Universidad Nacional Experimental “Rafael María Baralt”
Programa de Ingeniería y Tecnología
Proyecto de Ingeniería de Mantenimiento - Mención Mecánica
Asignatura: Ciencia de los Materiales
Las propiedades mecánicas de los materiales pueden controlarse por la adición de defectos puntuales
como átomos sustitucionales e intersticiales. Particularmente en el caso de los metales, los defectos
puntuales distorsionan el arreglo atómico en la red, interfiriendo con el movimiento o deslizamiento
de las dislocaciones. Por tanto, los defectos puntuales hacen que el material se endurezca por
solución sólida.
Además, la introducción de defectos puntuales modifica la composición del material,
influyendo sobre el comportamiento durante la solidificación. Este efecto se analiza mediante el
diagrama de fases al equilibrio, a partir del cual se podrá predecir cómo se solidificará un material
tanto en condiciones de equilibrio como fuera de éste.
Fases y el diagrama de fases de sustancias puras:
Fase: Es un material que tiene las características siguientes:
1. Tiene una misma estructura o arreglo atómico en todo el material
2. Tiene aproximadamente una misma composición y propiedades; y
3. Hay una interfase definida entre una fase y cualquier otra que la rodea o que sea su
vecina.
Por ejemplo, si se encierra un bloque de hielo en una cámara de vacío, el hielo
empezará a fundirse y, además, parte del agua se vaporizará. En estas condiciones, se
tendrán en coexistencia tres fases: H20 sólida, H20 líquida y H20 gaseosa. Cada una de estas
formas del H20 es una fase diferente; cada una tiene un arreglo atómico único, con
propiedades únicas y con un borde o límite bien definido entre ellas. En este caso específico
las fases tienen composiciones idénticas, pero este hecho no es suficiente para llamar a todo
el sistema como una sola fase.
Sistema Químico: Consiste en cualquier combinación de
componentes químicos bajo observación, donde dichos componentes
pueden presentarse en su fase sólida, líquida o gaseosa.
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Regla de Fases: Enunciado que describe el número de variables
(grados de libertad) que deberán ser fijadas para especificar la
temperatura y la composición de una fase.
F= C-P+2
En esta regla de fases, C es el número de componentes, por lo
general elementos o compuestos en el sistema; F es el número de
grados de libertad, es decir, el número de variables por ejemplo
temperatura, presión o composición, que pueden modificarse de
manera independiente, sin cambiar el número de fases en equilibrio; y
P es el número de fases presentes. El valor constante 2 en la ecuación
implica que tanto la temperatura como la presión tienen posibilidades
de cambiar.
** Punto triple: Presión y temperatura a las cuales las tres fases de un
solo material están en equilibrio.
Soluciones y Solubilidad: Cuando se empieza a combinar
materiales distintos, como al agregar elementos de aleación a un
metal, se producen soluciones. El interés es determinar la cantidad de
cada material que se puede producir sin producir una fase adicional.
En otras palabras, la atención se enfocará en la “Solubilidad” de un
material en otro.
Solubilidad: Cantidad de un material que se disolverá completamente
en un segundo material, sin crear una segunda fase. Se pueden
presentar dos tipos de solubilidad:
a) Solubilidad Ilimitada: Condición que se presenta cuando la
cantidad de un material que se disolverá en otro es ilimitada, sin crear
una segunda fase.
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b) Solubilidad Limitada: Condición referente a que sólo se
puede disolver una cantidad máxima de un material soluto en un
material solvente
Condiciones para una Solubilidad Sólida Ilimitada:
Para que una aleación tenga solubilidad sólida ilimitada, deberá
satisfacer ciertas condiciones. Éstas, conocidas como las reglas de
Hume-Rothery, son las siguientes:
1. Factor de tamaño: Los átomos deben ser de tamaño similar, con no
más del 15 por ciento de diferencia en su radio atómico, a fin de
minimizar deformaciones en la red.
2. Estructura cristalina: Los materiales deberán tener una misma
estructura cristalina; de lo contrario, existirá algún punto en el cual
ocurrirá la transición de una fase a otra con estructura distinta.
3. Valencia: Los átomos deberán tener la misma valencia; de lo
contrarío, la diferencia de electrones de valencia alentará la
formación de compuestos, en vez de la formación de soluciones.
4. Electronegatividad: los átomos deben tener aproximadamente la
misma electronegatidad. Si las electronegatividades difieren de
manera significativa, de nuevo se forman compuestos, como
cuando se combina sodio y cloro para formar cloruro de sodio.
Las condiciones de Hume-Rothery deben cumplirse, pero no son
necesariamente suficientes para que dos metales tengan solubilidad
sólida ilimitada. Un comportamiento similar se observa entre ciertos
compuestos, incluyendo materiales cerámicos.
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La figura, muestra de manera esquemática la estructura del MgQ
y del NiO. Pero los iones de Mg y de Ni son similares en tamaño y
valencia y, en consecuencia, pueden remplazar uno al otro en una red
similar a la del cloruro de sodio, formando una serie completa de
soluciones sólidas de la forma (Mg, Ni)O.
La solubilidad de los átomos intersticiales siempre es limitada.
Los átomos intersticiales son mucho más pequeños que los átomos
del elemento huésped, violando por lo tanto la primera de las
condiciones de Hume-Rothery.
Endurecimiento por solución sólida: Es el aumento de la
resistencia de una material introduciendo defectos puntuales en su
estructura, de una forma deliberada y controlada. Por ejemplo, en el
sistema cobre-níquel, si se introduce intencionalmente un átomo
sustitucional (níquel) en la red original (cobre), la aleación cobre-níquel
resultante tiene una resistencia más elevada que la del cobre puro. De
manera similar, si se agrega al cobre menos de 30 por ciento de Zn,
éste se comporta como átomo sustitucional, endureciendo la aleación
cobre-zinc, en comparación con el cobre puro.
Grado de endurecimiento por solución sólida
El grado de endurecimiento por solución sólida se incrementa
cuando:
a) Aumenta la cantidad de elementos aleantes
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b) Aumenta la diferencia del tamaño atómico entre el material
huésped (solvente) y el elemento aleante (soluto). Una diferencia
mayor en tamaño produce una mayor distorsión de la red inicial,
haciendo aún más difícil el deslizamiento.
La cantidad de elemento aleante que se puede agregar para
producir un endurecimiento por solución sólida está limitada por la
solubilidad de ese elemento en el material huésped.
Efecto del endurecimiento por solución sólida en las propiedades: Los efectos del endurecimiento por solución sólida en
las propiedades de un material son los siguientes:
1. El esfuerzo de cedencia, la resistencia a la tensión y la dureza de
la aleación son mayores que en los materiales puros.
2. Generalmente la ductilidad y la conductividad eléctrica de la
aleación serán menor que la del material puro. (Sólo en casos
raros, como en aleaciones cobre-zinc, el endurecimiento por
solución sólida incrementa tanto resistencia como ductilidad,
además no se recomienda el endurecimiento por solución sólida de
alambres de aluminio o de cobre utilizados para la transmisión de
la energía eléctrica)
3. Proporciona a la aleación buenas propiedades a altas
temperaturas.
Nota: la adición de elementos aleantes para proporcionar
endurecimiento por solución sólida cambia las propiedades físicas,
incluyendo la temperatura de fusión. El diagrama de fases ayuda a
explicar estos cambios.
Diagrama de Fases
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Es un esquema que muestra las fases y sus composiciones en
cada combinación de temperatura y composición de la aleación.
Cuando en la aleación sólo están presentes dos elementos o
componentes, el diagrama fases recibe el nombre de “Diagrama de fases binario”.
Si el diagrama de fases binario muestra una única fase sólida y
los componentes del sistema presentan solubilidad ilimitada, el
diagrama recibe el nombre de “Diagrama de fases binario Isomorfo”.
Por otra parte, en todos los diagramas de fases se presentan las
siguientes características:
1. Sirven para conocer en todo momento el estado de la
aleación partiendo de la temperatura y composición.
2. Se construyen a partir de las curvas de enfriamiento.
3. Suministran información acerca:
Las fases presentes a una determinada temperatura.
Composición de cada fase.
Cantidad relativa de fases existentes en el campo bifásico.
Información que se puede obtener del diagrama de fases isomorfo
1. Temperatura de Liquidus: Es la temperatura a la cual
se empieza a formar el primer sólido durante el proceso de
solidificación.
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2. Temperatura de Solidus: Es la temperatura por
debajo de la cual todo el líquido se ha solidificado totalmente.
3. Rango de Solidificación: Es cuando se funden y se
solidifican los componentes de una aleación dentro de un rango de
temperatura. Dentro de este rango coexistirán dos fases.
4. Fases presentes
5. Composición de cada fase: Cada fase tiene una
composición expresada en porcentaje en peso (% en peso).
Cuando en la aleación esta presente una sola fase, su
composición es igual a la de la aleación, y si se modifica la
composición original de la aleación se modifica entonces la
composición de la fase.
Sin embargo, cuando coexisten dos fases como liquido y sólido,
sus composiciones diferirán entre si como de la composición general
original. Si esta cambia ligeramente, la composición de las dos fases
no se afectará, siempre que la temperatura se conserve constante.
Esta diferencia queda explicada por la regla de fases de Gibbs.
6. Cantidad de cada fase
SOLUCIÓN SÓLIDA
Es una aleación de dos o más metales o un metal (es) y un no
metal (es) que se encuentran en mezcla atómica de una sola fase.
Solidificación: Proceso físico mediante el cual un material
líquido pasa al estado sólido.
Este proceso puede dividirse en las siguientes etapas:
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Formación de núcleos estables en el fundido (nucleación)
Crecimiento del núcleo hasta dar origen a los cristales y la
formación de una estructura granular.
NUCLEACIÓN Y CRECIMIENTO
Nucleación: Es el proceso físico mediante el cual se produce
una nueva fase. En el caso de la solidificación, significa la
formación de un sólido minúsculo y estable dentro del líquido.
Núcleos: Son pequeñas partículas de una nueva fase formada por un
cambio de fase (por ejemplo solidificación) que pueden crecer hasta
que se complete el cambio de fase.
FORMACIÓN DE NÚCLEOS ESTABLES EN METALES LÍQUIDOS
Los dos mecanismos principales por los que acontece la
nucleación de partículas sólidas en un metal líquido son: Nucleación
Homogénea y Nucleación Heterogénea
Nucleación Homogénea: Se presenta cuando se produce la
formación de regiones muy pequeñas de una nueva fase sólida
(núcleos) en un metal puro que pueden crecer hasta que la
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solidificación se completa. El propio metal puro homogéneo
proporciona los átomos que constituyen los núcleos.
Por otra parte es necesario destacar, que cuando se enfría un
metal líquido, este lo realiza por debajo de la temperatura de
solidificación al equilibrio, antes que ocurra la Nucleación
(temperatura de subenfriamiento) creando numerosos núcleos
homogéneos, debido al movimiento lento de los átomos que se
mantienen juntos.
Además para que un núcleo estable pueda transformarse en un
cristal debe alcanzar un tamaño crítico.
Embriones: Pequeñas partículas de una nueva fase formada por un
cambio de fase (por ejemplo, solidificación) que no presentan
tamaño crítico y pueden redisolverse.
Sin embargo, debido a la inestabilidad; los embriones se están
formando y redisolviendo constantemente en el metal fundido debido a
la agitación de los átomos.
Nucleación Heterogénea: Es la formación de regiones muy
pequeñas de una nueva fase sólida (núcleos) en la interfase de
impurezas sólidas. Estas impurezas disminuyen el tamaño crítico de
los núcleos sólidos estables a una temperatura dada.
Crecimiento: Es el proceso físico mediante el cual una nueva
fase incrementa su tamaño. En el caso de la solidificación,
significa la formación de un sólido estable conforme se
solidifica el sólido.
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Dendrita
Estructura arboriforme del sólido que crece cuando se nuclea un
líquido subenfriado.
Solidificación fuera de equilibrio y Segregación
1. Segregación: Es la composición no uniforme producida por la
solidificación fuera de equilibrio.
1.1 Microsegregación: Es la presencia de diferencias de concentración
en un material en distancias cortas debido a la solidificación fuera
de equilibrio. Es conocida también como segregación
interdendrítica o segregación central, debido a que ocurre a
menudo entre los brazos dendríticos, pues los centros de las
dendritas, que representan el primer sólido, son ricos en el
elemento con el mayor punto de fusión dentro de la aleación. Las
regiones interdendríticas son ricas en el elemento con el menor
punto de fusión, ya que estas regiones representan el último
líquido que se solidifica. Como consecuencia la composición y las
propiedades de α son distintas de una región a la siguiente y,
dando como resultado que la fundición tenga propiedades más
pobres
1.1.1 Fusión de Microsegregación: Derretimiento del material fuera
de equilibrio y de menor punto de fusión que se forma debido a
la microsegregación, aunque la temperatura esté por debajo de
la temperatura de sólidus en equilibrio.
1.1.2 Macrosegregación: Es la presencia de diferencias de
composición en un material a lo largo de distancias grandes
debido a solidificación fuera de equilibrio.
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Endurecimiento por dispersión durante la Solidificación
1. Endurecimiento por Dispersión: Es el incremento de la
resistencia del material al mezclar más de una fase. Mediante el
control apropiado del tamaño, forma, cantidad y propiedades
individuales de las fases, se puede obtener una excelente
combinación de propiedades.
1.1 Principio de Endurecimiento por Dispersión:
Matriz: Es una fase continua, que por lo general se encuentra en
mayor cantidad y se precipita en una segunda fase a partir de ella.
Típicamente, el primer material sólido que se forma durante el
enfriamiento de una aleación.
Precipitado: Fase sólida presente por lo general en menor
cantidad, que se forma a partir de la matriz original cuando se
excede el límite de solubilidad. En la mayoría de los casos, se
pretende controlar la formación del precipitado para producir un
endurecimiento óptimo por dispersión.
En algunos casos se forman dos fases simultáneamente. Estas
estructuras se definen de manera distinta, a la mezcla íntima de las
fases se le denomina microconstituyente.
Existen ciertas consideraciones de tipo general para determinar la
forma en que las características de matriz y precipitado afectan las
propiedades generales de una aleación metálica.
1. La matriz deberá ser blanda y dúctil y el precipitado debe ser duro
y resistente. El precipitado interfiere con el deslizamiento de las
dislocaciones, en tanto que la matriz proporciona por lo menos
cierta ductilidad a la aleación.
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2. El precipitado duro debe ser discontinuo, en tanto que la matriz,
blanda y dúctil debe ser continua. Si el precipitado fuera continuo,
se propagarían grietas a lo largo de toda la estructura. Sin
embargo, las grietas en el precipitado discontinuo y frágil son
retenidas en la interfase precipitado-matriz.
3. Las partículas de precipitado deben ser pequeñas y numerosas,
incrementando la posibilidad de que interfieran en el proceso de
deslizamiento.
4. Las partículas de precipitado deben ser redondas en vez de forma
puntiaguda o de aguja ya que la forma redonda es menos
propensa a iniciar grietas o actuar como muesca.
5. Grandes cantidades de precipitado incrementan la resistencia de la
aleación.
También se producen materiales de dos fases por razones
distintas al endurecimiento; estos casos pudieran no ser aplicables los
criterios arriba citados. Por ejemplo, la tenacidad a la fractura de los
materiales puede mejorarse al introducir una fase dispersa. Si se
incorpora una fase dúctil a una matriz cerámica, o una fase de caucho
a un polímero termoestable, se mejora la tenacidad; la formación de
una densa red de precipitados en forma de aguja en al aleaciones de
titanio ayuda a impedir el crecimiento de grietas. La producción de
glóbulos plomo muy blandos dentro del cobre mejora su
maquinabilidad.
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El precipitado deberá ser duro y discontinuo
Las partículas de precipitado deberán ser pequeñas y numerosas
Las partículas del precipitado deberán ser redondas en vez de forma puntiagudas o en forma de aguja
A mayor cantidad de precipitado mayor endurecimiento
Compuestos Intermetálicos
1. Compuesto Intermetálico: Es una clase de compuesto
constituido por dos o más metales, produciendo una nueva fase
con composición, estructura y propiedades únicas. Los
compuestos intermetálicos son usualmente duros pero frágiles, y
se introducen como precipitado. La estructura con matriz con base
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en compuestos intermetálicos se han introducido para aprovechar
sus propiedades a altas temperaturas.
1.1 Compuesto Intermetálico Estequiométrico: Fase formada por la
combinación de dos constituyentes en un compuesto, con una
estructura y propiedades distintas a cualquiera de ellos. El
compuesto intermetálico estequiométrico tiene una proporción fija
de constituyentes. También se conoce como una solución sólida
intermedia.
Un ejemplo de estos compuestos, se presenta en los aceros que
se endurecen debido a un compuesto estequiométrico, Fe3C, que tiene
una relación fija de 3 átomos de hierro a un átomo de carbono.
1.2 Compuesto Intermetálico no Estequiométrico: Fase formada
por la combinación de dos constituyentes en un compuesto con
estructura y propiedades distintas de cualquiera de ellos. El
compuesto intermetálico no estequiométrico tiene una proporción
variable de constituyentes.
Los compuestos intermetálicos se utilizan con ventaja al
dispersarlos en una matriz más blanda y dúctil. Sin embargo, existe un
interés considerable en el uso de intermetálicos por sí mismos,
aprovechando su alto punto de fusión, su rigidez, y su resistencia a la
oxidación y a la termofluencia. Estos nuevos materiales, que incluyen
el Ti3Al y el Ni3A1, mantienen su resistencia e incluso desarrollan una
ductilidad que es aprovechable a temperaturas elevadas.
Los aluminuros de titanio, TiAl, también conocida como aleación
gama (γ), y el Ti3Al llamado aleación α2, son compuestos
intermetálicos no estequiométricos, que sirven para una diversidad de
aplicaciones, como motores de turbinas a gas o el avión aeroespacial.
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Ambas sustancias tienen estructuras cristalinas ordenadas, las cuales
dificultan el movimiento de las dislocaciones, dando como resultado
baja ductilidad a bajas temperaturas; pero también ocasiona una alta
energía de activación para la difusión, dando una buena resistencia a
la termofluencia a altas temperaturas.
Diagramas de fases con reacciones de tres fases
Muchas combinaciones de dos elementos producen diagramas
de fases más complicados que los sistemas isomorfos. Estos sistemas
contienen reacciones que implican tres fases independientes. En la
Tabla que se muestra, aparecen definidos cinco de ellos.
Eutéctica
Peritéctica
Monoeutéctica
Eutetoide
Peritectoide
Cada una de las reacciones puede ser identificada en un
diagrama de fases complejo mediante el procedimiento siguiente:
1. Localice una línea horizontal en el diagrama de fases. La línea
horizontal que indica la presencia de una reacción de tres fases
representa la temperatura a la cual ocurre la reacción en
condiciones de equilibrio.
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2. Localice tres puntos distintos en la línea horizontal: los dos
extremos, más un tercer punto, a menudo cerca del centro de la
línea horizontal. El punto central representa la composición a la
cual ocurre la reacción de tres fases.
3. Busque directamente por encima del punto central e identifique la
fase o fases presentes, busque inmediatamente por debajo del
punto central e identifique la fase o fases presentes.
A continuación escriba, en forma de reacción, la fase o fases por
encima del punto central que se transforman en la fase o fases por
debajo del punto. Compare esta reacción con las de la tabla anterior
para identificarla.
Las reacciones eutéctica, peritéctica y monotéctica forman parte
del proceso de solidificación. Las aleaciones que se utilizan para
fundición o soldadura a menudo aprovechan el bajo punto de fusión de
la reacción eutéctica. El diagrama de fases de las aleaciones
monotécticas tiene un domo o zona de miscibilidad, en donde
coexisten dos fases líquidas. En el sistema cobre-plomo, la reacción
monotéctica produce minúsculos glóbulos de plomo disperso, que me-
joran la capacidad de maquinado de la aleación de cobre. Las
reacciones peritécticas conducen a la solidificación fuera de equilibrio
y a la segregación.
Las reacciones eutectoide y peritectoide son reacciones
exclusivas al estado sólido. La reacción eutectoide forma la base del
tratamiento térmico de varios sistemas de aleaciones incluyendo el
acero. La reacción peritectoide es extremadamente lenta, produciendo
en las aleaciones estructuras fuera de equilibrio no deseables.
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