12. Aleaciones Metalicas (v2)

Un i versidad de Ant ofagasta, of agasta, Facul Facu l tad de In genier ía. Departam Depar tamento ento de In genierí genier ía M ecá ni ca

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ALEACIONES METALICAS 12.1 INTRODUCCIÓN Para terminar el tema de los tratamientos de los materiales metálicos es oportuno hacer algunas consideraciones sobre las composiciones, las propiedades, las aplicaciones y las técnicas de conformación de las aleaciones más importantes en ingeniería. En este capítulo se recuerdan algunos conceptos y fenómenos ya tratados, como propiedades mecánicas, diagramas de fases y varios mecanismos para aumentar la resistencia. Las aleaciones metálicas se suelen agrupar en función de la composición en férreas y no férreas. Las aleaciones férreas, cuyo principal componente es el hierro, incluyen aceros y fundiciones, mientras que al final del capítulo se tratan las aleaciones no férreas, que no contienen hierro. Muchas veces el problema que se plantea es la selección de un material con una correcta combinación de características para una aplicación específica. Por lo tanto, las personas implicadas en la selección de materiales deben conocer las opciones disponibles. La exposición extremadamente abreviada que aquí se hace proporciona una visión general de las propiedades y limitaciones de algunas aleaciones comerciales.

ALEACIONES FÉRREAS Las aleaciones férreas, cuyo principal com pon ente es , son las que más se es el hierro hierro producen y las que tienen mayor interés como material para la construcción de aparatos. Este uso generalizado se debe a tres factores: (1)

En la corteza de la tierra abundan los compuestos de hierro.

(2)

Los aceros se fabrican mediante técnicas de extracción, afino, aleación y conformación relativamente económicas

(3)

Las aleaciones férreas son extremadamente versátiles, versátiles, ya ya que se pueden adaptar para que tengan una gran variedad de propiedades físicas y mecánicas.

El principal inconveniente de las aleaciones férreas es la susceptibilidad a la corrosión. En este capítulo se discuten las composiciones, microestructuras y propiedades de diferentes tipos de aceros y fundiciones. En la Figura 12.1 se da una clasificación de las aleaciones férreas.

Ciencia de los M aterial es. es. Al eaciones metáli cas

Prof . Dr . H er man Ochoa M .

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Un i versidad de Ant ofagasta, of agasta, Facul Facu l tad de In genier ía. Departam Depar tamento ento de In genierí genier ía M ecá ni ca

Figura 12.3. Clasificación de varias aleaciones férreas. 12.5. ACEROS Los aceros son aleaciones hierro-carbono con concentraciones apreciables de otros elementos aleantes. Existen miles de aceros que tienen distintas composiciones y/o tratamientos térmicos. Las propiedades mecánicas dependen del contenido en carbono, que suele ser inferior al 1%. Los aceros más comunes se clasifican según según el contenido en carbono: (1). (2). (3).

Bajo carbono Medio carbono Alto carbono.

Además, en cada grupo existen subclases subclases de acuerdo con la concentración concentración de otros elementos de aleación. Los “aceros al carbon carbon o sólo con tienen tienen concentraciones residuales de impurezas distintas al carbono . En los “aceros aleados , los elementos de aleación se añaden intencionadamente en concentraciones es p ec ífi c as . ” ”

” ”

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Un iversidad de Ant ofagasta, Facultad de In genier ía. Departamento de In geniería M ecá ni ca

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12.5.1 Aceros bajos en carbono La mayor parte de todo el acero fabricado es bajo en carbono. Este tipo de acero c o n t i en e m e n o s del 0,25%C, “no responde al tratamiento térmico para f o r m a r martensita y es endurecible por acritud . ”

La microestructura consiste en ferrita y perlita. Como consecuencia, estos aceros son relativamente blandos y poco resistentes, pero con extraordinaria ductilidad y tenacidad; además, son de fácil mecanizado, soldables y baratos. Estos aceros suelen tener un lím it e el ás tic o de 275 MPa, una resistencia a la tracción comprendida entre 415 y 550 MPA y una ductilidad del 25% EL.

Se utilizan para fabricar carrocerías de automóviles, vigas (en forma de I, canales y ángulos) y láminas para construir tuberías, edificios, puentes y latas estañadas. Las Tablas 12.1a y 12.1b indican las composiciones y las propiedades mecánicas de varios aceros bajos en carbono, respectivamente.

Tabla 12.1a. Composición de cinco aceros bajos en carbono y tres aceros de baja aleación y baja resistencia.

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Tabla 12.1b. Características mecánicas de material laminado en caliente y aplicaciones típicas de aceros de bajos en carbono y aceros de alta resistencia y alta aleación.

Otro grupo de aceros bajos en carbono está constituido por los aceros de alta (HSLA ), que contienen elementos de aleación como : resistenc ia y baja aleación 1. 2. 3. 4.

Cobre Vanadio Níquel Molibdeno

en concentraciones combinadas de aproximadamente el 10% en peso y poseen mucho mayor resistencia mecánica que los aceros bajos en carbono. Se aumenta la resistencia por tratamiento térmico y el límite elástico excede de 480 MPa; además son dúctiles, hechurables y mecanizables, en la Tabla 12.1 se han listado algunos. En el ambiente atmosférico, los aceros HSLA son más resistentes a la corrosión que los aceros al carbono , a los que suelen reemplazar en muchas aplicaciones donde la resistencia mecánica es crítica: puentes, torres, columnas de soporte de altos edificios y recipientes a presión.

12.5.2 Aceros medios en carbono Los aceros medios en carbon o tienen porcentajes en carbono c o m p r e n d i d o s entre 0,25 y 0,6%. Estos aceros pueden ser tr atad os té mediante austenización, temple y rm ica m en te revenido para mejorar sus propiedades mecánicas.




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Se suelen utilizar en la condición de revenidos, con microestructura de martensita revenida. Se trata de aceros de baja templabilidad, sólo tratables en piezas de delgada sección y velocidades de temple muy rápidas. Las adiciones de c r o m o , n íq u el y m o l i b d e n o mejoran la capacidad de estas aleaciones para ser tratados térmicamente, generando así gran variedad. de combinaciones resistencia-ductilidad. Estos acer os t rat ado s té son más resistentes que los aceros bajos en rm ica m en te carbono, pero menos dúctiles y tenaces. Se utilizan para fabricar ruedas y rieles de trenes, engranajes, cigüeñales y otros componentes estructurales que necesitan alta resistencia mecánica, resistencia al desgaste y tenacidad. En la Tabla 12.2a se presentan las composiciones de varios aceros con contenido medio en carbono, cuyo esquema de designación son: (SAE)

La “Society of Automotive Engineers”

(AISI)

El “American Iron and Steel Institute”

(ASTM)

La “ American Society for Testing and Ma terials”

Los cuales son los responsables de la clasificación y de la especificación de los aceros y de sus aleaciones. La designación AISI/SAE de los aceros consta de cuatro cifras: los dos primeros dígitos indican el contenido en aleantes y los dos últimos la concentración de carbono. Las dos primeras cifras de aceros al carbono son 1 y 0; mientras que las de los aceros aleados son, por ejemplo 13, 41, 43. Las cifras tercera y cuarta representan el porcentaje en carbono multiplicado por 100; por ejemplo, un acero 1060 significa un acero al carbono con 0,60% C . Con el fin de uniformar las aleaciones férreas y no férreas se utiliza el sistema numérico uniformado ( UNS), que consiste en una letra, como prefijo, seguida de un número de cinco cifras. La letra indica la familia metálica a que pertenece la aleación. La designación UNS de estos aceros empieza con una G seguida por el número AISI/SAE; el quinto dígito es un cero. La Tabla 12.2b contiene las características mecánicas y las aplicaciones típicas de estos aceros, después de templados y revenidos.

Tabla 12.2a. Sistemas de designación AISI/SAE y UNS y tramos de composición para aceros al carbono y aceros de baja aleación.




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12.5.3 Aceros altos en carbono Los aceros altos e n c a r b o n o normalmente contienen entre 0,60 y 1,4% C y son más duros, resistentes y aún menos dúctiles que los otros aceros al carbono. Casi siempre se utilizan en la condición templada y revenida, en la cual son especialmente resistentes al desgaste y capaces de adquirir la forma de herramienta de corte. Las herramientas y las matrices se fabrican con aceros aleados altos en carbono que contienen, generalmente, cromo, vanadio, tungsteno y molibdeno. Estos elementos de aleación se combinan con el carbono para formar c a r b u r o s muy duros y resistentes al desgaste: por ejemplo, Cr V y WC. En la Tabla 3 están listados algunos aceros de herramienta y sus composiciones. Estos aceros se utilizan como herramientas de corte y matrices para hechurar materiales, así como cuchillos, navajas, hojas de sierra, muelles e hilos de alta resistencia.

12.5.4 Aceros inoxidables Los aceros inoxidables resisten la corrosión (herrumbre) en muchos ambientes, especialmente en la atmósfera. El c r o m o es el principal elemento de aleación, en una del 11%. La resistenc ia a la corro sión mejora con adiciones co nc entr ación m ínim a de níquel y molibdeno. Las adiciones de los elementos de aleación en concentraciones significativas producen variadas alteraciones en el diagrama de fases hierro-carburo de hierro. Los aceros inox idables se clasifican en función de la micro estructura constituyente: 1. Martensítica Ciencia de los M aterial es. Al eaciones metáli cas



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2. Ferrítica 3. Austenítica. 4. Duplex 5. Precipitado En la Tabla 12.4 figuran las composiciones químicas. Las propiedades mecánicas y las aplicaciones de cuatro clases de aceros inoxidables. La amplia gama de propiedades mecánicas combinadas con la excelente resistencia a la corrosión hacen que este tipo de acero sea muy versátil.

Tabla 12.2b. Aplicaciones típicas e intervalo de propiedades mecánicas de aceros al carbono y templados en aceite y revenidos.

Tabla 12.3. Designaciones, composiciones y aplicaciones de seis aceros de herramientas.



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Tabla 12.4. Designaciones, composiciones, propiedades mecánicas y aplicaciones típicas para los aceros inoxidables ferríticos, austeníticos, martensíticos y endurecidos por precipitación.

El tr ata m ien to t é rm ic o de los acero s m artens ític os genera martensita como principal constituyente. En los aceros ino xid ables aus tenítico s , la austenita (fase ) permanece estable a temperatura ambiente. Los aceros ino xid ables ferr ítico s están constituidos por la fase ferrita a (BCC). Los aceros inoxidables austeníticos y ferríticos endurecen por acritud , ya que no son susceptibles al temple . “

”

Los aceros inoxidables son los más resistentes a la co rro sión debido al elevado contenido en cromo y a las adiciones de níquel y, por este motivo, también son los más utilizados. Ciencia de los M aterial es. Al eaciones metáli cas



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Los aceros inoxidables martensíticos y ferríticos tienen co m po rtam iento m agn é tico y los inoxidables austeníticos “no . ”

Algunos aceros inoxidables se utilizan en ambientes rigurosos a elevadas temperaturas debido a su resistencia a la oxidación y a la integridad mecánica en estas condiciones; en atmósferas oxidantes hasta 1000°C. Las turbinas de gas, generadores de vapor, hornos de tratamiento térmico, aviones, misiles y generadores de energía nuclear están construidos con estos aceros inoxidables. La Tabla 12.4 también incluye aceros inoxidables de muy alta resistencia mecánica y a la corrosión, endurecidos por precipitación mediante tratamiento térmico.

Figura 12.4. El verdadero diagrama de fases hierro-carbono con grafito en lugar de la cementita como fase estable.

12.6. FUNDICIÓN Genéricamente, las fundiciones se clasifican como aleaciones férreas con un contenido en carbono s u p e r i o r al 2,1%; sin embargo, en la práctica, la m ay o ría de las fundiciones contienen entre 3 y 4,5% C y otros elementos de adición. La observación del diagrama de fases hierro-carburo de hierro revela que las aleaciones comprendidas en este tramo de composiciones funden a temperaturas incluidas entre 1150 y 1300°C, considerablemente más bajas que los aceros. Por este motivo las f u n d i c i o n e s f u n d e n . Además, algunas fundiciones son frágiles y el moldeo es y se mo ldean con facilidad la técnica de conformación más conveniente. Ciencia de los M aterial es. Al eaciones metáli cas



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La cementita es un compuesto metaestable y, en algunas circunstancias, se disocia a dos componentes en ferrita y grafito, de acuerdo con la reacción 12.1 Fe3C  3 Fe   C  grafito 

La tendencia a la grafitización (formación de grafito ) se regula mediante la composición y la velocidad de enfriamiento. La presencia de silicio, en porcentajes superiores al 1%, facilitan la grafitización, al igual que la velocidad más lenta de enfriamiento durante la solidificación. En la mayoría de las fundiciones el carbono aparece corno grafito y la microestructura y las propiedades mecánicas dependen de la composición y del tratamiento térmico. Los tipos más comunes de fundiciones son: 1. 2. 3. 4.

Fundición gris Fundición esferoidal Fundición blanca Fundición maleable.

12.6.1 Fundición gris Los contenidos de carbono y de silicio de la fundición gris varían entre 2,5 a 4,0 y 1,0 a 3,0%, respectivamente. En la mayoría de las fundiciones grises el grafito aparece como escamas o láminas, dentro de una matriz de ferrita o de perlita; la microestructura de una fundición gris típica se reproduce en la Figura 12.5a. El nombre fundición gris procede del “color de la superficie fracturada, el cual se debe a la presencia de estas escamas.

”

Mecánicamente las fundiciones grises son, a consecuencia de su microestructura, comparativamente frágiles y “poco” resistentes a la tracción; pues las lám in as d e grafito actúan como puntos de concentración de tensiones al aplicar un esfuerzo de tracción exterior. La resistencia y la ductilidad a lo esfuerzos de compresión son muy , superiores En la Tabla 12.5 se han listado las composiciones y !as propiedades mecánicas de las fundiciones grises más comunes. Las fundiciones grises presentan algunas propiedades muy características y útiles, como por ejemplo la efectividad en el amo rtigu amiento de la energ ía vibr acional , que se representa y compara con la del acero en la Figura 12.6. Las bancadas para máquina y equipos que vibran se suelen construir de fundición. Además, la fundición gris tiene alta resistencia al desgaste. Por otro lado, a la temperatura de colada, tienen, , lo que permite moldear piezas de formas intrincadas y también elevada fluidez presentan poca contracción. Finalmente, la fundición gris es u no d e los materiales m etáli co s m ás b ara to s .




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Modificando la composición y/o aplicando tratamientos térmicos se obtienen microestructuras distintas de las registradas en la Figura 12.5a. Por ejemplo, disminuyendo el contenido en silicio o aumentando la velocidad de enfriamiento se previene la completa diso ciación de la austenita a grafito ( Ecuación 12.1). En estas condiciones, la microestructura consiste en escamas de grafito embebidas en una matriz p er líti c a . La Figura 12.7 compara esquemáticanientc las microestructuras de varias fundiciones grises obtenidas variando la composición y el tratamiento térmico.

Figura 12.5. Fotomicrografías ópticas de varias fundiciones. (a) Fundición gris : las escamas de grafito oscuras están embebidas en una matriz ferrítica a. x 500. (b) ): los esferoides oscuros de grafito están embebidos en Fund ición d úctil (esferoidal una matriz ferrítica α. x 200. (c) Fundición blanca : las regiones claras de cementita están rodeadas por perlita, estructura laminar de ferrita y cementita. x 400. (d) : grafito oscuro en forma de rosetas (deposición del carbono) Fundición m aleable rodeadas de una matriz ferrít ica α. x 150. Ciencia de los M aterial es. Al eaciones metáli cas



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Tabla 12.5. Designaciones, propiedades mecánicas mínimas, composiciones aproximadas y aplicaciones típicas de varias fundiciones grises, dúctiles y maleables .




Figura 12.6.

Comparación de las capacidades relativas vibracional de (a) acero y (b) fundición gris.

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de amortiguamiento

Figura 12.7. Tramo correspondiente a las composiciones de las fundiciones industriales del diagrama de fases hierro-carbono. Se muestran también las microestructuras que resultan de varios tratamientos térmicos. G f , escamas de grafito; G r rosetas de grafito; Gn esferoides de grafito; P perlita; , ferrita.

12.6.2 Fundición dúctil (o esferoidal) Adiciones de pequeñas cantidades de magnesio y/o cerio a la fundición gris en estado líquido producen diferentes microestructuras, en las que el grafito en lugar de escamas forma esferoides, que originan distintas propiedades mecánicas. De este modo resulta la fundición dúctil o esferoidal, cuya microestructura típica se muestra en la Figura 12.5b. La matriz que rodea a los esferoides de grafito es ferrita o perlita, dependiendo Ciencia de los M aterial es. Al eaciones metáli cas



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del tratamiento térmico ( Figura 12.7); en la pieza sólo moldeada es perlita, sin embargo, un calentamiento a 700°C durante varias horas la transforma en ferrita, como se indica en esta figura. La fundición dúctil es más resistente y más dúctil que la gris de grafito laminar, como indican las propiedades mecánicas de la Tabla 12.5. La fundición dúctil tiene propiedades mecánicas parecidas a las del acero. Por ejemplo, la fundición dúctil ferrítica tiene una resistencia a la tracción comprendida entre 380 y 480 MPa y una ductilidad del 10 al 20%. Este material se utiliza para fabricar válvulas, cuerpos de bombas, cigüeñales, pistones y otros componentes del automóvil y de maquinaria.

12.6.3 Fundición blanca y fundición maleable En las fundiciones bajas en carbono (que contenga menos del 1,0% Si) a elevadas velocidades de enfriamiento, la mayoría del carbono aparece como cementita en lugar de grafito, como indica la Figura 12.7. La superficie de la rotura de esta aleación tiene una tonalidad blanca y se denomina fundición blanca. En la Figura 12.5c se reproduce una fotomicrografía de la microestructura de la fundición blanca. Las secciones gruesas pueden tener una sola capa superficial de f undición blanca que se ha “enfriado” durante el moldeo; en el interior, donde la velocidad de enfriamiento es más lenta, se forma fundición gris. A consecuencia de la gran cantidad de fase cementita, la fundición blanca es extremadamente dura y muy frágil, hasta el punto de ser inmecanizable. Su aplicación se limita a componentes de gran dureza y resistencia al desgaste y sin ductilidad, como por ejemplo los cilindros de los trenes de laminación. Generalmente la fundición blanca se obtiene como producto de partida para fabricar fundición maleable. Calentando la fundición blanca a temperaturas comprendidas entre 800 y 900°C durante períodos prolongados de tiempo en atmósfera neutra (para prevenir la oxidación), la cementita se descompone y forma grafito en forma de racimos o rosetas dentro de una matriz ferrítica o perlítica. La estructura de la matriz depende de la velocidad de enfriamiento, como indica la Figura 12.7. La Figura 12.5d reproduce una fotomicrografía de la fundición maleable: la microestructura es similar a la de la fundición esferoidal ( Figura 12.5b) y origina resistencia relativamente alta y apreciable ductilidad o maleabilidad. En la Tabla 12.5 se han listado algunas características mecánicas típicas. Sus aplicaciones más representativas son tubos de dirección, engranajes de transmisión y cajas de diferencial para la industria automovilística, rebordes, muelles tabulares y partes de válvulas para ferrocarriles, marina y otros servicios.

ALEACIONES NO FÉRREAS El acero y otras aleaciones férreas se consumen en cantidades excesivamente grandes debido a la diversidad de propiedades mecánicas, a la facilidad de fabricación y a la economía de producción. Sin embargo, los principales inconvenientes son: (1) densidad relativamente elevada, (2) co nd uc tivi dad elé ctr ica co m par ativam ente y (3) susc eptibilidad a la corrosión en medio s muy c om unes . Por este motivo, baja para muchas aplicaciones es corriente utilizar otros metales con una combinación más Ciencia de los M aterial es. Al eaciones metáli cas



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apropiada de propiedades. Las aleaciones se clasifican según el componente mayoritario o según las características específicas del grupo de aleaciones. En este capítulo se discuten los siguientes metales y aleaciones: aleaciones de cobre, aluminio, magnesio y titanio, metales refractarios, superaleaciones, metales nobles y aleaciones que incluyen níquel, plomo, estaño y zinc como metales base. En ocasiones se distinguen las aleaciones mo ldeadas y las aleaciones hechuradas . Las aleaciones frágiles no se deforman suficientemente y sólo se conforman por moldeo: se clasifican como aleaciones moldeadas. En cambio, las que soportan las deformaciones plásticas se denominan aleaciones hechuradas . También se suele especificar el tratamiento térmico aplicable a la aleación mencionada. Las aleaciones designadas “ tratables térmicamente” mejoran la resistencia mecánica por endurecimiento por precipitación o transformación martensítica, que implican de tratamientos térmicos específicos.

12.7 El COBRE Y SUS ALEACIONES El cobre y las aleaciones basadas en el cobre poseen combinaciones de propiedades físicas convenientes y se utilizan en gran variedad de aplicaciones desde la antigüedad. El cobr e sin alear es tan bland o y d úctil que es d if íc il m ec an izar y tiene una . Además, resiste muy bien la cap acid ad cas i ilim itada de s er trab ajado en f río corrosión en la mayoría de los medios, incluidos la atmósfera, el agua de mar y algunas industrias químicas. Las resistencias mecánica y a la corrosión del cobre mejoran por aleación. La mayoría de las aleaciones de cobre no endurecen por tratamiento térmico y, por este motivo, esta propiedad mecánica se mejoran mediante acritud y f o rmación . de di so luciones sólidas La aleación de cobre más común es el latón , donde el zinc actúa de soluto como principal elemento de aleación. Observando el diagrama de fases cobre-zinc ( Figura 9.15), la fase  es estable a concentraciones de un  35% Zn. Esta fase tiene estructura cristalina FCC y los latones α son relativamente blandos, dúctiles y fáciles de hechurar en frío. Los latones con mayor concentración de zinc contienen las fases  y ` a temperatura ambiente. La fase ` posee una estructura cristalina BCC ordenada y es más dura y resistente que la fase , por consiguiente las aleaciones  +  se suelen hechurar en caliente. El latón n aval , el latón de car tu ch ería , el metal Muntz y el metal dorado son algunos de los latones más comunes de color amarillo . En la Tabla 12.6 se dan las composiciones, propiedades y principales usos de estos latones: bisutería, municiones, radiadores de automóvil, instrumentos musicales y monedas. Los b r o n c e s son aleaciones de co br e co n es tañ o, alu m in io , silic io y n íqu el . Estas aleaciones so n m ás r esis tent es que los latones y tienen gran resistencia a la corrosión. La Tabla 12.6 contiene varias aleaciones de bronce, su composición, propiedades y aplicaciones Generalmente se aplican cuando se requiere elevada resistencia a la corrosión y buena resistencia a la tracción. Ciencia de los M aterial es. Al eaciones metáli cas



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Los cob res al berilio constituyen una generación reciente de aleaciones de cobre de alta resistencia. Se moldean y se hechuran en caliente y en frío y poseen una notable combinación de propiedades: resistencia a la tracción (1400 MPa), excelentes propiedades eléctricas y resistencias a la corrosión y al desgaste en presencia de lubricantes. La elevada resistencia se consigue por el tratamiento térmico de endurecimiento por precipitación. Se trata de aleaciones caras, ya que contienen entre 1,0 y 2,5%Be. Aplicaciones típicas son cojinetes para turbinas de turborreactores, muelles e instrumentos quirúrgicos y dentales. La aleación C17200 está incluida en la

Tabla 12.6. Tabla 12.6. Composiciones, propiedades mecánicas y aplicaciones típicas de ocho aleaciones de cobre.

12.8 ALUMINIO Y SUS ALEACIONES Densidad : 2,7 g/cm 3 comparada con 7,9 g/cm 3 del acero Estructura: FCC Es dúctil incluso a temperatura ambiente. Temperatura de Fusión : 660ºC es su principal limitación que restringe su campo de aplicación. Elevadas conductividades eléctrica y térmica y resistencia a la corrosión en algunos medios, incluyendo el atmosférico. Muchas de estas aleaciones se hechuran con facilidad debido a la elevada ductilidad; esto es evidente en el aluminio puro, que se puede convertir en papel y enrollar.




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La resis tenc ia mec ánic a del aluminio se logra por acritud y por aleación ; sin embargo, ambos procesos disminuyen la resistencia a la corrosión. Los principales elementos de aleación cobre, magnesio, silicio, manganeso y zinc. Las aleaciones no tratables térmicamente (capaces de endurecer por precipitación) como consecuencia de la aleación. Las aleaciones de aluminio se suelen clasificar en moldeables y en hechurables. Las composiciones de ambos tipos se designan mediante cuatro dígitos que indican los solutos principales y, en algunos casos, el nivel de pureza. En las aleaciones moldeadas se intercala un punto decimal entre las dos últimas cifras. Después de estas cifras hay un espacio y la designación de la disposición: una letra y posiblemente un número de una a tres cifras, que indica el tratamiento mecánico y/o térmico aplicado a la aleación. Por ejemplo,

F: Conformado H: Acritud O: Recocido y luego se ha T3: Tratamiento té rm ico de di so lu ci ón , se ha he ch ur ado en f río (endurecimiento por envejecimiento). envejecido a temperatura ambiente T 6 : Tratamiento térmico de solubilización seguido de un envejecimiento artificial se indica mediante. La Tabla 12.7 contiene composiciones, propiedades y aplicaciones de varias aleaciones de aluminio hechuradas y moldeadas.

Aplicaciones: Partes estructurales de los aviones Latas para bebidas refrescantes Partes de las carrocerías de autobuses y de los automóviles (culatas, pistones y colectores de escape). Actualmente se presta mucha atención a las aleaciones de aluminio y de otros metales de baja densidad (p.ej., Mg y Ti) como materiales utilizados en los transportes, debido al efecto de ahorro de combustible. Una importante característica de estos materiales es la resistencia específica, cuantificada como la relación entre resistencia a la tracción y densidad. Aunque una aleación de estos metales tenga una resistencia a la tracción inferior a la de un material más denso, (p.ej., acero), para un peso determinado puede aguantar una carga mucho mayor.




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Tabla 12.7. Composiciones, propiedades mecánicas y aplicaciones típicas de ochos aleaciones de aluminio comunes.

12.9. MAGNESIO Y SUS ALEACIONES 1. Densidad: 1,7 g/cm 3 la menor de los metales estructurales; por lo tanto, las aleaciones se utilizan por su bajo peso (p.ej., componentes de aviones). 2. Estructura cristalina: HCP 3. Temperatura de fusión: 651°C 4. Módulo elástico: 45 x 10 3 MPa. 5. Es relativamente blanda A temperatura ambiente el magnesio y sus aleaciones se deforman con dificultad; en efecto, sin recocido sólo se puede aplicar un leve hechurado. Por consiguiente, la conformación se realiza por moldeo o por hechurado a temperaturas comprendidas entre 200 y 350 ºC. Químicamente, las aleaciones de magnesio son relativamente inestables y especialmente susceptibles a la corrosión marina y razonablemente resistentes en condiciones atmosféricas. El p o l v o d e m a g n e s io quema fácilmente al calentarlo al aire; por este motivo se debe manipular con cuidado en este estado. Las aleaciones de m agnesio también se clasifican en moldeables y hechurables y algunas son tratables térmicamente. Alum inio, zinc, manganeso y algunas tierras raras son los principales elementos de aleación. La designación composición-disposición utiliza un esquema parecido al de las aleaciones de aluminio. La Tabla 12.8 lista varias de las aleaciones más comunes del Ciencia de los M aterial es. Al eaciones metáli cas



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magnesio, su composición, sus propiedades y sus aplicaciones. Estas aleaciones se usan para fabricar aviones, misiles, maletas y ruedas de automóviles.

Tabla 12.8. Composiciones, propiedades mecánicas y aplicaciones típicas de ochos aleaciones de magnesio comunes.

12.10. TITANIO Y SUS ALEACIONES Densidad : 4,5 g/cm 3 Temperatura de fusión: 1668°C Módulo elástico: 107 x 10 3 MPa. Las aleaciones de titanio son extremadamente resistentes; a temperatura ambiente alcanzan hasta 1400 MPa con una notable resistencia específica. Estas aleaciones son muy dúctiles y fácilmente forjables y mecanizables. La principal limitación del titanio es la reactividad química a elevada temperatura con otros materiales. Debido a esta propiedad, ha sido necesario desarrollar técnicas no convencionales de afino, fusión y moldeo para obtener aleaciones de titanio. A pesar de la reactividad a elevada temperatura, la resistencia a la corrosión de las aleaciones de titanio a temperatura ambiente es extraordinariamente elevada; suelen ser inmunes a ambientes atmosférico, marino y a gran variedad de industriales.




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Aplicación: Estructuras de aviones Vehículos espaciales Industrias petrolíferas y químicas.

Tabla 12.9. Composiciones, propiedades mecánicas y aplicaciones típicas de ochos aleaciones de titanio comunes.

12.11. METALES REFRACTARIOS Los metales con temperaturas de fus ión extremadamente elevadas se clasifican como metales refractarios. En este grupo se incluyen :    

El Niobio (Nb, 2468 º C) El Molibdeno (2620º C) El Tungsteno (W, 3410 º C) El Tántalo (2996 ºC).

El tramo de temperaturas de fusión va desde 2468°C para el niobio a 3410°C para el tungsteno, la temperatura mayor de fusión de un metal. Los enlaces interatómico s de estos metales son extraordinariamente fuertes , lo que se traduce en:   

Temperaturas de fusión elevadas . Un gran módulo elástico. Elevados valores de dureza y de resistencia, a temperaturas ambiente y elevada. Ciencia de los M aterial es. Al eaciones metáli cas



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La aplicación de estos metales es variada. El tán tal o y el m o l i b d e n o se alean en los aceros inoxidables para aumentar la resistencia a la corrosión. se utilizan para fabricar matrices para la extrusión y partes Aleaciones de mo libdeno estructurales de vehículos espaciales; Aleaciones de tungsteno se usan para los filamentos de las bombillas de incandescencia, los tubos de rayos X y los electrodos de soldadura. El tán tal o es inmune al ataque químico en prácticamente todos los ambientes en temperaturas inferiores a 150°C y frecuentemente se aplica cuando interesa un material resistente a tales condiciones de corrosión.

12.12. SUPERALEACIONES Las superaleaciones tienen una superlativa combinación de propiedades. Son los materiales más utilizados en componentes de turbinas especiales, que deben estar expuestas a medios oxidantes , a elevada temperatura y durante períodos de tiempo razonables. En estas condiciones la integridad mecánica es crítica; en este aspecto, la densidad es muy importante, ya que el esfuerzo centrífugo disminuye al hacer girar componentes de baja densidad. Estos materiales se clasifican de acuerdo co n el com pon ente principal de la aleación , que puede ser cobalto, níquel o hierro. Otros elementos incluidos son los metales refractarios ( Nb, Mo, W, Ta), cromo y titanio. Estos materiales, además de las turbinas, encuentran aplicaciones en los reactores nucleares y en equipos petroquímicos.

12.13 METALES NOBLES Los metales n obles o p r e c i o s o s son un grupo de ocho elementos que tienen algunas características físicas comunes.

Son altamente resistentes a la oxidación y a la corrosión (“nobles”), caros (“preciosos”), blandos, dúctiles y resistentes al calor.




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Los metales que forman este grupo son:

1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8.

Platino Oro Plata Paladio Rodio Rutenio Iridio Osmio

Los tres primeros son los más comunes y extensamente usados en joyería. La resistencia de la plata y del oro aumenta aleándolos con cobre, que forma una disolución sólida; la plata esterlina es una aleación plata-cobre (7,5% Cu). Aleaciones de plata y oro se utilizan como materiales de reparación dental Algunos co nt act os elé ct ric os de circuitos impresos son de oro. El platino se emplea para equipos de laboratorio químico, como catalizador (especialmente en la fabricación de gasolina) y para construir termopares destinados a la medida de temperaturas elevadas.

12.14. OTRAS ALEACIONES NO FÉRREAS La discusión precedente abarca la mayoría de las aleaciones no férreas; sin embargo existen otras de muy variadas aplicaciones técnicas, que se exponen a continuación. El n íq u el y sus aleaciones son muy resistentes a la corrosión en la mayoría de los ambientes, especialmente en medio básico (alcalino). El níquel se usa como recubrimientos para prevenir la corrosión de otros metales. El monel es una aleación base níquel que contiene, aproximadamente, 65%Ni y 28%Cu (el resto es hierro) que ofrece gran resistencia mecánica y elevada resistencia a la corrosión; utilizada en la fabricación de bombas, válvulas y otros componentes que deben estar en contacto con disoluciones ácidas o petróleo. Como ya se ha citado, el níquel es un elemento de aleación de los aceros inoxidables y uno de los componentes principales de las superaleaciones. El p lo m o y el es tañ o y sus aleaciones se utilizan como materiales de ingeniería. Son mecánicamente blandos y plásticos Bajo temperatura de fusión Muy resistentes a la corrosión ambiental Tienen temperaturas de recristalización inferiores a la temperatura ambiental. Ciencia de los M aterial es. Al eaciones metáli cas



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Muchas soldaduras son aleaciones de plomo y estaño que tienen puntos de fusión bajos. Las aplicaciones del plomo y sus aleaciones comprenden protección para los rayos X, acumuladores y recubrimientos. La principal aplicación del es tañ o radica en la fabricación de hojalata (latas estañadas) para contener alimentos; este recubrimiento inh ibe las reac cio nes q uím icas entre el acero y los alimentos. El zinc pur o también es un metal relativamente blando, con baja temperatura de fusión y con temperatura de recristalización inferior a la ambiental. Es químicamente reactivo en la mayoría de los ambientes y, por lo tanto, susceptible de corroerse. El acero galvanizado es una lámina de acero al carbono recubierta con una delgada capa de zinc; el zinc es más activo que el hierro y protege al acero. Las aplicaciones típicas del acero galvanizado son: láminas, vallas, puertas, tornillos, etc. Las aleaciones de zinc encuentran aplicación para fabricar candados, partes del automóvil y equipos de oficina.



12. Aleaciones Metalicas (v2)

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