METALES ESTRUCTURA ATÓMICA Átomo: Átomo: Es la partícula más pequeña de un elemento que conserva las características químicas del propio elemento. Está constituido por un núcleo formado por protones (partículas positivas) y neutrones (neutros), rodeado por una o más órbitas de electrones (partículas negativas).
Peso atómico: El peso atómico es una cantidad física adimensional, física adimensional, es la razón de las masas las masas promedio promedio de los átomos los átomos de un elemento un elemento (de un origen dado) a 1/12 de la masa de un átomo un átomo de carbono-12. de carbono-12. Numero atómico: atómico: Es el número entero positivo que es igual al número total de protones de protones en el núcleo el núcleo del átomo. Electrones de valencia: valencia: Son los electrones de la última capa de un átomo, los más externos son los responsables de los enlaces entre átomos debido a que son los electrones que se ceden o comparten dependiendo del tipo de enlace.
ENLACES ATOMICOS Y MOLECULARES: de electronegatividades distintas, Enlace iónico: iónico : Es la unión que se produce entre dos átomos de electronegatividades
con una diferencia igual o mayor a 1.67, en este tipo de enlace ocurre una transferencia de uno o más electrones del átomo menos electronegativo hacia el más electronegativo. Por ende el átomo que cedió electrones queda con carga positiva y el que captó electrones queda con carga negativa. Enlace covalente: covalente : Las reacciones entre dos átomos no metales producen enlaces covalentes. Este tipo de enlace se produce cuando existe una electronegatividad polar, se forma cuando la diferencia de electronegatividad no es suficientemente grande como para que se efectúe transferencia de electrones, entonces los átomos comparten uno o más pares electrónicos en un nuevo tipo de orbital denominado orbital molecular. Enlaces metálicos: metálicos : Es un enlace químico que mantiene unidos los átomos (unión entre cationes y los electrones de valencia) de los metales entre sí. Estos átomos se agrupan de forma muy cercana unos a otros, lo que produce estructuras muy compactas. Se trata de redes tridimensionales que adquieren la estructura típica de empaquetamiento de empaquetamiento compacto de esferas. Enlace de Van Der Waals: Waals: Las fuerzas de Van Der Waals son fuerzas de estabilización molecular; forman un enlace químico no covalente en el que participan dos tipos de fuerzas o interacciones, las fuerzas de dispersión (que son fuerzas de atracción) y las fuerzas de repulsión entre las capas electrónicas de dos átomos á tomos contiguos. Enlace puente de hidrogeno: hidrogeno : Un enlace de hidrógeno es la fuerza atractiva entre un átomo un átomo electronegativo electronegativo y un átomo de hidrógeno de hidrógeno unido covalentemente unido covalentemente a otro átomo electronegativo. una partícula formada por un conjunto de de átomos ligados por Molécula: Molécula : Una molécula es una enlaces covalentes enlaces covalentes o metálicos (en el caso del del enlace iónico no se consideran moléculas, sino redes cristalinas), de forma que permanecen unidos el tiempo el tiempo suficiente como para completar un número considerable de vibraciones moleculares. moleculares. Constituye la mínima cantidad de una sustancia que mantiene todas sus propiedades sus propiedades químicas.
ESTADO SOLIDO Estados cristalinos y amorfos. Cristalino: Cristalino: Es cuando están constituidos por átomos perfectamente ordenados en el espacio. En este grupo se encuentran englobados los metales, los materiales cerámicos y algunos polímeros que poseen regularidad suficiente. Amorfos: Amorfos: Es cuando solamente presentan una ordenación espacial a corta distancia es el caso de los vidrios y de los polímeros vítreos. Es decir sus átomos no están perfectamente ordenados en el espacio.
Isotropía y anisotropía Anisotropía: Anisotropía: Cuando las propiedades de un material dependen de la dirección en que son
medidas.
Isotropía: Isotropía: Cuando las propiedades de un material NO dependen de la dirección en que son medidas.
ESTADO CRISTALINO Red espacial: En los cristales, las distancias que se repiten a lo largo de cada uno de los ejes coordenados pueden ser todas iguales o todas diferentes y las direcciones en las cuales se repiten pueden o no ser ortogonales. En cualquier caso, si el motivo se sustituye por un punto, el resultado es un ordenamiento tridimensional de puntos que define un retículo o red espacial. Celda unitaria: Es la unidad estructural de un sólido cristalino. Mínima unidad que da toda la información acerca de la estructura de un cristal. La estructura del sólido cristalino se representa mediante la repetición de la celda unidad en las tres direcciones del espacio. Parámetro de la red : Geométricamente una celda unitaria puede ser representada por un paralelepípedo. La geometría geometría de la celda unitaria es descrita en términos de seis parámetros: La longitud de las tres aristas del paralelepípedo (a, b y c) y los tres ángulos entre las aristas ( α, β y γ). Esos parámetros son llamados parámetros de red.
Sistema cristalino (redes de Bravaís ): Aunque existen 14 posibles celdas cristalinas, existen siete combinaciones diferentes en las cuales están agrupadas en dependencia de los parámetros de red. Cada una de esas combinaciones constituye un sistema cristalino.
Sistemas de planos y direcciones cristalográficas. Notación de Miller Determinación de los índices de Miller de un plano cristalográfico: Determinar los interceptos del plano con los ejes del sistema de coordenadas en términos de los parámetros de red a,b y c. Si el plano pasa por el origen, se debe trasladar el plano a una nueva posición en el sistema de coordenadas. Obtener los recíprocos de esos tres interceptos. Si el plano es paralelo a uno de los ejes, el intercepto se considera en el infinito y el surecíproco será cero. Representar los índices de Miller en la forma (h k l). Nota: A veces es necesario multiplicar o dividir esos tres recíprocos por un factor común, tal que los tres números resultantes sean los menores enteros posibles.
Dirección cristalográfica cristalográfica:: vector que une dos puntos de la red cristalina. Procedimiento para determinación de los índices de Miller de una dirección cristalográfica: Trasladar el “vector dirección” de manera que pase por el origen del sistema de coordenadas.
Determinar la proyección del vector encada uno de los tres ejes coordenados. Esas proyecciones deben ser medidas en términos de los parámetros de red (a,b,c). Multiplicar o dividir esos tres números por un factor común, de tal forma tal que los tres números resultantes sean los menores enteros posibles. Representar la dirección escribiendo los tres números entre corchetes: [u v w]. Notación : una familia de direcciones, por ejemplo: [100], [100], [010], [010], [001] y [001] es representada por <100>.
IMPERFECCIONES EN LOS SOLIDOS Defectos de punto (asociados con una o dos posiciones atómicas): vacancias y átomos intersticiales. Favorecen la resistencia del metal. Vacancia: Vacancia: Es la ausencia de un átomo en un punto del reticulado cristalino. Pueden ser formadas durante la solidificación o como resultado de vibraciones atómicas. Existe una concentración de equilibrio de vacancias. Átomo intersticial : Es un defecto puntual de un mineral, un mineral, producido producido por un átomo un átomo suplementario que se sitúa en su red su red cristalina. cristalina. Esto provoca una fuerte distorsión en la proximidad del átomo, pero se atenúa con la distancia. Se puede forzar el fenómeno: irradiando el cristal para aportarle energía aportarle energía conseguimos que un átomo situado "correctamente" en su su punto de red salte para situarse entre átomos que sí se mantienen en su posición de red. Auto-intersticial (difusión de átomos): Es un átomo del propio metal que ocupa un intersticio de la estructura cristalina. Los auto-intersticiales causan una gran distorsión del reticulado cristalino a su alrededor. Impurezas en sólidos: Este defecto se introduce cuando un átomo es reemplazado por un átomo diferente. El átomo sustituyente puede ser más grande que el átomo original y en ese caso los átomos alrededor están a compresión ó puede ser ser más pequeño que el átomo original y en este caso los átomos circundantes estarán a tensión. Este defecto puede presentarse como una impureza o como una adición deliberada en una aleación. Dislocaciones, defectos lineales: Permiten la plasticidad de los metales, sino serían frágiles. Se crean durante la solidificación de los sólidos cristalinos o por deformación plástica, por condensación de vacantes. Según la posición relativa de las dislocaciones respecto al plano de deslizamiento podemos tener dislocaciones positivas (%) o negativas (%). Tipos: dislocación de cuña, dislocación helicoidal, dislocación mixta.
Defectos superficiales (límites entre dos regiones con diferentes estructuras cristalinas o diferentes orientaciones cristalográficas ): Los defectos superficiales son los límites de bordes o planos que dividen un material en regiones, cada una de las cuales tiene la misma estructura cristalina pero diferente orientación.
Tipos: Tipos: Interface, límite de grano, superficie externa, limites de macla, fallas de apilado. Difusión atómica en los sólidos: Es el mecanismo por el cual los átomos son transportados a través de la materia.
LOS METALES Y SU ESTRUCTURA ÍNTIMA Carácter cristalino de los metales: Un grano está formado por partículas llamadas átomos, los cuales forman una ordenación espacial geométrica, con configuraciones y características de cada metal. Esta particularidad de la ordenación espacial atómica, característica de los cuerpos cristalinos, nos revela que los metales poseen, en realidad, carácter cristalino. Redes espaciales de los metales: Existen tres redes espaciales que se presentan en la mayoría de los metales más utilizados. Red cúbica centrada en el cuerpo: cuerpo : Hierro alfa, cromo, titanio, molibdeno, etc. Red cúbica centrada en las caras: caras: Hierro gamma, cobre, aluminio, oro, plomo, níquel, etc. Red hexagonal compacta: compacta: Magnesio, cinc, cadmio, etc.
Red cúbica centrada en el cuerpo : Los átomos se hallan dispuestos en los vértices vértic es y en el centro del cubo.
Átomos por celdilla: Dos (Uno en el centro más otro que comparte con los ocho vértices). Índice de coordinación: Ocho átomos (el átomo central equidista de los 8 vértices). Arista de la celda unitaria: √
Factor de empaquetamiento: 0,68 (el 68% del volumen de la celda unitaria está ocupada por átomos). l os Red cúbica centrada en las caras: Los átomos están dispuestos en los vértices y en los átomos de las caras del cubo. Átomos por celdilla: Cuatro. Índice de coordinación: Doce átomos.
Arista de la celda unitaria:
√
Factor de empaquetamiento: 0,74 (el 74% del volumen de la celda unitaria está ocupada por átomos, por tanto los metales que cristalizan según esta red poseen mayor densidad y son más resistentes que los anteriores).
Red hexagonal compacta: En esta red, los átomos se sitúan en los vértices de un prisma hexagonal, además uno en cada base y tres en un plano horizontal en el centro del prisma. Átomos por celdilla: Seis. Índice de coordinación: Doce átomos. Arista de la celda unitaria: a = 2R. Factor de empaquetamiento: 0,74.
Planos y direcciones compactos en las redes espaciales metálicas : Plano compacto: compacto: Es el plano que está más lleno de átomos. El deslizamiento ocurre usualmente sobre la mayoría de los planos compactos. Ejemplo: Plano (1,1,1) en Cubica centrada en el cuerpo. Dirección compacta: compacta: Es la dirección de deslizamiento, tangente al plano compacto.
MICROESTRUCTURA O ESTRUCTURA GRANULAR DE LOS METALES Estructura granular de los metales: metales: Es aquella estructura que nos revela la forma y agrupación de los granos que constituyen el metal.
Carácter cristalino de los granos: granos : Es una propiedad que surge de la ordenación espacial atómica, que es característica de los cuerpos cristalinos. Formación de los granos cristalinos: Al solidificar un metal se inicia la formación de los granos cristalinos en multitud de núcleos, n úcleos, en los que empiezan a agrupar átomos ordenándose de acuerdo con
la red espacial característica del metal. Estos núcleos crecen en todas direcciones hasta que en su desarrollo tropiezan con el crecimiento de los vecinos, formando los granos que constituirán el metal.
ALOTROPIA EN LOS METALES En algunos metales, al llegar el enfriamiento a cierta temperatura, se presenta repentinamente una modificación energética en virtud de la cual se modifica la estructura cristalina, variando la forma de su red espacial y variando normalmente las propiedades del metal. Así un mismo metal puede presentar dos o más variedades, mediante transformaciones alotrópicas. Puntos críticos: Son las temperaturas en las que se presentan las transformaciones alotrópicas y corresponden a los límites de estabilidad de cada variedad. Histéresis: Los puntos críticos no coinciden exactamente, siendo superiores los del calentamiento que los de enfriamiento. Ello es debido a que las transformaciones se presentan con una cierta histéresis, debido a la inercia que opone el metal a transformarse. La histéresis es un fenómeno por el que el estado de un material depende de su historia previa, se manifiesta por el retraso del efecto sobre la causa que lo produce. Tamaño del grano de las variedades alotrópicas: Mediante la transformación alotrópica, la nueva variedad nacerá formándose núcleos de ella en el el seno de la antigua; estos núcleos crecerán a costa de ésta hasta hacerla desaparecer totalmente, reemplazada por nuevos granos de la variedad naciente. La velocidad de enfriamiento en la temperatura de transformación determina el tamaño de grano de la nueva estructura, que será fina o basta según el enfriamiento sea rápido o lento.
ALEACIONES Y SUS CONSTITUYENTES Generalidades: Generalidades: Una de las más importantes particularidades de los metales es la facultad de unirse con otros metales y aun cuerpos no metálicos, conservando el producto resultante el carácter metálico. Pueden así obtenerse productos que siendo metálicos, amplíen sus propiedades particulares a límites que no podrían lograrse con los simples metales. Tales productos son las aleaciones. Una aleación es pues, un producto metálico formado por la íntima unión de un metal con otro u otros metales o no metales.
Carácter de las aleaciones: Al igual que los metales, en las aleaciones podemos considerar la estructura granular, formada por la reunión de los granos constituyentes de la aleación y la cristalina, que en este caso vendrá representada por las redes espaciales de cada constituyente. Condición para formar una aleación: El producto obtenido debe ser homogéneo o, al menos, con un grado de homogeneidad suficiente para que en su empleo pueda considerarse como tal. Solidificación en solución sólida : Cuando los elementos componentes conservan la solubilidad al solidificar, en la aleación se formarán núcleos cristalinos del metal base, con átomos de otros componentes mezclados que darán lugar a granos con la red del metal base con átomos mezclados. Estas aleaciones tendrán una gran semejanza con el metal base, aunque su diferencia radica en que los granos están formados por una mezcla de átomos del metal base y de los restantes componentes. Solidificación en compuestos químicos: Cuando dos o más componentes reaccionan entre sí, forman un compuesto químico. Como los compuestos químicos exigen proporciones definidas entre los componentes, la aleación quedará constituida por unos granos del compuesto químico formado y otros del metal en exceso. Los compuestos químicos no tienen carácter metálico, por lo que pueden formar parte de una aleación, pero no pueden constituirla por sí solos. Solidificación de metales puros: Cuando sucede que la solubilidad desaparece al solidificar, los átomos del componente disuelto se separarán de los del disolvente, formándose dos tipos de núcleos y de ellos los granos cristalinos de ambos. Dichos granos estarán íntimamente mezclados pero cada grano será un componente puro. Formación de la eutéctica: Es aquella aleación en el cual cierta combinación de los componentes presenta completa solubilidad en estado liquido pero solubilidad solida limitada lo que significa que cuando una aleación eutéctica solidifica, los átomos de los metales componentes se segregan para
formar regiones de los metales originales casi puros. Mezcla en proporción definida y solidifica a temperatura constante y es más baja que la de los metales componentes. Solidificación de una eutéctica con constituyentes en exceso: Si entre dos constituyentes A y B se forma una eutéctica, las aleaciones que contengan menos de B del necesario, estarán constituidas por A+eutéctica. Las que contengan B en exceso se formarán por B+eutéctica. Constituyente matriz y disperso: Cuando una aleación contiene más de un constituyente, no solidifica el de más bajo punto de fusión antes de que lo haya hecho el de más alto punto de fusión. De ello resulta que los cristales que se forman primero se hallan inmersos en líquido residual; por lo que al solidificar el segundo constituyente contornean al primero. Así la aleación queda formada por una matriz del constituyente de bajo punto de fusión, en que se hallan incrustados como constituyente disperso, el de más alto punto de fusión. Diagrama de solidificación: El estudio de la constitución de las aleaciones se simplifica considerablemente recurriendo a una exposición gráfica en la que se relacionan las temperaturas de cambio de estado que experimenta la aleación para las diversas concentraciones de sus componentes. Aunque los diagramas presentan diversas configuraciones, todos derivan de tres tipos generales y que corresponden a los tres casos o posibilidades de for mación de aleaciones. Solubilidad total. Insolubilidad total. Solubilidad parcial.
PROPIEDADES FISICAS DE LOS METALES Calor específico: Es la cantidad de calor necesaria para la elevar la temperatura de la unidad de masa de un cuerpo de 0 a 1°C. En los metales en general es muy elevado y su valor tiene gran importancia, pues nos permite conocer la cantidad de calor que se debe suministrar para elevar su temperatura hasta un valor determinado. Calor latente de fusión: Es la cantidad de calor que absorbe la masa unidad de un metal calentado a la temperatura de fusión para pasar del estado sólido al líquido. Cuanto más baja es la temperatura de fusión de un metal, menor su calor específico y menor su calor latente, más barato será su empleo para fusión y moldeo. Las aleaciones eutécticas son las más económicas de un sistema para fundir. Dilatación: Dilatación: Al aumentar la temperatura de los cuerpos, éstos aumentan de volumen, dilatándose en las tres dimensiones o contrayéndose si se enfrían. La contracción es especialmente en los problemas de fusión y moldeo, ya que cuando se contrae estando el metal líquido en el molde puede dar lugar a rechupes en la pieza, o cuando se contrae el metal ya solidificado hasta la temperatura ambiente puede originar deformaciones y roturas. En las aleaciones, el proceso de solidificación ocurre en un rango de temperaturas, así que se considera la contracción de solidificación y puede ocasionar graves contratiempos, grietas, roturas, fallos, etc. de ahí la ventaja de las aleaciones eutécticas que solidifican a temperatura constante. Conductibilidad térmica y eléctrica: eléctrica: Una de las características típicas de los metales es su facultad de transmitir fácilmente el calor a través de su masa. La conductibilidad tiene gran importancia en el empleo de los metales, en especial si tenemos que trabajar a temperatura elevada, ya que gracias a ella pueden eliminar el calor, además que pueden adquirir fácilmente una temperatura uniforme en el momento de realizar tratamientos. La conductibilidad eléctrica, o facilidad de transporte de energía eléctrica, es una característica que los metales poseen en un grado muy superior a los restantes cuerpos.
PROPIEDADES QUIMICAS DE LOS METALES Los metales poseen, por lo general una elevada afinidad química por otros cuerpos, con los que forman compuestos químicos. Entre ellos, la que sienten por el oxígeno tiene un gran interés, pues es la base de los fenómenos de oxidación y corrosión, cuya importancia industrial es sobradamente conocida. Oxidación: Oxidación: Se llama así el efecto destructor producido por el oxígeno en la superficie de un metal como consecuencia de una elevación de temperatura, así cuanto mayor es la oxidación del metal mayor es la temperatura de calentamiento. Los metales se protegen de la oxidación recubriéndose de una película de óxido que mientras se mantenga bien adherida impide el contacto metal-oxígeno. En todos los metales existe una temperatura crítica, para lo cual la película se desprende desprende por descascarillamiento. A partir de esta temperatura, el metal está condenado a ser destruido por oxidación.
Corrosión: Corrosión: Es un fenómeno que ocurre cuando el metal está en contacto con oxígeno y agua líquida, que es más enérgica cuanto más electronegativo es el metal. Estos se protegen recubriéndose de una capa de óxido que impide el contacto del metal con el líquido y el oxígeno, según su grado de impermeabilidad. Si la capa es impermeable, el metal se autoprotege y la corrosión cesa, como en el Aluminio. Otro metales como el cromo o el níquel, se pasivizan y se impide la corrosión. Si no es así y la capa es permeable, como en el hierro, la corrosión prosigue y destruye el metal.
Factores de corrosión: corrosión: Agitación del electrolito (agua en movimiento). Naturaleza de los productos de corrosión . Naturaleza del medio: medio: Si el agua contiene sal, acelera la descomposición del H 2O en H y OH,
acelerando la corrosión, las atmosferas viciadas de las zonas industriales aceleran la corrosión. Estado de la superficie: superficie: Cuanto más pulida está la superficie metálica, en menor grado actuará sobre ella la corrosión. Pares galvánicos: galvánicos: Se forma cuando dos metales de diferentes potenciales electroquímicos están en contacto entre sí y además en contacto con un electrolito. El efecto del par es intensificar la corrosión del metal que actúa de ánodo, es decir, el más electronegativo. Zonas Catódicas: Catódicas: Causada por pequeños pares galvánicos originados por las heterogeneidades de cualquier clase que existe en la superficie del metal, la zona con impurezas actúa como ánodo y las zonas limpias como cátodo. Aireación diferencial : Cuando el metal se halla en un lugar con poca circulación de aire y mucha humedad, por ejemplo: en los codos.
Tipos de corrosión Corrosión general : Cuando la corrosión se extiende uniformemente por todo el metal, su
efecto es reducir el espesor del metal, siendo ésta la menos peligrosa de las corrosiones. Corrosión localizada: localizada: Cuando la corrosión se produce en puntos donde actúa un par galvánico, este tipo de corrosión ataca profundamente a una zona reducida del metal y puede dar lugar a roturas si no se realiza una cuidadosa inspección. Corrosión intergranular : Se origina a causa de la existencia de zonas catódicas por impurezas contenidas en los contornos de los granos, es la más peligrosa de las corrosiones ya que ataca el contorno de los cristales que forman el metal, se desintegra éste sin que apenas presente apariencia de corrosión, además que reduce la resistencia las metal.
La corrosión en las aleaciones En las aleaciones la corrosión es siempre peor que en los metales puros, y se presentan tanto para aleaciones de un solo constituyente como de dos o más constituyentes, en el cual la corrosión se produce por zonas catódicas. También existen las aleaciones inoxidables, como en el caso de las aleaciones del níquel o del cromo, que extienden su efecto de pasividad a aquellas a partir de ciertas proporciones. Es necesario tener en cuenta que las aleaciones inoxidables dejan de serlo cuando se presenta en ellas más de un constituyente de estructura (debido a las zonas catódicas que se producirían).
Protección contra la corrosión Protección mecánica: mecánica: Se protege la superficie mediante sustancias aislantes como grasa,
pinturas, barnices, etc. Autoprotección: Autoprotección: Muchos metales, a pesar de ser electronegativos, no sufren la corrosión, porque o pueden pasivarse (cromo o níquel) o forma una fina película de óxido (zinc, cadmio, aluminio). Protección anódica: anódica: Se emplea para reforzar los efectos de la autoprotección, ocurre mediante provocación galvánica de la película de óxido protectora.
Protección electrolítica: electrolítica: Los metales que no se autoprotegen pueden resguardarse de la corrosión mediante el depósito electrolítico de un metal autoprotector, así se tiene el cromado, niquelado, galvanizado, cadmiado de metales como el hierro. Hay que tener en cuenta que el metal protector debe tener mayor electronegatividad que el protegido, para que cuando se produce el par galvánico el protegido actúa de cátodo y no se corroe. Protección por placado: placado: En algunos metales en que no se puede realiza bien el depósito galvánico, se utiliza el placado. Así las aleaciones de aluminio que no se autoprotegen pueden ser preservadas mediante dos finísimas chapas de aluminio muy puro que se laminan en caliente, recubriendo las caras de la aleación a proteger.
PROPIEDADES MECANICAS Introducción La acción de una carga sobre un metal da lugar a la deformación de éste, y eventualmente a su rotura si la carga es suficientemente elevada. Claro está que estos efectos de deformación y rotura, para cada metal en determinado estado, dependerá no sólo de la intensidad o valor de la carga, sino de su naturaleza y modo de actuación. La acción de la carga está definida por el conjunto de fuerzas que la originan y que puede traducirse en esfuerzos más o menos complejos en el metal. Para analizar el proceso empezaremos, pues, por considerar el caso más sencillo de un metal que está sometido a un esfuerzo simple de tracción, que opera lentamente y a la temperatura ambiente. Imaginaremos, pues, una barra o varilla metálica sometida a un esfuerzo longitudinal, coincidente con un eje, que tienda a distender o alargar dicha varilla, y cuya intensidad crece progresiva y lentamente.
Concepto de esfuerzo – deformación deformación Si se aplica una carga a una barra en dirección de un eje, por pequeña que sea su producirá una deformación en la misma.
Ensayo de tracción Lo primero que vamos a considerar para el estudio de la deformación por tracción es el dispositivo a emplear en un ensayo de tracción. Esquemáticamente en la figura 28 reproducimos la síntesis de una máquina de tracción. La barreta de ensayo ensayo B se sujeta por dos mordazas M y M'; la M va unida a un medio mecánico o hidráulico, capaz de desarrollar una carga K progresivamente creciente. La otra mordaza M' por por intermedio del vá vástago a, se une une a la palanca P, de la que tira, haciéndola desplazar en el sentido de la flecha cuando actúa la fuerza K. La palanca y su contrapeso C 7miden 7miden en todo momento, por la posición que ocupen, el esfuerzo transmitido a través de la probeta y que se ejerce por K. Todo aumento de carga determinará una elevación de la palanca en sentido de la flecha ; toda disminución, un descenso. Este dispositivo nos permite estudiar el proceso de deformación de la probeta al variar las cargas, ya que podemos conocer los esfuerzos que actúan en todo momento sobre ella y medir las deformaciones, tanto por lo que respecta a variaciones de longitud como sección.
Modulo de elasticidad La relación de proporcionalidad denomina modulo de elasticidad.
entre la carga unitaria y la deformación producida se
Deformación Plástica A partir del límite elástico conforme aumenta la carga, las deformaciones aumentan más rápidamente y subsisten perfectamente acusadas, aunque desaparezca la carga que las ha originado. Entramos, pues, en el período plástico del metal. Se observa en él que, aunque las deformaciones aumentan con ritmo más rápido que en el período elástico, cada carga es soportada, soportada , indefinidamente por el metal, una vez ha sufrido éste la deformación correspondiente. correspondiente . Se desprende de lo expuesto que la plasticidad en los metales se caracteriza porque toda deformación producida provoca un aumento de resistencia tanto mayor cuanto mayor es esta deformación. Este fenómeno, denominado acritud, constituye una interesante propiedad característica de los metales y es la causa de que resistan cargas crecientes en su proceso de deformación.
Límite Elástico Si la carga crece, aumentará la deformación del metal, pero mientras se mantenga en periodo elástico, la deformación es transitoria, desaparece. Este periodo continúa hasta que la carga alcanza cierto valor, para el cual la deformación cesa de ser transitoria y proporcional a aquella. La mayor carga unitaria que puede aplicarse sin que la deformación deje de ser elástica, se denomina límite elástico .
Curva tensión-deformación de metales férreos y no férreos Metales No Férreos
Metales Férreos
Ductilidad : Es la medida del grado de deformación que puede soportar un material sin romperse. Fragilidad : Es la facultad de un metal de romperse por la acción del choque o por cambio brusco de temperatura.
Módulo de Resiliencia : El trabajo realizado en un volumen unidad de material, cuando se aumenta una fuerza de tracción simple gradualmente desde cero hasta un valor tal que se alcance el límite de proporcionalidad del material, se define como modulo de resiliencia. Puede calcularse por el área bajo la curva tensión-deformación desde el origen hasta el límite de proporcionalidad, las unidades en que se mide son kg/cm3. Así, pues, la resiliencia de un material es su capacidad de absorber energía en la zona elástica.
Modulo de tenacidad : El trabajo realizado en un volumen unidad de material cuando se aumenta una fuerza de tracción simple gradualmente desde cero hasta el valor que produce la rotura, se define como el módulo de tenacidad. Puede calcularse por el área total bajo la curva tensión-deformación desde el origen hasta la rotura. La tenacidad de un material es su capacidad de absorber energía en la zona plástica del material. Dureza: Es la resistencia de la superficie de un material a la penetración por un objeto duro.
Ensayo de Brinell : Una esfera de acero duro (por lo general de 10 mm de diámetro), se oprime sobre la superficie del material. Se mide el diámetro de la impresión generada, comúnmente de 2 a 6 mm. Ensayo de Rockell : Para la dureza de un material blando se usa una pequeña bola de acero y cono de diamante para materiales duros. La profundidad de la penetración es medida automáticamente por el instrumento.
DEFORMACION DEL MONOCRISTAL Deformación del monocristal La deformación de un metal se opera por la deformación de sus granos cristalinos los cuales, a su vez, se deforman individualmente mediante un proceso de fragmentación, en el que los fragmentos, sin pérdida de cohesión, se deslizan unos con respecto a otros, dando así lugar a la deformación del grano. Pero en estos desplazamientos y fragmentación cristalina la existencia de multitud de granos con diversas orientaciones impide el normal desarrollo del proceso, por lo que el conocimiento del mecanismo de la deformación de un metal requiere que consideremos primeramente como se deforma un grano cristalino aislado y estudiemos, después, la influencia que en ella ejercen los granos vecinos, estudiando la deformación de un agregado cristalino.
Planos y direcciones de más fácil deslizamiento Puesto que cuanto menor sea el intervalo atómico en la dirección del deslizamiento menor esfuerzo exigirá éste, parece natural que los planos y direcciones de más fácil deslizamiento serán los compactos. Así, pues, un cristal tenderá siempre a deformarse por deslizamiento sobre uno de sus planos compactos, y en la dirección compacta, o en ausencia de planos compactos, se deformará, según una dirección compacta, sobre uno de los planos de alta densidad atómica. Observaciones generales de gran importancia en sistemas de deslizamiento: 1. Las direcciones de deslizamiento se presentan siempre en la dirección de empaquetamiento compacto. Existen excepciones, por ejemplo, mercurio sólido. 2. El deslizamiento ocurre usualmente sobre la mayoría de los planos compactos. Esta observación está relacionada con el hecho de que los planos empaquetados más densamente también son el grupo de planos (h,k,l) ocupados, que tienen el espaciamiento más amplio. 3. El deslizamiento se produce primero sobre el sistema de deslizamiento que tiene el mayor esfuerzo de corte a lo largo de su dirección de deslizamiento.
Cizallamiento critico. Ley de Schmidt La resistencia al cizallamiento de un cristal en un sistema de deslizamiento de mínima resistencia, es decir, en una de sus direcciones compactas y plano compacto o de alta densidad atómica se denomina cizallamiento crítico, y constituye una característica del cristal metálico de gran importancia, ya que define su resistencia a la deformación plástica. La deformación plástica en un monocristal se produce siempre, cualquiera que sea la orientación de su red con respecto a la carga exterior, por un sistema de mínima resistencia, que será lógicamente el que se halla orientado en la dirección más aproximada a la del máximo esfuerzo tangencial que la carga engendra. La ley de Schmidt, también llamada del cizallamiento crítico, establece que un cristal empieza a deformarse cuando se le somete a un esfuerzo que provoca una tensión tangencial, en cualquiera de los sistemas de deslizamiento de mínima resistencia del cristal , superior al valor de su cizallamiento crítico.
Teoría de dislocaciones Las dislocaciones son imperfecciones lineales en una red que de otra forma sería perfecta. Las dislocaciones permiten la plasticidad de los metales, sino serían frágiles. ¿Por qué es más fácil deformar un material con dislocaciones? Porque se desplaza la dislocación que provoca la deformación; desplazar la dislocación requiere menos energía que desplazar un bloque. Tipos de dislocaciones. Dislocación de Cuña: Cuña: Se crea por inserción de un semiplano adicional de átomos dentro de la red. Los átomos a lado y lado del semiplano insertado se encuentran distorsionados. Los átomos por encima de la línea de dislocación, que se encuentra perpendicular al plano de la página, en el punto donde termina el semiplano insertado, se encuentran comprimidos y los que están por debajo se encuentran apartados. Esto se refleja en la leve curvatura de los planos verticales de los átomos más cercanos del extra semiplano. La magnitud de esta distorsión decrece con la distancia al semiplano insertado. La distancia de desplazamiento de los átomos en torno a una dislocación se llama DESLIZAMIENTO o vector de Burgers y es perpendicular a la línea de dislocación de cuña.
Dislocación Helicoidal : Esta dislocación se forma cuando se aplica un esfuerzo de cizalladura en un cristal perfecto que ha sido separado por un plano cortante. Aquí el vector de Burgers o de desplazamiento es paralelo a la línea de dislocación.
Dislocaciones Mixtas: Mixtas: Con frecuencia los cristales exhiben mezcla de las dislocaciones anteriores. Su vector de Burgers no es ni perpendicular ni paralelo a la línea de dislocación, pero mantiene una orientación fija en el espacio. La estructura atómica local en torno a la dislocación mixta es difícil de visualizar, pero el vector de Burgers proporciona una descripción conveniente y sencilla.
ROTURA DEL MONOCRISTAL Introducción En la rotura de los metales, las fracturas pueden presentar dos caracteres, el frágil y el dúctil el primero, que corresponde a la rotura sin deformación, y el segundo, a la que se produce después de cierta deformación previa. Aunque la existencia o ausencia de deformación parece caracterizar las fracturas dúctiles y frágiles, otras particularidades de la may ma yor importancia concurren también en estos tipos de fractura. Ello revela que la rotura se produce en cada caso por un mecanismo distinto, y que es este mecanismo el que en realidad determina el carácter de la fractura, más que la deformación previa del metal.
Mecanismo de rotura frágil Consideremos un cristal sometido a esfuerzos de tracción. Sabemos que en cada plano cristalográfico, el esfuerzo que soporta soporta dará lugar a una tensión tensión tangencial y a una normal, cuyo cuyo valor dependerá del valor del esfuerzo y de la orientación del plano con respecto a él. La primera será, pues, causa de la deformación plástica y la segunda de la rotura. Como en todos los planos cristalográficos sucederá otro tanto, y sabemos que cada plano posee su resistencia propia, según el espaciado del sistema y la densidad atómica, al crecer el esfuerzo en algún plano la tensión normal o tangencial vencerán la resistencia al despegue o al cizallamiento, provocando la alteración del cristal. El que se produzca en él, deformación o rotura dependerá pues, de que la tensión tangencial exceda a la resistencia al cizallamiento del cristal, antes o después de que la tensión normal exceda a la resistencia al despegue en el plano considerado.
Teoría de Griffith En primer lugar, Griffith considera, que la debilidad real de los sólidos con respecto a la teórica se debe a la existencia de ciertas microfisuras o grietas que, por su efecto de entalla, aumenta los esfuerzos locales muy por encima de los esfuerzos medios que debería sufrir el cuerpo. Las experiencias de Griffith pueden, pueden , interpretarse como una consecuencia de que la probabilidad de que existan defectos favorables a la rotura es tanto menor cuanto menor es la sección de la probeta y, por tanto, tanto, su resistencia se aproxima más a la teórica. Con arreglo a la teoría de Griffith, una grieta en un cuerpo sólido no sólo constituye un punto de concentración de esfuerzos, sino que como consecuencia de ello, constitu ye un núcleo de propagación de la fisura a través del sólido.
DEFORMACIÓN Y ROTURA DE UN AGREGADO AGREGADO POLICRISTALINO METALICO El policristal de un metal está constituido por una aglomeración de granos cristalinos mutuamente enlazados, su comportamiento en la deformación y rotura será comprensible fácilmente al considerar la deformación de cada uno de los granos bajo la acción del esfuerzo que soporta. El agregado, aunque frenado por elementos anisótropos, constituye un conjunto isótropo, por la diversa orientación arbitraria de cada grano que neutraliza la anisotropía en el conjunto. La deformación de un agregado puede producirse además por deslizamientos intergranulares, en los que sin alteración de la forma de los granos, cambios mutuos de posición originan la deformación. Todo ello da lugar a que la deformación, y rotura de un cuerpo policristalino sea un fenómeno más complejo que el del monocristal y que es preciso considerar para la comprensión y estudio del comportamiento de los metales en los procesos de deformación y rotura.
Mecanismo de la deformación de un agregado cristalino Podemos imaginar el mecanismo interno de la deformación plástica de un agregado cristalino teniendo en cuenta las influencias propias del policristal. Supuesto un metal sometido a una carga de tracción y dado dado que en las direcciones inclinadas 45° con respecto a ella se produce la máxima tensión tangencial, los cristales que por su orientación posean su red en forma que un sistema de fácil deslizamiento coincida con la dirección citada serán los peor orientados para resistir el esfuerzo y en ellos empezará la deformación plástica. Al rebasar el límite elástico no empieza la deformación plástica en todos los cristales o granos del metal, sino tan sólo en los que por su orientación se hallan en condiciones adecuadas para ello, manteniéndose los restantes granos en deformación elástica. La acritud, incrementando la resistencia de los cristales primeramente deformados, dará lugar a que sucesivamente tengan que ir entrando en deformación plástica los restantes cristales conforme aumenta la carga. La deformación de un policristal se realiza, pues, por el mecanismo clásico de la deformación cristalina, y así, deslizamientos transcristalinos y maclas permitirán a los diversos granos adaptarse a la deformación de sus vecinos.
Limite elástico de los metales Se alcanza el límite elástico cuando el esfuerzo crea una componente tangencial capaz de vencer la resistencia al deslizamiento del cristal peor orientado y la acción reforzadora de sus contornos. Cargas menores no deben, en consecuencia, provocar deformaciones permanentes, sino elásticas, que serán proporcionales a las cargas que las provocan, y en el diagrama cargas-deformaciones deben quedar representadas por una línea recta. Un metal puede, pues, soportar cargas que no llegan a producir deformación permanente y, no obstante, no siguen la ley de proporcionalidad. Por ello la mayor carga que es proporcional a las deformaciones, que se denomina límite de proporcionalidad P, y la que no produce deformación permanente E, llamada límite elástico, no coinciden exactamente.
En general se toma como deformación límite para definir el límite elástico un alargamiento de 0,2%. Para medida de gran precisión se llega a tomar el de 0,05%. En el hierro y en los aceros suaves, en que predominan los cristales de hierro, ya vimos que el término de la deformación elástico se presenta muy acusado, y si el ensayo se realiza con suficiente lentitud se manifiesta un interesante fenómeno de fluencia, en virtud del cual cuando se alcanza la carga E 1 , límite de la deformación elástica, el metal cede repentinamente, bajando la resistencia a E 2.Los puntos E 1 y E2, han sido designados por los anglosajones yieldpoint o punto de fluencia, superior si se refiere al punto E 1 e inferior si es el E 2 .
Líneas de deformación o de Lüder Si sometemos a un esfuerzo de tracción una barreta de hierro o acero suave con una cara plana pulimentada, tan pronto se rebase el límite elástico elástico aparecen en la superficie unas líneas inclinadas, ligeramente mates que se destacan en oscuro del fondo plano. Las líneas de Lüder constituyen, pues, las líneas de deformación del agregado policristalino del hierro y revelan que ésta sigue la dirección de la tensión tangencial máxima independientemente de la orientación de los cristales que componen el metal. Además se observa que así como en un simple cristal las bandas de deslizamiento ejercen un efecto de consolidación en la totalidad del cristal cuyo límite elástico se eleva, en las líneas de Lüder la consolidación no afecta más que el material de la banda que se deforma.
INFLUENCIA DEL TIEMPO Y LA TEMPERATURA EN LA DEFORMACIÓN Y ROTURA DE LOS METALES Restauración: Restauración: Es un proceso mediante el cual; Una parte de la energía interna almacenada como energía de deformación es liberada. Se produce una reducción en el número de dislocaciones. Las propiedades físicas tales como conductividad eléctrica y térmica, recuperan valores similares a los iniciales. Recristalización: Recristalización: Es un proceso en el que se forma un nuevo conjunto de granos libres de deformación que tienen baja densidad de dislocaciones, que reemplazan progresivamente al material deformado; restaurando sus propiedades mecánicas iniciales. La temperatura en la que ocurre este fenómeno, se denomina temperatura de recristalización. Envejecimiento: Envejecimiento: Es un poderoso método para controlar el endurecimiento óptimo por dispersión en muchas aleaciones metálicas. En el endurecimiento por envejecimiento se permite la formación de un precipitado coherente muy fino, ampliamente disperso. Fluencia o creep: creep: La fluencia o cedencia es la deformación brusca de la probeta sin incremento de la carga aplicada que se puede llegar a producir en el ensayo de tracción (algunos materiales no experimentan fluencia). El fenómeno de fluencia se da cuando las impurezas o los elementos de aleación bloquean las dislocaciones de la red cristalina impidiendo su deslizamiento, proceso mediante el cual el material se deforma plásticamente. La fluencia se inicia deformándose el metal a ritmo decreciente para pasar luego a un ritmo creciente hasta la rotura. Entre ambos, el metal se deforma cierto tiempo a ritmo constante. Efecto de la temperatura en la fluencia: fluencia: Disminuye el tiempo entre los ritmos de fluencia y aumentan el ritmo de deformación conforme aumenta la misma, a bajas temperaturas y con pequeñas cargas la fluencia es tan lento que prácticamente no se alcanzará el período de fluencia a ritmo creciente en tiempo finito. Temperatura equicohesiva: equicohesiva: Se define como la temperatura a la que los granos y los límites de grano tienen la misma resistencia.
FATIGA Carácter de las cargas variables: Se sabe que mientras la carga a que se somete un metal no exceda del límite elástico, ninguna alteración de carácter permanente se produce en él. Cuando una carga actúa con carácter variable o intermitente, sin embargo, no sucede así, y cargas inferiores al límite elástico llegan a producir la rotura del metal si la carga excede de cierto límite y se aplica un número suficiente de veces. Este fenómeno, conocido con el nombre de fatiga, es característico de los metales y tiene una gran importancia, ya que nos obliga a considerar un límite a las cargas que puede soportar el metal, inferior del límite elástico si las cargas actúan en forma variable o intermitente.
Límite de fatiga: fatiga : Es característico de este fenómeno en el que la rotura se produce bruscamente y sin deformación plástica previa, pero se requieren para ello: Que la carga sea superior a cierto límite denominado límite de fatiga, y Que el número de aplicaciones rebase de cierto valor crítico por debajo del cual la rotura no se produce. Curva de Wöhler : Es la representación gráfica del fenómeno de la fatiga, en la cual se relacionan los números de ciclos o aplicaciones a las que se produce la rotura y las cargas que la provocan. Fracturas por fatiga: fatiga: En general, la fractura por fatiga parece iniciarse en un punto que corresponde a un defecto superficial, extendiéndose luego hasta la aparición de la fractura frágil. Proceso de la fatiga : El proceso tiene tres períodos. El primero no produce efectos visibles, pero evidentemente en él se incuba la grieta. En el segundo, la grieta se desarrolla hasta alcanzar el tamaño preciso para provocar la rotura en proceso frágil de la sección del metal aún no alterada, y en el tercero finalmente, el metal se rompe con las características acciones enfragilizadoras. Factores que influyen en la fatiga: Efectos de entalla, sensibilidad a la entalla en fatiga, cargas estáticas adicionales, tensiones internas, estructura del metal. Condiciones óptimas para resistir la fatiga: Se obtendrán evitando en la configuración de las piezas ángulos vivos, ranuras, fileteados y cuanto pueda producir efecto de entalla. Las superficies deberán ser lisas, libres de toda huella de herramienta o marca; lo mejor, superficies pulimentadas. Estructuras finas y precipitadas en el metal dan elevado límite elástico pero no excesivo para no aumentar la entalla. El metal deberá hallarse exento de tensiones internas. La dureza superficial mejora asimismo la resistencia a la fatiga. 1. ¿Cómo debe ser aplicada la carga para producir fatiga en un material metálico? Se puede producir fatiga en un metal si se aplica una gran carga rápidamente ó aplicada en la dirección de fuerza tangencial máxima.
2. ¿Cómo debe ser la carga con relación al límite elástico para producir fatiga? Debe ser mayor, debe estar en la zona de deformación plástica.
3. ¿Dónde se inicia la grieta microscópica que luego produce la rotura en la fatiga? En la zona de deformación plástica. En un punto donde hay fallas, el esfuerzo es mayor al límite elástico.
4. ¿Cómo se puede proteger al material del efecto de fatiga? Haciéndolo trabajar en la zona elástica y utilizando la zona plástica como coeficiente de seguridad. También se pueden mejorar sus propiedades mediante los tratamientos térmicos o la forja.
5. ¿Cuál es la estructura de mejor resistencia al efecto de la fatiga? La estructura precipitada.
TRATAMIENTOS TÉRMICOS Condiciones para realizar los tratamientos: tratamientos: La condición fundamental para poder tratar un metal o aleación es que ésta sufra transformaciones entre su temperatura de solidificación y la temperatura ambiente.
Recocido: Consiste básicamente en un calentamiento por encima de la temperatura de crítica (800925ºC) seguido de un enfriamiento lento de manera a tener transformación alotrópica completa con granos lo más pequeños posibles. Con este tratamiento se logra aumentar la elasticidad, mientras que disminuye la dureza. Temple: Su finalidad es aumentar la dureza y la resistencia. Para ello, se calienta el metal a una temperatura ligeramente más elevada que la crítica superior (entre 900-950ºC) y se enfría luego más rápidamente en un medio como agua, aceite, etcétera. Revenido: Es un tratamiento que se aplica a una pieza templada previamente para destruir parcialmente el temple. Se calienta a una temperatura tanto mayor cuanto más se desea destruir el temple, pero siempre menor a la de transformación, para evitar destruir todo el temple, para enfriar luego el metal hasta la temperatura ambiente.
Resistencia y plasticidad en la estructura precipitada. Estructura optima: En una estructura de precipitación, la resistencia a la deformación depende, del efecto de blocaje de las partículas precipitadas sobre los planos de deslizamiento. Así el efecto endurecedor será mayor cuanto mayor sea el número de planos que se logre blocar. Dependerá del número de partículas o de la cantidad de elemento precipitado y de su grado de dispersión. El máximo efecto es con la aleación con el máximo de B que pueda contener en dicha solución al solidificar (en las aleaciones Al-Cu será el 5% de Cu) y con la precipitación crítica. Si la dispersión es la que regula la resistencia, dos aleaciones con distinta concentración de B podrán alcanzar igual dispersión e igual resistencia con distintos revenidos. La aleación de mayor concentración de B exigirá un revenido más alto. Para obtener una resistencia determinada el mejor medio es el de emplear una aleación capaz de estructura precipitada, por temple y revenido adecuado y que la que sea capaz de lograrlo con un mínimo de elemento endurecedor. La aleación optima será, pues la que con la precipitación critica nos da la resistencia deseada y tal aleación no solo es la más ventajosa para resistir la fatiga, sino también para la plasticidad, es decir, para resistir efectos enfragilizadores. Tipos de recocido: Recocido de regeneración, Recocido globular, Recocido contra acritud, Recocido de estabilización, Recocido de homogenización.
Metal sobrecalentado y quemado: En ambos casos (metal sobrecalentado y quemado) en especial el quemado, la resistencia y ductilidad del metal bajan considerablemente, y puede decirse que los metales no pueden ser utilizados en semejante estado. El metal sobrecalentado se produce como consecuencia del crecimiento de grano y tiene fácil corrección si el metal presenta transformaciones mediante un recocido de regeneración; de no ser posible para salvar el material se someterá a una deformación plástica que nos permita mediante un recocido contra-acritud provocar la recristalización del metal. El metal quemado no tiene remedio. La quemadura de un metal se produce debido a que por la alta temperatura del calentamiento excesivo se pueden llegar a fundir los contornos de los granos del metal. Ello sucede porque las impurezas de bajo punto de fusión se acumulan en los contornos de los granos.
TRATAMIENTOS MECANICOS Tratamientos en caliente - forja: forja: Es un tratamiento que se realiza a una temperatura por encima de la de recristalización, la forja aumenta la compacidad, mejora la homogeneidad y engendran fibras que le dan al metal propiedades direccionales. Serán forjables los metales, las soluciones sólidas y todas aquellas aleaciones que formen constituyente matriz, no así los compuestos químicos o una eutéctica. Tratamientos en frio: frio: Es un tratamiento que se realiza por debajo de la temperatura de recristalización, en estos trabajos se terminan mejor las superficies y dimensiones de las piezas y además, aumentan su resistencia por acritud, no mejoran por lo demás, las propiedades de los metales.
ALEACIONES HIERRO-CARBONO Aunque el carbono es soluble en el hierro, esta solubilidad es limitada, y varia con la temperatura desde 1.8% de C a 1100°C, hasta hacerse casi insoluble a la temperatura ambiente. El carbono se combina con el hierro, con el que forma una solución sólida llamada austenita, formando un carburo de hierro, denominado Cementita y que contiene un 6.66% de C 4. A su vez, la Cementita y la Austenita forman una eutéctica al 4.3% de C que solidifica a 1100°C y que se denomina Ledeburita. Así las aleaciones se pueden clasificar en dos grandes grupos: las de menos de 1.8% de C, que al solidificarse forman un solo constituyente: la Austenita; y las de más de 1.8% de C, que forman dos constituyentes, la eutéctica Ledeburita con la Austenita o con la Cementita en exceso; las primeras se denominan aceros y las segundas fundiciones.
El hierro y sus transformaciones alotrópicas. El hierro se presenta en dos variedades, la α y la la γ , que se caracterizan por tener estructuras cristalinas, el Feα tiene una estructura cúbica centrada en el cuerpo, y el Fe γ centrada en la cara. La transformación de γ ↔α se desarrolla a la temperatura crítica de 900°C, es decir 909°C en el calentamiento y 898°C en el enfriamiento. Esto define en el acero la solubilidad que tendrá el carbono en relación al del hierro.
Estructuras primarias y secundarias en los aceros La constitución primaria de los aceros es siempre austenita, al enfriarse, y por las transformaciones del hierro y su variación de solubilidad con respecto al carbono, la constitución secundaria de los aceros será: Aceros con menos de 0.88% de C = Ferrita + Perlita (Acero Hipoeutectoide). Aceros con 0.88% de C = Perlita (Acero Eutectoide). Aceros con más de 0.88% de C = Cementita + Perlita (Acero Hipereutectoide).
Diagrama Fe-C (Hierro-Carbono)
Constituyentes del acero Austenita: La austenita es una forma de ordenamiento distinta de los átomos de hierro y carbono. Ésta carbono. Ésta es la forma estable del hierro puro a temperaturas que oscilan entre los 900 a 1400 ºC. Es la forma cúbica centrada en las caras (FCC) del hierro. Ferrita: Hasta los 911 °C, el hierro ordinario, cristaliza en el sistema cúbico centrado en el cuerpo (BCC) y recibe la denominación de hierro α o ferrita. Es un material dúctil y maleable responsable de la buena forjabilidad de las aleaciones con bajo contenido en carbono. La ferrita puede disolver muy pequeñas cantidades de carbono. Perlita: Está constituida por ferrita y cementita en capas superpuestas y alternadas, se obtiene durante el enfriamiento lento de un acero un acero a temperatura eutectoide (punto de fusión mínimo).
Cementita: La cementita se produce por efecto del exceso de carbono de carbono sobre el límite de solubilidad., la estructura cristalina es del tipo ortorrómbica La cementita es muy dura muy dura y frágil, al frágil, al bajar la temperatura del hierro(700ºC), es carbono se pierde en forma de cementita.
Propiedades básicas de los aceros y las fundiciones Los aceros a alta temperatura están constituidos por un solo constituyente, y éste es una solución sólida: la austenita, por tanto susceptible de los fenómenos de recristalización y crecimiento de grano, y en consecuencia, los aceros serán aptos para sufrir la forja. También están los aceros a la temperatura ambiente y en su estado natural están constituidos por dos constituyentes: ferrita y perlita, los hipoeutectoides y cementita y perlita, los hipereutectoides. Los aceros hipoeutectoides son dúctiles, tenaces y con una resistencia mayor siendo mayor la cantidad de carbono que contengan. Los aceros hipereutectoides son duros y frágiles, no siendo adecuados en este estado como material de construcción por su exceso de fragilidad. Las fundiciones son de maneras generales, duras y frágiles y no aptas para la forja. Las fundiciones denominadas fundiciones blancas, no suelen utilizarse por esta gran dureza y fragilidad, que impide incluso su mecanización. La aplicación de estas aleaciones radica en que son muy aptas para su empleo en piezas moldeadas por fundición. La fundición que recibe el nombre de fundición gris, aparece constituida por cementita, perlita y grafito. La fundición gris, aunque posee una dureza inferior a la blanca y es fácilmente mecanizable, no adquiere una gran ductilidad, si bien carece de la perjudicial cementita libre, las láminas de grafito la hacen fácilmente quebradiza. La obtención de una fundición maleable partiendo de una fundición blanda puede lograrse tratando térmicamente a ésta. El tratamiento consiste en muy prolongados calentamientos a temperatura superior a la temperatura de recalescencia. La fundición maleable ferrítica es muy mecanizable, pero para algunos casos, puede resultar excesivamente blanda. La perlítica, menos maleable, es también mecanizable y más dura. El tratamiento de maleabilización se da a las piezas moldeadas constituidas con una fundición de composición adecuada.
Clasificación de los aceros Según el contenido de carbono •
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Aceros Hipoeutectoides. Aceros Eutectoides. Aceros Hipereutectoides.
Según el grado de desoxidación –
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Aceros Efervescentes. Aceros Calmados.
Temperatura crítica de los aceros: Es la temperatura en la cual el acero cambia su estructura cristalina, esa temperatura es de 900°C aproximadamente.
Tratamiento mecánico del acero en caliente o forja La forja es el proceso que modifica la forma de los metales por deformación plástica cuando se somete al acero a una presión o a una serie continuada de impactos. La forja generalmente se realiza a altas temperaturas porque así se se mejora la calidad metalúrgica metalúrgica y las propiedades mecánicas del acero. La forja consiste en calentar el metal por encima de la temperatura de recristalización y deformarlo plásticamente. Se consigue mayor compacidad (se eliminan los defectos superficiales, grietas) y homogeneidad (se reparten uniformemente las impurezas del metal). El metal forjado presenta características direccionales.
TRATAMIENTOS TÉRMICOS DE LOS ACEROS AL CARBONO Recocido: En los aceros, el recocido tiene por objetivo permitir la total y completa transformación de la austenita. Existen muchas modalidades en esta transformación y en los fines buscados por el recocido que da lugar a distintos tipos de recocido.
Recocido de regeneración: regeneración: Tiene por objeto obtener la estructura fina en la ferrita y perlita del acero, lo cual se consigue calentándolo a una temperatura superior y próxima a su punto crítico.
Normalizado: Normalizado: Es el tratamiento consistente en calentar el acero a temperatura ligeramente superior a la del cocido de regeneración que le corresponda (50 a 70°C por encima del punto crítico) y enfriar al aire. Recocido globular : Este tratamiento se utiliza cuando se quiere la mínima dureza y máxima maquinabilidad del acero.
Recocido contra acritud . Recocido de estabilización: estabilización: Su objetivo es destruir totalmente las tensiones internas
existentes en la pieza. Temple: En este tratamiento, se produce una solución sólida denominada martensita; en los aceros el temple por sí solo supone un enorme aumento de dureza y resistencia, sin necesidad del revenido. Revenido: Tiene como objeto fundamental, disminuir la enorme dureza provocada por el temple y además destruir tensiones originadas por el mismo. Acero normalizado: Los aceros normalizados, presentan características de resistencias mayores que los recocidos, y ello es tanto más pronunciado cuanto mayor es la dosificación en carbono. Los aceros en construcción, especialmente los aceros al carbono, cuando no se emplean templados y revenidos, no suelen emplearse recocidos, sino que su empleo más frecuente es normalizado. Curva de la S o diagrama TTT (tiempo, temperatura, transformación): en estos diagramas, se representan unas curvas que señalan los tiempos que tarda un acero austenizado manteniendo la temperatura constante entre la crítica y la ambiente, en empezar y terminar su transformación o descomposición de su Austenita.
El acero óptimo: Es aquel que teniendo el menor carbono, su templabilidad a la máxima severidad del temple admisible, permita un diámetro critico que corresponda al diámetro o espesor de la pieza y que de acuerdo con la condición anterior, en la zona de revenidos no frágiles pueden alcanzar la resistencia deseada. Esto da las mejores características de plasticidad y resistencia a la fatiga.
TRATAMIENTOS ISOTERMICOS Estos tratamientos se basan en provocar la descomposición de la austenita a temperatura constante en lugar de que se realice entre cierto margen de temperaturas. Recocido isotérmico: isotérmico: Consiste en austenizar el acero, lo mismo que para su reconocido normal de regeneración, y en lugar de enfriarlo lentamente hasta la temperatura ambiente, se enfría bruscamente a una temperatura comprendida entre Ar1 y θ 2 (Fig. 85) en la región perlítica de la curva S del acero en cuestión. Tiene la ventaja de producir una perlita más homogénea, y por sobre todo puede hacerse mucho más reducido que el recocido ordinario.
Austempering: Austempering: Consiste en austenizar el acero, calentándolo como para el temple y enfriar bruscamente hasta una temperatura próxima a los 300°C, que corresponde a la zona de bainita inferior del acero, entre θ3 y θ4 de la figura 85, siempre superior a Ms para que no se inicie la transformación martensítica. Este tratamiento, que constituye en realidad un temple-revenido, proporciona propiedades inferiores a las del temple y revenido clásicos, pero la ausencia de deformaciones y de tensiones de temple, lo compensa. Martempering: Suaviza las condiciones del temple normal. Consiste en austenizar el acero de igual manera que para el temple. Se enfría luego bruscamente hasta una temperatura θ5 lo más próxima posible a la Ms, pero superior a ella (Fig. 85) Con este proceso se consigue igualar la temperatura el núcleo y la periferia, con lo que se evita que la reacción martensítica se desarrolle heterogéneamente, y se evita con ello, en gran parte, las tensiones del temple. Un revenido posterior permitirá obtener al acero las propiedades de resistencia deseadas. Este tratamiento es muy eficaz en grandes piezas, que homogeniza y evita tensiones de temple.
ALUMINIO El aluminio es el segundo material más abundante sobre la Tierra, pero hasta fines del siglo XVIII era costoso y difícil de conseguir.
Obtención
Con el desarrollo de la energía eléctrica y se desarrollo el proceso Hall-Heroult, que mediante reducción electrolítica
del Al2O3, se obtiene aluminio liquido que luego ya puede ser industrializado.
Propiedades y aplicaciones del aluminio El aluminio tiene una densidad de 2.70 g/cm3, es decir la tercera parte de la densidad del acero y un módulo de elasticidad de 7 x 10 10 N/m2. Aunque las aleaciones de aluminio tienen propiedades a la tensión relativamente bajas en comparación con el acero, su resistencia específica, es decir, su relación resistencia-peso, es excelente. A menudo se utiliza este metal cuando el peso es un factor de importancia, como aeronaves y aplicaciones automotrices. También responde fácilmente a mecanismos de endurecimiento.
Propiedades físicas: físicas: Alta conductividad eléctrica y térmica Comportamiento no magnético Resistente a la oxidación y a la corrosión. El aluminio no tiene un alto índice de endurecimiento, por lo que finalmente puede ocurrir falla por fatiga incluso en bajos esfuerzos. Debido a su baja temperatura de fusión, no trabaja bien a temperaturas elevadas.
COBRE Y SUS ALEACIONES Cobre refinado electrolítico: Tiene 99.9 % de cobre y 0.04% de Oxigeno. Se emplea como material para techos, remaches y radiadores. Cobre al berilio : Tiene 97.9% de Cobre y 1.9% de Berilio. Se emplean en muelles y diafragmas.
Latón de cartuchería: Tiene 70% de Cobre y 30% de Zinc. Se emplean en componentes de munición. Bronce fosforoso: Tiene 95% de Cobre y 5% de Estaño, además de trazas de Fósforo. Se usan en Fuelles y varillas para soldar. Cobre al níquel : Tiene 70% de Cobre y 30% de Níquel. Se emplean para tuberías de agua salada.
Latón ordinario con plomo: Tiene 67% de cobre, 29% de zinc, 1% de estaño, 3% de Plomo. Elementos de contacto eléctrico, sujeción y contacto de pilas. Bronce estañado: Tiene 88% de Cobre, 2% de Zinc, 10% Estaño y 4% de Hierro. Se usan para hacer cojinetes y forros metálicos. Bronce al aluminio: Tiene 85% de cobre, 11% de aluminio. Se usan en engranajes y asientos de válvulas.
