apunte_06__estructura_polifasica_de_los_metales_y_diagrama_de_fases

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UNIVERSIDAD DEL BÍO BÍO 
FACULTAD DE INGENIERIA 
DEPARTAMENTO DE MECANICA 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Apunte 6 : Estructura Polifásica en metales y Diagramas de Fases 
Profesor : Federico Grossmann. 
Asignatura : Materiales. 
 
 
31.10.2006 
UBB DIMEC Materiales 
Estructuras polifásicas en metales 
 
 
• Bajo condiciones de equilibrio 
 Diagrama de fases 
 
• Bajo condiciones de no-equilibrio 
 Reacciones de precipitación 
 
Los metales puros y las soluciones sólidas son útiles, pero las estructuras 
metálicas de mayor resistencia, dureza y resistencia al desgaste, están compuestas 
por dos o más fases en una dispersión bien controlada. 
 
 Esta micro estructura, generalmente no la encontramos en la pieza fundida o 
lingote original. Esta se forma a través de un cuidadoso proceso controlado que 
involucra Trabajado en Caliente y Tratamientos Térmicos. 
 
Ejemplo: Aleación Al 2014 
 
 % Alarg. σ fluencia conv 0.2 % Resistencia a la Tracción 
Aleación Al 2014 
Recocida 18 980 Kg/cm
2 1900 Kg/cm2 
Aleación Al 2014 
fortalecida con Trat. Térmico 13 4220 Kg/cm
2 4920 Kg/cm2 
 
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SOLUCIONES SÓLIDAS 
 
 
La cantidad de soluto que el solvente puede disolver es generalmente función 
de la temperatura ( a P = Cte.) y suele aumentar con el incremento de la Tº. Una 
solución sólida puede estar: 
 
• No Saturada. 
• Saturada (Línea Solvus) 
• Sobresaturada. 
 
Solución Sólida Sobresaturada 
 
Si disuelve mas soluto del que debiera en condiciones de equilibrio, esta 
condición se puede conseguir por: 
 
• Enfriamiento rápido de la solución. 
• Agitación. 
 
La condición de sobresaturación es inestable, si se da un tiempo suficiente o un 
poco de energía, la solución tenderá a estabilizarse o saturarse mediante el rechazo o 
la precipitación del exceso de soluto. 
 
Precipitación 
 
Formación de una nueva fase como resultado de una Sobresaturación de la 
fase inicial, producida por un cambio de temperatura. Ocurre principalmente en las 
fronteras de grano de una solución sólida sobresaturada. 
La Sobresaturación es lo que permite endurecer las aleaciones no 
ferrosas (algunas). Si la línea Solvus fuera vertical, las aleaciones no se podrían 
endurecer. Esta transformación involucra un cambio de Composición Química (CQ). 
 
 
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DIAGRAMAS DE EQUILIBRIO DE FASES 
 
 
1. METAL PURO 
 
 
 
2. ALEACIONES 
 
2.1 ALEACIONES BINARIAS 
 
Conocida la Composición Química (CQ) y la temperatura (T º) de una aleación 
binaria determinada mediante diagramas, en condiciones de equilibrio, es posible 
predecir en cualquier punto del diagrama: 
 
• El número de fases presentes. 
• La composición química de las fases, y 
• El porcentaje relativo de cada una de ellas. 
 
Estos diagramas se emplean para una presión P = P atmosférica = Constante. 
 
• Fases Líquidas 
• Fases Sólidas 
• Punto Eutéctico: TE – CE 
• Líneas ( Liquidus, Solidus, Solvus ) 
 
 
3. Diagramas 
 
3.1 Sistema de Solubilidad Total 
 
 Aleaciones Cu - Ni 
 Ag – Au 
 
 
 
 
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Diagrama de fases Cu – Ni 
 
Figura Diagrama de fases Cu – Ni 
• Cu y Ni tienen una solubilidad líquida y sólida completa. 
Las soluciones sólidas de Cu y Ni funden más bien en un rango de Tº que a una Tº 
fija, como los metales puros. 
 
 
3.2 Sistema de Solubilidad Parcial o Sistema Eutéctico. 
 
 En estas aleaciones, los metales son parcialmente solubles al estado sólido en 
un rango de Composición Química y presentan un diagrama eutéctico. 
 
 
 
 
 
Figura : 
Propiedades 
mecánicas de las 
aleaciones Cobre-
Níquel. El cobre es 
endurecido con un 
60 % de Ni y el 
níquel con un 40 % 
de Cu. 
 
 
 
 
 
 
 
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Cu – Ag 
 Aleaciones 
 
 
 
as propiedades mecánicas ( Resistencia ) en estas aleaciones son máximas 
para la
Figura : Modificación en la estructura de una aleación Cu – 40 % Ni durante la 
Al – Si 
Pb – Sn
L
 composición química eutéctica ( CQ = CQEutecica ) 
 
• 
solidificación en equilibrio. Los átomos de Níquel y de cobre deben difundir durante el 
enfriamiento para poder satisfacer el diagrama de fases y producir una estructura de 
equilibrio uniforme. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
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Diagrama de fases Al – Si 
 
 
 
a : (a) Diagrama de fases Aluminio-Silicio. (b) El efecto del silicio y de la 
 
igura : 
de fases 
Figur
modificación sobre las propiedades de las aleaciones aluminio-silicio. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
F
Diagrama 
en equilibrio 
plomo-estaño 
 
 
 
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Figura : Efecto de la composición 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Figura 12 : 
61.9 % Sn. 
 
química y el mecanismo de 
endurecimiento, en la resistencia 
a la tensión de las aleaciones 
plomo-estaño. 
 
 
 
Solidificación y microestructura de la aleación Eutéctica Pb – Sn , con un 
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Figura 
La curva de enfriamiento 
( Temperatura – Tiempo ) para 
una aleación eutéctica Pb – Sn, 
61.9 % Sn, muestra una meseta 
o estabilización térmica en la 
temperatura eutéctica ( 183 º C ), 
similar a la de un metal puro. 
 
 
 
 
e
p β y 
.(b) Fotomicrografía del microconstituyente 
 
 
 
 
 
Figura : Redistribución atómica durante el crecimi
Sn. Los átomos de estaño del líquido se difunden 
los átomos de Pb se difunden a las placas α
del eutéctico plomo-estaño. 
 
nto laminar de un eutéctico Pb - 
referencialmente a las placas 
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Figura 14 : Solidificación y microestructura de una aleación hipoeutéctica (Pb-30 % 
Sn). La curva de enfriamiento muestra tanto un cambio en la pendiente en el Líquidus, 
como una estabilización térmica en el eutéctico. 
 
 
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Figura : Diagramas cobre-aluminio, parcial y total 
 
 
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DIAGRAMAS TERCIARIOS 
 
CS = CaO * SiO2 
C3S2 = 3CaO * 2SiO2 
C2S = 2CaO * SiO2 
C3S = 3CaO * SiO2 
A3S2 = 3Al2O3 * 2SiO2 (mulita) 
C3A = 3CaO * Al2O3 
C12A7 = 12CaO * 7Al2O3 
CA = CaO * Al2O3 
CA2 = CaO * 2Al2O3 
CA6 = CaO * 6Al2O3 
CAS2 = CaO * Al2O3 * 2SiO2 (anonita) 
C2AS = 2CaO * Al2O3 * SiO2 (gelenita) 
 
 
Figura : Gráfico de Líquidus para el diagrama terciario CaO-SiO2-Al2O3 
 
 
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Figura : Ubicaciones aproximadas de cementos típicos, vidriados y refractarios en el 
diagrama de fases CaO - SiO2 - Al2O3 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Figura : Ubicación de productos de arcilla típicos en el diagrama de fases Sílice-
arcilla-feldespato 
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CONTROL DE LAS REACCIONES DE PRECIPITACIÓN EN EL ESTADO SÓLIDO 
 
Ejemplos de este efecto: 
 
• Control de la precipitación de la Fe3C en el acero de gran importancia. 
• Endurecimiento por envejecimiento 
 Aleaciones de Al , fase CuAl2 
 
En el acero, existen dos ciclos térmicos para endurecerlo, pero por 
mecanismos diferentes. Ambos dan como resultado un refinamiento en la dispersión 
del Fe3C. A continuación se muestran los dos ciclos térmicos: 
 
1. Reacción de Nucleación y Crecimiento de Grano (dependiente del tiempo). 
2. Cambio rápido de la estructura, en forma de Cizallamiento. 
Consideremos ambas reacciones para un acero 0.8 % C 
 
a) Formación de Perlita 
 
 
Diagrama Fe - C ó Fe - Fe3C 
 
Figura : Diagrama Fe – C parcial. Para un 0.8 % C y sobre los 723 º C se tiene 
un100 % de fase austenítica (γ = Solución sólida CCC ). 
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El diagrama muestra que bajo condiciones de equilibrio, al enfriar por debajo de los 
723 ºC, la fase γ se transforma en dos fases: 
 
• α, ferrita, hierro CC ( Dúctil ) 
• Fe3C, Carburo de Fierro o Cementita ( de alta dureza ) 
 
100 % γ 0.8 % C 723 ºC α0.03 % C + Fe3C6.67 % C 
Enfriamiento Perlita 
 
En condiciones de enfriamiento lento la dispersión de plaquetas de Fe3C en α 
es pocofina y la dureza es baja ≈ VHN 230. 
 
Si calentamos el mismo acero a 723 ºC + ∆T y luego templamos en un baño 
de Pb o de sales a 540 ºC, la reacción ocurrirá a esta Tº y en un periodo de menos 
de 1 minuto. Con lo anterior se obtiene una dispersión más fina y con una mayor 
dureza VHN 300. 
 
En condiciones de enfriamiento rápido del acero (Temple) desde la fase 
austenita (γ) hasta la Tº ambiente, la fase Austenita se transforma en Martensita, 
obteniendose una estructura muy dura y con alto nivel de tensiones internas. 
 
 
ENDURECIMIENTO POR ENVEJECIMIENTO O PRECIPITACIÓN 
 
Para realizar este proceso se deben tener en consideración tres pasos: 
 
1. Calentar la aleación para disolver toda o parte de la segunda fase de la matriz. 
2. Templarla para retener el soluto en una solución sólida sobresaturada. 
3. Dejar que la segunda fase se precipite en forma de partículas muy finas, 
 coherentes con la matriz. 
 
El envejecimiento (endurecimiento) se lleva a cabo de dos formas: 
 
• Envejecimiento Natural (Tº ambiente) 
• Envejecimiento Artificial (calentamiento entre 95 – 205 ºC) 
 
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DIAGRAMA Fe-C 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Figura : Diagrama Fe – C , donde A3, Acm y A1 son Líneas críticas (líneas de 
solubilidad) y son la base de los tratamientos térmicos. 
 
 
REACCIONES CARACTERÍSTICAS 
 
Reacción Eutéctica 
 
100 % líq. 4.3 % C 1145 ºC γ2 % C + Fe3C6.67 % C 
 
Ladeburita 
 
 Reacción Eutectoide 
 
100 % γ 0.8 % C 723 ºC α0.03 % C + Fe3C6.67 % C 
 Perlita 
 
 
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CARACTERÍSTICAS DE LAS FASES EN UN ACERO 
 
 
Austenita (CCC) 
• Es más densa que la ferrita 
 
Ferrita (CC 0.06 % C a Tº ambiente) 
• Es la fase mecánicamente más débil. 
• 38 % de alargamiento 
• Baja resistencia 28 Kg/mm2 
• Dureza 100 BHN. 
• Importante en el aspecto Químico. 
• Punto de partida de los aceros Inoxidables (bajo % C) 
 
Cementita Fe3C (estructura ortorrómbica 6.67 % C) 
• Mejores propiedades mecánicas. 
• Alta dureza 64 RC. 
• Resistencia 180 Kg/mm2. 
• Gran fragilidad. 
• Resiliencia 0.2 Kg-mt. 
 
Martensita (estructura tetragonal distorsionada centrada) 
• Las propiedades mecánicas obtenidas después del temple varían según el 
porcentaje de carbono y los elementos de aleación presentes en el acero. 
• Tiene propiedades mecánicas similares a la cementita para la composición 
química eutectiode (0.8% C) 
 
 Acero 0.8 % C : Dureza 65 RC 
 Resistencia 180 Kg/mm2 
 Resiliencia 0.5 Kg-mt 
 
ESTRUCTURAS – Fases en los aceros. 
 
Simbología 
 
α : Ferrita 
γ : Austenita 
Fe3C : Cementita. 
α+Fe3C : Perlita. 
 : Bainita 
 : Martensita 
 
 son dúctiles, blandas 
α, γ (CC – CCC) Alargamiento > 40 % 
 Dureza 100 – 150 BHN 
 
 
Fe3C (Estructura ortorrómbica) Estructura frágil 
 Alta dureza 
 
 
α cc γ ccc δcc 
CTC
1% vol EXP 0.5 % vol 
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Figura : Diagrama Fe – C . Desarrollo de la microestructura hipoeutectoide ( 0.6 % C ) 
y de la hipereutectoide ( 1.1 % C ) de los aceros durante el enfriamiento desde la fase 
austenítica. 
 
 
 
 
Figura : (a) Acero hipoeutectoide que muestra la fase ferrita α primaria (blanco) y 
perlita. ( oscuro ). (b) Acero hipereutectoide que presenta cementita Fe3C primaria 
(blanco) en los límites de grano rodeando a la perlita (oscuro). 
 
 
 
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Figura : Efecto del porcentaje 
carbono y del tratamiento 
térmico en las propiedades 
mecánicas del acero. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Figura : Relación entre 
el porcentaje de 
carbono en aceros 
enfriados lentamente y 
el porcentaje de Perlita 
- Cementita y , la 
relación entre el 
contenido de carbono y 
el esfuerzo de fluencia - 
resistencia a la tracción 
obtenida. 
 
 
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Figura : Diagrama de equilibrio hierro-carbono 
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