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• Randy Andrés

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• Acero inoxidable
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Segundo Barroso Herrero Joaquín Ibáñez Ulargui

INTRODUCCIÓN AL CONOCIMIENTO DE MATERIALES

UNIVERSIDAD NACIONAL DE EDUCACIÓN

A DISTANCIA

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1UEDAN RIGUROSAMENTE PROHIBIDAS SIN LA AUTORIZACIÆN ESCRITA DE LOS TITULARES DEL #OPYRIGHT BAJO LAS SANCIONES ESTABLECIDAS EN LAS LEYES LA REPRODUCCIÆN TOTAL O PARCIAL DE ESTA OBRA POR CUALQUIER MEDIO O PROCEDIMIENTO COMPRENDIDO LA REPROGRAFÁA Y EL TRATAMIENTO INFORM·TICO Y LA DISTRIBUCIÆN DE EJEMPLARES DE ELLA MEDIANTE ALQUILER O PR½STAMOS PËBLICOS 5NIVERSIDAD .ACIONAL DE %DUCACIÆN A $ISTANCIA -ADRID WWW UNED ES PUBLICACIONES 3EGUNDO "ARROSO (ERRERO Y *OAQUÁN )B·ÅEZ 5LARGUI )3". ELECTRÆNICO %DICIÆN DIGITAL FEBRERO DE

ÍNDICE

TEMA 1:

TEMA 2:

TEMA 3:

TEMA 4:

CIENCIA Y TECNOLOGÍA DE LOS MATERIALES 1.1. Introducción . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.2. Clasificación de los materiales 1.2.1. Materiales estructurales . . . . . . . . . . . . . . . . 1.2.2. Materiales funcionales . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.3. Competencia y líneas futuras . . . . . . . . . . . . . . . . . ESTRUCTURA ATÓMICA Y MOLECULAR 2.1. Introducción . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.2. Estuctura atómica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.2.1. Estructura electrónica . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.2.2. Estructura nuclear . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.2.3. La tabla periódica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.2.4. Electrones de valencia . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.3. Estructura molecular . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.3.1. Estados de la materia 2.3.2. Tipos de enlace interatómico . . . . . . . . . . . . ESTRUCTURA DE LOS SÓLIDOS 3.1. Introducción . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.2. Tipos de estructuras cristalinas . . . . . . . . . . . . . . . 3.3. Índices de Miller . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.4. Determinación experimental de la estructura cristalina . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.5. Fuerzas interatómicas y módulo de Young . . . . . . CRISTALES REALES 4.1. Introducción 4.2. Defectos puntuales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.3. Defectos lineales. Dislocaciones . . . . . . . . . . . . . . . 4.4. Defectos de superficie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

7 17 20 24 25

29 30 31 34 35 37 38 40

45 46 48 53 55

59 61 68

8 ÍNDICE

TEMA 5:

TEMA 6:

TEMA 7:

8 INTRODUCCIÓN AL CONOCIMIENTO DE MATERIALES

PROPIEDADES MECÁNICAS 5.1. Introducción . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.2. Deformación dependiente y no dependiente del tiempo 5.2.1. Deformación elástica . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.2.2. Deformación viscoelástica . . . . . . . . . . . . . . 5.2.3. Deformación plástica 5.2.4. Deformación viscoplástica 5.2.5. Caso general . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.3. Deformación dependiente del tiempo: ensayo de fluencia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.4. Deformación no dependiente del tiempo: ensayo de tracción . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.4.1. Límite elástico 5.4.2. Resistencia máxima . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.4.3. Ductilidad . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.4.4. Tenacidad 5.5. Otros ensayos mecánicos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.5.1. Ensayo de compresión 5.5.2 Ensayo de dureza . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.5.3. Ensayo de torsión 5.5.4. Ensayo de impacto . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.6. Fatiga . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.7. Tensión y deformación reales . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.8. Estabilidad de la deformación en las curvas de tracción . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ALEACIONES 6.1. Introducción . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.2. Metales y aleaciones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.3. Soluciones sólidas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.4. Difusión . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.4.1. Mecanismos de difusión . . . . . . . . . . . . . . . 6.4.2. Análisis cuantitativo de la difusión . . . . . . . 6.4.3. Caminos preferenciales para la difusión . . . MECANISMOS DE DEFORMACIÓN Y REFORZAMIENTO 7.1. Introducción 7.2. Deformación de monocristales . . . . . . . . . . . . . . . . 7.3. Deformación de policristales: reforzamiento por fronteras de grano . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.4. Reforzamiento por solución sólida . . . . . . . . . . . .

73

74 75

76 77 80 87 88 91 92 93 94 96 99 103 105 109 111 112 113 114

115 120 121

9 ÍNDICE

TEMA 8:

TEMA 9:

9 INTRODUCCIÓN AL CONOCIMIENTO DE MATERIALES

7.5. Reforzamiento por dispersión de partículas . . . . . 7.6. Endurecimiento por deformación . . . . . . . . . . . . .

122 124

DIAGRAMAS DE FASE 8.1. Introducción . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8.2. Sistemas de aleación de un componente . . . . . . . . 8.3. Regla de las fases . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8.4. Construcción de los diagramas de fase . . . . . . . . .

127 129 130 132

CLASIFICACIÓN DE LOS DIAGRAMAS DE FASE 9.1. Introducción . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9.2. Grupo primero 9.3. Grupo segundo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9.4. Grupo tercero . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9.5. Diagramas de fases con compuestos y fases intermedias . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9.6. Grupo cuarto . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9.7. Grupo quinto . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9.8. Reacciones invariantes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9.9. Diagramas de fase ternarios . . . . . . . . . . . . . . . . . .

139 140 145 151 156 158 159 162

TEMA 10: DIAGRAMA DE FASE HIERRO-CARBONO 10.1. Introducción . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10.2. Diagrama hierro-carbono . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10.2.1. Aceros y fundiciones . . . . . . . . . . . . . . . . 10.3. Constituyentes de equilibrio de los aceros 10.3.1. Ferrita . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10.3.2. Cementita . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10.3.3. Perlita 10.4. Constituyentes de los aceros templados. Transformaciones de la austenita fuera de equilibrio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10.4.1. Austenita 10.4.2. Martensita . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10.4.3. Bainita . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10.4.4. Diagramas de transformación isotérmica. 10.5. Otros constituyentes de los aceros . . . . . . . . . . . .

177 179 181 185

TEMA 11: TRATAMIENTOS TÉRMICOS DE LOS ACEROS 11.1. Introducción 11.2. Temperatura y tiempo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11.3. Clasificación de los tratamientos térmicos . . . . . 11.4. Tratamientos térmicos de los aceros . . . . . . . . . .

187 188 190

165 166 169 172 174

176

10 ÍNDICE

10 INTRODUCCIÓN AL CONOCIMIENTO DE MATERIALES

11.5. Recocido . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11.5.1. Recocidos de austenización isotérmicos . 11.5.2. Recocidos subcríticos . . . . . . . . . . . . . . . . 11.6. Normalizado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11.7. Temple de aceros . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11.7.1. Templabilidad . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11.7.2. Temple con enfriamiento isotérmico . . . 11.7.3. Defectos que se producen en el temple . . 11.7.4. Temple superficial del acero . . . . . . . . . . 11.8. Revenido de aceros . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11.8.1. Fragilidad de Revenido . . . . . . . . . . . . . .

192 195 196 197 198 201 204 205 206 208 210

TEMA 12: ALEACIONES FÉRREAS 12.1. Introducción . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12.2. Aceros al carbono . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12.3. Aceros aleados . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12.4. Clasificación de los aceros aleados . . . . . . . . . . . 12.5. Aceros de construcción . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12.6. Aceros microaleados . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

213 215 217 221 222 228

TEMA 13: ACEROS DE ALTA ALEACIÓN 13.1. Introducción 13.2. Aceros inoxidables . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13.2.1. Efecto de los elementos de aleación . . . . 13.2.2. Aceros inoxidables martensíticos . . . . . . 13.2.3. Aceros inoxidables ferríticos 13.2.4. Aceros inoxidables austeníticos . . . . . . . . 13.2.5. Aceros inoxidables endurecibles por precipitación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13.2.6. Superaleaciones 13.3. Aceros para herramientas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13.3.1. Clasificación de los aceros para herramientas . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13.3.2. Aceros poco templables . . . . . . . . . . . . . . 13.3.3. Aceros templables o indeformables . . . . 13.3.4. Aceros de herramientas para matrices en trabajos en frío 13.3.5. Aceros de herramientas para matrices en trabajos en caliente . . . . . . . . . . . . . . . 13.3.6. Aceros rápidos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . TEMA 14: FUNDICIONES 14.1. Introducción . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

231 232 234 236 238 239 240 241 242

243 244

247

11 ÍNDICE

11 INTRODUCCIÓN AL CONOCIMIENTO DE MATERIALES

14.2. 14.3. 14.4. 14.5. 14.6.

Clasificación de las fundiciones Efecto de los elementos aleantes . . . . . . . . . . . . . Fundiciones blancas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Fundiciones grises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Otras fundiciones 14.6.1. Fundiciones maleables . . . . . . . . . . . . . . . 14.6.2. Fundiciones dúctiles . . . . . . . . . . . . . . . . 14.6.3. Fundiciones aleadas . . . . . . . . . . . . . . . . .

TEMA 15: ALEACIONES DE ALUMINIO I 15.1. Introducción . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15.2. Propiedades del aluminio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15.3. Obtención del aluminio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15.4. Elementos aleantes del aluminio . . . . . . . . . . . . . 15.5. Mecanismos de endurecimiento en las aleaciones de aluminio 15.5.1. Endurecimiento por precipitación . . . . . 15.5.2. Endurecimiento por solución sólida 15.5.3. Endurecimiento por deformación . . . . . . 15.5.4. Endurecimiento por reforzamiento . . . . 15.6. Clasificación y designación de las aleaciones de aluminio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

250 252 255 258 259 260

263 264 265 266

268 274 275 276

TEMA 16: ALEACIONES DE ALUMINIO II 16.1. Aleaciones de forja no endurecibles por tratamiento térmico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 281 16.2. Aleaciones de forja endurecibles por tratamiento térmico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 283 16.3. Aleaciones de aluminio para moldeo . . . . . . . . . . 288 16.3.1. Series 3xx y 4xx. Aleaciones de Al-Si para moldeo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 289 16.3.2. Otras aleaciones de aluminio para moldeo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 291 17.1. Magnesio: y obtención .......... TEMA 17: ALEACIONES DEpropiedades MAGNESIO Y DE TITANIO 17.2. Elementos aleantes del magnesio . . . . . . . . . . . 17.3. Clasificación y designación de las aleaciones de magnesio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17.4. Aleaciones de magnesio para moldeo . . . . . . . . 17.5. Aleaciones de magnesio para forja . . . . . . . . . . 17.6. Titanio: propiedades y obtención . . . . . . . . . . . .

293 295 296 297 300 302

12 ÍNDICE

12 INTRODUCCIÓN AL CONOCIMIENTO DE MATERIALES

17.7. 17.8.

Elementos aleantes del titanio . . . . . . . . . . . . . . Transformaciones de fase de las aleaciones de titanio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17.9. Clasificación de las aleaciones de titanio . . . . . 17.10. Aleaciones de titanio alfa . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17.11. Aleaciones de titanio beta 17.12. Aleaciones de titanio alfa + beta . . . . . . . . . . . . TEMA 18: ALEACIONES DE COBRE Y DE NÍQUEL 18.1. Cobre: propiedades y obtención . . . . . . . . . . . . . . 18.2. Aleaciones de cobre: consideraciones generales . 18.3. Aleaciones Cu-Zn (latones) . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18.3.1. Latones ............................ 18.3.2. Latones ............................ 18.3.3. Latones + . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18.4. Aleaciones Cu-Sn (bronces) . . . . . . . . . . . . . . . . . 18.5. Cuproaluminios . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18.5.1. Cuproaluminios monofásicos . . . . . . . . . 18.5.2. Cuproaluminios bifásicos . . . . . . . . . . . . 18.6. Cuproníqueles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18.7. Aleaciones de cobre endurecibles por precipitación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18.8. Níquel 18.9. Aleaciones base níquel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18.9.1. Aleaciones de níquel resistentes a la corrosión (no envejecibles) . . . . . . . . . 18.9.2. Aleaciones de níquel resistentes a fluencia (envejecibles) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19.1. Introducción ............................ TEMA 19: MATERIALES CERÁMICOS 19.2. Estructura de las cerámicas 19.2.1. Estructura de cerámicas con enlace iónico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19.2.2. Estructura de cerámicas con enlace covalente . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19.2.2.1. Estructuras cristalinas de la sílice y silicatos . . . . . . . . . . 19.3. Diagramas de equilibrio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19.4. Propiedades mecánicas 19.4.1. Resistencia mecánica . . . . . . . . . . . . . . . 19.4.2. Tenacidad a la fractura . . . . . . . . . . . . . 19.4.3. Propiedades abrasivas . . . . . . . . . . . . . .

304 308 309 310 311

313 314 315 317 318 319 320 324 325 326 327 329 330 331 332 335

338 344 347 352 354 356 359

13 ÍNDICE

13 INTRODUCCIÓN AL CONOCIMIENTO DE MATERIALES

19.5. 19.6. 19.7. 19.8.

Propiedades térmicas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Propiedades eléctricas y magnéticas . . . . . . . . . Procesado de los materiales cerámicos . . . . . . . Vidrios . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19.8.1. Temperatura de transición vítrea . . . . . 19.9. Viscosidad de los vidrios . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19.10. Composición y estructura de los vidrios . . . . . . 19.11. Procesado de los vidrios . . . . . . . . . . . . . . . . . . . TEMA 20: MATERIALES POLIMÉRICOS 20.1. Introducción . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20.2. Moléculas de hidrocarburos . . . . . . . . . . . . . . . . . 20.3. Polimerización: meros, monómeros y polímeros. 20.4. Estructura de los polímeros . . . . . . . . . . . . . . . . . 20.5. Clasificación general de los polímeros . . . . . . . . . 20.6. Polímeros termoplásticos 20.6.1. Propiedades mecánicas y térmicas de los polímeros termoplásticos . . . . . . . . . . . . . 20.6.2. Tipos de termoplásticos . . . . . . . . . . . . . . 20.6.3. Procesos de fabricación de los termoplásticos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20.7. Polímeros termoestables . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20.7.1. Tipos de plásticos termoestables . . . . . . . 20.7.2. Procesado de los plásticos termoestables . 20.8. Elastómeros . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20.8.1. Vulcanización . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20.8.2. Tipos de elastómeros . . . . . . . . . . . . . . . . TEMA 21: MATERIALES COMPUESTOS 21.1. Introducción . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21.2. Clasificación de los materiales compuestos . . . . 21.3. Propiedades mecánicas 21.3.1. Módulo elástico de MC reforzados con fibra continua . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21.3.2. Resistencia mecánica de MC reforzados con fibra continua . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21.3.3. Resistencia mecánica de MC reforzados con fibra discontinua . . . . . . . . . . . . . . . . 21.3.4. Mecanismo de fractura. Tenacidad . . . . . 21.3.5. Propiedades mecánicas de MC reforzados con partículas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21.4. Características diferenciales y procesado de los distintos tipos de materiales compuestos . . . . . . .

359 360 362 364 366 367 368 370

373 375 376 380 388

389 393 400 402 403 405 406 408 409

411 412

413 416 419 421 423 425

14 ÍNDICE

14 INTRODUCCIÓN AL CONOCIMIENTO DE MATERIALES 21.4.1. Materiales compuestos de matriz polimérica (MCMP) . . . . . . . . . . . . . . . . . 21.4.2. Materiales compuestos de matriz metálica (MCMM) . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21.4.3. Materiales compuestos de matriz cerámica (MCMC) . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21.5. Materiales compuestos macroscópicos 21.5.1. Materiales compuestos laminares . . . . . . 21.5.2. Hormigón . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

426 429 430 431 433

21.6. 21.6.1. Madera Estructura de la madera . . . . . . . . . . . . . 21.6.2. Propiedades mecánicas de la madera . . .

436 438

BIBLIOGRAFÍA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

441

GLOSARIO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

443

PRÓLOGO

Este libro, titulado «Introducción al Conocimiento de los Materiales», se edita dentro de la colección «Cuadernos de la UNED«, y como tal ha sido diseñado y escrito como instrumento de enseñanza, con destino a aquellos alumnos que deban cursar estudios relacionados con los materiales. El interesado en estudiar la ciencia de los materiales se encuentra con una bibliografía normalmente muy dispersa, consecuencia de la amplitud y del carácter interdisciplinar de dicha ciencia. Esta metodología conlleva el peligro de obtener una visión compartimentada de los diversos tipos de materiales existentes. Al reunir en un solo libro los conocimientos básicos sobre materiales, enfocados desde una óptica común, resulta más fácil conseguir una visión global de los mismos. En este sentido, este libro trata de cubrir la escasez de textos que, sobre materiales, existen en el mercado. Con el fin de acentuar la interconexión existente entre los distintos materiales, se ha tratado de seguir una metodología basada en el conocimiento de la microestructura y su relación con las propiedades de los materiales. Por ello, este texto puede servir de ayuda, aunque a diferentes niveles, a los alumnos que cursen asignaturas relacionadas con el conocimiento de los materiales. Al ir dirigido, fundamentalmente, a alumnos de ingeniería, se ha creído oportuno incidir en especial en los materiales estructurales, razón por la que las propiedades mecánicas ocupan un lugar preeminente. En concreto, existen diferentes cursos, en distintos ámbitos, para cuyos alumnos este libro puede ser de utilidad. En primer lugar, estarían aquellos alumnos matriculados en cursos relacionados con los materiales, dentro de los programas de extensión universitaria. Para estos alumnos, este texto supone una base más que suficiente para, a partir de ella, estar en disposición de abordar con mayor profundidad las materias específicas de cada curso.

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INTRODUCCIÓN AL CONOCIMIENTO DE MATERIALES

Este texto tendrá especial interés para los alumnos de la asignatura «Fundamentos de ciencia de los materiales» que se impartirá en el primer curso, dentro del nuevo plan de estudios, de la carrera de Ingenieros Industriales de la UNED. El programa desarrollado en este texto se corresponde con las directrices dadas por el Ministerio de Educación y Ciencia para la elaboración del nuevo plan de estudios. El libro se divide en tres partes y desarrolla su contenido en 21 temas, distinguiéndose dos tipos de texto, sombreado y sin sombrear, correspondiente este último a la materia que se considera fundamental. La primera parte aborda los conocimientos básicos de los materiales. Comienza por el estudio de la estructura de los sólidos, partiendo de la configuración atómica hasta llegar a los cristales reales. Se estudian, igualmente, las propiedades mecánicas, es decir, los distintos parámetros que definen el comportamiento mecánico de los materiales, así como los principales ensayos necesarios para su obtención. Se ha tratado de poner de manifiesto la influencia decisiva que, sobre las propiedades mecánicas, tienen las características intrínsecas del material (microestructura) y extrínsecas al mismo (temperatura, etc.). En la segunda parte se inicia el estudio de los sistemas de aleación y de los tratamientos térmicos, como medios de modificar la microestructura, y por tanto las propiedades de los materiales. Estos conocimientos se aplican a las aleaciones férreas, principalmente aceros, que hoy por hoy siguen constituyendo el grupo de metales más importante. La tercera parte corresponde al estudio de las aleaciones metálicas no férreas más importantes, tanto ligeras (aluminio, magnesio y titanio) como no ligeras (cobre y níquel), concluyendo con tres temas dedicados a los materiales cerámicos, poliméricos y compuestos. A lo largo del texto hay palabras en cursiva, que corresponden a términos y conceptos que no se definen en el momento de su primera aparición. Con el fin de mejorar la continuidad durante la lectura del libro, al final del mismo figura un glosario con el significado de estos términos ordenados por orden alfabético, incluyendo su traducción al inglés.

TEMA 1 CIENCIA Y TECNOLOGÍA DE LOS MATERIALES

1.1.

INTRODUCCIÓN

La CIENCIA DE LOS MATERIALES trata tanto el conocimiento a nivel fundamental de los distintos materiales como el de sus procesos de fabricación, así como sus aplicaciones. Por otro lado, la ingeniería de materiales se relaciona con el conocimiento aplicado de los materiales, que posibilita la conversión de los mismos en productos de mercado, no existiendo una frontera nítida que la separe de la ciencia de materiales. Hasta hace pocas décadas, hablar de materiales de interés tecnológico era equivalente a hablar de METALES. Con la sustitución de los materiales tradicionales CER·MICOS COMPUESTOS Y POLIM½RICOS por otros nuevos pertenecientes a esas mismas categorías, los metales han perdido parte de su preponderancia, y tal y como se muestra en la figura 1.1 dicha tendencia continuará en los próximos años. En la figura 1.1 se puede observar cómo 10.000 años antes de Cristo la importancia relativa de los metales (anchura en ese eje) era mínima y sólo el oro era conocido, mientras que la de los polímeros y cerámicos era importantísima por la utilización, fundamentalmente, de pieles (polímero) y piedras (cerámico). Así mismo, se observa el enorme crecimiento de los metales, que alcanzaron un máximo hacia 1950, para ir perdiendo importancia relativa hasta nuestros días. Por otra parte, los polímeros sufrieron un descenso progresivo hasta 1950, pero desde entonces han ido aumentando su importancia relativa, primero con la aparición de los POLI½STERES y después con la de los polímeros de alta temperatura. Por otra parte, los materiales compuestos están aumentando su importancia relativa con la aparición de los CER·MICOS COMPUESTOS. Por último, los cerámicos, que empezaron teniendo una gran importancia,

Cobre

METALES Bronce Nuevas aleaciones metálicas

Hierro Aceros POLÍMEROS Importancia relativa

INTRODUCCIÓN AL CONOCIMIENTO DE MATERIALES

Oro

Fibras

Aleaciones ligeras

Resinas Baquelita

Super aleaciones

Papel

COMPUESTOS

Polímeros de alta temperatura

Piedra

Poliésteres Barro

Epoxís

MCMC

Nylon

Refractarios

MCMM MCMP

CERÁMICOS

Cerámicas tenaces Pirocerámicos

Cementos

10.000 a.C. 5.000 a.C.

0

1.000 1.500 1.800

1.900

1.940

18

Fecha

FIGURA 1.1.

1.960

1.980

1.990

2.000

2.010

2.020

19 19 CIENCIA Y TECNOLOGÍA DE LOS INTRODUCCIÓN MATERIALESAL CONOCIMIENTO DE MATERIALES

pasaron por un mínimo, coincidente con el máximo de los metales, para después ir aumentando de un modo lento pero con buena proyección de futuro, debido a las continuas mejoras conseguidas en su TENA CIDAD. Otra característica importante, que está posibilitando la evolución de los materiales, se refiere a la aparición de nuevos PROCESOS DE SÁNTESIS Y PROCESADO. Un ejemplo significativo es la TECNOLOGÁA PULVIMETALËRGICA que es una de las que posibilitan procesos de SOLIDIFICACIÆN R·PIDA, permitiendo mezclas de materiales (metálicos, compuestos y cerámicos), con propiedades imposibles de conseguir por las vías tradicionales. Entre los ejemplos más recientes cabe mencionar la nanotecnología y la técnica de aleado mecánico. Por lo tanto, son dos los caminos más importantes que conducen a la síntesis de un nuevo material, descartando obviamente la buena suerte o la equivocación oportuna que conducen a resultados inesperados en algunos casos. Uno de ellos consiste en tratar de encontrar nuevos materiales añadiendo otros elementos que entren en la composición de los mismos. El otro camino se basa en la utilización de nuevas tecnologías aplicadas a materiales ya existentes. Normalmente sucede una combinación de ambas vías. Ahora bien, el camino no termina con la síntesis del material deseado sino que en realidad es el comienzo de un largo proceso de desarrollo y caracterización. Así, es preciso caracterizar el material en múltiples aspectos, como: ESTRUCTURA ATÆMICA MICROESTRUCTURA PROPIEDADES MEC·NICAS Y FÁSICAS etc. Factores adicionales, tales como reproducibilidad de las propiedades, ausencia de efectos de ENVEJECIMIENTO y desarrollos de procesos de fabricación, no son menos importantes. Todos estos factores necesitan de una investigación exhaustiva antes de que el producto alcance pleno desarrollo comercial. Normalmente, la aparición de un nuevo material se debe al empleo de un nuevo proceso (por ejemplo, solidificación rápida) y/o a la demanda de nuevas aplicaciones (como es el caso de las SUPERALEACIONES para empleo a altas temperaturas). No obstante, a veces no sucede así, como es el caso de las ALEACIONES CON MEMORIA DE FORMA, que cuando se descubrieron no tenían ninguna aplicación inmediata, y tuvo que transcurrir cierto tiempo hasta que se empezaron a aplicar en el área de los SENSORES. Al final, el factor que será determinante en el grado de aceptación del material y su futuro alcance es el económico, que suele estar ligado a que el material tenga un uso innovador.

20 20 CIENCIA Y TECNOLOGÍA DE LOS INTRODUCCIÓN MATERIALESAL CONOCIMIENTO DE MATERIALES

La aparición de nuevos materiales no debe suponer despreciar la aportación de los materiales tradicionales que, merced a nuevos desarrollos y procesos de fabricación, han probado su adaptabilidad siendo insustituibles por otros materiales «nuevos». Además, hay que tener en cuenta que, en general, muchos de los denominados nuevos materiales suelen limitarse a áreas restringidas, debido a que suelen ser más caros.

1.2.

CLASIFICACIÓN DE LOS MATERIALES

Para poder calibrar la importancia de cada material y deducir las tendencias futuras es imprescindible un conocimiento de los mismos, cuestión que se realizará a lo largo de este libro. No obstante, sí es posible, a partir de conocimientos generales, clasificar los materiales existentes en función de sus propiedades, lo que en primera instancia determinará las tendencias de uso. Tradicionalmente los materiales se han dividido en dos grandes grupos: los estructurales y los funcionales. No obstante, la división no está perfectamente delimitada, y así existen muchos casos en los que materiales estructurales deben cumplir tareas funcionales y viceversa.

1.2.1.

Materiales estructurales

Son aquellos en los que sus principales aplicaciones se basan en sus propiedades mecánicas, siendo por tanto los materiales más importantes en ingeniería. Tanto por el volumen de producción como desde el punto de vista económico la importancia de este grupo es muy grande. La clasificación más sencilla de estos materiales se refleja en la figura 1.2, y responde básicamente a una diferenciación natural, que tiene en cuenta sus aplicaciones, además de la tradición, la composición y el procesado de cada uno de ellos.

Metales Los metales son materiales inorgánicos que normalmente se presentan como una combinación de varios elementos metálicos, y cuyo estudio constituye una rama científica denominada METALURGIA. La metalurgia suele dividirse en dos grandes áreas correspondientes a los materiales F½RREOS y NO F½RREOS.

21 21 CIENCIA Y TECNOLOGÍA DE LOS INTRODUCCIÓN MATERIALESAL CONOCIMIENTO DE MATERIALES

Metales

Compuestos

Polímeros

Cerámicos

FIGURA 1.2.

La metalurgia sigue siendo hoy día la rama más importante, tanto desde el punto de vista económico como del volumen de producción, dentro de los materiales estructurales (exceptuando los materiales de construcción de tipo cerámico), y será prácticamente imposible que pueda ser desbancada de su puesto en los próximos años. La razón hay que buscarla tanto en razones históricas, como en el conjunto de propiedades de los metales que les confieren unas características únicas dentro de los materiales. Esas propiedades se basan en el tipo de ENLACE ATÆMICO y en la ESTRUC TURA CRISTALINA de los metales, que les confieren por un lado altos valores de RIGIDEZ y RESISTENCIA MEC·NICA y por otro una alta DEFORMABILIDAD y tenacidad a la fractura. Por otra parte, la aparición de nuevos materiales estructurales no metálicos no impide que se siga avanzando en la obtención de nuevos materiales metálicos, merced sobre todo a las nuevas tecnologías. Este progreso se efectúa tanto en el campo de materiales comunes, como es el caso de los ACEROS, como en el de las ALEACIONES más sofisticadas. Ello hace que los metales sigan siendo insustituibles no sólo en la mayoría de las aplicaciones que involucran grandes consumos de material, sino en aquellas más específicas y de altas prestaciones.

Cerámicas técnicas La base de los materiales cerámicos suelen ser los elementos inorgánicos, con una estructura más o menos cristalina. El término cerámicos cubre una gran variedad de materiales (silicatos, óxidos, carburos,

22 22 CIENCIA Y TECNOLOGÍA DE LOS INTRODUCCIÓN MATERIALESAL CONOCIMIENTO DE MATERIALES

nitruros, boruros...) que se utilizan, tanto como materiales estructurales como funcionales, en magnetismo, electrónica y biología. Las cerámicas ofrecen un intervalo de propiedades que abre un abanico muy amplio de posibles aplicaciones. Ellas pueden sustituir a otros materiales en determinadas aplicaciones y su desarrollo es un buen ejemplo de interdependencia entre varios grupos de materiales. Entre las ventajas que aportan los materiales cerámicos se encuentran: su estabilidad a alta temperatura, alta resistencia bajo esfuerzos de COMPRESIÆN y excelente DUREZA, buena resistencia a la CORROSIÆN, bajo PESO ESPECÁFICO, posibilidad de dar una amplia gama de CONDUCTIVIDADES T½RMI CAS y EL½CTRICAS, y partir para su obtención de materias primas abundantes en muchos casos. Como aspectos negativos destacan, además de su normalmente alto costo final, su gran FRAGILIDAD en algunos casos poca resistencia a cambios bruscos de temperatura, poca reproducibilidad de las características del material, dificultad de procesar y combinar con otros materiales y escasez de técnicas para llevar a cabo el control de calidad. Los aspectos positivos de las cerámicas pueden aprovecharse en aquellos casos en los que los esfuerzos predominantes sean de compresión, con el fin de obviar su gran fragilidad.

Polímeros Los resultados de trabajos en años recientes muestran que entre el conjunto de materiales estructurales, los polímeros son los que poseen un mayor desarrollo potencial. Por ejemplo, a nivel de laboratorio se han fabricado polímeros con una RESISTENCIA ESPECÁFICA mayor que el acero y otros con una conductividad más alta que la que presenta el cobre. La estructura, y por tanto el comportamiento mecánico de los plásticos es totalmente diferente a la de los metales. Un polímero se define como una molécula muy larga en forma de cadena con una o más unidades de átomos que se repiten unidos entre sí por un fuerte enlace covalente. Dependiendo del modo en que se realiza la unión de unas cadenas con otras, existen diferentes tipos de polímeros que se verán en el tema 20. Los plásticos son menos rígidos y resistentes que los metales, y además sus temperaturas máximas de utilización no superan los 300 °C. Ahora bien, para muchas aplicaciones son suficientes estas características

23 23 CIENCIA Y TECNOLOGÍA DE LOS INTRODUCCIÓN MATERIALESAL CONOCIMIENTO DE MATERIALES

y además, las propiedades mecánicas de estos materiales mejoran sustancialmente cuando son reforzados, dando lugar a uno de los tipos de materiales compuestos más desarrollados.

Materiales compuestos Los materiales compuestos constituyen un grupo de materiales que están experimentando una expansión muy rápida. Una de las razones es sin duda que estos materiales cubren más que ningún otro grupo un abanico de propiedades mecánicas que los hacen aptos para un gran número de aplicaciones, lo cual facilita el PROCESO DE DISEÅO. Un material compuesto (MC) se puede definir como una mezcla de materiales diferentes diseñada para desempeñar una función específica, maximizando las propiedades deseables de sus componentes y minimizando las que no lo son. Un MC consta de al menos dos materiales diferentes cuya microestructura final se sintetiza artificialmente, en oposición a los materiales convencionales multifásicos cuya microestructura se obtiene de manera natural mediante TRANSFORMACIONES DE FASE, como por ejemplo a través de la aplicación de TRATAMIENTOS T½RMICOS . En estos materiales, el componente mayoritario desempeña el papel de matriz y el minoritario de reforzante. En general, el material reforzante actúa como elemento endurecedor de la matriz que suele ser menos rígida y más dúctil que aquel (excepto en los materiales compuestos de matriz cerámica). Existen diversas combinaciones de material reforzante/matriz que pueden clasificarse según sea el tipo de matriz: polimérica (MCMP), metálica (MCMM) o cerámica (MCMC). Independientemente del tipo de reforzante y matriz, existen distintos tipos de MC dependiendo de la forma y distribución del elemento reforzante, que pueden clasificarse en dos grandes grupos denominados de refuerzo continuo o discontinuo. Entre las mejoras que los MC introducen en la matriz correspondiente, está la de obtener un aumento de la resistencia y rigidez específicas, una mayor resistencia al desgaste y un mejor comportamiento a FLUENCIA. No obstante, suelen empeorar otras propiedades como son la DUCTILIDAD, tenacidad (excepto en las de matriz cerámica) y FIABILIDAD. Además, sus métodos de producción son más complejos y caros y existe una menor base de datos y conocimiento de sus propiedades.

24 24 CIENCIA Y TECNOLOGÍA DE LOS INTRODUCCIÓN MATERIALESAL CONOCIMIENTO DE MATERIALES

Dentro de los MC, los de matriz polimérica son los que tienen una mayor demanda. Sus características principales respecto a las de otras matrices son su alta capacidad de DEFORMACIÆN, y su bajo MÆDULO DE TOR SIÆN, siendo su tecnología de fabricación la más desarrollada. Los MCMP fueron los primeros en desarrollarse y su uso no ha dejado de crecer desde la década de los 60. Con respecto a los MCMP, los MCMM y MCMC mejoran sobre todo el comportamiento a alta temperatura, además de aumentar la tenacidad, resistencia y conductividad; mientras que sus desventajas se deben a la falta de conocimiento de las propiedades de estos materiales por falta de desarrollo y su elevado costo de fabricación. En los MCMC, al contrario que con los otros MC, la adición de material reforzante mejora sustancialmente tanto la tenacidad a la fractura como la ductilidad.

1.2.2.

Materiales funcionales

Son aquellos que se utilizan en base a sus propiedades funcionales, las cuales son esenciales para el desarrollo del sistema técnico, como por ejemplo las obleas de silicio para hacer chips y los imanes de tierras raras para motores de pequeño tamaño. Su número es extremadamente alto, el mercado de cada uno de ellos suele ser pequeño, pero su precio puede ser muy elevado. Los materiales funcionales se basan sobre todo en las PRO PIEDADES QUÁMICAS MAGN½TICAS y OPTOELECTRÆNICAS La gran cantidad de materiales que constituye este grupo se debe a la multitud de funciones existentes, lo que complica una clasificación detallada de los mismos. La clasificación más general se fundamenta en propiedades básicas: Materiales cuyas funciones se basan en propiedades químicas, e incluiría todo tipo de reactivos, además de los específicamente diseñados como anticorrosivos, CATALÁTICOS, etc. Materiales cuyas funciones se basan en las propiedades magnéticas e incluirían todos los materiales magnéticos. El desarrollo de nuevos materiales basados en tierras raras ha posibilitado, por ejemplo, los radios walkman y las platinas de casetes. La existencia de estos aparatos es directamente atribuible a la mejora en las propiedades de los materiales magnéticos, porque el factor que limitaba su desarrollo radicaba en la imposibilidad de hacer auriculares y motores de alta calidad y pequeño tamaño. Materiales cuyas funciones se basan en las propiedades optoelectrónicas, que comprende uno de los grupos de materiales funcionales más

25 25 CIENCIA Y TECNOLOGÍA DE LOS INTRODUCCIÓN MATERIALESAL CONOCIMIENTO DE MATERIALES

importantes, tanto desde el punto de vista económico como de impacto social, como es el caso de los SEMICONDUCTORES. El reciente proceso tecnológico desarrollado en física de superficies está posibilitando avances cada vez mayores en este campo. Puede afirmarse que el silicio es uno de los materiales, junto con los plásticos, que podrían definir la época actual. Otros materiales recientes que pueden tener gran importancia en un futuro próximo, sobre todo en el campo de láminas delgadas, son los SU PERCONDUCTORES de alta temperatura crítica de transición (TC), con importantes perspectivas de aplicación en el área de ordenadores y electrónica.

1.3.

COMPETENCIA Y LÍNEAS FUTURAS

Como ya se indicó anteriormente, la aparición de un nuevo material no implica necesariamente su éxito. Es más, aun en el caso de que un nuevo material reúna las condiciones que garanticen su éxito, su plena implantación necesita de un cierto tiempo durante el cual atraviesa distintos grados de desarrollo. Este ciclo vital puede dividirse en varias etapas básicas: introducción, crecimiento, madurez y declive. Respecto al tiempo que transcurre entre la introducción y la madurez depende del material en cuestión, pero es indudable que cada vez es más reducido (caso de la industria del silicio), sobre todo si lo comparamos con materiales cuya introducción se realizó hace bastantes años (caso de la industria del aluminio). A cada uno de los materiales y a las diferentes tecnologías se les puede asignar un lugar en el ciclo (ver figura 1.3). Por ejemplo, los superconductores de alta temperatura, que están en la fase de investigación y desarrollo, se encuentran en la etapa de introducción, los MCMP se encuentran en plena expansión, mientras que las aleaciones de aluminio se encuentran en la etapa de madurez. Evidentemente, serán los materiales que se encuentran en la etapa de crecimiento los que más importancia tendrán en un próximo futuro. Entre ellos se encuentran los materiales que deben satisfacer las propiedades de las que hay una mayor demanda. Estas propiedades marcan los objetivos que se perseguirán tanto en el desarrollo de nuevos materiales estructurales como en tecnologías de aplicación en el campo de la ingeniería: — Disminuir peso, haciendo cambios de diseño que no afecten a las propiedades mecánicas. — Aumentar resistencia mecánica.

26 26 CIENCIA Y TECNOLOGÍA DE LOS INTRODUCCIÓN MATERIALESAL CONOCIMIENTO DE MATERIALES

Plásticos comunes Superaleaciones

Aluminio Cobre Aceros

Metales especiales Plásticos de nuevo desarrollo Fibras ópticas Materiales compuestos Mat. cerámicos

Introducción

Crecimiento Madurez

Declive

FIGURA 1.3.

— Aumentar la temperatura de uso para ampliar el intervalo de aplicaciones. — Mejorar las condiciones superficiales para aumentar la resistencia al desgaste, a la FATIGA, y a la corrosión. — Utilizar propiedades específicas (funcionales) que vayan más allá de la función mecánica (por ejemplo, materiales para implantes). — Ahorrar energía y facilitar el reciclado. La disminución de peso sin perjuicio de las propiedades mecánicas resulta fundamental, sobre todo en la industria del transporte (sectores aeronáutico y automovilístico). Ello se debe a que la disminución de peso en estos sectores es la manera más eficaz y económica de reducir el consumo de energía. Por ejemplo, la energía contenida en la fabricación de un coche es del orden de la vigésima parte de la energía necesaria para moverlo. Por tanto, un aumento en la energía de fabricación de un coche resultará rentable si se consigue reducir la energía necesaria para mover el coche (es decir, su consumo) en una proporción mayor a aquella. Reducir la energía necesaria para mover el coche se puede conseguir mejorando el rendimiento del motor y reduciendo el peso del coche. La primera puede ayudar, aunque no será decisiva debido a que el rendimiento de los motores actuales está casi en el límite. No obstante, la relación entre el consumo y el peso es casi lineal lo que hace que esta sea la vía con más impacto y por lo tanto la que debe marcar la evolución en el diseño de los coches futuros. En realidad, esta tendencia la han seguido los coches en los últimos años. De hecho el uso del aluminio puede llegar a ahorrar hasta un 40% de peso y el de los MCMP hasta un 30%.

27 27 CIENCIA Y TECNOLOGÍA DE LOS INTRODUCCIÓN MATERIALESAL CONOCIMIENTO DE MATERIALES

En aeronáutica, sobre todo militar, la importancia de los nuevos materiales es incluso superior, debido a que en muchos casos el precio es menos decisivo que en el sector automovilístico. Por lo tanto, la utilización de materiales avanzados en aeronáutica va por delante de otros sectores. Evidentemente, todas las sustituciones de materiales tradicionales por otros nuevos más ligeros llevan implícita la exigencia de obtener mejoras que no vayan en detrimento de la resistencia mecánica. No obstante, hoy día se observa la demanda de materiales cuya cualidad principal es la de aumentar la resistencia, sobre todo en aplicaciones a altas temperaturas. Es el caso de la posible sustitución de aleaciones de titanio por aleaciones de aluminio rápidamente solidificadas en aplicaciones aeroespaciales. Otro campo muy activo es el de los MCMC y MCMM, y su posible aplicación en motores, debido a su buen comportamiento a altas temperaturas y frente al desgaste. Un sector tecnológico que cada día cobra mayor importancia es el que se refiere al medio ambiente y su conservación. En lo que respecta a los materiales está claro que tanto la disponibilidad de energía como de materias primas son magnitudes finitas, y por lo tanto el ahorro de las mismas resulta económicamente rentable en muchos casos. Esta necesidad se manifiesta tanto en mejorar los procesos de fabricación que supongan un menor consumo de energía, como en aumentar la lista de los materiales reciclables. Factores que afectan a la reciclabilidad son: diseño, reconocimiento de materiales y facilidad de separación de los elementos no reciclables. En la tabla 1.1, se dan una serie de valores de la energía necesaria para la fabricación de distintos materiales metálicos a partir de materias primas (producción primaria), y su comparación con la energía necesaria para fabricar esos mismos materiales partiendo de chatarra (producción secundaria). De dicha tabla se extrae que en todos los casos la reducción de energía es considerable, llamando la atención el caso del aluminio. A lo largo de este tema se ha podido comprobar la amplitud y complejidad de la ciencia de los materiales. En principio, la fuerza impulsora que ha propiciado la aparición de numerosos materiales es satisfacer las innumerables aplicaciones que demandan cada vez propiedades más exigentes. Ello ha sido posible gracias al conocimiento científico que posibilita el diseño de materiales, con propiedades específicas, a partir de un mejor control de la microestructura que afecta directamente a dichas propiedades. La diversidad de tecnologías que entran en juego, en el mejor aprovechamiento de los materiales, hace que el conocimiento

28 28 CIENCIA Y TECNOLOGÍA DE LOS INTRODUCCIÓN MATERIALESAL CONOCIMIENTO DE MATERIALES

ENERGÍA CONSUMIDA (GJ/Tm) Metal

Producción primaria

Producción secundaria

Acero

31.1

8.7

Cobre (mena 1%)

91

13

Cobre (mena 3%)

184

37

Aluminio (de bauxita)

270

16.5

Cinc (mena 5%)

61

24

Plomo (mena 2%)

39

9

Titanio (de arena)

430

140

TABLA 1.1.

interdisciplinario sea cada vez más necesario. Hasta ahora, para adquirir una formación completa en el área de los materiales, era imprescindible recurrir a una bibliografía muy variada, debido a dicho carácter interdisciplinario. El objeto de este libro consiste en suministrar los conocimientos básicos y agruparlos de una manera ordenada.

TEMA 2 ESTRUCTURA ATÓMICA Y MOLECULAR

2.1.

INTRODUCCIÓN

Las propiedades de los materiales dependen en gran medida de su estructura. El principal objetivo de la ciencia de materiales es relacionar estructura y propiedades, tomando como base la metodología científica. Ello permite predecir propiedades en función de la estructura, y por tanto diseñar materiales con las características deseadas para su mejor utilización. Aunque el término estructura es ambiguo, en los materiales de interés tecnológico se aplica a determinadas configuraciones, que pueden ser geométricas o de cualquier otro tipo. A su vez cuando se habla de la estructura de un material es preciso especificar la escala dimensional a que se refiere dicha estructura. En la figura 2.1 se muestran las estructuras más relevantes a las distintas escalas dimensionales. Así por ejemplo, en el entorno de 10–8 m la estructura característica corresponde a los DE FECTOS CRISTALINOS.

Estructuras de ingeniería Componentes Estructuras

Log (m)

FIGURA 2.1.

1 m

2

–

-

0

–

-2

-

Macro

-

-4

–

-

-6

–

-

-8

–

-

-10 –

-12

-

Defectos Micro cristalinos

–

-

-14 –

–

-16

-

Partículas atómicas

–

Átomos

ESTRUCTURA 30 ATÓMICA MOLECULAR INTRODUCCIÓN AL CONOCIMIENTO DE MATERIALES 30

A continuación se enumeran y esbozan las principales estructuras que, con sus diferentes dimensiones, afectan al comportamiento de los materiales: Estructura atómica: se refiere a la naturaleza de las distintas partículas elementales asociadas al ·TOMO. Dentro de ellas son más importantes las partículas que se encuentran en la corteza (electrones), que las situadas en el núcleo del átomo (protones, neutrones...). Esto es así porque, en general, en los materiales tecnológicos la configuración de los electrones explica en gran medida su comportamiento. Estructura molecular: consiste en las distintas configuraciones que adoptan los átomos cuando se unen entre sí en grupos pequeños. Esta unión, salvo en el caso de los GASES NOBLES, se presenta en muchos casos de forma espontánea en la naturaleza. El parámetro más importante en la estructura molecular es el carácter de la unión que determina la intensidad de la misma. Estructura cristalina: cuando los átomos o las MOL½CULAS se unen en gran número, de forma que dan lugar a un sólido, adoptan un determinado orden espacial. Puesto que dicho ordenamiento se repite a lo largo del espacio, no son necesarios nada más que unos pocos átomos o moléculas para su descripción. Por microestructura se entiende la apariencia física de la estructura interna que adoptan los materiales a escalas para cuya observación es necesario el microscopio óptico o electrónico. Ejemplos de microestructura observables por MICROSCOPÁA ÆPTICA son el tamaño y forma de los granos, y la presencia y distribución de partículas de segunda fase. Cuando estas últimas son muy pequeñas y para otros DEFECTOS DE LA RED es preciso utilizar la MICROSCOPÁA ELECTRÆNICA DE BARRIDO o la de TRANSMISIÆN. Por último, la MACROESTRUCTURA está constituida por la morfología que presentan los materiales, observable a ojo desnudo o con la ayuda de una lupa.

2.2.

ESTRUCTURA ATÓMICA

Muchas propiedades de los materiales dependen de la naturaleza y del comportamiento de los átomos que los constituyen. Los átomos son los constituyentes básicos de la materia ya sea en ESTADO SÆLIDO o CONDENSADO (CRISTALINO o AMORFO), LÁQUIDO o GASEOSO

ESTRUCTURA 31 ATÓMICA MOLECULAR INTRODUCCIÓN AL CONOCIMIENTO DE MATERIALES 31

Esencialmente un átomo está formado por un núcleo y por la nube de electrones que lo rodea. En el núcleo se encuentran diversas partículas entre las que destacan los neutrones y los protones. El resto de partículas nucleares no se estudiarán en este libro, ya que tienen escasa influencia en las propiedades físicas y mecánicas de los materiales.

2.2.1.

Estructura electrónica

El electrón es una partícula de masa muy pequeña portadora de una carga que por definición tiene signo negativo, y de magnitud igual a 1.6 10–19 C. El electrón se comporta como si girase sobre sí mismo como una peonza, cualidad denominada spin. Este giro hace que se pueda considerar al electrón como un diminuto imán. Los electrones están situados en distintos orbitales alrededor del núcleo. Un orbital se refiere a una función matemática y puede ser interpretado como la probabilidad de encontrar al electrón correspondiente, considerado como una partícula, en un punto en torno al núcleo. En este sentido, un electrón se visualiza como una nube de electricidad cuya distribución de densidad viene dada por el orbital, mejor que por el diagrama puramente simbólico de una partícula que se mueve en torno al núcleo en una órbita definida.

Números cuánticos No todos los electrones que rodean el núcleo del átomo tienen la misma energía, de hecho la energía de los electrones aumenta a medida que se incrementa su distancia con respecto al núcleo. Ahora bien, no todas las energías, y por tanto distancias, son posibles, sino solamente un cierto número de ellas. Cuando la distribución de energías no es continua, como es este caso, se dice que están cuantificadas. El estado de un electrón viene determinado por cuatro NËMEROS denominados CU·NTICOS, los tres primeros asignan la energía y el último el sentido de giro o spin. El NËMERO CU·NTICO PRINCIPAL n puede tomar cualquier valor entero positivo y determina las capas cuánticas principales, de tal manera que los electrones situados en cada una de ellas tienen energías parecidas. A veces en vez de números, las distintas capas se designan por letras. Así, a la capa N = 1 le corresponde la letra +, a la capa N = 2 la ,, a la N = 3 la -, y así sucesivamente.

ESTRUCTURA 32 ATÓMICA MOLECULAR INTRODUCCIÓN AL CONOCIMIENTO DE MATERIALES 32

Cada capa cuántica principal está formada por subcapas cuyo número lo determina el NËMERO CU·NTICO AZIMUTAL L y el NËMERO CU·NTICO MAG N½TICO ML. Los números cuánticos azimutales toman los valores L = 0, 1, 2, ...., N – 1 y se simbolizan por las letras minúsculas siguientes: S para L = 0, P para L = 1, D para L = 2 y F para L = 3. Los números cuánticos magnéticos indican los diferentes niveles de energía dentro de cada subcapa. Su número dentro de cada subcapa L es de 2L + 1 y se simbolizan por números enteros entre –L y +L. Por ejemplo, en la capa L, es decir N = 2, hay dos subcapas o tipos de orbitales, los S para L = 0 y los P para L = 1. A su vez en el orbital s hay un único nivel de energía con ML = 0 mientras que para L = 1 hay tres tipos de orbitales P que corresponden a ML = –1, 0, +1. Por tanto, en la capa L hay un total de cuatro niveles de energía posibles u orbitales. Por último, el número cuántico de spin, Ms, asigna dos estados posibles dentro de cada nivel de energía, cada uno de ellos con un sentido de giro, que son ms = ± 1/2. Por lo tanto, en cada uno de los cuatro orbitales hay dos estados, lo que implica un total de ocho estados diferentes. De acuerdo con el PRINCIPIO DE EXCLUSIÆN DE 0AULI , no puede haber más de un electrón con los mismos números cuánticos, por lo que cada estado puede estar ocupado como máximo por un electrón. Este principio implica que la capacidad máxima de las capas +, , y - será de dos, ocho y dieciocho electrones respectivamente. Es decir, el número total de estados en cada capa N es de 2N2 y en cada orbital S P D y F, habrá 2, 6, 10 y 14 estados respectivamente.

Configuración electrónica La CONFIGURACIÆN ELECTRÆNICA de los elementos se expresa de forma abreviada de acuerdo con la notación que a modo de ejemplo se aplica al aluminio: El aluminio tiene trece electrones que ocupan los trece estados con menor energía, llenándose primero la capa +, y luego la ,, la -, y por último la .. En la capa + (N = 1) que es la de menor energía, caben dos electrones en el orbital S. En la capa , (N = 2) cabrían 2 × 22 = 8 electrones, de los cuales dos están en el orbital S y seis en los orbitales P. Por último, en la tercera capa, - (N =3 ), estarán situados el resto de los electrones, dos en el orbital S y uno en el P. La configuración electrónica del aluminio se escribe en forma abreviada del siguiente modo: 1S2, 2 S 2 2 P 6, 3 S 2 3 P 1 .

ESTRUCTURA 33 ATÓMICA MOLECULAR INTRODUCCIÓN AL CONOCIMIENTO DE MATERIALES 33

En la tabla 2.1 se presenta, en notación abreviada, la configuración electrónica de los elementos más representativos. Se puede observar que, en algunos casos, se ocupan orbitales de las capas superiores sin haberse completado las anteriores. Por ejemplo en el Fe, antes de completar el orbital 3D los electrones ocupan el orbital 4S. Este efecto se debe al solapamiento de los niveles de energía entre las capas - y . que hace que los estados 4S tengan una energía menor que algunos orbitales 3D, dando lugar a que se ocupen primero aquellos que son menos energéticos. Los elementos que presentan este comportamiento se denominan elementos de transición. CONFIGURACIÓN ELECTRÓNICA DE ELEMENTOS 1

H

Is

2

He

Is2

3 4 5 6 7 8 9 10

Li Be B C N O F Ne

[He]

2s 2s2 2s2 2p 2s2 2p2 2s2 2p3 2s2 2p4 2s2 2p5 2s2 2p6

11 12 13 14 15 16 17 18

Na Mg Al Si P S Cl Ar

[Ne]

3s 3s2 3s2 3p 3s2 3p2 3s2 3p3 3s2 3p4 3s2 3p5 3s2 3p6

19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30

K Ca Sc Ti V Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn

[Ar]

4s 4s2 3d 4s2 3d2 4s2 3d3 4s2 3d5 4s 3d5 4s2 3d6 4s2 3d7 4s2 3d8 4s2 3d10 4s 3d10 4s2

ESTRUCTURA 34 ATÓMICA MOLECULAR INTRODUCCIÓN AL CONOCIMIENTO DE MATERIALES 34

31 32 33 34 35 36

Ga Ge As Se Br Kr

37 38 39 40 41 42

Rb Sr Y Zr Nb Mo

43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54

Tc Ru Rh Pd Ag Cd In Sn Sb Te I Xe

3d10 3d10 3d10 3d10 3d10 3d10 [Kr]

4s2 4p 4s2 4p2 4s2 4p3 4s2 4p4 4s2 4p5 4s2 4p6

5s 5s2 4d 5s2 4d2 5s2 4d4 5s 4d5 5s 4d6 5s 4d7 5s 4d8 5s 4d10 4d10 5s 4d10 5s2 4d10 5s2 5p 4d10 5s2 5p2 4d10 5s2 5p3 4d10 5s2 5p4 4d10 5s2 5p5 4d10 5s2 5p6

TABLA 2.1.

2.2.2.

Estructura nuclear

Como ya se indicó con anterioridad, el núcleo de un átomo consiste básicamente en un conjunto de protones y neutrones. El protón es una partícula que posee una masa de 1.673 10–24 g, que es 1.836 veces superior a la del electrón y está dotado de una carga de igual magnitud que la del electrón pero con signo positivo. El neutrón es una partícula con una masa de 1.675 10–24 g, un poco superior a la del protón, y no posee carga eléctrica. Por lo tanto, la masa del átomo está concentrada en el núcleo. El número de protones en el núcleo de un átomo estable es igual al de electrones, lo que hace que el átomo sea eléctricamente neutro. El número de electrones de un elemento puede variar dependiendo del ESTADO DE IONIZACIÆN. El número de neutrones también puede variar entre átomos del mismo elemento, lo que da lugar a la existencia de distintos ISÆTOPOS, cada uno de ellos con una masa diferente. Por tanto, aun siendo la masa atómica un parámetro importante, es el número de protones, denominado

ESTRUCTURA 35 ATÓMICA MOLECULAR INTRODUCCIÓN AL CONOCIMIENTO DE MATERIALES 35

«número atómico» y designado con la letra :, el único parámetro que permanece invariable, razón por la que se elige como parámetro característico de cada elemento. La masa atómica, -, se suele expresar como la masa de un mol del elemento, es decir la masa en gramos de 6.023 1023 átomos o moléculas, conocido como número de Avogadro, .!. La unidad atómica de masa, uam = 1.66 10–24 g, es el inverso de . !, y multiplicada por el número que define la masa atómica del átomo en cuestión, -, da la masa de un átomo en gramos. La fuerza que mantiene confinados en el núcleo a los nucleones (protones y neutrones) no puede ser de tipo electromagnético, puesto que esta tiende a repeler cargas de igual signo, ni de tipo gravitatorio que es muy débil y de largo alcance. La fuerza responsable de la unión entre protones es la denominada FUERZA NUCLEAR que tiene la particularidad de atraer cargas de igual signo cuando estas se encuentran muy cerca, (~10-13 cm); es decir, se trata de una fuerza muy intensa y de muy corto alcance.

2.2.3.

La tabla periódica

Como ya se ha visto en la tabla 2.1, la propia configuración electrónica permite ordenar los distintos elementos en función de su número atómico Z. No obstante, basado en esta misma configuración electrónica, pueden ordenarse los elementos de tal manera que además tenga en cuenta ciertos aspectos de su comportamiento. El resultado es la denominada tabla periódica que se presenta en la tabla 2.2. En esta tabla se incorporan como datos significativos de cada elemento, el número atómico (parte superior) y la masa atómica (debajo del símbolo). En dicha tabla, las líneas horizontales o períodos, de las columnas IA a VIIA corresponden a las capas cuánticas. Por ejemplo, todos los elementos del segundo período (es decir el Li, Be, B, C, N, O, F y Ne) tienen electrones en las dos primeras capas (+ y ,), mientras que los del tercer período tienen electrones en las tres primeras capas (+ , y -). Las columnas, o grupos, se refieren al número de electrones que hay en el nivel más externo, situados en orbitales S y P, que da la valencia del elemento. Así, los elementos de la primera columna tienen un único electrón en la última capa, el Li: 2S1, el Na: 3S1, el K: 4S1.... tal y como puede comprobarse revisando la configuración electrónica presentada en la tabla 2.1. Para los elementos de las columnas IIIB a IIB es algo más complicado, pues comprenden los elementos de transición cuya ocupación electrónica de las capas ya se ha comentado al final del apartado 2.2.1.

INTRODUCCIÓN AL CONOCIMIENTO DE MATERIALES

IA

0

1

2

H

He IIA

1,007 3

IIIA

4

Li

5

6

VA 7

VIA 8

VIIA 9

4,003 10

Be

B

C

N

O

F

Ne

6,939

9,012

10,81

12,01

14,00

15,99

19,00

20,18

11

12

13

14

15

16

17

18

Na

Mg

22,99

24,31

19

20

Al IIIB 21

IVB 22

VB 23

24

25

26

44,96

47,90

50,94

52,00

54,94

55,85

58,83

37

38

39

40

41

42

43

44

45

85,47

87,62

55

56

Cs

Ba

132,9

137,3

87

88

Fr

88,90

Nb

Mo

91,22

92,91

95,94

72

73

74

Hf

Tc

Fe

IB 28

40,08

Zr

Mn

27

39,10

Y

Cr

VIIIB

Sc

Sr

V

VIIB

Ca

Rb

Ti

VIB

K

223

Co

Ni

29

IIB 30

33

34

35

36

74,92

78,96

79,90

83,80

46

47

48

49

50

51

52

53

54

75

76

77

78

79

80

60

32 72,59

112,4

59

31 79,72

107,8

58

39,94

65,37

106,4

57

35,45

63,54

102,9

186,2

32,06

58,71

101,1

183,8

30,97

Se

98,00

180,9

28,09

As

Cd

178,5

Ar

26,98

Ge

Ag

Os

Cl

Ga

Pd

Re

S

Zn

Rh

W

P

Cu

Ru

Ta

Si

Ir

Pt

190,2

192,2

61

62

In

Br

Sn

Sb

Te

114,8

118,7

121,7

127,6

126,9

131,3

81

82

83

84

85

86

Tl

Pb

Bi

Po

I

Kr

At

Xe

Au

Hg

195,1

196,9

200,6

204,3

207,2

208,9

210,0

210,0

222,0

Rn

63

64

65

66

67

68

69

70

71

Ra 226

Serie Lantánida

Serie Actínida

36

IVA

La

Ce

Pr

Nd

Pm

Sm

Eu

Gd

Tb

Dy

Ho

Er

Tm

Yb

Lu

138,9

140,1

140,9

144,2

147,0

150,3

152,0

157,2

158,9

162,5

164,9

167,2

168,9

163,0

174,9

89

90

91

92

93

94

95

96

97

98

99

100

101

102

103

Ac

Th

Pa

U

Np

Pu

Am

Cm

Bk

227,0

232,0

231,0

238,0

237,0

242,0

243,0

247,0

247,0

TABLA 2.2.

Cf 251,0

Es 254,0

Fm

Md

No

Lw

253,0

256,0

257,0

260,0

ESTRUCTURA 37 ATÓMICA MOLECULAR INTRODUCCIÓN AL CONOCIMIENTO DE MATERIALES 37

2.2.4.

ELECTRONES DE VALENCIA

Se denominan electrones de valencia a los electrones situados en la última capa, que siempre están en los orbitales S y P. Como en el orbital s caben dos electrones y seis en el orbital P, quiere decir que el número de electrones de valencia variará entre uno y ocho. En la interacción entre los distintos átomos juegan un papel muy importante los electrones externos o de valencia, ya que al ser los electrones menos ligados al átomo serán más fáciles de intercambiar. Por lo tanto, en el comportamiento de los electrones de valencia residen muchas de las propiedades básicas de los materiales. Algunos átomos poseen una configuración electrónica estable, es decir, la última capa, correspondiente a los electrones de valencia, se encuentra completa. Normalmente esta configuración equivale a tener ocho electrones en la última capa, distribuidos en los orbitales S y P. En esta situación se encuentran los gases nobles, excepto el helio que tiene sólo dos electrones 1S, lo que da lugar a que tales elementos no reaccionen químicamente con otros átomos, por lo que se les considera inertes a todos los efectos. El resto de los elementos tienden a completar la última capa. Para ello, dependiendo de los electrones de valencia que tengan, en unos casos les resulta más fácil aceptar electrones y en otros perderlos. Por ejemplo, el aluminio tiene 3 electrones en la tercera capa, es decir 3 electrones de valencia, resultándole más fácil ceder esos tres electrones y quedarse con la segunda capa completa, que ganar 5 para completar la tercera. Este es el caso general de los metales, en los que se produce ionización positiva. La reacción por la que sucede este proceso de pérdida de electrones se llama de oxidación. Por el contrario, el oxígeno tiene 6 electrones en la última capa, dos en el orbital S y cuatro en el P, resultándole más fácil ganar dos electrones para completar su última capa, quedando ionizado negativamente. El proceso correspondiente se llama de reducción. Algunos elementos del grupo IVA pueden aceptar o ceder electrones, como sucede con el C, Si y Ge, ya que poseen cuatro electrones en la última capa. La capacidad de un átomo para aceptar electrones se cuantifica mediante un parámetro denominado ELECTRONEGATIVIDAD, que se mide en una escala arbitraria entre 0 y 4.1. Los elementos menos electronegativos son los metales alcalinos (Li, Na y K), ya que tienen la última capa casi

ESTRUCTURA 38 ATÓMICA MOLECULAR INTRODUCCIÓN AL CONOCIMIENTO DE MATERIALES 38

vacía, mientras que los más electronegativos son los que tienen la última capa casi llena, como el F, O y N tal y como se puede observar en la figura 2.2. Este parámetro es muy importante a la hora de formar un enlace iónico, y en todos aquellos procesos en los que se produce corrosión electroquímica. Generalmente, la electronegatividad aumenta de izquierda a derecha, y de abajo hacia arriba en la tabla periódica.

F 4 –

Cl N 3 –

S C H

Br Se

Si

As

Ga

Be

Ge

Mg Al

Li Ca

IV A

V A

VI A

VII A –

III A

–

II A

–

–

K I A

–

Na

–

1 –

P

B

2 –

–

Electronegatividad

O

Posición tabla periódica

FIGURA 2.2.

2.3.

ESTRUCTURA MOLECULAR

Hasta ahora, se han visto algunas propiedades de los átomos considerados como partículas libres. No obstante, excepto los denominados gases nobles, los átomos no suelen presentarse como partículas aisladas, sino formando grupos más o menos grandes llamados «moléculas». Ello se debe a que aquellos átomos que tienen su última capa incompleta tienden a llenarla a través de la unión con otros átomos, merced a las fuerzas interatómicas que operan entre ellos. Estas fuerzas interatómicas, ya sean atractivas o repulsivas, son de tipo electrostático. Las fuerzas repulsivas tienen su origen en las FUERZAS ELECTROST·TICAS que operan entre cargas de igual signo. Así, los núcleos al estar cargados positivamente tenderán a repelerse, sucediendo lo mismo entre las nubes electrónicas de los distintos átomos. Por otro lado existen fuerzas de atracción, puesto que

ESTRUCTURA 39 ATÓMICA MOLECULAR INTRODUCCIÓN AL CONOCIMIENTO DE MATERIALES 39

los electrones de un átomo tenderán a atraer la carga positiva encerrada en el núcleo de otro átomo, y viceversa.

Repulsión Fuerza F Atracció

En la figura 2.3a, se muestran de modo esquemático con líneas de puntos las fuerzas atractivas, &!, y repulsivas, &2, con línea continua la suma de ambas que da la fuerza neta resultante, &, para dos átomos, en función de la distancia R que los separa. En la figura 2.3b, se representa la energía potencial, 5, del sistema en función de la separación interatómica (donde 5! es la componente atractiva y 52 la repulsiva). Como se trata de FUERZAS CONSERVATIVAS se cumple que & = –grad 5 = – D5/DR para el caso unidireccional. A grandes distancias, la fuerza de atracción domina sobre la de repulsión, aunque la magnitud de la fuerza neta sea muy pequeña. A medida que se acercan los átomos aumenta la fuerza neta de atracción, disminuyendo paulatinamente la energía potencial. Para R < R0 los orbitales de ambos átomos se solapan y la fuerza de repulsión aumenta muy rápidamente, dominando a la fuerza atractiva. Cuando la distancia entre ambos átomos es R = R0 la fuerza neta es cero, la energía potencial toma un valor mínimo 50 y corresponde a la configuración más estable del sistema, denominándose distancia de equilibrio. (a) FA

rO 0 Separación interatómica r F FR

Energía potencial U

(b) UR

Separación interatómica r 0 UO

U

UA

FIGURA 2.3.

ESTRUCTURA 40 ATÓMICA MOLECULAR INTRODUCCIÓN AL CONOCIMIENTO DE MATERIALES 40

2.3.1.

Estados de la materia

Además de las fuerzas electrostáticas, existen otros factores que influyen en la distancia de equilibrio, como es el caso de la temperatura. En un gas, donde la temperatura es relativamente alta, la energía cinética de los átomos es tan grande frente a la energía potencial, que los átomos tienden a separarse entre sí. Así, en caso de colisión se separarán, debido a la fuerza repulsiva existente a distancias cortas. Al bajar la temperatura, la energía cinética de los átomos disminuye y las fuerzas de atracción empiezan a cobrar importancia, hasta que llega un momento, a temperaturas suficientemente bajas, en que la energía cinética es insuficiente para apartar los átomos que han colisionado. En ese momento el gas se condensa dando lugar al estado líquido. A temperaturas aún más bajas, donde la activación térmica es prácticamente despreciable frente a la fuerza atractiva, los átomos se inmovilizan en lugares fijos formando un sólido. De todas maneras, aun en estado sólido los átomos están animados de pequeños movimientos de vibración en torno a la posición de equilibrio, excepto cuando se alcanza la temperatura del cero absoluto en la que los átomos están realmente inmóviles.

2.3.2.

Tipos de enlace interatómico

Los materiales de interés tecnológico, normalmente, se utilizan en estado sólido, en el cual la separación entre los átomos viene determinada por la distancia de equilibrio. Ahora bien, la energía de cohesión (representada en la figura 2.3b por 50), que depende como se ha visto de las fuerzas electrostáticas, varía de un elemento a otro en función del balance de dichas fuerzas. Esta variación se debe a las distintas configuraciones electrónicas posibles, y a características estructurales de los distintos átomos. La configuración electrónica es determinante, puesto que como ya se ha indicado anteriormente, los átomos tienden a completar la última capa, tendencia que marcará los distintos tipos de uniones.

Enlace metálico Este tipo de enlace tiene lugar en elementos que poseen menos de cuatro electrones en la última capa, es decir en los electropositivos, de tal forma que cuando se unen los átomos, estos ceden sus electrones de

ESTRUCTURA 41 ATÓMICA MOLECULAR INTRODUCCIÓN AL CONOCIMIENTO DE MATERIALES 41

valencia al conjunto del sólido. Estos electrones de valencia forman un gas de electrones que es compartido por todos los átomos, a modo de pegamento entre ellos, dando lugar a un enlace que no es direccional y a que los electrones pudan moverse fácilmente en el seno del sólido. Estas dos características hacen que los metales posean una buena conductividad eléctrica y posibilita, junto con el tipo de estructura cristalina que se verá más adelante, su deformación plástica. Las energías de enlace de los metales dependen del número de electrones de valencia cedidos al gas electrónico. Así, las energías de enlace de los metales alcalinos (grupo 1A) son relativamente bajas, del orden de 100 KJ/mol, y aumenta para aquellos elementos que ceden más electrones, sobre todo para los metales de transición en los que además intervienen orbitales tipo D, que poseen una energía de enlace en torno a los 400 KJ/mol. En la tabla 2.3 se muestran los valores de la energía de enlace de algunos metales. En dicha tabla se puede apreciar que la temperatura de fusión tiende a crecer conforme lo hace la energía de enlace. Tipo de enlace

Material

Energía de enlace (KJ/mol)

Temperatura de fusión (°C)

Iónico

NaCl MgO

540 1000

801 2800

Covalente

Si C (diamante)

450 713

1410 >3550

Metálico

Hg Al Fe W

68 324 406 849

-39 660 1538 3420

Van-der-Waals

Ar

35

-189

TABLA 2.3.

Enlace covalente Este tipo de enlace ocurre preferentemente entre elementos con electronegatividad parecida, situados en zonas próximas de la tabla periódica. Ello es debido a que los átomos involucrados comparten al menos un electrón de la última capa, con el fin de que cada átomo alcance la configuración estable de ocho electrones en la última capa. Cada uno de los

ESTRUCTURA 42 ATÓMICA MOLECULAR INTRODUCCIÓN AL CONOCIMIENTO DE MATERIALES 42

electrones de valencia perteneciente a un átomo puede ser compartido como máximo con otro átomo, y se considera que pertenece a ambos. Dependiendo del número de electrones compartidos entre cada pareja de átomos, el enlace puede ser sencillo o múltiple. Un enlace covalente sencillo es el único posible en aquellos elementos que poseen siete electrones en la última capa, como es el caso del flúor. En este caso, cada átomo de flúor comparte un electrón 2P con otro átomo de flúor, de manera que cada uno de ellos se rodea de ocho electrones. Cuando un elemento tiene seis electrones en la última capa, como es el caso del oxígeno, puede formarse una molécula diatómica con enlace covalente, en la que cada átomo comparte dos electrones con otros dos del vecino a través de un enlace doble. Igualmente, puede haber enlaces triples para moléculas diatómicas formadas por átomos con cinco electrones en la última capa. En el caso del carbono que tiene cuatro electrones en la última capa, cada átomo puede rodearse de otros cuatro átomos de carbono compartiendo con cada uno de ellos un enlace simple. El enlace doble se formaría cuando cada átomo de carbono se rodea de otros dos. En general, la energía del enlace crece conforme lo hace su multiplicidad. Así, para el enlace de dos átomos de carbono la energía varía entre 370 KJ/mol para el enlace sencillo y 890 KJ/mol para el enlace triple. De entre las distintas posibilidades que se han visto, las más interesantes desde el punto de vista de la ingeniería son las que posibilitan los materiales en estado sólido, como son los formados por C, Si y Ge, o los compuestos sólidos formados por elementos situados más bien a la derecha de la tabla periódica, como el GaAs y el SiC. También son muy importantes los enlaces en los que, además de participar el carbono, también lo hace el hidrógeno, pues constituyen la base de los materiales poliméricos. La energía del enlace covalente en función de la distancia R, se puede describir con la siguiente ecuación empírica:

5 = – !/RM + "/RN

con M < N

[2.1]

donde !, ", M, y N son constantes, correspondiendo el primero y el segundo término a la parte atractiva y repulsiva respectivamente. En general, puede afirmarse que las energías del enlace covalente son apreciablemente superiores a las correspondientes del metálico, como consecuencia del carácter direccional y localizado del primero. El enlace covalente es muy fuerte y tiene un alto carácter direccional, pues está muy localizado en la dirección en que se comparten los electrones, e implica que los átomos deben acomodarse de una manera

ESTRUCTURA 43 ATÓMICA MOLECULAR INTRODUCCIÓN AL CONOCIMIENTO DE MATERIALES 43

geométrica determinada. Este tipo de unión da lugar a materiales con poca ductilidad, ya que debido al alto orden del enlace covalente, no resulta posible un acomodo con las fuerzas exteriores mediante un proceso de DEFORMACIÆN PL·STICA, por lo que cuando se alcanza la tensión necesaria para romper el enlace en estos materiales, se produce una RO TURA FR·GIL por descohesión. Además, al estar los electrones localizados no pueden moverse por el interior del sólido, lo que hace que su conductividad eléctrica sea baja. Muchos materiales cerámicos y poliméricos tienen enlaces de carácter covalente y suelen ser buenos aislantes eléctricos y caloríficos.

Enlace iónico El enlace iónico sólo puede ocurrir entre elementos diferentes, uno de ellos electronegativo y el otro electropositivo. En este tipo de enlace, el elemento electropositivo tiene pocos electrones en la última capa y los cede (quedándose por tanto con la última capa completa) al elemento electronegativo, que con esos electrones completa su última capa. Por ejemplo en el cloruro sódico, el sodio que tiene un electrón en la última capa (3S1) lo cede al átomo de cloro, que sumado a los siete electrones que posee en la última capa (3S23P5) hacen los ocho necesarios para completarla. La parte atractiva de la energía de interacción entre dos iones se puede describir a partir de la ,EY DE #OULOMB para interacción entre cargas. Para ello se considera a cada ión como una partícula con la carga correspondiente a la del estado ionizado. La parte repulsiva se aproxima a una expresión parecida a la del caso del enlace covalente. Así la energía de interacción en función de la distancia R, se puede escribir como:

5 = – (:1 :2 E2)/4

0

R + " RN

[2.2]

donde E es la carga del electrón, :1 y :2 son el número de electrones de valencia de cada átomo que participan en el enlacen, y " y N constantes. Comparando esta expresión con la [2.1] se aprecia que la diferencia fundamental entre ambas es la dependencia de r con la parte atractiva, que hace que esta componente sea mayor en el caso del enlace iónico. Por tanto, las energías del enlace iónico son aún mayores que las del covalente. En el enlace iónico, el empaquetamiento de los iones para formar un sólido se realiza sin orientación preferente, puesto que la interacción electrostática tiene simetría esférica y no es direccional. La única restricción al empaquetamiento es que debe poseer una estructura que mantenga la neutralidad de la carga.

ESTRUCTURA 44 ATÓMICA MOLECULAR INTRODUCCIÓN AL CONOCIMIENTO DE MATERIALES 44

Como los portadores de carga son los propios iones, la conductividad eléctrica está controlada por procesos difusionales. Por tanto, la conductividad eléctrica es muy inferior a la correspondiente al enlace metálico, y al contrario que este último, aumenta con la temperatura. Además son frágiles, pues la deformación plástica exigiría romper localmente el equilibrio eléctrico entre los iones. En general, el enlace de un material es mixto, teniendo caracteres parciales de los tres tipos de enlace. Por ejemplo el silicio y el germanio, aunque son básicamente covalentes, participan de alguna manera del enlace metálico.

Enlace de Van der Waals Los tres tipos de enlace que se han discutido hasta ahora son los más importantes en los materiales tecnológicos, pues son los enlaces más fuertes. No obstante, también resulta de interés conocer los fundamentos de otro tipo de enlace de carácter mucho más débil que los anteriores, pero que ayuda a entender el comportamiento de algunos materiales poliméricos. La fuerza de Van der Waals se basa en la atracción dipolar entre átomos neutros. Aunque la carga total de un átomo sea cero, puede que su distribución espacial no sea simétrica, de tal forma que no coincidan el centro de gravedad de las cargas negativas y positivas. En este caso, se crea un MOMENTO DIPOLAR que al inducir otro momento dipolar en un átomo próximo, hace que ambos átomos se atraigan. Como los dipolos se atraen con una dependencia de 1/R6 , la energía de interacción de Van der Waals será:

5 = – ! R6 + " RN

con N ~12

[2.3]

donde ! y " son constantes. Como puede observarse, de la dependencia de la parte atractiva con la distancia, este enlace es, con mucho, el más débil de todos los estudiados, pero es muy importante en el caso de los polímeros, ya que sirve de unión entre las distintas cadenas poliméricas.

TEMA 3 ESTRUCTURA DE LOS SÓLIDOS

3.1.

INTRODUCCIÓN

El carácter del enlace, estudiado en el tema anterior, tiene una influencia decisiva en el comportamiento final de los sólidos. No obstante, el modo en que se empaquetan los átomos y moléculas al formar un sólido, es también determinante para explicar ciertas propiedades, como por ejemplo las mecánicas. En general, dicho empaquetamiento se produce con un cierto grado de orden que puede ser de largo o de corto alcance. El orden de corto alcance se produce cuando moléculas más o menos complejas que poseen un alto orden interno, se unen entre sí de forma aleatoria. En este caso suele hablarse de que el sólido tiene estructura molecular, pudiendo adoptar distintas configuraciones. Una estructura molecular se puede definir como grupos, cada uno de ellos formado por un número limitado de átomos unidos entre sí por fuertes enlaces iónicos o covalentes de manera ordenada, cuyos enlaces con otros grupos o moléculas de átomos similares son relativamente débiles, semejantes a las fuerzas de Van der Waals, y por tanto sin orden de unión entre los grupos. Este tipo de estructuras se verá con más detalle en los temas dedicados a los materiales cerámicos y poliméricos. El orden de largo alcance tiene lugar cuando, además del orden interno entre los átomos que integran cada una de las moléculas, estas se ordenan dando lugar a una configuración repetitiva en el espacio. El orden de largo alcance hace mínima la energía del sólido y es típico de los metales y de ciertos materiales cerámicos y poliméricos.

ESTRUCTURA 46 DE LOS SÓLIDOS INTRODUCCIÓN AL CONOCIMIENTO DE MATERIALES 46

A este tipo de ordenamiento, en el que una secuencia básica se repite a lo largo de todo el sólido, se le denomina estructura cristalina y a los materiales que la poseen cristales.

3.2.

TIPOS DE ESTRUCTURAS CRISTALINAS

Cada estructura cristalina tiene asociada una red espacial, que es un conjunto regular y periódico de puntos reticulares. Una estructura cristalina está constituida por una red espacial, de manera que en cada punto reticular, o de la red, se sitúan grupos de átomos idénticos, tanto en composición atómica como en orientación. Este grupo de átomos, que a modo de molécula se repite en cada punto reticular, se denomina base. Por tanto, una estructura cristalina está constituida por la suma de la red espacial y la base. El número de redes espaciales posibles no es infinita, puesto que su geometría debe ser capaz de llenar todo el espacio sin dejar huecos. Por ejemplo, en dos dimensiones las únicas redes que llenan el plano son las que tienen simetría triangular o cuadrada. En tres dimensiones, se puede demostrar que solo existen siete sistemas cristalinos independientes posibles, que dan lugar a catorce redes, denominadas redes de Bravais. En la figura 3.1 se representan las celdas unitarias correspondientes a las catorce redes de Bravais, es decir las entidades que, siendo la menor subdivisión de la red, retienen las características generales de la misma. En dicha figura cada punto reticular está señalado con un pequeño círculo lleno. En la tabla 3.1 se dan los PAR·METROS DE LA RED necesarios para describir los distintos sistemas cristalinos, que definen el tamaño y la forma de cada CELDA UNITARIA. En el sistema cúbico, el único parámetro de la red necesario para describir la celda es el lado del cubo, mientras que en el hexagonal son necesarios dos parámetros. Estos dos sistemas son los más importantes, ya que la mayoría de los materiales de interés tecnológico poseen una de estas dos estructuras. No obstante, la estructura más abundante no es la hexagonal, sino la denominada hexagonal compacta (HC), en la que aparece otro átomo situado en el centro del prisma, de base romboidal destacado en la figura 3.1, de manera similar al cambio que se produce al pasar del tetragonal simple al centrado en el cuerpo. En los metales, la estructura de la base suele estar constituida por un solo átomo, por lo que el número de átomos coincide con el de puntos reticulares. En estructuras más complicadas, como sucede con

ESTRUCTURA 47 DE LOS SÓLIDOS INTRODUCCIÓN AL CONOCIMIENTO DE MATERIALES 47

los compuestos intermetálicos en estado ordenado y con los materiales cerámicos, en cada punto reticular o de la red pueden disponerse bastante átomos, correspondientes a la base, formando celdas unitarias muy complejas. Por ejemplo el compuesto Ni3Al representado en la figura 6.2 tiene estructura cúbica simple, con una base constituida por un átomo de Al en cada vértice y los tres de Ni situados en el centro de las tres caras

Cúbica simple (CS)

Cúbica centrada en las caras (CCC)

Cúbica centrada en el cuerpo (CC)

Tetragonal simple

Tetragonal centrada en el cuerpo

Hexagonal

Ortorrómbica simple

Romboédrica

Ortorrómbica centrada en el cuerpo

Ortorrómbica centrada en las bases

Ortorrómbica centrada en las caras

Monoclínica simple

Monoclínica centrada en las bases

Triclínica

FIGURA 3.1.

ESTRUCTURA 48 DE LOS SÓLIDOS INTRODUCCIÓN AL CONOCIMIENTO DE MATERIALES 48

que intersectan el vértice. Si el Ni3Al estuviese en estado desordenado, es decir que los átomos de Al y de Ni pudiesen ocupar cualquier posición, bien en vértices o en centros de las caras, la estructura sería cúbica centrada en las caras con una base sencilla, constituida por un átomo, bien de Al con una probabilidad del 25% o de Ni con una probabilidad 75%. CARACTERÍSTICAS DE LOS SISTEMAS CRISTALINOS Estructura

Ejes

Ángulos

Cúbica

a=b=c

=

=

= 90°

Tetragonal

a=b&c

=

=

= 90°

Ortorrómbica

a&b±c

=

=

= 90°

Hexagonal

a=b&c

Romboédrica

a=b=c

=

=

Monoclínica

a&b&c

=

= 90° &

Triclínica

a&b&c

&

&

=

= 90º,

= 120° & 90°

& 90°

TABLA 3.1.

3.3.

ÍNDICES DE MILLER

Muy frecuentemente es necesario identificar determinados planos y direcciones en un cristal. El conjunto de números que se utiliza para identificar los distintos planos y direcciones se conoce con el nombre de índices de Miller. Por definición, los índices de Miller de un plano son los valores recíprocos de las intersecciones de dicho plano con los tres ejes principales del sistema cristalino, medidos en unidades de parámetros de red. Suponiendo un sistema cristalino cualquiera, con parámetros de red A B y C, para el cálculo de un plano del mismo se procede como sigue, de acuerdo con el ejemplo de la figura 3.2. I)

Se calculan los valores de la intersección del plano con los ejes X Y Z expresándolos en unidades de los parámetros de red a lo largo de cada eje. En este caso dichas intersecciones son: X = 2, Y = 1, Z = 3.

Cuando una de las intersecciones pasa por el origen de coordenadas, debe desplazarse el plano de intersección de forma que no haya ninguna intersección con el origen.

ESTRUCTURA 49 DE LOS SÓLIDOS INTRODUCCIÓN AL CONOCIMIENTO DE MATERIALES 49

Z

c

a b Celda unidad Y

X

FIGURA 3.2.

iII)

Se toman los valores recíprocos de dichas intersecciones que en el ejemplo serían: 1/2, 1, 1/3.

III)

Se calcula el mínimo común múltiplo de las intersecciones con el fin de obtener los enteros más pequeños que guarden la misma relación. En el ejemplo anterior, dichos números serían (3, 6, 2) que representarían los índices de Miller del plano.

Estos índices no sólo representan el plano en cuestión sino a todos los planos paralelos al mismo. Las direcciones a través del cristal también pueden especificarse por medio de unos índices que dan las coordenadas de un punto situado sobre la línea que, pasando por el origen, es paralela a la dirección que se quiere especificar. Para distinguir los índices que definen una dirección de los que definen un plano, se escriben los primeros entre corchetes, [ ], y los últimos entre paréntesis, ( ). Las familias de direcciones y planos equivalentes se representan encerradas dentro de paréntesis angulares < > y llaves { }, respectivamente. Los índices de los planos y direcciones suelen elegirse de manera que sean los más pequeños posibles. En la figura 3.3 se pueden observar algunos ejemplos de planos en el sistema cúbico, mientras que en la figura 3.4 se muestran las direcciones más importantes de este sistema. La principal virtud de los índices de Miller radica en que simplifican notablemente la notación de la denominada RED RECÁPROCA, cuyo estudio se sale de los objetivos de este libro. No obstante, conviene resaltar dos

ESTRUCTURA 50 DE LOS SÓLIDOS INTRODUCCIÓN AL CONOCIMIENTO DE MATERIALES 50

Z

Z

Z

Y X X

(100)

Y

Y

X

X

(200)

Z

(001)

Z

Y

Y

X (110)

Y

(010)

Z

X

Z

Y X

(111)

(212)

FIGURA 3.3. Z [001] Z = 1 [011] [101] [111]

[010] Y = 1

Y

X = 1 [100] X

[110]

FIGURA 3.4.

importantes particularidades muy útiles, asociadas a los índices de Miller en el sistema cúbico: I) Las direcciones [H K L ] son siempre perpendiculares a los planos con los mismos índices (H K L).

ESTRUCTURA 51 DE LOS SÓLIDOS INTRODUCCIÓN AL CONOCIMIENTO DE MATERIALES 51

II) La distancia interplanar de los planos (H K L ), que se escribe DHKL , es inversamente proporcional a la suma de los cuadrados de los índices ( H 2 + K 2 + L 2 ). En concreto se cumple que

DHKL =

A H + K2 + L2 2

, donde A es el parámetro de la red. De esta

fórmula, se deduce que los planos con menores índices son los más separados. Relacionado con la distancia interplanar, existe otro parámetro de interés denominado COMPACIDAD o grado de empaquetamiento de los átomos situados en un plano. Desde el punto de vista puramente geométrico, en general se cumple que los planos cuyos átomos están dispuestos de una manera más compacta son los que tienen una mayor separación interplanar. En el ejemplo de la figura 3.5, se observa que en el caso (a), al tener un grado de compacidad superior al caso (b), su distancia interplanar es mayor. En la estructura cúbica centrada en las caras (CCC) y en la hexagonal compacta (HC), los planos más compactos son respectivamente los (111) y los basales (planos que corresponden a las bases del prisma de la figura 3.1). Dichos planos resultan de empaquetar esferas del mismo tamaño en la forma más compacta posible, es decir que cada esfera se encuentre en contacto con seis esferas adyacentes, denominados próximos vecinos. Geométricamente, esta disposición da lugar a una red bidimensional de simetría hexagonal (cuya celda unidad es en realidad triangular). Una vez configurado este primer plano existen dos maneras alternativas de colocar los planos sucesivos.

d1

(a)

d2

(b)

FIGURA 3.5.

ESTRUCTURA 52 DE LOS SÓLIDOS INTRODUCCIÓN AL CONOCIMIENTO DE MATERIALES 52

En el sistema CCC, las esferas de los sucesivos planos se van colocando en los huecos existentes en el anterior con una disposición que se repite cada tres planos, tal y como se muestra en la figura 3.6. En esta figura se observa que las esferas de la capa 4 están colocadas exactamente encima de las esferas de la capa 1. Llamando con las letras A, B, y C las configuraciones de las capas 1, 2, y 3, la secuencia de apilamiento de los planos se puede representar, de manera simplificada, como ABCABC... En este sistema cristalizan algunos de los metales más importantes, como son el Ca, Sr, Ni, Cu, Pd, Pt, Au, Pb, y Al. Otra manera de apilar los sucesivos planos se refleja en la figura 3.7. En este caso, la secuencia de apilamiento se repite cada dos planos (los

4 3 2 1

FIGURA 3.6.

átomos de la capa 3 se sitúan exactamente encima de los de la capa 1, en la figura 3.7), y serían los basales y los situados en el centro del prisma de la HC), y de acuerdo con la notación anterior se representa por ABABAB... Entre los metales que poseen esta estructura se encuentran el Be, Mg, Zr, Zn, y Cd. Otros metales, como el Li, Mo, Ta, W, y Nb, cristalizan en el sistema cúbico centrado en el cuerpo (CC). En este caso, los planos más compactos son los (110), aunque con un grado de compacidad menor que los anteriores.

3 2 1

FIGURA 3.7.

ESTRUCTURA 53 DE LOS SÓLIDOS INTRODUCCIÓN AL CONOCIMIENTO DE MATERIALES 53

El grado de empaquetamiento tiene importantes consecuencias en la deformación de un material. La deformación se puede esquematizar por el deslizamiento de unos planos cristalinos respecto de otros, de manera análoga al deslizamiento de los naipes de una baraja. En este esquema resulta evidente que dicho deslizamiento se ve favorecido en aquellos planos con mayor distancia interplanar, y que como ya se ha indicado poseen índices de Miller bajos y son los más compactos. Existen también los denominados ELEMENTOS ALOTRÆPICOS, cuya estructura depende de la temperatura, como es el caso del Fe que tiene la estructura CC para T < 910°C, y la estructura CCC en el intervalo 910°C < T < 1.400°C y del Ti que tiene una estructura HC a temperatura ambiente, que se trasforma en CC a 883ºC. Como se verá más adelante, la alotropía propicia un tipo de tratamiento térmico que involucra cambio de estructura cristalina, denominado de trasformación total, de gran importancia técnica para mejorar las propiedades mecánicas.

3.4.

DETERMINACIÓN EXPERIMENTAL DE LA ESTRUCTURA CRISTALINA

Aunque la estructura cristalina de un determinado material sea conocida, el parámetro de la red se modifica con la presencia de ligeras adiciones de elementos de aleación, pudiendo llegar incluso a cambiar la red cristalina. Como la estructura cristalina tiene gran importancia a la hora de determinar las propiedades mecánicas de un material, su conocimiento es sumamente útil. Para obtener la estructura cristalina de un sólido existe una técnica, utilizada hoy día de manera convencional, basada en la DIFRACCIÆN DE RAYOS 8 O DE ELECTRONES. La técnica consiste en utilizar la propia red cristalina como red de difracción de una radiación monoenergética, cuya longitud de onda sea del orden de la distancia de la red de difracción a estudiar. Para ello se hace incidir un haz de rayos X o de electrones sobre la muestra a estudiar. Como consecuencia de la difracción, la radiación emergente del cristal lo hace a lo largo de direcciones privilegiadas. Estas direcciones de salida vienen determinadas por la red espacial asociada a la estructura cristalina del sólido, o lo que es lo mismo a las distancias interplanares. Por otro lado la intensidad de cada haz emergente viene dada en función de la estructura de la base asociada a cada punto reticular. A pesar de no tratarse de una demostración rigurosa, es fácil ver, mediante consideraciones geométricas muy simples, la dirección de salida asociada a cada plano cristalino. En la figura 3.8 se representa esquemáticamente el proceso de difracción que sufre un haz incidente por los planos paralelos distanciados

ESTRUCTURA 54 DE LOS SÓLIDOS INTRODUCCIÓN AL CONOCIMIENTO DE MATERIALES 54

una cantidad D. En dicha figura el ángulo de incidencia debe ser igual al de salida puesto que si no la radiación emergente no estaría en fase dando lugar a su cancelación por interferencia. La condición necesaria para que las ondas emergentes estén en fase es que la diferencia de camino recorrido entre ellas sea múltiplo de la longitud de onda ( ) de la radiación. I II e

e e e C

d A

B

FIGURA 3.8.

De acuerdo con la figura, la diferencia de caminos entre ambas ondas es igual a la suma de los segmentos AB + BC = 2D sen . Para que la interferencia de ambas ondas sea constructiva debe cumplirse que:

D sen

=N

[3.1]

donde N es un número entero. A esta expresión se la conoce como Ley de Bragg. Para la línea principal de difracción, que suele ser la más intensa, N = 1 y por lo tanto:

D sen [3.2] Como sen

=

) 1, para que haya efectos de difracción se deberá

cumplir que la longitud de onda del haz incidente debe ser del orden del espaciado interatómico (10–10 m). El haz incidente suele estar formado por fotones, con una correspondiente a los rayos X, debido a su disponibilidad y a la mayor penetración que la que presentan los haces de electrones. En el caso de los electrones, y debido a su alta SECCIÆN EFICAZ, los haces electrónicos difractados proceden de las últimas capas del sólido, que son las más cercanas a la superficie, por lo que la información es selectiva y referente únicamente a la superficie, lo cual resulta a veces sumamente útil cuando se quieren estudiar fenómenos superficiales. Para acentuar este efecto superficial se suelen emplear haces de electrones de baja energía. Por último resulta obvio mencionar que los fenómenos de difracción están circunscritos a materiales con orden de largo alcance y que, por tanto, los materiales amorfos no dan lugar a fenómenos de difracción

ESTRUCTURA 55 DE LOS SÓLIDOS INTRODUCCIÓN AL CONOCIMIENTO DE MATERIALES 55

3.5.

FUERZAS INTERATÓMICAS Y MÓDULO DE YOUNG

En el tema anterior se ha visto como variaba la energía de interacción, dependiendo del tipo de enlace atómico. Una vez conocida dicha energía, es posible saber la fuerza que opera entre los átomos en función de su separación, R, de acuerdo con:

& = – D5 DR

[3.3]

La variación de & y 5 con la distancia interatómica es la correspondiente a la figura 2.3. De la gráfica que representa & &(R) se deduce que si los átomos se separan una distancia igual a (R n R0) respecto de su posición de equilibrio, R0, por efecto de un esfuerzo externo de TRACCIÆN, aparece una fuerza que tiende a restaurar la situación de equilibrio. Esta fuerza es aproximadamente proporcional al desplazamiento, (R n R0), para pequeños valores del mismo, con una constante de proporcionalidad, K, que mide la rigidez del enlace. De manera esquemática se trataría del mismo problema que ocurre en la interacción entre dos masas unidas por un muelle de constante K. Por tanto:

D& nK DR K n

[3.4]

D& D25/DR2 DR

[3.5]

El intervalo de fuerzas y desplazamientos en el que se cumple esta relación se conoce como intervalo elástico. Siguiendo con la analogía mecánica del muelle, imagínese que tenemos un sólido cuyos átomos, situados a lo largo de dos planos adyacentes, están unidos por muelles (ver figura 3.9).

r0

m

m

r0 r0 r

FIGURA 3.9.

ESTRUCTURA 56 DE LOS SÓLIDOS INTRODUCCIÓN AL CONOCIMIENTO DE MATERIALES 56

En esta imagen simplista supóngase que como consecuencia de aplicar una fuerza normal a dichos planos, se separan una distancia R-R0. Si el área del plano es 3, se cumplirá que: = & 3 .K(R R )

[3.6]

siendo la TENSIÆN o fuerza por unidad de área, y . el número de enlaces o muelles por unidad de área. Puesto que R02 es el área que corresponde a cada átomo se cumple que . = 1/R02. Sustituyendo esta última expresión, y teniendo en cuenta que la deformación unitaria es = (R – R0)/R0, se tiene que : = K R0 = % [3.7] La constante de proporcionalidad % K R0 entre la tensión y la deformación se denomina MÆDULO DE 9OUNG o módulo elástico, y representa la rigidez del sólido. El valor del módulo de Young en función de la energía de enlace sería:

%

1

2

2

R0 D 5 DR

[3.8]

por tanto, derivando dos veces las fórmulas [2.1], [2.2] y [2.3], que expresan las energías de los diversos tipos de enlace, sería posible saber el valor de % para cada caso, al menos en primera aproximación. Aplicando este procedimiento se obtiene la siguiente tabla: Tipo de enlace covalente iónico metálico Van der Waals (polímeros)

Valor aproximado de E (GPa) 1000 30-70 30-150 2

donde para el caso del enlace metálico se ha utilizado la expresión [2.1], que es la que mejor lo describe. De esta tabla se deduce que los materiales más rígidos (% mayor) son los que poseen enlace covalente, a pesar de que el enlace iónico es el que tiene una energía de enlace superior (ver tabla 2.3). Ello se debe a que el valor de % es proporcional a la variación de la fuerza de enlace con la distancia para valores de R próximos a R0 (ver fórmula [3.4]) y no al valor absoluto de la energía de enlace, ya que K = %R0 es el valor de la pendiente de la función & & (R). Un valor de % equivalente al aquí calculado se podría haber obtenido si el esfuerzo hubiese sido de compresión, es decir aplicar un esfuerzo externo que aproximase los dos semiplanos.

ESTRUCTURA 57 DE LOS SÓLIDOS INTRODUCCIÓN AL CONOCIMIENTO DE MATERIALES 57

A0

F

e

F

FIGURA 3.10.

El esfuerzo externo puede ser también de CIZALLA. En la figura 3.10 se presenta esquemáticamente la deformación de cizalla, = tan , de un sólido paralelepipédico. En este caso, la deformación de cizalla ( ) es también proporcional a la tensión de cizalla ( & !0) en la región elástica. La constante de proporcionalidad se denomina módulo de cizalla ('), 3% . cumpliéndose en general que ' 5 8

TEMA 4 CRISTALES REALES

4.1.

INTRODUCCIÓN

En el tema anterior se vieron las distintas estructuras cristalinas que forman los sólidos. A los sólidos que poseen una configuración que corresponde a una celda unitaria que se repite a lo largo del espacio se le denomina cristal perfecto o ideal. No obstante, en los cristales reales la periodicidad perfecta de los cristales ideales se ve destruida, en mayor o menor medida, por los denominados defectos de red. Estos defectos son de distintos tipos, pudiendo clasificarse en defectos puntuales, lineales y de superficie. La existencia de defectos condiciona en gran medida el comportamiento del material haciendo que muchas propiedades mecánicas difieran sustancialmente de las correspondientes a un cristal perfecto. Los defectos distorsionan la red, modificando las propiedades de los sólidos, de manera que con un control adecuado de la densidad y configuración de los mismos, las propiedades mecánicas se pueden alterar a voluntad, dentro de ciertos márgenes.

4.2.

DEFECTOS PUNTUALES

Los defectos puntuales son imperfecciones cristalinas que involucran a uno o varios átomos de la red y desempeñan un papel fundamental en diversos procesos importantes, tales como son la deformación y la DIFUSIÆN.

Vacantes Se denomina vacante a la ausencia atómica en un nudo de la red. A veces estos defectos se presentan en grupos de dos o más vacantes

CRISTALES 60 REALES

INTRODUCCIÓN AL CONOCIMIENTO DE MATERIALES 60

agrupadas. A diferencia de otros defectos, las vacantes se encuentran de forma natural en los sólidos, y únicamente a la temperatura de 0 K no hay vacantes en EQUILIBRIO TERMODIN·MICO. En los cristales iónicos, es decir aquellos que poseen enlace iónico como por ejemplo el NaCl, la ausencia de un par de iones vecinos de distintos signos se denomina par de Scholtky, y a la vacante creada por el desplazamiento de un ión a una posición intersticial se denomina defecto Frenkel. La presencia de vacantes en equilibrio termodinámico a temperaturas superiores a 0 K se debe a la excitación térmica. Muchos procesos químicos y físicos que dependen del tiempo y la temperatura se rigen por una relación exponencial del tipo E(–1/+4) denominada de Arrhenius. En el caso de las vacantes se puede demostrar que:

N = . exp (– %V /+4)

[4.1]

donde N es el número de vacantes en equilibrio termodinámico a una temperatura 4 . es el número total de nudos de la red, + es la constante de Boltzman y %V es la energía de formación de una vacante. De esta fórmula se deduce que la concentración de las vacantes en estado de equilibrio crece muy rápidamente con la temperatura. En los estados de equilibrio es muy importante la cinética del proceso que tiene lugar para alcanzar dicho equilibrio. En muchos procesos que se rigen por la ley de Arrhenius, la velocidad a la que se alcanza el equilibrio depende de la temperatura. A mayor temperatura, los procesos son más rápidos, hecho que puede ser muy útil para conseguir estructuras fuera de equilibrio. Por ejemplo, en el caso de las vacantes podemos obtener una concentración superior a la correspondiente al equilibrio termodinámico a una temperatura dada, sin más que llevar el sólido a esta temperatura desde otra mucho más elevada. Para ello sólo es necesario que el enfriamiento sea lo más brusco posible, objetivo que se cumple con la aplicación de un tratamiento térmico de TEMPLE, y que a la temperatura más baja la cinética de vuelta al equilibrio sea lenta. Como se verá más adelante, el tratamiento de temple es muy utilizado en metalurgia con el fin de obtener estructuras fuera de equilibrio que confieren al sólido propiedades que pueden ser de interés.

Intersticiales Se denomina intersticial a la presencia de un átomo en un sitio del cristal que no le corresponde. Los dos tipos de defectos intersticiales más importantes son los intersticiales por inserción y por sustitución.

CRISTALES 61 REALES

INTRODUCCIÓN AL CONOCIMIENTO DE MATERIALES 61

Un intersticial por inserción tiene lugar cuando un átomo ocupa un lugar que no es nudo de la red. Como este átomo debe situarse en el hueco existente entre otros átomos, y este suele ser reducido, el átomo intersticial por inserción deberá ser un átomo de pequeño tamaño y normalmente distinto de los que componen el material base. Este es el caso de los aceros, donde los átomos de carbono se sitúan en posiciones de inserción entre los huecos dejados por la red de átomos de hierro que son mucho más grandes. Cuando en una red, cuyos nudos están ocupados por un determinado tipo de átomos, uno de los nudos es sustituido por un átomo de diferente especie, se produce un intersticial por sustitución.

4.3.

DEFECTOS LINEALES. DISLOCACIONES

Los defectos lineales, como su propio nombre indica, se extienden a lo largo de líneas, por lo que involucran a un mayor número de átomos que los defectos puntuales. El defecto lineal por excelencia es la DISLOCACIÆN, que puede ser de dos tipos: helicoidal o de tornillo y en arista o cuña. Las dislocaciones juegan un papel fundamental en los procesos de deformación plástica, y son las responsables de que la resistencia real de los materiales sea varios órdenes de magnitud inferior al valor teórico calculado para un cristal perfecto. De acuerdo con lo visto en el tema anterior, el desplazamiento es proporcional a la tensión aplicada ( = E ). El máximo de la curva fuerza-distancia de la figura 2.3a se alcanza para R ~ 1.25 R0. Si se supera esa fuerza se romperán los enlaces dando lugar a la fractura del sólido. Esa tensión teórica será: %(1.25< 1)R0 % [4.2] m= 5 R0 4 Cuando se rompe un material metálico, la experiencia muestra que la

TENSIÆN DE ROTURA es ~10–6 %, muy inferior al valor %/4 de [4.2]. Esta enorme discrepancia, en varios órdenes de magnitud, no puede justificarse en base a la simplicidad del modelo seguido para deducir [4.2]. Con el fin de explicar esta discrepancia fue necesario introducir un defecto denominado dislocación, cuya estructura teórica dedujeron simultáneamente en 1934, Taylor, Palanyi y Orowan. Años más tarde, mediante el microscopio electrónico de transmisión, se comprobó experimentalmente su existencia, con estructura igual a la que predijeron los autores mencionados, constituyendo uno de los ejemplos más brillantes de predicción teórica.

CRISTALES 62 REALES

4.3.1.

INTRODUCCIÓN AL CONOCIMIENTO DE MATERIALES 62

Dislocación en arista

La formación de una dislocación en arista puede idealizarse por la inserción parcial de un semiplano atómico tal como se muestra en la figura 4.1a. El borde inferior del plano insertado en dicha figura es la línea de la dislocación, denominándose núcleo de la dislocación a un cilindro de unas pocas distancias interatómicas de diámetro, que contiene a la línea de la dislocación. Cuando se aplica un esfuerzo de cizalla (ver figura 4.1), la dislocación se desplaza sobre un plano produciendo una deformación permanente en forma de escalón al final del cristal. Semiplano insertado

Esfuerzo de cizalla

b Línea de la dislocación (a)

(b)

(c)

(d)

FIGURA 4.1.

En ausencia de la dislocación, y para producir el mismo efecto que el paso de aquella por el cristal, es preciso vencer de forma instantánea las fuerzas interatómicas de todos los átomos situados entre los dos bloques del cristal que se desplazan uno respecto al otro. Por otro lado, cuando la deformación se produce por el desplazamiento de una dislocación, las únicas fuerzas interatómicas que es preciso vencer en cada instante son únicamente las correspondientes a los átomos situados en la zona cercana a la línea de la dislocación, denominada núcleo de la dislocación. La dislocación avanza a pequeños saltos, cada uno de los cuales es igual al período atómico de la dirección de avance. Por tanto, para conseguir el mismo efecto final, resulta más fácil vencer cierta fuerza durante un intervalo de tiempo finito, que una fuerza de muy superior magnitud en un tiempo instantáneo. El desplazamiento atómico que produce una dislocación en cada salto es igual al escalón que se produce cuando la dislocarción alcanza la superficie del cristal y se denomina vector de Burgers, B . El vector de Burgers define por tanto la magnitud, dirección y sentido del deslizamiento de la dislocación. Para calcular dicho vector basta con trazar una trayectoria

CRISTALES 63 REALES

INTRODUCCIÓN AL CONOCIMIENTO DE MATERIALES 63

en el sentido de las manecillas del reloj en torno al núcleo de la dislocación, recorriendo luego el mismo número de espacios atómicos en cada dirección en el cristal perfecto (ver figura 4.2). El vector que es necesario añadir para que la trayectoria sea cerrada es el vector de Burgers.

b

FIGURA 4.2.

4.3.2.

Dislocación helicoidal

Una dislocación helicoidal supone una cizalla en el cristal. Para formar una dislocación helicoidal se corta parcialmente el cristal perfecto volviéndolo a unir, pero con un cierto desplazamiento paralelo al borde del corte (ver figura 4.3) que es la línea de la dislocación. Para ver de manera esquemática la formación de una dislocación helicoidal, se parte de un cilindro al que se le realiza un corte longitudinal entre el eje y la superficie del mismo, tal y como se indica en la figura 4.3a. A continuación se vuelve a unir el cristal, pero desplazando el borde externo del cilidro AB, una magnitud B (B = un espaciado atómico) respecto al otro borde A’B’, en la dirección del eje del cilindro. En este esquema la línea de la dislocación correspondería al segmento LL’. Durante el proceso de deformación a través de una dislocación helicoidal, el movimiento de la línea de la dislocación es normal a la dirección de la fuerza aplicada, tal y como puede apreciarse en la figura 4.4. Por el contrario, la línea de una dislocación en arista se mueve en la misma dirección que la tensión (ver figura 4.2). Otra diferencia fundamental entre ambas dislocaciones consiste en que mientras que para la dislocación en arista el vector de Burgers es normal a la línea de la dislocación, para una helicoidal es paralelo.

Movimiento de las dislocaciones El proceso mediante el cual un material se deforma plásticamente por movimiento de dislocaciones se llama deslizamiento, que a su vez se

CRISTALES 64 REALES

INTRODUCCIÓN AL CONOCIMIENTO DE MATERIALES 64

L

L

A

A b A'

A'

L'

L' B

B

B'

B' (a)

(b)

FIGURA 4.3. Tensión

b

Movimiento de la línea de dislocación (a)

Tensión

(b)

(c)

FIGURA 4.4.

caracteriza por el sistema de deslizamiento, definido por un plano y una dirección de deslizamiento. La dirección de deslizamiento es la dirección en la que se mueve la línea de la dislocación. Para una dislocación en arista, la dirección de deslizamiento viene dada por el vector de Burgers, mientras que para una dislocación helicoidal, la dirección de deslizamiento es normal a su vector de Burgers, tal y como se aprecia en las figuras 4.1 y 4.4.

CRISTALES 65 REALES

INTRODUCCIÓN AL CONOCIMIENTO DE MATERIALES 65

El plano de deslizamiento es el definido por la línea de la dislocación y el vector de Burgers, y suele corresponder a un plano compacto, tal como se indicó al final del apartado 3.3. En el caso de una dislocación en arista, el vector de Burgers es normal a la línea de dislocación, definiendo por tanto un único plano de deslizamiento. Por el contrario, en una dislocación helicoidal el vector de Burgers es paralelo a la línea de la dislocación, y cualquier plano que contenga a la línea de dislocación será un posible plano de deslizamiento. Esta particularidad hace que, en general, las dislocaciones helicoidales sean más móviles que las de arista, especialmente a baja temperatura. Este último hecho se manifiesta en el denominado deslizamiento cruzado, mecanismo mediante el cual las dislocaciones helicoidales son capaces de superar los obstáculos que se oponen a su movimiento. Cuando una dislocación helicoidal se enfrenta a un obstáculo, tiene la posibilidad de cambiar a un segundo sistema de deslizamiento, siempre que esté favorablemente orientado y se cruce con el primitivo, pudiendo sobrepasar dicho obstáculo. En el sistema HC no es posible, en principio, el deslizamiento cruzado, puesto que los planos de deslizamiento (que son los basales) son paralelos entre sí, y no se cruzan. En los sistemas CCC y CC los planos de deslizamiento coinciden con los más compactos, que son {111} y {110} respectivamente, se cruzan, con lo que es posible el deslizamiento cruzado, favoreciendo la deformación del material. A temperaturas suficientemente altas, cuando los efectos difusionales son importantes, las dislocaciones en arista tienen la posibilidad de moverse por el mecanismo de trepado. Ello sucede cuando, por ejemplo, los átomos situados justo en la línea de la dislocación escapan de la dislocación por difusión, con lo cual la línea de la dislocación se desplaza a lo largo del plano insertado (ver figura 4.5). Mediante este mecanismo las dislocaciones en arista pueden superar los obstáculos a alta temperatura. Este mecanismo se dice que no es conservativo, ya que el plano de desplazamiento de la línea de la dislocación no contiene el vector de Burgers.

(a)

(b)

FIGURA 4.5.

CRISTALES 66 REALES

INTRODUCCIÓN AL CONOCIMIENTO DE MATERIALES 66

La densidad de dislocaciones es un parámetro muy importante en el comportamiento mecánico de un material. En principio, para que se produzca la deformación, será necesario que existan gran número de dislocaciones en el material. No obstante, puede llegar un momento en el que debido a la alta densidad de dislocaciones, y dependiendo de su distribución y carácter, las dislocaciones interfieran entre ellas, dificultando su propio movimiento. Cuanto mayor sea esta interferencia, mayor será el impedimento para desplazarse, y por tanto aumentará la resistencia a la deformación plástica del material, fenómeno que, como se verá más tarde, se denomina endurecimiento por deformación. La densidad de dislocaciones presentes en un cristal es la longitud total de líneas de dislocación por unidad de volumen. Como la unidad de dicha densidad es el inverso de área al cuadrado, una segunda manera de representarla es mediante el número de dislocaciones que intersectan la unidad de área.

4.3.3.

Propiedades de las dislocaciones

En general, las dislocaciones que se encuentran en un cristal suelen ser mixtas, es decir parcialmente helicoidales y en arista. Ello se debe a que a pesar de que a cada dislocación le corresponde un único vector de Burgers, la línea de la dislocación puede ser curva, variando el carácter de la dislocación a lo largo de la misma, dependiendo del ángulo formado entre el vector de Burgers y la línea de la dislocación en cada punto. Una propiedad muy importante de las dislocaciones es que sus líneas no pueden morir dentro del cristal. Por tanto la línea de una dislocación, salvo el caso que sea una curva cerrada como son los denominados lazos de dislocación, sólo puede terminar en la superficie del cristal, o en otros defectos, tales como las FRONTERAS DE GRANO. Al contrario de lo que sucede con las vacantes, no puede haber dislocaciones en equilibrio térmico, porque su energía es demasiado grande comparada con el incremento de ENTROPÁA que producen. No obstante, no es posible evitar la presencia de dislocaciones en los cristales, ya que en el proceso de SO LIDIFICACIÆN, que inevitablemente se produce en condiciones fuera de equilibrio, se crean tensiones mecánicas cuya relajación produce dislocaciones. Para caracterizar una dislocación mixta basta dar su vector de Burgers, B, y su línea de dislocación. En las zonas de dislocación en arista pura, el plano de deslizamiento será el definido por B y la línea de la dislocación, coincidiendo la dirección de deslizamiento con la de B . En las zonas de dislocación helicoidal pura el plano de deslizamiento será uno que contenga el vector B (o la línea de la dislocación, ya que es paralela a

CRISTALES 67 REALES

INTRODUCCIÓN AL CONOCIMIENTO DE MATERIALES 67

B), y la dirección de deslizamiento será normal al vector B.

4.3.4.

Fuerza para mover una dislocación

Una dislocación se mueve cuando la fuerza de cizalla que actúa sobre ella alcanza el valor necesario para vencer la resistencia intrínseca que opone la red del cristal a su movimiento. Supóngase una dislocación en arista que recorre totalmente el cristal bajo la acción de una tensión de cizalla, , aplicada sobre su plano de deslizamiento, siendo la distancia relativa que se ha desplazado un bloque del cristal sobre el otro igual a |B|. En estas condiciones, y de acuerdo con la figura 4.6, el trabajo realizado (7 = fuerza X desplazamiento) vendría dado por la siguiente expresión:

7 = ( L1 L2) B ya que

[4.2]

es la fuerza de cizalla por unidad de superficie.

Por otro lado cuando la dislocación atraviesa el cristal, recorre una distancia L2. El trabajo realizado en contra de la resistencia intrínseca que se opone al movimiento, por unidad de longitud de línea de dislocación, F, sería:

7 = (F L1) L2

[4.3]

Igualando ambas expresiones, resulta que:

o

f ob

b

l2 o

FIGURA 4.6.

l1

CRISTALES 68 REALES

INTRODUCCIÓN AL CONOCIMIENTO DE MATERIALES 68

F

B

[4.4]

Por tanto, la tensión de cizalla, , aplicada sobre el plano de deslizamiento de la dislocación, ejerce una fuerza por unidad de longitud de la dislocación de magnitud B.

Energía de una dislocación Se puede demostrar que la energía de una dislocación es de tipo elástico, y que adopta una expresión:

%

!'B2 Log 2 2 0

[4.5]

donde ! es una constante que depende del carácter de la dislocación, ' es el módulo de cizalla, |B| el vector de Burgers, y 2 y 2 0 son las distancias a la línea de la dislocación entre las que se mide la energía elástica almacenada. 2 no debe de exceder a las dimensiones del cristal y 20 > |B| puesto que para valores de 20 próximos a cero, las deformaciones son demasiado grandes para que sea válida la teoría lineal de la elasticidad en la que está basada la ecuación [4.5]. Una cuestión importante que viene reflejada en la ecuación [4.5] es que la energía de la dislocación es proporcional a B2. Por tanto, las dislocaciones energéticamente más viables serán las que tengan el valor de |B| más pequeño. Como el valor de |B| más pequeño coincide con la distancia interatómica en esa dirección (es decir el período mínimo o traslación elemental), las dislocaciones con |B| unitario serán las más favorables energéticamente. Además, como los períodos más pequeños se dan en los planos más compactos, el vector B estará contenido en esos planos, que como ya se ha visto en el tema anterior son además los planos más favorables al deslizamiento. Por lo tanto, la estructura cristalina es muy importante, pues determina el número de planos susceptibles de deslizamiento. Las traslaciones elementales más pequeñas de la red, y por tanto los vectores de Burgers más probables, son: B = A/2 para el sistema CCC, y B =A/2 para el CC.

4.4.

DEFECTOS DE SUPERFICIE

Existen diversos tipos de imperfecciones de superficie, viéndose a continuación las más significativas:

CRISTALES 69 REALES

INTRODUCCIÓN AL CONOCIMIENTO DE MATERIALES 69

Superficie externa El defecto más obvio es el constituido por la superficie externa del cristal, puesto que representa la frontera a lo largo de la cual termina la estructura del cristal. Los átomos de la superficie no están rodeados por el mismo número de átomos (próximos vecinos) que los situados en el interior del cristal, y por tanto poseen un estado de energía superior. Este exceso de energía, conocido como energía de superficie, se expresa en unidades de energía por unidad de área. Con el fin de reducir la energía de superficie, el orden atómico de los átomos superficiales suele diferir del correspondiente al interior del cristal, fenómeno que se conoce como reconstrucción. Esta reconstrucción puede observarse experimentalmente por difracción de electrones de baja energía ( T2 > T1 F3 > F2 > F1 x

T3 o F3 T2 o F2 x

L

T1 o F1 T < 0,4 Tf

t1

t2

t3

t

FIGURA 5.4.

yor sea la temperatura de ensayo, mayor será la componente de la deformación dependiente del tiempo, hecho que se refleja en el aumento de ˙mín con la temperatura, tal y como se observa en la figura 5.4. Como los ensayos son más fáciles de realizar a temperatura constante, la dependencia respecto al tiempo se mide a través de la variación de la velocidad mínima de fluencia con la fuerza aplicada. Para ello, y para una cierta temperatura, se somete cada probeta a una carga diferente, y se registra su alargamiento en función del tiempo. Así, para temperatura constante, la figura 5.4 representaría el resultado de tres probetas sometidas a las cargas &1, &2 y &3. En dicha figura se observa que conforme aumenta la carga aplicada aumenta ˙mín . Hay estudios que muestran que, para temperatura constante, la carga y ˙mín siguen la siguiente relación empírica: = ! ( ˙mín)M, donde la tensión se define como la fuerza o carga aplicada dividida por la sección de la probeta sujeta a ensayo. El parámetro ! depende de las características del material, y el parámetro M, que es el exponente de la velocidad

PROPIEDADES 80 MECÁNICAS

INTRODUCCIÓN AL CONOCIMIENTO DE MATERIALES 80

de deformación mínima de fluencia (que normalmente se abrevia como exponente de la velocidad de deformación), se denomina sensibilidad a la velocidad de deformación (36$), cuyo valor, que oscila entre cero y la unidad, da una idea del mecanismo de deformación que opera en ese régimen de tensión o de velocidad de deformación para una temperatura dada. Para la obtención experimental de M, se representa la tensión aplicada, , en función de la velocidad mínima de fluencia, ˙mín, en una escala doblemente logarítmica, a temperatura constante. De acuerdo con la expresión = ! ( ˙mín)M. La gráfica así representada se ajusta a una recta, de cuya pendiente se obtiene el parámetro M = D(log )/D(log ˙mín ). De dicha expresión, se deduce que varía más deprisa con ˙mín conforme mayor es la sensibilidad a la velocidad de deformación, M. Cuando M = 0, es igual a la constante ! y no depende de ˙mín, es decir la deformación no depende del tiempo que correspondería a la curva de 4 < 0.4 4F representada en la figura 5.4. La mayoría de los metales, en un régimen intermedio de carga y de velocidad de deformación ( ˙mín 5 10–3 S–1), poseen un valor de M en torno a 0,2. En estos casos, aun produciéndose la deformación por movimiento de dislocaciones, dicha deformación está controlada por la difusión atómica, es decir que las dislocaciones son capaces de superar los obstáculos que encuentran en su movimiento mediante el trepado, mejor que por el cambio de plano de deslizamiento a través, por ejemplo, del deslizamiento cruzado. En ocasiones, en vez de utilizar como parámetro característico la sensibilidad a la velocidad de deformación, M, se emplea su inverso, al que se denomina exponente de la tensión, y se designa con la letra n, cumpliéndose que N = M–1. En este caso la expresión = ! ( ˙mín)M, se escribiría ˙mín = " N.

5.4.

DEFORMACIÓN NO DEPENDIENTE DEL TIEMPO: ENSAYO DE TRACCIÓN

La componente de la deformación dependiente del tiempo disminuye con la temperatura. No obstante, resulta prácticamente imposible que el comportamiento mecánico de un material sea totalmente independiente del tiempo, aunque se considera que a temperaturas por debajo de 0,3 4F, la componente viscoplástica es prácticamente despreciable. Anteriormente se ha visto que cuando se desea estudiar la componente viscoplástica, el ensayo mecánico que mejor la pone de manifiesto

PROPIEDADES 81 MECÁNICAS

INTRODUCCIÓN AL CONOCIMIENTO DE MATERIALES 81

es aquel en el que a la probeta se le impone una carga constante. Este procedimiento no suele ser el habitual cuando se estudia la componente de la deformación no dependiente del tiempo. Por ejemplo, en el ensayo de tracción se impone a una probeta una velocidad de alargamiento constante, lo que da lugar a una tensión uniaxial creciente a lo largo del eje de la probeta. En la figura 5.5 se presenta un esquema de una probeta cilíndrica empleada en los ensayos de tracción. Los extremos de la probeta con mayor sección se denominan cabezas, y van sujetos a las mordazas de la máquina de ensayo. La parte central de la probeta, que posee sección uniforme, se denomina longitud útil, ,, siendo D el diámetro de la sección útil y R el radio de acuerdo, cumpliéndose normalmente que , > 5D. Al ser esta zona mucho más delgada que la de las cabezas, la fractura se producirá en ella, por ser la parte más débil de la probeta. L

d

D

Radio de acuerdo

FIGURA 5.5.

Las mordazas están unidas a los dos travesaños de la máquina, uno de los cuales es móvil. En las máquinas de husillo, un esquema de la cual se presenta en la figura 5.6, el travesaño móvil puede desplazarse en ambas direcciones, lo que permite alargar o contraer la probeta a la velocidad de travesaño elegida. Conectado a uno de los travesaños se encuentra un sensor, denominado celda o célula de carga, que mide la fuerza que se ejerce sobre la probeta en cada momento. Del conocimiento en cada instante del alargamiento frente a la fuerza, se extrae la curva fuerza-alargamiento. Cuando en una máquina como la de la figura 5.6 se realiza un ensayo de tracción, se obtiene una curva donde la fuerza se representa sobre el eje de ordenadas y el desplazamiento de la máquina, equivalente al alargamiento de la probeta, sobre el eje de abcisas. En la figura 5.7, se observa que la probeta de longitud inicial ,0 (dibujada en línea continua) reduce su sección como consecuencia de la

PROPIEDADES 82 MECÁNICAS

INTRODUCCIÓN AL CONOCIMIENTO DE MATERIALES 82

Célula de carga

Mordazas

Probeta

Travesaño móvil

FIGURA 5.6.

L/2

L

L0

L/2

F

FIGURA 5.7.

deformación hasta una longitud , ,0 + , (dibujada en línea discontinua). El ensayo de tracción es de tipo destructivo puesto que la probeta termina deformando plásticamente, llegando a la rotura de la misma. Las características de la curva fuerza-alargamiento dependen del material y de la geometría de la probeta. Por ejemplo, es evidente que para un mismo alargamiento ,, la deformación sufrida por una probeta cuya

PROPIEDADES 83 MECÁNICAS

INTRODUCCIÓN AL CONOCIMIENTO DE MATERIALES 83

longitud inicial es ,0, será proporcionalmente mayor que el de otra probeta con longitud inicial 2,0. Con el fin de minimizar este tipo de efectos geométricos se utilizan las deformaciones y tensiones ingenieriles y . La tensión ingenieril o convencional, , se define como la fuerza aplica- da dividida por la sección inicial del cilindro, !0: = & !0

[5.1]

La dimensión de es de fuerza dividida por superficie, y como unidad habitual se emplea el megapascal (1 -0A = 106 . m-2). Como consecuencia de la tensión aplicada, la longitud útil de la probeta se alargará una cierta cantidad ,, igual a la diferencia entre la longitud final, ,, y la inicial, ,0. Se define el alargamiento ingenieril o convencional, , como el alargamiento producido por unidad de la longitud inicial, es decir: , < ,0 6, [5.2] ¡= =

,0

,0

que tiene carácter adimensional. La deformación convencional también suele expresarse en tanto por ciento, sin más que multiplicar por 100 el cociente , ,0. Una curva de tensión-deformación representativa se muestra en la figura 5.8. Como se puede observar, para pequeñas tensiones la deformación depende linealmente de la tensión, y desde el punto de vista práctico obedece a la LEY DE (OOKE , y corresponde a la deformación elástica. La pendiente de esta zona lineal inicial, que es la relación entre la tensión aplicada y la deformación, es el módulo de elasticidad o de Young, %, que está relacionado con la rigidez del material. Por tanto, en esta zona lineal se cumple que = % . Debido al carácter adimensional de la deformación, , las unidades de medida de % son las mismas que las de . La medida de % a partir de la pendiente inicial de la curva – no es muy pre- cisa. La medida del módulo elástico se realizan a partir del estudio de los modos de vibración del sólido. Cuando el valor de la tensión sigue aumentando, llega un momento en que se alcanza el límite elástico, perdiéndose la dependencia lineal y entrando la deformación de la probeta en el régimen plástico. La transición entre el comportamiento elástico y plástico es gradual para la mayoría de los metales. En la gráfica tensión-deformación esta transición se observa porque la curva se aparta de la linealidad disminuyendo su pendiente conforme aumenta la deformación plástica.

PROPIEDADES 84 MECÁNICAS

INTRODUCCIÓN AL CONOCIMIENTO DE MATERIALES 84

m –

R

–

xF

– –

–

– – – –

–

–

–

0,005

0,20

0,30 –

0

0,10

–

– – – – –

– 0

Límite elástico con×vencional

0,40 ¡

FIGURA 5.8.

Cuando se supera el límite elástico, el material se deforma plásticamente debido al movimiento irreversible de dislocaciones. Cabría pensar que la deformación plástica tendría lugar a una tensión constante correspondiente a la necesaria para que se desplacen las dislocaciones. Sin embargo, en la figura 5.8 se observa que la deformación plástica no tiene lugar a tensión constante sino que su valor aumenta con la deformación, que se hace máxima en el punto R. Este comportamiento se debe a un fenómeno, denominado endurecimiento por deformación, cuyo mecanismo responsable se verá más adelante. Un parámetro importante, a la hora de caracterizar las condiciones experimentales del ensayo de tracción, es la denominada velocidad de deformación, que se define como ˙ = 6M/,0, donde 6M es la velocidad de alargamiento, o de desplazamiento del travesaño de la máquina. Como se puede observar, la velocidad de deformación tiene dimensiones del inverso del tiempo, y crece conforme aumenta la velocidad de travesaño y/o disminuye la longitud inicial de la probeta. Anteriormente se vio que los ensayos de fluencia, es decir, en los que se impone una carga constante a alta temperatura, dan una idea de la componente de la deformación dependiente del tiempo, a través de la SVD. Los ensayos de fluencia tienen la ventaja de representar de manera bastante real y fidedigna la deformación dependiente del tiempo, pero poseen la desventaja de presentar complicaciones experimentales derivadas de los largos períodos de tiempo necesarios para su realización. En este contexto, los ensayos de tracción pueden ser muy útiles, puesto

PROPIEDADES 85 MECÁNICAS

INTRODUCCIÓN AL CONOCIMIENTO DE MATERIALES 85

que también son sensibles a la componente de la deformación dependiente del tiempo. La dependencia respecto al tiempo en los ensayos de tracción se manifiesta a través de su dependencia con la velocidad de deformación aplicada. Si la componente de la deformación dependiente del tiempo es nula, la correspondencia entre tensión y deformación tendría carácter biunívoco, y todas las curvas – deberían ser idénticas en ensayos de tracción realizados a diferentes velocidades de deformación. Por tanto, la forma más clara de mostrar la dependencia respecto al tiempo en un ensayo de tracción es realizar varios ensayos sobre probetas iguales a diferentes velocidades de deformación. Cuando la componente dependiente del tiempo es apreciable, las curvas – se desplazan hacia tensiones más elevadas, a medida que aumenta ˙, tal como se muestra en la figura 5.9a. En esta figura, que corresponde a ensayos realizados a temperatura ambiente sobre aluminio puro, se han representado valores denominados reales, cuyo significado se verá al final de este tema, y al haberse suprimido la parte elástica, ésta coincide con el eje de ordenadas. En este caso es posible conocer, para una deformación, , constante, los valores que toma la tensión para cada una de las curvas realizadas a distintas ˙. Asumiendo que las tensiones obtenidas para distintas velocidades de deformación en un ensayo de tracción, equivalen a las tensiones que se obtendrían para las distintas velocidades mínimas de deformación en un ensayo de fluencia, se cumple que = ! ˙ M, y es posible conocer M a partir de ensayos de tracción utilizando la metodología empleada en los ensayos de fluencia. Es decir, la sensibilidad a la velocidad de deformación, M, para la temperatura a la que se han realizado los ensayos de tracción sería la pendiente de la recta cuando se representa log ˙ frente a log para una deformación fija, . Experimentalmente, otra manera de obtener un valor de M es variar bruscamente la velocidad del travesaño durante la realización de un ensayo de tracción (y por tanto variar ˙), tal como se puede observar en el ensayo de la figura 5.9b, realizado sobre una aleación de aluminio endurecida por dispersión. Si la deformación es totalmente independiente del tiempo no debe haber ningún salto en el valor de la tensión cuando se varía la velocidad del travesaño. La dependencia respecto del tiempo, se manifestará en un aumento de cuando lo haga ˙, y la 36$ se podrá calcular, como en el caso anterior, a partir de la expresión M = D(log )/D(log ˙).

PROPIEDADES 86 MECÁNICAS

INTRODUCCIÓN AL CONOCIMIENTO DE MATERIALES 86

Tensión real mR (MPa)

100 80 ¡• = 10–2 s–1 60

¡• = 10–3 s–1

40

20

0 0

¡• = 10–4 s–1

0,05

0,1

0,15

0,2

0,25

0,3

Deformación real ¡R

FIGURA 5.9a.

m6 120

¡•6

Tensión real mR (MPa)

m5 ¡•5 100

m4 ¡•4

80

m3

¡•3

m2 60

¡•2

m1

¡•1 . Similarmente se puede definir la deformación real, esto es el cambio de longitud instantáneo. En el transcurso de un ensayo de tracción la deformación real instantánea, D 2, será:

D

2

=

D,

,

[5.10] donde , es la longitud de la probeta en ese momento y D, el incremento de longitud instantánea. Esta definición tiene, por tanto, en cuenta que a medida que alarga la probeta, la longitud de referencia debe ser la longitud, ,, de la probeta en ese momento, y no la longitud inicial, ,0, como hace la deformación convencional ( = , ,0). Integrando la ecuación [5.10] se obtiene: , D, £ ,¥ [5.11] ¡2 = = ln² ´ ,0 , ¤ ,0 ¦

0

PROPIEDADES 97 MECÁNICAS

INTRODUCCIÓN AL CONOCIMIENTO DE MATERIALES 97

La relación entre deformación verdadera y convencional se deduce a partir de la definición de deformación convencional. 6, , – ,0 , ¡= = = [5.12] –1

,0

,0 , ,0 =

,0 +1

[5.13]

y por tanto 2

= ln ( + 1)

[5.14]

La deformación convencional sólo coincide con la verdadera para pequeñas deformaciones, es decir para valores de ) 10%. Además, en esta representación las curvas de ensayos de tracción son equivalentes a las que se obtienen en ensayos de compresión. Por ejemplo, considérese un cilindro uniforme que se deforma a tracción hasta alcanzar el doble de su longitud original. La deformación convencional = , , = (2,0 – ,0)/,0 = 1, o lo que es lo mismo un alargamiento del 100%. De acuerdo con la definición de deformación ingenieril, para conseguir la misma deformación en compresión, es decir –1, se debe cumplir = , , = (0 – ,0)/,0 = –1, y por tanto la longitud final del cilindro debería ser cero, lo cual no tiene lógica. No obstante, de manera intuitiva se comprende que a compresión el cilindro sufriría una deformación similar al del ejemplo mencionado de tracción, si la longitud del cilindro se reduce a la mitad. Efectivamente, empleando el concepto de deformación real en el ensayo de tracción: £ 6, ¥ £, ¥ ¡ 2 = ln² + 1´ = ln² 0 + 1´ = ln2 , , ¤ 0 ¦ ¤ 0 ¦ que coincide con la obtenida en un ensayo de compresión, salvo en el signo: £ 6, ¥ £ < , /2 ¥ ¡ 2 = ln² + 1´ = ln² 0 + 1´ = < ln2 ¤ ,0 ¦ ¤ ,0 ¦ Otra ventaja de utilizar la notación real es que la deformación real total se puede obtener por la suma de sucesivos incrementos de deformación real, mientras que esta aditividad no es posible con el concepto de deformación convencional. Para ensayos en los que la probeta vaya a alargar poco (< 10-15%), las diferencias entre los valores de y 2 son pequeñas, y da lo mismo tomar una u otra deformación. Para el resto de los

PROPIEDADES 98 MECÁNICAS

INTRODUCCIÓN AL CONOCIMIENTO DE MATERIALES 98

casos, como por ejemplo sucede cuando se ensayan materiales superplásticos (que alargan un mínimo de un 100-200%), el uso de la deformación real es imprescindible. Una de las hipótesis básicas que se ha estado aplicando en el estudio de la deformación plástica es suponer que los metales son incompresibles. Experimentalmente se ha comprobado que esa hipótesis es correcta, ya que después de que un metal ha sufrido una gran deformación plástica su densidad varía en menos de un 0.1%. Por tanto, no está alejado de la realidad suponer que durante la deformación plástica el volumen del sólido permanece constante. Esta hipótesis implica que antes de la estricción se cumple:

!0,0 !, y por tanto la deformación real se puede expresar como ln(!0/!).

[5.15] 2

=ln(, ,0) =

Igualmente la tensión real se puede expresar como: m2 =

& & , & = = (1+ ¡) ! !0 ,0 !0

[5.16]

y como & !0 = 2

(1 + )

[5.17]

De esta última expresión se deduce que antes de la estricción > ln ( + 1) = 2. Después de dicho punto < 2, puesto que si se supone que el pro- ducto !, debe permanecer constante, la rápida disminución de la sección, !, en la zona de estricción implica un valor virtual de , rápidamente creciente (el valor de , así obtenido es evidentemente inferior a la longitud real de la probeta). Por tanto, las fórmulas de tensión y deformación real sólo son válidas antes de llegar a la deformación de estricción localizada que coincide con el valor máximo de la tensión real. Es preciso hacer notar que, al utilizar tensiones y deformaciones reales, la curva tensión-deformación sufre un desplazamiento hacia menores deformaciones (ver ecuación [5.14]) y el valor de la resistencia máxima se incrementa cuando se la compara con las magnitudes convencionales (ver ecuación [5.17]). Estos efectos se ponen de manifiesto en la figura 5.12, donde se representan ambas curvas, la convencional con línea continua y la real con línea de puntos. Puede observarse igualmente que la deformación correspondiente a la carga máxima es mayor en el caso real que en el convencional.

PROPIEDADES 99 MECÁNICAS

INTRODUCCIÓN AL CONOCIMIENTO DE MATERIALES 99

De acuerdo con la curva tensión-deformación real, la estricción o deformación localizada empezaría a partir del máximo de dicha curva. 110 ¡ R – mR 100

m (MPa)

90

80

¡ – m

70

60 50 0

0,05

0,1

0,15

0,2

0,25

¡

FIGURA 5.12.

5.8.

ESTABILIDAD DE LA DEFORMACIÓN EN LAS CURVAS DE TRACCIÓN

En la deformación dependiente del tiempo se ha comentado que un parámetro característico es la sensibilidad a la velocidad de deformación, M, que corresponde a la variación de la tensión con la velocidad de deformación mínima o pendiente de la fluencia en el estado estacionario. De la misma manera existe otro parámetro en la deformación no dependiente del tiempo que caracteriza el comportamiento del material una vez superado el límite elástico. En un ensayo de tracción, la ecuación más sencilla que ajusta la zona de la curva 2 – 2 entre el límite elástico y la carga máxima, sería [5.18] m 2 = +¡ 2. donde . se denomina exponente de la deformación y caracteriza la zona de la curva donde se produce el endurecimiento, y + es el coeficiente de endurecimiento. Cuanto mayor es . mayor será el endurecimiento, que normalmente disminuye conforme crece la temperatura. De hecho a

PROPIEDADES 100 MECÁNICAS MATERIALES

100

INTRODUCCIÓN AL CONOCIMIENTO DE

medida que crece la temperatura la componente de la deformación dependiente del tiempo aumenta y . debería aproximarse a cero cuando la componente no dependiente del tiempo deje de existir. Puesto que . es proporcional a la derivada del logaritmo de la tensión real respecto al logaritmo de la deformación real, . 5 D(log 2)/D(log 2)), la pendiente de la zona plástica de las curvas tensión-deformación da una idea del valor de ., de manera que dicho valor aumenta cuando lo hace dicha pendiente. Al nivel de conocimientos expuestos, y sin necesidad de entrar en el concepto físico del endurecimiento, que se verá más adelante, el parámetro . no sólo sirve para describir la curva 2 – 2, sino que su valor está íntimamente ligado al valor del alargamiento uniforme. En un ensayo de tracción, el criterio de inestabilidad plástica más sencillo es cuando se alcanza el máximo en la curva tensión-deformación convencional, es decir cuando D /D = D& / D, = 0. Este criterio de inestabilidad nos dice que si a la probeta se le aplica una fuerza inferior a la fuerza máxima (&máx), deformará plásticamente cierta cantidad, determinada por la curva tensión-deformación, permaneciendo en esa situación de manera estable. Por otro lado, si la fuerza aplicada es superior a la &máx, entonces la probeta no sólo sufrirá el alargamiento correspondiente al máximo de la curva – , sino que seguira deformando hasta la rotura, puesto que a partir de dicho máximo, la carga necesaria para que progrese la deformación es inferior a la &máx aplicada. La deformación a la que ocurre dicha inestabilidad se denomina alargamiento uniforme, que en notación convencional sería U. Por tanto, la condición de inestabilidad plástica se expresa:

D& =0 D,

[5.19]

teniendo en cuenta las expresiones [5.9] y [5.10]: D(m 2 !) Dm 2 D! Dm 2 D! Dm 2 D! [5.20] 0= =! +m 2 = !, +m , =! +m D, D, D, D, D, D¡ 2 D¡ 2 2

2

como se cumple que el volumen !, = constante, a lo largo de la deformación plástica:

!D, + ,D! = 0

!=

,D! D! = D, D¡ 2

Introduciendo la expresión [5.21] en la [5.20], se obtiene:

[5.21]

PROPIEDADES 101 MECÁNICAS MATERIALES

INTRODUCCIÓN AL CONOCIMIENTO DE

0= !

Dm 2 < m 2! D¡ 2

Dm 2 =m2 D¡ 2

101

[5.22]

La inestabilidad plástica se produce cuando se cumple la ecuación [5.22], que es cuando termina el alargamiento uniforme convencional, U. La interpretación de la ecuación [5.22] dice que la inestabilidad plástica se produce cuando la tensión que es capaz de soportar el material, que £ ¥ aumenta por efecto del endurecimiento por deformación ² Dm 2 ´ , iguala ¤ D¡ 2 ¦ a la que es capaz de soportar el material debido a la paulatina disminución de la sección ( 2), conforme aumenta la deformación. Derivando la ecuación [5.18], se deduce que: Dm 2 . m = +.¡ .2 68 Rockwell-C), y cristaliza formando un paralelepípedo ortorrómbico de gran tamaño (4.5 × 5 × 6.7 Å). La temperatura de fusión de la cementita es de 1250°C, y aunque no experimenta transformaciones alotrópicas, es débilmente

175 175 DIAGRAMA DE FASE HIERRO-CARBONO INTRODUCCIÓN AL CONOCIMIENTO DE MATERIALES

ferromagnética a baja temperatura. Las propiedades magnéticas las pierde a 217°C. La cementita es apta para formar soluciones sólidas de sustitución. Los átomos de carbono pueden ser sustituidos por átomos de no metales: nitrógeno, oxígeno, etc., mientras que los átomos de hierro, son sustituidos por metales: manganeso, cromo, volframio, etc., y se llama cementita aleada. Como ya se ha comentado, la cementita es un compuesto inestable y en determinadas condiciones se descompone formando hierro y carbono libre en forma de grafito. Este proceso tiene gran importancia práctica, principalmente para las aleaciones de alto contenido de carbono sometidas durante largo tiempo a temperaturas elevadas. La cementita proeutectoide aparece en los aceros con más de 0.8% C, formando una red que envuelve los granos de perlita como se muestra en la micrografía de la figura 10.9, correspondiente a un acero con 0.9% C, y también en forma de agujas finas que partiendo de la red se dirigen hacia el interior de los cristales en las estructuras en bruto de colada. También aparece formando parte de la perlita, y en ese caso se le llama cementita perlítica o eutectoide, y toma la forma de láminas paralelas separadas por otras de ferrita. Cuando los aceros de 0.9 a 1.4% de carbono han sufrido un recocido a temperaturas próximas a 723°C, la cementita aparece en forma globular a modo de pequeños glóbulos o granos redondos dispersos en una matriz de ferrita.

FIGURA 10.9.

176 176 DIAGRAMA DE FASE HIERRO-CARBONO INTRODUCCIÓN AL CONOCIMIENTO DE MATERIALES

10.3.3.

Perlita

La perlita es un constituyente eutectoide formado por láminas paralelas y alternadas de ferrita y cementita, cuya composición global tiene 0.8% de C y 99.2% de Fe, que corresponde al 13.6% de Fe3C y 86.5% de hierro . Tiene una resistencia de 800 MPa y un alargamiento de aproximadamente un 15%. En función del contenido en carbono de la aleación considerada, aparecen en la estructura distintas proporciones de ferrita y perlita. Cuanto más alto es el contenido en carbono, menor es la proporción de ferrita presente, hasta la composición del 0.8% C que corresponde a la perlita pura. La perlita aparece, en general, en el enfriamiento lento de la austenita o por transformación isotérmica de la austenita en la zona de los 650 a 725°C. La ferrita y cementita que componen la perlita aparecen formando láminas paralelas y alternadas que tienen reflejos nacarados, por lo que Sorby, en 1864, le dio el nombre de constituyente perlítico. Cada grupo de laminillas paralelas constituye un cristal de perlita y aunque en los aceros eutectoides el contorno de los cristales de perlita no está bien definido, se pueden conocer los límites de cada cristal con relativa facilidad, sabiendo que, dentro de cada uno de ellos, todas las láminas son más o menos paralelas (ver figura 10.8). Según la velocidad de enfriamiento, esas laminillas aparecen más o menos separadas, y cuando el enfriamiento ha sido bastante rápido, las láminas se acercan mucho, de forma que en el microscopio, aun con grandes aumentos, no se pueden distinguir.

10.4.

CONSTITUYENTES DE LOS ACEROS TEMPLADOS. TRANSFORMACIONES DE LA AUSTENITA FUERA DE EQUILIBRIO

Dependiendo de la composición de los aceros y de la velocidad de enfriamiento, pueden obtenerse a temperatura ambiente algunos constituyentes que sólo existen en el diagrama de equilibrio Fe-C a temperaturas elevadas como es el caso de la austenita, MARTENSITA y la BAINITA. Normalmente los tratamientos térmicos se realizan sólo sobre aleaciones férreas hasta un máximo del 2% de carbono, excepto en las FUNDICIONES GRISES y en las MALEABLES.

177 177 DIAGRAMA DE FASE HIERRO-CARBONO INTRODUCCIÓN AL CONOCIMIENTO DE MATERIALES

10.4.1.

Austenita

La austenita o solución sólida gamma es una solución sólida intersticial de carbono disuelto en hierro gamma (CCC). La máxima solubilidad es del 2.06% de C a 1148°C (punto C, del diagrama de fase Fe-C de la figura 10.2). El nombre de «austenita» fue dado a esta estructura en honor del metalurgista inglés Robert Austen. Aunque, generalmente, es un constituyente inestable, la presentación de la estructura austenítica en este apartado, se justifica por ser la que alcanzan los aceros cuando se continúa elevando la temperatura durante los tratamientos térmicos y de la que realmente se parte cuando se trata de realizar muchos de ellos. Sin embargo, manteniendo las condiciones de equilibrio durante el enfriamiento desde alta temperatura (por encima de !3) se puede obtener dicha estructura, estable a la temperatura ambiente, principalmente en aceros de alto contenido en carbono o de muy alta aleación. En algunos aceros de alta aleación, como los inoxidables y los aceros de alto contenido en manganeso (12%), aparece la austenita a la temperatura ambiente por simple enfriamiento al aire. La austenita posee una resistencia que oscila entre 850 y 1000 MPa, una dureza 300 Brinell y un alargamiento de 30-60%. Es poco magnética, blanda, muy dúctil y tenaz. Tiene gran resistencia al desgaste, siendo el constituyente más denso de los aceros. A la temperatura ordinaria, es muy raro encontrarla en la microestructura de las piezas o herramientas fabricadas con aceros de baja aleación. Una estructura austenítica se diferencia de la del hierro puro por la forma poliédrica más regular de los cristales, con bordes de grano más rectilíneos y ángulos vivos. Esta estructura presenta con mucha frecuencia líneas paralelas que cruzan los granos, que corresponden a los bordes de maclas de deformación. Estas características se pueden observar en la micrografía del acero austenítico de la figura 10.10. Dichos bordes de macla son fácilmente diferenciables de las líneas de deformación que pueden formarse en los cristales.

10.4.2.

Martensita

La martensita es el constituyente típico de los aceros templados. Está formada por una solución sólida sobresaturada de carbono en hierro alfa, y se obtiene por enfriamiento rápido de los aceros desde alta

178 178 DIAGRAMA DE FASE HIERRO-CARBONO INTRODUCCIÓN AL CONOCIMIENTO DE MATERIALES

FIGURA 10.10.

temperatura. Su contenido en carbono suele variar, generalmente, desde pequeñas trazas hasta el 1% de C. El nombre de «martensita» fue dado por Osmond en memoria de Martens, notable metalurgista alemán. Sus propiedades físicas varían con su composición, aumentando su dureza, resistencia y fragilidad con el contenido en carbono. Después de los CARBUROS y de la cementita, es el constituyente más duro de los aceros. Tiene una resistencia de 1600 a 2400 MPa, una dureza de 50 a 68 Rockwell-C y un alargamiento comprendido entre un 0.5% y un 2.5%. Si una probeta de acero de bajo contenido en carbono, en condiciones austeníticas, se enfría rápidamente hasta la temperatura ambiente, templándola en agua, su estructura cambia de austenita a martensita. La martensita en aceros es una fase metaestable formada por una solución sólida intersticial sobresaturada de carbono en hierro cúbico centrado en el cuerpo o hierro tetragonal centrado en el cuerpo (la tetragonalidad esta originada por una leve distorsión de la celda unidad CC del hierro). La martensita se forma porque la tendencia a la transformación de CCC a CC es tan grande que ocurre antes de que el carbono difunda y tenga oportunidad de formar la cementita. Ello conduce a una estructura CC, que al estar sobresaturada en carbón, induce un cierto grado de tetragonalidad. Por tanto la formación de la fase martensítica tiene lugar

179 179 DIAGRAMA DE FASE HIERRO-CARBONO INTRODUCCIÓN AL CONOCIMIENTO DE MATERIALES

sin difusión, por lo que depende únicamente de la temperatura y no del tiempo. En el proceso de temple, la temperatura a la cual comienza la transformación de austenita a martensita, se denomina inicio de martensita, o temperatura -I y la temperatura a la cual la transformación termina, fin de martensita, o temperatura -F. Para que se forme martensita, el acero debe ser templado (calentado y enfriado rápidamente), a partir de la región de austenita estable con el fin de evitar la formación de perlita, bainita o microconstituyentes primarios. La reacción martensítica se inicia, en un acero eutectoide, cuando la austenita se enfría por debajo de los 220°C. La cantidad de martensita se incrementa conforme decrece la temperatura. Cuando la temperatura es menor a la temperatura final de la martensita, el acero debe contener 100% de martensita. La microestructura de la martensita en aceros depende del contenido en carbono del acero. Si el acero contiene menos de un 0,6% de carbono, la martensita crece en forma de cintas como haces de placas delgadas con diferentes, pero limitadas, orientaciones en todo el dominio. El resultado es una martensita no muy dura, con ESTRUCTURA ACICULAR. Un ejemplo de la misma se muestra en la figura 10.11, que corresponde a un acero con un 0.4% de C. Cuando el contenido de carbono en la martensita supera el 0.6% de carbono, las placas de martensita crecen de forma individual, resultando una martensita con una dureza mucho mayor, debido en parte a la mayor relación en los parámetros de red c/a de la estructura cristalina tetragonal. Las placas de martensita, en aceros de alto contenido en carbono, varían en tamaño y presentan una estructura fina de maclas paralelas, estando a menudo rodeadas por grandes cantidades de austenita sin transformar (retenida).

10.4.3.

Bainita

La bainita es un producto de descomposición austenítico que tiene una estructura eutectoide no laminar de ferrita y cementita. Fue Bain, al estudiar la transformación de la austenita a temperatura constante, quien primero la clasificó con precisión. Sus discípulos llamaron, en honor a su maestro, «bainita» a este constituyente que se

180 180 DIAGRAMA DE FASE HIERRO-CARBONO INTRODUCCIÓN AL CONOCIMIENTO DE MATERIALES

FIGURA 10.11.

forma a partir de la austenita por transformación isotérmica, cuando la temperatura del baño de enfriamiento es de 250 a 550°C, diferenciándose, desde un principio, dos tipos de estructuras: La bainita superior de aspecto arborescente, formada a 350-550°C, que difiere bastante de la bainita inferior, formada a más baja temperatura 250-350°C, que tiene un aspecto acicular bastante parecido a la martensita. La bainita superior está formada por una matriz ferrítica conteniendo carburos (en los aceros al carbono, cementita). Las placas discontinuas de los carburos tienden a tener una orientación paralela a la dirección de las agujas de la propia bainita. La bainita inferior está constituida por agujas alargadas de ferrita que contienen delgadas placas de carburos. Estas pequeñas placas son paralelas entre sí y su dirección forma un ángulo de 60° con el eje de las agujas de ferrita. Esto se debe a que, a medida que la temperatura de transformación disminuye, los átomos de carbono no se pueden difundir tan fácilmente y, por tanto, la estructura de la bainita inferior tiene partículas más pequeñas de cementita. A la estructura bainítica se la puede considerar intermedia entre la perlítica y la martensítica.

181 181 DIAGRAMA DE FASE HIERRO-CARBONO INTRODUCCIÓN AL CONOCIMIENTO DE MATERIALES

10.4.4.

Diagramas de transformación isotérmica

El diagrama de equilibrio hierro-carburo de hierro es de poco valor en el estudio de los aceros enfriados bajo condiciones fuera de equilibrio. Muchos metalurgistas se dieron cuenta de que el tiempo y la temperatura de la transformación de austenita tenían una profunda influencia en los productos de transformación y por lo tanto en las consiguientes propiedades de los aceros. Como la austenita es inestable por debajo de la temperatura crítica inferior !1, es necesario saber cuánto tiempo necesita para empezar a transformarse a una temperatura subcrítica específica, cuánto tiempo precisa para estar completamente transformada y cuál es la naturaleza del producto de transformación. La mejor forma de entender los diagramas de transformación isotérmica es estudiar su obtención. La composición eutectoide del 0.8% de carbono es la más simple de estudiar, ya que no hay constituyente proeutectoide presente en la microestructura. Los pasos que generalmente se siguen para determinar un diagrama de transformación isotérmica son: 1.

Preparar un gran número de probetas cortadas de la misma barra. Un método para manejar las pequeñas muestras durante el tratamiento térmico consiste en pasar un alambre por un orificio efectuado en las muestras. La sección transversal tiene que ser pequeña para que reaccione rápidamente a los cambios de temperatura.

2.

Colocar las probetas en un horno o en un baño de sal fundida a la temperatura de austenización adecuada. Para un acero eutectoide, esta temperatura es de unos 775°C. Se deben dejar a esa temperatura durante un tiempo suficiente para que alcancen completamente la estructura austenítica.

3.

Colocar las probetas en un baño de sal fundida que se mantenga a una temperatura constante subcrítica (una temperatura por debajo de la línea !1), por ejemplo 350°C.

4.

Extraer, para varios intervalos de tiempo en el baño de sal, sucesivas muestras que se templan en agua fría o en salmuera enfriada con hielo.

5.

Medir, después del enfriamiento, la dureza de cada probeta y estudiarla microscópicamente.

6.

Repetir los pasos anteriores a diferentes temperaturas subcríticas hasta que se determinan suficientes puntos para representar gráficamente las curvas en un diagrama como el de la figura 10.12.

182 182 DIAGRAMA DE FASE HIERRO-CARBONO INTRODUCCIÓN AL CONOCIMIENTO DE MATERIALES

Así, por ejemplo una probeta tratada durante 20 segundos a 350°C y templada muestra sólo martensita a temperatura ambiente. Como la martensita se forma sólo de austenita a bajas temperaturas, significa que al final de los 20 segundos a 350°C sólo había austenita presente y que la transformación todavía no había empezado. Otra probeta tratada durante 60 segundos a 700°C y templada reveló un 95% de martensita y un 5% de perlita gruesa a temperatura ambiente. Esto significa que al final de los 60 segundos a 350°C había 95% de austenita y 5% de perlita gruesa. La transformación de austenita a 350˚C ya ha empezado y el producto de transformación es perlita gruesa. La siguiente probeta se trató durante 100 segundos a 350˚C y se templó, revelando un 75% de martensita y un 25% de perlita, lo que indica la existencia del 75% de austenita y un 25% de producto transformado. Las siguientes probetas fueron tratadas durante 150 segundos, 200 segundos y 600 segundos a 350˚C mostrando la existencia del 50%, 25% y 0% de austenita, respectivamente. La representación gráfica de los valores obtenidos del porcentaje de perlita frente al tiempo en escala logarítmica se presenta en la parte superior de la figura 10.12. La transformación de austenita a perlita no es lineal, ya que va cambiando su velocidad de transformación con el tiempo transcurrido. Inicialmente, la velocidad de transformación es muy lenta, luego aumenta con rapidez y finalmente disminuye. Como resultado de los tratamientos térmicos efectuados se pueden representar dos puntos a 350°C, o sea, el tiempo para el inicio y el tiempo para el final de la transformación. También es práctica común representar el tiempo para el 50% transformado. El experimento completo se repite a diferentes temperaturas subcríticas hasta que se determinan suficientes puntos para representar una curva que muestre el comienzo de la transformación, otra curva que indique el fin de la transformación, y una curva punteada entre ambas que corresponde al 50% transformado, tal y como se presenta en la parte inferior de la figura 10.12. Hay que hacer constar que las principales curvas del diagrama T-I (transformación isotérmica) no presentan una localización altamente precisa sobre la escala de tiempos. El tiempo se representa sobre una escala logarítmica, de manera que períodos de un minuto o menos, así como períodos de un día o de una semana, pueden fijarse en un espacio razonable y además permiten una escala abierta en la región de períodos cortos.

183 183 DIAGRAMA DE FASE HIERRO-CARBONO INTRODUCCIÓN AL CONOCIMIENTO DE MATERIALES

% producto transformado

% Austenita

100 – Curva de transformación Fin 75 – isotérmica 50 – 50%

–0 – 25 – 50

25 –

– 75 Inicio

0–

– 100

T oC 600 –

Perlita

500 –

Bainita superior

-

Bainita inferior

400 – 300 –

Fin Trans.

200 –

– -

– -

1

– -

– -

–

10

102

103

-

50% Inicio Transformación

-

104

Tiempo (S)

FIGURA 10.12.

Otros nombres para las mismas curvas son: curvas TTT (transformación, temperatura, tiempo) o curvas «S». Para construir un diagrama razonablemente exacto, se requiere el tratamiento térmico y el estudio metalográfico de más de un centenar de muestras individuales. En la figura 10.13 se representa esquemáticamente un diagrama TTT isotérmico de un acero eutectoide, con indicación de los distintos productos finales, así como tres ejemplos de tratamientos térmicos isotérmicos. En el tratamiento I el material se mantiene a una temperatura de 650°C, situada por encima de la nariz de la curva TTT. Si se dejase suficiente tiempo a esa temperatura, el producto final sería perlita. Por otra parte, si se deja el tiempo necesario (~15 s) para que se transforme tan sólo el 50% de la austenita en perlita, templando a continuación, la microestructura final del acero consistiría de un 50% de perlita y un 50% de martensita procedente de la

184 184 DIAGRAMA DE FASE HIERRO-CARBONO INTRODUCCIÓN AL CONOCIMIENTO DE MATERIALES

austenita no transformada en perlita. En el ejemplo II, el acero se enfría rápidamente hasta una temperatura situada en la región bainítica (~350°C), de manera que la austenita no sufra ninguna transformación. Posteriormente se mantiene a esa temperatura, un tiempo lo suficientemente largo como para que toda la austenita se transforme en bainita, estructura que permanece después del temple a temperatura ambiente. Por último, en el ejemplo III el acero se templa desde la temperatura de austenización (~750°C) hasta 250°C, punto situado ligeramente por encima del inicio de la transformación martensítica. El acero se mantiene a esa temperatura un tiempo de 100 segundos, transformándose en su totalidad en martensita durante el posterior proceso de temple a temperatura ambiente. Esa misma microestructura se habría conseguido si el temple desde la temperatura de austenización, se hubiese continuado hasta temperatura ambiente, es decir, si no se hubiese realizado el tratamiento T oC 800 – Temperatura eutectoide

700 – I

600 –

Perlita

500 – 400 –

Austenita

-

Bainita II

300 – -

III 50%

200 – -

Inicio 50% 90%

100 –

II III 100% 100% Martensita Bainita –

–

–

–

I Perlita 50% -Martensita 50% 0 – 10-1 1 10 –

Fin

Inicio

102

103

104

Tiempo (S)

FIGURA 10.13.

105

185 185 DIAGRAMA DE FASE HIERRO-CARBONO INTRODUCCIÓN AL CONOCIMIENTO DE MATERIALES

isotérmico intermedio a 250°C. No obstante, y como se verá más adelante (apartado 11.7), aunque la estructura final sea la misma, la transformación martensítica se ha realizado partiendo de una pieza que posee una distribución de temperatura más homogénea que la templada directamente, puesto que ha permanecido 100 segundos a 250°C, por lo que la pieza será de más calidad al tener menos tensiones residuales. Los diagramas TTT isotérmicos no son válidos en el caso de que el enfriamiento sea continuo. Aunque el aspecto general es el mismo, el diagrama TTT de enfriamiento continuo aparece desplazado hacia mayores tiempos, tal como se aprecia en la figura 10.14. T oC

Temperatura eutectoide Curvas de transformación isotérmica 700 – 600 – 500 – Curvas de transformación por enfriamiento continuo –

–

–

1

–

400

–

-

10

102

103

104

105

Tiempo (S)

FIGURA 10.14.

10.5.

OTROS CONSTITUYENTES DE LOS ACEROS

Para concluir este tema, se describirán brevemente los carburos y las inclusiones no metálicas, que en algunos casos aparecen inevitablemente en los aceros, jugando un importante papel sobre sus propiedades mecánicas, al ser una parte más de su microestructura.

Carburos Los carburos son compuestos muy duros que se forman al combinarse algunos elementos especiales con el carbono. De acuerdo con su constitución, se pueden considerar tres clases diferentes:

186 186 DIAGRAMA DE FASE HIERRO-CARBONO INTRODUCCIÓN AL CONOCIMIENTO DE MATERIALES

1.

Los carburos simples que están formados por un elemento especial combinado con el carbono.

2.

Los carburos dobles de un elemento y hierro.

3.

Los carburos constituidos por mezclas isomorfas de un carburo simple con el carburo de hierro.

A altas temperaturas estos carburos pueden disolverse en el hierro y pueden formar, por lo menos parcialmente, solución sólida con la austenita. Una de las propiedades más importantes de los aceros con carburos es la facultad que poseen de conservar su dureza cuando son calentados a temperaturas relativamente elevadas, mientras que los aceros al carbono templados, de estructura martensítica, se ablandan mucho más rápidamente. Por eso se utilizan esos aceros para fabricar herramientas que conservan su poder cortante aun trabajando casi al rojo.

Inclusiones no metálicas Las inclusiones no metálicas son elementos extraños a la matriz metálica que aparecen en los aceros, siendo muy perjudicial su presencia ya que reducen sus características y propiedades. Pueden provenir de las escorias, refractarios o de las materias producidas en los procesos de oxidación y desoxidación. Se pueden clasificar en los siguientes grupos: sulfuros, óxidos y silicatos. Sulfuros: el más importante es el sulfuro de manganeso de color gris paloma. Por ser plástico, se deforma y alarga por forja y laminación, y es menos perjudicial que los óxidos y silicatos. Óxidos: el óxido que con más frecuencia se presenta en los aceros es la

ALËMINA, que es muy dura y frágil. En la forja y laminación se rompe y se dispersa, apareciendo siempre de color oscuro, de pequeño tamaño, en forma de grupos o rosarios. Se presenta en los aceros desoxidados con aluminio. Silicatos: son inclusiones muy peligrosas porque son las que más reducen las características mecánicas de los aceros. Suelen presentarse silicatos complejos de manganeso, hierro, cromo, etc., que se alargan y rompen en la laminación y forja existiendo dos clases típicas: silicatos que al deformarse presentan estructuras angulares con aristas vivas parecidas a las de los óxidos y silicatos de carácter vítreo que se alargan más fácilmente y se rompen menos que las anteriores.

TEMA 11 TRATAMIENTOS TÉRMICOS DE LOS ACEROS

11.1.

INTRODUCCIÓN

Según el Metals Handbook un tratamiento térmico consiste en «una combinación de operaciones de calentamiento y enfriamiento con tiempos determinados, aplicadas a un metal o aleación en el estado sólido en una forma tal que producirá las propiedades deseadas». El calentamiento con el único propósito de facilitar la deformación se excluye de esta definición. Todos los procedimientos básicos de tratamientos térmicos de aceros incluyen la transformación o descomposición de la austenita. Por tanto, el primer paso en cualquier tratamiento térmico de un acero será calentar el material a alguna temperatura en o por encima del intervalo crítico que conlleve la formación de la austenita. En piezas de sección transversal variable, y siempre que sea posible, se deben tomar medidas para hacer más lento el calentamiento de las secciones más delgadas, con el fin de minimizar las TENSIONES T½RMICAS y sus correspondientes distorsiones. La temperatura y el tiempo son los factores principales que influyen en un tratamiento térmico y hay que fijarlos siempre de antemano, de acuerdo con la composición del acero, la forma y el tamaño de las piezas y las características que se desean obtener.

11.2.

TEMPERATURA Y TIEMPO

Los factores fundamentales que influyen en el tratamiento térmico son la temperatura y el tiempo, y su desarrollo se caracteriza por los

188 188 TRATAMIENTOS TÉRMICOS DE INTRODUCCIÓN LOS ACEROS AL CONOCIMIENTO DE MATERIALES

siguientes parámetros: la temperatura máxima de calentamiento, 4M·X, hasta la cual se calienta el material durante el tratamiento térmico; el tiempo que se mantiene a la temperatura de calentamiento TM; las velocidades de calentamiento, 6CAL, y de enfriamiento, 6ENFR. La velocidad instantánea de calentamiento o enfriamiento se denomina velocidad verdadera, 6VERD = D4 DT, y se determina gráficamente por la tangente a la curva temperatura-tiempo. En la práctica, lo más frecuente es determinar el valor de la velocidad media de enfriamiento o calentamiento y hacerla extensiva a todo el intervalo de temperaturas o a una parte del mismo. El tratamiento térmico puede ser complejo, estando constituido por múltiples calentamientos, por un calentamiento (o enfriamiento) intermitente o escalonado, por un enfriamiento en la región de temperaturas bajo cero, etc. Por medio de la representación gráfica temperatura (4) frente a tiempo (T) se puede caracterizar cualquier tratamiento térmico. En la figura 11.1 se representa un tratamiento sencillo. T oC tc

tm

te

Tmax

V verd. T0 Tiempo

t

FIGURA 11.1.

11.3.

CLASIFICACIÓN DE LOS TRATAMIENTOS TÉRMICOS

Las variaciones de las propiedades en el material que se producen como resultado del tratamiento térmico deben ser permanentes, de lo contrario el tratamiento térmico no tendría ningún sentido. De manera

189 189 TRATAMIENTOS TÉRMICOS DE INTRODUCCIÓN LOS ACEROS AL CONOCIMIENTO DE MATERIALES

general, los tratamientos térmicos pueden clasificarse en tres tipos fundamentales: recocidos de primer y segundo género, temple y revenido.

Recocido de primer género o subcrítico Este tratamiento térmico consiste en calentar un metal sin que exista transformación de fase, con enfriamiento posterior lento. La función de este tratamiento es conducir al metal al estado estable, eliminando las TENSIONES RESIDUALES, disminuyendo las deformaciones de la red cristalina, recristalizando, etc.

Recocido de segundo género En este caso, el calentamiento se realiza por encima de la temperatura crítica provocando un cambio de fase en la aleación. Dependiendo de que la transformación sea total o parcial, el recocido será completo o incompleto. Durante el enfriamiento posterior se produce la transformación inversa. Si el enfriamiento es suficientemente lento, la transformación será total y la composición de las fases resultantes corresponderá al estado de equilibrio. Por otro lado, mediante este tratamiento se produce el fenómeno de RECRISTALIZACIÆN. La peculiaridad de este tratamiento (el calentamiento hasta una temperatura superior a la de transformación de fase y el enfriamiento a velocidad lenta) hace que la aleación entre en equilibrio estructural.

Temple Consiste en calentar la aleación por encima de la temperatura de transformación, seguido de un enfriamiento rápido que tiende a fijar la estructura que posee la aleación a altas temperaturas. Por tanto, después del temple la aleación se encuentra en un estado inestable fuera de equilibrio. El recocido de segundo género y el temple presentan cierto paralelismo, ya que en uno y otro caso se calienta la aleación hasta una temperatura superior a la de la transición de fase, y la estructura final la adquiere como resultado de la transformación que se efectúa durante el enfriamiento posterior. Pero entre ambos tratamientos existe una diferencia fundamental. En el recocido de segundo género el enfriamiento tiene por objeto que la aleación se aproxime al estado de equilibrio, por

190 190 TRATAMIENTOS TÉRMICOS DE INTRODUCCIÓN LOS ACEROS AL CONOCIMIENTO DE MATERIALES

eso el enfriamiento es lento. En cambio, cuando se templa el enfriamiento es rápido, para apartar el estado estructural de la aleación del estado de equilibrio.

Revenido El calentamiento de la aleación templada hasta una temperatura inferior a la de las transformaciones de fase en equilibrio, se llama revenido. Por tanto, el revenido es un tratamiento térmico que se realiza siempre después del temple. Cuando el revenido se efectúa a temperatura ambiente (es decir, si el tratamiento térmico se sustituye por un mantenimiento a la temperatura ambiente) o con un calentamiento poco elevado, se llama envejecimiento. En el caso de las aleaciones de aluminio, también recibe el nombre de maduración.

11.4.

TRATAMIENTOS TÉRMICOS DE LOS ACEROS

Como la base para el estudio de los tratamientos térmicos de las aleaciones es el diagrama de fase correspondiente, es evidente que la base para el estudio de los tratamientos térmicos de los aceros será el diagrama de equilibrio hierro-carbono. Al estudiar los tratamientos térmicos de los aceros, sólo serán de interés las aleaciones cuya concentración sea inferior al 2% de C (o más exactamente, 2.14% de C, que es la concentración máxima a la que se encuentra la austenita). Como es natural, el límite superior de temperatura en el tratamiento térmico es la línea que corresponde al estado sólido (sólidus), por lo que la parte superior del diagrama no tiene en este caso gran importancia, y sólo se considerará la parte del diagrama representada en la figura 11.2. Como ya se indicó en el tema anterior, los puntos críticos se designan con la letra !. El punto crítico inferior, que se designa por !1, se encuentra en la línea (* y corresponde al fin de la transformación de la austenita en perlita en un proceso de enfriamiento (!R1), o al inicio de la transformación de la perlita en austenita en el calentamiento (!C1). El punto crítico superior !3, se halla en la línea '*% y corresponde, en un acero hipoeutectoide, al final de la disolución de la ferrita en austenita (!C3), o al comienzo de la segregación de ferrita de la austenita (!R3) según

191 191 TRATAMIENTOS TÉRMICOS DE INTRODUCCIÓN LOS ACEROS AL CONOCIMIENTO DE MATERIALES

T oC

1147 E

1100 – 1000 –

Austenita G

900 – A3

Austenita + Cementita

800 – Austenita Ferrita + Ferrita A1 700 – H

J

723

Ferrita + Perlita –

–

–

–

–

–

–

–

–

–

0

Perlita + Cementita

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

1,2

1,4

1,6

1,8

2,0 2,2 2,14

% C.

FIGURA 11.2.

se trate de procesos de calentamiento o de enfriamiento, respectivamente. En los aceros hipereutectoides, el proceso es el mismo que en los hipoeutectoides, sin más que sustituir la ferrita por cementita. En este caso, los puntos !R3 y !C3 se denominan !RCM Y !CCM respectivamente. Teniendo en cuenta la definición de los distintos puntos críticos, en la figura 11.3 se representan esquemáticamente los tratamientos térmicos más importantes, a partir de los diagramas TTT. Los puntos y zonas negras señalan las temperaturas de transformación del acero. Un recocido de segundo género será completo en calentamientos por encima de !C3, seguidos de un enfriamiento lento. Si se calienta hasta una temperatura superior a !C1 pero inferior a !C3, la transformación no será total y el recocido será incompleto. En el recocido, el estado del acero se aproxima al de equilibrio estructural; la estructura del acero, después de ser sometido a un recocido, será perlita + ferrita, perlita o perlita + cementita. El recocido de primer género corresponderá a calentamientos a temperaturas inferiores a !C1, con lo que únicamente se aliviarán las tensiones internas. Los ejemplos que se muestran en la figura 11.3 son los RE COCIDOS de ABLANDAMIENTO, contra ACRITUD y GLOBULAR. Si después de aplicar al acero un calentamiento por encima de !C3, se efectúa el enfriamiento al aire, se produce el primer paso hacia la desviación del estado estructural de equilibrio. A este tratamiento térmico se le denomina normalizado. Por tanto, el normalizado se sitúa entre el recocido y el temple.

192 192 TRATAMIENTOS TÉRMICOS DE INTRODUCCIÓN LOS ACEROS AL CONOCIMIENTO DE MATERIALES

T A3 A1

Recocido de 2o género completo

Recocido de 2o género incompleto

Recocidos subcríticos De Contra ablandamiento acritud

Globular

Oscilantes

t

Austenización incompleta

T A3 A1

t Doble recocido

Normalizado

Temples

Temple y revenido

Aceros Aceros hipoeutectoides hipereutectoides

FIGURA 11.3.

El temple se produce cuando, después de calentar por encima del punto crítico !C3, se enfría rápidamente. Cuando el enfriamiento es lento, la austenita se descompone en ferrita+cementita en el punto !R1. Al aumentar la velocidad del enfriamiento, la transformación se produce a temperaturas más bajas. La mezcla ferrita+cementita, a medida que desciende !R1, se va haciendo cada vez más fina y dispersa, endureciendo el material. Si la velocidad de enfriamiento es tan grande que no se produce la segregación de la cementita y de la ferrita, entonces la descomposición de la solución sólida tampoco se efectúa y la austenita se transforma en martensita. El temple puede ser incompleto si se realiza el calentamiento hasta una temperatura que se encuentra por encima de !C1, pero por debajo de !C3, dando lugar a que en la estructura del acero se conserve la ferrita hipoeutectoide. El revenido es un calentamiento del acero templado por debajo de !C1. A continuación, se estudian con cierto detalle cada uno de los tratamientos térmicos de los aceros.

11.5.

RECOCIDO

Con esta denominación se conocen varios tratamientos cuyo objetivo principal es ablandar el acero, además de regenerar su estructura o

193 193 TRATAMIENTOS TÉRMICOS DE INTRODUCCIÓN LOS ACEROS AL CONOCIMIENTO DE MATERIALES

eliminar las tensiones internas. El recocido es, normalmente, la operación inicial de los tratamientos térmicos y tiene por objeto subsanar algunos defectos de las operaciones anteriores de elaboración en caliente (COLADA, FORJA, etc.) o preparar la estructura para las operaciones tecnológicas siguientes (por ejemplo, para el MECANIZADO). Cuando después del recocido se obtienen propiedades satisfactorias, desde el punto de vista de la utilización de las piezas, y no es necesario mejorarlas por medio del temple y el revenido, será considerado como tratamiento final. Hablar de velocidad de enfriamiento lenta en un tratamiento de recocido, supone que se puedan producir las transformaciones de la austenita. En la práctica, esta velocidad se sitúa normalmente entre 50-100°C/h, lo que se consigue con el enfriamiento en el horno. Entre los objetivos principales del tratamiento de recocido se encuentran la recristalización del acero y la eliminación de las tensiones internas. Ambos objetivos se alcanzan por medio del recocido de austenización completa, que consiste en calentar el acero por encima del punto crítico superior, !C3, seguido de un enfriamiento lento. La estructura de ferrita y perlita se transforma durante el calentamiento en austenita, generándose nuevos granos diferentes de los que tenía la ferrita. Durante el posterior enfriamiento, la austenita se convierte de nuevo en ferrita y perlita, con el nuevo grano austenítico, produciéndose la recristalización completa. Esta recristalización da lugar a que la estructura de granos grandes de perlita y ferrita, frecuente después de la colada o la forja, se convierta después del recocido completo en una estructura de granos finos de ferrita y perlita Si no hay necesidad de cambiar la distribución del constituyente ferrítico, o si la estructura inicial no es de grano muy grueso, basta con un calentamiento más bajo, hasta una temperatura superior a !C1 pero inferior a !C3. En este caso, sólo se produce la recristalización del constituyente perlítico, pero no del ferrítico. Este es el denominado recocido de austenización incompleta, que es una operación más económica que el completo, ya que el calentamiento se efectúa a temperaturas más bajas. Si la estructura inicial es adecuada y no es necesaria la recristalización, sino que sólo hay que disminuir las tensiones internas, el calentamiento de recocido se limita a temperaturas todavía más bajas, inferiores a !C1, este será el recocido a baja temperatura o subcrítico. En la figura 11.4 se presentan los márgenes de temperaturas de calentamiento para los diversos tipos de recocido. Es evidente que la operación de atenuar las tensiones internas corresponde al primer grupo de formas de tratamiento térmico (recocido de

194 194 TRATAMIENTOS TÉRMICOS DE INTRODUCCIÓN LOS ACEROS AL CONOCIMIENTO DE MATERIALES

T oC 1100 – Homogeneización 1000 – Recocido completo

900 –

800 – Recocido incompleto H 700 –

Recocido incompleto J Recocido a baja temperatura

–

–

–

–

–

–

–

600 –

0,1

0,3

0,5

0,7

0,9

1,1

1,3

%C

FIGURA 11.4.

primer género), mientras que el recocido completo y el incompleto corresponden al segundo grupo (recocido de segundo género o de recristalización de fases). El recocido incompleto de los aceros hipereutectoides se llama también globular, porque es el procedimiento principal para obtener la estructura de perlita globular. Para obtener perlita globular, el calentamiento no debe ser muy superior al punto crítico !CCM, porque en caso contrario resulta perlita laminar. La estructura de perlita globular debe presentarse en los aceros para herramientas, ya que esto asegura una buena MAQUINABILIDAD. Teniendo en cuenta que la masa total del horno debe enfriarse junto con el material tratado, el recocido es un proceso de enfriamiento muy lento y, por tanto, llega a estar muy próximo al diagrama de fase hierrocementita que se presenta parcialmente en la figura 11.5. Supóngase un acero de grano grueso con el 0.20% de carbono (hipoeutectoide) y que se desea refinar su tamaño de grano mediante un tratamiento de recocido. En la figura 11.5 se muestran los cambios microestructurales, correspondiendo el punto 4Z a la estructura original: ferrita y perlita de grano grueso. Cuando este acero se calienta, no ocurrirá cambio alguno hasta que se cruza la línea !C1. A esa temperatura, las áreas de perlita se transformarán en pequeños granos de austenita por medio de la reacción eutectoide, pero los grandes granos de ferrita originales permanecerán invariables, tal y como se puede observar para 4Y en la figura 11.5. El enfriamiento desde

195 195 TRATAMIENTOS TÉRMICOS DE INTRODUCCIÓN LOS ACEROS AL CONOCIMIENTO DE MATERIALES

T oC Tx Tx

Austenita A3

a 20 oC

Austenita + ferrita A 1 723 Ty

Ty

Ferrita

Ferrita + perlita

Tz

Tz

Perlita

% C. 0

0,2

0,8

FIGURA 11.5.

esta temperatura no refinará el grano. Si se continúa el calentamiento hasta superar la !C1 sin sobrepasar la !C3 los grandes granos de ferrita se transformarán en pequeños granos de austenita, de manera que por encima de la línea !C 3 toda la microestructura estará constituida únicamente por pequeños granos de austenita que aumentan de tamaño a medida que se incrementa la temperatura (temperatura 4X de la figura 11.5). El enfriamiento que tiene lugar dentro del horno dará lugar a pequeños granos de ferrita proeutectoide y pequeñas áreas de gruesa perlita laminar, tal y como puede observarse en la microestructura de la derecha de la figura 11.5.

11.5.1. Recocidos de austenización isotérmicos En la práctica industrial, con objeto de economizar tiempo, suele emplearse el llamado recocido isotérmico, que consiste en calentar el acero hasta una temperatura más alta que la del punto crítico superior (austenización completa), o solamente del inferior (austenización incompleta). A continuación, se enfría hasta alcanzar una temperatura que se encuentre entre 50 y 100°C por debajo de la temperatura correspondiente a !C1, es decir por encima de la nariz en un diagrama isotérmico TTT. A esta temperatura se mantiene, normalmente en un horno de sales, tanto tiempo como sea necesario para la descomposición completa de la austenita. Un esquema de este

196 196 TRATAMIENTOS TÉRMICOS DE INTRODUCCIÓN LOS ACEROS AL CONOCIMIENTO DE MATERIALES

T

A3 A1

t Recocidos isotérmicos Austenización completa Aceros hipoeutectoides

Austenización incompleta Aceros hipereutectoides

FIGURA 11.6.

recocido se muestra en la figura 11.6. Si la temperatura de mantenimiento se sitúa por debajo de la nariz, el producto final será bainita (ver figura 10.12). Como es más fácil de controlar la temperatura que la velocidad de enfriamiento, el recocido isotérmico da resultados más estables. Además, el recocido isotérmico tiene la ventaja de producir una perlita más homogénea, y que, eligiendo adecuadamente la temperatura de mantenimiento, el tiempo de tratamiento es notablemente inferior al del recocido normal. En esta reducción del tiempo de tratamiento influye de manera decisiva el hecho de que el diagrama TTT isotérmico está desplazado hacia tiempos más cortos, en relación al de enfriamiento continuo (ver figura 10.14).

11.5.2.

Recocidos subcríticos

En los calentamientos por debajo de la temperatura crítica inferior !C , la velocidad de enfriamiento no tiene tanta importancia como en el caso anterior, pudiendo incluso enfriarse el acero al aire sin que se endurezca. Por medio de este tratamiento se eliminan las tensiones del material y se aumenta su ductilidad. Se pueden distinguir tres clases de recocidos subcríticos: de ablandamiento, contra acritud y globular (ver figura 11.3).

Recocido de ablandamiento Su principal objetivo es ablandar el acero por un procedimiento rápido y económico. El proceso consiste en calentar el acero hasta una temperatura, que siendo inferior a la crítica !C1, sea lo más elevada posible y enfriar luego al aire. Las durezas que se obtienen en ciertos aceros de herramientas y de construcción de alta aleación, después de este tratamiento, suelen ser algunas veces demasiado elevadas para el mecanizado.

197 197 TRATAMIENTOS TÉRMICOS DE INTRODUCCIÓN LOS ACEROS AL CONOCIMIENTO DE MATERIALES

Recocido contra acritud Se efectúa a temperaturas inferiores al de ablandamiento, de 550 a 650°C, y tiene por objeto, principalmente, aumentar la ductilidad de los aceros de poco contenido en carbono (menos de 0.40%) deformados en frío. Con el calentamiento a esa temperatura, se destruye la cristalización alargada de la ferrita, apareciendo nuevos cristales poliédricos más dúctiles que los primitivos, que permiten estirar o laminar nuevamente el material sin dificultad. El enfriamiento se suele hacer al aire.

Recocido subcrítico globular En ocasiones, para obtener en los aceros al carbono y de baja aleación una estructura globular de muy baja dureza, en cierto modo parecida a la que se obtiene en el recocido globular de austenización incompleta, se les somete a un calentamiento a temperaturas inferiores pero muy próximas a la crítica !C1, y después de permanecer a esa temperatura durante un cierto tiempo se enfría el acero en el horno.

11.6.

NORMALIZADO

El normalizado del acero se lleva a cabo al calentar a unos 35°C por encima de la línea de temperatura crítica superior, !C3, y una vez mantenida esa temperatura durante cierto tiempo se enfría en aire estático hasta la temperatura ambiente (ver figura 11.3). El propósito del normalizado es producir un acero más duro y resistente que el obtenido por enfriamiento más lento, en horno, mediante el recocido completo, de manera que para algunas aplicaciones el normalizado puede ser un tratamiento térmico final. El normalizado también puede utilizarse para mejorar la maquinabilidad, modificar y refinar las estructuras dendríticas de piezas de fundición, y refinar el grano y homogeneizar la microestructura para mejorar su respuesta en las operaciones de endurecimiento. Debido al incremento de velocidad de enfriamiento, no puede utilizarse el diagrama de equilibrio hierro-cementita para predecir las proporciones de los constituyentes a temperatura ambiente. Como hay menos tiempo

198 198 TRATAMIENTOS TÉRMICOS DE INTRODUCCIÓN LOS ACEROS AL CONOCIMIENTO DE MATERIALES

para la formación del constituyente proeutectoide, habrá menos ferrita proeutectoide en los aceros normalizados hipoeutectoides y menos cementita proeutectoide en los aceros hipereutectoides en comparación con los aceros recocidos. En los aceros hipereutectoides, el normalizado reduce la continuidad de la red de cementita proeutectoide, y en algunos casos puede llegar a eliminarse por completo. Como la presencia de la red de cementita reduce la resistencia de los aceros recocidos hipereutectoides, los aceros normalizados presentan un aumento en su resistencia. Se puede decir que, en general, cuanto más rápido sea el enfriamiento menor será la temperatura de transformación de la austenita y más fina será la perlita. El enfriamiento fuera del equilibrio también cambia el punto eutectoide hacia un contenido de carbono más bajo en los aceros hipoeutectoides y hacia uno más elevado en aceros hipereutectoides. El efecto neto es que el normalizado produce una estructura de perlita más fina y más abundante que la obtenida por recocido, lo cual conduce a un acero más duro y resistente.

11.7.

TEMPLE DE ACEROS

Como se vio anteriormente, el temple de un acero es un tratamiento térmico que consiste en calentar por encima de !C3 o !C1 y enfriar muy rápidamente con el fin de que se produzca un importante aumento de dureza, como consecuencia de la formación de una estructura martensítica. Para los aceros al carbono la temperatura de temple puede determinarse en la parte del diagrama hierro-carbono que se presenta en la figura 11.7. Por lo general, para el acero hipoeutectoide debe ser 3050°C más alta que la curva !3 y para el hipereutectoide, 30-50°C más alta que la !1. Si se calienta por encima de estas temperaturas el grano de austenita crece demasiado, obteniéndose una martensita basta y de estructura acicular más gruesa, que da lugar a un acero de baja tenacidad. El tiempo que dura el calentamiento depende de la aptitud del medio para calentar, de las dimensiones y forma de las piezas y de su colocación en el horno. El tiempo de permanencia a la temperatura del temple depende de la velocidad de los cambios de fase, la cual está determinada por la temperatura de calentamiento por encima del punto crítico y por la dispersión de la estructura inicial.

199 199 TRATAMIENTOS TÉRMICOS DE INTRODUCCIÓN LOS ACEROS AL CONOCIMIENTO DE MATERIALES

T oC 1200 –

1148 E

1100 –

Austenita

1000 –

Intervalo de temperaturas de temple

911 900 –

A3

A +C

A3

723o –

–

0,6 0,8 1,0

–

0,2

P+C –

–

–

J

–

800 – F A +F 700 – A1 F+P

1,4

1,8

2,2

2,6

FIGURA 11.7.

En relación al tiempo de enfriamiento, debe ser rápido, pero no en todo el intervalo de temperaturas (desde la temperatura de calentamiento hasta la ambiente), sino únicamente entre 650 y 400°C, es decir, en el intervalo en el que la austenita es menos estable y es más probable que se transforme en una mezcla de ferrita y cementita (zona de la nariz en el diagrama TTT). Por encima de los 650°C, la velocidad de transformación de la austenita es pequeña y, por esto, el acero que se templa puede enfriarse lentamente hasta esa temperatura, pero no tan lentamente como para que tenga lugar la precipitación de ferrita o la transformación de la austenita en perlita. En el acero al carbono, por debajo de los 400°C comienza otra vez la zona de estabilidad relativa de la austenita y el enfriamiento puede volver a ser lento. Finalmente, en el intervalo martensítico, a partir de los 200-300°C, es muy deseable que el enfriamiento sea lento, para que a las grandes tensiones estructurales no se sumen las tensiones térmicas que resultan de un enfriamiento rápido. La estructura, dureza y resistencia resultantes son consecuencia de la velocidad de enfriamiento real seguida durante el temple. Si la velocidad de enfriamiento real excede a la velocidad crítica de enfriamiento, sólo se obtendrá martensita; si la velocidad real de enfriamiento es menor que la velocidad crítica de enfriamiento, la pieza no llegará a endurecer completamente. La velocidad crítica de enfriamiento es aquella en la que la curva de enfriamiento roza la nariz en el diagrama TTT, en el inicio de la transformación perlítica.

200 200 TRATAMIENTOS TÉRMICOS DE INTRODUCCIÓN LOS ACEROS AL CONOCIMIENTO DE MATERIALES

La curva ideal de enfriamiento durante el tratamiento térmico de temple se presenta en la figura 11.8. T

A3 A1

Mi

t

FIGURA 11.8.

Son muchos los factores que determinan la velocidad real de enfriamiento. Los más importantes son el tipo de medio en el que se lleva a cabo el temple, así como su temperatura, la condición superficial de la pieza, su tamaño y masa. El medio de temple ideal da lugar a una alta velocidad de enfriamiento inicial para evitar la transformación en la región de la nariz del diagrama TTT. A continuación, la velocidad de enfriamiento es más lenta para temperaturas inferiores a fin de minimizar las distorsiones. Desafortunadamente, no hay un medio de temple que muestre estas propiedades ideales. Los siguientes medios de temple industriales se enumeran en orden decreciente de la severidad de temple. 1.

Solución acuosa del 10% de cloruro de sodio, salmuera.

2.

Agua.

3.

Sales fundidas o líquidas.

4.

Aceite soluble y soluciones acuosas.

5.

Aceite.

6.

Aire.

La velocidad de enfriamiento puede mejorarse y la temperatura del medio mantenerse constante, por circulación del medio y agitación de la pieza. La circulación del medio es un factor que algunas veces no se tiene en cuenta en el proceso de temple. Mediante una selección apropiada de circulación es posible obtener una amplia variedad de velocidades de enfriamiento con un aceite de temple.

201 201 TRATAMIENTOS TÉRMICOS DE INTRODUCCIÓN LOS ACEROS AL CONOCIMIENTO DE MATERIALES

11.7.1.

Templabilidad

Se entiende por templabilidad de un acero la propiedad que determina la profundidad y distribución de la dureza alcanzada al producirse el enfriamiento desde la zona austenítica. La templabilidad no debe confundirse con el valor máximo de la dureza que adquiere el acero como resultado del temple, pues esa dureza depende principalmente del contenido de carbono. La templabilidad del acero aumenta conforme crece el contenido de aleantes, por lo que cuanto mayor sea el contenido de carbono en el acero mejor será su templabilidad. No obstante, a medida que el contenido de carbono aumenta, mayor es el aumento de volumen que se produce en la transformación de la austenita en ferrita. Como durante el enfriamiento en el proceso de temple la superficie de la pieza se enfría antes que el interior, cuando la transformación llegue al núcleo, este no podrá dilatarse debido a la compresión ejercida por la zona superficial ya transformada. Este efecto provoca tensiones de compresión en el interior y de tracción en la superficie de la pieza, que pueden llegar a agrietarla. Este fenómeno pernicioso tenderá a minimizarse conforme baje el contenido de carbono, pero entonces la templabilidad disminuye. Se trata entonces de dos factores contrapuestos, cuya influencia habrá que estudiar en cada caso, dependiendo además del tamaño y forma de la pieza. La templabilidad de un acero depende no sólo de su composición, sino también del tamaño de grano y de la estructura del acero antes de enfriar. La composición de un acero determinado viene fijada por una norma, la cual también dicta las desviaciones de composición permitidas. Aunque la franja de composiciones de los distintos elementos sea estrecha, la velocidad crítica de enfriamiento puede ser muy sensible a pequeñas variaciones de composición, dando como resultado distintas respuestas del acero al tratamiento térmico. En la figura 11.9 se presenta una representación esquemática de lo que podría suceder en un caso real, a partir de un diagrama TTT de enfriamiento continuo. Supóngase que la curva TTT de la izquierda corresponde al inicio de la transformación de un acero, con todos los elementos en las mínimas cantidades de su especificación y que la curva TTT de la derecha muestra el comienzo de la transformación, con todos los elementos en cantidades máximas. En el diagrama se encuentra superpuesta la curva de enfriamiento para un acero templado bajo ciertas condiciones. Si los elementos existen

202 202 TRATAMIENTOS TÉRMICOS DE INTRODUCCIÓN LOS ACEROS AL CONOCIMIENTO DE MATERIALES

en cantidades máximas, esta curva de enfriamiento no alcanzará la nariz del diagrama TTT y el acero alcanzará su dureza total; sin embargo, si los elementos existen en cantidades mínimas, la curva de enfriamiento cortará a la curva TTT por encima de la nariz y el acero no alcanzará su dureza máxima. En general, cuanto más aleado sea un acero mayor será su templabilidad. Por tanto, al comprar un acero de acuerdo con su composición química, no se tiene la garantía de que la dureza máxima obtenida, bajo condiciones de temple, sea igual que para el mismo tipo de acero adquirido en otra fábrica. Ello es debido a que, aunque ambos aceros correspondan a la misma denominación bajo norma, pueden tener una composición ligeramente diferente.

T

Curva de enfriamiento

Elementos en cantidades menores A1

Elementos en cantidades mayores Principio de la transformación

Mi

Mi

t

FIGURA 11.9.

Como la resistencia es el factor principal en el diseño, a menos que se deseen propiedades especiales, parecería más económico basar la especificación del material en la respuesta al tratamiento térmico de temple (templabilidad), en lugar de su composición química. Por tanto, es necesario tener una prueba que asegure la templabilidad del acero. El método más ampliamente utilizado para determinar la templabilidad es el ensayo Jominy. En este ensayo se calienta uniformemente a la temperatura adecuada de austenización una probeta de una pulgada de diámetro y 4 pulgadas de longitud. Después se saca del horno y se coloca en un soporte, donde un chorro de agua choca en la cara del fondo de la muestra. Tanto el tamaño como la distancia del orificio al fondo de la muestra y la temperatura y circulación del agua están estandarizados, de manera que

203 203 TRATAMIENTOS TÉRMICOS DE INTRODUCCIÓN LOS ACEROS AL CONOCIMIENTO DE MATERIALES

toda probeta templada en un mismo soporte recibe la misma velocidad de enfriamiento. Después de que la probeta ha estado en el soporte durante 10 minutos, se quita y se ESMERILAN dos superficies planas, paralelas longitudinalmente a una profundidad de 0.015 pulgadas, tomándose las lecturas en la escala de dureza Rockwell C a intervalos de 1/16 de pulgada desde el extremo templado. Los resultados se expresan como una curva de dureza frente a distancia desde el extremo templado. En la figura 11.10, se presenta una curva típica de la capacidad de endurecimiento por templado de la punta, para un acero con un 0.18% de C.

–

–

3,5 –

–

5,1 –

–

–

–

–

–

–

–

–

–

–

70 –65 –60 –-55 –50 –-45 –40 –-35 –30 –-25 –20 –-15 –10 –-5 –-

– – – – – – – – – – – – – – –

Dureza Rockwell C

Velocidad de enfriamiento 305 125 56,0 33,0 21,4 16,3 12,4 10,0 8,3 7,0

2

4

6

8

10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32

Distancia desde la punta templada de la muestra

FIGURA 11.10.

Como cada distancia a lo largo de la barra templada es equivalente a cierta velocidad real de enfriamiento, se pueden representar gráficamente, tanto valores de dureza Rockwell C frente a la velocidad real de enfriamiento, como valores de dureza Rockwell C frente a distancias. Esto es exactamente lo que se ha representado en la figura 11.10. Se puede observar que la parte superior de la gráfica contiene una escala paralela a la de distancia, la cual tiene lecturas de la velocidad real aproximada de enfriamiento a 705°C, que corresponden a los valores dados. Por tanto, la curva de capacidad de endurecimiento de templado

204 204 TRATAMIENTOS TÉRMICOS DE INTRODUCCIÓN LOS ACEROS AL CONOCIMIENTO DE MATERIALES

en la punta o extremo muestra realmente la forma en que varía la dureza con diferentes velocidades reales de enfriamiento para un acero específico. En general, los elementos de aleación aumentan la templabilidad, retardando la transformación en las regiones de perlita y de bainita, y permitiendo de este modo que se forme martensita con velocidades de enfriamiento menores. El tamaño de grano tambien influye en la templabilidad, de manera que esta aumenta a medida que crece el grano. Cuando un acero se compra basándose en la especificación de templabilidad, el comprador puede estar seguro de que obtendrá las propiedades mecánicas deseadas después del tratamiento térmico, lo que produce muy pocos rechazos o hace innecesaria la realización de nuevos tratamientos térmicos y en consecuencia se consigue una mayor economía.

11.7.2.

Temple con enfriamiento isotérmico

En el temple normal, donde la velocidad de enfriamiento debe ser mayor que la crítica para salvar la nariz del diagrama TTT, la transformación martensítica ocurre a temperaturas relativamente bajas. Como ya se ha comentado, en secciones grandes esta transformación no se produce simultáneamente en toda ella, debido a que la temperatura no es uniforme, dando lugar a considerables tensiones internas que pueden provocar grietas, sobre todo en aceros de alto contenido de carbono. Para evitar estas tensiones existen tratamientos isotérmicos durante el enfriamiento como son el martempering y el austempering (ver figura 11.11) que se describen brevemente a continuación. T A3 A1

t Austempering

Martempering

FIGURA 11.11.

Austempering Este tratamiento consiste en enfriar el acero muy rápidamente desde la temperatura de temple hasta otra situada por debajo de la nariz del diagrama TTT de enfriamiento continuo, temperatura que corresponde a la

205 205 TRATAMIENTOS TÉRMICOS DE INTRODUCCIÓN LOS ACEROS AL CONOCIMIENTO DE MATERIALES

zona bainítica inferior. Esta temperatura se mantiene el tiempo necesario para la transformación completa de la austenita en bainita, enfriándose a continuación al aire. De esta manera, se obtiene una estructura parecida a la del temple y revenido a esa temperatura de mantenimiento, aunque con ausencia de tensiones, y con una dureza algo inferior. Este tratamiento suele emplearse en los aceros de herramientas con alto contenido en carbono, y en todos aquellos casos en los que la deformación del temple pueda inutilizar las piezas.

Martempering En este caso, el acero se enfría hasta una temperatura justo por encima de la del inicio de la transformación martensítica, durante el mayor tiempo posible, siempre antes de que se inicie la descomposición de la austenita en bainita, seguido de enfriamiento al aire. Con este escalonamiento, se consigue la homogeneización de la temperatura en toda la pieza, con lo que la transformación martensítica, que ocurre en el enfriamiento al aire, se produce de manera más uniforme a través de toda la sección de la pieza que en el caso del temple normal.

11.7.3.

Defectos que se producen en el temple

Un temple mal realizado puede producir defectos en la pieza, como son: dureza insuficiente, existencia de puntos blandos, fragilidad excesiva, descarburación y oxidación superficiales e incluso grietas. Un enfriamiento lento durante el temple, en la zona de la transformación martensítica, es el procedimiento más eficaz para disminuir las tensiones y de evitar los defectos de este tipo. Las piezas pequeñas, lo mismo que las de forma sencilla, sin ángulos agudos y transiciones bruscas, son menos propensas a resultar deformadas. Por esto, el darle a las piezas la adecuada forma tecnológica cuando se diseñan, es un medio muy importante de reducir este tipo de defectos. Las piezas de forma más compleja es preferible fabricarlas de aceros aleados posibilitando el temple en aceite. La dureza insuficiente o la formación de puntos blandos en una pieza templada se explica por la falta de calentamiento, bien por ser baja la temperatura en el horno o insuficiente la permanencia en él cuando su temperatura es correcta, o bien por no ser lo suficientemente intenso el enfriamiento. En el primer caso, la martensita no tiene la suficiente dureza (porque no contiene bastante carbono), y en el segundo, no se

206 206 TRATAMIENTOS TÉRMICOS DE INTRODUCCIÓN LOS ACEROS AL CONOCIMIENTO DE MATERIALES

subenfría hasta la transformación martensítica y la estructura está formada total o parcialmente por productos de la descomposición perlítica de la austenita (TROOSTITA y SORBITA). En el primer caso, la elevación de la temperatura del horno o el aumento de la permanencia en el mismo, evitan la insuficiencia de dureza de las piezas templadas. En el segundo caso, hay que emplear un enfriamiento más enérgico, es decir, durante el temple hay que agitar vivamente la pieza en el líquido o utilizar agua salada en lugar de agua común. La fragilidad excesiva es un defecto que se produce como resultado del temple a temperaturas demasiado altas (más elevadas de lo necesario), con las cuales crece considerablemente el grano de la austenita. Este defecto se descubre en los ensayos mecánicos por el tipo de fractura o por las características de la microestructura. Se corrige sometiendo el acero a un segundo temple a la temperatura adecuada. La oxidación y la descarburación de la superficie suelen ocurrir cuando las piezas se calientan en HORNOS DE REVERBERO o eléctricos sin atmósfera controlada. Por esto hay que dejar un sobreespesor para el RECTIFICADO, lo cual encarece y complica la tecnología de fabricación de las piezas así tratadas. La atmósfera controlada en los hornos es el procedimiento mejor para evitar o disminuir este defecto.

11.7.4.

Temple superficial del acero

Para obtener una gran dureza de la capa superficial de las piezas, conservando la tenacidad de su núcleo, lo que asegura la resistencia al desgaste, se utiliza el temple superficial. La esencia de cualquier procedimiento de temple superficial consiste en calentar rápidamente las capas superficiales de la pieza hasta una temperatura superior a los puntos críticos y crear un brusco gradiente de temperaturas siguiendo la sección de la pieza, tal y como se muestra en la figura 11.12. Si en ese momento la pieza se somete a un enfriamiento rápido, la capa superficial de metal calentada hasta por encima de !3 (I) adquiere temple completo; la calentada por encima de !1, pero por debajo de !3 (II), temple incompleto, y el núcleo (III) no se calienta en absoluto o lo hace solamente por debajo de !1, y en consecuencia no se templa. El calentamiento de las capas superficiales hasta temperaturas considerablemente más altas que !3 es corriente en todos los procedimientos de temple superficial, pero esto no ocasiona el sobrecalentamiento y

207 207 TRATAMIENTOS TÉRMICOS DE INTRODUCCIÓN LOS ACEROS AL CONOCIMIENTO DE MATERIALES

empeoramiento de la estructura. Este tratamiento está especialmente indicado para los aceros poco templables, generalmente con bajo contenido de carbono. Después de este tratamiento se obtiene una capa superficial dura y un núcleo tenaz. T

A3 A1

I

II

III

Distancia a la superficie

FIGURA 11.12.

De los diferentes métodos de calentamiento, el más utilizado es el temple superficial por inducción. Este método hace uso del flujo magnético creado por la corriente alterna que pasa por un conductor especial (inductor), que al inducir CORRIENTES DE &OUCAULT en la pieza la calientan. La condición principal para que el calentamiento por inducción sea correcto y lo más uniforme posible es la creación, para cada pieza, de un inductor de la forma y configuración correspondiente. El inductor se hace de tubo de cobre en forma de lazo o espiral. Dentro del inductor se coloca la pieza que se va a calentar y, después, su parte calentada se traslada del inductor al dispositivo rociador de agua, donde se templa. Las ventajas del calentamiento por corriente de alta frecuencia son: gran productividad, no se quema el carbono ni otros elementos de aleación de las piezas, no se produce oxidación apreciable, y no se forma cascarilla. Además, la deformación es mínima y la profundidad de la capa templada puede regularse con bastante exactitud. Estas ventajas, así como la rapidez del proceso, su gran rendimiento y la posibilidad de automatizarlo, permiten considerar el método de temple por inducción de corriente de alta frecuencia como uno de los más eficaces.

208 208 TRATAMIENTOS TÉRMICOS DE INTRODUCCIÓN LOS ACEROS AL CONOCIMIENTO DE MATERIALES

Un inconveniente de este método es la imposibilidad de emplearlo para piezas únicas, porque en este caso el coste del inductor y la elección de los regímenes encarecen demasiado el proceso. Otro inconveniente es que la instalación resulta bastante cara. Sin embargo, cuando la producción es en serie o en cadena, la instalación funciona a plena carga y el coste por pieza del inductor es insignificante, por lo que estos inconvenientes prácticamente desaparecen. Por último, es de destacar la comodidad de este método, ya que la instalación puede colocarse en cualquier parte del taller, de acuerdo con la marcha de la cadena de producción, lo que proporciona una gran economía complementaria de tiempo, áreas industriales y medios de transporte.

11.8.

REVENIDO DE ACEROS

Los aceros después del temple suelen quedar generalmente demasiado duros y frágiles para los usos a que van a ser destinados. Estos inconvenientes se corrigen por medio del revenido, es decir, calentando el acero a una temperatura más baja que su temperatura crítica inferior !1, seguido de un enfriamiento generalmente al aire y otras veces en aceite o agua, según la composición del acero. El efecto más importante del revenido, desde el punto de vista práctico, es modificar parcialmente los efectos del enfriamiento brusco (temple), disminuyendo la dureza y eliminando las tensiones producidas en el temple. El revenido produce una disminución de la resistencia a la tracción, pero mejora la ductilidad y la tenacidad. Las estructuras procedentes de la transformación de la austenita en las zonas perlítica y bainítica apenas experimentan variación durante el tratamiento de revenido. No obstante, la martensita sufre un verdadero proceso de precipitación y se transforma escalonadamente, formando al final una solución sólida de red no distorsionada, además de ferrita y carburos. La primera etapa del revenido, se desarrolla para temperaturas de 100200°C, pero puede tener lugar incluso a la temperatura ambiente. Esta etapa se caracteriza por la segregación de carbono en forma de un carburo denominado , que precipita de la martensita tetragonal sobresaturada, principalmente en los límites de los subgranos de la austenita original. La formación del carburo origina una pérdida importante de carbono en la

209 209 TRATAMIENTOS TÉRMICOS DE INTRODUCCIÓN LOS ACEROS AL CONOCIMIENTO DE MATERIALES

martensita, reduciéndose de 0.9 a 0.25%. A causa de ello, la red tetragonal se transforma en la red cúbica parcialmente distorsionada, pero más estable. Este carburo cristaliza en forma hexagonal y su fórmula más admitida es Fe2,4 C; es decir, se trata de un carburo de hierro distinto de la cementita. El proceso va acompañado de una reducción de volumen que, a su vez, provoca una disminución de las tensiones de endurecimiento, que no van acompañados de una pérdida notable de dureza. Metalográficamente, esta etapa se pone de manifiesto, porque se ennegrece rápidamente con un ligero ataque y las agujas de martensita aparecen fuertemente contrastadas sobre un fondo claro de austenita. Durante el tratamiento de revenido a temperaturas un poco más elevadas, 200-250°C, al mismo tiempo que la martensita, se transforma también la austenita retenida. El proceso de transformación, en esta segunda etapa, depende principalmente de la temperatura de revenido y se desarrollará, en un caso o en otro, bien en la forma de transformación perlítica o bien en la de transformación bainítica; en otras palabras, la transformación se realizará como lo haría la austenita en la reacción isotérmica a la misma temperatura. Un acero con austenita retenida (siempre hay un pequeño porcentaje de ella) revenido a las temperaturas que corresponden a esta segunda etapa, presentará una estructura compleja formada por los productos de descomposición de ambas, martensita y austenita, y se precipitará carburo de hierro con formación final de ferrita y cementita. El carburo , para revenidos muy largos, puede transformarse ya, en esta segunda etapa, en cementita. En la etapa final, tercera etapa del revenido, que normalmente se superpone con la segunda, tiene lugar la transformación del carburo inestable antes formado, redisolviéndose y precipitándose entonces en cementita que se localiza dentro y en los bordes de las agujas de martensita hasta la desaparición total del carburo . El proceso se desarrolla de acuerdo con diferentes formas intermedias; los pequeñísimos nódulos de carburo, al aumentar la temperatura y el tiempo, van haciéndose más gruesos, intensificándose la precipitación en los contornos de las agujas primitivas, cuya forma se mantiene aún durante un tiempo muy pequeño y, finalmente, al continuar aumentando la temperatura, la cementita coalesce y se globuliza. De éste modo, se dispersan por toda la masa de la antigua martensita que, por pérdidas sucesivas de carbono, está ya transformada en ferrita. A temperaturas de revenido próximas a !1, aparece ya una estructura clara y definida de matriz ferrítica y cementita globulizada. En el caso de aceros de alto contenido en carbono o de aleación, se considera una etapa más, a altas temperaturas de revenido, cuarta etapa del revenido, que corresponde a la precipitación y coalescencia de la cementita y de los carburos de aleación.

210 210 TRATAMIENTOS TÉRMICOS DE INTRODUCCIÓN LOS ACEROS AL CONOCIMIENTO DE MATERIALES

Debido a la segregación y coalescencia de la cementita, disminuyen la dureza y la resistencia a la tracción a medida que aumenta la temperatura y el tiempo de revenido, en tanto que aumentan el alargamiento, la estricción y la resiliencia; de esta manera, eligiendo adecuadamente el ciclo tiempotemperatura de revenido, se puede llegar a alcanzar todas las propiedades intermedias entre las del estado templado y las del recocido de ablandamiento, con lo cual las propiedades de tenacidad y la relación entre límite elástico y la resistencia a la tracción serán las más apropiadas para las condiciones de trabajo exigidas al acero.

11.8.1.

Fragilidad de revenido

El aumento de las características de tenacidad, alargamiento, estricción y resiliencia, que de una manera general experimenta el acero con el tratamiento de revenido. tampoco puede considerarse como regular. En algunos tipos de aceros a temperaturas de revenido entre 250 y 400°C, a pesar de que experimentan un ablandamiento, la tenacidad disminuye sensiblemente y se presenta una zona de fragilidad que no desaparece hasta haber rebasado esta temperatura. Ello sucede porque la cementita que precipita en la tercera etapa se concentra contorneando las agujas primitivas de martensita, formando una película extraordinariamente frágil responsable de la fragilidad de estos aceros. Revenidos a temperaturas más altas provocan la coalescencia de la cementita y su dispersión en la matriz ferrítica, haciendo desaparecer este tipo de fragilidad. Este fenómeno de fragilidad se conoce con el nombre de fragilidad a los revenidos bajos. En revenidos a temperaturas más elevadas, 450-550°C, y especialmente en aceros aleados al manganeso o al cromo-níquel, se presenta otra zona de fragilidad muy pronunciada y de características muy particulares. Este fenómeno de fragilidad es más conocido con el nombre de fragilidad de revenido o fragilidad Krupp.

Se supone que a altas temperaturas se disuelve nitrógeno (que siempre está presente como impureza en los aceros) en la austenita y después, en el temple, se transfiere a la martensita. Cuando esta se transforma durante el revenido, queda retenido en la red de hierro de la ferrita, si bien en estado de sobresaturación. A causa del calentamiento precipita durante el revenido en forma de nitruro de hierro verificándose dicha precipitación

211 211 TRATAMIENTOS TÉRMICOS DE INTRODUCCIÓN LOS ACEROS AL CONOCIMIENTO DE MATERIALES

precisamente en los bordes de grano, que son los lugares de máxima energía y, por tanto, en los que se inicia la NUCLEACIÆN. La gran fragilidad del nitruro allí precipitado provoca la rotura frágil de tipo intercristalino (por separación de los bordes de grano). Elementos de aleación, tales como Mn, Cr y Ni, favorecen la fragilidad Krupp. Por otro lado, pequeñas adiciones de Mo (0.2%) retrasan la aparición de este tipo de fragilidad. Así pues, en la práctica, sólo se puede evitar la fragilidad de revenido en los aceros susceptibles a la misma, procurando no realizar nunca revenidos muy largos en la zona peligrosa o añadiendo en la composición del acero cierta proporción de molibdeno que, en parte, evite o retrase el fenómeno de la fragilidad. Si, a pesar de todo y con un acero de composición poco favorable, es preciso realizar un revenido en esta zona, se procurará que la duración del mismo sea lo más corta posible. Cuando el revenido ha de realizarse a temperaturas superiores a 550°C, se puede tratar de evitar la fragilidad enfriando rápidamente el acero hasta la temperatura ambiente.

TEMA 12 ALEACIONES FÉRREAS

12.1.

INTRODUCCIÓN

Las aleaciones férreas o de base hierro, se pueden dividir en tres grupos: — Aceros al carbono. — Aceros aleados. — Fundiciones. Las estructuras de equilibrio del primer grupo se pueden deducir de la parte del diagrama hierro-carburo de hierro, que corresponde a contenidos inferiores al 2.11% de C. Únicamente están involucradas tres fases importantes: ferrita (alfa, CC, con carbono en solución sólida hasta el 0.025%), austenita (gamma, CCC, con carbono en solución sólida hasta el 2.11%) y carburo de hierro, Fe3C (cementita, 6.67% en peso de carbono). La mayoría de los aceros al carbono están constituidos por ferrita con cantidades de carburo que aumentan a medida que se incrementa el contenido de carbono. Cuando el contenido de carbono es superior al 0.3%, es posible endurecer piezas de secciones delgadas calentándolas hasta la austenización, para después templar rápidamente en agua y así obtener martensita. El segundo grupo corresponde a los aceros aleados y en ellos la adición de distintas cantidades de aleantes altera sustancialmente el diagrama hierro-carburo de hierro. Los aceros de aleación son más caros que los aceros ordinarios, pero para muchas aplicaciones son los únicos materiales que pueden ser utilizados con garantía frente a ciertos requerimientos en ingeniería. En el tercer grupo, las fundiciones contienen más del 2.11% de carbono. Parte de este carbono puede estar presente en forma de grafito; para analizar estas relaciones se emplea el diagrama hierro-grafito, que se

214 ALEACIONES FÉRREAS

214 INTRODUCCIÓN AL CONOCIMIENTO DE MATERIALES

discutirá en el tema 14. Cada uno de los diferentes tipos de fundiciones se pueden considerar como una matriz de acero hipereutectoide más carburo o grafito. La correcta y racional utilización de cualquier acero que tenga que soportar las condiciones de servicio a las que va a estar sometido, implica inicialmente la elección de un tipo que ofrezca una gama de propiedades, entre las que se deben encontrar aquellas que cubran las exigidas para el fin previsto. Ahora bien, las propiedades reales del acero elegido podrán diferir de las teóricas, en función de una serie de factores inherentes al acero real, que se engloban en lo que podemos denominar la calidad de un acero. La calidad del acero depende del contenido de impurezas y de su distribución; de la homogeneidad en el contenido de los elementos de aleación, así como de posibles defectos originados durante el proceso de fabricación, y, en general, de todos aquellos factores que son causa de que sus propiedades no sean óptimas. La obtención de las propiedades concretas, entre la gama posible, se realiza mediante la correspondiente manipulación del acero elegido, que consiste en la realización de tratamientos térmicos y mecánicos, que dan lugar al definitivo estado del acero, caracterizado por las propiedades deseadas. El contenido de impurezas de un acero y su distribución constituyen uno de los factores que más influyen en su calidad. Las impurezas pueden originarse por las materias primas utilizadas; los ejemplos más frecuentes son los debidos al fósforo y al azufre, elementos que se encuentran en los minerales de hierro, empleados en la fabricación del acero. También pueden proceder de la contaminación, por contacto con el medio, formación de óxidos de hierro o de otros elementos que provienen del proceso de fabricación. Otros elementos se añaden de forma intencionada con diferentes fines, siendo el manganeso y el silicio los más usuales. En definitiva, los contenidos de fósforo y azufre, por unas razones, y de manganeso y silicio por otras, son un índice de calidad del acero y deben limitarse, salvo casos especiales, a contenidos lo más bajos posible. Las inclusiones no metálicas (apartado 10.5), tales como óxidos, sulfuros, silicatos y otras, constituyen discontinuidades en los aceros, deteriorando su comportamiento mecánico, tanto por su mera presencia, como por su propio comportamiento, sin olvidar el efecto de concentración de tensiones que originan en sus inmediaciones. Ello exige, como índice de la calidad de un acero, clasificar, identificar y valorar las inclusiones presentes en cada aleación. Las distintas inclusiones se identifican y clasifican por su naturaleza, tamaño, cantidad y distribución. Existen

215 ALEACIONES FÉRREAS

215 INTRODUCCIÓN AL CONOCIMIENTO DE MATERIALES

diferentes métodos y normas que indican el modo de realizar la observación y su valoración, expresando cualitativa y cuantitativamente el resultado, lo que constituye el índice de calidad. La composición del acero también debe ser objeto del correspondiente control de calidad. Así, se estudia individualmente cada colada desde los puntos de vista que afectan a la calidad y el resultado de esa inspección podrá certificarse junto a otras características, tales como la templabilidad (apartado 11.7.1) y los valores de las propiedades mecánicas alcanzables con diferentes tratamientos térmicos.

12.2.

ACEROS AL CARBONO

En los aceros al carbono, el único elemento que interviene como aleante es el carbono. No obstante, siempre existirán pequeñas cantidades de algunos elementos, que en general tienen la consideración de impurezas y que provienen de distintas fuentes como se acaba de ver. El fósforo se disuelve en la ferrita y en menor medida en la austenita, y posee un gran poder endurecedor. No obstante, su concentración debe mantenerse pequeña ya que tiene gran tendencia a segregarse, sobre todo en los aceros aleados, lo que provoca un aumento de la fragilidad. Por ello, es conveniente que su concentración esté por debajo del 0.05%, excepto en aquellos aceros que se desea que sean muy fáciles de mecanizar, en cuyo caso la concentración puede llegar a ser del 0.15%. El azufre forma con el hierro el correspondiente sulfuro, que es frágil y constituye una de las fases de un eutéctico ternario que funde a 980°C, causando la fragilización del acero, por lo que su concentración suele ser inferior al 0.05%. El silicio añadido con fines desoxidantes puede formar inclusiones de silicatos, que son duras y frágiles y al ser incoherentes con la matriz, pueden dar lugar a grietas. El silicio no combinado puede disolverse en el hierro, endureciendo la ferrita. El manganeso se añade al acero líquido para evitar la formación de SFe, por constitución de SMn. Por ello, hay que añadirlo en una cantidad por lo menos ocho veces mayor que la de azufre. El SMn se elimina, en parte, en la solidificación y el que queda en el acero como inclusión es menos perjudicial que el SFe ya que, además, es una inclusión dúctil. Así mismo, el manganeso puede dar lugar, también, a impurezas metálicas que no son perjudiciales y que, incluso, mejoran la templabi-

216 ALEACIONES FÉRREAS

216 INTRODUCCIÓN AL CONOCIMIENTO DE MATERIALES

lidad del acero, por lo que se utiliza como elemento de aleación en cantidades mayores. Tanto el silicio como el manganeso se consideran elementos de aleación cuando intervienen en cantidades superiores al 0.35%. Los aceros al carbono se pueden utilizar sin que presenten problemas, si la resistencia y otros requerimientos mecánicos no son demasiado severos. El coste de este tipo de aceros es relativamente bajo, pero presentan algunas limitaciones, puesto que tienen una escasa resistencia a la corrosión y oxidación así como al impacto a bajas temperaturas. Además, para obtener una estructura totalmente martensítica, los aceros de contenido medio o bajo en carbono deben ser enfriados rápidamente, lo que produce tensiones que pueden conducir a la rotura prematura. Por tanto, su baja templabilidad hace que normalmente se utilicen en estado de recocido o normalizado. La resistencia aumenta con el contenido en carbono, al mismo tiempo que disminuye su plasticidad y tenacidad, sobre todo para aceros hipereutectoides (con contenidos superiores a 0.7% de C) que tienen una matriz de cementita. La elección del contenido en carbono en este tipo de aceros tiene algunas limitaciones. Para contenidos superiores al 0.3%, y siempre que las piezas sean suficientemente pequeñas, puede considerarse la posibilidad de bonificarlos (temple más revenido a alta temperatura). La resistencia obtenida dependerá tanto del contenido en carbono como de la temperatura y tiempo de revenido. Se debe elegir el contenido en carbono mínimo que sea capaz de suministrar la resistencia deseada. Otra limitación que se tiene a la hora de elegir el contenido en carbono es la necesidad de obtener la resistencia mecánica deseada mediante un revenido que no induzca fragilidad, lo que elimina en todos los casos la realización de revenidos entre 250 y 450°C, y en muchos casos los del intervalo 450-550°C, tal como se vio en el tema anterior. Una alternativa es reducir la temperatura de revenido a 250°C, y aunque se obtiene una alta resistencia, la tenacidad es muy baja. La otra alternativa sería el revenido a temperaturas más altas de 550°C que producen tenacidades excelentes, pero acompañados de muy bajas resistencias. Para superar esta y otras deficiencias que presentan los aceros al carbono ordinarios, se han desarrollado aceros de aleación que contienen elementos que mejoran sus propiedades.

En un buen número de casos, combinando adecuadamente los tratamientos térmicos y superficiales, se pueden obtener buenas prestaciones en piezas en las que se requiere alta tenacidad y dureza superficial (CI GÍEÅALES, BIELAS etc.), altas resistencias a la deformación en piezas de pequeña sección (muelles), y altas resistencias al desgaste (ejes, LEVAS etc.).

217 ALEACIONES FÉRREAS

12.3.

217 INTRODUCCIÓN AL CONOCIMIENTO DE MATERIALES

ACEROS ALEADOS

Un acero aleado puede definirse como aquel cuyas propiedades características se deben a algún elemento diferente del carbono. En la mayoría de los métodos y procesos industriales de obtención del hierro y sus aleaciones, unas veces sin intención y otras a propósito, se incorporan al producto final cantidades variables de otros elementos que influyen de una manera notable, no sólo en sus propiedades tecnológicas, sino que también producen una variación apreciable en su microestructura. Los átomos aleantes pueden estar disueltos en la red atómica, y dependiendo de que se sitúen en nudos reticulares o no, darán lugar a soluciones sólidas sustitucionales o intersticiales. En ambos casos, se tiene una solución sólida homogénea. No obstante, en un gran número de aleaciones técnicas, los elementos de aleación o al menos una parte de ellos, forman combinaciones entre sí o con el hierro y pueden dar lugar, junto con la solución sólida homogénea, a la formación de otras fases. Los principales elementos de aleación que se adicionan para fabricar este tipo de aceros son: níquel, cromo, manganeso, molibdeno y volframio. Otros elementos que también se suelen añadir son: vanadio, cobalto, boro, cobre, aluminio, plomo, titanio y niobio. Los elementos de aleación que se adicionan a los aceros tienen diversos efectos sobre la microestructura y las propiedades, entre los que se pueden destacar los siguientes: — Temperaturas de transformación. — Formación de carburos. — Crecimiento de grano. — Templabilidad. — Resistencia mecánica. — Tenacidad. — Resistencia al desgaste. — Resistencia a la corrosión.

Temperaturas de transformación La presencia de los elementos de aleación cambia el intervalo crítico (entre !1 y !3), la posición del punto eutectoide y la localización de los

218 ALEACIONES FÉRREAS

218 INTRODUCCIÓN AL CONOCIMIENTO DE MATERIALES

campos alfa y gamma indicados en el diagrama binario hierro-carburo de hierro. Todos los elementos de aleación tienden a reducir el contenido de carbono del eutectoide. Por ejemplo, la adición de un 2.5% de Mn a un acero con un 0.65% de C producirá una estructura completamente eutectoide. El níquel y el manganeso tienden a disminuir la temperatura crítica en calentamiento, en tanto que el titanio, molibdeno, aluminio, silicio, volframio y vanadio tienden a aumentarla. Aumentar las cantidades de níquel y manganeso puede disminuir la temperatura crítica lo suficiente para evitar la transformación de la austenita durante el enfriamiento lento. A estos elementos estabilizadores de la austenita se les conoce con el nombre de gammágenos, y algunos son tan potentes que retienen la austenita a temperatura ambiente, como sucede en los aceros inoxidables austeníticos. Como se acaba de ver, un aleante se denomina gammágeno cuando aumenta la temperatura !4 disminuye la !3, aumentando por tanto el intervalo de existencia de la fase gamma. Aparecen entonces diagramas de equilibrio como el del sistema Fe-Mn, tal y como se presenta en la figura 12.1, con un campo de fase gamma abierto. Para elevados contenidos de manganeso, a temperatura ambiente, se presentan juntos hierro alfa y hierro gamma y sólo para muy altos contenidos de manganeso se tiene únicamente fase (austenita) en la estructura. Análogo efecto producen otros elementos tales como carbono, nitrógeno, níquel, cobalto, cobre, etc. Si por el contrario, el punto crítico !4 se desplaza hacia temperaturas más bajas y ! 3 hacia temperaturas más altas, el campo de fase gamma se estrecha y aparece cerrado como es el caso del sistema Fe-Si que se presenta en la figura 12.2. Otros muchos elementos de aleación, tales como aluminio, fósforo, titanio, vanadio, cromo, molibdeno, volframio, etc., producen efecto análogo, y se denominan elementos alfágenos. En aleaciones de este tipo, por encima de una proporción determinada del elemento aleado, deja de tener lugar la transformación α −γ . La influencia sobre el desplazamiento de los puntos críticos y las variaciones estructurales que, como consecuencia de ello, puedan desarrollar los elementos de aleación no es aditiva, es decir, no puede valorarse la acción conjunta de varios por la acción de cada uno de ellos en particular. Un ejemplo de este caso se presenta en la formación de austenita en la aleación con 8% de níquel (que a la temperatura ambiente no debe tener aún fase ) y 18% de cromo (que por sí solo también sería únicamente fase ) en la que con un tratamiento térmico adecuado,

219 ALEACIONES FÉRREAS

219 INTRODUCCIÓN AL CONOCIMIENTO DE MATERIALES

T oC 1536 1396

Fe a

911

–

–

–

–

300

–

–

Fe _

0 10 20 30 40 50 % Mn

FIGURA 12.1.

T oC 1536 1396 Fe a

Fe _

–

900

0 10

% Si

FIGURA 12.2.

sólo se forma austenita, dando lugar a los conocidos aceros inoxidables austeníticos 18/8. Un estudio sistemático del comportamiento de los elementos de aleación con respecto a los sistemas férreos binarios muestra que los elementos de pequeño radio atómico amplían el intervalo de la fase gamma, los de radio atómico medio reducen el campo gamma y los de radio atómico más grande son insolubles en el hierro.

220 ALEACIONES FÉRREAS

220 INTRODUCCIÓN AL CONOCIMIENTO DE MATERIALES

Formación de carburos Los elementos de aleación pueden clasificarse en dos grandes grupos, según sean solubles en la ferrita o no. En el primer caso se disuelven en la ferrita del acero, ya que tiene menos tendencia a formar carburos que el hierro. En el segundo, tienden a combinarse con el carbono formando carburos. Lo primero que hay que resaltar es que, si el contenido de carbono es muy bajo, todos los elementos se disuelven en la ferrita, aumentando su dureza y resistencia. Algunos forman carburos (Mn, Cr, W, Mo, V, Ti y Nb) y otros no (Ni, Si, Cu, Co y P). El orden decreciente según la tendencia a disolverse en la ferrita es Ni, Si, Al, Cu, Co, P, Mn, Cr, W, Mo, V, Ti y Nb. Como todos los carburos encontrados en los aceros son duros y frágiles, su efecto en las propiedades mecánicas a temperatura ambiente es análoga, sin importar la composición específica. No obstante, los carburos de Cr y V son los más duros y resistentes al desgaste, mientras que los de Mo, W y V proporcionan gran estabilidad a elevadas temperaturas. La presencia de elementos que forman carburos influye en la temperatura de endurecimiento y el tiempo necesario para obtener un calentamiento total y uniforme. Los carburos son lentos de disolver y tienden a no hacerlo en la austenita. Esto hace que disminuyan los contenidos de carbono y de elementos de aleación en la austenita en una cantidad por debajo de la que tendría el acero sin carburos. Los carburos no disueltos también actúan sobre el crecimiento de grano, ya que limitan su crecimiento por anclaje de las fronteras de grano. Ambos efectos tienden a reducir la templabilidad.

Crecimiento de grano Durante el tratamiento térmico, particularmente a altas temperaturas, el grano austenítico inevitablemente aumenta. Algunos elementos, principalmente el cromo, aceleran este fenómeno produciendo un aumento en la fragilidad del acero. Otros, como el níquel y el vanadio, retardan el crecimiento de grano y se denominan elementos afinadores de grano.

Templabilidad La templabilidad es otra propiedad que se ve modificada por los elementos de aleación. Efectivamente todos los elementos, con la excepción del

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221 INTRODUCCIÓN AL CONOCIMIENTO DE MATERIALES

cobalto, tienden a reducir la velocidad crítica de enfriamiento necesaria para la obtención de martensita. Esto se refleja por el desplazamiento hacia la derecha de los diagramas TTT similares a los de la figura 11.9. Por ejemplo, un acero con un 4.25% de Ni y un 1.25% de Cr puede ser templado al aire si se trata de secciones delgadas, o en aceite cuando son más gruesas.

Resistencia mecánica Para ciertos niveles de resistencia, los aceros de baja aleación presentan mejores propiedades mecánicas, sobre todo tenacidad y ductilidad, que los aceros al carbono ordinarios. Sin embargo, los aceros de baja aleación son de mayor coste y su utilización se debe reservar para necesidades específicas. Los aceros de baja aleación se utilizan en la fabricación de automóviles y camiones, y en aquellas piezas que requieren una especial resistencia y tenacidad, propiedades que no pueden ser obtenidas con aceros al carbono ordinarios. Algunas aplicaciones típicas para los aceros de baja aleación en automóviles son los ejes, árboles, engranajes y resortes. Los aceros de baja aleación con contenidos del 0.2% de carbono se someten frecuentemente a CARBURIZACIÆN, para producir una superficie dura y resistente al desgaste y que mantenga a la vez un núcleo interno tenaz.

Resistencia a la corrosión Existen algunos elementos que tienden a formar películas superficiales de óxido que protegen el interior del material contra posteriores corrosiones. Por ejemplo, aunque el aluminio es un metal altamente reactivo, es bastante resistente a la corrosión por la formación de una capa superficial densa y adherente de Al2O3. El Al junto con el Cr y el Si comunican esta propiedad al acero cuando se usan como elementos aleantes, aunque teniendo en cuenta consideraciones mecánicas el mejor es el Cr. En este último caso, es necesario un mínimo de un 13% de Cr para una protección efectiva del acero.

12.4.

CLASIFICACIÓN DE LOS ACEROS ALEADOS

Resulta muy difícil hacer una única clasificación de los aceros, ya que existen múltiples clasificaciones de acuerdo con su composición, microestructura, aplicaciones, capacidad de endurecimiento por tratamiento térmico,

222 ALEACIONES FÉRREAS

222 INTRODUCCIÓN AL CONOCIMIENTO DE MATERIALES

etc. De acuerdo con la composición, los aceros pueden denominarse, bien por el elemento(s) de aleación más importante(s) (aceros al níquel, al cromo, al cromo-vanadio, etc.), o por la cantidad total de elementos de aleación (aceros de alta o baja aleación, microaleados). Existen clasificaciones atendiendo a la correspondiente estructura de equilibrio (aceros hipoeutectoides, eutectoides, hipereutectoides y ledeburíticos) o a la obtenida después del tratamiento térmico (perlítica, martensítica y austenítica). Otra clasificación podría ser la que tiene en cuenta sus aplicaciones (de construcción, para herramientas, inoxidables, resistentes al desgaste, REFRACTARIOS, etc.). Cada una de estas y otras clasificaciones tiene sus ventajas e inconvenientes, por lo que resulta difícil su elección. Una clasificación muy general podría derivarse de la acción que producen los aleantes en el acero. Para dosificaciones no muy altas, el efecto de los aleantes consiste en alterar la descomposición de la austenita y en general de las reacciones que suceden en los tratamientos térmicos, y por tanto las estructuras finales y las propiedades. En este sentido, la acción de los aleantes es cuantitativa, y así la acción del Ni no variará fundamentalmente de la del Mn o el Cr, salvo en la cantidad necesaria para lograr un determinado efecto en el tratamiento térmico. Cuando la dosificación de un elemento aleante es suficientemente elevada, puede suceder que comunique al acero propiedades características del aleante o formar compuestos intermedios. En este caso la acción es básicamente cualitativa ya que se alteran las propiedades intrínsecas del acero. Por todo ello, desde un punto de vista básico, una primera clasificación de los aceros aleados se hará en dos grandes grupos, dependiendo de la acción de los aleantes, como se acaba de comentar, para a continuación establecer divisiones de acuerdo con sus aplicaciones, propiedades comunes o elemento aleante característico. El primer grupo abarca a los aceros de baja aleación formado por los aceros de construcción y los microaleados. En el segundo grupo, correspondiente a los aceros de alta aleación, las familias de los aceros más importantes son los denominados de herramientas y los inoxidables o resistentes a la corrosión.

12.5.

ACEROS DE CONSTRUCCIÓN

Por acero de construcción se entiende aquel que es utilizado para hacer piezas de máquinas, y en general es el consumidor el que realiza el tratamiento térmico. Dentro de este grupo pueden situarse los aceros

223 ALEACIONES FÉRREAS

223 INTRODUCCIÓN AL CONOCIMIENTO DE MATERIALES

para estructuras, con composiciones parecidas a los anteriores pero que no precisan tratamiento térmico posterior. Todos estos aceros suelen también denominarse aceros de baja aleación, puesto que la suma de los elementos aleantes no superan el 10%. La gran fragilidad de la cementita hace que el contenido en carbono, en los aceros para herramientas, sea inferior al 0.88%, teniendo como constituyentes principales la perlita sola o con ferrita. Para mayores contenidos de carbono aparece el constituyente cementita que es excesivamente frágil, aunque útil para los aceros de herramientas, que se estudiarán en el próximo capítulo, por la gran dureza que requieren muchas de sus aplicaciones, por lo que en estos últimos el contenido de carbono puede llegar a ser hasta de un 1.5%. Por sencillez, en vez de ir viendo estos aceros de acuerdo con sus aplicaciones (para muelles, cojinetes, armaduras, etc.), se hará de acuerdo con el principal elemento de aleación, destacando en cada caso las aplicaciones y propiedades correspondientes. Las denominaciones de los distintos aceros de construcción se hacen de acuerdo con la norma AISISAE (American Society for Testing Materials-Society of Automotive Engineers).

Aceros al manganeso El manganeso es uno de los elementos de aleación menos costosos y está presente en los aceros por su efecto desoxidante. El manganeso tiene efectos parecidos a los del níquel, y disminuye tanto el intervalo crítico como el contenido de carbono del eutectoide. Sólo cuando el contenido de manganeso excede un 0.90%, se puede clasificar al acero como aleado. El Mn contribuye de forma notable a la resistencia y a la dureza, pero en menor grado que el carbono, siendo más efectivo en los aceros de mayor contenido de carbono. Este elemento es un débil formador de carburo y tiene un efecto moderado sobre la templabilidad. Así mismo, el Mn reduce la tendencia a la fragilidad en caliente, proveniente de la presencia de azufre, permitiendo de ese modo el trabajado en caliente. Cuando no hay manganeso o hay muy poco, el sulfuro predominante es el FeS, que constituye un eutéctico con hierro y tiende a formar películas delgadas alrededor de los cristales primarios durante la solidificación del acero. Estas películas son líquidas a la temperatura de laminación del acero y producen una condición de fragilidad en caliente, la cual tiende a producir fisuras a través de las fronteras de grano. El manganeso es un elemento importante por su poder para combinarse con el azufre, dando lugar

224 ALEACIONES FÉRREAS

224 INTRODUCCIÓN AL CONOCIMIENTO DE MATERIALES

al sulfuro de manganeso que tiene un punto de fusión mucho mayor que el sulfuro de hierro eutéctico, se conserva sólido a la temperatura de laminación y tiene un efecto menos adverso sobre las propiedades de trabajado en caliente del acero. Cuando el contenido de manganeso excede del 10%, el acero será austenítico después de un enfriamiento lento. Un acero especial, conocido como ACERO (ADFIELD al manganeso, suele contener el 12% de manganeso. Después de un tratamiento térmico adecuadamente controlado, este acero se caracteriza en general por su alta resistencia, gran ductilidad y excelente resistencia al desgaste. Es un material relevante que destaca por su resistencia en aquellas condiciones de servicio que combinen abrasión y desgaste, como sucede en dientes de excavadoras mecánicas, maquinaria para esmerilar y triturar, y en raíles de ferrocarril.

Aceros al níquel El níquel es uno de los más antiguos y el más fundamental de los elementos de aleación de los aceros. Tiene ilimitada solubilidad en hierro gamma y es altamente soluble en ferrita, contribuyendo a la resistencia y tenacidad de esta fase. Además, disminuye las temperaturas críticas del acero, retarda la descomposición de la austenita y no forma carburos que puedan disolverse con dificultad durante la austenización. Así mismo, reduce el contenido de carbono del eutectoide; por tanto, la estructura de los aceros no endurecidos al níquel contiene mayor porcentaje de perlita que los aceros al carbono tratados de manera similar. Como la perlita se forma a una temperatura menor, es más fina y tenaz que la de los aceros no aleados. Estos factores permiten obtener ciertos niveles de resistencia con inferiores contenidos de carbono, incrementando de esta manera la tenacidad, la plasticidad y la resistencia a la fatiga. Los aceros al níquel son altamente adecuados para aceros estructurales de gran resistencia, utilizándose en la condición de laminado. Los aceros al 3.5% de níquel con bajo contenido de carbono se emplean para carburizar engranajes de transmisión, tornillos de bielas, pernos y seguros. Los aceros al 5% de níquel proporcionan mayor tenacidad y se utilizan para aplicaciones de trabajo pesado, como engranajes para camiones y autobuses, levas y cigüeñales. El níquel tiene sólo un ligero efecto sobre la templabilidad, pero es relevante su capacidad para mejorar la tenacidad, sobre todo a bajas temperaturas.

225 ALEACIONES FÉRREAS

225 INTRODUCCIÓN AL CONOCIMIENTO DE MATERIALES

Aceros al níquel-cromo En estos aceros, la razón de níquel a cromo es de aproximadamente 2.5 partes de níquel por una parte de cromo. Cuando, como en este caso, hay varios elementos de aleación, el acero presentará algunas de las propiedades características de cada uno de ellos. El efecto del níquel de aumentar la tenacidad y la ductilidad se combina con el efecto del cromo de mejorar la templabilidad y la resistencia al desgaste. Estos aceros presentan la fragilidad de Krupp, de manera que los revenidos entre 450 y 550°C dan lugar a una gran fragilidad. Los aceros aleados al níquel-cromo de bajo contenido de carbono se carburizan. El cromo proporciona la resistencia al desgaste de la superficie endurecida, mientras que ambos elementos de aleación mejoran la tenacidad de la parte interna. Con 1.5% de níquel y 0.60% de cromo se utilizan para formar engranes helicoidales, pernos para pistones, etc. Para aplicaciones de trabajo pesado, como engranes para avión, flechas y levas, el contenido de níquel se aumenta a 3.5% y el contenido de cromo a 1.5%. Los aceros al níquel-cromo de contenido medio de carbono se utilizan en la fabricación de bielas automotrices y flechas de transmisión.

Aceros al molibdeno El molibdeno es un elemento de aleación relativamente costoso, tiene una solubilidad limitada en hierros gamma y alfa y ejerce un gran efecto sobre la templabilidad. Es un importante formador de carburos estables a altas temperaturas por lo que su adición aumenta la dureza y resistencia a alta temperatura de los aceros. Los aceros al molibdeno son menos susceptibles a fragilizar, como consecuencia del revenido, que los demás aceros aleados. El Mo se utiliza más a menudo en combinación con níquel o cromo o en ambos, ya que elimina la fragilidad de Krupp. Para aplicaciones de carburización, mejora la resistencia al desgaste de la superficie endurecida y la tenacidad de la porción interna. Los aceros ordinarios al molibdeno con bajo contenido de carbono, generalmente se carburizan y se emplean para flechas ranuradas, engranajes de transmisión y aplicaciones similares en las que no son tan severas las condiciones de servicio. Con mayor contenido de carbono, se han utilizado para resortes de suspensión y muelles para automóviles.

226 ALEACIONES FÉRREAS

226 INTRODUCCIÓN AL CONOCIMIENTO DE MATERIALES

Los aceros al cromo-molibdeno son relativamente baratos, poseen buenas características de ductilidad y de SOLDABILIDAD Se han empleado bastante para recipientes sometidos a presión, partes estructurales de los aviones, ejes de automóviles y para aplicaciones semejantes. Los aceros al níquel-molibdeno tienen la ventaja de la alta resistencia y ductilidad del níquel, combinada con una templabilidad y maquinabilidad mejoradas que proporciona el molibdeno. Tienen buena tenacidad, combinada con alta resistencia a la fatiga y resistencia al desgaste. Se utilizan para engranajes de transmisión, pernos de las cadenas, flechas y cojinetes. Los aceros al níquel-cromo-molibdeno triplemente aleados tienen las ventajas de los aceros al níquel-cromo, conjuntamente con la alta templabilidad proporcionada por el molibdeno. Se utilizan mucho en la industria aeronáutica para las partes estructurales del ensamble de las alas, fuselaje y tren de aterrizaje.

Aceros al cromo El cromo es un elemento de aleación menos costoso que el níquel y forma carburos simples o complejos. Estos carburos tienen alta dureza y buena resistencia a la abrasión. El cromo es soluble hasta un 13% en hierro gamma y tiene solubilidad ilimitada en ferrita . En los aceros de bajo contenido en carbono, el cromo tiende a entrar en la solución, incrementando de esta manera la resistencia y la tenacidad de la ferrita. Cuando el cromo está presente en cantidades que exceden al 5%, las propiedades a altas temperaturas y la resistencia a la corrosión del acero se ven ampliamente mejoradas.

Los aceros con alto contenido en cromo, más de 10%, destacan por su elevada resistencia a la corrosión. Los aceros aleados de bajo contenido en carbono generalmente se carburizan. La presencia del cromo aumenta la resistencia al desgaste de la superficie endurecida, pero la tenacidad en la parte interna no es tan alta como en los aceros al níquel. Los aceros de contenido medio de carbono son endurecibles en aceite y se utilizan para resortes, tornillos para motores, pernos, ejes, etc. Un tipo especial de acero al cromo con 1% de carbono y de 2 a 4% de cromo tiene excelentes propiedades magnéticas y se emplea para imanes permanentes.

227 ALEACIONES FÉRREAS

227 INTRODUCCIÓN AL CONOCIMIENTO DE MATERIALES

Aceros al vanadio El vanadio es el más costoso de los elementos comunes de aleación. Es un potente desoxidador y un fuerte formador de carburos, el cual inhibe el crecimiento de grano. Las adiciones de vanadio de tan sólo un 0.05% producen una pieza de fundición sin defectos, uniforme y de grano fino. Cuando se disuelve, el vanadio tiene un marcado efecto sobre la templabilidad y proporciona altas propiedades mecánicas al enfriamiento con aire. Por tanto, los aceros al carbono-vanadio se utilizan para las grandes forjas de locomotoras y maquinaria en general. Los aceros al cromo-vanadio de bajo contenido en carbono se utilizan en la condición de endurecimiento superficial en la fabricación de pernos y cigüeñales. Los aceros al cromo-vanadio de contenido medio en carbono tienen alta tenacidad y resistencia y se emplean para ejes y resortes. Los de alto contenido en carbono presentan gran dureza y resistencia al desgaste y se emplean para cojinetes y herramientas.

Aceros al volframio El volframio tiene un marcado efecto sobre la templabilidad, es un importante formador de carburos y retarda el suavizamiento de la martensita en el revenido. En general, el efecto del volframio en el acero es similar al del molibdeno, aunque se requieren mayores cantidades; el 2-3% de volframio equivale al 1% de molibdeno. Como el volframio es relativamente costoso y se necesitan grandes cantidades para obtener un efecto apreciable, generalmente no se utiliza para aceros empleados en ingeniería. El volframio se usa principalmente en aceros para herramientas.

Aceros al silicio El silicio, como el manganeso, está presente en todos los aceros como un desoxidador barato. Cuando un acero contiene más del 0.60% de silicio, se clasifica como acero al silicio. Al igual que el níquel, el silicio no es un formador de carburos, sino que se disuelve en ferrita, aumentando la resistencia y la tenacidad. El acero Hadfield al silicio, con menos del 0.01% de carbono y un 3% de silicio, tiene excelentes propiedades magnéticas para emplearlas en los núcleos y polos de motores eléctricos.

228 ALEACIONES FÉRREAS

228 INTRODUCCIÓN AL CONOCIMIENTO DE MATERIALES

Una combinación de manganeso y silicio, adecuadamente balanceada, produce un acero con alta resistencia y con buena ductilidad y tenacidad, que se emplea mucho en resortes helicoidales y de hoja, así como en punzones y cinceles.

12.6.

ACEROS MICROALEADOS

La irrupción de los aceros microaleados en el mercado, es decir, aceros de baja aleación y límite elástico elevado (HSLA, High Strength Low Alloy), ha sido una consecuencia lógica del desarrollo industrial cada vez más exigente con las propiedades de los materiales. Inicialmente, el diseño en aceros se basaba tan sólo en su resistencia mecánica. De ahí que, en consecuencia, se emplearan aceros con relativamente elevados contenidos en carbono, del orden del 0.3%. Se trataba de aceros con contenidos elevados en manganeso y bajos en silicio, empleados en cierto tipo de estructuras. Con posterioridad, el empleo de la soldadura como técnica de unión exigió bajar el contenido en carbono manteniéndose los niveles de resistencia mediante la adición de manganeso. No obstante, los fallos cada vez más frecuentes por fractura frágil hicieron considerar como propiedad esencial la tenacidad a la fractura, volviéndose absolutamente imprescindible bajar la temperatura de transición dúctil-frágil (ver ensayo de impacto en apartado 5.5), reconociéndose a la vez la gran importancia de un límite elástico elevado. El contenido en carbono fue cada vez menor y el manganeso se mantuvo en niveles elevados. Más tarde, mediante adiciones de aluminio y nitrógeno, se consiguieron aceros de grano fino que, normalizados, permitieron obtener temperaturas de transición al impacto inferiores a cero grados centígrados y límites de elasticidad más elevados, de 225 a 300 MPa. Un primer paso, en la consecución de mayores valores del límite elástico, lo constituyó el endurecimiento por precipitación logrado mediante pequeñas adiciones de niobio (~0.04%), vanadio (~0.10%) y titanio (~0.03%) a los aceros de grano fino ya existentes. Los elementos utilizados, Nb, V, y Ti se caracterizan por su fuerte tendencia a formar carburos y por su afinidad por el nitrógeno para dar los correspondiente nitruros, de ahí que en estos aceros se encuentren presentes carburos, nitruros y carbonitruros de los elementos aleantes de solubilidad variable. Como la solubilidad disminuye con la temperatura, al bajar esta se produce la precipitación de carburos y

229 ALEACIONES FÉRREAS

229 INTRODUCCIÓN AL CONOCIMIENTO DE MATERIALES

nitruros, siempre que los aleantes se encuentren en la cantidad oportuna, permitiendo elevar la resistencia en estado laminado con indudables ventajas económicas. A pesar de todo, la tenacidad al impacto no era suficientemente buena ya que el grano no era aún lo bastante fino. La solución del problema fue controlar el proceso de laminación de estos aceros, finalizándolo a temperaturas inferiores a las usuales, con lo que, junto a un tamaño de grano fino, se mantenían las posibilidades de endurecimiento por precipitación. Antes de laminar en caliente, todo el V se encuentra disuelto en el acero y parcialmente el Nb. Durante el proceso de laminación se producen fenómenos de recristalización dinámica que son alterados por la precipitación de los distintos solutos. En el caso del Nb, porque dificulta la recristalización como consecuencia de la precipitación sobre los bordes de la subestructura deformada de la austenita. Por otro lado, el Ti y el V dificultan el crecimiento de grano. dando como resultado final una austenita de grano fino.

En resumen, la microestructura de estos aceros, caracterizada por su finura de grano, se consigue por el efecto conjunto de la microaleación y el proceso de laminación de los mismos. Esto permitió obtener valores elevados del límite elástico y temperaturas de transición al impacto del orden de -80°C. Los aceros así obtenidos, caracterizados por su baja aleación y elevada resistencia, recibieron el nombre de aceros HSLA o aceros microaleados. En principio, la técnica de microaleación se aplica a aceros con contenidos de carbono de tan sólo 0.03 a 0.008%, y con manganeso hasta 1.5% empleados en forma de bandas y chapas laminadas de una forma controlada en caliente, y utilizadas en BRUTO DE LAMINACIÆN . Se trata de aceros ferrítico-perlíticos con abundante ferrita. Se utilizan en tuberías, chapas para barcos, automóviles y en construcciones en las que se requiere aceros de precio competitivo con elevados valores de resistencia mecánica y límite elástico, gran tenacidad y buena soldabilidad y CONFOR MABILIDAD. En la actualidad, la microaleación se está extendiendo a aceros con alto contenido en carbono, utilizados en piezas forjadas, y a aceros con estructuras aciculares de muy elevadas características mecánicas.

TEMA 13 ACEROS DE ALTA ALEACIÓN

13.1.

INTRODUCCIÓN

En general, los aceros de alta aleación suelen tener más de un 10% en elementos de aleación. Ello provoca una profunda modificación en las propiedades del hierro, abriendo el abanico de sus aplicaciones. Debido a que su precio es más alto que el de los aceros de baja aleación, estos aceros se reservan para aquellas aplicaciones en las que se necesiten altas resistencias al desgaste o a la corrosión, o deban soportar sin deformarse trabajos en frío o en caliente, etc. Atendiendo a sus composiciones y aplicaciones, estos aceros se pueden clasificar en dos grandes grupos: aceros resistentes a la corrosión y aceros para herramientas. Los primeros se conocen también como inoxidables, que son aceros que mantienen altas prestaciones mecánicas y de resistencia a la oxidación a altas temperaturas de servicio. A los aceros para herramientas se les exige una alta dureza y resistencia al desgaste, incluso a las elevadas temperaturas que se alcanzan en el conformado o en las operaciones de corte y arranque de viruta a alta velocidad

13.2.

ACEROS INOXIDABLES

El hierro puro o poco aleado sufre corrosión en numerosos medios, incluido el atmosférico, debido a que la capa de óxido superficial que se genera no es lo suficientemente densa y adherente como para proteger el interior del metal. Algunos metales, como el cromo y el aluminio, crean una capa de óxido protectora frente a numerosos ambientes corrosivos. Cuando estos metales se encuentran en la proporción adecuada pueden comunicar esa propiedad protectora al hierro, como sucede con el Cr en cantidades superiores al 12%. A partir de esta concentración de

232 232 ACEROS DE ALTA ALEACIÓN INTRODUCCIÓN AL CONOCIMIENTO DE MATERIALES

cromo se forma, por reacción con el oxígeno del aire, una película de Cr2O3 muy estable sobre la superficie del acero. La denominación de estos materiales como inoxidables, no puede considerarse totalmente rigurosa, ya que en ciertos medios pueden verse sometidos a procesos de degradación intensos. Un factor que, normalmente, contribuye a aumentar la corrosión es la alta temperatura de trabajo, siendo entonces necesario utilizar aceros y materiales específicos para trabajar en estas condiciones. El grupo de materiales capaces de trabajar en servicio a altas temperaturas, junto con el correspondiente al de materiales ligeros, constituyen unos campos de investigación muy dinámicos, debido a que en ambos casos se posibilita un considerable ahorro de combustible en la industria del transporte. En el primer caso, porque los motores son más eficientes conforme crece la temperatura de trabajo, y en el segundo por la reducción de peso que conlleva su uso. Por otro lado, un buen acabado superficial siempre aumenta la resistencia a la corrosión. También resulta conveniente que el material posea sólo un único constituyente, para evitar los riesgos de corrosión por diferencias de POTENCIALES ELECTROQUÁMICOS entre los diversos constituyentes. En estos aceros sólo son posibles tres constituyentes, que dan lugar a tres tipos de aceros inoxidables: ferríticos, martensíticos y austeníticos. Existe otro tipo de aceros inoxidables, denominados PH (Precipitation Hardening), a los que se añaden elementos de aleación que dan lugar a la formación de compuestos intermetálicos solubles a elevadas temperaturas, que posibilitan el endurecimiento por precipitación.

13.2.1.

Efecto de los elementos de aleación

Cromo Como ya se ha indicado anteriormente, el cromo es un elemento alfágeno, es decir, que aumenta el campo de existencia de la fase y disminuye el de la , en la proporción que se muestra en la figura 13.1. Las aleaciones con más del 13% de cromo permanecen en estado alfa a cualquier temperatura. Las aleaciones Fe-Cr con un contenido de cromo inferior al 12%, pueden austenizarse por calentamiento, dando lugar a martensita en un tratamiento de temple. Otra zona importante del diagrama Fe-Cr es la comprendida entre un 30 y un 65% de Cr, ya que a temperaturas intermedias (600-800°C)

233 233 ACEROS DE ALTA ALEACIÓN INTRODUCCIÓN AL CONOCIMIENTO DE MATERIALES

T oC

L

1800 –

L +_

1600 – 1400 – 1200 – 1000 –

_

_ +Y

Y

800 – 600 – m

400 – 200 –

_ +m _ +m

0–

–

–

–

–

–

–

–

–

–

–

% Cr -200 – 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

FIGURA 13.1.

aparece un constituyente duro y muy frágil denominado FASE SIGMA ( ). Esta fase empeora las propiedades mecánicas y la resistencia a la corrosión, por lo que no resulta conveniente someter al acero con estas proporciones de cromo a calentamientos prolongados entre 600 y 800°C. Todo lo dicho anteriormente se refiere a la aleación Fe-Cr en ausencia de otros elementos. La presencia de carbono altera el diagrama de equilibrio Fe-Cr, ya que al tratarse de un elemento gammágeno tenderá a aumentar la zona austenítica. Así, para contenidos de carbono de un 0.4% es posible austenizar por calentamiento un acero con el 25% de cromo, por lo que al templar sería posible obtener un acero martensítico. En la figura 13.2 se muestra la influencia del carbono en el diagrama Fe-Cr, para tres contenidos de carbono representativos, pudiéndose observar en qué medida se ensancha el dominio de existencia de la fase a medida que aumenta el contenido en carbono, desde el bucle I hasta el III. La influencia del carbono en los aceros con cromo se puede resumir en la siguiente regla: — Cuando se cumple que [%Cr – (17 × %C)] > 13 sólo está presente la fase . — Cuando sucede que [%Cr – (17 × %C)] < 13 se puede formar martensita, por temple desde la zona de temperatura austenítica. Por último, destacar que la otra acción importante del carbono es la posibilidad de producir carburos complejos.

234 234 ACEROS DE ALTA ALEACIÓN INTRODUCCIÓN AL CONOCIMIENTO DE MATERIALES

Hierro delta

T oC 1400 – – 1200 – –

I

II

III

Austenita

1000 – – 800 – –

–

–

–

–

–

0

–

Ferrita 5

10

15

20

25

30

35

% Cr

FIGURA 13.2.

Níquel El níquel es un elemento gammágeno, que aumenta el campo de estabilidad de la austenita, de tal manera que la aleación Fe-Ni con un porcentaje superior al 24% de níquel presenta, a temperatura ambiente, una estructura totalmente austenítica, tal y como se aprecia en la figura 13.3. La cantidad de níquel, que ha de contener este tipo de aleaciones para obtener una estructura austenítica, debe ser tanto menor cuanto mayor sea el porcentaje de carbono, puesto que este elemento es también gammágeno. Por otro lado, el níquel mejora la estabilidad de la capa de óxido protectora, mejorando la templabilidad por disminución de la velocidad crítica de enfriamiento. En los aceros inoxidables que contienen cromo y níquel se combinan sus acciones alfágenas y gammmágenas dando lugar a estructuras muy variadas. Además, en los aceros con cromo, el níquel provoca el desplazamiento de la fase hacia porcentajes más pequeños de Cr. Además del C, Cr y Ni, pueden estar presentes otros aleantes con el fin de mejorar determinadas propiedades. De entre ellos el manganeso tiene una acción gammágena, mientras que el Mo, Si, Nb, Al, W, Ti, V y B son alfágenos.

13.2.2.

Aceros inoxidables martensíticos

Estos aceros son magnéticos, contienen entre un 12-18% de Cr, un 0.1-1.4% de C y menos de un 1.25% de Mn. La acción de otros elementos puede resultar beneficiosa. Por ejemplo, el Si aumenta la resistencia a la

235 235 ACEROS DE ALTA ALEACIÓN INTRODUCCIÓN AL CONOCIMIENTO DE MATERIALES

T oC a +L

L

1500 – 1400 – 1300 – 1200 – 1100 – 1000 –

a

900 – 800 – 700 – 600 –

–

–

–

–

–

–

–

–

–

a

_ +a –

500 – _ 400 –

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 % Ni

FIGURA 13.3.

oxidación en caliente, el Ni aumenta la templabilidad o el S facilita la mecanización. No obstante, la suma de P, S, Si, y Ni no llega al 2.5%. Son los aceros inoxidables menos aleados, y por tanto los más baratos. Además, como son los que contienen más carbono para poder producir martensita por templado, poseen una dureza muy alta. En los aceros martensíticos, el tiempo que es necesario mantener el material a la temperatura de austenización, previo al temple, es aproximadamente el doble que en el caso de los aceros al carbono comunes, debido a que el alto contenido en Cr dificulta los procesos de difusión. Los aceros martensíticos tienen una buena resistencia frente a la corrosión ambiental y a algunos medios químicos, y a pesar de su alta resistencia poseen una tenacidad razonable. Dentro de estos aceros, los que poseen un 11-14% de Cr y hasta un 0.15% de C se utilizan para álabes de turbina y maquinaria resistente a la corrosión. Cuando el contenido de carbono sube hasta un 1%, el contenido en cromo puede llegar a ser de un 18%, empleándose en cuchillería. Los aceros que contienen entre un 1 y un 1.2% de C y entre un 16 y un 20% de Cr reúnen una combinación muy buena de resistencia mecánica, dureza, tenacidad y RESISTENCIA A LA ABRASIÆN y corrosión, y se utilizan en las bolas de rodamientos, equipos químicos, bombas de aceite, etc.

236 236 ACEROS DE ALTA ALEACIÓN INTRODUCCIÓN AL CONOCIMIENTO DE MATERIALES

13.2.3.

Aceros inoxidables ferríticos

Los aceros inoxidables ferríticos son magnéticos, y contienen como aleante principal el cromo. El contenido de carbono es mucho menor que en los martensíticos, con el fin de obtener una estructura totalmente ferrítica. Debido a ello, estos aceros no responden a los tratamientos térmicos, aunque cuando se calientan a 1095°C crece el tamaño de grano que sólo puede regenerarse por trabajado en frío. En los aceros con un contenido de cromo superior al 20% no se pueden someter a calentamientos a temperaturas intermedias, por el peligro de aparición de la fase , razón por la que la soldadura presenta problemas. Cuando el contenido de carbono es grande, se forman carburos de cromo, dando lugar a un empobrecimiento de cromo en la matriz y disminuyendo por tanto su resistencia a la corrosión.

Los aceros inoxidables ferríticos tienen unas propidades mecánicas medianas, aunque muchos de ellos son fácilmente conformables en frío, por lo que son utilizados en recipientes para las industrias químicas y de alimentación, en arquitectura y en embellecedores de automóviles. En relación a su comportamiento frente a la corrosión, ocupan un lugar intermedio entre los martensíticos y austeníticos. Una característica mecánica a destacar, común a los aceros ferríticos y martensíticos, es que al tener una estructura cristalina CC, poseen una temperatura de transición dúctil-frágil, por debajo de la cual la tenacidad se hace muy pequeña.

13.2.4.

Aceros inoxidables austeníticos

Los aceros inoxidables austeníticos no son magnéticos. Contienen entre un 16 y un 25% de Cr, por lo que es necesario añadirles el suficiente Ni (entre un 7 y un 20%) y a veces otros aleantes con el fin de que la estructura sea austenítica. El acero austenítico más conocido es el 18/8 que posee un 18% de Cr y un 8% de Ni. La resistencia a la corrosión es superior a la de los otros tipos de aceros inoxidables, debido a que el Ni actúa como estabilizante de la capa protectora de óxido. Además es un acero soldable y de fácil conformación en frío debido a su estructura cristalina CCC. Los aceros inoxidables austeníticos tienen normalmente mejor resistencia a la corrosión que los ferríticos y martensíticos, porque los carburos pueden ser retenidos en soluciones sólidas por enfriamiento rápido a altas temperaturas. Sin embargo, si estos aceros han de ser soldados o enfriados

237 237 ACEROS DE ALTA ALEACIÓN INTRODUCCIÓN AL CONOCIMIENTO DE MATERIALES

lentamente desde altas temperaturas al pasar por el intervalo entre 600 y 870°C, pueden hacerse sensibles a la corrosión intergranular. Ello es debido a que, en ese intervalo de temperaturas, los carburos de cromo precipitan en los bordes de grano, pudiendo disminuir por debajo del 12% la concentración de cromo en la matriz adyacente a la frontera de grano. Por tanto, la cantidad de carburos de cromo en los bordes de grano indica el grado de sensibilización a la corrosión intergranular. En la figura 13.4, se muestra una micrografía por microscopía electrónica de transmisión, tomada a 20.000 aumentos, de un acero inoxidable austenítico sensibilizado, debido a la presencia de carburos de cromo (Cr23C6) situados en los bordes de grano. Este problema puede aminorarse, disminuyendo el máximo contenido de carbono hasta 0.03% y añadiendo niobio o titanio a la aleación, para que combine con el carbono existente. No obstante, un acero sensibilizado puede recuperarse mediante un tratamiento de solubilización entre 1000 y 1150°C durante un período suficientemente largo como para disolver los carburos de cromo, enfriando luego con rapidez a través del intervalo de temperaturas peligroso. La adición de molibdeno confiere una mayor resistencia a la corrosión por picaduras y un mejor comportamiento a la corrosión bajo tensión. La adición de elementos estabilizadores como el titanio o el niobio está particularmente indicada para la realización de estructuras soldadas empleadas en ambientes con peligro de corrosión.

FIGURA 13.4.

238 238 ACEROS DE ALTA ALEACIÓN INTRODUCCIÓN AL CONOCIMIENTO DE MATERIALES

La escasez de níquel, en tiempos de emergencia, ha sido un serio problema para los productores y consumidores de acero inoxidable, lo que ha dado lugar a la aparición de otro tipo de acero inoxidable austenítico, en el que se sustituye parte del níquel por manganeso. Las aplicaciones de los aceros inoxidables austeníticos son extraordinariamente numerosas: industrias química y farmacéutica, fotográfica, alimentaria en general, aeronáutica y naval, fabricación de artículos domésticos, técnicas nucleares y de transportes, decoración y arquitectura. Una variante de estos aceros son los denominados austeno-ferríticos, en los cuales la composición está diseñada de manera que la estructura austenítica presenta cierto porcentaje de ferrita. De esta manera, se soslayan algunos de los problemas de los ferríticos (bajas características mecánicas y crecimiento de grano) y de los austeníticos (sensibilidad a la corrosión intergranular).

13.2.5.

Aceros inoxidables endurecibles por precipitación

Estos aceros pueden ser martensíticos, austeníticos o intermedios entre ambos, dependiendo de la proporción Cr/Ni. Lo que realmente distingue a estos aceros es la adición de ciertos elementos, tales como Al, Ti, Mo y Cu que dan lugar a la aparición de compuestos intermetálicos de manera controlada.

El endurecimiento por medio de estos compuestos se puede realizar por precipitación desde una matriz martensítica. Para ello se somete al material a un tratamiento de solubilización a una temperatura de unos 1050°C con posterior enfriamiento al aire, dando lugar a una matriz martensítica sobresaturada. A continuación, se envejece el acero a una temperatura comprendida entre 455 y 565°C, que da lugar a la precipitación de los compuestos intermetálicos endurecedores. Estas aleaciones se trabajan mal en frío. Cuando en vez de una matriz martensítica sobresaturada, se parte de una matriz austenítica sobresaturada se obtienen, después de la precipitación por envejecimiento, menores resistencias mecánicas pero una considerable mejora de la ductilidad. Estos aceros se utilizan en aplicaciones muy específicas, sobre todo aeronaúticas, cuando se precisan altas prestaciones como alternativa a las aleaciones de titanio a temperaturas de trabajo de hasta 550°C.

239 239 ACEROS DE ALTA ALEACIÓN INTRODUCCIÓN AL CONOCIMIENTO DE MATERIALES

13.2.6.

Superaleaciones

Se da el nombre de «superaleaciones» a aquellos materiales que conservan características mecánicas apreciables a temperaturas comprendidas entre 815 y 1093°C. Para este intervalo de temperaturas, la deformación que sufren la mayoría de los materiales tiene una componente mayoritaria dependiente del tiempo. Es decir, que los fenómenos de fluencia son los que rigen el comportamiento mecánico. El otro fenómeno que opera a estas altas temperaturas es el de la oxidación. Las superaleaciones importantes tienen una estructura CCC basada en una combinación de níquel, hierro y cromo. Por lo tanto, pueden considerarse como una simple extensión de la región austenítica del diagrama ternario con composiciones más altas de níquel. El cromo es esencial para dar resistencia a la oxidación. No obstante, en muchas superaleaciones, el hierro no es el componente mayoritario sino que es reemplazado por otros elementos tales como el cobalto y el níquel. Las superaleaciones son también susceptibles de endurecer por precipitación. Para ello se añade aluminio y titanio, que dan lugar a un precipitado muy fino denominado gamma prima ( . Recibe este nombre porque la estructura se parece a la solución sólida gamma de aluminio en níquel. La fase es un compuesto intermetálico de fórmula Ni3Al, en el que el titanio puede reemplazar parcialmente al aluminio. La presencia de este precipitado es esencial para obtener alta resistencia en estas aleaciones. El molibdeno aumenta la resistencia de la matriz en las superaleaciones y también forma carburos complejos que reducen la velocidad de la fluencia. También se adicionan pequeñas cantidades de circonio y boro por sus efectos favorables en los carburos finos. Generalmente, el contenido de carbono es del orden de 0.1 a 0.2%, pero los carburos se controlan cuidadosamente.

13.3.

ACEROS PARA HERRAMIENTAS

Los aceros poco aleados presentan ciertas limitaciones, tales como falta de templabilidad, fragilidad excesiva y poca resistencia al desgaste. Con objeto de corregir estas deficiencias han surgido una serie de aceros aleados para trabajos en frío o en caliente, denominados aceros de herramientas. La principal aplicación de estos aceros es la fabricación de útiles para conformar otros materiales, ya sea por deformación o por corte.

240 240 ACEROS DE ALTA ALEACIÓN INTRODUCCIÓN AL CONOCIMIENTO DE MATERIALES

Las características generales de estos aceros son su resistencia al desgaste y alta indeformabilidad dada su elevada dureza. Además, muchos de ellos están pensados para que mantengan sus características a temperaturas de hasta 600°C, temperaturas que se alcanzan bien por estar en contacto con metales a elevada temperatura; por ejemplo las matrices empleadas en extrusión, o las debidas al simple rozamiento con el metal a CONFORMAR. Para conseguir las características mencionadas, los aceros para herramientas poseen un contenido de al menos un 0.6% de carbono, además de varios elementos de aleación entre los que destacan los metales refractarios como tungsteno, molibdeno, cromo y vanadio, todos ellos formadores de carburos. La estabilidad de estas aleaciones a alta temperatura se consigue porque, además de la reducción de la velocidad del revenido inducida por los elementos de aleación, existe en muchos casos un pico de temple secundario hacia los 500°C, por precipitación de los carburos de los elementos aleantes. Como muchos de los aleantes son CC, limitan el campo de existencia de la austenita, tendiendo a estabilizar la ferrita y la martensita.

13.3.1.

Clasificación de los aceros para herramientas

Existen diferentes métodos para clasificar los aceros para herramientas. Se puede hacer según el medio de temple que se utilice: agua, aceite y aire. El contenido de la aleación es otro medio de clasificación, lo que da lugar a aceros para herramientas de baja y media aleación. Otro método de agrupación se basa en su utilización. De esta manera, los aceros de herramientas se pueden clasificar, con excepción de los empleados en piezas de maquinaria, de acuerdo con el procedimiento que se utilice para modificar la forma y dimensiones de los materiales a conformar, según se realice por deformación o corte, en frío o en caliente. En primer lugar estarían los aceros empleados como herramienta de corte con arranque de viruta. Ejemplos de utilización son: el torno o el cepillo mecánico, en el que hay un único filo en contacto continuo con la pieza; las brocas y terrajas que poseen varios filos actuando de forma continua; la fresa que trabaja con varios filos de manera discontinua. En todos los casos, el filo de la herramienta separa la viruta por efecto de cuña produciéndose en el filo una fuerte presión, además de la natural tendencia al calentamiento y desgaste.

241 241 ACEROS DE ALTA ALEACIÓN INTRODUCCIÓN AL CONOCIMIENTO DE MATERIALES

Las herramientas de corte por esfuerzos de cizalla, como las cizallas y las punzonadoras, poseen dos elementos; uno de ellos móvil en el que se encuentra el filo, y el fijo que sirve de apoyo al material. Entre ambos elementos se produce el corte del material por efecto de cizalla. En la fabricación de estas herramientas, sobre todo las de perfil complicado, interesa evitar que sean retocadas después del temple, por lo que deben ser poco sensibles a la deformación y a la aparición de grietas de temple, además interesa que tengan una alta tenacidad. Por la forma de trabajo de estos útiles, su fallo suele obedecer a desgaste y a desconchados en los que puede influir la fatiga. Por último, las herramientas que actúan sobre los materiales por deformación deben soportar, dependiendo del caso, esfuerzos de desgaste por frotamiento, de compresión y de choque. Ejemplos de utilización de estas herramientas son la EMBUTICIÆN, la FORJA y las matrices para MOLDEO POR INYECCIÆN. Además, tienen que ser fácilmente mecanizables para conseguir un buen acabado y alta tenacidad. Los fallos en servicio de estas herramientas son parecidos a los del grupo anterior, con el agravante de que en muchos casos deben trabajar a altas temperaturas. Por lo tanto, para la mayoría de las aplicaciones, la dureza, la tenacidad, la resistencia al desgaste y la dureza en caliente, son los factores más importantes a tener en cuenta a la hora de elegir los aceros para herramientas.

Una clasificación más general es aquella que tenga en cuenta no sólo su uso, sino también su composición y templabilidad. De acuerdo con esta clasificación existen cuatro categorías principales: — Aceros templables en agua, también denominados de baja templabilidad, que son los menos aleados. — Aceros de alta templabilidad, que poseen bastante contenido de aleación y son muy indeformables. — Aceros de herramientas para matrices, tanto para trabajos en caliente como en frío. — Aceros rápidos.

13.3.2.

Aceros poco templables

A este grupo pertenecen los aceros al carbono para herramientas que contienen hasta un 1.5% de carbono y que están débilmente aleados con Mn, Si y V, por lo que su templabilidad no difiere mucho de la de los aceros comunes. Conforme aumente el contenido de carbono mayor será la

242 242 ACEROS DE ALTA ALEACIÓN INTRODUCCIÓN AL CONOCIMIENTO DE MATERIALES

presencia de cementita, mejorando las características antidesgaste aunque a costa de una menor tenacidad. Debido a su baja templabilidad, pueden sufrir deformaciones y variaciones dimensionales durante el temple, pudiendo darse el caso de que la acción del temple se limite básicamente a la superficie. Para mantener las deformaciones dentro de lo admisible, es fundamental un diseño apropiado de la herramienta y efectuar con cuidado el tratamiento térmico. El hecho de que la acción del temple sea meramente superficial tiene sus ventajas, pues se pueden conseguir altas durezas superficiales con un núcleo tenaz. Este efecto no se puede conseguir en aquellos aceros de mala calidad, en los que el tamaño de grano sea grande, puesto que en este caso el temple aumenta su profundidad creándose problemas de agrietamiento e indeformabilidad. Algunos de estos problemas pueden resolverse con pequeñas adiciones de V (0.25%) que retrasa el crecimiento de grano en el proceso de calentamiento previo al temple. Si, por otro lado, interesa aumentar la profundidad del temple, esta se puede controlar aumentando el contenido de manganeso hasta un 0.8% o el de cromo hasta un 0.6%.

13.3.3.

Aceros templables o indeformables

Son aceros cuya templabilidad se ha mejorado por el empleo de mayores proporciones de Mn y, eventualmente, con adiciones de Cr, W o V, siendo su composición base del 0.9% de C y del 2% de Mn. Son aceros que, debido sobre todo al Mn, se templan en aceite presentando menos riesgos de deformación que los del grupo anterior cuando se someten a tratamientos térmicos posteriores. Esta cualidad es especialmente importante cuando se trata de piezas de formas complicadas y dimensiones considerables. Estos aceros se comportan como los no aleados con el mismo contenido de carbono, y, como ellos, son muy sensibles al revenido, de ahí que la temperatura de tratamiento más empleada sea de 200°C. Son sensibles al crecimiento de grano durante el calentamiento de temple, por lo que se les adiciona entre un 0.1 y un 0.3 de vanadio que da lugar a carburos insolubles a la temperatura de temple. Con el mismo fin, en determinados casos, parte del Mn es sustituido por Cr, que además eleva la resistencia al desgaste.

243 243 ACEROS DE ALTA ALEACIÓN INTRODUCCIÓN AL CONOCIMIENTO DE MATERIALES

La utilización de estos aceros se hace, en base a su indeformabilidad, en la fabricación de piezas de formas complicadas y en las que se requiere gran estabilidad dimensional, como por ejemplo calibres, galgas, punzones y matrices de corte y terrajas.

13.3.4.

Aceros de herramientas para matrices en trabajos en frío

Estos aceros deben poseer una gran tenacidad, sobre todo si van a trabajar por choque, y una baja deformabilidad. Para el TROQUELADO en frío, el acero debe poseer una dureza apreciable con el fin de asegurar resistencia al desgaste, aunque su tenacidad debe ser aceptable. Ello se consigue con la adición de silicio, además de pequeñas cantidades de Mo, V y Cr. Cuando los útiles van a sufrir calentamiento se suele añadir un 2% de W y un 1% de Cr. Respecto a las aplicaciones, estos aceros se emplean en BURILES, perforadoras neumáticas y, en general, en aquellos casos en los que la temperatura de trabajo sea moderada.

13.3.5. Aceros de herramientas para matrices en trabajos en caliente Estos aceros son los empleados en operaciones de forja y ESTAMPACIÆN con temperaturas de trabajo de hasta 400°C. Por tanto deben reunir una serie de cualidades, tales como ser resistentes a la erosión, desgaste y al choque térmico, así como poseer cierta tenacidad y templabilidad que permita evitar deformaciones o roturas en útiles de forma complicada. Su composición es función, además de para cumplir las propiedades mencionadas, de la temperatura de trabajo. Los elementos más empleados son el Cr, W y Mo (que dan lugar a las tres familias de aceros de este tipo) para conseguir dureza en caliente, resistencia al desgaste y templabilidad, el V para afinar el grano y el Ni para aumentar la tenacidad. Para temperaturas de trabajo de hasta 250°C, el contenido en carbono oscila entre un 0.5 y un 0.9% en estado de recocido o de normalizado. En trabajos en que se requiera tenacidad para trabajos de choque se añade un 1% de Cr y un 2% de W. Cuando la temperatura de trabajo es más elevada, la adición de W desempeña un papel fundamental. Así, para herramientas que sufran

244 244 ACEROS DE ALTA ALEACIÓN INTRODUCCIÓN AL CONOCIMIENTO DE MATERIALES

temperaturas de hasta 450°C durante largo tiempo, se añade un 4% de W y un 1.5% de Cr. Para temperaturas próximas a los 600°C, los aceros llevan un 8-15% de W, un 3% de Cr y pequeñas cantidades de Mo y V. Conforme crece el contenido en W mejora su comportamiento, aunque empeora la tenacidad. En algunos casos se añade hasta un 3% de Ni para mejorar la tenacidad, y hasta un 3% de Co para mejorar las resistencias al desgaste, dureza en caliente y al choque térmico.

13.3.6.

Aceros rápidos

La característica principal de estos aceros es la de mantener la dureza durante el trabajo a altas velocidades de corte, en el que se pueden alcanzar temperaturas de 600-700°C. Para que el material conserve intacta su dureza después de sucesivos calentamientos a estas temperaturas, es preciso que los carburos responsables de dicha dureza sean estables a la temperatura de trabajo. Como la cementita tiende a aumentar de tamaño por encima de 200°C, la dureza del acero al carbono disminuye a partir de esa temperatura. No obstante, con la incorporación de elementos como W, Mo, Cr y V en una cantidad tal que sea suficiente para fijar casi todo el carbono en forma de carburos especiales (M6C), se consigue que, al ser estables hasta 600-700°C, no se deteriore la dureza del material. El acero rápido más utilizado es el 18-4-1, que contiene 0.7% de C, 18% de W, 4% de Cr y 1% de V, aunque existen otras variantes, en las que se sustituye parte del W por Mo, con el objetivo de disminuir el contenido de W por razones de escasez y por constituir un elemento estratégico. Estos aceros poseen tratamientos particulares, en relación a los aceros convencionales, debido al seudodiagrama que producen con el hierro. Este diagrama se muestra parcialmente en la figura 13.5. En él cabe resaltar la elevada temperatura del eutéctico en relación al diagrama Fe-F3C. Durante el enfriamiento del acero rápido desde la fusión precipitan tres tipos de carburos sucesivos. Los carburos primarios son los correspondientes al eutéctico que se segregan en forma de esqueleto rodeado por austenita. Entre el eutéctico y el eutectoide se separan los carburos secundarios, debido a que su solución disminuye con la temperatura de acuerdo con la línea E’S’. Por último, por debajo del eutectoide se segregan los carburos que forman parte de la perlita. Como los carburos responsables de la dureza en caliente son los secundarios, será necesario que el temple se realice desde una temperatura en la que estos estén disueltos lo más posible, para obtener una martensita de alta aleación estable a altas temperaturas. Si la temperatura de

245 245 ACEROS DE ALTA ALEACIÓN INTRODUCCIÓN AL CONOCIMIENTO DE MATERIALES

temple es insuficiente, no se solubilizarán suficientes carburos, obteniéndose una matriz pobre en carbono y elementos de aleación. Si dicha temperatura es demasiado elevada se puede quemar la aleación por fusión del eutéctico en los bordes de grano. La temperatura óptima será la que proporcione máxima dureza después del temple. Los carburos primarios, que no se pueden disolver, ejercen también un papel positivo al impedir el crecimiento de grano. L 1500 – b

L+ a

L +b

1300 – b +a

L+K

E'

1100 – a

900 _

a +K

S' _+a –

–

–

–

0

_+K

10

20

30

40

50 % M6 C

FIGURA 13.5.

El revenido, despues del temple, es necesario para descomponer la austenita residual, dando lugar a un aumento de la dureza, fenómeno conocido como dureza secundaria. A la temperatura de revenido (~600°C), los carburos retenidos en la austenita residual precipitan, por lo que en el posterior enfriamiento, al contener la austenita menos elementos de aleación, se transforma en martensita, produciéndose un aumento de dureza. Este aumento de dureza se debe tanto a la precipitación de los carburos complejos como a la transformación de la austenita residual en martensita.

TEMA 14 FUNDICIONES

14.1.

INTRODUCCIÓN

A diferencia de los aceros, que generalmente contienen menos del 1% de carbono, las fundiciones contienen del 2 al 4% de carbono y hasta un 3% de silicio, aunque pueden estar presentes otros elementos de aleación para controlar o variar ciertas propiedades. Las propiedades de las fundiciones vienen determinadas tanto por su composición, como por la velocidad de enfriamiento. De manera general, se puede decir que el contenido en carbono determina las propiedades potenciales. Por otro lado, el silicio influye en la forma en que se presenta el carbono (combinado en forma de cementita, o libre en forma de grafito), y en la manera de obtener dichas propiedades. Otro factor importante es la velocidad de enfriamiento, de modo que cuando aumenta favorece la formación de carbono combinado. De alguna manera, la velocidad de enfriamiento está relacionada con el efecto del silicio, ya que el principal efecto microestructural del silicio, como es la formación de carbono libre, se puede neutralizar, al menos parcialmente, aumentando la velocidad de enfriamiento. Las fundiciones tienen una contracción moderada durante el enfriamiento. Además, debido a su alto contenido en carbono, se encuentran cerca de la composición eutéctica, por lo que sus temperaturas de fusión son más bajas que en el caso de los aceros, y su fluidez muy alta. Estas características facilitan su obtención, justificando su empleo para la obtención de piezas moldeadas de formas complicadas y con cambios bruscos de sección, que resultan difíciles de obtener a partir de la forja de aceros. En el proceso de moldeo se vierte el material fundido en un molde, obteniéndose la pieza en estado de acabado o semiacabado. Las fundiciones, por tanto, son especialmente aptas para ser procesadas por moldeo. Por el contrario, no es posible

248 FUNDICIONES

248 INTRODUCCIÓN AL CONOCIMIENTO DE MATERIALES

someterlas a procesos de conformado como la forja, debido a su alto contenido en cementita, que las hace demasiado frágiles y duras, y por tanto muy poco dúctiles. El metal en estado bruto de fundición es poco homogéneo debido al fenómeno de segregación, en virtud del cual resultan diferencias de composición química entre las distintas regiones del material. Para homogeneizar el material se le somete a un RECOCIDO DE HOMOGENEIZACIÆN a ~200°C por encima de su punto crítico, durante bastante tiempo. En las fundiciones siempre está presente ferrita y/o perlita como constituyente final, además de carbono estable en forma de grafito si la evolución se ha realizado de forma estable, o cementita si lo ha hecho de manera metaestable. En la figura 14.1 se presentan los diagramas de fase estable y metaestable superpuestos, pudiendo apreciarse la proximidad de las dos horizontales eutécticas y eutectoides. La línea continua corresponde al diagrama de equilibrio Fe-Fe3C, mientras que el de trazos corresponde al diagrama Fe-grafito. Desde el punto de equilibrio termodinámico, los constituyentes son ferrita y carbono en forma de grafito. No obstante, cinéticamente resulta más favorable que el carbono se presente combinado en forma de cementita. Ello es debido a que la red cristalina de la austenita se parece más a la de la cementita que a la del grafito, siendo menor el trabajo necesario para la formación de los núcleos de cementita y la difusión que acompaña a su formación. Por tanto, en condiciones normales de enfriamiento el sistema evoluciona de forma metaestable, requiriéndose velocidades muy lentas, inalcanzables en la práctica industrial, para que lo haga de forma estable. La presencia de carbono reduce el punto de fusión de las aleaciones férreas desde 1535°C para el hierro puro, a 1147°C para contenidos del 4.3% de C. De ahí, la gran influencia que ejerce en la colabilidad del hierro, ya que disminuye la temperatura de solidificación, aumentando la cantidad de eutéctico. No obstante, en las fundiciones, además de Fe y C, se encuentran presentes otros elementos que ejercen distintas modificaciones en el diagrama de equilibrio, procediendo alguno de ellos de las materias primas, en función del método de elaboración. Los elementos más significativos son: Mn, P, y S. Los límites de composición para las fundiciones ordinarias son los siguientes: C = 1.8-4.5%; Si < 4.5%; Mn < 1.5%; P < 1.8%; S < 0.25% Otros elementos, tales como Ni, Cr, Mo, V, Cu, Sn y Al pueden estar presentes en pequeñas cantidades.

249 FUNDICIONES

249 INTRODUCCIÓN AL CONOCIMIENTO DE MATERIALES

T oC Líquido + Fe b

1535 A 1500 – Fe b

B

Líquido X

1400 –

Líquido + C

N Líquido 1300 – + Austenita Fe b + Austenita 1200 – 1154 Austenita C' 1147 1100 – C Ferrita + 1000 – Austenita 912 900 – G 800 – Fe _ 700 –

Z

E

Cementita primaria + Lebedurita

Austenita + Cementita Proeutectoide P' J P

Líquido + Cementita primaria

E'

Austenita + Lebedurita

734 723 W Perlita + Cementita Proeutectoide –

–

–

–

–

Cementita + Perlita

–

S Ferrita 600 – Proeutectoide + Perlita 500 –

Y

1,0

2,0

3,0

4,0

5,0

6,0

Aceros

6,67 % C

Fundiciones

FIGURA 14.1.

Las fundiciones presentan un amplio intervalo de resistencias y durezas, y en algunos casos son fáciles de mecanizar. Pueden ser aleadas para aumentar la resistencia al desgaste, abrasión y corrosión, aunque presentan baja resistencia al impacto y escasa ductilidad, lo que limita su utilización. Con un buen control de la fundición y el tratamiento térmico adecuado, las propiedades de las fundiciones pueden mejorarse ampliamente. El bajo costo de las mismas en relación a otras aleaciones, unido a los importantes desarrollos en el control de fabricación han dado lugar a su masiva producción. Por último, señalar que debido al alto contenido en carbono, las fundiciones no son soldables en principio, ya que al ser el enfriamiento inevitablemente rápido, se crean tensiones residuales muy altas y estructuras frágiles, además de ocluirse gases en el cordón de soldadura como consecuencia de la reacción del carbono con el oxígeno ambiental.

250 FUNDICIONES

14.2.

250 INTRODUCCIÓN AL CONOCIMIENTO DE MATERIALES

CLASIFICACIÓN DE LAS FUNDICIONES

El mejor método para clasificar las fundiciones es de acuerdo con sus estructuras metalográficas. Las variables a considerar, que dan lugar a los diferentes tipos, son: — El contenido de carbono. — El contenido de elementos de aleación e impurezas. — La velocidad de enfriamiento durante o después de la solidificación. — El tratamiento térmico. El carbono puede estar combinado en forma de carburo de hierro (en la cementita y en las láminas de perlita), o presentarse como carbono sin combinar, en forma de grafito. La microestructura de las partículas de carbono sin combinar, influye también considerablemente en las propiedades de las fundiciones. En base al estado en que se presenta el carbono, hay dos tipos de fundiciones: las blancas y las grises. En las fundiciones blancas, todo el carbono se encuentra en forma combinada, como cementita, mientras que en las fundiciones grises la mayoría o todo el carbono se encuentra sin combinar, en forma de escamas o láminas de grafito. A su vez, dentro de cada grupo, y dependiendo del contenido en carbono se encuentran las fundiciones hipoeutécticas, las eutécticas y las hipereutécticas. según que sea inferior, igual o superior al contenido correspondiente al punto eutéctico, es decir 4.3%. Existen otros tipos de fundiciones, tales como las maleables, las dúctiles, las moldeadas en frío y las aleadas, que pueden considerarse como variantes de las blancas y grises ya mencionadas, de las que se dará una idea en la parte final de este tema.

14.3.

EFECTO DE LOS ELEMENTOS ALEANTES

El efecto primordial de los elementos aleantes consiste en controlar el estado del carbono en la fundición. Por un lado, se encuentran los elementos que potencian la formación del carbono bajo forma de grafito, entre los que merece destacarse, en orden de actividad decreciente, el Si, P, Al, Ni y Cu. En el otro extremo, se situarían aquellos elementos, tales como S, Mo y Mn, que estabilizan la cementita dando lugar a la presencia del eutéctico.

251 FUNDICIONES

251 INTRODUCCIÓN AL CONOCIMIENTO DE MATERIALES

Silicio El silicio es el elemento más importante en la metalurgia de las fundiciones grises, por su repercusión en el proceso de solidificación, ya que aumenta la fluidez y produce un gran efecto grafitizante. El silicio desplaza la composición eutéctica hacia contenidos menores de carbono en una cantidad que puede ser expresada por: 4.30 0.31 × %Si. Esto hace que se modifique la temperatura a la cual la aleación empieza a solidificar. El mismo efecto se produce sobre la máxima concentración en carbono de la austenita, punto C’ de la figura 14.1, que se expresa como: 2.06 - 0.15 × %Si. Durante la solidificación, en presencia de silicio, se produce la descomposición de la cementita (libre y presente en la perlita) en ferrita y grafito en forma de hojuelas o escamas. Una vez que se ha constituido este grafito primario, su forma no puede alterarse por ningún método. Estas hojuelas de grafito rompen la continuidad de la matriz, lo cual explica la baja resistencia y la poca ductilidad de las fundiciones grises. Las condiciones necesarias para la obtención de fundiciones grises son: la presencia de al menos un 2% de Si u otro elemento grafitizante, y que el enfriamiento sea lento. La falta de una o de las dos condiciones da lugar a la obtención de fundiciones blancas.

Fósforo La mayoría de las fundiciones grises no sobrepasan el 0.2% de fósforo, que proviene del mineral de hierro. No obstante, como el fósforo aumenta la fluidez de la fundición, en aquellas piezas con recovecos y grandes cambios de sección, su contenido suele elevarse hasta un 0.9%.

La mayor parte del fósforo se combina con el hierro para formar fosfuro de hierro (Fe3P), el cual constituye un eutéctico ternario con la cementita y la austenita (perlita a temperatura ambiente). El eutéctico primario se conoce como ESTEADITA y su presencia reduce la maquinabilidad y la tenacidad haciendo frágil la fundición, de manera que el contenido de fósforo debe controlarse cuidadosamente para obtener propiedades mecánicas óptimas.

252 FUNDICIONES

252 INTRODUCCIÓN AL CONOCIMIENTO DE MATERIALES

Azufre La mayoría de las fundiciones grises comerciales contienen entre 0.06 y 0.12% de azufre. El efecto del azufre sobre el carbono es el contrario que el del silicio. A mayor contenido de azufre, mayor es la cantidad de carbono combinado en forma de cementita, sobre todo en ausencia de manganeso. Además de producir carbono combinado, el azufre tiende a reaccionar con el hierro para formar sulfuro de hierro (FeS). Este compuesto se presenta en forma de delgadas capas interdendríticas, aumentando la posibilidad de que aparezcan fisuras a altas temperaturas. El azufre en grandes cantidades tiende a reducir la fluidez y suele causar cavidades en las piezas fundidas. Por tanto, el azufre se utiliza sólo en las cantidades necesarias para controlar la microestructura. Afortunadamente, el manganeso tiene mayor afinidad por el azufre que el hierro, formando sulfuro de manganeso (MnS). Las partículas de sulfuro de manganeso aparecen como pequeñas inclusiones dispersas en la matriz, las cuales no perjudican las propiedades de la fundición. El azufre neutraliza parte del manganeso dando el correspondiente sulfuro.

Manganeso El manganeso es un estabilizador de la cementita que tiende a incrementar la cantidad de carbono combinado, pero es mucho menos potente que el azufre. Si el manganeso está presente en la cantidad correcta para formar sulfuro de manganeso, su efecto será reducir la proporción de carbono al neutralizar parte del azufre. Es muy común utilizar manganeso en cantidades que sean dos o tres veces el contenido de azufre en la aleación. El manganeso restante actúa en el sentido contrario que el Si y P. Es decir, desplaza hacia la derecha la composición eutéctica, no ejerciendo acción significativa sobre los límites del dominio gamma.

14.4.

FUNDICIONES BLANCAS

Se denominan fundiciones blancas aquellas que han evolucionado durante su solidificación y enfriamiento hasta la temperatura ambiente, de acuerdo con el diagrama Fe-C metaestable, por lo que el carbono se encuentra bajo la forma de cementita. La razón de su nombre es porque su superficie de fractura es brillante o «blanca». Para retener el carbono en la forma de carburo de hierro en

253 FUNDICIONES

253 INTRODUCCIÓN AL CONOCIMIENTO DE MATERIALES

las fundiciones blancas, se deben mantener relativamente bajos los contenidos de carbono (1.8-3.6%) y silicio (0.5-1.9%), y una la velocidad de solidificación elevada. La mayor parte de la producción de fundiciones blancas se fabrican con matriz perlítica, es decir, una estructura de perlita y carburo masivo. Si se adicionan aleantes para suprimir la transformación de la perlita, se obtienen fundiciones blancas martensíticas. Los cambios que tienen lugar en este grupo de fundiciones durante el enfriamiento son determinados por el diagrama hierro-carburo de hierro, estudiado anteriormente. A continuación, se describe el enfriamiento de una aleación hipoeutéctica con un contenido en carbono del 2.80%. La aleación, en el punto X de la figura 14.1, existe como solución líquida de carbono uniforme disuelto en hierro líquido. Se mantiene en esta condición conforme tiene lugar el enfriamiento, hasta que la línea líquidus se cruza en el punto Y, donde empieza la solidificación, formándose cristales de austenita con aproximadamente un 1.2% de C. A medida que la temperatura disminuye, la austenita primaria continúa su solidificación y su composición se desplaza hacia abajo y hacia la derecha a lo largo de la línea sólidus, hasta alcanzar el punto #. Mientras que el líquido se hace más rico en carbono, su composición también se desplaza hacia abajo y hacia la derecha a lo largo de la línea líquidus hasta alcanzar el punto %. A la temperatura eutéctica, (punto Z), la aleación consiste en dendritas de austenita con 2.2% de carbono y una solución líquida con 4.3% de carbono. El líquido incluye el: (2.8-2.2)/(4.3-2.2), o sea el 29% en peso de la aleación. Este líquido sufre ahora la reacción eutéctica de forma isotérmica para formar cementita y el eutéctico conocido como ledeburita, constituido por austenita y cementita en las proporciones que se deducen del diagrama de equilibrio. Como la reacción tiene lugar a una temperatura relativamente alta, la ledeburita tiende a aparecer como una mezcla gruesa. A medida que la temperatura desciende, entre Z y W, la austenita se irá empobreciendo en carbono, según lo indica la línea que une # y 3, lo cual da lugar a la precipitación de cementita secundaria o proeutectoide. A la temperatura eutectoide, (punto W), la austenita restante, con 0,8% de carbono y constituyendo el: (6.67-2.8)/(6.67-0.8), o sea, el 66.3% de la aleación, sufre la reacción eutectoide de forma isotérmica para formar perlita (cementita + ferrita). Por tanto, los constituyentes finales serán perlita y cementita. Durante el posterior enfriamiento, hasta alcanzar la temperatura ambiente, la estructura permanece invariable.

254 FUNDICIONES

254 INTRODUCCIÓN AL CONOCIMIENTO DE MATERIALES

En la figura 14.2 se muestra la microestructura, a 100 aumentos, de una fundición blanca hipoeutéctica. Las áreas blancas corresponden a cementita y las oscuras a perlita. Las grandes colonias de perlita provienen de las dendritas primarias de austenita. En las áreas blancas pueden observarse pequeñas laminas de cementita y perlita procedentes del eutéctico de cementita y austenita (ledeburita) formado a 1147°C. El resto corresponde a la matriz de cementita.

FIGURA 14.2.

Las fundiciones eutécticas solidifican exclusivamente en forma de ledeburita y al alcanzar la temperatura eutectoide, la austenita eutéctica se transforma en perlita. La solidificación de las fundiciones hipereutécticas se inicia en forma de cristales de cementita que crecen a medida que la temperatura desciende hasta la temperatura eutéctica, en la que el líquido residual, de composición eutéctica, solidifica como ledeburita. El sólido no experimenta transformación alguna salvo el paso a perlita, de la austenita eutéctica, al llegar a la temperatura de 723°C. La estructura final está constituida por grandes agujas de cementita y pseudoledeburita (conserva la forma de la ledeburita, pero en la que la austenita ha pasado a perlita). Por tanto, los constituyentes finales de todas las fundiciones y de los aceros hipereutectoides son siempre los mismos, siendo la única variable las proporciones en que aparecen.

255 FUNDICIONES

255 INTRODUCCIÓN AL CONOCIMIENTO DE MATERIALES

Propiedades de las fundiciones blancas Del estudio de la evolución de una fundición blanca, desde el estado líquido hasta la temperatura ambiente, se deduce que lo que caracteriza a esta clase de fundiciones es la presencia de cementita. Esta cementita hace que las fundiciones blancas sean duras y resistentes al desgaste y, en contrapartida, frágiles y de baja resistencia al impacto. También son indeformables en frío y muy difíciles de mecanizar, por lo que su acabado se realiza siempre por rectificado. En principio, nada se opone a que puedan ser templadas. No obstante, las tensiones generadas en el temple originan graves agrietamientos. Respecto a la posibilidad de conformarlas en caliente, el hecho de que, a diferencia de los aceros, la cementita no pueda disolverse por tratamientos térmicos, hace que en la práctica industrial no se utilice esta posibilidad.

Aplicaciones de las fundiciones blancas Las fundiciones blancas se utilizan en gran medida por su resistencia al desgaste y a la abrasión. La gran cantidad de carburos de hierro en su estructura es la principal responsable de su resistencia al desgaste. Se emplean en recubrimientos y en esferas para fabricar molinos que se utilizan en equipos para minería y para fabricar cemento, así como en rodillos para terminado del acero. Para contenidos de carbono inferiores al 2.5%, las fundiciones blancas se pueden emplear como material base para fabricar fundiciones maleables.

14.5.

FUNDICIONES GRISES

Las fundiciones grises son aquellas que al solidificar lo hacen según el diagrama de equilibrio Fe-grafito (línea discontinua en la figura 14.1). Ello se favorece con contenidos altos de carbono y de silicio, y con velocidades de solidificación lentas. La mayoría de las fundiciones grises son aleaciones hipoeutécticas que contienen entre 2.5 y 4% de carbono. Por otro lado, las fundiciones grises contienen cantidades relativamente altas de silicio (1-3%), ya que se trata de un elemento estabilizante del grafito.

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256 INTRODUCCIÓN AL CONOCIMIENTO DE MATERIALES

Estas fundiciones solidifican siguiendo el diagrama de equilibrio estable hierro-grafito, formando austenita y grafito a la temperatura eutéctica de 1154°C. En el enfriamiento, la austenita precipita el carbono en exceso primero en forma de cementita y el resto en perlita. El grafito aparece distribuido en forma de muchas placas irregulares, generalmente alargadas y curvas en forma de hojuelas como las que se muestran en la figura 14.3 (probeta pulida y sin ataque, por lo que sólo se pone de manifiesto el grafito), que proporcionan a estas fundiciones una superficie de fractura de color grisáceo o negruzco, al que deben su nombre. Por tanto la fundición gris está constituida por cementita, perlita o ferrita y grafito. La cantidad de cementita depende del contenido de carbono y de la acción grafitizante de los aleantes, de manera que puede conseguirse su total eliminación.

FIGURA 14.3.

La resistencia mecánica de las fundiciones grises depende en gran medida de la matriz, siendo mayor en el caso de matriz perlítica que ferrítica. Velocidades moderadas de enfriamiento favorecen la formación de una matriz perlítica, mientras que bajas velocidades de enfriamiento favorecen una matriz ferrítica. Contenidos de silicio elevados y enfriamientos lentos favorecen la formación de ferrita libre. No obstante, para obtener una matriz completamente ferrítica, normalmente, es necesario un

257 FUNDICIONES

257 INTRODUCCIÓN AL CONOCIMIENTO DE MATERIALES

recocido posterior, con el fin de descomponer la cementita en grafito y hierro. Este grafito se deposita sobre las láminas de grafito preexistentes, por lo que la forma de las inclusiones de grafito no se ve modificada.

Propiedades de las fundiciones grises Las fundiciones grises pueden ser consideradas como constituidas por una matriz de acero en la que se encuentran dispersos depósitos de grafito cuyo tamaño y distribución son extremadamente variables. Según esto, las propiedades mecánicas, y, por tanto las aplicaciones que de ellas se deducen, será una función de diversas variables, tales como de la composición y de la tecnología del proceso de fabricación. Las fundiciones grises son frágiles debido al efecto de entalla de las partículas de grafito, en especial las que poseen bordes afilados. Ello determina que el alargamiento sea pequeño para estas fundiciones, excediendo rara vez del 1%, siendo la reducción de área demasiado pequeña para ser apreciable. A diferencia de las fundiciones blancas, las fundiciones grises son fáciles de mecanizar, pues el grafito no sólo favorece el deslizamiento de la herramienta de corte, sino que constituye discontinuidades que facilitan el desprendimiento y rotura de las virutas. La presencia de grafito confiere a las fundiciones grises una gran capacidad de amortiguamiento de las vibraciones, lo que las hace especialmente indicadas para la fabricación de bancadas de máquinas herramientas. Resisten muy bien el desgaste, gracias al papel lubricante del grafito. Los mejores resultados se obtienen con matrices perlíticas de dureza elevada, y con pocas láminas de grafito no excesivamente finas. La resistencia a la corrosión de las fundiciones frente el agua, ambientes industriales y otros medios poco corrosivos, es superior a la de los aceros al carbono.

Los valores de la resistencia a la tracción en las fundiciones grises laminares ordinarias difícilmente exceden de 30 MPa, y son función de la microestructura de la matriz y del tamaño, forma y distribución de las láminas de grafito. Para los demás factores constantes, la máxima resistencia corresponde a las fundiciones perlíticas y la mínima a las ferríticas, estando comprendidas entre ambas las ferrítico-perlíticas. La resistencia mecánica de la fundición será mayor cuanto menor sea la cantidad de inclusiones de grafito, más homogénea su distribución y más redondeada su forma.

258 FUNDICIONES

258 INTRODUCCIÓN AL CONOCIMIENTO DE MATERIALES

Aplicaciones En general se aplica a aquellos casos que requieran un mínimo de propiedades al mínimo costo, como son los contrapesos de los ascensores, puertas de hornos industriales y guarniciones y marcos alrededor de maquinaria peligrosa. Muchas cajas para engranajes, bombas y turbinas de vapor son fundiciones grises, debido a su bajo costo. Como resisten bien a la intemperie, se emplean también para bocas de incendios y tapas de alcantarillas. Las fundiciones grises de matriz perlítica se utilizan para los bloques de cilindros de camiones y tractores, así como para las cajas de cambio pesadas, sin olvidar su utilización en motores diesel.

14.6. 14.6.1

OTRAS FUNDICIONES Fundiciones maleables

En estas fundiciones la mayoría del carbono se encuentra sin combinar en forma de partículas redondeadas irregulares o copos, conocidas como carbono revenido. Las fundiciones maleables se obtienen a partir de las fundiciones blancas, que contienen gran cantidad de cementita pero no contienen grafito, por lo que sus composiciones químicas se encuentran restringidas a las composiciones que dan lugar a dichas fundiciones. Para producir las fundiciones maleables, se tratan térmicamente las fundiciones blancas por encima de !1. A esa temperatura, los constituyentes serán austenita y cementita. No obstante, al cabo de cierto tiempo la cementita se descompondrá, dando lugar a copos de grafito (de aspecto general más o menos redondeado, pero con bordes sinuosos con entrantes y salientes abruptos). Si el enfriamiento posterior se realiza al aire, la fundición estará constituida por copos de grafito rodeados de una matriz perlítica procedente de la descomposición de la austenita. Si durante el enfriamiento se mantiene al material largo tiempo a una temperatura situada justo por debajo de !1, todo el carbono combinado se convierte en ferrita y grafito, el cual se depositará sobre los copos preexistentes. De esta manera, se obtiene una fundición maleable ferrítica. En condiciones de enfriamiento intermedias, por ejemplo manteniendo la fundición menor tiempo por debajo de !1, la fundición final tendrá una matriz ferrito-perlítica. Las mejores fundiciones son aquellas que poseen un contenido no muy grande de carbono (~2.5%), ya que así son menores las inclusiones de grafito. No obstante, cuanto menor sea el contenido de carbono, mayor será la

259 FUNDICIONES

259 INTRODUCCIÓN AL CONOCIMIENTO DE MATERIALES

temperatura de solidificación, lo que encarece el producto, aunque en el caso de las fundiciones maleables el mayor costo se debe básicamente a los largos RECOCIDOS DE GRAFITIZACIÆN El mayor costo de estas fundiciones respecto de las grises quedará compensado para aquellos casos en los que, debido a la forma de las inclusiones de grafito, se requiera tanto una resistencia mecánica como una ductilidad superior.

14.6.2.

Fundiciones dúctiles

En estas fundiciones, tambien llamadas nodulares, el carbono se encuentra sin combinar en forma de nódulos esféricos inmersos en una matriz ferrítica, tal y como se muestra en la figura 14.4.

FIGURA 14.4.

Esta estructura difiere de las fundiciones maleables en que se obtiene directamente desde la solidificación, mediante adiciones de aleantes especiales, lo que tiene indudables ventajas en cuanto a costo, al no ser necesario un posterior tratamiento de recocido. Además, las formas redondeadas de las partículas de carbono, que no se pueden obtener en las fundiciones grises normales, son mucho más regulares, por lo que la concentración de tensiones en las intercaras es menor.

260 FUNDICIONES

14.6.3.

260 INTRODUCCIÓN AL CONOCIMIENTO DE MATERIALES

Fundiciones aleadas

Una fundición aleada es aquella que contiene elementos tales como cromo, cobre, molibdeno, níquel y vanadio que añadidos en cantidades suficientes produzcan modificaciones en las propiedades. Elementos, normalmente obtenidos de la materia prima, tales como silicio, manganeso, azufre y fósforo, no se consideran elementos de aleación en este tipo de fundiciones. Los elementos de aleación se añaden para acelerar o retardar el proceso de grafitización, mejorar la resistencia a la corrosión, el comportamiento frente a la temperatura o frente al desgaste. Al igual que en los aceros, pequeñas adiciones de dos o más elementos producen un efecto superior que el obtenido con cantidades más elevadas de un sólo aleante. A continuación, se describen los efectos de los aleantes más frecuentes.

Cromo El cromo forma carburos complejos que son más estables que el carburo de hierro, por lo que dificulta la grafitización. Pequeñas cantidades de cromo hacen cambiar la estructura de las fundiciones blancas de tipo ferrítico por otra de tipo perlítico, disminuyendo la maquinabilidad, aunque se incrementan la resistencia, la dureza, la resistencia al desgaste y al calor. En las fundiciones grises, la presencia del cromo evita la excesiva grafitización durante los tratamientos térmicos.

Cobre El cobre es un elemento grafitizador, pero sólo entre una quinta y una décima parte más eficaz que el silicio. Para aplicaciones generales en ingeniería, el contenido de cobre es de 0.25 a 2.5%. El cobre tiende a afinar la microestructura de la perlita, aumentando la resistencia del material.

Molibdeno El molibdeno es un elemento estabilizador de carburos y mejora las propiedades mecánicas. Se le suele añadir en cantidades de 0.25 a 1.25%. Mejora la dureza de las fundiciones, así como la resistencia a la fatiga, a la tracción y a la fluencia. El molibdeno también retarda la transformación de la austenita, incrementando así la templabilidad. Siempre se le utiliza en combinación con otros elementos de aleación.

261 FUNDICIONES

261 INTRODUCCIÓN AL CONOCIMIENTO DE MATERIALES

Níquel Al igual que el cobre, el níquel es un grafitizador que no forma carburos. El objetivo de la presencia de níquel en proporciones que oscilan entre el 0.5 y el 6.0% en las fundiciones grises de aplicación en ingeniería, es controlar la estructura, retardando la transformación de austenita, estabilizando la perlita y manteniendo el carbono combinado en la cantidad eutectoide. Así, la microestructura de una fundición de bajo contenido en níquel presenta grafito, perlita y muy poca ferrita.

Vanadio Por último, el vanadio es el elemento formador de carburos más potente, estabiliza la cementita y reduce la grafitización. Las adiciones de vanadio, entre 0.10 y 0.25%, incrementan la resistencia a la tracción y la dureza de las fundiciones.

TEMA 15 ALEACIONES DE ALUMINIO I

15.1.

INTRODUCCIÓN

Consideraciones generales acerca de las aleaciones no férreas Como se vio anteriormente, las aleaciones de ingeniería pueden ser férreas y no férreas. Las aleaciones no férreas tienen como metal base uno distinto al hierro. Dentro de las aleaciones no férreas se distinguen por su importancia, las denominadas aleaciones ligeras. El grupo de aleaciones englobadas dentro de las ligeras son, tal y como indica su nombre, las que poseen una baja densidad, tomando como referencia la del hierro ( = 7.9 g cm–3). Desde el punto de vista industrial las aleaciones ligeras más importantes son las que tienen como elementos base el aluminio = 2.7 g cm–3), –3 –3 el magnesio ( = 1.74 g cm ) y el titanio ( = 4.5 g cm ). En la tabla 15.1 se muestran algunas de las propiedades de las aleaciones ligeras basadas en estos tres elementos, junto con las correspondientes a las de los aceros. A la vista de dicha tabla se puede comprobar que las propiedades mecánicas del acero % y Y) son sistemáticamente superiores a las de las aleaciones ligeras. No obstante, esa tendencia disminuye cuando lo que se compara son magnitudes específicas (divididas por la densidad), siendo en algunos casos las magnitudes relativas de las aleaciones ligeras superiores a las de los aceros. Existen otros metales con bajas densidades y propiedades atractivas que no figuran en la tabla 15.1, debido a que por diversas razones su uso es muy limitado. Por ejemplo, el berilio a pesar de ser el metal con mayor módulo específico y muy ligero ( = 1.85 g cm–3), es muy escaso y difícil de trabajar debido a su estructura cristalina hexagonal, además de ser muy tóxico. Todo ello hace que su uso sea muy limitado y que sólo haya

264 264 ALEACIONES DE ALUMINIO IINTRODUCCIÓN AL CONOCIMIENTO DE MATERIALES

PROPIEDADES MECÁNICAS DE ALEACIONES LIGERAS ESTRUCTURALES

Aleación

Densidad (g · cm–3)

M. de Young E (GPa)

Límite elástico (MPa) y

E/

Al Mg Ti (Aceros)

2.7 1.7 4.5 (7.9)

71 45 120 (210)

25-600 70-270 170-1280 (220-1600)

26 25 27 27

y

/

9-220 40-160 38-280 28-200

TABLA 15.1.

una fábrica que lo produzca (en EEUU). El litio ( = 0.53 g cm–3) es el metal más ligero y en la actualidad se encuentra en fase de investigación su utilización como aleante del aluminio. Su mayor interés radica en que son las aleaciones de aluminio con menor peso, y por tanto con importantes aplicaciones en la industria aeronáutica. Para dar una idea de la importancia que tiene el peso en la industria aeronáutica, basta decir que la reducción de un sólo kilogramo en el peso de un avión supone un ahorro de combustible del orden de las 600-3000 € a lo largo de la vida útil del aparato. No obstante, antes de la plena implantación de las aleaciones Al-Li, será preciso superar algunas deficiencias que presentan, como es su especial sensibilidad a la corrosión intergranular. El resto de elementos con una < 4.5 g cm–3, no se utilizan apenas en estructuras, debido a su alta reactividad, bajo punto de fusión o escasez. Otro grupo de aleaciones no férreas, con densidades ligeramente superiores ( ~ 8.9 g cm–3) a las férreas, que presentan gran interés son las de base cobre y níquel. El cobre puro tiene una elevada conductividad eléctrica por lo que se utiliza como alambre eléctrico. El cobre se puede alear con el cinc (latones), con el fin de aumentar la resistencia mecánica del cobre puro, y con el estaño dando lugar a una familia de aleaciones (bronces) que poseen una buena resistencia a la corrosión. Las aleaciones de níquel presentan alta resistencia mecánica a temperaturas elevadas, así como una gran resistencia a la corrosión y a la oxidación, utilizándose en la industria química y petrolífera, así como en aplicaciones de alta temperatura.

15.2.

PROPIEDADES DEL ALUMINIO

El aluminio es el metal ligero más importante, ya que posee una combinación de propiedades tales como ligereza, altas conductividades

265 265 ALEACIONES DE ALUMINIO IINTRODUCCIÓN AL CONOCIMIENTO DE MATERIALES

térmica y eléctrica y resistencia a la corrosión, que unido a un precio relativamente bajo le convierten en un material extremadamente útil. Es el metal que más se produce después del hierro, destacando el hecho de que el período comprendido desde los comienzos de su obtención industrial hasta su empleo masivo en los últimos tiempos apenas cubre 100 años. Por otro lado, el aluminio es el elemento metálico más abundante de la corteza terrestre, aunque siempre combinado con elementos como hierro, oxígeno y silicio. Las propiedades físicas características del aluminio son, además de su baja densidad ( = 2.7 g cm–3), sus elevadas conductividades térmica y eléctrica (un 60% de la del Cu) y su alto calor latente de fusión. Su baja temperatura de fusión (660°C) unido a su elevada temperatura de ebullición (posee una presión de vapor relativamente baja) hacen al aluminio muy idóneo para los PROCESOS DE MOLDEO. El aluminio es débilmente paramagnético, cristaliza en la red CCC y no presenta modificaciones alotrópicas. A pesar de su alta afinidad con el oxígeno, el aluminio se oxida poco al aire y otros medios, gracias a la densa y compacta capa superficial de alúmina que lo protege y que se forma de manera espontánea. Esta resistencia a la corrosión aumenta con la pureza del aluminio. A veces, conviene mejorar la resistencia a la corrosión, sobre todo en el aluminio aleado, aumentando el espesor de la capa de alúmina de manera artificial, mediante un procedimiento que se conoce como anodizado. Para ello, la pieza actúa como ánodo en un electrolito, solución acuosa con el 15% de ácido sulfúrico, que da lugar a una capa de alúmina porosa. Posteriormente, introduciendo la pieza en agua en ebullición los poros se sellan dando lugar a una capa compacta. De esta manera, se obtiene una capa de espesor ~20 m que es muy superior a los 2 nm de la capa natural. Además, el anodizado se puede teñir para conseguir colores atractivos desde el punto de vista decorativo. Como propiedades mecánicas merecen resaltarse su alta plasticidad, debido a su estructura CCC bajo módulo y poca resistencia al desgaste, dependiendo sus propiedades mecánicas del tratamiento termomecánico y tamaño de grano.

15.3.

OBTENCIÓN DEL ALUMINIO

El aluminio se obtiene generalmente a partir de la ELECTRÆLISIS de la alúmina (Al2O3), siendo necesarias dos fases para su fabricación; obtención de alúmina de gran pureza, para luego a partir de esta obtener el aluminio.

266 266 ALEACIONES DE ALUMINIO IINTRODUCCIÓN AL CONOCIMIENTO DE MATERIALES

En general, la alúmina se obtiene a partir del mineral BAUXITA, constituido principalmente por óxidos hidratados de aluminio. En el proceso Bayer se hace reaccionar la bauxita con hidróxido sódico concentrado y caliente, para convertir el aluminio del mineral en aluminato sódico. Una vez separado el material insoluble, se obtiene óxido de aluminio hidratado, Al(OH)3, por la descomposición espontánea del aluminato sódico sometido a agitación mecánica. Por último, CALCINANDO el óxido de aluminio hidratado, se obtiene la alúmina. El procedimiento de conversión de la alúmina en aluminio más importante y económico sigue siendo por electrólisis de la alúmina disuelta en un baño de CRIOLITA, Na2AlF6, según el principio de Hall-Héroult. La función principal de la criolita es bajar el punto de fusión de la alúmina desde unos 2000°C hasta 900-1000°C, dependiendo de las proporciones de ambos productos. Inicialmente la criolita se obtenía de regiones remotas como Groenlandia, aunque en la actualidad se obtiene sintéticamente. La pureza del aluminio de primera fusión puede llegar a ser del 99.7%, aunque se alcanzan purezas del 99.99% mediante sucesivas electrólisis. Con el fin de reducir el alto consumo de energía que supone el proceso electrolítico resulta de gran interés obtener aluminio a partir de chatarra, constituyendo este caso un buen ejemplo del ahorro de energía que supone el reciclado en los materiales.

15.4.

ELEMENTOS ALEANTES DEL ALUMINIO

Con el fin de aumentar las características mecánicas del aluminio se alea con otros elementos, principalmente cobre, cinc, silicio, magnesio, manganeso, y desde hace unos años se investiga la posibilidad de las aleaciones con litio. También suelen estar presentes en las aleaciones de aluminio otros elementos, principalmente de transición, tales como cromo, níquel y circonio que al formar compuestos intermetálicos en el proceso de solidificación controlan la estructura granular del material y en algunos casos producen un endurecimiento adicional por dispersión. En general, la adición de elementos como el Cr, Mg y Mn aumentan la resistencia a la corrosión del aluminio, mientras que el Cu, Fe y Ni la bajan. Por último, cabe señalar que el silicio y el hierro siempre están presentes en las aleaciones de aluminio como impurezas. Las propiedades de las aleaciones de aluminio pueden modificarse mediante deformaciones mecánicas y tratamientos térmicos posteriores. Al no presentar el aluminio cambios alotrópicos, no pueden realizarse tratamientos térmicos con transformación total, pero el cambio de

267 267 ALEACIONES DE ALUMINIO IINTRODUCCIÓN AL CONOCIMIENTO DE MATERIALES

solubilidad con la temperatura de algunos elementos en el aluminio permite la posibilidad de reacciones con transformación parcial que se podrán aplicar a algunas aleaciones de aluminio. En la figura 15.1 se muestra el diagrama tipo que forma el aluminio con algunos de los más importantes elementos de aleación, donde se pone de manifiesto aquellos elementos de aleación que posibilitan dichas reacciones con transformación parcial. En la tabla 15.2 se señalan los puntos más importantes para cada uno de los elementos que forman este tipo de diagramas con el aluminio, donde: las máximas solubilidades en el aluminio del elemento " a temperaturas ambiente y eutéctica son "0% y "1% respectivamente; 4% es la temperatura del eutéctico; "%% denota la composición de " en el eutéctico; "C corresponde al tanto por ciento del elemento " en el caso de formarse un compuesto intermetálico de fórmula !LX"Y T oC Líquido

660

AlXBY + Líquido

Soluc. sol. _

0

Max. solubilidad

_ + Líq.

BO

_ + AlXBY

BI

AlXBY

BE

BC

%B

FIGURA 15.1.

Al-B

B 0%

B 1%

B E%

T E%

AlxBy

B c%

Al-Si Al-Fe Al-Cu Al-Mg Al-Ni Al-Mn Al-Li

0.05 0.04 0.2 1.8 0.02 — —

1.6 0.04 5.7 17.4 0.04 1.8 4.2

12.6 1.8 32.7 34 60 1.9 7.5

577 655 548 450 640 657 602

Si Al3Fe Al2Cu Al3Mg2 Al3Ni Al6Mn AlLi

100 40 55 36 42 25 20

TABLA 15.2.

268 268 ALEACIONES DE ALUMINIO IINTRODUCCIÓN AL CONOCIMIENTO DE MATERIALES

15.5.

15.5.1.

MECANISMOS DE ENDURECIMIENTO EN LAS ALEACIONES DE ALUMINIO Endurecimiento por precipitación

El tratamiento térmico más importante en las aleaciones de aluminio se vio esquemáticamente en el apartado 9.4, y cuyas diferentes fases se verán ahora de manera más pormenorizada. Primero, se procede a la solubilización o calentamiento para disolver las fases. Una vez homogeneizada la temperatura en toda la pieza, se realiza un enfriamiento rápido (temple), donde los elementos de aleación se encuentran en solución sólida sobresaturada. Posteriormente, se somete al material a un tratamiento denominado de envejecimiento o maduración, que se realiza a temperatura ambiente o algo superior (~150ºC). El objeto de este tratamiento es realizar de manera controlada la precipitación de segundas fases, que sucede como consecuencia del estado de fuera de equilibrio en que se encuentra el material después del temple.

Solubilización y temple Con la aplicación del tratamiento de solubilización, se trata de obtener una solución sólida con el mayor contenido posible de soluto. Conviene una temperatura lo más alta posible, para disolver la mayor cantidad de fases que produzcan endurecimiento en la posterior maduración. La temperatura de sólidus real de la aleación es un límite de la temperatura de solubilización. El tiempo de permanencia a la temperatura de solubilización debe ser suficiente como para disolver el soluto, y obtener una solución sólida homogénea. Las piezas moldeadas exigirán tiempos mayores. El tratamiento de temple consiste en enfriar rápidamente la aleación desde la temperatura de solubilización a fin de que conserve, a temperatura ambiente y durante cierto tiempo, un estado muy parecido al que tenía a alta temperatura. Se ha comprobado que, para la mayor parte de las aleaciones, todas las características pasan por un máximo en una banda más o menos estrecha de temperaturas de solubilización. A temperaturas inferiores a la óptima (que debe ser respetada con una diferencia de ±5°C), la disminución de características es el resultado de la incompleta puesta en solución de los constituyentes activos. A temperaturas superiores a la óptima, se

269 269 ALEACIONES DE ALUMINIO IINTRODUCCIÓN AL CONOCIMIENTO DE MATERIALES

produce el quemado y aunque la dureza no sufre modificación sensible por el quemado, el material pierde ductilidad, y sobre todo queda susceptible a la corrosión intergranular, no siendo posible su recuperación por tratamientos posteriores. Es preciso recordar que la temperatura eutéctica es siempre muy inferior a la de los elementos por separado, y por tanto cuando la temperatura de solubilización supera a la de fusión del eutéctico que es capaz de formar alguno de los elementos de aleación, se dice que el material se ha quemado. El medio de temple más corriente en la fabricación de las aleaciones de aluminio es el agua, utilizándose hornos de sales para los tratamientos de calentamiento.

Envejecimiento El estado de solución sólida sobresaturada obtenida en el tratamiento de temple se caracteriza por presentar una estructura inestable, a partir de la cual tienden a precipitarse los constituyentes endurecedores. Esta precipitación, que se denomina maduración o envejecimiento, puede ser natural si se desarrolla a temperatura ambiente o artificial si lo hace a una temperatura superior. El objetivo principal del endurecimiento por precipitación es crear, en una aleación tratada térmicamente, una densa y fina dispersión de partículas en la matriz del metal. Las partículas precipitadas actúan como obstáculos al movimiento de las dislocaciones producidas al deformarse el metal, anclando su movimiento y dando lugar a un fuerte aumento de la resistencia mecánica del mismo.

Endurecimiento durante el proceso de envejecimiento De manera general, el proceso de endurecimiento por precipitación puede explicarse a partir del las aleaciones Al-Cu, cuyo diagrama de equilibrio se muestra parcialmente en la figura 15.2. Como ya se ha indicado, la principal característica de este diagrama es la existencia de una zona con solubilidad sólida decreciente a medida que la temperatura disminuye, como sucede con el diagrama de fase de la figura 15.2 para un contenido de un 4% de Cu. Se parte de un material que previamente haya sido solubilizado a la temperatura de 550°C. Se ha seleccionado esta temperatura porque, para la aleación con un 4% de Cu, está a medio camino entre los límites de

270 270 ALEACIONES DE ALUMINIO IINTRODUCCIÓN AL CONOCIMIENTO DE MATERIALES

T oC Líquido 700 – 600 – 550 – 500 – _ 400 –

e' Solvus

300 –

e'' Solvus

200 –

GP Solvus

100 – –

–

–

5,7% –

0– 0,2

2

4

6

8

% Cu

FIGURA 15.2.

fase solvus y sólidus de la solución sólida . Si se enfría lentamente hasta temperatura ambiente se produce la segregación de la fase de equilibrio CuAl2, denominada . En el enfriamiento lento, la fuerza impulsora para la precipitación de CuAl2 y la velocidad de nucleación son pequeñas. Con el fin de alcanzar la cantidad de CuAl2 que corresponde a la situación de equilibrio, los pocos núcleos formados irán creciendo de tamaño, dando lugar a grandes precipitados de CuAl2 alejados entre sí. Esta distribución de precipitados no ofrece apenas impedimento al movimiento de dislocaciones, y la aleación resultante es bastante blanda. Si en vez de este enfriamiento lento, se realiza uno más rápido se producirá una estructura más fina, consistente en pequeños precipitados no muy separados, que sí endurecen de forma notable la aleación. Si el enfriamiento se realiza a una velocidad superior a la crítica, es decir se templa, no llegará a producirse precipitación alguna, encontrándose el Cu en una solución sólida sobresaturada. En este estado, la aleación ya presenta un cierto endurecimiento por efecto de la solución sólida. No obstante, puede aumentar su resistencia si la aleación en este estado se somete a un envejecimiento o maduración por precipitación controlada de la solución sólida sobresaturada. La descomposición de la solución sólida sobresaturada obtenida después del temple es un proceso complejo, que puede realizarse a temperatura ambiente (maduración natural) o superior (maduración artificial), y que consta de varias etapas.

271 271 ALEACIONES DE ALUMINIO IINTRODUCCIÓN AL CONOCIMIENTO DE MATERIALES

En la figura 15.2, en la zona donde coexisten en equilibrio la solución sólida de Cu en Al (fase ) más el compuesto estable CuAl2 (fase ), se han dibujado unas líneas que dan la temperatura máxima de existencia de una serie de fases metaestables (líneas de solvus), cuya formación precede a la de equilibrio. La precipitación de las sucesivas fases, '0 y ”coherentes con la matriz, parcialmente coherente y que es incoherente, puede realizarse por un calentamiento progresivo en el tiempo, o por calentamiento durante cierto tiempo a temperatura constante. Esta última temperatura vendrá dictada por diversos factores, aunque en principio debe estar situada cerca de los límites de existencia de las fases metaestables. Las propiedades mecánicas óptimas se consiguen con una fina distribución de precipitados, normalmente coherentes y parcialmente incoherentes, por lo que la temperatura de solvus correspondiente (ver figura 15.2) debe situarse por encima de la temperatura ambiente, con el fin de posibilitar la precipitación controlada a través de tratamientos térmicos de envejecimiento.

Para estudiar la descomposición de la solución sólida sobresaturada se supondrá que la maduración se realiza por calentamiento a ~150°C, y se seguirá la evolución con el tiempo de las fases presentes. En una primera etapa, se forman unas agrupaciones de átomos segregados llamadas zonas de precipitación o zonas Guinier-Preston ('0). Estas zonas son regiones enriquecidas con átomos de Cu dentro de la matriz de Al. Las zonas de '0 tienen forma de disco de unos 10 nm de diámetro y de tan sólo una o dos capas atómicas de espesor, que conservan la red de la matriz por lo que la interfase es coherente. Su formación requiere movimientos atómicos de pequeño recorrido, por lo que las zonas de '0 se encuentran muy finamente dispersas en la matriz, de manera que su distancia media es de unos 10 nm. Para mayores tiempos, algunas zonas '0 pitados, denominados ’’, de unos 100 nm de con densidades de hasta 1017-1018 cm–3. Las suelven, transfiriendo sus átomos de Cu a los través de la matriz.

crecen formando unos precidiámetro y 10 nm de espesor, zonas '0 remanentes se diprecipitados ’’ por difusión a

Para tiempos posteriores, y si es suficiente la energía de activación disponible, se forman precipitados intermedios en forma de discos de ~1 m de diámetro, que son parcialmente coherentes con la red de la matriz. Estos precipitados intermedios, denominados ’, pueden nuclearse en las zonas GP preexistentes, o bien de manera heterogénea en zonas de alta energía de la matriz, como vacantes y dislocaciones. En la siguiente etapa, el precipitado intermedio es reemplazado por el precipitado en equilibrio, , que al tener su propia red cristalina es totalmente

272 272 ALEACIONES DE ALUMINIO IINTRODUCCIÓN AL CONOCIMIENTO DE MATERIALES

incoherente con la matriz. Estos precipitados se nuclean en las fronteras de grano y en la interfase ’-matriz, y tienen formas redondeadas. En la figura 15.3, se presenta una curva esquemática de cómo varía el límite elástico de una aleación Al-4%Cu, medido a temperatura ambiente, en función del tiempo de envejecimiento a ~150°C. En ella se pueden distinguir cuatro zonas características. La primera, correspondiente a tiempo cercano a cero, donde la resistencia se debe a la SOLUCIÆN SÆLIDA SOBRESATURADA (333) existente después del temple. Su contribución al endurecimiento disminuye rápidamente con el tiempo de maduración, conforme se reagrupan los átomos de cobre en las zonas '0. my (MPa)

Tensión de Orowan

Tensión de cizalla

500 – e''

400 –

e' 300 –

200 –

GP

e

SSS

T maduración 150oC Al – 4%Cu –

–

1

–

100 –

10

100

1000

Tiempo de maduración (horas)

FIGURA 15.3.

A medida que se incrementa el tiempo de envejecimiento, aumenta el número de las zonas '0, y la aleación se hace más resistente y dura, a la vez que menos dúctil, dando lugar a la segunda zona. Aunque estos precipitados son coherentes con la matriz, el desajuste de los parámetros de red de los precipitados ’ con la red del Al genera tensiones elásticas que dificultan el movimiento de las dislocaciones. Para tiempos mayores, llega un momento en que el número de zonas '0 empieza a disminuir por la formación de los precipitados v, momento en que el endurecimiento debido a las zonas '0 decrece. A partir de ese momento, y conforme aumenta el tiempo de envejecimiento, tiene lugar la sucesiva aparición de los precipitados v y , que

273 273 ALEACIONES DE ALUMINIO IINTRODUCCIÓN AL CONOCIMIENTO DE MATERIALES

finalmente se transforman en la fase de equilibrio . Durante este proceso, la contribución de cada una de las fases al endurecimiento del material va variando, dependiendo de factores tales como distribución, tamaño y distancia interpartícula, así como del grado de coherencia de la interfase precipitado-matriz. Cuando la interfase es coherente, las dislocaciones pueden superar los precipitados por cizalla o corte de los mismos, tal y como se vio en el apartado 7.5. La resistencia que ofrecen los precipitados coherentes a ser atravesados por dislocaciones en el proceso de cizalla crece con el tamaño del precipitado, por lo que dicha resistencia aumenta con el tiempo de envejecimiento (señalada con línea de puntos en la figura 15.3). Por otro lado, los precipitados incoherentes pueden ser superados, mediante el mecanismo de Orowan. La tensión para que este mecanismo pueda operar, tensión de Orowan, disminuye conforme crece la distancia entre ellos. Como la distancia entre precipitados crece con el envejecimiento, la tensión de Orowan disminuye con el tiempo de envejecimiento (señalada con línea de puntos en la figura 15.3).

Por tanto, la resistencia máxima se alcanza cuando está presente una dispersión crítica de zonas '0 y/o precipitados intermedios, y correspondería a la tercera zona. Si el envejecimiento continúa, el precipitado intermedio coalesce y se hace más grueso y la aleación se debilita por sobreenvejecimiento, dando lugar a la cuarta zona. La zona situada a menores tiempos que el de máxima resistencia, se denomina de subenvejecimiento. La velocidad de envejecimiento depende de la temperatura, de manera que una elevación de esta acelera el proceso. No obstante, la resistencia máxima que se obtiene es tanto menor cuanto más elevada es la temperatura de envejecimiento. A este respecto, es muy importante la situación en el diagrama de equilibrio de las líneas solvus de los precipitados metaestables, dibujadas en líneas de trazos en el diagrama Al-Cu de la figura 15.2. A temperaturas inferiores a la de solvus de '0, las zonas '0 pueden actuar como núcleos de precipitación de los precipitados v. Para ciertas aleaciones, el tiempo de permanencia a temperatura ambiente, necesario para trasladar las piezas desde la salida del horno hasta el medio en que se efectúa el temple, es suficiente para iniciar una precipitación perjudicial. Este efecto es particularmente sensible en las aleaciones que contienen cinc y obliga a tener en cuenta también la masa de los productos, la disposición de las cargas, la velocidad de inmersión, etc.

274 274 ALEACIONES DE ALUMINIO IINTRODUCCIÓN AL CONOCIMIENTO DE MATERIALES

15.5.2.

Endurecimiento por solución sólida

En algunas aleaciones, las líneas de solvus de los precipitados coherentes están situadas entre la temperatura ambiente y la temperatura a la que se puede producir envejecimiento. Este es el caso de la aleación Al -4% Cu que se acaba de estudiar, y de muchas aleaciones de aluminio endurecibles por precipitación. Por otro lado, estarían aquellas aleaciones en las que las zonas solvus de '0 y v se sitúan por debajo de temperatura ambiente. Estas aleaciones es difícil que endurezcan por precipitación provocada por envejecimiento, debido a la dificultad para nuclear precipitados, como es el caso de las aleaciones Al-Mg. En esta situación, los átomos de soluto permanecerán en solución sólida, con una contribución al endurecimiento menor que en el de precipitación. El contenido de magnesio presente en las aleaciones Al-Mg es muy inferior al de la solubilidad máxima del Mg en Al a la temperatura eutéctica, que es de un 17.4%. Así, por ejemplo, aunque el proceso de precipitación en las aleaciones Al-5.5%Mg sea inapreciable, hace que con una velocidad de enfriamiento moderado desde la temperatura de solubilización, se obtenga una solución sólida sobresaturada, ya que la curva de enfriamiento no toca la nariz. Esto se debe al hecho de que la nariz del diagrama TTT para la precipitación de la fase estable Mg5Al8 está situada a una temperatura baja (~220°C, donde la difusión es muy pequeña) y próxima a la temperatura de solubilización (~275°C). De esta manera, al estar el Mg en solución sólida sobresaturada, se consigue un endurecimiento apreciable.

15.5.3.

Endurecimiento por deformación

El endurecimiento por deformación se puede aplicar en principio a todas las aleaciones de aluminio que posean la plasticidad necesaria para los procesos de conformado. Este requisito de plasticidad se da en aquellas aleaciones de aluminio con composiciones inferiores a la de solubilidad máxima del aleante a la temperatura del eutéctico (composición "1% de la figura 15.1). No obstante, la deformación en frío (por laminación) se aplica a aquellas aleaciones de aluminio que no endurecen por precipitación. De esta manera, el endurecimiento por deformación se suma al conseguido por solución sólida, obteniéndose un aumento de resistencia mecánica considerable.

275 275 ALEACIONES DE ALUMINIO IINTRODUCCIÓN AL CONOCIMIENTO DE MATERIALES

El aumento del límite elástico que se consigue por laminación viene dado por la expresión Y = ! , donde ! y son constates (con 1/6 < < 1/3 para las aleaciones de Al) y es la reducción de espesor en el laminado.

15.5.4.

Endurecimiento por reforzamiento

Un problema que poseen las aleaciones de aluminio es su falta de estabilidad a temperaturas relativamente tan bajas como 100-150ºC, con la consiguiente disminución de sus propiedades mecánicas. En las aleaciones susceptibles de endurecer por precipitación, tenderá a producirse sobreenvejecimiento con crecimiento del tamaño de los precipitados. Por otro lado, en las aleaciones endurecibles por deformación se producirá restauración, con la consiguiente eliminación de la estructura deformada, y también la posibilidad de la recristalización. Una forma de conseguir aleaciones estables a alta temperatura es por medio del denominado endurecimiento por reforzamiento. Dicho endurecimiento se basa en introducir en la aleación pequeñas partículas, denominadas dispersoides, cuyo tamaño y distribución se vean mucho menos afectados por la temperatura que los precipitados. Para conseguir esta microestructura, se introducen en estado líquido metales insolubles en el aluminio, como Fe, Ce, Cr y Ni, que forman compuestos intermetálicos entre si y/o con el aluminio durante el proceso de solidificación. Estos compuestos intermetálicos o dispersoides, son sumamente estables una vez formados y, como su temperatura de fusión suele ser mucho mayor que la del aluminio, resulta imposible solubilizarlos por tratamientos térmicos en estado sólido. En un proceso de colada normal, en el que la velocidad de enfriamiento es lenta, los dispersoides tienen tiempo para precipitar en forma de partículas de gran tamaño, contribuyendo a formar una microestructura gruesa, perjudicial para las propiedades mecánicas. Para que la presencia de dispersoides contribuya eficazmente al reforzamiento de la aleación, mejorando sus propiedades mecánicas, sería preciso que su precipitación fuese muy fina en forma de partículas muy pequeñas uniformemente distribuidas. Una manera de conseguir dicha microestructura fina es conseguir altas velocidades de enfriamiento a través de técnicas de solidificación rápida. De esta forma la precipitación se produce a partir de múltiples núcleos de solidificación, que da lugar a una microestructura muy fina y homogénea, es decir con pocas segregaciones, pequeño tamaño de grano y dispersoides inferiores a la micra.

276 276 ALEACIONES DE ALUMINIO IINTRODUCCIÓN AL CONOCIMIENTO DE MATERIALES

Un grupo importante de técnicas de solidificación rápida son las denominadas pulvimetalúrgicas, en las que el material se obtiene en forma de polvo, con partículas normalmente inferiores a 50μm. Dicha técnica consiste en fundir la aleación en un crisol situado en una cámara de vacío (~10-2 Torr), para posteriormente volcar la aleación fundida sobre un pequeño embudo provisto de un pequeño orificio de salida (~1mm), situado en la parte inferior de la cámara, por el que cae el metal líquido a una segunda cámara de considerable tamaño aislada de la primera cámara, salvo por dicho embudo. En esta segunda cámara, se hace incidir gas inerte a alta presión sobre el chorro de metal líquido que cae por el orificio del embudo, produciéndose su pulverización en forma de pequeñas gotas. Estas gotitas, que como se ha indicado suelen ser inferiores a 50μm, se dispersan a gran velocidad por el interior de esta segunda cámara, enfriándose muy rápidamente al contacto con el gas inerte. El gas que produce un enfriamiento más rápido es el helio, que al tener una alta capacidad calorífica, absorbe muy rápidamente el calor de las gotas de metal. Posteriormente, el metal en polvo se recoge para proceder a su consolidación, mediante distintas técnicas, como por ejemplo prensa de extrusión. En estos materiales, el endurecimiento es por dispersión de partículas incoherentes con la matriz, por lo que en los procesos de deformación el mecanismo dominante es el de Orowan (mecanismo de deformación independiente del tiempo). La principal limitación que tienen estas aleaciones es por parte de la matriz, ya que a altas temperaturas (300ºC = 0.6 TF ) puede ser muy importante la deformación dependiente del tiempo, empeorando el comportamiento mecánico al operar una serie de mecanismos de deformación asociados a la fluencia.

15.6.

CLASIFICACIÓN Y DESIGNACIÓN DE LAS ALEACIONES DE ALUMINIO

Las características mecánicas, tecnológicas y físicas del aluminio y sus aleaciones pueden modificarse en la forma deseada mediante la adición de aleantes y tratamientos térmicos y/o mecánicos. El aluminio y sus aleaciones se fabrican mediante procesos de conformación plástica (laminación, extrusión, estirado o forja) y otras que se fabrican mediante fundición, por lo que se clasifican en dos grandes grupos, denominados de forja y de fundición. La delimitación entre estos dos grandes grupos está determinada por el límite de saturación de la solu-

277 277 ALEACIONES DE ALUMINIO IINTRODUCCIÓN AL CONOCIMIENTO DE MATERIALES

ción sólida a la temperatura eutéctica dado por los aleantes del aluminio (ver tabla 15.2). Cerca de la composición eutéctica, la fluidez en estado líquido es máxima, ya que solidifica a temperatura constante. La porosidad cerca del eutéctico se manifiesta por un rechupe acentuado por la contracción brusca que sucede al pasar del estado líquido al sólido. No obstante, diseñando adecuadamente el molde y los canales de colada se puede obtener una fundición sin porosidad y compacta. Por otro lado, la plasticidad en estado sólido es muy pequeña, y por tanto la aleación no es apta para sufrir deformaciones en caliente o frío (forja, laminación, extrusión, etc.). Al mismo tiempo, la posibilidad de endurecer por tratamiento térmico disminuye cuanto más eutéctico haya en la aleación. Conforme la composición se aleja del eutéctico, el intervalo de temperaturas en que se produce la solidificación aumenta, por lo que la fluidez disminuye, las posibilidades de segregación aumentan y los poros se hacen más pequeños, distribuyéndose uniformemente a lo largo de la pieza. La densidad de la fundición disminuirá, pero a la vez su contracción será también más pequeña. Por tanto el intervalo de composiciones de las aleaciones para moldeo estará situado entre la correspondiente a la solubilidad máxima a alta temperatura ("1%) y el eutéctico ("%). En este intervalo, la fluidez es buena y la capacidad para llenar el molde es óptima. Además, el inicio de la temperatura de solidificación también va disminuyendo conforme la composición de la aleación esté más cerca del eutéctico. Aunque puedan ser tratadas térmicamente, puede resultar peligroso por la formación de ampollas debidas a la expansión del aire atrapado en los poros. Las aleaciones con composiciones inferiores a la solubilidad máxima a alta temperatura tienen una plasticidad elevada, por lo que pueden ser sometidas a tratamientos termomecánicos (aleaciones con menos del "1%). Las aleaciones de aluminio para forja se dividen a su vez en dos grupos: endurecibles y no endurecibles por tratamiento térmico. Las no tratables térmicamente sólo pueden endurecerse por deformación en frío, y corresponden a aquellas aleaciones con composición inferior a "0%. Las aleaciones no endurecibles por tratamiento térmico pueden también serlo porque la temperatura de estabilidad de las zonas '0 está situada por debajo de la ambiente. Este es el caso de las aleaciones Al-Mg en las cuales el temple da lugar a una alta sobresaturación pero en las que no es posible el endurecimiento por precipitación para contenidos de magnesio inferiores al 6%. Las aleaciones endurecibles por tratamiento térmico tendrían una composición entre "0% y "1%, correspondiente a la zona en que la solubilidad del elemento " varía con la temperatura.

278 278 ALEACIONES DE ALUMINIO IINTRODUCCIÓN AL CONOCIMIENTO DE MATERIALES

Nomenclatura de las aleaciones de aluminio de forja por su composición En 1970, la IADS (International Alloy Designation System) introdujo una designación para las aleaciones de aluminio de forja que paulatinamente ha ido siendo aceptada por los distintos países, y que está basada en la clasificación de la !LUMINUM !SSOCIATION OF THE 5NITED 3TATES , que se venía utilizando en EEUU. En esta norma se designan bajo forma numérica con un número de cuatro cifras. La primera cifra indica el tipo de aleación a través del principal elemento de aleación, de la manera siguiente: Designación

Tipo de aleación

1xxx 2xxx 3xxx 4xxx 5xxx 6xxx 7xxx 8xxx

Aluminio con una pureza mínima del 99.00% Cobre Manganeso Silicio Magnesio Magnesio-silicio Cinc Otras aleaciones de aluminio

El segundo dígito está reservado para aquellas modificaciones sucesivas que tengan lugar en la aleación, y los dos últimos identifican una determinada aleación en las series 2xxx a la 8xxx. En la serie 1xxx indican el porcentaje de aluminio por encima de 99.00%. Por ejemplo, el aluminio 1145 tiene una pureza mínima del 99.45%, y el aluminio 1200 una pureza mínima del 99.00%.

Nomenclatura de las aleaciones de aluminio de fundición por su composición Al contrario de lo que sucede en las aleaciones para forja, las de fundición no poseen una nomenclatura aceptada internacionalmente. No obstante, la !LUMINUM !SSOCIATION OF THE 5NITED 3TATES ha introducido un sistema que guarda similitud con el correspondiente a las aleaciones de forja. Como en el caso anterior, el primer número indica el principal elemento de aleación. Designación

Tipo de aleación

1xx.x 2xx.x 3xx.x 4xx.x 5xx.x 6xx.x 7xx.x 8xx.x 9xx.x

Aluminio con una pureza mínima del 99.00% Cobre Silicio con cobre y/o magnesio Silicio Magnesio Series poco habituales Cinc Estaño Otros elementos

279 279 ALEACIONES DE ALUMINIO IINTRODUCCIÓN AL CONOCIMIENTO DE MATERIALES

En el grupo 1xx.x el segundo y tercer dígito indican la pureza mínima de aluminio. Por ejemplo, 150.x indica una pureza mínima de 99.50% de aluminio. El último dígito, situado despues del punto decimal, da la forma del producto, pudiendo ser 1 o 0 para denotar si el producto tiene o no forma de lingote. En el resto de los grupos el segundo y tercer dígito no tienen relevancia especial y sirven únicamente para distinguir cada aleación dentro del grupo correspondiente.

Nomenclatura de las aleaciones de aluminio por su estado de tratamiento Los estados de tratamiento se indican a continuación de los cuatro números que designan la composición de la aleación, separados por un guión. La designación del estado de tratamiento se inicia con una letra mayúscula, que indica uno de los cinco estados básicos, seguida de números que especifican el tratamiento. Esta nomenclatura es válida también para las fundiciones, cuando en la designación de la fundición se sigue el sistema USA. En la siguiente relación se indican cada uno de los tratamientos: — F

Estado bruto de fabricación.

Este símbolo se aplica a los productos que adquieren algún temple como resultado de las operaciones de manufactura. Las características mecánicas de estos productos están comprendidas entre límites relativamente amplios, lo que supone la inexistencia de garantía. — O

Estado de recocido o de recristalización.

Generalmente es el estado más dúctil que puede obtenerse por mantenimiento a una temperatura bastante moderada. El estado O aplicado a un producto fabricado por transformación en caliente, puede conllevar una recristalización. Es el tratamiento que deja más suave los productos de aleación forjados. — H

Estado endurecido por deformación o acritud.

Este símbolo se aplica a aquellos productos endurecidos por deformación susceptibles de aumentar sus propiedades mecánicas mediante trabajado en frío. El grado de endurecimiento del material, se designa con la letra H seguida de dos o más dígitos que indican las distintas subdivisiones del estado.

280 280 ALEACIONES DE ALUMINIO IINTRODUCCIÓN AL CONOCIMIENTO DE MATERIALES

El primer dígito indica el tratamiento secundario del material: H1, sólo deformado en frío. H2, deformación en frío y luego recocido parcialmente, hasta alcanzar el nivel de resistencia deseado. H3, deformado en frío y estabilizado mediante un calentamiento a baja temperatura. Se aplica a las aleaciones de aluminio-magnesio. El grado final de acritud se indica por un segundo dígito, que varía desde el estado duro 8 para el máximo grado de endurecimiento utilizado normalmente (Hx8), hasta el cuartoduro 2 en el que su resistencia a la tracción es aproximadamente cuatro veces menor que el duro (Hx2). — W — T

Estado inestable de solubilización y temple. Estado estable de solubilización y temple.

Se aplica a productos tratados térmicamente para producir endurecimientos estables, que admite las siguientes variantes dependiendo de tratamientos termomecánicos posteriores: T1, solubilización parcial y envejecimiento natural. Este símbolo se aplica a los productos cuyo enfriamiento después de la deformación (trefilado, laminado, etc.) ha sido lo suficientemente rápido como para permitir un endurecimiento posterior por envejecimiento natural a temperatura ambiente, alcanzando así una condición estable. T2, se refiere sólo a recocidos de fundiciones, no de productos forjados. T3, tratamiento de solubilización y temple, luego trabajado en frío y envejecido natural hasta un estado estable. T4, tratamiento de solubilización y temple seguido de envejecimiento natural hasta un estado estable. T5, en este caso se templa directamente después del procesado a alta temperatura (por ejemplo, extrusión, moldeado, etc.), seguido de envejecimiento artificial. T6, tratamiento de solubilización y temple, más un envejecimiento artificial. T7, tratamiento de solubilización y temple y luego estabilizado. T8, tratamiento de solubilización y temple, trabajado en frío y envejecimiento artificial. El grado de deformación en frío en la fase intermedia se designa por un segundo dígito, y así por ejemplo T85 indica que dicha deformación ha sido de un 5%.

TEMA 16 ALEACIONES DE ALUMINIO II

16.1.

ALEACIONES DE FORJA NO ENDURECIBLES POR TRATAMIENTO TÉRMICO

El conjunto de estas aleaciones abarca tanto al aluminio con distintos grados de pureza (serie 1xxx), como a las aleaciones que contienen como principales elementos de aleación manganeso (serie 3xxx) y/o magnesio (serie 5xxx) y algunas aleaciones de la serie 8xxx. Los productos aleados se caracterizan por presentar una resistencia mecánica relativamente baja, aunque algo superior a la del aluminio, gran plasticidad y resistencia a la corrosión (debido a que en general son soluciones sólidas monofásicas), así como una buena soldabilidad. Se emplean para hacer objetos que precisan embutición profunda. A continuación se discuten las características esenciales de cada una de las series que conforman este grupo.

Aluminio no aleado El aluminio comercial tiene una pureza del 99% como mínimo, aunque puede llegar a ser del 99.99% en el denominado aluminio superpuro. Las principales impurezas son el hierro y el silicio. El hierro es prácticamente insoluble en el aluminio (0.03% a la temperatura eutéctica 655°C). El silicio no forma compuestos químicos con el aluminio, siendo su solubilidad del 0.09% a 300°C y del 1.65% a la temperatura eutéctica. La resistencia y el límite elástico del aluminio 1100 (99.45%) varían desde los 90 y 35 MPa respectivamente en condiciones de recocido, hasta los 165 y 150 MPa en estado H18. Aplicaciones de este grupo se encuentran en numerosos campos: alimentación (embalaje, recipientes de cocina, papel de aluminio), edificación (recubrimientos de fachadas), industria química (cambiadores tubulares,

282 282 ALEACIONES DE ALUMINIO IIINTRODUCCIÓN AL CONOCIMIENTO DE MATERIALES

cubas de almacenamiento, etc.), electricidad (cables) y como pigmento de pinturas.

Serie 3xxx. Aleaciones Al-Mn y Al-Mn-Mg para forja El elemento principal de las aleaciones de este grupo es el manganeso. La adición de este elemento no afecta a la resistencia a la corrosión, y en algunos casos concretos la puede favorecer. La cantidad de Mn que se añade es de hasta el 1.25%, que está por debajo de la máxima solubilidad del Mn en Al ( LC, la fibra se romperá y disminuirá la posibilidad de extracción. Para L < LC, F < 2F, y no se aprovecha la resistencia de la fibra en su totalidad.

Resistencia de la fibra (Rf)

423 423 MATERIALES COMPUESTOS INTRODUCCIÓN AL CONOCIMIENTO DE MATERIALES

A

B

C

D

Resistencia de la unión fibra-matriz

FIGURA 21.7.

Los distintos grados de delaminación y extracción están representados esquemáticamente en la figura 21.7, en función de la resistencia de la fibra y del grado de transmisión de esfuerzos desde la fibra a la matriz (resistencia de la matriz para igualdad de transmisión de esfuerzos). Puede observarse que la máxima delaminación de las fibras se produce en el caso A, y que la grieta avanza a través de la matriz sin que las fibras rompan ( M= M/2 mínima y 2F máxima). Este comportamiento será típico en MCMP con matrices dúctiles. El caso B corresponde a MCMP con matrices vítreas frágiles o a MCMC. Puede observarse que la tendencia a la delaminación y a la extracción ocurre en los casos A, C y D, ordenados de mayor a menor tendencia. Las matrices frágiles pueden ver aumentada su tenacidad con fibras más dúctiles y de suficiente resistencia, como sucede en el caso B. En este caso la matriz rompe frágil, pero el fallo catastrófico del material se retrasa, si las fibras son capaces de seguir soportando la carga. Además, las fibras sin romper pueden transferir parte de su carga a zonas de la matriz no rotas. Al final, la matriz rompe por múltiples planos paralelos unidos por fibras no rotas. Esta rotura es típica del hormigón reforzado con varilla de acero corrugado.

21.3.5.

Propiedades mecánicas de MC reforzados con partículas

El interés de los MC reforzados con partículas radica en su facilidad de procesado, lo que implica un abaratamiento considerable respecto de los MC reforzados con fibra. Además, las propiedades mecánicas de

424 424 MATERIALES COMPUESTOS INTRODUCCIÓN AL CONOCIMIENTO DE MATERIALES

los MC reforzados con partículas son isótropas, propiedad que puede ser necesaria en algunas aplicaciones. Este tipo de refuerzo es utilizado sobre todo en los MCMM. El módulo elástico de los MC reforzados con partículas sigue una ley de mezclas próxima a la de los MC reforzados con fibras, cuando la dirección de las fibras y de la carga es normal, tal como se muestra en la figura 21.2. Por tanto, la presencia de partículas produce un aumento significativo del módulo, aunque menor que en el caso de las fibras alineadas en la dirección de la carga. En relación a la resistencia mecánica, en principio se podría estimar en base a la de los MC reforzados con fibra discontinua. De la expresión [21.15] se deduce que a medida que disminuye el factor de forma de la fibra para valores de L < LC, la fibra soporta menos carga, lo que implica que los esfuerzos se transfieren a la matriz. En el caso de las partículas, el factor de forma, L D, es mínimo (próximo a la unidad), por lo que en principio la casi totalidad de la carga la soporta la matriz. Este razonamiento conduce a que las partículas no deberían ejercer ningún papel en la resistencia mecánica. No obstante, se ha comprobado experimentalmente que los MCMM reforzados con partículas tienen unos valores de límite elástico y de resistencia mecánica apreciablemente superiores a los de la matriz sola. Puesto que la mecánica de medios continuos no es capaz de explicar este comportamiento, es preciso acudir a mecanismos basados en efectos microestructurales. Así, el aumento de la resistencia mecánica puede explicarse, al menos parcialmente, en base al mecanismo de Orowan, mediante el cual la superación de las partículas por parte de las dislocaciones da lugar a sucesivos lazos de dislocación, que endurecen el material, incrementando su resistencia (ver apartado 7.5). Sin embargo, y tal como se vio en 7.5, las partículas incoherentes no producen un aumento significativo del límite elástico. Existen varias teorías para explicar el aumento del límite elástico en los MC reforzados con partículas. Uno de ellos lo explica en base a la diferencia existente entre los coeficientes de expansión térmica de la matriz y las partículas. De acuerdo con este modelo, durante el enfriamiento del MC, la diferencia de contracción entre la matriz y las partículas crea unas tensiones considerables en las zonas de la matriz próximas a las partículas. La relajación de estas tensiones da lugar a deformaciones de la matriz, creándose un gran número de dislocaciones en torno a cada partícula que, al dificultar el movimiento de las dislocaciones, producen un aumento del límite elástico.

En los MC reforzados con partículas duras se mejora significativamente la resistencia al desgaste, característica que hace que este tipo de materiales se aplique en aquellos casos en los que exista fricción. Ahora bien, en los casos de fricción intervienen dos materiales que normalmente

425 425 MATERIALES COMPUESTOS INTRODUCCIÓN AL CONOCIMIENTO DE MATERIALES

son de naturaleza diferente, por lo que el desgaste de cada uno de ellos no será el mismo. En estos casos no basta que uno de ellos apenas sufra deterioro por desgaste, sino que lo conveniente suele ser que el otro material involucrado, denominado antagonista, tampoco sufra un desgaste excesivo. El comportamiento frente al desgaste de un material depende no sólo del material antagonista, sino de otros factores, como la temperatura y el medio, es decir, si es al aire o con algún tipo de lubricación, que tendrán que tenerse en cuenta a la hora de resolver un problema de desgaste.

21.4.

CARACTERÍSTICAS DIFERENCIALES Y PROCESADO DE LOS DISTINTOS TIPOS DE MATERIALES COMPUESTOS

En general, la matriz es un material menos resistente y rígido, aunque más dúctil que las fibras, y en los MC reforzados con fibras cumple varias funciones. En primer lugar, actúa como sostén de las fibras, de manera que transmite a estas los esfuerzos externos. Además, protege a las fibras del exterior, evitando la abrasión y la corrosión. Por último, retarda la propagación de grietas catastróficas, como consecuencia de los mecanismos discutidos anteriormente. Otro factor esencial es la fuerza de unión fibra-matriz que, junto con las diferencias entre las propiedades mecánicas entre la fibra y la matriz, determina el grado de transmisión de las cargas desde la matriz a la fibra. Este último posibilita un mayor o menor delaminado de la intercara y extracción de las fibras. Cuanto mayor sea el delaminado la resistencia del MC será menor, y su tenacidad será mayor, por lo que es preciso buscar el balance adecuado en cada caso. La unión fibra-matriz a través de la intercara puede realizarse por diferentes mecanismos, tales como: unión mecánica por interpenetración de las superficies cuando el coeficiente de fricción es alto (superficies rugosas), unión física a través de fuerzas de Van der Waals, unión por reacciones químicas que tienen lugar en la intercara y uniones por interdifusión a través de la intercara. Existen otros factores que pueden modificar la resistencia de la unión fibra-matriz, debido a los esfuerzos internos que se desarrollan durante el procesado. Así, por ejemplo, la contracción de la resina durante el curado de los polímeros termoestables y la dilatación térmica diferencial entre la matriz y las fibras pueden producir esfuerzos de tracción, de compresión y de cortadura en la interfase, dependiendo de la geometría de las fibras y de la matriz.

426 426 MATERIALES COMPUESTOS INTRODUCCIÓN AL CONOCIMIENTO DE MATERIALES

En general, los materiales para matriz más utilizados se encuentran entre los plásticos (termoestables y termoplásticos) y algunos metales (Al, Cu, etc.) debido a su ductilidad.

21.4.1.

Materiales compuestos de matriz polimérica (MCMP)

Dentro de los plásticos termoestables, los más utilizados como matrices son las resinas epoxi, pues cubren un amplio intervalo de propiedades físicas y mecánicas. También se utilizan otras resinas, como las poliamidas y poliésteres. Factores a tener en cuenta son la contracción que sucede durante el curado y las tensiones internas que se crean durante el posterior enfriamiento. Las resinas epoxídicas tienen una resistencia mecánica apreciable y proporcionan una alta resistencia de unión fibra-matriz. Además, su contracción en el curado y su coeficiente de dilatación térmica son pequeños. No obstante, tienen el inconveniente de poseer una viscosidad elevada antes del curado, además de ser caras. Las resinas epoxi son con mucho las matrices de utilización más generalizada cuando se emplean fibras de carbono como material de refuerzo, dando lugar a un MC con alta rigidez y resistencia. Los materiales termoplásticos se suelen reforzar con fibras cortas, de longitud 1-3 mm, íntimamente mezcladas y dispersas, para aplicaciones en productos fabricados mediante moldeo por inyección. El polipropileno y el nylon con una cristalinidad de un 25-50%, son termoplásticos muy utilizados como matrices en MCMP. Las fibras más utilizadas como material de refuerzo son las de carbono, vidrio y la orgánica conocida como kevlar. Las fibras de carbono se fabrican a partir de fibras precursoras de un polímero cuya estructura molecular es parecida a la del polietileno, en la que cada hidrógeno es reemplazado por un grupo nitrilo. Posteriormente, el polímero se estira para, a continuación proceder a un calentamiento a altas temperaturas, con el fin de eliminar todos los elementos excepto el carbono. De esta manera, se produce la carbonización o pirolización dependiendo de la temperatura de calentamiento (1000-1800°C). Cuanto mayor es la temperatura del tratamiento, mayor es el grado de orientación cristalina (grafitización), mejorándose las propiedades mecánicas (3.1 < 2 < 4.4 '0A y 193 < % < 240 '0A). La densidad de las fibras de carbono es de 1.75 g/cm–3 y el diámetro final es de 7-10 m. La principal ventaja de las fibras de carbono es que poseen altos valores de resistencia a la tensión y módulo, junto con una baja densidad. Estas propiedades hacen que los materiales compuestos plásticos reforzados con fibras

427 427 MATERIALES COMPUESTOS INTRODUCCIÓN AL CONOCIMIENTO DE MATERIALES

de carbono sean especialmente apropiados para aplicaciones aeroespaciales. Desafortunadamente, el elevado precio de la fibra de carbono limita su uso en algunas industrias, como es el caso de la del automóvil. Las fibras de vidrio más comunes están basadas en la sílice con adiciones de distintos óxidos modificadores (CaO, MgO, Na2O, etc.) e intermediarios (Al2O3). Las fibras de vidrio con alto contenido de alúmina se reservan para aplicaciones aeroespaciales ( 2 ~ 4.5 GPa y % ~ 85 GPa). La densidad de las fibras de vidrio es de 2.5 g cm–3 y su procesado es similar al mostrado en el apartado 19.11, dando lugar a fibras con diámetros comprendidos entre 8 y 15 m. Desde hace relativamente poco tiempo se están fabricando fibras de baja densidad ( = 1.5 g cm–3) y alta resistencia y rigidez (2 = 3.6 GPa, % = 125 GPa), basadas en polímeros orgánicos cuyas cadenas se encuentran perfectamente alineadas y empaquetadas. Una de las fibras de este tipo más conocidas son las kevlar, nombre comercial de una poliamida aromática, que posee unas características mecánicas específicas superiores a las de carbono y vidrio. A pesar de todo, las fibras de vidrio son las más utilizadas debido a su bajo precio y versatilidad. Casi todos los procedimientos de fabricación de piezas de MCMP utilizan un molde sobre el que se sitúa el MC, obteniéndose después del endurecimiento una pieza con la forma del molde. En todos los casos, el proceso se inicia con la preparación del molde, para luego proceder al moldeo e impregnación de la resina. Posteriormente se realiza el curado, para finalizar con el montaje y terminación de la pieza. Uno de los métodos de fabricación más antiguos es el de moldeo manual por contacto, que consiste en colocar sobre un útil diferentes capas de refuerzo impregnadas con resina termoestable hasta alcanzar el espesor deseado. Se utilizan rodillos o brochas con el fin de mojar el conjunto refuerzo-resina y así eliminar el aire atrapado. El curado final puede realizarse con o sin presión a temperatura ambiente o superior. Este es el método más simple para fabricar piezas reforzadas con fibra, como cascos de barcos, depósitos, paneles de edificación, etc. Una variante del método por contacto manual es partir de productos denominados preformas, como por ejemplo: refuerzo tejido en forma de tela con fibras situadas a 90° entre sí, de cintas con fibras paralelas o de haces de hilos sin torsión de base continua, que en todos los casos se encuentran impregnados de resinas no curadas. Las preformas de fibras tejidas son idóneas para obtener productos finales laminados. Para ello, las preformas se colocan unas encima de otras en diferentes orientaciones, para homogeneizar las propiedades en las distintas direcciones del plano formado por la lámina. Después de fabricado el laminado, se le somete a vacío, con el fin de

428 428 MATERIALES COMPUESTOS INTRODUCCIÓN AL CONOCIMIENTO DE MATERIALES

eliminar el aire atrapado en la pieza laminada. Finalmente, la lámina y el molde se colocan en el interior de un autoclave para el curado final de la resina epoxi, variando las condiciones de curado en función del material. Después de su extracción del autoclave se separa la pieza de material compuesto de su molde abierto, estando listo para otras operaciones de acabado. Este método tiene ventajas sobre el anterior, ya que elimina los problemas de impregnación manual, pudiéndose automatizar y en consecuencia permitir un mayor control dimensional, de la proporción fibra-resina y del curado. Este procedimiento se utiliza para producir laminados de alto rendimiento, a base de sistemas epoxi reforzados con fibras. Por ejemplo, el epoxi reforzado con fibra de carbono es utilizado para las alas de los aeroplanos, ascensores, y partes del timón y en las puertas del compartimento de carga de las lanzaderas espaciales. No obstante, es un método más caro, necesita de temperatura para el curado y las preformas terminan envejeciendo, aunque se almacenen en frigoríficos. Otro procedimiento importante para producir cilindros huecos de alta resistencia es el método de bobinar filamentos. En este proceso, el refuerzo de fibra es proporcionado desde un baño de resina y después se bobina sobre un molde en forma de cilindro. Cuando han sido aplicadas suficientes capas, el cilindro bobinado se cura parcial o totalmente a la temperatura requerida, separando con posterioridad la pieza moldeada del cilindro. Las aplicaciones de este método incluyen tanques químicos y de almacenamiento de combustible, vasos de presión, y cubiertas de motores de cohetes. Los MCMP también pueden procesarse en molde cerrado, con métodos parecidos a los utilizados en la fabricación de los materiales plásticos, como son el moldeado por compresión y moldeado por inyección. La única diferencia radica en que, en los MCMP, los refuerzos con fibra se mezclan con la resina antes de comenzar el proceso. El efecto del refuerzo de plásticos con partículas es mucho menor que el realizado con fibras. Su efecto se limita a restringir el movimiento de la matriz en las cercanías de la partícula. Pequeñas partículas de grafito (25-50 nm) se añaden a los neumáticos, produciendo una mejora en la resistencia al desgarro, en la tenacidad y frente a la abrasión. En otros casos, la adición de pequeñas partículas de elastómeros a termoplásticos frágiles a temperatura ambiente mejora su resistencia al impacto, aunque a expensas de su rigidez y resistencia mecánica. La resistencia a la abrasión es una de las principales mejoras que se produce en un material plástico con la incorporación de partículas duras. Esta propiedad se aprovecha para reforzar un MC macroscópico, como es el asfalto. La mezcla asfáltica consiste en un material termoplástico, el betún, derivado del petróleo o de rocas asfálticas, reforzado con partículas de formas angulosas de vidrio o grava.

429 429 MATERIALES COMPUESTOS INTRODUCCIÓN AL CONOCIMIENTO DE MATERIALES

21.4.2.

Materiales compuestos de matriz metálica (MCMM)

El principal inconveniente de los MCMP es que su temperatura de trabajo está limitada, en el mejor de los casos, a 350°C. Por encima de esta temperatura se impone la utilización de MCMM o MCMC. Además, los MCMM pueden amoldarse mejor a ciertos requerimientos operacionales, como los relacionados con conductividades eléctrica o térmica, desgasificación, estabilidad frente a radiaciones, etc.

Actualmente, las matrices metálicas más utilizadas son las de aluminio, titanio, magnesio y cobre, junto con sus respectivas aleaciones. Entre los MCMM reforzados con fibra caben destacarse los de aluminio y titanio reforzados con fibras de boro y SiC, y el aluminio y magnesio reforzados con fibras de carbono. Aunque el magnesio es el más ligero de todos ellos, su gran afinidad por el oxígeno hace que se presenten problemas de corrosión atmosférica, y por tanto resulta poco apropiado para numerosas aplicaciones. En aplicaciones para elevadas temperaturas se está investigando el empleo de matrices de titanio con fibras de molibdeno o volframio y de cobre reforzado con fibras de carbono. En la actualidad, son las aleaciones de aluminio, como la 6061, reforzadas con fibra de carbono, uno de los MCMM más utilizados. No obstante, debido a que durante el proceso de fabricación es preciso superar los 500°C, el carbono reacciona con el aluminio para formar Al4C3, que reduce severamente las propiedades mecánicas del compuesto. Por ello, es necesario proteger las fibras de carbono con sustancias, tales como boruro de titanio, para impedir la reacción con la matriz de aluminio, a la vez que se mejora la unión en la intercara fibra-matriz. Uno de los métodos de fabricación más comunes en los MCMM reforzados con fibras es la adhesión por prensado en caliente. En este método, las fibras se colocan entre láminas del metal que hará de matriz, mediante un ligante que impida el movimiento relativo de ambos constituyentes. Posteriormente, se aplica presión y temperatura durante el tiempo necesario para la total unión de las fibras con la matiz. Las propiedades mecánicas de los MC así procesados siguen muy bien la regla de las mezclas, y se caracterizan por su alta resistencia a fatiga. Otros métodos difusionales son el prensado y sinterizado de las fibras con la matriz en forma de polvo. Existen también otros métodos basados en procesos líquidos, como la infiltración de la matriz líquida entre las fibras, y en procesos de deposición, como la electrodeposición de la matriz sobre las fibras previamente posicionadas seguido de un prensado en caliente.

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Entre las ventajas que presentan los MCMM, respecto de los metales sin reforzar, destacan: mejor resistencia y rigidez específica, mejor comportamiento a fluencia y a fatiga y menores coeficientes de expansión térmica. Como inconvenientes están su elevado coste y complejidad de procesado. Con el fin de obviar estos inconvenientes, en la actualidad han tomado un gran auge los MCMM reforzados con partículas, en particular los de matriz de aluminio. Como partículas de refuerzo se emplean la alúmina y el carburo de silicio, con tamaños comprendidos entre 3 y 200 m, y formas diversas. El procesado más barato consiste en agregar las partículas de refuerzo a la matriz fundida, para obtener lingotes refundidos o barras de extrusión para su futura fabricación. Aunque este método es muy económico, al hacer uso de la tecnología metalúrgica convencional, presenta ciertos problemas relacionados con la homogeneidad en la distribución de las partículas y con las posibles reacciones entre partícula y matriz que tienen lugar a esas temperaturas. Un procedimiento más caro, pero que no presenta esas dificultades, está basado en la pulvimetalurgia. Los primeros pasos de este método son similares a los empleados en la fabricación de las cerámicas técnicas (ver 19.7) a partir de polvos. En el caso de los MCMM no es necesario la incorporación de aglomerantes, sino que durante la compactación en frío de la mezcla de las partículas de refuerzo y la matriz en polvo, el producto adquiere consistencia por deformación plástica de la matriz. La consolidación final se hace en una prensa de extrusión. Como en el proceso de extrusión la temperatura no alcanza los 500°C, no existe problema de reacción en la intercara. Mediante este método, también pueden conseguirse MCMM reforzados con fibras cortas de SiC (1-3 m de diámetro y 50-200 m de largo). En este caso la consolidación es más delicada para evitar la rotura de las fibras. Aleaciones de aluminio reforzadas con fibras discontinuas han encontrado aplicación en piezas de misiles dirigidos y pistones de alto rendimiento para automóviles.

21.4.3.

Materiales compuestos de matriz cerámica (MCMC)

Los materiales compuestos de matriz cerámica han sido desarrollados recientemente como una vía de mejora de la resistencia y tenacidad respecto a la matriz cerámica sin reforzar. Las dos clases de fibra continua que han sido utilizados para los MCMC son SiC y Al2O3. En uno de los procesos para fabricar material

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compuesto con matriz cerámica se infiltra una preforma fibrosa por medio de precursores líquidos, que serán transformados en cerámica por pirólisis a ~1000°C. Estos materiales encuentran aplicación en tubos cambiadores de calor, sistemas de protección térmica y materiales para ambientes de corrosión-erosión. Los MCMC reforzados con partículas y fibras cortas pueden llegar a duplicar la tenacidad de la matriz, y tienen la ventaja de que pueden ser fabricados por procesos pulvimetalúrgicos similares a los ya comentados en el apartado 19.7. La mejora en la tenacidad se puede realizar a través de varios mecanismos que dificultan la propagación de la grieta. Un posible mecanismo es similar al caso B de la figura 21.7, en el que las fibras sirven de nexo de unión entre ambos lados de la matriz agrietada. También puede aumentarse la energía de propagación de grieta si se produce la delaminación o extracción de la grieta, como en el caso A de la figura 21.7. Uno u otro mecanismo tendrá lugar, dependiendo de la transmisión de los esfuerzos desde la fibra a la matriz.

21. 5.

MATERIALES COMPUESTOS MACROSCÓPICOS

Los principales tipos de materiales compuestos macroscópicos son el hormigón y los laminares. Estos MC también se denominan estructuras compuestas, al poderse discernir a ojo desnudo los distintos constituyentes. Las relaciones entre la estructura y las propiedades que rigen en estos materiales son similares a las de los MC microscópicos ya vistos.

21.5.1.

Materiales compuestos laminares

Los materiales compuestos laminares están formados por láminas bidimensionales, donde cada una de ellas puede poseer propiedades mecánicas anisótropas. Por ejemplo, las piezas obtenidas por moldeo de preformas de MCMP, que no son sino tejidos apilados con orientaciones diferentes de las fibras en cada capa, vistos en el apartado 21.4.1, pueden considerarse MC laminares. En los MC laminares, las láminas alternadas pueden estar constituidas por materiales diferentes, isótropos y no isótropos, pudiendo ser cada una de ellas un MC a escala microscópica. Dada su estructura, los MC laminares presentan unas propiedades mecánicas relativamente altas a lo largo de direcciones contenidas en el plano de las láminas. También son MC laminares las estructuras de emparedado, metales revestidos y bimetales. MC de uso extendido son los

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contrachapados de madera (con láminas de madera alternadas, cada una orientada con grano diferente), los vidrios de seguridad (donde las láminas de vidrio están unidas por adhesivos, que impiden la fragmentación del material en caso de rotura), los esquíes donde se alternan capas de diferentes plásticos y en los chalecos antibalas (formados por tejidos de vidrio, kevlar y nylon laminados, formando un textil resistente a la penetración). Muchos de estos materiales soportan cargas de flexión, por lo que la diferencia de propiedades entre las láminas pueden dar lugar a que las grietas se inicien dentro del material, en vez de en la superficie, como sucedería en un material isótropo. Los materiales compuestos fabricados por la técnica de emparedado están formados por un núcleo situado entre dos capas externas delgadas. Las dos principales estructuras del núcleo del emparedado son la de panal y la de plástico espumado (gomaespuma rígida). En ambos casos, la capa superficial está constituida por un material resistente mecánicamente y de buen comportamiento frente a la corrosión. Por otro lado, el núcleo es un material de muy baja densidad, con bajas conductividades eléctrica y acústica. Al final se consigue un material rígido, fuerte y ligero. En las estructuras de emparedado en panal, el núcleo está formado por prismas hexagonales unidos entre sí para dar lugar a una estructura de celdillas. La elección del hexágono se debe a que es el polígono con mayor número de lados capaz de llenar el plano, por lo que el grado de anisotropía en el plano es menor que si se utilizan cuadrados o triángulos. Las celdillas se unen por soldadura o por adhesivos a las planchas exteriores. Los emparedados de panal se utilizan con funciones estructurales en la industria aeroespacial desde hace más de 30 años. La mayoría de los panales están fabricados con aleaciones de aluminio, o plásticos reforzados con fibra de vidrio, con láminas exteriores de aluminio. La estructura de revestimiento se utiliza para producir planchas, formadas por un núcleo metálico y dos capas delgadas de otro metal o metales. Normalmente, se utiliza para proteger de la corrosión chapas de aleaciones de aluminio de alta resistencia mecánica protegiéndolas con una capa delgada de revestimiento de aluminio. Entre las aleaciones ligeras, una de las estructuras de revestimiento más utilizadas es el alclad, que es duraluminio protegido por una capa de hasta 0.01 mm de aluminio. Los aceros al carbono también pueden protegerse por revestimiento de acero inoxidable. La unión del revestimiento se lleva a cabo difusionalmente, por presión en caliente. Los bimetales constituyen la estructura laminar más sencilla, estando constituida por dos metales unidos. Cada uno de los dos metales poseen coeficientes de dilatación térmica muy diferentes, de manera que durante

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los cambios de temperatura el metal con mayor coeficiente de dilatación térmica sufrirá un mayor alargamiento, produciendo un combado de la pieza. Si uno de los extremos de la pieza está fijo, el otro flexionará una cantidad proporcional al cambio de temperatura. De esta manera una pieza de bimetal en forma de cinta podrá actuar cerrando o abriendo un circuito eléctrico, que puede ser la alimentación de un horno o un acondicionador de aire, controlando la temperatura del aparato.

21.5.2.

Hormigón

El hormigón es un MC reforzado con partículas. La matriz está constituida por un adhesivo denominado cemento y el refuerzo está formado por grava. Además, también contiene otros ingredientes como agua, aire y aditivos especiales. Como material constructivo, el hormigón presenta muchas ventajas, pues es económico, tiene dureza, alta resistencia a la compresión, al fuego, apariencia estética y la posibilidad de ser fabricado en el sitio. No obstante, posee limitaciones derivadas de su escasa ductilidad, baja resistencia a la tracción y a la fluencia y alta contracción y permeabilidad.

Cemento Existe una amplia gama de cementos, muchos de ellos utilizados desde la antigüedad, aunque en la actualidad el más importante es el cemento Portland. Los cuatro componentes básicos del cemento tienen la siguiente denominación abreviada: CaO = C, SiO2 = S, Al2O3 = A y el agua H2O = H. Los diversos tipos de cemento Portland se fabrican por calentamiento a temperaturas de 1400-1650°C de mezclas controladas de creta (CaCO3) y arcilla (S2AH2). En el proceso de calentamiento, la mezcla se convierte químicamente en un cemento endurecido (clinker) que seguidamente se hace enfriar y se pulveriza. Los productos después del calentamiento, en nomenclatura abreviada son: calentamiento CaCO3 + S2 AH2 ±±±±±A C 3 A + C 2S + C 3S

donde C3A es aluminato tricálcico (3CaO Al2O3), C2S es silicato bicálcico (2CaO SiO2) y C3S es silicato tricálcico (3CaO SiO2). Cuando el cemento Portland se mezcla con agua, reacciona con ella y endurece. Durante el endurecimiento, se producen dos reacciones. Una de ellas, la hidratación de C3A, tiene lugar durante las primeras cuatro horas:

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C 3 A + 6H2O ±±A C 3 AH6 + calor En el transcurso de la segunda reacción, más lenta que la anterior, el cemento endurece por hidratación de C3S y C2S, de acuerdo con las siguientes reacciones: 2C 3S + 6H2O ±±A C3S2 3H2O + 3Ca(OH)2 + calor 2C 2S + 4H2O ±±A C3S2 3H2O + Ca(OH)2 + calor La mayor parte de la hidratación del C3S tiene lugar en, aproximadamente, dos días y es responsable del endurecimiento rápido. De este modo, los cementos de fraguado rápido contienen grandes cantidades de C3S. La reacción de hidratación del C2S es más lenta, y a ella se debe el aumento de resistencia más allá de la primera semana, hasta los aproximadamente tres meses en que finaliza. El silicato tricálcico hidratado (C3S2 3H2O) constituye ~70% de la estructura y está formado por partículas extremadamente pequeñas (~1 m). El hidróxido de calcio (Ca(OH)2) es un material cristalino. La dureza del cemento radica en que fragua a través de reacciones que tienen lugar, no sólo en la superficie sino también en el interior del material, debido a la mezcla coloidal de la fase líquida y sólida, es decir por la formación de una estructura denominada gel. En la estructura de gel, el líquido puede estar en los capilares o en los vacíos de la red del sólido. Un material similar es el sol, que es una suspensión de finas partículas sólidas en un líquido. El sol es generalmente la primera etapa en la formación de un gel; por lo tanto, el grupo de estos materiales se conoce comúnmente como sol-geles. El cemento Portland es una red de gel rígida que al principio es un material no cristalino y que luego cristaliza en forma de hidratos complejos de los óxidos de silicio, calcio y aluminio. La cantidad de agua que se requiere para la formación del gel rígido es bastante crítica. Un exceso de agua producirá vacíos, haciendo que disminuya la resistencia del cemento. Sin embargo, existe un límite a la hora de bajar la relación agua/cemento, puesto que a menos agua se hace más difícil trabajar con el hormigón y tener completamente rellenas las formas del hormigón. Es importante que el agua sea retenida por el hormigón durante las primeras etapas del endurecimiento, evitando en lo posible la evaporación. La temperatura de fraguado es también muy importante. Si durante el fraguado, la temperatura desciende por debajo de los cero grados centígrados, el agua se congela, dando lugar a la fragmentación del cemento. Para

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disminuir el daño de las heladas, se incorporan aditivos que disminuyen el tiempo de fraguado, como el cloruro de calcio. Por otro lado, el calor desprendido durante la hidratación puede llegar a ser un problema en grandes estructuras y en climas cálidos, siendo entonces necesario refrigerarlas con tuberías embebidas en el cemento, que cuando ha fraguado sirven de refuerzo. Para reducir este último riesgo, se fabrican cementos con cantidades reducidas de C3A, cuya hidratación es la más exotérmica, o aditivos que retrasan el fraguado y por tanto, disminuyen la cantidad de calor desprendida. Las altas temperaturas y las pérdidas de agua juegan un papel importante en la contracción durante las primeras etapas del fraguado. Cuando la contracción es severa, puede producirse el agrietamiento del cemento antes de que haya alcanzado su resistencia óptima. La función del aire ocluido es mejorar la capacidad de resistencia a los ciclos de congelación-descongelación. Con el fin de controlar la cantidad de aire en el material se añaden agentes activos en superficie que disminuyen la tensión superficial en la interfase aire/agua, de tal modo que se promueve la formación de burbujas de aire extraordinariamente pequeñas. Además, el hormigón con aire ocluido se trabaja mejor y de este modo puede ser utilizada una relación más baja de agua/cemento.

Hormigón El hormigón es cemento al que se le ha agregado grava y arena. En este MC, el cemento es más débil que el refuerzo. A pesar de que el cemento es barato, el refuerzo lo es aún más, por lo que la cantidad de grava que se incorpora es la necesaria como para que las partículas del agregado queden densamente empaquetadas, lo que equivale a un 60% en peso. Aproximadamente, la composición de un hormigón en tanto por ciento en volúmen es de 7-15% de cemento portland, de 14-21% de agua, 2-8% de aire y de 5581% de agregado (24-30% de arena y 31-51% de grava). Cuando el hormigón fragua se produce una contracción del cemento, pero no del refuerzo, por lo que se crean pequeñas grietas, que acentúan su carácter frágil. La presencia de pequeñas burbujas de aire dificulta la propagación de las grietas. Otra vía consiste en la utilización del hormigón armado, con la introducción de acero en forma de barras, alambres, malla de alambre, etc., de manera que los esfuerzos de tensión se transferirán del hormigón al reforzamiento a través de la intercara. El refuerzo ayuda a mantener la integridad de la estructura, aunque las grietas se propaguen por el hormigón (caso B de la figura 21.7). Básicamente, el mortero es una mezcla de cemento y arena. La división entre arena y grava se hace en función del tamaño de las partículas,

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considerándose grava las partículas con un diámetro superior a 3.65 mm. El mortero que se utiliza al colocar ladrillos puede combinar el efecto del cemento Portland con una reacción de cal. Cuando la cal (CaO) se mezcla con agua forma cal hidratada Ca(OH)2. Esta reacciona con el aire para formar CaCO3, y también con la arena para formar un silicato de calcio. La formación de estos nuevos cristales produce la adherencia. Un mortero típico consta de una parte de cemento Portland, dos partes de cal hidratada y ocho partes de arena por volumen.

21.6.

MADERA

La madera es el material compuesto natural más importante, desde el punto de vista estructural. A pesar de la multitud de materiales fabricados por el ser humano, la madera es el material estructural más utilizado, superando su consumo al de otros materiales de ingeniería como el hormigón y el acero. Aparte de los usos tradicionales, la madera también se utiliza para fabricar MC, tales como contrachapados, tableros de aglomerado y papel.

21.6.1.

Estructura de la madera

En un corte transversal del tronco, la madera presenta una macroestructura similar a la mostrada en la figura 21.8a. Desde el exterior hacia el interior del tronco se aprecian las siguientes capas diferenciadas: — Corteza exterior, constituida por células muertas, que sirven de protección al interior del árbol. — Corteza interior, que es húmeda y blanda y lleva alimento a todas las partes en crecimiento del árbol. — Cambium, constituido por células nuevas en crecimiento. Cada año el cambium origina nuevas células de madera en su superficie interior y nuevas células de corteza en su superficie exterior. — La albura es la madera exterior del árbol, que contiene algunas células vivas que cumplen funciones de almacenamiento de alimento y conducen la savia desde las raíces a las hojas del árbol. — El duramen es el núcleo del árbol, y las células que lo constituyen están muertas. A simple vista, suele distinguirse por su color más oscuro que el de la albura. La madera del duramen es la más

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densa y resistente del tronco y cumple la función estructural de suministrar soporte mecánico al árbol. En muchos casos, la albura y el duramen muestran una macroestructura de círculos concéntricos. — Los rayos corresponden a células más pequeñas que crecen con simetría radial y su función es la de almacenar y transferir el alimento. Rayos Corteza exterior Corteza interior Cambium Albura

(a)

Duramen

(b)

Anillo

Madera de primavera

Madera de otoño

FIGURA 21.8.

En la figura 21.8b se muestra un detalle de la figura 21.8a con la disposición de las células situadas entre dos círculos concéntricos, correspondientes a un anillo estacional. Puede observarse que las células internas del anillo son más grandes que las externas. Ello es debido a que en la primavera y verano, que es cuando se dan las mejores condiciones climatológicas para el crecimiento celular, las células correspondientes son mayores que las producidas durante el crecimiento vegetativo más lento del otoño. Por tanto, estos anillos corresponden a un ciclo de crecimiento anual, y generalmente se encuentran en todo tipo de madera. En

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algunas regiones tropicales, donde no hay un cambio apreciable en el estado del tiempo a lo largo del año, los anillos anuales no están definidos muy claramente. Inmediatamente después de su formación por división celular, una célula de madera comienza a alargar su diámetro y su longitud. Durante este período la célula tiene una pared primaria muy delgada y flexible. Cuando la célula llega a su tamaño normal, la pared aumenta su espesor por la adición de una pared secundaria. Las células o traqueidas tienen forma alargada, de dimensiones ~2-4 mm de largo por ~20-40 m de diámetro, con su eje en la misma dirección que el del tronco del árbol. La forma de las células conduce a un comportamiento anisotrópico de la madera. Aproximadamente, el 45% del tejido de la pared celular está constituido por unas cadenas entrelazadas del polímero CELULOSA. Estas microfibrillas, que poseen una gran resistencia, se encuentran unidas por un polímero amorfo, denominado LIGNINA, que también sirve de nexo de unión entre las células contiguas. La lignina y la HEMICELULOSA (otro polímero que también se encuentra en la madera) representan aproximadamente el 40% del peso del árbol, siendo el 15% restante agua y extractivos. El hueco interior de la célula, que recibe el nombre de lumen o poro, se utiliza para la conducción de agua. Los extractivos son aceites y sales que dan color a la madera, además de protección contra insectos y otros depredadores de la madera. Por tanto, desde el punto de vista de los MC, la madera es un material espumado, ya que en gran parte es hueco por la presencia del poro, donde las microfibrillas desempeñan el papel de refuerzo y la lignina y la hemicelulosa el de matriz. Las maderas se dividen en dos clases, según que proceda de árboles de madera blanda o de madera dura. En general, los árboles de hoja perenne tienen la madera blanda y los de hoja caduca dan madera dura. Los abetos, piceas, pinos y cedros son árboles de hoja perenne (madera blanda), mientras que los robles, olmos, arces, abedules y cerezos son árboles de hoja caduca (madera dura). No obstante, el pino Douglas, que es de hoja perenne, tiene la madera más dura que el tilo americano y el álamo, clasificadas como maderas duras al ser de hoja caduca.

21.6.2.

Propiedades mecánicas de la madera

Las propiedades mecánicas de la madera dependen de múltiples factores, incluso para maderas procedentes de un mismo tipo de árbol.

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En primer lugar, la resistencia de la madera es altamente anisotrópica, con una resistencia a la tensión mucho mayor en la dirección paralela al tronco del árbol, debido a la anisotropía de su estructura celular. Para describir completamente las propiedades mecánicas se necesitarían ensayos en las tres direcciones ortogonales. Sin embargo, debido a las limitaciones prácticas y a la fluctuación en cualquiera de las propiedades, las mediciones se hacen en la dirección del grano (paralela al grano) y en otra contenida en la normal a la anterior (a través del grano). Para hacerse una idea de la anisotropía, baste decir que la resistencia a compresión paralela al grano es un orden de magnitud mayor que la perpendicular al grano. La variación en el módulo de elasticidad es también muy significativa, como por ejemplo en el pino Douglas en el que %|| = 13.4 GPa y % = 0.8 GPa. La prueba más común que se hace a la madera es el ensayo de flexión en vigas, con su eje paralelo al grano, debido a que este es el uso estructural más común de la madera aserrada. En este ensayo no se distingue el duramen de la albura. Además, existen otros factores que influyen en la resistencia, como son: — En general, las maderas duras son más resistentes que las blandas. — Dentro de un mismo tronco, el duramen es más resistente que la albura. — El grado de humedad determina en gran medida la resistencia. El agua se halla en la madera, bien absorbida en las paredes de fibra de las células o bien como agua libre en el lumen de las fibras. Cuando se elimina el agua de las regiones amorfas de la parte exterior de las microfibrillas, estas se empiezan a apretar y la madera se hace más densa. Debido a que la dimensión más larga de las microfibrillas está orientada principalmente en la dirección longitudinal del tronco, la madera se contrae transversalmente. Por ejemplo, la contracción transversal puede ser del 10-15% y la longitudinal de tan sólo un 0.1%. Las propiedades de la madera varían significativamente con la humedad. Por estas razones, la madera se debe ensayar después de alcanzar un contenido de humedad estabilizado, que corresponde a un peso específico determinado. Para alcanzar el grado de humedad deseado, la madera se seca en hornos con temperatura y humedad controlados. El punto de saturación de fibra (FSP) se define como el nivel de humedad por encima del cual las propiedades cambian muy poco. En todos los tipos de madera este valor está entre 26-32% de humedad y frecuentemente se utiliza el 30% como valor promedio.

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A la hora de elegir la madera para una determinada función estructural, las propiedades mecánicas son muy importantes. No obstante, existen otros factores que a veces hacen que no se elija la madera más resistente. Por ejemplo, el pino Douglas es más resistente que el cedro, pero sin embargo es preferible utilizar el cedro para paneles en la construcción de casas debido a que sus extractivos protegen la madera de la intemperie y de parásitos. El nogal americano es la madera más dura y, por lo tanto, se utiliza para bates de béisbol. El roble, el abedul y el fresno muestran una alta resistencia y dureza, lo cual explica su utilización en muebles y tarimas. En el cerezo y en el arce, estas propiedades son más bajas que en las otras maderas duras. Sin embargo, estas maderas también se utilizan en muebles, por su belleza y fácil trabajado. Las maderas estructurales, a pesar del secado tienen defectos que alteran la resistencia mecánica. El método más simple para reducir el efecto de los defectos es el de pegar secciones de madera para producir vigas laminadas. De esta manera, se puede controlar la posición de los nudos y producir maderas más largas y con mayores secciones transversales. La mayoría de los adhesivos que se utilizan en el laminado son termoestables. Las piezas pequeñas y las virutas se pueden utilizar para fabricar tableros de aglomerado. Los tableros de aglomerado se pueden pegar con resina termoestable y las astillas más grandes se pueden colocar en las capas superficiales para mejor apariencia y resistencia al desgaste. La madera también es la materia prima para producir papel. El proceso para hacer papel a partir de fibras de madera requiere la extracción de la lignina de las fibras y la adición de rellenos (arcilla) y de agentes de encolado (alumbre). A continuación se realizan los procesos de lavado, cribado, laminado en caliente y secado, para obtener el producto final. Debido a que las fibras son el componente principal, el papel puede tener diferentes grados de anisotropía, dependiendo del método del procesamiento.

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GLOSARIO

Abrasión (abrasion): Acción de desgaste por fricción que producen los materiales abrasivos, normalmente cerámicos. Acero (steel): Aleación de hierro que contiene menos del 2.5% de carbono, a la que usualmente se añade pequeñas cantidades de otros elementos. Acero austenítico (austenitic stainless steel): Aleación de hierro, que por su alto contenido en cromo (~ 12%) es altamente resistente a la corrosión (por eso pertenece a la familia de aceros inoxidables), a la vez que estabiliza la estructura CCC de la austenita a temperatura ambiente. Este acero lleva además proporciones de níquel parecidas a las de cromo, y menores cantidades de manganeso y molibdeno. Afinidad química (chemical affinity): Tendencia de un átomo o molécula a reaccionar con átomos o moléculas de diferente especie para formar compuestos. Alargamiento (elongation): Es el incremento porcentual de longitud de una probeta en un ensayo de tracción a rotura, medido a lo largo de la dirección de aplicación de la carga. Aleaciones con memoria de forma (shape memory alloy): Aleaciones que después de ser deformadas recuperan su forma original por calentamiento. Aleado mecánico (mechanical alloying): Proceso para producir compuestos pulvurentos de microestructura muy fina, a través de un mecanismo repetitivo de soldadura y fractura de una mezcla de partículas de polvo que se realiza en un molino de bolas de alta energía. Alpaca: Aleaciones de base cobre que contiene hasta ~37% de cinc en solución sólida (latones ), a los que se añade níquel, adquiriendo un tono plateado característico. Alúmina (alumina): Óxido de aluminio de fórmula AL2 O3. Ánodo de sacrificio (sacrificial anode): Aleación o metal que se corroe preferencialmente y protege a otro metal o aleación menos reactivo con el que está unido eléctricamente. Arcilla (clay): Material cerámico, compuesto por silicatos de aluminio hidratado de distinta composición y grado de pureza. Cuando están secas, las arcillas son fácilmente pulverizables en forma de partículas de muy pequeño tamaño. Es muy plástica y moldeable cuando se le agrega agua, y se convierte en un material rígido y frágil después de un proceso de calentamiento.

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444 INTRODUCCIÓN AL CONOCIMIENTO DE MATERIALES

Aromáticos, compuestos o anillos (aromatic compounds): Hidrocarburos insaturados, llamados así por su fuerte olor, caracterizados por la presencia de uno o más anillos. Un representante típico es el benceno, compuesto por un anillo de seis carbonos conteniendo tres dobles enlaces carbono-carbono. Asbesto (asbestos): Silicatos de magnesio, con una gama muy grande de composiciones, que pueden ser separados en fibras flexibles resistentes al calor. Los dos grandes grupos de asbestos son los anfibólicos y los serpentinas. El asbesto serpentina es un silicato de magnesio relativamente puro que se presenta en forma de largas y fuertes fibras que permiten su hilado. Se utiliza tejido en productos incombustibles, como guantes, forros de frenos, recubrimientos, etc. El asbesto serpentina contiene además magnesio, hierro y calcio, y la debilidad de sus fibras no permiten el hilado. Es más estable químicamente y frente al calor que el asbesto serpentina y se usa en filtros químicos y en relleno de pinturas. Austenita (austenite): Solución sólida intersticial de hasta un 2.11% de carbono en hierro , de estructura CCC. Inestable por debajo de su temperatura crítica, aunque la adición de determinados elementos, como magnesio o níquel, permite su estabilidad a temperatura ambiente. Bainita (bainite): Producto de transformación austenítica que se encuentra en algunos aceros y fundiciones. Se forma a temperaturas comprendidas entre las de transformación perlítica y martensítica (250-550ºC). Su microestructura consiste en ferrita y cementita en forma de agujas. Bandas de deformación (deformation bands): Bandas que se producen en los metales como consecuencia de deformación, por rotación variable de porciones del cristal. Baquelita (bakelite): Plástico termoestable formado por condensación de formaldehido y fenol. Bauxita (bauxite): Principal mena del aluminio, formada por uno o varios hidróxidos de aluminio con cantidades variables de arcilla y de algunos óxidos de hierro y titanio. Biela (connecting rod): Barra que en las máquinas sirve para transformar un movimiento de vaivén rectilíneo en otro de giro, o viceversa. Biomateriales (biomaterials): Cualquier sustancia que, no siendo un medicamento, puede utilizarse como un sistema o parte del mismo para curar, mejorar o reemplazar un tejido, órgano o función corporal. Bronces (bronzez): Aleaciones de cobre con hasta un 11% de estaño, y a veces pequeñas cantidades de cinc y otros elementos metálicos. Bruto de laminación (as-rolling): Estado de un material (definido por su microestructura y tensiones internas) después de un proceso de laminación. Buril: Herramienta cortante de forma triangular, terminado en un bisel rectilíneo o piramidal con un resalte o punta en forma de pico. Calandrado (calendering): Reacción que sucede a alta temperatura donde un sólido se disocia para formar un gas y otro sólido. Es una de las etapas de la producción del cemento. Calcinar (to calcine): Se refiere al calentamiento de un material inorgánico para eliminar los componentes volátiles. De esta manera pueden obtenerse cerámicas de óxidos a partir de sales, como hidróxidos, carbonatos y otras salesinorgánicas y organometálicas.

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Calor latente de fusión (latent heat of fusion): Cantidad de calor necesario para convertir un sólido en líquido por fusión a presión y temperatura constante. Carburización (carburizing): Proceso de alta temperatura por el que aumenta la concentración de carbono en la superficie de las aleaciones férreas, en presencia de una atmósfera adecuada, por un proceso de difusión. De esta manera, cuando se templa un acero carburizado se produce una capa superficial muy dura de martensita. Carburo (carbide): Compuesto formado por carbono y cualquier otro elemento que no sea hidrógeno. Normalmente, los carburos se obtienen por procesos de calentamiento y se caracterizan por su gran dureza y alto poder abrasivo. Catálisis (catalysis): Aceleración de una reacción química por la acción de un catalizador. Un catalizador es una sustancia que afecta a la velocidad de una reacción química, sin que sea consumido ni alterado. Caucho (rubber): Polímero natural o artificial caracterizado por su alto alargamiento elástico. Cavitación (cavitation): Formación de burbujas o cavidades localizadas en un líquido, como resultado de la reducción de la presión total. El colapso de estas burbujas da lugar a una fuerte sobrepresión instantánea que provoca daños en las superficies sólidas cercanas. Celda unidad (unit cell): Estructura básica de un cristal, que retiene las características generales del mismo. Generalmente se define en términos de posiciones atómicas dentro de un volumen paralelepipédico. Celulosa (cellulose): Polímero de fórmula (C6H10O5)n que forma parte de la estructura de las plantas, especialmente en las paredes de las células. Cerámicos, materiales (ceramics): Grupo de materiales cuyos átomos exhiben enlaces iónicos, covalente o ambos. Se caracterizan por su alta resistencia mecánica y elevado punto de fusión, así como por su fragilidad y baja conductividad térmica y eléctrica. Cerámicos tenaces (touhg ceramics): Materiales cerámicos con una tenacidad superior a la que normalmente exhibe este tipo de materiales, por el cierre de grietas debido al aumento de volumen que se produce por transformación cristalográfica de una segunda fase, en presencia del campo de tensiones en punta de grieta. Ciencia de los materiales (material science): Rama de la ciencia que estudia la estructura, propiedades y el comportamiento de metales, cerámicos, polímeros y semiconductores. Cigüeñales (crankshaft): Eje alrededor del cual gira una manivela. En muchas máquinas es el eje que transmite el movimiento desde la manivela a la biela. Circonia (zirconia): Óxido de circonio de fórmula ZrO2. Cizalla, fuerza de (shear stress): Fuerza tangencial por unidad de área que tiende a hacer deslizar dos partes adyacentes de un cuerpo, una respecto de la otra, en dirección paralela a su plano de contacto. Colabilidad (castability): Facilidad que ofrece un material para ser conformado en un molde desde el estado líquido. Esta facilidad suele aumentar bajando el punto de fusión y aumentando la fluidez del caldo. Colada (casting): Proceso de obtención de un objeto de forma y tamaño prefijados por transferencia de un metal en estado líquido a un molde apropiado,

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permitiendo la posterior solidificación. También el objeto producido por este proceso. Compacidad: En cristalografía, mide el grado de eficiencia del empaquetamiento atómico, considerando los átomos como esferas rígidas. Aumenta conforme disminuye el espacio intersticial entre los átomos. La estructura CCC es la más completa (empaquetamiento más cerrado, CLOSE PACKED). Compresión, esfuerzos de (compression stress): Esfuerzos que tienden a reducir la dimensión de un objeto en la dirección de la aplicación de la fuerza. Compuestos, materiales (composites): Material formado por al menos dos componentes mezclados de manera artificial. Un material compuesto se diseña para obtener la mejor combinación de propiedades de sus componentes. Conductividad eléctrica (electrical conductivity): Es la constante de proporcionalidad entre la densidad de corriente y el campo eléctrico aplicado. Mide la capacidad de un material para conducir electricidad. Conductividad térmica (thermal conductivity): Es la constante de proporcionalidad entre el flujo calorífico y el gradiente de temperatura, en estado estacionario. Mide la capacidad de un cuerpo para conducir calor. Configuración electrónica (electron configuration): Para un atómo, es la disposición en la que los electrones ocupan los posibles estados electrónicos. Configuraciones estéricas: Se refiere a las distintas disposiciones que puede adoptar una cadena polimérica formada por monómeros no simétricos. Conformabilidad: Cualidad de conformar. Conformar (to shape): Proceso seguido para dar forma a un objeto. Corriente de Foucault (Foucault currents): Corriente eléctrica inducida en un material ferromagnético inmerso en un campo eléctrico variable. Corrosión (corrosion): Deterioro de un material por reacciones con el medio que lo rodea. Para que haya corrosión son necesarias dos condiciones: material susceptible de ser atacado y medio agresivo. En la corrosión bajo tensiones STRESS CORROSION es preciso además que el material esté sometido a esfuerzos. Crisol (crucible): Recipiente refractario utilizado para contener metales y aleaciones en estado de fusión. Defecto cristalino (lattice defect): Imperfección en la configuración tridimensional de los nudos de la red cristalina, que rompe el grado de simetría de la misma. Defecto de la red (lattice defect): Sinónimo de defecto cristalino. Deformabilidad: Facilidad con la que se puede modificar la forma y tamaño de un cuerpo. Deformación plástica (plastic deformation): Alteración dimensional que permanece una vez retirada la carga. Se produce por desplazamiento irreversible de átomos o moléculas, bajo cargas superiores al límite elástico del material. Deformación superplástica (superplastic deformation): Deformación plástica de excepcional magnitud que alcanzan algunos materiales bajo determinadas condiciones de velocidad de deformación y temperatura. Dentrita (dentrite): Estructura ramificada que se forma durante la solidificación de un líquido subenfriado. Diagrama de fase (phase diagram): Representación gráfica de la relación entre temperatura, composición y regiones de fases estables, ordinariamente bajo condiciones de equilibrio.

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Dieléctrico (dielectric): Material que tiene una constante dieléctrica elevada, por lo que su conductividad eléctrica es pequeña, pudiendo usarse como aislante eléctrico. La constante dieléctrica es el cociente entre la permitividad de un medio y el vacío, a veces llamada permitividad relativa. Difracción de electrones (electron diffraction): Dispersión de un haz de electrones monoenergético por una red de difracción, dando lugar a que los electrones emergentes lo hagan a lo largo de direcciones privilegiadas, en función de dicha red. Para que en un cristal el efecto de difracción sea acentuado, la longitud de onda asociada al haz incidente (rayos X, electrones, átomos, etc.) debe ser del orden del espaciado interatómico. Difracción de rayos X (X-ray difraction): Dispersión de rayos X por una red de difracción, dando lugar a que los rayos X emergentes lo hagan a lo largo de direcciones privilegiadas, determinadas por la estructura de la red de difracción. Difusión (diffusion): Transporte de masa por movimiento atómico. En una red cristalina el mecanismo de difusión de átomos que ocupan sitios de la red se efectúa con la ayuda de vacantes. Dislocación (dislocation): Defecto de la red de tipo lineal. Es el defecto responsable del principal mecanismo de deformación plástica del material bajo esfuerzos aplicados. La interferencia de las dislocaciones entre sí, da lugar al endurecimiento del material. Dislocación helicoidal (screw dislocation): Defecto reticular lineal, asociado con la distorsión creada en la red cristalina cuando se juntan dos planos paralelos desplazados entre sí a lo largo de una rampa. Dislocación en arista (edge dislocation): Defecto lineal de la red cristalina, asociado con la distorsión creada en la red cerca del borde de un semiplano atómico extra. Ductilidad (ductility): Concepto que mide la capacidad de deformación plástica no dependiente del tiempo de un material antes de su rotura. En un ensayo de tracción, la ductilidad viene expresada por parámetros como el alargamiento (A%) y la reducción de área (ver estricción) (Z%). Dureza (hardness): Mide la resistencia a la deformación de un material frente a esfuerzos de penetración por un objeto punzante (ver identación). Ebonita (ebonite, vulcanite): Caucho con un alto grado de reticulación por la acción del azufre, dando lugar a un sólido rígido de color negro. Se emplea en válvulas, tubos, estilográficas, como aislante en equipos eléctricos, etc. Electrodo (electrode): Conductor eléctrico del que parte (al que llega) la corriente hacia (de) un medio no metálico, como sucede en una celda electrolítica, tubo de vacío, generador de arco... Electrólisis (electrolysis): Proceso por el que el paso de corriente eléctrica entre dos electrodos unidos a través de un electrolito u otro medio apropiado da lugar a una reacción química. Electronegatividad (electronegativity): Capacidad que posee un átomo de aceptar un electrón. Elementos alotrópicos: Elementos que pueden existir en dos o más formas cristalinas. Embutición: Proceso por el que una chapa metálida adopta la forma de un molde o matriz por prensado o por golpes.

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Endurecimiento por deformación (strain hardening): Incremento del esfuerzo necesario para que se produzca deformación por movimiento de las dislocaciones debido a la presencia de otras dislocaciones. El movimiento de las dislocaciones también puede verse dificultado por mecanismos de reforzamiento (por presencia de partículas de segunda fase, fronteras de grano). Enlace atómico (atomic bond): Unión que se produce entre los átomos por fuerzas electrostáticas, normalmente a través de los electrones de valencia. El enlace atómico, de mayor a menor intensidad, puede ser de tipo covalente (muy direccional, producido por compartición de electrones de valencia entre elementos de electronegatividad parecida), iónico (unión producida por la cesión de los electrones de valencia de un átomo, catión, a otro denominado anión), metálico (unión producida por un gas de electrones, procedente de los electrones de valencia cuando estos son cedidos al conjunto del cristal) y de Van der Waals (debidos a fuerzas de polarización). Entallas geométricas (notch): Cambios bruscos de sección en una pieza, normalmente en forma de cuña, que dan lugar a concentración de tensiones. Entropía (entropy): Magnitud de estado en un sistema termodinámico, que mide el grado de desorden, expresada por S = K ln G, donde K es la constante de Boltzman y G el número total de estados posibles del sistema. Envejecimiento (aging): En una aleación metálica, es el proceso por el que el material se estabiliza o endurece por la formación de precipitados coherentes. Equilibrio termodinámico (termodynamic equilibrium): Estado correspondiente al de mínima energía libre. Escoria (slag): Capa de impurezas que cubre el metal fundido, protegiéndolo de la oxidación, durante el proceso de fusión o refino. La escoria está formada por gangas y fundentes. Esmeril (emery): Variedad del corindón de tamaño de grano fino que contiene óxidos de aluminio y hierro, utilizado como abrasivo. Estados de la materia: Condición determinada por la constitución física o química de la materia. Existen cuatro estados fundamentales de la materia en función del grado y tipo de interación entre sus constituyentes; gaseoso, líquido, sólido y de plasma. Esteadita (steadite): Constituyente de ferrita y fosfuro de hierro de algunas fundiciones. Estequiometría: Proporción en que participan los distintos elementos para formar un compuesto. Normalmente se produce en compuestos de carácter iónico, para una determinada relación entre el número de cationes y aniones. Estricción (area reduction): Reducción local de área de una probeta bajo esfuerzos de tracción. Se suele expresar como la relación porcentual del área inicial y final cuando rompe la probeta (Z%). Es uno de los parámetros que miden la ductilidad. Estructura atómica (atomic structure): Disposición de las distintas partículas elementales dentro de un átomo. Estructura cristalina (crystalline structure): Estructura que resulta del ordenamiento de los átomos en una disposición que se repite a lo largo del material.

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Extracción de fibras: Fenómeno que se produce en un material compuesto reforzado con fibra, cuando la fuerza de unión fibra-matriz es inferior a la carga de rotura de la fibra. Extrusión: Técnica de conformado normalmente realizada a altas temperaturas, en la que el material es forzado a salir, bajo esfuerzos de compresión, a través de un orificio (matriz). Fase sigma (en los aceros inoxidables): Fase muy dura y frágil, de hierro y cromo (25-65% de Cr), que se forma a temperaturas intermedias (600-800ºC). Esta fase empeora las propiedades mecánicas y la resistencia a la corrosión, por lo que no resulta conveniente someter al acero con estas proporciones de cromo a calentamientos prolongados entre 600 y 800ºC. Fatiga (fatigue): Aplicación de esfuerzos que varían cíclicamente con el tiempo, normalmente de magnitud inferior al del límite elástico del material. Feldespato (feldspar): Uno de los aluminosilicatos más importantes industrialmente es el feldespato. Todos ellos poseen la fórmula R′AlSi3O8, donde R′ puede ser K (ortoclasa) o Na (albita), o R′′ Al2Si2 O8, donde R′ puede ser Ba (celsiana), o Ca (anortita). La estructura cristalina de los feldespatos es parecida a la de la cristobalita, con los huecos intersticiales ocupados por iones alcalinos o alcalinotérreos, que son los iones metálicos más grandes. Ferrita (ferrite): Nombre genérico de las fases alotrópicas del hierro con estructura CC. La ferrita se presenta hasta 723ºC, y la ferrita entre 1396ºC y 1536ºC. Fiabilidad: Facultad de un elemento, servicio o proceso para realizar una función determinada en condiciones y tiempo establecidos. Flexión, esfuerzo de (bending stress): Esfuerzos que se generan en una viga por el doblado de la misma. Fluencia (creep): Deformación plástica que sucede en los materiales bajo esfuerzos menores al del límite elástico a elevada temperatura. Forja (forge): Conformado mecánico por esfuerzos de impacto a compresión. Forjabilidad (forgeability): Es una medida de la capacidad de deformación plástica sin romper de un material metálico. Formabilidad (formability): Capacidad de conformación de un material. Fragilidad (britness): Cualidad de los materiales frágiles. Un material es frágil cuando su deformación plástica a rotura es muy pequeña. Fronteras de grano (grain boundaries): Región cuasi-planar altamente desordenada, situada entre dos granos cristalinos adyacentes. Fuerza conservativa (conservative force): Una fuerza es conservativa cuando el trabajo realizado entre dos puntos no depende del trayecto. Estas fuerzas derivan de un potencial. Fuerza electrostática (electrostatic force): Fuerza que actúa entre dos cuerpos con diferente carga eléctrica. Fuerza nuclear (nuclear force): Fuerza de muy corto alcance responsable de que los protones se mantengan unidos en el núcleo atómico. Fundente (flux): Sustancia que facilita la fusión de otra a la que se ha agregado, o evita la formación de óxidos. Por ejemplo en el proceso de refino, el fundente absorbe las impurezas formando la escoria que flota en la superficie del caldo, facilitando su eliminación.

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Fundiciones grises (grey cast iron): Fundición de hierro en la que el carbono, entre un 2.1 y un 4%, se encuentra en forma de láminas de grafito por la acción del silicio. Su nombre se debe a que la superficie de fractura tiene aspecto grisáceo, son fácilmente mecanizables y su ductilidad es pequeña. Fundiciones maleables (melleable cast iron): Fundiciones de hierro mucho más difíciles que las grises, que se obtienen por tratamientos de las fundiciones blancas, en las que el grafito se encuentra en forma de nódulos. Fusión congruente (congruent melting): Transformación de un sólido en un líquido de la misma composición. Gases nobles (noble gas): Elementos que poseen saturada la última capa, y que por tanto son muy poco activos químicamente. Grafito (graphite): Variedad alotrópica del carbono de estructura hexagonal. El grafito es la forma en que se encuentra el carbono libre en algunas fundiciones. Hemicelulosa (hemicellulose): Polisacárido natural de fórmula (C6H10O5)n que se encuentra en las células de las plantas. Horno de reverbero (reverberatory furnace): Horno cuyo hogar está separado del material a tratar. Identador: Extremo de una máquina de ensayo de dureza en forma puntiaguda que presiona, con una carga determinada de antemano, sobre la superficie del material del que se desea saber la dureza. Impacto, ensayo de: Ensayo mecánico en el que la carga se aplica repentinamente. Ver péndulo Charpy e Izod. Isótopos (isotopes): Elementos con el mismo número de protones (mismo número atómico) pero con distinto número de neutrones (distinta masa atómica). Kevlar: Marca comercial de una aramida rígida y resistente. Laminación (rolling): Operación de conformado que reduce el espesor de un producto en forma de plancha. Latón: Aleación de base cobre con estaño, que puede contener otros elementos como aluminio, estaño o hierro. Lazo de dislocación (dislocation loop): Dislocación cuya línea de dislocación es cerrada. Cuando el vector de Burgers del lazo de dislocación está fuera del plano del lazo se denomina dislocación prismática, ya que en este caso el plano de deslizamiento de la dislocación (definido por la línea de la dislocación y el vector de Burgers) es una superficie cilíndrica. Ledeburita (ledeburite): Fase autéctica del sistema hierro-carbono, formada por austenita y cementita. Ley de Coulomb (Coulomb’s law): Ley que establece que la fuerza entre dos partículas cargadas en reposo es proporcional al producto de las cargas e inversamente proporcional al cuadrado de su distancia. Ley de Hooke (Hooke’s law): Establece que la relación entre la carga aplicada y la deformación elástica es lineal. Lignina (lignin): Polímero natural de fenol-propano, que se encuentra en las paredes de las células fibrosas de celulosa de ciertas plantas (leñosas) a las que confiere rigidez y resistencia mecánica. Límite elástico (yield strength): Tensión necesaria para que se inicie la deformación plástica. En la práctica es la tensión correspondiente al 0.2% de deformación.

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Macroestructura (macrostructure): Características de un material que pueden apreciarse a ojo desnudo. Magnesia: Óxido de magnesio de fórmula MgO. Maleabilidad (maleability): Cualidad o grado de los materiales maleables. Un material maleable es aquel que puede ser sustancialmente deformado por comprensión sin que se rompa. Maquinabilidad (machinability): Cualidad que hace que un material sea capaz de ser mecanizado. Martensita (martensite): Solución sólida sobresaturada de carbono en hierro, con estructura tetragonal centrada en el cuerpo, formada durante el temple de un acero como consecuencia de la transformación de la austenita en un proceso adifusional. Material dieléctrico (dielectric material): Material no conductor capaz de soportar grandes campos eléctricos, y que por tanto es un aislante eléctrico. Materiales férreos (ferrous alloys): Aleaciones metálicas de base hierro. Los aceros son las aleaciones férreas más importantes. Materiales no férreos (non ferrous alloys): Grupo de aleaciones metálicas cuyo elemento mayoritario no es el hierro. Mecanizar (mechanize): Proceso de elaboración mecánica. Metales (metals): Materiales en los que predomina el enlace metálico. Se caracterizan por su elevada ductilidad y alta conductividad eléctrica y térmica. Metalografía (metallography): Ciencia o estudio de los metales y sus estructuras por técnicas de microscopía y de difracción de rayos X. Metalurgia (metallurgy): Ciencia que estudia los metales y la tecnología de su procesado. Mezcla eutéctica (eutectic mixture): Disposición particular de un sistema que ha alcanzado el punto eutéctico. Microestructura (microstructure): Características de un material, tales como tamaño de grano y segundas fases, que requieren el uso de microscopía para su observación. Microscopía electrónica de barrido (scanning electron microscopy): Técnica que hace uso del microscopio electrónico de barrido (MEB). En un MEB, un haz de electrones incide sobre una muestra recorriendo parte de la superficie de la misma. La imagen se forma por la señal de electrones secundarios emitidos por las últimas capas de la muestra. Se utiliza para la observación a grandes aumentos de superficies rugosas, merced a su gran profundidad de foco. Microscopía electrónica de transmisión (transmision electron microscopy): Técnica que hace uso del microscopio electrónico de transmisión (MET). En un MET la imagen se forma por la fracción de electrones del haz incidente que atraviesan la muestra, alcanzándose mayores aumentos que en un MEB. Microscopía óptica: Técnica metalográfica que hace uso del microscopio óptico (MO). En un MO la imagen se forma por la dispersión de luz visible por la superficie del objeto. Módulo de cizalla (shear modulus): Tensión de cizalla por unidad de deformación a cizalla. Módulo de torsión (torsional modulus): Es el cociente entre el torque aplicado y el ángulo de torsión por unidad de longitud del cilindro.

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Módulo de Young o de elasticidad (Young’s modulus): Es el factor de proporcionalidad entre la tensión y la deformación elástica en la ley de Hooke. Moldeo por inyección (injection molding): Técnica de moldeo en la que el material fundido es forzado a penetrar en el molde, seguido de la solidificación o polimerización y posterior extracción de la pieza. Momento dipolar (dipole moment): Momento resultante de una distribución asimétrica de la carga eléctrica en una molécula. Puede utilizarse para condiciones de trabajo donde la temperatura alcance los 1800ºC. Mullita (mullite): Es una arcilla compuesta de alúmina y sílice, cuya fórmula química es (AL2O3)3(SiO2). Es el único compuesto de alúmina y sílice estable a alta temperatura y resistente a la fluencia, por lo que ocupa un lugar importante entre los modernos refractarios. Nitruración (nitriding): Proceso de endurecimiento superficial en aceros a los que se incorpora nitrógeno por calentamiento a temperaturas inferiores a Acl en una atmósfera nitrogenada. Nucleación (nucleation): En cristalografía es el proceso de condensación o agregación por el que se forman diminutos cristales en un medio amorfo, que actúan como gérmenes para el crecimiento cristalino posterior. Números cuánticos (quantum numbers): Valores numéricos que definen un determinado estado electrónico de un átomo. Los cuatro números cuánticos se designan con las letras n (principal), 1 (acimutal), m (magnético) y ms (spin). Parámetros de red (lattice constants): Longitud y ángulos que forman entre sí los lados del paralelepípedo de la celda unidad del cristal. Péndulo Charpy e Izod: Máquinas utilizadas en los ensayos de impacto. Consisten en un péndulo con una pesa en el extremo, que en el momento del ensayo se deja caer desde una altura H0 sobre una probeta entallada situada en el extremo inferior del arco descrito por el péndulo. La diferencia entre la altura inicial H0 y la que alcanza después de impactar con la probeta proporciona una medida de la tenacidad del material. Perlita (pearlite): Microconstituyente que se encuentra en algunos aceros y fundiciones. Resulta de la transformación de la austenita y posee una estructura de láminas alternadas de ferrita y cementita. Peso específico (specific gravity): Peso de un cuerpo dividido por su densidad. Pirolización (pyrolyzation): Es el proceso mediante el cual se produce la descomposición de productos complejos en otros más simples por la acción del calor. Poliéster (polyester): Resinas orgánicas sintéticas formadas por la condensación de ácidos carboxílicos con alcoholes. Las mezclas resultantes son muy fluidas y pueden curarse a temperaturas y presiones relativamente bajas. Poliméricos, materiales (polymer materials): Materiales que normalmente provienen de la unión de un gran número de moléculas orgánicas, aunque el silicio también puede formar polímeros. Se caracterizan por su baja resistencia mecánica y reducido punto de fusión. Poliolefina: Polímero formado por adición de hicrocarburos etilénicos no saturados que contienen un doble enlace (olefinas), como el polietileno y el polipropileno. Porcelana (porcelain): Material cerámico compuesto inicialmente de caolín feldespato y cuarzo calentado primero a bajas temperaturas y luego otra vez a muy alta temperatura.

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Precipitado (precipitate): Partícula de segunda fase que se segrega desde un estado del material metaestable. Precipitado intergranular (intergranular precipitate): Precipitado situado en la frontera de grano. Principio de exclusión de Pauli (Pauli exclusion principle): Cada estado electrónico de un átomo sólo puede estar ocupado por un electrón. Es decir no puede haber dos electrones con los mismos números cuánticos. Este principio es general para todas las partículas de tipo fermión, como por ejemplo los neutrones. Proceso (process): Conjunto de acciones continuas o escalonadas encaminadas a la obtención de un objetivo determinado. Proceso de diseño (design process): Acción dirigida a la creación de sistemas, aparatos y estructuras que la sociedad demanda. Proceso de moldeo (mold process): Proceso que engloba las operaciones en las que un material fundido es vertido en recipientes para obtener un sólido de forma determinada una vez enfriado. Propiedad ferroeléctrica (ferroelectric property): Propiedad de algunos materiales que exhiben polarización eléctrica espontánea, formando dominios en los que los dipolos están alineados. Propiedades físicas (physical properties): Características de los materiales que no involucran cambios químicos. Propiedad piezoeléctrica (piezoelectric property): Es una propiedad que hace que una fuerza mecánica actuando sobre determinados materiales dé lugar a una respuesta eléctrica y viceversa. Todos los materiales ferroeléctricos son piezoeléctricos. Punto eutéctico (eutectic point): Punto del diagrama de fases, definido por una temperatura y composición determinadas, en el que la fase líquida solidifica, dando lugar a dos fases sólidas de composición diferente. Punto eutectoide (eutectoid point): Punto del diagrama de fases, definido por una temperatura y composición determinadas, en el que una fase sólida se descompone en dos fases sólidas de composición diferente. Punto de fusión (melting point): Temperatura a la que la fase líquida y sólida coexisten en equilibrio, a presión atmosférica. Reacción eutéctica (eutectic reaction): Reacción de tres fases por la que una fase líquida se transforma durante el enfriamiento en dos fases sólidas. Reacción eutectoide (eutectoid reaction): Reacción de tres fases por la que una fase sólida se transforma durante el enfriamiento en dos fases sólidas. Reacción monotéctica: Reacción de tres fases por la que una fase líquida se transforma durante el enfriamiento en una fase sólida y otra líquida. Reacción peritectoide: Reacción de tres fases, por la que dos fases sólidas se transforman en otra sólida. Recristalización: Proceso de formación de nuevos granos. Para que se produzca la recristalización es preciso deformar previamente al material. Existe una temperatura por encima de la cual se produce la recristalización, cuyo valor depende de la deformación previa. Rechupe (draw): Huecos dentro de una fundición, debidos a la contracción de volumen que se produce durante la solidificación en un molde.

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454 INTRODUCCIÓN AL CONOCIMIENTO DE MATERIALES

Red recíproca (reciprocal lattice): Es una red imaginaria que es igual a la transformada de Fourier de la red real o directa, y que facilita la representación de la figura de difracción de un cristal. Resina orgánica (resin): Producto orgánico sólido o semisólido natural o sintético, usualmente translúcidos de naturaleza polimérica que no conducen la electricidad. Resistencia mecánica (strength): Mide la capacidad de un material para soportar esfuerzos sin deformar ni romper. Es la tensión a la que se produce la estricción y aparece la tensión máxima en una curva tensión-deformación. Resistencia específica, mecánica (specific strength): Resistencia mecánica dividida por la densidad del material. Rigidez (stiffnesss): Medida cualitativa de la resistencia que ofrece un material a ser deformado elásticamente. Un material será más rígido cuanto mayor sea su módulo de Young. Rotura frágil: Fractura que ocurre sin deformación plástica apreciable. Sección eficaz (cross section): Mide la probabilidad de interacción entre dos partículas. Es el área eficaz que presenta un blanco frente a una partícula incidente, para que ocurra interacción. Segregación: Desarrollo de gradientes de concentración dentro de un material como consecuencia de la solidificación fuera de equilibrio. Semiconductor (semiconductor): Material con conductividad eléctrica intermedia entre los metales y los aislantes. Su estructura de bandas se caracteriza por poseer vacía la banda de conducción pero con una anchura de la banda prohibida relativamente pequeña (~1 ev). Sensor (sensor): Componente de un instrumento que convierte una señal de entrada en una cantidad que es medida por otra parte del instrumento y cambiada a una señal más fácilmente medible. Sílice (silica): Óxido de silicio, SiO2. Soldabilidad: Capacidad de un material de ser sometido a soldeo. Soldadura (welding): Técnica de unión entre dos piezas metálicas, por la fusión incipiente de las mismas o por aportación de una aleación intermedia, que sucede en las proximidades de la unión. Soldadura blanda (brazing): Unión de materiales por una capa de aleación que tiene un punto de fusión más bajo que el de los materiales a unir. Soldadura fuerte (hard solder): En la soldadura sin aporte de material se funde el metal de las piezas metálicas. Soldadura por puntos (spot welding): Suele utilizarse para soldar componentes formados por chapas delgadas. El calentamiento se produce por efecto Joule haciendo pasar a través de los dos componentes una corriente eléctrica elevada y localizada, durante un corto espacio de tiempo. Solidificación (solidification): Transición de un líquido o un gas a la fase sólida y el proceso mediante el cual se realiza dicha transición. Solidificación rápida (rapid solidification): Método de procesado que se basa en el enfriamiento sumamente rápido desde la fusión, dando lugar a una estructura con tamaño de grano muy pequeño, con ausencia de segregaciones y en la que no existe apenas precipitación de segundas fases, obteniéndose materiales con superiores características mecánicas.

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455 INTRODUCCIÓN AL CONOCIMIENTO DE MATERIALES

Solución sólida sobresaturada (supersaturated salid solution): Solución sólida metaestable formada por temple desde una temperatura en la que sólo existe una fase en equilibrio, hasta una temperatura más baja que en equilibrio es bifásica, pero que debido a la rapidez en el enfriamiento no precipita la segunda fase. Sorbita (sorbite): Es un término que, junto con el de troostita, sirve para denominar una estructura que aparece en los aceros templados como consecuencia de la descomposición de la martensita por un calentamiento posterior. La temperatura a la que aparece la sorbita es superior a la de la troostita. La estructura de la sorbita consiste en partículas globulares de carburos en una matriz ferrítica. La sorbita y la troostita también pueden aparecer como consecuencia de un tratamiento de temple incorrecto, bien porque la velocidad de enfriamiento no es suficientemente rápida o porque la temperatura desde la que se enfría demasiado baja. Superaleaciones (superalloys): Aleaciones de estructura CCC, normalmente de base hierro, cobalto y níquel, que poseen unas elevadas características a elevadas temperaturas, como son alta resistencia a la fluencia y a la corrosión. Superconductividad (superconductivity): Fenómeno que presentan ciertas aleaciones metálicas y otros compuestos (como los modernos superconductores de alta temperatura crítica basados en óxidos de cobre), en los que la resistencia eléctrica se hace despreciable por debajo de una temperatura crítica, 4C, propia de cada material. Temple (quench): Enfriamiento rápido de un material desde una temperatura adecuada, de manera que se obtiene una microestructura metaestable. Tenacidad (tougness): Es una medida de la energía necesaria para romper un material, y viene indicada por el área que se encuentra bajo la curva tensióndeformación. Tensión de rotura (failure stress): Tensión a la que se produce la fractura del material. Tensiones residuales (residual stresses): Tensiones de tipo elástico que se introducen en el material como consecuencia de los tratamientos termomecánicos previos ocurridos durante su procesado. Tensión térmica (thermel stress): Tensión residual que posee un material después de sufrir un cambio de temperatura. Termistor (thermistor): Instrumento realizado a partir de un material semiconductor cuya conductividad eléctrica varía muy fuertemente con la temperatura, por lo que puede ser calibrado para su uso como termómetro. Termopar (thermocouple): Instrumento para medir temperaturas basado en el efecto termoeléctrico de dos hilos diferentes. Textura (texture): En cristalografía es la orientación preferente de los granos de un material, que da lugar a propiedades anisótropas. Torsión (torsión): Movimiento de giro de un sólido alrededor de su eje de simetría, como consecuencia de la aplicación de un par de fuerzas. Tracción, esfuerzo de (tensile stress): Esfuerzo uniaxial que tiende a alargar el material en la dirección del esfuerzo. Transformación de fase (phase transformation): En metalurgia se aplica sobre todo a reacciones de estado sólido que dan lugar al cambio de fases presentes

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en una determinada microestructura, y que normalmente afecta a las propiedades. Transición dúctil-frágil (ductil-brittle transition): Cambio de comportamiento mecánico dúctil-frágil de un material, que depende de la temperatura y de la triaxialidad (velocidad de deformación y entallas geométricas). La temperatura de transición dúctil-frágil se incrementa cuando aumenta la triaxialidad. Tratamiento térmico (thermal treatment): Combinación de operaciones de calentamiento y enfriamiento con tiempos determinados, aplicadas a un metal o aleación en el estado sólido que producen transformaciones en su microestructura, de tal manera que se alcanzan las propiedades deseadas. El calentamiento con el único propósito de facilitar la deformación se excluye de esta definición. Troquelado (drop forging): Proceso de fabricación de piezas metálicas de poco espesor por corte efectuado por una matriz. Troostita (troostite): Producto de la descomposición de un acero templado (ver sorbita). Su estructura se caracteriza por la presencia de partículas de carburo precipitadas. Vulcanización (vulcanization): Reacción química que produce el entrecruzamiento de polímeros orgánicos y siliconas de manera controlada. Para las cadenas insaturadas se emplea azufre para lograr el entrecruzamiento. Conforme aumenta el grado de vulcanización aumentan el módulo elástico y la resistencia a fluencia y disminuye la capacidad de alargamiento elástico.

En este texto se reúnen los conocimientos básicos sobre materiales, enfocados desde común, centrándose el estudio en los materiales estructurales y en las P.rOP.iedades mecánicas que los caracteriza . Por tanto, este libro está dedicado al conocimiento de la ciencia de materia es con aP.licaciones estructurales. Con el fin de obtener una P.ersP.ectiva general, la metodología emP.leada se ha basado en el conocimiento de la microestructura y su relación con las P.roP.iedades.

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licenciado y doctor en Ciencias

utilizables en el camP.o nuclear. La tarea ocente la ha desarrollado en la ETSIN de la Uf>M y desde 1987 en el Departamento de Ingeniería de Construcción y Fabricación en la ETSII de la UNED, como P.rofesor titular del Área de Conocimient de Ciencia de los Materiales e Ingeniería Metalúrgica. Es coautor de los textos Construcció e interP.,retación de diagramas de[ase binarias y Procesador.

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Joaquín lbáñez Ulargui es licenciado e Ciencias Físicas P.Or la UCM y doctor en Ciencias Físicas P.Or la UAM. La actividad P.rofesional ha es ado dedicada a la ·nvestigación científica exP.erimental, en el Laboratorio de Física de Superficies de la UAM y en el Departa ento de Materiales del INTA, y a la docencia niversitaria, en la UAM y UPM. En la actualidad, la labor investigadora la desar olla en el Centro Nacional de Investigaciones etalúrgicas (CENIMJ, adscrito al CSIC, y se centra en el estudio de las P. or.iedades de los materiales y su relación con la icroestructura.

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Editorial

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