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Endurecimiento Superficial: Carburación y Nitruración

Los procesos de endurecimiento superficial tienen como objetivo principal el obtener una superficie dura y resistente al desgaste, manteniendo al mismo tiempo un núcleo suave y tenaz. En muchas aplicaciones, la resistencia alcanzada en el núcleo no es importante o crítica y únicamente se busca generar una superficie con suficiente resistencia al desgaste.En otras aplicaciones, además de la alta dureza superficial también es importante generar en el núcleo alta resistencia y tenacidad. Para producir esta combinación de diferentes propiedades en la superficie y núcleo, es necesario recurrir a tratamientos de endurecimiento más especializados en los cuales únicamente una delgada capa superficial se endurece.


Los procesos que se encuentran son la carburización, carbonitruración, nitruración, nitrocarburización y boronizado. Dado que en todos estos procesos está involucrado un calentamiento y un cambio de composición, comúnmente también se les da el nombre de tratamientos termoquímicos. En la tabla 1 se presentan las características básicas de los procesos detratamiento termoquímicos.En los métodos de endurecimiento selectivo, el acero es rápidamente austenitizado, de modo que solamente una capa superficial alcanza el estado austenítico. La transformación de esta austenita a martensita genera la dureza y resistencia al desgaste de la superficie. El temple por inducción y el temple a la llama son los dos procesos principales que pertenecen a este grupo, aunque recientemente se han incorporado otros tales como el endurecimiento mediante láser y el endurecimiento con haz de electrones.

Tratamientos termoquímicos.

- Carburación.
La carburización es un proceso en el cual un acero en estado austenítico es puesto en contacto con un medio ambiente capaz de transferir átomos de carbono a la superficie del acero. Una vez que el carbono ha sido absorbido en la superficie, se difunde hacia el interior dando origen a un gradiente de concentración. .Obtenido el gradiente, el acero se templa, generalmente en aceite. La naturaleza continua dela transición entre la superficie rica en carbono y el núcleo de bajo carbono, combinado con la secuencia de transformación de la austenita de todo el componente durante el temple, da por resultado un gradiente microestructural y un perfil de esfuerzos residuales que definen las propiedades características de la superficie carburizada.

El proceso de carburización se usa en la producción de todo tipo de partes en las cuales se requiera de una superficie dura, rica en carbono, junto con un núcleo tenaz con bajo contenido de carbono. Los aceros comúnmente utilizados para carburización contienen entre 0.10 y 0.25 por ciento en peso de carbono. Algunos aceros AISI-SAE típicos son 1018, 4320 y 8620.

La carburización se lleva a cabo normalmente en el intervalo de 850 a 950 °C,aunque se pueden utilizar también temperaturas menores o mayores a este intervalo. La adición de carbono a la superficie del acero se puede llevar a cabo mediante un gas(carburización gaseosa), un baño de sales fundidas (carburización líquida) o mediante uncompuesto sólido (carburización en caja o sólida).

- Nitruración.

La nitruración es un tratamiento termoquimico que se le da al acero. El proceso modifica su composición añadiendo nitrógeno mientras es calentado. El resultado es un incremento de la dureza superficial de las piezas. También aumenta la resistencia a la corrosión y a la fatiga. Una variante de este tratamiento, es el proceso tenifer.

La nitruración puede ser en horno gaseoso, en baño de sales fundidas o iónica. En el primer caso la pieza se introduce en un horno en el que se llena la atmósfera con amoníaco y luego se calienta a temperaturas de aproximadamente 500°C. Esto hace que el amoníaco se descomponga en nitrógeno e hidrógeno; el hidrógeno se separa del nitrógeno por diferencia de densidad y el nitrógeno, al entrar en contacto con la superficie de la pieza, forma un recubrimiento de nitruro de hierro.

En el caso de la nitruración en baño de sales fundidas, las piezas se colocan en un crisol aireado con sales de cianuros, cianatos y carbonatos de sodio y/o potasio a una temperatura comprendida entre 525-650°C, usualmente 565°C, durante un tiempo comprendido entre los 60 y 240 minutos, dependiendo del espesor de capa de nitruro de hierro (Fe2N) que se quiera lograr.
El cianato en presencia de oxígeno libera iones carbonato, monóxido de carbono y nitrógeno atómico, el que se combina con el hierro metálico formando nitruro de hierro.

La nitruración se aplica principalmente a piezas que son sometidas regularmente a grandes fuerzas de rozamiento y de carga, tales como pistas de rodamientos, camisas de cilindros, árboles de levas, engranajes sin fin, etc. Estas aplicaciones requieren que la piezas tengan un núcleo con cierta elasticidad, que absorba golpes y vibraciones, y una superficie de gran dureza que resista la fricción y el desgaste.

Las piezas que se hayan pasado por un proceso de nitruración se pueden usar en trabajos con temperaturas de hasta 500 °C (temperatura de nitruración), temperatura a la cual el nitrógeno comienza a escaparse de la pieza, eliminando los efectos de la nitruración y disminuyendo la dureza de la pieza.

Endurecimiento por Precipitación

ENDURECIMIENTO POR PRECIPITACIÓN 

El envejecimiento térmico, también conocido como endurecimiento por precipitación es un tratamiento térmico para endurecer, es decir, aumentar la dureza y resistencia de las aleaciones. Se basa en la deposición de fases meta estables en forma finamente dividida, de modo que forma una barrera eficaz contra los movimientos de las dislocaciones. La resistencia a la fluencia de las aleaciones así tratadas puede aumentar hasta 300 MPa.

El endurecimiento por precipitación, se basa en los cambios de la solubilidad de sólido con la temperatura para producir partículas finas de una impureza de fase, que impiden el movimiento de dislocaciones o defectos a través de la estructura del cristal. Dado que las dislocaciones son a menudo los operadores dominantes de la plasticidad, esto sirve para endurecer el material. Las impurezas desempeñan la misma función que los refuerzos en los materiales compuestos reforzados.

Así como la formación de hielo en el aire puede producir nubes, nieve o granizo, dependiendo de la historia térmica de una porción dada de la atmósfera, la precipitación de los sólidos puede producir diferentes tamaños de partículas, que tienen propiedades radicalmente diferentes. A diferencia del temple ordinario, las aleaciones deben mantenerse a temperatura elevada durante horas para permitir que la precipitación tenga lugar. Este retardo de tiempo se denomina envejecimiento.

Dos tratamientos térmicos diferentes que implican precipitados pueden alterar la fuerza de un material: tratamiento térmico por solución sólida y el tratamiento térmico de precipitación. Endurecimiento por solución sólida implica la formación de una solución sólida de una sola fase a través de temple. El tratamiento térmico por precipitaciones implica la adición de partículas de impurezas para aumentar la resistencia de un material

Insterticios para el Hierro FCC y BCC

En el hierro BCC se espera 2 átomos de hierro por cada celda unitaria (1 central más los 4 cuartos de los vértices). Se pueden determinar 24 sitios intersticiales tetraédricos, sin embargo, como cada sitio está en una cara de la celda unitaria, sólo la mitad de cada sitio pertenece de forma exclusiva a una sola celda. Por lo que:

(24 sitios) * ½ = 12 sitios intersticiales por cela unitaria.

BCC

Ilustración 1. Estructura BCC

Si se llenaran todos los sitios intersticiales, el porcentaje atómico de carbono contenido en el hierro sería: 

En cambio, en la estructura FCC del hierro se esperan 4 átomos de hierro en cada celda unitaria (3 átomos de las caras y 1 de los vértices). La cantidad de sitios interticiales octaédricos que se pueden determinar dentro de una celda unitaria son:

FCC

Ilustración 2. Estructura FCC

Por lo que, si se llenaran todos los sitios intersticiales, el porcentaje atómico de carbono contenido en el hierro sería: 

No obstante, el espacio intersticial en la estructura BCC está menos aprovechado ya que está formado por, principalmente, intersticios tetraédricos. Los espacios tetraédricos tienen un hueco capaz de acomodar una esfera de radio igual o inferior a 0.225r, siendo r el radio del átomo de hierro. Paralelamente, los intersticios octaédricos acomodan átomos de radio igual o inferior a 0,414r. La estructura FCC está formada mayoritariamente por intersticios octaédricos, por lo que el sitio intersticial en el hierro BCC es menor que en el hierro FCC. 

Siendo el radio atómico del hierro de 1,26A, el radio de la esfera que pueden albergar las estructuras BCC y FCC es de:

Radio (BCC) = 0,225r = 0,225x(1,26) = 0,284 A

Radio (FCC)= 0,414r = 0,414x(1,26) = 0,522 A

Aunque los dos son menores que el átomo de carbono (0,914 A), éste distorsiona más la estructura cristalina BCC que la FCC. 

En consecuencia, el porcentaje máximo de C que puede haber en el hierro BCC es del 1,0%, mientras que en el FCC es de 8,9%.

Se puede concluir que la presencia de átomos intersticiales de carbono causa una deformación en la estructura cristalina del hierro. En el caso particular del hierro BCC, la fracción de los sitios intersticiales ocupados es bastante más pequeña que en el FCC. De esta manera, a pesar de que la estructura BCC del Fe sea más compacta que la FCC, no puede disolver más carbono. 

Enfriamiento Hipereutéctico

Dados un disolvente y un soluto insolubles en estado sólido, existe para ellos una composición llamada mezcla eutéctica en la que, a presión constante, la adición de soluto ya no logra disminuir más el punto de fusión. Esto hace que la mezcla alcance el punto de congelación (en caso de líquidos, licuefacción) más baja posible y ambos se solidifiquen a esa temperatura (temperatura eutéctica).

En procesos a presión constante, el cambio de estado en el caso de un eutéctico, a diferencia de las mezclas tiene lugar a temperatura constante, como en el caso de componentes puros.

Cuando la composición de uno de los componentes es está al lado izquierdo del punto eutectico podemos concluir que es un punto perteneciente a la región HIPER-Eutectico o Hiper-Eutectoide dependiendo de las regiones bifasicas involucradas.

Demostración de la Regla de la Palanca

.____________._____________.

Xs                    Xo                      Xl

Wo= S + L (Balance de Masa) (1)

También: (Wo*Wo)/100 = (Xs*S)/100 + (Xl*L)/100 (2)

Cuando: L= Wo - S

Reemplazamos en (2)

Wo*Xo = Xs*S + Xl*(Wo-S)

Wo*Xo= Xs*S + Xl*Wo - Xl*S

Wo*(Xo-Xl) = S (Xs-Xl)

S= (Wo*(Xo-Xl)/Xs-Xl)

Reemplazamos en (2)

Wo*Xo = Xs(Wo-L) + Xl*L

Wo*Xo = Xs*Wo + Xs*L - Xl*L

Wo*(Xo-Xs) = L (Xl-Xs)

L= (Wo*(Xo-Xs)/Xl-Xs)

Cuando Wo= 100 %

% Liquido = (Xo-Xs)*100/(Xl-Xs)

Tratamientos Isotermicos

TRATAMIENTOS ISOTERMICOS

            Consisten en calentar el acero por encima de la temperatura crítica superior (A3) o inferior (A1) según los casos (generalmente 740 a 880°C) y enfriando luego hasta una temperatura de 600 a 700°C, que se mantiene constante durante varias horas, para conseguir la completa transformación isotérmica de la austenita. Las durezas obtenidas son muy bajas y pueden graduarse según la temperatura seleccionada.

Proceso Isotérmico.

            En este proceso la temperatura permanece constante.    Como la energía interna de un gas ideal sólo es función de la temperatura, en un proceso isotérmico de un gas ideal la variación de la energía interna es cero (∆U= 0) La curva hiperbólica se conoce como    isotérmica.

            De acuerdo con la primera ley de la termodinámica tenemos:

Q    = ∆U +W. Como ∆U    = 0, entonces, Q = W

            Este proceso se observa cuando en un pistón que contiene un gas, después de suministrarle calor y producir cambios tanto en la presión como en el volumen su temperatura permanece    constante.

Tratamientos Térmicos Aplicados al Acero

TRATAMIENTOS TÉRMICOS APLICADOS AL ACERO

El tratamiento térmico en el material es uno de los pasos fundamentales para que pueda alcanzar las propiedades mecánicas para las cuales está creado. Este tipo de procesos consisten en el calentamiento y enfriamiento de un metal en su estado sólido para cambiar sus propiedades físicas. Con el tratamiento térmico adecuado se pueden reducir los esfuerzos internos, el tamaño del grano, incrementar la tenacidad o producir una superficie dura con un interior dúctil. La clave de los tratamientos térmicos consiste en las reacciones que se producen en el material, tanto en los aceros como en las aleaciones no férreas, y ocurren durante el proceso de calentamiento y enfriamiento de las piezas, con unas pautas o tiempos establecidos.

Para conocer a que temperatura debe elevarse el metal para que se reciba un tratamiento térmico es recomendable contar con los diagramas de cambio de fases como el del hierro-carbono. En este tipo de diagramas se especifican las temperaturas en las que suceden los cambios de fase (cambios de estructura cristalina), dependiendo de los materiales diluidos.

Los tratamientos térmicos han adquirido gran importancia en la industria en general, ya que con las constantes innovaciones se van requiriendo metales con mayores resistencias tanto al desgaste como a la tensión. Los principales tratamientos térmicos son:

·     Temple: Su finalidad es aumentar la dureza y la resistencia del acero. Para ello, se calienta el acero a una temperatura ligeramente más elevada que la crítica superior Ac (entre 900-950 °C) y se enfría luego más o menos rápidamente (según características de la pieza) en un medio como agua, aceite, etcétera.

·      Revenido: Sólo se aplica a aceros posterior de templados, para disminuir ligeramente los efectos del temple, conservando parte de la dureza y aumentar la tenacidad. El revenido consigue disminuir la dureza y resistencia de los aceros templados, se eliminan las tensiones creadas en el temple y se mejora la tenacidad, dejando al acero con la dureza o resistencia deseada. Se distingue básicamente del temple en cuanto a temperatura máxima y velocidad de enfriamiento.

·      Recocido: Consiste básicamente en un calentamiento hasta la temperatura de austenización (800-925 °C) seguido de un enfriamiento lento. Con este tratamiento se logra aumentar la elasticidad, mientras que disminuye la dureza. También facilita el mecanizado de las piezas al homogeneizar la estructura, afinar el grano y ablandar el material, eliminando la acritud que produce el trabajo en frío y las tensiones internas.

·     Normalizado: Tiene por objetivo dejar un material en estado normal, es decir, ausencia de tensiones internas y con una distribución uniforme del carbono. Se suele emplear como tratamiento previo al temple y al revenido.

Tipos de Recocidos

TIPOS DE RECOCIDOS

Tratamiento térmico que consiste en calentar la pieza hasta una temperatura dada.  Posteriormente el acero es sometido a un proceso de enfriamiento lento en el interior del horno apagado.

De esta forma se obtienen estructuras de equilibrio.  Son generalmente tratamientos iniciales mediante los cuales se ablanda el acero.

Es tratamiento térmico muy utilizado y según las temperaturas que se alcanzan en el proceso se pueden distinguir los siguientes tipos

·         Recocido Completo: Afina el grano cuando ha crecido producto de un mal tratamiento. Se realiza en aceros hipoeutectoides.

·         Recocido Incompleto: Elimina tensiones. Sólo recristaliza la perlita. Es más económico que el anterior.

·         Recocido de Globulización: Mejora la mecanibilidad en los aceros eutectoides e hipereutectoides.

·         Recocido de Recristalización: Reduce tensiones y elimina la acritud.

·         Recocido de Homogenización: Elimina la segregación química y cristalina. Se obtiene grano grueso por lo que es necesario un recocido completo posterior.

Fases Intermedias

Las fases intermedias se llaman así porque son únicas y se presentan entre las fases terminales en un diagrama de fase.

Cualquier fase intermedia puede tratarse como otro componente en un diagrama de fase. Si la fase intermedia tiene un reducido intervalo de composición, como sucede en los compuestos intermetálicos y los compuestos intersticiales, entonces se represente en el diagrama como una línea vertical y se indica bajo la fórmula química del compuesto.

En la figura, se muestra la fase intermedia de la aleación como una línea vertical. Dado que un compuesto se indica como AB.

El sistema A-B puede separarse en dos partes independientes, una muestra las aleaciones entre A y el compuesto AB, y otra entre AB y B.

Determinación del Diagrama de Fases

DETERMINACIÓN DEL DIAGRAMA DE FASES

Existen esencialmente dos tipos de métodos de estudio de los sistemas temperatura-composición. Aquellos en los cuales se mantiene constante la temperatura y aquellos en los que se fija la composición. Se puede estudiar el sistema a temperatura constante según T1 o T2 (Métodos isotérmicos), figura 1. Se puede también en un amplio margen de temperaturas estudiar el comportamiento de unas muestras de composición fija según X1 o X2 (Métodos de isocomposición).

MÉTODOS ISOTÉRMICOS

Medida de solubilidades. Permite el trazado de la curva de liquidus mediante una separación de fases. Se separa la fase líquida de la fase sólida y se determina la composición de la fase sólida a esa temperatura mediante medios físicos o químicos.

Examen microscópico. Normalmente limitado al estudio de equilibrios sólido/sólido y a temperatura ambiente, aunque existen equipos microscópicos que permiten estudiar la variación de la microestructura con la temperatura ya que incorporan algún sistema de calentamiento.

Este estudio permite determinar la existencia de una o dos fases en el material y determinar los dominios de existencia de las fases intermedias. Podemos asegurar que las microestructuras observadas son de equilibrio ya que enfriamientos rápidos podrían llevar a microestructuras metaestables.

Rayos X. Se procede igual que para estudios microscópicos, es decir, las muestras de composiciones diferentes se recuecen a una determinada temperatura, y después se templan. En el intervalo de una solución sólida monofásica, la red cristalina es la misma pero el parámetro de red cambia progresivamente con la composición. El límite de la solución sólida será aquel en el que el parámetro de red permanece constante al aparecer otra fase. A partir de ese punto, el parámetro de red no cambia ya que las dos fases tienen la misma composición.

Medida de propiedades eléctricas. La más importante de todas es la conductividad eléctrica. Se representa en ordenadas la conductividad (inverso de la resistencia) a una temperatura constante y en abscisas la composición en porcentaje en volumen obtenido a partir de la densidad. En el primer caso los dos constituyentes están en estado puro y la gráfica presenta una línea recta. Si los dos constituyentes forman una solución sólida, el gráfico da una curva continua con un mínimo. En el caso de dos soluciones sólidas terminales, se pueden distinguir los dominios monofásicos y el bifásico. Estas medidas no son siempre fáciles ya que implican una preparación precisa de las muestras y dependen mucho de los defectos mecánicos y de la presencia de impurezas.

MÉTODOS DE ISOCOMPOSICIÓN

Estos métodos se llaman dinámicos, frente a los estáticos que se realizan a temperatura constante (isotérmicos), se estudia la evolución de una propiedad física y requieren en primer lugar alcanzar el estado de equilibrio. En los métodos de isocomposición la temperatura varía constantemente con la medida y no se espera que se alcance el equilibrio.

Análisis térmico. Es el método más importante dentro de este grupo. Este tipo de métodos es, con diferencia, el más empleado. El principio es bastante simple. Si la temperatura de un cuerpo que no sufre ningún cambio de fase se determina en función del tiempo durante el enfriamiento, la curva resultante no contendrá ningún salto. La existencia de un cambio de fase viene acompañada de un intercambio de calor que da lugar un retraso en el enfriamiento. En un componente puro cuando se alcanza la temperatura de solidificación, la temperatura se mantendrá constante debido a que se genera el calor latente de solidificación y a que al existir dos fases la temperatura debe permanecer constante. Durante el tramo horizontal de la curva, van cambiando las cantidades relativas de la fase sólida y líquida, hasta que se completa el paso al estado sólido.

En realidad, vemos que en el enfriamiento se sobrepasa ligeramente la temperatura de solidificación debido a que se produce un subenfriamiento debido a los impedimentos para la nucleación de la fase sólida. Cuando se produce por fin la nucleación y crecimiento la solidificación es tan rápida que puede producirse un recalentamiento prácticamente hasta la temperatura fusión al generarse el calor latente de solidificación y producirse la transformación a la temperatura de fusión. El final de la zona de temperatura constante no es abrupto. Normalmente existe un redondeamiento de la curva debido a errores experimentales.

En el calentamiento la fusión está precedida por un ligero sobre calentamiento y la zona de temperatura constante cae ligeramente por encima de la temperatura de fusión de equilibrio. Estos subenfriamientos y sobrecalentamientos son tanto menores cuanto menor sea la velocidad de enfriamiento o calentamiento.

En los equilibrios bifásicos, como la solidificación de una solución sólida, dan lugar a un cambio de pendiente de la curva de enfriamiento, que marca el inicio de la solidificación, que vuelve a cambiar cuando finaliza esta, produciéndose por tanto en un intervalo de temperaturas. El subenfriamiento y la segregación pueden modificar de forma importante la curva, figura Vuelve a aparecer un recalentamiento después del subenfriamiento inicial que hace que la curva se aproxime al trazado ideal por lo que la temperatura de liquidus se puede estimar extrapolando la zona de cambio de pendiente de la curva. El retorno a la pendiente original de la curva de enfriamiento indica la temperatura de solidus aunque su estimación es difícil debido al efecto de la segregación. Los equilibrios bifásicos en estado sólido producen muy pocos cambios en las curvas.

Los equilibrios invariantes, al ser isotérmicos producen una curva semejante a la de solidificación de un componente puro. Las curvas correspondientes a composiciones hipo e hipereutécticas son una mezcla de las dos anteriores. En las reacciones peritécticas la zona isotérmica es normalmente muy pequeña.

Basándose en estos fenómenos el análisis térmico consiste en distintas técnicas que estudian el comportamiento térmico de los materiales. Se trata de registrar diversas propiedades de una muestra en función de la temperatura durante el enfriamiento o calentamiento controlado (a velocidad constante) en una atmósfera especifica. Los fenómenos exotérmicos (en enfriamiento) o endotérmicos (en calentamiento) se ponen en evidencia y corresponden a líneas que se cruzan en el diagrama (liquidus, solidus o invariantes). Para realizar el análisis térmico el sistema ha de estar cerrado, es decir no se ha de producir transferencia de materia del exterior al interior o a la inversa.

Al realizar el análisis térmico se puede producir segregación, es decir, que a medida que se produce la solidificación los cristales sólidos se vayan al fondo y el líquido que sobrenada tenga una composición distinta, de tal forma que los datos recogidos por el termopar varíen dependiendo de la posición del mismo. Para evitar esto es necesario mantener el sistema agitado para homogeneizar la composición y para que los cristales sólidos se distribuyan homogéneamente en el líquido. Otro problema que puede producir errores es que el gradiente de temperatura dentro de la masa no sea constante, sino que existan gradientes térmicos a lo largo de la masa.

Vamos a comentar las que se utilizan con más frecuencia en la determinación de los diagramas de equilibrio.

1. Análisis térmico directo

Es el más simple. Se trata de medir la variación de temperatura en intervalos regulares de tiempo para distintas muestras de distintas composiciones. A partir de esos datos se obtiene la curva de la figura 10 A. En ella se observa que se pueden detectar cambios de pendiente que corresponden a cambios de fases.

2. Análisis térmico inverso

Se traza la curva de la variación de la temperatura con el incremento del tiempo respecto a la temperatura. En este caso se observa una mejor resolución de los puntos de modificación de la pendiente de la curva, por lo que es un método más preciso.

3. Análisis térmico derivado

Se traza la curva de variación de la temperatura con la variación de la temperatura respecto al tiempo, donde se muestran claramente los puntos de cambio de fases.

4. Análisis térmico diferencial (ATD)

Se registra la diferencia de temperaturas deltaT de una muestra con respecto a una muestra de referencia (material térmicamente inerte en ese rango de temperaturas) en función del tiempo cuando se varia la temperatura en una atmósfera controlada. Este método permite la detección de cualquier tipo de transformación en todos los materiales. De esta manera se pueden observar mejor los procesos térmicos ya que están mejor marcados que en el análisis directo. En los equipos de ATD se utilizan termopares para medir la temperatura de la muestra y de la referencia, y se representa la diferencia deltaT entre ambas. deltaT está relacionada con el cambio de entalpía deltaH.

5. Calorimetría diferencial de barrido (DSC)

Se determina en una atmósfera controlada la variación del flujo de calor en una muestra en función de la temperatura. Tanto en el enfriamiento como en el calentamiento cualquier transformación física o química que ocurra en el material viene acompañada de un intercambio de calor. Mediante la técnica de DSC se puede determinar la temperatura de la transformación y se puede cuantificar la cantidad de calor que interviene. Es una variación de la técnica anterior.

Dilatometría

Consiste en medir las variaciones de volumen que acompañan a los cambios de fase en una aleación. Se estudia la evolución de la longitud de una muestra durante el calentamiento o el enfriamiento. Se registra la variación de longitud con la temperatura, pudiéndose observar que se produce una variación del comportamiento cuando se pasa de un campo monofásico a uno bifásico. En los equilibrios invariantes se produce un cambio brusco de longitud. Las curvas de calentamiento y enfriamiento no se superponen en la mayoría de los casos debido a los sobrecalentamientos y a los subenfriamientos y se manifiesta un fenómeno de histéresis.

Podemos ver como a partir de los datos de dilatometría de una muestra de composición determinada, se pueden determinar los datos que permiten el trazado de las líneas del diagrama de equilibrio.

Difracción de rayos X a temperatura variable

Se puede obtener un diagrama de rayos X de la muestra mientras se eleva la temperatura regularmente. Tiene el inconveniente de que hay que alcanzar el equilibrio entre las dos fases durante el calentamiento para que los datos obtenidos sean fiables.

Medidas de conductividad eléctrica

Sirven para determinar la curva de solidus de las soluciones sólidas ya que cuando comienza la fusión la resistencia eléctrica de los metales aumenta fuertemente.

Método de temple

Se utiliza para observar el estado de equilibrio obtenido a temperaturas elevadas. Se trata de utilizar una serie de muestras de la misma composición a las que se las calienta a una temperatura determinada y después de intervalos determinados de tiempo se sacan del horno y se templan. Se evalúa la cantidad de fase transformada por algún método como el análisis de imagen.

Métodos de observación directa

Se pueden utilizar microscopios con platinas calientes o frías en las cuales se observan directamente los cambios de fase que se van produciendo a medida que se calienta o de enfría un sistema.

Sistemas Eutécticos

SISTEMAS EUTÉCTICOS

     La reacción eutéctica constituye la transformación de solidificación completa del líquido. Este tipo de reacción corresponde a un punto fijo en el diagrama de fases, es decir, ocurre a una temperatura y composición determinada, y dicho punto posee cero grados de libertad (ver Regla de las fases de Gibbs). A partir de una muestra sólida, a cualquier composición distinta de la eutéctica, la muestra no fundirá completamente independientemente de la temperatura a la que nos encontremos. En el caso particular de la aleación Pb-Sn, podemos ver en la figura que dicho punto eutéctico ocurre para una temperatura T=183ºC y para una composición del sistema de 61.9% de Sn.

Asimismo, podemos observar que la microestructura que proviene de la reacción eutéctica es muy característica. Consiste en una estructura laminada en la que los dos componentes de la aleación A puro y B puro, se disponen en capas alternadas.

En este tipo de reacción incluso durante el enfriamiento lento de la muestra con composición eutéctica a la temperatura eutéctica, el sistema debe transformarse desde el estado líquido al estado sólido con relativa rapidez. La limitación existente en el tiempo disponible para la transformación evita una difusión significativa. La segregación de los átomos de A y B (que se encontraban mezclados de forma aleatoria en el estado líquido) en  fases sólidas distintas debe llevarse a cabo, por consiguiente, a corta escala. Aparecerán en general distintas morfologías para los distintos sistemas eutécticos, pero siempre que sean estables, por lo general, tendrán tamaño de grano fino.

Regla de la Palanca

REGLA DE LA PALANCA

La regla de la palanca es el método empleado para conocer el porcentaje de fase sólida y líquida presentes en una aleación de una cierta concentración cuando se encuentra a una determinada temperatura.

El protocolo a seguir consiste en entrar en el diagrama de equilibrio de la aleación AB por la línea de concentración que deseamos analizar, línea vertical X y por la línea isoterma de la temperatura indicada, línea horizontal L-O-S.

La intersección de la isoterma con las líneas de liquidus y de solidus determina unos puntos de intersección, los puntos L y S.

La intersección de la isoterma con la línea de concentración de nuestra aleación determina el punto O.

Si proyectamos sobre el eje de concentraciones esos puntos de intersección se obtienen las concentraciones de la fase líquida, wL y de la fase sólida, wS, así como de la muestra que vamos a estudiar.

Una vez determinadas estas concentraciones, aplicando la regla de la palanca podemos obtener el porcentaje de cada una de las fases en las condiciones del problema.

                                              

También podemos calcular el porcentaje de una fase como la diferencia entre el 100% y el porcentaje de la otra fase.

Defecto Cristalino

Defecto cristalino

Un defecto cristalino es cualquier perturbación en la periodicidad de la red de un sólido cristalino. El cristal perfecto es un modelo ideal, en el que las diferentes especies (ya sean moléculas, iones u átomos neutros) están colocados de forma periódica y regular, extendiéndose hasta el infinito. En la realidad, cualquier cristal presenta defectos en este modelo ideal, empezando por el hecho de que no hay cristales infinitos.

Son estos defectos cristalinos los que dan las propiedades más interesantes de la materia, como la deformación plástica, la resistencia a la rotura, la conductividad eléctrica, el color, la difusión.

Clasificación

Según sean intrínsecos o extrínsecos

En primer lugar, se clasifican en intrínsecos y extrínsecos:

·         Intrínsecos: naturales, propios del material, salto de los propios átomos.

·         Extrínsecos: impurezas, precipitados.

Según su dimensión.

Se distinguen 4 tipos de defectos:

·   Puntuales: de 0 dimensiones, afectan a un punto de red, perturbando únicamente a vecinos más próximos.

·         Vacante o Vacancia: El defecto vacante es cuando un átomo que se encuentra normalmente en la red cristalina deja de estarlo, dejando así un espacio vacío.

·         Átomo intersticial: El defecto intersticial es cuando un átomo extra se introduce en un lugar de la estructura cristalina donde no se encuentra normalmente.

·         Átomo sustituciones: En este defecto se sustituye un átomo de la estructura cristalina por otro. Se debe tomar en cuenta que el radio del átomo no debe ser diferente de un 15% ya sea en mayor o menor proporción ya que podrían ocurrir perturbaciones en el material. Un átomo de mayor radio hará que los átomos vecinos sufran una compresión, y un átomo surtido de menor radio hará que los átomos vecinos sufran una tensión.

·         Átomo sustituciones grande.

·         Defecto Frankl: Este defecto es una combinación entre el defecto de vacancia e intersticial, donde un átomo que se encuentra en un lugar normal de la estructura cristalina salta hacia un lugar intersticial dejando así una vacancia.

·         Defecto Schottky o de par iónico: en una de vacancias donde ocurren en los enlaces iónicos, donde se debe mantener en equilibrio la estructura cristalina cuando se deja una vacancia de un anión también debe dejarlo un catión. para lo dicho anterior mente un equilibrio en la red. igual debe encontrarse la misma cantidad de aniones como de cationes.

·         Impurezas.

·         Defectos de antiestructura.

                    

·         Defectos lineales: se extienden en una dirección, y afectan a una fila de puntos de red:

·         Dislocaciones

·         Defectos de superficie: se extienden en dos dimensiones:

·         Superficie del cristal.

·         Borde, frontera o límite de grano.

·         Defectos de apilamiento.

·         Maclas.

·         Defectos Volumétricos: de 3 dimensiones, distorsionan fuertemente la red. Suelen estar     formados por la agrupación de defectos puntuales:

·         Cavidades.

·         Precipitación de fases

Soluciones Solidas

Una solución sólida es una solución en estado sólido de uno o más solutos en un disolvente.

El soluto puede incorporarse dentro de la estructura cristalina del disolvente bien mediante sustitución, reemplazando cada átomo del disolvente por un átomo del soluto (y formará una solución sólida sustitucional), o bien de forma intersticial, encajándose los átomos de soluto dentro del espacio que hay entre los átomos del disolvente. Ambos tipos de solución sólida afectan a las propiedades del material ya que distorsionan, aunque sea poco, la estructura cristalina y porque perturban la homogeneidad física y eléctrica del material disolvente.

Existen 2 tipos de soluciones sólidas:

• Sustitucional: El átomo o ion del soluto, ocupa el lugar de los átomos o iones del solvente
• Intersticial: El átomo o ion del soluto se coloca en el intersticio de la celda unitaria del solvente.

Diagramas de Fases

Se denomina diagrama de fase o diagrama de estados de la materia, a la representación entre diferentes estados de la materia, en función de variables elegidas para facilitar el estudio del mismo.1​ Cuando en una de estas representaciones todas las fases corresponden a estados de agregación ,diferentes se suele denominar diagrama de cambio de estado.

Los diagramas de equilibrio pueden tener diferentes concentraciones de materiales que forma una aleación a distintas temperaturas. Dichas temperaturas van desde la temperatura por encima de la cual un material está en fase líquida hasta la temperatura ambiente y en que generalmente los materiales están en estado sólido.

Diagrama de Fases para Sustancias Puras

Existen diferentes diagramas según los materiales, sean totalmente solubles en estado sólido y líquido, o sea miscibles, o que sean insolubles. También pueden darse casos particulares.

Uno de los diagramas de equilibrio más clásico es el de los aceros que tiene particularidades, donde afecta claramente la concentración y las diferentes cristalizaciones que pueden darse en el hierro en estado sólido y a diferentes temperaturas.

Pares (presión, temperatura) de transición de fase entre:

Dos fases sólidas: Cambio alotrópico

Entre una fase sólida y una fase líquida: fusión - solidificación

Entre una fase sólida y una fase vapor (gas): sublimación - deposición (o sublimación inversa)

Entre una fase líquida y una fase vapor: vaporización - condensación (o licuefacción)

Diagrama de Fases binarios

Cuando aparecen varias sustancias, la representación de los cambios de fase puede ser más compleja. Un caso particular, el más sencillo, corresponde a los diagramas de fase binarios. Ahora las variables a tener en cuenta son la temperatura y la concentración, normalmente en masa.

Sistemas Isomorfos

Un diagrama de fases muestra las fases y sus composiciones para cualquier combinación de temperatura y composición de la aleación. Cuando en la aleación sólo están presentes dos elementos, se puede elaborar un diagrama de fases binario. Se encuentran diagramas de fases binarios isomorfos en varios sistemas metálicos y cerámicos. En los sistemas isomorfos, sólo se forma una fase sólida; los dos componentes del sistema presentan solubilidad sólida ilimitada.

Sistema Eutectico 

Las aleaciones eutécticas tienen dos o más materiales y tienen composición eutéctica. Cuando una aleación no eutéctica solidifica, sus componentes solidifican a diferentes temperaturas, exhibiendo un rango de fusión de plástico. De manera contraria, cuando una aleación eutéctica bien mezclada se fusiona, lo hace a una misma temperatura. Las transformaciones de varias fases ocurridas durante la solidificación de una composición de aleación específica puede ser entendida trazando una línea vertical desde la fase líquida a la fase sólida en el diagrama de fases de esa aleación.

Interferencias Luminosas

Se manifiesta cuando dos o más ondas se combinan porque coinciden en el mismo lugar del espacio. Cada onda tiene sus crestas y sus valles, de manera que al coincidir en un momento dado se suman sus efectos. Es frecuente que la interferencia se lleva a cabo entre una onda y su propio reflejo.

Interferencia constructiva: cuando dos ondas interfieren, en los puntos en que coinciden las dos crestas se dice que hay interferencia constructiva. En estos puntos se suman las amplitudes de las ondas.

Interferencia destructiva: al inferir dos ondas, en los puntos donde coincide una cresta de una onda con un valle de la otra onda se dice que hay interferencia destructiva. Las amplitudes en este caso se restan y pueden anularse por completo.

La interferencia puede producirse con toda clase de ondas, no sólo ondas de luz. Las ondas de radio interfieren entre sí cuando rebotan en los edificios de las ciudades, con lo que la señal se distorsiona. Cuando se construye una sala de conciertos hay que tener en cuenta la interferencia entre ondas de sonido, para que una interferencia destructiva no haga que en algunas zonas de la sala no puedan oírse los sonidos emitidos desde el escenario. Arrojando objetos al agua estancada se puede observar la interferencia de ondas de agua, que es constructiva en algunos puntos y destructiva en otros.

Lo esencial del fenómeno de interferencias consiste en que la suma de las dos ondas supuestas de igual amplitud no da lugar necesariamente a una perturbación doble, sino que el resultado dependerá de lo retrasada o adelantada que esté una onda respecto de la otra. Se dice que dos ondas alcanzan un punto dado en fase cuando ambas producen en él oscilaciones sincrónicas o acompasadas. En tal caso la oscilación resultante tendrá una amplitud igual a la suma de las amplitudes de las ondas individuales, y la interferencia se denomina constructiva porque en la onda resultante se refuerzan los efectos individuales. Si por el contrario las oscilaciones producidas por cada onda en el punto considerado están contrapuestas, las ondas llegan en oposición de fase y la oscilación ocasionada por una onda será neutralizada por la debida a la otra. En esta situación la interferencia se denomina destructiva.