41. ALEACIONES

Se entiende por aleación la substancia obtenida por fusión de dos o más elementos.

Una aleación preparada principalmente con elementos metálicos y que posee propiedades también metálicas, se llama aleación metálica.

Como es natural, la estructura de una aleación metálica es más compleja que la de un metal puro y depende principalmente de las interacciones en que intervienen los componentes de la aleación.

42. ALEACIONES DE MEZCLA MECÁNICA

La mezcla mecánica de dos componentes A y B se forma cuando éstos son incapaces de disolverse mutuamente en estado sólido. En estas condiciones la aleación estará formada por cristales A y B claramente distinguibles en la microestructura.

El roentgenograma de esta aleación mostrará que existen las dos redes de los componentes A y B. Si en esta aleación de analizan separadamente las propiedades de los cristales A y de los cristales B, éstas serán idénticas a las de los metales puros A y B.

La propiedades mecánicas dependen de la relación cuantitativa entre los componentes y del tamaño y la forma de los granos, siendo sus valores intermedios entre los de las propiedades características de los componentes puros.

43. ALEACIONES DE COMBINACIÓN QUÍMICA

Si se forma un compuesto químico: a) la relación entre el número de átomos de cada elemento concuerda con la proporción estequiométrica, lo cual puede expresarse por medio de una fórmula sencilla (en forma general, el compuesto puede designarse por AnBm); b) se forma una red cristalina específica (distinta de la de los elementos que integran el compuesto químico) en la cual los átomos de los componentes están dispuestos ordenadamente.

La composición química también se caracteriza por tener una temperatura de fusión (disociación) determinada y por variar a saltos sus propiedades cuando varia la composición.

44. ALEACIONES DE SOLUCIONES SÓLIDAS

En estado líquido la mayoría de las aleaciones metálicas que se utilizan en la técnica son líquidos homogéneos, es decir, soluciones líquidas. Al pasar al estado líquido, en muchas de estas aleaciones se conserva la homogeneidad y, por consiguiente, la solubilidad. La fase sólida que se forma como resultado de la cristalización de una aleación de este tipo se llama solución sólida.

El análisis químico o espectral demuestra que en las soluciones solidas hay dos o más elementos, mientras que según los datos del análisis roentgenográfico esta solución, lo mismo que el metal puro, tiene granos homogéneos. EL análisis roentgenográfico pone de manifiesto en la solución solida, lo mismo que en el metal puro, un solo tipo de red.

Por lo tanto, a diferencia de una mezcla mecánica, la solución solida tiene una fase, ésta constituida por un tipo de cristales y posee una sola red cristalina; a diferencia de un compuesto químico, la solución solida no existe con una relación rigurosamente determinada de los componentes, sino en un intervalo de concentraciones.

45. INFLUENCIA DE METALES ALEANTES EN LAS PROPIEDADES DE LAS ALEACIONES

La estructura de las soluciones solidas sobre la base de uno de los constituyentes de la aleación es tal, que en la red del metal básico -disolvente-, entran los átomos de la substancia soluto.

Aquí son posibles dos casos diferentes en esencia.

1-SOLUCIONES SÓLIDAS POR SUSTITUCIÓN. La disolución del componente B en el metal A se efectúa por sustitución parcial de átomos A por átomos B en la red del metal básico.

2-SOLUCIONES SOLIDAS POR INSERCIÓN. Los átomos de la substancia soluta C se sitúan entre los átomos A.

Cuando se forman soluciones por inserción y por sustitución los átomos del componente soluto se distribuyen desordenadamente en la red del disolvente.

Cuando se forma la solución solida se conserva la red de uno de los elementos, el cual recibe el nombre de de disolvente. Los átomos de las substancia soluta deforman la celdilla elemental del disolvente y hacen que varíen sus dimensiones medias. Si el átomo del elemento soluto es mayor que el del disolvente, la celdilla elemental de la red aumenta.

En general, independientemente del tipo del metal, el endurecimiento relativo cuando se forma la solución solida es proporcional a la variación relativa del parámetro de la red con la particularidad de que la disminución del parámetro ocasiona un endurecimiento mayor que su aumento.

46. SOLUCIONES SOLIDAS LIMITADAS E ILIMITADAS

ALEACIONES DE TIPO SOLUCIÓN SOLIDA ILIMITADA.-Este tipo de aleaciones se forman entre componentes con gran afinidad en propiedades , la interacción de los componentes se da a nivel atómico. Estas aleaciones son homogéneas en propiedades y por esta razón sus propiedades mecánicas son elevadas, al contrario de las aleaciones de mezcla mecánica. El ejemplo más típico de este tipo de aleaciones es el diagrama oro-plata, diagrama Al-Zn simplificado.

Para que pueda formarse este tipo de solución se debe cumplir con ciertas condiciones:

-Ambos componentes deben tener redes cristalinas iguales

-La diferencia entre las dimensiones atómicas de los componentes debe ser pequeña.

-Los elementos deben estar cerca uno del otro en la tabla periódica de Mendeléiev.

ALEACIONES DE TIPO SOLUCIÓN LIMITADA.- Es el tipo de diagramas más común que se encuentra en la metalografía; las aleaciones industriales que se aprovechan de estos diagramas son los cercanos a la eutéctica y los cercanos a las aleaciones puras. Muy rara vez se emplean aleaciones que tengan soluciones y eutéctica. Las propiedades de los componentes son bastante similares pero no tanto como en el caso anterior.

47. DIAGRAMAS DE ESTADO. VARIABLES

Los diagramas de estado son las representaciones gráficas de las aleaciones metálicas que normalmente usa la industria humana. Cada diagrama muestra las aleaciones de 2 o 3 elementos llamándose estos diagramas binarios o ternarios respectivamente. Estos diagramas se obtienen mediante intensa experimentación o complejos cálculos fisicoquímicos que en la actualidad se han simplificado enormemente gracias al desarrollo de programas rápidos y muy exactos.

El diagrama de estado indica la variación del estado en dependencia de la temperatura (la presión es constante para todos los casos que se consideran) y de la concentración.

48. CONSTRUCCIÓN EXPERIMENTAL DE DIAGRAMAS DE ESTADO

Por lo general, para la construcción de los diagramas de estado se utilizan los resultados del análisis térmico, es decir, se construyen las curvas de enfriamiento y por sus paros e inflexiones, debido al efecto térmico de las transformaciones, se determinan las temperaturas de los cambios de estado. La temperatura de los metales se mide de ordinario valiendose de pares termoeléctricos o termopares.

49.DIAGRAMAS DE ESTADO DE TIPO MEZCLA MECÁNICA. CURVAS DE ENFRIAMIENTO

En base a la figura 92 de la pag. 118:

Si se toma una aleación cualquiera, por ejemplo, la 1 , la curva de enfriamiento tendrá parar ella la forma que se ve en la figura 93. En esta curva el tramo 0-1 correspondiente al enfriamiento de la aleación líquida , el 1-2, al desprendimiento de los cristales de A, el 2-2', al desprendimiento de conjunto de cristales A y B, y el 2'-3, al enfriamiento del solido.

La mezcla mecánica de 2 o más tipos de cristales resultante de su cristalización simultánea de un líquido, de llama eutética.La curva de enfriamiento de una aleación de concentración eutéctica se muestra en la fig 93b, el tramo 0-2 corresponde al enfriamiento de la aleación líquida, el 2-2', a la cristalización de la eutéctica y el 2'-3, al enfriamiento de la aleación cristalizada.

La curva de enfriamiento de una aleación hipereutéctica (la aleación I puede llamarse hipoeutéctica, la II, eutéctica y la III hipereutéctica) se representa en la figura 93c , el tramo 0-1 corresponde al enfriamiento del líquido, el 1-2, al desprendimiento de cristales de B, el 2-2', a la cristalización de la eutéctica y el 2'-3, al enfriamiento de la aleación cristelizada.

Debajo de la horizontal eutéctica se encuentra dos fases, cristales A y cristales B. A la izquierda de la concentración eutéctica, del líquido se desprenden primeramente cristales A y después

eutéctica. Por esto el lado de la aleción hipoeutéctica puede designarse por A+eutéctica(A+B) y la hipereutéctica, por B+ eutéctica(A+B), aunque en uno y otro caso hay en la aleación 2 fases A y B.

50. DIAGRAMAS DE ESTADO DE TIPO SOLUBILIDAD TOTAL ESTADO SÓLIDO.CURVAS DE ENFRIAMIENTO

Ambos componentes (A y B) son completamente solubles en los estados líquido y sólido y no forman compuestos químicos.

Por ser totalmente solubles solo pueden existir 2 fases, líquida y α, la cristalización a temperatura constante no se observa y en diagrama no hay linea horizontal.

De la figura 96 pag 123:

La línea AB superior es la de líquido y la de AB inferior , la de sólido. Para el proceso de enfriamiento: el punto 1 corresponde al principio de la cristalización y el 2, a su fin. Entre los puntos 1 y 2, entre las líneas de liquido y sólido, la aleación se halla en estado de dos fases. Es así que se tiene un sistema monovariante, es decir si la temperatura cambia también cambia la concentración de los componentes en las fases. La cristalización de la aleación debe terminar en el punto 2 cuando la ultima gota de liquido cuya composición es l se solidifica. La composición de líquido varia siguiendo la curva 1-l y la composición de los cristales , siguiendo la curva s-2 y en la instante en que finaliza la cristalización, la composición de los cristales es la misma que tenía el liquido inicial.

51. DIAGRAMAS DE ESTADO TIPO DE SOLUBILIDAD PARCIAL EN ESTADO SÓLIDO .CURVAS DE ENFRIAMIENTO.

Ambos componentes (A y B) son solubles totalmente en estado líquido, parcialmente en estado sólido y no forman compuestos químicos.

Fases: L, α, β

En las aleaciones de este tipo es posible la existencia de: fase líquida, solución sólida del componente B en el A, que llamaremos solución α, y solución sólida del componente A en el B, que llamaremos β. En estas aleaciones es posible el equilibrio invariante cuando existen al mismo tiempo las tres fases. En dependencia de qué reacción se desarrolla en las condiciones de existencia de las 3 fases, puede haber dos tipos de diagramas: un diagrama con eutéctica y otro con peritéctica.

52. REGLA DE LA CONODA (SEGMENTOS) EN DIAGRAMAS CON EUTÉCTICA

En este sistema no se forman fases que sean componentes puros. Del líquido solo se pueden desprender soluciones sólidas α o β. Por consiguiente junto a las verticales de A y B de la fig98 pag 125, correspondientes a los componentes puros, se encuentran las regiones de existencia de las soluciones sólidas α o β. La solubilidad límite del componente B en el A se determina por la linea DF y la solubilidad límite de A en B por las linea CG.

53. REGLA DE LA CONODA (SEGMENTOS) EN DIAGRAMAS SIN EUTÉCTICA

Se puede dar un diagrama de esta clase en los que son del tipo ilimitado. Aquellos en los que no se da un cristalización simultánea de un líquido.

54. DIAGRAMAS CON PERITÉCTICA

En la transformación eutéctica el líquido cristaliza formando dos fases sólidas. También es posible otro tipo de transformación invariante (equilibrio de tres fases), en el cual el líquido reacciona con los cristales segregados antes y forma un nuevo tipo de cristales, L+β->α. La reacción de este tipo se llama peritéctica.

55.DIAGRAMAS DE ESTADO DE ALEACIONES CON TRANSFORMACIONES POLIMÓRFICAS

En los diagramas dados anteriormente se consideraban las transformaciones primarias relaciondas con el proceso de cristalización de una aleación líquida.

Durante la cristalización secundaria, debido a la variación de la solubilidad con el cambio de temperatura, se desprenden cristales secundarios. La cristalización secundaria se observa también en el caso en que, aunque sólo sea uno de los componentes, experimenta transformaciones alotrópicas. Por lo tanto, las transformaciones en estado sólido se observan en todos aquellos casos en que, aunque sólo sea uno de los componentes, posee polimorfismo.

En estos caso puede darse una transformación análoga a la cristalización eutéctica, pero la solución madre inicial no es líquida, sino sólida. Para distinguirla de la cristalización eutéctica a partir del líquido, esta transformación no se llama eutéctica, sino eutectoide, y la mezcla de los cristales obtenidos, también recibe el nombre de eutectiode.

56. DIAGRAMA Fe-C

En el diagrama de equilibrio o de fases, Fe-C se representan las transformaciones que sufren los aceros al carbono con la temperatura, admitiendo que el calentamiento (o enfriamiento) 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.

57.DIAGRAMA Fe-C. DELTA SOLUCIÓN

La variedad delta se inicia a los 1400ºC, observándose, entonces una reducción en el parámetro hasta 2.93Å, y un retorno a la estructura CC. 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. 58. DIAGRAMA Fe-C. GAMMA SOLUCION

solución sólida de hierro gamma con C. Sólo es estable a temperturas superiores a 723ºC, y en su enfriamiento se descompone en ferrita y cementita. Se trata de un constituyente blando, no magnético, dúctil, tenaz y de elevada resistencia al desgaste.

59. DIAGRAMA Fe-C. ALFA SOLUCIÓN

Hasta los 911 °C , el hierro ordinario, cristaliza en el sistema cúbico de cuerpo centrado y recibe la denominación de hierro α o ferrita. Es un material dúctil y maleable responsable de la buena forjabilidad de las aleaciones con bajo contenido en carbono y es ferromagnético hasta los 770 °C (temperatura de Curie a la que pierde dicha cualidad. La ferrita puede disolver pequeñas cantidades de carbono.

60. DIAGRAMA Fe-C. LEDEBURITA

L a ledeburita no es constituyente de los aceros sino de las fundiciones se obtiene al enfriar una solucion líquida de d carbono de composición 4.3% de carbono desde 1147°C, siendo estable hasta los 727°C descomponiéndose a partir de esta temperatura en ferrita y cementita.

La Ledeburita surge cuando el contenido de carbono es de entre 2,06% y 6,67%. La mezclaeutéctica de austenita y cementita es 4,3% de carbono, su fórmula empírica es (Fe3C: 2Fe), con un punto de fusión de 1147 ° C. (punto eutéctico C) . Su nombre proviene de Karl Heinrich Adolf Ledebur (1837-1906), metalúrgico alemán que la describió en 1882.