Metalurgia - Metales y Aleaciones

Metales y aleaciones

1

ÍNDICE

Introducción……………………………………………………………………………………………… 2 Aleaciones férreas………………………………………………………………………………………. 3 Diagramas hierro-carbono……………………………………………………………………………… 6 Aceros…………………………………………………………………………………………………….11

• Aceros al carbono…………………………………………………………………….................11 • Aceros aleados…………………………………………………………………………………...12 • Aceros de baja aleación ultrarresistentes……………………………………………………..12 • Aceros inoxidables……………………………………………………………………………….12

Ensayos en metales…………………………………………………………………………………….14

• Ensayos de tracción………………………………………………………………………14 • Ensayos de compresión………………………………………………………………….16 • Ensayos de flexión………………………………………………………………………..16 • Ensayos de dureza……………………………………………………………………….17 • Ensayos de fatiga…………………………………………………………………………19 • Ensayos de choque……………………………………………………………………....20 • Ensayos de corte………………………………………………………………………….20 • Ensayos de plegado……………………………………………………………………...21

Tratamientos térmicos…………………………………………………………………………………..22

• Recocido………………………………………………………………………………………..22 • Tratamientos térmicos de los aceros………………………………………………………..24 • Endurecimiento por precipitación…………………………………………………………….26

Fundición…………………………………………………………………………………………………29

• Fundición gris…………………………………………………………………………………..29 • Fundición esferoidal o dúctil………………………………………………………………….30 • Fundición blanca y maleable………………………………………………………………….31

Aleaciones no férreas…………………………………………………………………………………...33

• Cobre y sus aleaciones………………………………………………………………………..33 • Aluminio y sus aleaciones……………………………………………………………………..33 • Magnesio y sus aleaciones……………………………………………………………………34 • Titanio y sus aleaciones……………………………………………………………………….34 • Otras aleaciones no férreas…………………………………………………………………..34 • Metales refractarios……………………………………………………………………………35 • Superaleaciones……………………………………………………………………………….35

Bibliografía……………………………………………………………………………………………….36


2

INTRODUCCIÓN

Los metales poseen unas propiedades físicas y químicas muy características y diferenciadas. La mayoría tienen una gran densidad, color y brillo típicos, aunque existen grandes diferencias entre ellos. El litio es un metal muy poco denso (aprox. 0.6 g/cm3), pero el osmio es uno de los materiales más densos conocidos (aprox. 23g/cm3).

La inmensa mayoría de metales son fácilmente mecanizables; es decir, se pueden trabajar bien y

darles forma, aspecto y propiedades mecánicas deseadas (se dice que poseen propiedades elásticas y plásticas). El oro puede reducirse a láminas tan delgadas que son transparentes (maleabilidad); y el cobre puede convertirse en hilos finísimos sumamente flexibles (ductilidad). Una buena parte de las aplicaciones tecnológicas de los metales se basan en estas excelentes propiedades de mecanización.

Las propiedades más conocidas de estos elementos son las térmicas y eléctricas: todos ellos son

buenos conductores del calor y de la electricidad. Una vez más, el hombre aprovecha ampliamente estas propiedades para su desarrollo tecnológico. ¡La humanidad habría seguido una evolución bien distinta de no haber existido los metales en la Tierra!

No sólo los metales poseen las propiedades generales que se acaban de mencionar, sino que las

aleaciones son tanto o más interesantes desde este punto de vista. De forma genérica, se denomina aleación a la combinación o mezcla de dos o más metales. Las aleaciones se preparan, generalmente, por fusión conjunta y posterior enfriamiento de los metales que las constituyen. El hombre ha conocido desde los tiempos históricos varias aleaciones de gran importancia en la evolución de la civilización: el bronce ( Cu y Sn) y el latón (Cu y Zn) son dos ejemplos significativos. También las amalgamas, aleaciones de mercurio y otro metal, fueron utilizadas desde tiempos remotos.

Las propiedades mecánicas de las aleaciones son, muchas veces, muy superiores a las de los metales

puros. Solo hay que pensar en las extraordinarias aplicaciones de los modernos aceros inoxidables, y de las aleaciones ligeras de Ti y Al empleadas en aeronáutica y aviación. Algunos otros compuestos, tales como ciertos sulfuros, seleniuros y telururos, exhiben también propiedades eléctricas típicamente metálicas.

Se denominan sólidos metálicos a todos los materiales que presentan propiedades metálicas. Estos

son, fundamentalmente, los elementos metálicos y las aleaciones. Los metales tienen estructuras cristalinas relativamente simples, ya que están formados por átomos

idénticos. De una manera general, los átomos de los elementos metálicos se empaquetan generando estructuras cristalinas compactas; es decir, ocupando eficazmente el espacio disponible en la red cristalina.


3

ALEACIONES FÉRREAS

Las aleaciones férreas, cuyo principal componente es el hierro, son las que más se producen y las que tienen mayor interés como material para la construcción de aparatos; estas incluyen los aceros y las fundiciones. Este uso generalizado se debe a tres factores:

- En la corteza de la tierra abundan los compuestos de hierro - Los aceros se fabrican mediante técnicas de extracción, afino, aleación y conformación

relativamente económicas - Las aleaciones férreas son extremadamente versátiles, ya que se pueden adaptar para que

tengan una gran variedad de propiedades físicas y mecánicas. El principal inconveniente de las aleaciones férreas es la susceptibilidad a la corrosión. Para la producción de acero, el mineral de hierro (óxido de hierro) se calienta en un alto horno, en

presencia de carbono y oxígeno. El carbono reduce el óxido de hierro a arrabio líquido, produciendo monóxido de carbono y dióxido de carbono como subproductos. La piedra caliza, agregada para ayudar a eliminar impurezas, se funde produciendo escoria líquida. Dado que el arrabio líquido contiene cantidades muy grandes de carbono, se sopla oxígeno en el convertidor para eliminar carbón excedente y producir acero líquido.

También se produce acero reciclando la chatarra del mismo metal. A menudo ésta se introduce en un

horno eléctrico de arco, en el cual el calor la funde. El acero líquido a veces se cuela directamente en moldes para producir fundiciones de acero

terminadas; también se le permite solidificar en formas que posteriormente son procesadas por técnicas de procesado de metales como son el laminado o el forjado. En este último caso, el acero es colado en grandes lingoteras o se funde de manera continua en formas regulares.

Aleaciones Férreas No férreas Aceros Fundiciones

Bajo Medio Alto Inoxidable Gris Dúctil Blanca Maleable en en en (esferoidal) carbono carbono carbono

Los elementos de aleación específicos y sus cantidades determinan el tipo de acero de

aleación y sus propiedades particulares.


4

Los efectos principales de algunos de los elementos más comunes son:

ALUMINIO Empleado en pequeñas cantidades, actúa como un desoxidante para el acero fundido y produce un Acero de Grano Fino.

BORO

Aumenta la templabilidad (la profundidad a la cual un acero puede ser endurecido).

CROMO

Aumenta la profundidad del endurecimiento y mejora la resistencia al desgaste y corrosión.

COBRE Mejora significativamente la resistencia a la corrosión atmosférica.

MANGANESO

Elemento básico en todos los aceros comerciales. Actúa como un desoxidante y también neutraliza los efectos nocivos del azufre, facilitando la laminación, moldeo y otras operaciones de trabajo en caliente. Aumenta también la penetración de temple y contribuye a su resistencia y dureza.

MOLIBDENO

Mediante el aumento de la penetración de temple, mejora las propiedades del tratamiento térmico. Aumenta también la dureza y resistencia a altas temperaturas.

NIQUEL

Mejora las propiedades del tratamiento térmico reduciendo la temperatura de endurecimiento y distorsión al ser templado. Al emplearse conjuntamente con el cromo, aumenta la dureza y la resistencia al desgaste.

SILICIO Se emplea como desoxidante y actúa como endurecedor en el acero de aleación.

AZUFRE

Normalmente es una impureza y se mantiene a un bajo nivel. Sin embargo, alguna veces se agrega intencionalmente en grandes cantidades (0,06 a 0,30%) para aumentar la maquinabilidad (habilidad para ser trabajado mediante cortes) de los aceros de aleación y al carbono.

TITANIO

Se emplea como un desoxidante y para inhibir el crecimiento granular. Aumenta también la resistencia a altas temperaturas.

TUNGSTENO

Se emplea en muchos aceros de aleación para herramientas, impartiéndoles una gran resistencia al desgaste y dureza a altas temperaturas.

VANADIO

Imparte dureza y ayuda en la formación de granos de tamaño fino. Aumenta la resistencia a los impactos (resistencia a las fracturas por impacto) y también la resistencia a la fatiga.


5

En resumen, los efectos de los elementos de aleación son:

• Mayor resistencia y dureza • Mayor resistencia a los impactos • Aumento de la resistencia al desgaste • Aumento de la resistencia a la corrosión • Mejoramiento de maquinabilidad • Dureza al rojo (altas temperaturas) • Aumento de la profundidad a la cual el acero puede ser endurecido (penetración de temple)


6

DIAGRAMA HIERRO-CARBONO

El sistema de aleaciones binario más importante es el hierro-carbono. Los aceros y las fundiciones son

esencialmente aleaciones hierro-carbono. El hierro es el elemento que más entra en mayor proporción, y el carbono el que ejerce influencia más decisiva en sus propiedades, características y tratamientos.

El diagrama hierro-carbono es la representación gráfica esquemática de las transformaciones que

ocurren en el enfriamiento y calentamiento lento de estas aleaciones. Éstas presentan desde una pequeña cantidad (aproximadamente un 0.003%) a un 1.2% de carbono y de un 0.25 a un 1% de manganeso; así como menores cantidades de otros elementos como pueden ser de silicio, fósforo, azufre. Con dichas composiciones reciben el nombre de aceros ordinarios al carbono o al carbono o de bajo carbono. Sin embargo, trataremos esencialmente las aleaciones binarias hierro-carbono.

En el diagrama de fases Fe-Fe3C se muestran las fases presentes en las aleaciones hierro-carbono

enfriadas muy lentamente, a varias temperaturas y composiciones de hierro con porcentajes de carbono de hasta el 6.70%, concentración que coincide con la del compuesto intermedio carburo de hierro o cementita., representado por la línea vertical en el diagrama de fases. Así, el sistema hierro-carbono se puede dividir en dos partes: una parte rica en hierro, que coincide con mostrada en la figura anterior y otra parte (no mostrada) de composición comprendida entre 6.70% y el 100% de C (grafito puro). Prácticamente todos los aceros y fundiciones presentan porcentajes inferiores a 6.70% C; por lo tanto, sólo se considera esta parte rica en hierro del sistema hierro-carburo de hierro.

El diagrama de fases Fe- Fe3C contiene las siguientes fases sólidas:

• Ferrita-α: esta fase es una solución sólida intersticial de carbono en la red cristalina del hierro

BCC. Como se indica en el diagrama, el carbono sólo es ligeramente soluble en la ferrita-α, por lo que alcanza una solubilidad máxima en el estado sólido del 0.022% a 727ºC. Esta pequeña solubilidad se explica teniendo en cuenta la forma y el tamaño de las posiciones intersticiales de la estructura BCC, que dificultan la acomodación de los átomos de carbono. Aunque presente en muy baja proporción, el


7

carbono ejerce gran influencia en las propiedades mecánicas de la ferrita. Esta fase hierro-carbono es relativamente blanda, magnética por debajo de los 768ºC y tiene una densidad de 7.88 g/cm3.

• Austenita (γ): la solución sólida intersticial de carbono en hierro-γ se denomina austenita. Ésta tiene una estructura cristalina FCC y mucha mayor solubilidad en estado sólido para el carbono que la ferrita-α, ya que las posiciones intersticiales de la estructura FCC tienen la forma adecuada para que al llenarse de átomos de carbono la deformación impuesta a los átomos de hierro vecinos sea mucho menor. La máxima solubilidad en estado sólido para el carbono en la austenita es del 2.11% a 1148ºC (es aproximadamente 100 veces mayor). La solubilidad disminuye hasta un 0.8% a 727ºC. La austenita no es magnética.

• Cementita (Fe3C): el compuesto intermetálico Fe3C se denomina cementita. Tiene límites

despreciables de solubilidad y una composición del 6.70% en carbono y 93.3% en hierro. Se forma cuando se excede el límite de solubilidad del carbono en ferrita-α por debajo de 727ºC o cuando coexiste con la fase γ entre 727ºC y 1148ºC. Es un compuesto duro y quebradizo y su presencia aumenta considerablemente la resistencia de algunos aceros. La cementita es un compuesto metaestable, es decir, permanece como compuesto a temperatura ambiente indefinidamente. Pero si lo calentamos entre 650 y 700ºC durante varios años, cambia gradualmente o se transforma en hierro α y carbono, en forma de grafito, que permanece al enfriar hasta temperatura ambiente. Entonces, el diagrama de fases que estamos estudiando no está verdaderamente en equilibrio ya que la cementita no es un compuesto estable. Sin embargo, teniendo en cuenta que la velocidad de descomposición de la cementita es extraordinariamente lenta, en la práctica todo el carbono del acero aparece como Fe3C en lugar de grafito, y el diagrama hierro-carburo de hierro es, en la práctica, válido.

• Ferrita (δ): la solución sólida intersticial de carbono en hierro-δ se llama ferrita-δ. Tiene una

estructura cristalina BCC como la ferrita-α pero una constante de red mayor. Se diferencian también en el tramo de temperaturas en el cual existen. Debido a que la ferrita-δ sólo es estable a altas temperaturas, no tiene importancia técnica y no se tratará. La máxima solubilidad en estado sólido del carbono en ferrita-α es del 0.09% a 1495ºC.

En el diagrama de fases se observan regiones bifásicas y un eutéctico a 4.30% en peso de C y 1148ºC. Las reacciones invariantes que se producen en dicho diagrama son:

• Reacción peritéctica: en el punto de la reacción peritéctica, un líquido de 0.53% C se combina

con ferrita-δ de un 0.09% C para formar austenita(γ) del 0.17% C. Esta reacción, que tiene lugar a 1495ºC, se puede escribir como: 1495ºC

Líquido (0.53%C) + δ (0.09%C) γ (0.17%C)

• Reacción eutéctica: implica la solidificación del líquido para generar las fases austenita y cementita. El posterior enfriamiento hasta la temperatura ambiente produce cambios de fases adicionales.

1148ºC Líquido (4.3%C) austenita (γ) (2.08% C) + Fe3C (6.67% C) • Reacción eutectoide: ocurre en el punto invariante a la composición de 0.77% en peso de C y a

la temperatura de 727ºC. Esta reacción se puede representar por: 723ºC Austenita (γ) (0.8% C) Ferrita-α (0.02% C) + Fe3C (6.67% C)

Las transformaciones de fases del eutectoide, son fundamentales para los tratamientos térmicos del acero, como veremos a continuación.

Las aleaciones denominadas férreas tienen al hierro como principal componente, aunque pueden

contener carbono y otros elementos de aleación. La clasificación de las aleaciones férreas según el contenido de carbono comprende tres grupos:


8

• El hierro puro contiene menos de 0.008% en peso de C y, en el diagrama de equilibrio, comprende la fase ferrita a temperatura ambiente.

• Los aceros son aquellas aleaciones hierro-carbono que contienen entre 0.008% y 2.11% en peso de C. En la práctica, la concentración de carbono raramente excede el 1%. La microestructura de la mayoría de los aceros consiste en las fases α y Fe3C. Todas las aleaciones comprendidas en este tramo de composición, al enfriarlas desde el campo γ a temperaturas ambiente, originan una serie de microestructuras.

• Las fundiciones se definen como aleaciones férreas que contienen entre 2.11 y 6.7% en peso C. Sin embargo, las fundiciones comerciales normalmente contienen menos del 4.5% C. Desarrollo de microestructuras en aleaciones hierro-carbono Diferentes microestructuras pueden ser producidas en las aleaciones de acero. Éstas van a depender

tanto del contenido de carbono como del tratamiento térmico. Basándonos en un enfriamiento muy lento de aleaciones de acero en el que se mantienen las condiciones de equilibrio, podemos estudiar diferentes ejemplos:

1) En el eutectoide: Al enfriar una composición eutéctica (0,77% en peso de C) desde los

800ºC de la región monofásica y (punto a de la figura1) equivale a descender por la vertical xx´. Inicialmente la aleación de composición 0,77% C tiene la microestructura austenítica indicada en la figura1. Al enfriar no ocurre ningún cambio hasta llegar a la temperatura eutectoide (727ºC). En el punto b, por debajo de esta

temperatura, la austenita se transforma según la reacción eutectoide vista anteriormente. La austenita de composición 0,77% forma ferrita, con bajo contenido en carbono (0,022% C) y Fe3C con un contenido de 6.7% en carbono. Este cambio de fase necesita la difusión del carbono porque las tres fases tienen distintas composiciones.

La microestructura del acero eutectoide enfriado

lentamente a través de la temperatura eutectoide es análoga a la de una aleación de composición eutéctica, es decir, se forman capas o láminas alternas de las dos fases (α y Fe3C) durante la transformación. En este caso, la relación de los espesores de las dos capas es de 8 a 1. La microestructura, esquematizada en el punto b de la Figura 1, se denomina perlita porque tiene la apariencia de la madreperla al observarse microscópicamente a pocos aumentos. La perlita aparece en granos denominados “colonias”; dentro de cada colonia las capas están orientadas esencialmente en la misma dirección y esta dirección

varía de una colonia a otra. Las capas delgadas claras son de ferrita y la cementita aparece como capas delgadas más oscuras. La mayoría de las capas de cementita son tan delgadas que los límites de fases adyacentes no se distinguen y, a estos aumentos, las capas aparecen oscuras. Mecánicamente las perlitas tienen las propiedades intermedias entre la blanda y dúctil ferrita y la dura y quebradiza cementita.

La disposición alternada de capas α- Fe3C se debe a que el carbono necesita difundir durante una

distancia relativamente corta para originar esta microestructura. Además, el posterior enfriamiento de la perlita, a partir del punto b de la Figura 1, produce cambios microestructurales relativamente insignificantes.

2) Aceros hipoeutectoides: Una aleación de composición Co a la izquierda del eutectoide, entre 0,022 y 0,77% C se denomina aleación hipoeutectoide (menos que la eutectoide). El enfriamiento de una aleación de esta composición está representado en el descenso a lo largo de la vertical yy´ de la Figura


9

2. Hacia los 875ºC, punto c, la microestructura consta enteramente de granos de fase γ, como está esquematizado en la figura 2. En el punto d de la región bifásica α+γ, a unos 775ºC, estas fases coexisten, según indica el esquema microestructural. La mayoría de las partículas α se generan en los límites de los granos γ originales. Las composiciones de las fases α y γ se determinan utilizando la recta de reparto, cuyos extremos coinciden con 0,020 y 0,50% de C, respectivamente.

Cuando se enfría un acero a través de la

región de fases α + γ, la composición de la ferrita varía según la línea MN, del límite de fase α- (α + γ) y se enriquece ligeramente en carbono. Al mismo tiempo, la composición de la austenita cambia de modo mucho más drástico, pues la composición frente a la temperatura sigue la línea MO del límite de fase (α + γ) – γ.

Enfriando desde el punto d al e, muy próximo

al eutectoide pero dentro de la región α + γ, se aprecia un incremento de la microestructura de la fracción de fase α. En este punto las composiciones de las fases α y γ se determinan dibujando la recta de reparto a la temperatura Te; la fase α contiene 0,022% C, mientras que la fase γ tiene la composición del eutectoide, 0,77% C.

Al descender la temperatura al punto f, justo

por debajo del eutectoide, toda la fase γ, presente a la temperatura Te, y con la composición del eutectoide, se transforma en perlita según la reacción eutectoide que hemos estudiado. La fase α existente en el punto e prácticamente no cambia al cruzar la temperatura eutectoide: permanece como matriz continua alrededor de las colonia de perlita. La microestructura

del punto f aparece como indica el esquema de la Figura 2. De este modo la ferrita presente en el acero procede del enfriamiento a través de la región α + γ y de la reacción eutectoide. La ferrita de la perlita se denomina ferrita eutectoide y la ferrita formada ante de la Te se denomina ferrita proeutectoide (que significa pre- o antes del autectoide) como se indica en la Figura 2. En la perlita, la distancia entre las capas α y Fe3C varía de un grano al otro; a veces la perlita aparece oscura porque la distancia entre capas es indistinguible a los aumentos de fotomicrografía. Cabe anotar la existencia de dos microconstituyentes: ferrita proeutectoide y perlita, que aparecen en todos los aceros hipoeutectoides enfriados lentamente desde la

temperatura eutectoide. La cantidad relativa de α proeutectoide y perlita se

determina trazando la recta de reparto del de le límite de la fase α-(α- Fe3C)(0.022% C) a la composición del eutectoide (0.77% C) y se aplica la regla de la palanca. Para una composición C’o, la fracción de perlita

sería:022.077.0022.0'

−−

=oCWp

Y la fracción de ferrita proeutectoide:

022.077.0'77.0'

−−

=oCW α

3) Aceros hipereutectoides: El enfriamiento desde el

campo γ de aceros al carbono, de composición comprendida entre 0,77 y 2,11 % en peso de carbono, origina transformaciones y microestructuras análogas. El acero de composición C1 de la Figura 3 se enfría descendiendo por la vertical zz´. En el punto g sólo aparecen granos de fase γ y composición C1. Al enfriar a lo largo del campo de fase γ +


10

Fe3C, hasta el punto h, por ejemplo, la fase cementita va creciendo en los límites iniciales de los granos γ, esto es similar al punto d de la Figura 2. Esta cementita se denomina cementita proeutectoide, porque se forma antes de la reacción eutectoide. La composición de la austenita permanece constante (6,70% C) al variar la temperatura. Sin embargo, la composición de la austenita se desplaza a lo largo de la línea PO antes del eutéctico. Al descender por debajo de la temperatura eutéctica, toda la austenita remanente de composición eutectoide se transforma en perlita. De este modo, la microestructura resultante consiste en perlita y cementita proeutectoide como microconstituyentes (Figura 3). La cementita tiene una apariencia parecida a la ferrita proeutectoide, por lo que a veces es difícil distinguir la microestructura de los aceros hipo e hipereutectoides.

En los aceros hipereutectoides, las cantidades relativas de los microconstituyentes perlitas y Fe3C

proeutectoides se calculan trazando la recta de reparto entre 0,77 y 6,70%C. En un acero de composición C´1 las fracciones de perlita Wp y de cementita proeutectoide WFe3C se determinan mediante la expresión de la regla de la palanca, del mismo modo que lo hicimos en el apartado anterior.

Enfriamiento en no equilibrio Se supone que a lo largo del enfriamiento de las aleaciones de hierro-carbono se mantienen

continuamente las condiciones del equilibrio metaestable; es decir, se necesita el tiempo suficiente a cada temperatura para alcanzar el ajuste composicional de las fases y el ajuste en cuanto a las cantidades relativas previstas por el diagrama de fases Fe-Fe3C. En la mayoría de las situaciones estas velocidades son tan lentas como impracticables e innecesarias; en efecto, en muchas ocasiones se prefieren las condiciones de no equilibrio. La importancia práctica de los efectos del no equilibrio radica en que:

- ocurren otros cambios de fase o transformaciones que las previstas en los límites de fases de los diagramas de fases.

- la existencia a temperatura ambiente de fases en no equilibrio que no aparecen en el diagrama de fases.

Influencia de otros elementos de aleación La adición de otros elementos aleantes (Cr, Ni, Ti, etc.) cambia drásticamente el diagrama de fases

binario hierro-carburo de hierro. La magnitud de las alteraciones de las posiciones de los límites de fases y la forma de los campos de fases dependen del elemento de aleación y de su concentración. Unos de estos importantes cambios es el desplazamiento de la posición del eutectoide con respectos a la temperatura y concentración de carbono. Esos elementos de aleación no sólo modifican la temperatura de la reacción eutectoide sino también las fracciones relativas de perlita y fase proeutectoide. Los aceros normalmente se alean para aumentar su resistencia a la corrosión o para modificar sus propiedades por tratamiento térmico.

Las siguientes figuras nos ilustran los efectos de la modificación de la temperatura y de la composición

en % en peso de carbono, en función de la concentración de varios elementos de aleación.


11

ACEROS Los aceros son aleaciones hierro-carbono con concentraciones apreciables de otros elementos

aleantes. Existen miles de aceros que tienen distintas composiciones y/o tratamientos térmicos. El contenido en carbono suele ser inferior al 1%. Los aceros más comunes se clasifican según el contenido en carbono: bajo, medio y alto en carbono. En cada grupo existen subclases de acuerdo con la concentración de otros elementos de aleación. Los aceros al carbono sólo contienen concentraciones residuales de impurezas distintas al carbono. En los aceros aleados, los elementos de aleación se añaden intencionadamente en concentraciones específicas.

Aceros al carbono: Más del 90% de todos los aceros son aceros al carbono. Estos aceros contienen diversas cantidades

de carbono y menos del 1,65% de manganeso, el 0,60% de silicio y el 0,60% de cobre. Entre los productos fabricados con aceros al carbono figuran máquinas, carrocerías de automóvil, la mayor parte de las estructuras de construcción de acero, cascos de buques, somieres y horquillas.

Aceros bajos en carbono

La mayor parte de todo el acero fabricado es bajo en carbono. Este tipo de acero contiene menos del

0.25% C, no responde al tratamiento térmico para formar martensita y es endurecible por acritud. La microestructura consiste en ferrita y perlita. Estos aceros son relativamente blandos y poco resistentes, pero con extraordinaria ductilidad y tenacidad; además, son de fácil mecanizado, soldables y baratos. Se utilizan para fabricar carrocerías de automóviles, vigas y láminas para construir tuberías, edificios, puentes y latas estañadas.

Otro grupo de aceros bajos en carbono está constituido por los aceros de alta resistencia y baja

aleación (HSLA), que contienen elementos de aleación como cobre, vanadio, níquel y molibdeno en concentraciones combinadas de aproximadamente el 10% en peso y poseen mucha mayor resistencia mecánica que los aceros bajos en carbono ordinarios. Son dúctiles, hechurables y mecanizables. En el ambiente atmosférico, los aceros HSLA son más resistentes a la corrosión que los aceros al carbono, a los que suelen reemplazar en muchas aplicaciones donde la resistencia mecánica es crítica: puentes, torres, columnas de soporte de altos edificios y recipientes a presión.

Aceros medios en carbono

Los aceros medios en carbono tienen porcentajes en carbono comprendidos entre 0.25 y 0.6%. Estos

aceros pueden ser tratados térmicamente mediante austenización, temple y revenido para mejorar sus propiedades mecánicas. Se suelen utilizar en la condición de revenidos, con microestructura de martensita revenida. Se trata de aceros de baja templabilidad, sólo tratables en piezas de delgada sección y velocidades de temple muy rápidas. Las adiciones de cromo, níquel y molibdeno mejoran la capacidad de estas aleaciones para ser tratados térmicamente, generando así gran variedad de combinaciones resistencia-ductilidad. Estos aceros tratados térmicamente son más resistentes que los aceros bajos en carbono, pero menos dúctiles y tenaces. Se utilizan para fabricar ruedas y raíles de trenes, engranajes, cigüeñales y otros componentes estructurales que necesitan alta resistencia mecánica, resistencia al desgaste y tenacidad.

Aceros altos en carbono

Los aceros altos en carbono normalmente contienen entre 0.6 y 1.4% C y son más duros, resistentes y

aún menos dúctiles que los otros aceros al carbono. Casi siempre se utilizan en la condición templada y revenida, en la cual son especialmente resistentes al desgaste y capaces de adquirir la forma de herramienta de corte. Las herramientas y las matrices se fabrican con aceros aleados altos en carbono que contienen, generalmente, cromo, vanadio, tungsteno y molibdeno. Estos elementos de aleación se combinan con el carbono para formas carburos muy duros y resistentes al desgaste. Estos aceros se utilizan como herramientas de corte y matrices para hechurar materiales, así como cuchillos, navajas, hojas de sierra, muelles e hilos de alta resistencia.


12

Aceros aleados: Estos aceros contienen un proporción determinada de vanadio, molibdeno y otros elementos, además

de cantidades mayores de manganeso, silicio y cobre que los aceros al carbono normales. Estos aceros de aleación se pueden subclasificar en:

• Estructurales

Son aquellos aceros que se emplean para diversas partes de máquinas, tales como engranajes, ejes y

palancas. Además se utilizan en las estructuras de edificios, construcción de chasis de automóviles, puentes, barcos y semejantes. El contenido de la aleación varía desde 0,25% a un 6%.

• Para Herramientas

Aceros de alta calidad que se emplean en herramientas para cortar y modelar metales y no-metales.

Por lo tanto, son materiales empleados para cortar y construir herramientas tales como taladros, escariadores, fresas, terrajas y machos de roscar.

• Especiales

Los Aceros de Aleación especiales son los aceros inoxidables y aquellos con un contenido de cromo

generalmente superior al 12%. Estos aceros de gran dureza y alta resistencia a las altas temperaturas y a la corrosión, se emplean en turbinas de vapor, engranajes, ejes y rodamientos.

Aceros de baja aleación ultraresistentes: Esta familia es la más reciente de las cuatro grandes clases de acero. Los aceros de baja aleación son

más baratos que los aceros aleados convencionales ya que contienen cantidades menores de los costosos elementos de aleación. Sin embargo, reciben un tratamiento especial que les da una resistencia mucho mayor que la del acero al carbono. Por ejemplo, los vagones de mercancías fabricados con aceros de baja aleación pueden transportar cargas más grandes porque sus paredes son más delgadas que lo que sería necesario en caso de emplear acero al carbono. Además, como los vagones de acero de baja aleación pesan menos, las cargas pueden ser más pesadas. En la actualidad se construyen muchos edificios con estructuras de aceros de baja aleación. Las vigas pueden ser más delgadas sin disminuir su resistencia, logrando un mayor espacio interior en los edificios

Aceros inoxidables: Los aceros resisten la corrosión en muchos ambientes, especialmente en la atmósfera. El cromo es el

principal elemento de aleación, en una concentración mínima del 11%, lo que lo permite que se forme una delgada capa protectora de óxido de cromo al exponer el acero al oxígeno. La resistencia a la corrosión mejora con adiciones de níquel y molibdeno. Las adiciones de los elementos de aleación en concentraciones significativas producen dramáticas alteraciones en el diagrama de fases hierro-carburo de hierro. La amplia gama de propiedades mecánicas combinadas con la excelente resistencia a la corrosión hacen que este tipo de acero sea muy versátil. Los aceros inoxidables se clasifican en función de la microestructura constituyente:

• Aceros inoxidables ferríticos

Los aceros inoxidables ferríticos contienen hasta 30% Cr y menos de 0.12% C. debido a su estructura,

los aceros inoxidables ferríticos tienen buena resistencia mecánica y una ductilidad moderada, derivadas del endurecimiento por solución sólida y endurecimiento por deformación. Además, tienen excelente resistencia a la corrosión, una conformabilidad moderada y son relativamente económicos.

• Aceros inoxidables martensíticos El contenido de cromo es por lo general menor del 17% Cr; de lo contrario, el campo de austenita se

hace tan pequeño que se requiere un control muy estricto de la temperatura de austenizado del contenido de


13

carbono. Bajas cantidades de cromo también permiten que varíe el contenido de carbono de aproximadamente 0.1% hasta 1%, lo que genera martensita con diferentes purezas. La combinación de dureza, resistencia mecánica y resistencia a la corrosión hace las aleaciones atractivas para usos como cuchillería de alta calidad, cojinetes y válvulas.

• Aceros inoxidables austeníticos El níquel, un elemento estabilizador de ka austenita, incrementa el tamaño del campo de austenita y al

mismo tiempo prácticamente elimina la ferrita de las aleaciones hierro-cromo-carbono. Si el contenido de carbono queda por debajo de 0.03%, no se forman carburos y el acero estará conformado prácticamente todo de austenita a temperatura ambiente.

Los aceros inoxidables austeníticos tienen excelente ductilidad, conformabilidad y resistencia mecánica a la corrosión. La resistencia mecánica se obtiene mediante un endurecimiento por solución sólida y los aceros inoxidables austeníticos pueden deformarse en frío para obtener más resistencia que los ferríticos. Los aceros tienen temperatura de transición dúctil-frágil. Además, los inoxidables austeníticos no son ferromagnéticos. Desafortunadamente, el alto contenido de níquel y de cromo hace que estas aleaciones sean costosas.

• Aceros inoxidables endurecidos por precipitación (PH) Los aceros inoxidables endurecidos por precipitación (PH) contienen Al, Nb o Ta y deben sus

propiedades a los endurecimientos por solución sólida, por deformación, por envejecimiento y por la transformación martensítica. El acero es calentado primero y después templado para inducir que la austenita se transforme en martensita. El recalentamiento permite tener precipitados como el Ni3Al a partir de la martensita. Se obtienen altas propiedades mecánicas, incluso con bajos contenidos de carbono.

• Aceros inoxidables dúplex

En algunos casos, en la estructura de los aceros inoxidables se introducen de manera deliberada

mezclas de fases. Mediante un control apropiado de la composición y del tratamiento térmico, se puede producir un acero inoxidable dúplex, que contenga aproximadamente 50% de ferrita y 50% de austenita. Esta combinación proporciona un conjunto de propiedades mecánicas, resistencia a la corrosión, conformabilidad y soldabilidad, que no se obtiene en ningún otro acero inoxidable normal.


14

ENSAYOS EN METALES Los ensayos que se realizan con los aceros pueden clasificarse en cuatro grupos principales: ensayos

físicos, químicos, físico-químicos y eléctricos: Ensayos físicos_ Los más utilizados son los ensayos de dureza, tracción, choque, fatiga, y penetración

de temple. También se hacen, aunque no con tanta frecuencia, ensayos de maquinabilidad, de resistencia al desgaste, aptitud de corte, deformación al temple, ensayos de magnaflux, rayos X, ensayos ultrasónicos, etc.

Ensayos químicos_ Los más importantes son los análisis químicos destinados a determinar la

composición cualitativa y cuantitativa, y los ensayos que se hacen para conocer la resistencia a la oxidación a elevadas temperaturas, resistencia a la corrosión bajo la acción de determinados agente, como niebla salina, etc.

Ensayos físico-químicos_ En este grupo pueden incluirse algunos ensayos especiales como: ensayo

de chispa para determinar la composición o calidad aproximada de un acero o la presencia en el mismo de ciertos elementos de aleación; ensayos macroscópicos y microscópicos en los que se realizan ataques químicos superficiales y luego se hace el examen posterior de la estructura; ensayos con papel fotográfico para revelar la posible segregación del azufre. También se realizan otros ensayos para determinar la porosidad y rechupe; el ensayo de Mc Quaid para fijar la normalidad y el tamaño del grano, etc., etc.

Ensayos eléctricos_ Entre los más interesantes se pueden destacar la determinación de pérdidas por

histéresis, inducción, permeabilidad, fuerza coercitiva, magnetismo remanente, etc. Entre todos ensayos los más importantes son los relacionados con las propiedades mecánicas de los

metales, por lo que serán estos los que serán expuestos a continuación: Ensayo de tracción El ensayo de tracción en ingeniería es ampliamente utilizado, pues suministra información sobre la

resistencia de los materiales utilizados en el diseño y también para verificación de especificaciones de aceptación. Quizás este ensayo es el más empleado en el estudio de materiales como los metales dado que se obtienen una gran cantidad de datos relacionados con las propiedades mecánicas de los metales. Estos ensayos son simulativos pues tratan de reproducir las condiciones reales de trabajo.

La curva de esfuerzo deformación ingenieril o nominal se obtiene a partir de las medidas de carga y alargamiento. El valor del esfuerzo que soporta el material se define como S = P/A0 donde P es el valor de la carga aplicada. El alargamiento es la variación de la longitud dl = lf – l0 y la deformación nominal se define como ε = (lf – l0)/l0.

Todos los materiales metálicos tienen una combinación de comportamiento elástico (propiedad de una material en virtud de la cual las deformaciones causadas por la aplicación de una fuera desaparecen cuando cesa la acción de la fuerza) y plástico (es aquella propiedad que permite al material soportar una deformación permanente sin fracturarse) en mayor o menor proporción.

Todo cuerpo al soportar una fuerza aplicada trata de deformarse en el sentido de aplicación de la fuerza. En el caso del ensayo de tracción, la fuerza se aplica en dirección del eje de ella y por eso se denomina axial, la probeta se alargará en dirección de su longitud y se encogerá en el sentido o plano perpendicular.

Si a todos los valores de la carga aplicados progresivamente los dividimos por el área inicial de la probeta, se obtienen diversos valores del esfuerzo nominal, y si a todos los valores de dl medidos se dividen por la longitud inicial de prueba l0, obtenemos los diferentes valores de deformación convencional nominal del ensayo. Estos valores se pueden representar obteniendo el diagrama S vs.ε., observándose varias regiones.

La primera región que se observa (elástica) en la mayoría de los metales presenta una dependencia lineal que indica que dentro de un rango de valores existe proporcionalidad directa entre el esfuerzo aplicado


15

y la deformación producida. Esta relación la da la ley de Hooke S = Kε donde K es una cte. conocida como módulo de elasticidad o de Young.

El valor del módulo es una medida de la rigidez del material, a mayor valor, más rígido será el material (menor será la deformación elástica). Este valor está determinado por las fuerzas de enlace entre los átomos, siendo por ello una propiedad mecánica casi inmodificable. Puede ser ligeramente afectado por los elementos de aleación, tratamientos térmicos y por el trabajo en frío (conformación en frío). El incremento en la temperatura de trabajo puede disminuir este valor. Otros valores característicos del ensayo en esta región elástica son el límite proporcional (valor del mayor esfuerzo para el cual existe proporcionalidad directa entre el esfuerzo y la deformación) y el límite elástico (mayor valor del esfuerzo hasta el cual el material mantiene un comportamiento elástico).

En la segunda región de la curva (plástica) aparecen los siguientes valores característicos: esfuerzo de fluencia (menor valor del esfuerzo para el cual se produce una deformación permanente o deformación plástica, denominándose fluencia convencional al valor del esfuerzo para una deformación permanente del 0,2%.), resistencia a la tracción (mayor valor del esfuerzo en una curva S vs.ε convencional o al valor del esfuerzo para el punto de máxima carga en el ensayo; este valor de esfuerzo, junto con el de fluencia o límite elástico, en encuentran tabulados para la mayoría de los materiales) y el esfuerzo de fractura o rotura (valor al cual se reproduce la fractura de la probeta, y cuyo valor no tiene gran importancia, pues una vez se supere el máximo valor, la probeta fallará, irremediablemente, a menores valores de esfuerzo). Tanto los valores de resistencia a la tracción y límite elástico son parámetros de resistencia mecánica y se calculan según las expresiones siguientes respectivamente: SU = SMAX = (PMAX / AO); SO = (PE / AO)

Otros aspectos medidos con el ensayo de tracción son:

Ductilidad. El concepto de ductilidad es cualitativo, pues es una propiedad subjetiva del material. En general, las medidas de ductilidad son de interés en tres formas:

- Para indicar hasta cuanto material puede ser fracturado sin deformarse en operaciones de procesos de conformación tales como la laminación o extrusión.

- Para indicar al diseñador, de modo general, la habilidad del metal para fluir plásticamente antes de fractura.

- Sirve como un indicador de cambio en los niveles de impureza o condiciones del proceso.

Las medidas convencionales de ductilidad que son obtenidas del ensayo de tracción son el alargamiento de rotura EF y la reducción de área en la fractura Q. Ambas propiedades se obtienen después de fracturar el material juntando nuevamente la probeta y realizando las mediciones de LF (longitud final en el momento de la rotura) y AF (área de la sección en el momento de la fractura)

EF = (LF - LO)/LO Q = (AF - AO)/AO Ambos valores se pueden presentar en porcentaje.

Módulo de resiliencia. Es la energía absorbida por el material durante la deformación elástica, la cual puede recuperarse al descargar el material. Este valor es la energía por unidad de volumen requerida para llevar el material desde un esfuerzo nulo hasta el valor de esfuerzo de fluencia o límite elástico SO.

La energía de deformación por unidad de volumen para el caso de esfuerzo de tracción uniaxial: UO =1/2SXEX, por lo que el módulo de resiliencia es UR = 1/2SOEO = SO

2/2E Siendo EO la deformación unitaria para fluencia.

En la gráfica, el valor del módulo es el área bajo la región elástica, y un material con alto módulo debe poseer un elevado valor de esfuerzo de fluencia y un bajo valor de EI. En este caso el material podrá soportar altas cargas de energía sin que se produzcan deformaciones permanentes que en aplicaciones prácticas sería el caso de los resortes mecánicos.

Tenacidad. La tenacidad de un material es la habilidad para absorber energía durante la deformación plástica, capacidad para soportar esfuerzos ocasionales superiores al esfuerzo de fluencia, sin


16

que se produzca la fractura, propiedad de gran valor en piezas que sirven de acoplamiento en vagones, engranajes, cadenas y ganchos de grúas.

La tenacidad es un concepto comúnmente utilizado, pero difícil de medir y definir. Las formas de concretar el concepto es calcular el área bajo la curva de esfuerzo vs deformación, o mediante ensayos de impacto. La tenacidad es un parámetro que involucra la resistencia mecánica y la ductilidad.

Ensayo de compresión El ensayo de compresión es poco frecuente en los metales y consiste en aplicar a la probeta, en la

dirección de su eje longitudinal, una carga estática que tiende a provocar un acortamiento de la misma y cuyo valor se irá incrementando hasta la rotura o suspensión del ensayo.

El diagrama obtenido en un ensayo de compresión presenta para los aceros, al igual que el de

tracción un periodo elástico y otro plástico. Además es posible deducir que los materiales frágiles (fundición) rompen prácticamente sin deformarse, mientras que para los dúctiles este ensayo carece de importancia. En general es posible efectuar las mismas determinaciones que en el ensayo de tracción.

Ensayo de flexión El esfuerzo de flexión puro o simple se obtiene cuando se aplican sobre un cuerpo pares de fuerza

perpendiculares a su eje longitudinal, de modo que provoquen el giro de las secciones transversales con respecto a los inmediatos.

Sin embargo y por comodidad para realizar el ensayo de los distintos materiales bajo la acción de

este esfuerzo se emplea generalmente a las mismas comportándose como vigas simplemente apoyadas, con la carga concentrada en un punto medio (flexión practica u ordinaria).

En estas condiciones además de producirse el momento de flexión requerido, se superpone a él un

esfuerzo cortante, cuya influencia en el calculo de la resistencia del material varia con la distancia entre los apoyos, debido a que mientras los momentos flectores aumentan o disminuyen con esta, los esfuerzos cortantes se mantienen constantes, como puede comprobarse fácilmente en la figura, por lo que será tanto menor su influencia cuanto mayor sea la luz entre apoyos.

Es por esta razón que la distancia entre los soportes de la probeta se ha normalizado

convenientemente en función de la altura o diámetro de la misma, pudiendo aceptar entonces que la acción del esfuerzo de corte resulta prácticamente despreciable. Para ensayos más precisos la aplicación de la carga se hace por intermedio de dos fuerzas con lo que se logra “flexión pura”.

La fórmula de la tensión será, la relación del esfuerzo con la sección donde actúa. El momento

flector máximo en la viga es igual: Mfmax = P (L – d) / 4 Siendo P la carga total, L la distancia entre apoyos y d la separación entre las cargas. Si el modulo resistente Wz es: Wz =π d³ /32 Remplazando en la fórmula que determina la tensión y considerando el momento flector máximo,

obtenemos la “resistencia estática o modulo de rotura de la flexión”.


17

Cuando el material es sometido a la acción de la carga, la línea neutra se ira flexionando,

denominándose flecha a la distancia vertical entre la posición inicial de dicha línea y las posiciones instantáneas que tome, medidas en el lugar de mayor flexionamiento de la probeta.

El ensayo de flexión en metales se realiza en aquellos frágiles y muy especialmente en las

fundiciones en las que, si bien no resulta el que define mejor sus propiedades mecánicas, se justifica teniendo en cuenta que las mismas se encuentran sometidas, en muchos de sus usos, a esfuerzos similares, pudiendo reemplazar en esos casos al ensayo primario de tracción.

El valor de las flechas en los ensayos de verificación, suele ser un requisito a satisfacer indicándose,

de acuerdo al empleo del material una máxima o mínima según que se desee su comportamiento como “flexible” o frágil.

Ensayos de dureza

La dureza es una propiedad fundamental de los materiales y está relacionada con la resistencia mecánica. La dureza puede definirse como la resistencia de un material a la penetración o formación de huellas localizadas en una superficie. Cuanta más pequeña sea la huella obtenida en condiciones normalizadas, más duro será el material ensayado. El penetrador en un ensayo de dureza es generalmente una esfera, pirámide o cono hecho de un material mucho más duro del que se ensaya, como por ejemplo acero endurecido, diamante o carburo de tungsteno sinterizado.

En la mayoría de las pruebas patrón, la carga se aplica al oprimir lentamente el penetrador, perpendicularmente a la superficie ensayada, por un periodo determinado. De los resultados obtenidos se puede calcular un valor empírico de dureza, conociendo la carga aplicada y el área de la sección transversal o la profundidad de impresión. El ensayo de dureza nunca se debe realizar cerca del borde de la muestra o cerca de otra penetración ya existente.

Las penetraciones microscópicas de dureza se hacen empleando cargas muy pequeñas y se usan para estudiar variaciones localizadas de dureza en materiales monofásicos y multifásicos (aleaciones), así como para medir la dureza de granos metálicos. La prueba de dureza puede hacerse muy fácilmente y la información obtenida se evalúa inmediatamente. Por estas razones y por su carácter no destructivo, se emplea frecuentemente para control de calidad en producción.

Además de la resistencia a la penetración, otros métodos de medición de la dure pueden basarse en el raspado de la superficie o en la medición del rebote elástico de una pelota dura.

Número de dureza brinell (bhn)

Este ensayo se utiliza en materiales de durezas bajas. Utiliza penetradores en forma de bolas de diferentes diámetros. Estos pueden ser de acero templado o de carburo de tungsteno. Utiliza cargas normalmente hasta 3000 Kg., los cuales se pueden normalizar de acuerdo a la siguiente fórmula: P = KD² donde: P es la carga a utilizar, K representa una cte. que vale 5, 10 o 30 dependiendo del material que esté siendo ensayado y D es el diámetro del penetrador que se va a utilizar en la prueba.

Para determinar el número de dureza, se utiliza la siguiente fórmula:

Donde: P: Carga utilizada. D: Representa el diámetro del penetrador.


18

d: Representa el diámetro de la huella. La carga se aplica durante 30 segundos y luego se retira. Inmediatamente se lee en mm. el diámetro

de la impresión.

Ensayo de dureza rockwell Se aplica a materiales más duros que los registrados en la escala Brinell. En este ensayo se usaan

penetradores de carburo de tungsteno como bolas 1/16 1/8, ¼ y ½ pulgada, este último para materiales más blandos, y el cono de diamante cuyo ángulo en la base es de 120º.

La dureza Rockwell se determina a partir de la diferencia entre la profundidad al aplicar, primero, una

carga pequeña y después una carga mayor. La carga mayor se aplica después de que la carga menor asienta firmemente el penetrador en la pieza. La lectura de la dureza Rockwell se basa en la profundidad adicional a la cual se fuerza el penetrador por la carga mayor. Cuando la carga mayor se elimina, la profundidad de penetración queda indicada en la carátula del indicador.

Se disponen de varias escalas de dureza Rockwell, en función del penetrador así como de la carga

usada, por lo que cuando se indica la dureza de un material en relación de la dureza Rockwell debe indicarse la escala empleada, escala que vendrá identificada por una letra alfabética. Ensayo vickers

Llamado el ensayo universal. Sus cargas van de 5 a 125 Kg. Su penetrador es pirámide de diamante

con un ángulo base de 136º. Se emplea la dureza Vickers para láminas tan delgadas como 0,006 pulgadas y no se lee directamente en la máquina como la dureza Rockwell. Para determinar el número de dureza se aplica la siguiente fórmula:

Este ensayo constituye una mejora al ensayo de Brinell. Se presiona el penetrador contra una probeta bajo más livianas que la utilizadas en el ensayo Brinell. Se miden las diagonales de la impresión cuadrada y se halla el promedio para aplicar la fórmula antes mencionada.


19

Ensayos de fatiga En el estudio de los materiales en servicio, como componentes de órganos de máquinas o

estructuras, debe tenerse en cuenta que las solicitaciones predominantes a que generalmente están sometidos no resultan estáticas ni cuasi estáticas, muy por lo contrario en la mayoría de los casos se encuentran afectados a cambios de tensiones, ya sean de tracción, compresión, flexión o torsión, que se repiten sistemáticamente y que producen la rotura del material para valores de la misma considerablemente menores que las calculadas en ensayos estáticos. Este tipo de rotura que necesariamente se produce en el tiempo, se denomina rotura de fatiga aunque es común identificarla como roturas por tensiones repetidas, tensiones que pueden actuar individualmente o combinadas.

En general los ensayos de fatiga se clasifican por el espectro de carga- tiempo, pudiendo presentarse

como: Ensayos de fatiga de amplitud constante. Los ensayos de amplitud constante evalúan el comportamiento a la fatiga mediante ciclos

predeterminados de carga o deformación, generalmente senoidales o triangulares, de amplitud y frecuencia constantes. Son de ampliación en ensayos tanto de bajo como de alto número de ciclos y ponderan la capacidad de supervivencia o vida a la fatiga por el número de ciclos hasta la rotura (inicio y propagación de la falla) y la resistencia a la fatiga por la amplitud de la tensión para un número de ciclos de rotura predeterminado. Es usual denominar como resistencia a la fatiga a la máxima tensión bajo la cual el material no rompe o aquella que corresponde a un número preestablecido de ciclos según los metales o aleaciones.

Ensayo de fatiga de amplitud variable. En fatiga, cuando la amplitud del ciclo es variable, se evalúa el efecto del daño acumulado debido a

la variación de la amplitud del esfuerzo en el tiempo. Son ensayos de alto número de ciclos con control de carga, que según el espectro de carga elegido serán más o menos representativos de las condiciones de servicio.

Se ha descubierto que para la mayoría de los materiales existe un esfuerzo limitativo debajo del cual una carga puede repetidamente aplicarse un número indefinido de veces sin causar la falla. Este esfuerzo limitativo es denominado límite de fatiga. La magnitud del límite de fatiga depende de la clase de variación de esfuerzo al cual ese material sea sometido.

El límite de fatiga es directamente proporcional a la resistencia a la tracción. Para la mayor parte de los aceros al carbono se puede considerar como válida la fórmula:

LIMITE DE AGUANTE ≅ 0.5 DE LA RESISTENCIA A LA TRACCIÓN

Para otros casos se tiene que: LIMITE DE AGUANTE ≅ RESISTENCIA A LA TRACCIÓN, teniendo como ejemplos: aleaciones de cobre = 0.4; aleaciones ligeras = 0.32; aleaciones ultraligeras = 0.43

Las circunstancias que influyen en la rotura por fatiga de un material metálico son:

- Estado de la superficie: El estado de esta tiene gran importancia sobre la rotura por fatiga. - Temperatura: En casi todos los materiales metálicos el aumento de temperatura por encima de

cierto valor, disminuye el límite de fatiga. - Tratamientos térmicos: Las termones internas provocadas por tratamientos térmicos crean

localización de esfuerzos que pueden originar fisuras. - Homogeneidad de la estructura cristalina: Cuando la estructura no es homogénea puede suceder

que los cristales más pequeños se acuñen entre los más grandes originando fisuras. - Corrosión: Cuando la corrosión existe no tiene tanto problema, pero si va actuando, cada punto de

corrosión se convierte como si fuera un entalle rebajando notablemente el límite de fatiga.


20

Ensayo de choque En elementos sometidos a efectos exteriores instantáneos o variaciones bruscas de las cargas, las

que pueden aparecer circunstancialmente, su falla se produce generalmente, al no aceptar deformaciones plásticas o por fragilidad, aun en aquellos metales considerados como dúctiles. En estos casos es conveniente analizar el comportamiento del material en experiencias de choque o impacto.

Los ensayos de choque determinan, pues, la fragilidad o capacidad de un material de absorber

cargas instantáneas, por el trabajo necesario para introducir la fractura de la probeta de un solo choque, el que se refiere a la unidad de área, para obtener lo que se denomina resiliencia. Este nuevo concepto, tampoco nos ofrece una propiedad definida del material, sino que constituye un índice comparativo de su plasticidad, con respecto a las obtenidas en otros ensayos realizados en idénticas condiciones, por lo que se debe tener muy en cuenta los distintos factores que inciden sobre ella.

Resumiendo diremos que el objeto del ensayo de choque es el de comprobar si una maquina o

estructura fallará por fragilidad bajo las condiciones que le impone su empleo, muy especialmente cuando las piezas experimentan concentración de tensiones, por cambios bruscos de sección, maquinados incorrectos, fileteados, etcétera, o bien verificar el correcto tratamiento térmico del material ensayado.

Los ensayos dinámicos de choque se realizan generalmente en máquinas denominadas péndulos o

martillo pendulares, en las que se verifica el comportamiento de los materiales al ser golpeados por una masa conocida a la que se deja caer desde una altura determinada, realizándose la experiencia en la mayoría de los casos, de dos maneras distintas el método Izod y el método Charpy. En ambos casos la rotura se produce por flexionamiento de la probeta, por lo que se los denomina flexión por choque. Es aconsejable realizar el ensayo de choque por el método Charpy por lo que será el ensayo del que se hablará.

Con la finalidad de que el material esté actuando en las más severas condiciones, el método Charpy

utiliza probetas ensayadas (estado triaxial de tensiones) y velocidades de deformación de 4,5 a 7m/s, entorno recomendado por las normas el de 5 a 5,5m/s.

Las probetas se colocan, como muestra la figura siguiente, simplemente apoyadas sobre la mesa de

máquina y en forma tal que la entalladura se encuentra del lado opuesto al que va a recibir el impacto. En la misma figura se puede observar la correcta posición del material como así también la forma y dimensiones de los apoyos y de la pena del martillo pendular.

Probeta CHARPY lista para ensayar

La resiliencia al choque resulta, según este método, el trabajo gastado por unidad de sección

transversal para romper al material de un solo golpe: Resiliencia =K = Ao/S (Kgf/cm² o Joule/cm²)

Ensayos de corte El ensayo de corte tiene poca aplicación práctica, pues no permite deducir de él algunas de las

características mecánicas de importancia del material que se ensaya; es por ello que rara vez lo solicitan las especificaciones.


21

El esfuerzo de corte no puede ser obtenido prácticamente como un esfuerzo puro o simple, pues va generalmente acompañado por otro de flexión, cuyo valor variará según el procedimiento a seguir pues es indudable que si se considera una sola cuchilla su importancia decrecerá, aunque también en este caso tendrá una pequeña influencia en el valor obtenido la dureza del filo y la penetración en cuña del mismo.

Sin embargo prácticamente se calcula el esfuerzo de corte como si se tratara de un esfuerzo simple,

aplicando la formula de tensión ya conocida, debido a que éste predomina tomando valores de tal magnitud que permiten despreciar los efectos secundarios.

El dispositivo utilizado es el dibujo anterior, dado que la pieza cortante va haciendo el corte de la

probeta en dos secciones por lo que la tensión de corte es :

Ensayo de plegado El plegado a temperatura ambiente es un ensayo tecnológico derivado del de flexión, se realiza para

determinar la ductilidad de los materiales metálicos (de él no se obtiene ningún valor específico). Este ensayo es solicitado por las especificaciones en la recepción de aceros en barras y perfiles, para

la comprobación de la tenacidad de los mismos y después de haber sido sometido al tratamiento térmico de recocido. El material se coloca entre los soportes cilíndricos, aplicando la carga lentamente hasta obtener el ángulo de plegado especificado para el mismo, o bien cuando se observa la aparición de las primeras fisuras en la cara inferior o la sometida a tracción.

La luz entre los bordes de los apoyos se toma aproximadamente igual al diámetro del elemento

transmisor del esfuerzo, más tres veces el espesor del material. L = d + 3 D Generalmente el plegado se obtiene en dos etapas y se realiza con un ángulo de 180º. 1º- Colocando el material en el dispositivo anterior se efectúa el flexionamiento hasta un determinado

ángulo. 2º-Se termina la operación con los platos de compresión hasta lograr un ángulo de 180º. El ensayo dará resultado satisfactorio o, en otras palabras, el material será aceptado si no presenta

sobre su parte estirada grietas o resquebrajaduras a simple vista.


22

TRATAMIENTOS TÉRMICOS Los tratamientos térmicos resultan muy efectivos para modificar las propiedades mecánicas. Por este

motivo, son muy comunes en las aleaciones comerciales. Los procesos térmicos más comunes son:

• Recocido. • Tratamiento térmico de los aceros. • Endurecimiento por precipitación.

Recocido El recocido es el tratamiento térmico de un material expuesto a elevada temperatura durante un

periodo de tiempo y, después, enfriado lentamente. El recocido se lleva a cabo para:

• Eliminar tensiones. • Incrementar la plasticidad, ductilidad y la tenacidad. • Producir microestructuras específicas.

El proceso de recocido se divide en tres etapas distintas: 1. Calentamiento a la temperatura prevista. 2. Mantenimiento o “impregnación térmica” a la temperatura prevista. 3. Enfriamiento, normalmente hasta la temperatura ambiente. Durante el calentamiento y el enfriamiento se producen gradientes de temperaturas entre el interior y

la superficie del material. Este gradiente depende del tamaño y la geometría de la pieza. Cuando la velocidad de cambio de temperatura es grande, se generan tensiones internas que pueden

llegar a producir deformaciones o agrietamientos. Se debe dejar el suficiente tiempo de recocido para que transcurra la reacción de transformación que

se desea. Si se eleva la temperatura el proceso de recocido se acelera. - Proceso de recocido:

El proceso de recocido es un tratamiento térmico para eliminar los efectos del trabajo en frío, es decir,

para ablandar y ductilizar un metal. Por lo tanto, se utiliza en procesos que se necesitan gran deformación plástica, para prevenir roturas o excesivo consumo de energía.

- Eliminación de tensiones:

Las piezas metálicas pueden general tensiones internas debidas a: • Procesos de deformación plástica. • Enfriamiento no uniforme de piezas conformadas a altas temperaturas. • Transformación de fase por enfriamiento, donde hay un cambio de densidad.

Si no se eliminan las tensiones pueden producir distorsiones y alabeos. La eliminación se produce por un tratamiento térmico de recocido de eliminación de tensiones, en el

que la pieza se calienta hasta la temperatura recomendada, se mantiene hasta conseguir una temperatura uniforme y se enfría hasta la temperatura ambiente.


23

Normalmente, la temperatura de recocido es baja para evitar posibles deformaciones por enfriamiento y para no afectar a otros tratamientos térmicos.

- Recocido de aleaciones férreas

Para modificar las propiedades de los aceros se aplican distintos procedimientos de recocido:

normalizado, recocido total y esferoidización o globalización. Pero antes, cometamos los límites de fase de un diagrama hierro-carburo como el siguiente:

A1: temperatura crítica inferior. Por debajo de esta línea y en condiciones de equilibrio, la austenita se

convierte en ferrita y cementita A3 y Acm: temperatura crítica superior. Por encima de estos límites prevalece la fase austenita. Normalizado: El tratamiento térmico de normalizado se utiliza para afinar y producir una distribución de tamaños más

uniformes en los aceros cuando han sido deformados plásticamente. Esto se debe, a que cuando los aceros son deformados plásticamente, forman granos de perlita, que son granos relativamente grandes y con formas irregulares.

Este proceso, se realiza calentando a una temperatura entre 55 y 85ºC por encima de la temperatura

crítica superior, que depende de la composición. A continuación, se mantiene el suficiente tiempo a esa temperatura para la obtener la transformación completa a austenita y se deja enfriar al aire.

Recocido total: El tratamiento térmico denominado recocido, se aplica a aceros bajos y medios en carbono que se han

mecanizado o han experimentado una gran deformación plástica durante el hechurado en frío. El recocido total consiste en calentar la aleación a 15 a 40ºC por encima de la temperatura de las

líneas A3 o A1, para conseguir la transformación en austenita. Después se deja enfriar dentro del horno, es decir, se pagar el horno y de esta manera el horno y la aleación llegan a la misma velocidad a la temperatura ambiente.

Como consecuencia de este proceso se forma perlita gruesa, que es relativamente blanda y dúctil.

Para llevar a acabo el recocido total se necesita mucho tiempo, pero origina una microestructura con granos pequeños y uniformes.

Esferoidización o globalización; Los aceros medios o altos en carbono tiene una microestructura consiste en perlita gruesa que puede

llegar a ser demasiado dura para la deformación plástica y para el mecanizado. Por lo tanto, estos aceros, y otros aceros, pueden se pueden recocer para desarrollar la microestructura de esferoiditos.


24

El acero esferoidizado o globalizado tiene la máxima blandura y ductilidad, y es fácilmente

mecanizable o deformable. El tratamiento térmico de esferoización consiste en calentar la aleación a temperaturas justo por

debajo del eutectoide. Si la fase madre es perlita, el tiempo de esferoización puede durar entre 15 y 25 horas.

Tratamientos térmicos de los aceros Los tratamientos térmicos convencionales para producir aceros martensíticos, suelen consistir en

enfriamientos rápidos y continuos de una muestra austenizada en un medio de temple, como el agua, aceite o aire.

Las propiedades óptimas de un acero templado y revenido se obtienen sólo si durante el tratamiento

térmico de temple la muestra adquiere un alto contenido en martensita. Durante el tratamiento térmico es posible enfriar la muestra a temperatura uniforme, pero siempre se

enfría antes la superficie que el interior. Por lo tanto, como la austenita se transforma en un intervalo de temperaturas, se obtiene una posible variación de microestructuras y propiedades según la posición dentro de la muestra.

El tratamiento térmico adecuado para la formación de microestructuras de martensita depende de: • Composición de la aleación. • Tipo y carácter del medio de temple. • Tamaño y forma de la muestra. - Templabilidad:

La capacidad de un acero aleado para transformarse en martensita durante un determinado temple

depende de la composición química y está relaciona con un parámetro que se llama templabilidad. La templabilidad describe la aptitud de una aleación para endurecerse por formación de martensita

como consecuencia de un tratamiento térmico. Por lo tanto la templabilidad es una medida de la profundidad a la cual una aleación específica puede endurecerse.

Ensayo Jominy: El ensayo Jominy es un procedimiento utilizado habitualmente para determinar la templabilidad. En

este ensayo, se mantienen constantes todos los factores que influyen en el endurecimiento de la muestra, excepto la composición.

El ensayo Jominy consiste en una probeta de 25 mm de diámetro y 100 mm de longitud que se

austeniza a una temperatura y durante un tiempo determinado. Luego, se saca del horno y la parte inferior se templa con un chorro de agua con un flujo y una temperatura especificada. Así, la velocidad de enfriamiento es máxima en el extremo inferior de la probeta y es más lenta a lo largo de la probeta.

Una vez la probeta se encuentra a temperatura ambiente, se coge una tira de 0.4 mm de espesor de la

probeta y se determina la dureza a lo largo de los primeros 50 mm de la probeta. De esta manera, se traza una curva de templabilidad, representando los valores de dureza frente a la distancia al extremo templado.

Curvas de templabilidad: En la figura siguiente se observa una curva de templabilidad típica:


25

El extremo templado, se enfría más rápido y representa la máxima dureza, en esta posición la

microestructura coincide con el 100% de martensita. La velocidad de enfriamiento decrece a medida que la distancia con el extremo templado es mayor, por

lo que la dureza también disminuye, como se puede observar en la figura. Esto se debe a que al disminuir la velocidad de enfriamiento, el carbono tiene más tiempo para la difusión y facilita la formación de perlita más blanda, que puede estar mezclada con martensita y bainita.

La templabilidad es una medida cualitativa de la velocidad con la que la dureza disminuye con la

distancia al extremo templado. Los aceros con alta templabilidad mantienen valores de dureza elevados a distancias relativamente largas, mientras que los aceros con baja templabilidad no.

En ocasiones, es mejor relacionar la dureza con la velocidad de enfriamiento, en lugar de relacionarla

con la distancia al extremo templado (probeta de Jominy estándar). La velocidad de enfriamiento se suele indicar con un eje horizontal en el diagrama de templabilidad, como en la siguiente curva representada:

La siguiente figura muestra curvas de templabilidad para cinco aceros aleados diferentes que

contienen 0.40% de carbono y distintas cantidades de elementos aleantes.


26

En esta figura, se puede ver que los cinco aceros aleados muestran la misma dureza en el extremo templado, porque esa magnitud solo depende del contenido en carbono., pero la curva correspondiente al carbono 1040 es muy diferente a las demás curvas. La diferencia que se observa, se debe a que en el carbono 1040 la dureza desciende mucho a una distancia relativamente corta del extremo templado, mientras que en las demás aleaciones la disminución de la dureza es más gradual.

- Influencia del medio de temple, tamaño y geometría de la muestra: La velocidad de enfriamiento de una muestra depende que la velocidad de eliminación de la energía

térmica, que es función de las características del medio de temple en contacto con la superficie de la muestra, del tamaño y de la geometría de la muestra.

“Severidad de temple” es un término que se usa a menudo para indicar la velocidad de enfriamiento,

es decir, el temple más rápido es el temple más severo. Los tres medios de temples más usados son el agua, el aceite y el aire. El agua es el medio de temple más severo, seguido del aceite y del aire, que es el más efectivo.

El grado de agitación de medio también influye en la eliminación de calor. Aumentado la velocidad de

enfriamiento a través de la superficie, la efectividad de temple también aumenta. Para los aceros aleados los aceites de temple son los más adecuados, porque los aceros con alto

contenido en carbono el temple en agua puede ser muy severo, produciendo deformaciones y grietas. El enfriamiento al aire produce, en aceros al carbono, una microestructura casi totalmente de perlita.

Durante el temple de la probeta de acero, la energía térmica se debe transportar a la superficie antes

de que pueda disiparse en el medio de temple, por lo tanto, la velocidad de enfriamiento en el interior de la estructura de acero varía con la posición y depende del tamaño y de la geometría de la probeta.

Endurecimiento por precipitación La resistencia y la dureza de algunas aleaciones metálicas pueden aumentar mediante la formación de

partículas extremadamente pequeñas y uniformemente dispersas de una segunda fase dentro de la original fase matriz. Esto se consigue mediante un tratamiento térmico denominado endurecimiento por precipitación, porque las partículas conseguidas en la nueva fase se llaman precipitados.

El endurecimiento por precipitación también se denomina endurecimiento por envejecimiento, porque

el endurecimiento se desarrolla con el paso del tiempo. Algunos ejemplos de aleaciones endurecidas por tratamiento de precipitación son: aleaciones

aluminio-cobre, aluminio-silicio, cobre-berilio, cobre-estaño, magnesio-aluminio y algunas aleaciones férreas. - Tratamientos térmicos:

En el endurecimiento por precipitación surge una nueva fase, por lo tanto, para explicar este

procedimiento es necesario un diagrama de fases como el siguiente:


27

Un sistema de aleación es endurecible por dispersión si su diagrama de equilibrio cumple con estas dos condiciones:

• La solubilidad máxima de un componente en otro sea considerable. • El límite de solubilidad del componente principal disminuya rápidamente al descender la temperatura. Estas condiciones las cumple el diagrama anterior. La máxima solubilidad corresponde al punto M y el

límite de solubilidad entre las fases α y α+β disminuye desde la concentración máxima a una concentración muy baja de A en B en el punto N.

También hay que tener en cuenta que la composición de la aleación endurecible por precipitación debe

ser menor que la correspondiente a la solubilidad máxima. Las condiciones nombradas anteriormente son necesarias para que ocurra el endurecimiento por

precipitación, pero no suficientes. El endurecimiento por precipitación se consigue por dos tratamientos térmicos diferentes: • Tratamiento térmico por disolución. • Tratamiento térmico de precipitación. Estos dos tratamientos térmicos se explican seguidamente. Tratamiento térmico por disolución: En el tratamiento térmico por disolución los átomos de soluto se disuelven para formar una disolución

sólida monofásica. Este tratamiento consiste en calentar la aleación a una temperatura dentro del campo de la fase α (T0)

y esperar a que toda la fase β se disuelva completamente. Así, se consigue una única fase α, para luego enfriar rápidamente hasta una temperatura (T1) que dificulte la formación de fase β. De esta manera, se llega a una situación de no equilibrio en la cual la fase α aparece como una disolución sólida sobresaturada en átomos de B y se consigue una aleación relativamente blanda y poco resistente.

Tratamiento térmico de precipitación: El tratamiento térmico de precipitación consiste en calentar la disolución sólida sobresaturada α a una

temperatura intermedia (T2), en donde la velocidad de difusión es apreciable, dentro de la región bifásica. Así, se empieza a formar partículas finamente dispersas de la fase precipitada β, a este proceso se denomina envejecimiento. Después de estar un tiempo determinada a la temperatura T2, la aleación se enfría hasta la temperatura ambiente.

La resistencia y la dureza de la aleación dependen de la temperatura de precipitación T2 y del tiempo

de envejecimiento a esta temperatura. En algunas aleaciones el envejecimiento ocurre de manera espontánea a temperatura ambiente durante un largo periodo de tiempo.

En la siguiente figura se muestra el comportamiento típico de una aleación en endurecible por

precipitación.


28

Al incrementar el tiempo, la resistencia aumenta, alcanza el máximo y, luego, disminuye. La disminución de resistencia y dureza que ocurre después de largos periodos de tiempo se llama sobreenvejecimiento (se debe al continua crecimiento de partículas).

- Mecanismos de endurecimiento: Las aleaciones de aluminio de alta resistencia se endurecen por precipitación, quizás el mecanismo

más estudiado corresponde a la aleación aluminio-cobre. En la siguiente figura se recoge la región del diagrama de fases aluminio-cobre rica en aluminio:

• La fase α es la disolución sólida sustitucional de cobre en aluminio. • La fase θ corresponde al compuesto intermetálico CuAl2.

Durante la etapa inicial de endurecimiento, los átomos se agrupan en forma de diminutos discos de

aproximadamente 25átomos de diámetro y 2 átomos de espesor. Los grupos, racimos o zonas, son tan pequeños que estas partículas precipitadas no se pueden distinguir. Con el tiempo y la difusión de los átomos de cobre, estas zonas aumentan su tamaño. Luego, estas partículas precipitadas experimentan dos transiciones de fases. Y, finalmente llegan a la situación de equilibrio.

El aumento de resistencia se acelera con el aumento de la temperatura. Por lo tanto, la temperatura y

el tiempo del tratamiento térmico se deben programar para alcanzar un endurecimiento o una resistencia lo más próximo posible al máximo.

Para que las aleaciones sean susceptibles al endurecimiento por precipitación, además de cumplir

todo lo dicho anteriormente, deben producir deformaciones de red en la intercara precipitado-matriz. Estas distorsiones dificultan los movimientos de las dislocaciones durante la deformación plástica, con lo que la aleación aumenta su dureza y resistencia.

El envejecimiento natural se da en aleaciones que experimentan un endurecimiento apreciable a

temperatura ambiente que, luego, se deben templar y guardar en condiciones refrigeradas. El envejecimiento artificial se lleva a cabo elevando la temperatura.


29

FUNDICION La fundición es el proceso de producción de un objeto metal por vaciado de un metal fundido dentro de

un molde y que luego es enfriado y solidificado. Desde tiempos antiguos el hombre a producido objetos de metal fundido para propósitos artísticos o prácticos. Con el crecimiento de la sociedad industrial, la necesidad de fundición de metales ha sido muy importante. El metal fundido es un componente importante de la mayoría de maquinarias modernas, vehículos de transporte, utensilios de cocina, materiales de construcción, y objetos artísticos y de entretenimiento. También está presente en otras aplicaciones industriales tales como herramientas de trabajo, maquinarias de manufactura, equipos de transporte, materiales eléctricos y electrónicos, objetos de aviación, etc. La mejor razón de su uso es que puede ser producida económicamente en cualquier forma y tamaño. El tipo más común de molde de fundición es hecho de arena y arcilla, en donde el diseño forma una cavidad en la cual se vaciará el material fundido. Los moldes deben ser fuertes, resistentes a la presión del metal derretido, y suficientemente permeable para permitir el escape de aire y otros gases desde la cavidad de los moldes. El material del molde también debe resistir la fusión con el metal.

Normalmente, las fundiciones se clasifican como aleaciones férreas con un contenido en carbono

superior al 2,1%; sin embargo, en la práctica, la mayoría de las fundiciones contienen entre 3 y 4,5 C y otros elementos de adición.

Los tipos más comunes de fundiciones son: gris, esferoidal, blanca y maleable. Fundición gris: Los contenidos de carbono y de silicio de la fundición gris varían entre 2,5 a 4,0 y 1,0 a 3,0%,

respectivamente. En la mayoría de las fundiciones grises el grafito aparece como escamas o láminas, dentro de una matriz de ferrita α o de perlita. El nombre fundición gris procede del color de la superficie fracturada, el cual se deba a la presencia de esta escamas.

Mecánicamente las fundiciones grises son, a consecuencia de su microestructura, comparativamente frágiles y poco resistentes a la tracción; pues las laminas de grafito actúan como puntos de concentración de tensiones al aplicar un esfuerzo de tracción exterior. La resistencia y la ductilidad a los esfuerzos de compresión son muy superiores.

Las fundiciones grises presentan algunas propiedades muy características y útiles, como por ejemplo la efectividad en el amortiguamiento de la energía vibracional. Las bancadas para las maquinas y equipos que vibran se suelen construir de fundición. Además, la fundición gris tiene alta resistencia al desgaste. Por otro lado, a la temperatura de colada, tienen, elevada fluidez, lo que permite moldear piezas de forma intrincadas y también presentan poca concentración.

Modificando la composición y/o aplicando tratamientos térmicos se obtienen microestructuras distintas, por ejemplo, disminuyendo el contenido en silicio o aumentando la velocidad de enfriamiento se previene la completa disociación de la austerita a grafito. En estas condiciones la microestructura consiste en escamas de grafito embebidas en una matriz perlítica.


30

(Fig. 1) (Fig. 2) Si la composición y la velocidad de enfriamiento son tales que la cementita también se grafitiza

presentará entonces una estructura totalmente ferrítica (Fig. 1). Por el contrario, si se impide la grafitización de la cementita, la matriz será totalmente perlítica (Fig. 2)

Las figuras 3 y 4 muestran la microestructura de una fundición gris cuya matriz es totalmente perlítica. Además, en la micrografía a 200 aumentos –igual que en la Fig. 2- se observan como unos granos blancos, los cuales resueltos a mayores aumentos (Fig. 4) son, en realidad, esteadita.

(Fig. 3) (Fig. 4)

La mayoría de las fundiciones contienen fósforo procedente del mineral de hierro en cantidades variables entre 0,10 y 0,90%, el cual se combina en su mayor parte con el hierro formando fosfuro de hierro (Fe3P). Este fosfuro forma con la cementita y la austenita (perlita a temperatura ambiente) la conocida como esteatita (Fig. 4), la cual es uno de los constituyentes normales de las fundiciones. La esteadita, por sus propiedades físicas, debe controlarse con todo cuidado para obtener unas características mecánicas óptimas.

Fundición esferoidal o dúctil: Adiciones de pequeñas cantidades de magnesio y/o cerio a la fundición gris en estado líquido

producen diferentes microestructuras, en las que el grafito en lugar de escamas forma esferoides, que originan distintas propiedades mecánicas. De este modo resulta la fundición dúctil o esferoidal. La matriz que rodea a los esferoides de grafito es ferrita o perlita, dependiendo del tratamiento térmico, si sólo es moldeada será perlita, sin embargo, un calentamiento a 700 ºC durante varias horas, la transforma en ferrita.

La fundición dúctil es más resistente y más dúctil que la gris grafito laminar, tiene propiedades mecánicas parecidas a las del acero. Un ejemplo, es la fundición dúctil ferrítica que tiene una atracción


31

comprendida entre 380 y 480 MPa y una ductilidad del 10 al 20%. Este material se utiliza para fabricar válvulas, cuerpos de bomba, cigüeñales, pistones y otros componentes del automóvil y de maquinaria.

(Fig. 1)

La cantidad de ferrita presente en la matriz en bruto de colada depende de la composición y de la velocidad de enfriamiento. Las fundiciones ferríticas (fig. 1) son las que proporcionan la máxima ductilidad, tenacidad y maquinabilidad.

Estas fundiciones, bien en bruto de fundición o tras haber sufrido un normalizado, pueden presentar también una matriz constituida en gran parte por perlita (fig. 2 y 3).

(Fig. 2) (Fig. 3) Fundición blanca y maleable: En las fundiciones bajas en carbono (que contengan menos del 1% Si) a elevadas velocidades de

enfriamiento, la mayoría del carbono aparece como cementita en lugar de grafito. La superficie de la rotura de esta aleación tiene una tonalidad blanca y se denomina fundición blanca. Las secciones gruesas pueden tener una sola capa superficial de fundición blanca que se ha enfriado durante el moldeo; en el interior, donde la velocidad de enfriamiento es más lenta, se forma fundición gris. A consecuencia de la gran cantidad de fase cementita, la fundición blanca es extremadamente dura y muy frágil, hasta el punto de ser inmecanizable. Su aplicación se limita a componentes de gran dureza y resistencia al desgaste y sin ductilidad, como por ejemplo los cilindros de los trenes de laminación. Generalmente la fundición blanca se obtiene como producto de partida para fabricar fundición maleable. Calentando la fundición blanca a temperaturas comprendidas entre 800 y 900 ºC durante periodos prolongados de tiempo en atmósfera neutra (para prevenir la oxidación), la cementita se descompone y forma grafito en forma de racimos o rosetas dentro de una matriz ferrítica o perlítica. La estructura de la matriz depende de la velocidad de enfriamiento. La microestructura de este tipo de fundición (fundición maleable) es similar a la de la fundición esferoidal y origina resistencia relativamente alta y apreciable ductilidad o maleabilidad. Sus aplicaciones más


32

representativas son tubos de dirección, engranajes de transmisión y cajas de diferencial para la industria automovilística, rebordes, muelles tabulares y partes de válvulas para ferrocarriles, marina y otros servicios.

(Fig. 1) (Fig. 2)

La figura 1 muestra la microestructura típica de las fundiciones blancas, la cual está formada por dendritas de austenita transformada (perlita), en una matriz blanca de cementita. Observando la misma figura con más aumentos, vemos que las áreas oscuras son perlita (Fig. 2).

(Fig. 3) (Fig. 4)

La segunda fase del recocido consiste en un enfriamiento muy lento al atravesar la zona crítica en que tiene lugar la reacción. Esto permite a la austenita descomponerse en las fases estables de ferrita y grafito. Una vez realizada la grafitización, la estructura no sufre ninguna nueva modificación durante el enfriamiento a temperatura ambiente, quedando constituida por nódulos de carbono de revenido (rosetas) en una matriz ferrítica (Fig. 3 y 4). Este tipo de fundición se denomina normal o ferrítica (Fig. 3).


33

ALEACIONES NO FÉRREAS

Dentro de las aleaciones no férreas se incluyen todas las aleaciones cuyo componente principal no es el hierro. Este grupo se subdivide por el componente mayoritario o por alguna característica diferencial del grupo.

Las aleaciones férreas poseen algunos inconvenientes como una densidad relativamente elevada,

conductividad eléctrica baja y mucha susceptibilidad a la corrosión. Por este motivo muchas veces se hace necesario utilizar otros metales base para las aleaciones, con el fin de obtener mejores propiedades.

Podemos clasificar las aleaciones en moldeadas y hechuradas. Las primeras no se deforman

suficientemente y sólo se conforman por moldeo. Las aleaciones hechuradas en cambio, soportan las deformaciones plásticas. Cobre y sus aleaciones

El cobre sin alear es tan blando y dúctil que es difícil mecanizar y tiene una capacidad casi ilimitada de ser trabajado en frío. Además resiste muy bien la corrosión en la mayoría de los medios, incluidos la atmósfera y el agua de mar. Estas propiedades mejoran aún más por aleación. Muchas de las aleaciones de cobre tienen excelente ductilidad, resistencia a la corrosión y conductividad eléctrica y térmica. La mayor parte puede soldarse fácilmente o fabricarse en formas útiles. Sus aplicaciones incluyen componentes eléctricos como alambres, bombas, válvulas y componentes de plomería. Estas aleaciones son diferentes a otras ya que pueden seleccionarse sus componentes para producir un color decorativo apropiado. El cobre puro es rojo; si se le añade zinc se vuelve amarillo y al añadir níquel se vuelve plateado.

La aleación de cobre más común es el latón, donde el zinc actúa como principal elemento de aleación.

Si la aleación posee menos del 40% de Zn, forman soluciones sólidas de una sola fase. Las propiedades mecánicas de incrementan conforme aumenta el contenido de zinc. Los latones son usados principalmente en bisutería, municiones, radiadores de automóvil, instrumentos musicales y monedas.

Los bronces son aleaciones de cobre con estaño, aluminio, silicio y níquel. Éstos son más resistentes

que los latones y tienen gran resistencia a la corrosión y a la tracción. Por ejemplo, la aleación C71500 con cobre y níquel sirve para la construcción de tuberías para agua salada.

Los cobres al berilio constituyen una generación reciente de aleaciones de cobre de alta resistencia.

Son aleaciones caras, ya que contienen entre el 1 y el 2,5% de Be. Se utilizan debido a su alta resistencia, su alta rigidez (lo que las hace útiles como resortes) y su capacidad para no producir chispas (lo que favorece su uso, como herramientas, cerca de gases y fluidos inflamables). Aplicaciones típicas son cojinetes para turbinas de turborreactores, muelles e instrumentos quirúrgicos y dentales.

Como curiosidad decir que las aleaciones de cobre y plomo poseen aplicaciones limitadas. Se sabe

que el plomo es causa de una diversidad de problemas de salud, por ello, estas aleaciones no se pueden utilizar en aparatos de plomería, ya que los niveles de este metal en agua aumentarían. Aluminio y sus aleaciones

El aluminio tiene una densidad baja, aproximadamente la tercera parte de la densidad del acero. 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 en aeronaves y aplicaciones motrices. Además, responde fácilmente a mecanismos de endurecimiento. Las aleaciones pueden ser 30 veces más resistentes que el aluminio puro.

El aluminio tiene unas propiedades físicas favorecedoras como son alta conductividad eléctrica y

térmica, comportamiento no magnético y excelente resistencia a la oxidación y a la corrosión. El oxígeno reacciona con este elemento, formando una capa delgada de óxido de aluminio que lo protege de los entornos corrosivos. Sin embargo, el aluminio posee una baja temperatura de fusión y baja dureza. Las


34

aplicaciones más importantes incluyen latas de refrescos, partes estructurales de aviones, equipo para procesos químicos y partes de las carrocerías de autobuses.

Las aleaciones de aluminio se clasifican siguiendo un sistema de numeración. El primer número define

los principales elementos de aleación y los números restantes se refieren a la composición específica. El grado de endurecimiento se representa mediante una T o una H, dependiendo de que la aleación sea tratada térmicamente o endurecida por deformación. Los números que le siguen indican la cantidad de endurecimiento por deformación, el tipo exacto de tratamiento térmico u otros aspectos importantes del proceso de aleación. Otras clasificaciones indican si es recocida (O), tratada por disolución (W) o utilizada tal y como fue fabricada (F). Magnesio y sus aleaciones

La característica más extraordinaria del magnesio es su densidad, 1,7g/cm3, la menor de los metales estructurales; por tanto, las aleaciones se utilizan por su bajo peso (por ejemplo, componentes de aviones). El magnesio tiene una estructura cristalina HC, relativamente blanda y con pequeño módulo elástico. A temperatura ambiente el magnesio y sus aleaciones se deforman con dificultad; por consiguiente, la conformación se realiza por moldeo o hechurado a temperaturas comprendidas entre 200 y 350º C. Al igual que el aluminio, posee una baja temperatura de fusión. Químicamente estas aleaciones son relativamente inestables y su resistencia a la corrosión depende del entorno. Son muy susceptibles a la corrosión en ambientes salinos, como los próximos al mar, y menos susceptibles en condiciones atmosféricas. Hay que tener especial cuidado con el polvo de magnesio, ya que quema fácilmente al calentarlo al aire.

Algunas aleaciones de magnesio son tratables térmicamente. Aluminio, zinc, manganeso y algunas

tierras raras son los principales elementos de aleación. Se usan, principalmente para fabricar aviones, misiles, maletas y ruedas de automóviles. Las aleaciones modernas de magnesio incluyen aquellas con muy bajos niveles de impureza y las que contienen más del 5% de cerio y otras tierras raras. Todas estas aleaciones forman una película de MgO protectora que mejora la resistencia a la corrosión. Titanio y sus aleaciones

El titanio y sus aleaciones constituyen materiales de ingeniería relativamente nuevos que poseen una extraordinaria combinación de propiedades. El metal puro tiene baja densidad (4,5 g/cm3) y una elevada temperatura de fusión. Las aleaciones de titanio son extremadamente resistentes, además son muy dúctiles y fácilmente forjables y mecanizables.

La principal limitación del titanio es la reactividad química a elevada temperatura. Debido a esta

propiedad ha sido necesario desarrollar técnicas no convencionales de afino, fusión y moldeo. A pesar de éste inconveniente, la resistencia a la corrosión de las aleaciones de titanio a temperatura ambiente es extraordinariamente elevada; suelen ser inmunes a ambientes atmosférico, marino y a gran variedad de industriales. Estas aleaciones se utilizan extensamente en estructuras de aviones, vehículos espaciales, industrias petrolíferas y químicas e implantes biológicos. Otras aleaciones no férreas

A continuación se exponen otras aleaciones de muy variadas aplicaciones técnicas. El níquel y sus aleaciones son muy resistentes a la corrosión en la mayoría de los ambientes,

especialmente en medios alcalinos. El níquel se utiliza como recubrimiento para prevenir la corrosión de otros metales. El monel es una aleación que contiene, aproximadamente, 65% Ni, 28% Cu y el resto de Fe. Éste ofrece gran resistencia mecánica y elevada resistencia a la corrosión; se utiliza para fabricar bombas, válvulas y otros componentes que deben estar en contacto con disoluciones ácidas o petróleo. Cabe destacar que el níquel es un elemento de aleación de los aceros inoxidables y uno de los componentes principales de las superaleaciones.

El plomo, el estaño y sus aleaciones se utilizan como materiales de ingeniería. Son mecánicamente

blandos y plásticos, con baja temperatura de fusión, muy resistentes a la corrosión ambiental y tienen temperaturas de recristalización inferiores a la temperatura ambiental. Muchas soldaduras son aleaciones de plomo y estaño que poseen puntos de fusión bajos. Las aplicaciones de plomo y sus aleaciones comprenden


35

protección para los rayos X, acumuladores y recubrimientos. La principal aplicación del estaño es la fabricación de hojalata para contener alimentos, ya que este recubrimiento hace que no exista reacción química entre el acero y los alimentos.

El zinc puro también es un metal blando, con baja temperatura de fusión y con temperatura de

recristalización por debajo de la ambiental. Es químicamente reactivo en la mayoría de los ambientes, por lo tanto, susceptible a corroerse. El zinc puede utilizarse para recubrir una lámina de acero al carbono; tendremos entonces acero galvanizado, que se utiliza para fabricar candados y partes del automóvil. Lo que hace el zinc es proteger al acero.

Metales refractarios Este nombre se refiere a todos los metales con temperaturas de fusión extremadamente altas (superiores a 1925º C). Dentro del grupo se incluyen el niobio (Nb), el molibdeno (Mo), el tungsteno (W) y el tántalo (Ta). Los enlaces interatómicos de estos metales son extremadamente fuertes, lo que se traduce en las temperaturas de fusión, en el gran módulo elástico y en elevados valores de dureza y resistencia. La aplicación de estos metales es variada. El tántalo y el molibdeno se alean en los aceros inoxidables para aumentar la resistencia a la corrosión. Las aleaciones de molibdeno se utilizan para fabricar partes estructurales de vehículos espaciales; y las aleaciones de tungsteno, para fabricar las bombillas de incandescencia, los tubos de rayos X y los electrodos de soldadura. El tántalo, por debajo de los 150º C es inmune al ataque químico, y frecuentemente se aplica cuando interesa un material resistente a tales condiciones de corrosión. Superaleaciones Las superaleaciones tienen una superlativa combinación de propiedades. Son los materiales más utilizados en componentes de turbinas especiales, que deben estar expuestas a medios oxidantes, a elevada temperatura y durante períodos de tiempo razonables. En estas condiciones, la integridad mecánica es crítica; en este aspecto, la densidad es muy importante, ya que el esfuerzo centrífugo disminuye al hacer girar componentes de baja densidad. Estos materiales se clasifican de acuerdo con el componente principal de la aleación, que puede ser cobalto, níquel o hierro. Otros elementos incluidos son los metales refractarios, cromo y titanio. Estos materiales, además de las turbinas, encuentran aplicaciones en los reactores nucleares y en equipos petroquímicos.


36

BIBLIOGRAFÍA

• “Ciencia e ingeniería de los materiales”. Donald R. Askeland, Internacional Thomson Editores 3ª Edición

• “Ciencia e ingeniería de los materiales”. William D. Callister Jr, Editorial Reverté, 1er volumen • “Estructura atómica y enlace químico”. Jaume Casabó i Gispert, Editorial Reverté • “Tratamientos térmicos de los aceros”. José Parais Barreiro, Editorial Dossat • Páginas webs varias

Documents

Metalurgia - Metales y Aleaciones