Metalurgia básica

1. Las aleaciones hierro carbono.

1.1. El hierro y sus aleaciones.
El hierro se encuentra presente en la corteza terrestre, en una proporción aproximada del 5,06% y es, por tanto, el metal más abundante, después del aluminio, que representa un 8,07%. Sin embargo, el hierro no se encuentra nunca en la naturaleza en cantidades de interés industrial.
El hierro se encuentra en la naturaleza en forma de óxidos o carbonatos, mezclados con otras substancias que no contienen hierro o lo contienen en muy pequeña cantidad, tales como arcillas, cuarzo, piedra caliza, etc. que constituyen la parte inerte o ganga de los minerales de hierro.

1.1.1. El Hierro puro.
Los procesos siderúrgicos que conducen a la obtención de hierro metálico, a partir de sus minerales, no proporcionan hierro puro, sino unido a cantidades variables de otros elementos tales como el carbono, manganeso, silicio, fósforo, azufre, cobre, etc.
El hierro más puro obtenido por métodos industriales, es el llamado hierro Armco. Su composición aproximada es la siguiente:
Fe> 99,8; C: 0,012; Mn: 0,017; P: 0,005; Si: cantidades ínfimas
Mediante procesos de experimentación en laboratorios, se consigue obtener hierro con una pureza de hasta un 99,99%.
A la presión atmosférica, este hierro casi puro hierve a 3000º C, solidifica a 1535° en forma de cristales cúbicos de cuerpo centrado (hierro ), que son estables hasta los 1400º C y a esta temperatura, se transforman en cúbicos de caras centradas (hierro ) el cual, adopta dé nuevo el sistema cúbico centrado (hierro ) a los 910° C. Esta variedad alotrópica es ya estable aún cuando se continúe reduciendo su temperatura.
La temperatura de 1400º C a que el hierro se transforma en , se designa como punto A4. La de 910 ° C a que el hierro se transforma en , se llama punto A3. Antiguamente se conocía como punto A2 la temperatura de 768° C, a la cual se produce, durante el enfriamiento, la aparición del magnetismo del hierro o bien, la desaparición durante el calentamiento (punto de Curie). A esta temperatura se produce una clara discontinuidad en el calor específico del hierro, que permite identificar el punto de Curie mediante el análisis térmico, pero como no corresponde a ningún cambio polimórfico, esa temperatura carece prácticamente de interés desde un punto de vista metalográfico.
Los valores que hemos atribuido a las temperaturas de transformación son los calculados para los estados de equilibrio entre las fases correspondientes. Sabemos, sin embargo, que si se miden durante el calentamiento de la muestra, aparecen a temperaturas superiores y tanto más altas cuanto mayor sea la velocidad de calentamiento. Por el contrario, medidas durante el enfriamiento, aparecen a temperaturas inferiores a las de equilibrio y la diferencia se acentúa con la velocidad de enfriamiento. Los puntos críticos medidos durante el calentamiento se indican con la letra "c". Así escribimos: Ac4, Ac3. Si están medidos durante el enfriamiento, esta circunstancia se manifiesta con la letra "r". Escribimos pues: Ar4, Ar3. A veces las temperaturas de equilibrio se califican con una: Ae4, Ae3.
Las características mecánicas del hierro puro no han podido ser determinadas por la imposibilidad de obtener este metal libre de impurezas y a consecuencia de la profunda alteración en sus propiedades que se produce incluso con porcentajes muy pequeños de otros elementos.
El hierro Armco, laminado en caliente, posee propiedades mecánicas que oscilan dentro de los límites siguientes:
Carga de rotura 28-32Kg/mm2
Carga de fluencia 12,5-17,5Kg/mm2
Alargamiento del 45%
Estricción 70%
Dureza Brinell 70-90

1.1.2. Los productos siderúrgicos.
Entre los elementos que inevitablemente aparecen unidos al hierro en los productos siderúrgicos industriales, el de mayor significación es el carbono, a consecuencia de la influencia tan notable que su presencia ejerce sobre las propiedades de la aleación, hasta el punto de que, variaciones muy pequeñas en la proporción de carbono, modifican radicalmente esas propiedades. Por esta razón el contenido de carbono sirve de base para establecer una primera clasificación de los productos siderúrgicos, que se llaman aceros si el carbono que contienen no supera el 2% y fundiciones si excede de ese límite.
Los aceros utilizados en la industria tienen rara vez más del 1,5% de C. Cuando el contenido de este elemento es muy bajo, inferior al 0,10%, se designan, en lenguaje de taller como hierro dulce.
Comparadas con el carbono, el resto de las impurezas, en las proporciones con que suelen estar presentes en los productos siderúrgicos, influyen muy levemente en las propiedades de la aleación en estado de equilibrio. En consecuencia, el estudio del diagrama de fases del sistema Fe-C reviste gran interés, pues nos dará una representación muy aproximada de lo que sucederá en las aleaciones reales, que contienen, además otras impurezas, y tiene la ventaja de que puede realizarse con la sencillez propia de los sistemas binarios frente a la complejidad inherente al estudio de los equilibrios en sistemas de más componentes.

1.2. Tipos de soluciones entre metales.
Los metales en estado puro, sin impurezas, tienen poca aplicación industrial y difícilmente pueden ser empleados como elementos estructurales. Se caracterizan por ser blandos y poco resistentes. Sin embargo, tienen mayor resistencia a la corrosión y mejores conductividades que sus aleaciones.
La aleación o adición de átomos extraños a un metal puro mejora sus propiedades mecánicas (resistencia y dureza) y disminuye la ductilidad, conductividad y resistencia a la corrosión. Por ello, la aleación se realiza para conseguir las propiedades que no tienen los metales puros, como es el caso de los aceros, en los que se adicionan átomos de carbono y de boro para incrementar las propiedades mecánicas del hierro puro.
Figura 1
Figura 2
Los átomos extraños o elementos de aleación pueden ser metales o no metales. Al estaño se le pueden adicionar átomos de plomo, otro metal; y al hierro, carbono (no metal), para formar un acero. Los átomos adicionados actúan como defectos puntuales que llegan a distorsionar la red cristalina dificultando el movimiento de las dislocaciones y endureciendo la aleación. Los átomos extraños adicionados al metal para formar la aleación pueden ser solubles o insolubles.
La solubilidad se produce cuando los átomos adicionados se acomodan en la estructura del metal base. Cuando no pueden acomodarse y formar parte del metal base se dice que son insolubles.
El disolvente es el metal que se encuentra en mayor proporción en la aleación siempre y cuando ambos tengan la misma estructura cristalina. En caso de tener diferente estructura se define al disolvente como aquel que mantiene su estructura en la aleación aunque se encuentre en menor proporción.
La aleación 70% de cromo y 30% de níquel, mantiene la estructura cúbica centrada del níquel a pesar de estar en menor proporción, por lo que el níquel actúa como disolvente y el cromo lo hará como soluto.
En función de los elementos de aleación añadido se diferencian las soluciones sólidas sustitucionales o las intersticiales.
La solución sólida sustitucional, es una solución con dos o más elementos que tienen tamaños atómicos muy parecidos y donde no se distorsiona la red cristalina. El átomo de soluto se sitúa en los espacios de la red antes ocupada por el disolvente. Para que dos metales formen una solución sólida sustitucional deben cumplirse las Leyes de Hume-Rothery:
1. Tamaño atómico. Los átomos sustitucionales (soluto) deben tener semejante radio atómico (± 15%) que el disolvente. A medida que el radio atómico es más parecido el soluto puede acomodarse mejor en la red cristalina del disolvente y en mayor proporción sin producirse distorsiones.
2. Misma estructura cristalina. La misma estructura cristalina del disolvente y soluto favorece la formación de las soluciones sólidas sustitucionales.
3. Valencia. Los átomos deben tener la misma valencia. Átomos con diferente número de electrones de valencia pueden formar compuestos en lugar de soluciones sólidas sustitucionales.
4. Electronegatividad parecida. Semejante configuración electrónica formada por los átomos del disolvente y del soluto favorecen la formación de la solución sólida sustitucional. Electronegatividades diferentes la dificultan.
Aplicando las leyes de Hume-Rothery puede determinarse el grado de solubilidad de una solución sólida. Por ejemplo en una solución de silicio en aluminio no se cumplen las leyes 1 y 3 (radio atómico y valencia) por lo que no forman una solución sólida sustitucional y el aluminio sólo admite un 2% de silicio.

Aluminio
Silicio
Radio atómico
0,143nm
0,117 nm
Estructura cristalina
FCC
FCC
Valencia
+3
-4
Electronegatividad
1,5
1,8

Ejercicio resuelto
Estudiar el grado de solubilidad sólida del aluminio con los siguientes elementos: cobre, manganeso y cinc.
Solución:
Se estudian las cuatro reglas de Hume-Rothery (tamaño atómico, estructura cristalina, valencia y electronegatividad).


Radio
Estructura
Valencia
Electro-
Relación
Grado

atómico
Cristalina
negatividad
Radio Al
solubilidad
Al
0,143
FCC
3+
1,5
-
Medio
Cu
0,128
FCC
1+
1,9
-10,48
Medio
Mn
0,112
Cúbica
2+
1,5
-21,67
Muy bajo
Zn
0,133
HC
2+
1,6
-6,99
Muy alto
El factor más importante es la relación de tamaños atómicos. El porcentaje de diferencia de radio puede calcularse:
El mayor grado de solubilidad sólida se da con el Zn.
Las soluciones sólidas intersticiales están formadas por elementos de aleación con radios atómicos muy diferentes (como mínimo de la mitad de los átomos del metal base o receptor). En estos casos los átomos de soluto se acomodan en posiciones intersticiales del disolvente. Con el hierro forman soluciones sólidas intersticiales el carbono, nitrógeno, oxígeno, hidrógeno y el boro.
Las aleaciones también se distinguen en función del número de elementos de aleación que contienen. Así, por ejemplo, se distinguen las aleaciones binarias, que sólo contienen dos elementos, como las aleaciones de Pb-Sn, Al-Si o Cu-Ni, y las aleaciones con más de dos elementos aleantes, como es el caso de los aceros rápidos que pueden llegar a contener hasta cinco elementos de aleación (Cr, W, Cr, V y Mo) además del hierro y el carbono.

2. Diagramas de fases.

El conocimiento de las aleaciones requiere el empleo de representaciones gráficas que registren las diferentes microestructuras presentes a cualquier temperatura y composición. Estas representaciones son los diagramas de fases y su interpretación es indispensable en el estudio de la metalurgia. Para comprender los diagramas es conveniente estudiar previamente algunos conceptos como la solubilidad y las curvas de enfriamiento.
Una fase es una parte de la microestructura de un material que se caracteriza por tener la misma estructura y composición química. Las características que definen a una fase son:
1) Toda fase tiene el mismo ordenamiento atómico.
2) Tiene igual composición química.
3) Por las características descritas en el punto 1 y 2 se deduce que tiene las mismas propiedades.
4) Siempre existe una interfase que separa a dos fases distintas.
Un ejemplo lo constituye un cubito de hielo donde bajo condiciones normales de temperatura y presión pueden coexistir tres fases al mismo tiempo: la fase sólida (hielo), la fase líquida (hielo derretido en forma de agua) y la fase gaseosa (vapor de agua). A pesar de tener la misma composición química se tienen diferentes ordenamientos atómicos y diferentes propiedades en cada uno de los casos. Entre cada una de las fases se tiene una interfase donde el ordenamiento de los átomos y las propiedades se igualan.
Figura 3: Coexistencia de tres fases

2.1. Regla de las fases de Gibbs.
Permite describir el estado del material. La ecuación que lo define:
F = C – P + 2
Donde:
- C: Es el número de elementos o compuestos que contiene el sistema.
- F: Es el número de grados de libertad o parámetros que pueden modificarse de forma independiente sin modificar el número de fases en equilibrio (temperatura, presión y composición).
- P: Es el número de fases existentes.
El 2 de la ecuación limita a dos las variables de estado (temperatura y presión). En los casos en los que la presión sea constante (por ejemplo, la atmosférica), la regla de Gibas puede escribirse como:
F = C – P + 1
En la siguiente figura se representa el diagrama de equilibrio del magnesio. Se indican cada una de las fases a las que puede encontrarse el magnesio en función de la temperatura y la presión. Cada una de las fases está separada de la otra mediante las líneas de equilibrio. A la presión de 1 atmósfera (línea discontinua) se tienen las temperaturas de fusión y ebullición (TF y TE), respectivamente.
En el diagrama se muestra la sublimación o paso de sólido a vapor sin pasar por el estado líquido a bajas presiones.
Punto A. El magnesio se encuentra en estado líquido. Aplicando la ecuación de Gibbs se tiene:
F = C – P + 2 = 1 – 1 + 2 = 2
Se tienen dos grados de libertad por lo que se puede modificar la temperatura, la presión o ambos al mismo tiempo y seguir estando en la misma porción del diagrama. Para ubicar un punto en el diagrama se necesitan como mínimo dos parámetros (temperatura y presión).
Punto B. Límite entre el estado líquido y el sólido. C = 1 (un solo componente), P = 2, existe líquido y sólido.
F = C – P + 2 = 1 – 2 + 2 = 1
Se tiene un solo grado de libertad. Con la temperatura o con la presión queda definido el límite de coexistencia del líquido - sólido. Fijando una variable, por ejemplo la presión, en el diagrama se indica la temperatura a la que debe someterse un sistema para estar en las mismas condiciones.
Punto C. Coexisten al mismo tiempo líquido, sólido y vapor.
F = C – P + 2 = 1 – 3 + 2 = 0
No existen grados de libertad. Coexisten las tres fases para una temperatura y una presión dada. Se denomina punto triple.



2.2. Solubilidad.
Es la cantidad de material que acepta otro sin crear una nueva fase. La solubilidad puede ser limitada o ilimitada.

2.3. Solubilidad ilimitada.
Un ejemplo lo constituye el agua y el alcohol. Cada uno de ellos por separado representa una fase distinta. Sin embargo cuando se mezclan se obtiene una fase con las mismas propiedades, estructura y composición química.
Las aleaciones binarias cobre-níquel (Cu-Ni) forman sistemas de solubilidad ilimitada con la misma composición química, estructura y propiedades en todo el material. Ello es debido a que tanto el cobre como el níquel tienen las mismas propiedades descritas por Hume-Rothery de solubilidad total. Los átomos de níquel y cobre tienen la misma estructura y semejante radio atómico, electronegatividad y valencia.
Figura 4: Aleaciones binarias con solubilidad ilimitada

2.4. Solubilidad limitada.
Un ejemplo es la sal con agua. El agua es capaz de disolver una cantidad determinada de sal de forma que puede formarse una fase con las propiedades homogéneas. Sin embargo, la adición de mayor cantidad de sal genera un precipitado que no es capaz de disolverse en el agua y se crean dos fases, la disolución de agua y sal y la sal precipitada.
Una aleación con solubilidad limitada la forma la aleación binaria de cobre y cinc (Cu-Zn). Donde el cobre es capaz de disolver un porcentaje limitado de cinc sin que se genere una fase nueva. La adición de mayor cantidad de cinc provoca la formación de una segunda fase rica en cinc y pobre en cobre.





Figura 5: Aleaciones binarias con solubilidad limitada

Al alearse dos metales diferentes pueden suceder, en función del estado en que se encuentren, (sólido o líquido), que se tenga una solubilidad o insolubilidad según, el siguiente gráfico:



Figura 6: Tipos de aleaciones binarias

3. Diagramas de fases.

En la descripción del proceso de solidificación de una aleación se emplean los diagramas de equilibrio que son obtenidos a partir de las curvas de enfriamiento. Las curvas de enfriamiento muestran como se produce el cambio de fase (solidificación) de una aleación inicialmente a elevada temperatura y en estado líquido que se enfría hasta temperatura ambiente.

Figura 7: Curvas de enfriamiento

En la figura 7 se representan las curvas de enfriamiento para un metal puro y para una aleación. En el primer caso y durante el enfriamiento, el metal en estado líquido va perdiendo temperatura siguiendo la curva de enfriamiento. La solidificación se produce a una temperatura fija y única representada por la recta horizontal. La cristalización del sólido empieza en el punto A y termina en B manteniéndose la temperatura constante. A partir del punto B el sólido ya cristalizado pierde temperatura.
En la aleación, el cambio de líquido a sólido se produce en un intervalo de temperaturas en la que existían dos fases en equilibrio (sólido + líquido) y se representa por una recta no horizontal.
Para obtener un diagrama de equilibrio de una aleación binaria (A + B) deben trazarse las curvas de enfriamiento para los dos metales puros por separado además de curvas de enfriamiento para aleaciones del metal (A+B) a diferentes porcentajes, tal y como se muestra en la figura 8.

Figura 8: Construcción del diagrama de equilibrio a partir de las curvas de enfriamiento de cinco aleaciones binarias

Las curvas de enfriamiento primera y última corresponden a cada uno de los metales puros que componen la aleación binaria. La intersección de estas dos curvas con el eje de ordenadas define el punto A y B, que son puntos de fusión de cada uno de los metales (temperaturas de trasformación del metal puro). El resto de puntos se corresponden al inicio y fin de trasformación para aleaciones binarias formadas por porcentajes variables de A y B. La unión de los puntos superiores forma la línea de líquidos. A temperaturas por encima de la línea de líquidos toda la aleación está en estado líquido. Así mismo, la unión de los puntos inferiores define el final de la solidificación o línea de sólidos bajo la cual la aleación estará en estado sólido. Entre ambas líneas, líquidos y sólidos la aleación estará parcialmente líquida y sólida.
Los diagramas de equilibrio pueden llegar a ser representaciones muy complicadas a medida que aumenta el número de componentes presentes en la aleación.
Las aleaciones binarias pueden ser solubles, insolubles o parcialmente solubles tanto en estado líquido como en el sólido. Dentro de estos tipos generales se distinguen los siguientes: Insolubilidad total en estado líquido y sólido, solubilidad parcial en estado líquido y solubilidad total en estado líquido y en sólido.

3.1. Insolubilidad en estado líquido y sólido.
Se da en metales con puntos de fusión muy diferentes siendo sus densidades en estado líquido tan distintas que se mantienen en capas separadas. Un sistema binario con insolubilidad total en estado líquido lo constituye la aleación Fe-Pb.
A temperaturas superiores a 1535º C se tiene al hierro y al plomo en estado líquido como dos fases diferentes debido a la diferencia de densidad. Al enfriar la aleación y sobrepasar los 1535° C, línea de líquidos, el hierro solidifica mientras que el Pb todavía se mantiene en estado líquido. La solidificación se da por finalizada al cruzar la isoterma de 327° C con la formación de dos capas en estado sólido.
Figura 9: Diagrama de equilibrio con insolubilidad total en estado líquido en el que se diferencian tres formas de insolubilidad total

3.2. Solubilidad parcial en estado líquido.
Se da en sistemas donde a temperaturas altas los metales son totalmente solubles y al descender la temperatura, la solubilidad entre ellos sólo se mantiene cuando la concentración del uno sobre el otro es pequeña.
El incremento de concentración de uno de los elementos de aleación provoca la pérdida de homogeneidad y la aparición de dos líquidos distintos como consecuencia de la variación de la solubilidad debido a la temperatura.
Un ejemplo lo constituye la aleación binaria Pb-Zn (Figura 10). Para temperaturas mayores a 800° C se tiene una fase homogénea en estado líquido formado por Pb y Zn. Entre 800 y 417° C se tienen tres fases distintas en función de la composición de la aleación (L1=Zn(Pb), L2=Pb(Zn) y L1+L2).
Para concentraciones pequeñas de cinc en plomo se tiene una fase homogénea que es una solución diluida en cinc en plomo. El mismo comportamiento se da en aleaciones con pequeñas concentraciones de plomo en cinc. Para concentraciones intermedias se tienen dos fases líquidas con distinta densidad: Pb (Zn) y Zn (Pb).
Al enfriar, las dos fases L1 y L2, debido a su diferencia de densidad se establecen en capas que al sobrepasar los 417º C solidifica el cinc y al llegar a temperatura inferior a 318º C se produce la solidificación del plomo, obteniendo dos fases sólidas, Zn y Pb.

3.3. Solubilidad total en líquido y en sólido.
Los dos componentes son totalmente solubles a cualquier temperatura (en estado sólido y en líquido) como los sistemas Cu-Ni y MgO-NiO. En la figura se representa un diagrama con solubilidad total.
En el eje de ordenadas se representa la temperatura del sistema mientras que en el eje de abcisas se indica la composición de la mezcla binaria. En cada uno de los extremos se tienen los componentes en estado puro (100% A, lado izquierdo y 100% B, lado derecho), al igual que en los diagramas descritos anteriormente.
Entre ambos se da una mezcla binaria de los dos componentes y justo en el punto medio se tiene la mezcla 50% A Y 50% B. En el eje de ordenadas se representa la temperatura de fusión de los componentes puros (100% de A y 100% de B).
A temperaturas suficientemente altas (región L, fase líquida) los dos componentes A y B están fundidos y entre ellos existe solubilidad total.
A temperaturas más bajas, en la fase sólida (región SS) los dos componentes también son totalmente solubles entre ellos.
A temperaturas intermedias y entre la región L y SS se tiene una región en la que coexisten dos fases al mismo tiempo, la fase líquida y la fase sólida (L+SS). Su delimitación con la región líquida (L) se da mediante la línea de líquidos mientras que su delimitación con la región sólida (SS) se da con la línea de sólidos.
Como la temperatura de fusión de B es mayor que la de A, en la región (L+SS), para una determinada temperatura, existe equilibrio entre la fase líquida rica en A y la fase sólida rica en B (de menor punto de fusión).
Para conocer la composición de cada una de las fases a una temperatura y composición determinada (Regla de Gibbs) debe alargarse la línea horizontal definida por la temperatura hasta que corte las curvas de equilibrio que delimitan la región (L+SS, línea de líquidos y línea de sólidos). Su proyección sobre el eje de abcisas indicará la composición de cada una de las fases.
- Fase sólida. Intersección y proyección de la línea horizontal con la línea de sólidos (18% A Y 82% B).
- Fase líquida. Intersección y proyección de la línea horizontal con la línea de líquidos. (70% A Y 30% B).

Mediante la regla de Gibbs se puede conocer la composición de la fase líquida y sólida a una temperatura y composición determinada. En el ejemplo se muestra la composición de la fase sólida (18% A + 82% B) Y de la fase líquida (70% A + 30% B) para una aleación binaria (50% A + 50% B) a la temperatura T1.

3.4. Variación de la microestructura al variar la temperatura.
En el punto 1 y a temperatura suficientemente alta los dos componentes A y B están en estado líquido y son solubles entre ellos. Su composición es de 50% de A y de 50% de B. Al disminuir la temperatura hasta el punto 2 y sobrepasar la línea de líquidos empieza la cristalización apareciendo la fase sólida embebida en una matriz líquida. Inicialmente el sólido cristalizado es rico en el componente B, de mayor temperatura de fusión, y la matriz líquida lo será del componente A. A medida que desciende la temperatura, en la región L+SS, el líquido modifica su concentración haciéndose cada vez más pobre del componente B y rico del componente A. El sólido se empobrece de B ganando en A, según la regla de Gibbs. Al llegar al punto 4, justo al sobrepasar la línea de sólidos todo pasa al estado sólido con un 50% de A y un 50% de B.





La regla de Gibbs permite conocer el porcentaje de cada uno de los componentes (A y B) tanto en la matriz líquida como en el sólido a diferentes temperaturas y durante el enfriamiento. También es importante conocer la cantidad de cada una de las fases (sólida y líquida) a cada una de las temperaturas. Para ello se utiliza la regla de la palanca, que emplea el equilibrio de masas en su determinación. En el siguiente ejemplo se determina el porcentaje de líquido y sólido a la temperatura del punto 3.
Para su cálculo se traza una isoterma (recta horizontal) que pase por la temperatura T3 y corte a la línea de sólidos y a la línea de líquidos. El punto medio representa la composición de la mezcla binaria (50% A Y 50% B, en este caso).

La isoterma dibujada tiene tres puntos y en la determinación del porcentaje de cada fase debe dividirse el segmento opuesto para la fase a determinar por el segmento total de la isoterma según:

El porcentaje de sólido se obtiene de la división del segmento A, el opuesto a la línea de líquidos, por el segmento A+B, segmento total.

Con la Regla de Gibbs y la Regla de la palanca puede determinarse:
- Regla de Gibbs: Composición de la fase sólida y de la fase líquida para una aleación determinada a una temperatura cualquiera.
- Regla de la palanca: Cantidad porcentual de la fase sólida y de la fase líquida.

3.5. Variación de las propiedades mecánicas en una aleación binaria.
En un diagrama binario como el representado se aprecia como la temperatura de fusión de la aleación se modifica en función de los porcentajes de cada uno de los elementos de aleación. Una aleación formada por un 50% de cobre y un 50% de níquel tiene un punto de fusión mayor que el cobre puro y menor que el níquel puro.
También se ha comentado que los metales puros tienen propiedades mecánicas inferiores a las aleaciones. En la siguiente figura se representa como varía el límite elástico, la resistencia a la tracción y la elongación en función del porcentaje de cada uno de los elementos de aleación.
La adición de átomos de Ni (B) al cobre puro (A) provoca el incremento de su resistencia a la tracción y el incremento del límite elástico mientras que empeora su ductilidad, representada por la elongación.
Una aleación de 70-75% Ni y 30-25% Cu (zona rayada) posee el máximo de dureza y resistencia y mínimo de ductilidad.

Ejercicio propuesto 1
Describe el enfriamiento de una aleación Cu-Ni con un 40% de níquel y un 60% de cobre.
Solución:


















3.6. Insolubilidad total en estado sólido.
Se trata de un sistema binario en el que sus componentes son solubles en estado líquido, e insolubles en estado sólido. Un ejemplo lo constituyen los sistemas Al-Si, AI-Ge y Ge-Zn, donde a bajas temperaturas se tienen dos fases en el sólido puro (A+B). El diagrama que representa este tipo de solubilidad se denomina eutéctico (fundir bien).
El diagrama eutéctico se caracteriza por tener una línea de sólidos horizontal que coincide con la temperatura eutéctica). En la mezcla eutéctica se produce el paso de líquido a sólido a una sola temperatura y sin la formación de dos fases en equilibrio.
Para la composición eutéctica la aleación se funde por completo a una sola temperatura que es la temperatura de fusión más baja posible de la aleación. Cuando se tiene composiciones distintas a la eutéctica se funde en un intervalo de temperaturas pasando por dos fases (L+A) y (L+B).
El punto eutéctico divide el diagrama en dos zonas o regiones con dos fases (A+L y B+L). La región de la izquierda (A+L) recibe el nombre de hipoeutéctica y la región de la derecha (B+L) hipereutéctica.
Por encima de la línea de líquidos los dos metales son totalmente solubles y se encuentran en estado líquido.

3.7. Microestructuras.
En la siguiente figura se representa como varía la composición de la fase sólida y líquida. La cantidad porcentual de cada una de ellas puede determinarse mediante la Regla de Gibbs y la Regla de la Palanca. A continuación se describe el enfriamiento de tres aleaciones: hipoeutéctica, eutéctica e hipereutéctica.
Figura 10: Enfriamiento hipoeutéctico, eutéctico e hipereutéctico

Enfriamiento Hipoeutéctico. Al enfriar la aleación hipoeutéctica (rica en A, 75% A + 25% B) se empiezan a formar los primeros cristales cuando se cruza la línea de líquidos. El sólido va creciendo a expensas del líquido hasta llegar a la línea de sólidos (horizontal, temperatura hipoeutéctica) donde, después de cruzarla, solidifica el último líquido presente.
La composición del líquido y del sólido varía con el descenso de la temperatura según la regla de Gíbbs. Inicialmente y justo después de cruzar la línea de líquidos, el líquido está formado por un 70% de A y un 30% de B), composición de la aleación. A medida que desciende la temperatura el líquido se empobrece de A y gana en B. El último líquido presente, antes de cruzar la línea de sólidos tendrá la composición eutéctica.
Enfriamiento eutéctico. La aleación se encuentra en fase líquida a la temperatura más baja posible y solidifica por completo a la temperatura eutéctica. La transformación del estado líquido al sólido se realiza rápidamente y se obtiene una microestructura eutéctica de grano pequeño, dentro de cada uno de los cuales se tienen capas finas de A y B de forma alterna (laminar).
Enfriamiento hipereutéctico. Al enfriar la aleación hipereutéctica (rica en B; 88% B + 12% A) Y cruzar la línea de líquidos se empiezan a formar los primeros cristales de B en una matriz líquida en equilibrio. A medida que desciende la temperatura el sólido crece a expensas del líquido. El líquido se empobrece de B y se enriquece de A hasta llegar a la temperatura eutéctica, donde el líquido tiene la composición eutéctica. Al cruzar la línea de sólidos solidifica en forma de finas capas de A y B de forma alterna.

3.8. Diagrama de solubilidad parcial en estado sólido.
Se trata de un sistema binario con solubilidad limitada en el estado sólido y solubilidad total en estado líquido. Es un diagrama intermedio entre los dos anteriormente descritos y se caracteriza porque en el estado sólido el metal A y el metal B son parcialmente solubles en porcentajes muy pequeños, como ocurre en la aleación Pb-Sn (Plomo estaño).
En la región sólida cercana a los extremos hay solubilidad total y se forma una sola fase (alfa: cuando el metal mayoritario A es capaz de disolver una pequeña cantidad de B, y beta: el metal mayoritario B disuelve una pequeña cantidad de A). En el caso de la aleación Pb-Sn, la fase alfa puede llegar a disolver hasta un 19,2% de estaño (Sn) a la temperatura eutéctica (183° C) formando una solución sólida. La fase beta es rica en el componente B y puede disolver un máximo de un 20,5% de plomo a 183° C. En ambos casos la solubilidad disminuye a medida que desciende la temperatura hasta llegar a la temperatura ambiente donde la solubilidad se ve fuertemente reducida.
Los diagramas eutécticos también se caracterizan por presentar el punto eutéctico lugar donde la línea de líquidos corta a la de sólidos en un punto. Se tiene a la aleación en estado líquido a la temperatura más baja posible. En la aleación binaria Pb-Sn el punto eutéctico se da para una composición de 61,9% Sn y 38,1% Pb a la temperatura de 183° C. Al sobrepasar el punto eutéctico en el enfriamiento lento la fase líquida se transforma en dos soluciones sólidas alfa y beta según la reacción:
Líquido alfa + beta
La estructura cristalina adoptada por la solución sólida α es la misma que tiene el componente A; mientras que la estructura adoptada por β coincide con la del componente B. La solución sólida o estará formada por átomos de A (estaño) con átomos de B (plomo).
Al enfriar lentamente una aleación binaria con composición eutéctica desde elevada temperatura hasta la temperatura eutéctica, permanece en estado líquido formando una sola fase. A la temperatura eutéctica todo el líquido se transforma en una mezcla formada por una solución sólida alfa (α) y beta (β). Por ejemplo, en el caso de la aleación Pb-Sn:
Líquido (61,9% Sn) alfa (19,2% Sn) + Beta (97,5% Sn)
Al enfriar lentamente una aleación binaria con composición hipoeutéctica desde elevada temperatura, al cruzarse la línea de líquidos empieza a formarse el primer sólido, el primer sólido, llamado sólido α, que se encuentra en equilibrio con el líquido. A medida que desciende aún más la temperatura, el sólido α se va incrementado a costa del líquido, hasta llegar a la línea de sólidos, donde se produce la reacción eutéctica que termina de solidificar el líquido restante, formando una solución sólida α (formada principalmente por plomo) y por otro lado una β (formada principalmente por estaño). Lo que ocurre es que tendré más porcentaje de α, que de β.
Al enfriar lentamente una aleación binaria con composición hipereutéctica desde elevada temperatura, al cruzarse la línea de líquidos empieza a formarse el primer sólido, el primer sólido, llamado sólido β, que se encuentra en equilibrio con el líquido. A medida que desciende aún más la temperatura, el sólido β se va incrementado a costa del líquido, hasta llegar a la línea de sólidos, donde se produce la reacción eutéctica que termina de solidificar el líquido restante, formando una solución sólida β (formada principalmente por plomo) y por otro lado una α (formada principalmente por estaño). Pero, contrariamente al caso anterior, tendré más porcentaje de β, que de α.

Ejercicio propuesto 2
Determinar la cantidad de cada una de las fases presentes en una aleación binaria cobre-plata, así como el porcentaje de cada elemento en cada uno de los puntos indicados en el diagrama.





























4. Microestructura de los aceros.

Introducción.
Algunos metales como el hierro (Fe) y el titanio (Ti) pueden tener diferente estructura cristalina en función de la temperatura y la presión sin necesidad de cambiar su composición química.
La designación de los estados alotrópicos se realiza con el alfabeto griego (α, β, γ y δ). El estado alotrópico a la temperatura más baja posible se designa con la letra α (alfa) y a medida que aumenta la temperatura y cambia la estructura cristalina se emplean las letras β (Beta), γ (gamma) y δ (delta). La temperatura de cambio alotrópico se denomina temperatura crítica (Tc).
El hierro es un metal blando, azulado, dúctil y maleable. Conduce bien la electricidad y puede magnetizarse. Admite forja y moldeo en su conformación. Se caracteriza por tener cuatro estados alotrópicos.
El calentamiento del hierro puro cambia la estructura cristalina de BCC a FCC antes de fundir.
A temperatura ambiente se denomina ferrita (Fe α) y su estructura es cúbica centrada en el cuerpo (BCC). Al sobrepasar los 768º C el hierro se denomina hierro beta (Fe β) conservando la estructura BCC pero aumentando ligeramente la distancia interatómica y perdiendo magnetismo. El hierro beta no se considera un estado alotrópico del hierro. Al sobrepasar los 912º C la estructura cambia a cúbica centrada en el cuerpo, FCC (Austenita, Fe γ) manteniéndose con esta configuración hasta los 1400º C. Desde 1400º C hasta 1539º C se tiene el tercer estado alotrópico, Fe δ, con la misma estructura que el hierro alfa pero con una distancia interatómica mayor. Tiene un débil magnetismo. Al sobrepasar los 1539º C se produce la fusión del hierro pasando al estado líquido.
- Hierro alfa. Admite un 0,008% de carbono a temperatura ambiente. La máxima solubilidad se da a 723º C con un 0,022% C.
- Hierro Beta. Tiene la misma estructura que el hierro alfa pero el aumento de la temperatura incrementa la distancia interatómica (2,90 A a 800º C) y pierde su comportamiento magnético al sobrepasar la temperatura de Curie a 768º C.
- Hierro Gamma. Su estructura FCC y la distancia interatómica máxima de 3,60 A permite que la austenita pueda admitir gran cantidad de átomos de carbono intersticiales y tratarse térmicamente mediante temple. La solubilidad máxima de carbono es de 1,76% C a 1130º C.
- Hierro Delta. Posee la misma estructura cristalina que el Fe α pero distinta separación interatómica y un débil magnetismo. Admite poco carbono (0,07% C a 1487º C).

Constituyentes de los aceros.
Los constituyentes metálicos que se presentan en los aceros al carbono son la ferrita, cementita, perlita, sorbita, troostita, martensita, bainita, y la austenita. Pueden presentarse otros constituyentes no metálicos en forma de óxidos, silicatos, sulfuros y aluminatos.

Ferrita
Es una solución sólida insterticial de carbono en una red cúbica centrada en el cuerpo. Se considera como hierro alfa puro (Fe α). Su solubilidad a la temperatura ambiente es del orden de 0,008% de carbono, por esto se considera como hierro puro. La máxima solubilidad del carbono en el hierro alfa es de 0,02 % a 723º C.
Es el constituyente más blando y dúctil del acero.

Cementita
La cementita es carburo de hierro (Fe3C) con un contenido de 6,67% de C y 93,33% de hierro. Es el microconstituyente más duro y frágil de los aceros al carbono.

Perlita
Es un microconstituyente formado por capas alternadas de ferrita y cementita, compuesta por el 86,5% de ferrita y 13,5% de cementita, contiene el 0,89% de C.

Austenita
Es el microconstituyente más denso de los aceros y está formado por una solución sólida de carbono en hierro gamma. La cantidad de carbono disuelto, varía de 0,89 al 1,76%, que es la máxima solubilidad a la temperatura de 1130º C. La austenita no es estable a la temperatura ambiente.

Martensita
Es una solución sólida de hierro-carbono producida por la transformación producida por el enfriamiento rápido de la austenita. Es el constituyente más duro de los aceros después de la cementita.

Troostita
Es un constituyente duro, algo más blando que la martensita que se obtiene por enfriamiento de la austenita a una velocidad inferior que en el caso de la martensita. Las propiedades de la troostita son intermedias entre la martensita y la sorbita.

Sorbita
Constituyente intermedio entre la martensita y la perlita. Se obtiene por enfriamientos de la austenita a velocidades inferiores a las empleadas en la obtención de la troostita. Las propiedades mecánicas de la sorbita son inferiores a la troostita. Tiene menor dureza y resistencia pero mayor ductibilidad.

Bainita
Se consigue enfriando de una determinada forma la austenita. Tiene propiedades muy parecidas a la sorbita.

Ledeburita
Es un constituyente de algunos tipos de fundiciones, formado por austenita y cementita mezcladas. Es estable hasta los 723º C, a partir de ahí se transforma en ferrita y cementita.

Grafito
Es duro y confiere baja resistencia. Mecánica, elasticidad y plasticidad en todas las fundiciones que lo contienen. Mejora el comportamiento a corrosión y desgaste.
Diagrama Fe-C.

El diagrama de equilibrio de las aleaciones hierro-carbono es una de las herramientas indispensables para conocer los constituyentes y las proporciones de las aleaciones a diversas temperaturas.
Es una representación gráfica en un diagrama de ejes cartesianos. En el eje de ordenadas se representan las temperaturas y en el de abcisas el porcentaje de carbono.
Para el estudio completo del diagrama se definen los porcentajes de carbono y temperaturas importantes:
a) Límites del diagrama. El diagrama es representado desde el 0% de carbono (hierro puro) hasta un 6,67% de carbono (Fe3C) que corresponde al de la cementita pura, que es el porcentaje de carbono máximo que puede ser combinado con el hierro en forma de carburo de hierro. A porcentajes mayores se tiene el carbono en forma de grafito. El diagrama se divide en dos partes en función del porcentaje de carbono (zona de aceros y fundiciones).
b) Puntos notables. El porcentaje de carbono define los límites de existencia del hierro puro, los aceros y las fundiciones. El hierro puro se encuentra en la parte izquierda del diagrama y posee porcentajes de carbono de entre O y 0,008%. Los aceros se encuentran comprendidos entre 0,008 y 1,76% C, dividiéndose en dos tipos, los aceros hipoeutectoides y los aceros hipereutectoides, separados por el eutectoide a 0,89% C. La existencia de los aceros hipoeutectoides se da desde el 0,008% C hasta el 0,89% C. Los aceros hipereutectoides, entre 0,89% C y 1,76% C. Mientras que las fundiciones se clasifican en hipoeutécticas (1,76-4,3% C) y hipereutécticas (4,3-6,67% C). La fundición eutéctica contiene un 4,3% de carbono.
c) Puntos S y C. El punto S es el eutectoide y se encuentra a 0,89 %C. Indica la composición de la austenita estable a más baja temperatura (723° C). Al descender la temperatura desde el estado austenítico a la temperatura ambiente en una aleación de 0,89% C y en condiciones de equilibrio se obtiene perlita formada por 86,5% de ferrita y 13,5% de cementita.
Para contenidos con mayor o menor porcentaje de carbono la austenita al cruzar las líneas Acm (SE) y A3 (GS) se transforma en cementita y en ferrita, respectivamente, antes de llegar a los 723° C y cruzar la línea A1. Al sobrepasar A1, la austenita se transforma siguiendo la reacción eutectoide.
El punto C es el eutéctico y tiene 4,3% C. Se caracteriza por ser la aleación de más bajo punto de fusión (1130° C) y su importancia radica en el hecho de que solidifica o funde a una sola temperatura. Marca la composición de la aleación que es capaz de permanecer es estado líquido a la menor temperatura posible (1130° C).
Al igual que en el eutectoide, las aleaciones con mayor o menor contenido de carbono experimentan en su enfriamiento la precipitación de cementita y austenita, respectivamente. En el eutéctico precipita ledeburita, formada por un 52% de cementita y un 48% de austenita de 1,76% C.
d) Puntos J, H, P Y E. El punto J (perieutéctico: 0,18% C y 1492° C) representa la austenita estable a más alta temperatura. Se pasa de hierro gamma + líquido a austenita durante su enfriamiento.
El punto H (0,08% C), es el máximo porcentaje de carbono que puede admitir una solución sólida de hierro alfa a 1492° C.
El punto P (0,025% C) es el máximo porcentaje de carbono que admite la ferrita a 723º C.
El punto E representa la máxima solubilidad del carbono en Fe γ (austenita). Se da a 1,76% C y 1130° C. El punto E divide el diagrama Fe-C en aceros y fundiciones. A mayor y menor temperatura la solubilidad del carbono en austenita se reduce.

También deben definirse temperaturas importantes en el diagrama Fe-C:
a) A0 (210° C). A esta temperatura se da el cambio magnético en la cementita. En su calentamiento pierde el magnetismo a 210° C.
b) A1 (723° C). Es el límite superior de existencia de la perlita. Se produce la reacción eutectoide a 0,89% C.
c) A2 (768° C). A esta temperatura se produce el cambio en el magnetismo de la ferrita, perdiendo el magnetismo al sobrepasar los 768° C en su calentamiento.
d) A3 (Línea SG). Representa el límite de existencia de la ferrita. En función del porcentaje de carbono la línea SG existe desde 910° C (0% C) hasta 723° C (0,89% C). Los puntos S, G Y P define la existencia de austenita y ferrita.
e) Acm (Línea SE). Representa el límite de existencia de la cementita por encima de los 723° C. La línea SE se extiende desde el punto eutectoide (0,89% e y 723° C) hasta el punto E de máxima solubilidad de carbono en austenita a 1130° C. Los puntos S, E y la línea A1 definen la existencia en equilibrio de la austenita y la cementita.
f) Línea EF. Se extiende desde 1,76% e y 1130° C hasta 6,67% e conteniendo el punto eutectoide. Representa el límite de existencia de la ledeburita.
g) Línea AHJECF. Línea de inicio de la fusión al calentar y solidificación del líquido al enfriar. A temperaturas inferiores a la línea la aleación se encuentra totalmente sólida. Por encima de ella el acero o fundición se encuentra en estado líquido. La temperatura mínima del estado líquido coincide con el punto C (eutéctico a 1130° C).
h) Línea ABCD. Es la línea de líquidos que indica la temperatura de inicio de solidificación al enfriar. A temperaturas superiores la aleación se encuentra en estado líquido.
i) Línea HB (A4). A 1492º C. Representa el límite superior de existencia de la austenita.

Procesos de solidificación.

Acero hipoeutectoide (0,1% de C)
A 1500° C empieza la solidificación de una solución sólida de carbono en hierro delta, en equilibrio con una matriz líquida. Al seguir enfriando y cruzar la línea A4 el líquido se transforma en hierro gamma (solución sólida de carburo en hierro gamma). Al cruzar la línea JN el hierro delta se transforma en hierro gamma o austenita. La existencia de la austenita se da hasta los 880° C y a medida que desciende la temperatura disminuye el tamaño de grano. Se produce la reacción eutectoide al cruzar la línea A3 (GS). La austenita se transforma en hierro beta (ferrita no magnética). Al descender la temperatura aumenta la proporción de hierro beta con detrimento de la austenita hasta llegar a la línea A1 a 723° C. La ferrita beta obtenida se transforma en hierro beta al sobrepasar los 768° C transformándose en magnética.
Al llegar a A1 (723° C) se tiene hierro alfa magnético y austenita no transformada (según la regla de la palanca). La ferrita sólo es capaz de admitir pequeñas cantidades de carbono (0,025% C a 723° C y 0,008% C a temperatura ambiente) por lo que la austenita no transformada tendrá un porcentaje de carbono de un 0,89% C.
Al sobrepasar A1 la austenita se transforma por completo en perlita (86,5% de Feα y 13,5% Fe3C) y con un 0,89% de carbono. La ferrita (formada antes de cruzar la línea A1) acompañará a la perlita obtenida en la transformación. Finalmente se produce el cambio magnético de la cementita. Al sobrepasar la línea A0 (210° C) durante el enfriamiento pasa a ser magnético.

Acero eutectoide (0,89% de C)
La solidificación de una aleación eutectoide comienza tras sobrepasar la línea BC a 1460º C donde empiezan a crecer los primeros cristales de Feγ (austenita). A medida que desciende la temperatura los cristales de austenita crecen y va disminuyendo la proporción de líquido (regla de la palanca). En el momento que se sobrepasa la línea JE solidifica el último líquido pasando a ser todo austenita (Feγ). Igual que en el estudio de la aleación hipoeutectoide, a medida que se desciende la temperatura en condiciones de equilibrio (enfriamiento lento), los granos van disminuyendo de tamaño.
Al sobrepasar los 723° C la austenita sufre la reacción eutectoide transformándose por completo en perlita (86,5% de ferrita + 13,5% de cementita). A los 210º C la perlita pasa a ser magnética.

Fundición hipoeutéctica (2,5% de C)
El enfriamiento lento de una fundición hipoeutéctica con un 1,3% de carbono empieza a solidificar cristales de austenita (Feγ) a los 1420º C. El descenso de temperatura provoca el crecimiento por solidificación de austenita a expensas de líquido (regla de la palanca) hasta llegar a cruzar la línea JE, donde la última gota de líquido se transforma en Feγ.
La austenita es estable y durante su enfriamiento disminuye el tamaño de grano hasta cruzar la línea Acm a los 900oe. A partir de este punto empieza a precipitar cementita alrededor de los granos de austenita. La cementita creada va creciendo a expensas de la austenita y a medida que disminuye la temperatura. Tras pasar la línea A1 a 723° C la austenita no transformada cuyo porcentaje de carbono es igual al eutectoide (0,89% C) se transforma en perlita (Feα+Fe3C)' Quedando finalmente perlita y cementita. Al igual que el resto de los aceros estudiados, al pasar los 210º C (A0) la cementita pasa a ser magnética.

Fundición eutéctica (4,3% de C)
Hasta los 1130º C la fundición con un 4,3% de carbono se mantiene en estado líquido. Sobrepasado el punto eutéctico solidifica completamente sin tener que pasar por fases intermedias de equilibrio (sólido + líquido). La transformación del líquido a ledeburita define el punto de transformación eutéctico. La ledeburita formada tiene un 52% de cementita y un 48% de austenita con un 1,76% de carbono. El descenso continuo y en equilibrio de la temperatura provoca la segregación de la austenita en cementita. Al llegar a los 723° C (temperatura de transformación eutectoide), la austenita (0,89% C) se transforma en perlita. Finalmente se tiene la perlita recién obtenida, la cementita eutéctica y la cementita secundaria obtenida por la segregación de la austenita. El enfriamiento por debajo de los 210º C produce el cambio magnético de la cementita.

Fundición hipereutéctica (5% de C)
El primer sólido cristalizado se produce a los 1400º C formando cementita proeutectoide o primaria en equilibrio con la fase líquida. Al cruzar la línea de 1130º C, transformación eutéctica, el líquido con un 4,3% e solidifica completamente formando la ledeburita. El enfriamiento en equilibrio posterior hasta la temperatura ambiente sigue el mismo proceso que el indicado para la fundición eutéctica. Finalmente se obtiene cemetita proeutéctica o primaria, cementita eutéctica generada a partir de la ledeburita y cementita proeutectoide o secundaria obtenida a partir de la segregación de la austenita de la ledeburita. Además contiene perlita de la transformación a los 723° C.
Ejercicio propuesto 3
Determinar la proporción de ferrita y cementita que hay en la perlita a temperatura ambiente.

Ejercicio propuesto 4
Determinar la proporción de ferrita y cementita que hay en ledeburita a temperatura ambiente.

Ejercicio propuesto 5
Determinar la proporción de ferrita y cementita de un acero hipoeutectoide de 0,5% de C a temperatura ambiente.

Ejercicio propuesto 6
Determinar la proporción de ferrita hipoeutectoide y perlita en un acero hipoeutectoide de 0,5% de C a temperatura ambiente

Ejercicio propuesto 7
Determinar la proporción de cementita y ledeburita en una fundición de 4,5% de C a 1145º C.

Ejercicio propuesto 8
Determinar la cantidad de perlita presente en una aleación hipoeutéctoide del 0,4% de C que se ha enfriado desde los 900º C hasta los 72º C.

Ejercicio propuesto 9
¿Qué porcentaje de carbono tiene un acero hipoeutectoide con un 45,2 % de ferrita eutectoide a temperatura ambiente?