Apunts de Química de Materials: Fases, Acers i Corrosió

I 0 flashcards i 6 preguntes més al document.

Text del document

APUNTS QUÍMICA DE MATERIALS Grau en Enginyeria Civil Universitat Politècnica de Catalunya AprenAI 2026-2027 Apunts complets de Química de Materials: diagrames binaris isomorfs i eutèctics, microestructures Fe-Fe3C, siderúrgia i corrosió electroquímica amb Nernst.

APREN.AI Índex 1 Estructura Cristal·lina i Defectes Puntuals Fonaments de l'Estructura Cristal·lina i Tipus d'Enllaç Defectes Puntuals per Impureses Sòlids Amorfs o Vitris 2 Fonaments dels Diagrames de Fases i Sistemes Isomorfs Conceptes fonamentals i equilibri de fases Sistemes isomorfs i evolució tèrmica Càlcul de fases en equilibri: composició i regla de la palanca Desenvolupament de microestructures i velocitat de refredament Problemes i aplicacions pràctiques en sistemes binaris 3 Diagrames Eutèctics Binaris Naturalesa del sistema eutèctic binari Anàlisi del diagrama Coure-Plata (Cu-Ag) Càlculs quantitatius en el sistema Plom-Estany (Pb-Sn) 4 El Diagrama de Fases Fe-Fe3C i Microestructures d'Acers Al·lotropia del ferro i fases del diagrama Fe-Fe3C Punts singulars i classificació dels aliatges fèrrics Microestructures d'acers en refredament lent Influència dels elements d'aliatge Càlculs quantitatius d'equilibri mitjançant la regla de la palanca 5 Metal·lúrgia, Classificació i Propietats dels Materials Metàl·lics Naturalesa de l'Enllaç Metàl·lic i Propietats Generals Cicle de Fabricació Siderúrgica a l'Alt Forn Classificació dels Aliatges Fèrrics i Acers Tipologies i Microestructures de les Foses Comportament dels Metalls com a Materials Estructurals 6 Electroquímica i Mecanismes de Corrosió Metàl·lica Fonaments Redox i Concepte de Corrosió Cel·les Electroquímiques i Notació Canònica Potencials Estàndard d'Elèctrode i Espontaneïtat Influència de la Concentració: Equació de Nernst 7 Formulari Diagrames de Fases Binaris i Regla de la Palanca Diagrama Fe-Fe3C i Microestructures d'Acers Apunts de Química de Materials: Fases, Acers i Corrosió 1 Electroquímica, Piles Galvàniques i Corrosió Constants i Valors Notables Errors Típics a Evitar Solucions de les preguntes de repàs Aquests apunts poden contenir errors o omissions.

Són un material de suport i no substitueixen el temari oficial ni el professorat: contrasta la informació important. Apunts de Química de Materials: Fases, Acers i Corrosió 2 1 Estructura Cristal·lina i Defectes Puntuals EN ACABAR SABRÀS Distingir entre solvent i solut en el si d'una solució cristal·lina. Diferenciar els defectes puntuals substitucionals dels intersticials segons la mida atòmica i la solubilitat. Relacionar la manca d'ordre i la feblesa dels enllaços dels sòlids amorfs amb la seva alta reactivitat. PENSA-HI ABANS DE LLEGIR 1 Com pot una impuresa atòmica entrar dins d'un metall rígid sense trencar-ne l'estructura global?

La matèria en estat sòlid es caracteritza per la disposició i la cohesió dels seus àtoms. La forma en què aquests s'ordenen en l'espai determina les propietats mecàniques i químiques del material. ESQUEMA Estructura dels Sòlids i Solucions Cristal·lines Fonaments de l'Estructura Cristal·lina i Tipus d'Enllaç Un sòlid cristal·lí presenta una disposició periòdica d'àtoms en l'espai anomenada xarxa elemental. Quan diversos elements conviuen en aquesta xarxa, es forma una solució cristal·lina.

Estat Sòlid Classificació estructural de la matèria Sòlids Cristal·lins Ordre periòdic en la xarxa elemental Tipus d'Enllaç Iònic, covalent o metàl·lic Solucions Cristal·lines Combinació de solvent i solut Sòlids Amorfs (Vitris) Sense ordre, formats per refredament ràpid Defecte Substitucional Radi similar (< 15%), manté xarxa Defecte Intersticial Radi petit en buits, màx 10% Apunts de Química de Materials: Fases, Acers i Corrosió 3 DEFINICIÓ Una solució cristal·lina és una fase homogènia sòlida constituïda per un solvent (l'element o àtom majoritari que defineix la xarxa elemental) i un solut (l'element o àtom minoritari que s'incorpora com a impuresa a la xarxa).

Segons la naturalesa de les interaccions que uneixen els àtoms, els sòlids cristal·lins es classifiquen en tres grans tipus d'enllaços: Enllaç iònic: establert per atracció electroestàtica entre ions de càrrega oposada. Enllaç covalent: caracteritzat per la compartició de parells d'electrons entre àtoms veïns. Enllaç metàl·lic: format per una xarxa de cations envoltada per un núvol d'electrons deslocalitzats. COMPROVA-HO 2 Quina diferència bàsica hi ha entre el solvent i el solut en una solució cristal·lina? Defectes Puntuals per Impureses Quan s'introdueixen impureses (àtoms de solut) en una xarxa cristal·lina pura, es generen defectes puntuals.

Segons com i on s'allotja el solut respecte a les posicions del solvent, es distingeixen dos mecanismes: Solucions Sòlides Substitucionals En una solució substitucional, l'àtom de solut reemplaça directament un àtom del solvent en la seva posició de la xarxa. Perquè aquest fenomen es produeixi de manera àmplia: La diferència de radis atòmics ha de ser inferior al 15%. Els elements han de compartir la mateixa estructura cristal·lina, de manera que la xarxa es manté estable sense distorsions crítiques. Solucions Sòlides Intersticials En una solució intersticial, els àtoms de solut tenen una mida significativament menor que els del solvent.

Per aquesta raó, no desplacen els àtoms principals, sinó que es posicionen als espais buits (intersticis) entre ells. Aquesta entrada força canvis locals en l'estructura reticular. Com a conseqüència d'aquesta deformació, la solubilitat màxima no supera típicament el 10%.

Característica Defecte Substitucional Defecte Intersticial Posició del solut Ocupa un node de la xarxa (substitueix el solvent) Ocupa els buits o intersticis de la xarxa Requisit de radi atòmic Diferència de radis < 15% Radi del solut molt més petit que el del solvent Efecte estructural Conserva l'estructura de la xarxa elemental Modifica i distorsiona l'estructura reticular Límit de solubilitat Pot arribar a ser completament soluble Limitat (habitualment 10%) Apunts de Química de Materials: Fases, Acers i Corrosió 4 ERROR FREQÜENT Confondre el criteri de mida: una diferència de radi inferior al 15% afavoreix la substitució, mentre que una diferència molt gran permet que el solut s'allotgi en els intersticis.

Assumir que una solució intersticial té gran capacitat de dissolució és un error habitual: la saturació d'intersticis provoca una gran distorsió que impedeix superar el 10% de solut. COMPROVA-HO 3 Per què la solubilitat en les solucions intersticials rarament supera el 10%? Sòlids Amorfs o Vitris No tots els materials sòlids assoleixen una ordenació periòdica. Quan un material es refreda amb gran rapidesa, els àtoms no disposen de prou temps per organitzar-se en una xarxa elemental regular, donant lloc a un sòlid amorf o vitri. Aquests materials presenten particularitats rellevants: Manca d'ordre a llarg abast: l'estructura interna no conté cel·les unitàries que es repeteixin en l'espai.

Enllaços més febles: a causa de la rapidesa de solidificació, els enllaços formats són menys estables que en la xarxa cristal·lina. Energia de trencament baixa: es requereix menys aportació energètica per trencar les seves unions atòmiques. Major reactivitat química: la menor estabilitat dels seus enllaços els fa considerablement més reactius davant agents externs. COMPROVA-HO 4 Quina és la causa que els sòlids vitris tinguin una reactivitat superior a la dels sòlids cristal·lins? IDEES CLAU Una solució cristal·lina conté un solvent (majoritari) que forma la xarxa bàsica i un solut (minoritari) com a impuresa.

Els sòlids cristal·lins s'estabilitzen mitjançant enllaços iònics, covalents o metàl·lics. Els defectes substitucionals requereixen una diferència de radi atòmic inferior al 15% i mantenen l'estructura cristal·lina. Els defectes intersticials situen àtoms petits en els buits, modifiquen la xarxa i tenen una solubilitat limitada generalment a menys del 10%. Els sòlids amorfs es formen per refredament ràpid, presenten enllaços més febles, menor energia de trencament i més reactivitat química. Apunts de Química de Materials: Fases, Acers i Corrosió 5 COMPROVA EL QUE HAS APRÈS 5. Quin requisit dimensional han de complir dos àtoms per permetre una solució sòlida substitucional? 6.

Com influeix la velocitat de refredament en la reactivitat d'un sòlid amorf? Test Encercla la resposta correcta. Les solucions són al final. 7. Quin requisit cal per formar una solució sòlida substitucional àmplia? 8. On s'allotja el solut en una solució sòlida de tipus intersticial? 9. Quin límit màxim de solubilitat presenten habitualment les solucions intersticials? 10. Per què els sòlids amorfs presenten una reactivitat química més alta? 2 Fonaments dels Diagrames de Fases i Sistemes Isomorfs EN ACABAR SABRÀS Distingir entre components, fases i límits de solubilitat en diagrames binaris. Determinar les composicions de les fases en equilibri mitjançant isotermes.

Calcular les fraccions màssiques de cada fase aplicant la regla de la palanca. Diferenciar les microestructures generades per refredament lent en equilibri o per refredament ràpid.

Manca d'ordre en la xarxa elemental a) Diferència de radis superior al 50% b) Diferència de radis inferior al 15% c) Solubilitat limitada sempre al 10% d) En el núvol electrònic perifèric a) Substituint directament el solvent b) Dins dels buits de la xarxa c) Únicament a la superfície externa d) Inferior o igual al 10% a) Solubilitat total del 100% b) Supera el 85% c) Fins al 50% d) Pel seu refredament extremadament lent a) Perquè els seus enllaços són més febles b) Perquè mantenen un ordre a llarg abast c) Per tenir enllaços iònics altament direccionals d) Apunts de Química de Materials: Fases, Acers i Corrosió 6 PENSA-HI ABANS DE LLEGIR 11 Per què un aliatge metàl·lic no fon a una temperatura fixa com ho fa un metall pur, sinó al llarg d'un interval tèrmic?

Els diagrames de fases són representacions gràfiques fonamentals en ciència de materials que descriuen l'estat d'equilibri d'un sistema sota determinades condicions termodinàmiques. Aporten informació essencial sobre transformacions com ara la fusió i la cristal·lització. ESQUEMA Estructura dels Diagrames de Fases Isomorfs Conceptes fonamentals i equilibri de fases Per interpretar correctament aquests diagrames, cal definir amb precisió els elements que els constitueixen: Component: metall o compost químic individual que forma part d'un aliatge (per exemple, Fe i Fe3C en l'acer). Sistema: objecte o cos específic de material sotmès a estudi.

Sol estar format per un solvent (element en major proporció) i un solut (element en menor proporció). Fase: porció homogènia d'un sistema que presenta propietats físiques i químiques uniformes. En creuar el límit d'una fase es produeix un canvi brusc i discontinu d'aquestes propietats. Límit de solubilitat: concentració màxima d'àtoms de solut capaços de dissoldre's en un volum determinat de solvent. De manera general, com més temperatura, més gran és la solubilitat. Equilibri de fase: condició d'estabilitat en què les característiques del sistema romanen constants al llarg del temps.

Quan un sistema es troba allunyat de l'equilibri perquè la velocitat de difusió atòmica és extremadament lenta (habitual en sòlids), assoleix un estat metaestable. Conceptes bàsics Components, fases, sistema i límits Límits de fase Corbes liquidus i solidus Regió bifàsica L+S Lentella de coexistència Anàlisi quantitativa Isotermes i regla de la palanca Microestructures Evolució en equilibri i no equilibri Apunts de Química de Materials: Fases, Acers i Corrosió 7 Gràfica de límit de solubilitat d'un sistema binari sucre-aigua.

DEFINICIÓ Un diagrama de fases binari representa gràficament la relació entre la temperatura i la composició química per a un sistema de dos components sotmès a una pressió constant d'1 atm. Les corbes del diagrama delimiten regions monofàsiques o bifàsiques separades per límits de solubilitat. COMPROVA-HO 12 Quina diferència fonamental hi ha entre un canvi continu de temperatura dins d'una sola fase i el pas a través d'un límit de fase? Sistemes isomorfs i evolució tèrmica Un sistema binari s'anomena isomorf quan existeix una solubilitat total i completa entre ambdós components, tant en estat líquid com en estat sòlid.

En aquests aliatges es forma una solució cristal·lina (vegeu «Estructura Cristal·lina i Defectes Puntuals») de tipus substitucional (vegeu «Estructura Cristal·lina i Defectes Puntuals»), com succeeix en el parell coure-níquel (Cu-Ni), on la fase sòlida té una estructura cristal·lina cúbica centrada en les cares (CCC). Línia del diagrama Frontera de fases Significat físic durant el refredament Línia liquidus Separa el líquid (L) de la regió bifàsica (L + ) Temperatura a la qual comença a formar-se el primer sòlid. Línia solidus Separa la regió bifàsica (L + ) del sòlid ( ) Temperatura a la qual finalitza la solidificació (o comença la fusió).

Aquestes dues línies delimiten una regió intermèdia bifàsica coneguda col·loquialment com a lentella. En els extrems purs del diagrama (0 % i 100 % de solut), el liquidus i el solidus coincideixen en un punt invariant: la temperatura de fusió pura de cada component (per exemple, 1085 °C per al Cu pur i α α α α Apunts de Química de Materials: Fases, Acers i Corrosió 8 1455 °C per al Ni pur). Les corbes de refredament (gràfiques de temperatura enfront del temps) mostren un canvi de pendent durant l'interval de solidificació dels aliatges, mentre que els metalls purs solidifiquen a temperatura fixa (palier pla horitzontal).

COMPROVA-HO 13 Per què la corba de refredament d'un metall pur presenta un tram completament horitzontal i la d'un aliatge isomorf un canvi de pendent? Càlcul de fases en equilibri: composició i regla de la palanca Quan un aliatge de composició global es troba a una temperatura dins de la regió bifàsica (L + ), s'han de determinar dues magnituds completament diferents: la composició química de cada fase individual i la fracció en massa relativa de cadascuna. Es compleix sempre que (és a dir, el 100 % de la massa del sistema).

ERROR FREQÜENT Confondre la composició química d'una fase ( o , percentatge d'un element en aquella fase) amb la fracció en massa ( o , percentatge del material total que es troba en aquell estat). Un líquid pot tenir una concentració del 30 % de Ni ( ) però constituir el 60 % de la massa total de la mostra ( ). A més, per calcular la quantitat d'una fase, cal usar sempre el segment contrari al seu extrem en la isoterma. C 0 T α Traçar la isoterma: es dibuixa un segment horitzontal a la temperatura d'interès a través de la regió bifàsica, des de la línia liquidus fins a la línia solidus.

1 Llegir la composició de les fases: es projecten verticalment els extrems d'aquest segment sobre l'eix d'abscisses de composició. El punt de tall amb el liquidus dona la composició de la fase líquida ( ) i el tall amb el solidus dona la composició de la fase sòlida ( ).

2 C L C α Aplicar la regla de la palanca: es calculen les fraccions màssiques ( i ) prenent la longitud del braç oposat respecte a la composició global dividida per la longitud total de la isoterma: 3 W L W α C 0 W = L C C α L C C α 0 W = α C C α L C C 0 L W + α W = L 1 C L C α W L W α C = L 30 W = L 0,60 Apunts de Química de Materials: Fases, Acers i Corrosió 9 Desenvolupament de microestructures i velocitat de refredament Esquema de transformació microestructural durant el refredament del sistema Cu-Ni.

La microestructura obtinguda depèn directament de les condicions cinètiques durant la davallada tèrmica: Refredament en equilibri (molt lent): permet que la difusió atòmica reajusti continuament la composició dels sòlids ja formats i del líquid romanent. Els grans de fase resultants són homogenis quimicament i tenen la composició nominal . Refredament ràpid (fora d'equilibri): la difusió en estat sòlid és massa lenta per rehomogeneïtzar el material. Es genera una estructura de grans amb segregació concèntrica, on el centre del gra és ric en l'element amb major punt de fusió i la perifèria s'enriqueix en l'element de menor punt de fusió.

Les propietats mecàniques dels aliatges depenen d'aquesta composició química i de la seva microestructura; varien respecte a les dels metalls purs, si bé no de manera linealment proporcional. COMPROVA-HO 14 Quina conseqüència directa té un refredament ràpid sobre la composició química interna d'un gra cristal·lí en un aliatge isomorf? α C 0 Apunts de Química de Materials: Fases, Acers i Corrosió 10 Problemes i aplicacions pràctiques en sistemes binaris Diagrama de fases isomorf binari del sistema A-B. Apunts de Química de Materials: Fases, Acers i Corrosió 11 EXEMPLE Cas 1: Aliatge hipotètic A-B Un element A pur fon a 1250 °C i un element B pur fon a 900 °C.

Ambdós són totalment miscibles en líquid i sòlid (sistema isomorf). Un aliatge amb el 50 % en pes de B comença a fondre a 1000 °C ( ) i esdevé completament líquid a 1150 °C ( ). Si es refreda un aliatge amb una composició nominal del 30 % en pes de B ( ) fins a 1100 °C: Cas 2: Viabilitat de fases en el sistema Cu-Ni És possible mantenir en equilibri una fase líquida amb el 20 % de Ni i una fase sòlida amb el 37 % de Ni? No, perquè en el diagrama Cu-Ni cap recta isoterma horitzontal talla simultàniament la corba liquidus al 20 % de Ni i la corba solidus al 37 % de Ni. IDEES CLAU Un sistema isomorf presenta miscibilitat completa tant en estat líquid com en estat sòlid.

La línia liquidus delimita l'inici de la solidificació, mentre que la línia solidus marca el final de la cristal·lització. La composició d'una fase s'obté projectant el tall de la isoterma amb la corba de límit sobre l'eix de composició. La fracció en massa d'una fase es determina amb la regla de la palanca emprant la longitud del braç oposat sobre la longitud total de la isoterma. El refredament en equilibri produeix grans d'aliatge homogenis, mentre que el refredament ràpid genera segregació química interna. COMPROVA EL QUE HAS APRÈS 15. En un diagrama binari isomorf, quina condició geomètrica han de complir les composicions de dues fases en equilibri? 16.

Com s'expressa la fracció màssica del líquid en funció de les composicions , i ? T solidus T liquidus C = 0 30 Tracem la isoterma a 1100 °C. Els talls amb les corbes determinen una composició del sòlid i del líquid . 1 C = α 27% B C = L 63% B La fracció de fase sòlida s'obté mitjançant el braç oposat: 2 α W = α = C C L α C C L 0 = 63 27 63 30 36 33 0,92 (92%) La fracció de fase líquida correspon al segment restant: 3 W = L 1 W = α 1 0,92 = 0,08 (8%) W L C 0 C L C α Apunts de Química de Materials: Fases, Acers i Corrosió 12 Test Encercla la resposta correcta. Les solucions són al final. 17. Quin significat té la línia solidus en un diagrama de fases binari? 18.

Com es defineix un sistema termodinàmic isomorf? 19. Quin efecte microestructural produeix un refredament massa ràpid en un aliatge isomorf? 20. A la regla de la palanca, quin numerador s'utilitza per calcular la fracció de fase sòlida? 3 Diagrames Eutèctics Binaris EN ACABAR SABRÀS Diferenciar un sistema eutèctic d'un sistema isomorf mitjançant els límits de solubilitat sòlida. Localitzar la corba solvus, la línia eutèctica i el punt invariant en diagrames binaris Cu-Ag i Pb- Sn. Calcular les fraccions màssiques i volumètriques de les fases en equilibri mitjançant la regla de la palanca i les densitats.

PENSA-HI ABANS DE LLEGIR 21 Per què soldar tubs de coure amb aliatge d'estany i plom requereix molt menys escalfament que fondre plom o estany purs?

Delimita el límit màxim de temperatura líquida a) Assenyala el canvi estructural en fase gasosa b) Indica l'aparició dels primers cristalls sòlids c) Marca la temperatura d'inici de fusió d) Presenta solubilitat total en líquid i sòlid a) Forma un compost químic estequiomètric intermedi b) Mostra insolubilitat completa a qualsevol temperatura c) Té solubilitat parcial en estat sòlid d) Formació d'una fase líquida metaestable perpètua a) Homogeneïtzació completa de tots els cristalls b) Aparició de segregació química als grans c) Desaparició total dels límits de gra d) La distància entre C0 i CL a) La longitud total del segment isotèrmic b) La distància entre C alfa i C0 c) El quocient directe entre C alfa i CL d) Apunts de Química de Materials: Fases, Acers i Corrosió 13 A diferència dels sistemes amb solubilitat total en estat sòlid com els que s'estudien a un diagrama isomorf (vegeu «Fonaments dels Diagrames de Fases i Sistemes Isomorfs»), la majoria dels aliatges metàl·lics reals presenten una capacitat limitada per dissoldre un element dins de la xarxa d'un altre quan se solidifiquen.

Naturalesa del sistema eutèctic binari Un sistema eutèctic es caracteritza per una miscibilitat total en estat líquid i una solubilitat limitada en estat sòlid. En refredar la mescla fosa, els àtoms dels dos components no poden substituir-se lliurement en qualsevol proporció dins de la xarxa cristal·lina. Gràfica de la regla de la palanca en un diagrama de fases. Aquesta restricció cristal·logràfica comporta que a temperatura ambient (convencionalment 21 °C) coexisteixin dues fases sòlides diferenciades: Fase : solució sòlida rica en el component majoritari de l'extrem esquerre, amb una petita fracció de solut dissolt.

Fase : solució sòlida rica en el component pur de la banda dreta del diagrama. Entre els dominis terminals purs o gairebé purs s'obre una extensa regió bifàsica constituïda per la barreja mecànica d'ambdós sòlids. DEFINICIÓ La corba solvus és la línia del diagrama d'equilibri que delimita el límit màxim de solubilitat d'un component sòlid dins d'un altre en funció de la temperatura. β β β Apunts de Química de Materials: Fases, Acers i Corrosió 14 La línia eutèctica és la recta horitzontal isotèrmica que marca la temperatura mínima a la qual pot subsistir líquid en equilibri.

Sobre aquesta recta es troba el punt eutèctic, definit com un punt invariant de composició i temperatura estrictament fixes a pressió constant (1 atm), on el líquid es transforma directament en la barreja dels dos sòlids. ESQUEMA Regions del diagrama eutèctic Cu-Ag COMPROVA-HO 22 Què passaria si intentem escalfar una mescla sòlida de composició eutèctica exacta per sobre de la seva isoterma? Anàlisi del diagrama Coure-Plata (Cu-Ag) El diagrama de fases format per coure i plata constitueix el model clàssic d'eutèctic binari amb fases terminals d'estructura cristal·lina cúbica centrada a les cares (CCC).

Les regions monofàsiques d'aquest sistema són tres: el líquid general homogeni , la solució sòlida (coure matriu amb solut d'Ag) i la solució sòlida (plata matriu amb solut de Cu).

Regió de fases Estat físic Descripció dels components Líquid homogeni Coure i plata completament miscibles en fusió Sòlid monofàsic Dissolució sòlida rica en Cu (estructura CCC) Sòlid monofàsic Dissolució sòlida rica en Ag (estructura CCC) Mescla bifàsica Coexistència de cristalls de i cristalls de Monofàsiques Una única fase estable Líquid (L) Solució fosa homogènia Fase alfa Solució sòlida rica en Cu Fase beta Solució sòlida rica en Ag Bifàsiques Coexistència de dues fases Líquid + alfa Cristalls alfa en líquid Líquid + beta Cristalls beta en líquid Alfa + Beta Mescla sòlida mecànica L α β L α β α + β α β Apunts de Química de Materials: Fases, Acers i Corrosió 15 Regió de fases Estat físic Descripció dels components Mescla pastosa Cristalls primaris de en suspensió dins del bany líquid Mescla pastosa Cristalls primaris de en suspensió dins del bany líquid El punt invariant eutèctic en el sistema Cu-Ag se situa a una isoterma de i una concentració de 71,9 en pes d'Ag.

En aquesta temperatura invariant, la màxima solubilitat de plata en coure (línia solvus límit) és del , mentre que la solubilitat límit de coure en plata és del (la fase conté un ). PER RECORDAR-HO En els gràfics de refredament temperatura-temps, el pendent de la corba a les regions monofàsiques és notablement menys pronunciat que el pendent que s'observa quan s'atravessen regions bifàsiques. COMPROVA-HO 23 A quina temperatura fon la composició de 71,9 % en pes d'Ag en el sistema Cu-Ag i per què resulta interessant industrialment? Càlculs quantitatius en el sistema Plom-Estany (Pb-Sn) El sistema binari Pb-Sn presenta una isoterma eutèctica situada a amb una composició eutèctica de .

A aquesta temperatura, la solubilitat màxima d'estany en la matriu de plom és de , i la solubilitat màxima de plom en estany és de ( ). α + L α β + L β 780 C β % 7,9 % Ag 8,8 % Cu β 91,2 % Ag 183 C 61,9 % Sn 19,2 % Sn 2,5 % Pb 97,5 % Sn Apunts de Química de Materials: Fases, Acers i Corrosió 16 Diagrama de fases binari eutèctic del sistema plom-estany (Pb-Sn). Esquema d'aplicació de la isoterma a 150 °C en Pb-Sn. Apunts de Química de Materials: Fases, Acers i Corrosió 17 Considerem un aliatge amb una concentració global (i per tant ) a una temperatura mantinguda de : ERROR FREQÜENT Assumir que la fracció màssica d'una fase és equivalent a la seva fracció en volum.

Com que les densitats de les fases i solen ser molt divergents a causa de la diferència de massa atòmica dels seus components, les fraccions volumètriques ( davant ) difereixen substancialment dels percentatges en massa ( davant ). C = 0 40 % Sn 60 % Pb 150 C Identificació del camp de fases: a 150 °C i 40 % Sn, el punt se situa a l'interior de la regió bifàsica . Per tant, les fases presents en equilibri són exclusivament i . 1 α + β α β Determinació de la composició química de cada fase: tracem la recta de repartiment isotèrmica a 150 °C a través de la regió bifàsica. La intersecció esquerra amb la corba solvus de la fase dóna (i ).

La intersecció dreta amb la corba solvus de la fase dóna (i ). 2 α C = α 11 % Sn 89 % Pb β C = β 99 % Sn 1 % Pb Càlcul de les fraccions màssiques mitjançant la regla de la palanca: aplicant les proporcions inverses dels segments oposats: Comprovant que (100 %). 3 W = α = C C β α C C β 0 = 99 11 99 40 88 59 0,67 W = β = C C β α C C 0 α = 99 11 40 11 88 29 0,33 W + α W = β 0,67 + 0,33 = 1,00 Càlcul de les fraccions volumètriques: prenent una base de càlcul de massa total de 100 g d'aliatge, tindrem 67 g de fase i 33 g de fase . Coneixent les densitats experimentals de cada solució sòlida ( i ): El volum total correspon a .

Les fraccions de volum resultants són: 4 α β ρ = α 11,2 g/cm3 ρ = β 7,3 g/cm3 V (α) = = 11,2 g/cm3 67 g 5,98 cm3 V (β) = = 7,3 g/cm3 33 g 4,52 cm3 V = total 5,98 + 4,52 = 10,50 cm3 V = α = V (α) + V (β) V (α) 10,50 5,98 0,57 V = β = V (α) + V (β) V (β) 10,50 4,52 0,43 α β 57 % vol 43 % vol 67 % pes 33 % pes Apunts de Química de Materials: Fases, Acers i Corrosió 18 IDEES CLAU Un sistema eutèctic presenta miscibilitat completa en líquid i solubilitat limitada en sòlid. La línia solvus estableix el llindar màxim de solut que una fase sòlida pot tolerar abans de precipitar una segona fase. El punt eutèctic és un estat invariant amb la temperatura de solidificació més reduïda del diagrama.

La regla de la palanca permet determinar la fracció màssica de les fases sòlides coexistents en una zona bifàsica. La fracció volumètrica d'una fase divergeix de la màssica en funció de la relació de densitats dels seus elements constitutius. COMPROVA EL QUE HAS APRÈS 24. Com s'obtenen les composicions químiques de les fases alfa i beta a una temperatura concreta dins la regió bifàsica? 25. Quina és la composició i temperatura de la isoterma eutèctica en el sistema plom-estany? Test Encercla la resposta correcta. Les solucions són al final. 26. Quina característica defineix el punt eutèctic en un diagrama binari? 27. Quina línia delimita el límit de solubilitat entre sòlids? 28.

A 150 °C en un aliatge Pb-Sn de 40 % Sn, quines fases coexisteixen? 29. Per què difereixen les fraccions de massa i de volum d'una fase?

Punt invariant de mínima temperatura de fusió a) Màxima temperatura de fusió del sistema b) Límit d'insolubilitat en fase líquida c) Punt on coexisteixen tres fases sòlides d) Recta isòcora a) Línia liquidus b) Línia solidus c) Corba solvus d) Líquid i beta a) Líquid i alfa b) Líquid homogeni c) Fase alfa i fase beta d) Perquè una fase és gasosa a) Per un error de la regla de la palanca b) Perquè el volum depèn de la pressió c) Per les diferències de densitat entre fases d) Apunts de Química de Materials: Fases, Acers i Corrosió 19 4 El Diagrama de Fases Fe-Fe3C i Microestructures d'Acers EN ACABAR SABRÀS Distingir les fases al·lotròpiques del ferro i els límits de solubilitat del carboni.

Identificar els punts eutèctic i eutectoide del diagrama Fe-Fe3C. Predir les microestructures resultants d'acers hipo, eu i hipereutectoides en refredament lent. Calcular les fraccions de fases i de microconstituents mitjançant la regla de la palanca. PENSA-HI ABANS DE LLEGIR 30 Per què un acer amb un 1% de carboni és molt més dur però més trencadís que un acer amb un 0,2% de carboni? Els aliatges fèrrics constitueixen el grup de materials metàl·lics més emprat en enginyeria gràcies a la gran varietat de propietats mecàniques que ofereixen segons la proporció de carboni i el tractament tèrmic aplicat.

A la pressió estàndard d'1 atm, el comportament d'aquests materials s'estudia mitjançant el sistema binari metaestable entre el ferro pur i el carbur de ferro.

ESQUEMA Estructura dels aliatges fèrrics al diagrama Fe- Fe3C Fases pures i compostos Ferrita alfa, austenita gamma i cementita Fe3C Ferrita alfa BCC, fins a 0,022% C a 727 °C Austenita gamma FCC, fins a 2,11% C a 1148 °C Cementita Fe3C Intermetàl·lic dur amb 6,70% C Classificació per carboni Ferro dolç, acers i foses de ferro Microestructures d'acers Hipoeutectoides, eutectoides i hipereutectoides Acer hipoeutectoide Ferrita proeutectoide i perlita Acer eutectoide 100% perlita laminar Acer hipereutectoide Cementita proeutectoide i perlita Apunts de Química de Materials: Fases, Acers i Corrosió 20 Al·lotropia del ferro i fases del diagrama Fe-Fe3C El ferro pur presenta diferents estructures cristal·lines segons la temperatura abans d'arribar a l'estat líquid.

Aquest fenomen s'anomena al·lotropia: Ferro alfa ( , ferrita): fase de baixa temperatura amb xarxa BCC (cúbica centrada en el cos). És estable des de temperatura ambient fins a . Presenta una duresa baixa i una elevada ductilitat, admetent una solubilitat màxima de carboni de només el 0,022% en pes a 727 °C, la qual disminueix fins al 0,008% a temperatura ambient. Ferro gamma ( , austenita): fase d'alta temperatura amb estructura FCC (cúbica centrada en les cares), estable entre i . La seva xarxa admet una major quantitat de carboni com a defecte intersticial (vegeu «Estructura Cristal·lina i Defectes Puntuals»), assolint una solubilitat màxima del 2,11% en pes de carboni a 1148 °C.

Mai és estable a temperatura ambient en condicions d'equilibri. Ferro delta ( , ferrita delta): torna a adoptar la xarxa BCC entre els 1394 °C i el punt de fusió del metall a . En el diagrama d'equilibri metaestable Fe-Fe3C, l'eix de concentració s'estén fins al 6,70\% en pes de carboni. Aquest límit correspon a la composició fixa del compost intermetàl·lic anomenat cementita ( ), un constituent extremadament dur i fràgil que augmenta la resistència mecànica global dels acers reduint-ne la capacitat de deformació. Diagrama Fe-Fe3C mostrant les regions de solubilitat monofàsiques de ferrita i austenita.

α 912 C γ 912 C 1394 C δ 1538 C Fe C 3 Apunts de Química de Materials: Fases, Acers i Corrosió 21 COMPROVA-HO 31 Per quina raó la solubilitat del carboni és notablement superior en l'austenita (2,11%) que en la ferrita (0,022%)? Punts singulars i classificació dels aliatges fèrrics El diagrama de fases Fe-Fe3C mostra dos punts invariants decisius que defineixen les línies de transformació durant el refredament (vegeu «Diagrames Eutèctics Binaris»): Punt eutèctic: localitzat a i 4,3\% C. En aquest punt, el líquid d'aquesta composició solidifica simultàniament donant una mescla íntima d'austenita i cementita. Punt eutectoide: situat a i 0,77\% C.

Per sota d'aquesta temperatura d'isoterm, l'austenita desapareix completament per donar lloc a la descomposició eutectoide en estat sòlid. Diagrama Fe-Fe3C amb la divisió d'acers hipoeutectoides, hipereutectoides i foses.

Segons la quantitat global de carboni, els aliatges fèrrics es divideixen en tres grans categories: Tipus d'aliatge Contingut de carboni (% en pes) Fases / Microestructures típiques a temperatura ambient Ferro dolç Inferior a 0,008% (o màxim 0,022%) Ferrita gairebé pura, molt dúctil Acers De 0,022% a 2,11% (habitualment < 1%) Ferrita i cementita (organitzades en perlita i fases proeutectoides) Foses De 2,11% a 6,70% (típicament < 4%) Estructures amb alt contingut de cementita o grafit lliure 1148 C 727 C α α Fe C 3 Apunts de Química de Materials: Fases, Acers i Corrosió 22 COMPROVA-HO 32 Quina és la diferència fonamental entre la reacció eutèctica i la reacció eutectoide al diagrama Fe-Fe3C?

Microestructures d'acers en refredament lent Quan un acer es refreda molt lentament des del camp austenític en condicions properes a l'equilibri termodinàmic, la microestructura final depèn directament de la seva posició respecte al punt eutectoide de 0,77% C: 1. Acer eutectoide (0,77% C): en arribar a la temperatura de 727 °C, tota l'austenita es transforma mitjançant una reacció cooperativa de difusió de carboni, generant la perlita, un microconstituent laminar format per capes alternades de ferrita tova ( ) i cementita dura ( ). 2.

Acers hipoeutectoides (0,022% a 0,77% C): en travessar la línia solvus inferior procedent de la regió , precipita primer ferrita proeutectoide als límits de gra de l'austenita. En continuar el refredament lent fins a 727 °C, la composició de l'austenita residual s'enriqueix en carboni fins a assolir exactament el 0,77%. A aquesta temperatura, tota l'austenita restant es transforma en perlita. Per tant, l'estructura final a temperatura ambient consta de ferrita proeutectoide i perlita. 3. Acers hipereutectoides (0,77% a 2,11% C): en refredar-se per sota de la corba de solubilitat d'austenita, precipita cementita proeutectoide (xarxa de carbur fràgil als contorns de gra).

L'austenita s'empobreix en carboni fins a arribar al 0,77% a 727 °C, moment en què es descomposa en perlita laminar. L'estructura resultant a temperatura ambient consisteix en cementita proeutectoide i perlita. α Fe C 3 γ Apunts de Química de Materials: Fases, Acers i Corrosió 23 Esquema de l'evolució microestructural d'un acer hipoeutectoide durant un refredament lent. ERROR FREQÜENT Confondre fases químiques amb microconstituents és una de les principals causes de pèrdua de punts als exàmens. La ferrita ( ) i la cementita ( ) són fases químiques homogeniament definides amb xarxes cristal·lines pròpies.

La perlita NO és una fase, sinó un constituent microestructural bifàsic (mescla íntima laminar de ferrita i cementita). Si una pregunta demana el percentatge de fases presents, la resposta serà la suma total de ferrita i la de cementita; si demana constituents, s'haurà de calcular el percentatge de perlita i el de fase proeutectoide. Recordeu que un acer hipereutectoide mai conté ferrita proeutectoide, així com un acer hipoeutectoide mai presenta cementita proeutectoide. COMPROVA-HO 33 Quins dos tipus de ferrita es distingeixen al microscopi en un acer hipoeutectoide refredat lentament?

Influència dels elements d'aliatge La incorporació d'altres metalls (com crom Cr, níquel Ni, titani Ti o vanadi V) altera les condicions termodinàmiques del sistema binari elemental Fe-Fe3C. La magnitud d'aquests canvis depèn del tipus i de la concentració de l'element aliant: α Fe C 3 Apunts de Química de Materials: Fases, Acers i Corrosió 24 Desplaçament del punt eutectoide: elements com el Ti, el Mo o el Si eleven la temperatura eutectoide, mentre que elements com el Ni o el Mn la redueixen. A més, pràcticament tots els elements aliants desplacen la composició eutectoide cap a continguts inferiors al 0,77% de carboni.

Canvi en les fraccions de microconstituents: en desplaçar-se la concentració eutectoide, varia la quantitat relativa de fase proeutectoide i de perlita per a una mateixa composició total. Efecte mecànic general del carboni: un percentatge més alt de carboni augmenta la resistència mecànica a la tracció de l'acer (per la major fracció de cementita dura), però en disminueix la ductilitat i la tenacitat.

CAUSES I CONSEQÜÈNCIES Addició de Cr, Ni, Ti, V Modifica el comportament termodinàmic del sistema Concentració d'aliants La magnitud depèn del percentatge afegit Efectes de l'addició d'elements d'aliatge Desplaçament de temperatura eutectoide Puja amb Ti o Mo i baixa amb Ni o Mn Reducció del % C eutectoide Se sol situar per sota del 0,77% C Alteració de les fraccions Canvia la proporció de perlita i fase proeutectoide Càlculs quantitatius d'equilibri mitjançant la regla de la palanca Per avaluar quantitativament les fraccions de fases o de microconstituents es fa servir la regla de la palanca sobre les línies d'enllaç del diagrama (vegeu «Fonaments dels Diagrames de Fases i Sistemes Isomorfs»).

Apunts de Química de Materials: Fases, Acers i Corrosió 25 EXEMPLE: BALANÇ DE FASES I MICROCONSTITUENTS EN UN ACER DE L'1% C Es considera un acer hipereutectoide amb sotmès a un refredament lent des de la regió austenítica. 1. Fracció de perlita a temperatura ambient (equivalent a l'austenita a 727 °C): Just per sobre de la transformació eutectoide, la quantitat d'austenita ( , que es convertirà íntegrament en perlita) s'obté aplicant el braç oposat entre la concentració de la cementita (6,70%) i el punt eutectoide (0,77%): La fracció de cementita proeutectoide serà la restant: . 2.

Fraccions totals de fases a 700 °C: Aquesta vegada els extrems de la palanca són les fases químiques: ferrita ( ) i cementita ( ): Si es coneix la microestructura resultant d'un acer a temperatura ambient, es pot deduir la seva composició d'origen mitjançant un balanç de massa ponderat: Per exemple, si un acer presenta un 70% de perlita i un 30% de ferrita proeutectoide, es dedueix immediatament que es tracta d'un acer hipoeutectoide, i el seu contingut de carboni serà: COMPROVA-HO 34 Quina composició de carboni té un acer hipereutectoide que presenta un 90% de perlita i un 10% de cementita proeutectoide?

C = 0 1,0% C W γ W = perlita = C C Fe C 3 perlita C C Fe C 3 0 = 6,70 0,77 6,70 1,0 5,93 5,70 0,961 (96,1%) 100% 96,1% = 3,9% 0,022% C 6,70% C %α = × 6,70 0,022 6,70 1,0 100 = × 6,678 5,70 100 85,36% %Fe C = 3 × 6,70 0,022 1,0 0,022 100 = × 6,678 0,978 100 14,64% C = 0 W proeutectoide C + proeutectoide W perlita C perlita C = 0 0,30 (0,022) + 0,70 (0,77) = 0,0066 + 0,539 = 0,5456% 0,55% C Apunts de Química de Materials: Fases, Acers i Corrosió 26 IDEES CLAU El ferro pur presenta al·lotropia: ferrita (BCC, fins a 912 °C), austenita (FCC, 912-1394 °C) i ferrita (BCC, 1394-1538 °C). El diagrama Fe-Fe3C té dos punts singulars clau: l'eutèctic (1148 °C, 4,3% C) i l'eutectoide (727 °C, 0,77% C).

La cementita ( ) és un compost intermetàl·lic amb un 6,70% C, extremadament dur i fràgil. La perlita és un microconstituent laminar format per làmines alternades de ferrita i cementita originat a la reacció eutectoide. Els acers hipoeutectoides (0,022-0,77% C) formen ferrita proeutectoide i perlita; els hipereutectoides (0,77-2,11% C) formen cementita proeutectoide i perlita. Els elements d'aliatge addicionals (com Cr, Ni, Ti, V) desplacen la temperatura i la concentració de carboni del punt eutectoide. COMPROVA EL QUE HAS APRÈS 35. Quina diferència conceptual existeix entre la ferrita i la perlita en un acer? 36.

Com es calcula la fracció de perlita d'un acer hipoeutectoide a temperatura ambient mitjançant la regla de la palanca? Test Encercla la resposta correcta. Les solucions són al final. 37. Quina estructura cristal·lina té la ferrita alfa i fins a quina temperatura és estable? 38. Quin és el percentatge de carboni del punt eutectoide en el diagrama Fe-Fe3C? 39. Quina microestructura presenta a temperatura ambient un acer amb un 0,4% de carboni refredat lentament? 40. Com influeix generalment l'augment del percentatge de carboni en un acer?

α γ δ Fe C 3 α Fe C 3 BCC entre 912 i 1394 °C a) BCC fins a 912 °C b) FCC fins a 727 °C c) FCC fins a 912 °C d) 0,022% en pes de C a) 0,77% en pes de C b) 2,11% en pes de C c) 4,30% en pes de C d) Austenita i ferrita proeutectoide a) Ferrita proeutectoide i perlita b) Cementita proeutectoide i perlita c) Perlita laminar homogènia d) Augmenta la resistència i redueix la ductilitat a) No altera les propietats mecàniques globals b) Augmenta la ductilitat i redueix la duresa c) Eleva la temperatura eutèctica del diagrama d) Apunts de Química de Materials: Fases, Acers i Corrosió 27 5 Metal·lúrgia, Classificació i Propietats dels Materials Metàl·lics EN ACABAR SABRÀS Distingir ferro dolç, acers i foses segons el contingut de carboni.

Descriure el procés de reducció i afinament a l'alt forn siderúrgic. Relacionar la microestructura de les diferents foses amb les seves propietats mecàniques. PENSA-HI ABANS DE LLEGIR 41 Per què el ferro obtingut directament de l'alt forn no es pot utilitzar per construir estructures resistents? Naturalesa de l'Enllaç Metàl·lic i Propietats Generals Els materials metàl·lics són sòlids policristal·lins formats per àtoms amb potencials d'ionització baixos. Aquesta característica afavoreix que els electrons de valència es deslocalitzin fàcilment, creant una xarxa de cations envoltada d'un núvol electrònic comú.

Aquest tipus d'enllaç confereix un conjunt de propietats físiques i mecàniques distintives: Conductivitat tèrmica i elèctrica elevada: El moviment lliure dels electrons pel reticle cristal·lí permet el transport ràpid d'energia tèrmica i càrrega elèctrica. Plasticitat (ductilitat i mal·leabilitat): Els plans cristal·lins poden lliscar entre si sense trencar la cohesió del material metàl·lic. La ductilitat permet estirar el material en fils prims, mentre que la mal·leabilitat facilita conformar-lo en làmines mitjançant compressió. Bona resistència mecànica i tenacitat: Són materials capaços d'absorbir una quantitat important d'energia abans de la fractura definitiva.

Densitat elevada i tendència a l'oxidació: Per la facilitat de cedir electrons, reaccionen fàcilment amb el medi formant òxids (per aprofundir en els mecanismes d'atac químic, vegeu «Electroquímica i Mecanismes de Corrosió Metàl·lica»). Els metalls poden utilitzar-se en estat pur o bé formant aliatges mitjançant la dissolució de diversos elements en fase sòlida. Entre els aliatges no fèrrics més habituals trobem el llautó (coure amb zinc), el bronze (coure amb estany), el cuproníquel (coure amb níquel) i l'alpaca (coure, níquel i zinc).

Apunts de Química de Materials: Fases, Acers i Corrosió 28 EXEMPLE Determinació de la composició d'un llautó comercial format per un 60 % de Cu, un 2,5 % d'impureses i la resta de Zn: COMPROVA-HO 42 Quina relació hi ha entre el núvol d'electrons deslocalitzats i l'alta ductilitat d'un metall? Cicle de Fabricació Siderúrgica a l'Alt Forn La siderúrgia és la branca de la metal·lúrgia dedicada a l'extracció i transformació dels materials fèrrics, els quals representen més del 80 % de la producció mundial de metalls.

El procés industrial comprèn tres fases principals: l'extracció minera (on se separa la mena aprofitable de la ganga residual), la reducció química a l'alt forn i l'afinament posterior. Esquema de les etapes del procés siderúrgic d'alt forn. El percentatge de zinc es calcula restant la resta de components: . 1 100% 60% 2,5% = 37,5% Zn En una peça d'1 kg de llautó, la massa de zinc continguda és de . 2 1 kg × 0,375 = 0,375 kg Si es disposa de 125 kg de Zn per fabricar aquest aliatge, la massa total de llautó serà , i la massa de coure requerida serà .

3 125 kg/0,375 = 333,33 kg 333,33 kg × 0,60 = 200 kg = 0,2 t Apunts de Química de Materials: Fases, Acers i Corrosió 29 Les matèries primeres introduïdes a l'alt forn compleixen funcions específiques per aconseguir la reducció dels minerals de ferro: Minerals de ferro: Aporten el metall primari. Els principals són els òxids com la magnetita ( , amb un 72 % de Fe), l'hematites ( , amb un 70 % de Fe) i la limonita ( , amb un 60 % de Fe); el carbonat conegut com a siderita ( , 48 % de Fe); i el sulfur anomenat pirita ( , menys del 48 % de Fe).

Carbó de coc: Actua com a combustible generant entre 6500 i 8750 kcal/kg i proporciona el monòxid de carboni (CO), gas reductor que elimina l'oxigen dels òxids fèrrics. Fundents ( , ): Redueixen la temperatura de fusió de la ganga i reaccionen amb la sílice ( ). El carbonat de calci s'associa amb el silici per formar l'escòria de silicat de calci ( ), que sura sobre el bany metàl·lic gràcies a la seva menor densitat i s'extreu per una piquera superior per aprofitar-la en la fabricació de ciment i aïllants. Aire calent: S'insufla a pressió per la base del forn per alimentar la combustió del coc. El producte líquid obtingut per la part inferior rep el nom de fosa de primera fusió o arrabio.

Aquest material conté més d'un 4 % de carboni i alts nivells d'impureses com sofre, manganès i fòsfor, motiu pel qual és extremadament fràgil i requereix un procés posterior d'afinament. PROCÉS Cicle siderúrgic d'obtenció d'acer L'afinament té com a finalitat principal rebaixar el percentatge de carboni fins als límits de l'acer i eliminar impureses perjudicials com el sofre (que malmet la mal·leabilitat) i el fòsfor (que accentua la fragilitat mecànica).

Aquest procediment es porta a terme en convertidors (Bessemer, Thomas o d'injecció d'oxigen), que no requereixen calor externa en aprofitar l'energia tèrmica de l'oxidació de les impureses, o bé en forns d'afinament (Martin-Siemens o forns elèctrics d'arc), on s'aporta calor procedent de la combustió de gas o energia elèctrica. Fe O 3 4 Fe O 2 3 2Fe O 2 3 3H O 2 FeCO 3 FeS 2 CaCO 3 MgCO 3 SiO 2 CaSiO 3 Càrrega de matèries primeres Minerals de ferro, coc i fundent de carbonat càlcic. 1 Reducció a l'alt forn Generació de CO reductor i fusió dels components. 2 Separació de fases Escòria superficial de silicat i fosa de primera fusió.

3 Afinament en convertidor Reducció de carboni i eliminació de sofre i fòsfor. 4 Obtenció de l'acer Aliatge apte per a la conformació industrial i estructural. 5 Apunts de Química de Materials: Fases, Acers i Corrosió 30 COMPROVA-HO 43 Quina reacció bàsica permet la formació de l'escòria a l'alt forn i quina és la seva funció pràctica? Classificació dels Aliatges Fèrrics i Acers La quantitat de carboni dissolt determina la divisió convencional dels materials ferrosos en tres grans famílies: 1. Ferro dolç: Contingut de carboni inferior al 0,008 %.

Presenta una gran ductilitat, excel·lent soldabilitat i bona aptitud per a transformadors elèctrics o electroimants, però pateix una gran vulnerabilitat a l'oxidació. 2. Acers: Contingut de carboni comprès entre el 0,008 % i el 2,11 % (límit màxim de saturació de carboni en austenita, per a la descripció del diagrama d'equilibri, vegeu «El Diagrama de Fases Fe- Fe3C i Microestructures d'Acers»). 3. Foses: Aliatges amb un contingut de carboni superior al 2,11 %. Diagrama de la influència del percentatge de carboni en les propietats mecàniques.

A mesura que s'incrementa el percentatge de carboni en l'acer, augmenten directament el límit elàstic, la resistència a la tracció, la resistència al trencament i la duresa. En canvi, disminueixen l'estricció, l'allargament a la fractura, la ductilitat i la soldabilitat. Grup d'Acer Percentatge de Carboni (% C) Propietats Mecàniques Principals Aplicacions Característiques Baix contingut de carboni < 0,25 % C Tou, de baixa resistència mecànica, però molt dúctil, deformable i fàcilment soldable. Armadures per a formigó armat, perfils per a estructures d'edificació i ponts.

Mitjà contingut de carboni 0,25 % – 0,6 % C Duresa i resistència moderades; manté bona ductilitat tot i requerir precaucions en soldar. Rodes i carrils de ferrocarril, engranatges i elements de transmissió. Alt contingut de carboni 0,6 % – 1,2 % C Molt dur i resistent, però fràgil, poc resilient i de soldadura molt complexa. Eines de tall, fulles de serra, ganivets i molles industrials.

Apunts de Química de Materials: Fases, Acers i Corrosió 31 Atesa la concentració d'elements d'aliatge addicionals (com manganès, níquel, crom o molibdè), els acers es classifiquen en acers de baixa aliatge (quan la suma d'altres elements és inferior al 5 % en pes) i acers d'alta aliatge (quan superen el 5 % en pes). Dins dels acers d'alta aliatge destaquen els acers inoxidables, que incorporen com a mínim un 12 % de crom i poden incloure entre un 7 % i un 12 % de níquel, oferint una resistència extraordinària davant la corrosió. ERROR FREQÜENT És habitual confondre la frontera d'aliatge amb la del contingut de carboni.

El llindar del 5 % separa els acers de baixa i alta aliatge segons els elements afegits (Cr, Ni, etc.), mentre que el límit màxim teòric de carboni per considerar un aliatge com a acer és del 2,11 %. Tipologies i Microestructures de les Foses Les foses tenen entre un 2,11 % i un 4,5 % de carboni. Fonen a temperatures significativament inferiors a les de l'acer (entre 1150 °C i 1300 °C), fet que els atorga una excel·lent colabilitat i facilitat d'emmotllament. No obstant això, són materials que en general no admeten soldadura convencional. Tipus de Fosa Estat del Carboni i Composició Propietats Mecàniques Destacades Aplicacions Principals Fosa blanca Carboni en forma de cementita ( ).

Entre 2,3 % i 3 % de C. Extremadament dura, resistent al desgast per abrasió, però molt fràgil. Boles de molí, corrons de trituració, mandíbules de trituradores i com a base per a la fosa mal·leable. Fosa grisa laminar Grafit lliure disposat en làmines o escates. 2,5 % – 4 % de C i 1 % – 3 % de Si. Molt resistent a la compressió i al desgast; excel·lent capacitat d'esmorteïment de vibracions. Fràgil a la tracció. Bancades de maquinària pesant, blocs de motors i equips exposats a vibracions intenses. Fosa dúctil (esferoidal) Grafit en forma d'esferoides per addició de petites quantitats de magnesi a la fosa líquida.

Major resistència a la tracció i ductilitat substancialment més alta que la fosa laminar. Vàlvules de xarxes de fluid, pistons, cigonyals i elements mecànics d'automoció. Fosa mal·leable Grafit en forma de nòduls irregulars obtinguts per tractament tèrmic de la fosa blanca a 800-900 °C. Alta resistència mecànica combinada amb notable mal·leabilitat i tenacitat. Tubs i caixes de direcció, engranatges de transmissió i accessoris de canonada. COMPROVA-HO 44 Per quina raó la fosa dúctil resisteix millor els esforços de tracció que la fosa grisa laminar?

Fe C 3 Apunts de Química de Materials: Fases, Acers i Corrosió 32 Comportament dels Metalls com a Materials Estructurals La utilització generalitzada dels materials metàl·lics en l'enginyeria civil i mecànica respon a un equilibri entre els seus punts forts i les limitacions que cal preveure en el disseny: Avantatges: Abundància dels minerals a l'escorça terrestre, processos de manufactura industrials econòmicament competitius, relació resistència/pes molt favorable i gran versatilitat estructural per adaptar-se a condicions de càrrega complexes.

Inconvenients: Vulnerabilitat a la corrosió mediambiental, susceptibilitat a la fallida per fatiga sota esforços cíclics repetits, marcada caiguda del límit elàstic a temperatures elevades (baixa resistència al foc) i risc de col·lapse per pandeig. El pandeig consisteix en una flexió lateral addicional que pateix un pilar o peça esvelta sotmesa a compressió axial, reduint severament la capacitat de càrrega de l'element. IDEES CLAU L'enllaç metàl·lic i el seu núvol d'electrons deslocalitzats proporcionen una alta conductivitat elèctrica i tèrmica, ductilitat i mal·leabilitat.

El procés siderúrgic utilitza mineral de ferro, coc i fundents a l'alt forn per obtenir fosa de primera fusió ( ), que després s'afina. L'addició de carboni a l'acer augmenta la duresa i la resistència mecànica, però redueix la ductilitat, l'allargament i la soldabilitat. Els acers inoxidables requereixen un mínim del 12 % de crom en pes per establir una resistència adequada a la corrosió. La morfologia del grafit (laminar, esferoidal o nodular) o de la cementita determina les propietats mecàniques de les diferents foses. COMPROVA EL QUE HAS APRÈS 45. Quin paper químic i físic té el carbonat de calci a l'alt forn? 46.

En què es diferencia el contingut de carboni i el procés d'obtenció entre la fosa blanca i la fosa mal·leable? 47. Per què un pilar d'acer esvelt sota compressió pot fallar abans d'arribar a la seva resistència màxima del material? Test Encercla la resposta correcta. Les solucions són al final. 48. Quin és el contingut màxim de carboni per classificar un aliatge fèrric com a acer? C > 4% 4,50 % de carboni a) 0,25 % de carboni b) 2,11 % de carboni c) 0,008 % de carboni d) Apunts de Química de Materials: Fases, Acers i Corrosió 33 49. Quin element s'afegeix al bany fos per obtenir fosa dúctil amb grafit esferoidal? 50.

Quin percentatge mínim de crom és necessari per classificar un acer com a inoxidable? 51. Com influeix l'augment del percentatge de carboni en el comportament mecànic de l'acer? 6 Electroquímica i Mecanismes de Corrosió Metàl·lica EN ACABAR SABRÀS Distingir les semireaccions d'oxidació i reducció identificant els seus elèctrodes associats. Calcular la força electromotriu estàndard d'una parella galvànica a partir dels seus potencials de reducció. Formular l'equació de Nernst a 25 °C identificant correctament les espècies actives en el quocient de reacció.

PENSA-HI ABANS DE LLEGIR 52 Per què dos metalls units físicament es degraden més ràpidament en presència d'humitat que cadascun per separat? La degradació dels aliatges metàl·lics en servei té un origen fonamentalment termodinàmic. La majoria dels metalls purs es troben en un estat energètic inestable respecte al seu entorn i manifesten una tendència espontània a retornar a configuracions combinades de menor energia lliure.

Sofre a) Magnesi b) Calci c) Crom d) 0,6 % a) 5,0 % b) 12,0 % c) 7,0 % d) Millora la soldabilitat i redueix el límit elàstic a) Augmenta la resistència i disminueix la ductilitat b) Augmenta la ductilitat i baixa la duresa c) Augmenta l'allargament i la duresa alhora d) Apunts de Química de Materials: Fases, Acers i Corrosió 34 ESQUEMA Estructura de l'Electroquímica i Corrosió Metàl·lica Fonaments Redox i Concepte de Corrosió La corrosió metàl·lica és la deterioració d'un metall causada per una reacció electroquímica espontània amb el medi adjacent. En aquest procés, els àtoms metàl·lics transfereixen electrons cap a espècies receptores de l'entorn.

DEFINICIÓ L'estat elemental correspon a la forma d'un element químic no combinat i sense càrrega neta, al qual s'assigna un nombre d'oxidació igual a zero (com per exemple o ). L'estat d'oxidació quantifica el nombre d'electrons cedits o guanyats per un àtom en una unió química respecte al seu estat neutre. Un mateix element químic pot exhibir diversos estats d'oxidació segons la naturalesa del compost que constitueix: En el sulfur de ferro (FeS), el ferro es troba com a catió amb càrrega +2. En l'òxid de ferro(III) ( ), el ferro assoleix l'estat +3. En el clorur d'hidrogen (HCl), el clor presenta un nombre d'oxidació de -1.

En l'àcid perclòric ( ), el clor arriba al seu màxim estat d'oxidació de +7. Tota transformació d'aquest tipus s'articula mitjançant un parell de semireaccions acoblades que operen de manera simultània: Oxidació: Procés en què una espècie química perd electrons i incrementa el seu nombre d'oxidació. L'espècie que s'oxida actua com a agent reductor, ja que transfereix càrregues negatives a un altre compost. Reducció: Procés en el qual una espècie capta electrons i redueix el seu nombre d'oxidació. L'espècie que es redueix actua com a agent oxidant.

Processos Redox Transferència d'electrons i estats d'oxidació Oxidació i Reducció Semireaccions anòdiques i catòdiques Cel·les Electroquímiques Piles galvàniques i electròlisi Components de Cel·la Ànode, càtode i funció del pont salí Termodinàmica i Nernst Potencials estàndard i efecte concentració Potencials E° Espontaneïtat i diferència de potencial estàndard Correcció de Nernst Comportament amb espècies aquoses no estàndard Zn0 Fe0 Fe O 2 3 HClO 4 Apunts de Química de Materials: Fases, Acers i Corrosió 35 Esquema del balanç d'estats d'oxidació en una reacció redox.

La interacció redox global es manifesta habitualment en tres contextos principals de contacte: parells metall-metall, sistemes metall-oxigen o atacs en medis àcids (metall-àcid). COMPROVA-HO 53 Què passa amb l'estat d'oxidació d'un metall quan pateix un procés de corrosió activa?

Cel·les Electroquímiques i Notació Canònica Segons el sentit de la transferència energètica, els dispositius electroquímics es classifiquen en dues categories termodinàmiques oposades: Tipus de Cel·la Conversió Energètica Espontaneïtat Funció Operativa Pila electroquímica (galvànica) Energia química a energia elèctrica Espontània ( , ) Genera corrent elèctric de manera autònoma Cel·la electrolítica (electròlisi) Energia elèctrica a energia química No espontània ( , ) Provoca la separació química mitjançant corrent aplicat externament En tota cel·la electroquímica galvànica es distingeixen tres components fonamentals: PER RECORDAR-HO En estructures reals de construcció, la matriu porosa humida del formigó actua de manera equivalent a un pont salí: permet el flux d'ions entre zones amb desequilibri de càrrega i afavoreix el tancament del circuit de corrosió galvànica de les armadures d'acer.

ΔG < 0 ΔE > 0 ΔG > 0 ΔE < 0 Ànode: Elèctrode polaritzat negativament on ocorre sempre la semireacció d'oxidació (sortida d'electrons cap al circuit extern). 1 Càtode: Elèctrode polaritzat positivament on té lloc la semireacció de reducció (arribada d'electrons procedents del circuit). 2 Pont salí: Dispositiu o medi electròlit que tanca el circuit elèctric intern mitjançant la migració controlada d'anions i cations, evitant l'acumulació de càrregues netes a les cubetes.

3 Apunts de Química de Materials: Fases, Acers i Corrosió 36 Per descriure aquests sistemes s'empra la notació estàndard de línies, ordenant d'esquerra a dreta l'ànode i el càtode, separats per una doble barra vertical ( ) que simbolitza la unió electrolítica o pont salí: Per exemple, la representació d'un sistema format per zinc i coure s'escriu: En aquesta ordenació, la posició de les càrregues reflecteix el flux químic: a l'esquerra, el zinc metàl·lic ( ) s'oxida cap a a l'ànode; a la dreta, el coure oxidat ( ) es redueix cap a coure neutre ( ) al càtode. COMPROVA-HO 54 Quina funció fa la xarxa de porus saturada d'aigua en un formigó armat degradat?

Potencials Estàndard d'Elèctrode i Espontaneïtat L'avaluació de la tendència a intercanviar electrons s'estandarditza fixant com a marc de referència unes condicions estàndard rigoroses: pressió baromètrica d'1 atm, temperatura de referència de (298 K) i concentracions en fase aquosa de 1 M ( ). Convencionalment, es tabulen exclusivament els potencials estàndard de reducció ( ). Com que el potencial d'oxidació és exactament el mateix valor canviat de signe, l'ús uniforme de l'escala de reducció evita duplicacions: Criteri de selecció del sentit redox segons el potencial estàndard.

El criteri de selecció entre dos parells redox confrontats és unívoc: L'espècie amb el potencial de reducció més alt (més positiu) té major afinitat pels electrons i experimenta obligatòriament la reducció (càtode). L'espècie amb el potencial de reducció més baix (més negatiu) s'oxida de manera forçada (ànode). Si ambdós potencials són negatius, es redueix aquell que estigui més proper a zero, mentre que el més negatiu patirà l'oxidació. La força electromotriu estàndard ( ) de la cel·la es quantifica mitjançant la diferència directa: // node (oxidaci ) // C tode (reducci ) A ˋ o ˊ a ˋ o ˊ Zn /Zn // Cu /Cu (s)…