Diagramas de Fase

Las condiciones de solidificación solo se alcanzan mediante velocidades de enfriamiento lentas. Por la solidificación fuera del equilibrio, existe la segregación: la concentración del elemento de baja temperatura de fusión va aumentando desde el centro al límite de grano. Si esta estructura segregada se vuelve a calentar, funde el límite de grano, provocando una pérdida de integridad mecánica. Esta se puede eliminar mediante el tratamiento térmico de homogeneización, que se realiza calentando la aleación a una temperatura menor al punto solidus, generando la difusión atómica de granos de composición homogénea. Reacción eutéctica (eutéctico = a facilidad de fusión).

Materiales Metálicos

I. Diagrama Fe-Fe₃C

A temperatura estable, se llama ferrita o hierro α con estructura BCC. La ferrita experimenta a 912 °C una transformación a austenita FCC o hierro γ. El eje llega hasta 6,70% en C, que es la cementita. Todo acero y fundición ≤ 6,70% C. En ferrita α, C máx. es 0,022%. El C ejerce gran influencia en las propiedades mecánicas de la ferrita. La austenita, su máximo contenido en C es 2,11%. Se forma cementita cuando se excede el límite de solubilidad del C en ferrita α por debajo de 727 °C. La cementita es dura y frágil, y su presencia aumenta mucho la resistencia de algunos aceros. Su reacción eutéctica a 1148 °C y 4,30% C es L → γ + Fe₃C (6,7%), y la eutectoide a 0,77% y 727 °C es γ (0,77%) → α (0,022%) + Fe₃C (6,7%). La clasificación de las aleaciones férricas en carbono son: hierro (máx. 0,008%), acero (0,008-2,11%) y fundición (2,11-6,70%).

Desarrollo de microestructura: Por debajo de la temperatura eutectoide, la austenita se transforma en ferrita (0,022% C) y Fe₃C (6,70%); se forman capas alternas de las dos, que se denomina perlita, la cual es dura y resistente. Las capas alternas son debido a que el C necesita difundir durante una distancia relativamente corta. Cuando se enfría, no se ocasiona ningún cambio estructural.

II. Aceros Hipoeutectoides

A la izquierda del eutectoide, entre 0,022% y 0,77% C, menos que el eutectoide. La fase α existente antes de pasar la temperatura eutectoide no cambia, permaneciendo como matriz, denominada ferrita proeutectoide. La demás forma la perlita con el Fe₃C.

III. Aceros Hipereutectoides

De 0,77% a 2,11% C. La cementita formada antes de la temperatura eutectoide se denomina proeutectoide, y la austenita restante forma perlita.

IV. Clasificación de los Aceros

1. Aceros Bajos en Carbono

Menos del 0,25% C, no responde al tratamiento térmico para formar martensita y es endurecible por acritud. Es ferrita y perlita, blandos y poco resistentes, pero dúctiles y tenaces.

2. Aceros Medios en Carbono

0,25-0,6% C. Estos pueden ser tratados térmicamente por austenización, temple y revenido para mejorar mecánicamente. Martensita revenida. Baja templabilidad, se le añade Cr, Ni para mejorarla térmicamente. Resistentes y no dúctiles.

3. Aceros Altos en Carbono

0,6-1,4% C, más duros y resistentes. Se utilizan en condición templada y revenida.

4. Aceros Inoxidables

Resistentes a la corrosión. Necesitan un mínimo de 11% en cromo. Poseen varias microestructuras: martensítica, ferrítica o austenítica. Los austeníticos y ferríticos endurecen por acritud, ya que no admiten temple.

V. Diagramas de Transformación Isotérmica

1. Perlita

Reacción eutectoide γ (0,77%) → α (0,022%) + Fe₃C (6,7%). Los átomos de C difunden de la región ferrítica a las capas de cementita hasta 6,7%. La perlita forma láminas porque los átomos de C necesitan difundir a la distancia mínima dentro de la estructura. El espesor absoluto de una lámina de perlita depende de la temperatura. A temperaturas inferiores y muy próximas a la temperatura eutectoide, se forman láminas de ferrita α (8 a 1 espesor) y de Fe₃C, denominada perlita gruesa, debido a que pueden difundir a distancias largas, formando láminas gruesas. A medida que la temperatura disminuye, se forman láminas más delgadas, formando perlita fina.

2. Bainita

En la transformación de la austenita, se forma la bainita, la cual consta de ferrita y cementita, y en su formación hay procesos de difusión. Está compuesta por una matriz ferrítica y partículas alargadas de Fe₃C, y a menor temperatura que la perlita. La transformación en otro constituyente solo es posible volviendo a calentar hasta que haya solo austenita.

3. Martensita

Debido a enfriamiento rápido (o temple) hasta temperatura ambiente del acero austenizado, forma martensita. Se produce sin difusión. Los granos nuclean y crecen a altas velocidades. Sucede a baja temperatura para impedir la difusión del C y es independiente del tiempo (atérmica).

VI. Diagramas de Enfriamiento Continuo

Enfriamiento medio lento: perlita gruesa; enfriamiento medio rápido: perlita fina. La bainita no se forma al enfriar acero al C de modo continuo hasta temperatura ambiente, debido a que forma perlita. La velocidad crítica es la mínima para formar martensita.

VII. Comportamiento Mecánico de Aceros al Carbono

1. Perlita

Fe₃C + ferrita, dura (más la fina) y resistente (más la gruesa).

2. Bainita

Más duros y resistentes, ya que son más finos.

3. Martensita

Los más duros y resistentes, pero también los más frágiles y menos dúctiles.

VIII. Tratamientos Térmicos

1. Recocido

Se expone el material a altas temperaturas y luego se enfría lentamente. Elimina tensiones, incrementa plasticidad, ductilidad y tenacidad. Hay tres tipos:

• Normalizado: Granos de perlita que se necesitan normalizar para afinarlos y que sean más uniformes, hasta que se conviertan en austenita.
• Total: En aceros bajos y medios en C que se han mecanizado o deformado plásticamente en el hechurado en frío.
• Esferoidización: Aceros medios y altos en C con perlita gruesa muy dura. Se recuece para formar esferoiditas para máxima blandura y ductilidad, haciéndolo más manejable y deformable.

2. Temple

Capacidad de un acero para transformar en martensita durante un determinado temple mediante un tratamiento térmico.

3. Revenido

Se le aplica a la martensita del temple para aumentar su ductilidad y tenacidad.

Fundiciones (>2,1% en C)

1. Fundición Gris

2,5 a 4% C y se le añade Si 1-3%. Aparece grafito en láminas, provocando fragilidad y poca resistencia a tracción; en cambio, a compresión, alta resistencia y ductilidad.

2. Fundición Dúctil

Se le añade Mg o Cerio a la gris para aumentar su resistencia y ductilidad.

3. Fundición Blanca

Menos de 1% Si, en vez de grafito, cementita muy dura y frágil.

4. Fundición Maleable

Calentando la blanca durante largo tiempo en atmósfera neutra, se forma grafito y provoca una gran resistencia y apreciable ductilidad o maleabilidad.

Materiales Poliméricos

Polímeros (unidas entre sí por enlaces covalentes: termoplásticos y elastómeros); Plásticos (polímeros altamente modificados, moldeables); Resinas (polímeros que aún no están en su forma final).

Si es homogéneo, el peso molecular y el másico deben coincidir. Nos interesa que sea homogénea. Si aumenta el peso molecular, aumenta la temperatura de ablandamiento, mayor viscosidad, mejora de las propiedades mecánicas. Si el índice de heterogeneidad es alto, aumenta el intervalo de fusión, peores propiedades mecánicas y menor resistencia a agentes químicos.

Tipos de Polímeros

1. Termoplásticos

Los más comunes, estructura lineal o ramificada (más densa la lineal), enlaces débiles, pueden presentar cierto grado de cristalinidad, se fragilizan con la luz solar u oxígeno [Polietilenos, polipropileno, PVC].

2. Termoestables

Estructura reticulada, muy resistente, ya que es difícil romper el enlace covalente, amorfos, no reciclables, rígidos [Resinas].

3. Elastómeros

Estructuras lineales entrecruzadas, sufren gran deformación elástica, amorfos, susceptibles a endurecimiento (vulcanización) [Caucho, neopreno].

Cristalinidad

• Mayor cristalinidad, mayor opacidad.
• Incrementa la resistencia química a los disolventes.
• Temperatura de fusión definida.
• Aumento de las propiedades mecánicas después de estiramiento.

Esta sucede mejor si:

1. Son estructuras sencillas, regulares y flexibles.
2. Velocidad de enfriamiento.
3. Intensidad de la atracción entre cadenas.
4. Grado de polimerización.

Comportamiento de los Polímeros

Depende de su forma y naturaleza de los grupos substituyentes.

1. Comportamiento Térmico

A mayor peso molecular, menor movimiento, ya que las cadenas son más largas. Estructuras amorfas exhiben temperatura de transición vítrea, ya que no se ordena, será sólido T_g. Las semicristalinas exhiben temperatura de fusión.

2. Viscoelasticidad

Elastómero: cadenas largas unidas por enlaces covalentes, impide la deformación plástica; termoestable: muy entrelazado, lo que dificulta el movimiento de las cadenas.

3. Comportamiento Mecánico

Poco resistentes (baja resistencia), flexibles (bajo módulo de elasticidad), dúctiles (alto porcentaje de elongación). Termoplástico muy frágil; termoestable dúctil; elastómero solo deformación plástica.

4. Deformación

Termoestables y termoplásticos a T > T_g: deformación plástica permanente.
Fractura dúctil: termoplásticos amorfos T > T_g y termoplásticos cristalinos.
Fractura frágil: termoestables; termoplásticos T < T_g.

Conformado

1. Termoplástico: Necesario llevar a estado gomoso T >> T_g.
2. Termoestables: Proceso de reticulación de las cadenas mediante presión, calor o catalizadores: moldeo por compresión o transferencia.