Aceros Eutectoides, Hipoeutectoides e Hipereutectoides: Propiedades y Tratamientos Térmicos
Acero Eutectoide o Perlítico
Un acero del 0,8% sufrirá los fenómenos de transformación y saturación, ya que corta a las dos curvas al mismo tiempo. Si este acero lo calentamos a una temperatura de austenización y luego lo enfriamos, cuando alcance los 727 °C sucederán dos cosas:
1. El hierro γ se transforma en hierro α.
2. El hierro ha quedado saturado de carbono y al transformarse en Fe-α expulsará ese carbono.
Estos dos fenómenos suceden simultáneamente, ocurriendo en el acero del 0,80%. Este punto recibe el nombre de «eutectoide».
De los dos fenómenos que se producen en este punto, el primero es instantáneo, pues el Fe-γ se transforma en Fe-α; el segundo, la expulsión de carbono, haciéndolo lentamente. El carbono sale expulsado al transformarse el Fe-γ en Fe-α, y tener el Fe-γ un 0,8% de carbono en disolución. Al no poder ser disuelta esta cantidad de carbono por la nueva variedad alotrópica Fe-α, que solo admite a 727 °C un 0,0218% de carbono, se produce la expulsión del carbono, encontrándonos dos fases:
- Una primera fase formada por Fe-α centrado en el cuerpo, sin carbono apenas «ferrita».
- Una segunda fase formada por el carbono expulsado.
Una vez expulsados, los átomos de carbono buscan un componente químico con quién intercambiar electrones de valencia y formar un compuesto iónico, formándose un «carburo de hierro» (Fe3C), el cual recibe el nombre de «cementita».
Cuando se habla de cristales de cementita se refiere a ese carburo de hierro que se ha formado por reacción química del carbono de hierro en estado sólido. Esta transformación se da a 727 °C y, partiendo de una monofase (austenita), se convierte en una bifase (ferrita, cementita).
A los aceros con 0,8% de carbono se les conoce, además de aceros eutectoides, como perlíticos.
La razón por la que la transformación se inicia en la periferia del grano austenítico está en que todos los fenómenos que ocurren en estado sólido se dan más fácilmente en el límite intercristalino en el interior del grano, ya que en este límite los átomos están más activos, poseen un mayor nivel energético por encontrarse en la frontera cristalina.
Los cristales de carburo de hierro o cementita irán creciendo, en lo que invierten un cierto tiempo.
La distancia a la que se encuentran las plaquetas (espaciado interlaminar de la perlita) depende del tiempo que le debemos a la transformación perlítica, es decir, las láminas alternadas de ferrita y cementita estarán más separadas cuanto mayor sea el tiempo que demos para que se dé la transformación, y cuanto más tiempo le demos, se podrá depositar más lejos. Este tiempo para hacer la transformación a los 727 °C depende de la velocidad a la que se enfríe el acero.
Las propiedades de sus dos componentes, la ferrita y la cementita, son:
- Ferrita: Muy blanda, presenta gran capacidad para deformarse (dúctil), la ferrita es Fe-α puro.
- Cementita: Muy dura y apenas admite deformación plástica (frágil).
Perlita Globular
En las islas (cementita) puede apreciarse como en su interior puede verse el parecido a la perlita globular. Tendremos que calentar el acero hasta una temperatura inferior pero muy próxima a los 727 °C. Sabemos que la cementita en estas condiciones se prepara a ser disuelta, pero al ser la temperatura inferior a la transformación, la cementita en estas condiciones está «molesta» al creer que le va a sobrevenir la transformación, intentará defenderse de la misma para lo que adoptará forma esférica. Esta forma esférica es un mecanismo de defensa muy común en la naturaleza frente a cualquier tipo de agresión.
Otro método para obtener la perlita globular es el de someter al acero a unas oscilaciones por encima y por debajo de 727 °C.
Aceros Hipoeutectoides
Son todos aquellos aceros que tienen un contenido de carbono menor del 0,8%, y por tanto, durante el enfriamiento se encontrarán con la curva de transformación.
La parte de la austenita se transforma en ferrita y, sabiendo que parte del Fe-γ, se transforma en Fe-α y esa parte que se ha transformado expulsa su carbono, pero en ese punto existe una capacidad de disolver. La austenita no está saturada y todo el carbono expulsado por la ferrita es absorbido por ella, lo que quiere decir que el carbono no necesita atrapar átomos de hierro, sino que la austenita se va cargando de carbono según vamos bajando la temperatura y al llegar a 727 °C la austenita tendrá un 0,8% de carbono.
La parte exterior de este grano se ha transformado en hierro α o ferrita, expulsando el carbono. Este carbono expulsado es admitido a la zona central del grano que todavía es austenita no saturada ya que los átomos del límite de granos son los primeros en admitir cualquier cambio.
Al llegar a 727 °C la austenita del interior del grano alcanza el 0,8% de carbono, teniendo un contorno ferrítico que ha expulsado su carbono y un corazón austenítico con un 0,8% de carbono (comportándose como un acero perlítico o eutectoide).
A) 1148 °C
B) Enfriarse el acero y llegamos hasta el punto B → red cúbica centrada en el cuerpo = ferrita. Pero el interior es → R.C.C. Cara
El carbono huye hacia el centro
D) D) 0,5%
E) F) 727 °C hacia abajo
Se forma perlita
(se forma acero eutectoide)
Estimación Planimétrica del Contenido en Carbono de los Aceros Hipoeutectoides
100% de perlita — 0,8% de C.
50% de perlita — X% de C.
X% de C. = 0.8 x 50 / 100 = 0,4% de C.
Estructura de Widmanstätten
Se encuentran en las soldaduras fundidas y luego solidificadas. Verter en forma líquida en un molde y solidificados, siendo muy importante el someter estos aceros a un tratamiento de recocido para que pierdan fragilidad.
Aceros Hipereutectoides
Son los aceros con un contenido en carbono superior al 0,8%. Estos aceros, una vez austenizados, al ser enfriados tocan primero la curva de saturación o de solubilidad, y la austenita comienza a expulsar el carbono a medida que se enfría. Por ejemplo, se tiene que a la temperatura A la austenita solo admite el 1,2% de carbono y cuando la temperatura desciende hasta B solo admite un 1% de carbono, el resto del carbono es expulsado por la austenita.
A 727 °C la austenita en el interior del grano tan solo tendrá un 0,8% de carbono y la corteza seguirá siendo de cementita pero a esta temperatura el corazón austenítico se transforma como lo haría un acero del 0,8% de carbono, dando lugar a un grano de corazón perlítico y corteza cementitica.
Acero hipoeutectoide de carbono 0,8% → blando
Acero hipereutectoide → 0,8% a 2,11% → duro
Diferencias Metalográficas Existentes Entre Aceros Hipoeutectoides e Hipereutectoides
Si no se ve delineado es un hipereutectoides. El límite de grano entra (no se ven los bordes), lo que conlleva a ser hipoeutectoide.
Diferencia en el Comportamiento Mecánico Entre los Aceros Hipoeutectoides e Hipereutectoides
Los hipoeutectoides se pueden doblar perfectamente, mientras que los aceros hipereutectoides no se pueden doblar debido a la cementita.
Perlita Globular en Aceros Hipereutectoides
Con el tratamiento térmico de recocido oscilante, que nos va a dar esa perlita globular, conseguimos que los aceros de alto contenido en carbono mejoren sus propiedades frente al mecanizado, pues se logra ablandarlos.
Tratamiento Térmico
- Recocido: Consiste en meter el acero en un horno y dejarlo enfriar lentamente.
- Normalizado: Consiste en meter el acero en un horno y sacarlo y enfriarlo al aire.
- Recocido oscilante: Oscilar entre los 727 °C. Te quedan estructuras globulares. Cuando llega a 727 °C oscila a temperaturas mayores o menores (por ejemplo, 40 °C arriba o abajo).
Solo se aplica a aceros hipereutectoides.
Temple de un Acero Hipereutectoide
Vamos a templar un acero hipereutectoide, primero lo austenizamos hasta el punto A, luego lo enfriamos lentamente pasando la curva de solubilidad en el punto B, hasta alcanzar el punto C, démonos cuenta que aún no hemos rebasado la línea de 727 °C, la estructura de este acero aquí será una austenita que tendrá un contenido en carbono del 1%, rodeada de un saco de cementita, la cual se ha producido por esa expulsión del carbono al superar el límite de solubilidad. Si templamos desde este punto C, el acero obtenido será duro por propia naturaleza.
Revenido de los Aceros Martensíticos
La martensita es un componente que tiene una gran dureza, pero también una gran fragilidad, por tanto al templar, obtenemos una propiedad formidable, la dureza, pero a costa de otra malísima que es la fragilidad, por esto, nos vendría más, que este acero fuese un poco menos duro, pero también mucho menos frágil.
Si calentamos la martensita ligeramente, ese átomo de carbono, se agita, toma energía y, a lo mejor a unos 200 °C logran escapar algunos de ellos, con lo cual el retículo pierde bastante fragilidad y dureza.
A este tratamiento térmico en el cual se destruye parcialmente la martensita se denomina “revenido”.
Temple de un Acero Hipoeutectoide
Otra de las causas de que un acero quede blando, si tenemos un acero hipoeutectoide, el cual como sabemos no tiene gran tendencia a formar austenita residual, la operación para obtener martensita es, austenizarlo, y luego enfriarlo bruscamente, calentarlo por encima del punto A y luego enfriarlo bruscamente. Pero si solo lo calentamos hasta el punto B, con lo que sólo lo tendríamos parcialmente austenizado, por no haber traspasado la línea de transformación, es inútil que templemos. Se tendrá un acero que será por un lado parcialmente martensítico y por otro parcialmente ferrítico.
Acero Quemado
Cuando tenemos un acero martensíticos y queremos pasarlo a austenítico, elevamos la temperatura pero corremos el riesgo de quemarlo. Empiezan a fundirse algunos sitios (aceros sudados).
No es necesaria una temperatura de 1.400 °C, ya que a temperaturas más bajas comienza a fundirse. Es debido a que en los límites del grano suelen existir inclusiones de componentes extraños y tienen un punto de fusión más bajo que el del propio acero (todo elemento que se incorpore a una aleación, podemos sospechar que hará bajar el punto de fusión).
Cuando un acero se quema, ya no tiene solución, ya que las zonas fundidas, son verdaderas grietas.
Acero Martensíticos
Ésta ferrita deformada no se verá al microscopio igual que la otra, porque entre otras cosas está a punto de romperse y va a ser enormemente frágil y dura.
Austenita Residual
Esta austenita residual se ha producido como consecuencia de que el derrumbe de la estructura austenítica para formar la martensítica se hace por un mecanismo de planos que se van tumbando unos con otros.
Influencia del Contenido en Carbono en el Temple
El acero, cuanto mayor contenido en carbono tenga, más duro y frágil nos saldrá después del templado, ya que la martensita obtenida tendrá mayor número de átomos de carbono incrustados en los retículos.
Plásticos o Polímeros
Es una macromolécula (generalmente una larga cadena de átomos de C, polímero orgánico), formado por la unión de moléculas más pequeñas llamadas monómeros.
Particularidades del Átomo de C
El átomo de carbono tiene 4 electrones de valencia en su capa más externa, cada uno de los cuales puede aparearse con los de otros átomos para completar su capa electrónica, por la denominada regla del octeto.
Tipos de Enlaces
Regla del Octeto
Los elementos del sistema periódico tienden a completar su último nivel de energía con 8 electrones o ninguno, adquiriendo así una configuración muy estable (parecida a la de un gas noble). Existe una excepción a esta regla con los elementos del primer periodo que se conforman con 2 electrones en su último nivel.
Para cumplir la regla del octeto los átomos pueden:
- Compartir electrones: Enlace covalente. Es un enlace fuerte.
- Robar electrones: Enlace iónico. Es un enlace muy fuerte. Por ejemplo el ClNa (sal). El Cl tiene 7 electrones en su ultimo nivel, solo le falta 1 para tener 8, se lo roba al Na que solo tiene uno y que quiere desprenderse del mismo.
- Ceder electrones: Enlace metálico. Los electrones son cedidos a una nube común a todos los átomos. Enlace fuerte. Ejemplo el Aluminio.
Tan solo 5 elementos pueden constituir un material plástico (carbono, hidrógeno, oxígeno, silicio, flúor).
Estructura Molecular
Un polímero es una larga cadena de átomos de carbono. Pero entre las cadenas pueden haber otro tipo de enlaces. El carácter de este enlace determina en gran medida el tipo y las propiedades del polímero. Así podemos tener enlaces entre cadenas:
- Enlace covalente o enlace primario fuerte: Como el caso del caucho, en las que las cadenas poliméricas largas con enlace C-C se unen entre sí mediante un átomo de azufre (S), con enlace covalente fuerte.
- Enlace de Van der Waals o secundario débil: Este enlace se produce por la atracción electroestática entre partes de la molécula con un cierto carácter electronegativo y partes de la molécula con un cierto carácter electropositivo. Por ejemplo el PVC.
- Mecanismo de entrecruzamiento: La resistencia mecánica de estos materiales no solo viene dada por el tipo de enlace, sino también por el mecanismo de entrecruzamiento de las cadenas. Tenemos pues un anclaje mecánico debido a la gran capacidad de rotación del enlace C-C dando lugar a estructuras tipo ovillo.
Propiedades
- Resistencia a la corrosión y a los ataques químicos.
- Baja densidad, lo que implica productos ligeros.
- Aislantes eléctricos y térmicos.
- La mayoría presentan buena flexibilidad.
- Baja resistencia mecánica y el módulo de elasticidad.
- Poca resistencia a la luz solar (luz ultravioleta).
Comportamiento Térmico
En los plásticos debemos considerar tres temperaturas importantes:
- Temperatura de descomposición (Td): Es aquella en la que la agitación térmica rompe los enlaces primarios de forma irreversible, ya que estos no son regenerables.
- Temperatura de fusión (Tf): Es aquella en la cual se rompen los enlaces secundarios entre cadenas.
- Temperatura de transición vítrea (Tg): Es aquella a partir de la cual las cadenas se rigidizan, produciendo un comportamiento frágil de los plásticos.
Comportamiento Mecánico
El gráfico compara las curvas típicas de tensión – alargamiento para diferentes clases de polímeros. La curva a, corresponde a la plásticos rígidos, como son los termoestables, pero también algunos termoplásticos duros. Pueden soportar una gran carga o tensión pero no provocan un gran alargamiento. Son poco tenaces o frágiles (poca área debajo de la curva). Debe por tanto ejercerse una gran fuerza para deformarlo. La curva b y c, corresponde a los plásticos flexibles, tienen un punto de fluencia a partir del cual las deformaciones son permanentes.
La curva d, corresponde a lo elastómeros, que poseen una elevada elongación reversible.
Tipos de Materiales Plásticos
Termoplásticos (Los Más Utilizados)
Reblandecen al calentarlos, es decir, una vez dada su forma podemos otra vez fundirlos y darles otra forma, por tanto son reutilizables y se pueden reciclar.
Están formados por polímeros que se encuentran dispuestas libremente o enlazadas por fuerzas intermoleculares débiles o fuerzas de Van der Waals, formando estructuras lineales o ramificadas.
Termoestables
Si se vuelven a calentar no reblandecen. Una vez adquirida su forma, si se calientan de nuevo se carbonizan, por tanto no son reciclables, esto es debido a que en el proceso de polimerización da lugar a una especie de macromolécula única o red de malla cerrada formada por enlaces fuertes.
Elastómeros
Son materiales que se deforman mucho al someterlos a un esfuerzo pero recuperan su forma inicial al eliminar el esfuerzo, tienen una estructura intermedia, en la cual se permite que ocurra una ligera formación de enlaces cruzados fuertes entre las cadenas.
Termoplásticos
En función del grado de las fuerzas intermoleculares que se producen entre las cadenas poliméricas, estas pueden adoptar dos tipos diferentes de estructuras:
- Estructuras amorfas
- Estructuras cristalinas
Es posible la existencia de ambas estructuras en un mismo material termoplástico.
Tipos de Materiales Plásticos
- Estructura amorfa: Las cadenas poliméricas adquieren una estructura liada, semejante a la de un ovillo de hilos desordenados, dicha estructura amorfa es la responsable directa de las propiedades elásticas de los materiales termoplásticos.
- Estructura cristalina: Las cadenas poliméricas adquieren una estructura ordenada y compacta. Dicha estructura cristalina es la responsable directa de las propiedades mecánicas de resistencia frente a esfuerzos o cargas así como la resistencia a las temperaturas de los materiales termoplásticos.
Si el material termoplástico dispone de una alta concentración de polímeros con estructuras amorfas, dicho material tendrá una pobre resistencia frente a cargas pero una excelente elasticidad, si por el contrario el material termoplástico dispone de una alta concentración de polímeros con una estructura cristalina, el material será muy resistente y fuerte incluso superior a los materiales termoestables, pero con poca elasticidad aportándole la característica de fragilidad en dichos materiales.
Evolución del Volumen Específico en Función de la Temperatura
Tenemos una gráfica de volumen específico o densidad frente a temperatura y señalamos dos temperaturas, la de fusión o solidificación (Tf) y la de transición vítrea (Tg). A medida que la temperatura baja los materiales se contraen, por eso disminuye el volumen específico o lo que es lo mismo la densidad aumenta.
Polímero Amorfo
Si partimos de un punto en estado líquido de un plástico amorfo, a medida que bajamos la temperatura el volumen específico disminuye de forma constante uniformemente (el plástico se contrae), al llegar a la temperatura de fusión Tf, no notamos nada porque no existe el fenómeno de solidificación que implica un ordenamiento, sin embargo al llegar al la temperatura Tg (temperatura de transición vítrea) se produce un cambio brusco en la pendiente, a partir de aquí, el volumen específico apenas varía.
Evolución del Volumen Específico en Función de la Temperatura
Polímero Cristalino
Volvemos a partir de un punto en estado líquido, a medida que bajamos la temperatura el volumen específico disminuye de forma constante uniformemente (el plástico se contrae), al llegar a la temperatura de fusión Tf, se produce una disminución muy grande del volumen específico, se está produciendo la solidificación, en el que tenemos un ordenamiento de sus moléculas, cuando termina la solidificación, se vuelve a producir una disminución constante en el volumen específico, no notamos ningún cambio en la pendiente de la curva al alcanzar la temperatura de transición vítrea.
Evolución del Volumen Específico en Función de la Temperatura
Polímero Semicristalino
Aquí tenemos un comportamiento intermedio entre los dos vistos anteriormente, al partir de un punto en estado líquido, a medida que bajamos la temperatura del líquido, el volumen específico disminuye de forma constante y uniformemente (el plástico se contrae), al llegar a la temperatura de fusión Tf, se produce una disminución grande del volumen específico (no tan grande como sucede en los cristalinos), se está produciendo en parte una solidificación, y por tanto existen zonas donde se produce un ordenamiento de sus moléculas, cuando termina la solidificación parcial, se vuelve a producir una disminución constante en el volumen específico, y al llegar a la temperatura de transición vítrea tenemos un cambio de pendiente en la curva, pues la zonas amorfas comienzan a rigidizarse.
Temperatura de transición vítrea Tg: Para esta temperatura, tanto para polímeros amorfos como semicristalinos, se produce un cambio en la pendiente del volumen específico con la temperatura. A partir de esta temperatura la densidad apenas aumenta, pues llegamos a un estado de máxima viscosidad, sin que se puedan mover la moléculas, esto produce un rigidizamiento del material.
Temperatura de fusión Tf: Observamos que para polímeros cristalinos y semicristalinos a esta temperatura se produce un cambio muy grande del volumen específico. La densidad aumenta pues se produce la solidificación. Esta temperatura no tiene sentido para los plásticos amorfos, puestos que no solidifica, la solidificación implica un ordenamiento, lo único que está sucediendo en estos es que a medida que baja la temperatura se está produciendo un aumento de la viscosidad del líquido (como un trozo de grasa en el congelador).
Cristalinidad
Como hemos indicado, los polímeros también pueden presentar un ordenamiento regular de las cadenas poliméricas, formando estructuras regulares, es decir, formando cristales parecidos a lo que ocurre con los metales o cerámicas, donde tenemos un ordenamiento regular de los átomos, en el caso de los polímeros cuando hablamos de cristalinidad es porque se da un ordenamiento de las cadenas poliméricas.
En el estado líquido, cualquier polímero presenta sus cadenas poliméricas con un alto grado de desorden, en efecto el estado líquido se caracteriza por un orden a corto rango, la molécula está ordenada, pero un desorden a largo rango, las cadenas poliméricas están desordenadas. Cuando enfriamos se pueden producir dos comportamientos:
- Sólido cristalino: Las cadenas poliméricas se ordenan dando lugar a un sólido cristalino.
- Sólido amorfo: Las cadenas siguen desordenadas con lo cual tenemos un líquido subenfriado o sólido amorfo.
- En un estado intermedio entre los dos anteriores tenemos los sólidos semicristalinos.
Estado Vítreo
Por debajo de la temperatura de transición vítrea Tg, solo para polímeros amorfos o semicristalinos, tenemos un estado denominado vítreo, en el cual la movilidad de las cadenas es tan reducida que el material se comporta como un material rígido y frágil.
Estructura de los Polímeros Semicristalinos
El esquema de la figura, representa la microestructura o estructura de cadenas más habitual en los polímeros industriales. Es decir, la mayoría de los polímeros siempre tienen cierto grado de cristalinidad, por tanto, zonas ordenadas o cristalinas y zonas desordenadas o amorfas.
Un polímero donde abunden estas zonas ordenadas, diremos que tienen elevada cristalinidad. Esta cristalinidad se constituye a base de estructuras plegadas, las cuales se acoplan o apilan dando lugar a una lamela.
- Lamella: Es un acoplamiento de cadenas plegadas.
- Esferulita: Es una agrupación de lamelas.
Polietileno (PE)
- Cables
- Envases, vasijas y tubos
Policloruro de Vinilo (PVC)
- Cuero, tuberías, etc.
- Bolsas para suero, plasma y sangre, guantes quirúrgicos
Polipropileno (PP)
- Envases
- Parachoques
Poliestireno (PS)
– Marcos de diapositivas.
– Cajas de C.D.
POLIACRILONITRILO. P.A.N.
– Mantas
– jerséis
POLIBUTILENO PB
– tuberías de agua.
– tuberías calefacción.
POLIBUTADIENO POLICLOROPRENO (NEOPRENO)
-Neumáticos – Recubrimientos contra corrosión
– Pelotas de golf – Trajes de submarinismo
DISOLUCIONES SÓLIDAS INTERSTICIALES
Se produce una dispersión y una inserción.
De los elementos existentes en la tabla periódica, los capaces de formar disoluciones sólidas intersticiales son muy pocos, pues tienen que ser átomos de un gran diámetro atómico y el que se inserta debe tener un diámetro muy pequeño.
El salto del H de un intersticio a otro causa la fragilización y la aparición de grietas en una soldadura.
El tamaño del átomo puede ser mayor que el del intersticio, como es el caso del carbono en una red centrada en la cara.
El máximo que acepta es 2,11% de carbono a 1.148ºC, el resto no se disuelve, provocando 2 fases:
– Disolución saturada intersticial de Fe cúbico centrada en la cara (C hasta 2,11%)
– Exceso de C
En cuanto a la red centrada en el cuerpo, 1 átomo de C inhabilita 100 intersticios y posee un 0,00005% de C.
A los subcristales se les denomina maclas (quiebro de la red). Esta disolución sólida que está maclada recibe el nombre de austenita.
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DISOLUCIONES SÓLIDAS SUSTITUCIONALES.
¿Cómo se logra fotografiar a temperaturas tan altas?
– Primer método: Microscopio que permite observar a alta temperaturas
– Segundo método: Se añade al hierro átomos de Ni, provocando un descenso de la temperatura (se realiza sustituyendo átomos de Fe por Ni).
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Reglas de Hume Rothery
Para que se formen disoluciones sólidas sustitucionales, debe cumplirse:
o Primera condición: El elemento que sustituye y el que es sustituido deben tener diámetros atómicos similares.
o Segunda condición: Redes cristalinas similares (índice de coordinación):
– Cúbico centrado en el cuerpo, I.C.=8
– Cúbico centrado en la cara, I.C.=12
– Exagonal compacta, I.C.=12
o Tercera condición: Afinidad química (tabla periódica). Cuanto más separados estén, mejor formarán dicha solución.
o Cuarta condición: Electrones de valencia (cuanto mayor sea la dif, peor será).