ALOTROPIA

EFECTOS DE LA ALOTROPIA DEL HIERRO

YURILUZ VEGA DELGADO

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Universidad Nacional de San Antonio Abad del Cusco Facultad de Ingeniería Geológica, Minas y Metalúrgica Escuela Profesional de Ingeniería Metalúrgica Departamento Académico de Ingeniería Metalúrgica

EFECTOS DE LA ALOTROPIA DEL HIERRO

Asignatura: Tratamientos térmicos y termoquímicos 

Docente: Ing. Barrios Ruiz Guillermo



Semestre académico: 2017-II



Presentado por: Vega Delgado, Yuriluz



Código: 14109

 Noviembre –  2017  2017

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CONTENIDO EFECTOS DE LA ALOTROPIA DEL HIERRO .......................................... ................................................................. ........................... .... 4 1. OBJETIVO ........................................... ................................................................. ............................................ ............................................. .................................. ........... 4 2. MARCO TEORICO ........................................... .................................................................. ............................................. ......................................... ...................4 2.1. ALOTROPIA O POLIMORFISMO ......................................... ............................................................... ...................................... ................ 4 2.2. HIERRO............................................ .................................................................. ............................................ ............................................. .................................. ........... 5 2.3. CARACTERISTICAS DE LAS ESTRUCTURAS QUE SE FORMAN EN UN ENFRIAMIENTO LENTO DE LAS ALEACIONES HIERRO CARBONO .......................... .......................... 7 2.3.1.

Ferrita ............................................ .................................................................. ............................................ ............................................. .................................. ........... 7

2.3.2. Austenita............................... Austenita...................................................... .............................................. .............................................. ......................................... ..................8 2.3.3. Cementita ............................................. ................................................................... ............................................ ............................................. ........................... .... 8 2.3.4. Perlita ............................................ .................................................................. ............................................ ............................................. .................................. ........... 9 2.3.5. Ledeburita............................. Ledeburita.................................................... .............................................. .............................................. ....................................... ................10 2.4. Conductividad térmica ............................................ .................................................................. ............................................ ................................ .......... 10 2.5. Pirómetro....................................... Pirómetro............................................................. ............................................ ............................................. .................................... ............. 12 3. MATERIALES Y EQUIPOS ............................................ .................................................................. ............................................ ......................... ... 13 4. PROCEDIMIENTO.............................. PROCEDIMIENTO.................................................... ............................................ ............................................. ................................ ......... 14 5. ANÁLISIS DE RESULTADOS............................................ ................................................................... ........................................... ....................15 6. CONCLUSIONES........................................... ................................................................. ............................................ ........................................... .....................17 7. RECOMENDACIONES RECOMENDACIONES ............................................ .................................................................. ............................................ ................................ .......... 18 ANEXOS ............................................. .................................................................... ............................................. ............................................ ....................................... .................19

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1. OBJETIVO •

Observar y describir el efecto dela alotropía del hierro, mediante practicas experimentales de enfriamientos brusco en probetas de distinta composición de carbono

•

Desarrollar experimentalmente el efecto de la alotropía del hierro

2. MARCO TEORICO 2.1. ALOTROPIA O POLIMORFISMO El polimorfismo o alotropía es el fenómeno por el cual muchos elementos y compuestos existen en más de una estructura cristalina bajo diferentes condiciones de temperatura y presión. Muchos metales de importancia industrial como el hierro, el titanio y el níquel sufren transformaciones alotrópicas a elevadas temperaturas a presión atmosférica. El concepto de alotropía fue propuesto originalmente en 1841 por el químico sueco Jöns Jacob Berzelius (1779-1848) y se define como la capacidad que poseen algunos materiales para existir en más de una forma o estructura cristalina en la misma fase o estado de la materia. La transformación de una variedad alotrópica del metal en otra, va acompañada de una absorción de calor al calentarse, y por un desprendimiento de calor latente al enfriarse, verificándose estos procesos a temperatura constante y, solo se modifica la temperatura, cuando hubo un cambio total de fase. Lo mismo sucede con el agua: cuando la tenemos en forma de hielo a 0 ° C y le damos calor lentamente, veremos que la temperatura del hielo no aumenta y en lugar de eso cambia de fase al derretirse; sólo sigue aumentando la temperatura después de que se derritió todo el hielo (cambio total de fase). También, cuando le quitamos calor al agua a punto de solidificar a cero grados centígrados, veremos que no baja su temperatura, sino que empieza a formar hielo, y sólo seguirá bajando la temperatura cuando toda haya cambiado a hielo.

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transformación, durante un cierto tiempo no cambia la temperatura; a estas partes de la curva se les llama "puntos críticos". Por ejemplo, en la imagen se muestra la l a curva de enfriamiento del hierro puro. Nótese las líneas isotermas correspondientes a las temperaturas de transformación alotrópica. -

En el intervalo entre los 1535 y 1390 °C el hierro tiene la red cúbica centrada en el cuerpo y esta fase alotrópica recibe reci be el nombre de hierro δ ( Fe δ ).

-

En el intervalo entre 1390 y 910 ° C la estructura pasa a ser cúbica centrada en las caras (Fe γ).

-

Finalmente por debajo de 9 10 °C la red pasa a ser cúbica centrada en el cuerpo (Fe α).

Fuente: http://www.monografias.com/trabajos70/formas-alotrpicas-hierro-combinaciones-carbono/formasalotrpicas-hierro-combinaciones-carbono2.shtml#anlisisdea

2.2. HIERRO

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color gres plateado y magnético. Los cuatro isótopos estables, que se encuentran en la naturaleza, tienen las masas 54, 56, 57 y 58. Los dos minerales principales son la hematita, Fe2O3, y la limonita, Fe2O3.3H2O. Las piritas, FeS2, y la cromita, Fe(CrO2)2, se explotan como minerales de azufre y de cromo, respectivamente.

Fuente: https://sectorminero.wordpress.com/category/hierro/

El hierro tiene a diferencia del agua tres fases sólidas separadas y distintas: hierro alfa, hierro gamma y hierro delta. En el diagrama se observan tres puntos triples en los que coexisten tres fases diferentes: (1) líquido, vapor y Fe δ; (2) vapor, Fe δ y Fe γ; y (3) vapor, Fe γ y Fe α. Para una presión constante de 1 atm, el hierro pasa de la fase líquida a la fase de Fe δ a la

temperatura de fusión de 1.539°C. Si continua el enfriamiento de la muestra y a 1.394°C un

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910°C se produce el cambio de fase a Fe α que se mantendrá hasta llegar a temperatura

ambiente.

Fuente: Diagrama de equilibrio de fases para el hierro puro. http://cosmolinux.noip.org/uned/unedcurset22.html

2.3. CARACTERISTICAS DE LAS ESTRUCTURAS QUE SE FORMAN EN UN ENFRIAMIENTO LENTO DE LAS ALEACIONES HIERRO CARBONO 2.3.1. Ferrita De acuerdo con lo explicado líneas arriba, la solución sólida intersticial de carbono en el hierro se llama ferrita. El hierro casi no disuelve carbono, la solubilidad máxima de carbono en el hierro es de 0.025% a una temperatura temperatura de 723º C y de 0.0025% a 20º C. La solubilidad solubilidad del carbono en el hierro d es de 0.1% a 1490º C. La ferrita d es estable únicamente a temperaturas muy elevadas y no tiene significado práctico en la ingeniería. La ferrita es la estructura mas blanda y dúctil de las aleaciones hierro- carbono, es magnética desde la temperatura ambiente hasta 768º C. Las propiedades promedio son: resistencia a la rotura de 28 Kg/mm2, elongación 40% en 2 pulg., de longitud, dureza 90 Brinell, a continuación, figura 4, se presenta la red cristalina de la ferrita En la figura 5, se presenta el empaquetamiento empaquetamiento de átomos en la ferrita, en forma de hierro a (no se muestran los átomos de carbono). Al microscopio los granos de ferrita se observan como a continuación, figura 6.

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2.3.2. Austenita  La solución sólida intersticial intersticial del carbono carbono en el hierro hierro gama se llama austenita austenita . La austenita

 posee buena buena ductilidad y por por lo tanto buena formabilidad. Esta estructura estructura tiene una solubilidad del carbono de hasta 2.11%C a 1148º C. Gracias a que la estructura cúbica centrada en el cuerpo (f. c .c., por sus siglas en inglés) tiene posiciones intersticiales más amplias que la ferrita, se facilita que se alojen los átomos de carbono y otros como níquel y manganeso, manganeso, lo que le imparte varias propiedades al acero acero.. Generalmente la austenita no es estable a la temperatura ambiente. Las propiedades promedio son: resistencia a la rotura de 100 Kg/mm2; elongación 10% en 2 pulg.; dureza, de 300 Brinell aproximadamente; y tenacidad alta. No es magnética.

Fuente: http://www.monografias.com/trabajos70/formas-alotrpicas-hierro-combinaciones-carbono/formasalotrpicas-hierro-combinaciones-carbono2.shtml#anlisisdea

2.3.3. Cementita Como se había mencionado, el hierro con el carbono forma también una combinación química, el carburo de hierro Fe3 C, llamada cementita.  El contenido de carbono en

el

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la tensión, pero tiene una alta resistencia a la compresión, es la estructura más dura que se  presenta en las las aleaciones hierrohierro- carbono. En las micrografías, el cementita cementita se presenta en forma de una red clara alrededor de los granos de la otra fase sólida que exista en la aleación.

Fuente: http://www.monografias.com/trabajos70/formas-alotrpicas-hierro-combinaciones-carbono/formasalotrpicas-hierro-combinaciones-carbono2.shtml#anlisisdea

2.3.4. Perlita  La perlita es una mezcla mezcla mecánica de ferrita y cementita, que contiene 0.8% de carbono, se  presenta en el área de los aceros aceros ( los aceros aceros tiene un porcentaje porcentaje de carbono carbono que va de 0 a 2.14 %)

En todas las aleaciones hierro carbono, debajo de 727ºC a un enfriamiento muy lento, se lleva a cabo la reacción eutectoide  (una reacción eutectoide es aquella en la que al enfriarse una fase sólida se transforma en dos fases sólidas nuevas), en la cual, la austenita( una fase sólida) se descompone en una mezcla mecánica muy fina de láminas estratificadas de ferrita (fase sólida nueva) y cementita ( la otra fase sólida nuieva), llamada perlita , la micrografia de la  perlita se presenta presenta en la siguiente siguiente figura 10 y como como se ve tiene tipo huella dactilar. Las Las  propiedades promedio son: resistencia resistencia a la tensión, tensión, 80 Kg/mm2; elongación, elongación, 20% en en 2 pulg; dureza de 260 Brinell.

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2.3.5. Ledeburita Mezcla eutéctica de austenita y cementita  ( la reacción eutéctica se presenta a temperatura constante al enfriar muy lentamente un líquido, lí quido, obteniéndose entonces dos sólidos puros distintos, estos sólidos solidifican alternativamente, resultando una mezcla muy fina generalmente visible solo al microscopio), contiene 4.3% de carbono, y se lleva a cabo a 1147ºC. Su vista al microscopio es similar al de la perlita. Se S e presenta en el área de las fundiciones en el rango de porcentajes de carbono de 2.14% a 6.67%C

2.4. Conductividad térmica La conductividad térmica es una propiedad física de los materiales que mide la capacidad de conducción de calor. En otras palabras, la conductividad térmica es también la capacidad de una sustancia de transferir la energía cinética de sus moléculas a otras adyacentes o a sustancias con las que está en contacto. En el Sistema Internacional de Unidades la conductividad térmica se mide en W/(K·m) (equivalente a J/(m·s·K) ) La conductividad térmica es una magnitud intensiva. Su magnitud inversa es la resistividad térmica, que es la capacidad de los materiales para oponerse al paso del calor.

Factores que influyen en la conductividad térmica a) Temperatura El efecto de la temperatura en la conductividad térmica es diferente para metales y para no metales. En metales la conductividad es primariamente debido a electrones libres. De acuerdo con la ley Wiedemann-Franz la conductividad térmica de los metales es aproximadamente  proporcional al producto producto de la temperatura temperatura absoluta expresada expresada en Kelvins, Kelvins, multiplicada por la conductividad eléctrica. En metales puros la resistividad eléctrica frecuentemente se

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altas temperaturas. Por tanto la conductividad de los no metales es aproximadamente constante. Así la conductividad térmica es baja siempre y cuando la temperatura no sea demasiado baja. A bajas temperaturas por debajo de la temperatura de Debye la conductividad decrece decrece justo como lo l o hace la capacidad calorífica.

b) Cambios de fase del material Cuando un material sufre cambios de fase de sólido a líquido o de líquido a gas, la conductividad térmica puede cambiar. Un ejemplo de esto sería el cambio en conductividad térmica que ocurre cuando el hielo (conductividad térmica de 2,18 W/(m·K) a 0 °C) se derrite formando agua líquida (conductividad (conductividad térmica de 0,90 W/(m· K) a 0 °C).

c) Estructura del material Las substancias cristalinas puras pueden exhibir diferentes conductividades conductividades térmicas en diferentes direcciones del cristal, debido a diferencias en la l a dispersión de fonones según diferentes direcciones en la red cristalina. El zafiro es un ejemplo notable de conductividad térmica según la dirección, con una conductividad conductividad de 35 W/(m· K) a lo largo del eje-c, y 32 W/(m·K) a lo largo del eje a.1

d) Conductividad eléctrica En metales, la conductividad térmica, varía muy a la par con la conductividad eléctrica de acuerdo con la ley de Wiedemann-Franz W iedemann-Franz ya que los electrones de valencia que se mueven libremente transportan no solo corriente eléctrica sino también energía calórica. Sin embargo, la correlación general entre conductancia eléctrica y térmica no se mantiene para otros materiales, debido a la importancia de la transmisión por fotones en no metales.

e) Convección

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efectos similares inhibiendo dramáticamente la convección del aire o el agua cerca de la piel del animal.

Fuente. https://www.google.co https://www.google.com.pe/search?q=c m.pe/search?q=conductividad+termic onductividad+termica&sour  a&sour 

2.5. Pirómetro Un pirómetro es un dispositivo capaz de medir la temperatura de una sustancia sin necesidad de estar en contacto con ella. El término se suele aplicar a aquellos instrumentos capaces de medir temperaturas superiores a los 600 grados celsius. El rango de temperatura de un  pirómetro se encuentra encuentra entre -50 grados grados celsius hasta +4000 grados celsius. celsius. Una aplicación aplicación típica es la medida de la temperatura de metales incandescentes en molinos de acero o fundiciones.

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3. MATERIALES Y EQUIPOS

5 probetas de acero de distintas composiciones de carbón

Fragua

Tenazas

Fosforo

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4. PROCEDIMIENTO Se realiza el siguiente procedimiento experimental:

Se utilizan 5 probetas dos aceoros lisos y un acero corrugado y dos muelles de diferentes espesores.

Se enciende la fragua y se calienta

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5. ANÁLISIS DE RESULTADOS 1. En el primer enfriamiento no se observa ninguna fisura ni grieta, sin embargo su textura es algo áspera. áspera. Primero no hay fisuras tan solo se acumulan acumulan tensiones internas. 2. Para el segundo enfriamiento brusco se observa fisuras en algunas probetas. Se obtienen las siguientes imágenes después:

Muelles: se observa fisura

Junto al acero corrugado se observa la fisura:

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Tuerca: su textura esta algo aspera perono a sufrido ninguna fisura niaun golpeandolo

El acero liso también está intacto:

Probeta de acero liso

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Probeta de acero con fisura profunda Por su conductividad térmica de estos aceros tenderán hacer afectados por la cambio de temperatura:

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Observo y describió el efecto dela alotropía del hierro, mediante practicas experimentales de enfriamientos brusco en probetas de distinta composición de carbono. Se desarrollo experimental el efecto de la alotropía del hierro y como influye los enfriamientos bruscos en la estructura cristalina de los l os aceros

7. RECOMENDACIONES Para realizar la prueba tenemos que tener en cuenta cuales son las composiciones exactas de las probetas usadas. Ya que sabremos en que región del diagrama de equilibrio hierro carbono se encuentra Podríamos tomar el tiempo y la temperatura exacta con el cual suceden los cambios Sería necesario realizar más pruebas de este tipo para perfeccionar nuestra descripción sobre

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ANEXOS Anexo 1.1 probetas que se usan en la prueba y sus defectos por la temperatura

Anexo.2. Experimentación y desarrollo del calentamiento de las probetas y su respectivo