TEMA 1: ESTRUCTURA INTERNA DE LOS MATERIALES

1

TEMA 1: ESTRUCTURA INTERNA DE LOS

MATERIALES

El átomo:

Toda la materia está compuesta por átomos y éstos por partículas más pequeñas. El núcleo del átomo está integrado por neutrones y protones, y alrededor del núcleo se encuentran los electrones girando.

Los electrones tienen carga negativa, los protones carga positiva y los neutrones, como su nombre lo indica, son neutros (carecen de carga positiva o negativa).

Elementos electropositivos: l os que ceden electrones en las reacciones químicas (catión). Ejemplo: los metales. Tienen 3 o menos electrones en niveles externos y forman cationes por pérdida de electrones.

Elementos electronegativos: cuando captan electrones en las reacciones químicas (anión). Ejemplo: los no metales. Tienen 4 o más electrones en niveles externos y forman aniones por ganancia de electrones.

Energía de ionización: es la mínima energía que hay que suministrarle a un átomo para arrancarle un electrón.

Tabla periódica:

Los elementos se agrupan en la tabla periódica según la estructura electrónica de sus átomos.

1

1 1

Metales ligeros Metales de transición Gases nobles

Metales de bajo punto de fusión

Semimetales

No metales

Halógenos

GRUPO

PE

2

Todos los elementos que pertenecen a un grupo (columnas verticales) tienen la misma valencia atómica, el número de electrones en la última capa es el mismo, y por ello, tienen propiedades similares entre sí.

Las filas horizontales de la tabla periódica se llaman períodos, y cada periodo corresponde con el nivel de energía en el que se colocan los electrones

Tipos de enlaces

Enlace iónico: se forma entre átomos muy electropositivos y muy electronegativos (metales y no metales), consiste en la transferencia de electrones desde los átomos electropositivos a los electronegativos.

Se dan fuerzas de enlace de Coulomb. Ejemplo: NaCl (sal común) ; HF; KCl., LiF

Propiedades:

- Alta energía de enlace, y elevada temperatura de fusión. - Duros y frágiles.

- Aislantes en estado sólido y conductores en disolución.

Enlace covalente.: se forma entre átomos con pequeña diferencia de electronegatividad. Los átomos comparten sus electrones externos con otros átomos. Se pueden formar enlaces múltiples de pares de electrones.

Ejemplo: F2, O2, N2

.

El enlace covalente puede darse entre átomos produciéndose fuertes uniones; o entre moléculas mediante fuerzas de Van der Waals y puentes de hidrógeno, y en estos casos las uniones intermoleculares son débiles.

Ejenplo de enlace covalente entre moléculas: H2O (agua); NH3 (amoniaco), polímeros o plásticos

Propiedades enlace covalente entre átomos:

- Alta energía de enlace, y elevada temperatura de fusión. - Duros y frágiles.

- Aislantes en estado sólido y líquido - Solubilidad muy baja.

Propiedades enlace covalente entre moléculas:

- Baja energía de enlace, y baja temperatura de fusión. - Blandos y con propiedades de plasticidad.

- Aislantes en estado sólido y líquido - Solubles en disolventes orgánicos..

Enlace metálico: se forma entre dos metales. Se produce una atracción de susu nucleos (iones +) y los electrones de la última capa (electrones de valencia) se colocan dispersos en forma de nube electrónica cubriendo un espacio y rodeando a los nucleos.

Los electrones de valencia pueden moverse a lo largo de toda la red. Esto explica la alta conductividad eléctrica y térmica. También explica que la mayoría de los metales puedan deformarse considerablemente sin fracturas, ya que los enlaces se deslizan en lugar de romperse.

F F O O

N N

3

Propiedades:

- Energía de enlace variable y punto de fusión variable.. - Dúctiles y maleables.

- Buenos conductores - Insolubles en general - Brillo metálico.

Estructuras cristalinas

Solido amorfo y sólido cristalino:

En un sólido amorfo

l

as partículas carecen de una estructura ordenada (ejemplo: vidrio). En los sólidos cristalinos, sus átomos están dispuestos de manera regular y ordenada formando redes cristalinas.

Sistemas cristalinos

Un material tiene estructura cristalina cuando todos sus átomos están ordenados en el espacio repitiendo una distribución espacial.

Celda unitaria:es la unidad que se repite dentro de la estructura cristalina Casi todos los metales cristalizan en tres tipos de estructuras fundamentales:

- BCC Cúbica Centrada en el Cuerpo (CC): los átomos se sitúan en los vértices y en el centro del cubo.

- FCC Cúbica Centrada en las Caras (CCC): los átomos se sitúan en los vértices y en los centros de cada cara.

- HCP Hexagonal Compacta: los átomos s e sitúan en los vértices y centro de la cara del hexágono y se colocan otros tres átomos internos en triángulo.

Alotropía:

Indica el cambio que puede sufrir la estructura cristalina de un elemento o compuesto químico al variar la presión y la temperatura que le rodea. A estos diferentes estados los denominaremos polimórficos o alotrópicos.

4

Constantes en las estructuras cristalinas: los datos más importantes de cada una de las estructuras cristalinas son:

- Número de átomos por celda unidad: es el número de átomos completos que le pertenecen, contando en cada átomo sólo la parte o fracción que le corresponde. - Constante reticular: es la arista “a” _{de la celda unitaria. Se expresa en función del}

radio atómico

- Índice de coordinación (I.C): es el número de átomos tangentes a otro átomo. El I.C. de la red es el correspondiente al átomo que mayor I.C. tiene.

- Masa de una celda unitaria(en gramos) (m): se obtiene como el número de átomos de la celda multiplicado por la masa atómica de cada átomo y dividido por el número de Avogadro (NA = 6,023 . 10

23 ).

)

/

(

.

º

mol

at

N

(g/mol)

m

N

m

A atómica átomos

×

=

BCC: cúbica centrada en el cuerpo

Ø n: nº de átomos celda unidad.

2

8

1

8

1

+

×

=

=

n

Ø Índice de coordinación: i =8

El I.C. de la celda c.c. es de 8, coincidiendo con el del átomo central.

Ø Constante reticular

3

4

R

a

₌

×

Ø Ejemplo: Temperatura ambiente: Fe.

FCC: cúbica centrada en las caras.

Ø n : nº de átomos celda unidad.

4

8

1

8

2

1

6

×

+

×

=

=

n

Ø Índice de coordinación: i =12.

Tiene un índice de coordinación de 12, correspondiente a los átomos de los centros de las caras

Ø Constante reticular

2

4

R

a

₌

×

a

5 Ø Ejemplo: Temperatura ambiente: Cu, Ni y Al

Estado alotrópico del hierro: 912ºC<T<1394ºC.

HCP: Hexagonal compacta

Ø n = nº de átomos celda unidad.

6

3

6

1

6

.

2

2

1

2

_×

₊

_×

₊

₌

=

n

Ø Índice de coordinación: i =12. Tiene 12 de I.C. (átomos de los centros de las bases).

Ø Constante reticular

R

a

=

2

Ø Ejemplo: Temperatura ambiente: Co y Ti.

Otras fórmulas:

Volumen de un átomo (esfera) =

Se puede considerar el volumen de una esfera como 2/3 del volumen del cilindro circunscrito a la esfera.

Factor de empaquetamiento atómico(FEA), es la fracción de volumen en una celda unidad que está ocupada por átomos. Este factor es adimensional y siempre menor que la unidad.

Cuasicristales

Un cuasicristal es una forma estructural que es ordenada pero no periódica, es decir, no se puede construir mediante la repetición de una celda unidad.

El método tradicional para su crecimiento se basa en el enfriamiento rápido de metales

fundidos, de manera que los átomos no tienen tiempo de acceder a las posiciones de equilibrio correspondiente a los sólidos cristalinos

Los cuasicristales son estructuras relativamente comunes en aleaciones con metales como el aluminio, cobalto, hierro y níquel. A diferencia de sus elementos constituyentes, son malos conductores de la electricidad, debido, fundamentalmente, a que poseen pocos electrones libres. No presentan acusadas propiedades magnéticas y son más elásticos que los metales ordinarios a altas temperaturas. Son extremadamente duros y resisten bien la deformación, por lo que se pueden utilizar como recubrimientos protectores antiadherentes.

6

Ejercicios:

· PAU Septiembre 2011/2012

El aluminio cristaliza en el sistema cúbico centrado en las caras, tiene un radio atómico de 1,43·10-10 m y una masa atómica de 27.

a) Determine el número de átomos que contiene su celda unitaria. b) Calcule el volumen de dicha celda unitaria.

c) Calcule la densidad del aluminio (Nº Avogadro: 6,023·1023).

· PAU Junio 2013/2014

Los átomos de un determinado metal cristalizan en el sistema cúbico centrado en el cuerpo y tienen un radio de 0,112 nm, determine:

a) El índice de coordinación y el número de átomos de cada celdilla. b) El volumen que ocupan los átomos de la celdilla unitaria.

c) La constante de la red cristalina.

d) El volumen de la celdilla unitaria y el factor de empaquetamiento.

· PAU Junio 2011/2012

a

) Razone cómo es la conductividad de los materiales formados por enlaces covalentes. b) Razone cómo es la fragilidad de los materiales formados por enlaces iónicos.

c) Razone cómo es la resistencia mecánica de los materiales formados por enlaces metálicos.

d) Justifique qué tipo de enlace presentan los materiales ClNa, NH

3

.

· PAU Septiembre 2010/2011

Para los sistemas de cristalización Cúbico Centrado en las Caras y Cúbico Centrado en el Cuerpo, indique

en los dos casos:

a) Número de átomos que rodean cada átomo (índice de coordinación). b) Número de átomos presente en cada celda unitaria.

c) Lado de la arista de la celda para un elemento de radio atómico 0,13 nm.

· PAU Septiembre 2009/2010

El Fe a temperatura ambiente tiene estructura Cúbica Centrada en el Cuerpo: a) ¿Cuántos átomos rodean a cada átomo (índice de coordinación)?

b) ¿Cuántos átomos hay en cada celda unitaria?

c) ¿Cuál es el lado de la arista de la celda si el radio atómico del Fe es 0,124 nm? d) ¿Qué significa que el Fe presenta estados alotrópicos a altas temperaturas?

· PAU Septiembre 2005/2006

Defina brevemente los siguientes conceptos. a) Isomorfismo

b) Alotropía

c) Enlace iónico y enlace metálico

EJERCICIOS TEMA 1: ESTRUCTURA INTERNA

DE LOS MATERIALES

Ejercicio PAU Septiembre 2011/2012

El Aluminio cristaliza en el sistema FCC (lleva un átomo colocado en cada vértice del cubo y un átomo colocado en el centro de cada cara).

Su radio atómico es de 1,43 * 10-10 m

a) Calcular el número de átomos de su celda unitaria

El número de átomos de una celda unitaria es el número de átomos completos que le

pertenecen, contando en cada átomo sólo la parte o fracción que le corresponde.

4

8

1

8

2

1

6

×

+

×

=

=

n

Resultado = 4

b) Calcular el volumen de su celda unitaria

El volumen de un cubo será su lado o arista al cubo. A la arista se la llama constante reticular y en el caso de la red cúbica FCC será:

Constante reticular

a

R

10

m

10

10

.

04

,

4

2

10

.

43

,

1

4

2

4

-=

×

=

×

=

Volumen de la celda unitaria = a3 = (

4

,

04

.

10

-10)3 = 6,59 . 10 -29

m

3 Resultado = 6,59 . 10 -29 m

c) Calcular la densidad del aluminio: d = m / V

A atómica átomos

N

m

N

m

=

×

º

.

₌ !"# $%&/'()

*,+$-#.+01_23/456 = 1,79 . 10 -22

g

d = m / V = 1,79 . 10-22 /

6,59 . 10

-29= 2,71 . 106 g/m3= 2710 kg /m3

6 átomos situados en el centro de cada cara

Cada átomo lo comparte con dos celdas unitarias (le

corresponde ½) 8 átomos _{situados en} cada vértice

Ejercicio PAU Junio 2013/2014

Un metal cristaliza en el sistema cúbico centrado en el cuerpo (BCC) y tienen un radio de 0,112 nm,

a) Calcular el índice de coordinación y el número de átomos de cada celdilla

El Índice de coordinación es el número de átomos tangentes al átomo central: Resultadoi =8

El número de átomos de una celda unitaria es el número de átomos completos que le pertenecen, contando en cada átomo sólo la parte o fracción que le corresponde.

2

8

1

8

1

+

×

=

=

n

Resultado = 2

b) Calcular el volumen que ocupan los átomos de la celdilla unitaria

Hay que calcular el volumen que ocupa un átomo y luego multiplicarlo por 2 (nº de átomos que hay en la celda unitaria

nm

R

V

0

,

006

3

112

,

0

.

4

3

4

3 3

=

Õ

×

=

Õ

×

=

Resultado V = 2 . 0,006 = 0,012 nm c) Calcular la constante de la red cristalina.

Constante reticular

a

R

0

,

26

nm

3

112

,

0

4

3

4

=

×

=

×

=

d) Calcular el volumen de la celdilla unitaria y el factor de empaquetamiento.

El volumen de un cubo será su lado o arista al cubo

Volumen de la celdaunitaria = a3 = (0,26)3= 0,017 nm

El Factor de empaquetamiento atómico (FEA), es la fracción de volumen en una celda unidad que está ocupada por átomos.

FEA = (2 . 0,006) / 0,017 = 0,706 = 70,6 %

1 átomo situado en el centro del cubo

8 átomos situados en cada vértice

Ejercicio PAU Junio 2011/2012, tema 1

a) Razone cómo es la conductividad de los materiales formados por enlaces covalentes.

La formación de moléculas entre elementos con enlaces covalente se basan en la compartición de electrones entre ellos. En esta situación los elementos son muy estables y poco reactivos, por lo que son poco propensos a ceder electrones y la

conductividad de dichos materiales será baja.

b) Razone cómo es la fragilidad de los materiales formados por enlaces iónicos. La fragilidad mide la resistencia de los materiales a los golpes sin romperse ni fracturarse.

La formación de compuestos por enlaces iónicos se basan en la cesión de electrones de un elemento a otro que los capta, ambos se ionizan y se mantienen unidos entre ellos. Ante un esfuerzo que deslice los electrones de la situación de equilibrio se pueden producir fracturas incluso roturas del material, por lo que su

fragilidad será alta.

c) Razone cómo es la resistencia mecánica de los materiales formados por enlaces metálicos.

Los elementos metálicos forman estructuras cristalinas cediendo electrones a la red, alcanzando una posición de equilibrio respecto a otros átomos. Ante un esfuerzo mecánico la red puede sufrir deformaciones de las que puede recuperarse siempre que no excedan ciertos límites (elasticidad), por lo que serán materiales resistentes.

d) Justifique qué tipo de enlace presentan los materiales: ClNa, NH3.

ClNa: enlace iónico ya que son de muy diferente electronegatividad y el Na (valencia =1) cede su electrón al Cl (valencia =7), que así llega a los 8 electrones obteniendo una estructura estable. El Na también logra la estabilidad.

NH3.: enlace covalente. El átomo de nitrógeno tiene cinco electrones en su última

capa. Para completarla necesita tres electrones más. Por esta razón se une y atrae átomos de hidrógeno, cada uno de los cuales aporta su único electrón. El resultado es que se forma una molécula de amoníaco en la que hay tres enlaces covalentes nitrógeno-hidrógeno.

N

H

1

TEMA 2: PROPIEDADES DE LOS MATERIALES. ENSAYOS DE

MEDIDA

Propiedades de los materiales

Propiedades mecánicas

§ Plasticidad es la propiedad mecánica de un material de deformarse permanentemente e irreversiblemente cuando se encuentra sometido a tensiones por encima de su límite elástico.

§ Elasticidad es la propiedad de un material que le hace recuperar su tamaño y forma original después de ser comprimido o estirado por una fuerza externa, al cesar dicha fuerza.

§ Ductilidad es la capacidad de un metal para deformarse ante una fuerza de tracción y ser estirado y convertido en alambre o hilo.,

§ Maleabilidad es la capacidad del metal para deformarse y cambiar de forma cuando se martilla o lamina, para formas hojas delgadas

§ Dureza es la oposición que ofrece un cuerpo a dejarse rayar o penetrar por otro.

§ Resiliencia es la resistencia que opone un cuerpo a los choques o esfuerzos bruscos, sin deformarse ni romperse.

§ Resistencia a la rotura es la oposición que opone un material a romperse ante la acción continuada de diferentes esfuerzos (tracción, compresión, flexión, torsión y cizalladura)

§ Tenacidad es la propiedad que tienen ciertos materiales de absorber y soportar, sin romperse, los esfuerzos bruscos que se les apliquen.

§ Fragilidad es la facilidad de los materiales a romperse cuando una fuerza impacta sobre ellos.

§ Fatiga consiste en el desgaste y posterior ruptura de un objeto que , soporta cargas repetitivas, aun cuando estas cargas están por debajo de su tensión de rotura

§ Maquinabilidad es la facilidad que ofrecen los materiales a ser mecanizados.

§ Acritud es la propiedad que adquiere un metal que tras someterlo a deformaciones en frío, aumenta de dureza, fragilidad y resistencia a la tracción.

Propiedades térmicas

§ Conductor: es la capacidad de conducción de calor. En otras palabras la conductividad térmica es también la capacidad de una sustancia de transferir el movimiento cinético de sus moléculas a sus propias moléculas adyacentes o a otras substancias con las que está en contacto.

§ Aislante;material que ofrecen una resistencia alta a la transferencia de calor

Propiedades eléctricas

§ Conductor: material que dejan traspasar a través de ellos la electricidad.

§ Aislantes:son los que no permiten el paso de la corriente eléctrica, ejemplo: madera, plástico, etc.

Ensayos de medida

Ensayos de tracción: consiste en someter a una probeta normalizada a un esfuerzo de tracción creciente hasta que se produce la rotura de la probeta. Se cuantifica la tensión aplicada y la deformación producida.

Conceptos básicos

§ Tensión: es la fuerza capaz de soportar un cuerpo por unidad de superficie

2

§ Deformación: es el a alargamiento de una varilla debido a la aplicación de una fuerza

Diagrama de tracción

Con una máquina de tracción (mecánica o hidráulica) se somete a una muestra o probeta a una tensión de tracción creciente hasta romperla. La máquina cuantifica la tensión aplicada y la deformación producida.

Al analizar los datos se diferencian diferentes zonas:

Zona elástica OE: cuando los esfuerzos

cesan, el material recupera su estado inicial.

- Zona proporcional OP: las deformaciones son proporcionales a

los esfuerzos que los producen. En esta zona se cumple la ley de HooKe y podemos calcular el módulo de elasticidad o módulo de Young:

- Zona no proporcional PE: las deformaciones no son

permanentes, pero no hay relación entre los esfuerzos y las deformaciones

Zona plástica ES: cuando cesa la fuerza, la deformación permanece.

- Zona límite de rotura ER: el material sufre grandes

deformaciones hasta llegar a la rotura R; en ese punto el material se considera roto aunque no se haya producido la fractura visual.

- Zona de rotura RS: el material sigue alargándose hasta llegar a

la rotura física

Diagrama del acero

En el acero (y en otros materiales) existe una zona llamada de fluencia, donde se da un alargamiento muy rápido sin que varíe la tensión aplicada. Este fenómeno se da justo después del límite elástico

(N/m2 ó kp/ cm2 ó kp/ mm2) F

L0

Lf

∆_L

Zona elástica

Zona plástica Zona

elástico-plástica

P E

R

S F

σ

ε

F

Zona

elástica Zona plástica

σ

_R

σ

_S

σ

_E

σ

_P

σ

_(Tensión)

(TDD(TENS

3

· Tensión máxima de trabajo: la normativa establece un límite de carga al que debemos someter una pieza, para que el material trabaje en condiciones de seguridad. Por eso debe cumplirse:

- El material no debe sufrir deformaciones plásticas

- El material debe trabajar en la zona elástica de proporcionalidad, cumpliendo la ley de Hooke

- Se debe contar con un margen de seguridad, por posible aparición de fuerzas imprevistas.

La tensión máxima de trabajo se calcula en función de la tensión de rotura o de la tensión de fluencia:

n=coeficiente de seguridad (suele estar entre 1,5 y 6)

Ensayos de dureza.

§ Ensayo Brinell (HB): presiona el material a medir

con una bola de acero templado de diámetro D, con una fuerza F (Kp) y durante un tiempo determinado.

Se utiliza para medir la dureza de materiales de poca dureza o dureza intermedia y de espesores no muy pequeños

.Se calcula la dureza en función del diámetro de la huella d Y aplicando la siguiente fórmula:.

! = "

#

$

HB = dureza Brinell (Kp/mm2) F = fuerza aplicada (Kp)

S = superficie del casquete de la huella (mm) = π D f D = diámetro de la bola (mm)

d = diámetro de la huella (mm) f= profundidad de la huella (mm)

! = "

#

$

= "

2"#

%"&"'& (")&

*

_("+

*

_,

La normativa establece que las cargas F deben cumplir F = K D2, siendo K una constante de proporcionalidad

§ Ensayo Vickers (HV): presiona el material con una

pirámide de diamante de base cuadrada cuyas caras forman un ángulo de 136º.

Se utiliza para materriales muy duros y piezas muy delgadas

Calcula la dureza en función de la diagonal d de la huella.

- = "

#

$

"

f t

4

HV = dureza Vickers (Kp/mm2) F = fuerza aplicada (Kp)

S = superficie lateral de la huella (mm) = 4 b.h /2 d = diágonal de la huella (mm)

! = "

#

$

= "

2"#"%&'68º

(

)

Ensayos de resiliencia: se utiliza la máquina Péndulo de Charpy, que mide la energía absorbida tras la ruptura de un material por un solo golpe.

Consiste en romper una probeta del material a ensayar golpeándola con un péndulo o martillo. Para facilitar el inicio de la fisura, se realiza una hendidura o entalladura en la probeta.

El péndulo, de masa m, se encuentra a una altura inicial hi, por lo que tiene una

determinada energía potencial antes de iniciar el ensayo Epi.

Cuando se inicia el ensayo, se libera el péndulo que, tras golpear la probeta y romperla, continua con su giro, alcanzando una altura final hf, por lo que tendrá una

nueva energía potencial Epf.

La energía que ha absorbido la probeta durante su rotura será la diferencia de energías potenciales inicial y final.

F

d

l

136º

l

h

PARTE QUE PENETRA

5

· PAU Septiembre 2011/2012

A la vista de la siguiente gráfica tensión-deformación obtenida en un ensayo de tracción:

a) Explique qué representan los puntos R y P. b) Determine el Módulo de Elasticidad de Young.

c) Calcule el valor de la tensión máxima de trabajo si el coeficiente de seguridad es de 2, aplicado sobre el límite de elasticidad proporcional.

d) Determine la carga máxima de trabajo si la sección de la probeta es de 140 mm2

· PAU Septiembre 2009/2010

Una probeta de sección circular de 2 cm de diámetro y 10 cm de longitud se deforma elásticamente a tracción hasta que se alcanza una fuerza de 10.000 N, con un alargamiento en ese momento de 0,1 mm. Si se aumenta la fuerza en la probeta empiezan las deformaciones plásticas hasta alcanzar una fuerza de 15.000 N. Se pide:

a) Tensión de rotura. b) Tensión límite elástica. c) Módulo de elasticidad.

d) Dibuje el diagrama tensión-deformación (s-e) del comportamiento elástico del material.

· PAU Septiembre 2009/2010

a) Dado el diagrama característico de tracción del acero de la figura indique las zonas o puntos característicos.

b) Enuncie la ley de comportamiento elástico y diga en qué parte del diagrama es válida dicha ley

6

· PAU Junio 2009/2010

Defina brevemente las siguientes propiedades que presentan los compuestos metálicos:

a) Elasticidad b) Tenacidad c) Maleabilidad d) Dureza

· PAU Junio 2009/2010

a) Se dispone de una varilla metálica de 1 m de longitud y una sección de 17,14 mm2 a la que se somete a una carga de 200 N experimentando un alargamiento de 3 mm ¿Cuánto valdrá el módulo de elasticidad del material de la varilla?

b) ¿Con qué fuerza habrá que traccionar un alambre de latón de 0,8 mm de diámetro y 1,1 m de longitud para que se alargue hasta alcanzar 1,102 m, siendo E = 90.000 N/mm2?

· PAU Junio 2008/2009

Si a una pieza con una constante de proporcionalidad k = 20 kp/mm2 se le somete a un ensayo de dureza Brinell, con un diámetro de la bola de 8 mm, se produce una huella con un diámetro de 3 mm. Calcule:

a) La carga aplicada

b) El área del casquete esférico que se produce. c) El grado de dureza Brinell.

· PAU Septiembre 2007/2008

a) Describa los ensayos más adecuados para determinar la dureza de un material

b) Una pieza es sometida a un ensayo de dureza por el método Vickers. Sabiendo que la carga empleada es de 200 N y que se obtiene una huella cuya diagonal es igual a 0,260 mm, calcule la dureza Vickers de la pieza. Datos: 1 kp = 9,8 N

· PAU Septiembre 2007/2008

Se somete una probeta de sección cuadrada de 3 cm de lado y 25 cm de longitud a un ensayo de tracción de 10.000 N, alcanzándose un alargamiento de 4,6·10-3 cm. La tensión de rotura del material es de 11.500 N/cm2. Si el material muestra un comportamiento elástico, determine:

a) La tensión y la deformación unitaria en el momento de aplicar la fuerza b) El módulo de elasticidad del material

c) La fuerza que debe aplicarse para que la deformación unitaria sea de 1·10-4 d) El coeficiente de seguridad para la carga aplicada

· PAU Septiembre 2003/2004

Tras someter a una pieza a ensayo Vickers con una carga de 20 Kp se obtiene una huella en la que cada uno de los triángulos que la componen tienen una altura h = o,2 mm y una base b= 0,37 mm.

a) Indique la forma de la huella

b) Calcule la superficie lateral de la huella c) Determine la dureza Vickers de la pieza

d) ¿Qué ventajas representa este ensayo respecto al Brinell?

· PAU Junio 2003/2004

a) Defina la resiliencia e indique y explique como se realiza un ensayo característico paa medirla

EJERCICIOS TEMA 2: PROPIEDADES DE LOS

MATERIALES. ENSAYOS DE MEDIDA

Ejercicio PAU Septiembre 2011/2012

a) Los puntos R y P representan:

· Punto R = el punto de rotura del material, en ese punto y con una tensión de 450 MPa el material está roto internamente aunque no se haya producido la rotura visual

· Punto P = el punto elástico, hasta ese punto y con una tensión de 300 MPa el material se deforma elásticamente de modo proporcional, a partir de ese punto las deformaciones no son proporcionales a las tensiones aplicadas y posteriormente la deformación será plástica.

b) El módulo de elasticidad o módulo de Young se halla en cualquier punto de la zona OP (zona elástica proporcional)

E=

s/ e =

300 MPa / 0,15 . 10

-2

=

200.000 MPa

c) El valor de la tensión máxima de trabajo con un coeficiente de seguridad de n = 2, se calcula

d) La sección S de la probeta es de 140 mm2. Aplicamos la fórmula

s =

F /s

teniendo en cuenta la tensión de trabajo calculada en el apartado anterior y despejamos la fuerza:

Hay que pasar la deformaciónde tanto por ciento a tantopor uno

F =

s

_t

. s

=

150 . 140 . 10-6 = 0,021 N

Ejercicio PAU Septiembre 2009/2010

Una probeta de sección circular de 2 cm de diámetro y 10 cm de longitud se deforma elásticamente atracción hasta que se alcanza una fuerza de 10.000 N, con un alargamiento en ese momento de 0,1 mm. Sise aumenta la fuerza en la probeta empiezan las deformaciones plásticas hasta alcanzar una fuerza de 15.000 N.

DATOS:

∅

= diámetro= 2 cm

l

_o= longitud inicial= 10 cm Fe= fuerza en el límite elástico = 10000 N

∆

_l

=alargamiento= 0,1 mm = 0,01cm FR= fuerza de rotura = 15000 N

a) Tensión de rotura

s

R

S = π r

2

= π 1

2

_{= 3,14 cm}

2

s

R

=

!"

#

=

$%&&&

',$(

=

)**), + -/.0

1

b) Tensión en el límite elástico

s

e

s

e

=

!2

#

=

$&&&&

',$(

=

3453, 4 -/.0

1

c) Módulo de elasticidad E

6 =

78

9

8

₉

=

:,:;

;:

= :,::;

E

=

<2 >

=

'$?',$

&,&&$

=

34534@@

-/.0

1

d) Diagrama

A

_B

C 6

en la zona elástica

Hay que pasar la sección de mm2 a m2

e(

en tanto por uno)

1000 2000 3000

0,001 0,002

Ejercicio PAU Junio 2009/2010

a) Se dispone de una varilla metálica de 1 m de longitud y una sección de 17,14 mm2 a la que se somete auna carga de 200 N experimentando un alargamiento de 3 mm ¿Cuánto valdrá el módulo de elasticidaddel material de la varilla? DATOS: S= 17,14 mm2

lo

= longitud inicial= 1 m = 1000 mm

∆

l

=alargamiento= 3 mm

Ft= fuerza de trabajo = 200 N

s

t

=

!"

#

=

$%%

&',&(

= 11,67 N/mm

$

) =

*+

-+

_-

=

3

1000

= 0,003

E

=

.2

4

=

&&,5'

%,%%8

=

9::;, <

>/??

@

b) ¿Con qué fuerza habrá que traccionar un alambre de latón de 0,8 mm de diámetro y 1,1 m de longitud para que se alargue hasta alcanzar 1,102 m, siendo E = 90.000 N/mm2?

DATOS: ϕ= 0,8 mm

lo

= longitud inicial= 1,1 m

l

f =longitud final= 1,102 m E = 90.000 N/mm2

) =

*+

-+

_-

=

1,10A B 1,1

1,1

= 0,001C

E

=

!

"

90000 =

!

#,##$% &

= 163,6

N/mm 2

s

=

'

(

163,6 =

'

) #,*+

F = 82,2 N

Ejercicio PAU Junio 2008/2009

Si a una pieza con una constante de proporcionalidad k = 20 kp/mm2 se le somete a unensayo de dureza Brinell, con un diámetro de la bola de 8 mm, se produce una huellacon un diámetro de 3 mm.

DATOS: k = 20 kp/mm2 D = 8 mm d= 3 mm a) La carga aplicada

F = K D2 = 20 . 82 =

1280 Kp

b) El área del casquete esférico que se produce.

S = superficie del casquete de la huella (mm) = π D f ₌ !"!#"$!%"

&_$!'&₍

)

=

*!+!#+$!%+&_$!,&₍

)

=

7,34 mm

c) El grado de dureza Brinell.

!

=

!

"

=

#$%&

',()

= 174,4 Kp / mm

2

Ejercicio PAU Septiembre 2007/2008

a) Describa los ensayos más adecuados para determinar la dureza de un material § Ensayo Brinell (HB): presiona el material a medir con una bola de acero templado de diámetro D, con una fuerza F (Kp) y durante un tiempo determinado.

Se utiliza para medir la dureza de materiales de poca dureza o dureza intermedia y de espesores no muy pequeños

Se calcula la dureza en función del diámetro de la huella d Y aplicando la siguiente fórmula:.

*+ =

-.

=

2

-/

0

10 3

40

$

₃

₅

$

₆

§ Ensayo Vickers (HV): presiona el material con una pirámide de diamante de base cuadrada cuyas caras forman un ángulo de 136º.

Se utiliza para materiales muy duros y piezas muy delgadas Calcula la dureza en función de la diagonal d de la huella.

*7 =

-.

=

2

-

89:;<º

5

$

b) Una pieza es sometida a un ensayo de dureza por el método Vickers. Sabiendo que la carga empleada es de 200 N y que se obtiene una huella cuya diagonal es igual a 0,260 mm, calcule la dureza Vickers de la pieza. Datos: 1 kp = 9,8 N

F = 200 / 9,8 = 20,4 Kp

*7 =

! "

=

$ ! >?@A%º

BC

=

$ $&,)>?@A%º

&,$AC

=

559,6

Kp / mm

1

TEMA 3: ALEACIONES Fe-C, PROPIEDADES Y CLASIFICACIÓN

1.- Estados alotrópicos del Hierro (Fe)

Según las condiciones de temperatura, el hierro puede presentar diferentes estados, con mayor o menor capacidad para disolver el carbono.

Hierro α: cristaliza hasta una temperatura de 768 ºC en la red CCB. No disuelve prácticamente al carbono. Es magnético.

Hierro β: cristaliza entre 768 ºC- 910 ºC en la red CCB. No es magnético. Tiene mayor volumen (mayor distancia entre átomos).

Hierro γ: cristaliza entre 910 ºC- 1400 ºC en la red CCF. Disuelve más carbono (hasta un 2, 11 %). Es no magnético

Hierro δ:cristaliza entre 1400 ºC- 1539 ºC en la red CCB. Es magnético. Muy parecido al hierro α. Poca aplicación

2.- Formas de encontrar el carbono en las aleaciones férreas

Disuelto o combinado:

Formando soluciones sólidas de inserción con el hierro α

(

ferrita =

Fe α

- C).

La ferrita disuelve muy poca cantidad de carbono. Laestructura cristalinaseráCCB Formando soluciones sólidas de inserción con el hierro γ (austenita =

Fe γ

- C).

Laestructura cristalinaseráCCF

En forma de carburo de hierro (

Fe

₃

C

= cementita). La cementita tiene un 6,67% en peso de carbono (la mayor proporción de carbono que puede solubilizarse con el hierro), y es un compuesto de inserción. La estructura cristalinaque se forma es del tipo ortorrómbica con 12 átomos de hierro y 4 átomos de carbono por celda.

Libre: formando nódulos o láminas de grafito, cuando el porcentaje de carbono es superior al 6,67%.

El grafito es una de las formas alotrópicas en las que se puede presentar el carbono (como el diamante y el grafeno). Los átomos se colocan en capas superpuestas formando hexágonos regulares.

Es de color negro con brillo metálico, se exfolia con facilidad, es conductor y muy blando .

3.- Diagrama Fe-C

Los aceros son aleaciones Fe-C, donde el carbono está en proporciones del 0,03 – 2,11 %. Son forjables.

Las fundiciones son aleaciones Fe-C, donde el carbono está en proporciones del 2,11 – 6,67%. Son no forjables.

2

Constituyentes de las aleaciones FE-C

Ferrita

(α)

: prácticamente

Fe α,

tiene muy poca solubilidad ya que apenas disuelve carbono (máxima solubilidad es 0,02 % C). Cristaliza en la red CCB. Es el más blando y dúctil constituyente de los aceros. Es magnético. Se emplea en la fabricación de imanes permanentes, en núcleos de inductancias y transformadores. .

Cementita: Fe3C, tiene un 6;67% de carbono. La estructura cristalina es muy compleja, es del tipo ortorrómbica con 12 átomos de hierro y 4 átomos de carbono por celda.

Es el más duro y frágil constituyente de los aceros. Tiene muy poca resiliencia y no es posible utilizarla para operaciones de laminado o forja Es magnético hasta los 210ºC.

La cementita se llama primaria cuando se forma desde la fase líquida y secundaria si procede de austenita durante el enfriamiento lento. Y terciaria si se desprende de la ferrita al enfriarse por debajo de 910 ºC.

Perlita:

α +

Fe

3

C,

es la mezcla eutectoide de ferrita y cementita (86,5% de ferrita y 13,5%

de cementita). Tiene propiedades intermedias.

A 723ºC la solución sólida austenita origina en el enfriamiento dos nuevas fases sólidas (a esto se le llama reacción eutectoide)

Austenita

γ

Ferrita

α

+ cementita

Fe

3

C

86,5% 13,5% perlita

Austenita

(γ)

: solución sólida de inserción de carbono en Fe γ, con un máximo porcentaje de carbono de 2,11%. Cristaliza en la red CCF Se forma con temperaturas

superiores a 723ºC. Es blando, ductil, resistente, tenaz, no magnético y muy denso.

La austenita no es estable a temperatura ambiente. Es blanda y dúctil y, en general, la mayoría de las operaciones de forja y laminado de aceros se efectúa a aproximadamente los 1100 ºC, cuando la fase austenítica es estable.

Ledeburita:

γ +

Fe

3

C,

es la mezcla eutectica de austenita y cementita (52% de austenita y

48% de cementita). Se da con un porcentaje de carbono del 4,3 %. Es un constituyente de las fundiciones.

A 1130 ºC la aleación líquida, solidifica formando un sólido con dos fases (reacción eutéctica)

Líquido

Austenita

γ

+ cementita

Fe

3

C

48 % 52% ledeburita

Es estable hasta los 723ºC, descomponiéndose a partir de esta temperatura en ferrita y cementita

Bobinado de ferrita para uso como transformador de corriente eléctrica C

3

Martensita: Se obtiene por enfriamiento rápido de la austenita. A velocidades de enfriamiento bajas o moderadas, los átomos de C pueden difundirse hacia afuera de la estructura austenítica. De este modo, los átomos de Fe se mueven ligeramente y se da una transformación de Fe γ en Fe

α. Es una solución sólida sobresaturada de carbono en Fe α.

Es el constituyente principal de los aceros templados. Tras la cementita, es el constituyente más duro de los aceros.

La martensita se presenta en forma de agujas y cristaliza en la red tetragonal

Diagrama FE-C

Los cambios de estado del hierro y el acero se verifican cuando los cambios de temperatura son lentos, según se representa en el diagrama hierro-carbono.

- En la zona L hay una sola fase, líquida y homogénea.

- En la zona L+γ hay dos fases, una de líquido y otra sólida austenita. - En la zona γ, hay una fase sólida formada por austenita.

- En la zona α, hay una fase sólida formada por ferrita.

- En la zona L+Fe3C hay dos fases, una de líquido y otra de sólido cementita.

- En la zona γ+ Fe3C hay un sólido formado por dos fases austenita y cementita.

- En la zona α+ Fe3C hay un sólido formado por dos fases ferrita y cementita. Fundiciones

Hipoeutéctico Hipereutéctico Hipo-

eutectoides Hipereutectoides

Aceros

L

γ + Fe

3

C

Ledeburita

γ

+

Fe

3

C

γ+α

α

α

+

Fe

3

C

Perlita

α

+

Fe

3

C

1539

1130

910

723

500

% C

L+ Fe

3

C

L+ γ

γ

0,89 2,1 4,3 6,67

1 2 3 4 5 6 7 700

900 1100 1300 1500

300

L = líquido γ = austenita Fe3C = cementita α = ferrita

Línea de liquidus

Línea de solidus

a

b

c

4

Fundiciones

Hipoeutéctico Hipereutéctico Hipo-

eutectoides Hipereutectoides

Aceros Liquido Fe-C austenita + ferrita´ ferrita

Tª (ºC)

1130 723

% C

Líquido + cementita Líquido +

austenita austenita

0,89 4,3 6,67 723

910 1539

cementita + ledeburita austenita + ledeburita

Ledeburita

austenita +

cementita ferrita´+ perlita Perlita cementita + perlita

cementita + perlita cementita + perlita Línea de liquidus

Línea de solidus

Si dibujamos el diagrama hierro-carbono con todos sus constituyentes, queda de la siguiente forma:

Dependiendo de la zona la austenita y la cementita pueden ser primarias (proeutécticas) o secundarias (eutécticas)

- En los aceros hipoeutéctoides (<0,89%C) existen varias zonas según vamos bajando la temperatura

· Fase líquida

· 2 fases: Líquido y sólido austenita · Fase sólida austenita

· 2 Fases sólidas donde el hierro γ se transforma progresivamente en hierro α · A 723ºC toda la austenita se transforma en perlita y cementita

· 2 Fases sólidas de ferrita primaria y perlita

- En los aceros eutéctoides (0,89%C) existen varias zonas según vamos bajando la temperatura

· Fase líquida

· 2 fases: Líquido y sólido austenita · Fase sólida austenita

· A 723ºC toda la austenita se transforma en perlita

- En los aceros hipereutéctoides (0,89% - 2,11%C) existen varias zonas según vamos bajando la temperatura

· Fase líquida

· 2 fases: Líquido y sólido austenita · Fase sólida austenita

· 2 Fases sólidas austenita y cementita

· A 723ºC toda la austenita se transforma en perlita · 2 Fases sólidas de perlita y cementita

- En las fundiciones hipoeutécticas (2,11% - 4,3%C) existen varias zonas según vamos bajando la temperatura

· Fase líquida

· 2 fases: Líquido y sólido austenita

5

- En las fundiciones eutécticas (4,3%C) existen varias zonas según vamos bajando la temperatura

· Fase líquida

· A 1130ºC se produce la transformación de la fase líquida en ledeburita. · A 723ºC toda la austenita eutéctica se transforma en perlita

- En las fundiciones hipereutécticas (>4,3%C)existen varias zonas según vamos bajando la temperatura

· Fase líquida

· 2 fases: Líquido y sólido cementita

· 2 Fases sólidas ledeburita y cementita primaria

· A 723ºC toda la austenita eutéctica se transforma en perlita · 2 Fases sólidas de perlita y cementita

Para calcular la composición de cada una de las fases se emplea la regla de la horizontal. Y para calcular la cantidad de cada fase se emplea la regla de la palanca.

4.- Propiedades de los aceros

Al disminuir el %C: dúctiles, maleables, tenaces, soldables

Al aumentar el %C: resistentes, duros, frágiles. Son oxidables y corroibles.

Densidad = 7,6 –7,8 g/cm3

5.- Clasificación de los aceros

En función del porcentaje de C:

Aceros hipoeutectoides: del 0,03 – 0,89 %.C

Aceros eutectoides: 0,89 %.C

Aceros hipereutectoides: del 0,89 – 2,1 %.C

En función de su constitución externa:

Aceros perlíticos: constituidos después del enfriamiento por perlita y ferrita, o perlita y cementita, dependiendo si el porcentaje de C es mayor o menos del eutectoide.

Aceros martensíticos

:

formados en su mayor parte por martensita. En realidad son aceros

perlíticos, cuya velocidad de temple es muy lenta.

Aceros austeníticos

:

constituidos por austerita. Se reconocen porque no son magnéticos.

Aceros ferríticos

:

formados por ferrita. Son aceros de bajo contenido en C.

En función de su composición:

Aceros al C:aleación de Fe – C y bajo porcentaje de otros elementos (según las normas).

Aceros aleados

:

aleación de Fe – C e impurezas. Además llevan de forma voluntaria otros

elementos que modifican sus propiedades.

·

Aceros inoxidables: Cr, Ni. Acero galvanizado: Zn

·

Aceros de corte (muy duros): Wf

·

Aceros de alta dureza: Mo, Cr, Co

6

6.- Propiedades de las fundiciones

Son aleaciones férricas con un porcentaje de C mayor del 2,11%. No son forjables. Funden a temperatura inferior a los aceros por lo que se moldean con facilidad.

No son dúctiles, no maleables, sueldan con dificultad. Menor densidad = 7,2 – 7,68 g/cm3

Tienen tendencia a la formación de

grafito

(carbono libre formando láminas o nódulos).

7.- Clasificación de las fundiciones

En función del porcentaje de C:

Fundiciones hipoeutéctica: del 2,11 – 4,3 %.C

Fundiciones oeutécticas : 4,3 %.C

Fundiciones hipereutéctica del 4,3 – 6,67 %.C

En función de su constitución

Fundición gris: 2,5 – 4 % C

El grafito aparece en forma de escamas o láminas dentro de la ferrita o perlita.

Son frágiles y poco resistentes a la tracción, pero resistentes a compresión. Amortiguan muy bien las vibraciones. Alta resistencia al desgaste.

Se utiliza en bloque de motores, tambores de freno, cilindros y pistones de motores.

Fundición esferoidal:

Son fundiciones grises adicionando en estado líquido pequeñas cantidades de magnesio y/o cesio. El grafito aparece de forma esferoidal.

Son más resistentes y dúctiles que las grises. Tienen propiedades mecánicas similares al acero. Se suele utilizar para la fabricación de válvulas y engranajes de alta resistencia, cigüeñales y pistones

Fundición blanca y maleable:

Se parte de fundiciones bajas en C y con un porcentaje menor del 1% de Si, se aumenta la velocidad de enfriamiento. Se logra que la mayoría del carbono esté como cementita y no como grafito.

7

Ejercicios:

· PAU

A la vista del diagrama de equilibrio de fases simplificado de la aleación hierro – carbono: a) Señale los nombres en cada una de las zonas A, B (eutectoide), C, D.

b) Indique qué parte del diagrama corresponde a los aceros y qué parte a las fundiciones.

c) Determine la proporción de cada uno de los constituyentes de una aleación con un

4,3% de carbono a 900 ºC.

d) Porcentaje máximo de solubilidad de C en Feg (austenita) y temperatura a la que existe esa máxima solubilidad.

e) Temperaturas de solidificación del hierro puro y de la ledeburita (eutéctico)

f) Porcentaje de fases (ferrita-cementita) que componen el eutectoide (perlita). Indique la temperatura a la que se forma el eutectoide.

g) Porcentaje de hierro y de carbono del compuesto eutectico

h) Cuáles son los constituyentes en los que se transforma el eutéctico al solidificar y cuál es su proporción

i) Que transformación se produce cuando la temperatura desciende por debajo de 700ºC

· PAU Junio 2009/2010

1

TEMA 3: DIAGRAMAS DE EQUILIBRIO

1.- Aleaciones

Características

Los metales puros tienen poca aplicación en la industria. La mayoría de ellos se combinan con otros metales o no metales para mejorar sus propiedades (mayor dureza, resistencia mecánica, resistencia a la corrosión, etc.)

Se denomina aleación metálica a la mezcla de dos o más elementos químicos, uno de los cuales tiene carácter metálico, que en estado sólido tiene propiedades metálicas.

Los elementos de una aleación deben ser totalmente miscibles en estado líquido, de forma que al solidificarse resulte un producto homogéneo.

Cuando se mezclan metales que cristalizan en la misma red tridimensional, se denomina disolvente al que interviene en mayor proporción y soluto al que lo hace en proporción menos.

Cuando se mezclan metales que cristalizan en distinta red, se llama disolvente al metal cuya estructura cristalina es la misma que la de la aleación, aunque intervenga en menor proporción.

Estructura: soluciones sólidas

Las aleaciones metálicas son soluciones sólidas entre 2 ó más elementos. Dependiendo de la disposición de los átomos del disolvente y del soluto, nos podemos encontrar con dos tipos de soluciones:

Solución solidas de sustitución: son aquellas aleaciones en las que los átomos del elemento disuelto (soluto) sustituyen y ocupan los nudos de los átomos del elemento disolvente en su red cristalina, sin modificarla, siendo ambos casi del mismo tamaño Para que dos átomos A y B sean totalmente solubles en estado sólido, se deben cumplir varias condiciones:

- Ambos metales han de cristalizar en el mismo sistema. - Ambos metales deben tener la misma valencia.

- Ambos metales han de poseer una electronegatividad semejante - Los diámetros atómicos no deben diferir en más de un 15%. Ejemplo: cobre con niquel (Cu-Ni); oro con plata (Au-Ag)

La mayor parte de los metales forman únicamente soluciones sólidas de solubilidad parcial.

2

Los metales que actúan de disolvente suelen ser metales de transición (Fe, Cr, Mn, Co, Ni,…)

Las aleaciones hierro-carbono (acero) se presentan siempre como soluciones sólidas intersticiales, (Ferrita que es hierro α con carbono intersticial y la Austerita, que es hierro γ con carbono intersticial). El radio atómico del hierro es de 0,129 nm y el del carbono es de 0,075 nm.

2.-

Solidificación de las aleaciones

La solidificación de materiales y aleaciones metálicas es un proceso industrial que parte del estado líquido y enfría el material en forma de lingote o en un molde con la forma definitiva. Las propiedades dependen en gran medida de la manera en que se lleva a cabo la solidificación.

El proceso de solidificación de un metal o de una aleación metálica puede dividirse en dos etapas, que se regulan por sus velocidades:

- Velocidad de nucleación: es la velocidad a la que se forman pequeños núcleos estables sólidos en el interior del líquido fundido.

- Velocidad de cristalización: es la velocidad a la cual los núcleos estables crecen hasta dar lugar a la estructura cristalina.

Según este proceso se obtiene la curva de enfriamiento de un material, en función de la temperatura y el tiempo.

Curva de enfriamiento de un metal y de una aleación

1 = Inicio del proceso de solidificación 2 = Fin del proceso de solidificación

Los metales puros tienen una sóla temperatura de solidificación, mientras que las aleaciones tienen un intervalo de solidificación (excepto la aleación eutéctica, que veremos más adelante)..

3.- Diagrama de equilibrio en aleaciones

Se llaman diagramas de equilibrio o diagrama de fases. Representan la relación entre la estructura, la composición, el número de fases y las transformaciones desde el estado líquido al estado sólido.

Fase: es cada una de las partes o masa homogénea de que se compone un sistema y se diferencia físicamente del resto (ej: fase sólida, líquida y gaseosa). Dentro de un sólido pueden existir varias fases

Líquido

Sólido

T solidificación

METAL PURO

Temperatura

tiempo

Líquido

Sólido

T inicio solidificación

ALEACIÓN

tiempo T fin

solidificación

Intervalo solidificación

Líquido

Sólido

T solidificación

ALEACIÓN EUTÉCTICA

Temperatura

tiempo Temperatura

1 2

1

2 1

3

Componente: son cada una de las sustancias o elementos químicos que forman un material. (ej: el Fe (hierro) y el Fe3C (cementita)son constituyentes del acero) Los diagramas de equilibrio nos permiten saber qué fases se encuentran presentes para cada composición de una aleación y a qué temperatura. También permiten saber las temperaturas de inicio y fin del proceso de solidificación; las temperaturas en que se produce un cambio de fases y la solubilidad que tienen los componentes en estado sólido y líquido.

En todos los diagramas vamos a analizar tres datos:

Numero de fases

Composición de cada fase (mediante la regla de la horizontal),

Cantidad o proporción de cada fase (mediante la regla de la palanca o de los segmentos inversos),

Representación de diagramas de equilibrio de la aleación A-B:

Para dibujar un diagrama hay que seguir los siguientes pasos:

- Se dibujan las curvas de enfriamiento de los metales puros A y B, indicando el punto de fusión o solidificación.

- Se dibujan las curvas de enfriamiento de aleaciones A-B de diferentes composiciones, marcando las temperaturas de inicio y fin de la solidificación - Con las curvas anteriores se dibuja la gráfica temperatura-concentración. Para

ello se unen todos los puntos de inicio del proceso de solidificación, obteniendo una línea por encima de la cual todo es líquido (línea de liquidus). Y se unen todos los puntos del fin del proceso de solidificación, obteniendo una línea por debajo de la cual todo es sólido (línea de solidus). La zona comprendida entre ambas líneas está formada por una mezcla de aleación en estado líquido y estado sólido.

DIAGRAMA DE EQUILIBRIO EN ALEACIONES TOTALMENTE SOLUBLES EN ESTADO LÍQUIDO Y ESTADO SÓLIDO

Se toman diferentes aleaciones A-B, se funden y se dejan enfriar lentamente.

Se dibujan sus gráficas de enfriamiento.

T1 = temperatura de inicio de solidificación (comienza la formación de cristales) T2 = temperatura de fin de solidificación (formación del último cristal

Se dibuja la gráfica Temperatura- concentración. En estas aleaciones existe una solubilidad en estado sólido por lo que los átomos se mezclan en el interior del grano cristalino, es decir, dentro de los granos hay metal A y B. Todos los granos son similares. 1100 1200 1300 1400 1500 1600 Tª t T1 T1 T1 T1 T1 T2 T2 T2

=T2

=T2

0%B 100%A

25%B

75%A 50%B 50%A 75%B 25%A 100%B 0%A Tª %B T1 T1 T1 T1 T1 T2 T2 T2

=T2

=T2

0%B 100%A 25%B 75%A 50%B 50%A 75%B 25%A 100%B 0%A 1200 1300 1500 1600 1100 1400 LÏQUIDO L

SÓLIDO s L + s

Línea de liquidus

4

El diagrama se divide en tres zonas. En la zona L hay una sola fase, líquida y homogénea. En la zona L+α hay dos fases, una de líquido y otra de cristales de aleación sólida α (AB mezclados). En la zona α hay una fase sólida formada por la mezcla AB.

Vamos a analizar el diagrama fijándonos en los siguientes puntos:

Ejemplo: Aleación 75% A y 25% B:

- En el punto “a”

· Numero de fases = 1 (liquido)

· Composición de cada fase:

Líquido

=75% A - 25 %B

§ Cantidad o proporción de cada fase:

W

líquido

= 100 %

- En el punto “b”

· Numero de fases = 2 (liquido y sólido α)

· Composición de cada fase: se aplica la regla de la horizontal para hallar la composición química del sólido y del líquido (se traza una línea horizontal que pase por el punto “b” y corte a las líneas de fase; el punto de corte con la línea de líquido nos da la composición de la fase líquida y el punto de corte con la línea de sólido nos da la composición de la fase sólida)

Líquido L

= l % B = 75% B y 25% A

Sólido S

= s % B = 10% B y 90% A

· Cantidad o proporción de cada fase: se aplica la regla de la palanca o de los segmentos inversos para hallar la cantidad en tanto por ciento de la fase sólida y de la fase líquida (se traza una línea horizontal que pase por el punto “b” y corte a las líneas de fase; esa línea s-l es el denominador y en el numerador se coloca el segmento inverso desde nuestro punto “b” a la línea de fase)

W

líquido

=

• !

" !

100 (%) =

#$ %&

'$ %&

100 = 23%

W

sólido

=

" •

" !

100 (%) =

'$ #$

'$ %&

100 = 77% - En el punto “c”

§ Numero de fases = 1 (sólido α)

· Composición de cada fase:

Solido

=75% A - 25 %B

§ Cantidad o proporción de cada fase:

W

sólido

= 100 %

Línea de Línea de %B 100 Tª 0

25 50 75

5

DIAGRAMA DE EQUILIBRIO EN ALEACIONES TOTALMENTE SOLUBLES EN ESTADO LÍQUIDO E INSOLUBLES EN ESTADO SÓLIDO

Se dibujan las curvas de enfriamiento en un diagrama Tª –t

Observamos que todas las aleaciones A-B acaban de solidificar a la misma temperatura.

Los metales puros A y B y la aleación eutéctica tienen una sola temperatura de solidificación. El resto de aleaciones tiene un intervalo de solidificación

Se representa el diagrama de fases

El diagrama se divide en cuatro zonas.

- En la zona L hay una sola fase, líquida y homogénea.

- En la zona L+A hay dos fases, una de líquido A-B y otra de cristales de solido A.

- En la zona L+B hay dos fases, una de líquido A-B y otra de cristales de solido B.

- En la zona sólida hay un sólido formado por dos fases A y B, que no se mezclan.

En estas aleaciones existe una insolubilidad entre sus elementos en estado sólido, lo que hace que, al formarse los granos cristalinos, los metales no se mezclan dentro del grano por lo que cada grano es de un metal puro; Es decir, tenemos granos formados por el metal A y granos del metal B (dos fases) mezclados al azar.

A la aleación de punto de fusión más bajo se le llama aleación eutéctica.

Reacción eutéctica: transformación de un líquido a cierta temperatura en dos fases sólidas. Es la aleación de menor temperatura de fusión

1000 1100 1200 1300 1400 1500 Tª t T1 T1 T1 T1 T1 T2

T2 T2

=T2

=T2

0%B 100%A

20%B 80%A

40%B 60%A 60%B _40%A

100%B 0%A

80%B 20%A

=T2

T1 Tª %B T1 T1 T1 T1 T1 T2

T2 T2

=T2

=T2

0

20 60 80

1100 1200 1400 1500 1000 1300 LÏQUIDO L SÓLIDO A+B L +A

Línea de liquidus

40 100

L +B

Aleación eutéctica Aleación hipereutéctica Aleación hipoeutéctica

6

- En las aleaciones hipoeutécticas, comienza la solidificación a la temperatura T1, los cristales que solidifican en la zona L+A son de sólido puro A, mientras que el líquido que queda se va empobreciendo en A.

Al llegar a la temperatura T2 desaparece todo el líquido y la aleación formada contiene cristales de A puro y B puro que no se mezclan (sólido con dos fases A+B) Pero podemos considerar que existe un constituyente A proeutéctico (se formó antes de la temperatura eutéctica)), más una estructura compuesta de A+B (composición eutéctica). Es la zona Ap+(A+B)eu

- En la aleación eutéctica _{sólo hay un punto de solidificación y toda la aleación pasa} de estado líquido a sólido a la temperatura T2. Se forman dos fases A y B, que no se mezclan.

- En las aleaciones hipereutécticas, comienza la solidificación a la temperatura T1, los cristales que solidifican en la zona L+B son de sólido puro B, mientras que el líquido que queda se va empobreciendo en B.

Al llegar a la temperatura T2 desaparece todo el líquido y la aleación formada contiene cristales de de A puro y B puro que no se mezclan (sólido con dos fases A+B) Pero podemos considerar que existe un constituyente B proeutéctico (se formó antes de la temperatura eutéctica)), más una estructura compuesta de A+B (composición eutéctica). Es la zona Bp+(A+B)eu

Para calcular la composición de cada una de las fases se emplea la regla de la horizontal. Y para calcular la cantidad de cada fase se emplea la regla de la palanca.

Ejemplo: Aleación 80% A y 20% B:

- En el punto “a”

· Numero de fases = 1 (liquido)

· Composición de cada fase:

Líquido

=80% A - 20 %B

·

Cantidad o proporción de cada fase:

W

líquido

= 100 %

Tª

%B 0

20 60 80

1100 1200 1400

1500

1000 1300

LÏQUIDO L

A+B L +Ap

Línea de liquidus

Línea de solidus

40 100

L +Bp

Aleación hipereutéctica Aleación

hipoeutéctica

Aleación eutéctica Ap+(A+B)eu Bp+(A+B)eu

a

b

c

Aleación eutéctica

Ap= A proeutéctico

Bp= B proeutéctico

7

- En el punto “b”

· Numero de fases= 2(liquido y sólido A)

· Composición de cada fase: se aplica la regla de la horizontal

Líquido

= l %B = 40% B y 60% A

Sólido A

= s % B = 0% B y 100% A

· Cantidad o proporción de cada fase: se aplica la regla de la palanca o de los segmentos inversos

W

líquido

=

• !

" !

100 (%) =

#$ $

%$ $

100 = 50%

W

sólido

=

" •

" !

100 (%) =

%$ #$

%$ $

100 = 50% - En el punto “c”

· Numero de fases = 2 (solido A y sólido A+B)

· Cantidad o proporción de cada fase:

Primero se calculan las cantidades totales de A y B

W

A

= 80% y

W

B

=

20%

Para conocer las cantidades de cada fase A y fase A+B, se compara la fase A+B con la composición del punto eutéctico.

W

Aeutectico

= 40%

W

Beutectico

= 60%

Comparamos los cristales de B que son todos eutécticos, mediante regla de tres:

Aeutéctico Beutéctico Eutéctico 40 60

Punto c x 20

Resolviendo: x = 13,3%, de modo que el A primario será 80-13,3 = 66,7. Y la cantidad de cada fase es:

W

A proeutéctico

= 66,7% y

W(

A+B) eutéctico

=

13,3 +20 = 33,3%

Línea de

Línea de

Línea de

Línea de Línea de

8

DIAGRAMA DE EQUILIBRIO EN ALEACIONES TOTALMENTE SOLUBLES EN ESTADO LÍQUIDO Y PARCIALMENTE SOLUBLES EN ESTADO SÓLIDO

La mayor parte de los metales de uso industrial presentan alguna solubilidad entre sí al alearse. Por ejemplo: en la aleación Cu-Zn, el cobre no es capaz de solubilizar más de un 30% de Zn

Se representa el diagrama de fases

En estos sistemas los metales son solubles pero en pequeña cantidad (parcialmente solubles, Al solidificar aparecen soluciones sólidas α y β

α= solución sólida de B disuelto en A (mucha cantidad de A y poca de B)

β = solución sólida de A disuelto en B (mucha cantidad de B y poca de A)

A la temperatura eutéctica las fases sólidas que se forman son soluciones α y β. Se observa en el diagrama que ocurren transformaciones en estado sólido. El diagrama se divide en seis zonas:

- En la zona L hay una sola fase, líquida y homogénea.

- En la zona L+α hay dos fases, una de líquido y otra de cristales de aleación sólida α (sólido α con solubilidad parcial)

- En la zona L+β también hay dos fases, una de líquido y otra de cristales de aleación sólida β (sólido β con solubilidad parcial)

- En la zona α, hay una fase sólida formada por cristales de aleación sólida α. - En la zona β, hay una fase sólida formada por cristales de aleación sólida β. - En la zona α+β hay un sólida formado por dos fases α y β, que son

soluciones sólidas con solubilidad parcial.

Tª

%B

0

20 60 80

1000

1200

1600

1800

800

1400

LÏQUIDO L

SÓLIDO α+β

L +

α

Línea de liquidus

Línea de solidus

40 100

L +

β

Aleación eutéctica

Aleación hipereutéctica Aleación

hipoeutéctica

A _B

β

α

α+β