Apuntes de Ciencia e Ingenieria de Materiales

ESCUELA POLITÉCNICA SUPERIOR

Ciencia e Ingeniería de Materiales

2º Ingeniería Industrial Mecánica

Emilio López Díaz

Curso 2013/2014

C i e n c i a e I n g e n i e r í a d e M a t e r i a l e s

2 º I n g e n i e r í a s I n d u s t r i a l e s E P S L i n a r e s

E m i l i o L ó p e z D í a z 2 | P á g i n a

Contenidos Tema 1. Estado Cristalino .............................................................................................................. 5

1. Introducción a la ciencia e ingeniería de materiales ......................................................... 5

2. Ciencia e ingeniería de los materiales ............................................................................... 5

3. Clasificación de los materiales .......................................................................................... 5

4. Criterios de selección ........................................................................................................ 7

Tema 2. Estructura Atómica y Enlaces .......................................................................................... 8

1. Energía y cuantificación .................................................................................................... 8

2. Modelos atómicos ............................................................................................................. 8

3. Números cuánticos ............................................................................................................ 9

4. Configuraciones electrónicas y principio de exclusión de Pauli ........................................ 9

5. Fuerzas y energías de enlace ............................................................................................. 9

6. Enlaces atómicos primarios ............................................................................................. 10

7. Enlace secundario o enlace de Van der Waals ................................................................ 11

Tema 3. Estructura Cristalina ...................................................................................................... 13

1. Conceptos fundamentales .............................................................................................. 13

2. Celdilla unidad ................................................................................................................. 13

3. Estructuras cristalinas de los metales ............................................................................. 14

4. Sistemas cristalinos ......................................................................................................... 17

5. Notaciones cristalográficas (índices de Miller) ............................................................... 17

6. Materiales cristalinos y no cristalinos ............................................................................. 18

7. Isomorfismo, polimorfismo y alotropía ........................................................................... 18

8. Densidades ...................................................................................................................... 18

9. Determinación de las estructuras cristalinas .................................................................. 18

10. Defectos estructurales .................................................................................................... 19

Tema 4. Aleaciones ..................................................................................................................... 20

1. Introducción .................................................................................................................... 20

2. Composición y constitución de las aleaciones ................................................................ 20

3. Soluciones solidas............................................................................................................ 20

4. Soluciones solidas de sustitución .................................................................................... 20

5. Soluciones solidas de inserción ....................................................................................... 20

6. Compuestos intermetálicos. Fases intermedias ............................................................. 21

7. Densidad teórica de las soluciones solidas ..................................................................... 21

8. Soluciones solidas ordenadas. Superredes ..................................................................... 21




9. Estructuras defectivas ..................................................................................................... 21

10. Insolubilidad ................................................................................................................... 21

Tema 5. Difusión.......................................................................................................................... 22

1. Introducción .................................................................................................................... 22

2. Mecanismos de difusión ................................................................................................. 22

3. Difusión en régimen/estado estacionario ....................................................................... 23

4. Difusión en estado no estacionario ................................................................................. 24

5. Factores de los que depende la difusividad .................................................................... 25

6. Aplicaciones del proceso de difusión .............................................................................. 25

Tema 6. Sistemas Materiales. Regla de Fases ............................................................................. 26

1. Introducción (conceptos fundamentales) ....................................................................... 26

2. Componentes y fases ...................................................................................................... 26

3. Equilibrio de un sistema (equilibrio de fases) ................................................................. 27

4. Factores de equilibrio ...................................................................................................... 27

5. Clases de equilibrio ......................................................................................................... 27

6. Varianza o grados de libertad ......................................................................................... 28

7. Regla de las fases. Ley de Gibbs ...................................................................................... 28

8. Principio de Le Chatelier ................................................................................................. 28

9. Curvas de enfriamiento ................................................................................................... 28

10. Subfusión o Sobrefusión ................................................................................................. 28

Tema 7. Diagramas de equilibrio ................................................................................................ 29

1. Introducción .................................................................................................................... 29

2. Ley General del reparto de masas ................................................................................... 29

3. Sistemas isomórficos binarios ......................................................................................... 30

4. Sistemas eutécticos binarios ........................................................................................... 32

5. Reacciones eutectoide y peritéctica ............................................................................... 32

6. Transformaciones de fases congruentes ........................................................................ 32

7. Diagramas binarios de solidificación ............................................................................... 33

Tema 8 Aleaciones Férreas ......................................................................................................... 34

1. Diagrama de fases Hierro-Carburo de hierro (Fe–Fe3 –C) ............................................... 34

2. Desarrollo de microestructuras en aleaciones Hierro-Carbono ..................................... 36

3. Resumen .......................................................................................................................... 38




Tema 9: Tratamientos Térmicos y Termoquímicos ..................................................................... 39

1. Introducción .................................................................................................................... 39

2. Clasificación de los tratamientos térmicos ..................................................................... 39

3. Tratamientos isotérmicos. .............................................................................................. 41

4. Tratamientos termoquímicos .......................................................................................... 41

Tema 10 Aceros Aleados ............................................................................................................. 43

1. El acero ............................................................................................................................ 43

2. Elementos de aleación .................................................................................................... 44

3. Aceros para construcción ................................................................................................ 44

4. III – Aceros inoxidables .................................................................................................... 46




Tema 1. Estado Cristalino

1. Introducción a la ciencia e ingeniería de

materiales 1. Materiales e ingeniería

2. Ciencia e ingeniería de materiales

3. Tipos de materiales

4. Criterios de selección

2. Ciencia e ingeniería de los materiales La ciencia de los materiales se dedica a la búsqueda de conocimientos básicos sobre la

estructura interna, propiedades y procesado de los materiales.

Ciencia de los materiales

Estructura interna

Propiedades

Procesos de fabricación

La ingeniería de los materiales está relacionada con el uso de los conocimientos

fundamentales aplicados sobre los materiales.

Ingeniería de los materiales

Conocimiento aplicado de los materiales con objeto de que puedan ser

convertidos en productos de mercado

3. Clasificación de los materiales

Los materiales solidos se clasifican en tres grupos: metales, cerámicos y polímeros. Además,

existen otros dos grupos de importantes materiales técnicos: materiales compuestos y

semiconductores. Los materiales compuestos constan de combinaciones de dos o más

materiales diferentes, mientras que los semiconductores se utilizan por sus extraordinarias

características eléctricas.

3.1 Materiales metálicos

Los materiales metálicos son combinaciones de elementos metálicos. Tienen un gran número

de electrones deslocalizados, que no pertenecen a ningún átomo en concreto, la mayoría de

las propiedades de los metales se atribuyen a esos electrones.

Densidad relativamente elevada

Resistencia mecánica elevada

Rigidez elevada

Buena ductilidad

Conductividad eléctrica y térmica

elevada

Estabilidad química media-baja




3.2 Materiales poliméricos

Desde los plásticos al caucho. Se trata de compuestos orgánicos, basados en el carbono,

hidrógeno y otros elementos no metálicos, caracterizados por la gran longitud de las

estructuras moleculares. La polimerización ocurre cuando moléculas orgánicas pequeñas

(monómeros) se combinan entre sí para formar moléculas más grandes (polímeros). Las

moléculas de los polímeros pueden tener una estructura de tipo cadena (termoplástico) o

pueden formar redes tridimensionales (termoestable), con nula o media cristalinidad.

PROPIEDADES:

Densidad baja

Resistencia mecánica baja

Rigidez baja

Buena ductilidad


baja

Estabilidad química alta

3.3 Materiales cerámicos

Los compuestos químicos constituidos por metales y no metales (óxidos, nitruros y carburos)

pertenecen al grupo de las cerámicas, que incluye minerales de arcilla, cemento y vidrio. Por lo

general se trata de materiales que son aislantes eléctricos y térmicos y que a elevadas

temperaturas y ambientes agresivos son más resistentes que los metales y los polímeros.

Desde el punto de vista mecánico, las cerámicas son muy duras y muy frágiles.

Densidad baja

Resistencia mecánica

medianamente elevada

Rigidez elevada

Gran fragilidad


baja

Estabilidad química alta

3.4 Materiales compuestos

Dos o más materiales integrados para formar un material nuevo diseñado para desempeñar

una función específica, maximizando las propiedades deseables de sus componentes y

minimizando las que no lo son. Por ejemplo la fibra de vidrio es mecánicamente resistente

debido al vidrio y flexible gracias al polímero.

EJEMPLOS:

① Metal + Cerámica → Cobalto + Diamante (disco de sierra)

② Cerámica + Cerámica → Escayola + Fibra de Vidrio

③Polímero + Cerámica → Epoxi + Carbono

PROPIEDADES

Mayor resistencia y rigidez

especificas

Resistencia al desgaste

Menor ductilidad

Menor tenacidad

Menor fiabilidad

Baja densidad




3.5 Semiconductores

Importantes por su avanzada tecnología

Propiedades eléctricas intermedias entre conductores y aislantes

Extremadamente sensibles a la presencia de diminutas concentraciones de átomos de

impurezas.

4. Criterios de selección

SE INVESTIGA:

Disminuir pero, haciendo cambios en el diseño que no afecten a las propiedades

mecánicas

Aumentar las propiedades mecánicas

Aumentar la temperatura de uso

Mejorar en propiedades superficiales para aumentar la resistencia al desgaste, la fatiga

y la corrosión.

Ahorrar energía y facilitar el reciclado.




Tema 2. Estructura Atómica y Enlaces

1. Energía y cuantificación ÁTOMO: parte más pequeña en la que podemos dividir la materia, sin que pierda sus

propiedades físicas o químicas.

NUMERO ATÓMICO (Z): número de protones que hay en el núcleo de un átomo neutro

MASTA ATOMICA (A): masa en gramos de 6,023 · 1023 átomos de ese elemento.

PESO ATÓMICO: peso ponderado de la masa atómica de los isótopos, de acuerdo a la

abundancia relativa en la naturaleza.

En un mol de una sustancia hay 6,023 · 1023 átomos o moléculas

2. Modelos atómicos

2.1 Modelo atómico de Rutherford

El modelo atómico de Rutherford considero el átomo formado por dos

partes; la “corteza”, constituida por todos sus electrones, girando a gran

velocidad alrededor de un núcleo muy pequeño que concentraba toda la

carga eléctrica positiva y casi toda la masa del átomo.

2.2 Modelo atómico de Bohr

Para explicar el comportamiento de entidades atómicas y subatómicas, se estableció un

conjunto de principios y leyes conocido como mecánica cuántica.

En el modelo atómico de Bohr se supone que los electrones giran alrededor del núcleo atómico

en orbitales discretos, y la posición de un electrón particular se define, con mayor o menor

precisión, en términos de su orbital.

Espectro de emisión: la radiación emitida por un átomo solo puede tomar determinadas

frecuencias, lo que nos permitirá identificarlo.

La energía de los electrones está cuantiada, es decir, los electrones solo pueden tener valores

específicos de energía. Suele ser conveniente pensar que estas energías permitidas al electrón

están asociadas con niveles o estados energéticos.

2.3 Modelo de la mecánica ondulatoria

Una consecuencia importante de la mecánica ondulatoria es que los electrones no son tratados

como partículas que se mueven en orbitales discretos, sino que la posición de un electrón se

considera como la probabilidad de encontrarlo en una zona alrededor del núcleo. La posición se

describe como una distribución de probabilidades o nube electrónica.




3. Números cuánticos Cada electrón de un atoo se caracteriza por cuatro parámetros, llamados números cuánticos.

Los números cuánticos separan los niveles energéticos de Bohr en subniveles e indican el

número de estados de cada subnivel.

Número cuántico principal “n”: representa los niveles energéticos principales para el

electrón

Número cuántico secundario “l”: representa los subniveles energéticos dentro del nivel

principal.

Número cuántico magnético “m”: representa el número de estados energéticos para

cada subnivel

Número cuántico de espín “s”: representa las dos direcciones de espín permitidas para

el giro del electrón en torno a su propio eje.

4. Configuraciones electrónicas y principio de

exclusión de Pauli El principio de exclusión de Pauli establece que cada estado electrónico solo puede estar

ocupado por dos electrones que deben tener espines opuestos. Así, los subniveles s, p, d y f

pueden acumular en total 2, 6, 10 y 14 electrones respectivamente.

Cuando todos los electrones ocupan las energías más bajas de todas las posibles, se dice que el

átomo se encuentra en su estado fundamental.

La configuración electrónica o estructura de un átomo representa el modo como se van

ocupando estos estados, el número de electrones de cada subnivel se indica mediante un

superíndice después del nivel o subnivel designado. P.E. Hidrógeno 1s1, 2s2.

Los electrones de valencia ocupan los niveles más externos. Estos electrones son muy

importantes puesto que participan en el enlace entre átomos de los agregados atómicos y

moleculares. Muchas de las propiedades físicas y químicas de los sólidos tienen su explicación

en los electrones de valencia.

5. Fuerzas y energías de enlace Las fuerzas son de dos tipos; atractivas y repulsivas. El origen de la fuerza atractiva FA depende

del tipo de enlace particular que existe entre los dos átomos. Los niveles más externos de los

átomos empiezan a solaparse y aparece una fuerza repulsiva FR elevada. La fuerza resultante es

FN.

Cuando las componentes de ambas fuerzas son iguales

Entonces se alcanza el equilibrio los centros de los dos átomos permanecen separados por la

distancia de equilibrio r0. Una vez que alcanzan esta posición, los átomos contrarrestaran

cualquier intento de alejarse o aproximarse mediante fuerzas de atracción o repulsión.

∫

∫

∫

Enlace: son las fuerzas que mantienen unidos a los átomos formando moléculas o agregados atómicos.




6. Enlaces atómicos primarios

6.1. Enlace iónico

Siempre tienen lugar entre elementos metálicos y no metálicos, es decir, entre elementos

situados en los extremos horizontales del SP. Los átomos de un elemento metálico dan

fácilmente sus electrones de valencia a átomos de un no metal, que es un buen receptor de

electrones. En este proceso todos los átomos adquieren la configuración estable de gas inerte,

para ello se han de ionizar, cargándose eléctricamente

El Cloruro Sódico (NaCl) es un metal iónico clásico. El átomo de sodio adquiere la configuración

del Neón (Ni+) cediendo el único de electrón de valencia 3s a un átomo de Cloro. Después de

esta transferencia electrónica, el ion cloro tiene una carga negativa (Cl–) y una configuración

electrónica idéntica a la del Argón.

Las fuerzas atractivas de enlace son fuerzas de Coulomb. La energía atractiva EA, entre dos iones

aislado es

La energía repulsiva es:

La magnitud del enlace iónico es igual en todas las direcciones alrededor de un ion y se

denomina no direccional.

El enlace predominante en los materiales cerámicos es iónico.

Altas temperaturas de fusión.

Los materiales iónicos se caracterizan por la dureza, fragilidad y por ser tanto eléctrica,

como térmicamente aislantes.

6.2. Enlace covalente

El enlace covalente tiene lugar entre átomos vecinos y de parecida electronegatividad. Dos

átomos unidos covalentemente contribuyen cada uno al enlace con al menos un electrón; los

electrones compartidos se consideran de ambos átomos.

La molécula de Metano (CH4)

El átomo de Carbono tiene cuatro electrones de valencia, mientras que

cada uno de los cuatro átomos de Hidrógeno, tiene un solo electrón de

valencia. Cada átomo de Hidrógeno adquiere la configuración del He, ya

que comparte un electrón con el átomo de carbón. Así, el Carbono tiene

ocho electrones, cuatro de los cuales son los electrones adicionales

compartidos con el Hidrógeno y la configuración electrónica del Neón.

El enlace covalente es direccional: existe entre átomos específicos, y solo en la dirección

en la que hay electrones compartidos.

Este tipo de enlace es característico de los materiales poliméricos, en los cuales la

estructura molecular fundamental es una larga cadena de átomos de Carbono enlazados

covalentemente entre sí.




6.3. Enlace metálico

Tiene lugar en metales y aleaciones. Los materiales metálicos tienen uno, dos o tres electrones

de valencia. En este modelo, los electrones de valencia del solido no pertenecen a ningún átomo

en particular y son más o menos libres de circular a través de todo el metal. Se puede

interpretar que pertenecen al metal, formando una “nube de electrones”. El núcleo y los

electrones que no son de valencia forman cationes que poseen una carga positiva igual al total

de electrones de valencia por átomo. Los electrones libres contrarrestan las fuerzas repulsivas

generadas entre los cationes.

El enlace metálico tiene carácter no direcciona. Los electrones libres actúan como elementos de

unión de los iones cargados positivamente.

Estos materiales, debido a los electrones libre, son buenos conductores de la electricidad y el

calor.

7. Enlace secundario o enlace de Van der Waals Los enlaces secundarios, de Van der Waals o físicos son débiles en comparación con los

primarios o químicos. Este tipo de enlace es evidente en los gases inertes, que tienen

configuración electrónica estable y entre moléculas cuyos átomos están unidos covalentemente.

Un dipolo aparece si hay alguna separación entre las regiones positiva y negativa de un átomo o

molécula. El enlace es el resultado de la atracción entre el extremo positivo de un dipolo y la

región negativa del vecino.

Dipolo eléctrico. El momento dipolar de una molécula enlazada covalentemente

Interacciones dipolares, ocurren entre dipolos inducidos y dipolos permanentes.

El enlace por puentes de hidrógeno aparece entre moléculas que tienen átomos de

hidrógeno en su constitución.

7.1. Enlace dipolo inducido fluctuante

En una molécula simétrica eléctricamente se puede crear un dipolo inducido por la distribución

especial de los electrones respecto a los núcleos cargados positivamente. Todos los átomos

están vibrando constantemente y pueden causar distorsiones instantáneas en la simetría

eléctrica de los átomos y moléculas, creando pequeños dipolos eléctricos. Los dipolos suelen

desplazar la distribución electrónica de átomos o moléculas próximas y generar otro dipolo que

luego se enlaza débilmente al primero: este es un enlace de tipo Van der Waals. Estas fuerzas

atractivas son temporales y su magnitud fluctúa con el tiempo.




En aquellos enlaces en los cuales predominan los dipolos inducidos, las temperaturas de fusión y

ebullición son extremadamente bajas; es debido a que los enlaces intermoleculares son más

débiles.

7.2. Enlace dipolo inducido – molécula polar

En algunas moléculas existen dipolos permanentes como consecuencia de la distribución

asimétrica de las regiones cargadas positiva y negativamente, son las denominadas moléculas

polares, las moléculas polares también pueden inducir dipolos en moléculas apolares próximas.

7.3. Enlace con dipolos permanentes

También existen fuerzas de Van der Waals entre moléculas apolares adyacentes. Las energías de

enlace asociadas son mayores que las de los enlaces entre dipolos inducidos.

El enlace por puente de hidrogeno es un caso particular del enlace de molécula polar. Tiene

lugar entre moléculas con el hidrogeno unido covalentemente: al flúor (HF), al oxigeno (H2O) y al

nitrógeno (NH3). Para cada enlace H–F, H–O ó N–H, el electrón solitario del H es compartido con

otro átomo.

El extremo hidrogeno del enlace es un simple protón cargado positivamente. Este extremo de la

molécula cargada positivamente es capaz de generar una elevada fuerza de atracción con el

extremo negativo de una molécula adyacente. En esencia este simple protón forma un puente

entre dos átomos cargados negativamente. A consecuencia por el enlace por puente de

hidrogeno, las temperaturas de fusión y ebullición del HF y H2O son altas en comparación con

sus pesos moleculares.

7.4. Enlaces mixtos

Enlace mixto iónico – covalente

Enlace mixto metálico – covalente

Enlace mixto metálico – iónico




Tema 3. Estructura Cristalina

1. Conceptos fundamentales En un material cristalino, los átomos se sitúan en una disposición repetitiva o periódica a lo largo

de muchas distancias atómicas; es decir, existe un orden de largo alcance tal que al solidificar el

material, los átomos se sitúan según un protón tridimensional repetitivo, en el cual cada átomo

esta enlazado con su vecino más próximo. El orden de largo alcance no existe en los materiales

que no cristalizan. Estos materiales se denominan no cristalinos o amorfos.

Algunas propiedades de los sólidos cristalinos dependen de la estructura cristalina del material,

es decir de la orientación espacial de átomos, iones y moléculas. Hay un número muy grande de

estructuras cristalinas de orden atómico de largo alcance.

Al describir la estructura cristalina se consideran los átomos (o iones) como esferas solidad con

diámetros muy bien definidos. Es el denominado modelo atómico de esferas rígidas, en el cual

las esferas representan átomos macizos en contacto.

A menudo se utiliza la palabra red; en este sentido red significa disposición tridimensional de

puntos coincidentes con las posiciones de los átomos.

Los metales, semiconductores, muchos materiales cerámicos e incluso algunos polímeros tienen

un orden regular de los átomos que se extiende por todo el material.

Algunos cerámicos y muchos polímeros son amorfos. La sílice amorfa posee orden a corto

alcance.

2. Celdilla unidad Al describir la estructura cristalina conviene dividirla en las pequeñas entidades, que se repiten,

llamadas celdilla unidad. La celdilla unidad es la unidad estructural fundamental y define la

estructura cristalina mediante su geometría y por la posición de los átomos dentro de ella.

Para definir algunas estructuras cristalinas es necesario establecer más de una celdilla unidad;

sin embargo generalmente se une a la celdilla unidad que tiene el mayor nivel de simetría

geométrica.




3. Estructuras

cristalinas de los

metales La mayoría de los metales más corrientes

cristaliza en una de las tres estructuras cristalinas

siguientes: cubica centrada en las caras, cubica

centrada en el cuerpo y hexagonal compacta.

3.1. Estructura cristalina cubica

centrada en las caras (FCC)

La estructura cristalina exige que muchos metales

tengan los átomos localizados en los vértices del

cubo y en los centros de todas las caras del cubo.

Es la denominada estructura cubica centrada en

las caras (FCC).

Cristalizan en esta estructura; cobre (Cu), aluminio (Al), plata (Ag) y oro (Au). La longitud de la

arista del cubo “a” y el radio atómico R se relaciona mediante la siguiente formula: √

En los cristales de la estructura FCC, cada átomo del vértice es compartido con ocho celdillas

unidad, mientras que los átomos centrados en las caras solo son compartidos con dos celdillas.

Dos características importantes de la estructura cristalina son el número de coordinación y el

factor de componente (FEA). En los metales cada átomo siempre está en contacto con el mismo

número de átomos vecinos, que es el número de coordinación. En la estructura cubica centrada

en las caras, el número de coordinación es 12.

El factor de componente (FEA) es la fracción de volumen de las esferas rígidas en una celdilla

unidad en el modelo atómico de las esferas rígidas:

( ⁄ )

En la FCC el factor de empaquetamiento atómico es 0,74 que es el máximo empaquetamiento

posible para esferas rígidas del mismo tamaño

CELDILLA UNIDAD:

Átomos celda unidad:




Metales típicos: Fe-ϒ, Al, Ni, Cu, Ag, Pt, y Au

√

√

3.2. Estructura cristalina cubica centrada en el cuerpo (BCC)

Es una celdilla unidad cubica que tiene átomos localizados en los ocho vértices y un átomo en el

centro. Esta estructura se denomina cubica centrada en el cuerpo (BCC).

Los átomos del centro y de los vértices se tocan mutuamente a lo largo de las diagonales del

cubo y la longitud de la arista de la celdilla y el radio atómico R se relacionan mediante la

siguiente formula

√

El Cr y Fe así como varios metales presentan estructura BCC.

Cada celdilla unidad BCC tiene asociados dos átomos: un átomo equivalente a un octavo de cada

uno de los ocho átomos de los vértices, que son compartidos con otras ocho celdillas unidad, y

el átomo de centro de la celdilla que no es compartido.

El número de coordinación de la estructura cristalina cubica centrada en el cuerpo es 8: cada

tomo situado en el centro de la celdilla está rodeado por 8 átomos situados en los vértices.

El factor de empaquetamiento BCC es 0,68

√

CELDA UNIDAD

Cubica BCC:


NC=8

Metales típicos: Fe–α, V, Cr, Mo y W




3.3. Estructura cristalina hexagonal compacta (HC)

Tiene celdilla unidad hexagonal se denomina hexagonal compacta (HC), las bases superior e

inferior consisten en hexágonos regulares con sus átomos en los vértices y uno en el centro.

Cada celdilla unidad equivale a seis átomos: cada átomo situado en los 12 vértices superiores e

inferiores contribuye con la sexta parte, los 2 átomos del centro de los hexágonos contribuyen

con la mitad y los tres átomos del plano central contribuyen por completo.

El número de coordinación y el de empaquetamiento para los cristales de estructura HC son

idénticos a los FCC: 12 y 0,74 respectivamente.

Son metales HC: cadmio (Cd), Magnesio (Mg), Berilio (Be), Cinc (Zn).

CELDA UNIDAD:

Hexagonal HC:


Átomos celdilla unidad mayor: 3

NC=12

FEA=0,72

Metales típicos: Be, Mg, Ti–α, Zn y Zr

Problema 3.1.

Calcular el volumen de la celdilla unidad FCC en función del radio atómico R.

Solución:

En la celdilla unidad cada átomo contacta con el vecino a lo largo de la diagonal, cuya longitud es

4R. Ya que la celdilla unidad es un cubo, su volumen es a3, donde a es la longitud de la arista. Del

triángulo de la cara.

BCC FCC HC

Eficacia de empaquetamiento (%) 68% 74% 74%

Número de coordinación 8 12 12

Átomos por celdilla unidad 2 4 2 (6 C.U. mayor)

Área en función de R

√

√

Metales típicos Fe–α, W, Mo, Nb, Ta, K, Na, V, Cr

Fe–γ, Cu, Al, Au, Ag, Pb, Ni, Pt

Ti–α, Mg, Zn, Be, Co, Cd, Zr




4. Sistemas cristalinos La geometría de la celdilla unidad se define en función de sus parámetros: la longitud de tres

aristas, a, b y c y los ángulos interaxiales α, β y γ. Estos ángulos se denominan parámetros de red

de una estructura cristalina.

El sistema cubico con tiene el mayor grado de simetría. La

simetría desaparece en el sistema triclínico, ya que:

5. Notaciones cristalográficas (índices de Miller) Son las componentes vectoriales de las direcciones cristalográficas resueltas a lo largo de cada

eje coordinado y reducido a los enteros más pequeños.

Una dirección cristalográfica se define por una línea entre puntos o por un vector.

Se dibuja un vector de dirección utilizando un sistema de coordenadas cartesianas

determinando las coordenadas de las dos posiciones que están en esa dirección.

Se resta a las coordenadas del punto final (punta) las coordenadas del punto inicial

(cola).

Se reducen las fracciones y/o los resultados obtenidos de la resta a los mínimos enteros.

Los índices de dirección [u v w] se encierran entre corchetes sin comas.

Los índices de Miller de un plano cristalino se definen como el recíproco de las fracciones de

intersección que el plano presenta con los ejes cristalográficos x, y, z y las tres aristas no

paralelas de la celda unidad cúbica.

5.1. Determinación de los índices de Miller

Determinar las intersecciones del plano con los ejes cristalográficos para un cubo

unitario. Si el plano pasa por el origen del sistema de coordenadas se escoge un nuevo

origen en el vértice de otra celda unidad.

Se construyen los recíprocos de esas intersecciones.

Eliminar las fracciones si las hay reducidas a los mínimos enteros.

Los índices de Miller (h k l) son estos números enteros y se encierran entre paréntesis

sin comas.

Para cada uno de los tres ejes existen coordenadas positivas y negativas. Los índices negativos

también son posibles y se representan mediante una línea sobre el índice. Por ejemplo, la

dirección tiene una componente en la dirección –y. Cambiando el signo de todos los

índices se obtiene una dirección antiparalela, por ejemplo, significa la dirección

completamente opuesta a [ ].




6. Materiales cristalinos y no cristalinos

6.1. Monocristales

Cuando la disposición atómica de un sólido cristalino es perfecta, sin interrupciones, a lo largo

de toda la muestra, el resultado es un monocristal. Todas las celdillas unidad están entrelazadas

o unidas del mismo modo y tienen la misma dirección.

6.2. Materiales policristalinos

La mayoría de los sólidos cristalinos son un conjunto de muchos cristales pequeños o granos.

Este tipo de material se denomina policristalino.

6.3. Anisotropía

Las propiedades físicas de algunos monocristales dependen de la dirección cristalográfica

tomada para su medida. La direccionalidad de las propiedades se denomina anisotropía y está

relacionada con la variación de la distancia atómica o iónica según la dirección cristalográfica.

Las sustancias cuyas propiedades son independientes de la dirección de la medida se denominan

isotrópicas.

7. Isomorfismo, polimorfismo y alotropía Isomorfismo: es el hecho de que dos sustancias distintas cristalicen en el mismo

sistema.

Polimorfismo: muchos elementos y compuestos pueden existir en más de una forma

cristalina en diferentes condiciones de temperatura y presión.

Alotropía: es el polimorfismo de los elementos simples.

8. Densidades Densidad volumétrica.

Densidad atómica planar

Densidad atómica lineal

9. Determinación de las estructuras cristalinas En 1895 W. Konrad Röntgen, científico alemán descubrió una radiación, por entonces

desconocida y de ahí su nombre de rayos–x, que tenía la propiedad de penetrar en algunos

cuerpos opacos.

Los rayos–x son invisibles al ojo humano pero producen imágenes visibles cuando usamos placas

fotográficas o detectores especiales para ellos.

Ley de Brag:

n = orden de difracción λ = longitud del rayo–x θ = mitad del Angulo entre el haz difractado y la dirección original del haz dhkl = distancia interplanar o distancia entre los planos del cristal h, k y l que s causan el esfuerzo constructivo del haz




10. Defectos estructurales Cristales perfectos: se definen como aquellos cristales en el que todos sus átomos se

encuentran en reposo, situados correctamente en su correspondiente posición en la red

cristalina a temperatura T = 0 K

Cristales reales: cristal con defectos

Defecto: una variación en el ordenamiento regular de los átomos o moléculas de un cristal.

Imperfecciones cristalinas

Defectos puntuales o de dimensión cero

Defectos de línea o de dimensión 1

Defectos superficiales o de dimensión 2

Representación de una vacante y de un defecto intersticial.

Defecto de sustitución: representación de un defecto de

sustitución si el átomo sustituyente es más grande que el átomo

original los átomos adyacentes están a compresión; si es más

pequeño los átomos circundantes están a tensión.

10.1. Defectos puntuales

Defecto Schottky se produce cuando dos iones de carga opuesta se pierden en un cristal

iónico.

Defecto por reemplazamiento de iones de diferente carga

Defecto frontal: combinación vacante–defecto intersticial.

10.2. Defectos lineales

Dislocaciones: defectos que provocan una distensión de la red centrada en torno a una línea.

Dislocaciones de cuña o arista

Dislocaciones helicoidales

10.3. Defectos superficiales

Superficie externa

Reconstrucción: el orden atómico de los átomos superficiales suele diferir del

correspondiente al interior del cristal para disminuir la energía superficial.

Bordes de grano

Regiones que separan los granos individuales de diferentes orientaciones

cristalográficas en materiales policristalinos.

Maclas

Tipo especial de límite de grano en el cual los átomos de un lado del límite están

localizados en una posición que es la imagen especular de los átomos del otro lado.




Tema 4. Aleaciones

1. Introducción Metales nativos

Edad del bronce

Propiedad especifica

Aleación

Una aleación se define como el resultado de adicionar a un metal átomos extraños de otros

elementos, metálicos o no metálicos, siempre que el conjunto conserve sus propiedades

metálicas.

2. Composición y constitución de las aleaciones Sistema: unión de varias especies moleculares diferentes, susceptibles de sufrir

transformaciones cuando varían las condiciones externas.

Constitución

Fases en estado solido

Metal puro

Compuestos químicos

Compuestos intermetálicos

Soluciones solidas

3. Soluciones solidas Disolvente y soluto

Distorsión en la red

Colocación al azar

4. Soluciones solidas de sustitución Solución solidad de níquel (Ni) en cobre (Cu). Se trata de una solución solida sustitucional en la

que los átomos de cobre han sido sustituidos por átomos de níquel en sus posiciones de la red

cubica centrada en las caras (FCC).

Distorsiones en la red debido a las diferencias significativas de diámetros atómicos entre soluto

y disolvente.

Leyes de Hume–Rothery

Dimensiones relativas de los átomos

Afinidad química

Estructura cristalina

Electrovalencia

5. Soluciones solidas de inserción Solución solidad intersticial de carbono (C) en hierro–γ (Fe–γ) (FCC) justo por encima de 912oC.

Obsérvese la distorsión de los átomos de Fe (0,129nm) en torno a los átomos de carbono

(0,075nm), colocados en los huecos de 0,053nm de radio.




Solución solida intersticial de carbono (C) en hierro–α (Fe–α). El átomo de carbono es

suficientemente pequeño para introducirse con alguna deformación, en el intersticio o hueco de

los átomos de hierro adyacentes, en esta estructura tan importante en la industria del acero.

6. Compuestos intermetálicos. Fases intermedias COMPUESTOS DEFINIDOS

De valencia normal Compuestos iónicos Compuestos homopolares

De valencia anormal Compuestos electrónicos Fases de Lares Compuestos intersticiales

7. Densidad teórica de las soluciones solidas MÉTODO DE OWEN Y PRESTON

Soluciones sólidas de sustitución

n=número de átomos de la c.u.; a=parámetro de red; NA=Nº Avogadro;

Matomica=Masa atómica promedio

Soluciones sólidas de inserción

8. Soluciones solidas ordenadas. Superredes Solución solida ordenada o superred del tipo AB, correspondiente a una aleación con un 50% de

átomos A y 50% de átomos B. Cada clase de átomos ocupa una posición definida en la red, que

se repite en todos los cristales. El conjunto puede considerarse formado por la superposición de

dos redes una formada por los átomos de soluto y otra por los átomos de disolvente.

9. Estructuras defectivas Cuando en una red de una solución solida existen nulas vacantes.

10. Insolubilidad 1. Tamaños muy distintos

2. Densidades diferentes

Factores que influyen en la formación de soluciones solidas le son adversos

Ej. Al–Pb, B–C, Pb–Fe

Si se adiciona aun metal base en estado de fusión pequeñas cantidades de otro metal

que es insoluble si las densidades son próximas se forma una emulsión que cuando

solidifica lo hace de forma que la aleación está constituida por partículas globulares de

uno de los metales distribuidas homogéneamente en la matriz del otro

Disminución del rozamiento

Favorece la maquinabilidad: facilidad con la que los metales pueden ser

mecanizados por arranque de viruta.




Tema 5. Difusión

1. Introducción La difusión es un fenómeno de transporte por movimiento atómico. Mecanismo por el que la

materia se transporta a través de la materia. El proceso en que los átomos de un metal difunden

en el otro, se denomina interdifusión o difusión de impurezas. También ocurre difusión en

metales puros, donde los átomos del mismo tipo intercambian posiciones y se denomina

autodifusión.

En gases: rápido (humos, olores...)

En líquidos: más lento (tinte en agua)

En solidos: vibraciones térmicas que permiten el movimiento.

Tratamientos térmicos, se favorecen los proceso difusionales (tamaño de grano,

precipitación de gases, oxidación y corrosión).

Tratamientos termoquímicos (carburación, nitruración)

Dopaje o introducción de impurezas controladas en materiales semiconductores

2. Mecanismos de difusión La difusión consiste en la emigración de los átomos de un sitio de la red a otro sitio.

En los materiales sólidos, los átomos están en continuo movimiento, cambian rápidamente de

posición, la movilidad atómica exige dos condiciones:

Un lugar vecino vacío

El átomo de tener suficiente energía como para romper los enlaces con los átomos

vecinos y distorsionar la red durante el desplazamiento.

1. Interdifusión: los átomos difunden en el otro

2. Autodifusión: los átomos difunden en el mismo

2.1. Difusión por vacante

Difusión que implica el cambio de un átomo desde una posición reticular normal a una vacante o

lugar reticular vecino vacío. Este proceso necesita la presencia de vacantes, y las posibilidades

de la difusión de las vacantes es en función del número de estos defectos que existen. A elevada

temperatura el número de vacantes de un metal es significativo, puesto que en el movimiento

difusivo los átomos y las vacantes intercambian posiciones, el movimiento de los átomos en la

difusión va en sentido opuesto al de las vacantes.

La autodifusión y la interdifusión ocurren mediante este mecanismo; en la interdifusión los

átomos de soluto sustituyen a los de disolvente.

A mayor temperatura, mayor vibración de los átomos en sus posiciones reticulares pudiendo

ocupar una posición adyacente vacía.

Energía de activación = Energía para crear una vacante + Energía para moverla




2.2. Difusión intersticial

Implica a átomos que van desde una posición intersticial a otra vecina desocupada. El

mecanismo tiene lugar por interdifusión de solutos tales como hidrógeno (H), carbono (C),

nitrógeno (N) y oxígeno (O), que tienen átomos pequeños idénticos para ocupar posiciones

intersticiales.

Los átomos del soluto sustitucionales raramente ocupan posiciones intersticiales y no difunden

por este mecanismo.

En la mayoría de las aleaciones la difusión intersticial ocurre más rápidamente que la difusión

por vacantes, ya que los átomos intersticiales son más pequeños que las vacantes y tienen

mayor movilidad.

Es necesario que el tamaño de los átomos sea pequeño (H, O, B, N y C).

Este mecanismo lleva siempre una energía de activación:

Rotura de los enlaces y formación de otros enlaces

Distorsión de la red

Energía de activación: Energía para mover el átomo intersticial

2.3. Intercambio directo y anillo

Intercambio directo: este mecanismo es muy improbable, por la fuerte repulsión de

corto alcance de los átomos, lo que prohíbe la ocupación de la posición intermedia

donde los dos átomos deberían estar a mitad de camino.

Anillo: aquí las fuerzas repulsivas juegan un rol positivo, cada átomo “empuja” a su

vecino en el curso de una permutación circular. Sin embargo, este mecanismo requiere

la coordinación de varios saltos atómicos, lo que hace que su ocurrencia sea improbable.

2.4. Energía de activación para la difusión

Un átomo debe abrirse paso entre los átomos circundantes para su difusión a otro sitio.

Este proceso requiere superar cierta barrera energética (energía de activación Q).

Solo los átomos con una energía térmica mayor o igual a Q podrán difundirse de un

punto a otro del material.

3. Difusión en régimen/estado estacionario La condición para que exista estado estacionario es que el flujo de difusión no cambie con el

tiempo. Un ejemplo de la difusión en estado estacionario es la difusión de un átomo de un gas a

través de una lámina metálica cuyas concentraciones de las sustancias que difunden se

mantienen constantes a ambos lados de la lámina.

La pendiente de esta grafica en un punto determinado es el gradiente de concentración.




Flujo: número de átomos que pasa a través de un plano de superficie unitaria por unidad de

tiempo.

El flujo de masa transportada no varía con el tiempo y solo depende del gradiente de la

concentración de soluto y de la temperatura.

Primera Ley de Fick

El signo negativo de esta expresión indica que la dirección de difusión es

contraria al gradiente de concentración: va desde elevada concentración hasta

baja concentración.

Un ejemplo práctico de la difusión en estado estacionario tiene lugar en la purificación del gas

hidrógeno. Una cara de una fina lamina de paladio (Pd) se expone al gas impuro, compuesto por

hidrógeno, nitrógeno, oxígeno y vapor de agua, y entonces el hidrogeno difunde selectivamente

a través de la lámina hacia el lado opuesto, que se mantiene a una presión de hidrógeno

constante y baja.

Según la 1ª ley de Fick, a una temperatura dada “J” es constante. ¡En realidad J (T, t...) no es

constante!

OBJECCIONES:

Con el tiempo las condiciones tienden a igualarse y J disminuye

D(T, t)

4. Difusión en estado no estacionario En una zona determinada del sólido, flujo de difusión y el gradiente de difusión varían con el

tiempo, generando acumulación o agotamiento de las sustancias que difunden.

(

)

Si el coeficiente de difusión es independiente de la composición, la cual deberá comprobarse

para cada situación particular de difusión la ecuación ① se simplifica a:

En la práctica, una solución importante es la de un sólido semiinfinito cuya concentración

superficial se mantiene constante. Además se mantienen las siguientes hipótesis:

1. Antes de la difusión, todos los átomos de soluto están uniformemente distribuidos en el

sólido a concentración C0.

2. El valor de x en la superficie es cero y aumenta con la distancia dentro del sólido.

3. El tiempo se toma igual a cero en el instante inmediatamente antes de empezar la

difusión.




5. Factores de los que depende la difusividad Coeficiente de difusión:

(

)

Temperatura

Mecanismo de difusión

Estructura cristalina del disolvente

Tipos de imperfecciones en la red

Concentración de la superficie que difunde

6. Aplicaciones del proceso de difusión Crecimiento de grano

Soldadura por difusión

Sintonización

Endurecimiento del acero por cementación gaseosa




Tema 6. Sistemas Materiales. Regla de Fases

1. Introducción (conceptos fundamentales) Los diagramas de fase aportan valiosa información sobre la difusión, el moldeo, la cristalización

y otros fenómenos.

Componente es un metal y/o compuesto que forma parte de una aleación.

Por un lado, “sistema” se refiere a un cuerpo especifico de un metal considerado (ej. Una

cuchara de metal fundido) y por otro lado, “sistema” se relaciona con una serie de posible

aleaciones consistentes en los mismos componentes, pero sin referirse a las proporciones de los

componentes de la aleación (ej. El sistema hierro-carbono).

Una disolución solida consiste en átomos de dos tipos diferentes; los átomos del soluto ocupan

posiciones sustitucionales o intersticiales en la red del disolvente y se mantiene la estructura

cristalina del disolvente.

Sistema material

Mezcla de cuerpos simples compuestos en proporciones variables, entre los cuales se

pueden producir transformaciones químicas, físicas o fisicoquímicas.

Un sistema de dos elementos (A) y (B) abarca todas las composiciones posibles entre

ellas desde (A) puro (100% de A y 0% de B) hasta (B) puro (0% A y 100% B).

Límite de solubilidad

En muchas aleaciones existe una concentración máxima de átomos de soluto que se disuelven

en el disolvente para formar una disolución solida: es el límite de solubilidad.

2. Componentes y fases FASE: porción homogénea de un sistema con la misma estructura o arreglo atómico, con

aproximadamente la misma composición y propiedades en todo el material que la

constituye y con una interfase definida con toda otra fase vecina. Puede tener una o

varias componentes.

COMPONENTE: menor número de constituyentes químicos independientemente

variables de necesarios y suficientes para expresar la composición de cada fase en

cualquier estado de equilibrio.

Un sistema compuesto por una sola fase es homogéneo.

Un sistema compuesto por varias fases es heterogéneo.

Si en un sistema hay más de una fase, cada una de ellas tiene propiedades características y un

límite que le separa de otras fases. En este límite aparece un cambio discontinuo y abrupto en

las características físicas y/o químicas.

Cuando un sistema hay dos fases no es necesario que haya diferencias en las propiedades

químicas: es suficiente que la disparidad este en un solo tipo de estas propiedades.




La mayoría de las aleaciones, las cerámicas, los polímeros y los materiales compuestos son

sistemas heterogéneos.

Un sistema formado por una sola sustancia pura (1 solo componente) puede aparecer en dos de

sus estados físicos en determinadas condiciones (sólido–líquido, líquido–gas) y así identificarse

dos fases con diferente energización atómica y propiedades, y con una clara superficie de

separación entre ellas (interfase). Ej. Agua y Hielo.

En un sistema formado por componentes completamente solubles en el otro en toda proporción

de aleación existe una sola fase que es una solución sólida y dos componentes. El agua y el

alcohol tienen solubilidad ilimitada.

El cobre líquido (Cu) y el níquel (Ni) líquido son totalmente solubles uno dentro del otro. Las

aleaciones solidas cobre y níquel tienen una solubilidad solida ilimitada y los átomos del cobre y

del níquel ocupan sitios alrededor de la red.

Si la solubilidad en estado sólido es parcial (solubilidad limitada) para ciertas composiciones, el

resultado consiste en la formación de dos fases, de cada una de ellas nace un componente

distinto. El agua y la sal tienen solubilidad limitada.

3. Equilibrio de un sistema (equilibrio de fases) La energía libre depende de la energía interna de un sistema y también del azar o del desorden

de los átomos o moléculas (o entropía). Un sistema está en equilibrio si la energía libre es

mínima en condiciones específicas de temperatura, presión y composición.

Para un sistema a temperatura (T) y presión (p) determinadas la función energética que mejor

describe la energía de una sustancia es la de energía libre de Gibbs (G).

Un sistema se encuentra en equilibrio termodinámico cuando la energía libre de Gibbs es

mínima.

Macroscópicamente un sistema material está en equilibrio cuando las fases que lo integran no

cambian con el tiempo.

4. Factores de equilibrio Son las magnitudes físicas o químicas que influyen en el equilibrio del sistema. Estos factores

son:

Presión (p)

Temperatura (T)

Concentración de las fases

5. Clases de equilibrio Cuando un sistema está en equilibrio puede ocurrir (suceder)

Equilibrio estable

Equilibrio inestable




6. Varianza o grados de libertad La varianza de un sistema en equilibrio es el número de factores de equilibrio que pueden ser

modificados, dentro de ciertos límites sin que el equilibrio se destruya.

7. Regla de las fases. Ley de Gibbs

— C: número de componentes del sistema

— P: número de fases presentes en el equilibrio

— F: número de grados de libertad o varianza del sistema

Con F también se define el número de factores variables:

F = 0 indica invariable

F = 1 univariante

F = 2 bivariante

8. Principio de Le Chatelier “Cuando en un sistema en equilibrio se modifica cualquiera de los factores de los que depende,

el sistema evoluciona en el sentido que tiende a neutralizar la modificación antes introducida.”

9. Curvas de enfriamiento DIAGRAMAS DE FASE: son representaciones graficas de las fases que están presentes en un

sistema de materiales a varias temperaturas, presiones y composiciones.

La mayoría de los diagramas de fase han sido construidos según condiciones de equilibrio

(condiciones de enfriamiento lento), siendo utilizadas por ingenieros y científicos para entender

y predecir muchos aspectos del comportamiento de los materiales.

A partir de los diagramas de fases se pueden obtener información como:

Conocer que fases están presentes a diferentes composiciones y temperaturas bajo

condiciones de enfriamiento lento (equilibrio).

Averiguar la solubilidad, en el estado sólido y en el equilibrio, de un elemento o

compuesto en otro.

Determinar la temperatura en la cual una aleación enfriada bajo condiciones de

equilibrio comienza a solidificar y la temperatura a la cual ocurre la solidificación.

Conocer la temperatura a la cual comienzan a fundirse las diferentes fases.

10. Subfusión o Sobrefusión En los enfriamientos reales, las transformaciones ocurren a temperaturas inferiores a las

indicadas en el diagrama de fases, es decir, se produce un retraso en el comienzo de la

solidificación.

La intensidad de este fenómeno depende de la velocidad de cambio de temperatura, cuanto

mayor es la velocidad de enfriamiento, mayores subenfriamientos.




Tema 7. Diagramas de equilibrio

1. Introducción Para especificar por completo el estado de un sistema de equilibrio, es necesario fijar tres

variables independientes, Temperatura (T), Presión (P) y Composición. Trabajando a la presión

atmosférica el diagrama nos indicara los cambios estructurales debidos a la variación de

temperatura y composición.

La mayor parte de la información sobre el control de la microestructura o estructura de fases se

encuentra en el diagrama de fases, diagrama de equilibrio o diagrama constitucional.

A partir de las transformaciones de fases, de los cambios que ocurren entre fases al modificar la

temperatura (generalmente en el subenfriamiento), se originan la mayoría de las

microestructuras, lo que implica la transformación de una fase a la otra o la aparición o la

desaparición de una fase.

Los diagramas de equilibrio de fases representan las relacionen entre la estructura y la

composición y las cantidades de fases en equilibrio.

Las condiciones de equilibrio se pueden aproximar mediante calentamientos y enfriamientos

infinitamente lentos.

CONSTRUCCIÓN DE DIAGRAMAS DE EQUILIBRIO

Análisis Térmico diferencial

Métodos metalográficos

Difracción de Rayos X

2. Ley General del reparto de masas

Proporción de cada fase

Sea f la composición de la aleación y xB la fracción en peso de B en la mezcla

Ecuaciones:

1. Sumar la fracción en peso de la fase L (fL) y la fracción en peso de la fase S (fS).

2. Balance de peso de B como un todo y la suma de B en las dos

fases por separado

fL: fracción en peso de la fase L

xB: fracción en peso de B en la fase L

Combinando 1. Y 2. Obtenemos la Regla de la Palanca (inversa)




3. Sistemas isomórficos binarios El diagrama binario del sistema cobre–níquel. En el eje de ordenadas se representa la

temperatura, y en de abscisas la composición en peso que varía desde 0% en peso de Ni (100%

Cu) en el extremo izquierdo a 100% en peso de Ni (0% Cu) en el derecho.

El líquido L es una disolución homogénea compuesta por cobre y níquel. La fase α es una

disolución sólida sustitucional de estructura FCC. A temperaturas inferiores a 1080oC el cobre y

el níquel son mutuamente solubles en estado sólido en cualquier composición. Esta solubilidad

total se explica porque Cu y Ni tienen la misma estructura cristalina, radios atómicos y

electronegatividades casi idénticos y valencias muy similares.

El sistema cobre–níquel se denomina isomorfo debido a las solubilidades totales de los dos

componentes en estado sólido y líquido.

Las disoluciones sólidas se suelen designar mediante las primeras letras del alfabeto griego (α, β,

γ...). La línea que separa los pampos L y α + L se denomina línea líquidus. Cualquier combinación

temperatura–composición que se halle por encima de esta línea estará en la fase líquida. La

línea solidus está localizada entre las regiones L y α + L, y por debajo de ella sólo existe la fase α.

Las líneas solidus y liquidus corresponden a las temperaturas de fusión de los componentes

puros, en este caso 1080oC para el cobre y de 1455oC para Ni.

El cobre permanece sólido hasta llegar a la temperatura de fusión.

Para otra composición distinta de la de los componentes puros, ocurre el fenómeno de difusión

en un tramo de temperaturas comprendido entre las líneas de solidus y liquidus. En este tramo

permanecen en equilibrio las fases sólido y líquido.

1. Interpretación de los diagramas de fases

Fases presentes

Es relativamente fácil averiguar las fases presentes. Se localiza en el diagrama un punto definido

por la temperatura y la composición y se identifican las fases presentes en este campo.

Determinación de composiciones de fases

Para las regiones mono y bifásicas se utilizan distintos métodos. En el sistema monofásico, el

procedimiento es sencillo: la composición de la fase coincide con la composición total de la

aleación.

Una aleación en condiciones de composición y temperatura localizadas en una región bifásica

tiene una solución más complicada. En toda región bifásica se pueden imaginar líneas

horizontales para cada temperatura, conocidas como rectas de reparto o isotermas. Estas líneas

se extienden a lo largo de la región bifásica y terminan en un límite de fase en cada extremo.

Las concentraciones en equilibrio de las dos fases presentes se calculan:

1. Se traza una recta de reparto a través de la región bifásica a la temperatura de la

aleación.




2. Se anotan las intersecciones de la recta de reparto con los dos límites de fase de los

extremos.

3. A partir de estas intersecciones se trazan perpendiculares hasta cortar el eje horizontal

de las composiciones y estas últimas intersecciones corresponden a las composiciones

de las fases presentes.

Determinación de la cantidad de fases

La cantidad relativa, como fracción o porcentaje, de las fases presentes en el equilibrio se puede

calcular mediante los diagramas de fases. Las situaciones mono y bifásicas se deben tratar

separadamente.

Si la coordenada composición-temperatura está localizada dentro de la región bifásica, el

problema es más complejo. La recta de reparto se debe utilizar conjuntamente con un

procedimiento denominado regla de la palanca:

1. A la temperatura de la aleación se traza un segmento de recta de reparto a través de la

región bifásica.

2. La composición total de la aleación está localizada en el segmento de recta de reparto.

3. La fracción de una fase se calcula midiendo la longitud del segmento de la recta de

reparto desde la composición de la aleación hasta el límite de la otra fase dividiéndola

por la longitud total del segmento de isoterma.

4. La fracción de la otra fase se determina del mismo modo.

5. Si interesan los porcentajes de fases, se multiplican por 100 las fracciones de fase. Si el

eje de la composición está expresado en porcentaje en peso, las fracciones de fase

calculadas utilizando la regla de la palanca son fracciones de masa. La masa de cada fase

se calcula a partir del producto de cada fracción por la masa total de la aleación. A veces

conviene calcular la fracción en volumen de fase, que se obtiene teniendo en cuenta las

densidades de las fases.

La longitud del segmento de la recta de reparto utilizando la regla de la palanca se puede medir

con una regla o restando los valores de composición que figuran en el eje de abscisas. El

segmento de la recta de reparto se ha trazado para determinar las composiciones de las fases α

y L. La composición global de la aleación está localizada en el punto C0 de este segmento: las

fracciones de las masas de las fases presentes están representadas por WL y Wα La fracción WL

se calcula mediante la regla de la palanca o restando las composiciones.

Análogamente para α:

Si se conocen la temperatura y la composición y se ha alcanzado el equilibrio, la regla de las

fases se emplea para determinar las cantidades relativas o fracciones de fases en las regiones

bifásicas de aleaciones binarias.




La composición de las fases se expresa en términos de concentración de los componentes. En

una aleación monofásica, la composición de la fase coincide con la composición total de la

aleación. En una aleación bifásica se debe utilizar la regla de la palanca, calculando la relación de

las longitudes del segmento de recta de reparto.

2. Desarrollo de microestructuras en aleaciones isomórficas

En primer lugar se supone un enfriamiento muy lento que mantiene las fases en equilibrio

permanente y en segundo lugar se suponen condiciones de no equilibrio.

4. Sistemas eutécticos binarios Una fase líquida subenfriada se transforma en dos fases sólidas α y β a la temperatura TE. Se

denomina reacción eutéctica.

La solidificación de un eutéctico resulta siempre un producto bifásico, mientras que la de un

componente puro origina una monofase.

En la construcción de diagramas de fases binarios hay que tener en cuenta que en un campo

sólo pueden existir en equilibrio una o a lo sumo dos fases. En los sistemas eutécticos pueden

estar en equilibrio tres fases (α, β y L), pero solo en los puntos de la isoterma eutéctica. Otra

regla general es que las regiones monofásicas están separadas por regiones bisfásicas, donde

aparecen dos fases simples separadas

5. Reacciones eutectoide y peritéctica Al enfriar la disolución sólida δ se transforma en dos fases sólidas (γ y ε) según la reacción.

La reacción inversa ocurre calentando, se denomina reacción eutectoide, y el punto invariante y

la línea de reparto horizontal a 558oC se denominan eutectoide e isoterma eutectoide,

respectivamente. El “eutectoide” se distingue del “eutéctico” porque en el primero una fase

sólida se transforma en dos fases sólidas, mientras que en el segundo es una fase líquida la que

se transforma en dos solidas a una temperatura determinada.

La reacción peritéctica es otra reacción invariante que implica tres fases en equilibrio. En esta

reacción, el calentamiento de una fase sólida la transforma en una fase sólida y una fase líquida.

6. Transformaciones de fases congruentes Ejemplos de estas son: transformaciones alotrópicas y la fusión de materiales puros. Las

reacciones eutéctica y eutectoide, así como las fusiones de las aleaciones isomórficas

representan transformaciones incongruentes.




7. Diagramas binarios de solidificación Solubilidad en estado SÓLIDO

Completamente solubles GRUPO I

Completamente insolubles GRUPO II

Parcialmente solubles GRUPO III

Solubilidad en estado LÍQUIDO

Completamente solubles GRUPO I

Parcialmente solubles GRUPO IV

Totalmente insolubles GRUPO V




Tema 8 Aleaciones Férreas

1. Diagrama de fases Hierro-Carburo de hierro

(Fe–Fe3 –C) El hierro puro experimenta dos cambios de la estructura cristalina antes de fundir. A

temperatura ambiente se llama ferrita α y tiene estructura BCC. La ferrita experimenta a 912oC

una transformación polimórfica a austenita FCC o hierro γ. El sistema hierro-carbono se puede

dividir en dos partes: una parte rica en hierro y otra de composición comprendida entre 6,70 y

100% C (grafito puro). Todos los aceros y fundiciones tienen porcentajes en carbono inferiores a

6,70% C, correspondiente a 100% Fe3C.

En la ferrita α BCC solo son solubles muy pequeñas concentraciones de carbono; la solubilidad

máxima es de 0,022% en peso y corresponde a 727oC. Esta fase hierro-carbono es relativamente

blanda, magnética por debajo de los 768oC y con una densidad de 7,88 g/cm3.

La austenita o fase γ del hierro, cuando esta aleado con carbono no es estable por debajo de

727oC. La máxima solubilidad del carbono en austenita es 2,11% en peso a 1148oC. Esta

solubilidad es aproximadamente 100 veces superior a la máxima para la ferrita α BCC, ya que las

posiciones intersticiales de 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 ferrita δ es como la ferrita α, y solo se diferencian en el tamo de temperaturas en el cual

existen.

Se forma cementita (Fe3C) cuando se excede el límite de solubilidad del carbono en ferrita α por

debajo de 727oC. La cementita, desde el punto de vista mecánico, es dura y frágil, y su presencia

aumenta considerablemente la resistencia de algunos aceros. La cementita es sólo metaestable.

Pero si se calienta entre 650 y 700oC durante varios años, cambia gradualmente o se transforma

en ferrita α y carbono. Es decir, el diagrama de fases no está realmente en equilibrio porque la

cementita no es un compuesto estable, pero dada su extraordinariamente lenta velocidad de

descomposición en la práctica todo el carbono del acero aparece como Fe3C.

En el diagrama correspondiente al sistema hierro-carburo de hierro, se observan regiones

bifásicas y un eutéctico a 4,30% en peso de C y 1148oC. La reacción eutéctica, implica

solidificación del líquido para generar las fases de austenita y cementita.

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: hierro, acero y fundición. El

hierro puro contiene menos de 0,008% en peso de C y, en el diagrama de equilibrio comprende

la fase de ferrita a temperatura ambiente. Las aleaciones hierro- carbono que contienen entre

0,008 y 2,11% en peso de C se clasifican como aceros. Aunque en un acero pueda contener

hasta un 2,11% en peso de C, en la práctica, rara vez la concentración de carbono en un acero

excede el 1,0%. Las fundiciones se definen como aleaciones férreas que contienen entre 2,11 y

6,70% en peso de C, sin embargo, las fundiciones comerciales normalmente contienen menos

del 4,5% en peso de C.









2. Desarrollo de microestructuras en

aleaciones Hierro-Carbono La exposición se centra en el enfriamiento muy lento de aleaciones de acero, en el cual se

mantienen continuamente condiciones de equilibrio. Los cambios de fases que tienen lugar al

pasar de la región γ al campo bifásico α + Fe3C son relativamente complejos y similares a los

descritos en el sistema eutéctico.

Inicialmente la aleación de composición 0,77%C tiene la microestructura austenítica. Al enfriar

no ocurre ningún cambio hasta llegar a la temperatura eutectoide (727oC). En el punto por

debajo de esta temperatura, la austenita se transforma según la ecuación:

La austenita de composición 0,77%C forma ferrita, con bajo contenido en carbono (0,022%C) y

Fe3C con un contenido de 6,7% en carbono.

La microestructura del acero eutectoide enfriado lentamente a través de la temperatura

eutectoide es análoga, es decir, se forma capas o láminas alternas de las dos fases durante la

transformación. Esta microestructura se llama 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 colina a otra las capas delgadas claras son de

ferrita y la cementita aparece como capas delgadas más oscuras. Mecánicamente las perlitas

tienen las propiedades intermedias entre la blanda y dúctil ferrita y dura y quebradiza

cementita.

1. Aceros hipoeutectoides

Una aleación de composición C0 a la izquierda del eutectoide, entre 0,022% y 0,77%C se

denomina aleación hipoeutectoide. Hacia los 875oC, la microestructura consta enteramente de

granos de fase γ. En la región bifásica α + γ, a unos 775oC, estas fases coexisten. La mayoría de

las partículas α se generan en los límites de los granos γ originales. Las descomposiciones de las

fases α y γ se determinan utilizando la recta de reparto, cuyos extremos coinciden con un 0,020

y 0,50% C, respectivamente.

Cuando se enfría un acero a través de la región de fases α + γ, la composición de la ferrita se

enriquece ligeramente en carbono.

Enfriando desde ese punto a otro muy próximo al eutectoide pero dentro de la región α + γ, se

aprecia un incremento de la microestructura de la fracción de fase α.

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. La fase α

prácticamente no cambia al cruzar la temperatura eutectoide: permanece como matriz continua

alrededor de las colonias de perlita. La ferrita de la perlita se denomina ferrita proeutectoide.

Las regiones blancas corresponden a la ferrita proeutectoide. 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 la fotomicrografía.




2. 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. En un punto

dentro de la fase γ sólo aparecen granos de fase γ y composición C1. Al enfriar a lo largo del

campo de fase γ + Fe3C, en este punto la fase de cementita va creciendo en los límites iniciales

de los granos γ. Obtenemos cementita proeutectoide, porque se forma antes de la reacción

eutectoide. La composición de la cementita permanece constante (6,70%) al variar la

temperatura.

Al descender por debajo de la temperatura eutéctica, toda la austenita remanente de

composición eutectoide se transforma en perlita y cementita proeutectoide como

microconstituyentes.

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

Fe3C proeutectoide se calculan de modo análogo al caso del acero hipoeutectoide; se traza la

recta de reparto entre 0,77 y 6,70%C. En un acero de composición C1. Las fracciones de perlita

WP y de cementita proeutectoide WFe3C se determinan mediante la expresión de la regla de la

palanca:

3. Martensita

Es una fase metaestable de estructura tetragonal, obtenida por un enfriamiento brusco de una

solución sólida intersticial. Al microscopio, se observan agujas o fibras rectilíneas aún más finas

orientadas en direcciones paralelas y separadas o no por una matriz de apariencia granular.

Dichas agujas aparecen solo claramente cuando el porcentaje de carbono es alto. Su dureza

depende del porcentaje en carbono que tenga en solución, está comprendida entre 25 y 67 HRC.

TRANSFORMACIÓN MARTENSÍTICA:

Transformación sin difusión.

Se verifica el enfriamiento y cesa si este cesa. Es independiente del tiempo.

La transformación martensítica no se puede eliminar, ni modificar su temperatura con la

velocidad de enfriamiento.

No es un componente en estado de equilibrio real.

Su propiedad más característica es su dureza.




3. Resumen Los diagramas son un medio para representa las fases más estables de una aleación. En estas

gráficas de temperatura frente a composición, se definen áreas o regiones de fases dentro de las

cuales existen una o dos fases. Para una aleación de composición determinada y temperatura

conocida, se pueden determinar las fases presentes, las composiciones y las cantidades relativas

en condiciones de equilibrio. En las regiones bifásicas, las composiciones de las fases y las

fracciones de masas se calculan mediante las líneas de reparto y la regla de la palanca,

respectivamente.

Los diagramas isomorfos corresponden a los sistemas que presentan, como el sistema cobre-

níquel, completa solubilidad en fase sólida. También se ha hablado de aleaciones que en

principio son isomórficas pero que después desarrollan microestructuras correspondientes a

enfriamientos en equilibrio, y en no equilibrio y también de la relación entre características

mecánicas y composición.

Algunos sistemas de aleación experimentan reacción eutectoide, donde una fase liquida por

subenfriamiento se transforma isotérmicamente en dos fases solidas diferentes. Los diagramas

de fases cobre-plata y plomo-estaño presentan reacciones de este tipo. No existe completa

solubilidad en estado sólido; sino que las disoluciones sólidas son terminales: solo existe

solubilidad limitada de un componente en otro. Se dan cuatro tipos de microestructuras

desarrolladas por enfriamientos en equilibrio a partir del sistema eutéctico.

Hay diagramas de equilibrio más complejos que tienen fases y/o compuestos intermedios, con

más de un eutéctico y otras reacciones: eutectoide, peritéctico y transformaciones de fases

congruentes, como por ejemplo los sistemas cobre-cinc y magnesio-plomo.

Con la regla de las fases de Gibbs se plantea una ecuación que relaciones las fases presentes en

un sistema en equilibrio con el número de variables no composicionales.

El sistema hierro-carbono y, especialmente, el diagrama hierro-carburo de hierro, que es uno de

los más interesantes desde el punto de vista tecnológico. La evolución de microestructuras en la

mayoría de los aceros al carbono depende de la reacción eutectoide donde la fase austenítica

FCC de 0,077%C se transforma isotérmicamente en ferrita α BCC (0,022%C) y el compuesto

intermetálico, cementita (Fe3C). El producto microestructural de la aleación hierro-carbono de

composición eutectoide es la perlita, microconstituyente consistente en capas alternadas de

ferrita y cementita. Las microestructuras de aceros con un contenido en carbono inferior al

eutectoide (hipoeutectoide) constan de una fase de ferrita proeutectoide y de perlita. La perlita

y la cementita proeutectoide constituyen los microconstituyentes de los aceros

hipereutectoides; con un contenido en carbono superior al de la composición del eutectoide.




Tema 9: Tratamientos Térmicos y Termoquímicos

1. Introducción Una combinación de operaciones de calentamiento y enfriamiento con tiempos determinados,

aplicados a una aleación. Se provocan en estado sólido con el fin de mejorar algunas

propiedades en relación a la condición original del material.

1. Temperatura y tiempo

La temperatura y el tiempo son los factores principales que influyen el tratamiento térmico y

hay que fijarlos de antemano. Por ejemplo: descarburación u oxidación.

2. Clasificación de los tratamientos térmicos

1. Recocido

Es el tratamiento térmico, que en general, tiene como finalidad principal ablandar la aleación,

regenerar la estructura sobrecalentada y eliminar las tensiones internas. Se distinguen distintos

tipos de recocido:

Recocido de homogeneización: Aceros hipoeutectoides. A3 + 200oC

Recocido de regeneración: cuando se trata de ablandar el acero y regenerar su

estructura. Consiste en calentar el acero a una temperatura superior a la crítica,

mantener a la temperatura durante un tiempo y dejarlo enfriar lentamente. A3 ó

Acm+50oC.

Recocido incompleto o de globulización: cuando se trata de aceros hipereutectoides se

denomina globular. Pueden ser supercríticos, por encima de Acm.

Recocidos subcríticos: realizados por debajo de la temperatura crítica. Los principales

recocidos subcríticos son:

Recocido de ablandamiento: Es un recocido que se da a los aceros después de

la forja o la laminación en caliente para eliminar tensiones y dureza con vista a

un mecanizado posterior. Se calienta la pieza a una temperatura inferior a la

crítica y después se deja enfriar al aire libre.

Recocido contra acritud: se hace en los materiales laminados o perfilados en

frio, para quitarles la acritud y aumentar su tenacidad. Es un tratamiento similar

al anterior pero realizado a temperatura inferior a aquel.

2. Normalizado

El normalizado se define como un calentamiento hasta una temperatura conveniente, por

encima del rango de transformación, un cocido o permanencia a dicha temperatura, seguido de

un enfriamiento en el aire hasta una temperatura suficientemente por debajo del rango de

transformación. Se requiere:

1. Que la pieza tratada se calentada uniformemente a temperatura suficientemente alta

como para alcanzar la transformación completa de la ferrita y cementita a austenita.

50-100oC por encima de la temperatura crítica superior.




2. Que permanezca a esta temperatura un tiempo suficientemente largo como para

alcanzar la uniformidad de temperatura a través de toda su masa.

3. Que se permita el enfriamiento en aire quieto, de manera uniforme.

Una disminución en la velocidad de enfriamiento convertirá un tratamiento de

normalización en un tratamiento de recocido.

El aumento en la velocidad de enfriamiento cambia el tratamiento de normalizado en un

tratamiento de temple.

Un normalizado puede ablandar o endurecer un acero, dependiendo de la condición del

material antes del normalizado.

Los objetivos del normalizado pueden ser:

1. Refinar el grano y homogeneizar la microestructura para mejorar la respuesta del acero

en una operación de endurecimiento por temple.

2. Mejorar las características de maquinabilidad del acero.

3. Alcanzar, en general, las propiedades mecánicas deseadas.

3. Temple de los aceros

El temple del acero es un enfriamiento rápido a partir de la temperatura de austenización

30-50oC de la temperatura crítica superior. Usualmente se realiza por inmersión de la pieza en

agua o aceite y, a veces, se usa aire forzado.

Como resultado del temple se desarrollan estructuras martensíticas aceptables y

propiedades mecánicas que deben cumplir especificaciones mínimas.

Los resultados del temple dependen de las características de enfriamiento del medio

de temple, así como de la posibilidad del acero de ser endurecido.

Los resultados se pueden cambiar variando la composición del acero, el tipo de medio

de temple, la agitación o las temperaturas del medio templante.

Varios factores intervienen en el mecanismo del temple:

1. Condiciones internas de la pieza que afectan a la transmisión de calor hacia la

superficie.

2. La superficie y otras condiciones externas que afectan a la transmisión de calor.

3. El potencial de transmisión de calor del fluido de temple a temperaturas y

presiones normales.

4. Cambios en el potencial de extracción de calor del fluido debido a condiciones no

estándar como agitación, temperatura o presión.

El movimiento producido externamente sobre el líquido de temple tiene una influencia

extremadamente importante en las características de transferencia de calor de un

medio de temple.

4. Revenido de aceros templados

La estructura martensítica obtenida por temple es muy dura y frágil. Mediante el revenido es

posible aumentar significativamente su resistencia al impacto, aun cuando se disminuye la

dureza. El revenido consiste en calentar una pieza templada por periodos del orden de 1 a 3

horas a temperaturas por debajo de la de austenización. Se calienta el acero a temperatura




levemente superior a la de austenización AC1, luego es enfriado rápidamente para formar una

estructura martensítica. Posteriormente, el acero es recalentado a una temperatura inferior a

AC1 para obtener la dureza deseada. Durante el proceso de revenido ocurren cambios

microestructurales debidos a reacciones en estado sólido. Las más importantes son:

Segregación de átomos de C

Precipitación de carburos

Descomposición de la austenita retenida

Recuperación y recrisalizacion de la matriz ferrítica

No todas estas reacciones ocurren a la misma temperatura y en el mismo periodo de

tiempo. Muchas de ellas suceden simultáneamente, esto determina que las

microestructuras resultantes sean muy complejas.

3. Tratamientos isotérmicos. Durante el proceso de temple y debido a la elevada velocidad de enfriamiento, se producen

tensiones internas que hacen que las piezas tratadas se puedan distorsionar y agrietar como

consecuencia del enfriamiento desigual.

1. AUSTEMPERING

Es una transformación isotérmica de las aleaciones ferrosas a una temperatura por debajo de la

temperatura de formación de perlita y por encima de la formación de martensita obteniendo

una estructura bainitica. Para realizar un austempering se procede de la siguiente manera:

1. Se calienta el acero a una temperatura dentro del rango de austenización (790-870oC)

2. Se templa en un baño constante que se mantiene a una temperatura de constante

entre 270 y 400oC.

3. Se deja permanecer en este baño el tiempo necesario para que se complete la

transformación en bainita.

4. Se enfría hasta la temperatura ambiente en aire quieto.

2. MARTEMPERING

Temple escalonado, en que las piezas se enfrían, desde la temperatura de austenización, en un

baño de sales o metal fundido a temperatura próxima superior a Ms, dejándolas en él el tiempo

preciso para que alcancen su temperatura, pero sin que comience a transformarse la austenita.

Posteriormente se extraen del baño y se enfrían bruscamente hasta temperatura ambiente.

4. Tratamientos termoquímicos Los tratamientos termoquímicos modifican las características del material pro medio del

calentamiento y enfriamiento, pero cambiando también la composición química del material:

Cementación: aumenta la dureza superficial de una pieza de acero dulce, aumentando la

concentración en carbono en la superficie.

Nitruración: al igual que la cementación, aumenta la dureza superficial, aunque lo hace

en mayor medida, incorporando nitrógeno en la composición de la superficie de la pieza




Sulfinización: aumenta la resistencia al desgaste por acción del azufre. El azufre se

incorpora al metal por calentamiento a baja temperatura (565oC) en un baño de sales.

Cianuracion: endurecimiento superficial de pequeñas piezas de acero. Se utilizan baños

con cianuro, carbonato y cianato sódico. Se aplican temperaturas entre 760 y 950oC.




Tema 10 Aceros Aleados

1. El acero Aleacion de hierro y carbono, en la que el carbono se hace presente en un porcentaje < 2%. La

materia prima es el arrabio, eliminando al máximo las impurezas de este, y reduciendo el

porcentaje del principal componente de la aleación que es el carbón.

Entre sus propiedades destaca:

Resistencia a la compresión y tracción

Dureza

Resistencia al desgaste

Ductilidad

Las propiedades del acero pueden mejorar con la adición de elementos aleantes.

1. Ventajas del acero como material estructural

Alta resistencia por unidad de masa.

Uniformidad: las propiedades del acero no cambian apreciablemente con el tiempo,

como es el caso del hormigón.

Durabilidad: si el mantenimiento es adecuado, las estructuras de acero pueden durar

indefinidamente.

Ductilidad: la ductilidad es la propiedad que tiene un material de soportar grandes

deformaciones sin fallar bajo altos esfuerzos de tensión. La naturaleza dúctil de los

aceros estructurales comunes les permite fluir localmente, evitando así fallos

prematuros.

Tenacidad: los aceros estructurales son tenaces, es decir, poseen resistencia y ductilidad

Otras ventajas:

Gran facilidad para unir diversos miembros por medio de varios tipos de

conectores (soldadura, tornillos y remaches).

Posibilidad de prefabricar los miembros de una estructura.

Rapidez de montaje.

Gran capacidad de laminarse y en gran cantidad de tamaños y formas.

Resistencia a la fatiga.

Posible reutilización después de desmontar una estructura.

2. Desventajas del acero como material estructural

Costo de mantenimiento: susceptibles a la corrosión al estar expuesto al agua y al aire.

Costo de la protección contra el fuego: aunque algunos miembros estructurales son

incombustibles, sus resistencias se reducen considerablemente durante los incendios.

Susceptibilidad al pandeo.




3. Acero al carbono

El principal producto siderúrgico es el acero, siendo aproximadamente el 90% de la producción

acero al carbono y el 10% acero aleado. Por lo tanto, el material metálico más importante para

la industria es el acero al carbono.

El acero al carbono es una aleación de composición química compleja. Además de hierro, cuyo

contenido puede oscilar entre 97,0 a 99,5%, hay en él muchos elementos cuya presencia se

debe a los procesos de su producción (Mg, Si), a la dificultada de excluirlos totalmente del metal

(S, P, O, N, H) o a circunstancias casuales (Cr, Ni, Cu, etc.). El aumento del contenido de carbono

en el acero eleva su resistencia a la tracción, incrementa el índice de fragilidad en frío y hace que

disminuya la tenacidad y la ductilidad.

2. Elementos de aleación Cambian las propiedades del acero como consecuencia de las modificaciones en la composición

química y estructural, entre las propiedades que se alteran cabe destacar:

Elevan la templabilidad y como consecuencia es más fácil obtener la martensita y, a

partir de ella, por revenido, las mejores características de resiliencia.

Mejoran las características mecánicas a bajas y altas temperaturas.

Mejoran la resistencia a la oxidación y corrosión a temperaturas elevadas.

Introducen o modifican ciertas propiedades específicas.

1. Clasificación

Atendiendo a su influencia sobre los puntos críticos:

1. Elementos gammágenos (Mn, Co, Ni, Cu y Zn): Aumentan la región de estabilidad de

la fase γ.

2. Elementos alfágenos (Cr, Si, Be, Al, Mo, Nb, V, P, Sn, Ti y Zr): disminuyen la región de

estabilidad de la fase γ.

3. Elementos no activos (Pb, Mg y Ca): no ejercen ninguna acción por ser

completamente insolubles.

Atendiendo a su acción sobre el carbono:

1. Elementos formadores de carburos (Ti, Zr, V, Nb, Ta, Cr, Mo, W y Mn): no permiten

la formación de cementita hasta que no hay exceso de C.

2. Elementos grafitizantes (Si, Co, Al y Ni): Favorecen la descomposición de la

cementita.

3. Aceros para construcción

1. Aceros HSLA (High-strength low-alloy)

En la primera generación de aceros HSLA, la resistencia mecánica adecuada se logró mediante

el endurecimiento de la matriz ferrítica por elementos de aleación como el manganeso y silicio,

un acero tipo de esta generación tendría una composición parecida a esta: 0,25%C; 1,5%Mn;

0,24%Si; 0,003%N.




Aceros de esta composición se siguen fabricando para solicitaciones mecánicas poco exigentes.

Su punto débil es la soldabilidad debido a que por el contenido en carbono se tiende a formar

martensita alrededor de la unión soldada.

La segunda generación la constituyen aceros microaleados en estos, los constituyentes (Nb, V,

Ti) intervienen con contenidos inferiores al 0,1%; el incremento de propiedades mecánicas en

estos aceros se debe a la formación de finos precipitados (nanométricos) de carburos y/o

carbonitruros de estos elementos que endurecen la ferrita, y al afino de tamaño de grano

ferrítico logrado por la inhibición del crecimiento de grano austenítico durante la laminación y/o

el tratamiento térmico posterior, generalmente, el normalizado.

La tercera generación de aceros HSLA, la constituyen los aceros microaleados conformados

mediante técnicas de laminación controlada, que hace innecesario el tratamiento térmico

posterior de normalizado, es decir, los componentes fabricados a partir de las chapas obtenidas

mediante este proceso, presentan altos límites elásticos y elevada tenacidad en estado bruto de

laminación.

Finalmente en los últimos años se han desarrollado las técnicas de proceso termomecánico

(cuarta y quinta generación) con los que se obtienen propiedades mecánicas fuertemente

mejoradas y propiedades tecnológicas (conformabilidad, soldabilidad, etc.) muy superiores a las

anteriores. Todos estos procesos tienen como base el afino de grano ferrítico obtenido a partir

de la transformación alotrópica de la austenita deformada.

2. Aceros aleados

Denominaremos aceros especiales o aleados a aquellos aceros al carbono que, con objeto de

proporcionarles propiedades especiales, se les han adicionado elementos aleantes nuevos, o los

ya anteriormente citados, en cantidades superiores a las indicadas.

Dentro de los aceros aleados, llamaremos de baja aleación a aquellos cuyo contenido total en

aleantes sea inferior al 5% y de alta aleación, a aquellos que excedan dicha cantidad. Por último,

se denominaran como microaleados a aquellos en los que se encuentren elementos en una

cantidad del orden del 0,1%.

3. Clasificación de aceros especiales

Existen varios criterios para clasificar la gran cantidad de aceros especiales que se fabrican en la

actualidad. Entre ellos pueden citarse los que atienden a su composición, a su estructura en

equilibrio, etc.

La clasificación atendida a sus aplicaciones es la que a todas luces nos parece más correcta.

Según este criterio, los aceros especiales pueden ser divididos en los siguientes grupos que, a su

vez, se subdividen en otros:

I. Aceros de construcción

II. Aceros de herramientas

III. Aceros inoxidables

IV. Aceros para aplicaciones especiales




4. II – Aceros de herramientas

Una herramienta es un instrumento destinado a conformar materiales, operación que puede

realizarse mediante el arranque de virutas (torneado, fresado, etc.) o por deformación en frío o

caliente (forja, extrusión, etc.). A veces se incluyen en este grupo aquellos útiles que sirven para

la verificación de medidas (calibres, llaves, etc.).

PROPIEDADES DE LOS ACEROS DE HERRAMIENTAS

DUREZA: expresada como resistencia a la deformación, es sin duda la propiedad

esencial para este tipo de aceros que, en la mayoría de los casos, debe ser elevada para

evitar su deformación.

RESISTENCIA AL DESGASTE: entendemos como tal el arranque de partículas de la

herramienta causado por el roce con otra superficie. El desgaste no está relacionado

más que indirectamente con la dureza y, si bien una elevada dureza conlleva una buena

resistencia al desgaste, pueden aparecer diferencias de comportamiento frente al

desgaste entre aceros de igual dureza.

4. III – Aceros inoxidables La resistencia a la corrosión de los aceros inoxidables se la comunica el Cr, que si bien, en

cantidades pequeñas, 5% por ejemplo, tiene ya un efecto sensible, no es hasta cantidades del

10-12% cuando se puede hablar de aceros inoxidables. La acción del Cr se debe a la formación

de una capa de óxido protectora de carácter impermeable.

1. El cromo en los aceros inoxidables

El carácter fuertemente alfágeno del Cr, que reduce el campo γ a un pequeño bucle. Por

otra parte, en las aleaciones que contienen más del 10% de Cr, el carbono motiva la

aparición de otros dos carburos, además de la cementita, (Fe Cr) 3C, que responden a las

formulas (Fe Cr) 7C3 y (Cr Fe) 23C6.

2. El níquel en los aceros inoxidables

El Ni, dado su carácter gammágeno, tiende a estabilizar la fase γ en los aceros, de tal

forma que con un 24% de Ni, los aceros con muy poco carbono se vuelven austeníticos a

cualquier temperatura. Al adicionar carbono, dado su carácter, también gammágeno,

necesitaremos menos Ni para obtener aceros austeníticos, tanto menos cuanto mayor

sea el contenido en C.

Para la construcción del diagrama, es preciso determinar el equivalente de Ni y Cr de los

distintos elementos gammágenos y alfágenos. Schaeffler definió ambos equivalentes de

la forma siguiente:




3. Tipos de aceros inoxidables

Martensíticos

Ferríticos

Austeníticos

Dúplex

Endurecibles por precipitación

3.1. Aceros inoxidables martensíticos

Son básicamente aleaciones de Fe con Cr y C con microestructura martensítica en

estado de temple.

Son ferromagnéticos, endurecibles por tratamiento térmico y resistentes a la corrosión

en entornos medianamente agresivos.

El contenido en Cr varía entre 1,5 y 18% y el de C puede exceder 1,2%, debiendo

equilibrarse ambos para asegurar una microestructura martensítica tras el temple, con

exceso de carburos para mejorar la resistencia al desgaste y mantener un borde

cortante en las herramientas fabricadas con ellos.

A menudo contienen otros aleantes como Nb, Si, W y V para modificar la resistencia al

revenido tras el temple.

Se les adiciona también algo de Ni para mejorar la tenacidad y la resistencia a la

corrosión en diferente medios. En ocasiones se les adiciona Se y S para mejorar la

maquinabilidad.

3.2. Aceros inoxidables ferríticos

Son esencialmente aleaciones Fe-Cr con microestructura cúbica centrada. El contenido en

Cr varía entre 15 y 30 % y, a veces, se les adiciona Mo, Si, Al, Ti y Nb para comunicarles

propiedades especiales. También se les alea con Se y S para mejorar su maquinabilidad.

Son ferromagnéticos y pueden tener buena ductilidad y conformabilidad, pero su

resistencia a temperaturas elevadas es baja comparada con la de los aceros inoxidables

austeníticos.

Estos aceros no son susceptibles de endurecimiento por tratamientos térmicos y su

comportamiento ante la corrosión es excelente.

3.3. Aceros inoxidables austeníticos

Tienen una microestructura cúbica centrada en las caras lograda mediante la adición de

elementos gammágenos como Ni, Mn y N. Son esencialmente amagnéticos en estado

recocido y, aunque no pueden ser endurecidos por tratamiento térmico, pueden

endurecerse por deformación en frío. Poseen excelentes propiedades en condiciones

criogénicas y buena resistencia a temperaturas elevadas.

El contenido en Cr varía entre 16 y 20%, el Ni hasta 25% aprox. y el Mn hasta 15%. Algunas

calidades contienen hasta un 1,5% de N2. A veces se les adiciona Mo, Cu, Si, Ti, Nb y Al

para mejorar su comportamiento ante la corrosión por picaduras y Se o S para favorecer

su maquinabilidad.




3.4. Aceros inoxidables austeno-ferríticos o dúplex

Tienen una microestructura mezcla de austenita y ferrita en proporciones definidas por su

composición y ttratamiento térmico, si bien la mayoría se diseñan para contener el 50%

de cada fase en estado recocido. Los principales aleantes son Cr y Ni, pero además

contienen Mo, Cu, Si, W y N2 para controlar la microestructura y mejorar la resistencia a la

corrosión ante determinados agentes agresivos.

La resistencia a la corrosión de estos aceros es similar a la de los austeníticos con

contenidos equiparables en aleantes, si bien hemos de hacer notar que su resistencia y

límite elástico son superiores en, los aceros dúplex, como también, es la resistencia a la

corrosión bajo tensiones. La tenacidad, en cambio, está comprendida entre la de los

aceros austeníticos y los ferríticos.

3.5. Aceros inoxidables por precipitación o aceros PH

Son aceros con Cr y Ni conteniendo aleantes como Ti, Cu y Al capaces de originar

endurecimiento por precipitación.

Estos aceros pueden ser austeníticos o martensíticos según sea su estructura de recocido,

alcanzándose, en la mayoría de los casos, una elevada resistencia por precipitación en

estado martensítico.

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Apuntes de Ciencia e Ingenieria de Materiales