TRANSFORMACIONES EN ESTADO SOLIDO
Después de solidificada una aleación
puede sufrir transformaciones
posteriores.
Se presenta en metales que tienen al
menos un componente que sufre
transformaciones alotrópicas con la
variación de temperatura . Los mas
importantes son Fe, Co, Mn, Ti, Zr.
P/E. El Fe presenta la variedad
alotrópica α a la temperatura ambiente
(Cubo a cuerpo centrado), la Υ entre
900º y 1400º (cubo a cara centrada) y δ
entre 1400º y la fusión ( Cubo a cara
centrada)
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TRANSFORMACIONES EN ESTADO SOLIDO
A alta temperatura A y B son
completamente miscibles uno en otro,
dando una serie de SS homogéneas Υ.
Las 2 curvas FG representan las
líneas de liquidus y solidus.
La linea HEI marca el comienzo de la
transformacion en estado solido Υ
α
o Υ β y la linea HMENI el fin de la
misma , por debajo de ella no existe
fase Υ.
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TRANSFORMACIONES EN ESTADO SOLIDO
Aleación 1. Para concentraciones entre A y P, la solución
sólida Υ se transforma en solución sólida α. Que seguirá
enfriándose hasta temperatura ambiente.
Aleación 2 . Para concentraciones entre P y J la SS Υ, se
transforma en SS α, pero al atravesar la linea MP, que indica la
disminución de solubilidad del componente B en A, la estructura
homogénea de cristales α, segregara una 2da. fase B. Que a
temperatura ambiente disuelve una cantidad de metal A. Esta
segregacion es la SS β y se efectua en los bordes de grano y a
veces en el interior de los mismos.
Esta segregacion en el interior los granos es una carateristica
de las transformaciones en fase solida que ocurren a baja
temperatura, debido a la baja movilidad atomica ( deficiente
difusion), que impide que migren a los bordes de grano.
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TRANSFORMACIONES EN ESTADO SOLIDO
La aleación 3 cristaliza en forma de solución
sólida Υ, y al atravesar la línea HE segrega
cristales α. Pero a la temperatura T1
habiendo todavía Υ, sin transformar , este
solido remanente se transforma a
temperatura constante en cristales de α y β
yuxtapuestos y se forma una estructura
denominada eutectoide.
Con la disminución de la temperatura los
cristales α de composición J, segregan algo
de β y los de β de composición K segregan
algo de α. A temperatura ambiente la
aleación estará formada por cristales
primarios de α, rodeados por un eutectoide
α + β de composición P y Q.
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TRANSFORMACIONES EN ESTADO SÓLIDO
La aleacion 4, solidifica en primera instancia como SS Υ,
que se enfria sin sufrir alteraciones hasta llegar al punto
E, donde coinciden las lineas de comienzo y fin de la
solidificacion en estado solido, A esta temperatura la SS Υ
se transfrorma isotermicamente en el eutectoide α + β.
El eutectoide difiere del constituyente eutectico. Su
estructura es generalmente laminar. Las laminas del
eutectoide se redisuelven y repricipitan. Es una reaccion
reversible, todo el sistema avanza hacia un estado
energetico minimo ( equilibrio estable ), al calentarse, las
laminas se entrecortaran y globulizaran y luego
coalesceran en forma globular.
El estado energetico minimo es el de la fase de mayor
volumen. La esfera es cuerpo de mayor volumen respecto
de la superficie, De manera que tenemos estructuras
eutectoides globulares en equilibrio estable.
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TRANSFORMACIONES EN ESTADO SÓLIDO
cristales β,
eutectoide α + β
Aleación 5 consta a temperatura
ambiente de cristales β, rodeados
del eutectoide α + β
Cristales primarios β
Fase segregada α
La aleacion 6 consta de cristales
primarios β con una 2da. Fase
segregada α
Solucion solida β
La aleacion 7 esta formada
por una estructura
metalografica homogenea de
6
solucion solida β
TRANSFORMACIONES EN ESTADO SÓLIDO
Las transformaciones que se producen en estado sólido son similares a
las que se producen partir de un liquido.
Existen diferencias entre ambos tipos de reacción debidas a la lentitud de
difusión de los átomos en el estado sólido y por lo tanto mayor demora en
las transformaciones.
Los cambios que las aleaciones pueden experimentar en estado solido
pueden resumirse asi:
1.- Cambio de una forma alotrópica por otra
2.- Formacion de eutectoides
3.- Formacion de pericteitoides
4.- Cambio de solubilidad sólida con el enfriamiento
5.- Recristalizacion ( sin transformación alotrópica)
6.- Crecimiento de grano
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TRANSFORMACIONES EN ESTADO SÓLIDO
DIAGRAMA Fe -C
Dentro de las aleaciones cuyas transformaciones se realizan en estado
sólido esta la aleación Fe-C.
Dentro de estas aleaciones tenemos los aceros y las fundiciones.
Comenzaremos el estudio del acero, en su versión mas simple: aceros al C.
Los aceros son aleaciones Fe-C con algunos elementos e impurezas, los
elementos suelen ser el Mn y el Si, y las impurezas el P y el S. A estos
aceros se los llama : aceros al Carbono.
Hay otros aceros que se llaman aleados y tienen agregados elementos tales
como: Cr,Va,W,Ti, B, Ni, etc. que le confiere propiedades notables.
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TRANSFORMACIONES EN ESTADO SÓLIDO
DIAGRAMA Fe -C
El Carbono se encuentra
generalmente en los aceros,
combinado con el Fe,
formando carburo de Fe,
cementita, que contiene
6,67% de C y que forma un
compuesto químico definido y
de propiedades diferentes a
las del Fe y C su formula es
CFe3 y esta formado por 3
partes de Fe y una de C.
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TRANSFORMACIONES EN ESTADO SÓLIDO
DIAGRAMA Fe -C
Los componentes que forman la
aleación Fe-C son
Ferrita o Fe α, es una solución sólida
de C en Fe, solidifica como cubo a
cuerpo centrado.
Disuelve 0,02 % de C a 723 ºC
Disuelve 0,008% de C a temp.
Amb.Austenita o Fe Υ, es una solución
sólida intersticial de Carburo de Fe en
Fe Υ, solidifica como cubo a cara
centrada. Disuelve 2% de C a
1145ºC
Cementita (CFe3), es un compuesto
íntermetálico.
La solubilidad es despreciable.
Fe Delta δ, disuelve 0.007% de C a 1487 ºC,
Solidifica como Cubico a cuerpo centrado.
No se usa industrialmente.
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TRANSFORMACIONES EN ESTADO SÓLIDO
DIAGRAMA Fe -C
Antes de estudiar este diagrama es importante notar que no
se trata de un verdadero diagrama de equilibrio, pues un verdadero
equilibrio implicaría que no hubiera cambio de fase con el tiempo.
Sin embargo, es un hecho que el compuesto carburo de hierro se
descompondrá de una manera muy lenta en hierro y carbono
(grafito), lo cual requerirá un período de tiempo muy largo a
temperatura ambiente.
El carburo de hierro se dice entonces metaestable; por tanto, el
diagrama hierro-carburo de hierro, aunque técnicamente
representa condiciones metaestables , puede considerarse como
representante de cambios en equilibrio, bajo condiciones de
calentamiento y enfriamiento relativamente lentas.
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TRANSFORMACIONES EN ESTADO SÓLIDO
DIAGRAMA Fe -C
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TRANSFORMACIONES EN ESTADO SÓLIDO
DIAGRAMA Fe -C
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TRANSFORMACIONES EN ESTADO SÓLIDO
DIAGRAMA Fe -C
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TRANSFORMACIONES EN ESTADO SÓLIDO
DIAGRAMA Fe -C
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FORMAS ALOTRÓPICAS DEL HIERRO
El hierro cristaliza en la variedad alfa hasta la temperatura de 768ºC. La
red espacial a la que pertenece es la red cúbica centrada en el cuerpo
(BCC). La distancia entre átomos es de 2.86 Å. El hierro alfa no disuelve
prácticamente en carbono, no llegando al 0.008% a temperatura ambiente,
teniendo como punto de máxima solubilidad a T=723ºC (0,02%)Magnético
La variedad beta existe de 768ºC a 910ºC. Cristalográficamente es igual
a la alfa, y únicamente la distancia entre átomos es algo mayor: 2.9 Å a
800ºC y 2.905ºC a 900ºC. No Magnético
La variedad gamma se presenta de 910ºC a 1400ºC. Cristaliza en la
estructura FCC. El cubo de hierro gamma tiene más volumen que el de
hierro alfa. El hierro gamma disuelve fácilmente en carbono, creciendo la
solubilidad desde 0.85% a 723ºC hasta 1.76% a 1130ºC para decrecer hasta
el 0.12% a 1487ºC. Esta variedad de Fe es amagnético.
La variedad delta se inicia a los 1400ºC, observándose, entonces una
reducción en el parámetro hasta 2.93Å, y un retorno a la estructura BCC. 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
16 la
fusión del Fe puro.
TRANSFORMACIONES EN ESTADO SÓLIDO
DIAGRAMA Fe -C
El Fe y el C tienen solubilidad parcial.
A 721ºC la solubilidad del C es 0,035%.
A temperatura ambiente la solubilidad
baja al 0,008%. Esta zona se llama
solucion solida α pura.
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TRANSFORMACIONES EN ESTADO SÓLIDO
DIAGRAMA Fe -C
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TRANSFORMACIONES EN ESTADO SÓLIDO
DIAGRAMA Fe -C
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TRANSFORMACIONES EN ESTADO SÓLIDO
DIAGRAMA Fe -C
Analisis del diagrama Fe –C, para una composicion de
0,20% de C. Comienza desde el liquido a 1500 ºC, pasa la
linea del liquidus y comienza su transformacion en
austenita,(cubo a cara centrada) de composicion inferior al
20%. El grano solidificado de Austenita ( carburo de Fe en
FeΥ) posee menos carburo de hierro en el nucleo que en
la periferia, debido a la dificultad de difusion. Debajo de la
linea AE no existe mas liquido, la austenita prosigue
enfriandose hasta la linea GO, por debajo de ella sufre una
transformacion en solucion solida α ( ferrita)( cubo a cuerpo
centrado), al seguir enfriando la austenita va ganando en C
hasta que a los 721ºC y 0,9% de C se produce el
eutectoide y toda la austenita restante se transforma en
laminas paralelas de ferrita y cementita ( 87% de ferrita y
13% de cementita).
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TRANSFORMACIONES EN ESTADO SÓLIDO
DIAGRAMA Fe -C
Analisis del diagrama Fe –C, para una composicion de
0,60% de C. Comienza desde el liquido a 1400 ºC, pasa la
linea del liquidus y comienza su transformacion en
austenita,(cubo a cara centrada). Debajo de la linea AE no
existe mas liquido, la austenita prosigue enfriandose hasta
la linea OS, por debajo de ella sufre una transformacion en
solucion solida α ( ferrita)( cubo a cuerpo centrado), al
seguir enfriando la austenita va ganando en C hasta que a
los 721ºC y 0,9% de C se produce el eutectoide y toda la
austenita restante se transforma en laminas paralelas de
ferrita y cementita ( 87% de ferrita y 13% de cementita).
Perlita
Ferrita
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TRANSFORMACIONES EN ESTADO SÓLIDO
DIAGRAMA Fe -C
0,9 % de C, la austenita no sufre ninguna
transformacion, pero al descender la temperatura a
721ºC , se produce la transformacion en el eutectoide
perlita, laminas paralelas de ferrita y cementita.
Por debajo de esa temperatura no hay austenita.
Laminas de perlita
Al pulir la probeta de un eutectoide, la cementita que
es un componente muy duro queda por arriba y la
ferrita que es muy blando queda por debajo, y por
efecto de sombreado se observa negro. Con
muchos aumentos se logran distinguir la laminas.22
TRANSFORMACIONES EN ESTADO SÓLIDO
DIAGRAMA Fe -C
Analisis del diagrama Fe –C, para una composicion de
1,40% de C. Comienza desde el liquido a 1400 ºC, pasa
la linea del liquidus y comienza su transformacion en
austenita,(cubo a cara centrada). Debajo de la linea AE
no existe mas liquido, la austenita prosigue enfriandose
hasta la linea ES, por debajo de ella sufre una
transformacion en cementita (carburo de hierro, CFe3), al
seguir enfriando la austenita va perdiendo C hasta que a
los 721ºC y 0,9% de C se produce el eutectoide y toda la
austenita restante se transforma en laminas paralelas de
ferrita y cementita ( 87% de ferrita y 13% de cementita).
A estos aumentos se puede
observar las láminas alternadas de
ferrita y cementita, algunas colonias
de perlita y muy esporádicamente
cementita
en borde de colonias Presenta una
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estructura mayoritariamente
compuesta por perlita. (50x).
TRANSFORMACIONES EN ESTADO SÓLIDO
DIAGRAMA Fe -C
Analisis del diagrama Fe –C, para una
composicion de 1,70% de C, a 1145ºC es el limite
de la solubilidad de la austenita en el hierro, a
partir de este valor no hay solubilidad, un material
con esta composicion a medida que se enfria va
perdiendo carburo de Fe( cementita), hasta llegar
al eutectico.
Algunos autores dan como limite de solubilidad 2%.
Este es el limite entre los aceros y las fundiciones
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TRANSFORMACIONES EN ESTADO SÓLIDO
DIAGRAMA Fe -C
Fundicion hipoeutectica de 3% de C.
Cuando la aleacion pasa la linea AC se
convierte en austenita ( solucion solida de
carburo de hierro en hierro Υ) Al enfriarse
comienza a precipitar austenita rodeada de
liquido, asi hasta llegar a los 1145ºC y
4,3% de C este es el punto eutectico
llamado Ledeburita y que esta formado por
globulos de austenita y cementita, sigue
enfriando y llega a los 700ºC entonces,
como debajo de esa temperatura no puede
haber austenita, los cristales formados se
transforman en perlita, de la misma
manera los cristales esfericos de austenita
del eutectico se transforman en perlita, a
temperatura ambiente tendremos: perlita
provenientes de la austenita y del eutectico
y por cementita proveniente del eutectico.
La austenita a 1145º posee solamente 25
1,7% de C
TRANSFORMACIONES EN ESTADO SÓLIDO
DIAGRAMA Fe -C
Fundicion Eutectica de 4,3% de C, el
liquido se enfria hasta llegar a los
1145ºC donde confluyen las dos lineas
del solidus ( punto C), alli en forma
isotermica precipitan granos esfericos
de austenita y cementita ( ledeburita),
al proseguir enfriando y llegar a los
721ºC los granos de austenita se
transforman en perlita.
A temperatura ambiente tendremos
perlita proveniente de la austenita de la
ledeburita y cementita eutectica.
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TRANSFORMACIONES EN ESTADO SÓLIDO
DIAGRAMA Fe -C
Aleacion hipereutectica de 4,7% C.
Al cruzar el liquido la linea PC comienza
a precipitar cementita primaria ( porque
proviene del liquido), rodeada de liquido
hasta llegar a 1145ºC y 4,3% de C
precipita todo el liquido residual
formando el eutectico ledeburita
formando globulos de austenita y
cementita . Al llegar a los 721ºC la
austenita del eutectico se transforma en
perlita.
A temperatura ambiente queda :
cementita primaria, proveniente del
liquido, cementita proveniente del
eutectico y perlita.
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TRANSFORMACIONES EN ESTADO SÓLIDO
DIAGRAMA Fe -C
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TRANSFORMACIONES EN ESTADO SÓLIDO
DIAGRAMA Fe -C
Si se deja enfriar muy lentamente desde el liquido a los 1535ºC comienza a
solidificar, al continuar descendiendo la temperatura hasta 1400ºC alli se
produce otro fenomeno y hay un desprendimiento instantaneo de calor, luego a los
898ºC se produce otra parada, la ultima se produce a los 750ºC y luego se llega a la
temperatura ambiente.
A las temperaturas que se producen estos fenomenos se llaman puntos criticos y se
denominan Ar4, Ar3, Ar2 respectivamente ,donde Ar4 cuando el Feδ pasa a FeΥ, es un
cambio alotropico pues pasa Cubo a cuerpo centrado a cubo a cara centrada.
Ar3 es cuando pasa de FeΥ, Fe α no magnetico ( cubo a cara centrada a cubo a
cuerpo centrado).
Ar2 es cuando pasa de Fe α no magnetico a Fe α magnetico ( no hay transformacion
alotropica).
Ac4, Ac3, Ac2 son los puntos criticos que se producen en el calentamiento, entre uno
y otros hay diferencias de 20º a 30º producidas por inercia termica.
Si los enfriamientos (refroidissement) o los calentamientos (chauffage) se producen
muy lentamente esa diferencia disminuye notablemente.
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