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• david ramos

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CIENCIA E INGENIERIA DE LOS MATERIALES

1RA EDICION

Tabla de contenido 1.-ESTRUCTURA, ARREGLOS Y MOVIMIENTO DE LOS ATOMOS ....................................................... 1 1.-Importancia y Clasificacion de los Materiales en la Ingenieria .................................................. 1 1.1.-Arreglos Atomicos .................................................................................................................... 2 1.2.-Defectos e Imperfecciones....................................................................................................... 2 1.3.-Movimiento de Atomos ........................................................................................................... 2 2.-PROPIEDADES MECANICAS Y FISICAS DE LOS MATERIALES ......................................................... 4 2.1.-Propiedades Mecanicas de los Diferentes Materiales ............................................................. 5 2.2.-Propiedades Electricas, Magneticas y Termicas ...................................................................... 5 2.3.-Materiales Semiconductores ................................................................................................... 5 3.-MATERIALES Y ALEACIONES ........................................................................................................... 4 3.1.-El Hierro y sus Aleaciones ........................................................................................................ 5 3.2.-Procesos de Obtencion del Hierro y Aceros............................................................................. 5 3.2.1.- tipos de Hornos 3.3.-Designacion y Clasificacion de los Aceros ................................................................................ 5 3.4.-Metales y Aleaciones no Ferrosas............................................................................................ 5 4.-CONTROL DE LA MICROESTRUCTURA............................................................................................ 4 4.1.-Endurecimiento por Deformacion ........................................................................................... 5 4.2.-Tratamientos Termicos ............................................................................................................ 5 4.3.-Temple, Rebenido, Recosido.................................................................................................... 5 4.4.-Tratamientos Termoquimicos Carburizado y Nitrurizado ....................................................... 5 5.-POLIMEROS, CERAMICOS Y COMPUESTOS ................................................................................... 4 5.1.-Termoplasticos, Termofijos y Elastomeros .............................................................................. 5 5.2.-Adecivos y Aditivos utilizados en polimeros ............................................................................ 5 5.3.-Clasificacion, Estructura y Aplicaciones de las Ceramicas(vidrio,arcilla,sementos,morteros) 5 6.-CORROSION Y DETERIORO DE LOS MATERIALES .......................................................................... 4 6.1.-Mecanismo de Corrosion ......................................................................................................... 5 6.2.-Tipos de corrosion .................................................................................................................... 5 6.3.-Proteccion ................................................................................................................................ 5 6.4.-Oxidacion ................................................................................................................................. 5 6.5.-Otros tipos de deterioro de los materiales .............................................................................. 5

PREFACIO

LOS ARREGLOS DE LOS ATOMOS Y DE IONES DESEMPEÑAN UN PAPEL MUY IMPORTANTE EN LA DETERMINACION DE LA MICROESTRUCTURA Y LAS PROPIEDADES DE UN MATERIAL. LOS PRINCIPALES OBJETIVOS DE ESTE CAPITULO SON:



EXPLICAR LA CLASIFICACION DE LOS MATERIALES CON BASE EN LOS ARREGLOS ATOMICOS O IONICOS.



DESCRIBIR LOS ARREGLOS EN LOS SÓLIDOS CRISTALINOS DEACUERDO CON LAS ESTRUCTURAS DE RED, BASE Y CRISTALINA.

1.-ESTRUCTURAS, ARREGLOS Y MOVIMENTO DE LOS ATOMOS.

1.-Importancia y Clasificacion de los Materiales en la Ingenieria

Clasificamos los materiales en varios grupos principales:metales, ceramicos, polimeros, semiconductures y compuestos.El comportamiento de los materiales en cada uno de estos grupos queda definido por su estructura. La estructura electronica de un atomo determina la naturaleza de los enlaces atomicos, la cual ayuda a fijar las propiedades fisicas y mecanicas de un material dado. El arreglo de los atomos en una estructura cristalina o amorfa tambien influye en el comportamiento de un material. Las imperfecciones de la organizacion atomica juegan un papel vital en nuestra comprension de la deformacion, fallas y propiedades mecanicas. Finalmente, el movimiento de los atomos, conocido como difusion es importante para muchos tratamientos termicos y prosesos de manufactura asi como para las propiedades fisicas y mecanicas de los materiales.

1.1.-ARREGLOS ATÒMICOS E IÒNICOS SIN ORDEN No tienen orden llenan el espacio de manera amorfa (gases).

EN CASA

INDUSTRIA

Gas LP

acetileno

aire

metano

Spiret para el cabello

Oxido nitroso

Dioxido de carbono

propano Dioxido de azufre Aire comprimido

ORDEN DE CORTO ALCANCE (SRO)

Un material tiene un orden de corto alcance si el arreglo especial de los átomos solo se extiende a su vecindad inmediata (líquidos).

ORDEN DE LARGO ALCANCE (LRO) Se da solo en sólidos ya que los átomos se extiende por todo el material forman un patrón repetitivo. SÓLIDOS CRISTALINOS Y AMORFOS Según la distribución espacial de los átomos, moléculas o iones, los materiales sólidos pueden ser clasificados en: 

Cristalinos: compuestos por átomos, moléculas oiones organizados de una forma periódica en tres

dimensiones. Las posiciones ocupadas siguen unaordenación que se repite para grandes distancias atómicas (de largo alcance).



Amorfos: compuestos por átomos, moléculas o ionesque no presentan una ordenación de largo alcance.Pueden presentar ordenación de corto alcance.

MATERIALES CRISTALINOS Si un material cristalino esta formado por un solo cristal grande, se le llama material monocristal o monocristal. Un material policristalino esta formado por muchos cristales pequeños con diversas orientaciones en el espacio. Estos cristales mas pequeños se llaman granos. Un material policristalino se parece a un collage de varios monocristales diminutos. Los bordes entre los cristales diminutos, donde los cristales están desalineados entre sì, se llaman limites de grano. Las propiedades de los materiales monocristalinos dependen de su composicion quimica y de las direcciones especificas dentro del crsiatl (llamadas direcciones cristalograficas). El orden de largo alcance en los materiales cristalinos se puede detectar y medir con tecnicas como la difraccion de rayos x o la difraccion de electrones.

REDES, CELDAS UNITARIAS, BASES Y ESTRUCTURAS CRISTALINAS Una red es una colección de puntos, llamada puntos de red, ordenados en un patron periodico de tal modo que los alrededores de cada punto de la red son identicos. Una red puede ser uni, bi o tridimencional. En la ciencia e ingenieria de los materiales se usa el concepto de red para describir los arreglos de atomos o de iones. Un grupo de uno o mas atomos ubicados en forma determinada entre si, y asociados con cada punto de red, se llama motivo, mofit o base. Se obtiene un estructura cistalina sumando la red y la base; es decir: ESTRUCTURA CRISTALINA= RED + BASE.

Celda unitaria: Es el menor grupo de átomos representativo de una determinada estructura cristalina. Al apilar celdas unitarias idénticas se puede construir toda la red.

SISTEMAS CRISTALINOS (REDES DE BRAVAIS) Aunque existen 14 posibles celdas cristalinas.Existen sietecombinaciones diferentes en las cuales están agrupadas endependencia de los parámetros de red. Cada una de esascombinaciones constituye un sistema cristalino.

1.-cubico

5.-hexagonal

2.-tetragonal

6.-monoclinico

3.-ortorombico

7.-triclinico

4.-trigonal SISTEMA CÚBICO

1.2.-DEFECTOS E IMPERFECCIONES

A) DEFECTOS PUNTUALES. B) DISLOCACIONES. C) DEFECTOS SUPERFICIALES

DEFECTOS PUNTUALES Son interrupciones localizadas en arreglos atómicos o iónicos que, si no fuera por ellos, serian perfectos en una estructura cristalina. La alteración afecta una región donde intervienen varios átomos o iones. Las impurezas son elementos o compuestos presentes en las materias primas o en el procesamiento. Los dopantes son elementos o compuestos que se agregan en forma deliberada y en concentraciones conocidas, en lugares específicos de la micro estructura, buscando un efecto benéfico sobre las propiedades o el procesamiento. En general, el efecto de las impurezas en las propiedades de los materiales es nocivo, mientras que el de los dopantes es útil.

VACANTE Constituye el defecto puntual más simple. Es un hueco creado por la perdida de un átomo que se encontraba en esa posición. Puede producirse durante la solidificación por perturbaciones locales durante el crecimiento de los cristales. También puede producirse por reordenamientos atómicos en el cristal ya formado como consecuencia de la movilidad de los átomos.

Las vacantes pueden trasladarse cambiando su posición con sus vecinos. Este proceso es importante en la migración o difusión de los átomos en el estado sólido, sobre todo a altas temperaturas donde la movilidad de los átomos es mayor.

DEFECTOS INSTERSTICIALES Algunas veces, un átomo extra se inserta dentro de la estructura de la red en una posición que normalmente no está ocupada formando un defecto llamado “Defecto intersticial” . Generalmente este tipo de defecto introduce relativamente grandes distorsiones en los alrededores puesto que normalmente el átomo es sustancialmente más grande que la posición intersticial en la que se sitúa. Consecuentemente la formación de este defecto no es muy probable. Se pueden introducir en una estructura por radiación.

DEFECTO SUSTITUCIONAL Se introduce un defecto sustitucional cuando un átomo o Ion es sustituido con un tipo distinto de átomo o Ion. Los átomos o iones sustitucionales ocupan el sitio normal en la red. Pueden ser mayores que los átomos o iones normales en la estructura cristalina, en cuyo caso se reducen los espacios interatómicos vecinos, o pueden ser menores, lo cual causara que los átomos vecinos tengan distancias interatómicas mayores. En ambos casos, los defectos sustitucionales perturban al cristal que los rodea. DISLOCACIONES Son defectos que dan lugar a una distorsión de la red centrada en torno a una línea. Se crean durante la solidificación de los sólidos cristalinos o por deformación plástica, por condensación de vacantes. Hay dos tipos de dislocaciones, las de cuña y las helicoidales. También puede darse una combinación de ambas, denominada dislocación mezcla DISLOCACIÓN DE CUÑA Se crea por inserción de un semiplano adicional de átomos dentro de la red. Los átomos a lado y lado del semiplano insertado se encuentran distorsionados. Los átomos por encima de la línea de dislocación, que se encuentra perpendicular al plano de la página, en el punto donde termina el semiplano insertado, se encuentran comprimidos y los que están por debajo se encuentran apartados. Esto se refleja en la leve curvatura de los planos verticales de los átomos mas cercanos del extra semiplano. La magnitud de esta distorsión decrece con la distancia al semiplano insertado

DISLOCACIÓN HELICOIDAL Esta dislocación se forma cuando se aplica un esfuerzo de cizalladura en un cristal perfecto que ha sido separado por un plano cortante.

DISLOCACIONES MIXTAS Con frecuencia los cristales exhiben mezcla de las dislocaciones anteriores. Su vector de Burgers no es ni perpendicular ni paralelo a la línea de dislocación, pero mantiene una orientación fija en el espacio. La estructura atómica local en torno a la dislocación mixta es difícil de visualizar, pero el vector de Burgers proporciona una descripción conveniente y sencilla.

DEFECTOS SUPERFICIALES Son los límites o bordes o planos que dividen un material en regiones, cada una de las cuales tiene la misma estructura cristalina pero diferente orientación. SUPERFICIE EXTERNA Las dimensiones exteriores del material representan superficies en las cuales la red termina abruptamente. Los átomos de la superficie no están enlazados al número máximo de vecinos que deberían tener y por lo tanto, esos átomos tienen mayor estado energético que los átomos de las posiciones internas. Los enlaces de esos átomos superficiales que no están satisfechos dan lugar a una energía superficial, expresada en unidades de energía por unidad de área (J/m2 o Erg/cm2). Además la superficie del material puede ser rugosa, puede contener pequeñas muescas y puede ser mucho mas reactiva que el resto del material.

BORDES DE GRANO Se puede definir como la superficie que separa los granos individuales de diferentes orientaciones cristalográficas en materiales policristalinos. El límite de grano es una zona estrecha en la cual los átomos no están uniformemente separados, o sea que hay átomos que están muy juntos causando una compresión, mientras que otros están separados causando tensión. De cualquier forma los limites de grano son áreas de alta energía y hace de esta región una mas favorable para la nucleación y el crecimiento de precipitados.

MACLAS Una macla es un tipo especial de límite de grano en el cual los átomos de un lado del límite están localizados en una posición que es la imagen especular de los átomos del otro lado.

1.3.-MOVIMIENTO DE ATOMOS APLICACIONES DE LA DIFUSION La difusión indica el flujo neto de cualquier especie, como iones, átomos, electrones, vacancias y moléculas. La magnitud de este flujo depende del gradiente inicial de concentraciones y de la temperatura. El proceso de la difusión es fundamental en una gran cantidad de tecnologías importantes de hoy. Hay cientos de aplicaciones y de tecnologías que dependen ya sea de mejorar o de limitar la difusión. Los siguientes son solo unos pocos ejemplos:  CEMENTACION O CARBURIZACION PARA EL ENDURECIMIENTO SUPERFICIAL DE LOS ACEROS.  DIFUSION DE DOPANTES PARA DISPOSITIVOS SEMI CONDUCTORES.  CERAMICOS CONDUCTORES.  MATERIALES MAGNETICOS PARA DISCOS DUROS.  FABRICACION DE BOTELLAS DE PLASTICO PARA BEBIDAS Y DE GLOBOS DE MYLAR TM.  OXIDACION DE ALUMINIO  RECUBRIMIENTOS Y PELICULAS DELGADAS.  RECUBRIMIENTOS DE BARRERA TERMICA EN ALABES DE TURBINA.  FIBRAS OPTICAS Y COMPONENTES MICROELECTRONICOS.  TRATAMIENTO DE AGUA Y AIRE.  ARRASTRE Y DIFUSION.

MECANISMOS DE DIFUSION • Autodifusión: movimiento de átomos idénticos entre posiciones reticulares de la estructura cristalina del material (Au197 y Au198). • Heterodifusión: distintos átomos intercambian sus posiciones en la red (soldadura de dos materiales Ni y Cu). • Difusión por vacantes: un átomo abandona su posición en la red para ocupar alguna vacante próxima y dejando una nueva. – Se crea una corriente de átomos y otra de vacantes en sentidos contrarios.

• Difusión intersticial: los átomos intersticiales se difunden a otros puntos intersticiales: – Se crea una corriente de átomos y otra de puntos intersticiales vacantes en sentidos contrarios. – Este proceso de difusión es más rápido y fácil que el debido a las vacantes pues los intersticios existen siempre (no se necesita una energía adicional para su creación). Energía de activación en la difusión • Un átomo debe abrirse paso entre los átomos circundantes para su difusión a otro sitio. Este proceso requiere superar cierta barrera energética (energía de activación), E*. • Sólo los átomos con una energía térmica mayor o igual a E* podrán difundirse de un punto a otro del material.

Difusion de los atomos de cobre en nickel finelmente los atomos de cobre estan distribuidos al azar en todo el niquel

2.-PROPIEDADES MECANICAS Y FISICAS DE LOS MATERIALES

2.1.-Propiedades Mecanicas de los Diferentes Materiales Dos características primordiales son la elasticidad y la plasticidad. Deformación Elástica. Si nosotros sometemos un material a una tensión las estructuras atómicas de este se empezaran a deformar por lo tanto pueden llegar a deformarse solo por un instante o de forma permanente. Si se deforma solo por un instante regresando a su forma natural se le conoce como deformación elástica.

Deformación Plástica. Cuando se somete un material a una tensión logrando pasar de una zona elástica a una deformación constante sin llegar a la ruptura se le conoce como deformación plástica o permanente. Además toda zona plástica de un material requiere de un incremento de temperatura.

PUNTO DE FLUENCIA Es aquel punto en el que el desplazamiento atómico se hace notorio o importante.

PUNTO DE FLUENCIA CONVENCIONAL Es el esfuerzo de comportamiento plástico y elástico que no se detecta con facilidad y por lo tanto la única forma de aproximarse a el es calculándolo trazando una paralela a la forma de la curva partiendo de una deformación de 0.002 sin embargo no se puede asegurar que sea exacto el punto.

PUNTO DE FLUENCIA COVENCIONAL 0.002

APARTIR DE 0.002 plg/plg SE TRAZA UNA PARELELA

0.004

DOBLE PUNTO DE FLUENCIA Algunos materiales y generalmente las aleaciones tienen características de doble punto de fluencia, es decir algunas moléculas de aleación empiezan a ceder con un determinado esfuerzo sin embargo las otras estructuras que existen en la aleación retiene la deformación de la anterior esperando una tensión mayor para poder rebasar el siguiente punto de fluencia

Modulo de joule Es la pendiente reconocida también como modulo de elasticidad generada de la cuerva esfuerzo deformación además este modulo esta relacionado con la fuerza que une a los átomos internos de un material. Una pendiente muy acentuada indica que requieren grandes fuerzas para poder modificar el material además si comparamos el modulo de elasticidad de un acero el cual será mas pequeño que el modulo de elasticidad de un aluminio sin embargo el acero soporta mayor tensión que el aluminio. DUCTILIDAD: capacidad que presentan algunos materiales de deformarse sin romperse permitiendo obtener alambres o hilos de dicho material, bajo la acción de una fuerza, por ejemplo: cobre. MALEABILIDAD: capacidad que presentan algunos materiales de deformarse sin romperse permitiendo obtener láminas delgadas, bajo la acción de una fuerza, por ejemplo: cobre. FRAGILIDAD: capacidad de un material de romperse con escasa deformación. La rotura frágil absorbe poca energía, a diferencia de la rotura dúctil, que absorbe mucha energía.

TENACIDAD: es la habilidad de un material para absorber energía durante la deformación plástica. Cuantifica la cantidad de energía absorbida por unidad de superficie de rotura bajo la acción de un esfuerzo progresivo. Se mide con el ensayo: tensión-deformación. La tenacidad se utiliza mucho, pero es difícil de medir. La forma de concretar el concepto es calcular el área bajo la curva de esfuerzo - deformación. . RESILIENCIA: es la magnitud que cuantifica la cantidad de energía absorbida por unidad de superficie al romperse por efecto de un impacto. Se mide con el ensayo Charpy. Se mide en Julios por metro cuadrado : J/m2 (SI);o kgf·m/cm2; o kp·m/cm2 ACRITUD:es la propiedad de un metal de aumentar su dureza, su resistencia a tracción y su fragilidad debido a la deformación en frío. FATIGA: deformación o rotura de un materialsi se le somete a la acción de cargas periódicas (alternativas o intermitentes) con cargas menores a la de rotura del material al actuar un número de veces o un tiempo determinado. DUREZA Dentro de los proceso industriales la característica de dureza es fundamental debido a que las maquinas pasan de eslabón a eslabón transfiriendo fuerzas, velocidades y aleaciones pero suficiente fricción. Las durezas mas comunes son: La Rockwell (A, B, C, D, E, F, G), la dureza Brinells y la dureza Vickers. Estas durezas solo nos dan un parámetro superficial pero sumamente importante dentro de todos los procesos. Dureza: se puede considerar como la oposición o resistencia que presenta un material a ser penetrado.

IMPORTANCIA DE LA MEDICION DE DUREZA Nos indica la calidad del tratamiento térmico que recibe el material, la calidad del material nos puede indicar dureza sobre soldaduras y lo mas importante es una prueba no destructiva por lo tanto se le puede aplicar a todas las piezas de la producción.

DUREZA ROCKWELL Método para determinar la dureza, es decir, la resistencia de un material a ser penetrado. El ensayo de dureza Rockwell constituye el método más usado para medir la dureza debido a que es muy simple de llevar a cabo y no requiere conocimientos especiales. Se pueden utilizar diferentes escalas que provienen de la utilización de distintas combinaciones de penetradores y cargas, lo cual permite ensayar prácticamente cualquier metal o aleación. Hay dos tipos de penetradores: unas bolas esféricas de acero endurecido (templado y pulido) de 1/16, 1/8, ¼ y ½ pulg, y un penetrador cónico de diamante con un ángulo de 120º +/30' y vértice redondeado formando un casquete esférico de radio 0,20mm (Brale), el cual se utiliza para los materiales más duros.

DUREZA ROCKWELL SUPERFICIAL Es una variante del Ensayo Rockwell cuyo fin es únicamente analizar la superficie de los materiales. Por ejemplo, para analizar la superficie de un acero que ha sido tratado por carburación y medir así su dureza. Su técnica es básicamente reducir el esfuerzo aplicado para sólo penetrar en la superficie. Para este ensayo se utiliza una precarga menor de 3kg, seguida de una carga mayor de 15, 30 o 45kg. Estas escalas se identifican mediante número (15, 30 o 45) y una letra (N, T, W o Y) en función del penetrador.

ESCALA DUREZA ROCKWELL

Símbolo de la escala

A

Penetrador

Diamante

Carga Mayor (kg)

Aplicaciones

60

Aceros tratados y sin tratar. Materiales muy duros. Chapas duras y delgadas.

B

Bola de 1/16 pulgada

100

Aceros recocidos y normalizados.

C

Diamante

150

Aceros tratados térmicamente.

D

Diamante

100

Aceros cementados.

E

Bola de 1/8 pulgada

100

Metales blandos y antifricción.

F

Bola de 1/16 pulgada

60

Bronce recocido.

G

Bola de 1/16 pulgada

150

Bronce fosforoso y otros materiales.

H

Bola de 1/8 pulgada

60

Metales blandos con poca homogeneidad, fundiciones con base hierro.

K

Bola de 1/8 pulgada

150

Aplicaciones análogas al tipo anterior.

ESCALAS DE LA DUREZA ROCKWELL SUPERFICIAL

Símbolo de la escalaº

Penetrador

Carga mayor (kg)

Aplicaciones

15N

Diamante

15

Aceros nitrurados, cementados y herramientas de gran dureza.

30N

Diamante

30

Aplicaciones análogas al tipo anterior.

45N

Diamante

45

Aplicaciones análogas al tipo anterior.

15T

Bola de pulgada

1/16

15

Bronce, latón y aceros blandos

30T

Bola de pulgada

1/16

30

Bronce, latón y aceros blandos

45T

Bola de pulgada

1/16

45

Bronce, latón y aceros blandos

15W

Bola de pulgada

1/8

15

Bronce, latón y aceros blandos

30W

Bola de pulgada

1/8

30

Bronce, latón y aceros blandos

45W

Bola de pulgada

1/8

45

Bronce, latón y aceros blandos

DUREZA BRINELLS Se basa en la aplicación de una carga fija mediante un penetrador esferito que se abre pasa sobre la superficie lisa de la muestra. Una vez que se quita la carga, se determina el área de la penetración, lo cual indica la resistencia a la carga. Las cargas son aplicadas por sistemas hidráulicas hasta 3000 Kg.; los penetradores generalmente están constituidos de acero endurecido o de carburo de tungsteno aproximadamente de 10mm de diámetro.

INDENTADORES: La bola para ello ensayo de dureza brinell debe tener 10 mm. de diámetro con una desviación no mayor de 0.005 en cualquiera de los diámetros. Las bolas mas pequeñas tienen diámetros y tolerancias como se muestran en la siguiente tabla. Diámetro de la bola (mm.)

Tolerancia (mm.)

Desde 1 a 3 incluido

+ 0.0035

Mas de 3 hasta 6 incluido

+ 0.004

Mas de 6 hasta 10 incluido

+ 0.0045

DUREZA VICKERS Emplea como penetrador un diamante con forma de pirámide cuadrangular. Para materiales blandos, los valores Vickers coinciden con los de la escala Brinell. Mejora del ensayo Brinell para efectuar ensayos de dureza con chapas de hasta 2mm de espesor. IMPACTO Dureza al impacto significa la capacidad de absorción de energía de un cuerpo. Cuando hablemos del impacto consideraremos que los materiales dúctiles tiene mayor desempeño en esta área pero sin olvidarse del valor de dureza generalmente se van dando en Joules.

PROPIEDADES DE LOS METALES FISICAS  Propiedades físicas: la mayoría de los metales tiene un color grisáceo y pocos tienen color distinto como el cobre o el oro.  Entre otros metales aparecen mas de un color esto se llama pleocroismo.  Densidad: relación entre masa y volumen.  Estado físico: todos son sólidos a temperatura ambiente excepto el mercurio.

 Brillo: reflejo de luz.

3.- MATERIALES Y ALEACIONES 3.1.EL HIERRO Y SUS ALEACIONES El proceso de fabricacion partiendo de la fundicion o hierro colado el cual es muy impuro debido a que contiene exesiva cantidad de carbono, silicio, fosforo y azufre, pero al eliminar impurezas obtenemos los eceros. La fabricacion de los aceros se considera apartir de 1856 al intoducir horos Besember. ACEROS Son aquellos productos ferrosos cuyo tanto por ciento de carbono esta comprendido entre 0.05% y 1.7%; el acero endurece por el temple y una vez templado, tiene la propiedad de que si se calienta de nuevo y se enfría lentamente, disminuye su dureza. El acero funde entre los 1400 y 1500°C, y se puede moldear con mas facilidad que el hierro. Aceros se pueden clasificar según se obtengan en estado sólido: ensoldados, batidos o forjados; o, en estado liquido, en hierros o aceros de fusión y homogéneos. También se clasifican según su composición química, en aceros originarios, al carbono y especiales. La proporción de carbono influye sobre las características del metal. Se distinguen dos grandes familias de acero: los aceros aleados y los no aleados. Existe una aleación cuando los elementos químicos distintos al carbono se adicionan al hierro según una dosificación mínima variable para cada uno de ellos. Por ejemplo el 0.5% para el silicio, el 0.08% para el molibdeno, el 10.5% para el cromo. De esta manera una aleación del 17% de cromo mas 8% níquel constituye un acero inoxidable. Y por eso no hay un acero sino múltiples aceros.

PROPIEDADES MECANICAS DE LOS ACEROS  Resistencia al desgaste. Es la resistencia que ofrece un material a dejarse erosionar cuando esta en contacto de fricción con otro material. Tenacidad. Es la capacidad que tiene un material de absorber energía sin producir Fisuras (resistencia al impacto).  Maquinabilidad. Es la facilidad que posee un material de permitir el proceso de mecanizado por arranque de viruta.  Dureza. Es la resistencia que ofrece un acero para dejarse penetrar. Se mide en unidades BRINELL (HB) ó unidades ROCKWEL C (HRC), mediante test del mismo nombre.

TRATAMIENTOS TERMICOS DE LOS ACEROS El tratamiento térmico en el material es uno de los pasos fundamentales para que pueda alcanzar las propiedades mecánicas para las cuales esta creado. La clave de los tratamientos térmicos consiste en las reacciones que se producen en el material, tanto en los aceros como en las aleaciones no férreas, y ocurren durante el proceso de calentamiento y enfriamiento de las piezas, con unas pautas o tiempos establecido. SON 3: TEMPLE, REVENIDO Y RECOCIDO. TEMPLE El temple tiene por objeto endurecer y aumentar la resistencia de los aceros. Para ello, se calienta el acero a una temperatura ligeramente más elevada que la crítica superior Ac (entre 900-950ºC) y se enfría luego más o menos rápidamente (según características de la pieza) en un medio como agua, aceite, etc. REVENIDO Es un tratamiento habitual a las piezas que han sido previamente templadas. El revenido consigue disminuir la dureza y resistencia de los aceros templados, se eliminan las tensiones creadas en el temple y se mejora la tenacidad, dejando al acero con la dureza o resistencia deseada. Se distingue básicamente del temple en cuanto a temperatura máxima y velocidad de enfriamiento. RECOCIDO Consiste básicamente en un calentamiento hasta temperatura de austenización (800-925ºC) seguido de un enfriamiento lento. Con este tratamiento se logra aumentar la elasticidad, mientras que disminuye la dureza. También facilita el mecanizado de las piezas al homogeneizar la estructura, afinar el grano y ablandar el material, eliminando la acritud que produce el trabajo en frío y las tensiones internas.

TRATAMIENTOS TERMOQUIMICOS DE LOS ACEROS En el caso de los tratamientos térmicos, no solo se producen cambios en la Estructura del Acero, sino también en su COMPOSICION QUIMICA, añadiendo diferentes productos químicos durante el proceso del tratamiento. Estos tratamientos tienen efecto solo superficial en las piezas tratadas. SON 2: CEMENTACION Y NITRURACION.

CEMENTACIÓN Mediante este tratamiento se producen cambios, en la composición química del acero. Se consigue teniendo en cuenta el medio o atmósfera que envuelve el metal durante el calentamiento y enfriamiento. Lo que se busca es aumentar el contenido de carbono de la zona periférica, obteniéndose después, por medio de temples y revenidos, una gran dureza superficial, resistencia al desgaste y buena tenacidad en el núcleo.

NITRURACIÓN Este tratamiento Termo Químico busca endurecer superficialmente un acero con nitrógeno, calentándolo a temperaturas comprendidas entre 400-525ºC, dentro de una corriente de gas amoníaco, más nitrógeno. º

PROCESOS DE OBTENCION Y PRODUCCION DE ACERO El acero se fabrica partiendo de la fundición o hierro colado; éste es muy impuro, pues contiene excesiva cantidad de carbono, silicio, fósforo y azufre, elementos que perjudican considerablemente la resistencia del acero y reducen el campo de sus aplicaciones. La fabricación verdadera del acero se inició hacia 1856, cuando se introdujo en la siderurgia el empleo del convertidor Bessemer, en la catualidad existen diferentes tipos hornos para la obtencion de acero.

TIPOS DE HORNOS  EL ALTO HORNO.  HORNO BESSEMER.  HORNO BASICO DE OXIGENO (BOF).  HORNO DE HOGAR ABIERTO.  HORNO DE ARCO ELECTRICO.  HORNO DE REFINACION.  HORNO DE INDUCCION.  HORNO DE AIRE O CRISOL.  HORNO DE CUBILOTE

EL ALTO HORNO En general los altos hornos tienen un diámetro mayor a 8 m y llegan a tener una altura superior de los 60 m. Están revestidos de refractario de alta calidad. Los altos hornos pueden producir entre 800 y 1600 toneladas de arrabio cada 24 h. La caliza, el coque y el mineral de hierro se introducen por la parte superior del horno por medio de vagones que son volteados en una tolva. Para producir 1000 toneladas de arrabio, se necesitan 2000 toneladas de mineral de hierro, 800 toneladas de coque, 500 toneladas de piedra caliza y 4000 toneladas de aire caliente.

Con la inyección de aire caliente a 550°C, se reduce el consumo de coque en un 70%. Los sangrados del horno se hacen cada 5 o 6 horas, y por cada tonelada de hierro se produce 1/2 de escoria.

HORNO BESSEMER Es un horno en forma de pera que está forrado con refractario de línea ácida o básica. El convertidor se carga con chatarra fría y se le vacía arrabio derretido, posteriormente se le inyecta aire a alta presión con lo que se eleva la temperatura por arriba del punto de fusión del hierro, haciendo que este hierva. Con lo anterior las impurezas son eliminadas y se obtiene acero de alta calidad. Este horno ha sido substituido por el BOF, el que a continuación se describe.

HORNO BÁSICO DE OXÍGENO (BOF) Es un horno muy parecido al Bessemer con la gran diferencia que a este horno en lugar de inyectar aire a presión se le inyecta oxígeno a presión, con lo que se eleva mucho más la temperatura que en el Bessemer y en un tiempo muy reducido. El nombre del horno se debe a que tiene un recubrimiento de refractario de la línea básica y a la inyección del oxígeno. La carga del horno está constituida por 75% de arrabio procedente del alto horno y el resto es chatarra y cal. La temperatura de operación del horno es superior a los 1650°C y es considerado como el sistema más eficiente para la producción de acero de alta calidad. Este horno fue inventado por Sir Henrry Bessemer a mediados de 1800, sólo que como en esa época la producción del oxígeno era cara se inició con la inyección de aire, con lo que surgió el convertidor Bessemer, el que ya fue descrito.

HORNO DE HOGAR ABIERTO Es uno de los hornos más populares en los procesos de producción del acero. Un horno de este tipo puede contener entre 10 y 540 toneladas de metal en su interior. Tiene un fondo poco profundo y la flama da directamente sobre la carga, por lo que es considerado como un horno de reverbero. Su combustible puede ser gas, brea o petróleo, por lo regular estos hornos tienen chimeneas laterales las que además de expulsar los gases sirven para calentar al aire y al combustible, por lo que se consideran como hornos regenerativos. Los recubrimientos de los hornos de hogar abierto por lo regular son de línea básica sin embargo existen también los de línea ácida ((ladrillos con sílice y paredes de arcilla). Las ventajas de una línea básica de refractario, sobre una ácida son que con la primera se pueden controlar o eliminar el fósforo, el azufre, el silicio, el magnesio y el carbono y con la línea ácida sólo se puede controlar al carbono. El costo de la línea básica es mayor que el de la ácida.

HORNO DE ARCO ELECTRICO

Por lo regular son hornos que sólo se cargan con chatarra de acero de alta calidad. Son utilizados para la fusión de aceros para herramientas, de alta calidad, de resistencia a la temperatura o inoxidables. Considerando que estos hornos son para la producción de aceros de alta calidad siempre están recubiertos con ladrillos de la línea básica. Existen hornos de arco eléctrico que pueden contener hasta 270 toneladas de material fundido. Para fundir 115 toneladas se requieren aproximadamente tres horas y 50,000 kwh de potencia. También en estos hornos se inyecta oxígeno puro por medio de una lanza. Los hornos de arco eléctrico funcionan con tres electrodos de grafito los que pueden llegar a tener 760mm de diámetro y longitud de hasta 12m. La mayoría de los hornos operan a 40v y la corriente eléctrica es de 12,000 A. Estos equipos tienen un crisol o cuerpo de placa de acero forrado con refractario y su bóveda es de refractario también sostenida por un cincho de acero, por lo regular enfriado con agua. Para la carga del horno los electrodos y la bóveda se mueven dejando descubierto al crisol, en el que se deposita la carga por medio de una grúa viajera. Estos equipos son los más utilizados en industrias de tamaño mediano y pequeño, en donde la producción del acero es para un fin determinado, como varilla corrugada, aleaciones especiales, etc.

 HORNO DE REFINACION Estos hornos pueden ser de varios tipos, en realidad puede ser cualquier horno al que por medio de aire u oxígeno se obtenga hierro con carbón controlado, sin embargo se pueden mencionar dos de los hornos más conocidos para este fin.  HORNO DE INDUCCION Utilizan una corriente inducida que circula por una bovina que rodea a un crisol en el cual se funde la carga. La corriente es de alta frecuencia y la bovina es enfriada por agua, la corriente es de aproximadamente 1000Hz, la cual es suministrada por un sistema de motogenerador. Estos hornos se cargan con piezas sólidas de metal, chatarra de alta calidad o virutas metálicas. El tiempo de fusión toma entre 50 y 90 min, fundiendo cargas de hasta 3.6 toneladas. Los productos son aceros de alta calidad o con aleaciones especiales. HORNO DE AIRE O CRISOL Es el proceso más antiguo que existe en la fundición, también se le conoce como horno de aire. Este equipo se integra por un crisol de arcilla y grafito, los que son extremadamente frágiles, los crisoles se colocan dentro de un confinamiento que puede contener algún combustible sólido como carbón o los productos de la combustión. Los crisoles son muy poco utilizados en la actualidad excepto para la fusión de metales no ferrosos, su capacidad fluctúa entre los 50 y 100 kg.

HORNO DE CUBILOTE Son equipos muy económicos y de poco mantenimiento, se utilizan para hacer fundición de hierros colados. Consisten en un tubo de más de 4 metros de longitud y pueden tener desde 0.8 a 1.4 m de diámetro, se cargan por la parte superior con camas de chatarra de hierro, coque y piedra caliza. Para la combustión del coque se inyecta aire con unos ventiladores de alta presión, este accede al interior por unas toberas ubicadas en la parte inferior del horno. También estos hornos se pueden cargar con pelets de mineral de hierro o pedacería de arrabio sólido. Por cada kilogramo de coque que se consume en el horno, se procesan de 8 a 10 kilogramos de hierro y por cada tonelada de hierro fundido se requieren 40kg de piedra caliza y 5.78 metros cúbicos de aire a 100 kPa a 15.5°C. Los hornos de cubilote pueden producir colados de hasta 20 toneladas cada tres horas. Este tipo de equipo es muy parecido al alto horno, sólo sus dimensiones disminuyen notablemente. El mayor problema de estos hornos es que sus equipos para el control de emisiones contaminantes es más costoso que el propio horno, por ello no se controlan sus emisiones de polvo y por lo tanto no se autoriza su operación.

SOLUBILIDAD En todos los materiales existen características especificas cuando los estamos manejando tanto en sustancias como en los líquidos a esto se le conoce como solubilidad. Solubilidad limitada: cuando se tienen 2 materiales puros y si importa la cantidad de cada uno de ellos. Ya que se llega a un momento en donde se limita la cantidad de uno de ellos. Solubilidad ilimitada: esta mezcla no tiene ningún reparo en mezclar cualquier porcentaje de cada uno de ellos.

DIAGRAMA HIERRO-CARBONO

ALEACIONES HIERRO-CARBONO El hierro puro apenas tiene aplicaciones industriales, pero formando aleaciones con el carbono (además de otros elementos), es el metal más utilizado en la industria moderna. A la temperatura ambiente, salvo una pequeña parte disuelta en la ferrita, todo el carbono que contienen las aleaciones Fe-C está en forma de carburo de hierro( CFe3 ). Por eso, las aleaciones Fe-C se denominan también aleaciones hierro-carburo de hierro.

Las aleaciones con contenido de C comprendido entre 0.03% y 1.76% tienen características muy bien definidas y se denominan aceros. Los aceros de cualquier proporción de carbono dentro de los límites citados pueden alearse con otros elementos, formando los denominados aceros aleados o aceros especiales. Algunos aceros aleados pueden contener excepcionalmente hasta el 2.5% de C. Los aceros generalmente son forjables, y es ésta una cualidad muy importante que los distingue. Si la proporción de C es superior a 1.76% las aleaciones de Fe-C se denominan fundiciones, siendo la máxima proporción de C aleado del 6.67%, que corresponde a la cementita pura. Las fundiciones, en general, no son forjables.

TIPOS DE ACEROS En las aleaciones Fe-C pueden encontrarse hasta once constituyentes diferentes, que se denominan: ferrita, cementita, perlita, austenita, martensita, troostita sorbita, bainita, ledeburita, steadita y grafito.

FERRITA Aunque la ferrita es en realidad una solución sólida de carbono en hierro alfa, su solubilidad a la temperatura ambiente es tan pequeña que no llega a disolver ni un 0.008% de C. Es por esto que prácticamente se considera la ferrita como hierro alfa puro. La ferrita es el más blando y dúctil constituyente de los aceros. Cristaliza en una estructura BCC. Tiene una dureza de 95 Vickers, y una resistencia a la rotura de 28 Kg/mm2, llegando a un alargamiento del 35 al 40%. Además de todas estas características, presenta propiedades magnéticas. En los aceros aleados, la ferrita suele contener Ni, Mn, Cu, Si, Al en disolución sólida sustitucional. Al microscopio aparece como granos monofásicos, con límites de grano más irregulares que la austenita. El motivo de esto es que la ferrita se ha formado en una transformación en estado sólido, mientras que la austenita, procede de la solidificación.

La ferrita en la naturaleza aparece como elemento proeutectoide que acompaña a la perlita en:

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Cristales mezclados con los de perlita (0.55% C)

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Formando una red o malla que limita los granos de perlita (0.55% a 0.85% de C)

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Formando agujas en dirección de los planos cristalográficos de la austenita.

CEMENTITA

Es carburo de hierro y por tanto su composición es de 6.67% de C y 93.33% de Fe en peso. Es el constituyente más duro y frágil de los aceros, alcanzando una dureza de 960 Vickers. Cristaliza formando un paralelepípedo ortorrómbico de gran tamaño. Es magnética hasta los 210ºC, temperatura a partir de la cual pierde sus propiedades magnéticas. Aparece como:

Cementita proeutectoide, en aceros hipereutectoides, formando un red que envuelve a los granos perlíticos. -

Componente de la perlita laminar.

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Componente de los glóbulos en perlita laminar.

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Cementita alargada (terciaria) en las uniones de los granos (0.25% de C)

PERLITA

Es un constituyente compuesto por el 86.5% de ferrita y el 13.5% de cementita, es decir, hay 6.4 partes de ferrita y 1 de cementita. La perlita tiene una dureza de aproximadamente 200 Vickers, con una resistencia a la rotura de 80 Kg/mm2 y un alargamiento del 15%. Cada grano de perlita está formado por láminas o placas alternadas de cementita y ferrita. Esta estructura laminar se observa en la perlita formada por enfriamiento muy lento. Si el enfriamiento es muy brusco, la estructura es más borrosa y se denomina perlita sorbítica. Si la perlita laminar se calienta durante algún tiempo a una temperatura inferior a la crítica (723 ºC), la cementita adopta la forma de glóbulos incrustados en la masa de ferrita, recibiendo entonces la denominación de perlita globular.

AUSTENITA Este es el constituyente más denso de los aceros, y está formado por la solución sólida, por inserción, de carbono en hierro gamma. La proporción de C disuelto varía desde el 0 al 1.76%, correspondiendo este último

porcentaje de máxima solubilidad a la temperatura de 1130 ºC.La austenita en los aceros al carbono, es decir, si ningún otro elemento aleado, empieza a formarse a la temperatura de 723ºC. También puede obtenerse una estructura austenítica en los aceros a temperatura ambiente, enfriando muy rápidamente una probeta de acero de alto contenido de C a partir de una temperatura por encima de la crítica, pero este tipo de austenita no es estable, y con el tiempo se transforma en ferrita y perlita o bien cementita y perlita.

Excepcionalmente, hay algunos aceros al cromo-niquel denominados austeníticos, cuya estructura es austenítica a la temperatura ambiente. La austenita está formada por cristales cúbicos de hierro gamma con los átomos de carbono intercalados en las aristas y en el centro. La austenita tiene una dureza de 305 Vickers, una resistencia de 100 Kg/mm2 y un alargamiento de un 30 %. No presenta propiedades magnéticas. MARTENSITA Bajo velocidades de enfriamiento bajas o moderadas, los átomos de C pueden difundirse hacía afuera de la estructura austenítica. De este modo, los átomos de Fe se mueven ligeramente para convertir su estructura en una tipo BCC. Esta transformación gamma-alfa tiene lugar mediante un proceso de nucleación y crecimiento dependiente del tiempo (si aumentamos la velocidad de enfriamiento no habrá tiempo suficiente para que el carbono se difunda en la solución y, aunque tiene lugar algún movimiento local de los átomos de Fe, la estructura resultante no podrá llagar a ser BCC, ya que el carbono está “atrapado” en la solución). La estructura resultante denominada martensita, es una solución sólida sobresaturada de carbono atrapado en una estructura tetragonal centrada en el cuerpo. Esta estructura reticular altamente distorsionada es la principal razón para la alta dureza de la martensita, ya que como los átomos en la martensita están empaquetados con una densidad menor que en la austenita, entonces durante la transformación (que nos lleva a la martensita) ocurre una expansión que produce altos esfuerzos localizados que dan como resultado la deformación plástica de la matriz.

Después de la cementita es el constituyente más duro de los aceros. La martensita se presenta en forma de agujas y cristaliza en la red tetragonal. La proporción de carbono en la martensita no es constante, sino que varía hasta un máximo de 0.89% aumentando su dureza, resistencia mecánica y fragilidad con el contenido de carbono. Su dureza está en torno a 540 Vickers, y su resistencia mecánica varía de 175 a 250 Kg/mm2 y su alargamiento es del orden del 2.5 al 0.5%. Además es magnética. BAINITA

Se forma la bainita en la transformación isoterma de la austenita, en un rango de temperaturas de 250 a 550ºC. El proceso consiste en enfriar rápidamente la austenita hasta una temperatura constante, manteniéndose dicha temperatura hasta la transformación total de la austenita en bainita.

LEDEBURITA

La ledeburita no es un constituyente de los aceros, sino de las fundiciones. Se encuentra en las aleaciones Fe-C cuando el porcentaje de carbono en hierro aleado es superior al 25%, es decir, un contenido total de 1.76% de carbono.

La ledeburita se forma al enfriar una fundición líquida de carbono (de composición alrededor del 4.3% de C) desde 1130ºC, siendo estable hasta 723ºC, decomponiéndose a partir de esta temperatura en ferrita y cementita

CLASIFICACION DE LOS ACEROS Los aceros se clasifican en cinco grupos principales: aceros al carbono aceros aleados aceros de baja aleación ultra resistentes aceros inoxidables aceros de herramientas.

ACEROS AL CARBONO El 90% de los aceros son aceros al carbono. Estos aceros contienen una cantidad diversa de carbono, menos de un 1,65% de manganeso, un 0,6% de silicio y un 0,6% de cobre. Con este tipo de acero se fabrican maquinas, carrocerías de automóvil, estructuras de construcción, pasadores de pelo, etc. ACEROS ALEADOS Estos aceros están compuestos por una proporción determinada de vanadio, molibdeno y otros elementos; además de cantidades mayores de manganeso, silicio y cobre que los aceros al carbono. Estos aceros se emplean para fabricar engranajes, ejes, cuchillos, etc.

Clasificación de los aceros aleados de acuerdo con su utilización Aceros en los que tiene una gran importancia la templabilidad:

 Aceros de construcción: Aceros de gran resistencia Aceros de cementación Aceros para muelles Aceros de nitruración Aceros resistentes al desgaste Aceros para imanes Aceros para chapa magnética Aceros inoxidables y resistentes al calor  Aceros de herramientas: Aceros rápidos Aceros de corte no rápidos Aceros indeformables Aceros resistentes al desgaste Aceros para trabajos de choque Aceros inoxidables y resistentes al calor.

ACEROS DE BAJA ALEACION ULTRA RESISTENTES Es la familia de aceros mas reciente de las cinco. Estos aceros son más baratos que los aceros convencionales debido a que contienen menor cantidad de materiales costosos de aleación. Sin embargo, se les da un tratamiento especial que hace que su resistencia sea mucho mayor que la del acero al carbono. Este material se emplea para la fabricación de vagones porque al ser más resistente, sus paredes son más delgadas, con lo que la capacidad de carga es mayor. Además, al pesar menos, también se pueden cargar con un mayor peso. También se emplea para la fabricación de estructuras de edificios. ACEROS INOXIDABLES Son una gama de aleaciones que contienen un mínimo de 11% de Cromo. El Cromo forma en la superficie del acero una película pasivante, extremadamente delgada, continua y estable. Esta película deja la superficie inerte a las reacciones químicas. Esta es la característica principal de resistencia a la corrosión de los aceros inoxidables. El extenso rango de propiedades y características secundarias, presentes en los aceros inoxidables hacen de ellos un grupo de aceros muy versátiles. La selección de los aceros inoxidables puede realizarse de acuerdo con sus características: · Resistencia a la corrosión y a la oxidación a temperaturas elevadas. · Propiedades mecánicas del acero · Características de los procesos de transformación a que será sometido. · Costo total (reposición y mantenimiento) - Disponibilidad del acero.

CLASIFICACION DE LOS ACEROS INOXIDABLES Los aceros inoxidables no son indestructibles, sin embargo con una selección cuidadosa, sometiéndolos a procesos de transformación adecuados y realizando una limpieza periódica, algún integrante de la familia de los aceros inoxidables resistirá las condiciones corrosivas y de servicio más severas.  Serie 400 Aceros Inoxidables Martensíticos  Serie 400 Aceros Inoxidables Ferríticos  Serie 300 Los Aceros Inoxidables Austeníticos.  Aceros inoxidables endurecidos por precipitación.

SERIE 400 ACEROS INOXIDABLES MARTENSÍTICOS Son la primera rama de los aceros inoxidables, llamados simplemente al Cromo y fueron los primeros desarrollados industrialmente (aplicados en cuchillería). Tienen un contenido de Carbono relativamente alto de 0.2 a 1.2% y de Cromo de 12 a 18%. Los tipos más comunes son el AISI 410, 420 y 431 Las propiedades básicas son: Elevada dureza (se puede incrementar por tratamiento térmico) y gran facilidad de maquinado, resistencia a la corrosión moderada. Principales aplicaciones: Ejes, flechas, instrumental quirúrgico y cuchillería.

SERIE 400 ACEROS INOXIDABLES FERRÍTICOS También se consideran simplemente al Cromo, su contenido varia de 12 a 18%, pero el contenido de Carbono es bajo