Tratamientos Termicosv4.0

Introducción Los tratamientos térmicos y termoquímicos tienen por objeto mejorar las propiedades y características mecánicas de los aceros y consisten en calentar y mantener las piezas o herramientas de acero a temperaturas adecuadas durante un cierto tiempo y enfriarlas luego en condiciones convenientes. De esta forma se modifican la estructura microscópica de los aceros, se verifican transformaciones físicas y a veces reacciones químicas en los metales y sus aleaciones. El tiempo y la temperatura son los factores principales de acuerdo con la composición del acero, la forma y el tamaño de la pieza y las características mecánicas que se desean obtener. En este trabajo se explicara el tratamiento termoquimico de cementacion aplicado al acero al carbono.

Tratamientos térmicos Si se observa que en un sólido los átomos están agrupados en un orden reciproco bien definido , dispuestos en planos y en el espacio de manera que forman una red cristalina, obedeciendo a determinadas leyes geométricas y manteniendo sus relaciones de simetría, se dice que este sólido tiene una estructura cristalina, característico de los metales. El pasaje de un cuerpo del estado líquido al sólido se produce por una sustracción de calor, o variación de temperatura. En particular el cambio del estado liquido al sólido de un material de estructura cristalina se realiza por solidificación por cristalización.

En los cuerpos cristalinos, el descenso de la temperatura que se indica con la curva ABCD en la figura 1 muestra que en la curva AB la materia se encuentra en estado liquido, pero a medida que la Temp. Desciende se forman los primeros núcleos de los futuros cristales; cuándo la Temp. Alcanza el valor ts, correspondiente al punto B de la fig. se inicia la cristalización que se produce a una Temp. Constante, llamada temperatura de solidificación. En BC las fases liquido y sólido coexisten, con el tiempo la liquida disminuye y la sólida aumenta hasta que al llegar al punto C esta totalmente sólida la sustancia. La constancia de la temperatura se produce por la compensación que existe entre la energía desprendida y la pérdida de calor. Esto se justifica por que en el estado liquido las molécula tienen dos movimientos vibratorio y de traslación. La cristalizacion implica eliminación del movimiento de traslación, que se produce en funcion de la evacuacion de una cierta cantidad de energia termica. Cuanto mas calor se le quite al sistema mayor sera la cristalizacion, dado que mayor sera el numero de moleciulas con menor energia que se agruparan al los cristales, y la moleculas que conserven su movimiento de traslación continuaran en astado liquido. En tales condiciones se mantiene la constancia de la temperatura. A partir del punto C cuando toda la materia esta en estado solido comienza el descenso de la temperatura. En el proceso inverso cuando se llega al punto C que es la temperatura de fusion, que señala el comienzo de cambio de estado, las primeras molecula por el calor que reciben adquieren moviminto translatorio. Las temperaturas de fusion y solidificacion son coincidentes cuando los procesos son lentos. Si la transferencia de calor es elevada se produce una variación tanto en la temperatura de fusion como en la de solificacion. Lo anteriormente dicho quiere decir que la energia termica entragada al solido destruye los enlaces de las molecuas que hacen al estado cristalino y le dan un moviminto de translación. Y en el proceso de solidificación, la sustracción de calor da lugar al cambio de estado mientras la temperatura se mantiene constante

La estructura cristalina de los metales Los metales están constituidos por una serie de cristales que están formados por moleculas y por atomos. A la ves estos cristales forman granos, estos granos son particulas microscopicas y están formados por millones de cristales del material. Dichos cristales forman una “red cristalina”

La característica mas importante que constituye la red cristalina es el ordenamiento de los átomos en el espacio. Las fuerzas de atracción entre moleculas conducen a la cristalizacion de los metales. Por lo tanto un cristal que representa un sistema de particulas de materia solidamente unidas entre si, se caracteriza como el ordenamiento mas compacto de particulas. En los metales se encuentras distintos tipos de la estructura cristalinas. Una de las caracteristicas importantes de la estructura cristalina es el numero de atomos que constituyen la celula elemental. Otro caracteristica es el grado de compactacion, que indica el numero de atomos vecinos y equidistantes. Cuanto mayor es el grado de compactacion mas densa es la red. El grado de compactacion esta definido por la relacion entre el volumen ocupado por los atomos y el volumen de la celda unitaria. Por ejemplo para un sistema cubico centrado en el cuerpo el indice de compactacion es de 0,68 y para el cubico centrado en las caras es de 0,74. esto quiere decir que como se ve en la figura los atomos están mas cerca en el cubico centrado en las caras. Los metales se caracterizan por tener propiedades caracteristicas que están vinculadas a la estructura cristalina (fisica, mecanica, etc). Poseen brillo metalico, alta conductividad termica y electrica,peso especifico alto. Tienen mayo r o menor elasticidad maleabilidad, ductilidad y tenacidad. Otra caracteristica fundamental es la de formar soluciones al estado liquido con otros metales y no metales. En condiciones normales, un metal esta constituido por un gran numero de granos orientados al azar y de forma irregular. Sobre los limites del grano los atomos tienen un ordenamiento mucho menos regular que en el centro. Como consecuencia de los campos de fuerza de los granos vecinos y de las impurezas que se concentran en los bordes de los granos. Con lo que aumenta la irregularidad en el ordenamiento atomico. Los atomos localizados en la superficie poseen mayor energia provocada por la no compensación de la interaccion atomica y la disposición distorsionada de la capas limites. Dicha energia juega un papel muy importante en la tranformacion de fases tento en meteles puros como en aleaciones.

El orden y ubicación de los atomos en la red cristalina no están fijos a un punto por siempre. Por el contrario algunos atomos que tienen mayor energia cinetica, por efecto de la vibracion termica, tienen la posibilidad de dejar sus posisiciones regulares para pasar a una posición intersticial. A esto se lo denomina difusión en el reticulado cristalino de un metal o autodifusion. Existen dos tipos de difusión intersticial o de vacancias. La difusión de vacancias se produce por el aumento de la temperatura del atomo que le provoca mayor vibracion, lo cual provoca una vacancia. Para difusión intersticial es necesario que el radio del atomo que difunde sea pequeño para introducirse en los intersticios de la estructura cristalina. Por ejemplo un atomo que ha abandonado su lugar regular en la reticula cristalina se dice que esta dislocado, y el lugar que queda libre produce a una vacancia que puede ser ocupado por cualquier atomo. A medida que aumenta la temperatura y la vibaracion de lo atomos se producen mas cantidades de dislocaciones y vacancias en el reticulado. Dándose la mayor cantidad en las cercanias al punto de fusion del metal. El proceso de vibracion termica produce la migración de una vacancia que es ocupada por otro atomo vecino, desplazandose constantemente la vacancia por toda la estructura cristalina. Este hecho es fundamental para la difusión. En ocasiones una vacancia puede ser ocupada por un atomo de impureza provocando asi una perturbación en la periodicidad de la red, como tambien el atomo de impureza puede ocupar un lugar intersticial.

Por ejemplo cuando un metal sufre un proceso de deformación, las dislocaciones pueden moverse al lo largo del reticulo hasta llegar a la superficie del cristal, donde

tiene lugar su compensación. la figura muesta el desplazamiento de una dislocación através de un cristal cuando se lo deforma.

Al producirse la deformación en el cristal, aumenta la densidad de las dislocaciones, lo que le de mayor resistencia al metal. Como en los cristales existen muchas dislocaciones, la interacción con los cristales vecinos lleva a reducir la movilidad de las dislocaciones. Otro factor que produce un cambio en las propiedades de los metales son las impurezas. En relación con las dislocaciones, la introducción de impurezas en los metales se traduce en un aumento de la dureza, dado que estas impureza reducen o dificultan la movilidad de las dislocaciones. El efecto de las impurezas se hace notar aun en muy bajas concentraciones (0.01%) y aun menores, su acumulación en las dislocaciones provoca endurecimiento. De aquí surge el notorio efecto que ejercen sobre las propiedades mecánicas.” El movimiento arbitrario de una dislocación implica transporte de materia por difusión.” Algunos metales tienen la propiedad de formar diferentes estructuras cristalinas. A esta propiedad se la llama poliformismo y al metal polimorfo. Dentro del estado solido cuando se calienta o enfria un metal puede terner un cambio en sus propiedades (estado cristalino, propiedades magneticas , y electricas peso especifico y poder de solubilidad), la tranformacion polimorfica se denomina alotropía, esto no hace que cambien la composición del metal. Estos cambios alotrópicos son por el cambio de una red cristalina a otra los estados alotrópicos son llamados por la letras griegas α, β, γ, se destaca que los alótropos se comportan como fases distintas.

Transformación de una fase alotrópica α en β

Diagrama de transformación alotrópica de un metal puro

Se puede observar en el grafico que al igual que en un pasaje de un estado liquido al solido, durante la transformacion alotropica tambien se inicia con formación de núcleos de cristal a partir del cual avanza el pasaje de un estado cristalino al otro, hasta

completar toda la modificacion. Al igual como se explico para el cambio solido liquido, la tranformacion alotropica va acompañada de un conbio en estado termico, con el aumento de la temperatura la fase absorbe calor, y con la disminución de temperatura despresde calor. Un caso particular que se debe observar es cuando la variación de temperatura se produce en forma brusca, se enfria muy rapido la solucion, se puede encontrar al final la existencia de las dos fases, a esta condicion se la llama falso equilibrio. El efecto que producen algunos elementos sobre la Temp. A la cual se produce el cambio alotropico, es analogo al de algunas sales sobre el punto de congelación del agua; si estos elementos son solubles, pueden elevar o descender la temperatura de cambio de alótropos. El hierro presenta dos estados alótropos α, γ, el α es cubico centrado en las caras y es estable hasta los 900°C el otro es γ, es cubico centrado en el cuerpo y es estable entre los 900°C y 1401°C , el pasaje de un estado alotropico a otro produce una variación del volumen dado que al cambiar el reticulado o estructura cristalina los atomos están mas cerca, por ejemplo en el paso de cubico centrado en la cara al cubico centrado en el cuerpo. En el grafico debajo se ve la variación del volumen en función de la temperatura durante la transformación alotrópica

Solucion solida: son aleaciones que se caracterizan por constituir una sola fase, donde en la red cristalina se encuentran todos los atomos de los componentes que constituyen la aleación. Es decir los atomos que componen la aleacion forman una red comun. Muchos metales forman soluciones homogeneas al estado liquido y conservan su homogeneidad al pasar al estadio solido, con la posibilidad de variar sus concentraciones de componentes, en una solucion solida como en otras soluciones al metal base se lo llama solvente y es el que retiene su red. La dimension de la red cristalina es distinta a la de la solucion solida, esta varia con la concentración del soluto. Si tienen la misma red cristalina se designa solvente al que tenga mas del 50% de concentración en atomos. Las hay de dos tipos susticional o de sustitución e, intersticial o de inserción. La de sustitución es en la que algunos atomos de la red cristalina son reemplazados por atomos de soluto, dado que solvente y soluto pueden diferir en sus tamaños la red cristalina puede verse distorsionada.

Y en las soluciones sólidas intersticiales los atomos de soluto ocupan posisiones intersticiales entre los atomos del solvente, esto es posible cuando el radio atomico del soluto es pequeño como para entrar entre los atomos del solvente, en general las soluciones solidas de inserción tienen mayor estabilidad que las de sustitución. Los metales que la componen solo pueden apreciarse con reacciones quimicas. Esto es por que al estado solido forman una solucion homogenea y no se puede observar con microscopio.

Para poder explicar el tratamiento termoquimico de cementacion es necesario explicar el concepto de difusión y la ley de Gibbs. Difusion Atomica en los Solidos: Es el mecanismo por el cual la materia es transportada por la materia. En los sólidos, los movimientos atómicos quedan restringidos (no existe convección), debido a los enlaces que mantienen los átomos en las posiciones de equilibrio, por lo cual el único mecanismo de transporte de masa es la difusión. Sin embargo las vibraciones térmicas que tienen lugar en sólidos permiten que algunos átomos se muevan. La difusión de éstos en metales y aleaciones es particularmente importante si consideramos el hecho de que la mayor parte de las reacciones en estado sólido llevan consigo movimientos atómicos; como ejemplo se pueden citar la formación de núcleos

y crecimiento de nuevos granos en la recristalización de un metal trabajado en frío y la precipitación de una segunda fase a partir de una solución sólida. Los átomos pueden moverse en las redes cristalinas desde una posición a otra si hay presente suficiente energía de activación, proporcionada ésta por la vibración térmica de los átomos, y si hay vacantes u otros defectos cristalinos en la estructura para que ellos los ocupen. Las vacantes en los metales son defectos en equilibrio, y por ello algunos están siempre presentes para facilitar que tenga lugar la difusión sustitucional de los átomos. Según va aumentando la temperatura del metal se producirán más vacantes y habrá más energía térmica disponible, por tanto, el grado de difusión es mayor a temperaturas más altas.

1° Ley de fick Flujo de Difusión (J) es la cantidad de masa (nº de átomos) M que difunden perpendicularmente a través de un área (A) de un sólido por unidad de tiempo t. para un estado estacionario (J cte con el tiempo)

J= -D δC/δx (1° ley de fick) La segunda ley de fick : se refiere al estado no estacionario, que es en la mayoría de los materiales, quiere decir que la concentración de atomos de soluto en un punto del material cambia con el tiempo. Entonces vale decir que el flujo de difusión y el gradiente de la concentración cambia con el tiempo.

dCx /dx =D*d2C/dx La magnitud del coeficiente de difusión D es indicativo de la velocidad de difusión atómica y depende de: a) Tipo de mecanismo: o ) Intersticial o ) Sustitucional/por vacantes b) Tipo de red de la matriz anfitrión c) Existencia de defectos • ) Tipo de defecto d) Tipo de soluto y concentración de soluto e) Temperatura a) Mecanismo de difusión C (Ratm. Pequeño) difunde intersticialmente en Fe-γ (FCC) y en el Fe-α (BCC) Cu (Ratm ≈) difunde sustitucionalmente en una red metalica de Al.

Ley de Gibbs o regla de fases: En un sistema en el que hay C componentespresentes en forma de F fases, existen L grados de libertad, según la siguiente expresión

L=C-F+2 Esta regla fue deducida por J Willard Gibbs hacia 1880, pero publicada en "Transactions of the Conneticut Academy" de poca difusión. Lo que impidió su conocimiento hasta principios del 1900. A continuación en la tabla se ven los valores de difusividad de algunos materiales

GRADO DE LIBERTAD.- numero de factores (concentracioin temperatura) que puedo modificar sin que afecte el equilibrio fisico o quimico del sistema. Si l=0 el equilibrio es invariante, solo peude existir pera una temperatura y concentración determinada.

Si l=1 es monovariante, dentro de ciertos limites y para una temperatura fija se puede variar la concentración de la fase sin destruir el equilibrio. Si l=2 es bivariante, por lo tanto se pueden variar dos factores simultaneamente, las 2 concentraciones o una concentración y la temperatura. Si l<0 no pede ser estable el sistema para ninguna concentración ni temperatura.

Apendice: Josiah Willard Gibbs (New Haven, EE UU, 1839-id., 1903) Físico y químico estadounidense. A la edad de quince años ingresó en la Universidad de Yale, donde obtuvo el primer doctorado en ingeniería concedido por la mencionada institución. Durante un viaje a Europa, entró en contacto con los físicos y matemáticos de mayor prestigio de la época, cuyas novedosas aportaciones estudió con interés. Centró durante un tiempo su atención en el estudio de la máquina de vapor de Watt; ocupado en el análisis del equilibrio de la máquina, Gibbs empezó a desarrollar un metódo mediante el cual calcular las variables involucradas en los procesos de equilibrio químico. Dedujo la regla de las fases, que permite determinar los grados de libertad de un sistema fisicoquímico en función del número de componentes del sistema y del número de fases en que se presenta la materia involucrada. También definió una nueva función de estado del sistema termodinámico, la denominada energía libre o energía de Gibbs (G), que permite prever la espontaneidad de un determinado proceso fisicoquímico (como puedan ser una reacción química o bien un cambio de estado) experimentado por un sistema sin necesidad de interferir en el medio ambiente que le rodea.

Bibliografia consultada Sturla, Antonio. Tratamientos termicos de los aceros. Teoria y practica. Tomo I y II. Nueva librería. 2003. Sturla, Antonio. Tratamientos termicos y termoquimicos de los aceros y las fundiciones. Ediciones Tecnicas Internacionales. 1973. Yu. M. Lajtin. Metalografía y tratamiento térmico de los metales: traducción del ruso Edición: 2 Ed. Mir, 1977 Apraiz Barreiro, Jose. Tratamientos térmicos de los aceros. Ed. Patronato de Publicaciones de la Escuela Especial de Ingenieros Industriales, 1968. Shackelford, James F. Shackelford, George. Introducción a la ciencia de materiales para ingenieros: 4 edición. Ed. Prentice Hall Iberia, 1998.