Metalurgia Avanzada -Tecnología de los Materiales

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Metalurgia Avanzada Tecnología de los Materiales Álvaro Bascones 22/05/2015

Aleaciones Hierro-Carbono Definiciones: Acero  Es una aleación con base de Hierro (Fe) y el elemento aleante es el Carbono (C). Con 0,008% < C < 2% Fundición  Es los mismo que el acero pero 2% < C < 6/7%

Obtención: Se obtiene el acero a partir de la Reducción mineral de Fe(c) (con carbón) 𝐹𝑒𝑥 𝑂𝑦 𝐹𝑒(𝑐) + 𝐶𝑜2 Para regular la cantidad de Carbono: 1. La Farga Catalana  Exceso de aire consumía parte del carbono (histórico) 2. Convertidos Bessemer  Insuflaba corriente de aire reduciendo hasta el 0.5% el C

Hierro sin Carbono: Se habla de fase rica en Fe. Es un metal alotrópico: Cambia su estructura cristalina en función de la temperatura. Tiene cuatro variedades:    

Fe (α)  Ferrita BCC  Hasta 760°C MAGNETICA Fe (β)  Ferrita BCC  760-910°C NO MAGNETICA Fe (γ)  Ferrita FCC  910-1130°C Fe (δ)  Ferrita BCC  Superior a 1130°C

Recordatorio: BCC: Cúbica centrada en el interior    

Espacios intersticiales tetraédricos fundamentalmente (+ peques pero hay +  el C cabe peor) Menos compacto Necesitamos + energía para que los planos deslicen Límite elástico + alto

FCC: Cúbica centrada en las caras    

Espacios intersticiales octaédricos fundamentalmente (+grandes pero hay menos  el C cabe mejor) Más compacto Necesitamos – energía para que los planos deslicen Límite elástico más bajo

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Hierro con Carbono Se habla de fase rica en C y solo tiene dos variantes: 



Cementita Fe3C o Dureza excepcional o Metaestable Grafito  Sólo en fundiciones grises o Modificación de la cementita o Estabilidad termodinámica

Diagrama Fe/C

Ferrita alfa (α)     

[C] muy pequeña La zona de solubilidad del carbono en la fase α (BCC) es mucho menor que la γ Forma + blanda y + dúctil Límite de granos irregulares ya que se ha formado en un transformación en estado sólido. (Eutectoide) Mágnetica

Cementita Fe3C  

6.67% de C Forma + dura y + frágil

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Perlita  

86.5% de ferrita y 13.5% de cementita íntimamente unidos Se forma en el eutectoide

Austenita  

+ denso Proporción de C entre 0 y 1.76%

Martensita  

Componente + duro después de la martensita por la estructura reticular altamente distorionada. [C] hasta 0.89%

Se puede formar cuando tenemos acero austenitico (FCC) y si aumentamos la velocidad de enfriamiento de tal manera que los átomos de Carbono no tengan tiempo de difundirse en la solución y por lo tanto la estructura no pueda pasar a BCC por que el Carbón está atrapado.

Bainita Se forma a partir de la transformación isoterma de la austenita entre 250°C y 550°C. Se enfría rápidamente la austenita hasta una T precisa y se mantiene hasta que se transforma toda la austenita en Bainita

Ledeburita   

Forma parte de las fundiciones [C] = 1.76% Se forma al enfriar una fundición líquida de carbono (4.3% de C aprox) desde 1130°C hasta 723°C después se decompone en ferrita y cementita.

Definiciones   

Eutectoide: De un sólido a dos íntimamente unidos Peritéctico: Cambio de fase sólido/líquido a sólido Eutectico: De un líquido a dos sólidos íntimamente unidos

Fundición Tenemos dos tipos de fundiciones: 1. Blancas Fase rica en C de Cementita 2. Grises Fase rica en C de grafito La diferencia está en la base rica en C. El motivo por el cual se crea una fundición u otra es cinético. Normalmente se forma cementita pero en unas condiciones especiales se forma grafito (termodinámicamente estable).

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Dado las aplicaciones que tiene el grafito por sus características se procura que siempre se cree grafito como fase rica en C. El factor clave es el POTENCIAL DE GRAFITIZACIÓN (debe ser elevado). Método:   

Reducir velocidad de enfriamiento % Si (silicio) elevado (1-4%) evita nucleación cementita % C elevado  + diferencia de [C]  + velocidad de difusión  +fácil

Características fundiciones grises (con grafito en fase rica en C)     

Carbono protege la aleación de la corrosión ambiental Capacidad de amortiguar debido a la estructura laminar del graffito Poca fragilidad (en comparación con las blancas) Bajo precio Elevada colabilidad (capacidad de llenar el molder)  hace de lubricante interno

Obtención de grafito de calidad Si se dejase enfriar normalmente cerca del eutéctico se obtendría grafito FLOCULAR (cornflake) característico por tener formas esquinadas que dan lugar a acumulación de tensiones. Para evitar dichas acumulaciones, mediante un tratamiento térmico a partir de una fundición blanca (72h a 700°C) se obtiene grafito GLOBULAR.  Fundición dúctil. Si además hay una solidificación directa del líquido con elementos aleantes (además del carbono/hierro/silicio) se le añade cerio y o magnesio se obtendrá grafito NODULAR  Fundición maleable

Diagrama TTT   

Tiempo Temperatura Transformación

Diagrama cinético

Permite ver las fases que no son termodinámicamente estables Amarillo: si enfrías a 600°C  Perlita Azul: Se forma 50% Bainita luego al enfriar rápidamente el 50% de austenita que queda se transforma en 50% martensita. Verde: Martensita 100% A + elemento aleantes influye en la capacidad del material a ser templado. (A + carbono, Austenita estable en rango mayor  Nariz hacia la derecha)

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Mecanismos anti-corrosión (Corrosión=óxido de hierro=poroso) 



Pasivación (Cubrir con una capa) o El cromo en superficie se oxida en (óxido de cormo) una capa sin poros que cubre el material. o Acero galvanizado sumergido en Zn fundido, aunque se raye se corroe antes el Zn porque es más oxidable. Electroquímico o Se pone un átomo de sacrificio “menos noble” que el átomo que se quiere evitar que se oxide.

Aleaciones Cromo Es un elemento ALFÁGENO  Estabiliza la Ferrita α  

A partir del 10% de cromo se forma ferrita y es estable Por encima de 24% de cromo aparece fase σ  Compuesto intermetálico hierro/cromo extremadamente frágil.

Por lo tanto hay que intentar mantener entre el 10 y el 20%. ATENCIÓN: Si el acero tiene alto contenido en Carbono reacciona con el cromo formando CARBURO DE CROMO y evitando la pasivación. SOLUCIÓN: aumentar % de Cromo.

Níquel Es un elemento GAMÁGENO  Estabiliza la Austenita (γ)  

Aumenta la nobleza del material (proceso electroquímico anticorrosión) Aumenta la templabilidad del material (nariz hacia la derecha)

Acero con CROMO y NIQUEL protegido por los dos mecanismos anticorrosión. 1. Cromo  Pasivación 2. Níquel Electroquímico Además si se coloca en las proporciones correctas (10N 20Cr y 70Fe) tiene las dos fases (α y γ)  

Anticorrosión Resistencia mecánica

ACERO DUPLEX Lo mejor de las dos fases

Manganeso Es un elemento GAMÁGENO  Estabiliza la Austenita (γ)   

Manganeso reacciona con el sulfuro creando sulfuro de manganeso Menos problemas de acumulación de tensiones Evita la fragilidad por azufre

ATENCIÓN: Esta solución no va bien cuando se trabaja en frío. 5

Potencial GAMÁGENO

Diagrama de Schaeffler A potenciales martensita.

gamagenos

bajos

aparece

Se utiliza mucho cuando se plantea la soldadura:  Nos ayuda a escoger el material de aporte (Se busca % mínimo de F)

Potencial ALFÁGENO

Aceros inoxidables austeníticos Objetivo: Prima la resistencia a la corrosión.    

Carbono (0.03 – 0.15%)  Bajo para que el cormo no se vea afectado Cromo (16 – 20%) Alto para evitar formación de carburo de cromo y que pueda haber pasivación. Níquel (10 – 15%) Características anticorrosivas (electroquímicas) pero caro. Si se pone poco se aumenta manganeso (7%) y Carbono (0.15%) + Barato Manganeso (2 – 7%)  + fácil llegar a la fase austenítica.

Ejemplo: Un 316 es un acero muy bueno contra la corrosión:    

Niquel: 10-14%  Muy elevado Cromo: 16-18%  Muy elevado Carbono: 0.03-0.08%  Muy bajo Molibdeno: 2-3%  EVITA EL PITING (pregunta)

Se puede dar la corrosión por picaduras, centralizada, localizada o pitting cuando hay altos contenidos en cloro y es ahí cuando aparece el Molibdeno (Mo).

Aceros inoxidables ferríticos Objetivo: Prima la resistencia mecánica (sin olvidar la corrosión).   

Poco elemento gamágeno  muy poco o nada de Níquel Cr más o menos del 10% Se juega con la cantidad de carbono o A [C] bajo  Acero ferrítico o A [C] alto  Aumenta la templabilidad  Acero martensitico (se quiere resistencia mecánica sin olvidar la corrosión de ahí que se aumente la cantidad de cromo para evitar que se formen carburos de cromo).

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Aluminios Muy atractivo por 3 motivos:   

Densidad muy baja (2-3 veces más ligero que un acero)  útil para construcciones ligeras (aviación) Alta capacidad de pasivación  Resiste bien a la corrosión Superelasticidad  Se puede extruir y casi inyectar como si fuese un polímero.  No llegar a romper la estructura cristalina.

Ventajas: Punto de fusión bajo/Reutilizable ¿Qué métodos disponemos para endurecer el aluminio?  Pregunta examen 1. Aleaciones con Cu  Endurecimiento por envejecimiento 2. Aleaciones con Mn  Endurecimiento por trabajo en frio. 3. Aleaciones con Si  Superelasticidad

Primer método: Endurecimiento por envejecimiento: Diagrama de fases:  

Zona de solubilidad en estado sólido a T elevada Descenso brusco de la solubilidad con la T

El cobre no puede disolverse y forma un compuesto intermetálico de composición Al2Cu  Estructura ϴ  Aumenta dureza. El % máximo de Cu que nos interesa es 5.4% porque más allá ya no tenemos endurecimiento por envejecimiento. Cuando calientas sobre los 400°C (alta) por lo tanto pocos núcleos pero grandes, entonces bloquean mal las dislocaciones y al ser grandes acumulan las tensiones y rompen fácil por fatiga. De esta manera no das tiempo a que se formen los Al2Cu. Lo que se hace es calentar, después (postproceso), sobre los 200-300°C se formaran nucleos más pequeños pero más bloqueando mejor las dislocaciones y minimizando la acumulación de tensiones. Al hecho de calentar después otra vez se le conoce como envejecimiento. 1) Lo primero que pasa es que se alivian las tensiones y disminuye un poco la dureza 2) (GP) El cobre se acumula en determinadas zonas que serán las que darán lugar a la formación de Al2Cu. 3) (ϴ’’) Dureza máxima por la aparición de Al2Cu. No es termodinámicamente estable. 4) (ϴ) Se alcanza la estabilidad aunque no sea la máxima dureza. 7

Obtenemos:   

ϴ’’ Coherente ϴ’  Semi- Coherente ϴ  Incoherente

Con la fase α del Aluminio

La fase TD estable es ϴ  la ϴ’’ y ϴ’ solo aparecen en TTT Explicación:   

La estructura cristalina de ϴ’’ (≠α) es coherente en las 3 direcciones (encaja perfectamente) con la estructura α. La estructura cristalina de ϴ’ (≠α) es semi-coherente en una dirección con la estructura α. La estructura cristalina de ϴ (≠α) es incoherente con la estructura α.

Al encajar no hay acumulación de tensiones ya que el tamaño de Al2Cu es muy pequeño y las partículas incoherentes generan tensión a su alrededor.  No frena dislocaciones, las intensifica. Cinética: Al depender de la difusión, a mayor concentración de cobre; menor tiempo hará falta y menor temperatura para misma velocidad de difusión.

Cobre  

A veces nos interesa “puro” porque con elementos aleantes se reduce drásticamente la capacidad conductora del material. Aunque con elementos aleantes mejora las propiedades mecánicas dado que se bloquean las dislocaciones.

Si se forma Cu2O (óxido de cobre  NO es un compuesto intermetálico, se da por reacción del Cobre con el oxígeno), la aleación no puede estar en contacto con el H2 por que ésta molécula pequeña puede meterse por los intersticios y reaccionar con el Cu2O formando agua. Esto lleva a la:

Fragilización H2 El agua se queda dentro del material y si pasa una corriente eléctrica, por efecto Joule, se calienta, pasando de agua a vapor. El gas no puede salir y aumenta considerablemente las tensiones fragilizando el material 3 maneras de sortear el problema: OFHC: Oxigen free high conductivity Cu sin O  atmosfera inerte. Se usa cuando hay que disipar mucho calor y se utiliza H2 como refirigerante. Ventajas: Evita fragilizacion por H2 / Alta conductividad / Aguanta H2 Problemas: Muy blando y caro 8

ETP: Arco eléctrico Se funde el mineral de cobre para evitar impurezas, tendrá alto/medio contenido en Cu2O pero no está/no se utiliza en atmósferas altas de H2 Ventajas: Mucha producción / Buen conductor Problemas: No puede usarse en atmósferas altas de H2 Desoxidación con fósforo Se utiliza cuando no se prioriza la conductividad. El objetivo es disminuir la fragilización por H2. El fósforo reacciona antes con el O y no se forma H2O. Ventajas: Evita fragilización Problemas: No buen conductor

Latones: Cobre +Zn  

Latones α = FCC 30% Zn Latones α+β = FCC (α) + BCC (β) 30-45% Zn

Si aumentamos la cantidad de Zn aparece β, mejora la dureza considerablemente.  

Latón rojo: Zn < 10% ( Zn (α) ) Latón amarillo: Zn > 10% ( Zn (α); Zn (α+β) )

Razones de la aleación: 1. Endurecer el cobre 2. Mejorar propiedades anticorrosivas Los metales blandos sufren de stress corrosión (con aparición de grietas)  El material se deteriora muy rápido y el Cu es muy sensible a ello.

Proceso de Zincficación Principalmente se utilizan latones ROJOS a nivel comercial ya que los latones AMARILLOS contienen mucho Zn que es muy oxidable y esto hace que varíe la proporción de Zn en Cu lo que aumenta la corrosión

Latones amarillos principales  

Cartridge: (30% Zn (α)) Muntz: (10% Zn (α+β))

Si se les añade 1% de Sn (estaño) se evita la corrosión de los latones en el ambiente marino altamente corrosivo. Además a veces la viruta no romple y se soluciona añadiendo Pb.  

Almirantazgo: (30% Zn (α) + 1% Sn + Pb) Naval: (10% Zn (α+β) + 1% Sn + Pb)

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Bronce: aleación Cu/Sn Características:   

A más Estaño (Sn)  + punto de fusión más bajo (liquidus a menos T)  Interesante porque en la edad de Bronce se necesitaba menos T para fundirlo. Para una cantidad de Sn > 10%; la distancia entre liquidus y solidus se separa tanto que aparecen muchas nuevas fases lo que hace mucho más difícil obtener lo que se quiere. Para una cantidad de Sn < 10%; al igual que el Cu/Al, hay un descenso brusco de la solubilidad que se da a – de 300 – 350°C, no da tiempo a que se formen núcleos grandes, en cambio, se forman pequeños aumentando el bloqueo de dislocaciones y evitando la acumulación de tensiones.  Enfríes como enfríes, entre un 5-10% de Sn se obtendrá un bronce de dureza elevada.

Problema: En presencia de aire, Sn  SnO lo que provoca la fragilización del bronce. Solución: Se puede desoxidar el bronce con fósforo (P) Nuevo problema: El fósforo mata toda la conductividad. Nueva solución: Si se quiere compensar conductividad se añade Zn (aprox 1%)

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