Diagramas de fases y cambios de estado

1. Diagramas de fases y cambios de estado.

Explique que son los cambios de estado y cuales se dan en los procesos o aplicaciones para la creación de materiales compuestos, aleaciones, tratamientos térmicos etc.

Son los procesos en los que un estado de la materia cambia a otro manteniendo una semejanza en su composición. A continuación se describen los diferentes cambios de estado o transformaciones de fase de la materia:

• Fusión: Es el paso de un sólido al estado líquido por medio del calor; durante este proceso endotérmico (proceso que absorbe energía para llevarse a cabo este cambio) hay un punto en que la temperatura permanece constante. El "punto de fusión" es la temperatura a la cual el sólido se funde, por lo que su valor es particular para cada sustancia. Cuando dichas moléculas se moverán en una forma independiente, transformándose en un líquido. Un ejemplo podría ser un hielo derritiéndose, pues pasa de estado sólido al líquido.

• Solidificación: Es el paso de un líquido a sólido por medio del enfriamiento; el proceso es exotérmico. El "punto de solidificación" o de congelación es la temperatura a la cual el líquido se solidifica y permanece constante durante el cambio, y coincide con el punto de fusión si se realiza de forma lenta (reversible); su valor es también específico.

• Vaporización y ebullición: Son los procesos físicos en los que un líquido pasa a estado gaseoso. Si se realiza cuando la temperatura de la totalidad del líquido iguala al punto de ebullición del líquido a esa presión continuar calentándose el líquido, éste absorbe el calor, pero sin aumentar la temperatura: el calor se emplea en la conversión del agua en estado líquido en agua en estado gaseoso, hasta que la totalidad de la masa pasa al estado gaseoso. En ese momento es posible aumentar la temperatura del gas.

• Condensación: Se denomina condensación al cambio de estado de la materia que se pasa de forma gaseosa a forma líquida. Es el proceso inverso a la vaporación. Si se produce un paso de estado gaseoso a estado sólido de manera directa, el proceso es llamado sublimación inversa. Si se produce un paso del estado líquido a sólido se denomina solidificación.

• Sublimación: Es el proceso que consiste en el cambio de estado de la materia sólida al estado gaseoso sin pasar por el estado líquido. Al proceso inverso se le denomina Sublimación inversa; es decir, el paso directo del estado gaseoso al estado sólido. Un ejemplo clásico de sustancia capaz de sublimarse es el hielo seco.

SOLIDIFICACION EN METALES

La gran mayoría de metales para poder generar productos requieren de un proceso de extracción (minerales), derretirlo para que fluya por gravedad a un molde en el cual este se enfría y solidifica. Este proceso de solidifación es diferente si el caso es el de un metal puro o el de una aleación, como será explicado más adelante.

En la solidificación de un material existe una etapa llamada nucleación (formación de núcleos en el metal líquido). Este tipo de nucleación puede ser homogénea o heterogénea.

PROCESO DE FABRICACION DEL ACERO

El proceso de fabricación del acero inicia con las materias primas, dentro de las cuales la más importante es el mineral de hierro o bien chatarra férrea, según el proceso que se use para fundirlo, ya que en el proceso a base de mineral de hierro se utiliza un alto horno y en el proceso con la chatarra férrea se usa un horno de arco eléctrico. Los principales minerales de los que se extrae el hierro son:

Hematita (mena roja) 70%, de hierro Magnetita (mena negra) 72.4%, de hierro Siderita (mena café pobre)48.3% de hierro y Limonita (mena café) 60-65% de hierro.

En resumen los cuatro elementos necesarios parta la producción del acero son:

• Mineral de hierro

• Coque

• Piedra caliza

• Aire

Para la fabricación de productos comerciales de acero (alambron, perfiles, barras, bobinas, etc.), se hace necesario el uso de un tren de laminación o rodillos laminadores, los cuales van a permitir darle las formas comerciales del acero. Estos procesos de laminación, forja, extrusión, requieren temperaturas para llevar a cabo su objetivo. Debido a la temperatura los procesos se pueden clasificar en tres tipos: trabajo en frío, trabajo en caliente y Trabajo en tibio.

Aceros de aleación

Son los aceros que contienen otro metal que fue añadido intencionalmente con el fin de mejorar ciertas propiedades del metal. Los elementos principales de aleación asi como su porcentaje se muestran en la tabla 7. Dentro de este grupo se encuentran:

• De baja aleación: Son aquellos en los que los elementos especiales de aleación suman menos del 8%

• De alta aleación: Son aquellos en los que los elementos especiales de aleación suman más del 8%.

TRATAMIENTOS TERMICOS

Son cambios en la estructura del material producto de calentamiento a diferentes temperaturas y enfriamiento en diferentes medios (aire, agua, aceite, etc). Los tratamientos térmicos, son procesos que así como modifican la micro estructura del material, conllevan a una modificación de sus propiedades mecánicas; estos no son exclusivos de los metales, también se realizan a los vidrios y cerámicos. Los principales tratamientos térmicos son: recocido, temple, revenido, normalizado, endurecimiento por precipitación y endurecimiento superficial.

Los tratamientos térmicos, pueden aplicarse a un material en cualquier etapa del proceso de fabricación, por ejemplo antes de ejecutar el procesos de deformación volumétrica como la forja y la extrusión (para disminuir tensiones internas), durante el proceso de formado (con el fin de aumentar la ductilidad del material), al final del proceso de manufactura (para aumentar propiedades como dureza y resistencia por ejemplo).

Recocido

Es un tratamiento el cual se aplica a los metales cuando se han trabajado en frío ya que su objetivo es eliminar los defectos de este proceso. Consiste en calentar el metal a una temperatura adecuada, en la cual se mantiene por un cierto tiempo (recalentamiento) y después se enfría lentamente.

Dentro de los fines del tratamiento de recocido se encuentran:

• Eliminar los esfuerzos residuales que se producen en el trabajo en frío

• Reducir la dureza y fragilidad proveniente generalmente del trabajo en frío.

• Recristalizar (regeneración de granos) los metales trabajo en frío (endurecidos por deformación)

• Refinar la estructura del grano

Cuando los metales y especialmente el acero procede de un proceso de deformación o trabajo en frío, como se mencionó anteriormente, lo granos quedan en forma alargada con exceso de dislocaciones y otros defectos.

Normalizado

Es un tratamiento térmico que consiste en calentar el material hasta la zona austenítica y luego dejarla enfriar al aire libre (en reposo). La micro estructura a temperatura ambiente para los aceros varia. Las características que proporciona este tratamiento térmico son:

• Proporciona mayor resistencia a la tensión que el recocido

• Ayuda a refinar la estructura del grano del material

• Mejora la ductilidad y dureza comparada con el recocido.

Temple

Este tratamiento térmico consiste en calentar el acero hasta la zona autenítica y enfriarlo rápidamente en agua, aceite o salmuera (enfriamiento mas rápido) con el fin de obtener una estructura llamada martensita. Si el enfriamiento desde la zona austenítica hasta la temperatura ambiente se hiciese lento la estructura que se formaría seria la perlita.

Revenido

El tratamiento térmico de revenido consiste en calentar el acero luego de realizar un temple hasta una temperatura por debajo de la temperatura eutectoide (generalmente entre 600ºC - 727ºC) con el fin de bajarle al acero la dureza y fragilidad adquirida en el temple, es decir, hacerlo más blando y más dúctil.

FUNDICIONES O HIERROS FUNDIDOS

Las fundiciones son aleaciones ferrosas que contienen entre el 2 a 4% de C y de 1 a 3% de silicio, son materiales con una estructura que no puede tolerar ninguna deformación. De acuerdo a la distribución del acero en su estructura se pueden distinguir 4 tipos de fundiciones: fundición blanca, fundición gris, fundición dúctil y fundición maleable.

Fundición blanca

Esta se forma cuando la mayor parte del carbono en la fundición en estado líquido se convierte en carburo de hierro (Fe3C) en vez de grafito. Esta fundición se produce al pasar la fundición por la línea de isoterma de 1140ºC.

Fundición gris

Esta se forma cuando la mayor parte del carbono en la fundición en estado líquido se convierte en grafito en vez de carburo de hierro, es decir, existe demasiado carbono dentro de la austenita que este se precipita en forma de escamas de grafito. Su nombre proviene de forma similar al hierro blanco, cuando este se fractura, la superficie fractura muestra un color gris debido al grafito contenido en ella. Posee buenas características como: buena absorción de vibración, facilidad para el mecanizado y resistencia al desgaste.

Fundición nodular (dúctil)

Es un hierro con la composición del hierro gris, en la cual al metal líquido se le agrega aleaciones de magnesio en forma diluida como una aleación MgFeSi con el fin de que el grafito se convierta en nódulos y no en hojuelas como el hierro gris. El proceso de fabricación de esta fundición involucra un primer paso de desulfurización, que consiste en eliminar el azufre y

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