Materiales Ii

CIENCIA DE MATERIALES II SEPTIEMBRE DE 2019

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Profesor Milton Manrique

EVOLUCION DE LOS MATERIALES EN INGENIERIA UNIVERSIDAD INDUSTRIAL DE SANTANDER

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LA EDAD DEL HOMBRE SE HA IDENTIFICADO POR LOS MATERIALES QUE EL UTILIZABA.: EDAD DE PIEDRA, EDAD DE BRONCE, EDAD DE HIERRO, ETC. ACTUALMENTE SE ESTA EN UNA EDAD QUE NO ES DE UN SOLO MATERIAL, ES LA EDAD DE UN INMENSO NUMERO DE MATERIALES

NO HA HABIDO UNA ERA EN LA CUAL SU EVOLUCION HAYA SIDO TAN RAPIDA EN TAN CORTO TIEMPO. LA VARIEDAD DE MATERIALES SE HA EXPANDIDO TANTO QUE LOS DISEÑADORES QUE SALIERON DE LA UNIVERSIDAD HACE 20 AÑOS, HACEN ESFUERZOS PARA NO DESACTUALIZARSE. ESTA ES LA EDAD DE LOS MATERIALES AVANZADOS DONDE SE PRESENTAN GRANDES INNOVACIONES EN EL DISEÑO APROVECHANDO LAS PROPIEDADES DE LOS NUEVOS MATERIALES.

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MATERIALES EN DISEÑO UNIVERSIDAD INDUSTRIAL DE SANTANDER

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DISEÑO ES EL PROCESO DE TRASLADAR UNA IDEA O UNA NECESIDAD DEL MERCADO A UNA INFORMACION DETALLADA A PARTIR DE LA CUAL SE PUEDE FABRICAR UN PRODUCTO CADA UNA DE SUS ETAPAS REQUIERE DECISIONES SOBRE LOS MATERIALES QUE SE VAN A UTILIZAR

NORMALMENTE LA SELECCION DEL MATERIAL SE HACE DE ACUERDO AL DISEÑO UN NUEVO MATERIAL PUEDE GENERAR LA EVOLUCION DEL PRODUCTO EXISTENTE O UN NUEVO PRODUCTO

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LA SELECCION DEL MATERIAL NO PUEDE SER INDEPENDIENTE DE LA SELECCION DEL PROCESO QUE SE UTILIZA PARA DARLE FORMA AL MATERIAL HASTA OBTENER SU ACABADO EL COSTO DEL PROCESO DE FABRICACION DEL MATERIAL TAMBIEN ENTRA EN LA ECUACION DE LA SELECCION DEL MATERIAL. EL EFECTO DEL USO DEL MATERIAL EN EL MEDIO AMBIENTE DONDE VA A ESTAR OPERANDO ES FUNDAMENTAL EN ESTE CASO.

OTROS FACTORES IMPORTANTES PARA LA SELECCION DEL MATERIAL SON: LA FORMA, LA TEXTURA, EL COLOR, QUE SATISFACEN A LA PERSONA QUE LOS USA. TAMBIEN SE DEBE TENER EN CUENTA EL DISEÑO INDUSTRIAL, SI ESTE SE IGNORA SE PUEDE PERDER MERCADO. UN BUEN DISEÑO ESTA BIEN PERO UN DISEÑO EXCELENTE GENERA MERCADO. UNIVERSIDAD INDUSTRIAL DE SANTANDER

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NUEVOS MATERIALES EN DISEÑO UNIVERSIDAD INDUSTRIAL DE SANTANDER

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EL ACELERADO DESARROLLO DE NUEVOS MATERIALES A NIVEL INDUSTRIAL HACE QUE LA SELECCION DE MATERIALES SEA UN PROCESO COMPLEJO LA DISPONIBILIDAD DE INFORMACION TECNICA PARA CADA UNO DE LOS NUEVOS MATERIALES HACE POSIBLE LA IMPLEMENTACION DE SISTEMAS COMPUTARIZADOS. LA PLATAFORMA DE SELECCION DE MATERIALES CES EDU SE UTILIZA AMPLIAMENTE PARA FACILITAR EL PROCESO Y GARANTIZAR UNA BUENA SELECCION. ESTE TIPO DE PLATAFORMAS PRESENTA UN GRAN POTENCIAL PARA INTERACTUAR CON DISEÑO COMPUTARIZADO, ANALISIS DE ELEMENTOS FINITOS, RUTINAS DE OPTIMIZACION Y SOFTWARE DE ADMINISTRACION DE DATOS DEL PRODUCTO.

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QUE ES LA CIENCIA DE MATERIALES E INGENIERIA? Es un campo interdisciplinario que estudia y manipula la composición y la estructura de los materiales para mejorar sus propiedades a través de la síntesis y procesamiento. El término composición significa la composición química del material. El término estructura significa el arreglo de los átomos.

El término síntesis y procesamiento significa la fabricación del material objeto de estudio. UNIVERSIDAD INDUSTRIAL DE SANTANDER

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INTERRELACION ENTRE LOS CUATRO COMPONENTES DE LA CIENCIA DE MATERIALES E INGENIERIA

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Ejemplo del tetraedro de la Ciencia de Materiales e Ingeniería Producción de acero para el chasis de un auto La relación Desempeño/Costo está en el vértice del tetraedro Los otros tres vértices: A) Composición B) Microestructura y C) Síntesis y procesamiento del material Estos factores están interconectados. La microestructura del acero contiene dos fases. Martensita la fase dura dispersa en una matriz relativamente blanda (ferrita). Absorben la energía durante un impacto UNIVERSIDAD INDUSTRIAL DE SANTANDER

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Aplicación del tetraedro de Ciencia de Materiales e Ingeniería: Fabricación del fuselaje de un avión Boeing 787 utilizando un polímero reforzado con fibra de carbón. La composición, la microestructura y la síntesis/procesamiento están interconectados y afectan directamente la relación desempeño/costo

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GRAFENO

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DIAMANTE

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CLASIFICACION DE LOS MATERIALES

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1.- METALES Y ALEACIONES 2.- CERAMICOS, VIDRIOS Y VITROCERAMICOS 3.- POLIMEROS (PLÁSTICOS)

4.- SEMICONDUCTORES 5.- MATERIALES COMPUESTOS 6.- MATERIALES CELULARES

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METALES Y ALEACIONES Metales como aluminio, magnesio, cinc, hierro, titanio, cobre, níquel, etc.

Una aleación es un metal que contiene uno o mas metales o no metálicos, como por ejemplo el acero que es una aleación de hierro con carbono. Los metales y aleaciones tienen buena conductividad térmica y eléctrica, alta resistencia mecánica, tenacidad, rigidez, ductilidad y resistencia al choque térmico. Son utilizados particularmente en estructuras y aplicaciones que soportan cargas. Los metales puros son utilizados ocasionalmente. Se prefieren las aleaciones porque presentan combinación de propiedades. Por ejemplo el oro es un metal relativamente blando. En joyería se utilizan las aleaciones oro-cobre, oro-plata

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MATERIALES CRAMICOS Materiales Cerámicos se definen como materiales inorgánicos no metálicos. La arena de playa y las rocas son ejemplos de materiales cerámicos naturales

Los materiales cerámicos avanzados se fabrican a partir de los cerámicos naturales y procesos especiales, tienen diversidad de aplicaciones como por ejemplo chips, sensores, capacitores, bujías, inductores y aislantes eléctricos. Recubrimientos para protección de sustratos metálicos en turbinas de motores. También se utilizan en productos de consumo masivo como pinturas, plásticos, llantas. En aplicaciones industriales como refractarios, baldosas, abrasivos. Los materiales cerámicos son fuertes y duros pero muy frágiles. La fragilidad se puede reducir por medio de tratamientos especiales.

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MATERIALES VITREOS Y VITRO-CERAMICOS Vidrios y Vitro-cerámicos son materiales amorfos, provenientes de un material fundido o líquido. Amorfo indica que no presentan un arreglo atómico regular. La industria de la fibra óptica se inició fundamentalmente con el vidrio de sílice de alta pureza.

Los vidrios se utilizan en casas, vehículos, pantallas para computadoras, televisores, teléfonos y cientos de diversas aplicaciones. Los vidrios pueden ser tratados térmicamente para darles mejores propiedades. Tratamiento de cristalización del vidrio por tratamientos térmicos especiales, se generan los materiales vitro-cerámicos. Ejemplo Zerodur TM vitro-cerámica para sustratos de vidrio de grandes telescopios

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MATERIALES POLIMERICOS Los polímeros son materiales orgánicos. Se producen por medio del proceso de polimerización Los materiales poliméricos incluyen el caucho (elastómeros) y adhesivos. Son buenos aislantes eléctricos y térmicos, aunque hay excepciones actualmente. Presentan baja resistencia comparado con los metales y los cerámicos, no obstante estos presentan muy buena relación resistencia/peso No se pueden utilizar para aplicaciones a alta temperatura. Presentan buena resistencia a la corrosión. Tienen miles de aplicaciones desde vestidos a prueba de bala hasta discos compactos (CDs), cuerdas, LCDs, ropa y vasos para café. Polímeros termoplásticos. UNIVERSIDAD INDUSTRIAL DE SANTANDER

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MATERIALES SEMICONDUCTORES El silicio, el germanio y el arseniuro de galio son la base de los semiconductores. Se utilizan en computadores y electrónica en general y se conocen como materiales electrónicos.

La conductividad eléctrica de los semiconductores está entre un aislante cerámico y un conductor metálico. Los semiconductores han promovido la edad de la informática. En algunos semiconductores el nivel de conductividad puede ser controlada para producir accesorios electrónicos como han sido los transistores y los diodos que han formado los circuitos integrados.

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MATERIALES COMPUESTOS Estos materiales están formados por dos o mas materiales y presentan propiedades no encontradas en un simple material. Como ejemplos se tiene el concreto, la madera, el fiberglass que es la dispersión de fibras de vidrio en una matriz de polímero. Las fibras de vidrio hacen que el polímero sea mas rígido sin incrementar significativamente su densidad. Con la técnica de materiales compuestos se pueden obtener materiales livianos, fuertes, dúctiles, resistentes a alta temperatura.

Las naves aeroespaciales y los aviones están siendo fabricados a base de materiales compuestos. Como observamos el Boeing 787 usa un polímero reforzado con fibras de carbón en muchos de sus componentes estructurales, en reemplazo de las aleaciones de aluminio, logrando alta eficiencia de combustible. Equipos deportivos como bicicletas, palos de golf, raquetas de tenis, utilizan diferentes clases de materiales compuestos, que son livianos y muy rígidos. UNIVERSIDAD INDUSTRIAL DE SANTANDER

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EJEMPLOS DE APLICACIONES

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CLASIFICACION FUNCIONAL DE LOS MATERIALES

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CLASIFICACION FUNCIONAL DE LOS MATERIALES Materiales del futuro: a) Materiales Inteligentes: Son aquellos materiales capaces de detectar cambios en el medio ambiente y luego responden a estos cambios en una forma predeterminada. Ejemplos: Aleaciones con memoria de forma, carámicos piezoeléctricos. Los primeros despues de haber sido deformados regresan a su forma original al cambiar la temperatura. Los segundos se expanden o se contraen al aplicar un campo eléctrico y viceversa. b) Materiales nanométricos: Son materiales o estructuras con tamaño naométrico (10-9 m), en general menos de 100 nanómetros (500 átomos de diámetro). Ejemplo: nanotubos de carbón

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CLASIFICACION FUNCIONAL DE LOS MATERIALES Materiales del futuro:

c) A pesar del tremendo desarrollo de nuevos materiales en los últimos años, aún permanecen grandes retos tecnológicos incluyendo el desarrollo de materiales mas sofisticados y especializados, al igual que las consideraciones sobre el impacto ambiental en la producción de estos materiales. Como ejemplo tenemos la eliminación de los motores de combustion interna para minimizer la contaminación ambiental en las grandes ciudades. La implementación del uso de los vehículos eléctricos. La reducción del peso de estos vehículos. La generación de nuevos combustibles amigables ambientalmente como el hidrógeno. El uso de las celdas solares. Etc. UNIVERSIDAD INDUSTRIAL DE SANTANDER

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EL ACERO El acero es básicamente una aleación hierro (Fe)- Carbono (C) con un contenido de Carbono hasta cerca de 2% C en peso (wt), pero generalmente menor de 1% wt C y posiblemente algunos otros elementos adicionales. El diagrama de fases Fe-C en la zona rica en hierro se describe en función del carbón grafito que es el diagrama estable. El diagrama de fases Fe-C en la zona rica en hierro se describe en función del Fe3C (Carburo de hierro), es el diagrama metaestable, es de importancia práctica. El hierro puro al calentarlo experimenta dos cambios en la estructura cristalina, antes de llegar al estado líquido. A temperatura ambiente la forma estable se llama ferrita o hierro (α) que tiene una estructura cristalina BCC La ferrita experimenta una transformación polimórfica a FCC (austenita) o hierro (γ) a una temperatura de 912 oC. Todos estos cambios ocurren aparentemente a lo largo del eje vertical del diagrama de fases UNIVERSIDAD INDUSTRIAL DE SANTANDER

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DIAGRAMA DE FASES HIERRO-CARBURO DE HIERRO (Fe-Fe3C)

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DIAGRAMA DE FASES HIERRO-CARBURO DE HIERRO (Fe-Fe3C) El eje de composición en el diagrama llega hasta 6.70% wt C. En esta concentración se forma un compuesto intermedio denominado carburo de hierro (cementita) Fe3C, el cual está representado por una línea vertical sobre el diagrama de fases. Por consiguiente el sistema Fe-C se puede dividir en dos partes: una porción rica en hierro hasta 6.70% wt C y otra porción de 6.70 % wt C hasta 100% wt C (grafito puro). En la práctica, todos los aceros y las fundiciones tienen un contenido de carbono es menor a 6.70 % wt C, por lo tanto se considera el sistema hierro-carburo de hierro o Fe-Fe3C. Por convención y conveniencia la composición se expresa en %wt C en vez de % wt Fe3C. Por consiguiente 6.70% wt C corresponde a 100% wt Fe3C.

El carbono es una impureza intersticial en hierro y forma una solución sólida con las ferritas (α) y (δ) y también con la austenita, como se indica en el diagrama con cada una de las áreas de fase simple de (α), (δ) y (γ). En la ferrita (α) BCC solo hay pequeñas concentraciones de carbono soluble con un máximo de 0.022% wt C a 727 oC. La solubilidad limitada se explica por la forma y tamaño de las posiciones intersticiales del sistema BCC, que se dificulta alojar átomos de C. UNIVERSIDAD INDUSTRIAL DE SANTANDER

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DIAGRAMA DE FASES HIERRO-CARBURO DE HIERRO (Fe-Fe3C)

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DIAGRAMA DE FASES HIERRO-CARBURO DE HIERRO (Fe-Fe3C) Aun el carbono presente en concentraciones relativamente bajas, este influye significativamente en las propiedades mecánicas de la ferrita. Esta fase Fe-C es relativamente blanda, se puede magnetizar a temperaturas por debajo de 768 oC y tiene una densidad de 7.88g/cm3 (ver foto anterior). La austenita o fase (γ) no es estable por debajo de 727 oC. La solubilidad máxima de carbono en austenita es de 2.14 % wt, que ocurre a 1147 oC. Esta solubilidad es unas 100 veces mayor que la solubilidad del carbono en la ferrita BCC, debido a que las posiciones intersticiales en el sistema FCC son mayores, por consiguiente la deformación impuesta sobre los átomos de hierro de los alrededores es mucho menor. Las transformaciones de fase que involucran austenita son muy importantes en el tratamiento térmico de los aceros. Esta fase no es magnética.

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DIAGRAMA DE FASES HIERRO-CARBURO DE HIERRO (Fe-Fe3C) La ferrita (δ) es virtualmente similar a la ferrita (α) excepto que cada una existe en diferentes intervalos de temperatura. Siendo la ferrita (δ) estable solamente a relativamente altas temperaturas, esta fase no es tan importante tecnológicamente.

La cementita (Fe3C) se forma cuando el límite de solubilidad del C en la ferrita (α) se excede por debajo de 727 oC. (para las composiciones dentro de la región de estabilidad de las fases (α) + Fe3C. Como se observa en el diagrama la cementita (Fe3C) también coexiste con la fase (γ) entre 727 y 1147 oC. Mecánicamente la cementita es muy dura y frágil; la resistencia de algunos aceros se incrementa con la presencia de esta fase. La cementita es metaestable, esto significa que puede permanecer estable indefinidamente a temperatura ambiente. Sin embargo al calentar entre 650 y 700 oC por varios años, gradualmente va cambiando o se transforma en ferrita (α) y carbón en forma de grafito, que permanecen después del enfriamiento. UNIVERSIDAD INDUSTRIAL DE SANTANDER

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DIAGRAMA DE FASES HIERRO-CARBURO DE HIERRO (Fe-Fe3C) En las regiones de dos fases del diagrama, se observa que existe un eutéctico para el sistema en la región de hierro-carburo de hierro a 4.30%wt C y 1147 oC. La reacción eutéctica es de la forma:

El líquido (L) solidifica para formar las fases austenita y cementita. Al continuar el enfriamiento hasta temperatura ambiente se promueven cambios de fase adicionales. Se puede observar en el diagrama que existe un punto eutectoide invariante en la composición: 0.76% wt C y una temperatura de 727 oC. La reacción eutectoide es de la forma:

La reacción eutectoide es muy importante en el tratamiento térmico de los aceros. UNIVERSIDAD INDUSTRIAL DE SANTANDER

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DIAGRAMA DE FASES HIERRO-CARBURO DE HIERRO (Fe-Fe3C) En el esquema de clasificación de aleaciones ferrosas en base al contenido de carbono hay tres tipos de aleaciones: Hierro: < 0.008% wt C Acero: (0.008% - 2.14 % wt C) Fundición: 2.14% - 6.70% wt C Aunque un acero puede contener 2.14 % C, en la práctica, la concentración de C no excede el 1% wt C. Las fundiciones van de 2.14% a 6.70% wt C. Sin embargo las fundiciones comerciales normalmente contienen menos de 4.5% wt C.

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MICROESTRUCTURAS DE ALEACIONES HIERRO-CARBONO En un proceso de enfriamiento muy lento las aleaciones de acero alcanzan el equilibrio continuamente. Posteriormente se tratará de enfriamientos mas rápidos en tratamientos térmicos donde se presentan otras microestructuras. Se estudia el caso de una aleación de composición eutectoide. Los cambios de fase que ocurren al pasar de una región de fase (γ) a una región de fase (α + Fe3C). El enfriamiento se inicia a 800 oC, a partir del punto (a) hasta el punto (b). Esta estructura consta de láminas alternantes de (α) y de Fe3C (cementita) que se forman simultáneamente durante la transformación. El espesor relativo es de 8 a 1 y se denomina perlita que tiene una apariencia de madreperla. La perlita forma granos y las diferentes capas de cada fase están orientadas esencialmente en la misma dirección, que varía de un grano al otro. Las capas mas gruesas de color claro son de fase ferrita y la fase cementita forma capas mas delgadas y son mas oscuras.

Mecánicamente la perlita tiene propiedades intermedias entre la ferrita que es blanda y dúctil y la cementita que es dura y frágil.

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MICROESTRUCTURAS DE ALEACIONES HIERRO-CARBONO

Aleación Fe-C Composición eutectoide (0.76% wt C)

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MICROESTRUCTURAS DE ALEACIONES HIERRO-CARBONO

Fotomicrografía de un acero eutectoide

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Mecanismo de formación de perlita a partir de austenita

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MICROESTRUCTURAS DE ALEACIONES HIERRO-CARBONO Debido a que la composición de la fase original (austenita 0.76%wt C) es diferente a la composición de las fases productos (ferrita 0.022% wt C) y (cementita 6.7% wt C) y la transformación de fase requiere que ocurra una redistribución del contenido de carbono por difusión. En la figura se observa esquemáticamente los cambios microestructurales que suceden en la reacción eutectoide. Se indican las direcciones de la difusión del carbono con flechas, desde la región de ferrita hacia la región de cementita. La formación de perlita en forma de capas debido a que los átomos de carbono se difunden pequeñas distancias con la formación de esta estructura. Enfriamiento subsiguiente de la perlita desde el punto (b) se producen cambios insignificantes en la microestructura.

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ALEACIONES HIPOEUTECTOIDES

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ALEACIONES HIPOEUTECTOIDES Se considera una aleación de composición Co a la izquierda del eutectoide, entre 0.022 %wt C Y 0.76% wt C, Esto se considera una aleación hipoeutectoide y se procede al enfriamiento desde 875 oC. En esta temperatura (punto c) la microestructura consiste en granos de fase γ. Al enfriar hasta el punto (d) a 775 oC que está dentro de la región (α + γ) estas estructuras coexisten como se observa en la microestructura. Las pequeñas partículas de fase (α) se formarán en los bordes de grano de fase (γ). La composición de estas fases se pueden determinar utilizando la línea horizontal apropiada. Estas composiciones corresponden a 0.020 y 0.40 % wt C respectivamente. Continuando el enfriamiento la composición de la fase ferrita (α) cambia en función de la temperatura siguiendo la línea MN, haciéndose ligeramente rica en C. Por otro lado la composición de la austenita procede a lo largo de la línea MO a medida que baja la temperatura.

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ALEACIONES HIPOEUTECTOIDES En el punto (e) un poco por encima de la temperatura eutectoide pero aún en la región (α + γ) se producirá un incremento de la fracción de fase (α) y una microestructura como se observa en el gráfico, donde la fase (α) ha crecido formando granos.

En la temperatura Te = temperatura eutectoide, la fase (α) contiene 0.022% wt C mientras que la fase (γ) alcanzó la composición eutectoide, 0.76% wt C. A medida que la temperatura se reduce hasta el punto (f) toda la fase (γ) que estaba presente a la temperatura Te (que tiene la composición eutectoide) se transforma en perlita. No hay cambio en la fase (α) que existía a la temperatura Te. Esta continua normalmente siendo rodeada por la fase perlita. Por consiguiente la fase ferrita (α) estará presente también en la fase perlita

La ferrita o fase (α) que está presente en la perlita se denomina ferrita eutectoide, mientras que la ferrita que se formó por encima de Se te denomina ferrita proeutectoide. En la fotomicrografía se tiene un acero de 0.38% wt C. Las regiones blancas corresponden con la ferrita proeutectoide.

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ALEACIONES HIPOEUTECTOIDES

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ALEACIONES HIPOEUTECTOIDES Las cantidades relativas de ferrita proeutectoide y perlita se pueden determinar utilizando la regla de la palanca en la línea que une 0.022% wt C y 0.76 % wt C.

Por ejemplo se considera una aleación de composición Co’. La fracción de perlita, Wp se puede determinar como sigue:

La fracción de ferrita proeutectoide Wα se calcula como sigue:

Las fracciones de ferritas (eutectoide y proeutectoide) y la cementita se determinan usando la regla de la palanca en el intervalo (α + Fe3C) o (0.022 a 6.70% wt C). UNIVERSIDAD INDUSTRIAL DE SANTANDER

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ALEACIONES HIPOEUTECTOIDES EJEMPLO: DETERMINAR LAS CANTIDADES RELATIVAS DE FERRITA, CEMENTITA Y PERLITA Se tiene un acero hipoeutéctico que contiene 0.35% wt C. Calcular: a) Las fracciones de ferrita total y cementita b) Las fracciones de ferrita proeutectoide y perlita c) La fracción de ferrita eutectoide SOLUCION: a)

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ALEACIONES HIPOEUTECTOIDES EJEMPLO: DETERMINAR LAS CANTIDADES RELATIVAS DE FERRITA, CEMENTITA Y PERLITA Se tiene un acero hipoeutéctico que contiene 0.35% wt C. Calcular: a) Las fracciones de ferrita total y cementita b) Las fracciones de ferrita proeutectoide y perlita c) La fracción de ferrita eutectoide SOLUCION: b)

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ALEACIONES HIPOEUTECTOIDES EJEMPLO: DETERMINAR LAS CANTIDADES RELATIVAS DE FERRITA, CEMENTITA Y PERLITA Se tiene un acero hipoeutéctico que contiene 0.35% wt C. Calcular: a) Las fracciones de ferrita total y cementita b) Las fracciones de ferrita proeutectoide y perlita c) La fracción de ferrita eutectoide SOLUCION: c)

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ALEACIONES HIPEREUTECTOIDES

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ALEACIONES HIPEREUTECTOIDES Estas aleaciones comprenden el intervalo 0.76%wt C y 2.14% wtC, que se enfrían desde temperaturas dentro de la fase austenita (γ).

Se considera una aleación de composición C1 se desplaza a lo largo de la línea zz’. En el punto (g) la fase (γ) solamente está presente con una composición C1 en la microestructura se observan solamente los granos de fase (γ). Al continuar enfriando hasta llegar a la región de estabilidad de las fases (γ + Fe3C) en el punto (h), la fase cementita (Fe3C)se empezará a formar a lo largo de los bordes de grano de la fase (γ). Esta cementita se denomina cementita proeutectoide la cual se forma antes de la reacción eutectoide. La composición de la cementita permanece constante (6.7% wt C) a medida que cambia la temperatura. Por otro lado la composición de la austenita se mueve a lo largo de la línea PO hacia el eutectoide. La temperatura baja a través del punto eutectoide hasta el punto (i) toda la austenita remanente de composición eutectoide se convierte en perlita, por consiguiente la microestructura resultante esta conformada por perlita y cementita proeutectoide.

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ALEACIONES HIPEREUTECTOIDES

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EFECTO DE OTROS ELEMENTOS DE ALEACION

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TRANSFORMACIONES DE FASE UNIVERSIDAD INDUSTRIAL DE SANTANDER

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PORQUE ESTUDIAR LAS TRANSFORMACIONES DE FASE? El desarrollo de un conjunto de características mecánicas para un material es el resultado de una Transformación de Fase, que se obtiene por medio de un tratamiento térmico. Las transformaciones de fase dependen de la temperatura y del tiempo que se exponga la pieza objeto de estudio, lo cual se representa por medio de un diagrama de fase modificado. Es importante saber utilizar estos diagramas para diseñar un tratamiento térmico que permita obtener las propiedades deseadas en la pieza. Por ejemplo: La resistencia a la tensión de un acero eutectoide (0.76% wt C) se puede variar entre 700 Mpa (100,000 psi) y 2000 Mpa (300,000 psi) por medio de un tratamiento térmico.

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CONCEPTOS BASICOS Las transformaciones de fase en general incluyen la alteración de la microestructura. Clasificación de las TF: 1.- Dependen de un proceso de difusión y no hay cambio en el número o composición de las fases presentes. (ejemplos: solidificación, cristalización y crecimiento de grano). 2.- Dependen de un proceso de difusión pero hay alteración de la composición y número de fases presentes. (i.e: Reacción eutectoide). 3.-- No hay dependencia de un proceso de difusión y se genera una fase metaestable. (ejemplo: transformación martensítica).

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CINETICA DE LAS TRANSFORMACIONES DE FASE

Las transformaciones donde ocurre la generación de una nueva fase tiene dos etapas importantes: Nucleación: que incluye la aparición de partículas pequeñas o núcleos de la nueva fase (este contiene solo unos cientos de átomos) que puede iniciar el crecimiento. Crecimiento: el núcleo crece y va aumentando su tamaño, que resulta en la desaparición total o parcialmente de la fase original. La transformación de fase finaliza cuando el crecimiento de esta nueva fase llega al equilibrio.

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NUCLEACION Existen dos tipos de procesos de nucleación: HOMOGENEA Y HETEROGENEA Estos se diferencian de acuerdo al sitio en el cual ocurre el fenómeno de nucleación. En la nucleación homogénea los núcleos de la nueva fase se forman uniformemente dentro de la fase original En la nucleación heterogénea los núcleos se forman preferencialmente en las in homogeneidades estructurales de la fase original, como por ejemplo en la superficie del contenedor, sobre las impurezas insolubles, en los bordes de grano, en las dislocaciones, etc.

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SOLIDIFICACION DE UN METAL PURO Nucleación Homogénea

Como ejemplo simple se considera la solidificación de un metal puro asumiendo que los núcleos de la fase sólida se forman en el interior de un líquido acumulándose racimos de átomos con un arreglo similar al encontrado en la fase sólida. Se asume que cada núcleo es esférico de radio (r). El cambio de energía libre total que involucra la transformación de solidificación incluye: la diferencia en energía libre entre la fase sólida y la fase líquida o sea el cambio de energía libre volumétrica ΔGv . Este cambio de energía libre es negativo si la temperatura está por debajo de la temperatura de solidificación de equilibrio. La magnitud es ΔGv y el volumen corresponde al volumen del nucleo (4/3 πr3). UNIVERSIDAD INDUSTRIAL DE SANTANDER

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SOLIDIFICACION DE UN METAL PURO La segunda contribución corresponde a la formación de la interfase sólido – líquido durante la transformación de solidificación. Asociado a la formación de esta interfase está la energía libre de superficie (γ) que es positiva y asociada al área superficial del núcleo (4πr2). El cambio de energía libre total es: Gráficamente se tiene:

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SOLIDIFICACION DE UN METAL PURO Físicamente este gráfico significa que una partícula sólida (núcleo) se forma a expensas de los átomos del metal líquido. Inicialmente la energía libre aumenta, pero es positiva, lo cual hace que el núcleo sea inestable y trate de redisolverse en el líquido. Si el núcleo alcanza el radio crítico (r*) la energía libre cambia de dirección el núcleo se estabiliza e inicia el crecimiento. La energía libre crítica (ΔG*) que se alcanza en el radio crítico (r*). Esta energía corresponde a la energía libre de activación, que es la energía libre requerida para la formación de un núcleo estable. Se considera como una barrera para la nucleación. Derivando la ecuación de energía libre e igualando a cero se obtiene el valor del radio crítico.

Sustituyendo el radio crítico en la ecuación de energía libre se obtiene:

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SOLIDIFICACION DE UN METAL PURO La energía libre ΔGv es la fuerza motriz para la transformación de solidificación y su magnitud es función de la temperatura. En el equilibrio a la temperatura de solidificación Tm la energía libre ΔGv es cero y al disminuir la temperatura se hace mas negativa. Se puede demostrar que ΔGv es función de la temperatura como sigue:

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SOLIDIFICACION DE UN METAL PURO ΔHf es el calor latente de fusión (calor liberado durante la solidificación). Sustituyendo la expresión de ΔGv en la ecuación anterior se obtiene:

Tanto el radio crítico como la energía libre de activación disminuyen con la temperatura. En la gráfica se observa este comportamiento. Físicamente significa que al reducir la temperatura T por debajo de la temperatura de equilibrio Tm la nucleación ocurre mas fácilmente. El número de núcleos n* (con radio mayor de r*) es función de la temperatura como sigue:

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SOLIDIFICACION DE UN METAL PURO La constante K1 está relacionada con el número total de núcleos de la fase sólida. Siendo una ecuación exponencial el cambio de temperatura tiene un gran efecto en la magnitud de ΔG* que está en el numerador. En consecuencia a medida que la temperatura baja por debajo de Tm la temperatura de equilibrio el término exponencial de la anterior ecuación también disminuye por consiguiente n* aumenta en proporción.

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SOLIDIFICACION DE UN METAL PURO Otro factor importante que afecta la nucleación es el agrupamiento de átomos por medio de la difusión durante l formación del núcleo. El coeficiente de difusión D es afectado por la temperatura

Este efecto se relaciona directamente con la frecuencia (νd) a la cual los átomos del líquido se adhieren al núcleo

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SOLIDIFICACION DE UN METAL PURO Otro parámetro importante es la velocidad de nucleación N* (núcleos por unidad de volumen por segundo):

K3 es el número de átomos sobre la superficie de un núcleo. En la gráfica al reducir la temperatura por debajo de la temperatura de fusión o de equilibrio Tm, la velocidad de nucleación al principio se incrementa alcanza un máximo y luego disminuye. La forma de la curva se explica como sigue: En la parte superior de la gráfica (N* aumenta disminuyendo la temperatura T). exp(-ΔG*/kT) < exp(-Qd/kT) al continuar disminuyendo T eventualmente exp(-Qd/kT)< exp(-ΔG*/kT). Qd es independiente de temperatura y ΔG* depende de l temperatura.

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SOLIDIFICACION DE UN METAL PURO

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SOLIDIFICACION DE UN METAL PURO Según la gráfica anterior es aparente que durante el enfriamiento de un líquido, una velocidad de nucleación apreciable (ejemplo: solidificación) se iniciará solamente después que la temperatura se ha reducido debajo del punto de equilibrio Tm. Este fenómenos se denomina subenfriamiento y el grado de subenfriamiento para la nucleación homogénea puede ser importante (del orden de varios cientos de grados Kelvin) para algunos sistemas.

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SOLIDIFICACION DE UN METAL PURO EJEMPLO: Cálculo del radio del núcleo crítico y la energía libre de activación Calcular el radio crítico del núcleo de oro, teniendo en cuenta que el punto de fusión es 1064 oC, el subenfriamiento ΔT es 230 oC y siendo ΔH negativo. f

La energía libre de activación es:

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SOLIDIFICACION DE UN METAL PURO Para conocer el número de átomos por cada núcleo se procede como sigue:

El oro cristaliza en el sistema cúbico FCC, por consiguiente:

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SOLIDIFICACION DE UN METAL PURO Nucleación Heterogénea

En general los niveles de subenfriamiento para la nucleación homogénea pueden ser significativos (en ocasiones varios cientos de grado centígrados) en situaciones prácticas estos pueden ser solo varios grados centígrados. La razón para este comportamiento es que la energía de activación (la barrera de energía) ΔG* se reduce cuando los núcleos se forman sobre superficies pre-existentes o interfaces, puesto que se reduce la energía libre superficial (ν) o tensión superficial. Este tipo de nucleación se denomina nucleación heterogénea. Para entender este fenómeno se considera como ejemplo la nucleación sobre una superficie plana de una partícula sólida a partir de la fase líquida. Se asume que el líquido moja la superficie plana, o sea que el líquido se puede extender sobre la superficie, como se observa en el esquema.

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SOLIDIFICACION DE UN METAL PURO Nucleación Heterogénea

En el esquema se observan tres energías interfaciales (vectores) que se presentan en la frontera entre dos fases: νSL, νSI, νIL y el ángulo de mojado θ (ángulo entre νSI y νSL . Haciendo el balance de fuerzas se obtiene:

Haciendo un desarrollo similar al caso de la nucleación homogénea, se deriva las expresiones para el radio crítico (r*) y la energía libre de activación (ΔG*) que tienen la forma:

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SOLIDIFICACION DE UN METAL PURO Nucleación Heterogénea

El término S(θ) de la última ecuación es función solamente del ángulo de mojado (θ) que representa la forma del núcleo y que tiene un valor entre cero y la unidad. También se observa que el radio crítico (r*) para nucleación heterogénea es el mismo que para el caso de nucleación homogénea, por cuanto νSL es la misma energía superficial que (ν). También es evidente que la energía de activación para nucleación heterogénea es mas pequeña que la energía de activación para la nucleación homogénea en una cantidad correspondiente a la función S(θ).

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En la gráfica se observa ΔG* vrs radio del núcleo donde se observa que la nucleación heterogénea ocurre mas fácilmente que la nucleación homogénea.

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SOLIDIFICACION DE UN METAL PURO En la gráfica se observa la comparación entre la velocidad de nucleación homogénea y la velocidad de nucleación heterogénea.

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SOLIDIFICACION DE UN METAL PURO

Crecimiento La etapa de crecimiento en la transformación de fase empieza una vez el embrión o núcleo ha excedido el tamaño crítico, r* y se transforma en un núcleo estable. Note que la nucleación continua simultáneamente con le etapa de crecimiento de las partículas de la nueva fase. Por supuesto la nucleación no puede ocurrir en regiones que ya se ha transformado en la nueva fase. El proceso de crecimiento cesa en cualquier región donde las partículas de la nueva fase se encuentran, ya que la transformación ha llegado a completarse.

El crecimiento de las partículas ocurre por difusión atómica de largo alcance, que normalmente incluye varias etapas: difusión a través de la fase original, difusión a través de la frontera de la fase y difusión dentro del núcleo. Por consiguiente la tasa de crecimiento G* se determina por medio de la velocidad de difusión y su dependencia de la temperatura, que es equivalente al coeficiente de difusión.

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Crecimiento Donde Q (energía de activación) y C (pre-exponencial) son independientes de temperatura. La dependencia de G* con la temperatura se observa en la gráfica, donde también se observa la gráfica velocidad de nucleación N* y la velocidad global de la transformación. La forma general de esta curva es similar a la velocidad de nucleación, donde se observa un máximo.

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SOLIDIFICACION DE UN METAL PURO

Crecimiento Varios fenómenos físicos se pueden explicar en términos de las curvas de transformación vrs T. En primer lugar el tamaño de las partículas de la fase producto depende de la temperatura de transformación. Por ejemplo las transformaciones que ocurren a temperatura cerca de Tm corresponden a baja nucleación y alta velocidad de crecimiento, pocos núcleos hace que crezcan rápidamente. Entonces la microestructura resultante consistirá de pocas y relativamente grandes partículas de nueva fase (grano grueso). En caso contrario, para transformaciones a bajas temperaturas, la tasa de nucleación es alta y la tasa de crecimiento es baja, dando como resultado partículas de nueva fase pequeñas (grano fino). En este gráfico también se puede observar que cuando un material es enfriado muy rápidamente a través del intervalo de temperatura aunado a la curva de la tasa de transformación a una temperatura relativamente baja donde la tasa es extremadamente baja, es posible producir estructuras de fase en no-equilibrio.

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SOLIDIFICACION DE UN METAL PURO Cinética de la Transformación en estado sólido

La cinética de la transformación en estado sólido corresponde a la dependencia del tiempo de este fenómeno y es fundamental en el tratamiento térmico de materiales. Los datos cinéticos se grafican como la fracción transformada de material vrs logaritmo del tiempo. Una curva tipo “S” representa el comportamiento cinético típico para la mayoría de las reacciones de estado sólido. La etapas de nucleación y crecimiento también se indican en esta figura. Para transformaciones en estado sólido se observan en la gráfica siguiente, donde la fracción de transformación y está en función del tiempo como sigue:

Donde, k y n son constantes independientes de tiempo para la reacción particular. Esta expresión se conoce como la ECUACION DE AVRAMI

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SOLIDIFICACION DE UN METAL PURO Cinética de la Transformación en estado sólido

Por convención, la tasa de transformación se toma como el reciproco del tiempo requerido para que proceda la transformación hasta la mitad de la transformación, t0.5 o:

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SOLIDIFICACION DE UN METAL PURO Cinética de la Transformación en estado sólido

La temperatura tendrá una profunda influencia en la cinética y por consiguiente en la tasa de transformación. Esto se demuestra en la Figura siguiente, donde se observan curvas en forma de “S” y vrs log t a varias temperaturas para la recristalización de cobre.

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