes cosas dependiendo de donde se parta:
• Si la aleación esta mayormente compuesta por el metal A, dentro de ambas líneas encontramos
elemento A puro + líquido. Y si se sigue bajando la temperatura, se encuentra un sólido compuesto por el
elemento A + la aleación eutéctica compuesta por A+B.
• Si la aleación esta mayormente compuesta por el metal B, dentro de ambas líneas encontramos
elemento B puro + líquido. Y si se sigue bajando la temperatura, se encuentra un sólido compuesto por el
elemento B + la aleación eutéctica compuesta por A+B.
Diagrama de Solubilidad Parcial en Estado Sólido: (más comunes)
Muchos sistemas de aleaciones metálicas binarias presentan solubilidad limitada de uno de los metales
en el otro, por ejemplo, el sistema de aleaciones Pb-Sn. En este caso, SI se pueden formar soluciones sólidas.
γ
La línea liquidus, en este caso va a quedar determinada por TfB – E – TfA; cualquier aleación por
encima de esta línea va a estar en el estado líquido. La línea sólidus, va a quedar determinada por los puntos
TfB – Y – E – G – TfA; cualquier aleación por debajo de esta línea va a estar en el estado sólido.
El punto Y indica la máxima cantidad de metal A que se puede disolver en metal B, y en el punto G lo
opuesto. Las líneas Y – C y G – D representan la línea solvus¸ las cuales indican como la solubilidad de un
metal en otro varía con la temperatura. Pasando las líneas de solvus y sólidus es posible encontrarse con
soluciones sólidas extremas: solución sólida γ y solución sólida β.
Entre líquidus y la línea sólidus, nos vamos a encontrar con diferentes cosas dependiendo de donde se parta:
• Si la aleación esta mayormente compuesta por el metal B, dentro de ambas líneas encontramos con
partículas de la solución sólida (cristales de) γ + líquido. Y si se sigue bajando la temperatura, se encuentra un
sólido compuesto por cristales de γ + la aleación eutéctica compuesta por las soluciones sólidas γ+β.
• Si la aleación esta mayormente compuesta por el metal A, dentro de ambas líneas encontramos con
partículas de la solución sólida (cristales de) β + líquido. Y si se sigue bajando la temperatura, se encuentra
un sólido compuesto por cristales de β + la aleación eutéctica compuesta por las soluciones sólidas γ+β.
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El punto E indica la temperatura eutéctica y la composición de la aleación eutéctica. Cuando se enfría
lentamente una aleación eutéctica, a la temperatura eutéctica la aleación fundida solidifica transformándose
en dos fases sólidas (soluciones sólidas γ y β).
REGLA DE LA PALANCA (INVERSA)
Los porcentajes (en peso) de las fases en cualquiera de las regiones de doble fase de un diagrama de
fases en equilibrio binario, se pueden calcular usando la regla de la palanca.
Si se calienta hasta una temperatura T una aleación del sistema con una determinada composición [x],
se encontrará en una región bifásica, en la que coexisten el líquido y el sólido.
En su aplicación práctica se lleva a cabo el siguiente procedimiento:
1. Se traza una isoterma a la temperatura en la que se encuentra la aleación delimitando un
segmento (L-S) en la región bifásica.
2. El porcentaje en peso de una de las fases se calcula dividiendo el segmento opuesto respecto
del centro O, por el segmento (L-S) completo y multiplicando este valor por 100.
%𝐿 =
̅̅̅̅̅̅̅
𝑂−𝑆
∗ 100
̅̅̅̅̅̅̅
𝐿−𝑆
%𝛽 =
̅̅̅̅̅̅̅
𝑂−𝑆
∗ 100
̅̅̅̅̅̅̅
𝐿−𝑆
DIAGRAMA HIERRO-CARBONO
Como se observó antes, el hierro es alotrópico, es decir, se puede presentar bajo distintas escructuras
cristalinas según la temperatura. El carbono es amorfo y puede presentarse como grafito, en forma de cristal
(diamante) bien en forma de compuesto inter-metálico (CFe3-Cementita). En las distintas formas que presenta
el Hierro puede disolver diferentes cantidades de Carbono y origina distintas soluciones sólidas del tipo
intersticial.
El diagrama que se presenta a continuación representa todas las aleaciones que puede formar el hierro
con el carbono. En este se pueden identificar dos tipos de líneas:
• La línea llena representa el Diagrama METAESTABLE Fe-CFe3.
• La línea de puntos representa el Diagrama ESTABLE Fe-Grafito.
Se van a poder encontrar 2 grandes familias siderúrgicas de acuerdo al porcentaje de carbono: los aceros
y las fundiciones.
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Ignacio Enriquez – 2022 – 2D4
De 0.008%C a 0.89%C
Aceros Hipoeutectoides, menos C que reacción
eutectoide.
0.9%C
Aceros Eutectoides.
De 0.9%C a 2.1%C
Aceros Hipereutectoides, más C que reacción
eutectoide.
De 2.1%C a 4.3%C
Fundiciones Hipoeutepecticas, menos C que el
eutéctico,
4.3%
Fundición Eutéctica.
De 4.3%C a 6.67%C
Fundiciones Hipereutpecticas, más C que el
eutéctico
Las fundiciones NO SE DEFORMAN, cuando se quiere hacerlo se rompen. Estas pueden ser:
• Fundiciones Blancas: son aquellas que responden al diagrama metaestable y que la fractura que
presentan cuando se quiebran es blancuzca. Su soluto es la cementita. Son duros, resistentes a la compresión,
difíciles de mecanizar y frágiles. No se deforman porque la altísima cantidad de C los hace frágiles.
• Fundiciones Grises: se presentan al analizar el diagrama estable, son aquellas cuya fractura tiene un
color grisáceo sucio. Su soluto es el Grafito. Son muy mecanizables, absorben muy bien las vibraciones y son
muy baratas (debido a que se funden con muy poca temperatura). por lo que son muy utilizadas en la industria.
Son duros y frágiles, no son dúctiles ni maleables. Se debe cumplir que: se encuentre presente un cierto
porcentaje de silicio y que el enfriamiento sea lento
• Fundición Atruchada: se produce cuando no se cumple con la condición del enfriamiento lento y, en
vez de producirse una fundición gris, el hierro se solidifica como fundición blanca. Hay fundición blanca en
el exterior y gris en el núcleo. En la transición de la blanca a la gris se encuentra la parte atruchada.
Los aceros, a diferencia de las fundiciones, tienen menos carbono. Esto los hace laminables, forjables,
DEFORMABLES (en frío y en caliente), son dúctiles y maleables.
EUTÉCTICO: aleación de más bajo punto de fusión. Cuando una fase líquida se transforma simultáneamente
a dos fases sólidas: solidos α y β. Hay 3 fases involucradas, una líquida y 2 sólidas.
𝐿 ⇆ 𝑆𝑜𝑙. 𝛼 𝑦 𝑆𝑜𝑙. 𝛽
EUTECTOIDE: no lleva involucrado una solidificación. Cuando un sólido se transforma simultáneamente
en otros dos. Las 3 fases son sólidas.
𝑆𝑜𝑙. γ ⇆ 𝑆𝑜𝑙. 𝛼 𝑦 𝑆𝑜𝑙. 𝛽
Diagrama Metaestable de Fe-Fe3C:
En este caso, se tiene como soluto al Fe3C (Carburo de Hierro o Cementita), que es un compuesto
intermetálico.
La Austenita (Hierro γ) es una solución sólida y va a ser la estructura que más C disuelve (2.1%).
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La Ferrita (Hierro α) solución sólida, va a disolver muy poco C. (Pto Verde es la cant. de C que puede
absorber – 0.02% C).
La Perlita es el constituyente eutectoide de los aceros. mezcla de las fases de ferrita α y cementita. (Pto
rosado es la cant. de C que puede absorber – 2.06% C).
La Ledeburita es el eutéctico del sistema.
Pto de mayor solubilidad
de Fe3C en el acero
Pto. de Fusión
Cementita
Eutéctico
4.3%C y 1147°C
Eutéctoide
0.9%C y 723°C
• Pto. de Mayor Solubilidad de Fe3C en el acero: 1147°C y 2.1%C
Diagrama Estable Fe-C(Grafito):
Sus principales elementos constituyentes son el Fe – C (Grafito), en el cual el grafito es el soluto. Este
diagrama sirve para el estudio de las llamadas fundiciones grises. Además, del Fe y C, existe un alto porcentaje
de Si (2 al 4%) el cual va a descomponer el cementita, también se debe producir un enfriamiento lento:
𝐶𝐺 + 𝐹𝑒 ⇆ 𝐹𝑒3 𝐶
En este diagrama, las líneas están desplazadas hacia la derecha y hacia arriba respecto del diagrama
metaestable; la austenita disuelve menos Carbono. Las reacciones eutéctica y eutectoide poseen menor
porcentaje de carbono que en el diagrama Fe-C3Fe.
Las transformaciones tienen lugar si el enfriamiento es lento. Según la velocidad de enfriamiento se
distinguen fundiciones blancas, grises y atruchada
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