diagrama de fases

1. Tema 3: Diagramas de aleaciones y
del acero

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

3. ● Cristalización:
La cristalización es el proceso de solidificación del
que dependen en gran medida las propiedades del
material. Cuando se enfría un metal en estado fundido,
llega un momento en que se alcanza la temperatura de
equilibrio. Este proceso de cristalización se regula por:
– Velocidad de nucleación (Vn). Es la cantidad de
cristales que se forman por unidad de tiempo.
– Velocidad de cristalización (Vc). Es el aumento de
longitud de los cristales por unidad de tiempo.
● Los metales puros solidifican formando una red
cristalina a partir de un núcleo central sobre el que
se depositan otros en planos perpendiculares
(dendritas).

5. ● Aleación: Es todo producto que resulte de la unión de dos o más
elementos químicos, uno de los cuales ha de tener carácter metálico.
Para que la unión de estos elementos se considere aleación tienen
que cumplirse dos condiciones:
– Que los elementos componentes sean totalmente miscibles en
estado líquido.
– Que el producto resultante tenga mayoría de enlaces metálicos,
(carácter metálico).
● Las aleaciones mejoran notablemente las propiedades mecánicas de
los metales puros como pueden ser tenacidad, dureza, resistencia a
la oxidación, etc; sin embargo se empeoran propiedades como
conductividad eléctrica y térmica.
2.Aleaciones

6. 2.1Disolvente o solvente y soluto
● Cuando se mezclan metales que cristalizan
en la misma red tridimensional, se
denomina disolvente al que interviene en
mayor proporción y soluto al que lo hace en
proporción menos.
● Cuando se mezclan metales que cristalizan
en distinta red, se llama disolvente al metal
cuya estructura cristalina es la misma que la de
la aleación, aunque intervenga en menor
proporción
C=
ms
ms+md

7. Tipo de soluciones
● Solución sólida por sustitución: en este caso, el
disolvente y soluto tienen una estructura
cristalina similar, por lo que un átomo de soluto
ocupa la posición de otro átomo de disolvente
en la estructura cristalina final.
● Solución sólida por inserción: ocurre cuando
los átomos de soluto son muy pequeños y
ocupan los huecos intersticiales del disolvente.
Esto provoca un aumento de la resistencia de
la aleación, ya que se hace más difícil la
deformación del producto final.

9. 2.2 Conceptos previos de
Diagramas de fases
● Fase: es cada una de las partes o masa homogénea de que se
compone un sistema y se diferencia físicamente del resto (ej: fase
sólida, líquida y gaseosa)
● Componente: son cada una de las sustancias o elementos químicos
que forman un material. (ej: el Fe (hierro) y el Fe3C (cementita)son
constituyentes del acero).
● Regla de fases de Gibbs: El número de fases que pueden coexistir
depende de los grados de libertad (variables que podemos
controlar, presión , temperatura y concentración. La ecuación es:
F+N=C+2
F = fases
N =grado de libertad
C= numero de componentes del sistema

10. ● Como generalmente se trabaja a presión
constante la formula real que se usa es:
F+N=C+1

11. 2.3 DIAGRAMA DE EQUILIBRIO EN ALEACIONES TOTALMENTE SOLUBLES
EN ESTADO LÍQUIDO Y ESTADO SÓLIDO
Los diagramas se construyen representando las líneas de enfriamiento para distintas
composiciones.
Los puntos marcados con L corresponden a los valores de temperatura a los que la
aleación comienza a solidificar, y los puntos marcados con S las temperaturas a partir de
las que la aleación es totalmente sólida.
Uniendo todos los puntos marcados con L en el diagrama de enfriamiento anterior se
obtiene la línea de líquidus, es decir, la línea de temperaturas por encima de las cuales la
aleación se encuentra en una zona monofásica, en la que sólo hay líquido, y uniendo los
puntos S se obtiene la línea de sólidus, línea por debajo de la cual la aleación vuelve a
estar en una zona monofásica, pero esta vez sólo encontramos sólido.

12. 2.4 Regla de la palanca para
aleaciones solubles
● 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 trazar la línea vertical X (por la
concentración que deseamos analizar) y la línea isoterma de la temperatura
indicada, línea horizontal L-O-S, en el diagrama de equilibrio de la aleación
AB. Determinando su intersección el punto O y la intersección con las líneas
de líquidus y sólidus los puntos L y S.
● Proyectando sobre el eje de concentraciones dichos puntos de intersección
se obtienen las concentraciones de la fase líquida, wL y de la fase sólida,
wS.
● La concentración de la muestra que vamos a estudiar es wo.
● Una vez determinadas estas concentraciones, se aplica la regla de la
palanca para obtener el porcentaje de cada una de las fases en las
condiciones del problema. El resultado de la suma de ambas debe ser el
100%

13. CS %=
W O−W L
W S −W L
X 100
CL %=
W S−W O
W S−W L
X100

15. 2.5 DIAGRAMA DE EQUILIBRIO DE ALEACIONES TOTALMENTE
SOLUBLES EN ESTADO LÍQUIDO E INSOLUBLES EN ESTADO
SÓLIDO
Se caracterizan por un punto llamado eutéctico, que es la aleación de punto de fusión más
bajo en la cual coexisten las fases sólidas A y B y la fase líquida L . En este punto, el grado
de libertad es cero, por tanto, la solidificación se produce a temperatura constante.
El diagrama se divide en cuatro zonas. En la zona L hay una sola fase, líquida y
homogénea. En la zona L+A hay dos fases, una de líquido y otra de cristales de aleación A
, que forman una aleación hipoeutéctica. En la zona L+B también hay dos fases, una de
líquido y otra de cristales de aleación B, que forman una aleación hipereutéctica. En la
zona sólida hayun sólido formado por dos fases A y B, que no se mezclan.

18. DIAGRAMA DE EQUILIBRIO DE ALEACIONES TOTALMENTE
SOLUBLES EN ESTADO LÍQUIDO Y PARCIALMENTE SOLUBLES EN
ESTADO SÓLIDO
● Un caso particular son las aleaciones eutécticas con
solubilidad parcial, es decir, los metales presentan una
cierta solubilidad en estado sólido. En este caso, a la
temperatura eutéctica las fases sólidas que se forman son
soluciones α y β, cuyas composiciones vienen
determinadas por los extremos de la línea horizontal. Un
ejemplo es la aleación Pb-Sn

20. Alotropía del hierro
Según las condiciones de temperatura, el
hierro puede presentar diferentes estados, con
mayor o menor capacidad para disolver el
carbono.
● Hierro α: cristaliza hasta una temperatura
de 768 ºC en la red CCB. No disuelve
prácticamente al carbono. Es magnético.
● Hierro β: cristaliza entre 768 ºC -910 ºC
en la red CCB. No es magnético. Tiene
mayor volumen (mayor distancia entre
átomos).
● Hierro γ : cristaliza entre 910ºC -1400ºC en
la red CCF. Disuelve más carbono (hasta
un 2,11 %). Es no magnético
● Hierro δ: cristaliza entre 1400 ºC- 1539 ºC
en la red CCB. Es magnético. Muy
parecido al hierro α. Poca aplicación

21. Interacción entre el carbono y el
hierro
Disuelto o combinado:
● Formando soluciones sólidas de inserción con el hierro α
(ferrita= Fe α - C). La ferrita disuelve muy poca cantidad de
carbono. La estructura cristalina será CCB.
● Formando soluciones sólidas de inserción con el hierro γ
(austenita= Fe γ- C). La estructura cristalina será CCF.
● En forma de carburo de hierro(Fe3C= cementita). La cementita
tiene un 6,67% en peso de carbono(la mayor proporción de
carbono que puede solubilizarse con el hierro), y es un
compuesto de inserción. La estructura cristalina que se forma
es del tipo ortorrómbica con 12 átomos de hierro y 4 átomos de
carbono por celda.

22. Cementita
Austenita
Ferrita

23. ● A concentraciones superiores a 6,67 % de
carbón se forman láminas de grafito, junto con
la cementita.

24. Aleaciones de hierro - carbono
Los aceros son aleaciones Fe-C, donde el
carbono está en proporciones del 0,03 – 2,11%.
Son forjables.
Las fundiciones son aleaciones Fe-C, donde el
carbono está en proporciones del 2,11–6,67%.
Son no forjables, pero si son moldeables.
El 6,67% C es la máxima proporción de carbono
que se puede disolver. Al compuesto con este
porcentaje 6,67% C, se le llama cementita.(Fe3C)

25. Estructuras de las aleaciones
Se distinguen tres tipos de estructuras:
● Estructura cristalina.- no es uniforme, varía según los
constituyentes de la aleación.
● Estructura micrográfica.- el elemento fundamental
es el grano, por lo que es necesario controlar su
formación y desarrollo en los tratamientos térmicos.
Cuanto mayor sea el grano, peores son las
propiedades de los aceros, excepto la capacidad
para trabajarlo en máquinas.
● Estructura macrográfica.- depende de las impurezas
que contenga la aleación.

26. Constituyentes de la aleación de
hierro – carbono I
● Ferrita(α):prácticamente Fe α, tiene muy poca solubilidad ya que
apenas disuelve carbono (máxima solubilidad es 0,02 % C a 723ºC).
Cristaliza en la red CCB. Es el más blando y dúctil constituyente de
los aceros. Es magnético. Se emplea en la fabricación de imanes
permanentes, en núcleos de inductancias y transformadores.
● Cementita: Fe3C, tiene un 6;67% de carbono. La estructura
cristalina es muy compleja, es del tipo ortorrómbica con 12 átomos
de hierro y 4 átomos de carbono por celda. Es el más duro y frágil
constituyente de los aceros. Tiene muy poca resiliencia y no es
posible utilizarla para operaciones de laminado o forja Es magnético
hasta los 210ºC.
La cementita se llama primaria cuando se forma desde la fase líquida
y secundaria si procede de austenita durante el enfriamiento lento. Y
terciaria si se desprende de la ferrita al enfriarse por debajo de
910ºC.

27. Constituyentes de la aleación de
hierro – carbono II
● Perlita: α + Fe3C, es la mezcla eutectoide de ferrita y cementita (86,5% de
ferrita y 13,5% de cementita). Tiene propiedades intermedias.
A 723ºC la solución sólida austenita origina en el enfriamiento dos nuevas
fases sólidas (a esto se le llama reacción eutectoide).
Austenita γ Ferrita α + cementita Fe3C
86,5% 13,5% Perlita
● Austenita (γ): solución sólida de inserción de carbono en Fe γ, con un
máximo porcentaje de carbono de 2,11%. Cristaliza en la red CCF Se forma
con temperaturas superiores a 723ºC. Es blando, ductil, resistente, tenaz,
no magnético y muy denso.
La austenita no es estable a temperatura ambiente. Es blanda y dúctil y, en
general, la mayoría de las operaciones de forja y laminado de aceros se
efectúa a aproximadamente los 1100 ºC, cuando la fase austenítica es
estable.

28. Constituyentes de la aleación de
hierro – carbono III
● Ledeburita: γ + Fe3C, es la mezcla eutectica de austenita y cementita (52%
de austenita y 48% de cementita). Se da con un porcentaje de carbono del
4,3 %. Es un constituyente de las fundiciones. A 1130 ºC la aleación líquida,
solidifica formando un sólido con dos fases (reacción eutéctica)
Líquido Austenita γ + cementita Fe3C
48 % 52% ledeburita
Es estable hasta los 723ºC, descomponiéndose a partir de esta temperatura
en ferrita y cementita.
● Martensita: Se obtiene por enfriamiento rápido de la austenita. A
velocidades de enfriamiento bajas o moderadas, los átomos de C pueden
difundirse hacia afuera de la estructura austenítica. De este modo, los
átomos de Fe se mueven ligeramente y se da una transformación de Fe γ
en Fe α. Es una solución sólida sobresaturada de carbono en Fe α.
Es el constituyente principal de los aceros templados. Tras la cementita, es
el constituyente más duro de los aceros. La martensita se presenta en
forma de agujas y cristaliza en la red tetragonal.

30. Diagrama del acero I

32. El acero

33. Clasificación del acero
● Por la cantidad de carbono
– Aceros hipoeutectoides : del 0,03 –0,89 %.C
– Aceros eutectoides: 0,89 %.C
– Aceros hipereutectoides: del 0,89 –2,1 %.C
● Aceros aleados: Llevan además de carbono otros elementos
que modifican sus propiedades.
– Aceros inoxidables: Cr, Ni.
– Acero galvanizado: Zn
– Aceros de corte (muy duros): Wf
– Aceros de alta dureza: Mo, Cr, Co
– Aceros resistentes a la fatiga: Vanadio

34. Las fundiciones
● Son aleaciones férricas con un porcentaje de C
mayor del 2,11%.
● No son forjables. Funden a temperatura inferior
a los aceros por lo que se moldean con
facilidad.
● No son dúctiles, no maleables, sueldan con
dificultad.
● Menor densidad = 7,2 –7,68 g/cm3 (acero 7,85
g/cm3)
● Tienen tendencia a la formación del grafito
(carbono libre formando láminas o nódulos)

35. Clasificación de las fundiciones
● En función del porcentaje de C:
– Fundicioneshipoeutéctica: del 2,11 –4,3 %.C
– Fundiciones eutécticas: 4,3 %.C
– Fundiciones hipereutécticadel 4,3 –6,67 %.C
● En función de su constitución
– Fundición gris
– Fundición esferoidal
– Función blanca

36. ● Fundición gris: 2,5 –4 % C . El grafito aparece en forma de
escamas o láminas dentro de la ferrita o perlita. Son frágiles y
poco resistentes a la tracción, pero resistentes a compresión.
Amortiguan muy bien las vibraciones. Alta resistencia al
desgaste. Se utiliza en bloque de motores, tambores de freno,
cilindros y pistones de motores.
● Fundición esferoidal: Son fundiciones grises adicionando en
estado líquido pequeñas cantidades de magnesio y/o cesio. El
grafito aparece de forma esferoidal. Son más resistentes y
dúctiles que las grises. Tienen propiedades mecánicas
similares al acero. Se suele utilizar para la fabricación de
válvulas y engranajes de alta resistencia, cigüeñales y pistones
● Fundición blanca y maleable: Se parte de fundiciones bajas en
C y con un porcentaje menor del 1% de Si, se aumenta la
velocidad de enfriamiento. Se logra que la mayoría del carbono
esté como cementita y no como grafito. Muy dura y muy frágil.
Muy resistente al desgaste. Aplicaciones: engranajes, cajas de
diferencial.