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Aleaciones metálicas - Monografía



 
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Industriales. Metales. Materiales. Acero. Propiedades. Difusión. Dislocaciones y mecanismos de endurecimiento. Propiedades



RESUMEN DE MATERIALES



- Resumen de las estructuras atómicas y enlaces:



En los sólidos cristalinos los átomos se colocan según un modelo ordenado y reiterativo, que contrasta con la distribución al azar y desordenada de los materiales amorfos y no cristalinos. Los átomos se representan como esferas rígidas y la estructura cristalina del sólido es la disposición espacial de estas esferas.
La mayoría de los materiales cristalizan en CC, CCC o HC. Dos características de la estructura cristalina son el número de coordinación (número de átomos vecinos más próximos) y el factor de empaquetamiento atómico, ya que ambas estructuras se generan por el apilamiento de planos compactos de átomos.
Los planos y las direcciones se especifican mediante los índices de Miller.
La determinación de los índices se fundamenta en un sistema de ejes coordenados definidos por la celdilla unidad para la estructura cristalina particular. Los índices de la dirección se calculan mediante la proyección del vector en cada uno de los ejes, mientras que los índices del plano se determinan a partir de los recíprocos de las intersecciones axiales. Para el HC es más conveniente un esquema de 4 índices para direcciones y planos. El empaquetamiento atómico de esferas en un plano cristalográfico dependen de los índices del plano y de la estructura cristalina. Para una estructura cristalina determinada, los planos que tienen idéntico empaquetamiento aunque tengan los índices de Miller distintos pertenecen a la misma familia.
Los monocristales son materiales en que la ordenación atómica se extiende ininterrumpidamente por toda la probeta. En algunas circunstancias pueden tener caras planas y formas geométricas regulares. La mayoría de los sólidos cristalinos, sin embargo, son policristalinos, compuestos de muchos diminutos cristales provistos de diferentes orientaciones cristalográficas.
La difracción de rayos X se utiliza para determinar la estructura cristalina y la distancia interplanar. Un haz de rayos X dirigido hacia un material puede experimentar difracción como resultado de la interacción de una serie de planos paralelos. La distancia interplanar es función de los índices de Miller y del parámetro o de los parámetros de red, así como de la estructura cristalina

- Imperfecciones en los sólidos:



Los diferentes tipos de imperfecciones se clasifican en función de su tamaño y forma. Las vacantes, los huecos intersticiales y los átomos de impurezas constituyen defectos puntuales, tanto si implican una o dos posiciones atómicas.
Se forma una disolución sólida cuando , al adicionar átomos a un sólido, se mantiene la estructura atómica original, y no se genera una nueva fase. En las disoluciones sólidas sustitucionales, los átomos de soluto sustituyen a los átomos del disolvente y solo se aprecia considerable solubilidad si ambos tipos de átomos tienen radios atómicos y electronegatividades similares y si ambos elementos tienen la misma estructura cristalina y la misma valencia. Las disoluciones sólidas intersticiales se producen con átomos de soluto relativamente pequeños, que ocupan posiciones intersticiales entre los átomos del disolvente. La distribución de una aleación se puede expresar en porcentaje en peso o porcentaje atómico. El calculo del porcentaje en peso se realiza indicando el peso de cada constituyente de la aleación relativo al peso total de la aleación. Los porcentaje atómicos se calculan en función del número de moles de todos los elementos de la aleación.
Las dislocaciones son defectos cristalinos unidireccionales y son de dos tipos (cuña y hélice). Una dislocación de cuña puede ser considerada como la distorsión reticular existente a lo largo del semiplano atómico extra; una helicoidal, por una rampa plana en espiral. Existen dislocaciones mixtas constituidas por ambas. La magnitud y la dirección de la distorsión de red asociada a una dislocación se expresan mediante el vector de burguer. En la dislocación de cuña la dirección de esta perpendicular al vector de burguer, mientras que en la de hélice es paralela. En el caso de que existan ambas a la vez, la dirección puede formar un ángulo cualquiera.
Otras imperfecciones son los defectos interfaciales (limites de grano, limites de macla…), los defectos de volumen (grietas y poros) y las vibraciones atómicas. Cada una de estas imperfecciones repercute en el material.
La mayoría de los defectos y de los elementos estructurales más importantes de los materiales son de dimensiones microscópicas. Los microscopios que se utilizan son ópticos y electrónicos, generalmente equipados con aparatos fotográficos. El microscopio electrónico puede ser de reflexión o de transmisión. La naturaleza de la muestra y del elementos estructural, así como del defecto a examinar determinan el tipo de microscopio a utilizar.
El tamaño de grano de los materiales policristalinos frecuentemente se determinan utilizando técnicas fotomicrográficas. Los dos procedimientos son el método de intersección y la comparación con cortes normalizados.

- Difusión:



La difusión en estado sólido significa el transporte de materia dentro del material sólido mediante el movimiento atómico por etapas. El término “autodifusión” se refiere al movimiento de los átomos del disolvente; para designar la difusión de los átomos de soluto de utiliza la palabra “interdifusión”. Existen dos mecanismos de difusión; por vacantes e intersticial. La difusión intersticial suelen ser más rápida. En el estado estacionario la difusión suele ser independiente del tiempo, y el flujo o velocidad es proporcional al valor negativo del gradiente de concentración de acuerdo con la primera ley de Fick. La segunda ley de Fick, una ecuación con derivadas parciales, es la expresión matemática del estado no estacionario. La solución para la condición límite de composición superficial constante implica la función de error gausiano.
La magnitud del coeficiente de difusión indica la velocidad del movimiento atómico y se incrementa exponencialmente al aumentar la temperatura.

- Propiedades de los metales:



En este apartado se han discutido varias propiedades mecánicas importantes de los materiales, predominantemente de metales. En primer lugar se han introducido los conceptos de tensión y deformación. La tensión es una medida de la carga o fuerza mecánica aplicada, normalizada para tomar en consideración el área de la sección. Se han definido dos parámetros de tensión distintos: la tensión nominal y la tensión real. La deformación es inducida por una tensión; en ingeniería se utiliza tanto la deformación nominal como la deformación real.
Algunas de las características mecánicas de los metales pueden ser determinadas a partir de ensayos tensión-deformación sencillos. Existen cuatro tipos distintos de ensayos: tracción, compresión, torsión y cizalladura.  Los de tracción son los más comunes. Cuando un material es estirado, primero se deforma de manera elástica, o sea, la deformación no es permanente, y la tensión y la deformación son proporcionales. La constante de proporcionalidad es el módulo de elasticidad cuando la carga es de tracción o de compresión, y es el módulo de cizalladura cuando la tensión es una cizalladura.
El fenómeno de fluencia ocurre al comienzo de la deformación plástica, o deformación permanente; el límite elástico se determina como la tensión para un 0,2% de deformación plástica a partir del comportamiento en la curva tensión-deformación, el cual nos indica la tensión a la cual empieza la deformación plástica. La resistencia a la tracción corresponde a la tensión máxima que puede soportar una probeta, mientras que el alargamiento porcentual y la reducción de área son medidas de ductilidad, la cantidad de deformación plástica que tiene lugar hasta la fractura. La resiliencia es la capacidad del material para absorber energía durante la deformación elástica; el módulo de resiliencia es el área debajo de la curva nominal tensión-deformación hasta el límite elástico. También, la tenacidad estática representa la energía absorbida durante la fractura de un material, y se toma como el área bajo la curva completa tensión-deformación. Los materiales dúctiles son normalmente más tenaces que los frágiles.
La dureza es una medida de la resistencia a la deformación plástica localizada. En muchas técnicas populares de dureza (Rockwell, Brinell, Knoop y Vickers) un pequeño penetrador se fuerza en la superficie del material, y un número o índice es determinado sobre la base del tamaño o profundidad de la huella resultante.
En mucho metales, la dureza y la resistencia a tracción son aproximadamente proporcionales uno a otro.
La propiedades mecánicas (así como otras propiedades) no son cantidades exactas, y existirá siempre alguna dispersión en los valores medidos. Las propiedades típicas del material se especifican usualmente en términos (promedios), mientras que la magnitud de la dispersión se representa mediante la desviación estándar.
Como resultado de la incertidumbre, tanto en las propiedades mecánicas medidas y en las tensiones aplicadas en servicio, usualmente se utilizan tensiones de trabajo o tensiones de seguridad para propósitos de diseño. En caso de los materiales dúctiles, las tensiones de trabajo son el cociente entre el límite elástico y el factor de seguridad.


- Dislocaciones y mecanismos de endurecimiento:



A un nivel microscópico, la deformación plástica corresponde al movimiento de dislocaciones en respuesta a una tensión de cizalladura aplicada, un proceso denominado “deslizamiento”. El deslizamiento ocurre sobre planos cristalográficos específicos y dentro de estos planos únicamente en determinadas direcciones. Un sistema de deslizamiento representa una combinación de un plano y una dirección de deslizamiento.  Los sistemas de deslizamiento operativos dependen de la estructura cristalina del material.
La tensión de cizalladura resuelta crítica es la tensión de cizalladura mínima que se requiere para iniciar el movimiento de dislocaciones; el límite elástico de un monocristal depende de la magnitud de la tensión de cizalladura resuelta crítica y de la orientación del sistema de deslizamiento con respecto a la tensión aplicada.  En el caso de materiales policristalinos, el deslizamiento ocurre dentro de cada grano a lo largo de los sistemas de deslizamiento que están mejor orientados con respecto a la tensión aplicada; Además, durante la deformación, la forma de los granos cambia de tal manera que la cohesión en los límites de grano se mantenga.
En ciertas circunstancias, en los metales HC y CCC puede ocurrir una deformación plástica limitada por maclado mecánico. Normalmente, el maclado es importante ya que las reorientaciones cristalográficas asociadas hacen que el proceso de deslizamiento sea más fácil.
Puesto que la facilidad con que un material es capaz de deformarse plásticamente es una función de la movilidad de las dislocaciones, la restricción de la movilidad de éstas aumenta la dureza y la resistencia.
Sobre la base de este principio, se han discutido tres mecanismos de refuerzo. Los límites de grano actúan como barreras al movimiento de las dislocaciones; así, refinando el tamaño del grano de un material policristalino, éste se convierte en un material más duro y resistente. El refuerzo por solución sólida proviene de las interacciones por deformaciones de la red entre átomos de impureza y dislocaciones. Finalmente, a medida que un material es deformado plásticamente, la densidad de dislocaciones aumenta, así como la extensión de las interacciones repulsivas entre los campos de deformación de las dislocaciones; el refuerzo (endurecimiento) por deformación es el aumento de la resistencia por deformación plástica. Las características microestructurales y mecánicas de una probeta deformada plásticamente pueden ser restauradas a los valores previos del estado no deformado mediante un tratamiento térmico apropiado, durante el cual se permite que ocurran los procesos de restauración, recristalización y crecimiento del grano. Durante la restauración existe una reducción en la densidad de dislocaciones y alteraciones en las configuraciones de las misma. La recristalización es la formación de un nuevo conjunto de granos libres de deformación; además, el material se hace más blando y más dúctil.
El crecimiento del grano es el aumento del tamaño medio de grano de los materiales policristalinos, el cual ocurre debido al movimiento de los límites del grano.

- Rotura:



La fractura es una forma de rotura que ocurre para cargas estáticas aplicadas y a temperaturas relativamente bajas. Las fracturas pueden ser dúctiles o frágiles; ambos tipos de fractura implican la formación y propagación de grietas. En el caso de la fractura dúctil, existe evidencia de amplia deformación plástica en la superficie de fractura. A tracción, los metales muy dúctiles forman una estricción hasta formar un punto en el momento de la fractura; cuando la ductilidad es moderada se forman superficies de fractura copa-cono que encajan una en la otra. Microscópicamente, se producen hoyuelos (esféricos y parabólicos). Las grietas en los materiales dúctiles se dice que son estables (o sea, resisten la extensión si no se aumenta la tensión);
Puesto que la fractura no es catastrófica, este tipo de fractura siempre es preferible.
En materiales frágiles, las grietas son inestables, y la superficie de fractura es relativamente plana y perpendicular a la dirección de la carga aplicada. Se pueden encontrar marcas en forma de V invertida y surcos, los cuales indican la dirección de propagación de la grieta. Las fracturas en los materiales frágiles policristalinos pueden ser transgranulares (a través de los granos) e intergranulares (entre granos).
El estudio de la mecánica de la fractura proporciona un mejor conocimiento del proceso de fractura y permite diseñar estructuras con una probabilidad de fallo mínima.  La discrepancia entre la resistencia a la fractura experimental y la teórica de los materiales frágiles se explica por la existencia de pequeños defectos que son capaces de amplificar una tensión aplicada en su vecindad, resultando la formación de una grieta. La concentración de la tensión es mayor en grietas largas con un radio de curvatura pequeño en su punta. La fractura tiene lugar cuando se excede la resistencia teórica en la punta de una de estas grietas. La consideración de la energía elástica y de la energía de formación de las superficies condujo a Griffith a desarrollar una expresión para la tensión crítica para la propagación de la grieta en materiales frágiles; este parámetro es una función del módulo de elasticidad, la energía superficial específica y la longitud de la grieta.
Las distribuciones de la tensión en frente de una grieta que avanza puede expresarse en términos de la posición (en términos de coordenadas radiales y angulares) así como del factor de intensidad de tensiones. El valor crítico del factor de intensidad de tensiones (o sea, aquel para el cual ocurre la fractura) se denomina tenacidad de fractura, la cual está relacionada con el nivel de la tensión, la longitud de la grieta y con un factor geométrico. La tenacidad de fractura de un material es una indicación de su resistencia a la fractura frágil cuando existe una grieta. Este parámetro depende del espesor de la probeta, y, para probetas relativamente gruesas (o sea, condiciones de deformación plana), se denomina tenacidad de fractura en deformación plana. La tenacidad de la fractura es el parámetro que se menciona normalmente para propósitos de diseño; su valor es relativamente grande para materiales dúctiles (y pequeño para frágiles), y es una función de la microestructura, velocidad de deformación y de la temperatura. Con respecto al diseño para evitar la posibilidad de fractura, debe considerarse el material (la tenacidad de fractura), el nivel de tensiones y el límite de detección de los defectos.
Cualitativamente, el comportamiento de los materiales a la fractura puede ser determinado utilizando las técnicas de ensayo de impacto de Charpy y de Izod; la energía absorbida en el impacto (tenacidad a la entalla) se mide para probetas en las cuales se ha mecanizado una entalla en forma de V. En base a la dependencia de la temperatura de la energía de impacto (o aspecto de la superficie de fracturas) es posible determinar si el material experimentará la transición dúctil-frágil y el intervalo de temperaturas en el cual ocurrirá.  Las aleaciones metálicas con estructuras cristalinas CCC y HC experimentan esta transición, y, para aplicaciones estructurales, deben ser utilizados a temperaturas superiores a este intervalo de temperaturas.
La fatiga es un tipo de fractura que conduce a la rotura catastrófica cuando se aplican cargas fluctuantes con el tiempo.  Los resultados se presentan en un diagrama de tensión frente al logaritmo del número de ciclos a la rotura.
Para muchos materiales, el número de ciclos a la rotura aumenta al disminuir la tensión aplicada. La resistencia a la fatiga representa la tensión de rotura para un determinado número de ciclos. En algunos aceros y aleaciones de titanio, la tensión cesa de disminuir con el número de ciclos y alcanza un nivel constante independiente del número de ciclos; el límite de fatiga es la magnitud de este nivel constante de la tensión, por debajo del cual no ocurre fatiga aun cuando se imponga un número infinito de ciclos. Otra propiedad de fatiga es la vida a fatiga, la cual, para una tensión específica, es el número de ciclos hasta la rotura.
Como resultado de la importante dispersión de los resultados de fatiga, se realizan análisis estadísticos que conducen a la especificación de la vida a fatiga y del límite de fatiga en términos de probabilidades.
Los procesos de iniciación y propagación de las grietas también fueron estudiados. Las grietas normalmente se nuclean en la superficie de un componente en algún punto de concentración de tensiones. La propagación ocurre en dos etapas, las cuales están caracterizadas por la dirección de la propagación y su velocidad. El mecanismo de la etapa 11 corresponde a un proceso repetitivo de enromamiento y agudización en la punta de la grieta.
Dos detalles característicos de las superficies de fractura son las marcas de playa y las estrías.  Las marcas de playa se forman en componentes que experimentan interrupciones de la tensión aplicada; normalmente pueden ser observadas a simple vista. Las estrías de fatiga son de dimensiones macroscópicas, y cada una de ellas representa la distancia que avanza la grieta en un ciclo de carga.
Una expresión analítica para la velocidad de propagación fue propuesta en términos del intervalo del factor de intensidad de tensiones en la punta de la grieta. La integración de esta expresión proporciona una ecuación por medio de la cual se puede estimar la vida a fatiga.
Las medidas que pueden tomarse para extender la vida a fatiga son: (1) reducir la tensión media, (2) eliminar las discontinuidades superficiales agudas, (3) mejorar el acabado superficial mediante pulido, (4) imponer tensiones residuales de compresión por granallado y (5) endurecimiento superficial utilizando un proceso de nitruración, por cementación.
El comportamiento a fatiga de los materiales puede ser afectado por el medio. Las tensiones térmicas pueden inducirse en componentes que son expuestos a fluctuaciones térmicas a temperaturas elevadas y cuando la dilatación/contracción térmica está impedida; la fatiga en estas condiciones se denomina fatiga térmica. La presencia de un medio químicamente activo puede conducir a una reducción en la vida a fatiga por fatiga con corrosión; se forman picaduras que pueden nuclear la grieta sobre la superficie del componente como resultado de reacciones químicas.
La deformación plástica dependiente del tiempo de los materiales sometidos a una carga constante y a temperaturas mayores que aproximadamente 0,4T. se denomina fluencia en caliente. Una curva típica de fluencia (deformación frente a tiempo) normalmente presenta tres regiones.  Para la fluencia transitoria (o primaria), la velocidad (pendiente) disminuye con el tiempo.
La gráfica se hace lineal (o sea, velocidad de deformación constante) en la región estacionaria (o bien secundaria).  Finalmente, la deformación se acelera en la fluencia terciaria, justo antes del fallo (o ruptura) del material. Los parámetros importantes de diseño que pueden extraerse de esta curva son la velocidad de fluencia estacionaria (pendiente de la región lineal) y el tiempo a la ruptura.
Tanto la temperatura como el nivel de tensiones influyen en el comportamiento a la fluencia en caliente. El aumento de cualesquiera de estos parámetros produce los efectos siguientes: (1) aumento de la deformación instantánea inicial, (2) aumento de la velocidad de fluencia estacionaria, y (3) disminución del tiempo a la ruptura. Se han presentado expresiones analíticas que relacionan a la tensión y a la temperatura. Los mecanismos de fluencia en caliente pueden ser estudiados sobre la base del valor del exponente de la tensión en la velocidad de fluencia estacionaria y los valores de la energía de activación para la fluencia.
La extrapolación de los resultados de los ensayos de fluencia a temperaturas más bajas y tiempos más largos es posible utilizando el parámetro de Larson-Miller.
Las aleaciones metálicas que son especialmente resistentes a la fluencia en caliente tienen módulos de elasticidad y temperaturas de fusión elevados.  Dentro de este tipo de aleaciones se encuentran las superaleaciones, los aceros inoxidables, y los metales refractarios. Varias técnicas de procesado se emplean para aumentar las propiedades de estos materiales.

- Diagrama de fases:



Los diagramas de fases constituyen un conveniente y conciso medio para representar las fases más estables de una aleación. En esta discusión se consideran los diagramas de fases binarios en los cuales la temperatura y la composición son variables. 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 a una 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.
En este capítulo se han discutido distintos tipos de diagramas de fases para sistemas metálicos. 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 al 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 líquida por subenfriamiento se transforma isotérmicamente en dos fases sólidas diferentes. Los diagramas de fases cobre-plata y plomo-estaño presentan reacciones de este tipo. No existe completa solubilidad en estado sólido en todas las composiciones; sino que las disoluciones sólidas son terminales: sólo existe solubilidad limitada de un componente en otro. Se discuten cuatro diferentes tipos de microestructuras desarrolladas por enfriamientos en equilibrio de aleaciones 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-zinc y magnesio-plomo.
Se ha introducido la regla de fases de Gibbs; una ecuación que relaciona las fases presentes en un sistema en equilibrio con el número de variables no composicionales.
Se ha prestado especial atención al sistema hierro-carbono y de modo específico al 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 CCC de 0,77% C se transforma isotérmicamente en fase ferrita a CC (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.


- Transformaciones de fase en los metales:



Los temas de este capitulo han sido las transformaciones de fases en metales (modificación de la estructura de las fases o microestructura) y cómo estas transformaciones afectan a las propiedades mecánicas. Algunas transformaciones implican fenómenos de difusión y su evolución depende del tiempo. Para estas transformaciones se han recordado algunos conceptos cinéticos fundamentales: relación entre grado de reacción y tiempo, noción de velocidad de reacción y la dependencia de la velocidad con la temperatura.
La utilidad de los diagramas de fases radica en las transformaciones en las aleaciones multifase, porque no dan información acerca de las velocidades.
El parámetro tiempo se incorpora en los díagramas de transformación isotérmicas y de enfriamiento continuo; el progreso de la transformación como una función de la temperatura y del tiempo transcurrido para una aleación a temperatura constante y en enfriamiento continuo, respectivamente. Se han presentado diagramas de ambos tipos para el acero al carbono y se ha discutido su utilidad para predecir microestructuras.
En los aceros aparecen varios microconstituyentes, cuya formación depende de la composición y del tratamiento térmico.  Los principales constituyentes son perlita gruesa y fina, y bainita, compuestos de fase ferrita y cementita y resultado de la descomposición de la austenita por un proceso de difusión.
Si una muestra de acero con cualquier constituyente se calienta hasta temperatura justo por debajo de la eutectoide se genera una microestructura a base de esferoidita, compuesta de fases ferrita y cementita. Se comparan las características mecánicas de los aceros perlítico, bainftico y esferoidftico y también se explica en función de su microestructura.
Si el acero se calienta hasta la región austenítica y se enfría muy rápidamente se obtiene martensita. Se trata de una estructura monofásica y metaestable que se produce en los aceros por la transformación sin difusión y casi instantánea de la austenita. La evolución de esta transformación depende más de la temperatura que del tiempo, se representa mediante diagramas de transformación isotérmicos y de enfriamiento continuo. Además, las adiciones de elementos de aleación retardan las velocidades de formación de la perlita y de la bainita y, de este modo, facilitan la transformación martensitica. Mecánicamente, la martensita es extremadamente dura; sin embargo, su aplicación está limitada por su fragilidad. El revenido incrementa la ductilidad a expensas de la resistencia y de la dureza.
Durante el revenido, la martensita se transforma en martensita revenida, que consta de las fases ferrita y cementita en equilibrio. Algunos aceros se fragilizan como consecuencia de contener aleantes específicos e impurezas y de experimentar un calentamiento dentro de un tramo definido de temperaturas.

- Tratamientos térmicos de aleaciones metálicas:


En este capítulo se han discutido tratamientos térmicos utilizados para modificar las propiedades mecánicas de las aleaciones metálicas. El recocido consiste en la exposición a elevada temperatura durante un prolongado período de tiempo, seguido de un enfriamiento hasta temperatura ambiente a velocidad relativamente lenta; se han tratado varios tipos de recocido.
Durante el recocido, la pieza con acritud se ablanda y ductiliza como consecuencia de la recristalización. Las tensiones residuales internas se eliminan durante el recocido de eliminación de tensiones.  En las aleaciones férreas, el normalizado se utiliza para afinar el tamaño del grano. Las características de la conformación metálica se modifican por los tratamientos de recocido total y de esferoidización, que producen microestructuras consistentes en perlita gruesa y esferoidita, respectivamente.
En los aceros de alta resistencia, la mejor combinación de propiedades mecánicas se consigue desarrollando una microestructura predominantemente martensítica en su sección y reveniendo esta martensita durante el calentamiento a cierta temperatura.  La templabilidad es un parámetro utilizado para averiguar la influencia de la composición en la susceptibilidad a la formación de mieroestructura predominantemente martensítica en el temple. La templabilidad se determina mediante el ensayo estándar Jominy que permite trazar las curvas de templabilidad. El medio de temple más utilizado es el agua, seguido del aceite y el aire.
La relación entre velocidad de enfriamiento y tamaño y geometría de la muestra (expresada mediante gráficas empíricas) son otros factores que influyen en la formación de martensita. Estas gráficas y los datos de templabilidad permiten dibujar los perfiles de dureza a través de la sección.
Algunas aleaciones son capaces de endurecerse por precipitación, esto es, aumentan su resistencia por formación de una segunda fase, o precipitado, de partículas muy pequeñas. El control del tamaño de partícula y, consiguientemente, la resistencia se consigue mediante dos tratamientos térmicos.  El tratamiento de precipitación a temperatura constante incrementa la resistencia con el tiempo hasta un máximo y decrece durante el sobreenvejecimiento. Este proceso se acelera al aumentar la temperatura. El fenómeno del aumento de resistencia se explica en términos de la dificultad de movimiento de las dislocaciones por deformación de la red, que tienen lugar en la proximidad de las microscópicamente pequeñas partículas precipitado.


- Aleaciones metálicas:



Las operaciones de hechurado conforman una pieza metálica por deformación plástica.  Si la deformación se realiza a temperaturas superiores a la temperatura de recristalización, se denomina deformación en caliente; de lo contrario, deformación en frío. La forja, la laminación, la extrusión y el trefilado son las cuatro técnicas de hechurado más comunes. Según las propiedades y la forma de la pieza acabada, el moldeo puede ser el proceso de fabricación más económico y recomendable; se tratan los procedimientos de moldeo en arena, en coquilla y a la cera perdida. La pulverización y la soldadura constituyen procedimientos de conformación que se pueden utilizar solos o en combinación con otros.
Desde el punto de vista de la composición, los metales y aleaciones se clasifican en férreos y no férreos. El hierro es el principal componente de las aleaciones férreas. La mayoría de los aceros contienen menos del 1,0% C y otros elementos de aleación. La fundición contiene mayor porcentaje de carbono, entre 3,0 y 4,5% C y otros elementos de aleación, principalmente silicio. En la mayoría de las fundiciones el carbono tiende a aparecer en forma de grafito en lugar de cementita. Los tres principales tipos de fundiciones son la gris laminar, la dúctil (esferoidal) y la maleable; estas dos últimas son dúctiles.
Todas las otras aleaciones se incluyen dentro de la categoría de no férreas, que se subdivide por el componente principal o por alguna característica diferencial del grupo. Se han discutido las composiciones, las propiedades y las aplicaciones de las aleaciones de cobre, de aluminio, de magnesio, de titanio, de níquel, de plomo, de estaño y de zinc, metales refractarios, las superaleaciones y los metales nobles.


- Estructura y propiedades de las cerámica:



Las cerámicas pueden existir tanto en estado cristalino como en estado no cristalino. Puesto que estos materiales están compuestos de cationes y aniones cargados eléctricamente, la estructura cristalina está determinada por la magnitud de la carga y el radio de cada clase de iones.  Algunas de las estructuras cristalinas más simples se describen en términos de celdillas unidad (cloruro sódico, cloruro de cesio, blenda, diamante cúbico, grafito, fluorita, perovskita y estructura de la espinela).
En el caso de los silicatos, la estructura esta representada de forma más conveniente mediante tetraedros de Si04 conectados entre sí. Se forman estructuras relativamente complejas cuando se añaden otros cationes (por ejemplo, Ca2+, Mg2+ ,Al3+ ) y aniones (por ejemplo, OH- ). Las estructuras del sílice (SiO2 ), sílice vítrea y varios de los silicatos laminares han sido consideradas.
El diamante es una piedra preciosa, y debido a su dureza es utilizado para cortar y desbastar materiales más blandos. Además, ahora también puede producirse en forma de películas delgadas. La estructura laminar del grafito da lugar a excelentes propiedades lubricantes y una alta conductividad eléctrica. El grafito también es conocido por su alta resistencia y estabilidad química a temperaturas elevadas y en atmósferas no oxidantes.
Los recientemente descubiertos fullerenos existen como moléculas esféricas huecas compuestas por 60 átomos. En el estado cristalino, estas moléculas C60 se empaquetan en una red cúbica CCC. El material puro es aislante eléctrico, mientras que mediante la adición de determinadas impurezas se puede inducir el comportamiento metálico, semiconductor y superconductor.
Con respecto a los defectos puntuales atómicos, se pueden encontrar tanto aniones y cationes intersticiales como vacantes aniónicas y canónicas. A menudo estos defectos ocurren en pares, tal como los pares de defectos de Frenkel y de Schottky para asegurar que se mantiene la neutralidad de la carga.  La adición de átomos de impurezas puede resultar en la formación de disoluciones sólidas sustitucionales o intersticiales.  Cualquier desequilibrio en la carga creado por los iones de impurezas debe ser compensado por la generación de vacantes del ion disolvente o de iones intersticiales.
Los diagramas de fases de los sistemas A1203-Cr2O3, MgO-AI203, ZrO2-Ca0 y SiO2-AI203 son especialmente útiles para evaluar el rendimiento de los materiales cerámicas a temperaturas elevadas.
A temperatura ambiente, virtualmente todas las cerámicas son frágiles. La presencia de microfisuras, las cuales son muy difíciles de detectar, produce una amplificación de los esfuerzos de tracción aplicados y explica las bajas resistencias a la fractura (módulos de rotura) de estos materiales. Esta amplificación no ocurre con cargas de compresión y, en consecuencia, las cerámicas son más resistentes a compresión. Las resistencias a la tracción representativas de las cerámicas se determinan realizando ensayos deflexión hasta la fractura.
Cualquier deformación plástica de las cerámicas cristalinas es el resultado del movimiento de las dislocaciones; la fragilidad de estos materiales se explica parcialmente por el número limitado de sistemas de deslizamiento que pueden operar. El modo de deformación plástica de las cerámicas no cristalinas es el flujo viscoso; la resistencia del material a la deformación se expresa como viscosidad. A temperatura ambiente la viscosidad de muchas cerámicas no cristalinas es extremadamente alta.
Muchas piezas cerámicas contienen una porosidad sustancial, lo cual es perjudicial tanto para el módulo de elasticidad como para la resistencia a la fractura. Además de su fragilidad intrínseca, las cerámicas destacan por su dureza. También, puesto que estos materiales son a menudo utilizados a temperaturas elevadas y bajo cargas aplicadas, sus características de fluencia en caliente son destacables.


- Aplicaciones y conformado de las cerámicas:



Puesto que los vidrios son conformados a temperaturas elevadas, el comportamiento temperatura-viscosidad es una consideración importante. Los puntos de fusión, trabajo, ablandamiento, recocido y deformación representan temperaturas que corresponden a determinados valores de la viscosidad. El conocimiento de estos puntos es importante en la fabricación y conformado de un vidrio con una determinada composición. Existes cuatro técnicas comunes de conformación de vidrios: prensado, soplado, estirado y formación de fibras. Después de la fabricación, los vidrios pueden ser recocidos y/o templados para mejorar las características mecánicas. Las vitrocerámicas son fabricadas inicialmente como un vidrio y luego cristalizadas o bien desvitrificadas.
La arcilla es el principal componente de las porcelanas y de los productos estructurales de arcilla. Se pueden añadir otros ingredientes, tales como feldespato y cuarzo), lo cuales influyen en los cambios que ocurren durante la cocción. Dos técnicas de fabricación utilizadas frecuentemente son la conformación hidroplástica y el moldeo en barbotina. Después de conformado el cuerpo debe ser primero secado y después mantenido a elevada temperatura para reducir la porosidad y aumentar la resistencia. El encogimiento excesivo o demasiado rápido puede provocar agrietamiento y/o distorsión y por tanto una pieza sin valor. La densificación durante el cocido se realiza mediante vitrificación, es decir, la formación de una fase vítrea ligante. Los materiales que son utilizados a temperaturas elevadas y a menudo en medios reactivos son las cerámicas refractarias; a veces, también se utiliza su capacidad para aislar térmicamente. Sobre la base de la composición y aplicaciones, las principales cuatro subdivisiones son: arcillas refractarias, ácidos, básicos y especiales.
Las cerámicas abrasivas, al ser duras y tenaces, se utilizan para cortar, desbastar y pulir otros materiales más blandos. Algunos de los ejemplos más comunes de estos materiales son el diamante, carburo de silicio, carburo de tugnsteno, corindón y arena de silice. Los abrasivos pueden ser empleados en forma de granos independientes, adheridos a una muela abrasiva o bien depositados sobre un papel o un tejido.
Algunas piezas de cerámica se forman por compactación del polvo; las posibles técnicas son las de prensado uniaxial, isostático y prensado en caliente.
Al mezclarse con agua, los cementos inorgánicos forman una pasta que es capaz de tomar la forma deseada. El fraguado o endurecimiento subsiguiente es un resultado de reacciones químicas en las cuales están involucradas las partículas de cemento a temperatura ambiente. En el caso de cementos hidráulicos, de los cuales el cemento portland es el más común, la reacción química es una hidratación.
Muchas de las modernas tecnologías utilizan y continuarán utilizando cerámicas avanzadas debido a sus únicas propiedades mecánicas, eléctricas, magnéticas y ópticas, así como a las combinaciones de estas propiedades. La caracterización, conformado y la fiabilidad son técnicas que deben desarrollarse para hacer estos materiales más competitivos.

EL TRATAMIENTO TÉRMICO DEL ACERO



- Introducción:



El tratamiento térmico del acero es el proceso en que el acero, en estado sólido, es sometido a uno o varios ciclos de calentamiento y enfriamiento para variar alguna o algunas de sus propiedades en la forma deseada. Los tratamientos térmicos más importantes suponen la transformación o descomposición de la austenita. El primer paso consiste en el tratamiento térmico de un acero consiste en conseguir su austenización, calentándolo por a temperatura igual o superior a la crítica. En la mayoría de los casos la importancia de la velocidad de calentamiento del acero no es tan importante como los demás factores que intervienen, exceptuando los materiales que han sido previamente deformados en frío, ya que aparecen una serie de tensiones internas, y pueden deformarse.
Como regla general podemos decir que mientras más lento sea el calentamiento del material menor será el daño sufrido por este.


- Recocido de regeneración:


Consiste en el calentamiento de un acero hasta una temperatura adecuada, seguido de un enfriamiento lento a través de una zona de transformación, el cual, de ser posible debe efectuarse en un horno, o en el interior de un recinto aislado térmicamente. El enfriamiento se continua hasta la temperatura ambiente. Los fines que se persiguen con el recocido son varios, y así unas veces se busca afinar el grano, otras ablandar el acero, a veces mejorar las propiedades eléctricas y magnéticas, y en algunos casos aumentar la maquinabilidad. Como el enfriamiento de la masa del horno se realiza simultáneamente con el del material, el recocido supone un proceso de enfriamiento muy lento y, por tanto es el que más se asemeja en su desarrollo a las condiciones requeridas por el diagrama Fe-C. En los aceros hipoeutectoides la temperatura correcta de recocido es unos 27 grados por encima de la temperatura crítica superior A3,  y la microestructura estará formada por ferrita proeutectoide y perlita laminar grosera. En los aceros hipereutectoides, la temperatura de calentamiento también es de unos 27 grados por encima de la temperatura crítica, dando lugar a la aparición de granos austeníticos groseros, los cuales en el enfriamiento se transforman en colonias perlíticas de gran tamaño. La microestructura de un acero hipereutectoide recocido estará compuesta por lo tanto de colonias de perlita laminar grosera, rodeadas por una red de cementita proeutectóide.
Como esta red de cementita en exceso es frágil y constituye los planos de una posible rotura, el recocido nunca debe constituir el tratamiento térmico final de este tipo de aceros. Al mismo tiempo, unos contornos de granos duros y de algún espesor dan lugar a unas condiciones de maquinabilidad malas.
Cuanto mayor sea el porcentaje de carbono que tenga un acero hiperecutectoide, mayor concentración de cementita, que al ser un compuesto frágil disminuye la resistencia a la tracción.

- Globulización:



Para mejorar la poca maquinabilidad del acero hipereutectoide se le somete a un tratamiento conocido como recocido globular, mediante el cual el carburo adopta una forma esférica o globular.


Los métodos utilizados son:



- permanencia prolongada a una temperatura inmediatamente por debajo de la crítica inferior.
- empleo de un ciclo oscilante de calentamientos y enfriamientos por encima y por debajo de la línea crítica inferior
Mediante este tratamiento se consigue que el carburo de hierro adopte la forma de partículas redondas en vez de laminas como en la perlita. Esta estructura proporciona no solo una buena maquinabilidad, sino también una ductilidad elevada.
El recocido de globulización se aplica también algunas veces a aceros hipoeutectoides cuya aplicación requieren el máximo de ductilidad.

- Recocido de alivio de tensiones:


También conocido como recocido subcrítico, tiene por objeto la eliminación de las tensiones internas que aparecen en el material después de haber sufrido una mecanización o cualquier otro proceso de  deformación en frío.
Normalmente se realiza a temperaturas bajas para prevenir los efectos de la deformación por enfriamiento y para no afectar a otros tratamientos térmicos. Esta temperatura esta por debajo de la línea crítica inferior

- Normalizado:



Este tratamiento consiste en un calentamiento a temperaturas aproximadamente 55 grados por encima de la temperatura crítica superiores seguido de un enfriamiento en aire tranquilo a temperatura ambiente. Por medio del normalizado se consigue en el acero una mayor dureza y resistencia que en el recocido de regeneración, se afina el tamaño del grano, se homogeniza la estructura y se mejora la maquinabilidad, particularmente en los aceros bajos en carbono. La mayor velocidad de enfriamiento que se consigue en el normalizado, en relación con la obtenida en el horno, influye en varios modos en la transformación de la austenita y en la microestructura que se consigue. La austenita se transforma a temperaturas mas bajas que en el recocido, lo que origina una estructura perlítica más fina. Además como el enfriamiento es más rápido, el constituyente proeutectoide tiene menos tiempo para formarse y, por consiguiente, en los aceros hipoeutectoides normalizados habrá menos cantidad de ferrita proeutectoide que en los recocidos, y en los aceros hipereutectoides la cantidad de cementita en estado de normalizado será menor en el estado de recocido.
En las condiciones fuera de equilibrio el punto del eutectico se desplaza hacia zonas de menos contenido de carbono en los aceros hipoeutectoides, y hacia zonas de mayor concentración de carbono en los aceros hipereutecticos. Todo ello da lugar a que en el normalizado se obtenga una estructura perlítica más fina y abundante que la formada en el recocido y, como consecuencia, a una mayor dureza y resistencia en los aceros.

- Temple:



Cuando el enfriamiento se realiza a temperaturas bajas o moderadas, los átomos de carbono pueden salir, por difusión, de la estructura de la austenita, reagrupándose los átomos de hierro en la estructura de CC. Esta transformación de ferrita gamma en ferrita alfa se realiza por un proceso de nucleación y crecimiento en función del tiempo. Si la velocidad de enfriamiento aumenta, el carbono no tiene suficiente tiempo para emigrar, por difusión, de la solución, y aunque los átomos de hierro se desplazan ligeramente, no pueden llegar a alcanzar la estructura de CC,  porque parte del carbono queda retenido en la solución. La estructura resultante, denominada martensita, es una solución sólida sobresaturada de carbono retenido en una estructura tetragonal de CC. Por consiguiente la celdilla unidad, queda con dos lados iguales y un tercero mayor debido al carbono retenido. Esta distorsión es la causa de la elevada dureza de la martensita.
Como la celdilla de esta es menos compacta que la de la austenita, esta transformación lleva consigo un aumento de volumen, el cual crea una serie de tensiones internas localizadas que dan lugar a la deformación plástica de la matriz. Después de un enfriamiento brusco (temple), la martensita observada aparece en forma de agujas blancas o estructura acicular, que a veces se describe como un “montón de paja”. En la mayor parte de los aceros la martensita aparece de forma difusa, mientras que en las aleaciones altas de carbono la estructura acicular de la martensita esta definida con mayor claridad. Entre las características de este proceso destacan:
- En esta transformación no se presenta el fenómeno de la difusión, realizándose sin variación en la composición química. La transformación consiste en el cambio brusco de la estructura cristalina de pequeñas cantidades de austenita, provocado por dos acciones de cizallamiento.
- La transformación se realiza solamente mientras dura el enfriamiento, cesando al interrumpirse éste. Por tanto, la transformación depende solamente de la temperatura, siendo independiente del tiempo. Además la cantidad de martensita que se forma no guarda una relación lineal con el descenso de temperatura. Así, al principio el numero de agujas es pequeño, después aumenta, para luego disminuir acabando la transformación.
- La temperatura martensita de una aleación determinada no se interrumpe, ni la temperatura de comienzo de la transformación se modifica, al variar la velocidad de enfriamiento. Esta temperatura parece ser solo función de la composición química.
- La martensita no esta probablemente nunca en equilibrio, aunque su estructura se conserve indefinidamente a la temperatura ambiente, o a temperaturas muy próximas a esta. Se puede considerar como una estructura de transición entre la fase austenita metaestable y la ferrita que aparece en el equilibrio final.
- Aunque la martensita tiene más dureza que la austenita de la que procede, las durezas elevadas solo se consiguen en los aceros con un contenido en carbono suficiente, siendo la dureza máxima que se obtiene en un acero en estado martensítico función solamente del contenido en carbono. Antes se pensaba que la transformación martensita era exclusivamente de los aceros.
Posteriormente se demostro que también puede aparecer en aleaciones no ferreas y tambien en metales puros y compuestos químicos.

Con el temple lo que se pretende es conseguir una estructura totalmente martensitica, y se realiza a la velocidad mínima de enfriamiento que impida la formación de productos de transformación más blandos. Esta velocidad se denomina velocidad crítica de temple, constituye una propiedad importante del acero, puesto que indica la rapidez con que debe enfriarse para que se forme solo martensita. Esta velocidad es función de la composición química del acero y del tamaño de grano austenítico.

- Homogeneidad de la austenita (control de la formación de la martensita): En el temple, los granos de austenita más pobres en carbono, como tienen una velocidad crítica elevada, tenderán a transformarse en estructuras no martensíticas, mientras que los de mayor contenido en carbono, al poseer una velocidad crítica de temple pequeña, se transformarán en martensita. Esto da lugar a que la estructura formada no sea uniforme y posea una dureza variable. Este inconveniente puede evitarse calentando el material muy lentamente, con lo cual el carbono se difunde obteniéndose en el temple una microestructura uniforme. No obstante, la excesiva duración de este proceso hace que industrialmente no sea aplicable. Resulta más adecuado mantener el material durante un cierto tiempo a la temperatura de austenización, ya que a esta temperatura el carbono se difunde más rápidamente, y la uniformidad se logra al cabo de un breve periodo de tiempo

Revenido:


Los aceros, después del temple, suelen quedar demasiado frágiles para la mayoría de los usos que se le van a ser destinados. Por otra parte, la formación de la martensita da lugar a considerables tensiones en el acero.
Por ello, las piezas, después del temple, se someten casi siempre a un revenido, que es un tratamiento que se consiste  en calentar el acero a una temperatura más baja de la crítica inferior. El objeto del revenido es, pues, eliminar las tensiones internas y aumentar la tenacidad y ductilidad del acero, aunque este aumento de la ductilidad se logre normalmente a costa de una disminución de la dureza y de la resistencia.
La martensita, esta constituida por una solución sobresaturada de carbono y presenta una estructura tetragonal de CC. Como la martensita se encuentra en una condición metaestable, al comunicarse energía durante el revenido, rechaza el carbono en exceso, el cual precipita en forma de carburo, transformándose la estructura del hierro en CC (ferrita estable y cementita). A temperaturas entre 38 y 204 grados, la martensita pierde progresivamente su estructura tetragonal, la cual se transforma en cúbica , precipitándose en ella un primer carburo, denominado carburo de transición.
La precipitación de este origina un pequeño aumento de dureza, particularmente en los aceros altos en carbono.
Durante el calentamiento en el intervalo 232-400 grados, continúa la precipitación y el crecimiento del carburo de transición, transformándose la austenita retenida que pudiera existir en la microestructura del acero en bainita.


- Tratamiento o endurecimiento superficial:



En numerosas aplicaciones industriales es necesario que algunas piezas tengan la superficie muy dura y resistente al desgaste, y la parte central muy tenaz y relativamente blanda. Los procedimientos principalmente son los siguientes:
· Cementación: este procedimiento de endurecimiento superficial es uno de los más antiguos y económicos, y consiste en colocar la pieza en presencia de una atmósfera que contiene gran cantidad de óxido de carbono. La temperatura normal de cementación es 925 º C.
· Cianuración: es un procedimiento utilizado para endurecer superficialmente los aceros aleados y al carbono mediante la formación de una capa dura de poco espesor, elevada dureza y buena resistencia al desgaste. Este tratamiento se efectúa por inmersión del acero en un baño fundido con un contenido de cianuro sódico de aproximadamente el 30%.
· Nitruración: en este procedimiento, las piezas a tratar se colocan en una caja cerrada con una corriente de amoníaco, manteniéndose el conjunto a una temperatura comprendida entre 480 y 620ºC.
· Endurecimiento superficial por llama: este procedimiento consiste en templar determinadas zonas de las piezas, fabricadas con aceros de contenidos en carbono alto o medio, calentándolas rápidamente y enfriándolas inmediatamente en agua o en un chorro de aire.

CRISTALIZACIÓN O SOLIDIFICACIÓN



- Mecanismo de la cristalización:



Se entiende por cristalización el paso del estado líquido al estado sólido, el cual se realiza en dos fases:
- formación de los núcleos
- crecimiento de los cristales

Cuando un liquido pasa al estado sólido se libera energía proveniente de la disminución de la energía potencial que separaba los átomos en el estado líquido, que se ve disminuida al aproximarse los átomos es este nuevo estado. A este calor se le llama calor latente de fusión.
Para que se creen los núcleos es necesario que exista un subenfriamiento.
Esta temperatura se vera disminuida por la presencia de impurezas sólidas en el liquido, las cuales disminuyen la cantidad de energía superficial necesaria. Cuando la temperatura del metal liquido disminuye lo suficiente por debajo del punto de solidificación, se forman espontáneamente en distintos puntos del líquido, agrupaciones o núcleos estables. Estos núcleos que son porciones de líquido solidificadas, actúan como gérmenes de cristalización. A medida que continúa el enfriamiento, se solidifican más átomos, los cuales se agregan a los núcleos ya formados o constituyen nuevos núcleos de cristalización. Cada núcleo atrae a nuevos átomos de líquido que van ordenandose con arreglo a la red espacial del metal, y éstos van continuándose creciendo en las 3 direcciones, agrupándose los átomos a lo largo de determinadas direcciones preferentes, que por lo general son los ejes cristalográficos. Este proceso de solidificación da origen a una
estructura dentrítica, recibiendo estas arborescencias el nombre de dentritas. Las dentritas tendrán direcciones diferentes, lo que provoca que al conectarse una dentrita con otro orientada de manera distinta, formen los denominados límites de grano. A la región entre limites de grano se le conoce como grano.


- Tamaño de grano:



El tamaño de grano de los materiales sólidos es función de la velocidad de crecimiento y de la nucleación. Un enfriamiento rápido produce la formación de granos finos y abundantes, mientras que en los enfriamientos lentos, el grano tiene tiempo para formarse y solo se forman unos pocos núcleos, los cuales posteriormente crecen, solidificando todo el líquido antes de que pueda aumentar el número de núcleos. Este último enfriamiento da lugar a granos bastos.
Para la formación de un monocristal, introducimos un cristal minúsculo (germen), que crecerá extendiéndose por el liquido, para luego eliminarlo cuidadosamente.
Podemos definir una serie de propiedades importantes relacionadas con el crecimiento del grano:

· Factores que contribuyen a aumentar la velocidad de nucleación:



- La presencia de impurezas insolubles, como el aluminio y el titanio, que dan lugar a la formación de óxidos insolubles en el acero
- La agitación del metal fundido durante la solidificación, la cual hace que los cristales se rompan antes de haber alcanzado un tamaño excesivamente grande.

· Propiedades físicas del material en función del tamaño del grano:



En términos generales podemos decir que los materiales con una estructura de grano fino presenta mayor tenacidad o resistencia al choque, más dureza y resistencia a la tracción que las estructuras de grano basto o grueso.


· Solidificación en molde (formación de granos equiaxiales y columnares):



En el proceso práctico de solidificación, cuando se pone en contacto un líquido caliente con la superficie inicialmente fría de un molde, se establece en el líquido un gradiente de temperatura. La superficie del líquido, en contacto con las paredes del molde, se encuentra a una temperatura inferior a la del centro, lo que provoca la formación en la zona exterior del líquido de muchos núcleos de cristalización que empiezan a crecer en todas direcciones (grano equiaxial) . Estos pronto interfieren entre sí en su crecimiento lateral, pudiendo crecer sin trabas solo en dirección radial o hacia el centro. Los granos que se forman en la zona central, presentan pues, forma de columnas alargadas, perpendiculares a la superficie del molde, o estructura columnar (grano columnar). En las proximidades del molde, los granos son pequeños debido a la velocidad de crecimiento, pero a medida que nos aproximamos al centro, como la velocidad de crecimiento va disminuyendo, los granos son mayores y alargados.

INFLUENCIA DEL TRABAJO EN FRÍO SOBRE LAS CARACTERÍSTICAS DE LOS METALES



Todas las características de los metales que dependen de su estructura cristalina son afectadas por las deformaciones plásticas o trabajo en frío.
Así, la resistencia a la tracción, el límite de elasticidad práctico y la dureza aumentan, mientras que la ductilidad, expresada por el porcentaje de alargamiento, disminuye. Sin embargo no todas varían en la misma medida.
Así, por ejemplo, la dureza aumenta por lo general con mayor rapidez en el primer 10 %, de reducción, mientras que el aumento de resistencia a la tracción es sensiblemente lineal.
La distorsión de las estructuras cristalinas obstaculiza el movimiento de los electrones, por lo que la conductividad eléctrica disminuye. Esta disminución es pequeña en los metales puros, aunque en las aleaciones adquiere cierta importancia.
El aumento de energía interna, principalmente en los contornos de grano, trae como consecuencia una disminución de la resistencia del material a la corrosión, al hacerlo más susceptible a la corrosión intergranular.

TRABAJO EN CALIENTE Y RECRISTALIZACIÓN



· Recocido de regeneración:



Con este nombre se conoce al tratamiento cuyo objetivo es destruir mediante calentamiento la estructura distorsionada por el trabajo en frío y hacer que adopte una forma libre de deformaciones. Este proceso se realiza en estado sólido, y el calentamiento va seguido normalmente de un enfriamiento lento en el horno desde la temperatura alcanzada. El proceso de recocido puede dividirse en tres fases: restauración o recuperación, recristalización y crecimiento de grano.

· La recuperación:



La restauración consiste fundamentalmente en la eliminación de tensiones internas y se realiza con simples calentamientos a bajas temperaturas. Cuando cesa de actuar sobre un material policristalino la carga que ha originado su deformación plástica, no desaparece totalmente la deformación elástica, ya que la diferente orientación de los cristales hace que alguno de ellos no pueda recuperar su posición inicial. Cuando la temperatura aumenta, algunos de estos átomos deformados elásticamente vuelven a su estado anterior, eliminándose la mayor parte de las tensiones internas. En algunos casos puede haber un ligero flujo plástico que provoca un ligero endurecimiento y aumento de la resistencia. La conductividad eléctrica también aumenta, pero la microestructura no presenta ningún cambio apreciable. Industrialmente, este tratamiento de estabilización a bajas temperaturas se denomina recocido de alivio de tensiones.

· La recristalización:



Al aumentar la temperatura de restauración se hacen perceptibles en la microestructura nuevos cristales diminutos. Estos tienen la misma composición y presentan la misma estructura cristalina que los granos originales sin deformar, y su forma no es alargada, sino que son aproximadamente de dimensiones uniformes (equiaxiales). Por lo general se suelen desarrollar en las zonas del grano más intensamente deformadas, como suelen ser los límites de grano y los planos de deslizamiento. Las agrupaciones de átomos que dan lugar a estos nuevos cristales se denominan núcleos. El fenómeno de la recristalización puede considerarse como la combinación de dos procesos distintos, uno de nucleación de granos libres de distorsión, y otro de crecimiento de estos núcleos, los cuales se desarrollan absorbiendo el material inestable trabajado en frío.
En la deformación plástica los planos de deslizamientos y los límites de grano son puntos localizados de energía interna elevada, debido a la acumulación de dislocaciones en ellos. Ahora bien, la misma naturaleza de la acritud impide a los átomos de la red distorsionada moverse para formar una red libre de distorsión. Esta energía absorbida por la deformación en frío, no puede recuperarse de otra forma que no sea aplicándole calor, para luego cederla en forma de energía de recristalización y desarrollar nuevos núcleos de granos libres de distorsión. Parte de este calor es absorbido por los átomos vecinos, los cuales cuentan, gracias a esto con la energía suficiente para vencer la rigidez de la red distorsionada y poder pasar a formar parte de la estructura cristalina de los granos libres de distorsión, iniciándose el crecimiento del grano. El número de puntos de energía elevada es proporcional al porcentaje de deformación en frío aplicado.

· Temperatura de recristalización:



Es la temperatura a la cual un material con mucha acritud cristaliza en una hora. Cuanto mayor es la deformación previa del metal, más baja es la temperatura necesaria para provocar la recristalización, ya que la red esta más distorsionada y la energía interna con que cuenta es mayor. Al aumentar la duración del recocido, disminuye la temperatura de recristalización. El proceso de recristalización es mucho más sensible a las variaciones de temperatura que a las variaciones del tiempo de permanencia a temperatura constante.
El comienzo de la recristalización viene indicado por una caída brusca de la resistencia a la tracción.
Para que se produzca la recristalización en un metal es preciso un mínimo de deformación plástica (normalmente del 2 al 8 %). Este valor mínimo de la deformación se conoce como deformación crítica. Para valores de la deformación inferiores a éste, los núcleos de recristalización que se forman son muy poco numerosos.

· El crecimiento del grano:



La energía libre de los granos grandes es inferior a la de los granos pequeños . Esta disminución de energía se asocia a la reducción de superficies de contorno de grano. Por lo tanto, en condiciones ideales, el mínimo estado energético de un metal será el correspondiente al monocristal. Esta disminución de energía constituye pues, la fuerza directriz del proceso de crecimiento de grano, siendo la fuerza que se le opone la rigidez de la red. Al aumentar la temperatura disminuye la rigidez de la red, aumentando la velocidad de crecimiento de grano y a cada temperatura de calentamiento existe un tamaño de grano máximo, para el cual estas dos fuerzas están equilibradas. Por tanto teóricamente es posible conseguir granos muy grandes con solo mantener el material durante un largo periodo de tiempo a las temperaturas más elevadas de la región de crecimiento de grano.


· Tamaño de grano:



Como el recocido es una combinación de dos procesos, uno de nucleación y otro de crecimiento de grano, los factores que favorezcan una nucleación rápida y un crecimiento lento darán lugar a un material de grano fino, mientras que, por el contrario, los que favorezcan una nucleación lenta y un crecimiento rápido originarán un material de grano basto. Los factores que influyen en el tamaño final del grano recristalizado son:
Grado de deformación previa: este factor es el más importante de todos. Un aumento en la deformación previa favorece la nucleación y, como consecuencia, la obtención de un tamaño final de grano pequeño.
Permanencia a la temperatura: Cualquiera que sea la temperatura de recocido, cuanto mayor es el tiempo que permanece a dicha temperatura mayor es la facilidad que tiene el grano para crecer, y por lo tanto, mayor es el tamaño final de este.

Temperatura de recocido:



Una vez sobrepasada la temperatura de recristalización, cuanto menor sea la temperatura más fino será el tamaño de grano final.
Duración del calentamiento: Cuanto menor sea el tiempo que se tarde en alcanzar la temperatura de recocido más fino será el tamaño de grano final.
Si el calentamiento es lento, el número de núcleos que se forma será más pequeño, favoreciéndose el crecimiento de grano y, como consecuencia, la estructura que se obtenga tendrá un grano basto.
Impurezas insolubles: Una gran cantidad de impurezas insolubles pequeñas, uniformemente distribuidas, favorecerá la obtención de una estructura de grano más fino. Esto es debido a que estas impurezas aumentan la nucleación y actúan como barreras que obstruyen el crecimiento del grano, y como consecuencia la estructura que se obtenga tendrá un grano basto.
Influencia sobre las propiedades físicas: Como durante el recocido de regeneración, el material vuelve a adoptar una estructura cristalina libre de distorsión, este tratamiento puede considerarse fundamentalmente como un proceso de ablandamiento. Las variaciones introducidas en las características por la deformación plásticas desaparecen y el material prácticamente vuelve a sus características originales. Por tanto durante el recocido disminuye la dureza y la resistencia y aumenta la ductilidad.

Tratamientos térmicos de disolución:



Los átomos de soluto se disuelven para formar una disolución sólida monofásica. El tratamiento consiste en calentar una aleación a una temperatura dentro de la fase alfa, y esperar que toda la fase beta presente se disuelva completamente. A continuación se enfría rápidamente o se templa, de modo que dificulte la difusión a modo de prevenir la formación de la fase beta. A esta temperatura, normalmente temperatura ambiente existe una situación de no equilibrio en la cual la fase alfa aparece como una disolución sólida sobresaturada de átomos de B. En este estado la aleación es relativamente blanda y poco resistente.

Tratamiento térmico de precipitación:


Consiste en calentar la disolución sólida sobresaturada alfa a una temperatura intermedia, dentro de la región bifásica, temperatura a la cual la velocidad de difusión es apreciable. La fase beta empieza a formarse como partículas finalmente dispersas de distinta composición, proceso que se denomina envejecimiento. Después de permanecer el tiempo adecuado a esta temperatura, se enfría a temperatura ambiente a una velocidad que generalmente no tiene importancia. El carácter de las partículas beta y por consiguiente la resistencia y la dureza de la aleación dependen de la temperatura de precipitación, y del tiempo de envejecimiento. En algunas aleaciones el envejecimiento ocurre espontáneamente a temperatura ambiente durante largos periodos de tiempo. Al incrementar el tiempo, la resistencia y dureza que ocurre después de largos periodos de tiempo se conoce como sobrenvejecimiento.


TRABAJO EN CALIENTE



Los trabajos que se realizan a temperatura superior a la de recristalización del metal se denominan normalmente trabajos en caliente. Cuando un material sufre una deformación en plástica aumenta su dureza, pero si el material se deforma plásticamente a una temperatura elevada se producen simultáneamente dos efectos contrarios: por un lado aumenta la dureza debido a la deformación, y por otro, el fenómeno de la recristalización origina el ablandamiento de este mismo material. Para una velocidad de deformación determinada existe un valor de la temperatura para la cual estos dos valores se compensan exactamente. Si el material se trabaja a una temperatura superior a esta se dice que se ha trabajado en caliente. Por ejemplo si se deforma el cobre a una temperatura de 400º C, el aumento de la dureza es igual al ablandamiento, por lo que puede deformarse de manera continua sin que aumente la carga aplicada.

METALES Y ALEACIONES NO FERREAS



· El cobre y sus aleaciones:

Las propiedades más importantes de este metal son su elevada conductividad térmica y eléctrica, su buena resistencia a la corrosión, maquinabilidad, resistencia y facilidad de fabricación. Las aleaciones de cobre comerciales de mayor importancia pueden clasificarse en los siguientes:

· Latones:

  son aleaciones de cobre y zinc, aunque algunas veces pueden contener pequeñas cantidades de otros elementos, tales como el plomo, estaño o aluminio. Las diferencias de composición se traducen en un color distinto, así como en variaciones de alguna o algunas de las propiedades siguientes: maquinabilidad, ductilidad, y resistencia a la corrosión.

· Bronces:

son aleaciones de mejor calidad que el latón. Los bronces comerciales son fundamentalmente aleaciones de cobre y estaño, aluminio, silicio o berilio, pudiendo contener además fósforo, plomo, zinc o níquel.

· El aluminio y sus aleaciones:

La característica más conocida del aluminio es su poco peso siendo su densidad la tercera parte aproximadamente del acero. El aluminio tiene buenas condiciones de maleabilidad y conformabilidad, gran resistencia a la corrosión y una conductividad térmica y eléctrica elevadas. Aunque la mayoría de las aleaciones de magnesio son aleaciones terciarias se pueden considerar como derivadas de cuatro sistemas binarios fundamentales, entre ellos los sistemas magnesio-aluminio y magnesio-zinc.

· El níquel y sus aleaciones:

Este metal se caracteriza por su buena resistencia a la corrosión y a la oxidación. Es de color blanco y tiene unas características mecánicas muy buenas, siendo fácil de trabajar. Se suele utilizar para la formación de aceros inoxidables. Debido a su gran resistencia a la corrosión y dureza, el níquel constituye el material ideal para revestir las piezas sometidas a corrosión y desgaste. Las elementos de aleación que corrientemente se adicionan al níquel son el cobre, el hierro, el cromo, el silicio, el moligdeno, el manganeso y el aluminio

· El plomo y sus aleaciones:

Este metal se caracteriza por su gran peso, densidad elevada, poca dureza, maleabilidad, bajo punto de fusión y poca resistencia mecánica, baja conductividad eléctrica y gran resistencia a la corrosión. Se suele utilizar para fabricar baterías de acumuladores y como contrapesos y equilibradores. Los elementos de aleación que más corrientemente se adicionan al plomo son el estaño y el antimonio.

· El estaño y sus aleaciones:

Este metal es blando, de color blanco, se caracteriza por su buena resistencia a la corrosión y por sus buenas propiedades lubricantes. El estaño se alea con el plomo para producir diversas aleaciones de soldadura, y también con el antimonio y el cobre.

Autor:

María Polaina





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