UNIDAD 6 Endurecimiento por aleación. Aleaciones con solubilidad parcial en estado sólido 6.1 CUESTIONES DE AUTOEVALUACIÓN 1 - En los aceros hipereutectoides la cementita aparece en: a) Bordes de grano de la perlita. b) Bordes de grano de la ferrita. c) Disuelta en la ferrita. d) En los bordes de grano y en la perlita. 2 - El endurecimiento óptimo de aleaciones por envejecimiento, aumenta: a) Con la temperatura de envejecimiento. b) Con la cantidad de fase beta coherente endurecedora. c) Con el tiempo de envejecimiento. d) Con la cantidad de partículas beta observadas al microscopio. 3 - En los tratamientos mixtos acritud + envejecimiento, la acritud se aplica: a) Tras el envejecimiento antes del sobrenvejecimiento. b) Antes de la solubilización. c) En estado de temple. d) Durante la solubilización. 4 - El sobrenvejecimiento fundamenta su ablandamiento en: a) Disolución de las partículas de precipitado. b) Engrosamiento de las partículas. c) Desaparición de las partículas pequeñas. d) Pérdida de coherencia de las partículas con la matriz. 5 - Con el envejecimiento artificial obtenemos: a) Características mecánicas menos elevadas. b) Aumento de su fragilidad. c) Precipitados coherentes. d) Todas son correctas. 6 - ¿Qué contenido aproximado en perlita presentará un acero al carbono con 0,2% de C?: a) 25%. b) 37%. c) 50%. d) 63%. 97 Cuestiones y ejercicios de Fundamentos de Ciencia de Materiales 7 - ¿Qué contenido aproximado en perlita presentará un acero al carbono con 0,6% de C?: a) 25%. b) 37%. c) 50%. d) 75%. 8 - La microestructura de la perlita varía con: a) El contenido en carbono del acero. b) La velocidad de enfriamiento. c) La composición de la ferrita. d) La temperatura de austenización. 9 - En los aceros hipoeutectoides la cementita aparece en: a) En la perlita. b) En los bordes de grano de la ferrita. c) En los bordes de grano de la austenita. d) Disuelta en la austenita. 10 - Si realizamos el envejecimiento a alta temperatura obtendremos: a) Altas características resistentes. b) Tiempos de procesos largos. c) Riesgo de sobreenvejecimiento. d) Aumento asintótico de las características dúctiles. 11 - El endurecimiento por envejecimiento puede aplicarse: a) A todas las aleaciones. b) Sólo a las que tienen cambio de fase en estado sólido. c) Sólo a las que muestran zonas monofásicas con curva de solubilidad creciente con la temperatura. d) En aleaciones con al menos cuatro componentes. 12 - El proceso de envejecimiento requiere que la primera fase de solubilización y enfriamiento se realice: a) Con las condiciones de reversibilidad del diagrama de equilibrio en las dos etapas. b) Reversible la etapa de solubilización e irreversible la de enfriamiento. c) Sin las condiciones de reversibilidad en las dos etapas. d) No importa en qué condiciones se realice. 13 - El Envejecimiento artificial se efectúa a temperaturas más altas que el natural a fin de: a) Incrementar características resistentes. b) Acortar el tiempo de tratamiento de envejecimiento. c) Incrementar características plásticas. d) Modificar la estructura de la aleación. 14 - El sobrenvejecimiento es la peculiaridad del tratamiento de envejecimiento por el que: a) Disminuyen características resistentes y plasticidad de la pieza envejecida. b) Se fragiliza la pieza en proceso de envejecimiento. c) Aumenta la plasticidad y disminuyen las características resistentes de la pieza envejecida. d) Aumentan las características mecánicas. 98 Unidad 6 – Endurecimiento por aleación. Aleaciones con solubilidad parcial en estado sólido 15 - El envejecimiento fundamenta el endurecimiento en la dificultad que imponen al movimiento de dislocaciones: a) Los precipitados visibles por microscopio óptico. b) Los precipitados coherentes invisibles por microscopía óptica. c) Los precipitados incoherentes visibles por microscopía electrónica. d) Cualquier tipo de precipitados. 16 - Las partículas que precipitan en primer lugar en el proceso de envejecimiento son con forma y dimensiones: a) Placa fina en modo coherente. b) Placa gruesa en modo incoherente. c) Esférica fina coherente. d) Esférica gruesa incoherente. 17 - La estructura de Windmasttaeten requiere para su formación: a) Altas velocidades de enfriamiento. b) Bajas velocidades de enfriamiento. c) Bajo nivel de dislocaciones. d) Bajos niveles de sobresaturación del soluto. 18 - El mecanismo de Orowan justifica el endurecimiento de las aleaciones envejecidas por: a) Corte de las partículas de precipitado. b) Discrepancia de las semipartículas deformadas. c) Enlazamiento de partículas por dislocaciones. d) Eliminación de las partículas precipitadas. 19 - La deformación plástica de la probeta después del temple consigue, por la nucleación heterogénea de los precipitados en dislocaciones: a) Mejorar las características plásticas del material. b) Estabilizar el periodo postenvejecimiento. c) Mejorar las características resistentes y disminuir el sobrenvejecimiento. d) Disminuir la cantidad de precipitados obtenidos. 20 - El enfriamiento enérgico, en el temple, tiene como consecuencia mejorar las características resistentes por: a) Nuclear de forma heterogénea en dislocaciones por el enfriamiento. b) Acumular el envejecimiento con las tensiones internas del temple. c) Obtener menor nivel de sobresaturación. d) Aumentar la incoherencia de las partículas. 21 - Por el análisis dilatométrico diferencial se registra, con relación a la probeta de referencia: a) La variación de longitud en función de la temperatura. b) El coeficiente de dilatación lineal. c) El coeficiente de dilatación superficial. d) La transmisión de calor. 22 - Un cambio de fase se identifica en un registro dilatométrico, por: a) Un salto de longitud a la temperatura de transformación. b) Un incremento brusco de la temperatura. c) Un cambio de pendiente a la temperatura de transformación. d) Un cambio brusco de pendiente en la zona de temperaturas de transformación entre dos pendientes, fase inicial y final, diferenciadas. 99 Cuestiones y ejercicios de Fundamentos de Ciencia de Materiales 23 - La transformación eutectoide sucede solamente: a) Para la composición eutectoide. b) Para la temperatura de transformación eutectoide. c) Para la temperatura de transformación eutectoide y zona inferior bifásica. d) Cuando coexisten zonas monofásicas y bifásicas. 24 - Los granos de perlita, eutectoide Fe-C, se conforman: a) Por creación de nuevos granos a partir de los granos de austenita, fase primaria de la transformación eutectoide. b) Sustituyendo, uno a uno, los granos de austenita por los de perlita. c) Por formación previa de precipitados de cementita. d) Por recristalización de la austenita. 25 - Una ventaja de la transformación eutectoide es que: a) Consigue aumentar el tamaño de grano con el cambio de fase. b) Aumentar los parámetros de plasticidad de la aleación. c) Aumentar la embutibilidad de la aleación. d) Consigue mejorar las características resistentes de las aleaciones por la formación del eutectoide. 26 - La transformación eutectoide consigue sobre el metal puro: a) Aumentar el límite elástico. b) Aumentar el alargamiento. c) Disminuir la dureza. d) Aumentar la estricción. 27 - Las semejanzas más importantes de la transformación perlítica con el proceso de recristalización están en: a) La conformación de fases nuevas. b) La conformación de nuevos granos. c) La precipitación en forma de placas. d) El uso de los procesos de difusión. 28 - Las semejanzas más importantes de la transformación perlítica con el proceso de precipitación está en: a) La conformación de fases nuevas. b) La precipitación en forma de placas. c) La conformación de nuevos granos. d) El uso de los procesos de difusión. 6.2 CUESTIONES DE HETEROEVALUACIÓN 1. Dibuja y define las diferentes microestructuras en una aleación envejecible, en las etapas: a) colada, b) solubilizada, c) envejecida, y, d) sobreenvejecida. 2. Comenta que entendemos por sobreenvejecimiento. ¿Cuales son sus causas y consecuencias?. 3. Un acero contiene 42 % en peso de ferrita proeutectoide. ¿Cuál es el contenido de C de este acero? 4. Distinguir entre ferrita proeutectoide y ferrita eutectoide. 5. Justifique sobre un gráfico temperatura - tiempo, la secuencia de operaciones para dar un 100 Unidad 6 – Endurecimiento por aleación. Aleaciones con solubilidad parcial en estado sólido tratamiento mixto de acritud + envejecimiento natural a una aleación de aluminio que tiene una temperatura de solvus de 500°C, su temperatura de liquidus en 610°C y la de sólidus en 580°C. 6. Señale sobre un gráfico límite elástico - tiempo, como evoluciona esta propiedad mecánica con el tiempo de envejecimiento para una aleación de aluminio AA 6005 para cada una de las temperaturas siguientes: a) 210°C. b) 150°C. c) 25°C. 7. Para un acero con 1.2 %C se pide: a) Dibujar la microestructura de equilibrio a temperatura ambiente. b) Calcular el porcentaje de granos de perlita. NOTA: • Composición del eutectoide = 0.8 % C • Composición del eutéctico = 4.3 % C • Composición de la cementita = 6.67 % C • Composición de la ferrita = 0 % C 8. Justifique la falsedad o veracidad de esta frase: “Las aleaciones endurecibles por precipitación tienen una utilización limitada por la temperatura. NO PUEDEN destinarse a usos continuos a temperaturas iguales o superiores que las que originan el envejecimiento artificial. 9. Establece los límites de observación de tamaños de partículas precipitadas por microscopía óptica y electrónica y su asociación al concepto de coherencia o incoherencia de las mismas con la matriz. 10. Justifica las causas que determinan la inexistencia de ablandamiento en el proceso de envejecimiento. 11. Hipotetiza sobre la microestructura y características resistentes que se obtienen después de un proceso por tiempo indefinido a temperaturas de envejecimiento sensibles al sobrenvejecimiento. 12. Hipotetiza sobre la diferencia de microestructuras y características de la aleación después de envejecimiento por tiempo indefinido de la cuestión anterior, con la alcanzada en un proceso de enfriamiento reversible después de la etapa de solubilización. 13. Determina el procedimiento para establecer la correlación entre temperatura y solubilización de partículas precipitadas mediante técnicas DSC, calorímetro diferencial de barrido. 14. Describe el procedimiento para establecer la correlación existente entre temperaturas y precipitación de partículas mediante técnicas de DSC. 15. Justifica la formación de estructuras de Windmasttaeten en el proceso de entrada en la tierra de meteoritos formados por hierro y otros elementos de aleación, o en la soldadura de aceros dulces con 0.2-0.3 % carbono. 16. Esquematiza el proceso de engrosamiento de partículas, cuando existe soluto disponible, en régimen de coherencia y coherencia parcial. 17. Esquematiza el proceso de engrosamiento de partículas después del consumo de todo el soluto disponible. 18. Analiza la influencia de la velocidad de temple sobre la precipitación para diversas 101 Cuestiones y ejercicios de Fundamentos de Ciencia de Materiales aleaciones envejecibles, curva de la C. 19. Justifica las diferencias existentes entre la microestructura de un eutéctico y de un eutectoide. 20. Analiza las diferencias de transformación que sucede en las temperaturas hipoeutectoides A3 e hipereutectoides A3.1. 21. Correlaciona las características resistentes, carga de rotura, límite elástico, alargamiento, con el contenido de carbono, con los datos obtenidos en la norma UNE 36.011 de la familia de aceros finos al carbono. 22. Establece el índice de endurecimiento, Ie = Le/R, entre el límite elástico y carga de rotura, y correlaciónalo con el porcentaje de carbono. 23. Justifica las diferencias de microestructura que pueden observarse entre las aleaciones de hierro con un 15% de cromo o con un 8% de cromo. 24. Establece los principios fundamentales de los procesos de recristalización, precipitación de segundas fases y transformación perlítica, y las conexiones comunes entre ellos. 25. Establece las diferencias que pudieran existir entre los productos en la transformación perlítica hipereutectoide y la hipoeutectoide. 26. Justifica la inaplicabilidad de los aceros hipereutectoides en estado de recocido. 6.3 PROBLEMAS Y EJERCICIOS PRACTICOS PROPUESTOS Problema 6.1 Sobre el diagrama de fases Cu-Ag, representado en la figura siguiente, determinar: 1100 1084.5° 1000 961.93° Líquido Temperatura °C 900 (Cu) 800 7.9 91.2 (Ag) 71.9 700 600 500 400 0 Cu 10 20 30 40 50 60 70 Porcentaje en peso de Plata 80 90 100 Ag a) El rango de aleaciones en base cobre que pueden ser endurecidas mediante envejecimiento. b) El rango de temperaturas de homogeneización para una aleación de Cu con un 3% de Ag. c) El rango de temperaturas de envejecimiento para la aleación de cobre anterior. d) El rango de aleaciones en base Ag que pueden ser endurecidas mediante envejecimiento, indicando para una aleación de Ag con un 5% de Cu el rango de temperaturas de homogeneización y envejecimiento. 102 Unidad 6 – Endurecimiento por aleación. Aleaciones con solubilidad parcial en estado sólido Problema 6.2 Las aleaciones Al-Cu constituyen un ejemplo característico de aleaciones endurecibles por precipitación, utilizándose en la construcción de estructuras de aviones y otras aplicaciones dónde se requiera alta resistencia mecánica y ligereza. Con ayuda del diagrama de la figura, indique: 750 700 L + ε2 660°C 650 L Temperatura °C 600 a) Rango de composiciones que pueden someterse a envejecimiento. L + η1 L+α 550 α 5.65 548°C 33.2 52.5 500 450 α+θ θ θ + η1 θ + η2 400 350 b) Temperaturas óptimas de línea u homogeneización para las aleaciones Al-4.5% Cu. 300 0 10 Al 20 30 40 50 60 70 % en peso de cobre c) Temperaturas de envejecimiento artificial aplicables, sabiendo que para este tipo de aleaciones, el óptimo se encuentra entre 0.20 Thom y 0.30 Thom. Temperatura °C d) Porcentaje en peso teórico de fase θ que se tiene en la aleación, a 25°C, si ésta se halla completamente sobreenvejecida. 1800 1700 1600 1500 1400 1300 1200 1100 1000 900 800 700 600 1670°C Líquido 1455°C 1380°C 1310°C 54.9 984°C 37.8 942°C β 27.9 765°C Ti 54.5 10 20 30 86.1 1118°C 65.7 ε δ ζ γ 5.5 α 0 1304 40 50 630°C 60 70 80 Porcentaje en peso de níquel 90 100 Ni Problema 6.3 A partir del diagrama de la figura de aleaciones Ti-Ni determinar: a) Composiciones y temperaturas donde existen transformaciones eutécticas. b) Composiciones y temperaturas donde existen transformaciones eutectoides. c) Para la aleación del 20% en peso de Ni, dibujar el registro de enfriamiento (curva Temperatura-Tiempo). d) Para esta misma aleación, calcular la composición y proporción de fases presentes a 1000°C. 103 Cuestiones y ejercicios de Fundamentos de Ciencia de Materiales Problema 6.4 Con el diagrama de fases de los bronces (Cu-Sn), presentado en la figura siguiente: a) Indicar las fases existentes en las zonas bifásicas. 1100 1084.5 ° L 1000 900 800 13.5 799° 22.0 Temperatura °C β 700 (Cu) 600 15.8 15.8 500 25.5 756° 30.6 γ ζ 590° 24.6 586° 520° 27.0 676° 640° 58.6 ε 582° δ 415° 59.0 400 92.4 ~350° 11.0 32.55 300 η 1.3 % a 200° 200 60.9 189° 60.3 227 °186 231.968° 99.1 ° η’ 100 (β - Sn) 13° 0 0 Cu (α - Sn) 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 Porcentaje en peso de estaño Sn b) Para una aleación del 20 % de Sn, trazar las curvas de enfriamiento hasta la temperatura ambiente. c) Para esta misma aleación indicar la composición y proporción de fases existentes a 850°C. d) A la temperatura de (520-∆T)°C indicar qué proporción de granos a proeutectoide habrá en la aleación. 104 Unidad 6 – Endurecimiento por aleación. Aleaciones con solubilidad parcial en estado sólido Problema 6.5. A partir del diagrama de la figura se pide trazar los siguientes correlaciones: 2100 2022° 63.2 2000 Temperatura °C a) Composición de α - Temp. b) Composición de γ - Temp. c) Composición de δ - Temp. d) Proporción de α - Temp. e) Proporción de γ - Temp. f) Proporción de δ - Temp. γ 1900 1863° 1800 δ 1700° 1700 9.7 α 34.2 1600 para una aleación del 20% B enfriada de forma reversible desde 2100°C. 1500 Problema 6.6 En el diagrama de equilibrio Au-Ti, indicar: 0 10 20 30 40 50 A Porcentaje en peso de B 60 70 B a) Composición y temperatura de las transformaciones eutécticas existentes. b) Composición y temperatura de las transformaciones eutectoides existentes. c) Para una aleación del 30 % en peso en oro, dibujar el registro de enfriamiento (curva temperatura - tiempo), indicando las fases en cada intervalo. 1800 1700 1670°C L 1600 1495°C 1395°C 1367 1400 1300 1310°C 1385 γTiAu (βTi) 1200 1100 1172 1064.43°C TiAu2 882°C 900 832°C TiAu4 1000 800 1455°C Ti3Au Temperatura °C 1500 (Au) (αTi) 700 600 βTiAu 500 0 Ti 10 20 30 40 50 60 70 αTiAu 80 90 100 Porcentaje en peso de Au Au Problema 6.7 A partir del diagrama de fases Fe-Nb, de la figura, determinar: a) Composición y temperaturas donde existen transformaciones eutécticas. b) Composición y temperaturas donde existen transformaciones eutectoides. c) Para una aleación del 10% de Nb, dibujar la curva de enfriamiento (curva temperatura tiempo) con indicación de las fases presentes en cada zona. 105 Cuestiones y ejercicios de Fundamentos de Ciencia de Materiales d) Para una aleación del 30% de Nb indicar la proporción de fases, su composición y transformación para 1211 y 1209°C. e) Representar gráficamente la microestructura que se observaría para la aleación del 30% de Nb a 1211 y 1209°C. 2469°C 2400 2200 Temperatura °C 2000 1800 1627°C 1600 1538°C 1400 1200 5.2 18.6 2.5 (δFe) 1210°C 1.5 (γFe) 1000 0.7 1.2 1373°C 1535°C 62 38 95.3 (Nb) ε 961°C µ (αFe) 770°C Transformación magnética 800 1400°C 75 600 0 10 20 Fe 30 40 50 60 70 80 90 100 Nb Porcentaje en peso de niobio Problema 6.8 Una aleación se que endurece mediante precipitación de segundas fases, puede hacerlo mediante los procesos térmicos representados en las figuras siguientes. θ1 θ1 θ2 θ2 t1 t2 t1 t2 Plastificación (A) (B) Se pide: a) Señalar sobre los gráficos A y B las diferentes etapas del proceso. b) ¿Qué características debe presentar el diagrama de fases de estas aleaciones? c) ¿Qué ventaja tecnológica presenta el proceso con deformación plástica intermedia?. d) ¿Qué limitación presenta este proceso con deformación plástica intermedia?. Problema 6.9 Para la aleación Ni-V, del 45 % en peso de vanadio, cuyo diagrama de equilibrio se representa en la figura: 106 Unidad 6 – Endurecimiento por aleación. Aleaciones con solubilidad parcial en estado sólido a) Indicar las fases presentes a 1204, 950, 830 y 600°C. b) Calcular la cantidad de fases presentes a 950°C. c) Calcular la cantidad de cada tipo de grano presente en la microestructura a 950°C. d) Hacer una representación gráfica de la microestructura de la aleación a los 830°C. 2000 1910°C 1800 L 1600 1400 58.1 1200 40 (Ni) 1045°C 1000 51 1202° σ´ 908° 922° 890° 35.2 600 Mag. Trans. 790° 900° 76.3 70.7 88.1 650° ~72 405°C σ Ni2V NiV3 Ni5V 400 (V) 73 64 29.5 800 1280° 47 Ni3V Temperatura °C 1455°C 200 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 Porcentaje en peso de vanadio Ni 100 V Temperatura °C Problema 6.10 A partir del diagrama Ti-Ni, de la figura: a) Dibujar la microestructura que cabría esperar en los tres puntos seleccionados en la misma para una aleación con 22% de níquel. b) Calcular la composición y proporción de fases correspondientes a esos tres puntos. 1800 1700 1600 1500 1400 1300 1200 1100 1000 900 800 700 600 1670°C Líquido 1455°C 1380°C 1310°C 54.9 984°C 37.8 942°C β 27.9 765°C Ti 54.5 10 20 30 86.1 1118°C 65.7 ε δ ζ γ 5.5 α 0 1304 40 50 630°C 60 70 80 Porcentaje en peso de níquel 90 100 Ni 107 Cuestiones y ejercicios de Fundamentos de Ciencia de Materiales c) Dibujar la curva de enfriamiento de la aleación base titanio con un 10% de níquel. d) Calcular la composición y proporción de constituyentes microestructurales, a 700°C, para las aleaciones con un 10% de níquel y un 30% de níquel. Temperatura °C Problema 6.11 A partir del diagrama Ti-Ni, de la figura: 1800 1700 1600 1500 1400 1300 1200 1100 1000 900 800 700 600 1670°C 1455°C 1380°C 1310°C 54.9 942°C β 765°C 5.5 α 0 Ti Problema 6.12 En el diagrama de equilibrio Ti-Au, indicar: Líquido 27.9 γ 1304 1118°C 65.7 ε4 δ 984°C 37.8 54.5 86.1 ζ 630°C 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 Ni Porcentaje en peso de níquel a) La transformación que experimenta una aleación con un 10% de Au en peso, desde 1200°C hasta los 700°C. 1800 L 1495°C 1500 1367 1400 1300 1310°C 1385 γTiAu (βTi) 1200 1172 1100 882°C 900 TiAu 2 1000 800 1455°C 1395°C 1064.43°C 832°C TiAu4 d) ¿Cuál sería la microestructura a 700°C de una aleación con el 60% de Au? 1670°C 1600 Ti3Au c) Proporción y composición de las fases de la aleación 10% de Au, a 700°C. 1700 Temperatura °C b) Representación gráfica de la microestructura que se observaría para la aleación del apartado a), a la temperatura de 700°C. (Au) (αTi) 700 600 βTiAu 500 0 Ti 10 20 30 40 50 60 70 Porcentaje en peso de Au αTiAu 80 90 100 Au SOLUCION A LAS CUESTIONES DE AUTOEVALUACION: 1 - d, 2 - b, 3 - c, 4 - d, 5 - c, 6 - a, 7 - d, 8 - b, 9 - a, 10 - c, 11 - c, 12 - b, 13 - a, 14 - a, 15 - b, 16 - a, 17 - a, 18 - c, 19 - c, 20 - a, 21 - a, 22 - d, 23 - c, 24 - a, 25 - d, 26 - a, 27 - b, 28 - d. 108 Unidad 6 – Endurecimiento por aleación. Aleaciones con solubilidad parcial en estado sólido 6.4 PROBLEMAS Y EJERCICIOS PRACTICOS RESUELTOS Solución al problema 6.1 a) Para ser endurecibles por precipitación o envejecimiento, es requisito necesario que la aleación corte a la curva de solvus, que separa la zona monofásica α de la zona bifásica α + β. Para las aleaciones en base cobre (el cobre hace de solvente y la plata es el soluto o aleante), estas condiciones se dan para las aleaciones con contenido en plata desde aproximadamente 0.2% Ag hasta el 7.9% Ag. Por debajo de 0.2%, la plata permanece disuelta en la red de cobre y la estructura es siempre monofásica α. b) Tal como se representa en el diagrama, el rango de temperaturas de homogeneización estará, para una aleación con un 3% de Ag, entre los 1040°C y los 557°C. 1100 1084.5° 1040°C 1000 961.93° Líquido Temperatura °C 900 870°C (Cu) 780°C 800 7.9 91.2 (Ag) 71.9 700 695°C 600 557°C 500 400 0 Cu 10 20 30 40 50 60 70 Porcentaje en peso de Plata 80 90 100 Ag Si tomamos un intervalo de seguridad tanto por encima como por debajo, ya que temperaturas muy elevadas pueden originar inicios de fusión o en todo caso engrosamientos exagerados del tamaño de grano. Por el contrario, temperaturas bajas, cercanas a la mínima de solubilidad, permitirá poco la difusión y por lo tanto requerirá largos tiempos para su homogeneización. Todo ello lleva a que la temperatura industrial de homogeneización para estas aleaciones pueda estar entre los 700 y 900°C. c) El rango de temperaturas de envejecimiento estaría entre la temperatura ambiente hasta los 557°C. También en este caso limitamos las temperaturas elevadas que podrían propiciar recristalizaciones de la microestructura derivadas de la acritud inducida por el enfriamiento brusco durante el temple. Es por ello que las temperaturas idóneas de envejecimiento se considerarán, industrialmente, entre los 150 y 350°C. d) En la otra rama del diagrama, aleaciones en base plata (la plata hace de solvente y el cobre es el soluto o aleante), estas condiciones se dan para las aleaciones con contenido en cobre desde aproximadamente 0.2% Cu hasta el 8.8% Cu. 109 Cuestiones y ejercicios de Fundamentos de Ciencia de Materiales Para una aleación con un 5% de Cu, las temperaturas de homogeneización estarán entre los 695°C hasta los 870°C. Las temperaturas de envejecimiento deben ser entre la temperatura ambiente hasta los 695°C, centrándose principalmente, en el campo industrial, entre los 175 y los 400°C. Solución al problema 6.2 a) Sólo son envejecibles aquellas aleaciones que cortan a la curva de solvus: % Cu entre aproximadamente 1 - 5.65% Cu b) La homogeneización requiere la permanencia durante un tiempo suficiente a temperaturas dónde la aleación presente estructura monofásica α. En este caso, con 4.5% Cu, el rango posible es: Thom posible: desde 470° a 610°C. Para acelerar el proceso es conveniente aumentar la temperatura mínima. Por contra, debe evitarse un acercamiento excesivo a la línea de sólidus para evitar una posible fusión en bordes de grano si, como suele ocurrir, ha existido segregación dendrítica durante el proceso de solidificación. El rango óptimo es por tanto más estrecho: Thom óptima: 510-570°C c) Temperaturas de envejecimiento artificial. Para esta aleación, el envejecimiento puede, teóricamente, darse entre Tamb y 470°C. Para el envejecimiento artificial, las temperaturas óptimas se encuentran entre 0.2 Thom y 0.3 Thom. Temperaturas superiores provocan un rápido sobreenvejecimiento. T envejecimiento artificial = 120°C - 171°C d) Un sobreenvejecimiento total implica que toda la fase θ ha perdido la coherencia con la matriz y ha formado precipitados gruesos. La cantidad total de fase θ presente puede por lo tanto estimarse a partir del diagrama de equilibrio para esa temperatura. En la figura siguiente se muestra con mayor detalle el diagrama Al-Cu hasta temperatura ambiente. α Fases: Composición: 0.02% Cu θ 700 L + ε2 660°C 650 L 600 Temperatura °C Se traza la isoterma de 25°C y se calculan las composiciones de cada fase. Para la aleación con 4.5%, las fases presentes son α, solución sólida de Cu en Al, y la fase intermedia θ que ha precipitado. La proporción de fase θ en la estructura se calcula de forma inmediata mediante la regla de la palanca. 750 550 α 5.65 548°C 33.2 52.5 500 450 α+θ 350 27°C 300 0 Al 10 θ + η1 54.0% 4.5% 0.02% θ θ + η2 400 20 30 40 % en peso de cobre 54.0% Cu Proporción de θ: (4.5-0.02)/(54-0.02) = 0.083 Existe por tanto un 8.3% de fase θ en la aleación sobreenvejecida. 110 L + η1 L+α 50 60 70 Unidad 6 – Endurecimiento por aleación. Aleaciones con solubilidad parcial en estado sólido Solución al problema 6.3 a) Transformaciones eutécticas Transformación Composición (% Ni) Temperatura (°C) L⇔β+γ 27.9 924 L⇔δ+ε 65.7 1118 L⇔ε+ζ 86.1 1304 Composición (% Ni) Temperatura (°C) β⇔α+γ 5.5 765 δ⇔γ+ε 54.5 630 b) Transformaciones eutectoides Transformación c) La curva de enfriamiento (Temperatura - Tiempo) se traza en la figura siguiente, junto al diagrama. θ 1800 1700 1670°C 1600 Líquido Temperatura °C 1500 1400 1300 L+β 1200 1100 1000 β 900 11 942°C 27 27.9 765°C 800 37.8 γ 5.5 α 700 600 0 10 20 30 40 t Ti % en peso de níquel Obsérvese que se cumple lo siguiente: • La aparición de una nueva fase provoca un cambio en la pendiente de la curva. • El paso por líneas horizontales de transformaciones singulares (eutéctico y eutectoide) requiere un lapso de tiempo a dicha temperatura para completar la reacción, por lo que se observa una meseta horizontal en la curva de enfriamiento. d) La aleación se encuentra en una zona bifásica de L + β. Los puntos de corte de la isoterma de 111 Cuestiones y ejercicios de Fundamentos de Ciencia de Materiales 1000°C con las líneas del diagrama que separan a esta zona de las respectivas zonas monofásicas: β por la izquierda y L por la derecha, nos dan la composición de cada fase. A partir de los valores de composición pueden calcularse las proporciones de cada fase, aplicando la regla de la palanca: β L 11% Ni 27% Ni (27-20)/(27-11) (20-11)/(27-11) = 43.75% = 56.25% fases Composición Proporción Solución al problema 6.4 a) En las zonas bifásicas coexisten las fases que se encuentran a izquierda y derecha de dicha zona. En la figura siguiente se muestra el diagrama completo. b) La curva de enfriamiento (Temperatura - Tiempo) se ha trazado junto al diagrama. 1100 1084.5 ° Temperatura °C 900 L+α α 800 13.5 700 600 500 400 799° 22.0 β 15.8 15.8 24.6 590 586° ° 520° 27.0 100 0 γ ζ 676° α+γγ δ α+δ δ 11.0 300 200 L+β β β+γγ 25.5 756° 30.6 (Cu) α θ L 1000 ~350° 640° ε 582° 58.6 L+εε δ+εε 59.0 32.55 1.3 % a 200° α+εε ε+η η 189° ε+η η’ 415° L+η η η 60.9 60.3 η’ 92.4 227° 186° 231.968° 99. 1 η+β β(Sn)(β - Sn) η'+β β(Sn) 13° (α - Sn) 100 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 Sn Cu Porcentaje en peso de estaño t Obsérvese que se cumple lo siguiente: • La aparición de una nueva fase provoca un cambio en la pendiente de la curva. • El paso por líneas horizontales de transformaciones singulares (eutéctico, eutectoide, peritéctico, etc.) requiere un lapso de tiempo a dicha temperatura para completar la reacción (eutéctico, eutectoide, peritéctico, etc.), lo que se manifiesta por una meseta horizontal en la curva de enfriamiento. c) La aleación se encuentra en una zona bifásica de L + α(Cu). Los puntos de corte de la isoterma de 850°C con las líneas del diagrama que separan a esta zona de las respectivas zonas monofásicas: α(Cu) por la izquierda y L por la derecha, nos dan la composición de cada fase. A partir de los valores de composición pueden calcularse las proporciones de cada fase, aplicando la regla de la palanca: 112 Unidad 6 – Endurecimiento por aleación. Aleaciones con solubilidad parcial en estado sólido fases Composició n α L 8% Cu 23% Cu 950 900 (23-20)/(23-8) (20-8)/(23-8) = 20% = 80% 800 d) Inmediatamente debajo de 520°C la aleación se encuentra en una zona bifásica α + δ, donde la fase α aparece en dos constituyentes: formando parte junto con δ del eutectoide (27% Sn), y como α proeutectoide que ya se había formado a temperaturas por encima de 520°C. Puede estimarse la cantidad relativa de cada tipo de grano: α proeutectoide, aplicando la regla de la palanca entre la línea de solvus por la izquierda, que da la composición de α (15.8% Sn), y la composición eutectoide (27% Sn). En este caso se tendrá: Constituyentes: Proporción: 13.5 799° 22.0 β 700 (Cu) 650 600 15.8 550 15.8 500 L 23 750 Temperatura °C Proporción 8 850 25.5 756° 30.6 γ ζ 590° 24.6 586° 520° 27.0 450 676° δ 400 ~350° 11.0 350 32.55 300 0 10 20 30 Cu % en peso de estaño α proeutectoide Eutectoide (32-27)/(32-15.8) (27-15.8)/(32-15.8) = 30.8% = 69.2% 40 Solución al problema 6.5 Apartados a y d) Transformaciones de la fase α. Comienza su aparición a 1825°C. Por encima no existe. Entre 1825 y 1700°C aparece mezclada con la fase γ. Entre 1700 y 1500°C aparece mezclada con la fase δ. Entre 1825 y 1700°C: Composición: Viene dada por la línea del diagrama que separa la zona monofásica a de la zona bifásica α+γ: varía desde 2% B a 1825 hasta 9.7% B a 1700°C. Proporción: Viene dada por la regla de la palanca en la zona bifásica α + γ: Aumenta progresivamente desde: hasta un 0 α a 1825°C (34.2-20)/(34.2-9.7) = 0.58 a 1700°C. Entre 1700°C y 1500°C: La fase γ desaparece completamente por la reacción eutectoide: γ = α + δ, dándose en esta zona la existencia de fases α y δ. Composición de α: Viene dada por la línea del diagrama que separa la zona monofásica α de la zona bifásica α + δ. varía desde 9.7% B a 1700°C hasta 5% B a 1500°C. 113 Cuestiones y ejercicios de Fundamentos de Ciencia de Materiales Proporción: Viene dada por la regla de la palanca en la zona bifásica α + δ: A 1700°C - ∆T, justo debajo del eutectoide vale: La proporción de α disminuye progresivamente conforme desciende la temperatura hasta que a 1500°C, se tiene: % α = 100 (62.5-20)/(62.5-5) = 73.9% α Los resultados se muestran gráficamente en las figuras siguientes. Apartados b), c), e) y f): fases γ y δ. Composición α, γ y δ γ 1900 1863° 1800 1700° 1700 9.7 34.2 δ 1600 α 1500 0 Las correlaciones correspondientes a las fases γ y δ, se presentan indicadas en las figuras siguientes. 2022° 63.2 2000 Temperatura °C % α = 100 (62.5-20)/(62.5-9.7) = 80.5% α, siendo el resto δ de composición 62.5% B 2100 A 10 20 30 40 Porcentaje de B 50 60 70 2100 °C 2000 1900 1825°C 1800 %α 1700 %γ 1700°C %δ 1600 1500 0 20 40 60 80 % 100 Solución al problema 6.6 a) Las transformaciones eutécticas tienen lugar a las temperaturas y proporciones siguientes: Contenido en oro (%) 52.0 67.5 86.0 Temperatura (°C) 1367 1310 1385 b) El único eutectoide del diagrama tiene una composición del 15% de Au a una temperatura 832°C. c) En la figura se representa el registro de enfriamiento de la aleación con un 30% de Au, que 114 Unidad 6 – Endurecimiento por aleación. Aleaciones con solubilidad parcial en estado sólido inicia la solidificación a fase β alrededor de los 1550°C, finalizando la misma a los 1460°C. A partir de esa temperatura tenemos una sola fase, fase β del Ti, que ha partir de los 1200°C precipita una fase Ti3Au. A los 832°C la fase β restante, sufre transformación eutectoide en fase α + fase Ti3Au Solución al problema 6.7 a) Las transformaciones eutécticas tienen lugar a las temperaturas y proporciones siguientes: Contenido en niobio (%) 18.6 75.0 55.0 Temperatura (°C) 1373 1400 1535 b) El único eutectoide del diagrama tiene una composición del 2.5% de Nb a una temperatura 1210°C. c) En la figura se representa el registro de enfriamiento de la aleación con un 10% de Nb, que inicia la solidificación a fase δ alrededor de los 1420°C, finalizando la misma a los 1373°C, donde tiene lugar la transformación eutectoide. Desde esta temperatura hasta la de 1210°C, donde tiene lugar la transformación eutectoide, pasando de fases δ + ε, a las fases γ + ε. A los 961°C la fase γ sufre una transformación en fase α. d) Aleación del 30% Nb A temperatura de 1211°C, estarán presentes las fases δ (2.5% Nb) y ε (38% Nb), con los siguientes porcentajes: 38 − 30 %δ = = 22.5 % 38 − 2.5 %ε 30 − 2.5 38 − 2.5 = = 77.46 % A temperatura de 1209°C, estarán presentes las fases γ (1.5% Nb) y ε (38% Nb), con los siguientes porcentajes: %γ %ε = 38 − 30 38 − 15 . = 2191 . % = 30 − 15 . 38 − 15 . = 78.09 % e) Representación gráfica de la aleación 30% de Nb, a distintas temperaturas: 1211°C 1209°C Ε Εutectoide ε Ε ε ε ε ε ε ε ε Ε ε ε Ε ε Εutectoide ε ε Εutectoide ε ε ε ε 115 Cuestiones y ejercicios de Fundamentos de Ciencia de Materiales Solución al problema 6.8 a) En los gráficos se señalan las diferentes etapas del proceso de precipitación. θ1 Solubilización Temple Envejecimiento θ2 Solubilización θ1 t1 Temple Envejecimiento θ2 t2 t1 t2 Plastificación (A) (B) b) El diagrama de fases debe presentar solubilidad parcial en estado sólido con curva de solvus. c) El proceso de deformación plástica mejora la nucleación de precipitados, aumentando las características mecánicas. d) La temperatura de envejecimiento debe ser inferior a la temperatura de recristalización de la aleación, para que no pierda las propiedades mecánicas obtenidas con la deformación plástica. Solución al problema 6.9 a) Las fases presentes a cada temperatura, serán, según el diagrama de equilibrio: 1204°C 980°C 830°C 600°C L + (Ni) σ’ + (Ni) σ’ + Ni2V σ + Ni2V 2000 1910°C 1800 L 1600 1400 58.1 1200 47 40 (Ni) 1045°C 1000 29.5 908° 922° 800 1202° 51 890° 51 600 Mag. Trans. 70.7 790° 76.3 900° 88.1 650° ~72 405°C σ Ni2V NiV 3 Ni5 V 400 (V) 73 σ´ 36 35.2 1280° 64 Ni3 V Temperatura °C 1455°C 200 0 Ni 10 20 30 40 50 60 70 Porcentaje en peso de vanadio 80 90 100 V b) La cantidad de fases presentes a 950°C, será, considerando el porcentaje de vanadio en la fase σ’ de un 51 % y en la fase α(Ni) de un 36 %. 116 Unidad 6 – Endurecimiento por aleación. Aleaciones con solubilidad parcial en estado sólido 45 − 36 51 − 36 %σ' = = 51 − 45 51 − 36 % ( Ni ) = 60 % = 40 % c) La cantidad de cada tipo de grano vendrá dada por la proporción de granos ricos en níquel, fase (Ni), y de granos eutécticos a la temperatura de 950°C. % Eutectico = % ( Ni ) 45 − 36 47 − 36 47 − 45 47 − 36 = = 818 . % = 18.2 % Eutectoide d) La microestructura obtenida a los 830°C será como la representada en la figura, con una combinación de granos con transformación eutectoide procedentes de los granos con transformación eutéctica a mayores temperaturas y formando matriz la fase σ’. Fase σ’ Solución al problema 6.10 Temperatura °C a) En el diagrama se representa el esquema de las microestructuras que se obtendrían a cada temperatura. 1800 1700 1600 1500 1400 1300 1200 β β 1670°C L β β L Líquido 1455°C Eutéctico 1100 1000 900 800 700 600 β β β β 984°C 37.8 942°C β 27.9 765°C Ti 20 30 86.1 1118°C 65.7 ε δ ζ Euectoide Fase γ 54.5 10 1304 γ 5.5 α 0 1380°C 1310°C 54.9 40 50 630°C 60 70 80 Porcentaje en peso de níquel 90 100 Ni 117 Cuestiones y ejercicios de Fundamentos de Ciencia de Materiales b) Las fases, composición y proporción en cada uno de las tres temperaturas será la siguiente: A 1050°C habrá dos fases, fase β con un 11% de Ni y fase líquida con un 26% de Ni, cuya proporción vendrá dada por: %β = 26 − 22 = 26,67% 26 − 11 %líqido = 22− 11 = 73,33% 26−11 A 850°C habrá dos fases, fase β con un 8% de Ni y fase γ con un 37% de Ni, cuya proporción vendrá dada por: %β = 37 − 22 = 51,72% 37 − 8 %γ = 22−8 = 48,28% 37−8 A 700°C habrá también dos fases, fase α con un 1% de Ni y fase γ con un 37,5% de Ni, cuya proporción vendrá dada por: %α = 37,5−22 = 42,47% 37,5 − 1 %γ = 22−1 = 57,53% 37,5 − 1 Solución del problema 6.11. a) la curva de enfriamiento será como la representada en la figura, donde se especifican las temperaturas de transformación y las fases en cada zona. Temperatura 1520°C L+β 1100°C Fase β 870°C Fases β + γ Eutectoide (α + γ) + γ Tiempo 1800 1700 1600 1500 1400 1300 1200 1100 1000 900 765°C 800 700 600 1670°C 1380°C 1310°C 54.9 984°C 37.8 942°C β 27.9 1304 86.1 1118°C 65.7 δ ε4 ζ γ 765°C 5.5 54.5 α 0 Ti 118 Líquido 1455°C Temperatura °C Líquido 10 20 30 40 50 630°C 60 70 80 Porcentaje en peso de níquel 90 100 Ni Unidad 6 – Endurecimiento por aleación. Aleaciones con solubilidad parcial en estado sólido b) Para un 10 % de níquel tendremos como constituyentes microestructurales granos eutectoides de transformación de la fase β, con una composición de 5.5% de Ni, y fase γ precipitada en borde de grano, con una composición de 38% de Ni. Con ello la proporción de los granos será: % gra nos eutectoides % gra nos γ = = 38 − 10 38 − 5.5 10 − 5.5 38 − 5.5 = 86.15% = 13.85% Para la aleación con el 30% de níquel tendremos granos, inicialmente, granos proeutecticos γ envueltos por los granos eutecticos que sufrirán más tarde la transformación eutectoide correspondiente % gra nos eutectoides % gra nos γ = = 38 − 30 38 − 5.5 30 − 5.5 38 − 5.5 = 24.62% = 75.38% Solución del problema 6.12. a) Desde los 1200°C hasta los 650°C no presenta transformación alguna, es a partir de los 865°C aproximadamente cuando inicia la transformación alotrópica de fase (βTi) a fase (αTi), que continua la transformación hasta los 832°C donde tiene lugar la transformación eutectoide, por lo que su microestructura será la correspondiente a una aleación hipoeutectoide. A partir de esta temperatura y hasta los 700°C ya no muestra ninguna otra transformación. b) La microestructura será la correspondiente a una aleación hipoeutectoide, con aproximadamente una mitad de granos α proeutectoides y granos eutectoides. Εutectoide Fase α = 58 − 10 58 − 4.5 Ti 3 Au α α α α c) Las fase a 700°C serán fase α con un 4.5 % de Au e intermetálico Ti3Au con un 58% de Au. La proporción de estas fases será: Εutectoide α α α α α Εutectoide α α α α = 89.7% = 10 − 4.5 58 − 4.5 = 10.3% d) La microestructura, a 700°C, de la aleación con un 60% de oro, estará formada por granos de intermetálico Ti3Au, del tipo proeutéctico, solidificados desde los 1395°C hasta los 1310°C donde tendrá lugar la solidificación del resto de líquido mediante transformación eutéctica que se conformará mediante láminas de intermetálico Ti3Au y fase γTiAu. De manera aproximada tendría un 25% de granos proeutecticos y una 75% de estructura eutéctica rodeando o envolviendo a los anteriores. 119