Unidad5 ENDURECIMIENTO POR ALEACION

Transcripción

1 Unidad5 ENDURECIMIENTO POR ALEACION 1 PRESENTACION Dos metales (A, B) a temperaturas superiores a sus respectivos puntos de fusión (T A,T B ) se encuentran en estado líquido pudiéndose disolver y conformar así una fase única líquida. Esto quiere decir que no podemos establecer diferencias de comportamiento u observación entre las distintas partes del líquido y que los metales en las proporciones mezcladas tienen la propiedad de miscibilidad. Si la mezcla líquida, X A -X B, la sometemos a un proceso de solidificación, mediante enfriamiento, llegamos a obtener el producto que se denomina aleación de los metales A y B. Es conocido que las aleaciones mejoran las características de los metales puros. Realmente debería decirse que introducen variables que diferencian el comportamiento de los metales puros que las componen, porque en algunas circunstancias pueden perjudicar sus propiedades. Obviamente, conformar una aleación es uno de los medios más primitivos que la ingeniería ha dispuesto para actuar sobre las propiedades de los metales puros, incluso históricamente la aleación es predecesora como lo justifica el bronce, Edad del bronce. Este es pues el objetivo: correlacionar las propiedades resistentes con las composiciones de las aleaciones. Este objetivo parecería sencillo si sólo conformara el modelo la variable composición, que correspondería a una solidificación en equilibrio, reversible termodinámicamente. Pero el modelo se enriquece por la influencia de las características de los procesos de enfriamiento, con distintos grados de irreversibilidad, o determinadas velocidades de enfriamiento, lo que evidentemente determinará la conformación de la microestructura, granos y fases, y desde aquí las diferentes respuestas del material ante solicitaciones específicas. Así pues, tres son los objetivos que nos hemos impuesto: A - Correlacionar las propiedades resistentes de las aleaciones obtenidas en condiciones industrialmente reversibles. B - Diferenciar la influencia que sobre las aleaciones imponen las condiciones de velocidad de enfriamiento alta, termodinámicamente irreversibles, subrayando en especial: FCM 5 / 61

2 La influencia que sobre la microestructura tiene una velocidad de enfriamiento mayor que la calificada como reversible. La influencia que esta irreversibilidad tiene sobre las características resistentes de la aleación. C - Analizar los tratamientos térmicos que permitan reconducir las aleaciones obtenidas en procesos irreversibles, como es el caso de recocido de homogeneización en las estructuras con segregación dendrítica. El campo de aplicación de esta unidad es vastísimo, pues la aleación se constituye como el primer medio de endurecimiento de los metales. Prácticamente todos los metales disponen de concentraciones que pueden alearse con solubilidad total o parcial en estado sólido, como es el caso de los aceros, bronces, latones, cuproníqueles, oro o plata, que se alean para mejorar sus características resistentes o de otro tipo. 2 LA CINETICA DEL PROCESO DE SOLIDIFICACION Cuando un metal puro en estado líquido sometido a un proceso de enfriamiento alcanza su temperatura de solidificación, se inicia un proceso de formación de embriones o núcleos sobre los que van agregándose átomos, conformando así la estructura cristalina. La velocidad de formación de embriones o velocidad de nucleación será una variable importante en el tamaño y la forma de cada estructura monocristalina. La otra variable fundamental para la definición del grano será la velocidad de crecimiento del grano. La combinación de altas velocidades de nucleación y de crecimiento tendrán como consecuencia pequeñas dimensiones de granos. E inversamente, pequeñas velocidades de nucleación y crecimiento concluyen en grandes tamaños de grano. Analizaremos los diferentes modos de nucleación que pueden darse en la solidificación de metales. Podría pensarse que la curva cinética de la temperatura del metal en el enfriamiento es simétrica a la que se describe en un proceso de fusión de un metal puro, de todos conocidos figura 5.1, con la meseta requerida para recibir el calor latente necesario para el cambio de estado de sólido a líquido a la temperatura de fusión T f. Sin embargo podremos comprobar que esto no sucede así, como consecuencia de la no reversibilidad de los procesos termodinámicos aplicados. T T f T t 1 Figura 5.1. Cinética de fusión, 0 - t 1, y,solidificación t > t 1 de un metal puro. t La descripción teórica del detalle de formación de embriones está en concordancia con el principio termo-dinámico citado. En efecto, a la temperatura de fusión T f, la diferencia esencial entre el líquido y el sólido está en la energía cinética que anima al líquido, mientras que la energía potencial de ambos es del mismo orden. Parece lógico admitir que en algún lugar puede producirse una pequeña agrupación de átomos, núcleos homogéneos, con la ordenación cristalina. Su transformación en cristal provoca inmediatamente un aumento de temperatura por causa de la liberación del calor latente correspondiente. Con ello se produciría la rotura de la estructura cristalina del embrión FCM 5 / 62

3 que se formó al transformarse esta energía latente en energía cinética. Así pues, una condición necesaria es que el embrión formado se encuentre a temperatura inferior a la de fusión, lo que se cuantifica con el denominado grado de subenfriamiento, T. 2.1 EXPERIENCIA SOBRE LA CINETICA DE SOLIDIFICACION DE METALES PUROS Objetivo de la experiencia Investigar la cinética de solidificación de metales puros correlacionando forma y tamaño de grano, grado de subenfriamiento, tipo de molde de enfriamiento y afinadores de grano Material empleado Descripción del proceso y equipos Dibuja el aspecto de las muestras tras el macroataque, indicando la forma y distribución de los granos. FCM 5 / 63

4 2.2 EXPERIENCIA SOBRE LA INFLUENCIA DE LOS AFINADORES DE GRANO Objetivo de la experiencia Investigar la influencia de los afinadores de grano en la solidificación de metales puros, relacionándolo con la forma y tamaño de los granos Material empleado y descripción del proceso y equipos utilizados Dibuja el aspecto de las muestras tras el macroataque, indicando la forma y distribución de los granos. 3 ALEACIONES CON SOLUBILIDAD COMPLETA EN ESTADO SOLIDO El objetivo es realizar el estudio de las aleaciones que muestran solubilidad total en estado sólido, que resumimos: A - Correlacionar propiedades mecánicas en condiciones de reversibilidad. B - Mostrar la influencia sobre las propiedades de las condiciones de irreversibilidad. C - Investigar los procesos térmicos que se requieren para estabilizar la aleación. Plasmado esquemáticamente, los diferentes objetivos son: FCM 5 / 64

5 FUNDAMENTOS DEL DIAGRAMA DE EQUILIBRIO PROCEDIMIENTOS PARA OBTENCION DE ALEACIONES ALEACIONES CON DIAGRAMA DE EQUILIBRIO CON SOLUBILIDAD COMPLETA CONDICIONES DE REVERSIBILIDAD CARACTERÍSTICAS MECÁNICAS ALEACIONES EN CONDICIONES DE VELOCIDAD DE ENFRIAMIENTO ALTA MICROESTRUCTURA CARACTERÍSTICAS MECÁNICAS RECOCIDO DE HOMOGENEIZACIÓN PROCESO VARIABLES DE CONTROL LEYES DE DIFUSION 3.1 EL DIAGRAMA DE EQUILIBRIO ENTRE FASES Al igual que el geógrafo tiene el mapa geográfico, el técnico en materiales dispone del diagrama de equilibrio entre fases. En efecto, un diagrama de equilibrio describe, para dos metales que componen una aleación, y cada conjunto de variables, la composición y la ponderación de las fases que hacen mínima la energía libre del sistema. Para ello es necesario que, los procesos de evolución del sistema, hasta alcanzar los valores buscados de las variables sean reversibles desde el punto de vista termodinámico. Solo así las fases de equilibrio serán una función del estado y no del camino seguido en la evolución. Por tanto, un diagrama de equilibrio de fases obtenido de este modo, es función unívoca del estado de las variables del sistema: presión, temperatura y concentraciones de sus componentes Determinación de los diagramas de equilibrio de fases Definir un diagrama de equilibrio significa determinar las temperaturas en las que aparecen cambios de fase para cada una de las composiciones posibles. El procedimiento para definir los diagramas de equilibrio de las aleaciones es, usualmente, el análisis térmico o estudio de la variación de las temperaturas frente al tiempo para una determinada velocidad de extracción de calor, que permite analizar los cambios de fase que suceden en el paso de líquido a sólido, o de sólido a sólido, por cuanto cada fase tiene una definida entalpía que la identifica. En definitiva, un cambio de fase significa una liberación o absorción de calor de acuerdo con su entalpía asociada. FCM 5 / 65

6 Para ganar sensibilidad en las transformaciones de fase, el análisis térmico se registra diferencialmente con relación a un patrón que es invariante a los cambios de fase, figura 5.2. De este modo las variaciones registradas corresponden sólo a las investigadas por los cambios de fase. En la figura 5.3, se muestra un registro x-y, dθ-θ, tipo en las transformaciones de una resina epoxi. e E s S Figura 5.2. Esquema de un dispositivo de análisis térmico diferencial. El análisis térmico diferencial 0 permite registrar los cambios de fase que suceden a cada temperatura durante el enfriamiento o calentamiento de un material. La variación de temperatura, 110,00 140,00 ordenadas, indica el cambio de fase a la temperatura registrada, abscisas. D A B C Flujo calorífico, mw Pico de: 122,62 a: 261,72 Onset: 153,23 J/g = 109,90 Epoxy Prepeg (sin curado) Pico = 170,96 50,00 80,00 170,00 200,00 230,00 Temperatura, C Figura 5.3. Transformación de resina epoxi. 260, Identificación de las fases Se realizan por medio de las técnicas ya estudiadas, que recordamos: Técnicas metalográficas; que permiten visualizar las fases existentes a las temperaturas que son estabilizadas. Como las preparaciones metalográficas se realizan a temperatura ambiente, en principio, sólo pueden ser observadas aquellas fases estables a esta temperatura. No obstante, en ocasiones, puede extrapolarse su campo de observación provocando un enfriamiento brusco, templado, desde la temperatura en que la fase investigada es estable, siempre y cuando este enfriamiento no determine otros cambios de fase desde aquella original. Microdureza; que nos permite cuantificar y diferenciar las características resistentes de las fases presentes a temperatura ambiente. Difracción de Rayos X; que nos permite identificar la fase estable por comparación del espectro característico obtenido La identificación de las fases de una aleación estable o estabilizada se consigue a través de técnicas metalográficas, de análisis de microdurezas y de difracción de rayos X. 3.2 SOBRE LA SOLIDIFICACION DE ALEACIONES Objetivo de la experiencia Investigar las posibilidades de conformación de una aleación de dos componentes y diversos rangos de composición. FCM 5 / 66

7 3.2.2 Materiales empleados Descripción del proceso y equipos Representa el diagrama de equilibrio de fases de los componentes estudiados Dibuja la microestructura de la diferentes aleaciones, indicando la forma y distribución de los granos. FCM 5 / 67

8 3.3 SOBRE LA SOLIDIFICACION INDUSTRIAL DE UNA ALEACION Objetivo de la experiencia Investigar las variaciones que afectan al diagrama de fases y a la microestructura cuando la velocidad de enfriamiento es industrial, irreversible. Definir la segregación dendrítica y el efecto "coring" Materiales empleados Dibuja la microestructura observada tras enfriamiento rápido de la aleación Define y representa el efecto coring observado en las microestructuras 3.4 SOBRE EL RECOCIDO DE HOMOGENEIZACION Objetivo de la experiencia Investigar la influencia de los parámetros que son variables en un recocido de homogeneización sobre probetas con la estructura segregada, e importancia de la difusión Materiales empleados FCM 5 / 68

9 3.4.3 Descripción del proceso y equipos Unidad 5 Endurecimiento por aleación. Aleaciones con transformación eutéctica Dibuja las microestructuras de la aleación con los diferentes parámetros. 4 ENDURECIMIENTO POR ALEACION CON TRANFOR- MACION EUTECTICA Cuando los dos metales aleantes son inmiscibles, o parcialmente miscibles, en estado sólido, nos encontramos, con ganancia en sus características resistentes si bien sus causas son bien distintas, al permitir la transformación eutéctica. La aplicación de estas aleaciones en la industria es grande y diversa, especialmente en piezas obtenidas mediante colada. Bastidores de estructuras, bloques de motor, llantas de automóviles, etc., son algunos casos en los que aleaciones con transformación eutéctica encuentran aplicaciones ventajosas. Sus dos ventajas fundamentales son: 1 - Facilidad en el proceso de colada, por las mínimas temperaturas necesarias. 2 - Optimas características resistentes. Temperatura, C Es lógico pensar que las zonas de insolubilidad sean crecientes con la disminución de temperatura y que las composiciones intermedias de los sistemas binarios sean más ,5 (Pb) ,0 18,3 61,9 97,8 β (Sn) Pb Porcentaje en peso de estaño Sn Figura 5.5. Diagrama de equilibrio Pb-Sn con solubilidad parcial en estado sólido. FCM 5 / 69

10 proclives que las extremas, a la existencia de la insolubilidad. De acuerdo con estos postulados, en la figura 5.4 se observa una zona central, composición-temperatura, donde existe una mezcla de dos fases. Las zonas α y ß a la derecha e izquierda de la zona insoluble, son de solubilidad total y por tanto monofásicas siendo las fronteras de separación de estas zonas líneas de saturación del componente aleante. Obviamente, la zona de insolubilidad es una zona bifásica, de las fases α y ß, y de su conformación dependen las características específicas de la aleación eutéctica, este es precisamente nuestro objetivo: analizar el proceso de conformación, la microestructura resultante y su correlación con las características resistentes. 4.1 EXPERIENCIA SOBRE TRANSFORMACION EUTECTICA Objetivo de la experiencia Investigar la transformación eutéctica, su conformación y microestructura Materiales ensayados Descripción del proceso, probetas y equipos Dibuja el aspecto de la microestructura del material tras el ataque, indicando la forma y distribución de los granos. FCM 5 / 70

11 4.2 SOBRE LAS CARACTERISTICAS MECANICAS DE LAS ALEACIONES CON TRANSFORMACION EUTECTICA Objetivo de la experiencia Investigar las características resistentes de las aleaciones con transformación eutéctica Materiales ensayados Descripción del proceso, probetas y equipos Resultados obtenidos y representación de las características mecánicas con el porcentaje de transformación eutéctica. FCM 5 / 71

12 5 CUESTIONES PROPUESTAS POR LAS EXPERIENCIAS 1. Cómo afecta la temperatura del molde a la velocidad de nucleación de embriones sólidos de metal? 2. Cómo afecta la naturaleza del molde a la velocidad de nucleación, embriones sólidos de metal? 3. Distingue los lugares preferentes de formación de embriones sólidos en un molde en condiciones de nucleación homogénea y en condiciones de nucleación heterogénea. 4. Justifica qué ventajas, si las tienen, presentan los moldes de arena frente a las coquillas metálicas? 5. Señala tres tipos de aleaciones industriales para fundición con transformación eutéctica. Indica así mismo alguna aplicación para tales aleaciones. 6. Justifica el empleo de coquillas metálicas en la producción industrial de piezas coladas. 7. Cómo puede evitarse, durante la fabricación, el efecto coring de las aleaciones con solubilidad total en estado sólido? 8. Describe el por qué del fenómeno de segregación dendrítica que muestran algunas aleaciones con solubilidad total en estado sólido. 9. Razona la posibilidad de que algunas aleaciones con solubilidad parcial en estado sólido muestren segregación dendrítica o efecto coring. 10. Describe como se forman los granos eutécticos durante la solidificación de las aleaciones con esta transformación. 11. Analiza las diferencias entre la solidificación de un metal puro y una aleación con transformación eutéctica. FCM 5 / 72

13 ALUMNO APELLIDOS: GRUPO DE PRÁCTICAS: NOMBRE: FECHA DE ENTREGA: RESPUESTAS DE LAS CUESTIONES A RESOLVER FCM 5 / 73