UNIDAD 6 Endurecimiento por aleación. Aleaciones con solubilidad parcial en estado sólido

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1 UNIDAD 6 Endurecimiento por aleación. Aleaciones con solubilidad parcial en estado sólido 6.1 CUESTIONES DE AUTOEVALUACIÓN 1 - En los aceros hipereutectoides la cementita aparece en: a) Bordes de grano de la perlita. b) Bordes de grano de la ferrita. c) Disuelta en la ferrita. d) En los bordes de grano y en la perlita. 2 - El endurecimiento óptimo de aleaciones por envejecimiento, aumenta: a) Con la temperatura de envejecimiento. b) Con la cantidad de fase beta coherente endurecedora. c) Con el tiempo de envejecimiento. d) Con la cantidad de partículas beta observadas al microscopio. 3 - En los tratamientos mixtos acritud + envejecimiento, la acritud se aplica: a) Tras el envejecimiento antes del sobrenvejecimiento. b) Antes de la solubilización. c) En estado de temple. d) Durante la solubilización. 4 - El sobrenvejecimiento fundamenta su ablandamiento en: a) Disolución de las partículas de precipitado. b) Engrosamiento de las partículas. c) Desaparición de las partículas pequeñas. d) Pérdida de coherencia de las partículas con la matriz. 5 - Con el envejecimiento artificial obtenemos: a) Características mecánicas menos elevadas. b) Aumento de su fragilidad. c) Precipitados coherentes. d) Todas son correctas. 6 - Qué contenido aproximado en perlita presentará un acero al carbono con 0,2% de C?: a) 25%. b) 37%. c) 50%. d) 63%. 97

2 Cuestiones y ejercicios de Fundamentos de Ciencia de Materiales 7 - Qué contenido aproximado en perlita presentará un acero al carbono con 0,6% de C?: a) 25%. b) 37%. c) 50%. d) 75%. 8 - La microestructura de la perlita varía con: a) El contenido en carbono del acero. b) La velocidad de enfriamiento. c) La composición de la ferrita. d) La temperatura de austenización. 9 - En los aceros hipoeutectoides la cementita aparece en: a) En la perlita. b) En los bordes de grano de la ferrita. c) En los bordes de grano de la austenita. d) Disuelta en la austenita Si realizamos el envejecimiento a alta temperatura obtendremos: a) Altas características resistentes. b) Tiempos de procesos largos. c) Riesgo de sobreenvejecimiento. d) Aumento asintótico de las características dúctiles El endurecimiento por envejecimiento puede aplicarse: a) A todas las aleaciones. b) Sólo a las que tienen cambio de fase en estado sólido. c) Sólo a las que muestran zonas monofásicas con curva de solubilidad creciente con la temperatura. d) En aleaciones con al menos cuatro componentes El proceso de envejecimiento requiere que la primera fase de solubilización y enfriamiento se realice: a) Con las condiciones de reversibilidad del diagrama de equilibrio en las dos etapas. b) Reversible la etapa de solubilización e irreversible la de enfriamiento. c) Sin las condiciones de reversibilidad en las dos etapas. d) No importa en qué condiciones se realice El Envejecimiento artificial se efectúa a temperaturas más altas que el natural a fin de: a) Incrementar características resistentes. b) Acortar el tiempo de tratamiento de envejecimiento. c) Incrementar características plásticas. d) Modificar la estructura de la aleación El sobrenvejecimiento es la peculiaridad del tratamiento de envejecimiento por el que: a) Disminuyen características resistentes y plasticidad de la pieza envejecida. b) Se fragiliza la pieza en proceso de envejecimiento. c) Aumenta la plasticidad y disminuyen las características resistentes de la pieza envejecida. d) Aumentan las características mecánicas. 98

3 Unidad 6 Endurecimiento por aleación. Aleaciones con solubilidad parcial en estado sólido 15 - El envejecimiento fundamenta el endurecimiento en la dificultad que imponen al movimiento de dislocaciones: a) Los precipitados visibles por microscopio óptico. b) Los precipitados coherentes invisibles por microscopía óptica. c) Los precipitados incoherentes visibles por microscopía electrónica. d) Cualquier tipo de precipitados Las partículas que precipitan en primer lugar en el proceso de envejecimiento son con forma y dimensiones: a) Placa fina en modo coherente. b) Placa gruesa en modo incoherente. c) Esférica fina coherente. d) Esférica gruesa incoherente La estructura de Windmasttaeten requiere para su formación: a) Altas velocidades de enfriamiento. b) Bajas velocidades de enfriamiento. c) Bajo nivel de dislocaciones. d) Bajos niveles de sobresaturación del soluto El mecanismo de Orowan justifica el endurecimiento de las aleaciones envejecidas por: a) Corte de las partículas de precipitado. b) Discrepancia de las semipartículas deformadas. c) Enlazamiento de partículas por dislocaciones. d) Eliminación de las partículas precipitadas La deformación plástica de la probeta después del temple consigue, por la nucleación heterogénea de los precipitados en dislocaciones: a) Mejorar las características plásticas del material. b) Estabilizar el periodo postenvejecimiento. c) Mejorar las características resistentes y disminuir el sobrenvejecimiento. d) Disminuir la cantidad de precipitados obtenidos El enfriamiento enérgico, en el temple, tiene como consecuencia mejorar las características resistentes por: a) Nuclear de forma heterogénea en dislocaciones por el enfriamiento. b) Acumular el envejecimiento con las tensiones internas del temple. c) Obtener menor nivel de sobresaturación. d) Aumentar la incoherencia de las partículas Por el análisis dilatométrico diferencial se registra, con relación a la probeta de referencia: a) La variación de longitud en función de la temperatura. b) El coeficiente de dilatación lineal. c) El coeficiente de dilatación superficial. d) La transmisión de calor Un cambio de fase se identifica en un registro dilatométrico, por: a) Un salto de longitud a la temperatura de transformación. b) Un incremento brusco de la temperatura. c) Un cambio de pendiente a la temperatura de transformación. d) Un cambio brusco de pendiente en la zona de temperaturas de transformación entre dos pendientes, fase inicial y final, diferenciadas. 99

4 Cuestiones y ejercicios de Fundamentos de Ciencia de Materiales 23 - La transformación eutectoide sucede solamente: a) Para la composición eutectoide. b) Para la temperatura de transformación eutectoide. c) Para la temperatura de transformación eutectoide y zona inferior bifásica. d) Cuando coexisten zonas monofásicas y bifásicas Los granos de perlita, eutectoide Fe-C, se conforman: a) Por creación de nuevos granos a partir de los granos de austenita, fase primaria de la transformación eutectoide. b) Sustituyendo, uno a uno, los granos de austenita por los de perlita. c) Por formación previa de precipitados de cementita. d) Por recristalización de la austenita Una ventaja de la transformación eutectoide es que: a) Consigue aumentar el tamaño de grano con el cambio de fase. b) Aumentar los parámetros de plasticidad de la aleación. c) Aumentar la embutibilidad de la aleación. d) Consigue mejorar las características resistentes de las aleaciones por la formación del eutectoide La transformación eutectoide consigue sobre el metal puro: a) Aumentar el límite elástico. b) Aumentar el alargamiento. c) Disminuir la dureza. d) Aumentar la estricción Las semejanzas más importantes de la transformación perlítica con el proceso de recristalización están en: a) La conformación de fases nuevas. b) La conformación de nuevos granos. c) La precipitación en forma de placas. d) El uso de los procesos de difusión Las semejanzas más importantes de la transformación perlítica con el proceso de precipitación está en: a) La conformación de fases nuevas. b) La precipitación en forma de placas. c) La conformación de nuevos granos. d) El uso de los procesos de difusión. 6.2 CUESTIONES DE HETEROEVALUACIÓN 1. Dibuja y define las diferentes microestructuras en una aleación envejecible, en las etapas: a) colada, b) solubilizada, c) envejecida, y, d) sobreenvejecida. 2. Comenta que entendemos por sobreenvejecimiento. Cuales son sus causas y consecuencias?. 3. Un acero contiene 42 % en peso de ferrita proeutectoide. Cuál es el contenido de C de este acero? 4. Distinguir entre ferrita proeutectoide y ferrita eutectoide. 5. Justifique sobre un gráfico temperatura - tiempo, la secuencia de operaciones para dar un 100

5 Unidad 6 Endurecimiento por aleación. Aleaciones con solubilidad parcial en estado sólido tratamiento mixto de acritud + envejecimiento natural a una aleación de aluminio que tiene una temperatura de solvus de 500 C, su temperatura de liquidus en 610 C y la de sólidus en 580 C. 6. Señale sobre un gráfico límite elástico - tiempo, como evoluciona esta propiedad mecánica con el tiempo de envejecimiento para una aleación de aluminio AA 5 para cada una de las temperaturas siguientes: a) 210 C. b) 150 C. c) 25 C. 7. Para un acero con 1.2 %C se pide: a) Dibujar la microestructura de equilibrio a temperatura ambiente. b) Calcular el porcentaje de granos de perlita. NOTA: Composición del eutectoide = 0.8 % C Composición del eutéctico = 4.3 % C Composición de la cementita = 6.67 % C Composición de la ferrita = 0 % C 8. Justifique la falsedad o veracidad de esta frase: Las aleaciones endurecibles por precipitación tienen una utilización limitada por la temperatura. NO PUEDEN destinarse a usos continuos a temperaturas iguales o superiores que las que originan el envejecimiento artificial. 9. Establece los límites de observación de tamaños de partículas precipitadas por microscopía óptica y electrónica y su asociación al concepto de coherencia o incoherencia de las mismas con la matriz. 10. Justifica las causas que determinan la inexistencia de ablandamiento en el proceso de envejecimiento. 11. Hipotetiza sobre la microestructura y características resistentes que se obtienen después de un proceso por tiempo indefinido a temperaturas de envejecimiento sensibles al sobrenvejecimiento. 12. Hipotetiza sobre la diferencia de microestructuras y características de la aleación después de envejecimiento por tiempo indefinido de la cuestión anterior, con la alcanzada en un proceso de enfriamiento reversible después de la etapa de solubilización. 13. Determina el procedimiento para establecer la correlación entre temperatura y solubilización de partículas precipitadas mediante técnicas DSC, calorímetro diferencial de barrido. 14. Describe el procedimiento para establecer la correlación existente entre temperaturas y precipitación de partículas mediante técnicas de DSC. 15. Justifica la formación de estructuras de Windmasttaeten en el proceso de entrada en la tierra de meteoritos formados por hierro y otros elementos de aleación, o en la soldadura de aceros dulces con % carbono. 16. Esquematiza el proceso de engrosamiento de partículas, cuando existe soluto disponible, en régimen de coherencia y coherencia parcial. 17. Esquematiza el proceso de engrosamiento de partículas después del consumo de todo el soluto disponible. 18. Analiza la influencia de la velocidad de temple sobre la precipitación para diversas 101

6 Cuestiones y ejercicios de Fundamentos de Ciencia de Materiales aleaciones envejecibles, curva de la C. 19. Justifica las diferencias existentes entre la microestructura de un eutéctico y de un eutectoide. 20. Analiza las diferencias de transformación que sucede en las temperaturas hipoeutectoides A 3 e hipereutectoides A Correlaciona las características resistentes, carga de rotura, límite elástico, alargamiento, con el contenido de carbono, con los datos obtenidos en la norma UNE de la familia de aceros finos al carbono. 22. Establece el índice de endurecimiento, I e = L e /R, entre el límite elástico y carga de rotura, y correlaciónalo con el porcentaje de carbono. 23. Justifica las diferencias de microestructura que pueden observarse entre las aleaciones de hierro con un 15% de cromo o con un 8% de cromo. 24. Establece los principios fundamentales de los procesos de recristalización, precipitación de segundas fases y transformación perlítica, y las conexiones comunes entre ellos. 25. Establece las diferencias que pudieran existir entre los productos en la transformación perlítica hipereutectoide y la hipoeutectoide. 26. Justifica la inaplicabilidad de los aceros hipereutectoides en estado de recocido. 6.3 PROBLEMAS Y EJERCICIOS PRACTICOS PROPUESTOS Problema 6.1 Sobre el diagrama de fases Cu-Ag, representado en la figura siguiente, determinar: (Cu) 7.9 Líquido (Ag) Cu Porcentaje en peso de Plata a) El rango de aleaciones en base cobre que pueden ser endurecidas mediante envejecimiento. b) El rango de temperaturas de homogeneización para una aleación de Cu con un 3% de Ag. c) El rango de temperaturas de envejecimiento para la aleación de cobre anterior. d) El rango de aleaciones en base Ag que pueden ser endurecidas mediante envejecimiento, indicando para una aleación de Ag con un 5% de Cu el rango de temperaturas de homogeneización y envejecimiento. Ag 102

7 Unidad 6 Endurecimiento por aleación. Aleaciones con solubilidad parcial en estado sólido Problema 6.2 Las aleaciones Al-Cu constituyen un ejemplo característico de aleaciones endurecibles por precipitación, utilizándose en la construcción de estructuras de aviones y otras aplicaciones dónde se requiera alta resistencia mecánica y ligereza. Con ayuda del diagrama de la figura, indique: a) Rango de composiciones que pueden someterse a envejecimiento. b) Temperaturas óptimas de línea u homogeneización para las aleaciones Al-4.5% Cu C c) Temperaturas de envejecimiento artificial aplicables, sabiendo que para este tipo de aleaciones, el óptimo se encuentra entre 0.20 T hom y 0.30 T hom. d) Porcentaje en peso teórico de fase θ que se tiene en la aleación, a 25 C, si ésta se halla completamente sobreenvejecida. Al 660 C L + + θ L % en peso de cobre θ L + 2 L + η 1 θ + η 1 θ + η C C Líquido Ti 1670 C C Porcentaje en peso de níquel 1455 C 1118 C 984 C δ 65.7 ζ 37.8 Problema 6.3 A partir del diagrama de la figura de aleaciones Ti-Ni determinar: a) Composiciones y temperaturas donde existen transformaciones eutécticas. b) Composiciones y temperaturas donde existen transformaciones eutectoides. γ 1310 C c) Para la aleación del 20% en peso de Ni, dibujar el registro de enfriamiento (curva Temperatura-Tiempo). d) Para esta misma aleación, calcular la composición y proporción de fases presentes a C C Ni 103

8 Cuestiones y ejercicios de Fundamentos de Ciencia de Materiales Problema 6.4 Con el diagrama de fases de los bronces (Cu-Sn), presentado en la figura siguiente: a) Indicar las fases existentes en las zonas bifásicas % a 200 ~ Cu (Cu) γ 676 ζ δ b) Para una aleación del 20 % de Sn, trazar las curvas de enfriamiento hasta la temperatura ambiente. c) Para esta misma aleación indicar la composición y proporción de fases existentes a 850 C. d) A la temperatura de (520- T) C indicar qué proporción de granos a proeutectoide habrá en la aleación η 60.9 Porcentaje en peso de estaño L η ( - Sn) 13 ( - Sn) Sn 104

9 Problema 6.5. A partir del diagrama de la figura se pide trazar los siguientes correlaciones: a) Composición de - Temp. b) Composición de γ - Temp. c) Composición de δ - Temp. d) Proporción de - Temp. e) Proporción de γ - Temp. f) Proporción de δ - Temp. para una aleación del 20% B enfriada de forma reversible desde 2100 C. Problema 6.6 En el diagrama de equilibrio Au-Ti, indicar: Unidad 6 Endurecimiento por aleación. Aleaciones con solubilidad parcial en estado sólido a) Composición y temperatura de las transformaciones eutécticas existentes. b) Composición y temperatura de las transformaciones eutectoides existentes. c) Para una aleación del 30 % en peso en oro, dibujar el registro de enfriamiento (curva temperatura - tiempo), indicando las fases en cada intervalo. A 1863 γ Porcentaje en peso de B δ B C 1495 C 1455 C 1395 C C 1385 γtiau (Ti) C 882 C 832 C (Ti) TiAu Ti Ti 3 Au Porcentaje en peso de Au L TiAu 2 TiAu 4 TiAu Au (Au) Problema 6.7 A partir del diagrama de fases Fe-Nb, de la figura, determinar: a) Composición y temperaturas donde existen transformaciones eutécticas. b) Composición y temperaturas donde existen transformaciones eutectoides. c) Para una aleación del 10% de Nb, dibujar la curva de enfriamiento (curva temperatura - tiempo) con indicación de las fases presentes en cada zona. 105

10 Cuestiones y ejercicios de Fundamentos de Ciencia de Materiales d) Para una aleación del 30% de Nb indicar la proporción de fases, su composición y transformación para 1211 y 1209 C. e) Representar gráficamente la microestructura que se observaría para la aleación del 30% de Nb a 1211 y 1209 C C C 1535 C 1373 C 1400 C C (Nb) Fe 1538 C (δfe) 1.5 (γfe) C 1.2 (Fe) 770 C Transformación magnética Porcentaje en peso de niobio µ Nb Problema 6.8 Una aleación se que endurece mediante precipitación de segundas fases, puede hacerlo mediante los procesos térmicos representados en las figuras siguientes. θ 1 θ 1 θ 2 θ 2 t 1 t 2 t 1 t 2 Se pide: a) Señalar sobre los gráficos A y B las diferentes etapas del proceso. b) Qué características debe presentar el diagrama de fases de estas aleaciones? c) Qué ventaja tecnológica presenta el proceso con deformación plástica intermedia?. d) Qué limitación presenta este proceso con deformación plástica intermedia?. Problema 6.9 Para la aleación Ni-V, del 45 % en peso de vanadio, cuyo diagrama de equilibrio se representa en la figura: 106 Plastificación (A) (B)

11 Unidad 6 Endurecimiento por aleación. Aleaciones con solubilidad parcial en estado sólido a) Indicar las fases presentes a 1204, 950, 830 y C. b) Calcular la cantidad de fases presentes a 950 C. c) Calcular la cantidad de cada tipo de grano presente en la microestructura a 950 C. d) Hacer una representación gráfica de la microestructura de la aleación a los 830 C C C (Ni) L C σ (V) Ni 3 V ~ Mag. Trans. 405 C Ni 2 V σ NiV Ni 5 V Ni Porcentaje en peso de vanadio V Problema 6.10 A partir del diagrama Ti-Ni, de la figura: a) Dibujar la microestructura que cabría esperar en los tres puntos seleccionados en la misma para una aleación con 22% de níquel. b) Calcular la composición y proporción de fases correspondientes a esos tres puntos C 942 C 27.9 γ 765 C 5.5 Líquido 1455 C 1310 C C C δ C ζ C Ti Porcentaje en peso de níquel Ni 107

12 Cuestiones y ejercicios de Fundamentos de Ciencia de Materiales Problema 6.11 A partir del diagrama Ti-Ni, de la figura: c) Dibujar la curva de enfriamiento de la aleación base titanio con un 10% de níquel. d) Calcular la composición y proporción de constituyentes microestructurales, a C, para las aleaciones con un 10% de níquel y un 30% de níquel. Problema 6.12 En el diagrama de equilibrio Ti-Au, indicar: a) La transformación que experimenta una aleación con un 10% de Au en peso, desde 1200 C hasta los C. b) Representación gráfica de la microestructura que se observaría para la aleación del apartado a), a la temperatura de C. c) Proporción y composición de las fases de la aleación 10% de Au, a C. d) Cuál sería la microestructura a C de una aleación con el 60% de Au? C C γ 984 C 37.8 Líquido 1380 C C C Ti 1670 C C Porcentaje en peso de níquel δ C Ti 1670 C 882 C (Ti) (Ti) 832 C C 1310 C Ti 3 Au L TiAu Porcentaje en peso de Au γtiau 1495 C 1385 TiAu 2 TiAu ζ 1455 C 1172 TiAu 4 Ni Au C (Au) SOLUCION A LAS CUESTIONES DE AUTOEVALUACION: 1 - d, 2 - b, 3 - c, 4 - d, 5 - c, 6 - a, 7 - d, 8 - b, 9 - a, 10 - c, 11 - c, 12 - b, 13 - a, 14 - a, 15 - b, 16 - a, 17 - a, 18 - c, 19 - c, 20 - a, 21 - a, 22 - d, 23 - c, 24 - a, 25 - d, 26 - a, 27 - b, 28 - d. 108

13 Unidad 6 Endurecimiento por aleación. Aleaciones con solubilidad parcial en estado sólido 6.4 PROBLEMAS Y EJERCICIOS PRACTICOS RESUELTOS Solución al problema 6.1 a) Para ser endurecibles por precipitación o envejecimiento, es requisito necesario que la aleación corte a la curva de solvus, que separa la zona monofásica de la zona bifásica +. Para las aleaciones en base cobre (el cobre hace de solvente y la plata es el soluto o aleante), estas condiciones se dan para las aleaciones con contenido en plata desde aproximadamente 0.2% Ag hasta el 7.9% Ag. Por debajo de 0.2%, la plata permanece disuelta en la red de cobre y la estructura es siempre monofásica. b) Tal como se representa en el diagrama, el rango de temperaturas de homogeneización estará, para una aleación con un 3% de Ag, entre los 1040 C y los 557 C C (Cu) C 780 C Líquido C (Ag) 695 C 400 Cu Porcentaje en peso de Plata Si tomamos un intervalo de seguridad tanto por encima como por debajo, ya que temperaturas muy elevadas pueden originar inicios de fusión o en todo caso engrosamientos exagerados del tamaño de grano. Por el contrario, temperaturas bajas, cercanas a la mínima de solubilidad, permitirá poco la difusión y por lo tanto requerirá largos tiempos para su homogeneización. Todo ello lleva a que la temperatura industrial de homogeneización para estas aleaciones pueda estar entre los y C. c) El rango de temperaturas de envejecimiento estaría entre la temperatura ambiente hasta los 557 C. También en este caso limitamos las temperaturas elevadas que podrían propiciar recristalizaciones de la microestructura derivadas de la acritud inducida por el enfriamiento brusco durante el temple. Es por ello que las temperaturas idóneas de envejecimiento se considerarán, industrialmente, entre los 150 y 350 C. d) En la otra rama del diagrama, aleaciones en base plata (la plata hace de solvente y el cobre es el soluto o aleante), estas condiciones se dan para las aleaciones con contenido en cobre desde aproximadamente 0.2% Cu hasta el 8.8% Cu. Ag 109

14 Cuestiones y ejercicios de Fundamentos de Ciencia de Materiales Para una aleación con un 5% de Cu, las temperaturas de homogeneización estarán entre los 695 C hasta los 870 C. Las temperaturas de envejecimiento deben ser entre la temperatura ambiente hasta los 695 C, centrándose principalmente, en el campo industrial, entre los 175 y los 400 C. Solución al problema 6.2 a) Sólo son envejecibles aquellas aleaciones que cortan a la curva de solvus: % Cu entre aproximadamente % Cu b) La homogeneización requiere la permanencia durante un tiempo suficiente a temperaturas dónde la aleación presente estructura monofásica. En este caso, con 4.5% Cu, el rango posible es: T hom posible: desde 470 a 610 C. Para acelerar el proceso es conveniente aumentar la temperatura mínima. Por contra, debe evitarse un acercamiento excesivo a la línea de sólidus para evitar una posible fusión en bordes de grano si, como suele ocurrir, ha existido segregación dendrítica durante el proceso de solidificación. El rango óptimo es por tanto más estrecho: c) Temperaturas de envejecimiento artificial. T hom óptima: C Para esta aleación, el envejecimiento puede, teóricamente, darse entre T amb y 470 C. Para el envejecimiento artificial, las temperaturas óptimas se encuentran entre 0.2 T hom y 0.3 T hom. Temperaturas superiores provocan un rápido sobreenvejecimiento. T envejecimiento artificial = 120 C C d) Un sobreenvejecimiento total implica que toda la fase θ ha perdido la coherencia con la matriz y ha formado precipitados gruesos. La cantidad total de fase θ presente puede por lo tanto estimarse a partir del diagrama de equilibrio para esa temperatura. En la figura siguiente se muestra con mayor detalle el diagrama Al-Cu hasta temperatura ambiente. Se traza la isoterma de 25 C y se calculan las composiciones de cada fase. Para la aleación con 4.5%, las fases presentes son, solución sólida de Cu en Al, y la fase intermedia θ que ha precipitado. La proporción de fase θ en la estructura se calcula de forma inmediata mediante la regla de la palanca. Fases: θ Composición: 0.02% Cu 54.0% Cu Proporción de θ: ( )/( ) = Existe por tanto un 8.3% de fase θ en la aleación sobreenvejecida % 660 C L C L Al 4.5% + θ 27 C % en peso de cobre 54.0% θ L + 2 L + η 1 θ + η 1 θ + η 2 110

15 Solución al problema 6.3 a) Transformaciones eutécticas Unidad 6 Endurecimiento por aleación. Aleaciones con solubilidad parcial en estado sólido Transformación Composición (% Ni) Temperatura ( C) L + γ L δ L + ζ b) Transformaciones eutectoides Transformación Composición (% Ni) Temperatura ( C) + γ δ γ c) La curva de enfriamiento (Temperatura - Tiempo) se traza en la figura siguiente, junto al diagrama Ti 1670 C 5.5 L C Líquido C % en peso de níquel Obsérvese que se cumple lo siguiente: γ La aparición de una nueva fase provoca un cambio en la pendiente de la curva El paso por líneas horizontales de transformaciones singulares (eutéctico y eutectoide) requiere un lapso de tiempo a dicha temperatura para completar la reacción, por lo que se observa una meseta horizontal en la curva de enfriamiento. d) La aleación se encuentra en una zona bifásica de L +. Los puntos de corte de la isoterma de θ t 111

16 Cuestiones y ejercicios de Fundamentos de Ciencia de Materiales C con las líneas del diagrama que separan a esta zona de las respectivas zonas monofásicas: por la izquierda y L por la derecha, nos dan la composición de cada fase. A partir de los valores de composición pueden calcularse las proporciones de cada fase, aplicando la regla de la palanca: Solución al problema 6.4 fases L Composición 11% Ni 27% Ni Proporción (27-20)/(27-11) (20-11)/(27-11) = 43.75% = 56.25% a) En las zonas bifásicas coexisten las fases que se encuentran a izquierda y derecha de dicha zona. En la figura siguiente se muestra el diagrama completo. b) La curva de enfriamiento (Temperatura - Tiempo) se ha trazado junto al diagrama L (Cu) γ 676 ζ γ δ δ ~350 L+ +γ η η L+η 1.3 % a η+(sn) η ( - Sn) 100 +η η'+(sn) 13 0 ( Sn) 100 Cu Porcentaje en peso de estaño Sn Obsérvese que se cumple lo siguiente: L L+ δ La aparición de una nueva fase provoca un cambio en la pendiente de la curva. El paso por líneas horizontales de transformaciones singulares (eutéctico, eutectoide, peritéctico, etc.) requiere un lapso de tiempo a dicha temperatura para completar la reacción (eutéctico, eutectoide, peritéctico, etc.), lo que se manifiesta por una meseta horizontal en la curva de enfriamiento. c) La aleación se encuentra en una zona bifásica de L + (Cu). Los puntos de corte de la isoterma de 850 C con las líneas del diagrama que separan a esta zona de las respectivas zonas monofásicas: (Cu) por la izquierda y L por la derecha, nos dan la composición de cada fase. A partir de los valores de composición pueden calcularse las proporciones de cada fase, aplicando la regla de la palanca: θ t 112

17 Unidad 6 Endurecimiento por aleación. Aleaciones con solubilidad parcial en estado sólido fases L Composició n 8% Cu 23% Cu Proporción (23-20)/(23-8) (20-8)/(23-8) = 20% = 80% d) Inmediatamente debajo de 520 C la aleación se encuentra en una zona bifásica + δ, donde la fase aparece en dos constituyentes: formando parte junto con δ del eutectoide (27% Sn), y como proeutectoide que ya se había formado a temperaturas por encima de 520 C. Puede estimarse la cantidad relativa de cada tipo de grano: proeutectoide, aplicando la regla de la palanca entre la línea de solvus por la izquierda, que da la composición de (15.8% Sn), y la composición eutectoide (27% Sn). En este caso se tendrá: Cu (Cu) γ ζ ~350 L δ % en peso de estaño Solución al problema 6.5 Constituyentes: proeutectoide Eutectoide Proporción: (32-27)/( ) ( )/( ) Apartados a y d) Transformaciones de la fase. = 30.8% = 69.2% Comienza su aparición a 1825 C. Por encima no existe. Entre 1825 y 1 C aparece mezclada con la fase γ. Entre 1 y 1500 C aparece mezclada con la fase δ. Entre 1825 y 1 C: Composición: Viene dada por la línea del diagrama que separa la zona monofásica a de la zona bifásica +γ: varía desde 2% B a 1825 hasta 9.7% B a 1 C. Proporción: Viene dada por la regla de la palanca en la zona bifásica + γ: Aumenta progresivamente desde: 0 a 1825 C hasta un Entre 1 C y 1500 C: ( )/( ) = 0.58 a 1 C. La fase γ desaparece completamente por la reacción eutectoide: γ = + δ, dándose en esta zona la existencia de fases y δ. Composición de : Viene dada por la línea del diagrama que separa la zona monofásica de la zona bifásica + δ. varía desde 9.7% B a 1 C hasta 5% B a 1500 C. 113

18 Cuestiones y ejercicios de Fundamentos de Ciencia de Materiales Proporción: Viene dada por la regla de la palanca en la zona bifásica + δ: A 1 C - T, justo debajo del eutectoide vale: % = 100 ( )/( ) = 80.5%, siendo el resto δ de composición 62.5% B La proporción de disminuye progresivamente conforme desciende la temperatura hasta que a 1500 C, se tiene: % = 100 ( )/(62.5-5) = 73.9% Los resultados se muestran gráficamente en las figuras siguientes. Apartados b), c), e) y f): fases γ y δ. Las correlaciones correspondientes a las fases γ y δ, se presentan indicadas en las figuras siguientes Composición, γ y δ γ A Porcentaje de B δ 2100 C C % 1 C % γ % δ Solución al problema 6.6 a) Las transformaciones eutécticas tienen lugar a las temperaturas y proporciones siguientes: Contenido en oro (%) Temperatura ( C) b) El único eutectoide del diagrama tiene una composición del 15% de Au a una temperatura 832 C. c) En la figura se representa el registro de enfriamiento de la aleación con un 30% de Au, que %

19 Unidad 6 Endurecimiento por aleación. Aleaciones con solubilidad parcial en estado sólido inicia la solidificación a fase alrededor de los 1550 C, finalizando la misma a los 1460 C. A partir de esa temperatura tenemos una sola fase, fase del Ti, que ha partir de los 1200 C precipita una fase Ti 3 Au. A los 832 C la fase restante, sufre transformación eutectoide en fase + fase Ti 3 Au Solución al problema 6.7 a) Las transformaciones eutécticas tienen lugar a las temperaturas y proporciones siguientes: Contenido en niobio (%) Temperatura ( C) b) El único eutectoide del diagrama tiene una composición del 2.5% de Nb a una temperatura 1210 C. c) En la figura se representa el registro de enfriamiento de la aleación con un 10% de Nb, que inicia la solidificación a fase δ alrededor de los 1420 C, finalizando la misma a los 1373 C, donde tiene lugar la transformación eutectoide. Desde esta temperatura hasta la de 1210 C, donde tiene lugar la transformación eutectoide, pasando de fases δ +, a las fases γ +. A los 961 C la fase γ sufre una transformación en fase. d) Aleación del 30% Nb A temperatura de 1211 C, estarán presentes las fases δ (2.5% Nb) y (38% Nb), con los siguientes porcentajes: % δ = = % % = = % A temperatura de 1209 C, estarán presentes las fases γ (1.5% Nb) y (38% Nb), con los siguientes porcentajes: % γ = = % % = = % e) Representación gráfica de la aleación 30% de Nb, a distintas temperaturas: 1211 C 1209 C Ε Ε Ε Εutectoide Εutectoide Ε Εutectoide 115

20 Cuestiones y ejercicios de Fundamentos de Ciencia de Materiales Solución al problema 6.8 a) En los gráficos se señalan las diferentes etapas del proceso de precipitación. θ 1 Solubilización Temple θ 1 Solubilización Temple Envejecimiento Envejecimiento θ 2 θ 2 t 1 t 2 t 1 t 2 b) El diagrama de fases debe presentar solubilidad parcial en estado sólido con curva de solvus. c) El proceso de deformación plástica mejora la nucleación de precipitados, aumentando las características mecánicas. d) La temperatura de envejecimiento debe ser inferior a la temperatura de recristalización de la aleación, para que no pierda las propiedades mecánicas obtenidas con la deformación plástica. Solución al problema 6.9 Plastificación (A) a) Las fases presentes a cada temperatura, serán, según el diagrama de equilibrio: 1204 C L + (Ni) 980 C σ + (Ni) 830 C σ + Ni 2 V C σ + Ni 2 V (B) C C (Ni) 1045 C 29.5 L σ (V) Ni 3 V ~ Mag. Trans. 405 C Ni 2 V σ NiV 3 b) La cantidad de fases presentes a 950 C, será, considerando el porcentaje de vanadio en la fase σ de un 51 % y en la fase (Ni) de un 36 % Ni 5 V Ni Porcentaje en peso de vanadio V

21 Unidad 6 Endurecimiento por aleación. Aleaciones con solubilidad parcial en estado sólido % σ ' = = 60 % % ( Ni ) = = 40 % c) La cantidad de cada tipo de grano vendrá dada por la proporción de granos ricos en níquel, fase (Ni), y de granos eutécticos a la temperatura de 950 C % Eutectico = = 818. % % ( Ni ) = = % d) La microestructura obtenida a los 830 C será como la representada en la figura, con una combinación de granos con transformación eutectoide procedentes de los granos con transformación eutéctica a mayores temperaturas y formando matriz la fase σ. Eutectoide Fase σ Solución al problema 6.10 a) En el diagrama se representa el esquema de las microestructuras que se obtendrían a cada temperatura C C Líquido γ 1380 C 1304 Ti 1670 C L L Eutéctico 1310 C Porcentaje en peso de níquel 1455 C 1118 C δ C ζ 37.8 Euectoide C Fase γ 86.1 Ni 117

22 Cuestiones y ejercicios de Fundamentos de Ciencia de Materiales b) Las fases, composición y proporción en cada uno de las tres temperaturas será la siguiente: A 1050 C habrá dos fases, fase con un 11% de Ni y fase líquida con un 26% de Ni, cuya proporción vendrá dada por: % = = 26,67% % líqido = = 73,33% A 850 C habrá dos fases, fase con un 8% de Ni y fase γ con un 37% de Ni, cuya proporción vendrá dada por: % = = 51,72% % γ = = 48,28% 37 8 A C habrá también dos fases, fase con un 1% de Ni y fase γ con un 37,5% de Ni, cuya proporción vendrá dada por: Solución del problema ,5 22 % = = 42,47% 37, % γ = = 57,53% 37,5 1 a) la curva de enfriamiento será como la representada en la figura, donde se especifican las temperaturas de transformación y las fases en cada zona. Temperatura Líquido 1520 C L + C Fase 870 C Fases + γ Eutectoide ( + γ) + γ Tiempo 765 C C C 765 C 27.9 γ 984 C 37.8 Líquido 1310 C C 1118 C 1380 C 1304 Ti Porcentaje en peso de níquel δ C ζ Ni 118

23 Unidad 6 Endurecimiento por aleación. Aleaciones con solubilidad parcial en estado sólido b) Para un 10 % de níquel tendremos como constituyentes microestructurales granos eutectoides de transformación de la fase, con una composición de 5.5% de Ni, y fase γ precipitada en borde de grano, con una composición de 38% de Ni. Con ello la proporción de los granos será: % gra nos eutectoides = = % gra nos γ = = % 86.15% Para la aleación con el 30% de níquel tendremos granos, inicialmente, granos proeutecticos γ envueltos por los granos eutecticos que sufrirán más tarde la transformación eutectoide correspondiente % gra nos eutectoides = = % % gra nos γ = = % Solución del problema a) Desde los 1200 C hasta los 650 C no presenta transformación alguna, es a partir de los 865 C aproximadamente cuando inicia la transformación alotrópica de fase (Ti) a fase (Ti), que continua la transformación hasta los 832 C donde tiene lugar la transformación eutectoide, por lo que su microestructura será la correspondiente a una aleación hipoeutectoide. A partir de esta temperatura y hasta los C ya no muestra ninguna otra transformación. b) La microestructura será la correspondiente a una aleación hipoeutectoide, con aproximadamente una mitad de granos proeutectoides y granos eutectoides. c) Las fase a C serán fase con un 4.5 % de Au e intermetálico Ti3Au con un 58% de Au. La proporción de estas fases será: Fase = = 89.7% Εutectoide Εutectoide Εutectoide Ti Au = = % d) La microestructura, a C, de la aleación con un 60% de oro, estará formada por granos de intermetálico Ti 3 Au, del tipo proeutéctico, solidificados desde los 1395 C hasta los 1310 C donde tendrá lugar la solidificación del resto de líquido mediante transformación eutéctica que se conformará mediante láminas de intermetálico Ti 3 Au y fase γtiau. De manera aproximada tendría un 25% de granos proeutecticos y una 75% de estructura eutéctica rodeando o envolviendo a los anteriores. 119