INTRODUCCION A LA METALURGIA FÍSICA
TABLA DE MATERIAS
Capítulo 1 Generalidades Capítulo 2 Estructura y cristalización de los metales
Capítulo 3 Deformación Plástica Capítulo 4 Recocido y trabajo en caliente Capítulo 5 Constitución de las aleaciones Capítulo 6 Diagramas de equilibrio
Capítulo 7 El diagrama de equilibrio hierro carbono Capítulo 8 el tratamiento térmico del acero
Capítulo I GENERALIDADES 1.1.
Escalas de Temperatura.- La escala de temperatura más utilizada es la escala centígrada, sin embrago en plantas industriales norteamericanas se utiliza la escala Fhrenhert. Para la transformación de las siguientes escalas utilizaremos las siguientes ecuaciones.
MEDIDA DE LA TEMPERATURA La pirometria mide temperaturas elevadas, superiores a los 500ºc y los instrumentos con los pirómetros. La termometría mide temperaturas inferiores a los 500ºc y los instrumentos utilizados son los termómetros. 1.2.
Medición de la temperatura mediante el color.- Se observa una relación entre la temperatura del metal y su color, pero es poco recomendable porque una persona da una estimación y puede variar en el color ya que no sea uniforme, razón por la cual existen errores al determinar la temperatura.
Tabla 1.1. Variación del Calor con la Temperatura Color Temp C Rojo incipiente 520 Rojo sombra 620 Cereza naciente 635 Rojo cereza 700 Rojo cereza claro 800 Naranja sombra 900 Naranja 950 Amarillo 980
Capítulo I GENERALIDADES 1.1.
Escalas de Temperatura.- La escala de temperatura más utilizada es la escala centígrada, sin embrago en plantas industriales norteamericanas se utiliza la escala Fhrenhert. Para la transformación de las siguientes escalas utilizaremos las siguientes ecuaciones.
MEDIDA DE LA TEMPERATURA La pirometria mide temperaturas elevadas, superiores a los 500ºc y los instrumentos con los pirómetros. La termometría mide temperaturas inferiores a los 500ºc y los instrumentos utilizados son los termómetros. 1.2.
Medición de la temperatura mediante el color.- Se observa una relación entre la temperatura del metal y su color, pero es poco recomendable porque una persona da una estimación y puede variar en el color ya que no sea uniforme, razón por la cual existen errores al determinar la temperatura.
Tabla 1.1. Variación del Calor con la Temperatura Color Temp C Rojo incipiente 520 Rojo sombra 620 Cereza naciente 635 Rojo cereza 700 Rojo cereza claro 800 Naranja sombra 900 Naranja 950 Amarillo 980
1.3.
Termómetros metálicos que emplean aparatos de medida.- El bulbo se coloca en el lugar de la temperatura que se desea medir, el tubo en espiral acciona un sistema indicador al variar su forma. El bulbo y el tubo en espiral están unidos por un tubo capilar los cuales están llenos de una sustancia adecuada. Estas se clasifican en: 1. Termómetros de dilatación de líquidos. 2. Termómetros de gas o vapor a presión. El termómetro de dilatación de líquidos está encargado con algún líquido orgánico o mercurio. Al combinar la temperatura del bulbo, el líquido se dilata cambiando la curvatura del tubo en espiral se necesita dotar al termómetro algún sistema de compresión. Mercurio Creosota Alcohol Pentano
-36 a + 510 -80 a + 204 -80 a + 70 -200 a + 30
El termómetro de vapor a presión se encarga con un líquido volátil, en el bulbo siempre debe haber líquido y vapor. Este produce una variación de presión que se transmite en el tubo espiral y señala la temperatura correspondiente en función de la presión del vapor. vapor. Mide temperaturas entre -50 y +250ºc. Los líquidos utilizados son el cloruro de metilo, el éter, el alcohol etílico y el tolueno. El termómetro de gas a presión presión es similar al del vapor, este utiliza nitrógeno en su interior y mide temperaturas entre 268 a +650ºc. 1.4.
Termómetros de resistencia eléctrica.- se basa en el incremento que experimenta la resistencia eléctrica de un conductor metálico al aumentar su temperatura. El conductor está constituido por un alambre metálico de cobre, níquel o platino. platino. El níquel y cobre cobre miden temperatura entre 65 y 260ºc y platino entre -212 y +593ºc. Estos termómetros son muy frágiles.
1.5.
Pirómetros termoeléctricos.- Son utilizados en industrias metalúrgicas para la medida de temperaturas hasta más 1700ºc.
Efecto Peltier.- Se creó una f.e.m., si se establece contacto eléctrico entre dos hilos de metales distintos Efecto Thomson.- Si en dos extremos de un conductor homogéneo hay diferentes temperaturas, entre ellas se crea un F.e.m. 1.6.
Constitución de los termopares.- El temrinal positivo se une al material citado en primer lugar
Chromel – Alumel.- Formado por un hilo de Chromel (aleación compuesta por un 90% de níquel y un 10% de cromo) y otro de Alumel (aleación cuya composición es 94% de níquel, 3% de magnesio, 2% de aluminio y 1% de silicio). La temperatura de medición está comprendida entre 150 y 760º.
Cobre – Constantan.- Difiere ligeramente del anterior y puede contener pequeñas cantidades de hierro y de magnesio.
La
temperatura de medición está comprendida entre -250ºc y 300ºc.
Platino – Platino con 10% de Radio.- Es de las llamadas “metales nobles” y se utiliza en la medición de temperaturas muy elevadas
comprendidas entre 0 y 1650ºc pero el comportamiento en atmosferas reductoras es muy malo, ya que se deteriora rápidamente. 1.7.
Medida de la f.e.m..- La temperatura de la unión caliente se determina midiendo la f.e.m. generada en el circuito. Se puede utilizar un voltímetro o un potencio métrico cuyas escalas pueden estar graduadas en mili voltios o proporcionar directamente las temperaturas.
1.8.
Pirómetros registradores y reguladores.- Al sustituir la aguja de un aparato potencio métrico por una pluma al resbalar ésta sobre un diagrama móvil, obtendremos una representación gráfica de las temperaturas. Cuando se utilizan varios termopares puede utilizarse un solo aparato registrado y regulador de la temperatura.
1.9.
Pirómetros de radiación.- Se basa en fenómenos de relación que exige el conocimiento de lo que se entiende por cuerpo negro. Tiene la propiedad de absorber todas las radiaciones que recibe y emite más energía que ningún otro cuerpo a la misma temperatura.
W = Kr4
W = energía emitida por el cuerpo negro K = constante de proporcionalidad T = temperatura absoluta del cuerpo Si se mide la temperatura aparente de los cuerpos reales, el valor que se obtiene es siempre inferior a la temperatura verdadera. 1.10. Pirómetros ópticos.- constituyen el fundamento de los pirómetros de radiación. Se compara la intensidad luminosa del cuerpo cuya temperatura se quiere medir con la emitida por una fuente luminosa de características conocidas que se utiliza como referencia. El más utilizado en la industria es el de desaparición del filamento, consta de dos partes principales un anteojo y el sistema de alimentación. El cuerpo de aplciacion de estos pirómetros están comprendidos entre 750 y unos 1300ºc. No es recomendable sobrepasar la temperatura de 1300ºc ya que puede destruir el filamento y una luz excesivamente brillante que puede afectar al ojo. Los pirómetros ópticos y de radiación ofrecen ciertas ventajas:
Medición de altas temperaturas.
No requiere un contacto mutuo con el cuerpo
Mide temperaturas de cuerpos pequeños o en movimiento.
Ninguna parte está expuesta a los efectos destructivos del calor.
Los inconvenientes que producen:
Pueden introducirse errores en la medición de temperaturas.
La presencia de gases y el humo entre el observador y el cuerpo, puede dar errores en la medición.
METALOGRAFÍA 1.11. Introducción.- Se estudia mediante el microscopio las características de la estructura de un metal o aleación.
Mediante el microscopio puede
determinarse el tamaño de gramo y el de forma y distribución de las
diversas fases e inclusiones, características relacionadas con las propiedades mecánicas de los metales. 1.12. Obtención de la muestra.- La muestra debe tomarse de una zona lo más próxima posible al punto en que se ha producido el fallo y compararla posteriormente con otra obtendrá en una sección normal. 1.13. Desbaste.- El tamaño de la muestra, siempre que se pueda, debe ser tal que su manejo no encierre dificultad. Cuando el metal se blando, se utiliza una lima mediante un movimiento de vaivén, sin hacer mucha presión. Cuando se un metal duro o blando se puede utilizar lijas pero frecuentemente enfriándola con agua para que no se caliente. El desbaste se encarga de que no haya irregularidades en el material. 1.14. Muestras embutidas.- Consiste en montarla o embutirla en una pastilla, se utiliza Baquelita o Lucite (resina) termoplástica, debe ser transparente para observar la forma y estado de la muestra. 1.15. Pulido intermedio.- Pule el conjunto utilizando una serie de papeles de esmeril de grano cada vez más fino. El primero que se utiliza son los números 1/0 2/0 y finalmente 3/0. Algunas veces las muestras se pulen con 4/0 Este pulido se efectúa en seco o se utiliza cierto lubricante para evitar el calentamiento.
1.16. Pulido fino (afino). - Se efectúa sobre un plano horizontal giratorio cubierto con un paño especial sobre el cual se pulveriza polvo de abrasivo, tamizado, en suspensión de agua destilada; las abrasivas que se utilizan son el polvo de diamante, el óxido de magnesio, de óxido de cromo y la alumina. El paño suele ser de lana, fieltro y la lana. No deben existir rayas y se consideraría como el paso final. 1.17. Ataque.- El objeto es desarrollar la microestructura para poderlo observar al microscopio. Se efectúa por métodos de reactivos químicos y debe
hacerse uso del más conveniente según la naturaleza del metal o aleación y la estructura específica que se desea observar (Fig. 9). 1.18. Microscopios metalográficos. - La observación no es posible efectuarla por transparencia, debiendo efectuar por medio de la luz incidente, el hoz de rayas precedente de una fuente luminosa llega a un vidrio plano el cual lo refleja enviándolo a través de los lentes que constituyen el objetivo del microscopio sobre la superficie de la muestra, como indica la figura 1.10. La figura 11ª. Muestra un microscopio metalográfico de mesa.
El
microscopio de mesa puede utilizarse también para la obtención de metalografías, adaptándole una cámara fotográfica en el ocular. Para esta finalidad se emplean los bancos metalográficos como se indica en la figura 11b. 1.19. Dureza.- La medición de la dureza constituye uno de los medios más utilizados por su rapidez y sencillez, para la inspección y control de un determinado material o procesos de fabricación, hay que tener en cuenta que los tratamientos térmicos y los trabajos en caliente modifican la dureza. Los métodos para medir la dureza: 1. Los que miden la dureza elástica. 2. Los que miden la resistencia que oponen los cuerpos, el corte o a la abrasión. 1.20. Dureza elástica.- Se mide mediante el escleroscopio Fig. 13, permite medir la altura de rebate de un pequeño martinete que lleva en la punta diamante, al caer desde una altura determinada sobre la superficie que se va a ensayar. Consta de un cuadrante indicador en el que automáticamente queda registrada la altura de rebote de martillo. En la posición inicial del martinete posee cierta energía potencial, al accionar el aparato, el martinete cae y la energía potencial va transformándose en energía cinética hasta el momento de medir sobre la superficie cuya dureza se va a medir. 1.21. Resistencia al corte o a la abrasión.- resistencia al rayado. Este ensayo fue establecido por Friedrich Mohs, fijó una escala de 10 minerales de dureza creciente. El número 1 es el talco, el 2 el yeso hasta el 9 el zafiro o corindón y el 10 diamante, la dureza está comprendida entre 5 y 6.
Ensayo de la lima. Este ensayo es comparativo y los resultados que se obtienen dependen del tamaño, forma y dureza de la lima. 1.22. Resistencia a la penetración.- consiste en aplicar y comprimir progresivamente sobre la probeta, bajo la acción de una carga estática conocida, un penetrador de forma determinada, la dureza se expresa de acuerdo con el ensayo efectuado, mediante un número que es inversamente proporcional a la profundidad de penetración para unas condiciones de carga medida que ha actuado sobre la superficie de penetración.
Ensayo Brinell.- Consiste normalmente en una prensa hidráulica vertical de accionamiento manual, cuyo objeto es efectuar una presión determinada sobre la bola, aplicada sobre una superficie plana y lisa del material a ensayar. El diámetro de la bola es 10mm y la presión que ejerce de 3000ly para materiales férricos y 500ly para los materiales no férreos.
BHN = √
Ensayo Ropcicwell.- Se basa en la resistencia que oponen los materiales a ser penetrados por un cuerpo más duro. Se coloca la pieza sobre el soporte de la máquina y se gira el tornillo elevando la pieza y comprimiéndolo contra el penetrador hasta que se haya aplicado el metal una carga fija poco elevada. Existe dos clases de máquinas Rockwell, uno normal de la cual la carga es pequeña de 10Kg, y la rockwell superficial para un ensayo de presas sumamente delgadas y que trabaja con una carga pequeña de 3Kg .
Ensayo Vicicers.- Se emplea como cuerpo penetrador un diamante tallado en forma de pirámide cuadrangular de 136” entre caras y
normalmente se utilizan cargas variables de 1 a 120Kg, la distancia entre índices, se mide por medio de un tornillo micrométrico graduado en milésimos de milímetro, conocida la longitud de la
diagonal, la dureza se obtiene directamente en una tabla aplicando la fórmula: DPH=
L= carga aplicada en kilogramos D= longitud de la digonal de la huella
1.23. Precauciones para hacer el ensayo Estado del penetrador.- La esterilidad de la bala debe comprobarse frecuentemente y desechar aquellas que presenten la más mínima deformación. Exactitud de la carga aplicada.- Si las cargas que se aplican no son mayores que los indicados, los resultados que se obtengan, no ofrecen niguna garantía de exactitud. Aplicación rápida de la carga.- Causa el deterioro de los penetradores de diamante. Se recomienda utilizar amortiguadores de aceite que aseguren funcionamiento suave. Estado de la superficie de la probeta.- Esta superficie debe ser plana y corresponder a una zona de material sano. Espesor de la probeta.- esta superficie debe ser plana y corresponder a una zona de material sano. Forma de la probeta.- cuando la probeta sea larga, debe sujetarse de manera adecuada para evitar que bascule. Cuando es cilíndrico hay que aplanar una de sus generatrices y asentarlo en un prisma en V. Tabla 15. 1.24. Ventajas e inconvenientes de los distintos tipos de ensayos .- El procedimiento Brinell presenta el inconveniente de que el tamaño siempre grande de la huella limita su empleo a probetas grandes. El ensayo rockwell es rápido y sencillo de realizar. El ensayo vicicers tiene la ventaja de que pudiendo ser empleados con varios cargos puede, reducirse mucho la penetración de la huella. 1.25. Equivalencia entre las diversas cifras de dureza.- Son aplicables al acero que se han obtenido tras numerosos ensayos de dureza realizados con
aceros de carbono y aleado, principalmente después de haber estado sometido a un tratamiento térmico. 1.26. Tensiones y deformaciones.- Se conoce como tensión total a la resistencia interna total que ofrece una sección del cuerpo, la determinación o alargamiento total en cualquier dirección es la venación total que han experimentado las dimensiones del cuerpo en dicha dirección. 1.27. Ensayo de tracción.- Es más utilizado después del ensayo de dureza, para determinar algunas características mecánicas de los metales y aleaciones. El ensayo se realiza mediante dispositivos mecánicos o hidráulicos que permiten aplicar una carga axial sobre una probeta de forma y dimensiones, colocada entre las mordazas de la máquina de tracción. La relación entre los valores de la tensión unitaria y del alargamiento unitario diviendo este valor por la longitud inicial de la probeta, representado en la figura 1.15 y 1.16. 1.28. Resultados del ensayo Límite de proporcionalidad.- En muchos casos ocurre que en la primera zona del diagrama se obtiene una línea sensiblemente recta como se observa en la figura 1.15.
En esta zona los alargamientos son
proporcionados a las tensiones de tal modo que ha incrementos también iguales del alargamiento. Límite elástico.- Puede definirse como la tensión máxima, que al cesar de actuar no produce deformaciones permanentes en el material. En mayor parte de los materiales, el límite elástico y el de proporcionalidad tienen valores casi iguales. Punto de fluencia.- Es la tensión, superior al límite elástico, a partir de la cual el alargamiento crece sin que se haya aumentado la carga, no se presenta en todos los materiales sino solamente en algunos dúctiles. Límite de fluencia o límite práctica de elasticidad.- Se define como la tensión para la cual las determinaciones permanentes son superiores a cierta medida de longitud de la probeta. El valor que generalmente se fija a la determinación permanente se encuentra comprendido entre el 0,1 y el 0,2% de la longitud de la probeta
Carga máxima o resistencia a la tracción.- Es el valor máximo que suele adquirir la tensión, considerando el arco de la sección recta inicial. Carga de rotura.- Se obtiene dividendo la carga que en dicho momento actúa sobre el material por el área de la sección recta original y tiene siempre un valor inferior al de la carga máxima. Ductilidad.- es la cantidad de deformación que es capaz de sufrir antes de la rotura. Alargamiento.- se marcan sobre la probeta antes de comenzar el ensayo, unos trazos a cierta distancia midiéndose después del ensayo la distancia alargada. Alargamiento (por ciento)=
* 100
Li = Longitud final entre trazos Lo = Longitud inicial entre trazos Estricción.- Se determina midiéndose el área de la mínima sección recta, obtenido uniendo las dos mitades de la probeta y empleando la formula. Estricción por ciento =
* 100
Ao = Área de la sección recta original A1 = Área de la sección recta final Módulo de elasticidad o módulo de Young.- Se obtiene midiendo la pendiente de la parte incial
rectilinea del diagrama tensiones –
alargamientos o la tangente del ángulo.
1.29. Curva de tensiones – alargamientos verdaderos.- El valor real se obtendría dividiendo la carga aplicada por el área que tiene la sección recta en el momento de aplicación de la carga y el alargamiento real sería el cociente entre el incremento de longitud y la longitud de la probeta antes de la aplicación de la carga. Fig. 1.18. proporciona una valiosa información sobre las deformaciones plásticas y fracturas de los metales. 1.30. Resiliencia y Tenacidad.- El área encerrada bajo la curva en la zona delas deformaciones elásticas nos mide la energía por unidad de volumen que
puede absorber el material sin que se produzcan deformaciones permanentes. Este valor se denomina módulo de resiliencia, la tenacidad se define como la energía. 1.31. Ensayo de choque.- El ensayo de choques proporciona resultados que constituyen un buen término de comparación para juzgar acerca de su tenacidad. 1.32. Ensayo de fatiga. - son de tipo dinámico y sirven para determinar el comportamiento de los distintos materiales cuando están sometidos a la acción de esfuerzos repetitivos Fig. 120 muestra los gráficos de fatiga de un acero tratado térmicamente y de una aleación de aluminio, los ensayos de fatiga son utilizados para determinar la influencia que en la resistencia que a la fatiga puede tener la corrosión, el grado de acabado superficial, la temperatura, el tamaño y la concentración de tensiones. 1.33. Ensayos de fluencia lenta (LICEP). - Sirven para determinar el aumento de deformación de un material a elevada temperatura cundo está sometida a una tensión inferior a l límite de fluencia.
2. Capitulo 2 ENSAYOS NO DESTRUCTIVOS 2.1.
Introducción.- Son útiles en la localización de defectos en las piezas que ueden dar lugar a posibles fallas en servicio, los ensayos de mayor utilización son:
2.2.
El examen radiográfico
La inspección por medio de partículas magnéticas
La inspección mediante líquidos penetrantes
La inspección por ultrasonidos
El examen radiográfico.- Se puede utilizar los rayos X o los rayos gumma, la radiación gumma tiene una mayor penetración que los rayos X, pero su aplicación está más restringida al ser menor su sensibilidad. Los rayos X se generan al chocar un chorro de electrones de gran velocidad contra un obstáculo.
Una radiografía no es sino la fotografía obtenida por la
transparencia del objeto a reconocer, algunas zonas aparecen ennegrecidas según la intensidad según la intensidad de rotación que reiben.
2.3.
La inspección por medio de partículas magnéticas.- Se utiliza para la detección de grietas, pliegues, hojas, costuras, inclusiones y defectos similares e los materiales ferromagnéticos, especialmente con el hierro y el acero.
2.4.
La inspección mediante líquidos penetrantes.- Se emplea la detección de discontinuidades superficiales, de tamaño muy pequeño, tales como grietas, arrugas y poros en materiales no magnéticos.
2.5.
La inspección por ultrasonidos.- Las frecuencias más utilizadas varían de 1 a 5 millones de ciclo por segundo.
El detector supersónico llamado
reflectoscopio consta de un circuito eléctrico, genera una corriente de frecuencia muy elevada que se aplica a un cabezal explorador. Se utilizan para detectar y localizar rechupes, roturas o grietas interiores puras o inclusiones no metálicas de gran tamaño. Observase las figuras 1.26. y 1.27.
Introducción . La materia está compuesta de cuerpos simples, denominados elementos químicos, que son las partículas más pequeñas, diferenciadas entre sí por su actividad química y propiedades físicas. A su vez los elementos consta n de partículas muy pequeñas llamadas átomos, los cuales poseen una estructura característica, distinta en cada cuerpo simple.
Estructura del átomo. Los átomos de todos los cuerpos están constituidos por electrones, protones y neutrones, estando concentrada casi toda su masa en el núcleo, el cual contiene los protones y los neutrones. El diámetro del núcleo es
, magnitud muy pequeña si se compara con el diámetro del átomo, el cual es del orden de . Por consiguiente, el átomo está del orden de
cargado positivamente por u n número de electrones que giran a su alrededor y contrarrestan la carga nuclear, para que el átomo sea eléctricamente neutro debe contener el mismo número de protones que de electrones. Los electrones están distribuidos en capas u órbitas energéticas, estando animados simultáneamente de un movimiento de rotación alrededor de su eje. Cada capa no puede contener más que un número determinado de electrones, el cual, como máximo, es de
, siendo n el número de orden de la capa.
De ellos, n es el número quántico principal que define el nivel energético principal o
energía total del electrón en un estado particular. El segundo número quántico da la
medida del momento cinético del electrón. Los diversos valores de
se
. El número quántico determina el momento magnético del electrón, toma un valor entre , incluido el cero. El número cuántico , que expresa el sentido de rotación del electrón y puede tomar los valores — . representan por las letras
Sistema periódico de los elementos. La tabla periódica constituye una referencia valiosa para el estudio de nuevas aleaciones que deban cumplir unas condiciones específicas. Como los elementos pertenecientes al mismo grupo tienen distribuciones electrónicas similares, muchas veces pueden remplazarse algunos componentes de las aleaciones por otros elementos pertenecientes al mismo grupo. La cantidad de capas de un átomo depende de su número total de electrones como por ejemplo el número máximo de electrones que puede contener la primera capa principal
es 2, la segunda capa tiene un número máximo de 8 electrones, la tercera capa con 18 electrones,etc. Los electrones situados en las capas no saturadas se denominan electrones de valencia, y a ellos se debe en gran parte el comportamiento químico del elemento.
Estos elementos se denominan elemento de transición y tienen todos valencia variable, lo que implica que en estos elementos, las energías ce los electrones situados
son ligeramente superiores a la que poseen los que se encuentran en el nivel . en el nivel (
Isótopos .
Los núcleos atómicos de algunos elementos presentan la particularidad de
contener un número de neutrones superior o inferior al normal, lo cual produce una variación del peso atómico, sin que el número atómico sufra ninguna modificación. Así por ejemplo, el deuterio, un isótopo del hidrógeno, contiene en su núcleo un neutrón y un protón, por lo que su
peso
atómico es el
doble
del correspondiente al átomo de hidrógeno
normal, sin que su comportamiento químico se altere. El deuterio es el material de partida para la obtención del agua pesada.
Clasificación de los elementos. Una primera clasificación de los elementos químicos los agrupa en metales, metaloides y no metales. Los elementos que integran el grupo de los metales poseen ciertas propiedades especiales, que por ser peculiares de ellos han venido a denominarse propiedades metálicas, y entre las que podemos citar:
1) Su existencia en el estado sólido bajo forma cristalina.
2) Sus conductividades térmica y eléctrica relativamente altas. 3) Su capacidad para deformarse plásticamente. 4) Una reflectividad de la luz relativamente elevada (brillo metálico). Los metaloides participan de algunas propiedades de los metales y de otras de los no metales. Generalmente poseen una conductividad pequeña, si bien su plasticidad es nula o muy pequeña. Entre los metaloides, podemos citar, carbono, boro y silicio. El resto de los elementos, los gases nobles, los cuerpos del Grupo V I I B, y N, O P y S, ,
pertenecen al grupo de los no metales.
El enlace atómico. Los cuerpos pertenecientes al estado sólido pueden agruparse en dos categorías distintas: * Los sólidos verdaderos los cuales presentan una determinada ordenación geométrica
de sus átomos y moléculas que confiere a sus estructuras el carácter de cristalinas*L os amorfos que no presentan una ordenación regular de sus moléculas, sino que la distribución de éstas responde a las leyes del azar, tal como ocurre en el estado líquido. Estos materiales no son propiamente sólidos sino más bien líquidos superenfriados. Existen cuatro tipos posibles de enlace: 1.
Enlace iónico
2.
Enlace covalente u homopolar
3.
Enlace metálico
4.
Enlace debido a fuerzas de Van der Waals.
1. Enlace iónico . Los elementos a los que les sobra un electrón, tenderán a cederlo con objeto de contar con una rapa saturada, la cual, tras la cesión de ese electrón, será la más exterior. Al ceder un electrón, el átomo queda con más protones que electrones, originándose un ion positivo.
2.
Enlate covalente.- Los átomos de algunos elementos alcanzan una configuración electrónica estable, compartiendo uno o más electrones de
su capa cortical con otros átomos contiguos. Esto da lugar a un fuerte enlace entre los átomos, debido a la atracción que ejercen los núcleos positivos sobre los electrones compartidos. Así, en el caso del diamante, cada átomo de carbono aparece ligado a sus cuatro vecinos, con cada uno de los cuales comparte dos electrones.
3.
Enlace metálico .- Se caracteriza porque los electrones de valencia son compartidos por más de dos átomos. Este enlace puede realizarse porque cada uno de los átomos del metal se desprende de sus electrones de valencia, los cuales dan lugar a la formación de una ''nube" de electrones. En la estructura metálica, los átomos de un mismo metal no pueden ser enlazados si mplemente por enlaces iónicos u homopola res, ya que para que se verificara el primero tenían que existir iones con carga opuesta, y para que se realizara el segundo, existir un número suficiente de electrones de valencia. El enlace metálico se puede considerar como un enlace cova lente extendido a gran número de átomos.
4.
Fuerzas de Van der Waals .- Este tipo de enlace es característico de los átomos neutros, y así resulta la única fuerza de enlace que reúne entre sí los átomos de los gases nobles. Cuando los átomos se aproximan, los centros de las cargas positivas y negativas se separan, engendrándose una débil fuerza atractiva entre ellos. Estas fuerzas se ponen de manifiesto únicamente a bajas temperaturas, ya que solo entonces las fuerzas de atracción, aunque débiles, pueden vencer la agitación térmica de los átomos.
ESTRUCTURA DE LOS METALES Diámetro atómico.- Cuando dos átomos metálicos se aproximan, la energía interna varía bajo la acción de dos fuerzas opuestas, una de atracción entre los electrones y ambos núcleos positivos, y otra de repulsión entre los núcleos positivos así como ta mbién entre los electr ones. La primera tiende a disminuir el valor de la energía interna, y la segunda a aumentarlo. Para un determinado valor de la distancia interatómica, ambas fuerzas se equilibran, adquiriendo la energía interna total
un
valor mínimo correspondiente a la posición de
equilibrio. La separación de equilibrio
varía para cada elemento.
Estructura cristalina.- En el estado sólido, los átomos acusan cierta permanencia de posi ciones que da lugar a la formación de cristal es. Sin embargo, los átomos no permanecen fijos en sus posiciones sino que oscilan alrededor de ellas, estableciéndose un equilibrio dinámico. Al agruparse los átomos ordenadamente en el espacio, podemos considerar que determinan una red tridimensional llamada red espacial, obtenida al unir todos los átomos entre sí mediante rectas imaginarias y que el cristal está constituido por una serie de células o celdillas iguales, de simetría igual a la del cristal. La menor de estas células se denomina celdilla unitaria o fundamental, la cual, en cada metal, viene definida por los parámetros a, b, c, que indican la longitud de sus aristas y por los ángulos
(formado por b y c), (formado por a y c); y (formado por a y b).
Existen solamente 14 tipos de redes especiales pero las redes espaciales con que normalmente nos encontramos son: *La b.c.c. (cúbica centrada en el cuerpo o de cuerpo centrado). *La f.c.c. (cúbica centrada en las caras ). *La c.p.h. (exagonal compacta).
Red cúbica de cuerpo centrado .-Si átomos se representan por esferas, el átomo central toca a los que ocupan los vértices del cubo, pero éstos no se tocan entre sí. Como los átomos de los vértices son compartidos entre las ocho celdillas vecinas, y el del centro pertenece por entero a la celdilla que estamos considerando, el número de átomos que contiene la celdilla unitaria de la red b.c.c. es: 8 átomos en los vértices x 1/8 = 1 átomo 1 átomo en el centro =1 átomo Total = 2 átomos
Red cúbica de caras centradas. En esta configuración los átomos pueden considerarse como situados uno en cada vértice del cubo y otro en cada cara, no existiendo ninguno en el centro del cubo. Los átomos de cada cara son tangente a los situados en los vértices de dicha cara. Como los átomos de los vértices pertenecen a los ocho cubos que existen alrededor de cada vértice, y los de las caras, a los dos cubos de la red que tengan esa cara común, el número real de átomos que contiene la celdilla fundamental es: 8 átomos en los vértices x 1/8=1 átomo 6 átomos en el centro de las caras x 1/2 = 3 átomos Total = 4 átomos
Agrupación exagonal compacta. En este tipo de red los átomos se hallan distribuidos en los vértices de un prisma exagonal y en el centro de las bases del mismo, existiendo además otros tres aromos que se sitúan en los centros de los prismas triangulares alternativos en que puede descomponerse el prisma exagonal.
La repetición paralela de este prisma exagonal no nos permite obtener el conjunto de la red, ya que la verdadera celdilla fundamental de la red exagonal es solamente la porción representada por la línea gruesa. Por tanto, el prisma exagonal contiene dos celdillas fundamentales completas y dos medias celdillas. Considerando únicamente la celdilla fundamental, es difícil llegar a comprender por qué a este tipo de red se le denomina exagonal. Para ello hay que demostrar que si se agrupan paralelamente cierto número de celdillas unitarias, de una manera similar a como se encuentran dispuestas en la red espacial, se obtiene un prisma exagonal.
Tabla 2.7 Valores correspondiente correspondientess a las propiedades físicas de algunos algunos elementos
Densid Punt Metal
ad a 20 o de Punto de Estructur
Parámetr
Símb
ᵒC
fusió
Ebullició
a
o de la distancia
olo
En
n
n
Cristalina red
G por cm3
ᵒC
ᵒC
Mínima interatómic
angstrom
a
s
angstroms
Aluminio
Al
2,6994
660,2
2450
f.c.c.
4,0491
2,862
Antimoni
Sb
6,6169
630,5
1380
Romboédr
4,5065
2,904
a=2,2858
2,221
o
ica
Berilio
Be
1,8550
1277,
2771,1
C.p.h
1
Bismuto
Bi
9,8008
271,3
c=3,5842 1,560
Romboédr
4,7457
3,111
a=2,9787
2,972
ica
Cadmio
Cd
8,6657
320,9
765
C.p.h.
c=5,617
Carbono
C
2,2426
(grafito)
3726,
4832,2
Hexagonal
7
a=2,4614
1,42
c=6,7041
Cromo
Cr
7,1984
1,875
2,665
b.c.c.
2,884
2,498
Cobre
Cu
8,9703
1,083
2,595
f.c.c
3,6153
2,556
Oro
Au
19,
1,063
2971,1
f.c.c
4,078
2,882
1536,
2998,9
b.c.c
2,8664
2,4824
327,4
1,725
f.c.c.
4,9489
3,499
650
1,107
C.p.h
a=3,2088
3,196
3248
Hierro(
Fe
7,8626
5
Plomo
Pb
11,343 0
Magnesio
Mg
1,7387 1,7387
c=5,2095
Manganes Mn
7,47 7,4752 52
1,24 1,245 5
2148 2148,9 ,9
Cubi Cubica( ca(co co
8,91 8,912 2
2,24 2,24
o Molibden
mpleja) Mo
o Níquel
10,216
2.610
5,560
b.c.c
3,1468
2,725
1452,
2731,2
f.c.c
3,5238
2,491
4529,4
f.c.c
3,9310
2,775
2682,2
Cubica(Di
5,428
2,351
1 Ni
8,9149
8
Platino Silicio
Pt
Si
21,456
1769,
6
4
2,3256
1,410
amantina)
Plata
Ag
10,493
960,5
2,210
f.c.c.
4,086
2,888
231,9
2271,1
b.c.tetrago
a=5,8314
3,016
nal
c=3,1815
C.p.h
a=2,9503
0
Estaño Titanio
Sn
Ti
7,3008
4,5405
1668,
3,260
3
Tungsten
W
o Vanadio
19,297
2,91
c=4,683
3,410
5,930
b.c.c.
3,1585
2,734
1898,
3398,9
b.c.c.
3,039
2,632
906,1
C.p.h.
a=2,6649
2,6648
1 V
6,0910
9
Zinc
Zn
7,1430
419,4
c=4,9470
2.16. Polimorfismo y alotropía. El polimorfismo es la propiedad que presentan algunos materiales de existir en estado sólido en distintas redes espaciales. Si estos cambios de estructura son reversibles, la transformación polimórfica se denomina
alotropía. Por lo menos quince metales presentan esta propiedad, y de ellos el ejemplo más conocido es el del hierro. Cuando el hierro cristaliza a 1537ᵒ 1537 ᵒC lo hace según una red cubica centrada en el cuerpo, a 1400ᵒ 1400 ᵒC la estructura de la red cambia a cubica centrada en las caras, y a 910ᵒ 910 ᵒC, vuelve a cambiar adoptando nuevamente la estructura cristalina centrada en el cuerpo.
2.17. Planos Cristalográficos. Una red especial puede considerarse descompuesta por infinitos números de planos que pasan por los centros de todos los átomos de la red.
Estos sistemas de planos se denominan
Planos atómicos o cristalográficos. La relación
de estos planos con los ejes de las celdillas fundamentales se indica mediante los índices de Miller. En la Fig. 2.11. que representa la celdilla fundamental de la red cubica, el plano rayado BCHG corta al eje Y a la distancia unidad del origen, y es paralelo a los ejes X y Z, o lo que es lo mismo, los corta en el infinito. Por tanto:
Punto de intersección
X
Y
Z
∞
1
∞
⁄
Valores Inversos Índices de Miller
0
⁄ 1
⁄ 0
Los índices de Miller del citado plano son, por tanto, (010). Cuando el plano corta alguno de los ejes de referencia de la celdilla fundamental en sus prolongaciones, se establece en la notación un índice negativo que expresa tal hecho, tal como (hkl). Por ejemplo, los índices de Miller del plano ADEF que pasa por el origen de coordenadas (punto A), no pueden determinarse sin realizar previamente un cambio de origen. Esto no encierra ninguna dificultad ya que cualquier vértice del cubo puedo tomarse como origen. Si se tratara de determinar los índices de Miller del plano BDH Fig: 2.11. La marcha a seguir seria:
Punto de intersección
X
Y
1
1
⁄
Valores Inversos Índices de Miller
1
Z
⁄ ⁄
⁄ 1
2
Si los índices de Miller que se obtienen son números fraccionarios, se reducen estas fracciones a común denominador, tomándose como índices de Miller los numeradores.
Fig. 2.11 Determinación de los índices de Miller. Los planos rayados son los (010) y (112)
Todos los planos tienen los mismos índices de Miller. Cuando tales índices se encuentran encerrados en un paréntesis, significa que corresponden a un plano en particular o a un sistema de plano paralelos; en cambio, los corchetes indican una familia de planos de la misma “Forma”.
Fig. 2.12 Proyección de la red sobre un plano perpendicular al eje Z en la que se indica el espacio entre los planos. Los círculos en negro se suponen que se encuentran en el plano del dibujo Los inversos no se utilizan para determinar los índices de una dirección. Para tener una idea aproximada de la densidad atómica de los distintos planos, ósea de los números de átomos contenidos en cada plano, consideremos una celdilla fundamental de cada una de las estructuras b.c.c. y f.c.c. suponiendo que los átomos ocupan los nudos de la red, el número de átomos en los distintos planos serian:
Plano
b.c.c.
f.c.c.
(100)
4
5
(110)
5
6
(111)
3
6
(120)
2
3
(221)
1
1
Fig. 2.13. Espacio entre los planos del sistema (111) en una estructura (a) b.c.c. y (b) f.c.c.
En una estructura cristalina se puede considerar un número infinito de plano, pero la mayoría de ellos son construcciones geométricas y no tienen ninguna importancia práctica. Dado que un sistema de planos paralelos debe contener la totalidad de los átomos, los planos de mayor importancia son aquellos que tienen una densidad atómica elevada y la mayor distancia interplanar.
Cristalización 2.18
Estados de la Materia.
La materia puede presentarse en cualquiera de los
tres estados, perfectamente diferenciados, gaseoso, líquido y sólido.
El estado gaseoso
se caracteriza porque los átomos del metal ocupan un volumen considerable, debido a la rapidez del movimiento de que están animados. En este estado, los átomos se hallan pues en continuo movimiento y describen trayectorias arbitrarias, durante las cuales chocan entre sí y con las paredes del recipiente que los contiene. En el estado gaseoso, los átomos se mueven con completa independencia unos de otros, por lo general, las distancias que los separan son muy grandes, por lo que las fuerzas de atracción entre ellos son despreciables. De todo ello se deduce que en un gas, los átomos están en completo desorden.
Conforme se enfría el gas, la energía cinética de los átomos disminuye hasta que llega un momento en que las fuerzas de atracción dejan sentir su acción y la mayoría de los átomos se agrupan dando lugar a la aparición del
Estado Líquido. No todos los átomos
pasan a formar parte de él. Algunos permanecen en el vapor situado sobre el líquido, existiendo un intercambio continuo de átomos a través de la interface liquido – vapor. Los gases pueden comprimirse fácilmente, reduciéndose notablemente el volumen que ocupan, pero para comprimir un líquido se requieren presiones sumamente elevadas.
Fig. 2.14 Representacion esquemática de una estructura (a) cristalina y (b) de un liquido. El área ABCDE presenta la misma ordenación en el liquido y en el cristal.
Sin embargo, en el estado líquido la separación de los átomos les permite todavía una amplia libertad de movimientos. Conforme disminuye la temperatura de un líquido, la energía cinética de los átomos va siendo cada vez menor y, por tanto, las fuerzas de atracción originan el agrupamiento de los átomos hasta que, finalmente, el líquido se solidifica. La mayoría de los materiales al solidificarse experimentan una concentración de volumen, lo que indica una separación menor entre los átomos en el estado sólido.
En este estado los átomos no permanecen en reposo sino que vibran alrededor de sus posiciones de equilibrio, dando lugar a la disposición ordenada de las estructuras cristalinas explicadas anteriormente.
2.19. Mecanismo de la Cristalización.
Se entiende por cristalización el paso del
estado líquido al estado sólido, el cual se realiza en dos fases:
1.
Formación de los Núcleos.
2.
Crecimiento de los Cristales.
Aunque en el estado líquido los átomos no tienen una distribución ordenada definida, puede ocurrir que, en un instante cualquiera, algunos de ellos se agrupan ocupando posiciones muy similares a las que les corresponden en la red espacial que se forme al solidificarse el líquido. Fig. 2.14 A medida que disminuye la temperatura del líquido, los átomos pierden libertad de movimiento, lo que da lugar a un aumento de la vida del grupo, coexistiendo al mismo tiempo un número mayor de ellos.
Fig. 2.15 Curva de enfriamiento de un metal puro. La curva ABDE corresponde al enfriamiento ideal y la ABCDE a la real
En cualquier material los átomos poseen energía cinética y potencial. La primera es en función de la velocidad con que se mueven los átomos y dependen solamente de la temperatura. Al crecer esta aumenta la actividad de los átomos y, por consiguiente, su energía cinética. En cambio la energía potencial depende de la separación entre los átomos. Cuanto mayor es la distancia media interatómica, mayor será la energía potencial que poseen los átomos. La energía cinética de los átomos pertenecientes al estado líquido y la de los que se encuentran en el estado sólido tienen que ser la misma, pero no así las energías potenciales que difieren notablemente debido a que en el estado sólido, las distancias interatómicas son menores que en el estado líquido, por lo que la solidificación de los líquidos va acompañada de un desprendimiento o cesión de energía. La diferencia entre las energías potenciales de ambos estados se denomina
calor
latente de fusión. Cuando la temperatura del metal liquido disminuye lo suficiente por debajo del punto de solidificación, se forman espontáneamente es distintos puntos del líquido, agrupaciones o núcleos estables.
Fig. 2.16 Crecimiento de las dentrinas en el magnesio liquido
Estos núcleos, que son porciones de líquidos solidificadas, actúan como gérmenes de cristalización. A medida que continúa el enfriamiento, se solidifican más átomos, los cuales se agregan a los núcleos ya formados o constituyen nuevos núcleos de cristalización. Este proceso de solidificación da origen a una estructura característica de tipo arborescente denominada
detrítica, recibiendo estas arborescencias el nombre de
dendritas, (Fig. 2.16). Como los núcleos se crean de forma arbitraria, la orientación de los ejes cristalográficos también presentara el mismo carácter, y las dentritas que en ellos se formen tendrán direcciones diferentes en cada cristal. Al interferirse el crecimiento de unos granos con los de otros, se crean unas zonas de contacto entre ellos llamados Contorno de grano , caracterizados por su irregularidad.
Fig. 2.17 Representación esquemática del contorno de grano entre dos cristales. Los átomos rayados son los que forman el material de unión entre los cristales.
2.20 . Imperfecciones en los Cristales.
Resulta instructivo conocer cómo se realiza
el fenómeno del crecimiento de grano y las cifras que reflejan este crecimiento. A título de curiosidad, diremos que una velocidad de crecimiento pequeña, por ejemplo
1mm
diario,
implica
la
colocación
sobre
la
superficie
de
aproximadamente, 100 capas de átomos por segundo.
Fig. 2.18 Representación esquemática del proceso de cristalización por nucleación y crecimiento dendrítico
Fig. 2.19 Defectos en los cristales, vacantes intersticiales.
Las imperfecciones más importantes en los cristales son las vacantes, inserciones y dislocaciones. Las
vacantes son simplemente lugares que debían estar ocupados por
átomos y se encuentran vacíos (Fig. 2.19) Termodinámicamente se demuestran que la existencia de vacantes de la red constituye una característica de los metales a temperaturas superiores al cero absoluto. Al ser ocupada una vacante por un átomo, el cual a su vez deja otra vacante, y así sucesivamente, resulta que la vacante se desplaza a través de la estructura cristalina, jugando por tanto un importante papel en el fenómeno de la difusión. En algunas estructuras cristalinas, principalmente en las de densidad atómica pequeña, puede ocurrir que los átomos se intercalen en los espacios interatómicos de dicha red o posiciones intersticiales (Fig. 2.19). La existencia de vacantes en la red permite a los átomos que la rodean aproximarse entre sí ligeramente, por lo que la separación entre ellos es menor a la normal, mientras que los átomos ubicados en posiciones intersticiales empujan a los átomos vecinos separándolos. Las vacantes se producen no solo por consecuencia de la solidificación sino también al elevarse la temperatura del cristal, o al estar sometido este a la irradiación de partículas nucleares a gran velocidad. La
Dislocación se puede definir como una irregularidad cristalina que se presenta entre
dos partes del cristal que individualmente pueden considerarse como perfectas. La (Fig. 2.20.) representa esquemáticamente dos tipos sencillos de dislocaciones. La dislocación en arista se produce cuando en una red cristalina se origina un nuevo semiplano atómico. La dislocación en hélice o helicoidal recibe este nombre a causa de la superficie espiral que forman los planos atómicos situados alrededor del frente de dislocación.
Fig. 2.20 Dislocaciones (a) en arista, (b) En elipse
Fig. 2.21 Limites de separación entre dos granos de orientación muy aproximada, formados por ciento numero de dislocaciones en arista, representada por el símbolo T.
2.21. Macro defectos en los productos moldeados.
En el párrafo anterior hemos
estudiado los defectos que se producen en la solidificación desde un punto de vista atómico, pero hay otros muchos defectos que se presentan durante la solidificación del metal fundido, que por su tamaño son observables a simple vista. Estos se conocen como
Macro defectos, y entre ellos los más corrientes son las cavidades o embudos de
contracción y la porosidad. Los metales líquidos, salvo raras excepciones, al solidificarse experimentan una concentración de volumen que puede llegar a valer hasta un 6%. Lo primero que solidifica es toda la corteza exterior, la reducción de volumen que tiene lugar durante la solidificación del líquido contenido en el interior origina una gran cavidad de contracción en la zona central similar a la de la (Fig. 2.22). En los lingotes de acero estas cavidades, conocidas por rechupes , se suelen presentar en la parte central superior del lingote.
La solidificación ideal del metal liquido seria aquella en que el enfriamiento comenzara por la parte inferior del molde, progresando en dirección ascendente hasta alcanzar la parte superior; sin embargo, el calor se elimina con mayor rapidez por la parte superior del molde. Si la pieza moldeada presenta secciones gruesas, es necesario disponer en puntos adecuados del molde, de mazarotas o cámaras destinadas a contener metal líquido que compense los efectos de contracción.
Fig. 2.22 Cavidad o embudo de contracción en un tocho de acero al columbio
Siempre que al solidificar el metal líquido queden retenidos gases en su interior, se origina en la pieza moldeada poros o sopladuras. Por lo general estos defectos son más numerosos y de menos tamaño que los embudos o cavidades de contracción, y se distinguen de estas últimas por su forma esferoidal. Los gases son por lo general más solubles en los líquidos que en los sólidos, durante la solidificación los gases disueltos pueden desprenderse. Los gases también pueden originarse como consecuencia de la reacción entre el metal líquido y las sustancias volátiles, tales como la humedad, contenida en el molde. La porosidad se puede reducir en gran medida, aireando y ventilando convenientemente los moldes.
Inmediatamente después de solidificado el metal, se pueden originar en fuertes tensiones por la contracción, que pueden dar lugar a grietas de contracción. Estas grietas pueden ser debidas con mucha frecuencia al desmoronamiento o ruptura del molde de arena, lo cual facilita la contracción del metal. El peligro de deformación de estas grietas puede aminorarse mucho, utilizando moldes correctamente concebidos y diseñados.
Fig. 2.23 Porosidades en una función de hierro, ampliada X 3 2.22.
Tamaño de Grano. El tamaño de grano de una pieza moldeada es función de la
reacción existente entre la velocidad de crecimiento
G y la nucleación N. Cuando se
forman muchos núcleos, el metal que se obtiene poseerá una estructura de grano fino y, por el contrario, si el número de núcleos formados es pequeño, el metal tendrá una estructura basta o de grano grueso. Los factores que influyen en la velocidad de nucleación y, por tanto, en el tamaño de grano, el más importante es la velocidad de enfriamiento. De aquí que un enfriamiento rápido (fundición en coquilla) produzca la formación de una gran numero de núcleos de cristalización y estructuras de grano fino, mientras que en los de enfriamiento lento (moldes de arena o lingotera caliente) solo se forman unos pocos núcleos, los cuales posteriormente crecen, solidificando todo el líquido antes de que pueda aumentar el número de núcleos. Otros factores que contribuyen a aumentar la velocidad de nucleación, facilitando la obtención de estructuras de grano fino son:
1. La presencia de impurezas insolubles, como el aluminio y el titanio, que dan lugar a la formación de óxidos insolubles en el acero.
2. La agritacion del metal fundido durante la solidificación, la cual hace que los cristales se rompan antes de haber alcanzado un tamaño excesivamente grande.
Fig. 2.24 (a) Fragilidad al choque de un metal con una estructura de grano gruesa; (b) en la ruptura de un metal de estructura de grano fino, la fuerza sufre frecuentes cambios de direccion
Cuando el líquido se mantiene exactamente a su temperatura de solidificación, y se coloca en su superficie un cristal minúsculo (germen), este crecerá extendiéndose por el líquido. Eliminando cuidadosamente el germen puede conseguirse la formación de un monocristal. Podemos decir que los materiales de estructura de grano fino presentan mayor tenacidad o resistencia al choque, más dureza y resistencia a la tracción que las estructuras de grano grueso. (Fig. 2.24)
En el proceso practico de solidificación, cuando se pone en contacto un líquido caliente con la superficie inicialmente fría de un molde, se establece en el líquido un gradiente de temperatura (diferencia de temperaturas). La superficie del líquido, en contacto con las paredes del molde, se encuentra a una temperatura inferior a la del acero, lo que provoca la formación en esta zona exterior del líquido de muchos núcleos de cristalización que empiezan a crecer en todas las direcciones.
Fig. 2.25 Fundicion de plomo de gran dureza. Aumento de X 2 Los granos que se forman presentan una forma de columnas alargadas, perpendiculares a la superficie del molde, o estructura columnar, que corresponde a una fundición de plomo de gran pureza. Los moldes no deben presentar aristas vivas, ya que esto puede dar lugar a la formación de planos de probable ruptura debido a que las impurezas sólidas y gaseosas tienden a concentrarse en ellos. Estos planos pueden ser causa de la aparición de grietas internas en el material durante su laminación o forja, evitándose este riesgo redondeando las aristas del molde
CAPITULO 5 CONSTITUCION DE LAS ALEACIONES Introducción Una aleación es una sustancia compuesta por dos o más elementos químicos. Si el sistema está compuesto por dos elementos se denomina sistema de aleación binario, si es por tres ternario, etc. Dentro de cada sistema es posible, es posible gran número de aleaciones distintas, y como con bastante frecuencia las aleaciones comerciales contienen muchos elementos, y es por eso que existe un numero casi infinito de aleaciones. Las aleaciones pueden clasificarse por su estructura.
Clasificación de las aleaciones Las aleaciones pueden ser homogéneas o mezclas, al hablar de uniformidad en las aleaciones no nos referimos a la uniformidad a escala atómica, sino a otra mucha mayor. En la mayoría de los elementos puros el termino fase es sinónimo de estado. En el estado sólido pueden presentarse tres fases distintas: metales puros, compuestos y soluciones sólidas.
Metales Puros En estos metales para que se cumpla la condición de equilibrio, el calentamiento y el enfriamiento deber ser extraordinariamente lentos, es porque se necesita suficiente tiempo para las transformaciones.
Fases de aleaciones intermedias o compuestos químicos. La mayor parte de los compuestos químicos ordinarios están formados por elementos de valencia opuesta, entre ellos podemos citar al agua (H2O) y la sal común (NaCl). Cuando se forma un compuesto, los elementos pierden gran parte de sus propiedades individuales, así como también su identidad. Al combinarse los elementos componentes dejan de existir como elementos individuales, dando origen a una combinación química con características físicas y mecánicas propias y unas propiedades químicas peculiares. Con relación a los diagramas de equilibrio, las fases de aleación intermedia, presentan una combinación química distinta por general la de los metales. Las tres fases de aleaciones intermedian más corrientes son: L os compuestos intermetali cos o de valenci a. Estos compuestos están formados por metales químicamente distintos y en su manera de combinarse obedecen las reglas de valencia química. Entre los compuestos químicos podemos indicar el CaSe, Mg2Sn y Cu2Se.
Los compuestos intersticiales. La palabra intersticial significa entre los huecos o espacios, y compuestos cuyos átomos tienen un diámetro relativamente pequeño ocupan los intersticios de la red espacial del metal; los compuestos son: Ti, Ta, W, Fe y Sc. Los compuestos electrónicos. En todo sistema se forma cierto número de fases intermedias de análoga estructura cristalina y fue Hume Rothery quien primero indico que la relación entre el número de electrones de valencia al de átomos que forman su molécula tiene un valor definido.
Soluciones Solidas Toda solución está formada por un soluto y un disolvente, y estas pueden ser cuerpos sólidos, líquidos o gaseosos. Atendiendo la cantidad de soluto en un disolvente, las soluciones se pueden clasificarse en: insaturadas y sobresaturadas. Toda solución saturad se encuentra en una situación inestable, y por ello, si se le comunica una pequeña cantidad de energía o dispone de tiempo suficiente, tiende a convertirse en estable o saturada. Las soluciones solidas son simplemente soluciones en estado sólido y están formadas por átomos en una misma red espacial. En la mayoría de las soluciones solidas la solidificación se lleva a cabo en un intervalo de temperatura.
Soluciones solidas por sustitución La sustitución en la red espacial del disolvente de los átomos propios por átomos del soluto, da origen a este tipo de soluciones. F actor de estr uctur a cri stali na. Para que exista solubilidad total, es preciso que ambos permanezcan a un mismo tipo de res espacial. F actor de tamañ o r elati vo. El factor de tamaño es favorable para formación de soluciones solidas cuando la diferencia en los radios atómicos de los constituyentes es inferior a 15%. Si el factor de tamaño es superior a 15% las soluciones solidas que se formen presentan límites muy restringidos de solubilidad. F actor de afini dad quími ca. Cuanto mayor es la afinidad química entre dos metales más restringidos se encuentra su solubilidad y se acentúa la tendencia de formar compuestos químicos. Factor de valencia relativa. Cuando el elemento de menor valencia es el metal disolvente, la solubilidad en el de otros metales de mayor valencia es muy amplia, caso contrario la solubilidad es muy restringida.
Soluciones solidas por inserción o intersticiales. Este tipo de soluciones se obtiene cuando los átomos del soluto tienen un radio atómico pequeño y se intercalan en los espacios interatómicos. También cuando la cantidad de
soluto añadida al disolvente es pequeña y la diferencia en los radios atómicos de los constituyentes presenta un valor adecuado, pueden formarse soluciones intersticiales. A diferencia de los compuestos intermetalicos e intersticiales, las solucione solidas son por lo general más fáciles de separar, no poseen un punto de fusión definido
CAPITULO 6 DIAGRAMAS DE EQUILIBRIO 6.1.Introducción. Durante muchos años ha sido objeto de estudio la aparición o desaparición de fases que tienen lugar en el proceso de enfriamiento en un metal o de una aleación, y la mejor manera de realizar este estudio es mediante los diagramas de equilibrio. Para que el estado en equilibrio quede completamente determinado es necesario conocer los valores de tres variables independientes que son; la temperatura, la presión y la composición. En esencia el diagrama no es sino la representación gráfica de un sistema de aleación.
6.2.Coordenadas de los diagramas de fase. Un diagrama de fase no es sino un sistema de coordenadas cartesianas, en el cual se puede representar en ordenadas la temperatura en grados centígrados o Fahrenheit, y en abscisas la composición de la aleación, expresadas por los porcentajes en peso de sus constituyentes. La transformación de los porcentajes en peso a porcentajes en átomos puede llevarse a cabo mediante las siguientes fórmulas.
6.3. Métodos experimentales. Los datos necesarios para la construcción de los diagramas de equilibrio se determinan experimentalmente por medio de una gran variedad de procedimientos, entre los cuales los más comunes son: El análisis térmico. Procedimiento metalográfico.
Difracción de rayos X.
6.4. Tipo I-solubilidad total de dos metales en los estados sólido y líquido. Cuando dos metales son completamente solubles en estado sólido el único tipo de fase sólida que se forme será una solución sólida por sust itución. Si tomamos diversas concentraciones del metal B en A y trazamos sus curvas de enfriamiento empezando por la aleación de 0% de B, o sea metal A puro, y terminando por el 100% de B, o sea metal puro B, obtenemos la serie de curva representadas en la figura 6.1.
A continuación para trazar el diagrama de equilibrio real, basta con situar en los ejes coordenados para los distintos valores de la composición, las temperaturas correspondientes a puntos característicos. Estos valores se obtienen de las distintas curvas de enfriamiento obtenidas experimentalmente. Por ejemplo, en la fig. 6.2, como el eje de la izquierda representa el metal puro A, se sitúa sobre el la temperatura TA. Por la misma razón situamos TB sobre el eje de la derecha.
La línea que resulta de unir los dos puntos correspondientes al comienzo de la solidificación se denomina línea de líquidus, mientras que la que une los puntos finales de la solidificación se conoce como línea de sólidus.
6.5. Regla I – composición química de las fases. Para determinar la composición química de la fases de una aleación, que consisten en equilibrio a una temperatura cualquiera correspondiente a la región bifásica, trazamos por ella una recta horizontal llamada línea de enlace, hasta que corta a las líneas que delimitan dicha región. Ejemplo: Fig. 6.3, la cual se encuentra a la temperatura T, la aleación 80 A- 20 B.
6.6. Regla II – cantidades relativas de cada fase. Para determinar las cantidades relativas de cada fase, que a una temperatura dada, coexisten en equilibrio en la región bifásica. El punto de intersección de ambas rectas divide a la línea horizontal en dos segmentos cuyas longitudes son inversamente
proporcionales a las cantidades de frases presentes. Esta regla se conoce también como la regla de la palanca. Considerando la fig. 6.3, vemos que la vertical correspondiente a la aleación 80 A, divide a la línea de enlace horizontal mn y no.
Si suponemos que la longitud total de la línea de enlace representa el peso total o 100% de la dos fases presentes a la temperatura T, la regla de la palanca puede expresarse por:
Si representamos solamente la línea de enlace e indicamos sobre ella los valores compuestos, obtengo la fig. 6.4. Aplicando las ecuaciones anteriores, se halla
6.7. Enfriamiento en condiciones de equilibrio de una aleación que forma una solución sólida. A continuación vamos a estudiar el enfriamiento muy lento, en condiciones de equilibrio, de una aleación particular 70 A- 30 B, para observar las transformaciones de fase que tienen lugar. Esta aleación (fig. 6.5), a la temperatura To, constituye una solución
liquida monofásica homogénea, permaneciendo en tal estado hasta que su temperatura disminuye a T1. Al llegar a este punto se inicia la solidificación formándose cristales de solución solida de composición α1, su composición es 95 A (regla I), la for mación del líquido es correspondiente a L2. A esta misma temperatura, la única solución sólida que puede coexistir en equilibrio con L2 y, por tanto, la única que puede formarse es α2. Luego a medida que disminuye la temperatura, se enriquecen en B, no solo la composición del líquido, sino también la de solución sólida. Los cristales de α2 que se forman a T2 rodean los núcleos de composición α1, separando también dendritas de α2 (fig. 6.6).
Cuando esta aleación se encuentra a T2, las cantidades relativas de solución sólida y liquida presentes se determina utilizando la regla II.
A medida que disminuye la temperatura comienza el crecimiento de la solución sólida.
6.8. Enfriamiento en que no se cumplen las condiciones de equilibrio-origen de la segregación. Como la difusión de estado sólido se verifica a velocidades muy pequeñas, cabe suponer que con la velocidad de enfriamiento normal, se presentarían algunas diferencias respecto a los resultados indicados en el diagrama de equilibrio. Refiriéndonos nuevamente a la aleación 70 A (fig. 6.7).
Puesto que la intensidad del ataque químico, varia con la composición, empleando los reactivos adecuados, podremos ver al microscopio la estructura dendrítica (fig. 6.8). la solución solida final está constituida por una estructura “segregada” formada por una parte central más rica en metal de alto, punto de fusión, que es la que ha solidificado la última. Este proceso se conoce como fenómeno de segregación dendrítica.
6.9.Homogenización. De lo expuesto en el párrafo anterior al tratar del origen de una estructura segregada se deduce que la última porción de líquido que solidifica a lo largo de los contornos de grano y en los espacios interdendríticos es muy rica en metal de alto punto de fusión. En la mayoría de los metales la velocidad de difusión a la temperatura ambiente es muy pequeña. La Fig. 6.9 representa el diagrama de equilibrio real del sistema cobre-níquel, correspondiendo la línea de trazos a la aleación 85Cu-15Ni.
La Fig. 6.10 muestra Micrografías correspondientes a una aleación 85Cu-15Ni. (1) fundida en coquilla, (2) fundida en coquilla y calentada a 750 C durante 3 horas, X50; (3) fundida en coquilla y calentada durante 9 horas a 950 C X50; (4) fundida en
⁰ ⁰
⁰
lingotera caliente, X50; (5) fundida en lingotera caliente y calentada a 950 C, durante 15 horas, X50.
6.10. Características de las aleaciones que presentan solubilidad total en estado sólido. En general en los sistemas de aleación que dan lugar a una serie continua de soluciones sólidas, la resistencia y la dureza presentaran cada una un máximo, aunque ambos no tienen necesariamente que corresponder a una misma aleación. Por el contrario, la ductilidad y conductividad eléctrica presentan un mínimo. La tabla 6.1 muestra la influencia que ejerce la composición sobre algunas propiedades físicas y mecánicas de las aleaciones del sistema cobre-níquel.
6.11. Casos que pueden presentarse en la solidificación de las aleaciones de ti po I. Todas las aleaciones incluidas dentro del tipo I funden a una temperatura comprendida entre los puntos de fusión de A y de B. Sin embargo, en algunos sistemas, puede darse
el caso de que las líneas de líquidus y sólidus pasen por un máximo y un mínimo (Fig. 6.12a, b).
6.12. Tipo II- caso de los metales totalmente solubles en estados líquidos y totalmente insolubles en estados sólidos. Técnicamente no existe ningún par de metales que sean totalmente insolubles, uno en otro. Sin embargo en algunos casos la solubilidad es tan limitada que prácticamente pueden considerarse como insolubles. La Fig. 6.13 representa las curvas de enfriamiento de los metales puros y de algunas de sus aleaciones. Si sobre un gráfico de temperaturas y composiciones llevamos los puntos singulares de las curvas de enfriamiento, se obtiene un diagrama de equilibrio análogo al de la Fig. 6.14. Veamos como solidifica la aleación 1 de la Fig. 6.15, cuya composición es la eutéctica, 40A-60B. Por encima del punto E, a la temperatura To, la aleación se halla en estado líquido formando una solución homogénea. Por tanto a temperatura constante, solidifican alternativamente metal puro A y metal puro B, obteniendo una mezcla extraordinariamente fina de estos metales, denominada mezcla eutéctica, que normalmente solo es visible al microscopio (Fig. 6.16). La transformación a temperatura constante de este líquido de composición E en dos sólidos se conoce como reacción eutéctica, la cual puede escribirse en la forma
En la Fig. 6.17, se puede observar las fases del enfriamiento lento de una aleación 80A20B.
La Fig. 6.18, muestra la relación existente entre la composición de la aleación y las cantidades relativas de los constituyentes.
6.13. Tipo III-sistema de dos metales totalmente solubles en el estado líquido, y parcialmente solubles en el estado sólido. Este tipo podemos considerarlo como un caso intermedio entre los dos explicados anteriormente, caracterizándose porque, en el estado sólido, las soluciones de un metal en otro que se forme tiene un límite de saturación. El diagrama de equilibrio correspondiente al de este tipo es el representado en la Fig. 6.21. La Fig. 6.19, representa el diagrama de fase simplificado aluminio-silicio, los números del fondo corresponden a las microfotografías de la Fig. 6.22. La aleación 1, situada a la izquierda de la Fig. 6.19, está formada por aluminio puro cuya microestructura es la que aparece en la Fig. 6.20 a. la aleación 2 (Fig. 6.20 b), la cual contiene un 8% de silicio, está formada por dendritas de aluminio primario o proeutéctico rodeadas por una mezcla eutéctica de aluminio y silicio. La aleación 3 (Fig. 6.20 c) corresponde a la composición eutéctica, con un 12% de silicio, y su microestructura está formada totalmente de una mezcla eutéctica. Conforme vamos avanzando hacia la derecha, la microestructura estará formada por cantidades cada vez mayores de silicio primario (negro) como corresponde a contenidos crecientes de silicio y por mezcla eutéctica, como se observa en las micrografías de las Figs. 6.20 d y e. Finalmente, la Fig. 6.20 f, muestra la microestructura del s ilicio puro.
La relación eutéctica que tiene lugar puede escribirse en la forma.
Esta relación es igual a la que se verifica en el diagrama del Tipo II, con la diferencia de que, en este caso, los constituyentes del eutéctico no son metales puros sino soluciones sólidas. La cantidad de cada una de ellas, presente en la mezcla, puede determinarse aplicando la Regla II.
Debido al cambio de la solubilidad de Aen B (linea FH) y de A en B (linea GJ), habrá un ligero cambio en las cantidades relativas relativas de α y β cuando la aleacion se enfrie a temperatura ambiente. Las cantidades relativas de α y β a temperatura ambiente son:
Consideremos ahora la solidificacion de la aleacion 3, de compocion 60A-40B. Alcanzar la temperatura T3 que pertenecen a la linea de liquidus, comienzan a formarse cristales primarios o proeutectecticos, de soluion sólida α muy ricos en A. a medida que desciende la temperatura, el liquido se enriquece cada vez más en B. siendo su composicion la indica por la linea del liquidus la cual recorre en sentido descendente y hacia la derecha hasta alcanzar el punto E. cuando la temperatura alcanza una valor ligeramente superior al de solidificacion del eutectico, las condiciones existentes son: Fases Composición química Cantidades relativas
Liquida 30A – 70B 40%
α primaria 80A – 20B 60&
Esta solidificación se lleva a cabo a temperatura constante, siendo la microestructura que aparece una vez completada ésta, la representación en la Fig. 6.23
La Fig. 6.24 muestra el diagrama de equilibrio y las micrografías de varias aleaciones del sistema plomo-antimonio. La micrografía de la aleación 1 (Fig. 6.24b), con un contenido de una 6.5% de antimonio, muestra una estructura pro eutéctica típica, formada por dendritas primarias de solución α y por una mezcla eutéctica los espacios interdendríticos. La aleación 2 (Fig. 6.24c), que contiene un 11.5% de antimonio, está compuesta en su totalidad por una mezcla eutéctica de las soluciones sólidas α y β. Las aleaciones cuya composición se encuentra en el diagrama a la derecha de eutéctico están constituidas por solución solida β primaria rodeada de mezcla eutéctica (Fig. 6.24d), diferenciándose entre sí solamente por las cantidades relativas de las fases presentes, disminuyendo la cantidad de mezcla eutéctica conforme la composición de la aleación se separa de la eutéctica.
6.14 envejecimiento. Los procedimientos de que actualmente se dispone para mejorar la
resistencia y la dureza de unas aleaciones dada, son dos principalmente: las deformaciones en frio y el tratamiento térmico. De ellos el más importante en el caso de las aleaciones no férreas es el tratamiento térmico conocido como envejecimiento. Par que produzca el fenómeno del envejecimiento, el tratamiento térmico debe constar por lo general de dos fases: un calentamiento de la solución y el envejecimiento propiamente dicho. Calentamiento de la solución. Si una vez en este estado de aleación se enfría rápidamente, la solución solida sobresaturada o con exceso de soluto β quedaría retenida a la temperatura ambiente. Proceso de envejecimiento. La aleación, en estado de temple, esta constituidas por una solución sólida sobresaturada en condición metastable, por lo que el exceso de soluto tendera
a precipitar. Las aleaciones en las que esta precipitación tiene lugar espontáneamente a la temperatura ambiente, alcanzado el máximo de resistencia al cabo de cuatro o cinco días, se denominan aleaciones de envejecimiento natural. Nuevos estudios y teorías han llevado a un conocimiento más completo del proceso de envejecimiento. El aumento de resistencia que ocasiona en las aleaciones tratadas térmicamente no es debido simplemente a la presencia de un precipitado, sino conjuntamente a la distribución uniforme de un precipitado submicroscópico finamente disperso y a la distorsión que estas partículas ocasionan en las estructuras cristalinas antes de alcanzar un tamaño visible.
