Fundamentos de Diagramas de Fases y Tratamientos Térmicos en Aleaciones Metálicas

Diagramas de Fases y Tratamientos Térmicos en Aleaciones Metálicas

Conceptos Fundamentales en Metalurgia

Componente:

Son elementos químicos que constituyen la aleación.

Aleación:

Una aleación metálica es una mezcla de un metal con otros metales o no metales. Es una solución en estado sólido.

Composición (Concentración):

La composición de una aleación se expresa en términos de los elementos constituyentes.

% en peso C₁ = m₁ / (m₁ + m₂) × 100

Nº moles n_m = m / M

% atómico C₁' = n_m₁ / (n_m₁ + n_m₂) × 100 (masa en gramos / masa atómica)

C₁ + C₂ = 100

C₁' + C₂' = 100

M_m = 100 / (C₁/M₁ + C₂/M₂)

Conversión de Composiciones:

C₁' = (C₁M₂ / (C₁M₂ + C₂M₁)) × 100

C₁ = (C₁'M₂ / (C₁'M₂ + C₂'M₁)) × 100

Solubilidad:

Para una solución, se define la solubilidad o límite de solubilidad como la concentración máxima de átomos de soluto (componente en menor proporción) para una temperatura específica, que se disuelven en el disolvente (componente en mayor proporción).

• Solubilidad Ilimitada: Uno de los componentes puede disolverse completamente en el otro (ejemplos: alcohol y agua, Cu y Ni).
• Solubilidad Limitada: Uno de los componentes puede disolverse hasta cierto límite en el otro (ejemplo: agua y sal).

Nota: La solubilidad aumenta al aumentar la temperatura.

Fases:

Es una región del material con una estructura y/o composición determinadas que le confieren las mismas propiedades físicas y químicas.

• En metales puros (sustancias puras)
• En aleaciones

Constitución de una Aleación:

• Fases presentes
• Composición de cada fase
• Cantidad de cada fase (fracción en peso)

Condición de Equilibrio:

Una muestra está en equilibrio cuando a una presión (P) y temperatura (T) dadas, los constituyentes no tienen tendencia a cambiar con el tiempo. Esta constitución es estable.

Variables de Estado:

Presión (P), Temperatura (T) y Composición.

Diagrama de Fases (de una Aleación):

Es una representación gráfica de las variables de estado asociadas con la microestructura. Un diagrama de fases muestra las fases y sus composiciones para cualquier combinación de temperatura y composición de la aleación. Los diagramas de fase de uso común son diagramas binarios que representan sistemas de dos componentes.

Línea Liquidus:

Límite superior de la región de coexistencia de dos fases y es la línea por encima de la cual existe una sola fase líquida.

Línea Solidus:

Límite inferior de la región de dos fases y es la línea por debajo de la cual el sistema ha solidificado completamente.

Regla de la Palanca

Cálculo de Cantidad Relativa de Fases:

La Regla de la Palanca permite determinar la cantidad relativa de cada fase presente en una aleación a una determinada temperatura.

C₁ = C_S f_S + C_L (1 - f_S)

• f_S: fracción de fase sólida
• C_S: % de B en fase sólida
• C_L: % de B en fase líquida
• f_L = (1 - f_S)

Fórmulas Derivadas:

f_S = (C₁ - C_L) / (C_S - C_L)

f_L = (C_S - C₁) / (C_S - C_L)

Principio General de Aplicación:

La Regla de la Palanca es aplicable en cualquier región de dos fases en los diagramas binarios.

% fase = (brazo opuesto de la palanca / longitud total de la isoterma) × 100

Diagramas de Fases de 2 Componentes con Solubilidad Limitada

Estos sistemas contienen reacciones que implican tres fases independientes.

La reacción eutéctica y peritéctica forman parte del proceso de solidificación.

Las reacciones eutectoide (forma la base del tratamiento térmico de varios sistemas de aleaciones, incluyendo el acero) y peritectoide son reacciones exclusivas al estado sólido.

El diagrama plomo-estaño contiene solamente una reacción eutéctica. Este sistema de aleación es la base de las aleaciones más comunes para soldadura.

Clasificación de Aleaciones (Ejemplo Plomo-Estaño):

• Aleación Eutéctica: 61,9%
• Aleación Hipoeutéctica: 19-61,9%
• Aleación Hipereutéctica: 61,9-97,5%

Diagrama de Fase Hierro-Carbono (Fe-C)

Si se toma como base el contenido de carbono, es práctica común dividir el diagrama en dos partes:

• Aquellas aleaciones que contienen menos del 2% de C se conocen como aceros.
• Las de más del 2% de C se conocen como fundiciones.

A su vez, el intervalo del acero se subdivide en:

• Aquellos que contienen menos del 0.8% de C: aceros hipoeutectoides.
• Los de 0.8 a 2 %: aceros hipereutectoides.

Fases Comunes en el Diagrama Fe-C:

• Austenita (Fe-FCC)
• Ferrita (Fe-BCC)
• Cementita (Fe₃C)
• Perlita (componente bifásico de ferrita y cementita)

Transformaciones de Fase

• Fase de equilibrio
• Enfriamiento moderado: Bainita
• Enfriamiento rápido: Martensita

Tratamientos Térmicos

Es un proceso donde se controla la temperatura y el tiempo de enfriamiento con el propósito de generar las fases deseadas en el acero para obtener un cambio de sus propiedades.

Por medio de ellos es posible modificar la microestructura y las propiedades mecánicas de los metales para ajustarlos a las necesidades.

Tipos Comunes de Tratamientos Térmicos:

• Austenizado
• Recocido
• Normalizado
• Templado
• Revenido