Chapter 11 - 1

TEMAS A TRATAR...

Captulo 11: Aplicaciones y

Procesamiento de Aleaciones Metlicas

Cmo se clasifican las aleaciones metlicas y cuales son sus aplicaciones mas comunes?

Cules son algunos de los procesos de fabricacin de metalsmas communes?

Qu procedimientos de tratamientos trmicos son utilizados para mejorar las propiedades mecnicas de aleaciones ferrosas

y no ferrosas?

Chapter 11 - 2

Adapted from Fig.

11.1, Callister &

Rethwisch 9e.

Clasificacin de aleaciones metlicasAleaciones Metlicas

Steels

Ferrosas No ferrosas

Cast Irons

Chapter 11 - 3

Based on data provided in Tables 11.1(b), 13.2(b), 11.3, and 11.4, Callister & Rethwisch 9e.

Aceros

Baja aleacin Alta aleacin

Bajo carbono

Chapter 11 - 4

Refinamiento de acero a partir de

mineral

Mineral de hierroCoque

Cal

3CO+Fe2O3 2Fe+3CO2

C+O2 CO2

CO2 +C 2CO

CaCO3 CaO+CO2CaO + SiO2 + Al2O3 slag

purificacin

reduccin de mineral de hierro a metal

generacin de calor

Hierro fundido

ALTO HORNO

escoriaaire

Capas de coque

y mineral de hierro

GasesRecubrimineto

refractario

Chapter 11 - 5

Aleaciones ferrosas

Aleaciones basadas en hierro

Nomenclatura para aceros (AISI/SAE)

10xx Aceros al carbon simples

11xx Aceros al carbon simples (resulfurizados para maquinabilidad)

15xx Mn (1.00 - 1.65%)

40xx Mo (0.20 ~ 0.30%)

43xx Ni (1.65 - 2.00%), Cr (0.40 - 0.90%), Mo (0.20 - 0.30%)

44xx Mo (0.5%)

donde xx es wt% C x 100

ejemplo: acero 1060 acero al carbon simple con 0.60 wt% C

Aceros inoxidables >11% Cr

Aceros Hierros fundidos

Chapter 11 - 6

Hierros fundidos

Aleaciones ferrosas con > 2.1 wt% C

Mas comunes 3 - 4.5 wt% C

Baja fusin relativamente fciles de fundir

Generalmente frgiles

Cementita se descompone a ferrita + grafito

Fe3C 3 Fe () + C (grafito)

Generalmente un proceso lento

Chapter 11 - 7

Diagrama de fase Fe-C real

Formacin de graffito

promovida por

Si > 1 wt%

enfriamineto lento

Fig. 11.2, Callister & Rethwisch 9e.[Adapted from Binary Alloy Phase

Diagrams, T. B. Massalski (Editor-in-

Chief), 1990. Reprinted by permission of

ASM International, Materials Park, OH.]

1600

1400

1200

1000

800

600

4000 1 2 3 4 90

L

+L

+ grafito

Lquido +

grafito

(Fe) C, wt% C

0.6

5740C

T(C)

+ grafito

100

1153CAustenita 4.2 wt% C

+

Chapter 11 - 8

Tipos de hierro fundido

Hierro gris

escamas de grafito

dbil & frgil en tensin

ms fuerte a compresin

excellente absorbiendo vibraciones

resistente al desgaste

Hierro dctil

incluye Mg and/or Ce

grafito como ndulos, no escamas

matriz a menudo perlita mas resistente, pero menos dctil

Figs. 11.3(a) & (b),

Callister &

Rethwisch 9e.[Courtesy of C. H.

Brady and L. C. Smith,

National Bureau of

Standards, Washington,

DC (now the National

Institute of Standards

and Technology,

Gaithersburg, MD]

Chapter 11 - 9

Tipos de hierro fundido (cont.)

Hierro blanco

< 1 wt% Si

perlita + cementita

muy duro y frgil

Hierro maleable

Tratamiento tmico de hierro blanco a 800-900C

grafito en rosetas

razonablemente resistente y dctil

Figs. 11.3(c) & (d),

Callister &

Rethwisch 9e.

Co

urtesy

of A

mcast In

dustrial C

orp

oratio

n

Rep

rinted

with

perm

ission o

f the

Iron C

astings S

ociety

, Des P

laines, IL

Chapter 11 - 10

Tipos de hierro fundido (cont.)

Hierro graftico compactado

conductividad trmica relativamente alta

buena resistencia al choque trmico

baja oxidacin a altas temperaturas

Fig. 11.3(e), Callister & Rethwisch 9e.

Co

urtesy

of S

inter-C

ast, Ltd

.

Chapter 11 - 11

Produccin de hierro fundido

Fig.11.5, Callister & Rethwisch 9e.(Adapted from W. G. Moffatt, G. W.

Pearsall, and J. Wulff, The Structure and

Properties of Materials, Vol. I, Structure, p.

195. Copyright 1964 by John Wiley &

Sons, New York. Reprinted by permission of

John Wiley & Sons, Inc.)

Chapter 11 - 12

Limitaciones de aleaciones

ferrosas

1) Densidades relativamente altas

2) Conductividades elctricas relitavamente

bajas

3) Generalmente baja resistencia a la

corrosin

Chapter 11 - 13

Based on discussion and data provided in Section 11.3, Callister & Rethwisch 9e.

Aleaciones no ferrosas

Aleaciones no ferrosas

Aleaciones de aluminio-baja : 2.7 g/cm3

-adiciones de Cu, Mg, Si, Mn, Zn

-reforzados por soluciones slidas

o por precip. Partes para aeronaves

& empaques)

Aleaciones de magnesio-muy baja : 1.7g/cm3

-altamente reactivo -aeronaves, misiles

Metales refractarios-altas Ts de fusin -Nb, Mo, W, Ta Metales nobles

-Ag, Au, Pt -resist. A oxid./corr.

Aleaciones de titanio-baja densidad : 4.5 g/cm3

vs 7.9 de aceros

-reactivos a altas Ts-aplic. espaciales

Aleaciones de cobreLatn: Zn es impureza consid.(joyera, monedas, resistentes a la corrosin)Bronze : Sn, Al, Si, Ni son Impurezas considerables(bujes, trenes de aterrizaje)Cu-Be: Endurecidos por precip.Para resistencia

Chapter 11 - 14

Fabricacin de metales

Cmo fabricamos metales?

Herrero - martillo (forjado)

Fundicin de metal a un molde

Operaciones de formado

Materia prima trabajada a forma final

Trabajado en caliente vs. Trabajado en fro

Temperatura de deformacin suficientemente

alta para recristalizacin

Grandes deformaciones

Deformaciones debajo de temperaturas de

recristalizacin

Ocurre endurecimiento por deformacin

Pequeas deformaciones

Chapter 11 - 15

FORMADO

rodillo

Ao

Adrodillo

Rolado (en caliente o en fro)(Vigas I, carriles, planchas)

Ao Ad

fuerza

die

metal

fuerza

Forja (Martillado; Estampado)(herramientas, cigeales)

A menudo a

altas T

Adapted from

Fig. 11.9,

Callister &

Rethwisch 9e.

Mtodos de fabricacin de metales (i)

pistn palanq.

contenedor

contenedor

fuerzasujetador

dado

Ao

Adextrusin

Extrusin(barras, tuberas)

Metales dctiles, e.g. Cu, Al

(caliente)

fuerza de tensin

Ao

Addado

dado

Trefilado(barras, alambre, tuberas)

dado debe estar bien lubricado y limpio

FUNDICIN MISCELNEOS

Chapter 11 - 16

FORMADO FUNDICIN

Mtodos de fabricacin de metales (ii)

Fundicin- molde es llenado de metal fundido

metal fundido en horno, tal vez se aaden elementos aleantes, luego se funden dentro de un molde

comunes y baratos

da buena produccin de formas

productos mas dbiles, defectos internos

buena opcin para materiales frgiles

MISCELNEOS

Chapter 11 - 17

Fundicin en arena(partes grandes, p.e.,

blocks de motores de autos)

Mtodos de fabricacin de metales (iii)

Qu material resistir T >1600Cque es barato y fcilmente moldeable?

Respuesta: arena!!!

Para crear un molde, empacar arena alrededor de la pieza (modelo) con la forma deseada

arena arena

metal fundido

FORMADO FUNDICIN MISCELNEOS

Chapter 11 - 18

Etapa I Molde formado vertiendo yeso alrededor de modelo de cera.

Yeso se seca (endurece).

Etapa II Cera se derrite y luego se vierte fuera del molde molde hueco, cavidad se mantiene.

Etapa III Metal fundido se vierte al molde y solidifica.

Mtodos de fabricacin de metales (iv)

FORMADO FUNDICIN MISCELNEOS

Fundicin de cera perdida(bajo volumen, formas complejas

ej., joyera, labes de turbina)

wax I

II

III

Chapter 11 - 19

Mtodos de fabricacin de metales (v)

Colada contnua-- formas simples

(ej., bloques rectangulares,

cilindros)

fundido

solidificado

FORMADO FUNDICIN MISCELANEOS

Fndicin por dados-- grandes volmenes

-- para aleaciones con bajas temp.

de fusin

Chapter 11 - 20

MISCELNEOSFUNDICIN

Mtodos de fabricacin de metales (vi)

Metalurgia de polvos(metales c/bajas ductilidades)

presin

calor

punto de contact

a baja T

densificacin

por difusin a

T mas altas

rea de

contacto

densificacin

Welding(when fabrication of one large

part is impractical)

Zona afectada por el calor:(regin en la que la micro-

estructura ha sido cambiada).

Fig. 11.10, Callister

& Rethwisch 9e.[From Iron Castings

Handbook, C.F. Walton

and T.J. Opar (Ed.),

Iron Castings Society,

Des Plaines, IL,1981.]

pieza 1 pieza 2

metal base fundido

metal de relleno (fundido)metal base (fundido)

no afectadano afectada

zona afectada por el

calor

FORMADO

Chapter 11 - 21

Recocido: Calentar a Trecocido, luego enfriar lentamente.

Based on discussion in Section 11.7, Callister & Rethwisch 9e.

Procesamiento trmmico de metales

Tipos de

Tratamiento

Proceso de recocido:Negar efectos de trabajado en fro por (recuperacin/

recristalizacin)

Alivio de tensiones: Reducetensiones resultants de:

- Deformacin plstica - Enriamiento no uniforme - Transformaciones de fase

Normalizado(aceros): Deformaacero con granos grandes. Luego trat.trm. para permitir recristalizacin y formacin de granos mas pequeos.

Recocido (aceros): Produce aceros suaves paraBuen formado. Calentar para obtener , luego enfriar en hornopara obtener perlite gruesa.

Esferoidizacin (aceros): Produce aceros muy suaves para buen maquinado. Calor justo

debajo de Teutectoide & mantener

debajo de 15-25 h.

Chapter 11 - 22

a) Recocido

b) Temple

Caminos temperature-tiempo en

tratamientos trmicos

c)

c) Revenido

(Martensita

revenida)

P

B

A

A

a)b)

Fig. 10.25, Callister & Rethwisch 9e. [Adapted from H. Boyer (Editor), Atlas of

Isothermal Transformation and Cooling

Transformation Diagrams, 1977.

Reproduced by permission of ASM

International, Materials Park, OH.]

Chapter 11 - 23

Endurecimiento -- Aceros Endurecimiento mide la habilidad de formar martensita Ensayo Jominy: ensayo de temple que mide endurecimiento.

Grfico dureza vs. distancia de zona templada.

Fig. 11.12, Callister &

Rethwisch 9e. (Adapted from A.G. Guy,

Essentials of Materials Science,

McGraw-Hill Book Company,

New York, 1978.)

Fig. 11.13, Callister &

Rethwisch 9e.

agua a 24C

espcimen (calentado a

fase )

rea plana

ensayo de dureza

Rockwell C

Dure

za,

HR

C

Distancia desde zona templada

Chapter 11 - 24

La tasa de enfriamiento decrece con la distancia a la zona templada.

Fig. 11.14, Callister & Rethwisch 9e. [Adapted from H. Boyer (Ed.), Atlas of

Isothermal Transformation and Cooling

Transformation Diagrams, 1977. Reproduced

by permission of ASM International, Materials

Park, OH.]

Razn por la cul endurecimiento

cambia con la distancia

distancia de zona templada (plg.)Dure

za

, H

RC

20

40

60

0 1 2 3

600

400

200A M

0.1 1 10 100 1000

T(C)

M(inicio)

Tiempo (s)

0

0%

100%

M(fin)

Chapter 11 - 25

Endurecimiento vs composicin

Curvas de endurecimiento de 5 aleaciones, c/u con

C = 0.4 wt% C

"Aceros aleados"(4140, 4340, 5140, 8640)

-- contienen Ni, Cr, Mo

(0.2 to 2 wt%)

-- stos elementos cambian

la nariz a tiempos mayores(de A hasta B)

-- martensita es ms fcil de formar

Fig. 11.15, Callister & Rethwisch 9e. (Adapted from figure furnished courtesy

Republic Steel Corporation.)

Tasa de enfriamiento

(C/s)

Du

reza

, H

RC

20

40

60

100 20 30 40 50Distancia desde zona templada (mm)

210100 3

4140

8640

5140

50

80

100

%M4340

T(C)

10-1

10 103

1050

200

400

600

800

Tiempo (s)

M(inicio)

M(90%)

BA

TE

Chapter 11 - 26

Efecto del medio de enfriamiento:

Medio

aire

aceite

agua

Severidad de enfriamiento

baja

moderada

alta

Dureza

baja

moderada

alta

Effecto de geometra del espcimen:Cuando la tasa de rea-volmen aumenta:

-- tasa de enfriamiento hacia exterior aumenta

-- dureza hacia exterior incrementa

Posicin

centro

superficie

Tasa de

enfriamiento

baja

alta

Dureza

baja

alta

Influencia de medio de enfriamiento &

geometra de espcimen

Chapter 11 -

Partculas impiden movimiento de dislocaciones. Ej: Sistema Al-Cu Procedimieno:

27

0 10 20 30 40 50wt% Cu

L+L

+

+L

300

400

500

600

700

(Al)

T(C)

Rango de compositcindisponible para endur. por precipitacin

CuAl2

A

Fig. 11.25, Callister & Rethwisch 9e. (Adapted from J.L. Murray, International

Metals Review 30, p.5, 1985. Reprinted by

permission of ASM International.)

Endurecimiento por precipitacin

Adapted from Fig.

11.23, Callister &

Rethwisch 9e.

-- Pto B: temple a temp. amb.

(retiene solucin slida )-- Pto C: recalienta para nuclear

partculas pequeas en la fase .

Otras aleaciones que endurecen por precipitacin:

Cu-Be Cu-Sn Mg-Al

Temp.

Tiempo

-- Pto A: TT para solucin

(obtiene solucin slida )

Pto A (TT solucin)

B

Pto B

C

Pto C (precipitacin de )

Chapter 11 - 28

Aleacin de Al 2014:

Maxima en curvas RT. Aumentando T acelera el proceso.

Fig. 11.28, Callister & Rethwisch 9e. [Adapted from Metals Handbook: Properties and Selection: Nonferrous Alloys and Pure Metals, Vol. 2, 9th ed., H. Baker (Managing Ed.), 1979. Reproduced by permission of ASM International,

Materials Park, OH.]

Influencia de TT por precipitacin en la

RT, %EL

tiempo de TT para precipitacinresis

tencia

a tensi

n (

MP

a)

200

300

400

1001min 1h 1da 1m 1ao

204C149C

Mnima en curvas %EL

%E

L(2

en m

uestr

a)

10

20

30

01min 1h 1da 1m 1ao

204C 149C

tiempo de TT para precipitacin

Chapter 11 - 29

Aleaciones ferrosas: aceros y hierros fundidos Aleaciones no ferrosas:

-- Aleaciones de Cu, Al, Ti, y Mg; aleaciones refractarias; y

metales nobles.

Tcnicas de fabricacn de metales:-- formado, fundicin, miscelneos.

Endurecimiento de metales-- medicin de la habilidad de un acero a ser tratado

trmicamente

-- Aumenta con el contenido de elem. aleantes.

Endurecimiento por precipitacin--endurecimiento, debido a la formacin de partculas

precipitadas.

--Aleaciones de Al, Mg endurecidas por precipitacin.

Sumario