Fundamentación del mecanismo de endurecimiento por deformación plástica o acritud
El metal posee dislocaciones en su estructura cristalina. Cuando se aplica una fuerza sobre el material, las dislocaciones se desplazan causando la deformación plástica. Al moverse las dislocaciones, su cantidad aumenta, presentándose lo que se conoce como crecimiento del número de las dislocaciones. Al haber más dislocaciones en la estructura del metal, se estorban entre sí, volviendo más difícil su movimiento. Al ser más difícil que las dislocaciones se muevan, se requiere de una fuerza mayor para mantenerlas en movimiento. En este estado se dice entonces que el material se ha endurecido por deformación plástica
Fundamentación del mecanismo de endurecimiento por reducción del tamaño del grano
El proceso de endurecimiento por reducción del tamaño del grano, es consecuencia de que los bordes de grano actúan como una barrera infranqueable para el movimiento de las dislocaciones, y que el número de dislocaciones dentro de un grano, afecta a cómo éstas pueden trasmitir su efecto a granos vecinos a través de los bordes.
Fundamentación del mecanismo de endurecimiento por tratamiento térmico
El tratamiento térmico se define como una combinación de operaciones de calentamiento y enfriamiento aplicadas a metales y aleaciones en estado sólido para obtener las condiciones o propiedades deseadas. El tratamiento térmico de los metales supone elevar la temperatura de una aleación siguiendo un perfil térmico predeterminado, hasta una temperatura definida. Después, el material se mantiene a esta temperatura durante un periodo de tiempo antes de enfriarse de modo controlado.
Parámetros y procesos que influyen en la composición y propiedades materiales de los componentes metálicos tratados térmicamente.
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Tipo de aleación – Condiciones de calentamiento – Condiciones de enfriamiento – Tiempo – Atmósfera – Recubrimiento superficial – Difusión superficial
Fundamentación del mecanismo de endurecimiento por aleación
La utilización de aleaciones metálicas es otra opción para fortalecer y endurecer metales. Los metales de alta pureza son casi siempre más blandos y débiles, que las aleaciones obtenidas utilizando al metal puro como metal base. Al incorporar nuevos elementos y formar una aleación, se incrementa la concentración de impurezas; y, de esto resulta en un incremento en la resistencia y dureza.
Clasificación y caracterización de las aleaciones en función del número de fases
– Homogéneas: Constituida por una sola fase, uniforme al microscopio. Pueden ser: a) Soluciones sólidas. B) Compuestos químicos
– Heterogéneas: Constituidas por dos o más fases. Este es el caso de la mezcla mecánica
Polimorfismo y alotropía
El polimorfismo es la propiedad que presentan algunos materiales de existir en estado sólido en distintas redes espaciales. Ejemplo: el Carbono Si estos cambios de estructura son reversibles en función de la temperatura, la transformación polimórfica se denomina alotropía. Ejemplo: el hierro, manganeso, cobalto, etc.
Clasificación y carácterísticas de las soluciones sólidas
Las carácterísticas más importantes de las soluciones sólidas son: – La solución sólida es una fase única y homogénea que posee un tipo de red, -Sólo pueden determinarse por análisis químico. – La composición química de las soluciones sólidas es variable. – La curva de enfriamiento muestra que su cristalización ocurre en un intervalo de temperaturas. – Las propiedades mecánicas difieren de las de los componentes y son superiores a la de estos. – Las soluciones sólidas pueden estar formadas por: dos metales puros o por un compuesto químico y otro elemento disuelto
De acuerdo con la distribución del soluto en el solvente se distinguen:
– Las soluciones sólidas por sustitución. – Las soluciones sólidas por inserción.
Soluciones sólidas por sustitución
Soluciones sólidas por sustitución son aquellas en las que en la red del metal A se disuelven los átomos del metal B por sustitución parcial de los átomos A por los de B. La soluciones sólidas por sustitución pueden ser limitadas o ilimitadas
Soluciones sólidas por inserción
En las soluciones sólidas por inserción los átomos del soluto C se sitúan entre los átomos de A, en los intersticios. Estas soluciones se forman cuando los átomos del soluto poseen un diámetro pequeño ya que deben insertarse en los espacios interatómicos del disolvente
Compuestos químicos: carácterísticas
• Están compuestos por dos elementos que al unirse químicamente forman una red cristalina diferente de la de cada elemento.
• Los elementos se unen en proporciones fijas en cuanto al número de átomos y al peso de cada uno. El compuesto químico se designa por una fórmula AnBm. Ejemplo: acero al cobre manganeso 09Mn2Cu.
• La curva de enfriamiento es semejante a la de los metales puros.
• El enlace que une los elementos varía en dependencia de la naturaleza de los elementos.
• Las propiedades varían considerablemente con relación a los elementos que forman el compuesto.
Mezclas mecánicas: carácterísticas
• Está compuesta por dos fases simples de forma tal que pueden aparecer las combinaciones de dos metales puros, dos soluciones sólidas, un compuesto químico y un metal puro, y todas las combinaciones posibles entre las tres fases simples.
• No existe una combinación química entre las fases y cada una es independiente de la otra, pudiéndose reconocer en la observación al microscopio, cada fase. Cada componente conserva su red cristalina
• La curva de enfriamiento es semejante a la de un metal puro. La reacción para que cristalice la mezcla mecánica ocurre a temperatura constante.
• La composición química de las fases que forman la mezcla es fija (cada fase aparece en un % fijo).
Diagramas de estado
El diagrama de estado es, por lo tanto, la representación gráfica del estado de una aleación. Si varía la composición de la aleación, su temperatura y presión, el estado de la aleación también cambia, esto se refleja gráficamente en el diagrama de estado. El diagrama de estado también puede llamarse diagrama de equilibrio o diagrama de fase, ya que indica las fases en equilibrio que existen en unas condiciones dadas.
Ley de las fases
La Ley de las Fases (Ley de Gibbs) da la dependencia entre los grados de libertad del sistema y el número de fases y componentes y se expresa por: G = C + n – F
Diagramas de estado de Tipo I: aleaciones con solubilidad total en estado sólido
Cuando dos metales son totalmente solubles en estado sólido el único tipo de fase sólida que se formará será una solución sólida por sustitución.
Diagramas de estado de Tipo II: aleaciones con insolubilidad total en estado sólido (mezclas mecánicas)
Las aleaciones del Tipo II se corresponden con los sistemas que presentan solubilidad total en el estado líquido e insolubilidad total en el estado sólido; es decir, aquellas que en estado sólido forman mezclas mecánicas.
Diagramas de estado de Tipo III: aleaciones con solubilidad parcial en estado sólido
En la transformación eutéctica el líquido cristaliza formando dos fases sólidas (equilibrio de dos fases). También es posible otro tipo de transformación invariante (equilibrio d tres fases), en la cual el líquido reacciona con los cristales segregados antes y forma un nuevo tipo de cristales. La reacción de este tipo se llama peritéctica
Diagramas de estado de Tipo IV: aleaciones que forman compuestos químicos en estado sólido.
En los diagramas de estado de las aleaciones en las que hay un compuesto químico estable AnBm pueden distinguirse dos partes. Una de las partes caracteriza las aleaciones entre A y AnBm y la otra la de B con AnBm
Diagramas de estado de Tipo IV: aleaciones que forman compuestos químicos en estado sólido
En los diagramas de estado de las aleaciones en las que hay un compuesto químico estable AnBm pueden distinguirse dos partes. Una de las partes caracteriza las aleaciones entre A y AnBm y la otra la de B con AnBm
Regla de la palanca
La regla de la palanca puede enunciarse de la siguiente forma: las cantidades de fases presentes son proporcionales a las longitudes de los segmentos de la línea de coexistencia, definidos por el punto de esta, cuya abscisa es la composición del sistema.
Relación entre las propiedades de las aleaciones y el tipo de diagrama de estado
El tipo de diagrama de estado depende de las fases que forman ambos componentes. Las propiedades de las aleaciones también dependen de los compuestos o de las fases que forman los componentes de la aleación. Por esto es evidente que entre la forma del diagrama de estado y las propiedades de la aleación debe existir una relación determinada.
Transformación perlita-austenita
El proceso de transformación de la perlita en austenita durante el calentamiento se puede observar en el diagrama Fe-Fe3C y es típico en los aceros Por encima de Ac1 (727 oC) la perlita comienza a transformarse en austenita
Transformación martensítica
La transformación comienza a una temperatura determinada, llamada temperatura de comienzo de la transformación martensítica y se designa con Mi. Al ser enfriada hasta temperaturas más bajas que Mi la austenita se transforma en martensita. La transformación martensítica, a diferencia de la transformación perlítica e intermedia, tiene carácter no difusivo, es decir, no va acompañada de redistribución difusiva del carbono y el hierro en la red de la austenita. En la transformación martensítica se produce solamente una reformación de la red cúbica de caras centradas de la austenita en la red cúbica centrada del hierro alfa sin separación de carbono de la solución lo que conduce a una deformación de la red cúbica hasta la tetragonal.
Influencia de los elementos de aleación en la transformación martensítica
Los elementos de aleación tienen efectos diferentes en dependencia de cual sea su forma de encontrarse en los aceros, disuelto en el hierro, formando compuestos químicos como carburos o en estado libre. Cuando son elementos que tienden a formar carburos, la forma de las curvas cambia considerablemente, retardando las transformaciones perlíticas y adelantando las bainíticas.
Clasificación y carácterísticas de los tratamientos térmicos
Los tratamientos térmicos se pueden clasificar en volumétricos y superficiales, según la regíón de acción del mismo. En los primeros este se lleva a cabo en todo el volumen y en los segundos solo en la superficie del material. Los tipos de tratamientos térmicos volumétricos pueden ser: recocido, normalizado, temple, revenido, solubilización, envejecimiento.
Tratamiento térmico de recocido
En estos se tienden a obtener estructuras estables, a eliminar tensiones surgidas en tratamientos anteriores como puede ser la deformación plástica en frío, o a globalizar el cementita. En este caso se calienta de manera general por encima de la temperatura de transformación de fase, se mantiene y luego se enfría lentamente en el horno.
Tratamiento térmico de normalizado
Es una variante del recocido, en la cual el material se enfría al aire
Tratamiento térmico de temple
En este caso se calienta de 30-50 grados por encima de la temperatura de transformación de fase y se enfría rápidamente después del mantenimiento. Existe una velocidad critica, que es la mínima velocidad para la cual en los aceros se puede lograr transformar la austenita sin la formación de productos perlíticos. Para lograr temples completos, hay que enfriar con velocidades mayores o igual a la crítica.
Influencia de los elementos de aleación en la transformación martensítica
Los elementos de aleación tienen efectos diferentes en dependencia de cual sea su forma de encontrarse en los aceros, disuelto en el hierro, formando compuestos químicos como carburos o en estado libre. Cuando son elementos que tienden a formar carburos, la forma de las curvas cambia considerablemente, retardando las transformaciones perlíticas y adelantando las bainíticas.
Clasificación y carácterísticas de los tratamientos térmicos
Los tratamientos térmicos se pueden clasificar en volumétricos y superficiales, según la regíón de acción del mismo. En los primeros este se lleva a cabo en todo el volumen y en los segundos solo en la superficie del material. Los tipos de tratamientos térmicos volumétricos pueden ser: recocido, normalizado, temple, revenido, solubilización, envejecimiento.
Tratamiento térmico de recocido
En estos se tienden a obtener estructuras estables, a eliminar tensiones surgidas en tratamientos anteriores como puede ser la deformación plástica en frío, o a globalizar el cementita. En este caso se calienta de manera general por encima de la temperatura de transformación de fase, se mantiene y luego se enfría lentamente en el horno.
Tratamiento térmico de normalizado
Es una variante del recocido, en la cual el material se enfría al aire
Tratamiento térmico de temple
En este caso se calienta de 30-50 grados por encima de la temperatura de transformación de fase y se enfría rápidamente después del mantenimiento. Existe una velocidad critica, que es la mínima velocidad para la cual en los aceros se puede lograr transformar la austenita sin la formación de productos perlíticos. Para lograr temples completos, hay que enfriar con velocidades mayores o igual a la crítica.
Defectos que se producen en el temple
• Dureza Insuficiente: Esto ocurre cuando la temperatura de calentamiento o la velocidad de enfriamiento no fueron lo suficientemente altas
• Puntos blandos: Cuando no se logra la austenización completa y quedan zonas con presencia de ferrita, en estos casos la temperatura de temple no fue lo calentamiento ha sido muy elevada provocando suficientemente alta
• Fragilidad excesiva: Cuando la temperatura de un crecimiento considerable del grano
• Descarburación y oxidación: Uso de atmósferas no controladas
• Torceduras, deformaciones, grietas: Cuando se generan demasiadas tensiones, enfriamientos más rápido de lo necesario, se recomienda enfriar lentamente entre Mi y Mf
Tratamientos superficiales del acero
Los tratamientos térmicos superficiales que permiten modificar la superficie de los aceros, se los puede realizar de dos maneras: la primera es la aplicación de un temple superficial, y la segunda el uso de algún tratamiento termoquímico.
Tratamientos termoquímicos del acero
Los tratamientos termoquímicos son aquellos donde se logra la difusión de un determinado elemento químico en el interior de la pieza, quedando la superficie enriquecida con este elemento.