PROCESAMIENTO DE MATERIALES Resumen elaborado de Imágenes tomadas de: Askeland D., The Science and Engineering of Materials, Sixth Edition.
Selección del Pr Proceso oceso
Un proceso de manufactura tiene dos funciones: 1 Conferir una forma, unir o dar un acabado a los materiales. 2 Controlar las propiedades.
La elección del proceso depende depende de los requerimientos de diseño: Material, Material, tamaño, forma, precisión, propiedades. costo
Selección del proceso
Cada familia de procesos tienen atributos, pueden manejar ciertos materiales, hacer ciertas formas y lograr determinada precisión La selección del proceso tiene por objeto establecer la mejor concordancia entre los atributos del proceso y los requerimientos del diseño. Existe una interacción entre función, material, forma y el proceso. La selección del proceso de manufactura es iterativo
Limitaciones físicas
Las propiedades del material y la forma limitan la elección del proceso. Ej.
.
Los materiales dúctiles pueden ser forjados , laminados y embutidos los frágiles no. Estos pueden ser formados por pulvimetalurgia. Materiales que funden a bajas temperaturas y tienen baja viscosidad pueden ser colados. Formas esbeltas y delgadas pueden ser hechas por laminado pero no por colado
Clasificación de Procesos
Clasificación y Atributos
F u n d i c i ó n
M o l d e o
F o r m a d o
P u l v i m e t a l u r g i a
Formado de Compuestos
P r o t o t i p a d o
M a q u i n a d o
U n i ó n
Procesos de Acabado
Procesos de Acabado
Estrategia de Selección del Proceso
Estrategia de Selección
Traducir que debe hacer el proceso: forma, unión, acabado? Función:
Restricciones:
qué limitaciones
técnicas Objetivos:
Qué será minimizado o maximizado costo, tiempo, calidad? Variables libres :
elección de procesos y condiciones de operación de procesos
Filtración
Se aplican restricciones que eliminan procesos
Rankeo
Documentación
Sobre uno o más objetivos, el más usual el costo
La calidad y productividad son investigadas mejor con guías de diseño, casos de estudio y análisis de falla
filtración
Matrices y cartas de barras de procesos caracterizados por atributos: Compatibilidad Proceso-Material
PRINCIPIOS DE SOLIDIFICACIÓN
Principios de Solidificación 26
El proceso de solidificación es muy importante tanto para metales, vidrios, cerámicos y polímeros termoplásticos. Todos estos materiales en algún instante de su fabricación han pasado por esta etapa. La solidificación influye en las propiedades y el comportamiento en servicio de los productos. La capacidad de fundir y producir metales marcó una era en la historia de la humanidad. Millones de toneladas de acero, cobre, aluminio, zinc, etc. se producen en la actualidad para varios usos. Elaborado: Ing. Patricio Riofrío. MsC.
Pasos en la solidificación 27
La solidificación se produce por nucleación de cristales y crecimiento de ellos. La nucleación es la formación de los primeros nanocristales desde el material fundido. (inicio de la formación de una fase a partir de otra fase). La causa que impulsa el cambio del estado líquido al sólido es la diferencia de energía entre estos dos, el líquido posee mayor energía. El cambio total de energía se compone de la energía libre de volumen y la asociada a la formación de la superficie. Elaborado: Ing. Patricio Riofrío. MsC.
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Abajo del valor de r* el sólido se denomina embrión arriba núcleo El proceso es de carácter estadístico Muchos de los embriones que se forman se redisuelven Para iniciar la solidificación es necesario enfriar más abajo de la temperatura de equilibrio entre el sólido y líquido. La diferencia de temperatura entre la de equilibrio y la actual se denomina sobreenfriamiento. ΔT es
la fuerza que provoca mayor nucleación Elaborado: Ing. Patricio Riofrío. MsC.
Nucleación Homogénea y Heterogénea 29
Nucleación homogénea ocurre cuando el sobre-enfriamiento es grande para formar núcleos estables sin interfaz externa. Este tipo sólo se logra en condiciones de laboratorio. Nucleación heterogénea ocurre debido a impurezas y paredes de los recipientes que contienen los líquidos debido a que ofrecen superficies para formar el sólido. só lido. El efecto de un radio de curvatura cur vatura mayor mayor que el crítico se alcanza con una pequeña superficie entre el sólido y líquido. Es necesario menor sobreenfriamiento. Lo mismo ocurre en transformaciones de estado sólido. Elaborado: Ing. Patricio Patricio Riofrío. MsC.
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Elaborado: Ing. Patricio Patricio Riofrío. MsC.
Crecimiento Planar y Dendrítico 31
El crecimiento de los núcleos depende de la forma de remoción del calor. Es necesario extraer el calor específico y el latente. La forma en la que se extrae el calor latente de fusión determina el mecanismo de crecimiento y la estructura final de la fundición (metal solidificado). Se produce crecimiento planar y dendrítico. En el crecimiento planar cuando el líquido es inoculado no se requiere sobreenfriamiento y se produce un crecimiento con un frente plano del sólido el calor latente es removido por conducción. Elaborado: Ing. Patricio Patricio Riofrío. MsC.
Crecimiento Dendrítico 32
En condiciones de pobre nucleación el líquido tendrá sobre-enfriamiento para solidificar. En estas condiciones se produce dendritas que crecen en la dirección del sobre-enfriamiento. El calor latente se lleva al líquido subenfriado tratando de alcanzar la temperatura de solidificación, cuando se logra igualar el crecimiento se torna planar. En el crecimiento planar el molde absorve el calor en el dendrítico absorve el líquido subenfriado Elaborado: Ing. Patricio Riofrío. MsC.
Curvas de enfriamiento 33
Elaborado: Ing. Patricio Patricio Riofrío. MsC.
Tiempo de Solidificación y Tamaño Tamaño de Dendrita 34
Un alta razón de enfriamiento produce una rápida solidificación. El tiempo para producir la completa solidificación puede estimarse con la regla de Chvorinov ’s . V es el volumen a solidificar, solidificar, A el área en contacto con el molde, n=2, B es la constante del molde. B depende de las propiedades y temperaturas iniciales del metal y molde. La solidificación inicia en la superficie con el molde, como crece el espesor que se va solidificando es una medida de la rapidez de la solidificación. t es el tiempo después del colado, ksol es una constante para un material y molde dado, c1 depende de la la temperatura de colado. Elaborado: Ing. Patricio Patricio Riofrío. MsC.
Separación entre dendritas. 35
Elaborado: Ing. Patricio Patricio Riofrío. MsC.
Efecto de la estructura en las propiedades 36
El tiempo de solidificación afecta el tamaño y separación de dendritas, que a su vez afecta las propiedades mecánicas. Rápida solidificación produce pequeño espaciamiento entre dendritas secundarias que a su vez produce alta resistencia y ductilidad. Elaborado: Ing. Patricio Riofrío. MsC.
Estructura de las fundiciones 37
Elaborado: Ing. Patricio Riofrío. MsC.
Defectos de la Solidificación 38
En la solidificación existe un cambio de volumen, por tanto existe un encogimiento o rechupe Encogimiento interdendrítico produce poros entre dendritas. Porosidad debido a que los metales son capaces de disolver gases. Al solidificarse no escapa el gas y se pueden formas burbujas y poros. Concentración no uniforme Elaborado: Ing. Patricio Riofrío. MsC.
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Elaborado: Ing. Patricio Riofrío. MsC.
Aplicaciones 40
Elaborado: Ing. Patricio Riofrío. MsC.
Aplicaciones 41
Elaborado: Ing. Patricio Riofrío. MsC.
Aplicaciones 42
Elaborado: Ing. Patricio Riofrío. MsC.
Aplicaciones 43
Elaborado: Ing. Patricio Riofrío. MsC.
Elaborado: Ing. Patricio Riofrío. MsC.
DIFUSIÓN
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Difusión 45
Es el movimiento de especies: átomos, iones, moléculas, electrones dentro de un material, depende del gradiente de concentración y de la temperatura. El movimiento trata de eliminar la diferencia en la concentración y producir una composición homogénea que estabilice termodinámicamente un material.
Elaborado: Ing. Patricio Riofrío. MsC.
Aplicaciones de la Difusión 46
Carburización de la superficie de aceros: Dientes de engranes. Se endurece la superficie. Uniones p-n en la industria de semiconductores. Se dopa átomos de P, As, Sb, B y Al dentro de obleas de silicio Cerámicas conductivas. Botella de PET Oxidación de Aluminio. Recubrimientos y películas. Fibras ópticas. Elaborado: Ing. Patricio Riofrío. MsC.
Ecuación de Arrhenius 47
Los átomos y iones poseen energía térmica lo que les permite moverse. A mayor temperatura la facilidad para moverse aumenta. La razón de movimiento está dado por la ecuación de Arrhenius:
Co cte mov/s, R= 1.987 cal/mol K, T (K), Q es la energía de activación (cal/mol). En forma logarítmica
Ln(rate) = ln(Co) – Q/RT Elaborado: Ing. Patricio Riofrío. MsC.
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Elaborado: Ing. Patricio Riofrío. MsC.
Mecanismos de Difusión 49
Autodifusión Interdifusión
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Mecanismos de Difusión 50
Difusión intersticial Difusión por vacancias
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Energía de Activación por Difusión. 51
Elaborado: Ing. Patricio Riofrío. MsC.
Primera Ley de FicK 52
J flujo neto de átomos o iones por unidad de tiempo y área D coeficiente difusividad cm2/s dc/dx gradiante de concentración átomos/cm3 cm El signo negativo indica el movimiento va en sentido de alta a baja concentración , dc/dx es negativo y J + Elaborado: Ing. Patricio Riofrío. MsC.
Factores que afectan la difusión 53
Un gradiente se puede crear si dos materiales de diferente composición son puestos en contacto. También si un gas o líquido es puesto en contacto con sólido
Elaborado: Ing. Patricio Riofrío. MsC.
Factores que afectan la difusión 54
Temperatura
Elaborado: Ing. Patricio Riofrío. MsC.
Segunda Ley de Fick 55
Describe la cinética o difusión en estado no estable
Elaborado: Ing. Patricio Riofrío. MsC.
Segunda Ley de Fick 56
Elaborado: Ing. Patricio Riofrío. MsC.
Tratamiento de Carburización 57
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Fenómenos y Procesamiento de Materiales gobernados por Difusión 58
Fundido Sinterizado Crecimiento de grano Unión por Difusión.
Elaborado: Ing. Patricio Riofrío. MsC.
DIAGRAMAS DE FASES
Fases y tipos. 60
Las propiedades de un material depende de naturaleza, cantidad, tamaño, forma, distribución y orientación de las fases que lo constituyen.
Elaborado: Ing. Patricio Riofrío. MsC.
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Elaborado: Ing. Patricio Riofrío. MsC.
Fases y tipos. 62
Una fase es un conglomerado homogéneo de materia. El agua puede existir como líquido, sólido o gas, son las tres fases del agua. El hielo puede tener a ciertas presiones y temperaturas, diferentes estructuras cristalinas y estas son fases sólidas del hielo con las misma composición química. Existen soluciones líquidas a partir de dos componentes líquidos Elaborado: Ing. Patricio Riofrío. MsC.
Fases y tipos 63
Una solución líquida de azúcar en agua es una fase. El hierro tiene dependiendo de la temperatura dos fases la fase alfa (estructura BCC) y la fase gamma (estructura FCC) Las soluciones sólidas substitucionales o intersticiales de las aleaciones son fases. El acero tiene un componente llamado carburo de hierro Fe3C el cual es también unaElaborado: fase.Ing. Patricio Riofrío. MsC.
Soluciones sólidas 64
Cuando los átomos de un elemento reemplazan a otros en la estructura cristalina o cuando ocupan intersticios se forman soluciones sólidas. Generalmente las propiedades mecánicas de una solución sólida son mejores que las del material puro. Elaborado: Ing. Patricio Riofrío. MsC.
Solubilidad ilimitada 65
Cuando solo se produce una fase a partir de cualquier proporción de los componentes se habla de solubilidad ilimitada. Ej. agua y alcohol, cobre y níquel. Cuando no se puede producir una sola fase se habla de solubilidad limitada. Ej. Sal en agua, zinc en cobre. En el ultimo caso se forma un compuesto CuZn. Una solución sólida no es una mezcla, una mezcla tiene más de dos fases.
Elaborado: Ing. Patricio Riofrío. MsC.
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Elaborado: Ing. Patricio Riofrío. MsC.
Condiciones para solubilidad ilimitada 67
Tamaño: Los átomos o iones deben tener similar tamaño con no más del 15% de diferencia. Estructura cristalina: los materiales deben tener la misma estructura cristalina. Valencia: deben tener la misma valencia en caso contrario existe la formación de compuestos. Electronegatividad: aproximadamente deben tener la misma electronegatividad. Elaborado: Ing. Patricio Riofrío. MsC.
Endurecimiento por solución sólida 68
Las soluciones sólidas producen endurecimiento debido a se incrementa la dificultad para mover dislocaciones. Ej. el bronce es más resistente que el cobre puro, al igual que el acero con relación al hierro. Elaborado: Ing. Patricio Riofrío. MsC.
Efecto de la solución de sólida 69
El grado de endurecimiento depende de dos factores 1. La mayor diferencia de tamaños de átomos anfitriónalojado aumenta el endurecimiento 2. La mayor aleación aumenta el endurecimiento
Elaborado: Ing. Patricio Riofrío. MsC.
Diagramas de fases 70
Un diagrama de fases muestra las fases, la cantidad y composición de cada fase a determinada temperatura de una aleación determinada. Un diagrama de fase isomorfo es un diagrama de fase binario en el que existe solubilidad total entre dos elementos. Ej. Ni-Cu, NiO-MgO,
Elaborado: Ing. Patricio Riofrío. MsC.
Solidificación 71
Elaborado: Ing. Patricio Riofrío. MsC.
Solidificación 72
Elaborado: Ing. Patricio Riofrío. MsC.
Cantidad y composición de las fases 73
En un campo de dos fases se traza una línea horizontal a la temperatura deseada hasta que toque los campos de una fase, se bajan perpendiculares al eje x y se lee la composición de las fases. Para la cantidad de las fases se aplica la regla de la palanca inversa. La cantidad de una fase en porcentaje es la relación entre la longitud parcial inversa y la longitud total de la línea de coexistencia Elaborado: Ing. Patricio Riofrío. MsC.
Cantidad y composición de las fases 74
En un campo de una fase se lee directamente la composición de la fase igual al de la aleación y la cantidad es el 100 % de la fase.
Elaborado: Ing. Patricio Riofrío. MsC.
Solidificación en condiciones de no equilibrio 75
Se debe a que no se da el tiempo suficiente para la difusión y movimiento de los átomos, esto provoca defectos y problemas como la microsegregación y macrosegregación Elaborado: Ing. Patricio Riofrío. MsC.
Homogenización 76
La microsegragación y macrosegregación se elimina con tratamiento térmico de homogenización basado en el proceso de difusión.
Elaborado: Ing. Patricio Riofrío. MsC.
DIAGRAMAS DE FASES
Diagrama de fases polifásicos. 78
Elaborado: Ing. Patricio Riofrío. MsC.
Regla de las fases 79
La regla desarrollada por Gibbs describe la relación entre el número de componentes y el número de fases de un sistema según las condiciones que se permiten cambiar (P, T y composición de las fases).
F = C – P + 2 C es el número de componentes, F # de grados de libertad (# variables), P # de fases en equilibrio y 2 representa las variables que normalmente cambian los diagramas de fases (presión y temperatura) Elaborado: Ing. Patricio Riofrío. MsC.
Regla de las fases 80
Si se fija una variable como la presión a cierto valor, por ejemplo p atmosférica. F= C-P+1 Ejemplo: se tiene 2 componentes (Pb, Sn), se está en una región de una fase (L), entonces: F = 2-1+1 = 2 Esto significa que hay dos grados de libertad para describir completamente el sistema, es necesario fijar la temperatura y la composición. Si sólo se fija la temperatura existe infinidad composiciones. Elaborado: Ing. Patricio Riofrío. MsC.
Regla de las fases 81
Si se fija una variable por ejemplo la presión a cierto valor, por ejemplo la p atmosférica. F= C-P+1 Ejemplo: se tiene 2 componentes (Pb, Sn), se está en una región de dos fases (L+alfa), entonces: F = 2-2+1 = 1 Se tiene un grado de libertad, al fijar la temperatura automáticamente queda fijada la composición de las fases (no la cantidad de fases). Al fijar la composición de la fase alfa, se fija la temperatura. Elaborado: Ing. Patricio Riofrío. MsC.
Solidificación y Microestructura 82
Elaborado: Ing. Patricio Riofrío. MsC.
Solidificación y Microestructura: eutéctica 83
Elaborado: Ing. Patricio Riofrío. MsC.
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Elaborado: Ing. Patricio Riofrío. MsC.
o cac n y crosestructura: aleación hipoeutéctica 85
Elaborado: Ing. Patricio Riofrío. MsC.
Fases hipoeutéctica e hipereutéctica 86
Elaborado: Ing. Patricio Riofrío. MsC.
rincipio e endurecimiento por dispersión
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Pequeñas partículas de una fase dura y resistente en una fase suave y dúctil producen endurecimiento por dispersión. La fase suave se denomina matriz y está en mayor proporción. La fase dispersada o llamada precipitada está en menor proporción. La fase precipitada debe ser pequeña de forma que obstaculiza el movimiento de dislocaciones esto provoca el endurecimiento. Elaborado: Ing. Patricio Riofrío. MsC.
Principio de endurecimiento por dispersión 88
La fase dispersada no debe ser continua porque puede una fisura propagarse. Una fase dispersada es mejor en forma redondeada que en forma de agujas de puntas agudas. A mayor concentración mayor resistencia. Elaborado: Ing. Patricio Riofrío. MsC.
Compuestos intermetálicos 89
Un compuesto intermetálico contiene dos o más elementos produciendo una nueva fase con propias estructura cristalina, propiedades y composición. Son generalmente duros y frágiles con propiedades mecánicas similares a los cerámicos. Son usados como precipitados para endurecimiento y solos para aplicaciones de alta temperatura. Pueden ser estequimétricos o no estequiométricos. Ej Fe3C y Mb-Rh
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eacc ones e tres ases en un diagrama de dos componentes 90
P cte
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DIAGRAMA HIERRO CARBONO
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perlita
Elaborado: Ing. Patricio Riofrío. MsC.
bainita
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Clasificación de las aleaciones hierrocarbono 98
Uso: hierro, aceros al carbono, aceros aleados y de herramientas, aceros inoxidables, fundiciones de hierro Ubicación en el diagrama hierro carbono: aceros hipoeutécticos y hipereutécticos Contenido de carbono Hierro puro (>99.9) Aceros de bajo carbono (<0.25%), mediano (0.25-0.5%) y alto (>0.5%) Aceros de baja aleación y alta resistencia (aleantes < 5%) Aceros altamente aleados (aleantes >5%) Fundiciones de hierro (C >2.1%)
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Designación AISI-SAE 99
A four-digit number: the first two digits indicate the alloy content; the last two, the carbon concentration
41 40 Identifies major alloying element(s)
Percentage of carbon
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Efecto del % de carbono en las propiedades mecánicas 101
Elaborado: Ing. Patricio Riofrío. MsC.
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TRATAMIENTOS TÉRMICOS
Tipos de tratamientos térmicos 106
Son procesos de enfriamiento y calentamiento con el propósito de modificar las propiedades mecánicas y el rendimiento deseado de un material mediante el cambio de la microestrutura y esfuerzos residuales. Suponen el calentamiento a cierta temperatura, mantenimiento a esa temperatura durante cierto tiempo y luego un enfriamiento uniforme. Existen tratamientos endurecedores
Endurecimiento por precipitación Temple y Revenido Endurecimiento superficial
Tratamientos no endurecedores
Recocido de recuperación o alivio de tensiones Recocido de recristalización o tratamiento de recocido Normalizado Elaborado: Ing. Patricio Riofrío. MsC.
Alivio de tensiones del proceso. 107
Para eliminar o reducir los esfuerzos residuales se usa el recocido de alivio de tensiones se designa también como recocido de proceso. Se aplican a aceros de bajo carbono y de alta aleación. El alivio de tensiones depende del tiempo y temperatura. Se produce un reacomodo de dislocaciones y formación de subgranos lo que reduce o disminuye los esfuerzos residuales. Elaborado: Ing. Patricio Riofrío. MsC.
Recocido 108
El objetivo es suavizar un material para posteriores procesos. En materiales trabajados en frío se produce recristalización para formar granos suaves y equiaxiales. Existen diferentes tipos de recocidos dependiendo de la temperatura de calentamiento. El recocido completo se hace a una temperatura de austenización y con enfriamiento lento en horno produciendo perlita gruesa. Elaborado: Ing. Patricio Riofrío. MsC.
Normalizado 109
El normalizado se aplica a aceros, el objetivo es obtener una mejor maquinabilidad, refinamiento del tamaño del grano y reducción de esfuerzos residuales. También se usa después de procesos de forja, como homogenización de piezas fundidas y como paso previo al temple y revenido. Se austeniza el acero y se enfría al aire por convección natural o ligeramente forzado. Se produce perlita fina Elaborado: Ing. Patricio Riofrío. MsC.
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Endurecimiento por precipitación 111
Calentar el material para lograr disolver más soluto en la solución sólida Enfriar bruscamente para obtener una solución sobre saturada Precipitar el soluto de forma natural o artificial (envejecimiento natural o artificial) El endurecimiento se produce por el anclaje de dislocaciones en los precipitados Elaborado: Ing. Patricio Riofrío. MsC.
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Elaborado: Ing. Patricio Riofrío. MsC.
Transformación Martensítica 113
Características de la Transformación.
Sin difusión De tipo cortante Cambio de estructura cristalina Se produce mediante calentamiento a la zona de austenita y luego un enfriamiento brusco
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Temple y revenido 114
Elaborado: Ing. Patricio Riofrío. MsC.
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Elaborado: Ing. Patricio Riofrío. MsC.
Diagrama TTT (transformación isotérmica) 116
Permite predecir la estructura, propiedades y tratamientos térmicos requeridos en aceros. Elaborado: Ing. Patricio Riofrío. MsC.
Diagrama TTT 117
Elaborado: Ing. Patricio Riofrío. MsC.
Diagrama TTT 118
Elaborado: Ing. Patricio Riofrío. MsC.
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Elaborado: Ing. Patricio Riofrío. MsC.
ACEROS DE BAJA ALEACIÓN: ALEANTES Y SU EFECTO 120
CROMO MOLIBDENO VANADIO MANGANESO NIQUEL^^ TUNGSTENO TITANIO ** NIOBIO ** SILICIO^^ ALUMINIO^^ FÓSFORO ^^
Formación de Carburos: aumenta la resistencia, la dureza, disminuye la maquinabilidad ** En Solución sólida: aumenta dureza, resistencia, templabilidad, resistencia a la corrosión^^ Refinación del grano: aumento de resistencia, tenacidad
Elaborado: Ing. Patricio Riofrío. MsC.
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Elaborado: Ing. Patricio Patricio Riofrío. MsC.
Diagramas de enfriamiento contínuo 122
Elaborado: Ing. Patricio Patricio Riofrío. MsC.
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Elaborado: Ing. Patricio Patricio Riofrío. MsC.
PROPIEDADES MECÁNICAS SEGÚN LA CONDICIÓN
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Elaborado: Ing. Patricio Riofrío. MsC.
Tratamientos Superficiales 127
1 Temple Superficial 2 Mediante aportación de carbono o nitrógeno en aceros no templables Carburización Nitruración Carbonitruración Nitrocarburización Cianuración
Elaborado: Ing. Patricio Riofrío. MsC.
1 Temple Superficial 128
Temple Superficial. Se templa sólo la superficie calentada mediante flama, o inmersión o inducción. Se usa en aceros templables
Elaborado: Ing. Patricio Riofrío. MsC.
2 Aportación de Carbono 129
Se usa en aceros de bajo carbono aportándoles carbono en la capa superficial Se usan diferentes medios sólidos, líquidos o gaseosos. Se calienta el medio y pieza entre 850-930 C Se templa la pieza, de ser necesario se reviene. Elaborado: Ing. Patricio Riofrío. MsC.
