Diagrames d'equilibri i ferro-carboni

Explica què és un diagrama d'equilibri (o diagrama de fases): quines variables es representen en els seus eixos (temperatura i percentatge de cada component), què indica cada regió i per què s'anomena «d'equilibri» (el refredament ha de ser molt lent perquè els àtoms tinguin temps de reorganitzar-se). Utilitza com a analogia l'aigua: a cada temperatura i pressió li correspon un estat estable.

Explica què significa que dos metalls siguin totalment solubles en estat sòlid (com el coure i el níquel) en comparació amb tenir solubilitat parcial (com el ferro i el carboni). Quina forma té el diagrama de fases de cada parella i quina conseqüència pràctica té per als aliatges que es poden fabricar?

Enuncia la regla de la palanca amb les teves paraules: per a què serveix dins d'una regió de dues fases, quins segments es mesuren sobre la isoterma i com s'obté el percentatge de cada fase. Il·lustra-ho amb el símil d'un balancí: el punt de suport és la composició de l'aliatge i els dos braços «pesen» les fases dels extrems.

Un aliatge amb el $45\,\%$ del component B es troba a una temperatura en què coexisteixen una fase α amb el $20\,\%$ de B i una fase líquida amb el $60\,\%$ de B, com mostra la figura. a) Llegeix sobre la isoterma la longitud dels dos braços de la palanca. b) Aplica la regla de la palanca per calcular el percentatge de fase α i de fase líquida. c) Comprova que ambdós percentatges sumen el $100\,\%$.

Un aliatge isomorf (solubilitat total) conté el $25\,\%$ del component B. A una certa temperatura, la fase α present té el $15\,\%$ de B i el líquid el $45\,\%$. a) Calcula amb la regla de la palanca el percentatge de cada fase present. b) Raona què els passa a aquests percentatges si la temperatura baixa apropant-se a la línia de sòlidus (quina fase guanya terreny?).

Relaciona cada constituent del diagrama ferro-carboni amb la seva descripció: (a) ferrita, (b) cementita, (c) perlita, (d) austenita; amb: solució sòlida de carboni en ferro α, tova i dúctil; carbur de ferro Fe₃C, molt dur i fràgil; barreja laminar de ferrita i cementita en làmines alternes; solució sòlida de carboni en ferro γ, estable només a alta temperatura.

Indica si és vertader o fals, justificant la teva resposta: «La perlita és un element químic que s'afegeix al ferro per endurir-lo». Explica què és realment la perlita, a partir de quin constituent es forma en refredar i quin aspecte presenta al microscopi (làmines alternes clares i fosques).

Descriu la transformació eutectoide de l'acer: a quina temperatura té lloc ($727\ ^\circ\text{C}$), amb quina composició ($0{,}77\,\%$ de C) i què es produeix en travessar-la refredant (l'austenita es transforma en perlita). Compara-la amb el punt eutèctic del diagrama ($4{,}3\,\%$ de C, $1\,147\ ^\circ\text{C}$), on és un líquid el que es transforma en dos sòlids.

Classifica com a acer o com a fosa aquests aliatges ferro-carboni i ordena'ls de menor a major duresa esperada: (a) $0{,}10\,\%$ de C, (b) $0{,}45\,\%$ de C, (c) $0{,}90\,\%$ de C, (d) $3{,}5\,\%$ de C. Recorda que la frontera entre acers i foses està al voltant del $2\,\%$ de carboni ($2{,}11\,\%$ en el diagrama real).

Un acer amb el $0{,}4\,\%$ de carboni es refreda molt lentament fins a temperatura ambient. a) Indica quins constituents presenta la seva microestructura. b) Aplicant la regla de la palanca entre la ferrita ($0{,}02\,\%$ de C) i la perlita ($0{,}77\,\%$ de C), calcula el percentatge de perlita de l'acer. c) Expressa quina fracció aproximada de la microestructura serà ferrita.

Classifica aquests acers com a hipoeutectoide, eutectoide o hipereutectoide: (a) $0{,}25\,\%$ de C, (b) $0{,}77\,\%$ de C, (c) $1{,}10\,\%$ de C. Per a cadascun indica quin constituent «avançat» apareix al costat de la perlita en refredar a poc a poc (ferrita proeutectoide o cementita proeutectoide) i cita una aplicació coherent amb la seva duresa creixent.

Calcula el percentatge de cementita total que conté un acer amb el $1{,}0\,\%$ de carboni a temperatura ambient, aplicant la regla de la palanca entre el ferro pràcticament pur ($0{,}02\,\%$ de C) i la cementita ($6{,}67\,\%$ de C). Comenta si aquest resultat justifica que els acers d'eines, amb carboni al voltant de l'$1\,\%$, siguin molt més durs que els de construcció.

En l'informe pericial sobre el trencament d'un eix de transmissió fabricat amb un acer al carboni ($0{,}6\,\%$ de C) refredat lentament en condicions d'equilibri, un tècnic afirma el següent: «Com que la perlita està composta majoritàriament per ferrita (un $88\,\%$) i a més existeix ferrita proeutectoide, gairebé el $90\,\%$ de la microestructura final és ferrita alfa pura; per tant, l'eix s'hauria d'haver comportat com un metall dúctil i tou, i la seva fractura fràgil és inexplicable». a) Determina quantitativament la microestructura a temperatura ambient calculant el percentatge de microconstituents (ferrita proeutectoide i perlita) i el percentatge total de fases (ferrita alfa total i cementita total), considerant una solubilitat de $0{,}02\,\%$ i un eutectoide al $0{,}77\,\%$ de C. b) Rebat amb arguments metal·lúrgics l'afirmació del tècnic: explica per què un acer amb aquesta proporció de ferrita total no es comporta en absolut com a ferrita pura i posseeix una resistència i duresa molt superiors. c) Si es requereix augmentar la tenacitat de l'eix per evitar-ne la fractura fràgil sense reduir el percentatge de carboni, quin tractament tèrmic proposaries i quin canvi microestructural persegueix enfront d'aquest refredament lent?

En la fabricació de bancades per a màquines eina s'exigeix un material capaç d'esmorteir eficaçment les vibracions mecàniques i que presenti una excel·lent maquinabilitat per al rectificat de les seves guies. Durant una colada amb un $3{,}2\,\%$ de C, per una fallada tècnica s'omet l'addició de silici (habitualment un $2\,\%$) i la peça es refreda amb excessiva rapidesa en motlle metàl·lic.

1. a) Després del desemmotllament, la bancada resulta impossible de mecanitzar i es fractura de manera fràgil davant el mínim impacte. Justifica metal·lúrgicament el que ha passat comparant el diagrama de fases metaestable (ferro-cementita) amb l'estable (ferro-grafit): quina microestructura es pretenia obtenir i quina s'ha generat en el seu lloc?
2. b) Analitza el paper termodinàmic i cinètic que exerceixen el contingut de silici (element grafititzant) i la velocitat de refredament en la descomposició de la cementita metaestable en ferrita i grafit.
3. c) Explica a nivell micromecànic per què la presència de làmines de grafit en una fosa grisa proporciona una excepcional capacitat d'amortiment de vibracions i facilita el trencament d'encenall en el mecanitzat, en comparació amb un acer de la mateixa matriu perlítica.

La micrografia d'un acer mostra zones blanques i zones amb bandes fines alternes clares i fosques, ocupant aquestes últimes aproximadament la meitat de la superfície. a) Identifica ambdós constituents. b) Estima el percentatge de carboni de l'acer a partir de la fracció de perlita observada. c) Raona si es tracta d'un acer típic de xapa de carrosseria (molt baix carboni) o d'un eix de màquina (carboni mitjà).

Per fabricar els carrils d'una línia ferroviària s'exigeix un acer hipoeutectoide que presenti en la seva microestructura d'equilibri un $75\,\%$ de perlita i un $25\,\%$ de ferrita proeutectoide, tolerant-se un interval de perlita d'entre el $70\,\%$ i el $80\,\%$.

1. a) Dedueix el percentatge nominal de carboni requerit i l'interval de tolerància admisible de carboni en el procés de siderúrgia, considerant el punt eutectoide a $0{,}77\,\%$ de C i la solubilitat màxima de la ferrita a temperatura ambient en $0{,}008\,\%$ de C.
2. b) Un responsable de control de qualitat sosté que, atès que l'acer conté un $75\,\%$ de perlita, el percentatge total de la fase ferrita a l'acer serà aproximadament del $25\,\%$. Demostra analíticament el seu error calculant el percentatge real de ferrita total i de cementita total a temperatura ambient.
3. c) Justifica tècnicament per què per a un carril se selecciona aquest acer amb un $75\,\%$ de perlita en lloc d'un acer dolç amb un $20\,\%$ de perlita o un acer hipereutectoide amb cementita en límit de gra, valorant el compromís entre desgast per fricció i resistència a la fractura fràgil per impacte.

Un equip d'enginyeria de materials ha de dissenyar l'especificació d'acer i la ruta de tractament tèrmic per a tres components mecànics sotmesos a requeriments de servei crítics i oposats:

1) La xapa d'embotició profunda per al para-fang d'un vehicle (requereix màxima conformabilitat en fred i gran capacitat d'absorció d'energia en xoc).

2) Una molla helicoïdal per al sistema de suspensió d'un tren (requereix un límit elàstic molt alt i resistència a la fatiga sense deformació permanent).

3) La fulla industrial d'una cisalla per a tall de perfils metàl·lics (requereix una duresa superficial i resistència al desgast abrasiu extraordinàries sense esberlar-se).

1. a) Dissenya la selecció de l'acer per a cada component: especifica l'interval de carboni recomanat (% C) i justifica la microestructura requerida abans del seu conformat o mecanitzat.
2. b) Dissenya i justifica la ruta tèrmica de tractament final per a cada peça: indica si requereix o no tractament, les temperatures orientatives respecte a les línies crítiques del diagrama d'equilibri ($A_1$, $A_3$ o $A_{\text{cm}}$), el medi de refredament i els tractaments posteriors d'alleujament de tensions o revingut per optimitzar el compromís duresa-tenacitat.
3. c) Prediu les conseqüències tècniques si un operari intercanvia per error els materials i fabrica les molles de suspensió amb l'acer del para-fang, o fabrica el para-fang amb l'acer de la fulla.