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Tecnología de los materiales. Importancia. Cada aplicación que se es diseñada debe contar con la elección adecuada de materiales, esta elección es tomada por los ingenieros según una serie de parámetros que deben estudiarse, como son resistencia, procesamiento, costos, etc.

Materiales utilizados en Ingeniería. Los materiales que se utilizan en ingeniería pueden clasificarse de la siguiente manera:

Metales Se denomina metal a los elementos químicos caracterizados por ser buenos conductores del calor y la electricidad. Poseen alta densidad y son sólidos a temperatura ambiente con excepción del mercurio, sus sales forman iones electropositivos (cationes) en disolución. Poseen enlaces atómicos que les permite conducir el calor y electricidad, y generalmente reflejar la luz. Al ser ambiguo la definición de metal se dice que un metal es aquel elemento cuya conductividad eléctrica disminuye al elevar la temperatura. Este término puede aplicarse tanto a elementos puros como Fe y a distintas aleaciones como el acero, las aleaciones son utilizadas porque poseen mejores propiedades que los metales en estado puro.

No metal Tienden a formar aniones en soluciones acuosas, y forma óxidos ácidos con los metales. Entre sus principales características están los puntos de fusión más bajos que los de los metales y baja densidad, son frágiles y quebradizos, no forman hilos ni láminas, su superficie es opaca, y no reflejan la luz. Son malos conductores de calor y electricidad, y suelen ser aislantes. Pueden encontrarse en forma gaseosa y diatómica como por ejemplo el oxígeno, hidrógeno, nitrógeno. El uso de estos elementos se limita a aplicaciones específicas como por ejemplo, el nitrógeno líquido se utiliza como refrigerante en cámaras criogénicas.

Semimetal o metaloide Se caracterizan por presentar un comportamiento intermedio entre los metales y los no metales. Generalmente, son mejores conductores de calor y de electricidad que los no metales, pero no tanto como los metales. En ingeniería moderna han cobrado mayor importancia ya que sin ellos sería imposible la construcción de circuitos integrados, microcontroladores, diodos, etc. Como son el silicio y el germanio.

Cerámicos. Generalmente se utilizan como aislantes por su baja conductividad eléctrica y térmica, suelen ser duros y fuertes pero muy frágiles, pueden ser utilizados en aplicaciones de carga si son manufacturados de la manera correcta, ejemplos de materiales cerámicos son el ladrillo, vidrio, la porcelana y material refractario.

Polímeros. Su característica principal es la de que se poseen grandes cadenas moleculares, tienen baja conductividad eléctrica y térmica, baja resistencia y no pueden utilizarse en aplicaciones a altas temperaturas. En los polímeros se encuentran los termoplásticos, los termoestables, ciertos adhesivos y el hule.

Materiales compuestos. Son materiales que se forman a partir de la dos o más materiales y poseen propiedades mucho mejores como por ejemplo la fibra de vidrio, el kevlar o la fibra de carbono. Los materiales compuestos son ligeros, fuertes, dúctiles, resistentes a la temperatura y pueden disipar energía.

Propiedades de los materiales. La vida útil de una pieza o artefacto depende de un correcto diseño y elección de los materiales utilizados en su construcción, cada material posee propiedades físicas y químicas que le permiten cumplir con las funciones que se espera de ellos.

Propiedades.

Procesamiento de los materiales. La forma en que se obtienen y luego se manufacturan los materiales también influye en las propiedades finales que posee un material, por ejemplo un metal que solo se procesa por una fundición tiene diferentes propiedades que otro al que se lo forja, lamina o se le somete a un tratamiento térmico.

Efectos ambientales sobre el comportamiento de los materiales. Las condiciones externas en las que se encuentra un material influyen sobre las propiedades de un material.

Temperatura. La temperatura puede influir en las propiedades de un material, por ejemplo al momento de diseño de un motor de combustión interna se debe tomar en cuenta la dilatación que sufren los materiales a medida que estos se calientan hasta llegar a un punto de equilibrio. La temperatura también puede cambiar estructura atómica de los materiales, lo que es utilizado en los tratamientos térmicos, el templado consiste en elevar la

temperatura de un metal hasta cierto punto y luego enfriarlo rápidamente, elevando la dureza de ese metal. Por otro lado temperaturas muy bajas pueden causar fatiga en los materiales.

Corrosión. Los metales y muchos polímeros reaccionan con el oxígeno y otros gases lo que provoca que estos pierdan sus propiedades, también pueden existir líquidos corrosivos que causan estos mismos efectos que terminan por destruir el material.

Estructura atómica. La forma en que se encuentran los átomos en un material afecta el comportamiento eléctrico, magnético, térmico y óptico, es decir sus propiedades físicas y también influye en las propiedades mecánicas por la forma en que se unen los átomos unos con otros. Un átomo está compuesto por electrones, neutrones y protones, un átomo es eléctricamente neutro. El número atómico de un elemento es igual al número de electrones o protones, el hidrogeno tiene un protón, un electrón y por lo tanto su número atómico es 1.

Estructuras cristalinas. Si los átomos o iones de un sólido están ordenados en una disposición que se repite tridimensionalmente, se dice que dicho sólido posee una estructura cristalina. Los sólidos que poseen estructuras cristalinas son: 

Metales



Aleaciones



Algunos materiales cerámicos.

La estructura o disposición de los átomos en un material es importante porque influye en las siguientes propiedades: 

Densidad



Resistencia eléctrica



Módulo de elasticidad



Dilatación térmica



Punto de fusión



Conductividad térmica entre otras.

Las principales estructuras cristalinas son: 1. Estructura cristalina cúbica centrada en el cuerpo (BCC).

2. Estructura cristalina cúbica centrada en las caras (FCC).

3. Estructura cristalina hexagonal compacta (HCP).

Estructura cristalina Característica

BCC

FCC

HCP

0.74 (Compacta: Factor de empaquetamiento atómico (relación entre las esferas y el cubo

átomos 0.68

que la limita)

ocupan el máximo

0.74 (Compacta)

volumen posible) Número de coordinación (número de átomos que está en contacto con 1

8

12

12

𝑎 = 2𝑅√2

a=2R

átomo) Relación arista/radio

Ejemplos

𝑎=

4𝑅 √3

Fe (α), V,

Cu, Al, Ni,

Cr, Mo, W,

Ag, Fe (γ),

Ti (β)

Au, Pt

Mg, Zn, Be, Ti (α), Zr

DEFECTOS E IMPERFECCIONES CRISTALINAS Realmente no existen cristales perfectos sino que contienen varios tipos de imperfecciones y defectos, que afectan a muchas de sus propiedades físicas y mecánicas y también influyen en algunas propiedades de los materiales a nivel de aplicación ingenieril tal como la capacidad de formar aleaciones en frío, la conductividad eléctrica y la corrosión. Las imperfecciones se clasifican según su geometría y forma así: 

Defectos puntuales o de dimensión cero.



Defectos lineales o de una dimensión llamados también dislocaciones.



Defectos de dos dimensiones.

DEFECTOS PUNTUALES Vacante Constituye el defecto puntual más simple. Es un hueco creado por la pérdida 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. (Figura 1) El número de vacantes en equilibrio Nv para una cantidad dada de material, se incrementa con la temperatura de acuerdo a la ecuación:

𝐷𝑜𝑛𝑑𝑒 𝑁𝑣 𝑒𝑠 𝑒𝑙 𝑛ú𝑚𝑒𝑟𝑜 𝑑𝑒 𝑣𝑎𝑐𝑎𝑛𝑡𝑒𝑠 𝑝𝑜𝑟 𝑚𝑒𝑡𝑟𝑜 𝑐ú𝑏𝑖𝑐𝑜. 𝑁 𝑒𝑠 𝑒𝑙 𝑛ú𝑚𝑒𝑟𝑜 𝑑𝑒 𝑝𝑢𝑛𝑡𝑜𝑠 𝑒𝑛 𝑙𝑎 𝑟𝑒𝑑 𝑝𝑜𝑟 𝑚𝑒𝑡𝑟𝑜 𝑐ú𝑏𝑖𝑐𝑜. 𝑄 𝑒𝑠 𝑙𝑎 𝑒𝑛𝑒𝑟𝑔í𝑎 𝑟𝑒𝑞𝑢𝑒𝑟𝑖𝑑𝑎 𝑝𝑎𝑟𝑎 𝑝𝑟𝑜𝑑𝑢𝑐𝑖𝑟 𝑢𝑛𝑎 𝑣𝑎𝑐𝑎𝑛𝑐𝑖𝑎 (𝐽 /á𝑡𝑜𝑚𝑜) 𝑇 𝑒𝑠 𝑙𝑎 𝑡𝑒𝑚𝑝𝑒𝑟𝑎𝑡𝑢𝑟𝑎 𝑒𝑛 𝐾 𝐾 𝑒𝑠 𝑙𝑎 𝑐𝑜𝑛𝑠𝑡𝑎𝑛𝑡𝑒 𝑑𝑒 𝐵𝑜𝑙𝑡𝑧𝑚𝑎𝑛𝑛 (1.38 𝑥 10 − 23𝐽/á𝑡𝑜𝑚𝑜 𝐾) ó 8.62 𝑥 10 − 5𝑒𝑉/á𝑡𝑜𝑚𝑜 𝐾

Son las imperfecciones más comunes en los cristales. Las vacantes de no equilibrio tienen tendencia a agruparse formando divacantes o trivacantes. 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 Intersticiales 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. (Figura 2).

Figura 2. Defecto Intersticial Impurezas en sólidos Este defecto se introduce cuando un átomo es reemplazado por un átomo diferente.

El átomo sustituyente puede ser más grande que el átomo original y en ese caso los átomos alrededor están a compresión ó puede ser más pequeño que el átomo original y en este caso los átomos circundantes estarán a tensión. Este

defecto

puede

presentarse

como

una impureza o como una adición

deliberada en una aleación. (Figura 3)

Figura 3. Impurezas o reemplazamientos Dependiendo de la clase de impureza que se halle en el cristal, de su concentración y de la temperatura se formará en el cristal una SOLUCIÓN SÓLIDA. Cuando

se

habla

de solución sólida hay que hacer claridad sobre algunos

términos: 

Soluto: Es el elemento o compuesto dentro de la solución sólida, que se encuentra en menor concentración.



Solvente: Es el elemento dentro de la solución sólida, que se encuentra en mayor concentración.

Una

solución

sólida

se

forma

cuando

átomos

de

soluto

se

adicionan al

material y la estructura cristalina original se mantiene. Se puede asimilar a una solución líquida en la que también los átomos que constituyen las impurezas (soluto) están distribuidos al azar y uniformemente dispersos dentro del sólido.

Los defectos puntuales de impurezas dentro de las soluciones sólidas pueden generarse por dos mecanismos: -

Sustitución:

Aquí el soluto o las impurezas reemplazan a átomos

originales. Esto se da cuando los átomos que constituyen el soluto y el solvente cumplen los siguientes requerimientos. 

Los radios atómicos no difieran más del 15%



Las estructuras cristalinas deben ser las mismas



Las electronegatividades deben ser similares ya que de otra manera reaccionarían y se formarían nuevos compuestos



-

Deben tener la misma valencia

Intersticial: Aquí los átomos de las impurezas llenan los vacíos o intersticios dentro del material original. En la mayoría de

los materiales metálicos el empaquetamiento atómico es

alto y los intersticios son pequeños. Consecuentemente los diámetros de los átomos que constituyen las impurezas intersticiales deben ser sustancialmente más pequeñas que los del material original, razón

por

la

cual

este

defecto

es

mucho

menos

común.

Defecto Frenkel Es una imperfección combinada Vacancia – Defecto intersticial. Ocurre cuando un ion salta de un punto normal dentro de la red a un sitio intersticial dejando entonces una vacancia. (Figura 4)

Figura 4. Defecto Frenkel

Defecto Schottky Es un par de vacancias en un material con enlaces iónicos. Para mantener la neutralidad, deben perderse de la red tanto un catión como un anión. (Figura 5)

Figura 5. Defecto Schottky

DEFECTOS DE LINEA (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 más cercanos del extra semiplano. La magnitud de esta distorsión decrece con la distancia al semiplano insertado.

Figura 6. Dislocación de cuña La distancia de desplazamiento de los átomos en torno a una dislocación se llama DESLIZAMIENTO o vector de Burgers y es perpendicular a la línea de dislocación de cuña.

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. Figura 7.

Figura 7. Dislocación helicoidal Aquí el vector de Burgers o de desplazamiento es paralelo a la línea de dislocación. 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 visualizar,

pero

el

vector

de

la dislocación mixta es difícil

Burgers

proporciona

conveniente y sencilla. (Figura 8)

Figura 8. Dislocación mixta

una

de

descripción

DEFECTOS INTERFACIALES O SUPERFICIALES Los 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 más reactiva que el resto del material. Grano Un grano (también llamado cristalita) es la estructura de una roca formada por pequeños elementos perceptibles a simple vista. Cada uno de estos elementos es un grano.

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 límites de grano son áreas de alta energía y hace de esta región una más 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.

PROPIEDADES MECÁNICAS. Ensayo de tensión. Mide la Resistencia de un material a una fuerza estática o gradualmente aplicada,

El hierro. Es un metal que se encuentra presente en la naturaleza en forma de óxidos, sus aleaciones son utilizadas en forma industrial como son el acero y las fundiciones. Las aleaciones que tengan como base el hierro son conocidas como aleaciones ferrosas mientras que aleaciones que no contengan este elemento se las conoce como aleaciones no ferrosas. Sus principales características son: 

Color gris



Magnético



Dúctil



Buen conductor de calor y electricidad (característica compartida con todos los metales)



La temperatura de fusión es de aproximadamente 1535 °C.



Es el cuarto elemento más abundante de la corteza terrestre.



Duro



Posee estructura cristalina.

Los minerales de los que se puede extraer hierro debido a su concentración (20 – 50%) son: 1. Hematina roja, óxido de hierro (Fe2O3) 2. Limonita o hematina parda, oxido hidratado de hierro. 3. Magnetita, óxido ferroso-férrico (Fe3O4) 4. Siderita, carbonato de hierro (FeCO3)

Métodos de extracción. Los metales no se encuentran en forma pura en la naturaleza, salvo pequeñas excepciones, generalmente se encuentran en forma de óxidos constitutivos de ciertos minerales o combinados entre sí, para obtener su forma pura es necesario el empleo de procedimientos físicos o químicos.

Mediante método mecánico como pulverizado, separación, trituración, etc., se puede conseguir separar los óxidos, sulfatos, carbonatos deseados del resto del mineral, luego mediante procesos químicos se refinan los óxidos hasta conseguir refinarlos. Los métodos usados para tratar óxidos pueden ser: Mediante un tratamiento alcalino. Mediante un tratamiento ácido. Mediante el uso de halógenos: como el cloro y el flúor. Mediante un ataque de cal. El método usado para tratar sulfuros es mediante el aumento de la temperatura. Mientras que para separar carbonatos y sulfatos es necesario usar reacciones endotérmicas, que disocian las sales en un óxido y en un gas.

El Alto Horno Es una infraestructura utilizada para la recuperación del hierro metálico para su posterior uso en acerías y fundiciones, consiste en un estructura en forma de torre cilíndrica, vertical, construida de acero, revestida interiormente con materiales refractarios escogidos adecuadamente en función de la temperatura y del ataque químico que sufre dependiendo de la zona o sector del mismo. Tiene una altura promedio entre 25 y 35 metros, y, el hogar, o sea el fondo donde se deposita el metal líquido, tiene un promedio aproximadamente de 8 metros de diámetro. La capacidad de producción de los altos hornos varía en función de sus dimensiones, pero puede considerarse un promedio de aproximadamente 1000 toneladas de hierro bruto por día. La recuperación del metal en el alto horno se lleva a cabo cargando el mineral en forma de capas alternas con coque y piedra caliza, en cantidades proporcionales e inyectado aire. El aire caliente suministra la cantidad necesaria de oxígeno para producir la combustión del coque y forma gas de óxido de carbono, que, a su vez, reduce los óxidos ferrosos que componen el mineral, dejando el hierro bruto o arrabio en estado líquido el mismo que es recogido justo con la escoria producida en el fondo del horno.

La escoria flota sobre el hierro por diferencia de densidad. El hierro líquido se vierte en lingoteras, o es trasladado directamente a otros hornos para la obtención de fundiciones o de acero.

Aleaciones hierro-carbono El carbono es el aleante más importante que le proporciona al hierro sus cualidades más importantes, el porcentaje del mismo hace que las aleaciones hierro carbono se dividan en dos grandes grupos debido a que poseen diferentes características cristalográficas.

Si el porcentaje del carbón va entre 0.02% y el 2% (puede variar según ciertos autores), nos encontramos con aceros. Y del 2% al 6.7% de carbono se dice que es una fundición, también conocidas como hierro fundido o colado. Debido a los propios procesos de extracción y de fabricación de estas aleaciones es posible también encontrar: manganeso y silicio, como otros aleantes principales, y azufre y fósforo, que son considerados impurezas. A demás según la aplicación en la que se va a utilizar el acero o fundición, es posible añadir níquel, cromo, molibdeno, vanadio, tungsteno y cobre. Los componentes más importantes de estas aleaciones son: 1. Grafito. Es una forma alotrópica (estructura de un elemento químico) del carbono, puede presentarse en diversas formas en las fundiciones.

2. Ferrita o Fe (α). Es una estructura cristalina del hierro, tiene una estructura BCC, tiene propiedades magnéticas, es el constituyente más blando del acero, la solubilidad máxima a temperatura ambiente de carbono es de 0.008% mientras que a 723 ˚C es del 0.02%, por lo que se la considera como hierro puro. Tiene una dureza de 95 Vickers, una resistencia a la tracción de 28 kg/mm2 con un alargamiento del 40%. En el microscopio se observa como granos poligonales claros. También puede aparecer acompañando a la perlita en cristales mezclados con los de perlita (0.55% C), formando una red o malla que limita los granos de perlita (0.55% a 0.85% de C) o formando agujas en dirección de los planos cristalográficos de la austenita.

3. Cementita. Es carburo de hierro (Fe3C), tiene un 6,67% de carbono, es el componente más duro y más frágil de los aceros y fundiciones, tiene una dureza de 960 Vickers

la estructura cristalina es del tipo

ortorrómbica con 12 átomos de hierro y 4 átomos de carbono por celda, es magnética hasta los 210 ˚C Aparece como cementita proeutectoide, en aceros hipereutectoides, formando un red que envuelve a los granos perlíticos, componente de la perlita laminar, componente de los glóbulos en perlita laminar o cementita alargada (terciaria) en las uniones de los granos (0.25% de C).

4. 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.

5. Austenita o Fe (γ), es el constituyente más denso de los aceros. La proporción de C disuelto varía desde el 0 al 1.76%, correspondiendo este último porcentaje de máxima solubilidad a la temperatura de 1130ºC. La austenita en los aceros al carbono, es decir, si ningún otro elemento aleado, empieza a formarse a la temperatura de 723ºC. La cantidad de carbono disuelto, varía de 0.8 al 2 % C que es la máxima solubilidad a la temperatura de 1130 °C. 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 cromoníquel denominados austeníticos, cuya estructura es austenítica a la temperatura ambiente. La austenita está formada por cristales cúbicos de Fe (γ) 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.

6. Martensita. Está presente en los aceros templados y es una solución 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. 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.

Nota: el término Acero dulce, se refiere al grupo de aceros cuyo porcentaje de carbono es bajo, debe evitar confundirse con el término hierro colado o fundido.

Aceros. Es uno de los materiales más utilizados en el mundo por sus propiedades. Entre sus elementos constitutivos existen Fe, C, Si y Mn, también existe P y S, que son considerados como impurezas y su porcentaje en peso no debe exceder del 0.03 - 0.05%. Las propiedades más importantes del acero son su alta resistencia a esfuerzos mecánicos como tensión, compresión, impacto, etc. Es susceptible a tratamientos térmicos. Pueden clasificarse en dos grupos: 1. Aceros al carbono 2. Aceros aleados

Aceros al carbono. Suelen dividirse en tres subdivisiones aunque no están totalmente definidas y pueden variar según diversos autores. El carbono que se añade al acero aumenta la resistencia y la dureza mientras que disminuye la ductilidad. a) Aceros de bajo carbono. La concentración de carbono en peso va entre 0.02% al 0.30%. Estos aceros tienen baja resistencia, pero se los puede maquinar con facilidad, de ser necesario se puede carburizar la pieza para darle mayor resistencia. b) Aceros de medio carbono. La concentración de carbono en peso va entre 0.30 al 0.60%. Tienen una resistencia moderada a alta, buena ductilidad y dureza moderada. c) Aceros de alto carbono. La concentración del carbono va desde 0.60% al 2.11% de carbono. El alto porcentaje de carbono mejora las propiedades de desgaste y se utiliza en aplicaciones donde sea necesario buena resistencia al desgaste.

Generalmente la mayor parte de los aceros poseen menos de 1.00% de carbono, y la selección del tipo de acero a utilizar dependerá de la aplicación y se deberá buscar el mejor compromiso entre resistencia y ductilidad.

Aceros aleados. Para modificar ciertas propiedades de los aceros se aumentan ciertos metales, también se pueden clasificar en aceros de baja aleación donde el contenido de los aleantes no supera al 8.00% y aceros de alta aleación cuya concentración de aleantes supera al 8.00%. A continuación se detallan los principales elementos aleantes y las propiedades que mejoradas con su uso. S, P y Pb: Mejoran la maquinabilidad de los aceros. Ni: Mejora la tenacidad, templabilidad y resistencia a la corrosión. Cr: Mejora la templabilidad, resistencia al desgaste y a la abrasión y la resistencia a temperaturas elevadas. (El cromo en grandes cantidades aumenta la resistencia a la corrosión, ejemplo: Aceros inoxidables). Mo: Mejora la templabilidad y resistencia a altas temperaturas.

Designación de metales y aleaciones en general. Dependiendo del material escogido para cierta aplicación, es necesario aplicar un sistema de numeración para designar a ese material. Este sistema de numeración depende de la industria que utilice dicho material. Entre las instituciones y sus sistemas de designación más conocidos se encuentran: 1. Asociación del Aluminio (AA, Aluminum Association). 2. Instituto Estadounidense del Hierro y Acero (AISI, Amercian Iron and Steel Institute). 3. Asociación para el desarrollo del cobre (CDA, Copper Development Association). 4. Sociedad de Ingenieros Automotrices (SAE, Society of Automotive Engineers).

Sin embargo puede que en ciertos materiales se puedan confundir las numeraciones por designaciones compartidas utilizadas en ciertos países que posean una norma propia, en dichos casos se utilizan los Sistemas Unificados de Numeración (UNS, Unified Numbering Systems) especificada en la Norma E 527-93.

Tabla 1: Sistema unificado de numeración Serie de Tipos de metales y aleaciones Organización números responsable Metales y aleaciones no ferrosas A00001-A99999 Aluminio y aleaciones de aluminio AA C00001-C99999 Cobre y aleaciones de cobre CDA E00001-E99999 Metales de tierra rara y sus aleaciones ASTM L00001-L99999 Metales de bajo punto de fusión y sus ASTM aleaciones M00001-M99999 Diversos metales no ferrosos y sus ASTM aleaciones N00001-N99999 Niquel y aleaciones de níquel SAE P00001-P99999 Metales preciosos y sus aleaciones ASTM R00001-R99999 Metales y aleaciones reactivos y SAE refractarios Z00001-Z99999 Zinc y aleaciones de zinc ASTM Metales y aleaciones ferrosas D00001-D99999 Aceros; especificación de propiedades SAE mecánicas F00001-F99999 Hierros colados y aceros colados ASTM G00001-G99999 Aceros al carbón y aleados (incluye los AISI aceros al carbón y aleados SAE anteriores) H00001-H99999 Aceros H: templabilidad especificada AISI J00001-J99999 Aceros colados (excepto aceros de ASTM herramientas) K00001-K99999 Diversos aceros y aleaciones ferrosas ASTM S00001-S99999 Aceros resistentes al calor y a la corrosión ASTM (inoxidables) T00001-T99999 Aceros de herramientas AISI Nota: Dentro del UNS, muchas aleaciones conservan los números ya conocidos de los sistemas que usaron las asociaciones durante muchos años.

Designación de aceros al carbón y aleado. Para designar un acero se utiliza el sistema de AISI, que utiliza un sistema de cuatro dígitos tanto para los aceros al carbono y aleados, la forma general de designación se describe a continuación.

AISI

A B XX

Donde: XX:

Contenido de carbono

B:

Aleación específica del grupo

A:

Grupo de aleación: Indica los principales elementos aleantes.

Ejemplo: AISI

1020

Donde: 20:

Representa un 0.20% de carbono

0:

Sin otro elemento aleante además del carbono

1:

Acero al carbono

AISI

4340

40:

0.40% de Carbono

3:

Níquel y cromo agregados en concentraciones específicas

4:

Acero aleado con molibdeno

Nota: Los dos últimos dígitos de la numeración representan el contenido de carbono en centésimo, es decir en un acero 1020, 20 significa un contenido aproximado de 0.20% de carbono, se acepta cierta variación en este porcentaje de aproximadamente ± 0.30%, es decir dentro de esta designación se acepta aceros un porcentaje de 0.17% a 0.23% de C.

Tabla 2: Grupos de aleaciones en el sistema de numeración AISI 10xx Acero puro al carbón: sin elementos importantes de aleación, excepto el carbono 11xx Acero de corte libre: Resulfurado. Contenido de S menor al 0.10% para mejorar la maquinabilidad 12xx Acero de corte libre: Resulfurado y refosforizado. La presencia de mayor cantidad de azufre y fósforo mejora la maquinabilidad y el acabado superficial. 12Lxx Acero de corte libre: El Pb agregado mejora la maquinabilidad (al acero 12xx) 13xx Acero con manganeso: No resulfurizado. Mn aprox. 1.75% de manganeso aumenta la templabilidad. 15xx Acero con carbón: No resulfurizado, con más de 1.00% de Mn 23xx Acero con níquel: Nominalmente 3.50% de Ni. 25xx Acero con níquel: Nominalmente 5.00% de Ni. 31xx Acero con níquel-cromo: Nominalmente 1.25% Ni, 0.65% Cr 33xx Acero con níquel-cromo: Nominalmente 3.50% Ni, 1.50% Cr 40xx Acero con molibdeno: 0.25% de Mo 41xx Acero con cromo-molibdeno: 0.95% Cr, 0.20% de Mo 43xx Acero con níquel-cromo-molibdeno: 1.80% Ni, 0.50% 0.80% de Cr, 0.25% Mo 44xx Acero con molibdeno: 0.50% de Mo. 46xx Acero con níquel-molibdeno: 1.80% de Ni, 0.25% de Mo. 48xx Acero con níquel-molibdeno: 3.50% de Ni, 0.25% de Mo. 5xxx Acero con cromo: 0.40 % Cr 51xx Acero con cromo: Nominalmente 0.80% Cr 51100 Acero con cromo: Nominalmente 1.00% Cr, acero para rodamientos 1.00% C 52100 Acero con cromo: Nominalmente 1.45% Cr, acero para rodamientos 1.00% C 61xx Acero con cromo-vanadio: 0.50% a 1.10% Cr, 0.15% V 86xx Acero con níquel-cromo-molibdeno: 0.55% Ni, 0.50% Cr, 0.20% Mo 87xx Acero con níquel-cromo-molibdeno: 0.55% Ni, 0.50% Cr, 0.25% Mo 92xx Acero con silicio: 2.00% Si 93xx Acero con níquel-cromo-molibdeno: 3.25% Ni, 1.20% Cr, 0.12% Mo Aceros inoxidables. Su principal característica es su alta resistencia a la corrosión, para ser considerado como un acero inoxidable debe tener un porcentaje mínimo de

cromo de 10.00%, la mayor parte de aceros pertenecientes a este grupo poseen un porcentaje de entre 12.00% al 18.00% de Cr. La AISI cataloga la mayor parte de aceros inoxidables en las series 200, 300 y 400. Los principales grupos en los que se los clasifica son: 1. Aceros inoxidables austeníticos, se ubican dentro de las series 200 y 300 AISI, son aptos para uso general y con resistencia moderada, se los puede tratar térmicamente, no son magnéticos. Un ejemplo típico de aplicación de estos aceros es para procesamiento de alimentos. 2. Aceros inoxidables ferríticos, perteneces a la serie AISI 400, son magnéticos, trabajan bien a altas temperaturas (700 a 1040 ˚C), no pueden tratarse térmicamente, pero si se los puede trabajar en frío para mejorar sus propiedades. Se aplican en intercambiadores de calor, equipos de refinación de petróleo, equipos químicos, hornos y piezas automotrices. 3. Aceros inoxidables martensíticos, pertenecen también a la serie AISI 400, son magnéticos, se pueden tratar térmicamente, tienen mayor resistencia que las series 200 y 300, tienen mejor tenacidad, ejemplos de su uso son instrumentos quirúrgicos, herrajes para aviones, piezas de turbinas, piezas de válvulas.

Acero estructural. A estos aceros se los clasifica dentro de la designación del ASTM, tienen un punto mínimo a la fluencia de 36000 psi y es muy dúctil, es un acero bajo en carbón y laminado en caliente, disponible en láminas, placas, barras y perfiles estructurales.

Acero para herramientas. Se refiere a los aceros utilizados para fabricar herramientas de corte, punzones, matrices, hojas cortantes, cinceles y otros usos parecidos, tienen una alta resistencia al choque y por eso se los utiliza también para piezas de maquinaria.

Mecanizado del acero.

A excepción de las piezas fundidas (que no necesitan muchos procesos para darles el acabado final a la pieza en producción), es necesario mecanizar la pieza o los materiales para llegar a las dimensiones y formas preestablecidas en el proceso de diseño. Los procesos más comunes de mecanizado son: 

Laminación: consiste en darle una forma de una lámina a un bloque de acero mediante la aplicación de una serie de rodillos que se encuentran a distancias predeterminadas, a medida que el bloque pasa por los rodillos estos se acercan y disminuyendo el espesor hasta conseguir la lámina deseada.



Forja: es darle a la pieza la forma deseada mediante la acción de golpes repetitivos a altas temperaturas.



Estampación: es darle a una lámina una forma determinada mediante la acción de una prensa y una matriz que les dan la forma, si existen cortes para darle la forma final el proceso se conoce como troquelación.



Embutición: es darle a discos la forma piezas huecas.



Tubos: se realizan a partir de láminas mediante la aplicación de rodillos y/o soldaduras.



Extrucción: Es darle a un bloque de un material una forma de un perfil, presionando dicho bloque contra una matriz que tiene dicha forma.



Mecanizado por abrasión: consiste en retirar material excedente a través de una herramienta con una muela abrasiva, que consiste en un material muy duro unido por un aglutinante.



Mecanizado por arranque de viruta: el material excedente es retirado por la acción de una herramienta de corte que puede ser accionada manualmente o mecánicamente. Se pueden enumerar los siguientes ejemplos: taladrado, limadora, el torno y la fresadora.

Fundiciones. El contenido de carbono va entre el 2.11% y el 6.67%, un porcentaje de silicio que va del 2.00 al 4.00%, bajo en azufre y fósforo. Su principal componente metalográfico es el grafito, que consiste en cristales de carbono separados.

Entre las principales características de una fundición encontramos: 

Son más fáciles de maquinar que los aceros.



Se pueden fabricar piezas de diferente tamaño y complejidad.



En su fabricación no se necesitan equipos ni hornos muy costosos.



Absorben las vibraciones mecánicas.



Son resistentes al choque térmico, a la corrosión y de buena resistencia al desgaste.



Son difíciles de soldar.



Pueden utilizarse métodos de fundición o colado.

Además de los pueden presentar los mismo componentes que el acero como la austenita y la cementita, los componentes que también pueden presentarse en las fundiciones son la ledeburita y la esteadita. Por la presencia, forma y cantidad de grafito en una fundición, se la puede clasificar en los siguientes grupos:

Fundición gris. Tiene una gran cantidad de grafito en forma de hojuelas o escamas y le da su color característico, tiene un porcentaje de carbono de 2.60 a 3.80%, tiene una superficie porosa, el silicio presente durante su fabricación favorece la formación de grafito mientras el manganeso la dificulta. Tiene una resistencia a la tensión de entre 20000 a 60000 psi, su resistencia a la compresión es de entre tres a cinco veces mayor que la tensión, buena maquinibilidad, resistente al desgaste y a fatigas térmicas, buena conductividad térmica y absorbe vibraciones, la desventaja de este material es su fragilidad por lo que no se lo utiliza en piezas que soporten impacto. Las fundiciones grises se clasifican dentro de la norma A48-94 de ASTM en clases 20, 25, 30, 40, 50 y 60, donde el número indica la resistencia mínima a la tensión en ksi (kilopsi). Esta fundición es la más utilizada en la industria, especialmente para la fabricación de maquinaria.

Clasificación de las fundiciones grises según la norma ASTM A48-41. Clase

Resistencia a la tracción (psi)

Dureza Brinell

20

24000

130-180

30

34000

170-210

40

44000

210-260

50

54000

240-280

60

64000

260-300

Fundición blanca. Se caracteriza por la ausencia o contenido limitado de grafito, el carbono se encuentra presente como carburo de hierro (Fe3C). Se puede obtener una fundición blanca si se aumenta el porcentaje de manganeso, se disminuye el porcentaje del silicio, se enfría rápidamente la pieza o una combinación de las tres. A los 1130 ˚C se forma ledeburita que es una combinación de austenita y cementita, que aparece en forma de helecho. Si se enfría la temperatura hasta los 723 ˚C la austenita se transforma en perlita. Esta fundición se utiliza para piezas que necesiten de gran dureza y si se la trata térmicamente, la fundición blanca se transforma en fundición maleable.

Fundición maleable. Se obtiene por tratamiento térmico de la fundición blanca, que ocasiona que se precipite grafito en forma de concentraciones exiquiales (crecimiento igual en todas las direcciones). Por el tratamiento térmico, esta fundición presenta cierto grado de ductilidad y comportamiento similar al acero. La mayor parte del carbono se encuentra en forma de cementita. Entre sus características principales se encuentran, la alta resistencia, alto módulo de elasticidad (rigidez), buena maquinabilidad y resistencia al desgaste, y son tratables térmicamente. Se utiliza una designación de 5 dígitos que se utiliza para designarlos, por ejemplo el grado 40010, significa una resistencia a la fluencia de 40 ksi y una elongación del 10%.

Fundición nodular.

Conocida también como fundición globular o esferoidal, es similar a la fundición maleable, se diferencia de esta por su forma de obtención y a que las concentraciones de grafito son más homogéneas, de forma esferoidal. Se obtiene al momento de la colada por aplicación de magnesio y cerio en forma de ferroaleaciones, obteniéndose un producto final con nódulos de grafito sobre una estructura de ferrita y perlita. Se ha utilizado mucho más en los últimos tiempos por su relativo alto grado de ductilidad, resistencia, buen maquinado, buena fluidez para la colada y buena tenacidad. Para ser tan fuerte como la fundición blanca debe someterse a un tratamiento superficial. Tiene mayores valores de resistencia a la tracción y tenacidad que la fundición gris ordinaria. La diferencia entre la fundición nodular y la fundición maleable es que esta se obtiene en bruto de la colada sin necesidad de tratamiento térmico posterior

Fundición atruchada. Es una combinación de fundición blanca y gris, el carbono se encuentra libre y combinado por lo que es difícil de maquinar.

Fundiciones aleadas. Al igual que los aceros, se les añade ciertos elementos a las fundiciones para mejorar ciertas propiedades, entre los elementos que se puede añadir se encuentran: Ni, Cr, Mo, Cu, etc. El Si, Al, Cu y Ni, se disuelven en la ferrita, la endurecen y aumentan su resistencia. Son elementos que ayudan a la grafitización, mientras que el Cr, Mn y Mo, son elementos que forman carburos que tienden a formar compuestos de fundición blanca y dificultan la grafitización.

A las fundiciones aleadas se las puede clasificar en: 1. Fundiciones de baja aleación. 2. Fundiciones de media aleación. 3. Fundiciones de alta aleación.

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Fundición o colada (Proceso). Es un proceso de fabricación de piezas metálicas para lo cual se dispone de un molde hueco (generalmente hecho de arena) al cual se le vierte el metal fundido (líquido) y se lo deja enfriar. Pueden fundirse piezas de diferentes tamaños que pueden pesar desde pocos gramos hasta 100 toneladas. Las fundiciones pueden realizarse con materiales ferrosos y no ferrosos.

Proceso de fundición. El primer paso para realizar un molde es diseñarlo con una cavidad con la forma deseada debe sobredimensionarse en forma y tamaño para permitir que el metal que se vierte, pueda contraerse durante el proceso de solidificación y enfriamiento, si el molde se puede ocupar más de una vez reciben el nombre de matrices. Como los metales tienen distintas propiedad el molde va a depender del material escogido para la colada. Los moldes pueden fabricarse en varios materiales como son la arena, yeso, cerámica y metal. Cabe señalar que las fundiciones se clasifican de acuerdo con los moldes o métodos de moldeo que van a utilizarse.

Entre las principales partes de un molde podemos senalar: 

La cavidad del molde: que es la forma principal de la pieza.



Corazón: Es una pieza que se utiliza para darle cavidades interiores o formar geometrias interiores a la pieza. Pueden realizarse en diferentes materiales.



Sistema de vaciado: es el canal o red de canales por donde fluye la colada hasta la cavidad. Consta de un bebedero de colada que es el canal por donde el metal se alimenta a la cavidad,



En la parte superior del bebedero se encuentra una copa de vaciado que sirve para minimizar las salpicaduras y la turbulencia de la colada.



Mazarota: es una reserva de metal líquido que sirve para compensar la contracción de la colada durante el enfriamiento, debe diseñarse para que se solidifique después de la cavidad principal



Canales de ventilación: que sirven para que los gases puedan evacuarse evitando posibles defectos en la pieza fundida.



Caja: lugar donde se fabrica el molde

Se calienta el metal deseado a una temperatura alta para transformarlo en estado líquido y luego se vierte el metal hasta llenar la cavidad de moldes abiertos o el sistema de alimentación en moldes cerrados. Mientras disminuye la temperatura del metal, empieza la solidificación que involucra un cambio de fase del metal. Una vez que todo el metal se enfría (puede tomar un tiempo considerable por la cantidad de calor que debe

disiparse) toma la forma del molde con las características deseadas del metal a fundir.

Luego del proceso y dependiendo del método y molde utilizados pueden ser necesarios operaciones adicionales como son: 

Desbaste del material excedente



Limpieza de la superficie



Tratamiento térmico



Maquinado para darle los detalles necesarios definidos durante el proceso de diseño de la pieza.

Las fundiciones se pueden clasificar en: Fundiciones con colada por gravedad. 

Moldeo en arena. o En arena verde: consiste en la elaboración del molde con arenas y arcillas que se activan con la presencia de humedad, puede utilizarse con casi cualquier metal y con casi cualquier pieza, no

se emplea si la pieza es muy grande, posee geometrías complejas, necesita de buenos acabados superficiales o de tolerancias reducidas. o En arena seca: Los moldes se secan antes de la colada lo que incrementa la rigidez del molde y permite la producción de piezas de mayor tamaño. o Con cáscara (Shell molding): se utilizan mezclas de arena secas con resinas que se endurecen a temperaturas de 200 a 300 ˚C y que aumentan la rigidez y permiten la fabricación de piezas con mejores acabados y tolerancias. 

Moldeo con cera perdida. En este método se fabrica un modelo de cera o plástico, cuando se completa el molde se aplica calor con el fin de derretir el modelo y de endurecer la cavidad donde se realizará la colada. Se pueden realizar fundiciones de gran precisión.



Moldeo con molde metálico (coquilla). Se utilizan matrices fabricadas en acero o fundición gris, se utiliza para piezas que se fabriquen en serie.

Fundiciones con colada por presión: 

Fundición centrífuga. La principal característica de este proceso es que el molde gira y la colada llena el molde por acción de fuerzas centrífugas. Esto proceso permite la disminución de defectos de las fundiciones.



Fundición a presión o inyección. Se emplea para la producción de piezas a gran escala con geometrías complejas y espesores pequeños, los metales

y

aleaciones

deben

poseer

bajo

punto

de

fusión

(aproximadamente 650 ˚C). El llenado del molde se realiza por la acción de pistones o métodos similares.

Calidad de la fundición. Existen diversos factores que producen defectos en las piezas fundidas, los defectos más importantes son: Defectos de fundición. a) Llenado incompleto. Aparece cuando una fundición se solidifica antes de llenar la cavidad del molde. b) Junta fría. Se produce cuando dos porciones de la colada fluyen al mismo tiempo y una de ellas se enfría antes que la otra lo que no les permite mezclarse. c) Metal granoso o gránulos fríos. Salpicaduras durante el proceso de vertido quedan atrapadas dentro de la fundición. d) Cavidad por contracción. Es un hueco interno de la fundición debido a una contracción por solidificación que evita que el metal llegue a toda la cavidad. Si se produce en la parte superior de la cavidad se llama rechupe. e) Microporosidad. Es una red continua de huecos distribuida en la fundición, está asociada a aleaciones por la diferencia de solidificación de los metales.

f) Desgarramiento o agrietamiento en caliente. ocurre cuando un molde no permite una solidificación de la pieza, produciendo una grieta en el punto donde se concentren los esfuerzos.

Defectos del molde (arena). a) Sopladuras. Una cavidad se forma en la parte superior del molde por los gases que quedan atrapados. b) Puntos de alfiler. Es un defecto similar al anterior se diferencia en que se forma numerosas cavidades pequeñas de gas en la superficie de la fundición. c) Caídas de arena. Se produce por una erosión del molde que provoca una impresión de dicha irregularidad en la fundición. d) Costras. Son superficies irregulares en la fundición que se producen por la incrustación de arena y metal. Se producen porque partes del molde se descascaran y quedan atrapadas en la superficie de la fundición. e) Penetración. Se produce cuando la fluidez del metal es muy alta y este penetra en el molde y o corazones, en la superficie de la fundición existe arena. f) Corrimiento del molde. Se produce cuando la parte superior de la caja se desplaza de la inferior produciendo un escalón. g) Corrimiento del corazón. Similar al anterior, generalmente es un movimiento vertical.

h) Molde agrietado (venas y relieves). Se produce porque la resistencia del molde es insuficiente causando grietas que se transfieren a la fundición.

Principios de solidificación. Es importante conocer de los principios de solidificación, porque muchos de los materiales utilizados en ingeniería en algún momento se encuentran en su fase líquida, al enfriarse los átomos adquieren ciertos ordenamientos que influirán en las propiedades mecánicas de ese material. En los metales y aleaciones durante la solidificación, los átomos adoptan una estructura cristalina.

Durante la solidificación ocurren dos procesos

importantes, la nucleación que es una parte sólida que se forma en el líquido y el crecimiento del núcleo hasta que el líquido se acabe de solidificar.

Nucleación. Se produce por una diferencia de energías entre el material que se está solidificando (asociada a la estructura cristalina) y la energía del líquido. Cuando el tamaño del sólido es muy pequeño (no alcanza un tamaño crítico para ese metal), la energía existente a su alrededor hace que este nuevamente se convierta en líquido, a este sólido pequeño se le conoce como embrión.

Si el radio del sólido es mayor, la energía a su alrededor no es suficiente para transformarlo en líquido por lo que este sólido es estable, y permite que una partícula sólida se forme la cual se conoce como núcleo. Existen dos mecanismos de nucleación: 1. Nucleación homogénea. 2. Nucleación heterogénea.

Nucleación homogénea. Es el caso más simple de nucleación, ocurre en un líquido fundido cuando un metal proporciona por sí mismo los átomos para formar núcleos. Es el caso de un metal líquido puro, la temperatura del líquido está por debajo de la temperatura de solidificación, este grado de subenfriamiento puede llegar a cientos de grados centígrados dependiendo del metal.

Nucleación heterogénea. Se produce por las impurezas que están en contacto con el líquido, estas partículas pueden estar en suspensión o son las partículas presentes en el recipiente donde se está solidificando el líquido. Es el proceso que ocurre en la industria y la temperatura de subenfriamiento no es mayor a 10 ˚C. Las impurezas permiten que menos átomos sean necesarios para alcanzar el tamaño crítico y la nucleación empieza con mayor facilidad.

Crecimiento de cristales y formación de estructuras granulares. Cuando ha comenzado el proceso de nucleación, estos crecen hasta formar cristales, los átomos de cada cristal están orientados en una manera regular, pero la orientación de cada grano es diferente. Una vez solidificado el metal, los cristales se juntan unos con otros pero con diferentes orientaciones, en cada cambio de orientación se produce un límite cristalino que es una distancia entre granos de unos pocos átomos. Los cristales de un metal solidificado se llaman granos y la superficie que los limita se conoce como límite de grano. El número de núcleos que se forman durante la solidificación afectará el número y tamaño de grano, si hay pocos puntos de nucleación se formará una estructura de grano grueso, si existen muchos puntos de nucleación se formará una estructura de grano fina. En ingeniería la mayor parte de metales y aleaciones tienen estructuras de grano fino porque presentan mayor resistencia y son más uniformes. Según la zona de crecimiento de los granos se pueden clasificar en: 1. Zona Templada: Es una estrecha banda de granos localizada en la superficie de la pieza que se forma por el contacto del líquido con el molde, por la superficie del molde se inicia un proceso de nucleación heterogénea. 2. Zona equiaxial: Contienen granos que crecen de manera aleatoria y detienen el crecimiento de la zona columnar. Estos granos presentan una forma redonda porque crecen uniformemente en todas las direcciones. Es una zona controlada por los procesos de nucleación. 3. Zona columnar: Contiene granos alargados orientados en la dirección opuesta al flujo de calor (de las partes más frías a las más calientes). Los granos que crecen en esta zona son perpendiculares entre sí. Es una zona controlada por procesos de crecimiento.

Imperfecciones cristalinas. Los cristales contienen varias imperfecciones que afectan a las propiedades mecánicas y físicas de los materiales. Las imperfecciones cristalinas se clasifican en: 1. Defectos puntuales de dimensión cero. 2. Defectos en línea o de una dimensión (dislocaciones).

3. Defectos de dos dimensiones (superficies externas y límites de grano) 4. También se pueden considerar a los defectos macroscópicos (poros, fisuras e incrustaciones extrañas).

Defectos puntuales. El defecto puntual más importante es la vacante, que ocurre por la pérdida de un átomo dejando un hueco en la estructura cristalina. Se producen durante el proceso de solidificación. En los metales la concentración de estos huecos generalmente no excede de 1 vacante por cada 10000 átomos. Las vacantes adicionales se forman por eventos externos como deformación plástica o enfriamiento violento del metal, y son conocidas como vacantes de no equilibrio, que tienden a agruparse formando divacantes o trivacantes. A elevadas temperaturas las vacantes pueden cambiar de posición. Otro defecto puntual es el intersticial, que ocurre cuando un átomo ocupa un hueco intersticial entre los átomos de sus alrededores que ocupan posiciones atómicas normales, este defecto no ocurre normalmente pero se puede producir por irradiación. En cristales ionicos los defectos puntuales son más complejos porque es necesario que el cristal mantenga su neutralidad eléctrica, produciéndose divacantes aniónica-catiónica conocida como defecto de Schottky, la presencia de estos defectos puede cambiar la conductividad eléctrica, esto es aprovechado especialmente en la industria de los semiconductores.

Defectos de línea. Las dislocaciones o defectos de línea dan lugar a una distorsión de la red centrada en torno a una línea. Se producen durante la solidificación, por deformación plástica, por condensación de vacantes o por emparejamientos atómicos incorrectos. Existen dos tipos de dislocaciones, de cuña y helicoidal o una combinación de ambas conocida como dislocación mezcla. Una dislocación tipo cuña se crea por una inserción adicional de un semiplano de átomos. La distancia entre los átomos en torno a una dislocación se conoce como vector de Burgers, y es perpendicular a la línea de dislocación tipo cuña. Es este defecto se encuentra almacenada energía en la zona del defecto,

existe una zona que concentra esfuerzos de compresión donde se encuentra el semiplano adicional de átomos mientras que en la zona debajo de ese plano se encuentra una concentración de esfuerzos de tensión. Una dislocación de tipo helicoidal se forma porque en el cristal se ha producido esfuerzos de cizalladura por un plano sobre la superficie del cristal, produciendo una distorsión en forma de rampa helicoidal o una espiral. El vector de Burgers es paralelo a la línea de dislocación. Sin embargo la mayor parte de dislocaciones en los cristales tienen una componente helicoidal y una cuña.

Defectos interfaciales. O límites de grano son defectos que se presentan en materiales policristalinicos, son límites que separan los granos de diferentes direcciones. Se producen durante el proceso de solidificación, el espacio entre granos es pequeño y están delimitados por el crecimiento de los granos adyacentes. Por el espacio existente entre granos, la nucleación y el crecimiento de precipitados son favorables. El tamaño del grano influye en las propiedades de los materiales especialmente en la resistencia.

Diagramas de fase Una fase de un material es una región que se diferencia de otra en términos de estructura y/o composición. Las fases tienen las siguientes características: 1. Dentro de la fase el arreglo atómico es el mismo. 2. Una fase tiene aproximadamente la misma composición y propiedades. 3. Hay una interfase que delimita las fases con cualquiera que las rodea. Los diagramas de fase son representaciones gráficas de las fases que están presentes en los materiales, a diferentes temperaturas, presiones y composiciones. Muchos de los diagramas utilizados en ingeniería se realizan en condiciones de equilibrio, que considera un enfriamiento lento del metal, estos diagramas de equilibrio ayudan a predecir y entender el comportamiento de los materiales. La información más importante que se obtiene de los diagramas de fases es:

1. Mostrar las fases presentes (diferentes temperaturas y composiciones en condiciones de equilibrio). 2. Indicar la solubilidad entre los compuestos. 3. Indicar la temperatura en la que empieza la solidificación. 4. Indicar la temperatura a las que empiezan a fundirse las diferentes fases.

Diagramas de fase de sustancias puras. Una sustancia pura puede encontrarse en tres fases que son sólida, líquida y gaseosa, dependiendo de la temperatura y presión a las que se encuentre el material. Un ejemplo de un diagrama de una sustancia pura es el agua, el diagrama muestra las zonas a las cuales se encuentran cada uno de los estados de agua en función de su temperatura y presión. Las fases se encuentran separadas por una línea llamada límite de fase, si tomamos un punto de esa línea encontraremos que a esa temperatura y presión coexisten dos fases, por ejemplo en un vaso de agua con cubos de hielo coexisten dos fases y el límite entre ellas es la superficie de los cubos de hielo, lo mismo ocurre cuando se hierve agua coexisten la fase líquida y gaseosa. Dentro del diagrama existe un punto en donde se intersecan los límites de fase (sólidogas, líquido-gas y sólido-líquido), que es conocido como un punto triple, en ese punto triple coexisten las tres fases. Los diagramas de fase también se pueden encontrar para metales, por ejemplo el magnesio o para el hierro, en el caso del magnesio encontramos una similitud con el diagrama de fases para el agua.

Sin embargo en el caso del hierro encontramos que no contiene una sola fase sólida sino tres fases distintas que son el hierro (α), el hierro (γ) y el hierro (δ), la diferencia entre ellas es que el hierro (α) y el hierro (δ) tienen una estructura cristalina BCC, mientras que el hierro (γ) una estructura FCC.

Regla de fases de Gibbs. Esta una ecuación que describe el número de fases en equilibrio para un sistema. Tiene la forma general: 𝐹 =𝐶−𝑃+2

Donde: F: es el número de grados de libertad (variables en el sistema por ejemplo Presión y temperatura). C: número de componentes en el sistema. P: número de fases presentes.

Ejemplo: Caso del Magnesio puro A F: x grados de libertad C: 1 Mg

P: 1 fase (Líquido) 𝐹 =𝐶−𝑃+2=1−1+2=2 Se pueden modificar la presión y/o la temperatura dentro de ciertos límites y el magnesio seguirá en estado líquido.

B F: x grados de libertad C: 1 Mg P: 2 (Líquido y Sólido) 𝐹 =𝐶−𝑃+2=1−2+2=1 Si se modifica la presión o temperatura debe modificarse la otra para que la sustancia siga dentro de la línea.

Punto triple F: x grados de libertad C: 1 Mg P: 3 (Vapor, Líquido y Sólido) 𝐹 =𝐶−𝑃+2=1−3+2=0 No se puede modificar ni la presión ni la temperatura sin salir de este punto.

Solubilidad Al mezclarse dos o más materiales es de interés saber qué cantidad de cada material es posible agregar sin crear una fase adicional en una mezcla, o simplemente saber la solubilidad de un material en otros.

Se dice que una sustancia tiene solubilidad ilimitada en otra cuando al combinarse solo forman una fase, como es el caso de agua con alcohol o níquel y cobre líquidos tienen una solubilidad líquida ilimitada, si estos metales se los deja enfriar hasta que se solidifiquen estos forman una solución sólida, porque ninguno de los dos conserva sus propiedades originales y durante la solidificación no se produce una fase adicional se dice que ambos tienen una solubilidad sólida ilimitada. En el caso de que uno de los materiales combinados empiece a precipitarse porque este se encuentra en exceso (solución saturada), se dice que ese material tiene una solubilidad limitada, es el caso de sal que se agrega a agua, en el momento que esta sature el agua, el resto de la sal se irá al fondo del recipiente y coexistirán dos fases, agua salada y sal.

Puede darse el caso que los materiales que se quieran mezclar no presenten ningún grado de solubilidad como es el caso de agua con aceite o cobre y plomo.

Condiciones para una solubilidad sólida ilimitada.

Para que una aleación tenga una solubilidad sólida ilimitada debe satisfacer las siguientes condiciones: 1. Factor tamaño: los átomos deben tener un tamaño similar con una diferencia no superior al 15% del radio atómico. 2. Estructura cristalina: los materiales deberán tener la misma estructura cristalina caso contrario en algún momento se creará una nueva fase. 3. Valencia: los átomos deberán tener la misma valencia de lo contrario tenderán a formar compuestos. 4. Electronegatividad:

similar

a

la

valencia,

de

poseer

diferentes

electronegatividad tienden a formar otros compuestos. Sin embargo cumplir con estas condiciones no garantiza que dos materiales sean solubles.

Diagrama de fases isomorfo. Un diagrama de fases muestra las fases a las que puede encontrase un material a distintas condiciones, en el caso de metales (los que se utilizarán para el este curso) se utilizan diagramas donde se muestra la temperatura y la composición de una aleación, si en la aleación se encuentran dos elementos (donde se considera cada metal como un elemento), se denominan diagrama de fases binarios. Cuando en los sistemas binarios, los metales son solubles entre si tanto en estado sólido como en líquido, existe una sola estructura cristalina para todas las composiciones de los elementos, cumple con las condiciones de solubilidad ilimitada y se los conoce como sistemas isomorfos. De los este tipo de diagramas se puede obtener la siguiente información. 

Temperatura de liquidus: Es la temperatura a la cual deben calentarse la aleación (dependiendo de la composición de sus componentes) para obtener un estado totalmente líquido.



Temperatura de solidus: Es la temperatura a la cual debe enfriarse una aleación para que esta solidifique por completo.



Rango de solidificación: Una vez que la aleación este en estado líquido y se la deje enfriar por debajo de la temperatura de liquidus, este empieza a solidificarse, sin embargo el estado líquido y sólido de la aleación

coexiste en esta zona y está limitada en su parte inferior por la temperatura de solidus.

En los diagramas de fase el estado sólido puede nombrarse con una letra griega minúscula como α o β.

Aplicación del diagrama de fases. Uno de los usos de diagramas de fases, es que permite saber a qué temperatura es necesario llevar una aleación para convertirla a estado líquido y esta pueda someterse a un proceso de fundición o cuando se tenga un tratamiento térmico de una pieza, esta se pueda calentar sin que alguna parte de sus componentes pase a un estado líquido. Los diagramas de fase permiten saber que fases están presentes para los distintos procesos de manufactura.

Composición en cada fase. Por lo general se expresa en un porcentaje de peso a una determinada temperatura, cuando está presente en la aleación una sola fase, su composición es igual a la de la aleación, si se cambia la composición de la aleación entonces se modificará el de la fase. Si existiesen más fases es necesario utilizar una línea horizontal llamada isoterma a la temperatura deseada, que determina las composiciones de cada fase en los cortes con las líneas que delimitan la zona donde se encuentran las fases de interés, por ejemplo en un diagrama isomorfo la composición quedará determinada en los cortes de las líneas de solidus y liquidus.

Regla de la palanca. El principal uso de los diagramas de fase es saber la cantidad relativa de cada fase dentro de una aleación, que se expresa como un porcentaje en peso. En las regiones donde se encuentre una sola fase, el porcentaje de esa fase es del 100%, mientras que en regiones con dos fases es necesario calcular la cantidad de cada fase, para lo cual se utiliza la regla de la palanca en el que se considera un sistema en equilibrio. Para aplicar la regla de la palanca es necesario realizar una isoterma a la temperatura deseada y luego aplicar la siguiente forma:

𝑃𝑜𝑟𝑐𝑒𝑛𝑡𝑎𝑗𝑒 𝑑𝑒 𝑓𝑎𝑠𝑒 =

𝑏𝑟𝑎𝑧𝑜 𝑜𝑝𝑢𝑒𝑠𝑡𝑜 𝑑𝑒 𝑙𝑎 𝑝𝑙𝑎𝑛𝑐𝑎 × 100 𝑙𝑜𝑛𝑔𝑖𝑡𝑢𝑑 𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 𝑑𝑒 𝑙𝑎 𝑖𝑠𝑜𝑡𝑒𝑟𝑚𝑎

O de conocerse la composición de cada fase se puede aplicar la siguiente fórmula:

𝑃𝑜𝑟𝑐𝑒𝑛𝑡𝑎𝑗𝑒 𝑑𝑒 𝑓𝑎𝑠𝑒 (𝑑𝑒𝑠𝑎𝑑𝑜) =

𝑊𝑠 − 𝑊𝑜 (𝑙𝑜𝑛𝑔𝑖𝑡𝑢𝑑 𝑜𝑝𝑢𝑒𝑠𝑡𝑎) × 100 𝑊𝑠 − 𝑊𝑖 (𝑙𝑜𝑛𝑔𝑖𝑡𝑢𝑑 𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙)

Donde: Wo: es la composición inicial. Ws: composición de sólido (isomorfo) o de la fase que está a la derecha Wi: composición de líquido (isomorfo) o de la fase que está a la izquierda (Todos estos valores se encuentran en porcentaje)

Aplicando esta fórmula se obtendrá la cantidad de la fase que se encuentra a la izquierda o la parte líquida en sistemas isomorfos. Para calcular la cantidad de sólido o la fase a la derecha la fórmula cambia a:

𝑃𝑜𝑟𝑐𝑒𝑛𝑡𝑎𝑗𝑒 𝑑𝑒 𝑓𝑎𝑠𝑒 (𝑑𝑒𝑠𝑎𝑑𝑜) =

𝑊𝑜 − 𝑊𝑖 (𝑙𝑜𝑛𝑔𝑖𝑡𝑢𝑑 𝑜𝑝𝑢𝑒𝑠𝑡𝑎) × 100 𝑊𝑠 − 𝑊𝑖 (𝑙𝑜𝑛𝑔𝑖𝑡𝑢𝑑 𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙)

Crecimiento del grano durante la solidificación.

Endurecimiento por dispersión.

Ocurre cuando en una aleación uno de los elementos presenta una solubilidad limitada sobre los otros componentes, produciéndose fases adicionales, en los metales esto produce un límite que afecta el endurecimiento del material, a esto se le conoce como endurecimiento por dispersión. En una aleación endurecida por dispersión está presente más de una fase, la que se encuentre en mayor cantidad se denomina matriz mientas que la fase o fases en menores cantidades se denominan precipitados, estos elementos tienen una estructura diferente y por esto se denominan microconstituyentes. La combinación entre matriz y precipitado afecta a las propiedades del material, y existen las siguientes consideraciones para realizar estas aleaciones. 1. La matriz deberá ser blanda y dúctil y el precipitado duro y resistente para evitar el deslizamiento de las dislocaciones. 2. El precipitado debe ser discontinuo mientras que la matriz debe ser continua, de manera que las grietas que pueda tener la estructura queden retenidas en la interfase precipitado-matriz. 3. Las partículas del precipitado deben ser pequeñas y numerosas, para evitar el proceso de deslizamiento. 4. Las partículas del precipitado debe ser redondas y no de forma puntiaguda porque de esta manera son menos propensas a iniciar una grieta o actuar como muesca. 5. Entre mayor sea la cantidad del precipitado mayor será la resistencia de la aleación. Estos últimos puntos pueden servir de referencia para realizar cierto tipo de materiales sin embargo dependiendo de las propiedades que se quieran en cierto material estos puntos no pueden ser útiles.

Compuestos intermetálicos. En

aleaciones

endurecidas

por

dispersión

contienen

un

compuesto

intermetálico que puede estar constituido por dos o más elementos que produce una nueva fase su propia estructura cristalina, propiedades y composición. Por lo general estos compuestos son casi siempre duros y frágiles. Estos compuesto intermetálicos estequiométrico tienen una composición fija por ejemplo en el caso de las aleaciones hierro-carbono, el compuesto intermetálico se llama carburo de hierro (Fe3C), en los diagramas de fase estos compuestos se representan mediante una línea vertical. Mientras que los compuestos intermetalicos no estequiométricos pueden presentar en zonas en los diagramas de fase y tienen una composición atómica que no es fija.

Diagrama de fase con reacciones de tres fases. En muchos sistemas se producen una serie de fases, en estos sistemas se producen unas reacciones que producen tres fases independientes, para identificar estar reacciones de debe realizar el siguiente procedimiento: 1. Localizar una línea horizontal (isoterma en condiciones de equilibrio). 2. En esa lía localizar los siguientes puntos, los extremos de la línea horizontal y un punto (central) que indica la composición a la cual ocurre la reacción de tres fases. 3. Identificar las reacciones presentes tanto arriba de la línea horizontal como abajo tomando como referencia el punto central y definir la reacción que se forma.

Aleaciones eutécticas. Se producen mediante una reacción eutéctica y se determina por el punto central en la línea isoterma. 𝐿 →𝛼+𝛽 Las composiciones de las dos soluciones están dadas por los extremos de las isotermas, las dos fases sólidas que se forman crecen en el líquido en forma laminar o en forma de placas, esta reacción produce un arreglo único de los materiales que es conocido como microconstituyente eutéctico.

Las aleaciones que se encuentren a la izquierda o que contengan menor cantidad de componente eutéctico se conocen como aleaciones hipoeutécticas mientras que las aleaciones que se encuentren a la derecha o con mayor cantidad

de

hiperectécticas.

componente

eutéctico

se

conocen

como

aleaciones

Las aleaciones eutécticas tienen mayor resistencia que un metal puro, se las puede endurecerlas trabajándolas en frio y se pueden modificar sus

propiedades controlando el tamaño del grano, controlando la cantidad y microestructura del eutéctico. Los granos eutécticos se nuclean y crecen de manera independiente, la orientación de las láminas en el eutéctico es idéntica y solo cambia al cruzar el límite del grano, el espaciamiento entre láminas de la misma fase determina la resistencia del material.

Sin embargo, no todas los eutécticos tienen estructura laminar, la forma que poseen también se determinara por la velocidad de enfriamiento, las impurezas que se presenten y la naturaleza de la aleación.

Reacción Eutectoide. Es una transformación que es exclusiva de los estados sólidos y tiene la forma de:

𝑆 → 𝑆1 + 𝑆2 Es importante porque uno sólidos formados se forma por dispersión (precipitado en el otro), gracias a esta reacción se permite un mejor control de los micro constituyentes que afectan a las propiedades de la aleación. Un ejemplo de la importancia que tiene esta reacción es para comprender la

importancia del diagrama Fe-Fe3C y la diferencia entre aceros y hierros fundidos.

Diagrama Fe-Fe3C.

Dentro de este diagrama, los puntos de mayor interés son: Soluciones sólidas. Después de que el hierro líquido se enfría el primer compuesto que se forma es la ferrita-δ que tiene una estructura BCC, sigue el enfriamiento y el hierro cambia de estructura cristalina a FCC y se la conoce como austenita o γ, y el ultimo compuesto que se forma es la ferrita-α que nuevamente tiene una estructura BCC, el carbono que se encuentra presente en estas aleaciones puede acomodarse de mejor manera en la red FCC que en la estructura BCC, con un límite máximo de 2.11% C en γ, mientras que para α es 0.0218% C y para δ 0.09%, el carbono añadido a estas mezclas permite un incremento en la resistencia comparado con el hierro puro.

Compuesto. Una vez que se excede un porcentaje de carbono, se forma el compuesto estequiométrico Fe3C o cementita y contiene un 6.67% C.

Reacción eutectoide. 𝛾0.77% 𝐶 → 𝛼0.0218% 𝐶 + 𝐹𝑒3 𝐶6.67% 𝐶 Esta reacción se produce a 727 ˚C y permite que se formen capas alternadas de cementita y α en forma de láminas o placas, esta combinación se conoce como perlita y es un microconstituyente del acero.

Microconstituyentes primarios. Para aceros hipoeutectoides con menos de 0.77% C el microconstituyente primario es la ferrita mientras que para los aceros hipereuctectoides con más de 0.77% C es la cementita, dependiendo de las velocidades de enfriamiento, la cantidad de carbono y de la reacción que se produce, el compuesto final tiene estructuras diferentes de perlita, ferrita primarias o cementita. En el caso de aceros hipoeutectoides, contiene perlita y ferrita primaria, la perlita se encuentra en forma de islas rodeadas de ferrita primaria, que hace que el acero sea resistente por la perlita y dúctil por la ferrita. En el caso de aceros hipereutectoides, la estructura final tiene en vez de ferrita, cementita rodeando las islas de perlita por lo que el acero es duro y frágil, sin

embargo por tratamiento térmicos es posible mejorar las propiedades de estos aceros.

Control de la reacción eutectoide. Control de las cantidades del eutectoide. Al incrementar la cantidad de carbono en una aleación de hierro, aumentan las cantidades de cementita y de perlita en el acero, que aumentan la resistencia del acero, sin embargo existe un límite luego del cual las propiedades de los aceros empiezan a decaer por el excesivo porcentaje de carbono.

Control del tamaño de grano de la austenita.

Se puede incrementar la resistencia de una aleación, reduciendo el tamaño del grano, que produce que se crean mayor perlita en el acero dentro de los granos.

Control de la velocidad de enfriamiento. Si se enfría rápidamente la aleación, se producen láminas más finas y próximas de perlita por lo que se incrementa la resistencia de la aleación.

Control de la temperatura de transformación. La reacción en estado sólido es bastante lenta, y el acero se puede enfriar por debajo de la temperatura de transformación que afecta la organización de las fases, esta información se representa en un diagrama tiempo-temperatura transformación (TTT), que permite predecir la estructura, las propiedades mecánicas y el tratamiento térmico que se requiere para un acero que se quiera producir.

Con estos diagramas se puede predecir el crecimiento de perlita y de otro microconstituyente que se forma llamado Bainita que es una combinación de ferrita y cementita.

Reacción marténsitica. Es una reacción atérmica, esto quiere decir que depende de la temperatura mas no del tiempo y se forma rápidamente dentro del material, que cambia de una estructura FCC a una HCP, que cambia las propiedades del material, generalmente se produce por un tratamiento térmico llamado templado. En los aceros la martensita es muy dura y frágil.

CONTROL DE LA MICROESTRUCTURA Y LAS PROPIEDADES MECANICAS DE LOS MATERIALES

Propiedades físicas de los materiales Son aquellas que logran cambiar la materia sin alterar su composición. Por ejemplo, cuando moldeas un trozo de plastilina, sus átomos no se ven alterados de ninguna manera, pero exteriormente cambia su forma. Estas propiedades pueden variar en tres estados distintos como:







Solidos.- Se producen cuando los materiales se encuentran a una baja temperatura provocando que sus átomos a menudo se entrelazan formando estructuras cristalinas definidas, lo que les permite soportar fuerzas sin deformación. Los sólidos son calificados como duros y resistentes, y en ellos las fuerzas de atracción son mayores que las de repulsión. Liquido.- Al alcanzar la temperatura de fusión el sólido se va "descomponiendo" hasta desaparecer la estructura cristalina alcanzándose el estado líquido, cuya característica principal es la capacidad de fluir y adaptarse a la forma del recipiente que lo contiene. Gaseoso.- Incrementando aún más la temperatura se alcanza el estado gaseoso. Los átomos o moléculas del gas se encuentran virtualmente libres de modo que son capaces de ocupar todo el espacio del recipiente que lo contiene.

Propiedades de los solidos  













Adherencia: atracción o unión entre las moléculas próximas de los cuerpos. Compresibilidad: es una propiedad de la materia a la cual se debe que todos los cuerpos disminuyan de volumen al someterlos a una presión o compresión determinada manteniendo constantes otros parámetros. Conductividad eléctrica: es la capacidad de un cuerpo de permitir el paso de la corriente eléctrica a través de sí. Según esta condición los materiales se clasifican en conductores, aislantes y semiconductores. Dureza: Dificultad que oponen los cuerpos a ser rayados. Escala de Mohs. La dureza se mide con unos instrumentos llamados durómetros y existen diferentes escalas de dureza Brinell, Rockwell, Vickers, etc. Ductilidad: propiedad que tienen algunos metales y aleaciones cuando, bajo la acción de una fuerza, pueden estirarse sin romperse permitiendo obtener alambres o hilos. Elasticidad: designa la propiedad mecánica de ciertos materiales de sufrir deformaciones reversibles cuando se encuentra sujetos a la acción de fuerzas exteriores y de recuperar la forma original si estas fuerzas exteriores se eliminan. Fragilidad: propiedad de la materia que indica con qué facilidad se puede romper un cuerpo al sufrir un golpe ligero. la propiedad opuesta a la fragilidad es la tenacidad. Maleabilidad: propiedad que tienen algunos materiales para formar láminas muy finas. El oro es un metal de una extraordinaria maleabilidad permitiendo láminas de solo unas milésimas de milímetros Ensayo de Impacto

La tenacidad es una medida de la cantidad de energía que un material puede absorber antes de fracturarse. Uno de los métodos más sencillos de medida de la tenacidad es utilizar un aparato de ensayo de impacto. Ensayo de impacto de Charpy: (ho-hf) = Energía consumida por la probeta al romperse. (ho-hf) / área = φ = Resiliencia.

Donde φ es una medida de la tenacidad que se puede definir como la capacidad que tiene un material para recibir tensiones ocasionales superiores al límite elástico sin que se produzcan fracturas.

Ensayo de Termofluencia Termofluencia o deformación gradual en los metales y en las cerámicas, es un proceso por el que un material se alarga a través del tiempo bajo una carga aplicada y condiciones de temperatura diferente a la ambiente (27°C). Es un proceso activado por la temperatura, y esto significa que la rapidez de alargamiento, para determinado valor de esfuerzo, aumenta mucho con la temperatura. La termofluencia es en extremo sensible a la microestructura del material. Las dislocaciones pueden ascender y alejarse de los obstáculos, cuando los átomos se apartan de la línea de dislocación para crear intersticios o para llenar vacancias (a). Cuando los átomos se fijan a la línea de dislocación creando vacancias o eliminando intersticios (b).

El Ensayo de Fatiga El ensayo de fatiga es la rotura de componentes, bajo una carga bien inferior a la carga máxima soportada por el material, debido a solicitaciones cíclicas repetidas.

¿Cómo se produce la fatiga? En una representación simplificada de este proceso, la deformación plástica hace que las dislocaciones se muevan y se crucen entre sí. Las intersecciones hacen disminuir la movilidad de las dislocaciones, y para que continúe la deformación se requiere la nucleación de más dislocaciones. La mayor densidad de dislocaciones degrada la perfección cristalográfica del material, y finalmente se forman micro grietas que crecen hasta un tamaño suficientemente grande como para que se produzca la falla catastrófica.

El esfuerzo máximo que actúa sobre la probeta es, ±  = 32M / d3, donde M es el momento de flexión, d es el diámetro. Pero M = F . (L/2) por lo tanto, ±  = 16FL /d3

Ensayo de Tenacidad a la Fractura El ensayo de tenacidad mide la capacidad de un material, que contiene una fisura, a resistir una carga aplicada. Se la realiza aplicando un esfuerzo a la tensión a una probeta preparada con un defecto de tamaño y geometría conocidos. (Askeland)

Para medir cuánto puede resistir el material, se define el Factor de Intensidad del Esfuerzo, el cual se representa por la letra K. Este factor se define matemáticamente de la siguiente forma:

donde: f: factor geométrico. Este es un número que depende de la fuerza aplicada y la geometría del defecto. 𝜎: esfuerzo nominal aplicado. a: tamaño del defecto. Si el defecto es superficial, a es la longitud total del mismo. Si el defecto es interno, a es la mitad de la longitud del mismo.

Esta definición de Factor de Intensidad del Esfuerzo solo es valida para esfuerzos aplicados en tensión y que al mismo tiempo sean perpendiculares a la línea de acción del esfuerzo.

Se puede determinar el valor de k para el cual el defecto crece y se produce la falla catastrófica. Este valor de k es lo que se conoce como tenacidad a la fractura = Kic, este alcanza un valor constante cuando el espesor se incrementa.

Bibliografía Askeland, D. (s.f.). Ciencia e Ingeniería de Materiales (Tercera ed.). México DF: Thomson. Fundamentos de Ciencia de Materiales. (s.f.). Recuperado el 20 de Mayo de 2016, de http://www.upv.es/materiales/Fcm/Fcm02/fcm2_6.html

Propiedades mecánicas de los materiales Las propiedades mecánicas describen como se comportan los materiales, cuando se aplican fuerzas externas. Las fuerzas externas se clasifican así:    

Fuerzas de tensión Fuerzas de compresión Fuerza en cortante Fuerza en torsión

Cualquiera de estas fuerzas aplicada a un material causa una deformación. ¿Qué es deformación? La deformación de un material se define como el cambio en la longitud a lo largo de la línea de aplicación de fuerza; donde Lf es largo final y Lo largo inicial

Además también se utiliza el concepto de deformación unitaria, existen dos tipos de deformación unitaria: ◦

◦

-Deformación Unitaria de Ingeniería

◦

-Deformación Unitaria Verdadera

¿Qué es esfuerzo? Para estudiar las deformaciones que se dan a los materiales debemos conocer el concepto de esfuerzo.

El esfuerzo se mide en las unidades que la presión, es decir fuerza por unidad de área. En el sistema métrico se mide en Pascales (N/m^2). Existen dos tipos de esfuerzo: Esfuerzo de Ingeniería y Esfuerzo Verdadero

Curva de esfuerzo y deformación La relación entre el estado de esfuerzos σ inducido en un material por la aplicación de una fuerza, y la deformación e que produce se puede representar gráficamente.

Entre el origen de coordenadas el punto O y el punto P el material es elástico La relación dada entre el esfuerzo y la deformación es lineal y dada por la ley de Hooke.

Descripción de la curva. Esta zona lineal se denomina “rango elástico”. La ordenada sL del punto P se denomina “límite elástico” y corresponde al esfuerzo más alto que se puede aplicar sobre el material sin que éste deje de ser elástico. El tramo PU de la gráfica ya no es una recta, sino curva. A la ordenada sU del punto U se le denomina “esfuerzo último” y es el esfuerzo máximo que se le puede aplicar al material. Esta zona entre P y U se denomina “rango inelástico” y nos indica que los esfuerzos que actúan sobre el material producen en éste deformaciones residuales o permanentes. La zona de la gráfica entre los puntos U y R se denomina “rango plástico”. En esta zona ocurre una deformación plástica del material, de manera que, aunque la intensidad del esfuerzo disminuya, la deformación del material aumenta.

La ordenada sR del punto R se denomina “esfuerzo de ruptura” y es el esfuerzo que produce la ruptura del material. La zona de la gráfica entre los puntos U y R se denomina “rango plástico”. En esta zona ocurre una deformación plástica del material, de manera que, aunque la intensidad del esfuerzo disminuya, la deformación del material aumenta. La ordenada sR del punto R se denomina “esfuerzo de ruptura” y es el esfuerzo que produce la ruptura del material. Se puede definir el “límite elástico aparente de Johnson”, J, el cual se define como el punto donde la pendiente de la curva es la mitad de la pendiente del rango elástico:

Curva de Esfuerzo y Deformación Unitaria En esta curva se obtienen varias propiedades mecánicas en tensión para el material. 1. Resistencia de fluencia: Es el valor de esfuerzo que se debe aplicar sobre el material para deformar el material permanentemente. 2. Módulo de elasticidad: es una medida de la rigidez del material. 3. Módulo de resilencia: representa la energía por unidad de volumen que el material absorbe cuando se deforma elásticamente. 4. Relación de poisson: es la relación entre la deformación lateral y longitudinal. 5. Resistencia a la tensión o esfuerzo último: Es el valor máximo de esfuerzo de ingeniería que se puede aplicar sobre el material. 6. Ductilidad: Es la medida de deformación plástica máxima que se puede dar en un material antes de que se rompa. 7. Tenacidad: Es la energía por unidad de volumen que el material puede absorber antes de romperse.

Ensayo de dureza Desde el punto de vista físico se define la dureza como la resistencia que oponen los cuerpos a ser rayados o penetrados por otros con los que se compara. Ensayo Brinell En el ensayo de dureza Brinell el penetrador es una bola de acero extraduro de diámetro D, que se apoya sobre la probeta a estudiar; ejerciendo sobre la misma una fuerza P durante un tiempo t dado, aparece una huella de diámetro d sobre el metal, figura 2.14. La dureza Brinell viene definida por:

Figura 2.14. Esquema del ensayo de dureza Brinell. HB = P/S (2.5) Siendo S la superficie de la huella, casquete esférico. P se expresa en kg fuerza y S en mm2. También puede expresarse de la siguiente manera:

La selección de las cargas, P, y diámetros, D, es una función del espesor de la pieza a ensayar, pues los resultados de dureza quedan falseados cuando pequeños espesores son ensayados con grandes cargas. Las normas DIN 50351, indica la forma de selección de las cargas, materiales y diámetro de bolas, estableciendo para cada material una relación entre la carga y el cuadrado del diámetro, la cual constituye la constante del ensayo, Ce: Ce = P/D2 Se consigue obtener unidades Brinell de dureza equiparable para una misma aleación, si se mantiene constante, para distintas cargas de ensayo, el parámetro Ce. En consecuencia, el tipo de ensayo Brinell queda definido por: el diámetro de la bola, D, la carga, P, y el tiempo de permanencia de la carga, t. Cada tipo de ensayo Brinell, se expresa en la forma,[n HBD/P/t] Ensayo Vickers El ensayo de dureza Vickers es, como el Brinell, un ensayo cuyo objetivo es la determinación de la superficie lateral, S, de la huella. El penetrador es una pirámide de diamante de base cuadrada, cuyo ángulo en el vértice es de 136°.

S = d2/2 sen68° (2.8) Con lo que: HV = 2P sen68°/d2 = 1.8544 P/d2 (2.9) La selección de la carga se realiza en función inversa a su dureza. La norma UNE 7054?73 establece los distintos aspectos de este ensayo. Como en el ensayo Brinell, la aplicación de la carga se realiza con una velocidad mínima, vm, y se requiere un tiempo mínimo de permanencia, t, entre 15 y 20 segundos generalmente. La denominación de la dureza obtenida se realiza citando las siglas HV seguido de la carga utilizada, P, y del tiempo de permanencia, t, separado por barras, por ejemplo, [nHV/P/t] Ensayos Rockwell. En los ensayos de dureza Rockwell, las unidades de dureza se establecen por la medida de la profundidad, e, de la huella de acuerdo con el modelo: HR = A - e (mm)/0.002 (2.10) El ensayo es aplicable a todo tipo de materiales metálicos: a) Blandos. Se utiliza como penetrador una bola de acero templado, similar al del ensayo Brinell, con diámetros de bola y cargas normalizados para cada tipo de ensayos. b) Duros. Se utiliza como penetrador un cono de diamante de 120° de ángulo de vértice redondeado en la punta. Se usan cargas normalizadas de 60, 100 y 150 kilogramos. c) Pequeños espesores en materiales blandos o duros. Es el caso de flejes, chapas delgadas o también sobre capas endurecidas, cementadas o nitruradas. En este supuesto se usa la modalidad de pequeñas cargas especificadas en la norma, 3 kilogramos de precarga y 15, 30 o 45 kilogramos de carga. Se conoce este tipo de ensayos como Rockwell superficial.

La denominación de la dureza Rockwell ensayada es por escalas, de A a L, que identifica la precarga, carga y tipo de penetrador, según se especifica en la tabla siguiente. ESCALA

CARGA PENETRADOR (kg)

A

60

Cono de diamante

B

100

Bola de 1/16"

MATERIALES TIPICOS PROBADOS Materiales duros en extremo, carburos de wolframio, etc. Materiales de dureza media, aceros al carbono bajos y

C

150

Cono de diamante

D

100

Cono de diamante

E

100

Bola de 1/8"

F

60

Bola de 1/16"

G

150

Bola de 1/16"

H

60

Bola de 1/8"

K

150

Bola de 1/8"

L

60

Bola de 1/4"

medios, latón, bronce, etc Aceros endurecidos, aleaciones endurecidas y revenidas. Acero superficialmente cementado. Hierro fundido, aleaciones de aluminio y magnesio. Bronce y cobre recocidos. Cobre al berilio, bronce fosforoso, etc. Placa de aluminio. Hierro fundido, aleaciones de aluminio. Plásticos y metales suaves, como el plomo.

Con el objeto de obtener ensayos reproducibles, la máquina obtiene el valor "e", por incrementos de las cargas aplicadas de acuerdo con la secuencia siguiente. 1 -Aplicación de una carga previa, F0 = 10 kg. Esta sirve para tomar una referencia h0, independiente del estado superficial. 2 -Aplicación de la sobrecarga de ensayo, F1, con lo que se alcanza h1. 3 -Eliminación de la sobrecarga F1, con lo que se recupera la deformación elástica y se conserva la remanente. La profundidad alcanzada es h. 4 -La profundidad de la huella viene definida por: e = h - h0 (2.11)

TRATAMIENTOS TÉRMICOS Los aceros son unos de los materiales más utilizados en la industria, dentro del proceso de producción de estos se realizan diferentes tratamientos térmicos para mejorar las propiedades del material. Tratamientos como el temple, revenido, normalizado, etc. son necesarios para poder obtener un acero adecuado para los distintos usos. A su vez dentro de este contexto encontramos a los ensayos destructivos y no destructivos, que son parte fundamental de la industria para poder comprobar las propiedades del material, estos ensayos son de fácil aplicación y de bajo costo, y nos permiten tener una idea rápida y concreta acerca del material que se está poniendo a prueba.

Los tratamientos térmicos son combinaciones de calentamiento y enfriamientos a tiempos determinados aplicados a un metal o aleación en estado sólido con el fin de modificar propiedades de acuerdo a las condiciones de uso. Los tratamientos térmicos tienen como objetivo el estudio del efecto de la composición, temperatura, tamaño de grano y atmósfera del horno de calentamiento, sobre la microestructura y dureza de los aceros. Todos los procesos básicos de tratamientos térmicos para los aceros incluyen la transformación o descomposición de la austerita. La naturaleza y la apariencia de estos productos de transformación determinan las propiedades físicas y mecánicas de cualquier acero. El primer paso en el tratamiento térmico del acero es calentar el material a alguna temperatura en o por encima del intervalo crítico para formar austenita. En la mayoría de los casos, la rapidez de calentamiento a la temperatura deseada es menos importante que otros factores en el ciclo de tratamiento térmico. Los materiales altamente forzados producidos por trabajado en frío deben calentarse mas lentamente que los que se haya libres de esfuerzos para evitar distorsión. Se puede considerar la diferencia en temperatura que tiene lugar dentro de las secciones gruesas y delgadas de artículos de sección transversal variable y, siempre que sea posible, se debe tomar alguna medida para ser más lento el calentamiento de las secciones más delgadas, de tal modo que sea posible minimizar el esfuerzo térmico y distorsión. Por lo general se hará menos daño al acero al utilizar una rapidez de calentamiento tan lenta como sea práctico. TRATAMIENTOS TÉRMICOS DEL ACERO Los tratamientos térmicos tienen como objeto mejorar las propiedades y características de los aceros, y consisten en calentar y mantener las piezas o herramientas de acero a temperaturas adecuadas, durante un cierto tiempo y enfriarlas luego en condiciones convenientes. De esta forma, se modifica la estructura microscópica de los aceros, se verifican transformaciones físicas y a veces hay también cambios en la composición del metal. El tiempo y la temperatura son los factores principales 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. TEMPLE En metalurgia e ingeniería, proceso de baja temperatura en el tratamiento térmico del acero con el que se obtiene el equilibrio deseado entre la dureza y la tenacidad del producto terminado. Los artículos de acero endurecidos calentándolos a unos 900°C y enfriándolos rápidamente en aceite o agua se vuelven duros y quebradizos. Si se vuelven a calentar a una temperatura

menor se reduce su dureza pero se mejora su tenacidad. El equilibrio adecuado entre dureza y tenacidad se logra controlando la temperatura a la que se recalienta el acero y la duración del calentamiento. La temperatura se determina con un instrumento conocido como pirómetro; en el pasado se hacía observando el color de la capa de óxido que se formaba sobre el metal durante el calentamiento. Existen varios tipos de temple, clasificados en función del resultado que se quiera obtener y en función de la propiedad que presentan casi todos los aceros llamada templabilidad (capacidad a la penetración del temple), que a su vez depende, fundamentalmente, del diámetro o espesor de la pieza y de la calidad del acero. El término temple también se utiliza para describir un proceso de trabajo en frío que aumenta la dureza del metal, sobre todo en el caso de aceros con bajo contenido en carbono y de metales no ferrosos. El templado del acero se realiza en tres escalones: calentamiento a temperatura de temple, detención a esta temperatura y enfriamiento rápido. El temple se consigue al alcanzar la temperatura de austenización y además que todos los cristales que componen la masa del acero se transformen en cristales de austenita, ya que es la única estructura constituyente del material que al ser enfriado rápidamente se transforma en martensita, estructura que da la máxima dureza a un acero hipoeutectoide. Los aceros inferiores a 0,3% de carbono no toman temple debido a que al ser enfriados rápidamente de la temperatura de austenización fijan estructuras no martensíticas como por ejemplo: Perlita y Ferrita. La temperatura de austenización es variable, dependiendo del porcentaje de carbono que contenga el acero. De acuerdo con un diagrama de nombre Hierro Carbono se distingue una zona llamada hipoeutectoide a la cual pertenecen los aceros de porcentajes de carbono inferiores al 0,83% hasta 0,008% y otra superior a estas de nombre hipereutectoide. TEMPERATURA DE TEMPLE En el caso de los aceros hipoeutectoides la temperatura de austenización recomendada es de unos 30 grados Celsius por encima de su temperatura critica superior, Ac3. Esta temperatura es la misma que se indica para otro tratamiento térmico como es el recocido. Si el calentamiento se produce a temperaturas inferiores a A3, quedará sin transformarse cierta cantidad de ferrita proeutectoide; la cual después del temple, dará origen a la existencia de puntos blandos y una dureza menor. En los ordinarios de carbono hipereutectoides, la temperatura de austenización se encuentra normalmente las líneas Acm y A3 ( como se demuestra en el

diagrama de hierro carbono ) La línea Acm tiene una pendiente tan pronunciada, que para que se disuelva toda la cementita proeutectoide, se requiere temperaturas muy elevadas con el consiguiente desarrollo del tamaño de grano austenítico y la formación de una fase grosera y perjudicial que puede dar origen a la aparición de grietas en el enfriamiento. HOMOGENEIDAD DE LA AUSTENITA Al hablarse de homogeneidad de la austenita, se refiere a la uniformidad que presentan los granos de austenita en cuanto al contenido de carbono. Si se calienta un acero tipo hipoeutectoide a la temperatura de temple,, cuando por el calentamiento el acero atraviesa la línea AC1, los granos de austenita formados por transformación de la perlita, contendrán 0,8% de carbono. Al proseguir el calentamiento, la ferrita proeutectoide se disolverá y los granos de austenita formados contendrán muy poco carbono por lo que, cuando se atraviesa la línea Ac3 el contenido de carbono de los granos de austenita no será igual en todos ellos. En el Temple los granos de austenita más pobres en carbono, como tienen una velocidad critica de temple elevada, tenderán a transformarse en estructuras no martensíticas; mientras que los de mayor contenido de carbono, al tener una velocidad critica de temple pequeña, se transformaran en martensítica. Lo anterior da lugar a que la micro estructura formada no sea uniforme y posea una dureza variable. Este inconveniente puede evitarse calentando el material muy lentamente, con lo cual el carbono tiene suficiente tiempo para difundir, obteniéndose una micro estructura uniforme. Pero debido a la excesiva duración de este proceso, hace que no sea aplicable industrialmente. Un proceso que resulta más adecuado, consiste en mantener el material en cierto tiempo a la temperatura de austenización, ya que a dicha temperatura el carbono se difunde más rápidamente y las uniformidades logran al cabo de un breve periodo de tiempo. Sin embargo, como se estableció para el recocido, para tener la seguridad que el carbono sea difundido totalmente, es recomendable mantener el material a la temperatura de austenización una hora por pulgada de diámetro o espesor.

MARTENSITA Los aceros con alto contenido de carbono pueden asumir tres estructuras. El arreglo centrado en las caras tiene átomos de carbono (esferas oscuras) entre los de hierro. A altas temperaturas el carbono se disuelve en el hierro (austenita). Si el material se enfría lentamente, los carbonos ya no caben y los cristales cambian una estructura cúbica centrada en el cuerpo (ferrita), en cambio, si se enfría rápidamente (templado), los átomos de carbono quedan atrapados en los intersticios y los cristales resultan ser tetragonales centrados en el cuerpo (martensita) que son más duros que la ferrita.

MEDIO DE TEMPLE A la vista del mecanismo de disipación de calor, el medio de temple ideal sería aquel que fuera capaz de comunicar inicialmente al acero una velocidad de enfriamiento superior a la critica de tal forma que no haya posibilidad que se realice transformación en la zona correspondiente a la nariz perlítica del diagrama T-I, y después en la zona de temperaturas inferiores, una velocidad de enfriamiento pequeño para que no aparezcan deformaciones. Desgraciadamente no existe medio alguno que presente estas propiedades ideales. Así, en el agua y en las soluciones acuosas de sales inorgánicas se logran las etapas 1 y 2 velocidades iniciales de enfriamiento elevadas, pero lamentablemente estas se mantienen durante el enfriamiento a bajas temperaturas con el consiguiente peligro que aparezcan grietas y deformaciones. En los aceites de temples normales, la etapa 1 o de enfriamiento por capa de vapor es más larga, mientras que la 2 es más corta, siendo la velocidad de enfriamiento menor. Los distintos medios de temple utilizados en la industria ordenados en función de la severidad de temple de mayor a menor, son los siguientes: -Solución acuosa con 10% de cloruro sódico (salmuera) -Agua corriente -Sales liquidas o fundidas -Soluciones acuosas de aceite sulfonado -Aceite -Aire Tipos de temple •

Temple continuo._ Se calienta el material a 50°C por encima de la temperatura critica superior, enfriándose en el medio adecuado obtener martensita.

•

Temple superficial._ Se consigue que solamente la zona más exterior se transforme en martensita

•

Temple escalonado._ Consiste en calentar el acero a temperatura elevada y mantenerlo el tiempo necesario para que se transforme en austenita. Posteriormente se enfría reduciendo la temperatura para obtener martensita.

•

Temple isotérmico._ Disminuir la temperatura para que se transforme en vainita.

TRATAMIENTO TERMICO RECOCIDO El recocido es un tratamiento térmico de cuya finalidad es el ablandamiento, la recuperación de la estructura o la eliminación de tensiones internas generalmente en metales. Cualquier metal que haya sido tratado tiene como resultado una alteración de las propiedades físicas del mismo. El recocido consiste en calentar el metal hasta una determinada temperatura para después dejar que se enfríe lentamente, habitualmente, apagando el horno y dejando el metal en su interior para que su temperatura disminuya de forma progresiva. El proceso finaliza cuando el metal alcanza la temperatura ambiente. Mediante la combinación de varios trabajos en frío y varios recocidos se pueden llegar a obtener grandes deformaciones en metales que, de otra forma, no podríamos conseguir Tipos de recocido •

Recocido completo._ Afina el grano cuando ha crecido producto de un mal tratamiento. Aceros hipoeutectoides

•

Recocido incompleto._ Elimina tensiones pero solo recristaliza la perlita. Este tipo de tratamiento es más económico que el anterior.

•

Recocido de globalización._ Mejora la mecanibilidad en los aceros euctectoides e hiporeutectoides. Es un tratamiento térmico utilizado para reducir los niveles de dureza de un acero a un valor específico. Este tratamiento requiere que el material se caliente a una temperatura un poco inferior a A1 y se mantenga por un tiempo prolongado, o calentando y enfriando alternadamente entre Ac1 y Ar1 y a veces también superior a ac1, pero enfriando muy lentamente 21 dentro del horno a 15º c por hora hasta 650ºC y luego en aire

•

Recocido de recristalización._ Reduce tensiones y elimina acritud. Este tratamiento, también conocido como recocido contra acritud, tiene por finalidad recuperar los granos deformados que se obtienen después de someter una pieza a deformaciones que pueden ser en frío o

caliente. La temperatura a la cual se realiza este tratamiento es por arriba de 550°C y específicamente entre 550 y 650°C, donde ocurre la recristalización de la ferrita, es decir se forman nuevos granos libres de deformación

Fig 1. muestra el estado inicial (antes de la deformación), y final de los granos después de que un material ha sufrido cierto grado de deformación •

Recocido de homogenización._ Elimina la segregación química y cristalina. Para este tipo de recocido, el calentamiento se hace por debajo de la temperatura crítica inferior. (A1 o Ac1) Después de ser fabricada la herramienta, esta debe calentarse en toda su masa a 650ºC ñ 700°C por dos horas y sostener, el enfriamiento se hace lentamente hasta 500ºC y después al aire

Nota: Acero hipoeutectoides-_ Acero con una composición 0.77% de carbono, formado por una mezcla de ferrita más perlita. Soldadura de la Fundición La composición química y la estructura particular de la fundición exigen que sean observadas ciertas reglas fundamentales durante la soldadura, para obtener buenos resultados. La fundición es una aleación compuesta de hierro, carbono y silicio (además de unas trazas de manganeso y fósforo). El carbono se presenta bajo dos formas: a) En forma combinada (cementita, martensita) b) En forma libre (láminas o nódulos de grafito) Si la velocidad de enfriamiento después de la soldadura es muy rápida, el carbono libre no dispone de tiempo suficiente para separarse, de ahí la formación de "fundición blanca dura y frágil". Este fenómeno se produce generalmente cuando se utilizan electrodos que depositan un metal parecido el metal base. Para evitar esto, son necesarios un precalentamiento completo de

la pieza a soldar y un enfriamiento lento después de la soldadura. En cambio, empleando metales de aportación de composición distinta, tales como los electrodos en base níquel, la aportación de calor puede ser limitada, las zonas de transición están menos afectadas por el calor y en consecuencia, las uniones realizadas son mecanizables. Recomendaciones para Preparación de la pieza:

la

soldadura

de

la

fundición:



Eliminar todas las trazas de aceite, óxido, pintura, etc.,...., de la superficie del metal base.  Desgastar con la muela o ranurar las fisuras (abertura de 90°) y taladrar cada extremo.  En el caso de soldadura de unión, chaflanar las caras de la unión, la forma el chaflán (V, X o U), depende del espesor de la pieza. El ángulo de abertura del chaflán deberá ser aproximadamente 90°. La ranura o el chaflán pueden ser ejecutados por amoladura o por medio de una herramienta neumática, por limado manual o empleando electrodos de corte y achaflanado.  Eliminar la costra de la fundición sobre aproximadamente 20 o 30mm de cada lado de los bordes a soldar.  Evitar los bordes vivos y los ángulos agudos. Precalentamiento y soldadura: 

Para la soldadura por medio de varillas de fundición parecida al metal base, la pieza completa debe ser uniformemente precalentada a 600°C.  Después de la soldadura, dejar que la pieza se enfríe lentamente, colocándola en un horno o en arena caliente o en cenizas.  Para la "soldadura en frío" (electrodos, hilos base níquel), realizar cordones cortos de 20 a 30mm cada vez. Batir cada cordón con la ayuda de un martillo antes de proseguir. Durante la soldadura, la pieza no debe calentarse por encima de una temperatura soportable para la mano.  Para la soldadura de perfiles complicados o de grandes espesores, se aconseja siempre un precalentamiento de 300-350°C.  Si las fisuras a reparar no atraviesan totalmente el espesor, soldar del exterior hacia el interior. CROMA – 100 Normas: DIN Aplicación- Propiedades

8556:

E

1

-

600

Electrodo para recargue duro no mecanizable. Su aportación origina carburos de Cromo y martenita que lo hacen resistente al desgaste y abrasión sin choques fuertes. Sobre aceros muy duros (C=0,6%), depositar una capa intermedia: CROMA - 29

Indicado para: Aceros de construcción de bajo contenido en Carbono Sobre aceros aleados, depositar una capa intermedia Molinos de conos, dientes de excavadoras, rejas, dragas, martillos de molinos... Homologaciones Composición química % (Valores típicos orientativos) C = 0,40-0,45 Cr = 4,50-5,50

Si = 0,55-0,65 Ni = 0,090-0,15

Mn = 1,15-1,25

Propiedades mecánicas del metal depositado (valores típicos orientativos) HB 550-650

HV 610-680

Secado: Posición de soldadura: Corriente de soldadura: Unidades de empaquetado

Diámetro (mm) Longitud (mm) Pzas/kg Pzas/paq. Pzas./caja Código

HRc 54-63

No Todas, excepto DC (+) /

requerido vertical descendente AC (U0 > 65V)

2,50

3,25

4,00

5,00

350

350

350

450

56 140 840 7201525U

29 75 450 7201540L

19 48 288 7201540L

12 30 180 7201550W

CROMA – 101 Normas: DIN Aplicación- Propiedades

8556:

E

6

-

UM-60

Electrodo base para recargue duro no mecanizable. Su aportación origina carburos de Cromo, depositando un material tenaz y resistente al desgaste en piezas sometidas a una abrasión severa. El material depositado está libre de

fisuras y porosidad y es resistente al contacto y choques moderados. Sobre aceros muy duros (C=0,6%), depositar una capa intermedia: CROMA - 29 Indicado para: Aceros de construcción de bajo contenido en Carbono Sobre aceros aleados, depositar una capa intermedia Pulverizadores de carbón, dientes de excavadoras, elementos tranportadores, rascadores de amasadoras, martillos y conos de molinos,... Homologaciones: DB Composición química % (valores típicos orientativos) C = 0,50 Si = 0,40 Mn = 0,30 Cr = 7,00 Mo = 0,50 V = 0,50 Propiedades mecánicas del metal depositado (valores típicos orientativos) HB

HV

HRc 57-62

Secado: No requerido Posición Corriente

de de

soldadura: soldadura:

Unidades de empaquetado Diámetro 2,50 (mm) Longitud 350 (mm) Pzas/kg 225 Pzas/paq. 1125 Kgs/paq. 4,70 Código 7201520P

Todas, DC

excepto (+) /

vertical descendente AC (U0 > 65V)

3,25

4,00

5,00

350

350

450

125 625 5,70 7201521Q

80 400 5,50 7201522R

50 250 5,40 7201523S

CROMA – 101 - X Normas: DIN 8556: Aplicación- Propiedades

E

10

-

UM-60

GR

Electrodo rutilo altamente aleado para recargue duro no mecanizable. Rendimiento 160%. Recomendado para recargue de piezas sometidas a una abrasión severa por partículas minerales. Las fisuras transversales que aparecen sobre metales duros, no son significativas y no influyen en la resistencia al desgaste. Cordón liso, poca penetración que favorece la dureza.

No es válido para condiciones donde prevalecen choques e impactos. Sobre aceros muy duros (C=0,6%), depositar una capa intermedia: CROMA - 46 Indicado para: Piezas sujetas a desgaste por abrasión mineral Piezas sometidas a corrosión a altas temperaturas Elementos transportadores de minerales, palas de mezcladoras y centrifugadoras, bombas de cemento y hormigón, dragas,... Homologaciones Composición química % (Valores típicos orientativos) C = 4,05

Cr = 35,00

Propiedades mecánicas del metal depositado (valores típicos orientativos) HB

HV 680 - 770

HRc 57-62

Secado: Generalmente no requerido, recomendado Posición de soldadura: Corriente de soldadura: DC (+) / AC Unidades de empaquetado Diámetro (mm) 3,25 Longitud (mm) 350 Pzas/paq. 47 Pzas/caja 282 Kgs/paq. 2,35 Código 7288832T Clasificación de las fundiciones.

4,00 350 30 180 2,35 7288840C

300-350ºC / 2h Horizontal (U0 • 65V)

5,00 450 80 400 5,50 7288850N

Clasificaremos las fundiciones desde 2 puntos de vista a) De acuerdo a su fractura. De acuerdo al aspecto que presentan las piezas fundidas después de rotas se clasifican en: Fundición gris (gris oscuro) Fundición Blanca (blanco brillante) Fundición atruchada (grisáceo) b) De acuerdo a micro estructura. De acuerdo a su micro estructura se clasifican en tres grupos.

Fundiciones en las que todo el carbono se encuentra combinado formando cementita y que al romper presenta fractura de fundición blanca Fundiciones en las que todo el carbono está en estado libre formando grafito. Fundiciones en las que parte del carbono está libre y parte combinado en forma de cementita. REVENIDO El estudio de los procesos de tratamiento térmico de los aceros comenzó por D. Chermov de los puntos críticos del acero en 1868. Se conoce como tratamiento térmico el proceso al que se someten los metales con el fin de mejorar sus propiedades mecánicas, especialmente la dureza, la resistencia y la tenacidad. Los materiales a los que se aplica el tratamiento térmico son, básicamente, el acero y la fundición, formados por hierro y carbono. El tratamiento térmico es la operación de calentamiento y enfriamiento de un metal en su estado sólido a temperaturas y condiciones determinadas para cambiar sus propiedades mecánicas. Nunca alteran las propiedades químicas. Con el tratamiento térmico adecuado se pueden reducir los esfuerzos internos, el tamaño del grano, incrementar la tenacidad o producir una superficie dura con un interior dúctil. Para conocer a que temperatura debe elevarse el metal para que se reciba un tratamiento térmico es recomendable contar con los diagramas de cambio de fases como el de hierro - carbono. En este tipo de diagrama se especifican las temperaturas en las que suceden los cambios de fase (cambios de estructura cristalina), dependiendo de los materiales diluidos. Los tratamientos térmicos han adquirido gran importancia en la industria en general, ya que con las constantes innovaciones se van requiriendo metales con mayores resistencias tanto al desgaste como a la tensión. El tiempo y la temperatura son los factores principales y hay que fijarlos de antemano de acuerdo con la composición del acero, la forma y el tamaño de las piezas y las características que se desean obtener. El tratamiento térmico convencional para producir aceros martensíticos se obtiene mediante un enfriamiento rápido, del acero austenizado, en un medio de temple, tal como agua, aceite o aire. Las propiedades mecánicas optima de un acero templado seguido de un revenido, se produce si durante el proceso de temple el acero adquiere un alto contenido de martensíta, u otro micro constituyente como perlita, bainita. El tratamiento térmico adecuado del acero para que se produzca una estructura martensística, depende fundamentalmente de tres fases.   

1. Calentamiento de la pieza. 2. Permanencia a la temperatura deseada. 3. Medio de enfriamiento.

Desarrollo Diagrama hierro-carbono y diagramas TTT y CCT El diagrama de fase hierro-carbono (Fe-C), mostrado en la Figura 1, es la representación gráfica de las fases presentes en determinada composición y temperatura. Es en el referido diagrama donde todos los tratamientos térmicos se basan, pues el mismo define las regiones de temperatura y cantidad de carbono donde las fases son estables; sin embargo, resalta que este diagrama debe ser apenas una guía, una vez que la mayoría de los aceros contienen otros elementos que modifican las posiciones de equilibrio donde las fases son estables (3,4). Los aceros son aleaciones de hierro, carbono y otros elementos, el hierro es el elemento que entra en mayor proporción y la cantidad de carbono no sobrepasa el 2%; sin embargo este elemento es el que más influencia ejerce en las propiedades y posiciones de equilibrio. Algunos elementos, como el magnesio y el níquel, pueden aumentar el área donde la austenita es estable, mientras que el silicio, el cromo y el niobio estabilizan la fase ferrítica (3 El diagrama de transformación isotérmica, que también es conocido como diagrama ITT, puede ser observado en la Figura 2. En una transformación isotérmica la temperatura es mantenida constante mientras se varía el tiempo. Este diagrama torna la cinética de transformación más fácil de ser analizada para determinada temperatura. El diagrama de transformación por enfriamiento continuo que también es conocido como diagrama CCT, puede ser observado en la Figura 2. Este diagrama se aproxima más a las condiciones de enfriamiento de los procesos de manufactura, con un descenso paulatino de la temperatura a diferentes velocidades de enfriamiento. Es importante resaltar que algunos factores influyen directamente en la posición de las curvas de inicio y fin de transformación, como, por ejemplo, la cantidad de carbono, el tamaño de los granos, la presencia de los elementos de aleación y la homogeneidad de la austenita.

Figura 1: Diagrama hierro-carbono (5(.

Figura 2: Diagrama ITT y CCT para el acero SAE 4130 (5(. El temple del acero

La austenitización se define como la formación de la austenita como resultado del calentamiento del acero hasta una temperatura ligeramente más elevada que la crítica superior (Ac3) (3(. El temple, consiste en enfriar el acero rápidamente después de la austenitización, en un medio apropiado, con el objetivo de lograr la formación de la martensita; tal estructura confiere alta dureza y resistencia al acero. Los medios de enfriamiento más comúnmente utilizados para el temple son: agua, aceite, soluciones poliméricas y soluciones salinas, presentando diferentes severidades (6(. Dependiendo del contenido de carbono, la martensita puede presentar dos tipos de morfología: listones y placas. La Figura 3 relaciona la morfología de la martensita con la cantidad de carbono. La martensita tipo listones es formada en los aceros de bajo carbono, son listones largos y finos que se forman lado a lado, paralelamente entre sí (3,4(. La martensita tipo placas se desarrolla en los aceros de alto carbono. Con esta estructura los granos de la martensita adquieren una apariencia en formato de aguja o placas y es común la presencia de la austenita retenida (7(. En los aceros de medio carbono pueden coexistir los dos tipos de martensita.

Figura 3: Intervalos de formación de la martensita tipo entramas y tipo placas (3(. Así, la martensita lograda por el temple es una estructura bastante dura y frágil. La mayor dificultad al usar aceros templados consiste exactamente en la baja tenacidad y en la alta concentración de tensiones de la martensita. Esta fragilidad se debe a las distorsiones en el reticulado causadas por los átomos de carbono retenidos en los sitios octaédricos de la martensita (Figura 4), a la segregación de las impurezas para los contornos de grano de la austenita, a la formación de carburos durante el temple y a las tensiones residuales de temple (3(. Para aliviar estas tensiones y mejorar la tenacidad del acero templado se hace necesaria otra etapa de tratamiento térmico; el proceso adecuado para este fin es denominado revenido.

Figura 4: Desplazamientos del átomo de hierro debido a los átomos de carbono en: a- austenita, b- ferrita y c- martensita (8(.

EL REVENIDO DEL ACERO El revenido del acero se realiza después del temple para obtener valores especificados de las propiedades mecánicas, también para aliviar tensiones y asegurar la estabilidad dimensional. Las variables asociadas con el revenido - que afectan a la microestructura y las propiedades mecánicas de un acero - incluyen:   

temperatura de revenido ( tiempo de permanencia a la temperatura de revenido velocidad de calentamiento y enfriamiento.

En el acero templado, con una microestructura que consiste esencialmente en martensita, los átomos de carbono se insertan en la red cristalina del hierro, produciendo una distorsión de la red cúbica del hierro que da origen a una red tetragonal la cual le confiere al acero altos niveles de dureza, en dependencia de su contenido de carbono. Durante el revenido, debido al calentamiento, los átomos de carbono difunden, para permitir el retorno a la red cúbica característica del hierro, originando carburos del tipo M3C. Las propiedades del acero revenido se determinan principalmente por el tamaño, forma, composición y distribución de los carburos, con una contribución relativamente menor debida al endurecimiento por sólido-solución de la ferrita. Estos cambios en la microestructura suelen disminuir la resistencia mecánica y aumentar la ductilidad y la tenacidad. Bajo ciertas condiciones, la dureza puede no ser afectada por el revenido o incluso puede aumentar como resultado del mismo. Por ejemplo, un revenido de acero templado con temperaturas de revenido muy baja puede provocar ningún cambio en la dureza. Además, los aceros de aleación que contienen

uno o más de los elementos formadores de carburo (Cr, Mo, V y W) son capaces de provocar el llamado endurecimiento secundario. Los valores de dureza de revenido para varios aceros se presentan en la Tabla 1. La temperatura y el tiempo de permanencia son variables interdependientes en el proceso de revenido. Dentro de ciertos límites, la reducción de la temperatura o el incremento del tiempo de permanencia por lo general pueden producir el mismo resultado que el aumento de la temperatura y la disminución del tiempo de permanencia; aunque se considera que los cambios de temperatura tienen mayor efecto que los del tiempo de permanencia. Con pocas excepciones, el revenido se realiza a temperaturas entre 175 y 705 °C con tiempos de 30 min a 4 h. Desde el punto microestructural, sobre la base de rayos X, dilatometría y los estudios microscopía, hay tres etapas distintas de revenido, a pesar de que los rangos de temperatura se superponen (9, 10, 11,12). Etapa I: La formación de (carburos de transición y la reducción a 0,25% del contenido de carbono de la martensita (de 100 a 250 °C) Etapa II: La transformación (de la austenita retenida en ferrita y cementita (200 a 300 °C) Etapa III: La sustitución de (los carburos de transición y de la martensita de baja temperatura por la mezcla de cementita y ferrita (250 a 350 °C). Una etapa adicional de revenido (etapa IV), consistente en la precipitación de carburos de aleación finamente dispersos, existe para los aceros de alta aleación. Se ha encontrado que la fase I de revenido es a menudo precedida por la redistribución de los átomos de carbono, llamado auto-revenido, durante el enfriamiento y/o mantenimiento a temperatura ambiente (13(. Otros cambios estructurales tienen lugar a causa del reordenamiento de átomos de carbono antes de la etapa clásica I del revenido (14,15(. Tabla 1. Valores de dureza de diferentes aceros sometidos al revenido (14(.

La formación de la martensita se asocia con un aumento en el volumen. Durante el revenido, la martensita se descompone en una mezcla de ferrita y cementita, con una consiguiente disminución de volumen a medida aumenta la temperatura de revenido. La austenita retenida en aceros al carbono y aceros de baja aleación se transforma en vainita con un aumento en el volumen, en la etapa II del revenido. Cuando algunos aceros de aleación son revenidos, una precipitación de carburos aleados finamente distribuidos, acompañada de un aumento en la dureza - la dureza llamada secundaria - y un aumento en el volumen. 1.3.1 INFLUENCIA DE LA TEMPERATURA DE REVENIDO Varias relaciones empíricas se han realizado entre la resistencia a la tracción y la dureza de los aceros revenidos de tal manera que la medición de dureza se utiliza habitualmente para evaluar la respuesta de un acero revenido.

La figura 5 muestra el efecto de la temperatura sobre la dureza, resistencia a la tracción, elongación y estricción relativas de un acero al carbono (AISI 1050) revenidos durante 1 h.

Fig. 5 Efecto de la temperatura de revenido en las propiedades mecánicas a temperatura ambiente del acero AISI 1050 (barra de 38 mm de diámetro), previamente templado en agua. (0,52% C, 0,93% Mn). [16] La mayoría de los aceros de mediana aleación presentan una respuesta al revenido similar a la de los aceros al carbono. El cambio en las propiedades mecánicas con la temperatura de revenido de acero 4340 se muestra en la figura 6.

Fig. 6 Efecto de la temperatura de revenido en las propiedades mecánicas de barras de acero 4340 templado en aceite. (0,41% C, 0,67% Mn, 0.023% P, S 0,018%, 0.26% Si, 1.77% Ni, Cr 0,78%, 0,26% Mo, tamaño de grano, ASTM 68; puntos críticos: AC1=730 °C, AC3= 770 °C, Ar3=475 °C, AR1=380 °C. El tratamiento térmico: normalizado a 870 °C, temple a 800 °C en aceite, dureza de temple 601 HB 16. 1.3.2 INFLUENCIA DEL TIEMPO DE REVENIDO La difusión de carbono y elementos de aleación necesaria para la formación de carburos depende de la temperatura y el tiempo de revenido. El efecto del tiempo de revenido en la dureza de un acero con 0,82% C revenido a diferentes temperaturas se muestra en la figura 7. Los cambios en la dureza se comportan aproximadamente de forma lineal en una gran parte del intervalo de tiempo, cuando el tiempo se presenta en una escala logarítmica. Cambios significativos en la dureza se producen al inicio del revenido antes de los 10 s, Cambios menos significativos en la dureza ocurren entre 1 y 10 minutos de revenido. Muy pequeños cambios ocurren en la dureza con tiempos entre 1 y 2 h de revenido, por lo que generalmente el revenido se aplica entre 1 y 2 h.

Fig. 7 Efecto del tiempo a cuatro temperaturas de revenido sobre la dureza a de del acero con 0,82% C templado 17. 13.3 VELOCIDAD DE ENFRIAMIENTO Otro factor que puede afectar a las características de un acero es la velocidad de enfriamiento durante revenido. Aunque las propiedades de tracción no se ven afectadas por la velocidad de enfriamiento, la resistencia al impacto puede disminuir si el acero se enfría lentamente a través del rango de temperatura de 375 a 575 °C, especialmente en aceros que contienen elementos formadores de carburo. La elongación y estricción relativas también pueden verse afectadas. Este fenómeno se llama fragilidad de revenido.

EFECTO DE LOS ELEMENTOS DE ALEACIÓN El principal objetivo de añadir elementos de aleación al acero es para aumentar la templabilidad, es decir, la capacidad del acero para formar martensita durante el temple. El efecto general de los elementos de aleación en revenido es de retardar la tasa de ablandamiento, especialmente a las altas temperaturas de revenido. Por lo tanto, para alcanzar una determinada dureza en un mismo período de tiempo, los aceros aleados requieren temperaturas más altas de revenido que los aceros al carbono. Los elementos de aleación se pueden caracterizar como formadores o no formadores de carburos. Elementos tales como Ni, Si, Al y Mn, que tienen poca o ninguna tendencia a formar carburos, se mantienen esencialmente en solución sólida de la ferrita y

sólo tienen un efecto menor sobre la dureza del templado. El endurecimiento debido a la presencia de estos elementos se produce principalmente a través de endurecimiento por solución sólida de la ferrita (18,19). Los elementos formadores de carburos (Cr, Mo, W, V, Nb y Ti) retardan las etapas del revenido, desplazándolas hacia temperaturas mayores en comparación con los aceros al carbono, dando origen a carburos aleados complejos. Este efecto no es considerable a baja temperatura de revenido cuando se forma Fe3C, sin embargo, a temperaturas más altas la dureza disminuye lentamente con la temperatura de revenido. El aumento en la dureza debido a la adición de diferentes elementos de aleación para temperaturas de revenido entre 205 y 705 °C. Los elementos fuertemente formadores de carburos, tales como el cromo, molibdeno y vanadio, son más eficaces en el aumento de la dureza a temperaturas superiores a 205 °C. Se ha encontrado que el silicio actúa sobre el aumento de la dureza a los 315 °C. El aumento en la dureza causada por el fósforo, níquel y silicio puede ser atribuido al endurecimiento por soluciónsólida. El manganeso es más efectivo en el aumento de la dureza a temperaturas más altas de revenido. Los elementos formadores de carburos retardan la coalescencia de la cementita, formando numerosas partículas finas y dispersas de carburos aleados. Bajo ciertas condiciones, con altas niveles de aleación, la dureza puede aumentar; este efecto se conoce como endurecimiento secundario. A medida que aumenta el contenido de molibdeno, se incremente el efecto del endurecimiento secundario. Se plantea que efectos sinérgicos de varias combinaciones de elementos de aleación pueden ocurrir, por ejemplo: el cromo tiende a producir endurecimiento secundario a una temperatura más baja que en el caso del molibdeno. Sin embargo, la combinación de cromo y molibdeno produce una curva de dureza en función de la temperatura de revenido con pico a una temperatura menor de la que provoca el pico de dureza cuando solo está presente el molibdeno, PROCEDIMIENTOS DEL REVENIDO El revenido puede realizarse por calentamiento total o de determinas zonas de las piezas, durante el tiempo suficiente para que se desarrollen los mecanismos del revenido hasta el punto requerido en dependencia de la dureza a obtener. El proceso de revenido puede realizarse en hornos de convección o de sales fundidas, en baños de aceite caliente o de metal fundido. La selección del tipo de horno depende principalmente del número y tamaño de las piezas y de la temperatura deseada. La Tabla 2 muestra especificaciones para el uso de diferentes equipos de revenido. Tabla 2 Especificaciones para el uso de diferentes equipos de revenido.

Soldabilidad De todas las clases de fierro fundido que se indican, se calculan que el 90% de las piezas fabricadas de fierro fundido en el mundo son de fundición gris, la fundición maleable y la nodular van ganando cada día un mayor terreno en el campo de las fabricaciones por fundición. Desde el punto de vista de la soldabilidad podemos indicar lo siguiente: La fundición blanca presenta muy serios problemas para soldarla La fundición gris es soldable con los métodos apropiados para soldar fierro fundido y su ejecución es un hecho corriente en la industria. Un método práctico de soldar la fundición maleable, cuando no interesa el color de la soldadura es el empleo de varillas de aleaciones de cobre, ósea la soldadura fuerte (brazing) La fundición nodular que se viene empleándose cada día en mayor proporción en nuestro medio, es también soldable, cuando se observan las instrucciones que para el efecto se indican. Métodos En la soldadura de fierro fundido gris los procedimientos más usuales son: Soldadura oxi-acetilenica. Soldadura al arco eléctrico con precalentamiento en caliente. Soldadura al arco eléctrico sin precalentamiento (soldadura fría) La soldadura oxi-acetilenica es más indicada para soldar piezas de pequeñas dimensiones. La soldadura por arco eléctrico se prefiere para cuerpos voluminosos y de paredes gruesas, previa preparación de los bordes a unir.

En la soldadura eléctrica es necesario distinguir fundamentalmente la soldadura con precalentamiento (soldadura en caliente) y la soldadura sin precalentamiento (soldadura en frio). La soldadura en caliente es de alta calidad y la soldadura en frio debe tomarse como un procedimiento auxiliar cuando por razones de trabajo el precalentamiento no resuelta factible. La industria economiza grandes cantidades de dinero, utilizando la soldadura para reparación de piezas fundidas rotas, desgastadas o simplemente dañadas. Electrodos Citofonte o superfonte Ferrocord U. Soldabilidad al acero inoxidable La designación “acero inoxidable” es el termino popular usado para especificar aquellos aceros aleados que tienen gran resistencia contra agentes corrosivos, como el agua, el agua marina, la atmósfera o el medio ambiente y las soluciones salinas, acidas, etc. Las propiedades de estos aceros se obtienen por aleación con distintos componentes en especial el cromo así como el níquel, molibdeno, manganeso silicio, cobre, titanio, niobio, etc. La resistencia a la corrección proviene de una película de óxido, que se forma en la superficie del metal y que contiene notables cantidades de cromo. Clasificación a) Austenitico: Los aceros inoxidables austeniticos constituyen el máximo tonelaje de aceros inoxidables de uso industrial, contienen cromo y níquel como los principales elementos de aleación, son de estructura predominante austenica, las propiedades de estos aceros dependen de las cantidades relativas de cromo y níquel presentes en el acero y se modifican por la adición de otros elementos aleantes como el titaneo molibdeno y el tungsteno. Se caracterizan por su excelente resistencia a la corrosión y a la oxidación. b) Ferritico: Los aceros inoxidables ferriticos son aleaciones de hierro de cromo y carbono con o sin adiciones pequeñas de otros elementos; el cromo es

el único elemento importante. Estos aceros tienen la característica común de ser magnéticos y de conservar su estructura ferritica sin que la misma sea afectada por el tratamiento térmico. La resistencia mecánica de estos aceros es relativamente alta y en estado recocido son muy dúctiles. Su resistencia al ataque corrosivo es muy elevada sobre todo a la oxidación producida a altas temperaturas. Los aceros inoxidables ferriticos encuentran amplio uso, gracias a su excelente resistencia al oxidación y corrosión. Aceros inoxidables martensitico Los aceros martensiticos al cromo tienen un contenidote 13-17%cr (la fundición de acero tiene como máximo 30%) y un contenido de 0.10.1.00%de c (la fundición de acero hasta 1.6%) ciertos aceros tienen estructura transformable y pueden templarse. Los aceros inoxidables martensiticos combinan buenos propiedades mecánicas con excelente resistencia a la corrosión, haciéndoles especialmente adecuados para aplicaciones. Soldabilidad general de las clasificaciones de los aceros inoxidables Conductibilidad térmica. Los aceros inoxidables austenicos tienen una conductibilidad térmica sensiblemente menor a los aceros comunes. Punto de fusión. El punto de fusión de los aceros inoxidables austenicos es algo más bajo que el de los aceros comunes. Coeficiente de dilatación. El coeficiente de dilatación en los aceros inoxidables de los grados de la serie 400 es aproximadamente igual o algo inferior en los aceros comunes. Los aceros inoxidables martensiticos su conductibilidad térmica es similar a la de los aceros ferriticos. Electrodos Citofonte. Cromocort 512. Inox A Inox BW Inox 29/9

RECUBRIMIENTOS PROTECTORES El recubrimiento protector consiste en el depósito de una o varias capas de soldadura de características muy especiales en las superficies de piezas muy desgastadas o deterioradas, evitando de esta manera el costoso reemplazo de esta pieza. Electrodos. Citodur 350 Citodur 600 Citomangan Toolcord Supercito Métodos 

Hay que poner atención para lograr una superficie del metal base bien limpia, antes de depositar el material de recargue. Es necesario remover la herrumbre, las escamas de óxido, las grasas y la suciedad que pueda tener.  Cuando hay que aplicar el recubrimiento protector a ranuras o acanaladuras, rincones o campos relativamente delgados, es necesario redondear sus bordes o puntas, para evitar u sobre calentamiento, localizando o el requemado de bordes y cantos.  Es necesario poner un cuidado especial en la remoción de la escoria de la capa de soldadura ya terminada, para evitar que la misma quede atrapada por las capas subsiguientes o continuas.  Emplear un arco corto sin tocar el baño de fusión.  Antes de aplicar los diversos tipos de electrodos, se recomienda siempre leer las instrucciones correspondientes, por cuanto su aplicación puede requerir de indicaciones más precisas y detalladas que las da aquí. Clasificación Abrasión: decimos que una pieza se desgasta por abrasión cuando se encuentra en constante fricción con piedras cascajo, arenilla, tierra, arena y otros materiales sólidos no metálicos. Generalmente, los recubrimientos protectores por soldadura que deben resistir los desgastes por abrasión, deben de ser de una gran dureza. 

Rozamiento metálico: cuando un metal roza con otro metal tarde o temprano sufre un desgaste debido a que uno de los metales es más duro que el otro, ya que nunca se recomienda que dos metales iguales rocen entre sí.

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Corrosión: es el efecto que sufran las piezas cuando son atacadas por líquidos o sólidos que actúan en forma química, como es el caso de ataques por sales, ácidos u otros agentes químicos.  Cavitación: es el desgaste que sufre el metal por acción de líquidos que están en movimiento. Soldabilidad al aluminio Características. El aluminio es un metal liviano, muy resistente a la corrosión, de alta conductibilidad calorífica y eléctrica, muy maquinable y moldeable; posee muchas otras propiedades de gran importancia en la civilización moderna. Clasificaciones: a) Aluminio laminado, en forma de planchas, láminas, tubos, perfiles diversos y ángulos, que fundamentalmente tienen las mismas características en cuanto a soldabilidad. b) Aluminio fundido, que se presenta en forma de piezas moldeadas de diferente conformación y que son propiamente aleaciones de aluminio y cuya soldabilidad puede diferir de una pieza a otra. Soldabilidad: inicialmente se utilizaba el aluminio casi puro, cuya aplicación industrial e muy reducida, posteriormente se descubrió que, aleándolo con otros elementos, mejoraban sus propiedades o se ampliaban sus características, fabricándose en consecuencia aleaciones diversas para numerosos fines especiales. Actualmente encontramos una gran cantidad de aleaciones de aluminio, a parte del aluminio de alta pureza y del aluminio comercial: Clasificación Aleación aluminio-manganeso: empleada cuando se requiere en una resistencia mecánica superior a la del aluminio puro comercial. Este aluminio es soldable con electrodos de aleación de aluminio y silicio. Aleación aluminio-magnesio-cromo: este material posee características mecánicas muy superiores a las de la aleación aluminio- manganeso. Es más sensible a la aplicación de calor, y cuando la soldadura se enfría, pueden producirse roturas debido a la contracción, no obstante con los electrodos de aluminio- silicio y con una técnica apropiada se puede eliminar este inconveniente. Aleación aluminio-magnesio-manganeso: esta aleación es similar a la que acabamos de estudiar, en cuanto del punto de vista de la soldadura.

Aleación aluminio-silicio-magnesio: la resistencia de estas aleaciones esta basada en el adecuado tratamiento térmico. Al soldarlas el efecto de calentamiento y enfriamiento puede obstruir sus características, debido a que altera el efecto del tratamiento térmico originalmente recibido. Aleación aluminio-cobre-magnesio-manganeso: la resistencia mecánica de estas aleaciones es incrementada ala máximo por el tratamiento térmico. No se suele soldarlas ya que esta operación reduce su resistencia mecánica y su resistencia a la corrosión. Método Para soldar aluminio por arco metálico depende del calibre o espesor de la plancha o pieza. El diámetro adecuado del electrodo depende del calibre o espesor de la plancha o pieza. No es recomendable soldar planchas por arco eléctrico cuando tienen menos de 1/8” de espesor. La elevada velocidad de fusión del electrodo de aluminio exige una gran velocidad de deposición, lo que en ocasiones puede constituir cierta dificultad para alcanzar suficiente temperatura en la pieza. Por esta razón puede ser necesario precalentar la pieza; en algunos casos, según espesor entre 204 y 216Cº, un calentamiento deficiente se traduce en porosidad alo lago de la línea de fusión, así como en una falsa adherencia del metal de aporte del metal base. En uniones largas se recomienda una soldadura intermitente. Si se trata de planchas delgadas, hay que disminuir paulatinamente el amperaje cada cierto número de disposiciones. El arco debe ser adecuado y el electrodo se debe mantener en posición casi perpendicular a la pieza. La velocidad debe ser tal, que de cómo resultado un cordón uniforme. Soldabilidad al bronce-latón-cobre. Características (cobre): el cobre es un metal de rojo característico; posee resistencia y ductibilidad, así como alta conductibilidad eléctrica y calorífica, con excelentes condiciones para resistir la corrosión. El cobre es uno de los metales que más comercialmente se vende en forma más pura. Clasificación.

a) Cobre electrolítico. Podríamos decir que es un cobre puro que contiene entre 0.01 a 0.08 % de oxígeno, en forma de óxido cuproso. Esta pequeñísima cantidad de oxigeno ejerce poca influencia sobre las propiedades eléctricas y físicas del metal, pero la suficiente para ocasionar inconvenientes. El cobre electrolítico puede ser soldado por arco eléctrico con electrodo metálico, siempre y cuando se use el tipo adecuado. b) Cobre desoxidado. Para evitar los perniciosos efectos del óxido cuproso, el cobre puede ser desoxidado mediante adición de fósforo, manganeso, silicio u oro. Este cobre se deja soldar con mucha más facilidad que el cobre electrolítico y a la vez, sus juntas son mucho más resistentes y dúctiles, pero de menor conductividad eléctrica. Método Usar solamente máquina de corriente continua con polaridad invertida. Empiezas de pequeño espesor usualmente no se requiere precalentamiento. En estas piezas es recomendable aplicar cordones cortos e intermitentes. Conforme vaya aumentando el calor de la pieza debe disminuirse el amperaje. Para asegurar una buena junta es necesaria una buena limpieza de la pieza, antr4es de empezar con la soldadura. Las películas de aceite o grasa se pueden eliminar con una solución de ácido sulfúrico al 10%. Para soldar se debe emplear una adecuada velocidad, adecuada para obtener depósitos de buena calidad. En muchos casos se hace necesario el empleo de respaldos de cobre o carbón al dorso de las juntas a soldar, para evitar que el metal fundido se escurra. La resistencia a la tracción del cobre disminuye a altas temperaturas; de allí que se debe evitar movimientos bruscos de la pieza al soldarla, los movimientos bruscos pueden ocasionar fisuras o roturas de la pieza. Latones Estos materiales constituyen las aleaciones mas comunes del cobre, básicamente son aleaciones de cobre con zinc; en ciertas ocasiones para alterar o mejorar las propiedades, se adicionan pequeñas cantidades de otros materiales. Algunos de los latones más conocidos son: el latón amarillo, el latón Blanco, el latón rojo, etc. Bronces

Estas aleaciones están constituidas básicamente de cobre y estaño. Sin embargo la denominación bronce se da a una gran variedad de aleaciones de cobre con otros elementos. Soladabilidad de latones y bronces No constituyen ningún problema serio. Los problemas que pueden presentarse son solucionados observando las precauciones normales indicadas por la soldadura del cobre. Electrodos para el bronce y latón Citobronce Citobronce II Citobronce Al

Tratamientos superficiales Numerosas aplicaciones industriales requieren una superficie dura resistente al desgaste, llamada capa o región superficial y relativamente suave y tenaz en su interior. Hay cuatro principales tratamientos térmicos superficiales: 1. Carburización o cementación Un acero de bajo carbono generalmente del 20% o menos, se coloca en una atmosfera que contiene grandes cantidades de monóxido de carbono. Es un procedimiento por medio del cual un acero de bajo carbono, 0,2% C o menos, se austenita en una atmosfera o en un ambiente rico en C, las condiciones dadas en este procedimiento permiten que el carbono difunda hacia el interior de la pieza, permitiendo a la austenita disolver altos porcentajes de este. La temperatura usual de cementación es cercana a los 1700ºF y la profundidad de capa obtenida por medio de este tratamiento depende del tiempo y de la dureza deseada. Una vez obtenida la capa exterior rica en C, esta se endurece por temple. Cabe señalar que la cementación en lo posible debe usarse en aceros en los cuales no pueda crecer mucho el grano y se pueda templar directamente. La ecuación de la cual se desprende el hierro para que se transforme en austenita es la siguiente Fe +2CO

Fe +CO2

Por lo tanto se convierte en una capa superficial de alto carbono 1.2% La rapidez de difusión del carbono en austenita depende del coeficiente de difusión y concentración de carbono.

Fig 2. Acero al 0.20% de carbono carburizado por empaquetamiento a 1700°F durante 6 horas y enfriado en horno.

Los tipos de carburización son: 



Carburización por gas._ El acero se calienta en contacto con monóxido de carbono o un tipo de hidrocarburo, que fácilmente se descompone a la temperatura de carburización Carburización por líquido._ consiste en colocar el acero en un baño de cianuro fundido, de modo que el carbono se fundirá desde el baño hacia adentro del metal.

NITRURACIÓN La nitruración es un tratamiento termoquímico que se le da al acero. El proceso modifica su composición añadiendo nitrógeno mientras es calentado. El resultado es un incremento de la dureza superficial de las piezas. También aumenta la resistencia a la corrosión y a la fatiga. Una variante de este tratamiento, es el proceso tenifer. La nitruración puede ser en horno o iónica. En el primer caso la pieza se introduce en un horno en el que se llena la atmósfera con amoníaco y luego se calienta a temperaturas de aproximadamente 500°C. Esto hace que el amoníaco se descomponga en nitrógeno e hidrógeno; el hidrógeno se separa del nitrógeno por diferencia de densidad y el nitrógeno, al entrar en contacto con la superficie de la pieza, forma un recubrimiento de nitruro de hierro. En el caso de la nitruración iónica, las moléculas de amoníaco se rompen mediante la aplicación de un campo eléctrico. Esto se logra sometiendo al amoníaco a una diferencia de potencial de entre 300 y 1000 V. Los iones de

nitrógeno se dirigen hacia el cátodo (que consiste en la pieza a tratar) y reaccionan para formar el nitruro de hierro, Fe2N. Si bien este tratamiento da gran dureza superficial a la pieza, la velocidad de penetración es muy lenta, aproximadamente 1 mm en 100 horas de tratamiento, pero no necesita de temple posterior. Las partes de la pieza que no se deseen nitrurar se deben cubrir con un baño de estaño-plomo al 50%.

APLICACIONES DE LA NITRURACIÓN La nitruración se aplica principalmente a piezas que son sometidas regularmente a grandes fuerzas de rozamiento y de carga, tales como pistas de rodamientos, camisas de cilindros, árboles de levas, engranajes sin fin, etc. Estas aplicaciones requieren que la piezas tengan un núcleo con cierta plasticidad, que absorba golpes y vibraciones, y una superficie de gran dureza que resista la fricción y el desgaste. Las piezas que se hayan pasado por un proceso de nitruración se pueden usar en trabajos con temperaturas de hasta 500 °C (temperatura de nitruración), temperatura a la cual el nitrógeno comienza a escaparse de la pieza, eliminando los efectos de la nitruración y disminuyendo la dureza de la pieza.

ACEROS PARA NITRURACIÓN No todos los aceros son aptos para nitrurar, ya que en ocasiones el procedimiento puede resultar contraproducente, tales como los aceros al carbón, en los que el nitrógeno penetra demasiado rápido en la estructura y la capa nitrurada tiende a desprenderse. Para este proceso resulta conveniente que en la composición de la aleación haya una cierta cantidad de aluminio (1% aproximadamente). Algunos ejemplos de aceros aptos para la nitruración son: Acero para nitruración al Cr-Mo-V de alta resistencia: La composición extra de este acero es la siguiente: 0,32% C, 3,25% Cr, 0,40% Mo y 0,22%V. Una vez tratado alcanza una resistencia mecánica de 120 kg/mm2. La capa nitrurada se adhiere muy bien al núcleo sin temor a descascarillamiento. Se utiliza para construir piezas de gran resistencia y elevada dureza superficial para resistir el desgaste. Acero para nitruración al Cr-Mo-V de resistencia media: la composición extra de este acero es 0,25% C, 3,25%Cr, 0,40% Mo y 0,25% V. Tiene características y aplicaciones parecidos al anterior, solamente que su resistencia mecánica es de 100kg/mm2.

Acero para nitruración al Cr-Al-Mo de alta dureza: la composición extra de este acero es 0,40% C, 1,50% Cr, 0,20% Mo y 1% Al. La capa nitrurada de este acero puede descascarillarse y es de gran fragilidad. Se utiliza para piezas que soporten una resistencia media y la mayor dureza superficial posible. Si la pieza es muy blanda puede ser recomendable un temple previo a la nitruración para endurecerla y evitar el descascarillamiento.

REFERENCIAS 1. Bring Cuello Silvestre. Metales teoría y práctica. Editora Oriente, Santiago de Cuba. 1984 2. Metallurgists Handbook. Segunda edición. Editora MIR. 1969