ASIGNATURACIENCIA DE LOS MATERIALES TEMA: MICROCONSTITUYENTES UNIDAD TRES NR C 386 5 ENSAYO 1 FECH A 20/ 01/2016 PROFESOR: ING. ROBERTO BELTRAN. ESTUDIANTE: MARCELO SAMPEDRO OCTUBRE 2015 - FEBRERO 2016 INTRODUCCIÓN Después del siglo XIV se aumentó el tamaño de los hornos utilizados para la fundición y se incrementó el tiro para forzar el paso de los gases de combustión por la carga o mezcla de materias primas. En estos hornos de mayor tamaño el mineral de hierro de la parte superior del horno se reducía a hierro metálico y a continuación absorbía más carbono como resultado de los gases que lo atravesaban. El producto de estos hornos era el llamado arrabio, una aleación que funde a una temperatura menor que el acero o el hierro forjado. El arrabio se refinaba después para fabricar acero. Los aceros son aleaciones hierro-carbono y constituyen la familia industrialmente más importante de todas las aleaciones metálicas debido a su versatilidad y propiedades mecánicas únicas. La mayoría de las aleaciones de hierro derivan del diagrama Fe-C que puede ser modificado por distintos elementos de aleación. DESARROLLO Diagrama Hierro-Carbono En el diagrama de equilibrio o de fases hierro-carbono (Fe-C) se representan las transformaciones que sufren los aceros al carbono con la temperatura, admitiendo que el calentamiento o viceversa, de la mezcla se realiza muy lentamente de modo que los procesos de difusión (homogeneización) tienen tiempo para completarse. Dicho diagrama se obtiene experimentalmente identificando los puntos críticos (temperaturas a las que se producen las sucesivas transformaciones) por métodos diversos. Formas alotrópicas del hierro Hierro alfa (α): Cristaliza a 768 ºC. Su estructura cristalina es BCC con una distancia interatómica de 2.86 Å. Prácticamente no disuelve en carbono. Hierro gamma (γ): Se presenta de 910ºC a 1400ºC. Cristaliza en la estructura cristalina FCC con mayor volumen que la estructura cristalina de hierro alfa. Disuelve fácilmente en carbono y es una variedad de Fe magnético. Hierro delta (δ): Se inicia a los 1400ºC y presenta una reducción en la distancia interatómica que la hace retornar a una estructura cristalina BCC. Su máxima solubilidad de carbono es 0.007% a 1487ºC. No posee una importancia industrial relevante. A partir de 1537ºC se inicia la fusión del Fe puro. Según el porcentaje de carbono las aleaciones Hierro-Carbono puede clasificarse en: Fundiciones %C≥1.76% Aceros %C ≤1.76%. El carbono puede presentarse en tres formas distintas en las aleaciones Fe-C: En solución intersticial. Como carburo de hierro. Como carbono libre o grafito. Fig. 1: Diagrama Hierro-Carbono Microconstituyentes α: (Ferrita): Es una solución sólida de carbono con una solubilidad a temperatura ambiente muy pequeña. Es la fase más blanda y dúctil de los aceros. Cristaliza en una estructura BCC. Tiene una dureza de 95 Vickers y una resistencia a la rotura de 28 Kg. /mm2, llegando a un alargamiento del 35 al 40%. Presenta propiedades magnéticas En los aceros aleados, suele contener Ni, Mn, Cu, Si, Al en disolución sólida sustitucional. Al microscopio aparece como granos monofásicos, con límites de grano más irregulares que la austenita. Fig. 2: Fase Ferrita Las ferritas son materiales cerámicos ferromagnéticos (sólo la alfa), compuestos por hierro, boro y bario, estroncio o molibdeno. Las ferritas tienen una alta permeabilidad magnética, lo cual les permite almacenar campos magnéticos con más fuerza que el hierro. Las ferritas se producen a menudo en forma de polvo, con el cual se pueden producir piezas de gran resistencia y dureza. Previamente moldeadas por presión y luego calentadas, sin llegar a la temperatura de fusión, dentro de un proceso conocido como sinterización. Mediante este procedimiento se fabrican núcleos para transformadores, inductores/bobinas y otros elementos eléctricos o electrónicos. Fig. 3: Aplicación de la ferrita Los primeros ordenadores estaban dotados de memorias que almacenaban sus datos en forma de campo magnético en núcleos de ferrita, los cuales estaban ensamblados en conjuntos de núcleos de memoria. El polvo de ferrita se usa también en la fabricación de cintas para grabación; en este caso, el material es trióxido de hierro. Otra utilización común de los núcleos de ferrita es su uso en multitud de cables electrónicos para minimizar las interferencias electromagnéticas (EMI). γ: (Austenita): Es la fase más densa de los aceros. Está formado por la solución sólida por inserción de carbono. La proporción de carbono disuelto varía desde el 0% al 1.76%, correspondiendo este último al porcentaje de máxima solubilidad a la temperatura de 1130 ºC. La austenita comienza a formarse a la temperatura de Z 723ºC. Posee una estructura cristalina FCC, una dureza de 305 Vickers, una resistencia de 100 Kg. /mm2 y un alargamiento de un 30 %. No presenta propiedades magnéticas. La austenita no es estable a temperatura ambiente excepto en algunos aceros inoxidables con altos contenidos de manganeso (12%) y aceros inoxidables austeníticos con contenidos en Níquel alrededor del 8%, ya que el níquel tiene el efecto de agrandar la región austenítica en el diagrama de fase de hierro al carbono, lo que la hace estable a temperatura ambiente. La austenita es blanda y dúctil y, en general, la mayoría de las operaciones de forja y laminado de aceros se efectúa a aproximadamente los 1100 ºC, cuando la fase austenítica es estable. Finalmente, a diferencia de la ferrita, la austenita no es ferromagnética a ninguna temperatura. Fig. 4: Estructura de la Austenita La austenita recibe su nombre de sir William Chandler Roberts-Austen, metalúrgico inglés. Roberts-Austen, que murió en Londres en 1902 a la edad de 59 años, estudió impurezas en metales puros. Su investigación y mejoras procesadimentales fueron utilizadas en una variedad de usos y afectaron extensamente al mundo industrializado. Cementita: Carburo de Hierro: Es carburo de hierro y por tanto su composición es de 6.67% de C. Es la fase más dura y frágil de los aceros, alcanzando una dureza de 960 Vickers. Cristaliza formando un paralelepípedo ortorrómbico de gran tamaño. Es magnética hasta los 210ºC, temperatura a partir de la cual pierde sus propiedades magnéticas. La cementita es muy dura, de hecho es el constituyente más duro de los aceros al carbono, con una dureza de 68 HRc. La cementita destaca por ser un constituyente frágil, con alargamiento nulo y muy poca resiliencia. Su temperatura de fusión es de 1227ºC. Como la cementita es muy dura y frágil no es posible utilizarla para operaciones de laminado o forja debido a su dificultad para ajustarse a las concentraciones de esfuerzos. Fig. 5: Aplicaciones de la Cementita Todas las aleaciones Fe-C que solidifican según el diagrama metaestable, entre ellas todos los aceros, tienen como únicas fases ferrita y cementita en estado de recocido. La cementita puede aparecer como microconstituyente, o junto a la ferrita formando un microconstituyente distinto a la ferrita o a la cementita llamado perlita. Grafito: es una de las formas alotrópicas en las que se puede presentar el carbono junto al diamante, los fulerenos, los nanotubos y el grafeno. A presión atmosférica y temperatura ambiente es más estable el grafito que el diamante, sin embargo la descomposición del diamante es tan extremadamente lenta que sólo es apreciable a escala geológica. Propiedades El grafito es de color negro con brillo metálico, refractario y se exfolia con facilidad. En la dirección perpendicular a las capas presenta una conductividad de la electricidad baja y que aumenta con la temperatura, comportándose pues como un semiconductor. A lo largo de las capas la conductividad es mayor y aumenta proporcionalmente a la temperatura, comportándose como un conductor semimetálico. Aunque tanto el grafito como el diamante están formados exclusivamente por átomos de carbono, el grafito es muy blando y opaco, mientras que el diamante es el mineral más duro según la escala de Mohs y además deja pasar la luz a través de si, estas marcadas diferencias físicas se deben exclusivamente a las diferentes redes cristalinas o retículos sobre las que se disponen los átomos de carbono en el grafito (átomos de carbono en los vértices de prismas hexagonales) y en el diamante (la red cristalina está hecha de tetraedros regulares cuyos vértices son átomos de carbono). Aplicaciones El grafito mezclado con una pasta se utiliza para fabricar la mina de los lápices. Se usa como componente de ladrillos, crisoles, etc. Al deslizarse las capas fácilmente en el grafito, resulta ser un buen lubricante sólido. Se utiliza en la fabricación de diversas piezas en ingeniería, como pistones, juntas, arandelas, rodamientos, etc. Debido a su conductividad eléctrica se usa para fabricar electrodos. También tiene otras aplicaciones eléctricas, como los carbones de un motor (escobillas), que entran en contacto con el colector. Se emplea en reactores nucleares, como moderadores y reflectores. Es usado para crear discos de grafito parecidos a los de discos vinilo salvo por su mayor resistencia a movimientos bruscos de las agujas lectoras. Se puede crear Grafeno, material de alta conductividad eléctrica y térmica, futuro sustituto del silicio en la fabricación de chips. Se emplea en la fabricación de carretes y cañas de pesca. Fig. 6: Aplicaciones del Grafito Perlita: Es la fase formada por el enfriamiento lento de la austenita. Tiene una dureza de aproximadamente 200 Vickers, con una resistencia a la rotura de 80 Kg. /mm 2 y un alargamiento del 15%. Cada grano de perlita está formado por láminas de cementita y ferrita. La perlita aparece en granos denominados "colonias"; dentro de cada colonia las capas están orientadas esencialmente en la misma dirección y esta dirección varía de una colonia a otra. Las capas delgadas claras son de ferrita, y la cementita aparece como capas delgadas más oscuras. La mayoría de las capas de cementita son tan delgadas que los límites de fases adyacentes no se distinguen. Enfriando la austenita con una concentración intermedia de carbono, se transforma en fase ferrita, con un contenido de carbono inferior, y en cementita, con un porcentaje muy superior de carbono. Los átomos de carbono necesitan difundir para segregar selectivamente. Los átomos de carbono difunden de la región ferrítica a las capas de cementita para conseguir la concentración del 0,77% en peso de C y la perlita se propaga, a partir de los límites de grano al interior de los granos austeníticos. La perlita forma láminas porque los átomos de carbono necesitan difundir la distancia mínima dentro de su estructura. Fig. 7: Imagen de perlita Hay dos tipos de perlita: Perlita fina: dura y resistente. Perlita gruesa: menos dura y más dúctil. En aceros Mecánicamente las perlitas tienen las propiedades intermedias entre la blanda y dúctil ferrita y la dura y quebradiza cementita. Los espesores de las capas de ferrita y de cementita también influyen en el comportamiento mecánico del material. La perlita fina es más dura y resistente que la perlita gruesa. Los porcentajes de composición de la perlita dependen de la concentración de carbono en el acero. Martensita: es el nombre que recibe la fase cristalina BCC, en aleaciones ferrosas. Dicha fase se genera a partir de una transformación de fases sin difusión, a una velocidad que es muy cercana a la velocidad del sonido en el material. La transformación martensítica no sólo ocurre en el acero, sino que otros sistemas de aleación se caracterizan por experimentar transformaciones sin difusión. Ya que la transformación martensítica no implica difusión, ocurre casi instantáneamente; los granos martensíticos se nuclean y crecen a velocidad muy alta: A la velocidad del sonido dentro de la matriz austenítica. De este modo, a efectos prácticos, la velocidad de transformación de la austenita es independiente del tiempo. Fig. 8: Imagen de la Martensita En aceros Los aceros con microestructura martensítica son los más duros y mecánicamente resistentes, pero también los más frágiles y menos dúctiles. La dureza de estos aceros depende del contenido en carbono; aun así, son más tenaces que los aceros perlíticos. La martensita es una solución sólida sobresaturada de carbono y austenita. Troostita: Es un agregado muy fino de cementita y ferrita, se produce por un enfriamiento de la austenita con una velocidad de enfriamiento ligeramente inferior a la crítica de temple o por transformación isotérmica de la austenita en el rango de temperatura de 500 a 600C, o por revenido a 400C. Propiedades Sus propiedades físicas son intermedias entre la martensita y la sorbita, tiene una dureza de 400 a 500 Brinell, una resistencia a la tracción de 140 a 175 kg/mm2 y un alargamiento del 5 al 10%. Es un constituyente nodular oscuro con estructura radial apreciable a unos 1000X y aparece generalmente acompañando a la martensita y a la austenita. Obtención Es la resultante de la transformación isotérmica de la austenita entre los 500°C y los 600°C; es decir, enfriando rápidamente la austenita hasta la temperatura indicada anteriormente y manteniéndola a esa temperatura hasta la transformación total, ver Se produce también la Troostita cuando se enfría la austenita a una velocidad algo inferior a la crítica de temple. Representación La troostita se representa en forma de nódulos compuestos de laminillas radiales de cementita sobre ferrita, parecidas a las de la perlita, pero más finas. Fig. 9: Imagen de la Troostita Sorbita: Se produce templando aceros al carbono simplemente endurecidos entre 450 y 630 °C. En general se encuentra en los aceros estructurales tratados térmicamente, como bielas, ejes y cigüeñales, sujetos a esfuerzos dinámicos. Es un agregado fino de cementita y ferrita. Se obtiene por enfriamiento de la austenita con una velocidad de enfriamiento bastante inferior a la crítica de temple o por transformación isotérmica de la austenita en la zona de 600 a 650%, o por revenido a la temperatura de 600%. Su dureza es de 250 a 400 Brinell, su resistencia a la tracción es de 88 a 140 kg/mm2, con un alargamiento del 10 al 20%. Con pocos aumentos aparece en forma muy difusa como manchas, pero con 1000X toma la forma de nódulos blancos muy finos sobre fondo oscuro, de hecho tanto la troostita como la sorbita pueden considerarse como perlita de grano muy fino. Fig. 10: Imagen de la Sorbita Esferoidita: Para suavizar los aceros endurecidos al aire y llevar a cabo operaciones de maquinado, los aceros se calientan justo debajo de la temperatura crítica inferior (640 a 690 °C). La cementita se convierte en pequeñas esferas redondas conocidas como esferoiditas. Es un microconstituyente que aparece en algunos aceros. Está formado por una matriz ferrítica con partículas gruesas de cementita. En esta estructura las dislocaciones encuentran muchas menos intercaras cementita - ferrita que en la perlita y otros microconstituyentes y esto hace que las dislocaciones se propaguen con facilidad, formando aleaciones muy dúctiles y tenaces. Bainita: Tiene una estructura parecida a agujas y se encuentran en los aceros aleados. Se parece a la martensita. Durante el tratamiento térmico, la bainita inferior se forma a 325°C y la bainita superior a 400°C. La estructura de la bainita inferior es de alguna manera similar a la martensita ligeramente templada. A diferencia de la perlita, la ferrita y la cementita, la bainita no están presentes en formas que dependen de la aleación y la temperatura de transformación. La microestructura depende de la temperatura y se distinguen dos morfologías: Bainita superior: Se forma en rangos de temperatura inmediatamente inferiores a los de perlita. Se compone de agujas o bastones de ferrita con cementita entre ellas. Bainita inferior: Se forma a temperatura del orden de la martensita Ms (ligeramente superiores). Ledeburita: La ledeburita no es una fase, sino una mezcla de fases: austenita y cementita. Al enfriarse se forma una matriz de cementita Fe3 C que contiene glóbulos de austenita a 2,11% de carbono. La fase principal se inicia con la nucleación de la cementita. En la placa de cementita se originada en el líquido eutéctico, crecen dendritas planas de austenita. A continuación se produce un crecimiento relativamente rápido de cristales de las dos fases. Cada una de las fases continua dentro de la misma estructura, es decir, pertenece al mismo cristal. Se hace una distinción entre ledeburita I y ledeburita II. La ledeburita I (justo por debajo de 1147 ° C) es una microestructura de austenita y cementita, la ledeburita II, a temperatura ambiente, está formada por cementita con cementita recristalizada secundaria (que se separa de la austenita con la disminución de la temperatura al enfriarse el metal) y perlita, si el enfriamiento ha sido lento. La perlita se forma por la descomposición de la austenita eutectoide por debajo de los 727 ° C. Si el enfriamiento es más rápido, se pueden desarrollar bainita en lugar de perlita, y con enfriamiento muy rápido se pueden desarrollar martensita. La cementita es un compuesto metaestable, tiende a descomponerse en ferrita α y grafito si se espera que "tiempo suficiente" Fe3 C + C → 3Fe Si el enfriamiento de la masa fundida es suficientemente lento, especialmente si contiene elementos de aleación llamados "grafitisantes" ( silicio, cobre, níquel), que no forma ledeburita sino un eutéctico al 4,25% de C, compuesto de grafito y austenita con 2,03% en peso de carbono, la fundición gris, y cuyo punto de fusión es de 1153 ° C La ledeburita posee una alta dureza y fragilidad. 1. Aceros eutectoides Presentan una fase austenítica sólida a un composición de 0.89% C con granos orientados al azar. Al enfriar se desarrollan las fases ferrita y cementita en láminas, formando una microestructura única llamada Perlita, la cual, en relación con las propiedades mecánicas posee características intermedias de las fases que la componen, entre blanda y dúctil y dura y quebradiza. Figura 11. Representación gráfica de las microestructuras del acero eutectoide. 2. Aceros Hipoeutectoides Presentan una fase austenítica sólida a una composición inferior a 0.89% C con granos orientados al azar. Al enfriar comienza a desarrollarse la ferrita y se entra en la región bifásica α + γ donde la ferrita sufre una segregación formándose en los límites de grano de la fase γ. Al sobrepasar en enfriamiento a la línea A1 la austenita se transforma en perlita y se forma el acero. Figura 12. Representación esquemática de las microestructuras del acero hipoeutectoide. Características: Al carbono y también aleados. Son plásticos y poseen buena resistencia mecánica. Bajo carbono hasta 0.2 % C, medio carbono 0.2%-0.5% C y alto carbono %C>. Usos: Elementos de máquinas (Elementos de sujeción y transmisión de potencia). Figura 13.Acero hipoeutectoide 1045 SAE 100x. 3. Aceros Hipereutectoides 0.5 Presentan una fase austenítica a una composición superior a 0.89% C pero inferior a 1.76 %C con granos orientados al azar. Al enfriar comienza a formarse la cementita y se entra en la región bifásica γ+cem donde la cementita comienza a formarse en los límites de grano de la austenita. Al sobrepasar en enfriamiento a la línea A1 la austenita remanente se transforma en perlita y se forma el acero. Figura 14. Representación esquemática de las microestructuras del acero hipereutectoide. Características: Generalmente aleados. Muy alta resistencia mecánica. Mayor módulo de Young, muy elásticos. Alta resistencia mecánica y muy alta dureza. Difíciles de deformar plásticamente. Menor resiliencia. Figura 15. Acero Hipereutectoide 1095 SAE CONCLUSIONES Los microcontituyentes presentes en el acero son la ferrita, cementita, perlita, austenita, martensita, troostita, sorbita, esferoidita, ledeberita, bainita. Muchos de los componentes industriales requieren de una superficie dura resistente al desgaste y un núcleo suave, pero que también sea tenaz y resistente al impacto. Ningún acero al carbono simple, ni siquiera los aceros aleados, poseen ambos requerimientos, es por eso que requieren cierto tipo de endurecimientos como puede ser por deformación, por solución sólida, por dispersión, por precipitación, por tamaño de grano. Con los microconstituyentes del acero se puede manipular la estructura de los materiales para volverlos más resistentes pero frágiles, al contrario, a la vez más resistentes y duros. REFERENCIAS Askeland D. R. (2003). Ciencia e ingeniería de los materiales. (4ta Edición). Thomson Learning, México, 231-298. Popov, Egor P., Engineering Mechanics of Solids, Prentice Hall, Englewood Cliffs, N. J., 1990 H.S. Bawa (2007). Procesos de manufactura. Primera Edición. McGrawHill/Interoamericana Editores, S.A. de C.V. : India.