Diagramas de Fase, Aleaciones y Tratamientos Térmicos: Conceptos y Normas Clave

Diagrama de Equilibrio de Fases: Una Perspectiva Estructural

En el estudio de materiales, una fase se define como una porción homogénea de un sistema que presenta una composición química y estructura uniforme, diferenciándose de otras partes del sistema. El conjunto de todas las representaciones posibles de las fases en equilibrio se conoce como diagrama de fases.

Regla de las Fases de Gibbs

La Regla de las Fases de Gibbs es una herramienta fundamental para determinar el número de fases que pueden coexistir en equilibrio en un sistema. Se expresa mediante la siguiente ecuación:

F + N = C + 2

Donde:

• F: Número de fases en equilibrio.
• N: Número de variables intensivas independientes (como presión, temperatura, etc.).
• C: Número de componentes químicos del sistema.

Regla de la Palanca

La Regla de la Palanca se utiliza para determinar la composición química y las cantidades relativas de las fases presentes en una aleación en equilibrio, a una temperatura dada. Se aplica trazando una línea horizontal (isoterma) en el diagrama de fases, que intersecta las líneas de fase (por ejemplo, líquidus y sólidus). La composición de cada fase se obtiene proyectando los puntos de intersección sobre el eje de composición (abscisa).

Si consideramos un punto D en la isoterma, y las intersecciones con las líneas de fase como Cinf. (para el sólido) y CL (para el líquido), y definimos:

• WL: Masa de la fase líquida.
• Winf.: Masa de la fase sólida.

Se pueden calcular las proporciones relativas de cada fase mediante ecuaciones, en lo que se conoce como la regla de la palanca.

Curvas de Enfriamiento

Las curvas de enfriamiento representan la variación de la temperatura de una aleación en función del tiempo, durante el proceso de solidificación (paso del estado líquido al sólido). Estas curvas muestran cómo cambia la velocidad de solidificación a medida que la aleación se enfría, revelando información sobre las transformaciones de fase que ocurren.

Características y Ventajas de las Aleaciones

Las aleaciones se diseñan para obtener propiedades específicas que no se encuentran en los metales puros. Algunas ventajas clave de las aleaciones incluyen:

• Aluminio: Aporta dureza superficial.
• Cromo: Incrementa la resistencia a la corrosión y a la oxidación.
• Manganeso: Aumenta la dureza.
• Níquel: Mejora la resistencia a la corrosión.
• Silicio: Ayuda a conservar las propiedades del material.
• Tungsteno: Se utiliza en herramientas especiales por su alta dureza y resistencia al desgaste.
• Vanadio: Reduce la fatiga del material.

Tratamientos Térmicos

Los tratamientos térmicos son procesos controlados de calentamiento y enfriamiento de los metales, que se realizan para modificar sus propiedades físicas y mecánicas. Algunos tratamientos térmicos comunes son:

• Recocido: Se aplica a perfiles metálicos y piezas especiales. El enfriamiento es lento para evitar tensiones internas y residuales, mejorando la maquinabilidad y ductilidad.
• Normalizado: Similar al recocido, pero con un enfriamiento más rápido. Refina la estructura del grano y mejora la tenacidad.
• Templado: Busca obtener la velocidad de enfriamiento ideal para maximizar la dureza y resistencia del material.

Estos tratamientos se suelen realizar a temperaturas elevadas, por ejemplo, a 1535ºC para ciertos aceros.

Normas en la Industria Metalúrgica

Las normas son esenciales para garantizar la calidad, seguridad y compatibilidad de los materiales y productos. Algunas de las normas más relevantes en la industria metalúrgica son:

• IRAM-ASTM: Normas argentinas que, en muchos casos, son equivalentes a las normas ASTM (American Society for Testing and Materials) internacionales.
• SAE (Sociedad de Ingenieros Automotores): Establece especificaciones para materiales, incluyendo metales, utilizados en la industria automotriz y aeroespacial.
• Normas DIN (Deutsches Institut für Normung): Normas alemanas, ampliamente utilizadas en Europa y en otros países, que abarcan una gran variedad de productos y procesos, incluyendo cálculos estructurales.
• Normas ISO (Organización Internacional de Normalización): Desarrolla normas internacionales para asegurar la calidad, seguridad y eficiencia de productos, servicios y sistemas.

Prefijos en la Nomenclatura de Aceros (SAE)

La Sociedad de Ingenieros Automotores (SAE) utiliza prefijos para clasificar los aceros:

• A: Aleación de acero elaborada en hornos Siemens-Martin.
• B: Acero al carbono elaborado según el proceso Bessemer.
• C: Acero al carbono elaborado por el proceso Siemens-Martin.
• D: Acero al carbono Siemens-Martin.
• E: Acero obtenido en hornos eléctricos.

Ejemplos de nomenclatura SAE:

• SAE 1030: Acero ordinario (0) con 0.3% de carbono (C).
• SAE 1108: Acero resulfurado (1) con 0.08% de carbono (C).