Aleaciones metálicas

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

  • Enviado por: María Polaina
  • Idioma: castellano
  • País: Chile Chile
  • 23 páginas
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RESUMEN DE MATERIALES

- Resumen de las estructuras atómicas y enlaces:

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

- Imperfecciones en los sólidos:

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

- Difusión:

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

- Propiedades de los metales:

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

- Dislocaciones y mecanismos de endurecimiento:

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


- Rotura:

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

- Diagrama de fases:

Los diagramas de fases constituyen un conveniente y conciso medio para
representar las fases más estables de una aleación. En esta discusión se
consideran los diagramas de fases binarios en los cuales la temperatura y la
composición son variables. En estas gráficas de temperatura frente a
composición, se definen áreas o regiones de fases dentro de las cuales
existen una o dos fases. Para una aleación de composición determinada y a
una temperatura conocida, se pueden determinar las fases presentes, las
composiciones y las cantidades relativas en condiciones de equilibrio. En
las regiones bifásicas, las composiciones de las fases y las fracciones de
masas se calculan mediante las líneas de reparto y la regla de la palanca,
respectivamente.
En este capítulo se han discutido distintos tipos de diagramas de fases para
sistemas metálicos. Los diagramas isomorfos corresponden a los sistemas que
presentan, como el sistema cobre-níquel, completa solubilidad en fase
sólida.  También se ha hablado de aleaciones que al principio son
isomórficas pero que después desarrollan microestructuras correspondientes a
enfriamientos en equilibrio, y en no equilibrio y también de la relación
entre características mecánicas y composición.
Algunos sistemas de aleación experimentan reacción eutectoide, donde una
fase líquida por subenfriamiento se transforma isotérmicamente en dos fases
sólidas diferentes. Los diagramas de fases cobre-plata y plomo-estaño
presentan reacciones de este tipo. No existe completa solubilidad en estado
sólido en todas las composiciones; sino que las disoluciones sólidas son
terminales: sólo existe solubilidad limitada de un componente en otro. Se
discuten cuatro diferentes tipos de microestructuras desarrolladas por
enfriamientos en equilibrio de aleaciones a partir del sistema eutéctico.
Hay diagramas de equilibrio más complejos que tienen fases y/o compuestos
intermedios, con más de un eutéctico y otras reacciones: eutectoide,
peritéctico y transformaciones de fases congruentes, como por ejemplo los
sistemas cobre-zinc y magnesio-plomo.
Se ha introducido la regla de fases de Gibbs; una ecuación que relaciona las
fases presentes en un sistema en equilibrio con el número de variables no
composicionales.
Se ha prestado especial atención al sistema hierro-carbono y de modo
específico al diagrama hierro-carburo de hierro, que es uno de los más
interesantes desde el punto de vista tecnológico. La evolución de
microestructuras en la mayoría de los aceros al carbono depende de la
reacción eutectoide, donde la fase austenítica CCC de 0,77% C se transforma
isotérmicamente en fase ferrita a CC (0,022% C) y el compuesto
intermetálico, cementita (Fe3C).  El producto microestructural de la
aleación hierro-carbono de composición eutectoide es la perlita,
microconstituyente consistente en capas alternadas de ferrita y cementita.
Las microestructuras de aceros con un contenido en carbono inferior al
eutectoide (hipoeutectoide) constan de una fase de ferrita proeutectoide y
de perlita. La perlita y la cementita proeutectoide constituyen los
microconstituyentes de los aceros hipereutectoides: con un contenido en
carbono superior al de la composición del eutectoide.

- Transformaciones de fase en los metales:

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

- Tratamientos térmicos de aleaciones metálicas:

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

- Aleaciones metálicas:

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

- Estructura y propiedades de las cerámica:

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




- Aplicaciones y conformado de las cerámicas:

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



EL TRATAMIENTO TÉRMICO DEL ACERO

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

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

- Globulización:
Para mejorar la poca maquinabilidad del acero hipereutectoide se le somete a
un tratamiento conocido como recocido globular, mediante el cual el carburo
adopta una forma esférica o globular.
Los métodos utilizados son:
- permanencia prolongada a una temperatura inmediatamente por debajo de la
crítica inferior.
- empleo de un ciclo oscilante de calentamientos y enfriamientos por encima
y por debajo de la línea crítica inferior
Mediante este tratamiento se consigue que el carburo de hierro adopte la
forma de partículas redondas en vez de laminas como en la perlita. Esta
estructura proporciona no solo una buena maquinabilidad, sino también una
ductilidad elevada.
El recocido de globulización se aplica también algunas veces a aceros
hipoeutectoides cuya aplicación requieren el máximo de ductilidad.

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

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

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

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

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

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

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


CRISTALIZACIÓN O SOLIDIFICACIÓN

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

- Tamaño de grano:
El tamaño de grano de los materiales sólidos es función de la velocidad de
crecimiento y de la nucleación. Un enfriamiento rápido produce la formación
de granos finos y abundantes, mientras que en los enfriamientos lentos, el
grano tiene tiempo para formarse y solo se forman unos pocos núcleos, los
cuales posteriormente crecen, solidificando todo el líquido antes de que
pueda aumentar el número de núcleos. Este último enfriamiento da lugar a
granos bastos.
Para la formación de un monocristal, introducimos un cristal minúsculo
(germen), que crecerá extendiéndose por el liquido, para luego eliminarlo
cuidadosamente.
Podemos definir una serie de propiedades importantes relacionadas con el
crecimiento del grano:
· Factores que contribuyen a aumentar la velocidad de nucleación:
- La presencia de impurezas insolubles, como el aluminio y el titanio, que
dan lugar a la formación de óxidos insolubles en el acero
- La agitación del metal fundido durante la solidificación, la cual hace que
los cristales se rompan antes de haber alcanzado un tamaño excesivamente
grande.
· Propiedades físicas del material en función del tamaño del grano:
En términos generales podemos decir que los materiales con una estructura de
grano fino presenta mayor tenacidad o resistencia al choque, más dureza y
resistencia a la tracción que las estructuras de grano basto o grueso.
· Solidificación en molde (formación de granos equiaxiales y columnares):
En el proceso práctico de solidificación, cuando se pone en contacto un
líquido caliente con la superficie inicialmente fría de un molde, se
establece en el líquido un gradiente de temperatura. La superficie del
líquido, en contacto con las paredes del molde, se encuentra a una
temperatura inferior a la del centro, lo que provoca la formación en la zona
exterior del líquido de muchos núcleos de cristalización que empiezan a
crecer en todas direcciones (grano equiaxial) . Estos pronto interfieren
entre sí en su crecimiento lateral, pudiendo crecer sin trabas solo en
dirección radial o hacia el centro. Los granos que se forman en la zona
central, presentan pues, forma de columnas alargadas, perpendiculares a la
superficie del molde, o estructura columnar (grano columnar). En las
proximidades del molde, los granos son pequeños debido a la velocidad de
crecimiento, pero a medida que nos aproximamos al centro, como la velocidad
de crecimiento va disminuyendo, los granos son mayores y alargados.





INFLUENCIA DEL TRABAJO EN FRÍO SOBRE LAS CARACTERÍSTICAS DE LOS METALES

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

TRABAJO EN CALIENTE Y RECRISTALIZACIÓN

· Recocido de regeneración:
Con este nombre se conoce al tratamiento cuyo objetivo es destruir mediante
calentamiento la estructura distorsionada por el trabajo en frío y hacer que
adopte una forma libre de deformaciones. Este proceso se realiza en estado
sólido, y el calentamiento va seguido normalmente de un enfriamiento lento
en el horno desde la temperatura alcanzada. El proceso de recocido puede
dividirse en tres fases: restauración o recuperación, recristalización y
crecimiento de grano.
· La recuperación: la restauración consiste fundamentalmente en la
eliminación de tensiones internas y se realiza con simples calentamientos a
bajas temperaturas. Cuando cesa de actuar sobre un material policristalino
la carga que ha originado su deformación plástica, no desaparece totalmente
la deformación elástica, ya que la diferente orientación de los cristales
hace que alguno de ellos no pueda recuperar su posición inicial. Cuando la
temperatura aumenta, algunos de estos átomos deformados elásticamente
vuelven a su estado anterior, eliminándose la mayor parte de las tensiones
internas. En algunos casos puede haber un ligero flujo plástico que provoca
un ligero endurecimiento y aumento de la resistencia. La conductividad
eléctrica también aumenta, pero la microestructura no presenta ningún cambio
apreciable. Industrialmente, este tratamiento de estabilización a bajas
temperaturas se denomina recocido de alivio de tensiones.
· La recristalización: Al aumentar la temperatura de restauración se hacen
perceptibles en la microestructura nuevos cristales diminutos. Estos tienen
la misma composición y presentan la misma estructura cristalina que los
granos originales sin deformar, y su forma no es alargada, sino que son
aproximadamente de dimensiones uniformes (equiaxiales). Por lo general se
suelen desarrollar en las zonas del grano más intensamente deformadas, como
suelen ser los límites de grano y los planos de deslizamiento. Las
agrupaciones de átomos que dan lugar a estos nuevos cristales se denominan
núcleos. El fenómeno de la recristalización puede considerarse como la
combinación de dos procesos distintos, uno de nucleación de granos libres de
distorsión, y otro de crecimiento de estos núcleos, los cuales se
desarrollan absorbiendo el material inestable trabajado en frío.
En la deformación plástica los planos de deslizamientos y los límites de
grano son puntos localizados de energía interna elevada, debido a la
acumulación de dislocaciones en ellos. Ahora bien, la misma naturaleza de la
acritud impide a los átomos de la red distorsionada moverse para formar una
red libre de distorsión. Esta energía absorbida por la deformación en frío,
no puede recuperarse de otra forma que no sea aplicándole calor, para luego
cederla en forma de energía de recristalización y desarrollar nuevos núcleos
de granos libres de distorsión. Parte de este calor es absorbido por los
átomos vecinos, los cuales cuentan, gracias a esto con la energía suficiente
para vencer la rigidez de la red distorsionada y poder pasar a formar parte
de la estructura cristalina de los granos libres de distorsión, iniciándose
el crecimiento del grano. El número de puntos de energía elevada es
proporcional al porcentaje de deformación en frío aplicado.
· Temperatura de recristalización: es la temperatura a la cual un material
con mucha acritud cristaliza en una hora. Cuanto mayor es la deformación
previa del metal, más baja es la temperatura necesaria para provocar la
recristalización, ya que la red esta más distorsionada y la energía interna
con que cuenta es mayor. Al aumentar la duración del recocido, disminuye la
temperatura de recristalización. El proceso de recristalización es mucho más
sensible a las variaciones de temperatura que a las variaciones del tiempo
de permanencia a temperatura constante.
El comienzo de la recristalización viene indicado por una caída brusca de la
resistencia a la tracción.
Para que se produzca la recristalización en un metal es preciso un mínimo de
deformación plástica (normalmente del 2 al 8 %). Este valor mínimo de la
deformación se conoce como deformación crítica. Para valores de la
deformación inferiores a éste, los núcleos de recristalización que se forman
son muy poco numerosos.
· El crecimiento del grano: La energía libre de los granos grandes es
inferior a la de los granos pequeños . Esta disminución de energía se asocia
a la reducción de superficies de contorno de grano. Por lo tanto, en
condiciones ideales, el mínimo estado energético de un metal será el
correspondiente al monocristal. Esta disminución de energía constituye pues,
la fuerza directriz del proceso de crecimiento de grano, siendo la fuerza
que se le opone la rigidez de la red. Al aumentar la temperatura disminuye
la rigidez de la red, aumentando la velocidad de crecimiento de grano y a
cada temperatura de calentamiento existe un tamaño de grano máximo, para el
cual estas dos fuerzas están equilibradas. Por tanto teóricamente es posible
conseguir granos muy grandes con solo mantener el material durante un largo
periodo de tiempo a las temperaturas más elevadas de la región de
crecimiento de grano.
· Tamaño de grano: Como el recocido es una combinación de dos procesos, uno
de nucleación y otro de crecimiento de grano, los factores que favorezcan
una nucleación rápida y un crecimiento lento darán lugar a un material de
grano fino, mientras que, por el contrario, los que favorezcan una
nucleación lenta y un crecimiento rápido originarán un material de grano
basto. Los factores que influyen en el tamaño final del grano recristalizado
son:
Grado de deformación previa: este factor es el más importante de todos. Un
aumento en la deformación previa favorece la nucleación y, como
consecuencia, la obtención de un tamaño final de grano pequeño.
Permanencia a la temperatura: Cualquiera que sea la temperatura de
recocido, cuanto mayor es el tiempo que permanece a dicha temperatura mayor
es la facilidad que tiene el grano para crecer, y por lo tanto, mayor es el
tamaño final de este.
Temperatura de recocido: Una vez sobrepasada la temperatura de
recristalización, cuanto menor sea la temperatura más fino será el tamaño de
grano final.
Duración del calentamiento: Cuanto menor sea el tiempo que se tarde en
alcanzar la temperatura de recocido más fino será el tamaño de grano final.
Si el calentamiento es lento, el número de núcleos que se forma será más
pequeño, favoreciéndose el crecimiento de grano y, como consecuencia, la
estructura que se obtenga tendrá un grano basto.
Impurezas insolubles: Una gran cantidad de impurezas insolubles pequeñas,
uniformemente distribuidas, favorecerá la obtención de una estructura de
grano más fino. Esto es debido a que estas impurezas aumentan la nucleación
y actúan como barreras que obstruyen el crecimiento del grano, y como
consecuencia la estructura que se obtenga tendrá un grano basto.
Influencia sobre las propiedades físicas: Como durante el recocido de
regeneración, el material vuelve a adoptar una estructura cristalina libre
de distorsión, este tratamiento puede considerarse fundamentalmente como un
proceso de ablandamiento. Las variaciones introducidas en las
características por la deformación plásticas desaparecen y el material
prácticamente vuelve a sus características originales. Por tanto durante el
recocido disminuye la dureza y la resistencia y aumenta la ductilidad.

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

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

TRABAJO EN CALIENTE

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

METALES Y ALEACIONES NO FERREAS

· El cobre y sus aleaciones: Las propiedades más importantes de este metal
son su elevada conductividad térmica y eléctrica, su buena resistencia a la
corrosión, maquinabilidad, resistencia y facilidad de fabricación.
Las aleaciones de cobre comerciales de mayor importancia pueden clasificarse
en los siguientes:
· Latones:  son aleaciones de cobre y zinc, aunque algunas veces pueden
contener pequeñas cantidades de otros elementos, tales como el plomo, estaño
o aluminio. Las diferencias de composición se traducen en un color distinto,
así como en variaciones de alguna o algunas de las propiedades siguientes:
maquinabilidad, ductilidad, y resistencia a la corrosión.
· Bronces: son aleaciones de mejor calidad que el latón. Los bronces
comerciales son fundamentalmente aleaciones de cobre y estaño, aluminio,
silicio o berilio, pudiendo contener además fósforo, plomo, zinc o níquel.

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

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

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

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