unidad 6 - upv

97

UNIDAD 6Endurecimiento por aleación. Aleacionescon 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%.

Cuestiones y ejercicios de Fundamentos de Ciencia de Materiales

98

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 enfriamientose 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.

Unidad 6 – Endurecimiento por aleación. Aleaciones con solubilidad parcial en estado sólido

99

15 - El envejecimiento fundamenta el endurecimiento en la dificultad que imponen almovimiento 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 conforma 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 nucleaciónheterogénea 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 característicasresistentes 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.


100

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 derecristalización 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 deprecipitación 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 yconsecuencias?.

3. Un acero contiene 42 % en peso de ferrita proeutectoide. ¿Cuál es el contenido de C de esteacero?

4. Distinguir entre ferrita proeutectoide y ferrita eutectoide.

5. Justifique sobre un gráfico temperatura - tiempo, la secuencia de operaciones para dar un


101

tratamiento mixto de acritud + envejecimiento natural a una aleación de aluminio que tieneuna temperatura de solvus de 500°C, su temperatura de liquidus en 610°C y la de sólidus en580°C.

6. Señale sobre un gráfico límite elástico - tiempo, como evoluciona esta propiedad mecánicacon el tiempo de envejecimiento para una aleación de aluminio AA 6005 para cada una delas 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 porprecipitación tienen una utilización limitada por la temperatura. NO PUEDEN destinarse ausos continuos a temperaturas iguales o superiores que las que originan el envejecimientoartificial.

9. Establece los límites de observación de tamaños de partículas precipitadas por microscopíaóptica y electrónica y su asociación al concepto de coherencia o incoherencia de las mismascon la matriz.

10. Justifica las causas que determinan la inexistencia de ablandamiento en el proceso deenvejecimiento.

11. Hipotetiza sobre la microestructura y características resistentes que se obtienen después deun proceso por tiempo indefinido a temperaturas de envejecimiento sensibles alsobrenvejecimiento.

12. Hipotetiza sobre la diferencia de microestructuras y características de la aleación después deenvejecimiento por tiempo indefinido de la cuestión anterior, con la alcanzada en un procesode enfriamiento reversible después de la etapa de solubilización.

13. Determina el procedimiento para establecer la correlación entre temperatura y solubilizaciónde partículas precipitadas mediante técnicas DSC, calorímetro diferencial de barrido.

14. Describe el procedimiento para establecer la correlación existente entre temperaturas yprecipitación de partículas mediante técnicas de DSC.

15. Justifica la formación de estructuras de Windmasttaeten en el proceso de entrada en la tierrade meteoritos formados por hierro y otros elementos de aleación, o en la soldadura de acerosdulces con 0.2-0.3 % carbono.

16. Esquematiza el proceso de engrosamiento de partículas, cuando existe soluto disponible, enrégimen de coherencia y coherencia parcial.

17. Esquematiza el proceso de engrosamiento de partículas después del consumo de todo elsoluto disponible.

18. Analiza la influencia de la velocidad de temple sobre la precipitación para diversas


102

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, conel contenido de carbono, con los datos obtenidos en la norma UNE 36.011 de la familia deaceros finos al carbono.

22. Establece el índice de endurecimiento, Ie = Le/R, entre el límite elástico y carga de rotura, ycorrelaciónalo con el porcentaje de carbono.

23. Justifica las diferencias de microestructura que pueden observarse entre las aleaciones dehierro con un 15% de cromo o con un 8% de cromo.

24. Establece los principios fundamentales de los procesos de recristalización, precipitación desegundas fases y transformación perlítica, y las conexiones comunes entre ellos.

25. Establece las diferencias que pudieran existir entre los productos en la transformaciónperlítica 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:

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 dehomogeneización y envejecimiento.

Porcentaje en peso de Plata

400

500

600

700

800

900

1000

1100

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

Cu

1084.5°

7.9

(Cu)

(Ag)

Ag

71.9 91.2

Líquido961.93°

Tem

pera

tura

°C


103

Problema 6.2 Las aleaciones Al-Cuconstituyen un ejemplo característico dealeaciones endurecibles por precipitación,utilizándose en la construcción de estru-cturas de aviones y otras aplicacionesdónde se requiera alta resistencia mecá-nica y ligereza. Con ayuda del diagramade la figura, indique:

a) Rango de composiciones que puedensometerse a envejecimiento.

b) Temperaturas óptimas de línea uhomogeneización para las aleacionesAl-4.5% Cu.

c) Temperaturas de envejecimiento artificial aplicables, sabiendo que para este tipo dealeaciones, el óptimo se encuentra entre 0.20 Thom y 0.30 Thom.

d) Porcentaje en peso teórico de fase θ que se tiene en la aleación, a 25°C, si ésta se hallacompletamente sobreenvejecida.

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 (curvaTemperatura-Tiempo).

d) Para esta misma aleación, calcular la composición y proporción de fases presentes a1000°C.

300

350

400

450

500

550

600

650

700

750

0 10 20 30 40 50 60 70

548°C5.65 33.2 52.5

660°C

L

L + α

αθ

θ + η2α + θ

θ + η1

L + η1

L + ε2

% en peso de cobre

Tem

pera

tura

°C

Al

600

700800

900

10001100

1200

13001400

1500

16001700

1800

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

Porcentaje en peso de níquel

Tem

pera

tura

°C

Líquido

942°C

765°C

1455°C

1118°C

1380°C

1304

630°C

984°C ζδ

β

α

ε

γ37.8

27.9

5.554.5

54.9

65.7

86.1

1310°C

1670°C

Ti Ni


104

Problema 6.4 Con el diagrama de fases de los bronces (Cu-Sn), presentado en la figurasiguiente:

a) Indicar las fases existentes en las zonas bifásicas.

b) Para una aleación del 20 % de Sn, trazar las curvas de enfriamiento hasta la temperaturaambiente.

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 habráen la aleación.

0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

1000

1100

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

1.3 % a 200°

η231.968°227

° 99.1

13°

(β - Sn)

186°

(α - Sn)

60.960.3189°

η’

415°59.0 92.4

58.6

~350°32.55

δ27.0

11.0

15.8

520°

ζε590°24.6

15.8

586° 582°

756°

640°676°

799°

1084.5°

(Cu)

β

22.013.525.5

30.6

γ

L

Porcentaje en peso de estaño

Tem

pera

tura

°C

Cu Sn


105

Problema 6.5. A partir del diagrama dela figura se pide trazar los siguientescorrelaciones:

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.

para una aleación del 20% B enfriada deforma reversible desde 2100°C.

Problema 6.6 En el diagrama deequilibrio Au-Ti, indicar:

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 (curvatemperatura - tiempo), indicando las fases en cada intervalo.

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.

1500

1600

1700

1800

1900

2000

2100

0 10 20 30 40 50 60 70

α

γ

δ1700°

1863°

2022°

9.7 34.2

63.2

Porcentaje en peso de B BATe

mpe

ratu

ra °

C

500

600

700

800

900

1000

1100

1200

1300

1400

1500

1600

1700

1800

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

1064.43°C

1455°C

1172

1495°C

13851310°C

1395°C

L

1367

1670°C

882°C832°C

(βTi)

(αTi)(Au)

βTiAu αTiAu

γTiAu

Ti3A

u

TiAu

2

TiAu

4

Porcentaje en peso de Au AuTi

Tem

pera

tura

°C


106

d) Para una aleación del 30% de Nb indicar la proporción de fases, su composición ytransformación 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.

Problema 6.8 Una aleación se que endurece mediante precipitación de segundas fases, puedehacerlo mediante los procesos térmicos representados en las figuras siguientes.

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 equilibriose representa en la figura:

600

800

1000

1200

1400

1600

1800

2000

2200

2400

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

1627°C

62

1535°C

1210°C

1373°C7518.6 38 95.3

1400°C

2469°C

(Nb)

µε

961°C

770°C

1.52.5

5.2(δFe)

1538°C

(γFe)

(αFe)

0.71.2

Transformación magnética

Porcentaje en peso de niobio NbFe

Tem

pera

tura

°C

t1 t2

θθ2

θθ1

(A)Plastificación

t1 t2

θθ2

θθ1

(B)


107

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.

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.

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

1800

2000

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

Mag.Trans. 405°C

Ni3V

Ni5V

1045°C

1455°C

(Ni)

908° 922°890°

790°

1202°

29.5

35.2

4047

51

Ni2VNiV3

σ

650°

~72

70.7 88.176.3 900°

σ´

L

(V)58.1

64 731280°

1910°C

Porcentaje en peso de vanadio

Tem

pera

tura

°C

Ni V

600700800900

100011001200130014001500160017001800

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100


Tem

pera

tura

°C

Líquido

942°C

765°C

1455°C

1118°C

1380°C

1304

630°C

984°C ζδ

β

α

ε

γ37.8

27.9

5.554.5

54.9

65.7

86.1

1310°C

1670°C

Ti Ni


108

Problema 6.11 A partir del diagramaTi-Ni, de la figura:

c) Dibujar la curva de enfriamientode la aleación base titanio con un10% de níquel.

d) Calcular la composición yproporción de constituyentesmicroestructurales, a 700°C, paralas aleaciones con un 10% deníquel y un 30% de níquel.

Problema 6.12 En el diagrama deequilibrio Ti-Au, indicar:

a) La transformación que experimenta una aleación con un 10% de Au en peso, desde 1200°Chasta los 700°C.

b) Representación gráfica de lamicroestructura que se observaría parala aleación del apartado a), a latemperatura de 700°C.

c) Proporción y composición de las fasesde la aleación 10% de Au, a 700°C.

d) ¿Cuál sería la microestructura a 700°Cde una aleación con el 60% de 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.

600700800900

100011001200130014001500160017001800

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100


Tem

pera

tura

°C

Líquido

942°C

765°C

1455°C

1118°C

1380°C

1304

630°C

984°C ζδ

β

α

ε4

γ37.8

27.9

5.554.5

54.9

65.7

86.1

1310°C

1670°C

Ti Ni

500

600

700

800

900

1000

1100

1200

1300

1400

1500

1600

1700

1800

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

1064.43°C

1455°C

1172

1495°C

13851310°C

1395°C

L

1367

1670°C

882°C832°C

(βTi)

(αTi)

(Au)

βTiAu αTiAu

γTiAu

Ti3A

u

TiAu

2

TiAu

4

Porcentaje en peso de Au AuTi

Tem

pera

tura

°C


109

6.4 PROBLEMAS Y EJERCICIOS PRACTICOS RESUELTOS

Solución al problema 6.1

a) Para ser endurecibles por precipitación o envejecimiento, es requisito necesario que laaleación 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 oaleante), estas condiciones se dan para las aleaciones con contenido en plata desdeaproximadamente 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 essiempre 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.

Si tomamos un intervalo de seguridad tanto por encima como por debajo, ya quetemperaturas muy elevadas pueden originar inicios de fusión o en todo caso engrosamientosexagerados del tamaño de grano. Por el contrario, temperaturas bajas, cercanas a la mínima desolubilidad, permitirá poco la difusión y por lo tanto requerirá largos tiempos para suhomogeneización. Todo ello lleva a que la temperatura industrial de homogeneización para estasaleaciones pueda estar entre los 700 y 900°C.

c) El rango de temperaturas de envejecimiento estaría entre la temperatura ambiente hasta los557°C. También en este caso limitamos las temperaturas elevadas que podrían propiciarrecristalizaciones de la microestructura derivadas de la acritud inducida por el enfriamientobrusco durante el temple. Es por ello que las temperaturas idóneas de envejecimiento seconsiderarán, 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 esel soluto o aleante), estas condiciones se dan para las aleaciones con contenido en cobre desdeaproximadamente 0.2% Cu hasta el 8.8% Cu.

Porcentaje en peso de Plata

400

500

600

700

800

900

1000

1100

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

Cu

1084.5°

7.9

(Cu)

(Ag)

Ag

71.9 91.2

Líquido961.93°

Tem

pera

tura

°C

557°C

1040°C

780°C870°C

695°C


110

Para una aleación con un 5% de Cu, las temperaturas de homogeneización estarán entrelos 695°C hasta los 870°C. Las temperaturas de envejecimiento deben ser entre latemperatura ambiente hasta los 695°C, centrándose principalmente, en el campo industrial,entre los 175 y los 400°C.


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 temperaturasdónde la aleación presente estructura monofásica α. En este caso, con 4.5% Cu, el rango posiblees:

Thom posible: desde 470° a 610°C.

Para acelerar el proceso es conveniente aumentar la temperatura mínima. Por contra, debeevitarse un acercamiento excesivo a la línea de sólidus para evitar una posible fusión en bordesde grano si, como suele ocurrir, ha existido segregación dendrítica durante el proceso desolidificación. 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 y0.3 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 matrizy ha formado precipitados gruesos. La cantidad total de fase θ presente puede por lo tantoestimarse a partir del diagrama de equilibrio para esa temperatura.

En la figura siguiente se muestra conmayor detalle el diagrama Al-Cu hastatemperatura ambiente.

Se traza la isoterma de 25°C y secalculan las composiciones de cada fase. Parala aleación con 4.5%, las fases presentes son α,solución sólida de Cu en Al, y la faseintermedia θ que ha precipitado. La proporciónde fase θ en la estructura se calcula de formainmediata mediante la regla de la palanca.

Fases: α θ

Composición: 0.02% Cu 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.

300

350

400

450

500

550

600

650

700

750

0 10 20 30 40 50 60 70

548°C5.65 33.2 52.5

660°C

L

L + α

αθ

θ + η2α + θ

θ + η1

L + η1

L + ε2

% en peso de cobre

Tem

pera

tura

°C

Al

27°C4.5%54.0%

0.02%


111


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

b) Transformaciones eutectoides

Transformación Composición (% Ni) Temperatura (°C)

β ⇔ α + γ 5.5 765

δ ⇔ γ + ε 54.5 630

c) La curva de enfriamiento (Temperatura - Tiempo) se traza en la figura siguiente, junto aldiagrama.

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 seobserva 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

600

700

800

900

1000

1100

1200

1300

1400

1500

1600

1700

1800

0 10 20 30 40

% en peso de níquel

Tem

pera

tura

°C

Líquido

942°C

765°C

β

α

γ37.8

27.9

5.5

1670°C

Ti

L + β

2711

θθ

t


112

1000°C con las líneas del diagrama que separan a esta zona de las respectivas zonasmonofásicas: 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:

fases β L

Composición 11% Ni 27% Ni

Proporción (27-20)/(27-11) (20-11)/(27-11)

= 43.75% = 56.25%


a) En las zonas bifásicas coexisten las fases que se encuentran a izquierda y derecha de dichazona. En la figura siguiente se muestra el diagrama completo.

b) La curva de enfriamiento (Temperatura - Tiempo) se ha trazado junto al diagrama.

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 lareacción (eutéctico, eutectoide, peritéctico, etc.), lo que se manifiesta por una mesetahorizontal en la curva de enfriamiento.

c) La aleación se encuentra en una zona bifásica de L + α(Cu). Los puntos de corte de laisoterma de 850°C con las líneas del diagrama que separan a esta zona de las respectivas zonasmonofásicas: 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:

0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

1000

1100

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

1.3 % a 200°

η231.968°227°

99.1

13°

(β - Sn)

186°

(α -Sn)

60.960.3189°

η’

415°59.0 92.4

58.6

~350°32.55

δ27.0

11.0

15.8

520°

ζε590

°24.6

15.8

586° 582°

756°

640°676°

799°

1084.5°

(Cu)

β22.013.5

25.530.6

γ

L

Porcentaje en peso de estaño

Tem

pera

tura

°C

Cu Sn

L+ααL+ββ

ββ+γγ

L+εεδδ+εε

αα+γγ

αα+δδ

αα+εε

αα

εε+ηη

εε+ηη’

L+ηη

ηη+ββ(Sn)

ηη'+ββ(Sn)

θθ

t


113

fases α L

Composición

8% Cu 23% Cu

Proporción (23-20)/(23-8) (20-8)/(23-8)

= 20% = 80%

d) Inmediatamente debajo de 520°C la aleación seencuentra en una zona bifásica α + δ, donde la faseα aparece en dos constituyentes: formando partejunto con δ del eutectoide (27% Sn), y como αproeutectoide que ya se había formado atemperaturas por encima de 520°C.

Puede estimarse la cantidad relativa de cadatipo de grano: α proeutectoide, aplicando la regla dela palanca entre la línea de solvus por la izquierda,que da la composición de α (15.8% Sn), y lacomposición eutectoide (27% Sn). En este caso setendrá:

Constituyentes: α proeutectoide Eutectoide

Proporción: (32-27)/(32-15.8) (27-15.8)/(32-15.8)

= 30.8% = 69.2%


Apartados a y d) Transformaciones de la fase αα.

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 lazona 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: 0 α a 1825°C

hasta un (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 enesta zona la existencia de fases α y δ.

Composición de α: Viene dada por la línea del diagrama que separa la zona monofásica αde la zona bifásica α + δ. varía desde 9.7% B a 1700°C hasta 5% B a 1500°C.

~350°32.55

δ27.0

11.0

15.8

520°

ζ590°24.6

15.8

586°

756°

676°

799°

(Cu)

β

22.013.525.5

30.6

γ

L

% en peso de estañoTe

mpe

ratu

ra °

CCu

300

350

400

450

500

550

600

650

700

750

800

850

900

950

0 10 20 30 40

238


114

Proporción: Viene dada por la regla de la palanca en la zona bifásica α + δ:

A 1700°C - ∆T, justo debajo deleutectoide vale:

% α = 100 (62.5-20)/(62.5-9.7) = 80.5%α, siendo el resto δ de composición 62.5% B

La proporción de α disminuyeprogresivamente conforme desciende latemperatura hasta que a 1500°C, se tiene:

% α = 100 (62.5-20)/(62.5-5) = 73.9% α

Los resultados se muestran gráficamenteen las figuras siguientes.

Apartados b), c), e) y f): fases γγ y δδ.

Las correlaciones correspondientes alas fases γ y δ, se presentan indicadas en lasfiguras siguientes.


a) Las transformaciones eutécticas tienen lugar a las temperaturas y proporciones siguientes:

Contenido en oro (%) Temperatura (°C)52.0 1367

67.5 131086.0 1385

b) El único eutectoide del diagrama tiene una composición del 15% de Au a una temperatura832°C.

c) En la figura se representa el registro de enfriamiento de la aleación con un 30% de Au, que

1500

1600

1700

1800

1900

2000

2100

0 10 20 30 40 50 60 70

αα

γγ

δδ

1700°

1863°

2022°

9.7 34.2

63.2

Porcentaje de BATe

mpe

ratu

ra °

C

Composición αα, γγ y δδ

1500

1600

1700

1800

1900

2000

2100

0 20 40 60 80 100

1825°C

°C

% α 1700°C% γ

% δ

%


115

inicia la solidificación a fase β alrededor de los 1550°C, finalizando la misma a los 1460°C. Apartir de esa temperatura tenemos una sola fase, fase β del Ti, que ha partir de los 1200°Cprecipita una fase Ti3Au. A los 832°C la fase β restante, sufre transformación eutectoide en faseα + fase Ti3Au


a) Las transformaciones eutécticas tienen lugar a las temperaturas y proporciones siguientes:

Contenido en niobio (%) Temperatura (°C)18.6 1373

75.0 140055.0 1535

b) El único eutectoide del diagrama tiene una composición del 2.5% de Nb a una temperatura1210°C.

c) En la figura se representa el registro de enfriamiento de la aleación con un 10% de Nb, queinicia 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 los961°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 lossiguientes porcentajes:

%.

. %δ =−−

=38 30

38 2 522 5

%.

.. %ε =

−−

=30 2 5

38 2 577 46

A temperatura de 1209°C, estarán presentes las fases γ (1.5% Nb) y ε (38% Nb), con lossiguientes porcentajes:

%.

. %γ =−−

=38 30

38 152191

%.

.. %ε =

−−

=30 15

38 1578 09

e) Representación gráfica de la aleación 30% de Nb, a distintas temperaturas:

1211°C 1209°C

εε

εε

εε

εε

ΕΕ

ΕΕ

ΕΕ

ΕΕ

εε

εε

εε

εε

ΕΕutectoide

ΕΕutectoide

ΕΕutectoide

εε εε

εε

εε

εε

εε

εε

εε

εε


116


a) En los gráficos se señalan las diferentes etapas del proceso de precipitación.

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 laaleación, para que no pierda las propiedades mecánicas obtenidas con la deformación plástica.


a) Las fases presentes a cada temperatura, serán, según el diagrama de equilibrio:

1204°C L + (Ni)980°C σ’ + (Ni)830°C σ’ + Ni2V600°C σ + Ni2V

b) La cantidad de fases presentes a 950°C, será, considerando el porcentaje de vanadio en la faseσ’ de un 51 % y en la fase α(Ni) de un 36 %.

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

1800

2000

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

Mag.Trans. 405°C

Ni3V

Ni5V

1045°C

1455°C

(Ni)

908° 922°890°

790°

1202°

29.5

35.2

4047

51

Ni2VNiV3

σ

650°

~72

70.7 88.176.3 900°

σ´

L

(V)58.1

64 731280°

1910°C

Porcentaje en peso de vanadio

Tem

pera

tura

°C

Ni V

5136

t1 t2

θθ2

θθ1

(A)Plastificación

Solubilización

Envejecimiento

Temple

t1 t2

θθ2

θθ1

(B)

Solubilización

Envejecimiento

Temple


117

% ' %σ =−−

=45 36

51 3660

( )% %Ni =−−

=51 45

51 3640

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 =−−

=45 36

47 36818

( )% . %Ni =−−

=47 45

47 3618 2

d) La microestructura obtenida a los 830°C serácomo la representada en la figura, con unacombinación de granos con transformacióneutectoide procedentes de los granos contransformación eutéctica a mayores temperaturas yformando matriz la fase σ’.


a) En el diagrama se representa el esquema de lasmicroestructuras que se obtendrían a cadatemperatura.

Fase σ’

Eutectoide

600

700800

900

10001100

1200

13001400

1500

16001700

1800

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100


Tem

pera

tura

°C

Líquido

942°C

765°C

1455°C

1118°C

1380°C

1304

630°C

984°C ζδ

β

α

ε

γ37.8

27.9

5.554.5

54.9

65.7

86.1

1310°C

1670°C

Ti Ni

L

Lβ

β β

β

β

β β

β

Eutéctico

Euectoide

Fase γ


118

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, cuyaproporción vendrá dada por:

%67,261126

2226% =

−−

=β

%33,731126

1122líqido% =

−−

=

A 850°C habrá dos fases, fase β con un 8% de Ni y fase γ con un 37% de Ni, cuya proporciónvendrá dada por:

%72,51837

2237% =

−−

=β

%28,48837

822% =

−−

=γ

A 700°C habrá también dos fases, fase α con un 1% de Ni y fase γ con un 37,5% de Ni, cuyaproporción vendrá dada por:

%47,4215,37

225,37% =

−−

=α

%53,5715,37

122% =

−−

=γ

Solución del problema 6.11.

a) la curva de enfriamiento será como la representada en la figura, donde se especifican lastemperaturas de transformación y las fases en cada zona.

600700800900

10001100

1200130014001500160017001800

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100


Tem

pera

tura

°C

Líquido

942°C

765°C

1455°C

1118°C

1380°C

1304

630°C

984°C ζδ

β

α

ε4

γ37.8

27.9

5.554.5

54.9

65.7

86.1

1310°C

1670°C

Ti Ni

1520°C

1100°C

870°C765°C

Tiempo

Tem

pera

tura

Líquido

L + β

Fase β

Fases β + γ

Eutectoide (α + γ) + γ


119

b) Para un 10 % de níquel tendremos como constituyentes microestructurales granos eutectoidesde transformación de la fase β, con una composición de 5.5% de Ni, y fase γ precipitada enborde de grano, con una composición de 38% de Ni. Con ello la proporción de los granos será:

%15.865.538

1038gra% =

−−

=seutectoidenos

%85.135.538

5.510gra% =

−−

=γnos

Para la aleación con el 30% de níquel tendremos granos, inicialmente, granos proeutecticosγ envueltos por los granos eutecticos que sufrirán más tarde la transformación eutectoidecorrespondiente

%62.245.538

3038gra% =

−−

=seutectoidenos

%38.755.538

5.530gra% =

−−

=γnos

Solución del problema 6.12.

a) Desde los 1200°C hasta los 650°C no presenta transformación alguna, es a partir de los 865°Caproximadamente cuando inicia la transformación alotrópica de fase (βTi) a fase (αTi), quecontinua la transformación hasta los 832°C donde tiene lugar la transformación eutectoide, porlo que su microestructura será la correspondiente a una aleación hipoeutectoide. A partir de estatemperatura y hasta los 700°C ya no muestra ninguna otra transformación.

b) La microestructura será la correspondiente a una aleaciónhipoeutectoide, con aproximadamente una mitad de granos αproeutectoides y granos eutectoides.

c) Las fase a 700°C serán fase α con un 4.5 % de Au e intermetálicoTi3Au con un 58% de Au. La proporción de estas fases será:

%7.895.458

1058=

−−

=αFase

%3.105.458

5.4103 =

−−

=AuTi

d) La microestructura, a 700°C, de la aleación con un 60% de oro, estará formada por granos deintermetálico Ti3Au, del tipo proeutéctico, solidificados desde los 1395°C hasta los 1310°Cdonde tendrá lugar la solidificación del resto de líquido mediante transformación eutéctica que seconformará mediante láminas de intermetálico Ti3Au y fase γTiAu. De manera aproximadatendría un 25% de granos proeutecticos y una 75% de estructura eutéctica rodeando oenvolviendo a los anteriores.

αα

αα

αα

αα

ΕΕutectoide

ΕΕutectoide

ΕΕutectoide

αα αα

αα

αα

αα

αα

αα

αα

αα

unidad 6 - upv

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