Materiales para Ingeniería Actividad 3

Actividad 3 Fractura en los metales Grado de deformación y recristalización Estructura de las aleaciones Diagramas de estado y de fases Regla de las fases y de los segmentos Construcción de diagramas en equilibrio y desequilibrio Diagramas de fases de varios componentes Propiedades mecánicas y diagramas de estado

Análisis de propagación de la grieta Presupone la existencia de un defecto superficial Con el aumento de la fuerza se produce una concentración de tensiones mayores que en el resto del elemento de máquina en el borde del defecto La forma del defecto influye Al llegar a la tensión de fluencia, se deforma el borde del defecto redondeándose disminuyendo la concentración de tensiones y por la acritud aumenta la resistencia de la zona. Rapidez de la aplicación de la fuerza Mientras menor sea la ductilidad, menor posibilidad de fluir. Los materiales con mayor resistencia a la propagación de la grieta.

Tipo de fractura Frágil Dúctil Mixta Material Temperatura Rapidez de aplicación de la carga Estructura del material

Umbral de fragilidad en frio Intervalo de temperatura que cambia el tipo de rotura. La disminución del Tamaño de grano hace que descienda el umbral Estructura del material Composición química, Impurezas La velocidad de deformación eleva el umbral Los concentradores de tensión no influyen en el umbral

Fatiga Variación de la magnitud y/o sentido de la carga sobre un elemento mecánico Produce rotura con cargas inferiores a las de la resistencia del material Posee tres etapas formación de la grieta, propagación y rotura El límite de fatiga es la tensión por debajo de la cual no se produce la fatiga independientemente del número de ciclos La existencia de esfuerzos por compresión en la superficie dificultan la fatiga Los concentradores de tensión disminuyen el tiempo de vida por fatiga

Recristalización y grado de deformación La deformación plástica lleva al metal a un estado inestable Lleva a procesos espontáneos de eliminación de defectos en la red cristalina La temperatura del orden de 200 grados elimina tensiones La temperatura entre 300 y 400 elimina además defectos de la red cristalina (Restauración) (disminuyen la resistencia y aumenta la ductilidad un poco) Por encima de los 400 grados comienza la formación de nuevos granos ( recristalización) Las temperatura de recristalización depende del material

Recristalización La temperatura de recristalización depende de la temperatura de fusión del metal y de la pureza de este y fluctúa entre 0,1 a 0,8 la temperatura de fusión La temperatura de recristalización depende del grado de deformación que la precedió La temperatura de recristalización define si el proceso tecnológico es en frio o en caliente, a partir de si hay recristalización o no y con ello acritud. El proceso de recristalización se divide en dos etapas primaria y secundaria La primaria es cuando comienza con la formación de granos nuevos pequeños con orientación diversa, con la recuperación de propiedades La segunda en el acero por encima de 550, ocurre con un crecimiento de los granos fusionándose unos con otros. El crecimiento del grano después de la recristalización depende del grado de deformación plástica antes de deformarlo

Aleaciones metálicas Sustancia obtenida por la fusión de dos o más elementos Sus componentes principales son metálicos y sus propiedades son de un metal. Las aleaciones están compuestas de al menos dos componentes y de acuerdo a la solubilidad del soluto en el solvente se clasifican en: Soluciones sólidas Mezclas Mecánicas Compuestos electrónicos Fases de laves Fases de inserción

Mezclas Mecánicas Ambos componentes son insolubles en estado sólido No reaccionan químicamente formando compuestos La microestructura estará compuesta por dos redes cristalinas distintas de a y b respectivamente, distinguibles. Cada una de estas redes serán idénticas a la de los metales puros de ambos componentes Las propiedades mecánicas dependerá de la relación cuantitativa de un componente con respecto al otro.

Combinación Química Se forma con dos elementos afines químicamente La relación entre el número de átomos de cada elemento concuerda con la proporción estequiométrica designándose AnBm Se forma una red cristalina distinta de los elementos que la conforman. Posee una temperatura de fusión determinada. Varia a saltos sus propiedades cuando varía su composición química La microestructura es similar a la de una sustancia pura

Solución sólida basada en uno de los componentes Existe solubilidad total o parcial de uno de los componentes en el otro. Está constituida por un solo tipo de red cristalina La microestructura también está compuesta por un solo tipo de grano o red cristalina Existe en un intervalo de concentraciones En la red cristalina del disolvente entran los átomos del componente disuelto Existen dos tipos Por sustitución Por inserción Se conserva la red cristalina del disolvente En el caso de inserción los parámetros de la red varían Con solubilidad total, por sustitución es cuando ambos poseen la misma red cristalina Para la solubilidad total no debe existir mucha diferencia entre los radios atómicos

Solución sólida basada en un compuesto químico Se conserva la red del elemento químico La cantidad excedente se disuelve en la red cristalina del compuesto químico La relación estequiométrica se altera

Soluciones sólidas ordenadas Los átomos del elemento soluto están distribuidos ordenadamente En la solución sólida de oro en cobre que poseen igual red cristalina y solubilidad total en determinadas condiciones de enfriamiento lento el cobre se sitúa en el centro de las caras y el oro en los vértices Puede ser total o parcial Es un proceso de difusión Son intermedias entre compuestos químicos y soluciones sólidas

Diagrama de estado Diagrama de fases Diagrama de equilibrio Realmente enfriamiento lento cercano al equilibrio Diagramas reales

Fase (f) Parte homogénea de un sistema separada de las demás partes por una superficie de separación que al pasar por ella cambian bruscamente la composición química, propiedades y redes cristalina, Ejemplos: Líquido --------------------una fase Mezcla mecánica ------dos fases

Componentes (k) Sustancias que componen el sistema, ejemplo: Metal puro ---------------------------un componente Una aleación de dos metales ----dos componentes Los compuestos químicos podrán considerarse como un componente cuando no se disocian en sus dos elementos en el intervalo de temperatura que se analiza.

Número de grados de libertad (c) Varianza de un sistema Número de factores internos y externos que pueden variarse sin que varíe el número de fases del sistema (temperatura, presión o concentración) Grado de libertad igual a Cero implica que si varia uno de esos factores varía el número de fases (sistema invariante) Grado de libertad igual a 1 significa que puede cambiarse uno de ellos en ciertos límites sin que cambie el número de fases (sistema monovariante)

Regla de las fases Relación matemática que expresa las condiciones de equilibrio de un sistema Se expresa como : ∁=𝑘−𝑓+2 Es solo justa en un sistema en equilibrio

Construcción de diagramas de estado Representa la variación del estado o fases de una aleación en dependencia de la temperatura y la composición La presión en los metales se considera constante Si el sistema es de un solo componente tendrá solamente una dimensión, la temperatura y los puntos sobre ella indicaran los cambios de fase Si es binario la segunda dimensión indica la composición, es decir un diagrama de temperatura vs composición de la aleación Las coordenadas extremas del diagrama corresponden a los elementos puros A partir de tres componentes los diagramas adquieren formas espaciales

Construcción energética de los diagramas La existencia de una fase u otra está determinado por su potencial termodinámico Método teórico La exactitud es menor que con métodos experimentales

Construcción experimental de los diagramas Se construyen a partir de las curvas de enfriamiento en condiciones cercanas a las de equilibrio, midiendo la temperatura desde antes de comenzar la solidificación Los cambios de fase con más de dos fases se reflejan como una línea recta El comienzo de la solidificación o aparición de una fase se refleja con el cambio de inflexión de la curva Para la construcción el diagrama se plotean en el gráfico los puntos de las curvas de enfriamiento Se unen los puntos en la forma lógica de la formación de las fases Con el diagrama se determina la posibilidad de aplicar tratamiento térmico, características de las diferentes aleaciones

Diagrama de aleaciones totalmente insolubles en solido Aleaciones que forman mezclas mecánicas de sus componentes puros En realidad no existen aleaciones que sean totalmente insolubles en sólido La aleación en la que desde que comienza la solidificación aparecen las dos fases simultáneamente se le llama eutéctica. Las aleaciones a la izquierda de esta se le denomina hipoeutéctica y las de la derecha hipereutéctica

Regla de los segmentos o de la palanca Mecanismo para determinar la cantidad de fases y sus composiciones químicas en un punto del diagrama de fases donde existan 2 fases Postulado 1 : Para determinar la concentración de los componentes en las fases, en el punto dado que caracteriza el estado de la aleación, se hace pasar una recta horizontal hasta su intersección con las líneas que limitan la región dada, la proyección de los puntos de intercepción sobre el eje de las concentraciones, dan la composición de las fases. Postulado 2 : Para determinar la relación cuantitativa entre las fases, por el punto dado se hace pasar una recta horizontal hasta su intercepción con las líneas que limitan la región dada, los segmentos de esta recta comprendidos entre el punto dado y los puntos que determinan las composiciones de las fases, son inversamente proporcionales a las cantidades de estas fases

Diagramas de estado con solubilidad total en estado sólido Ambos componentes son solubles en estado sólido y no forman compuestos químicos El tipo de red cristalina es una sola y pertenece al elemento disolvente La microestructura es una sola fase homogénea

Diagramas de estado con solubilidad parcial en estado sólido Ambos componentes son solubles completamente en estado líquido, parcialmente en estado sólido y no forman compuestos químicos Se encontrará las soluciones sólidas de cada componente en el otro en estado sólido Pueden existir diagramas con eutéctica y diagramas con peritéctica En la eutéctica y peritectica coexisten 3 fases en el momento de la soldificación En la peritectica ocurre el paso en estado de transformación de la fase sólida formada a la otra fase

Diagramas de estado de aleaciones que forman compuestos químicos estables La estabilidad del compuesto químico es con respecto a la temperatura que hasta la fusión no se descomponga La aleación correspondiente al compuesto químico divide al diagrama en dos diagrama si se le considera como elemento puro Pueden formar soluciones sólidas

Diagramas con aleaciones que forman compuestos químicos inestables Al llegar a determinada temperatura se descompone en líquido y uno de los componentes Son parecidas a la peritéctica con la diferencia en que una de las fases es el compuesto químico

Diagramas de estado de aleaciones que presentan transformaciones polimórficas Durante el enfriamiento en estado sólido existen transformaciones de fase Al menos uno de los componentes posee polimorfismo

Cristalización de las aleaciones en condiciones de desequilibrio Cuando las velocidades de enfriamiento no son lentas y se corresponden con las velocidades reales El sobrecalentamiento o subenfriamiento es tanto mayor mientras mayor sea la velocidad de calentamiento o enfriamiento En los sistemas reales las transformaciones ocurren en un intervalo de temperatura

Diagramas de más de dos componentes Diagramas ternarios Cortes de temperatura Métodos simplificados para analizar sistemas de varios componentes

Relación entre los diagramas de estado y las propiedades mecánicas En las mezclas mecánicas las propiedades varían de forma lineal En las soluciones sólidas se incrementan las propiedades mecánicas hacia el centro del diagrama de forma curvilínea En las soluciones sólidas parciales es una combinación entre ambos diagramas En los compuestos químicos las propiedades son máximas o mínimas en el compuesto químico