TRANSFORMACIONES EN ESTADO SOLIDO Después de solidificada una aleación puede sufrir transformaciones posteriores. Se presenta en metales que tienen al menos un componente que sufre transformaciones alotrópicas con la variación de temperatura. Los mas importantes son Fe, Co, Mn, Ti, Zr. P/E. El Fe presenta la variedad alotrópica α (Ferrita) a la temperatura ambiente (Cubico centrado en el cuerpo), la γ (austenita) entre 900º y 1400º (cubico centrado en la cara) y δ entre 1400º y la fusión (Cubico centrado en el cuerpo). 1
TRANSFORMACIONES EN ESTADO SOLIDO A alta temperatura A y B son completamente miscibles uno en otro, dando una serie de SS homogéneas γ. Las 2 curvas FG representan las líneas de liquidus y solidus. La linea HEI marca el comienzo de la transformación en estado solido γ α o γ β y la línea HMENI el fin de la misma, por debajo de ella no existe fase γ. 2
TRANSFORMACIONES EN ESTADO SOLIDO Aleación 1. Para concentraciones entre A y P, la solución sólida Υ se transforma en solución sólida α. Que seguirá enfriándose hasta temperatura ambiente. Aleación 2. Para concentraciones entre P y J la SS γ, se transforma en SS α, pero al atravesar la línea MP, que indica la disminución de solubilidad del componente B en A, la estructura homogénea de cristales α, segregara una 2da. fase B. Que a temperatura ambiente disuelve una cantidad de metal A. Esta segregación es la SS β y se efectúa en los bordes de grano y a veces en el interior de los mismos. Esta segregación en el interior los granos es una característica de las transformaciones en fase solida que ocurren a baja temperatura, debido a la baja movilidad atómica (deficiente difusión), que impide que migren a los bordes de grano. 3
TRANSFORMACIONES EN ESTADO SOLIDO La aleación 3 cristaliza en forma de solución sólida γ, y al atravesar la línea HE segrega cristales α. Pero a la temperatura T1 habiendo todavía γ, sin transformar, este solido remanente se transforma a temperatura constante en cristales de α y β yuxtapuestos y se forma una estructura denominada eutectoide. Con la disminución de la temperatura los cristales α de composición J, segregan algo de β y los de β de composición K segregan algo de α. A temperatura ambiente la aleación estará formada por cristales primarios de α, rodeados por un eutectoide α + β de composición P y Q. 4
La aleación 4, solidifica en primera instancia como SS γ, que se enfría sin sufrir alteraciones hasta llegar al punto E, donde coinciden las líneas de comienzo y fin de la solidificación en estado solido, A esta temperatura la SS γ se transforma isotérmicamente en el eutectoide α + β. El eutectoide difiere del constituyente eutéctico. Su estructura es generalmente laminar. Las laminas del eutectoide se re-disuelven y re-precipitan. Es una reacción reversible, todo el sistema avanza hacia un estado energético mínimo (equilibrio estable), al calentarse, las laminas se entrecortarán y globalizarán y luego coalescerán en forma globular. El estado energético mínimo es el de la fase de mayor volumen. La esfera es de mayor volumen respecto de la superficie, de manera que tenemos estructuras eutectoides globulares en equilibrio estable. 5
cristales β, eutectoide α + β Aleación 5 consta a temperatura ambiente de cristales β, rodeados del eutectoide α + β Cristales primarios β Fase segregada α La aleación 6 consta de cristales primarios β con una 2da. Fase segregada α Solucion solida β La aleación 7 esta formada por una estructura metalográfica homogénea de solución solida β 6
Las transformaciones que se producen en estado sólido son similares a las que se producen partir de un liquido. Existen diferencias entre ambos tipos de reacción debidas a la lentitud de difusión de los átomos en el estado sólido y por lo tanto mayor demora en las transformaciones. Los cambios que las aleaciones pueden experimentar en estado solido pueden resumirse así: 1.- Cambio de una forma alotrópica por otra 2.- Formación de eutectoides 3.- Formación de pericteitoides 4.- Cambio de solubilidad sólida con el enfriamiento 5.- Recristalización (sin transformación alotrópica) 6.- Crecimiento de grano 7
Dentro de las aleaciones cuyas transformaciones se realizan en estado sólido esta la aleación Fe-C. Dentro de estas aleaciones tenemos los aceros y las fundiciones. Comenzaremos el estudio del acero, en su versión mas simple: aceros al C. Los aceros son aleaciones Fe-C con algunos elementos e impurezas, los elementos suelen ser el Mn y el Si, y las impurezas el P y el S. A estos aceros se los llama : aceros al Carbono. Hay otros aceros que se llaman aleados y tienen agregados elementos tales como: Cr, V, W, Ti, B, Ni, etc. que le confiere propiedades notables. 8
El Carbono se encuentra generalmente en los aceros, combinado con el Fe, formando carburo de Fe, cementita, que contiene 6,67% de C y que forma un compuesto químico definido y de propiedades diferentes a las del Fe y C su formula es Fe 3 C y esta formado por 3 partes de Fe y una de C. 9
Los componentes que forman la aleación Fe-C son Ferrita o Fe α, es una solución sólida de C en Fe, solidifica como cubica centrada en el cuerpo. Disuelve 0,02 % de C a 723 ºC Disuelve 0,008% de C a temp. Amb. Austenita o Fe γ, es una solución sólida intersticial de Carburo de Fe en Fe γ, solidifica como cubico centrado en la cara. Disuelve 2% de C a 1145ºC Cementita (CFe3), es un compuesto íntermetálico. La solubilidad es despreciable. Fe Delta δ, disuelve 0.007% de C a 1487 ºC, Solidifica como cubico centrado en el cuerpo. No se usa industrialmente. 10
Antes de estudiar este diagrama es importante notar que no se trata de un verdadero diagrama de equilibrio, pues un verdadero equilibrio implicaría que no hubiera cambio de fase con el tiempo. Sin embargo, es un hecho que el compuesto carburo de hierro se descompondrá de una manera muy lenta en hierro y carbono (grafito), lo cual requerirá un período de tiempo muy largo a temperatura ambiente. El carburo de hierro se dice entonces metaestable; por tanto, el diagrama hierro-carburo de hierro, aunque técnicamente representa condiciones metaestables, puede considerarse como representante de cambios en equilibrio, bajo condiciones de calentamiento y enfriamiento relativamente lentas. 11
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FORMAS ALOTRÓPICAS DEL HIERRO El hierro cristaliza en la variedad alfa hasta la temperatura de 768ºC. La red espacial a la que pertenece es la red cúbica centrada en el cuerpo (BCC). La distancia entre átomos es de 2.86 Å. El hierro alfa no disuelve prácticamente en carbono, no llegando al 0.008% a temperatura ambiente, teniendo como punto de máxima solubilidad a T=723ºC (0,02%)Magnético La variedad beta existe de 768ºC a 910ºC. Cristalográficamente es igual a la alfa, y únicamente la distancia entre átomos es algo mayor: 2.9 Å a 800ºC y 2.905ºC a 900ºC. No Magnético La variedad gamma se presenta de 910ºC a 1400ºC. Cristaliza en la estructura FCC. El cubo de hierro gamma tiene más volumen que el de hierro alfa. El hierro gamma disuelve fácilmente en carbono, creciendo la solubilidad desde 0.85% a 723ºC hasta 1.76% a 1130ºC para decrecer hasta el 0.12% a 1487ºC. Esta variedad de Fe es amagnético. La variedad delta se inicia a los 1400ºC, observándose, entonces una reducción en el parámetro hasta 2.93Å, y un retorno a la estructura BCC. Su máxima solubilidad de carbono es 0.007% a 1487ºC. Esta variedad es poco interesante desde el punto de vista industrial. A partir de 1537ºC se inicia la fusión del Fe puro. 16
El Fe y el C tienen solubilidad parcial. A 721ºC la solubilidad del C es 0,035%. A temperatura ambiente la solubilidad baja al 0,008%. Esta zona se llama solucion solida α pura. 17
Analisis del diagrama Fe C, para una composicion de 0,20% de C. Comienza desde el liquido a 1500 ºC, pasa la linea del liquidus y comienza su transformacion en austenita,(cubo a cara centrada) de composicion inferior al 20%. El grano solidificado de Austenita ( carburo de Fe en FeΥ) posee menos carburo de hierro en el nucleo que en la periferia, debido a la dificultad de difusion. Debajo de la linea AE no existe mas liquido, la austenita prosigue enfriandose hasta la linea GO, por debajo de ella sufre una transformacion en solucion solida α ( ferrita)( cubo a cuerpo centrado), al seguir enfriando la austenita va ganando en C hasta que a los 721ºC y 0,9% de C se produce el eutectoide y toda la austenita restante se transforma en laminas paralelas de ferrita y cementita ( 87% de ferrita y 13% de cementita). 18
Analisis del diagrama Fe C, para una composicion de 0,60% de C. Comienza desde el liquido a 1400 ºC, pasa la linea del liquidus y comienza su transformacion en austenita,(cubo a cara centrada). Debajo de la linea AE no existe mas liquido, la austenita prosigue enfriandose hasta la linea OS, por debajo de ella sufre una transformacion en solucion solida α ( ferrita)( cubo a cuerpo centrado), al seguir enfriando la austenita va ganando en C hasta que a los 721ºC y 0,9% de C se produce el eutectoide y toda la austenita restante se transforma en laminas paralelas de ferrita y cementita ( 87% de ferrita y 13% de cementita). Perlita Ferrita 19
0,9 % de C, la austenita no sufre ninguna transformacion, pero al descender la temperatura a 721ºC, se produce la transformacion en el eutectoide perlita, laminas paralelas de ferrita y cementita. Por debajo de esa temperatura no hay austenita. Laminas de perlita Al pulir la probeta de un eutectoide, la cementita que es un componente muy duro queda por arriba y la ferrita que es muy blando queda por debajo, y por efecto de sombreado se observa negro. Con muchos aumentos se logran distinguir la laminas. 20
Análisis del diagrama Fe C, para una composición de 1,40% de C. Comienza desde el liquido a 1400 ºC, pasa la línea del liquidus y comienza su transformación en austenita,(cubo a cara centrada). Debajo de la línea AE no existe mas liquido, la austenita prosigue enfriándose hasta la línea ES, por debajo de ella sufre una transformación en cementita (carburo de hierro, CFe3), al seguir enfriando la austenita va perdiendo C hasta que a los 721ºC y 0,9% de C se produce el eutectoide y toda la austenita restante se transforma en laminas paralelas de ferrita y cementita ( 87% de ferrita y 13% de cementita). A estos aumentos se puede observar las láminas alternadas de ferrita y cementita, algunas colonias de perlita y muy esporádicamente cementita en borde de colonias Presenta una estructura mayoritariamente 21 compuesta por perlita. (50x).
Análisis del diagrama Fe C, para una composición de 1,70% de C, a 1145ºC es el limite de la solubilidad de la austenita en el hierro, a partir de este valor no hay solubilidad, un material con esta composición a medida que se enfría va perdiendo carburo de Fe( cementita), hasta llegar al eutéctico. Algunos autores dan como limite de solubilidad 2%. Este es el limite entre los aceros y las fundiciones 22
Fundición hipoeutéctica de 3% de C. Cuando la aleación pasa la línea AC se convierte en austenita ( solución solida de carburo de hierro en hierro Υ) Al enfriarse comienza a precipitar austenita rodeada de liquido, así hasta llegar a los 1145ºC y 4,3% de C este es el punto eutéctico llamado Ledeburita y que esta formado por glóbulos de austenita y cementita, sigue enfriando y llega a los 700ºC entonces, como debajo de esa temperatura no puede haber austenita, los cristales formados se transforman en perlita, de la misma manera los cristales esféricos de austenita del eutéctico se transforman en perlita, a temperatura ambiente tendremos: perlita provenientes de la austenita y del eutéctico y por cementita proveniente del eutéctico. La austenita a 1145ºC posee solamente 1,7% de C 23
Fundición Eutéctica de 4,3% de C, el liquido se enfría hasta llegar a los 1145ºC donde confluyen las dos líneas del solidus ( punto C), allí en forma isotérmica precipitan granos esféricos de austenita y cementita ( ledeburita), al proseguir enfriando y llegar a los 721ºC los granos de austenita se transforman en perlita. A temperatura ambiente tendremos perlita proveniente de la austenita de la ledeburita y cementita eutéctica. 24
Aleación hipereutéctica de 4,7% C. Al cruzar el liquido la línea PC comienza a precipitar cementita primaria ( porque proviene del liquido), rodeada de liquido hasta llegar a 1145ºC y 4,3% de C precipita todo el liquido residual formando el eutéctico ledeburita formando glóbulos de austenita y cementita. Al llegar a los 721ºC la austenita del eutéctico se transforma en perlita. A temperatura ambiente queda: cementita primaria, proveniente del liquido, cementita proveniente del eutéctico y perlita. 25
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Si se deja enfriar muy lentamente desde el liquido a los 1535ºC comienza a solidificar, al continuar descendiendo la temperatura hasta 1400ºC allí se produce otro fenómeno y hay un desprendimiento instantáneo de calor, luego a los 898ºC se produce otra parada, la ultima se produce a los 750ºC y luego se llega a la temperatura ambiente. A las temperaturas que se producen estos fenómenos se llaman puntos críticos y se denominan Ar4, Ar3, Ar2 respectivamente,donde Ar4 cuando el Feδ pasa a Fe γ, es un cambio alotrópico pues pasa Cubo a cuerpo centrado a cubo a cara centrada. Ar3 es cuando pasa de Fe γ, Fe α no magnético. Ar2 es cuando pasa de Fe α no magnético a Fe α magnético ( no hay transformación alotrópica). Ac4, Ac3, Ac2 son los puntos críticos que se producen en el calentamiento, entre uno y otros hay diferencias de 20º a 30º producidas por inercia térmica. Si los enfriamientos o los calentamientos se producen muy lentamente esa diferencia disminuye notablemente. 27
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