Microestructura y Propiedades de los Aceros

Modelo de fractura frágil de Griffith

FORMULA TENSIÓNc. Durante la propagación de una grieta se produce lo que se denomina liberación de energía de deformación elástica, ósea, parte de la energía que es almacenada en el material cuando es deformado elásticamente. También se forman nuevas superficies en las caras de la grieta cuando ésta se extiende, lo cual origina un incremento en la energía superficial del sistema. Giffith desarrolló un criterio para propagación de una grieta elíptica.

Microestructura bainítica

se compone de ferrita y cementita, y en su formación intervienen procesos de difusión. La bainita forma agujas o placas dependiendo de la temperatura de la transformación. Está compuesta de una matriz ferrítica y de partículas de Fe3C.

Obtener Bainita en un acero eutectoide

Depende del tiempo y de la Tº y se puede representar en un diagrama de transformación isotérmica, a Tº inferiores a la formación de la perlita. En los procedimientos isotérmicos realizados entre 540-727ºC se forma perlita y entre 215-540, el producto de transición es la bainita.

Bainita superior

Se forma en rangos de Tº inmediatamente inferiores a los de perlita, se compone de agujas o bastones de ferrita con cementita entre ellas.

Bainita inferior

Se forma a Tº del orden de la martensita.

Prop. mec. de las microestructura de los aceros

Los aceros bainíticos son mas duros y resist. que los perlíticos porque tienen una estructura más fina a base de partículas diminutas de Fe3C en una matriz ferrítica; por ese motivo exhiben una interesante combinación de resist. y ductibilidad.

Parámetro de Larson-Miller

Es una correlación entre la tensión de trabajo, la Tº de trabajo y el tiempo de ruptura. Se usa para estudiar la vida útil de componentes industriales que operan a elevadas Tº. Por ejemplo, la tubería de una caldera.

Endurecimiento por reducción de tamaño de gr.

El endurecimiento___es consecuencia de que los bordes de gr. actúan como una barrera infranqueable para el movimiento de las dislocaciones, y que el Nº de dislocaciones dentro de un gr., afecta a como éstas pueden transmitir su efecto a gr. vecinos a través de los bordes.

Relación lím. elast. y tamaño de gr.(Hall-Peach)

FORMULA.

Revenido

Se realiza calentando por debajo del eutectoide una martensita durante un periodo de tiempo específico. Normalmente el revenido se realizada calentando entre los 250 y 650ºC, sin embargo, las tensiones internas se pueden eliminar a Tº de unos 200ºC

Micro estructura y prop. del rev.

La microestructura de la martensita revenida consiste en partículas extremadamente pequeñas de cementita embebidas en una matriz ferrítica continua y uniformemente dispersas. Es una estructura parecida a la esferoidita excepto en el tamaño, que es mucho más pequeño. La martensita revenida casi es tan dura y resist. como la martensita, pero mucho más dúctil y tenaz. Esto se explica por la gran superficie de limite de fase por unidad de volumen que existe en las numerosas y diminutas partículas de cementita.

Fragilidad del revenido

Existen algunos aceros en los cuales, en determinados intervalos de la Tº de revenido, la tenacidad, en vez de aumentar disminuye. A este fenómeno se lo conoce como fragilidad del revenido. Se distinguen dos tipos:Fragilidad de revenido entre 250 y 400ºC.Es debida a la formación de una delgada capa de cementita en los contornos de la martensita. Fragilidad de revenido entre 450 y 550ºC.Se presenta en aceros que contienen pequeñas cantidades de Cromo y Niquel

Deslizamiento de monocristales

Las dislocaciones de cuña helicoidales y mixtas se mueven en respuesta a la cizalladura aplicada a lo largo de un plano de deslizamiento y en una dirección de deslizamiento.

Tensión de cizalladura resuelta

Las___son aquellas existentes cuando se aplica un esfuerzo ya sea tracción o compresión en un monocristal donde sus magnitudes dependen no sólo de la tensión aplicada, sino también de la orientación del plano y de la dirección de deslizamiento en este plano. Se calcula de la siguiente forma:FORMULA

Tensión de cizalladura resuelta crítica, relación con lím. elast. y tensiñon min.

Es aquella cizalladura mínima que se requiere para iniciar el deslizamiento. El monocristal se deforma plásticamente o cede cuando 𝑟𝑅(𝑚á𝑥) = 𝑟𝑐𝑟𝑠𝑠 , y la magnitud de la tensión aplicada requerida para iniciar la fluencia ósea, el limite elástico es:FORMULA.La tensión mínima necesaria para producir la fluencia ocurre cuando un monocristal estás orientado de manera que ϕ= λ=45º.

Proceso de recristalización

Formaciónde un nuevo conjunto de gr. equiaxiales y libres de deformación que tienen baja densidad de dislocaciones, que son característicos de la condición previa al trabajo en frío. Los nuevos gr. se forman como núcleos muy pequeños y crecen hasta que reemplazan completamente al material matriz.

Tº de recristalización

La Tº de recrist. es la Tº a la que se produce la recrist. en una hora. Depende del % de trabajo en frío y de la pureza de la aleación. Si aumenta el % en frío, aumenta la velocidad de recrist. y disminuye la Tº de recrist.. La recrist. ocurre más rápida en metales que en aleaciones. Al alear un material aumenta la Tº de recrist.

Como dependeTºcon %enFrío, tamaño del gr., %aleantes, TºdeFusión

Generalmente, la Tº de recrist. se encuentra entre un tercio y la mitad de la Tº de fusión del material o aleación, y su valor varía atendiendo a varios factores, entre ellos el trabajo en frío y la pureza de la aleación. Existe un grado crítico de trabajo en frío por debajo del cual la recrist. no puede ocurrir, está comprendido entre el 2 y el 20% de trabajo en frío.

Tratamiento de esferoidización

Si una aleación de acero que tiene una estructura perlítica o bainítica se calienta y se le deja a una Tº inferior a la eutectoide por un periodo suficientemente largo, por ejemplo, a 700ºC aproximadamente entre 18-24 horas, se forma la esferoidita.

Microestructura y fuerza umpulsora de la transformación

La fase Fe3C aparece como partículas esferoidales embebidas en una matriz continua de fase α. Los aceros esferoidizados, como era de esperar, son extremadamente dúctiles, mucho más que los de perlita fina o gruesa. Además, son notablemente tenaces porque las grietas solo encuentran una pequeña fracción de partículas de cementita frágil para propagarse a través de la dúctil matriz ferrítica.

Aceros que se aplica este tratamiento

Se aplica en aceros de medio y alto contenido en carbono, cuya microestructura, consistente en perlita gruesa, puede llegar a ser demasiado dura para ser mecanizada.

Cinética de las reacciones de estado sólido(etapas)

Durante el proceso de formación de una nueva fase existen dos etapas claramente diferenciadas: nucleación y crecimiento. La nucleación comprende la aparición de partículas muy pequeñas o núcleos de la nueva fase, que tienen la capacidad de crecer. Durante la etapa de crecimiento estos núcleos aumentan su tamaño, lo que conduce a la desaparición de parte o de toda la fase de partida. La transformación finaliza si se permite que el crecimiento de las partículas de la nueva fase prosiga hasta que alcance la fracción de equilibrio.

Ecuación de esta curva:

Avrami: y = 1-exp(-ktn), donde k y n son constantes de la reacción independientes del tiempo.

Comportamiento de la velocidad de las reacciones activadas térmicamente

Los procesos cuya velocidad depende de la Tº, algunas veces se denominan activados térmicamente. Asimismo, una ecuación de velocidad que tiene una dependencia exponencial con respecto a la temperatura se denomina ecuación de velocidad de Arrhenius.

Tipos básicos de defectos puntuales en materiales cristalinos

Vacantes: se trata de un lugar normalmente ocupado por un átomo que en este caso está ausente. Todos los sólidos cristalinos contienen vacantes. La necesidad de que existan vacantes se explica por los principios de la termodinámica, la presencia de vacantes aumenta la entropía del cristal. Átomos sustitucionales: en teoría un material puro está formado exclusivamente por el mismo tipo de átomo. Los materiales reales no son 100% puros, sino que poseen impurezas, las cuales se definen como átomos diferentes a los átomos del material original. Cuando uno de esos átomos diferentes sustituye a un átomo original ocupando su punto de red, recibe el nombre de átomo sustitucional. Átomos intersticiales: son átomos que ocupan lugares que no están definidos en la estructura cristalina. En otras palabras, son átomo cuya posición no está definida en su punto de red. Normalmente estos átomos se colocan en los intersticios que sen forman entre los átomos originales, por lo que se llama átomos intersticiales.

Dependencia del número de defectos puntuales con la Tº

El Nº de vacantes aumenta exponencialmente con la Tº: a medida que T aumenta en la ecuación Nv=N exp(-Qv/kT), también aumenta la expresión exp-(Qv/kT).

Reglas de Hume-Rottery

Factor de tamaño atómico: esta condición establece que la diferencia de los tamaños de los radios atómicos de soluto y disolvente no sean mayor a un 15%. De lo contrario, los átomos de soluto crearán grandes distorsiones en la red y se formará una nueva fase. Estructura cristalina: las estructuras cristalinas de los metales deben ser las mismas. Electronegatividad: cuanto más electropositivo es un elemento y más electronegativo sea el otro, mayor es la posibilidad de que formen un compuesto intermetálico en lugar de una disolución sólida sustitucional. Valencias: si los demás factores permanecen iguales, un metal tiene más tendencia a disolver otro metal de valencia mas elevada que uno de valencia menor.

Regla de las fases de Gibbs

Esta regla representa un criterio para el Nº de fases que coexisten dentro de un sistema en equilibrio, y se expresa mediante la sencilla ecuación FORMULA. P -> Nº fases presentes F-> grados de libertad C -> Componentes del sistema N -> Nº de variables de la composición.

Fallo por fatiga

Forma de rotura que ocurre en estructuras sujetas a esfuerzos dinámicos y fluctuantes. En estas circunstancias es posible que la fractura ocurra a un nivel de esfuerzo considerablemente menor que la resist. a la tracción o el lím. elást. correspondientes a una carga estática. La fatiga es catastrófica e insidiosa, pues ocurre súbitamente y sin aviso.

Límite de fatiga

es el nivel de esfuerzo lím. por debajo el cual no ocurrirá la rotura por fatiga.

Resistencia a la fatiga

nivel de esfuerzos en el cual ocurrirá la rotura en un número especificado de ciclos.

Vida a fatiga

Nº de ciclos para causar la rotura a un nivel especificado de esfuerzos. SUS FACTORES:La dispersión de los datos de la vida de fatiga es causada por parámetros como: la fabricación de la probeta y preparación de la superficie, variables metalúrgicas, alineamiento de la probeta en el aparato de ensayo, esfuerzo medio y frecuencia de ensayos

Transformación de fases e independencia temporal

El progreso de una tran___ puede dividirse en dos etapas: nucleación y crecimiento. La nucleación comprende la aparición de partículas muy pequeñas o núcleos de la nueva fase que tienen la capacidad de crecer. Durante la etapa de crecimiento estos núcleos aumentan su tamaño, lo que conduce a la desaparición de parte o de toda la fase partida. La transformación llega al termino si se permite que el crecimiento de las partículas de la nueva fase prosiga hasta que se alcance la fracción de equilibrio. Las reacciones no ocurren instantáneamente y presentan una dependencia temporal debido a obstáculos que existen para el desarrollo de la reacción.