1. Estructura y cristalización del metal puro.
1. Estructura cristalina del metal.
Los metales son cristales en estado sólido.
La estructura cristalina está relacionada con las propiedades, deformación plástica y transformaciones de fase de tratamiento térmico de los metales.
Las tres redes más comunes en los metales son la red cúbica centrada en el cuerpo, la red cúbica centrada en las caras y la red hexagonal compacta.
Los defectos cristalinos se pueden clasificar en tres categorías según sus formas geométricas: defectos puntuales, defectos lineales y defectos planos.
2. Cristalización de metales
El proceso por el cual un metal pasa de un estado líquido a un estado sólido (cristalino) se conoce como cristalización del metal.
(1) Curva de enfriamiento y fenómeno de sobreenfriamiento
La curva de enfriamiento es una gráfica que muestra la relación entre la temperatura y el tiempo durante el proceso de enfriamiento de un material. La curva de enfriamiento de un cristal metálico se puede determinar mediante métodos de análisis térmico. El proceso implica fundir el metal para lograr una temperatura lo más uniforme posible, enfriarlo a un ritmo determinado, registrar los cambios de temperatura a lo largo del tiempo y trazar los datos en un gráfico de temperatura-tiempo para obtener la curva de enfriamiento, como se muestra en. Figura 1.
El calor latente de cristalización liberado durante la cristalización contrarresta la pérdida de calor del metal hacia el exterior, provocando que aparezca una línea horizontal en la curva de enfriamiento. La temperatura correspondiente a esta línea es la temperatura de cristalización real del metal.
Los experimentos muestran que la temperatura de cristalización real (T1) del metal es siempre menor que la temperatura de cristalización teórica (T0). Este fenómeno se conoce como sobreenfriamiento. El sobreenfriamiento es un requisito para que se produzca la cristalización. La diferencia entre T0 y T1, △T = T0 – T1, se conoce como grado de sobreenfriamiento.
Fig. 1 Curva de enfriamiento de cristal de hierro puro.
(2) Proceso de cristalización
El proceso de cristalización implica la creación y expansión de núcleos. Este proceso se conoce como nucleación y crecimiento.
3. Transformación isomérica de metales.
El fenómeno en el que un metal se transforma de una estructura reticular a otra a medida que cambia la temperatura en estado sólido se conoce como transformación isomórfica.
Algunos metales que exhiben esta transformación incluyen hierro, cobalto, titanio, estaño y manganeso.
Los cristales del mismo elemento metálico que existen en diferentes formas reticulares se denominan cristales alotrópicos del metal.
2. Estructura y cristalización de la aleación.
Fase: Se refiere a los componentes uniformes dentro de una aleación (o metal puro) que tienen la misma composición, estructura y propiedades y están separados entre sí por una interfaz.
1. Estructura de fases de la liga
La estructura de fases en las aleaciones se puede dividir en dos tipos según la interacción entre los elementos constituyentes: solución sólida y compuesto metálico.
(1) Solución sólida: cuando la aleación líquida se solidifica, los elementos aún pueden disolverse entre sí para formar una fase en la que los átomos de un elemento se dispersan por la red de otro elemento. Esta fase se conoce como solución sólida.
(2) Compuesto Metálico.
2. Diagrama de estado de aleación binaria
El diagrama de fases de la aleación, también conocido como diagrama de equilibrio de la aleación o diagrama de estado de la aleación, es un diagrama que ilustra la relación entre la temperatura, la composición y el estado de una aleación en condiciones de equilibrio. Describe las leyes del cambio estructural de aleaciones con composiciones variables a medida que se enfrían o calientan lentamente hasta el infinito.
El diagrama de fases de la aleación es una herramienta importante para seleccionar la composición correcta de la aleación, analizar la microestructura de la aleación, estudiar sus propiedades y determinar los procesos de fundición, forja y tratamiento térmico.
(1) Diagrama de fases homogéneo: este tipo de diagrama representa un sistema de aleación donde dos componentes pueden ser infinitamente miscibles en estados líquido y sólido. Durante la solidificación, la aleación forma una solución sólida a partir de la fase líquida, proceso conocido como transformación homogénea.
(2) Diagrama de fases eutécticas: en este diagrama, dos componentes son completamente miscibles en estado líquido y exhiben una transformación eutéctica. La transformación eutéctica se refiere a la cristalización simultánea de dos fases sólidas con una composición específica a partir de una fase líquida uniforme con una composición específica a una temperatura específica.
(3) Diagrama de fases peritéctica: en este diagrama, dos componentes son infinitamente miscibles en estado líquido y forman una solución sólida finita en estado sólido. También hay un estado de transformación peritectica. La transformación peritéctica se refiere a la reacción entre la fase líquida de un componente determinado y la fase sólida de otro componente, que da como resultado la formación de una nueva fase sólida a temperatura constante.
3. Diagrama de fases hierro-carbono
1. Diagrama de fases hierro-carbono
El acero es una aleación de hierro y carbono con un rango de composición específico.
El diagrama de fases de la aleación hierro-carbono ilustra las diversas estructuras de equilibrio de las aleaciones hierro-carbono con composiciones variables a diferentes temperaturas, como se representa en el diagrama de fases Fe-Fe3C.
A partir del diagrama de fases Fe-Fe3C, podemos determinar la temperatura a la que se produce la transformación de fases en una aleación hierro-carbono de una composición determinada, también conocida como punto crítico.
Al analizar el diagrama de fases Fe-Fe3C, es posible predecir el proceso de transformación de fases en diferentes regiones de temperatura y la estructura del potencial de equilibrio después del enfriamiento a temperatura ambiente.
Consulte Puntos característicos en el diagrama de fases de Fe-Fe3C para obtener una descripción de cada punto en el diagrama de fases de la aleación de hierro-carbono y Líneas características para obtener una descripción de cada línea.
Según el diagrama de fases de la aleación hierro-carbono, se distinguen el acero al carbono con un contenido de carbono inferior al 2,11% y el hierro fundido con un contenido de carbono superior al 2,11%.
Según las características estructurales, la aleación de hierro y carbono se divide en siete categorías según el contenido de carbono en el diagrama de fases de la aleación de hierro y carbono:
(1) Hierro puro industrial, con contenido de carbono < 0,0218%;
(2) Acero eutectoide, con un contenido de carbono del 0,77%;
(3) Acero hipoeutectoide, con un contenido de carbono que oscila entre 0,0218% y 0,77%;
(4) Acero hipereutectoide, con un contenido de carbono que oscila entre el 0,77% y el 2,11%;
(5) Fundición blanca eutéctica, con un contenido de carbono del 4,30%;
(6) Fundición blanca subcristalina, con un contenido de carbono que oscila entre el 2,11% y el 4,30%;
(7) Fundición blanca supercristalina, con un contenido de carbono que oscila entre el 4,30% y el 6,69%.
2. Estructura metálica
Metal: Material con buena conductividad térmica y eléctrica, caracterizado por su aspecto opaco y brillo metálico. La conductividad de los metales disminuye a medida que aumenta la temperatura y son conocidos por su ductilidad y capacidad de expandirse.
Un cristal metálico es un sólido en el que los átomos están dispuestos en un patrón regular.
Aleación: Sustancia con propiedades metálicas compuesta de dos o más elementos, incluidos metales y no metales.
Fortalecimiento de la solución sólida: esto ocurre cuando los átomos del soluto ocupan los espacios o intersticios de la red del solvente, lo que hace que la red se distorsione y aumente la dureza y resistencia de la solución sólida.
Compuesto: Se forma una nueva estructura sólida cristalina con propiedades metálicas combinando componentes de aleación.
Mezcla Mecánica: Composición de aleación compuesta por dos estructuras cristalinas distintas, aunque aparece como una sola entidad con propiedades mecánicas independientes.
Ferrita: Una solución sólida intersticial de carbono en alfa-Fe (hierro cúbico centrado en el cuerpo).
Austenita: Una solución sólida intersticial de carbono en gamma-Fe (hierro cúbico centrado en las caras).
Cementita: Compuesto estable (Fe3C) formado por la combinación de carbono y hierro.
Perlita: Mezcla mecánica compuesta por ferrita y cementita (F+Fe3C, que contiene 0,8% de carbono).
Ledeburita: Mezcla mecánica compuesta de cementita y austenita (que contiene un 4,3% de carbono).
El tratamiento térmico de metales es un proceso crucial en la fabricación mecánica. A diferencia de otros métodos de procesamiento, el tratamiento térmico no cambia la forma ni la composición química general de la pieza, sino que mejora su rendimiento modificando su microestructura o composición química de la superficie.
El objetivo del tratamiento térmico es mejorar la calidad interna de la pieza, que muchas veces no es visible a simple vista. Para lograr las propiedades mecánicas, físicas y químicas deseadas de una pieza metálica, a menudo se requiere un tratamiento térmico, además de una selección adecuada del material y diversos procesos de conformado.
El acero es el material más utilizado en la industria mecánica y su microestructura se puede controlar mediante tratamiento térmico. Como resultado, el tratamiento térmico del acero es un aspecto importante del tratamiento térmico del metal.
Además del acero, el tratamiento térmico también puede utilizarse para modificar las propiedades mecánicas, físicas y químicas del aluminio, cobre, magnesio, titanio y sus aleaciones, permitiendo la obtención de diversas propiedades de servicio.
