Materiales de ingeniería

Metales. Cerámicos. Polímeros. Materiales compuestos. Aleaciones. Tensión. Dureza. Fatiga. Impacto. Pruebas mecánicas y no destructivas. Propiedades. Cristalización

  • Enviado por: Carlos Castillo
  • Idioma: castellano
  • País: México México
  • 60 páginas

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Introducción

La presente investigación fue realizada por alumnos de la Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica, en ella se habla de los materiales de ingeniería su clasificación y distinción, así como sus usos y aplicaciones.

El tema que mas se aborda en este trabajo es referente a los metales, tales como la Fundición gris, Fundición blanca, Hierro maleable, Aceros, Aluminio, Cobre, Magnesio, Níquel, Plomo, Estaño y Zinc. Se mencionan sus propiedades y usos típicos, los tipos de estructuras, como cúbica de cara centrada, cúbica de cuerpo centrado, etc., algunos métodos de obtención entre otras cosas.

También se habla de las Aleaciones, su definición, finalidad y ejemplos de ellas, como zamak, latones, bronces, iconel, entre otros. Se muestran las curvas de enfriamiento de metales puros y aleaciones y la definición de algunas propiedades.

Asimismo de pruebas o ensayos mecanicos, como las pruebas de de tensión, impacto, fatiga y Dureza, dentro de las cuales se pueden mencionar la prueba Brinell, Rockwell y Vickers, que son las mas conocidas y utilizadas. Para finalizar se mencionan algunos tipos de pruebas o ensayos no destructivos

MATERIALES DE INGENIERÌA

Clasificación y Distinción de los Materiales.

a) Metales

Los metales y las aleaciones que incluyen al acero, aluminio, magnesio, zinc, hierro fundido, titanio, cobre, níquel, entre algunos; tienen como características una adecuada conductividad térmica y eléctrica, además resistencia mecánica, alta rigidez, ductilidad y resistencia al impacto.

Ejemplo:

1.-Cobre.- Una de sus aplicaciones son alambres para conductores eléctricos y sus propiedades van desde su alta conductividad hasta confomabilidad aceptable.

2.-Hierro fundido gris.- Con el se hacen bloques para motores de automóvil, y algunas de sus propiedades son moldeabilidad, maquinabilidad, absorción de vibraciones, entre algunas.

Los metales son útiles en aplicaciones estructurales o de carga, y se prefiere el empleo de sus combinaciones denominadas aleaciones. La manera más general de clasificación de los materiales es la siguiente:

a) Metálicos

  • Ferrosos

  • No ferrosos

b) No metálicos

  • Orgánicos

  • Inorgánicos

Metales Ferrosos

Los metales ferrosos como su nombre lo indica su principal componente es el fierro, sus principales características son su gran resistencia a la tensión y dureza. Las principales aleaciones se logran con el estaño, plata, platino, manganeso, vanadio y titanio. Los principales productos representantes de los materiales metálicos son:

  • Fundición de hierro gris

  • Hierro maleable

  • Aceros

  • Fundición de hierro blanco

Su temperatura de fusión va desde los 1360ºC hasta los 1425ªC y uno de sus principales problemas es la corrosión.

Metales no Ferrosos

Por lo regular tienen menor resistencia a la tensión y dureza que los metales ferrosos, sin embargo su resistencia a la corrosión es superior. Su costo es alto en comparación a los materiales ferrosos pero con el aumento de su demanda y las nuevas técnicas de extracción y refinamiento se han logrado abatir considerablemente los costos, con lo que su competitividad ha crecido notablemente en los últimos años. Los principales metales no ferrosos utilizados en la manufactura son:

  • Aluminio

  • Cobre

  • Magnesio

  • Níquel

  • Plomo

  • Titanio

  • Zinc

Los metales no ferrosos son utilizados en la manufactura como elementos complementarios de los metales ferrosos, también son muy útiles como materiales puros o aleados los que por sus propiedades físicas y de ingeniería cubren determinadas exigencias o condiciones de trabajo, por ejemplo el bronce (cobre, plomo, estaño) y el latón (cobre zinc).

b) Cerámicos.

Cerámico.- Material inorgánico que puede ser cristalino y/o amorfo. Los materiales de cerámica como ladrillos, el vidrio, la losa, los aislantes y los abrasivos, tienen escasa conductividad térmica y eléctrica, tiene buena resistencia y dureza, son deficientes en ductilidad y resistencia al impacto. Por lo anterior son menos usados en aplicaciones estructurales.

Ejemplo:

1.- los vidrios planos para ventana tienen buena transparencia y son aislantes térmicos.

2.- Los refractarios para contener material fundido y sus propiedades es que son aislantes térmicos, tienen alto punto de fusión, inertes ante el metal fundido.

Los materiales cerámicos se pueden clasificar:

a) Con base en la clase de sus compuestos químicos: óxidos, nitruros, carburos, floruros, sulfuros.

b) Por su funcionalidad: Eléctricos, magnéticos, ópticos, de construcción, químicos, domésticos.

Los tipos de enlace que une a los cerámicos son el iónico y el covalente. Los materiales cerámicos se procesan en polvo debido a que no se pueden fundir tan fácilmente como lo hacemos con los metales y esta es una diferencia entre un metal y un cerámico.

Un material cerámico es un material inorgánico con elevada temperatura de fusión, por lo común duro y frágil. En cambio un material vitroceramoico son formas cerámicas que se producen en el estado vítreo y que posteriormente se dejan cristalizar durante un tratamiento térmico para lograr una mejor resistencia a la tenacidad.

A continuación se dan a conocer ejemplos de ciertos materiales cerámicos y sus usos:

  • Alumina.- Se usa para contener metales fundidos, tienen elevada resistencia mecánica, se usa en empaques electrónicos, aisladores de bujías, etc.

  • Nitrato de Bario.- Material cerámico electrónico de mas alta utilización, se usa para capacitares.

  • Diamante.- Material mas duro que existe en la naturaleza, se usa en abrasivos para pulverizar y pulir, en herramientas de corte y joyería.

  • Siliceo Silica.- Su uso mas amplió es como ingrediente de vidrios y vitroceramicos, aislamientos térmicos, refractarios y abrasivos.

Cabe mencionar que algunos de los polvos cerámicos mas comunes son el oxido de alumina, bióxido de titanio, oxido de zinc y oxido de zirconio.

Algunas de las características mas comunes es que es que se funden a altas temperaturas y presentan un comportamiento frágil a al tensión, los materiales cerámicos con un tamaño pequeño de grano son mas resistentes que los de grano grueso, además del tamaño de grano dependen otras características como magnéticas, dieléctricas y ópticas.

La diferencia entre un vidrio un vitroceramico y cerámico radica en:

  • Vitrocerámico.-Derivado del vidrio pero con estructura cristalina

  • Vidrio.- Sustancia inorgánica amorfa.

c) Polímeros.

El caucho, el plástico y muchos tipos de adhesivos, se producen creando estructuras moleculares a partir del petróleo en un proceso llamado polimerización. Los polímeros tiene baja conductividad térmica y eléctrica, poca resistencia mecánica y a altas temperaturas.

Ejemplo:

1.-El polietileno se aplica para empacado de alimentos, una de sus propiedades es que es fácilmente comformable en delgadas películas flexibles e impermeables.

2.-Epoxicos.- Se aplican en encapsulado de circuitos integrados y como propiedad es buen aislante eléctrico y resiste a al humedad.

Un polímero es una macromolécula formada de la unión de moléculas mas pequeñas llamadas monómeros. Dentro de los polímeros encontramos los polímeros sintéticos tales como PE, PS, ABS, Nylon, PET y los naturales como son la celulosa como pulpa de madera y algodón y hule. La diferencia que encontramos entre un polímero natural y uno sintético es que el natural se encuentra en su estado normal en la naturaleza y los sintéticos son modificaciones que se le hacen a los naturales para obtener mejores propiedades.

Los tipos de enlace que unen a los polímeros es el enlace Covalente y el de Van der Waals, además todos los polímeros tienen una estructura tridimensional compleja. Los polímeros se clasifican por sus mecanismos de polimerización, por su estructura y por su comportamiento.

Un homopolímero es una macromolécula formada por un solo tipo de monómeros; en cambio el copólimero se forma por dos o mas monómeros diferentes. Los termoplásticos son aquellos que reblandecen al calentarse y fluyen al aplicárseles una fuerza, al enfriarse pueden calentarse de nuevo y volver a reblandecer, polimerizan en cadenas lineales. (1-D) , los termofijos son aquellos que reblandecen al calentarse por primera ves al enfriarse y volver a calentarse de nuevo se queman, polimerizan en redes moleculares (3D).

La polimerización es un proceso en el cual moléculas más pequeñas se unen para crear moléculas gigantes. La polimerización puede ser por adición y su característica es que la unidad repetitiva tiene la misma formula química que la del monómero o por condensación y su característica involucra la aparición de un subproducto agua o alcohol.

Aplicaciones y características de algunos polímeros:

-Polipropileno:

-Deacuerdo al acomodo del CH3

Atactico.- Es aquel donde los grupos CH3 están colocados ala azar

Isotactico.- Los grupos CH3 están colocados del mismo lado de la cadena principal.

Sindiotactico.- Los grupos CH3 están alternados a uno y otro lado de la cadena principal.

-Aplicaciones.- Envolturas de cajas de cigarros, jeringas, popotes, tapetes, etc

-Poliestireno:

-Homopolímero.-Es de alta rigidez, tiene altas propiedades ópticas, es brillante y de fácil procesamiento

-Copólimero.-Es traslucido, dúctil, no posee barrera a las grasas, es permeable al agua.

-Aplicaciones.- Se usa para contenedores de chocolates finos, bolsas y para defensas de automóviles.

*ABS:

-Acrilonitrilo.- Resistencia química, al rayado, al envejecimiento, al calor, a la tensión.

-Butadieno.- Resistencia al impacto.

-Estireno.- Procesabilidad, rigidez, brillo, transparencia.

-Aplicaciones.- Paneles de computadora, carcasas de planchas, cajas de teléfono.

-PET:

-Es un material semicristalino, alta resistencia al impacto, transparente, larga vida, excelente al O2.

-Generalmente se usa para embalague de bebidas carbonatadas, agua potable, aceite comestible, productos industriales, cosméticos, empaque de alimentos.

-PVC:

-Material amorfo menos de 10% de cristalinidad,

-Se aplica en la industria eléctrica, piso, construcciones.

d) Materiales Compuestos

Están construidos por dos o más materiales que generan propiedades que uno solo no puede dar, como le concreto, el triplay y la fibra de vidrio.

Ejemplo:

1.- Grafito en matriz epoxica.- Se aplica en componentes aeronáuticos por su propiedad adecuada resistencia-peso.

2.-Carburo de tungsteno en matriz de cobalto.- Se aplica en herramientas de corte para maquinado gracias a su alta dureza y buena resistencia al impacto.

Un material compuesto se compone de:

Matriz ----------- Refuerzo/Relleno

Polimérica ------- Metal- Cerámico

Cerámica ------- Metal- Polímero

Metálica ------- Polímero- Cerámico

Matriz.- Material que se encuentra en mayor proporción.

Refuerzo.- Agregado en la matriz con el fin de mejorar propiedades del artículo terminado.

Relleno.- Agregado en la matriz cuyo único fin es aglomerar más material sin alterar las propiedades resultantes del material.

Los compuestos se clasifican en tres: 1) Con partículas, 2) Con fibras y 3) Laminares

1) Compuestos Particulados.- Tienen grandes cantidades de partículas gruesas que no bloquean el deslizamiento con eficacia. Podemos encontrar:

-Carburos cementados.- Contienen partículas cerámicas duras dispersas en una matriz metálica.

-Contactos eléctricos.-Los materiales utilizados en interruptores y relevadores para contactos eléctricos deben ser resistentes al desgaste y conducir la electricidad, por lo que se usa plata reforzada con tungsteno

-Compuestos particulados de metales fundidos.- Son fundiciones de aluminio con partículas de SiC dispersas para aplicación automotriz, incluyendo pistones y bielas.

2) Compuestos reforzados con fibras.- Tienen mayor resistencia a la fatiga, mayor rigidez y mejor relación resistencia-peso, esto se logra al incorporar fibras resistentes y rígidas aunque frágiles, en una matriz blanda y dúctil, pues la matriz trasmite la resistencia a la fibra y esta resiste la fuerza.

-Longitud y diámetro de las fibras.- Las fibras pueden ser cortas, largas o continuas, se caracterizan sus dimensiones mediante la relación forma, la resistencia mejora cuando la relación de forma es grande.

-Cantidad de fibras.- Una fracción de volumen de fibras incrementa la resistencia y la rigidez del compuesto, la fracción máxima es 80%.

-Propiedades de las fibras.- Son resistentes rígidas y de poco peso, las características mas importantes son resistencia especifica y modulo especifico.

-Propiedades de las matrices.- Soporta a las fibras manteniéndolas en su posición correcta, trasfiere la carga a las fibras fuertes, las protege de los daños.

+Compuestos avanzados.- Son de matriz polimérica y reforzados con fibras poliméricas, metálicas o cerámicas. Se utilizan para artículos deportivos. Raquetas, palos de golf, cañas de pescar, etc.

+Compuestos de matriz metálica.- Se refuerzan con fibras metálicas o cerámicas para resistencia a la alta temperatura., en compuestos matriz metálica se usa el aluminio como en motores diesel, las fibras poliméricas por tener baja temperatura de fusión y degradación no se usan comúnmente, estos compuestos tienen aplicaciones en turborreactores y cohetes, una aplicación única para los compuestos de matriz metálica es el alambre superconductor que se requiere en los reactores de fusión.

+Compuestos de matriz cerámica: Los compuestos carbono-carbono, se usan para tener alta resistencia a la temperatura en aplicaciones aerospaciales; los compuestos carbono-carbono se fabrican formando un tejido de fibra de carbono en un molde y luego se impregna con una resina orgánica, luego se piroliza y la resina se hace carbono; los compuestos matriz cerámica-fibra cerámica han obtenido una mayor resistencia y tenacidad a la fractura, los refuerzos de fibra mejoran la tenacidad de la matriz cerámica; la diferencia de la matriz cerámica con respecto a al polimérica o metálica es que la unión entre la matriz y el refuerzo/relleno debe ser mala y no buena.

3) Metales Compuestos Laminares.- Incluyen recubrimientos delgados, superficies protectoras mas gruesas, revestimientos metálicos, biometalicos, laminados; están diseñados para mejorar la resistencia a la corrosión conservando bajo costo, alta resistencia o bajo peso; tienen una resistencia superior al desgaste o a la abrasión y características de expansión térmicas poco usuales; para construir compuestos laminados se usan técnicas de deformación y de unión tales como:

-Unión por laminación adhesiva.- Se colocan varias capas, entre ellas se coloca una película de polímero que no a terminado de polimerizar, al comprimirse a altas temperaturas se polimeriza y se logra la unión.

-Unión por explosión.- Una carga explosiva proporciona la presión requerida para la unión de los metales.

-Soldadura capilar.- Las hojas metálicas separadas por un espacio pequeño, se calienta por encima de la temperatura de fusión del material de aporte, el cual ya fundido es atraído por acción capilar a la unión.

Propiedades y Usos Típicos de Metales.

a) Fundición gris

Contiene grafito en forma de hojuelas que causan baja resistencia y ductilidad, tienen alta resistencia a la compresión, buena maquinabilidad, resisten ala desgaste y a la fatiga térmica.

La mayoría de las fundiciones grises son aleaciones hipoeutécticas que contienen entre 2,5 y 4% de carbono. El proceso de grafitización se realiza con mayor facilidad si el contenido de carbono es elevado, las temperaturas elevadas y si la cantidad de elementos grafitizantes presentes, especialmente el silicio, es la adecuada.

Para que grafiticen la cementita eutéctica y la proeutectoide, aunque no la eutectoide, y así obtener una estructura final perlítica hay que controlar cuidadosamente el contenido de silicio y la velocidad de enfriamiento. El grafito adopta la forma de numerosas laminillas curvadas (Fig.1-4), que son las que proporcionan a la fundición gris su característica fractura grisácea o negruzca.

Fig.1, x100 pulida Fig. 2 x 200


 'Materiales de ingeniería'
'Materiales de ingeniería'

Si la composición y la velocidad de enfriamiento son tales que la cementita eutectoide también se grafitiza presentará entonces una estructura totalmente ferrítica (Fig. 1, x100 pulida). Por el contrario, si se impide la grafitización de la cementita eutectoide, la matriz será totalmente perlítica (Fig. 2, x400). La fundición gris constituida por mezcla de grafito y ferrita es la más blanda y la que menor resistencia mecánica presenta; la resistencia a la tracción y la dureza aumentan con la cantidad de carbono combinada que existe, alcanzando su valor máximo en la fundición gris perlítica.

Las figuras 3 y 4 muestran la microestructura de una fundición gris cuya matriz es totalmente perlítica. Además, en la micrografía a 200 aumentos -igual que en la Fig. 2- se observan como unos granos blancos, los cuales resueltos a mayores aumentos (Fig. 4, x400) son, en realidad, esteadita.

Fig.3, x 200

Fig.4, x400

'Materiales de ingeniería'

'Materiales de ingeniería'

La mayoría de las fundiciones contienen fósforo procedente del mineral de hierro en cantidades variables entre 0,10 y 0,90%, el cual se combina en su mayor parte con el hierro formando fosfuro de hierro (Fe3P). Este fosfuro forma un eutéctico ternario con la cementita y la austenita (perlita a temperatura ambiente) conocida como esteatita (Fig. 4), la cual es uno de los constituyentes normales de las fundiciones. La esteadita, por sus propiedades físicas, debe controlarse con todo cuidado para obtener unas características mecánicas óptimas.

b) Fundición Blanca

Es una aleación dura y frágil, con cantidades masivas de Fe3C. Son aquellas en las que todo el carbono se encuentra combinado bajo la forma de cementita. Todas ellas son aleaciones hipoeutécticas y las transformaciones que tienen lugar durante su enfriamiento son análogas a las de la aleación de 2,5 % de carbono.

La figura 1 muestra la microestructura típica de las fundiciones blancas, la cual está formada por dendritas de austenita transformada (perlita), en una matriz blanca de cementita. Observando la misma figura con más aumentos, vemos que las áreas oscuras son perlita (fig. 2).


Estas fundiciones se caracterizan por su dureza y resistencia al desgaste, siendo sumamente quebradiza y difícil de mecanizar. Esta fragilidad y falta de maquinabilidad limita la utilización industrial de las fundiciones " totalmente blancas ", quedando reducido su empleo a aquellos casos en que no se quiera ductilidad como en las camisas interiores de las hormigoneras, molinos de bolas, algunos tipos de estampas de estirar y en las boquillas de extrusión. También se utiliza en grandes cantidades, como material de partida, para la fabricación de fundición maleable.

'Materiales de ingeniería'

'Materiales de ingeniería'

-Fundición Maleable.- Se forma por el tratamiento térmico de la fundición o hierro blanco, con el tratamiento descomponen la cementita y se forman nódulos de grafito, esto genera resistencia y ductilidad

c) Hierro Maleable

El Hierro, es un elemento metálico, magnético, maleable y de color blanco plateado. Tiene de número atómico 26 y es uno de los elementos de transición del sistema periódico.

También, es uno de los elementos metálicos más abundantes en el planeta. Constituye aproximadamente el 4.5% de la corteza terrestre. Generalmente es encontrado en forma de óxido de magnetita (Fe304), hermatita (Fe203), limonita, u óxidos hidratados (Fe203 + NH20) También existen pequeñas cantidades de hierro combinadas con aguas naturales, en las plantas, y además es un componente de la sangre.

El hierro fue descubierto en la prehistoria y era utilizado como adorno y para fabricar armas. El objeto más antiguo existente, es un grupo de cuentas oxidadas encontrado en Egipto, y data del 4000 a.c. El término arqueológico edad del hierro se aplica sólo al periodo en el que se extiende la utilización y el trabajo del hierro. El procesado moderno del hierro no comenzó en Europa central hasta la mitad del siglo XIV.

Algunas características de este metal

El hierro puro tiene una dureza que oscila entre 4 y 5. Es blando, maleable y dúctil. Se magnetiza fácilmente a temperatura ordinaria, y es difícil magnetizarlo en caliente. A unos 790 °C desaparecen las propiedades magnéticas. El punto de fusión del hierro, es de unos 1.535 °C, un punto de ebullición de 2.750 °C. La densidad relativa de este metal es de 7,86. Su masa atómica es 55,847.

Estructura

El hierro tiene una estructura centrada en el cuerpo, a temperaturas normales. A temperaturas más altas, tiene una estructura cúbica centrada en la cara. Este hecho es de gran importancia practica. En su forma de acero, el hierro siempre contiene una pequeña cantidad de carbono. Los átomos de carbono son menores que los átomos de hierro y, a temperaturas altas, se encajan en los espacios abiertos de la estructura centrada en la cara. Cuando el hierro se enfría, adquiere una forma cubica centrada en el cuerpo. En esa forma, los átomos de carbono no pueden colocarse en los espacios más pequeños. Entonces, la red cristalina del hierro se distorsiona, debido al tamaño tan grande de los átomos de carbono, o el carbono se separa del hierro como carburo de hierro, Fe 3C.

Los cristales del hierro y del Fe3 existen en muchos tamaños y formas. La estructura final del cristal está determinada por el por ciento del hierro y la rapidez de enfriamiento. Estas diferencias en la estructura cristalina, le dan la gran versatilidad que tiene el acero como un material industrial. También explican el hecho de que las propiedades del acero se pueden cambiar gradualmente por el tratamiento del calor.

Químicamente el hierro es un metal activo. Se combina con los halógenos (flúor, cloro, bromo, yodo y astato) y con el azufre, fósforo, carbono y silicio. Desplaza al hidrógeno de la mayoría de los ácidos débiles. Arde con oxígeno formando tetróxido triférrico (óxido ferrosoférrico), Fe3O4. Expuesto al aire húmedo, se corroe formando óxido de hierro hidratado, una sustancia pardo-rojiza, escamosa, conocida comúnmente como orín. La formación de orín es un fenómeno electroquímico en el cual las impurezas presentes en el hierro interactúan eléctricamente con el hierro metal. Se establece una pequeña corriente en la que el agua de la atmósfera proporciona una disolución electrolítica. El agua y los electrólitos solubles aceleran la reacción. En este proceso, el hierro metálico se descompone y reacciona con el oxígeno del aire para formar el orín. La reacción es más rápida en aquellos lugares donde se acumula el orín, y la superficie del metal acaba agujereándose, osea, se corroe.

Al sumergir hierro en ácido nítrico concentrado, se forma una capa de óxido que lo hace pasivo, es decir, no reactivo químicamente con ácidos u otras sustancias. La capa de óxido protectora se rompe fácilmente golpeando o sacudiendo el metal, que vuelve así a ser activo.

Aplicaciones y producción

El hierro puro, preparado por la electrólisis de una disolución de sulfato de hierro (II), tiene un uso limitado. El hierro comercial contiene invariablemente pequeñas cantidades de carbono y otras impurezas que alteran sus propiedades físicas, pero éstas pueden mejorarse considerablemente añadiendo más carbono y otros elementos de aleación.

La mayor parte del hierro se utiliza en formas sometidas a un tratamiento especial, como el hierro forjado, el hierro colado y el acero. Comercialmente, el hierro puro se utiliza para obtener láminas metálicas galvanizadas y electroimanes. Los compuestos de hierro se usan en medicina para el tratamiento de la anemia, es decir, cuando desciende la cantidad de hemoglobina o el número de glóbulos rojos en la sangre.

En 1994, la producción anual de hierro se aproximaba a los 975 millones de toneladas.

Compuestos

Los compuestos de hierro (II) se oxidan fácilmente a compuestos de hierro (III). El compuesto más importante de hierro (II) es el sulfato de hierro (II), FeSO4, denominado caparrosa verde, que normalmente existe en forma de cristales verde pálido que contienen siete moléculas de agua de hidratación. Se obtiene en grandes cantidades como subproducto al limpiar el hierro con baño químico, y se utiliza como mordiente en el teñido, para obtener tónicos medicinales y para fabricar tinta y pigmentos.

El óxido de hierro (III), un polvo rojo amorfo, se obtiene tratando sales de hierro (III) con una base, y también oxidando pirita. Se utiliza como pigmento, y se denomina rojo de hierro o rojo veneciano. También se usa como abrasivo para pulir y como medio magnetizable de cintas y discos magnéticos. El cloruro de hierro (III), que se obtiene en forma de cristales brillantes de color verde oscuro al calentar hierro con cloro, se utiliza en medicina y como una disolución alcohólica llamada tintura de hierro.

Los iones de hierro (II) y hierro (III) se combinan con los cianuros para formar compuestos de coordinación. El hexacianoferrato (II) de hierro (III) o ferrocianuro férrico, Fe4[Fe(CN)6]3, es un sólido amorfo azul oscuro formado por la reacción de hexacianoferrato (II) de potasio con una sal de hierro (III) y se conoce como azul de Prusia. Se usa como pigmento en pintura y como añil en el lavado de ropa para corregir el tinte amarillento dejado por las sales de hierro (II) en el agua. El hexacianoferrato (III) de potasio, K3Fe(CN)6, llamado prusiato rojo, se obtiene del hexacianoferrato (III) de hierro (II), Fe3[Fe(CN)6]2. A éste se le llama también azul de Turnbull y se usa para procesar el papel de calco. El hierro experimenta también ciertas reacciones fisicoquímicas con el carbono, que son esenciales para fabricar el acero.

d) Aceros

Los aceros son aleaciones de hierro carbono, aptas para ser deformadas en frío y en caliente. Generalmente el porcentaje de carbono no excede e 1,76%. El acero se obtiene sometiendo e arrabio a un proceso de descarburacion y eliminación de impurezas llamado afino (oxidación del elemento carbono)

Atendiendo al porcentaje de carbono, los aceros se clasifican en:

  • Aceros hipoentectoides, si su porcentaje de carbono es inferior al punto S(entectoide), o sea al 0,89%.

  • Aceros hiperentectoides, si su porcentaje de carbono es superior al punto S.

Desde el punto de vista de su composición, los aceros se pueden clasificar en dos grandes grupos:

Aceros al carbono: formados principalmente por hierro y carbono

Aceros aleados: Contienen, además del carbono otros elementos en cantidades suficientes como para alterar sus propiedades (dureza, puntos críticos, tamaño del grano, templabilidad, resistencia a la corrosión)

Con respecto a su composición, puede ser de baja o alta aleación y los elementos que puede contener el acero pueden ser tanto deseables como indeseables, en forma de impurezas.

Elementos que influyen en la resistencia a la corrosión.

El cromo favorece la resistencia a la corrosión; integra la estructura del cristal metálico, atrae el oxigeno y hace que el acero no se oxide. El molibdeno y el volframio también favorecen la resistencia ala oxidación.

 

Clasificación según la aplicación de los metales

En la industria, cada fabricante designa los aceros que produce con una denominación arbitraria, lo cual origina una verdadera complicación a la hora de elegir un acero o de establecer las equivalencias entre aceros de distintos fabricantes. Para evitar este inconveniente, el instituto del hierro y el acero adopta una clasificación que se ha incluido en las normas UNE españolas. (también existen las normas AISI de Estados Unidos)

El IHA clasifica los materiales metalúrgicos en 5 grandes grupos:

F- Aleaciones férreas

L- Aleaciones ligeras

C- Aleaciones de cobre

V- Aleaciones varias

S- Productos sintetizados

 

Estos productos metalúrgicos se clasifican en series, grupos y tipos.

Las series que corresponden a los aceros van desde la F-100 hasta la F-900

La serie F-300 corresponde a los aceros resistentes a la oxidación y a la corrosión, en particular la serie F-310 corresponde a los aceros inoxidables.

Los aceros se suministran en estado bruto de forja o laminación

Tratamientos

Son los procesos a los que se somete los metales y aleaciones ya sea para modificar su estructura, cambiar la forma y tamaño de sus granos o bien por transformación de sus constituyentes.

El objeto de los tratamientos es mejorar las propiedades mecánicas, o adaptarlas, dándole características especiales a las aplicaciones que se le van a dar la las piezas de esta manera se obtiene un aumento de dureza y resistencia mecánica, así como mayor plasticidad o maquinabilidad para facilitar su conformación.

Los tratamientos pueden ser mecánicos, térmicos o consistir en la aportación de algún elemento a la superficie de la pieza.

Tratamientos térmicos: recocido, temple, revenido, normalizado

Tratamientos termoquímicos: cimentación, nitruración, cianurizacion, etc.

Tratamientos mecánicos

Se somete al metal a operaciones de deformación frío o caliente para mejorar sus propiedades mecánicas y además darle formas determinadas.

Al deformar mecánicamente un metal mediante martillado, laminado, etc., sus granos son deformados alargándose en el sentido de la deformación. Lo mismo pasa con las impurezas y defectos, se modifican las estructuras y las propiedades del metal.

Tratamientos en frío

Son los tratamientos realizados por debajo de la temperatura de recristalizacion, pueden ser profundos o superficiales.

Aumento de la dureza y la resistencia a la tracción.

Disminuye su plasticidad y tenacidad

Cambio en la estructura: deformación de granos y tensiones originadas, se dice entonces que el metal tiene acritud (cuanto más deformación, mas dureza)

Se produce fragilidad en el sentido contrario a la deformación (falta de homogeneidad en la deformación iguales tensiones en las diferentes capas del metal)

Cuando el metal tiene acritud, solo debe usarse cuando no importe su fragilidad o cuando los esfuerzos solo actúen en la dirección de la deformación

Aceros resistentes a la oxidación y la corrosión

En los aceros inoxidables, la acción de los elementos aleados es sustancial, además de estructural, y depende del porcentaje del o los elementos de la aleación

El cromo es el elemento aleado que más influye en la resistencia ala oxidación y a la corrosión de los aceros. Un 12% de cromo ya impide la corrosión por el aire ambiente húmedo. Para la oxidación a latas temperaturas se puede necesitar hasta un 30 %.

El Níquel mejora la resistencia a la corrosión de los aceros al cromo y el Molibdeno mejora la resistencia a la oxidación altas temperaturas.

Aceros inoxidablesson resistentes a la corrosión atmosférica, s los ácidos y álcalis y ala oxidación a temperaturas no muy elevadas.

Clasificación según estructura en estado de utilización:

  • Aceros ferriticos:

Estructura ferritica a cualquier temperatura (o se convierte en estructura ausenitica en el calentamiento). El grano no se regenera

Composición:

15-18% de cromo y una máxima de 0,12% de carbono

Resistencia a la corrosión superior a la de los martensiticos

20-80% de cromo y una máxima de 0,35% de carbono

Aceros al cromo-aluminio hasta un 4% más resistentes a la oxidación

Son difíciles de soldar y se usan en embuticion profunda por su gran ductilidad.

Son magnéticos.

 

Aceros martensiticos

-Gran dureza cuando se los enfría rápidamente una vez austenizados.

-12 - 14 % de cromo, 0,20 - 0,50% de carbono

-Principalmente en cuchillería.

-16-18% de cromo, 0,60-1; 20% de carbono

-Por temple adquieren grandes durezas.

-Resistentes a la corrosión y al desgaste

-Tipo normalizado AISI -311: acero inoxidable extra dulce.

-Menos del 0,1% de carbono, 13% de cromo y 0,30 % de níquel.

-Resiste a la corrosión atmosférica, la del agua corriente y la de los ácidos y álcalis débiles.

-Fácilmente sondable

-Usos: utensilios domesticos, griferia, ornamentacion, cuberteria, etc.

Aceros austeniticos:

-Estructura auseniticos a cualquier temperatura

-Baja conductividad calorífica

-Es el tipo de aceros más utilizados

-Tipo normalizado AISI -314 Acero inoxidable ausenitico al cromo níquel conocido como18/8.Contiene 0,08% de carbono, 18% de cromo y 9% de níquel.

-Muy dúctil y resistente a la corrosión atmosférica, al agua de mar, al ataque de productos alimenticios, ciertos ácidos minerales y de la mayoría de los ácidos orgánicos.

Usos:

Construcción de equipos para la industria química y de la alimentación

Utensilios de cocina y aparatos domésticos que no requieren soldaduras en las zonas sometidas a fuerte corrosión.

Admite pulidos con acabados a espejo, por lo que también se usa para ornamentación.

e) Aluminio:

-Es el segundo metal más abundante en la tierra

-El desarrollo de la energía eléctrica y del proceso Hall-Heroult para la reducción electrolítica del Al2O3 hacia metal liquido permitió que el aluminio se muy utilizado en ingeniería y muy económico.

-Sus aplicaciones son botes de bebidas, aplicaciones domesticas, equipos para procesos quimicos, equipo de trasmisión de energía eléctrica, componentes automotrices, ensambles aerospaciales, etc.

-Entre sus mejores propiedades encontramos: Tiene una densidad de 2.70 gramos por centímetro cúbico, tiene un modulo de elasticidad alto, relación resistencia-peso excelentes, se usa cuando el peso es un factor importante como aeronaves y aplicaciones automotrices, las aleaciones de aluminio pueden ser 30 veces mas resistentes al aluminio puro, alta conductividad eléctrica y térmica, resistencia a la oxidación y corrosión, trabaja a bajas temperaturas y tiene mala resistencia al desgaste.

El aluminio se puede clasificar en:

  • Aleaciones para forja.- Se conforman mediante deformación plástica, tienen composiciones y microestructuras diferentes a las de fundición; las aleaciones para forja 1xxx y 3xxx son de una sola fase y sus propiedades dependen del endurecimiento; las aleaciones 5xxx contienen dos fases a temperatura ambiente además es un compuesto intermetálico duro y frágil; las aleaciones 2xxx,6xxx y 7xxx son endurecibles por envejecimiento.

  • Aleaciones para fundición.- Contienen suficiente silicio para causar una reacción eutectica, dándoles bajos puntos de fusión y fluencia adecuada; tienen buena fluidez que hace que el metal liquido pase por el molde y no se solidifique prematuramente.

f) Cobre

Elemento químico, de símbolo Cu, con número atómico 29; uno de los metales de transición e importante metal no ferroso. Su utilidad se debe a la combinación de sus propiedades químicas, físicas y mecánicas, así como a sus propiedades eléctricas y su abundancia. El cobre fue uno de los primeros metales usados por los humanos.

La mayor parte del cobre del mundo se obtiene de los sulfuros minerales como la calcocita, covelita, calcopirita, bornita y enargita. Los minerales oxidados son la cuprita, tenorita, malaquita, azurita, crisocola y brocantita. El cobre natural, antes abundante en Estados Unidos, se extrae ahora sólo en Michigan. El grado del mineral empleado en la producción de cobre ha ido disminuyendo regularmente, conforme se han agotado los minerales más ricos y ha crecido la demanda de cobre. Hay grandes cantidades de cobre en la Tierra para uso futuro si se utilizan los minerales de los grados más bajos, y no hay probabilidad de que se agoten durante un largo periodo. 

El cobre es el primer elemento del subgrupo Ib de la tabla periódica y también incluye los otros metales de acuñación, plata y oro. Su átomo tiene la estructura electrónica 1s22s22p63s23p63d104s1. El bajo potencial de ionización del electrón 4s1 da por resultado una remoción fácil del mismo para obtener cobre(I), o ion cuproso, Cu+, y el cobre(II), o ion cúprico, Cu2+, se forma sin dificultad por remoción de un electrón de la capa 3d. El peso atómico del cobre es 63.546. tiene dos isótopos naturales estables 63Cu y 65Cu. También se conocen nueve isótopos inestables (radiactivos). El cobre se caracteriza por su baja actividad química. Se combina químicamente en alguno de sus posibles estados de valencia. La valencia más común es la de 2+ (cúprico), pero 1+ (cuproso) es también frecuente; la valencia 3+ ocurre sólo en unos cuantos compuestos inestables. 

Un metal comparativamente pesado, el cobre sólido puro, tiene una densidad de 8.96 g/cm3 a 20ºC, mientras que el del tipo comercial varía con el método de manufactura, oscilando entre 8.90 y 8.94. El punto de fusión del cobre es de 1083.0 (+/-) 0.1ºC (1981.4 +/- 0.2ºF). Su punto de ebullición normal es de 2595ºC (4703ºF). El cobre no es magnético; o más exactamente, es un poco paramagnético. Su conductividad térmica y eléctrica son muy altas. Es uno de los metales que puede tenerse en estado más puro, es moderadamente duro, es tenaz en extremo y resistente al desgaste. La fuerza del cobre está acompañada de una alta ductibilidad. Las propiedades mecánicas y eléctricas de un metal dependen en gran medida de las condiciones físicas, temperatura y tamaño de grano del metal. 

De los cientos de compuestos de cobre, sólo unos cuantos son frabricados de manera industrial en gran escala. El más importante es el sulfato de cobre(II) pentahidratado o azul de vitriolo, CuSO4 . 5H2O. Otros incluyen la mezcla de Burdeos; 3Cu(OH)2CuSO4; verde de París, un complejo de metaarsenito y acetato de cobre; cianuro cuproso, CuCN; óxido cuproso, Cu2O; cloruro cúprico, CuCL2; óxido cúprico, CuO; carbonato básico cúprico; naftenato de cobre, el agente más ampliamente utilizado en la prevención de la putrefacción de la madera, telas, cuerdas y redes de pesca. Las principales aplicaciones de los compuestos de cobre las encontramos en la agricultura, en especial como fungicidas e insecticidas; como pigmentos; en soluciones galvanoplásticas; en celdas primarias; como mordentes en teñido, y como catalizadores.   

Aplicaciones y propiedades

-El cobre se produce mediante un proceso pirometalúrgico (altas temp.), para esto se concentra mineral de cobre con azufre y se convierte en un masa de sulfuro de hierro y sulfuro de cobre, se introduce oxigeno y el sulfuro de hierro se hace oxido de hierro y el sulfuro de de cobre se hace cobre impuro llamado blister que al final es purificado.

-Las aleaciones de cobre tienen resistencia a la fatiga y buena termofluencia; resistencia mecánica menor a la del aluminio o magnesio.

-Las aleaciones se aplican en componentes eléctricos como alambres, bombas, válvulas y componentes de plomería.

Su punto de fusión es de 1.083 °C, mientras que su punto de ebullición es de unos 2.567 °C, y tiene una densidad relativa de 8,9 g/cm3. Su masa atómica es 63,846.

El cobre ha sido utilizado para una gran variedad de aplicaciones a causa de sus ventajosas propiedades como son la conductividad del calor y electricidad, la resistencia a la corrosión, así como su maleabilidad y ductilidad, además de su belleza. Debido a su extraordinaria conductividad, sólo superada por la plata, el uso más extendido del cobre se da en la industria eléctrica.

Su ductilidad permite transformarlo en cables de cualquier diámetro, desde 0,025 mm en adelante. La resistencia a la tracción del alambre de cobre estirado es de unos 4.200 kg/cm2. Puede usarse tanto en cables y líneas de alta tensión exteriores como en el cableado eléctrico en interiores, cables de lámparas y maquinaria eléctrica en general: generadores, motores, reguladores, equipos de señalización, aparatos electromagnéticos y sistemas de comunicaciones.

A lo largo de la historia, el cobre se ha utilizado para acuñar monedas y confeccionar útiles de cocina, tinajas y objetos ornamentales. En un tiempo era frecuente reforzar con cobre la quilla de los barcos de madera para proteger el casco ante posibles colisiones. El cobre puede galvanizarse fácilmente como tal o como base para otros metales. Con este fin se emplean grandes cantidades en la producción de electrotipos (reproducción de caracteres de impresión).

La metalurgia del cobre varía según la composición de la mena. El cobre en bruto se tritura, se lava y se prepara en barras. Los óxidos y carbonatos se reducen con carbono. Las menas más importantes, las formadas por sulfuros, no contienen más de un 12% de cobre, llegando en ocasiones tan sólo al 1%, y han de triturarse y concentrarse por flotación. Los concentrados se funden en un horno de reverbero que produce cobre metálico en bruto con una pureza aproximada del 98%. Este cobre en bruto se purifica posteriormente por electrólisis, obteniéndose barras con una pureza que supera el 99,9 por ciento.

El cobre puro es blando pero puede endurecerse posteriormente. Las aleaciones de cobre, mucho más duras que el metal puro, presentan una mayor resistencia y por ello no pueden utilizarse para fines eléctricos. No obstante, su resistencia a la corrosión es casi tan buena como la del cobre puro y son de fácil manejo. Las dos aleaciones más importantes son el latón, una aleación con cinc, y el bronce, una aleación con estaño. A menudo tanto el cinc como el estaño se funden en una misma aleación, haciendo difícil una diferenciación precisa entre el latón y el bronce. Ambos se emplean en grandes cantidades. También se usa el cobre en aleaciones con oro, plata y níquel, y es un componente importante en aleaciones como el monel, el bronce de cañón y la plata alemana.

El cobre forma dos series de compuestos químicos: de cobre (I), en la que el cobre tiene una valencia de 1, y de cobre (II), en la que su valencia es de 2. Los compuestos de cobre (I) apenas tienen importancia en la industria y se convierten fácilmente en compuestos de cobre (II) al oxidarse por la simple exposición al aire. Los compuestos de cobre (II) son estables. Algunas soluciones de cobre tienen la propiedad de disolver la celulosa, por lo que se usan grandes cantidades de cobre en la fabricación de rayón. También se emplea el cobre en muchos pigmentos, en insecticidas como el verde de Schweinfurt, o en fungicidas como la mezcla de Burdeos, aunque para estos fines está siendo sustituido ampliamente por productos orgánicos sintéticos.

Estado natural

El cobre ocupa el lugar 25 en abundancia entre los elementos de la corteza terrestre. Frecuentemente se encuentra agregado con otros metales como el oro, plata, bismuto y plomo, apareciendo en pequeñas partículas en rocas, aunque se han encontrado masas compactas de hasta 420 toneladas. El cobre se encuentra por todo el mundo en la lava basáltica, localizándose el mayor depósito conocido en la cordillera de los Andes en Chile, bajo la forma de pórfido.

Este país posee aproximadamente el 25% de las reservas mundiales conocidas de cobre y a comienzos de 1980 se convirtió en el primer país productor de este mineral. Los principales yacimientos se localizan en Chuquicamata, Andina, El Salvador y El Teniente. Las principales fuentes del cobre son la calcopirita y la bornita, sulfuros mixtos de hierro y cobre. Otras menas importantes son los sulfuros de cobre calcosina, que se encuentra en Chile, México, Estados Unidos y la antigua URSS; y la covellina, en Estados Unidos.

La enargita, un sulfoarseniato de cobre, se encuentra en Yugoslavia, Suráfrica y América del Norte; la azurita, un carbonato básico de cobre, en Francia y Australia, y la malaquita, otro carbonato básico de cobre, en los montes Urales, Namibia y Estados Unidos. La tetraedrita, un sulfantimoniuro de cobre y de otros metales, y la crisocolla, un silicato de cobre, se hallan ampliamente distribuidos en la naturaleza. La cuprita, un óxido, en España, Chile, Perú y Cuba, y la atacamita, un cloruro básico, cuyo nombre proviene de la región andina de Atacama, en el norte de Chile y Perú.

g) Magnesio

  Con una densidad de sólo dos tercios de la del aluminio, tiene incontables aplicaciones en casos en donde el ahorro de peso es de importancia. También tiene muchas propiedades químicas y metalúrgicas deseables que lo hacen apropiado en una gran variedad de aplicaciones no estructurales. 

 

Es muy abundante en la naturaleza, y se halla en cantidades importanes en muchos minerales rocosos, como la dolomita, magnesita, olivina y serpentina. Además se encuentra en el agua de mar, salmueras subterráneas y lechos salinos. Es el tercer metal estructural más abundante en la corteza terrestre, superado solamente por el aluminio y el hierro. 

 

El magnesio (magnecio) es químicamente muy activo, desplaza al hidrógeno del agua en ebullición y un gran número de metales se puede preparar por reducción térmica de sus sales y óxidos con magnesio. Se combina con la mayor parte de los no metales y prácticamente con todos los ácidos. El magnesio reacciona sólo ligeramente o nada con la mayor parte de los álcalis y muchas sustancias orgánicas, como hidrocarburos, aldehídos, alcoholes, fenoles, aminas, ésteres y la mayor parte de los aceites.

Utilizado como catalizador, el magnesio sirve para promover reacciones orgánicas de condensación, reducción, adición y deshalogenación. Se ha usado largo tiempo en la síntesis de compuestos orgánicos especiales y complejos por medio de la conocida reacción de Grignard. Los principales ingredientes de aleaciones son: aluminio, manganeso, zirconio, zinc, metales de tierras raras y torio.

Los compuestos de magnesio se utilizan mucho en la industria y la agricultura.  El metal, aislado por vez primera por el químico británico Humphry Davy en 1808, se obtiene hoy en día principalmente por la electrólisis del cloruro de magnesio fundido. El magnesio es maleable y dúctil cuando se calienta. Exceptuando el berilio, es el metal más ligero que permanece estable en condiciones normales. El oxígeno, el agua o los álcalis no atacan al metal a temperatura ambiente. Reacciona con los ácidos, y cuando se calienta a unos 800 °C reacciona también con el oxígeno y emite una luz blanca radiante.

El magnesio tiene un punto de fusión de unos 649 °C, un punto de ebullición de unos 1.107 °C y una densidad de 1,74 g/cm3; su masa atómica es 24,305. El magnesio ocupa el sexto lugar en abundancia natural entre los elementos de la corteza terrestre. Existe en la naturaleza sólo en combinación química con otros elementos, en particular, en los minerales carnalita, dolomita y magnesita, en muchos silicatos constituyentes de rocas y como sales, por ejemplo el cloruro de magnesio, que se encuentra en el mar y en los lagos salinos. Es un componente esencial del tejido animal y vegetal.

-Es mas ligero al aluminio y su resistencia a la corrosión es casi igual al aluminio.

-Tiene bajo modulo de elasticidad, baja resistencia a la fatiga y al desgaste.

-Riesgo durante la fundición y maquinado pues se combina fácilmente con el oxigeno y arde.

-Tiene estructura HC y es menos dúctil que el aluminio.

Aplicaciones

El magnesio forma compuestos bivalentes, siendo el más importante el carbonato de magnesio (MgCO3), que se forma por la reacción de una sal de magnesio con carbonato de sodio y se utiliza como material refractario y aislante. El cloruro de magnesio (MgCl2·6H2O), que se forma por la reacción de carbonato u óxido de magnesio con ácido clorhídrico, se usa como material de relleno en los tejidos de algodón y lana, en la fabricación de papel y de cementos y cerámicas.

Otros compuestos son el citrato de magnesio (Mg3(C6H5O7)2·4H2O), que se forma por la reacción de carbonato de magnesio con ácico cítrico y se usa en medicina y en bebidas efervescentes; el hidróxido de magnesio, (Mg(OH)2), formado por la reacción de una sal de magnesio con hidróxido de sodio, y utilizado en medicina como laxante, "leche de magnesia", y en el refinado de azúcar; sulfato de magnesio (MgSO4·7H2O), llamado sal de Epson y el óxido de magnesio (MgO), llamado magnesia o magnesia calcinada, que se prepara calcinando magnesio con oxígeno o calentando carbonato de magnesio, y que se utiliza como material refractario y aislante, en cosméticos, como material de relleno en la fabricación de papel y como laxante antiácido suave.

Las aleaciones de magnesio presentan una gran resistencia a la tracción. Cuando el peso es un factor a considerar, el metal se utiliza aleado con aluminio o cobre en fundiciones para piezas de aviones; en miembros artificiales, aspiradoras e instrumentos ópticos, y en productos como esquíes, carretillas, cortadoras de césped y muebles para exterior. El metal sin alear se utiliza en flashes fotográficos, bombas incendiarias y señales luminosas, como desoxidante en la fundición de metales y como afinador de vacío, una sustancia que consigue la evacuación final en los tubos de vacío.

La producción mundial estimada de magnesio en 1989 fue de 350.000 toneladas.

h) Níquel

'Materiales de ingeniería'

Símbolo Ni, número atómico 28, metal duro, blanco plateado, dúctil y maleable. La masa atómica del níquel presente en la naturaleza es 58.71. El níquel tiene cinco isótopos naturales con masas atómicas de 58, 60, 61, 62, 64. También se han identificado siete isótopos radiactivos, con números de masa de 56, 57, 59, 63, 65, 66 y 67.

La mayor parte del níquel comercial se emplea en el acero inoxidable y otras aleaciones resistentes a la corrosión. También es importante en monedas como sustituto de la plata. El níquel finamente dividido se emplea como catalizador de hidrogenación. 

 

El níquel es un elemento bastante abundante, constituye cerca de 0.008% de la corteza terrestre y 0.01% de las rocas ígneas. En algunos tipos de meteoritos hay cantidades apreciables de níquel, y se piensa que existen grandes cantidades en el núcleo terrestre. Dos minerales importantes son los sulfuros de hierro y níquel, pentlandita y pirrotita (Ni, Fe)xSy; el mineral garnierita, (Ni, Mg)SiO3.nH2O, también es importante en el comercio. El níquel se presenta en pequeñas cantidades en plantas y animales. Está presente en pequeñas cantidades en el agua de mar, el petróleo y en la mayor parte del carbón. 

 

El níquel metálico es fuerte y duro (3.8 en la escala de Mohs), Cuando está finamente dividido, es de color negro. La densidad del níquel es 8.90 veces la del agua a 20ºC (68ºF); se funde a 1455ºC (2651ºF) y hierve a 2840ºC (5144ºF); es sólo moderadamente reactivo. Resiste la corrosión alcalina y no se inflama en trozos grandes, pero los alambres muy finos pueden incendiarse. Está por encima del hidrógeno en la serie electroquímica; se disuelve con lentitud en ácidos diluidos liberando hidrógeno. En forma metálica es un agente reductor fuerte.

El níquel es dipositivo en sus compuestos, pero también puede existir en los estados de oxidación 0, 1+, 3+, 4+. Además de los compuestos simples o sales, el níquel forma una variedad de compuestos de coordinación o complejos. La mayor parte de los compuestos de níquel son verdes o azules a causa de la hidratación o de la unión de otros ligandos al metal. El ion níquel presente en soluciones acuosas de compuestos simples es a su vez un complejo, el [Ni(H2O)6]2+.   

Propiedades

El níquel es un metal duro, maleable y dúctil, que puede presentar un intenso brillo. Tiene propiedades magnéticas por debajo de 345 °C. Aparece bajo cinco formas isotópicas diferentes. El níquel metálico no es muy activo químicamente. Es soluble en ácido nítrico diluido, y se convierte en pasivo (no reactivo) en ácido nítrico concentrado. No reacciona con los álcalis. Tiene un punto de fusión de 1.455 °C, y un punto de ebullición de 2.730 °C, su densidad es de 8,9 g/cm3 y su masa atómica 58,69.

Estado Natural

El níquel aparece en forma de metal en los meteoros. También se encuentra, en combinación con otros elementos, en minerales como la garnierita, milerita, niquelita, pentlandita y pirrotina, siendo estos dos últimos las principales menas del níquel. Ocupa el lugar 22 en abundancia entre los elementos de la corteza terrestre.

Las menas de níquel contienen generalmente impurezas, sobre todo de cobre. Las menas de sulfuros, como las de pentlandita y pirrotina niquelífera se suelen fundir en altos hornos y se envían en forma de matas de sulfuro de cobre y níquel a las refinerías, en donde se extrae el níquel mediante procesos diversos. En el proceso electrolítico, el níquel se deposita en forma de metal puro, una vez que el cobre ha sido extraído por deposición a un voltaje distinto y con un electrólito diferente. En el proceso de Mond, el cobre se extrae por disolución en ácido sulfúrico diluido, y el residuo de níquel se reduce a níquel metálico impuro. Al hacer pasar monóxido de carbono por el níquel impuro se forma carbonilo de níquel (Ni(CO)4), un gas volátil. Este gas calentado a 200 °C se descompone, depositándose el níquel metálico puro.

El níquel se emplea como protector y como revestimiento ornamental de los metales; en especial de los que son susceptibles de corrosión como el hierro y el acero. La placa de níquel se deposita por electrólisis de una solución de níquel. Finamente dividido, el níquel absorbe 17 veces su propio volumen de hidrógeno y se utiliza como catalizador en un gran número de procesos, incluida la hidrogenación del petróleo.

El níquel se usa principalmente en aleaciones, y aporta dureza y resistencia a la corrosión en el acero. El acero de níquel, que contiene entre un 2% y un 4% de níquel, se utiliza en piezas de automóviles, como ejes, cigüeñales, engranajes, llaves y varillas, en repuestos de maquinaria y en placas para blindajes. Algunas de las más importantes aleaciones de níquel son la plata alemana, el invar, el monel, el nicromo y el permalloy. Las monedas de níquel en uso son una aleación de 25% de níquel y 75% de cobre. El níquel es también un componente clave de las baterías de níquel-cadmio.

Los mayores depósitos de níquel se encuentran en Canadá, y se han descubierto ricos yacimientos en el norte de Quebec en 1957. Le siguen en importancia como productores de níquel, Cuba, Puerto Rico, la antigua Unión Soviética (URSS), China y Australia. La producción mundial minera de níquel alcanzó en 1991 unas 923.000 toneladas.

Compuestos

El níquel forma fundamentalmente compuestos divalentes, aunque se dan casos en estados de oxidación formales que varían entre -1 y +4. La mayoría de las sales de níquel, como el cloruro de níquel (II), NiCl2, sulfato de níquel (II), NiSO4, y nitrato de níquel (II), Ni(NO3)2, presentan color verde o azul, y están generalmente hidratadas. El sulfato de amonio y níquel (NiSO4 · (NH4)2SO4 · 6H2O) se utiliza en soluciones para galvanizado de níquel.

Los compuestos del níquel se identifican frecuentemente añadiendo un reactivo orgánico, la dimetilglioxima, la cual reacciona con el níquel para formar un precipitado floculante de color rojo.

i) Plomo

Elemento químico, Pb, número atómico 82 y peso atómico 207.19. El plomo es un metal pesado (densidad relativa, o gravedad específica, de 11.4 s 16ºC (61ºF)), de color azuloso, que se empaña para adquirir un color gris mate. Es flexible, inelástico, se funde con facilidad, se funde a 327.4ºC (621.3ºF) y hierve a 1725ºC (3164ºF). Las valencias químicas normales son 2 y 4. Es relativamente resistente al ataque de los ácidos sulfúrico y clorhídrico. Pero se disuelve con lentitud en ácido nítrico. El plomo es anfótero, ya que forma sales de plomo de los ácidos, así como sales metálicas del ácido plúmbico. El plomo forma muchas sales, óxidos y compuestos organometálicos.   

Industrialmente, sus compuestos más importantes son los óxidos de plomo y el tetraetilo de plomo. El plomo forma aleaciones con muchos metales y, en general, se emplea en esta forma en la mayor parte de sus aplicaciones. Todas las aleaciones formadas con estaño, cobre, arsénico, antimonio, bismuto, cadmio y sodio tienen importancia industrial.   

 

Los compuestos del plomo son tóxicos y han producido envenenamiento de trabajadores por su uso inadecuado y por una exposición excesiva a los mismos. Sin embargo, en la actualidad el envenenamiento por plomo es raro en virtud e la aplicación industrial de controles modernos, tanto de higiene como relacionados con la ingeniería.

El mayor peligro proviene de la inhalación de vapor o de polvo. En el caso de los compuestos organoplúmbicos, la absorción a través de la piel puede llegar a ser significativa. Algunos de los síntomas de envenenamiento por plomo son dolores de cabeza, vértigo e insomnio. En los casos agudos, por lo común se presenta estupor, el cual progresa hasta el coma y termina en la muerte. El control médico de los empleados que se encuentren relacionados con el uso de plomo comprende pruebas clínicas de los niveles de este elemento en la sangre y en la orina. Con un control de este tipo y la aplicación apropiada de control de ingeniería, el envenenamiento industrial causado por el plomo puede evitarse por completo.   

 

El plomo rara vez se encuentra en su estado elemental, el mineral más común es el sulfuro, la galeana, los otros minerales de importancia comercial son el carbonato, cerusita, y el sulfato, anglesita, que son mucho más raros. También se encuentra plomo en varios minerales de uranio y de torio, ya que proviene directamente de la desintegración radiactiva (decaimiento radiactivo). Los minerales comerciales pueden contener tan poco plomo como el 3%, pero lo más común es un contenido de poco más o menos el 10%. Los minerales se concentran hasta alcanzar un contenido de plomo de 40% o más antes de fundirse.    

 

El uso más amplio del plomo, como tal, se encuentra en la fabricación de acumuladores. Otras aplicaciones importantes son la fabricación de tetraetilplomo, forros para cables, elementos de construcción, pigmentos, soldadura suave y municiones.    

 

Se están desarrollando compuestos organoplúmbicos para aplicaciones como son la de catalizadores en la fabricación de espuma de poliuretano, tóxicos para las pinturas navales con el fin de inhibir la incrustación en los cascos, agentes biocidas contra las bacterias grampositivas, protección de la madera contra el ataque de los barrenillos y hongos marinos, preservadores para el algodón contra la descomposición y el moho, agentes molusquicidas, agentes antihelmínticos, agentes reductores del desgaste en los lubricantes e inhibidores de la corrosión para el acero.  

 

Merced a su excelente resistencia a la corrosión, el plomo encuentra un amplio uso en la construcción, en particular en la industria química. Es resistente al ataque por parte de muchos ácidos, porque forma su propio revestimiento protector de óxido. Como consecuencia de esta característica ventajosa, el plomo se utiliza mucho en la fabricación y el manejo del ácido sulfúrico.     

Durante mucho tiempo se ha empleado el plomo como pantalla protectora para las máquinas de rayos X. En virtud de las aplicaciones cada vez más amplias de la energía atómica, se han vuelto cada vez más importantes las aplicaciones del plomo como blindaje contra la radiación.  

 

Su utilización como forro para cables de teléfono y de televisión sigue siendo una forma de empleo adecuada para el plomo. La ductilidad única del plomo lo hace particularmente apropiado para esta aplicación, porque puede estirarse para formar un forro continuo alrededor de los conductores internos.   

 

El uso del plomo en pigmentos ha sido muy importante, pero está decreciendo en volumen. El pigmento que se utiliza más, en que interviene este elemento, es el blanco de plomo 2PbCO3.Pb(OH)2; otros pigmentos importantes son el sulfato básico de plomo y los cromatos de plomo.   

 

Se utilizan una gran variedad e compuestos de plomo, como los silicatos, los carbonatos y sales de ácidos orgánicos, como estabilizadores contra el calor y la luz para los plásticos de cloruro de polivinilo. Se usan silicatos de plomo para la fabricación de fritas de vidrio y de cerámica, las que resultan útiles para introducir plomo en los acabados del vidrio y de la cerámica. El azuro de plomo, Pb(N3)2, es el detonador estándar par los explosivos. Los arsenatos de plomo se emplean en grandes cantidades como insecticidas para la protección de los cultivos. El litargirio (óxido de plomo) se emplea mucho para mejorar las propiedades magnéticas de los imanes de cerámica de ferrita de bario.

 

Asimismo, una mezcla calcinada de zirconato de plomo y de titanato de plomo, conocida como PZT, está ampliando su mercado como un material piezoeléctrico.  

 

'Materiales de ingeniería'

j) Estaño

'Materiales de ingeniería'

Elemento químico, de símbolo Sn, número atómico 50 y peso atómico 118.69. Forma compuesto de estaño(II) o estañoso(Sn2+) y estaño(IV) o estánico (Sn4+), así como sales complejas del tipo estanito (M2SnX4) y estanato (M2SnX6).  

Se funde a baja temperatura; tiene gran fluidez cuando se funde y posee un punto de ebullición alto. es suave, flexible y resistente a la corrosión en muchos medios. Una aplicación importante es el recubrimiento de envases de acero para conservar alimentos y bebidas. Otros empleos importantes son: aleaciones para soldar, bronces, pletres y aleaciones industriales diversas. Los productos químicos de estaño, tanto inorgánicos como orgánicos, se utilizan mucho en las industrias de galvanoplastia, cerámica y plásticos, y en la agricultura. 

 

El mineral del estaño más importante es la casiterita, SnO2. No se conocen depósitos de alta calidad de este mineral. La mayor parte del mineral de estaño del mundo se obtiene de depósitos aluviales de baja calidad.   

 

Existen dos formas alotrópicas del estaño: estaño blanco y estaño gris. Es estño reacciona tanto con ácidos fuertes como con bases fuertes, pero es relativamente resistente a soluciones casi neutras. En muy diversas circunstancias corrosiva, no se desprende el gas hidrógeno del estaño y la velocidad de corrosión está controlada por el suministro de oxígeno u otros agentes oxidantes; en su ausencia, la corrosión es despreciable.

Se forma una película delgada de óxido estánico sobre el estaño que está expuesto al aire y esto origina una protección superficial. Las sales que tienen una reacción ácida en solución, como el cloruro de aluminio y el cloruro férrico, atacan el estaño en presencia de oxidantes o aire. La mayor parte de los líquidos no acuosos, como los aceite, los alcoholes o los hidrocarburos clorinados, no tienen efectos obvios sobre el estaño o son muy pequeños. El estaño y las sales inorgánicas simples no son tóxicos, pero sí lo son algunas formas de compuesto organoestañosos. 

 

El óxido estanoso, SnO es un producto cristalino de color negro-azul, soluble en los ácidos comunes y en bases fuertes. Se emplea para fabricar sales estanosas en galvanoplastia y en manufactura de vidrio. El óxido estánico, SnO2, es un polvo blanco, insoluble en ácidos y álcalis. Es un excelente opacador de brillo y componente de colorantes cerámicos rosas, amarillos y marrones y de cuerpos refractarios y dieléctricos. Es un importante agente pulidor del mármol y de las piedras decorativas. 

 

El cloruro estanoso, SnCl2, es el ingrediente principal en el galvanoestañado ácido con electrólitos e intermediario de algunos compuesto químicos de estaño. El cloruro estánico, SnCl4, en la forma pentahidratada es un sólido blanco. Se utiliza en la preparación de compuestos organoestañosos y químicos para añadir peso a la seda y para estabilizar perfumes y colores en jabones. El fluoruro estañoso, SnF2, compuesto blanco soluble en agua, es un aditivo de las pastas dentales. 

 

Los compuestos organoestañosos son aquellos en que existe al menos un enlace estaño-carbono; el estaño suele presentar un estado de oxidación de +IV. Los compuestos organoestañosos que encuentran aplicación en la industria son los que tienen la fórmula R4Sn, R3SnX, R2SnX2 y RSnX3. R es un grupo orgánico, como metilo, butilo, octilo, o fenilo, mientras que X es un sustituyente inorgánico, por lo regular cloruro, fluoruro, óxido, hidróxido, carboxilatos o tioles. 

 

Efectos del Estaño sobre la salud 

El estaño se aplica principalmente en varias sustancias orgánicas. Los enlaces orgánicos de estaño son las formas más peligrosas del estaño para los humanos. A pesar de su peligro son aplicadas en gran número de industrias, tales como la industria de la pintura y del plástico, y en la agricultura a través de los pesticidas.  El número de aplicaciones de las sustancias orgánicas del estaño sigue creciendo, a pesar del hecho de que conocemos las consecuencias del envenenamiento por estaño. 

 

Los efectos de las sustancias orgánicas de estaño pueden variar. Dependen del tipo de sustancia que está presente y del organismo que está expuesto a ella. El estaño trietílico es la sustancia orgánica del estaño más peligrosa para los humanos. Tiene enlaces de hidrógeno relativamente cortos. Cuanto más largos sean los enlaces de hidrógeno, menos peligrosa para la salud humana será la sustancia del estaño. Los humanos podemos absorber enlaces de estaño a través de la comida y la respiración y a través de la piel. La toma de enlaces de estaño puede provocar efectos agudos así como efectos a largo plazo

El estaño es muy dúctil y maleable a 100 °C de temperatura y es atacado por los ácidos fuertes. Ordinariamente es un metal blanco plateado, pero a temperaturas por debajo de los 13 °C se transforma a menudo en una forma alotrópica (claramente distinta) conocida como estaño gris, que es un polvo amorfo de color grisáceo con una densidad relativa de 5,75. Debido al aspecto moteado de los objetos de estaño que sufren esta descomposición, a esta acción se la denomina comúnmente enfermedad del estaño o peste del estaño. Al doblar una barra de estaño ordinaria, ésta emite un sonido crepitante llamado grito del estaño, producido por la fricción de los cristales.

El estaño ocupa el lugar 49 entre los elementos de la corteza terrestre. El estaño ordinario tiene un punto de fusión de 232 °C, un punto de ebullición de 2.260 °C y una densidad relativa de 7,28. Su masa atómica es 118,69. El mineral principal del estaño es la casiterita (o estaño vidrioso), SnO2, que abunda en Inglaterra, Alemania, la península de Malaca, Bolivia, Brasil y Australia.

En la extracción de estaño, primero se muele y se lava el mineral para quitarle las impurezas, y luego se calcina para oxidar los sulfuros de hierro y de cobre. Después de un segundo lavado, se reduce el mineral con carbono en un horno de reverbero; el estaño fundido se recoge en la parte inferior y se moldea en bloques conocidos como estaño en lingotes. En esta forma, el estaño se vuelve a fundir a bajas temperaturas; las impurezas forman una masa infusible. El estaño también puede purificarse por electrólisis.

Compuestos

El estaño forma ácido estánnico, H2SnO4, al calentarlo en aire u oxígeno a altas temperaturas. Se disuelve en ácido clorhídrico formando cloruro de estaño (II), SnCl2, y en agua regia produciendo cloruro de estaño (IV), SnCl4, y reacciona con una disolución de hidróxido de sodio formando estannito de sodio y gas hidrógeno. El estaño se disuelve en ácido nítrico frío y muy diluido, formando nitrato de estaño (II) y nitrato de amonio; en ácido nítrico concentrado produce ácido metaestánnico, H2SnO3.

El sulfuro de estaño (II), SnS, se obtiene en forma de precipitado castaño oscuro por la acción del sulfuro de hidrógeno sobre una disolución de cloruro de estaño (IV). El sulfuro de estaño (IV), SnS2, se produce pasando sulfuro de hidrógeno a través de una disolución de sal de estaño (IV). Los dos hidróxidos de estaño, Sn(OH)2 y Sn(OH)4, se producen añadiendo un hidróxido soluble a disoluciones de sales de estaño (II) y de estaño (IV). El óxido de estaño (II), SnO, un polvo negro insoluble, se obtiene calentando oxalato de estaño (II) en ausencia de aire. En presencia de aire, el óxido estaño (II) arde para formar el dióxido, u óxido estaño (IV), SnO2, un sólido blanco insoluble. El dióxido también puede prepararse calentando ácido estánnico o estaño metálico en aire a alta temperatura.

Aplicaciones

El estaño es un metal muy utilizado en centenares de procesos industriales en todo el mundo. En forma de hojalata, se usa como capa protectora para recipientes de cobre, de otros metales utilizados para fabricar latas, y artículos similares. El estaño es importante en las aleaciones comunes de bronce (estaño y cobre), en la soldadura (estaño y plomo) y en el metal de imprenta (estaño, plomo y antimonio) (véase Metalistería). También se usa aleado con titanio en la industria aerospacial, y como ingrediente de algunos insecticidas. El sulfuro estaño (IV), conocido también como oro musivo, se usa en forma de polvo para broncear artículos de madera. Los países mayores productores de estaño son China, Indonesia, Perú, Brasil y Bolivia.

k) Zinc

Elemento químico de símbolo Zn, número atómico 30 y peso atómico 65.37. Es un metal maleable, dúctil y de color gris. Se conocen 15 isótopos, cinco de los cuales son estables y tienen masas atómicas de 64, 66, 67, 68 y 70. Cerca de la mitad del zinc común se encuentra como isótopo de masa atómica 64.

Los usos más importantes del zinc los constituyen las aleaciones y el recubrimiento protector de otros metales. El hierro o el acero recubiertos con zinc se denominan galvanizados, y esto puede hacerse por inmersión del artículo en zinc fundido (proceso de hot-dip), depositando zinc electrolíticamente sobre el artículo como un baño chapeado (electrogalvanizado), exponiendo el artículo a zinc en polvo cerca de su punto de fusión (sherardizing) o rociándolo con zinc fundido (metalizado).  

El zinc es uno de los elementos menos comunes; se estima que forma parte de la corteza terrestre en un 0.0005-0.02%. Ocupa el lugar 25 en orden de abundancia entre los elementos. Su principal mineral es la blenda, marmatita o esfalerita de zinc, ZnS. Es un elemento esencial para el desarrollo de muchas clases de organismos vegetales y animales. La deficiencia de zinc en la dieta humana deteriora el crecimiento y la madurez y produce también anemia. La insulina es una proteína que contiene zinc. El zinc está presente en la mayor parte de los alimentos, especialmente en los que son ricos en proteínas. En promedio, el cuerpo humano contiene cerca de dos gramos de zinc.  

El zinc puro y recientemente pulido es de color blanco azuloso, lustroso y moderadamente duro (2.5 en la escala de Mohs). El aire húmedo provoca su empañamiento superficial, haciendo que tenga color gris. El zinc puro es dúctil y maleable pudiéndose enrollar y tensar, pero cantidades pequeñas de otros metales como contaminantes pueden volverlo quebradizo. Se funde a 420ºC (788ºF) y hierve a 907ºC (1665ºF). Su densidad es 7.13 veces mayor que la del agua, ya que un pie cúbico (0.028m3) pesa 445 Ib (200 Kg).  

El zinc es buen conductor del calor y la electricidad. Como conductor del calor, tiene una cuarta parte de la eficiencia de la plata. A 0.91ºK es un superconductor eléctrico. El zinc puro no es ferromagnético.   Es un metal químicamente activo. Puede encenderse con alguna dificultad produciendo una flama azul verdosa en el aire y liberando óxido de zinc en forma de humo. El zinc metálico en soluciones ácidas reacciona liberando hidrógeno para formar iones zinc, Zn2+. Se disuelve también en soluciones fuertemente alcalinas para formar iones dinegativos de tetrahidroxozincatos, Zn(OH)2-4, escrito algunas veces como ZnO2-2.en las fórmulas de los zincatos.  

El zinc es siempre divalente en sus compuestos, excepto algunos cuando se une a otros metales, que se denominan aleaciones de zinc. Forma también muchos compuestos de coordinación. En la mayor parte de ellos la unidad estructural fundamental es un ion central de zinc, rodeado por cuatro grupos coordinados dispuestos espacialmente en las esquinas de un tetraedro regular.

Es un elemento metálico blanco azulado que tiene muchas aplicaciones industriales. El cinc es uno de los elementos de transición del sistema periódico; su número atómico es 30. Los minerales de cinc se conocen desde hace mucho tiempo, pero el cinc no fue reconocido como elemento hasta 1746, cuando el químico alemán Andreas Sigismund Marggraf aisló el metal puro calentando calamina y carbón de leña.

Propiedades y estado natural

El cinc puro es un metal cristalino, insoluble en agua caliente y fría, y soluble en alcohol, en los ácidos y en los álcalis. Es extremadamente frágil a temperaturas ordinarias, pero se vuelve maleable entre los 120 y los 150 °C, y se lamina fácilmente al pasarlo entre rodillos calientes. No es atacado por el aire seco, pero en aire húmedo se oxida, cubriéndose con una película carbonada que lo protege de una posterior corrosión. Tiene un punto de fusión de 420 °C, un punto de ebullición de 907 °C y una densidad relativa de 7,14. Su masa atómica es 65,38.

Ocupa el lugar 24 en abundancia entre los elementos de la corteza terrestre. No existe libre en la naturaleza, sino que se encuentra como óxido de cinc (ZnO) en el mineral cincita y como silicato de cinc (2ZnO·SiO2H2O) en la hemimorfita. También se encuentra como carbonato de cinc (ZnCO3) en el mineral esmitsonita, como óxido mixto de hierro y cinc (Zn(FeO2)O2) en la franklinita, y como sulfuro de cinc (ZnS) en la esfalerita, o blenda de cinc. Las menas utilizadas más comúnmente como fuente de cinc son la esmitsonita y la esfalerita.

El primer paso en el proceso metalúrgico es transformar los minerales en óxidos, sometiéndolos a altas temperaturas. Después se reducen los óxidos con carbono en un horno eléctrico y el cinc hierve y se destila en la retorta, en donde tiene lugar la reducción. El cinc obtenido por destilación contiene pequeñas cantidades de hierro, arsénico, cadmio y plomo, y es conocido en metalurgia como peltre. En otro método de refinarlo, los minerales se calcinan y se lixivian con ácido sulfúrico. Después de separar las impurezas, la disolución se electroliza. El cinc electrolítico es puro y tiene cualidades superiores como, por ejemplo, una mayor resistencia a la corrosión.

Aplicaciones

El metal se usa principalmente como capa protectora o galvanizador para el hierro y el acero, y como componente de distintas aleaciones, especialmente del latón. También se utiliza en las placas de las pilas (baterías) eléctricas secas, y en las fundiciones a troquel. El óxido de cinc, conocido como cinc blanco, se usa como pigmento en pintura. También se utiliza como rellenador en llantas de goma y como pomada antiséptica en medicina. El cloruro de cinc se usa para preservar la madera y como fluido soldador. El sulfuro de cinc es útil en aplicaciones relacionadas con la electroluminescencia, la fotoconductividad, la semiconductividad y otros usos electrónicos; se utiliza en los tubos de las pantallas de televisión y en los recubrimientos fluorescentes

Estructura de los Metales

Estructura cristalina:

Como los átomos tienden a adoptar posiciones relativamente fijas, esto da lugar a la formación de cristales en estado sólido. Los átomos oscilan alrededor de los puntos fijos y están en equilibrio dinámico mas que fijos estáticamente. La red tridimensional de líneas imaginarias que conectan los átomos se llaman red espacial, en tanto que las unidades mas pequeñas se llaman celda unitaria. La celda unitaria especifica para cada material esta definida por sus parámetros, que son las orillas o bordes de la celda unitaria.

La celda unitaria: es la subdivisión de la red cristalina que sigue conservando las características generales de toda la red. Afortunadamente, la mayoría de los metales importantes se cristalizan ya sea en los sistemas cúbicos o en los hexagonales, y solo tres tipos de redes espaciales se encuentran comúnmente: la b.c.c. (cúbica centrada en el cuerpo), la f.c.c. (cúbica centrada en las caras) y la c.p.h. (hexagonal compacta).

Mecanismos de cristalización:

La cristalización es la transición del estado liquido al estado sólido y ocurre en dos etapas:

  • Formación de núcleos

  • Crecimiento del cristal

Los átomos en un material tienen energía tanto cinética como potencial. La energía cinética esta relacionada con la velocidad con que se mueven los átomos y es estrictamente una función de la temperatura. A mayor temperatura, los átomos son mas activos y la energía cinética es mayor. Por otro lado, la energía potencial esta relacionada con la distancia entre los átomos. A mayor distancia promedio entre átomos, mayor será su energía potencial.

Los átomos en el sólido están mucho mas próximos de modo que la solidificación ocurre con una liberación de energía. Esta diferencia en energía potencial entre los dos estados liquido y sólido se conoce como calor latente de fusión.

Estructuras cristalinas mas comunes

Cúbica centrada en el cuerpo ( b.c.c. ):

Si los átomos se representan como esferas, el átomo del centro taca a cada átomo de la esquina, pero estos no se tocan entre si. Como cada átomo de las esquinas lo compactan ocho cubos adyacentes y el átomo del centro no puede compartirlo ningún otro cubo, la celda unitaria de la estructura b.c.c. contiene:

8 átomos en las esquinas x 1/8 = 1 átomo

1 átomo central = 1 átomo .

Total = 2 átomos

Algunos ejemplos de metales que cristalizan con una estructura b.c.c. son: cromo, tungsteno, hierro alfa (  ), hierro delta (  ), molibdeno, vanadio y sodio.

Cúbica centrada en las caras ( f.c.c. ):

Además de haber un átomo en cada esquina del cubo, hay uno en el centro de cada cara, pero ninguno en el centro del cubo.

Cada átomo de las caras toca los átomos de las esquinas mas próximas. Como cada átomo de las esquinas lo comparten ocho cubos adyacentes y cada átomo de las caras es compartido solo por un cubo adyacente, la celda unitaria contiene:

8 átomos en las esquinas x 1/8 = 1 átomo

6 átomos centrados en las caras x 1/2 = 3 átomo .

Total = 4 átomos

Esto indica que la estructura f.c.c. esta mas densamente empaquetada que la b.c.c.

Factor de empaquetamiento: el factor de empaquetamiento es la fracción de espacio ocupada por los átomos suponiendo que los átomos son esferas sólida.

Hexagonal compacta ( c.p.h. ):

La figura usual de la red hexagonal compacta muestra dos planos básales en forma de hexágonos regulares, con un átomo tanto en cada esquina del hexágono como en el centro. Además hay tres átomos en forma de triangulo a la mitad de la distancia entre los dos planos básales.

Si el plano basal se divide en seis triángulos equiláteros, los tres átomos adicionales están anidados en el centro de los triángulos equiláteros alternos, por tanto, el prisma hexagonal contiene dos celdas unitarias completas y dos mitades.

Como cada átomo en la esquina de la celda unitaria lo comparten ocho celdas adjuntas y un átomo dentro de la celda no puede compartirse, la celda unitaria c.p.h. (hexagonal compacta) contiene dos átomos.

Magnesio, berilio, zinc, cadmio y hafnio son ejemplos de metales que se cristalizan con este tipo de estructura.

Malla cúbica de

cuerpo centrado

Malla cúbica de

cara centrada

Malla hexagonal

compacta

'Materiales de ingeniería'

'Materiales de ingeniería'

'Materiales de ingeniería'

Estructuras no metálicas

Estructura del cloruro de cesio:

El cloruro de cesio (CsCl) es cúbico simple; el sitio intersticial “cúbico” lo ocupa el anión Cl. La relación de radios es:

rCs/rCl = 0.167nm/0.181nm = 0.92, determina que el cloruro de cesio tiene un numero de coordinación igual a ocho. Se puede representar la estructura con una estructura cúbica simple con dos iones, uno de Cs y uno de Cl, asociados con cada punto de la red. Esta estructura es posible cuando el anión y el catión tienen la misma valencia.

Estructura del cloruro de sodio:

La relación de radios para los iones de sodio y de cloro es:

rNa/rCl = 0.097nm/0.181nm = 0.536; el ion de sodio tiene carga de +1; el ion de cloro tiene una carga de -1. por tanto, con base en equilibrio de cargas y la relación de radios, cada anión y catión debe tener un numero de coordinación de seis.

La estructura CCC, con los aniones de Cl en las posiciones CCC y los cationes de Na en los cuatro sitios octaédricos, satisface estos requisitos. Tambien se puede considerar esta estructura como CCC con dos aniones uno de Na y otro Cl, asociados en cada punto de la red. Muchos metales cerámicos, incluyendo el MgO, CaO y FeO, tienen esta estructura.

Sílice cristalino:

En algunas de sus formas, el sílice, es decir, el SiO2 tiene una estructura cristalina que es parte covalente y parte ionica.

Estructura de la blenda del zinc:

Aunque los iones de Zn tienen una carga de +2 y el S tiene una carga de -2, la blenda de zinc (ZnS) no puede tener la estructura del cloruro de sodio. La estructura CCC, con cationes Zn en los puntos de red normales y aniones S en la mitad de los sitios tetraédricos pueden aceptar las restricciones tanto del equilibrio de cargas, como del numero de coordinación. Una diversidad de materiales, incluyendo el semiconductor GaAs, tienen esta estructura.

Poliformismo y alotropía

El poliformismo es la propiedad de un material de existir en mas de un tipo de red espacial en el estado sólido.

Si el cambio en estructura es reversible, entonces el cambio poliformico se conoce como alotropía. Por lo menos quince metales muestran esta propiedad y el hierro es el ejemplo mejor conocido. Cuando el hierro se cristaliza a 2800°F es b.c.c. (Fe),a 2554°F la estructura cambia a f.c.c. (Fe) y a 1670°F vuelve a transformarse en b.c.c.(Fe).

Formación del Grano (Cristalización)

La solidificación controla la forma y tamaño de los granos y necesita dos pasos nucleación y crecimiento.

La nucleación es cuando se forma una pequeña porción sólida dentro de un líquido.

El crecimiento del núcleo es cuando los átomos del líquido se unen al solidó hasta acabarse.

*Nucleacion.

Un material se solidifica por debajo de su temperatura de fusión o congelamiento ya que la energía asociada con la estructura cristalina del sólido es menor que la del liquido. Esta diferencia de energía es el cambio de energía libre de volumen.

Cuando el sólido es muy pequeño (menor que r*) un crecimiento adicional hace que aumente la energía libre por lo que se vuelve a fundir y el metal permanece en estado liquido, este sólido pequeño se conoce como embrión.

Cuando el sólido es mayor que r* el crecimiento adicional hace que la energía total se reduzca por lo que el sólido formado es estable y ahora crecerá y se llamara núcleo.

Existen dos tipos de nucleación:

  • Nucleación Homogénea.- Cuando el liquido se enfría por debajo de la temperatura de solidificación de equilibrio, dos factores favorecen la nucleación, uno es que se agrupan los átomos para formar embriones mas grandes y dos la mayor diferencia de energía libre reduce el tamaño critico del núcleo.

  • La nucleación homogénea ocurre cuando el subenfriamiento es lo suficiente para causar la formación de un núcleo estable calor latente de fusión es el calor cedido en la transformación de liquido a sólido.

  • Nucleacion Heterogenea.-Cuando las impurezas que están en contacto con el líquido proveen una superficie sobre la cual se puede formar un sólido se necesitan unos cuantos átomos para hacer una partícula sólida y se necesitan menos subenfriamiento por lo que la nucleación empieza con mayor facilidad. La nucleación que ocurre sobre superficies de impurezas es la heterogénea.

Endurecimiento por tamaño de grano.

Es cuando se agregan impurezas a un liquido y estas inician la nucleación heterogénea, cada uno empieza a crecer a partir de un núcleo, cuanto mayor sea la superficie de los bordes de grano mayor será el endurecimiento.

*Crecimiento.

Ocurren conforme los átomos se unen a al superficie del sólido. El calor específico es el calor que se necesita para cambiar la temperatura en un grado una unidad de peso de un material, la manera de liberar el calor define el mecanismo de crecimiento.

Hay dos tipos de crecimiento:

  • Crecimiento Planar.-Cuando un liquido al equilibrio, la temperatura del liquido la temperatura del liquido es mayor que la temperatura de solidificación y además la temperatura del sólido esta por debajo de esa temperatura. Cualquier protuberancia se vera rodeado de liquido con temperatura mayor a la de solidificación por lo que se detendrá el crecimiento hasta que el resto de la interfase lo alcance.

  • Crecimiento Dendrítico.- Cuando la nucleación es débil el liquido se subenfria antes de que se forme el sólido, por lo que se forma una protuberancia llamada dendrita que al crecer el calor latente de fusión pasa al liquido subenfriado y eleva la temperatura a la solidificación.

Aleaciones

Producto homogéneo de propiedades metálicas compuesto de 2 o mas elementos , uno de los cuales al menos debe ser un metal , sin que haya combinación química entre ellos .

Por medio de las aleaciones se les dan a los metales características , como por ejemplo dureza que no poseen por si mismos ; actualmente casi ningún metal se usa puro , hay millares de aleaciones industriales , la mas importante de las cuales es el acero ; el bronce que se compone de cobre y estaño , así como otras de igual importancia como lo son el latón que es cobre con cinc , los cuproniqueles que son mezclas de plomo y antimonio los cuales se usan como soldadura , como tipos de imprenta , etc. , las aleaciones de aluminio con magnesio y manganeso tienen muchas aplicaciones en la aviación y astronáutica .

Aleación: sustancia compuesta por dos o más metales. Las aleaciones, al igual que los metales puros, poseen brillo metálico y conducen bien el calor y la electricidad, aunque por lo general no tan bien como los metales por los que están formadas. Las sustancias que contienen un metal y ciertos no metales, particularmente las que contienen carbono, también se llaman aleaciones. La más importante entre estas últimas es el acero. El acero de carbono simple contiene aproximadamente un 0,5% de manganeso, hasta un 0,8% de carbono, y el resto de hierro.

Variedades

Una aleación puede ser un compuesto intermetálico, una disolución sólida, una mezcla íntima de cristales diminutos de los elementos metálicos constituyentes o cualquier combinación de disoluciones o mezclas de los mismos. Los compuestos intermetálicos como NaAu2, CuSn y CuAl2, no siguen las reglas ordinarias de valencia y son por lo general duros y frágiles, aunque las últimas investigaciones han aumentado la importancia de estos compuestos. Las aleaciones tienen normalmente puntos de fusión más bajos que los componentes puros. Una mezcla con un punto de fusión inferior al de otra mezcla cualquiera de los mismos componentes se llama mezcla eutéctica. El eutectoide, o fase sólida análoga del eutéctico, suele tener mejores características físicas que las aleaciones de proporciones diferentes.


Propiedades

Con frecuencia las propiedades de las aleaciones son muy distintas de las de sus elementos constituyentes, y algunas de ellas, como la fuerza y la resistencia a la corrosión, pueden ser considerablemente mayores en una aleación que en los metales por separado. Por esta razón, se suelen utilizar más las aleaciones que los metales puros. El acero es más resistente y más duro que el hierro forjado, que es prácticamente hierro puro, y se usa en cantidades mucho mayores.

Los aceros aleados, que son mezclas de acero con metales como cromo, manganeso, molibdeno, níquel, volframio y vanadio, son más resistentes y duros que el acero en sí, y muchos de ellos son también más resistentes a la corrosión que el hierro o el acero. Las aleaciones pueden fabricarse con el fin de que cumplan un grupo determinado de características. Un caso importante en el que son necesarias unas características particulares es el diseño de cohetes y naves espaciales y supersónicas.

Los materiales usados en estos vehículos y en sus motores deben pesar poco y ser muy resistentes y capaces de soportar temperaturas muy elevadas. Para soportar esas temperaturas y reducir el peso total, se han desarrollado aleaciones ligeras y de gran resistencia hechas de aluminio, berilio y titanio. Para resistir el calor generado al entrar en la atmósfera de la Tierra, en los vehículos espaciales se están utilizando aleaciones que contienen metales como el tántalo, niobio, volframio, cobalto y níquel.


En los reactores nucleares se utiliza una amplia gama de aleaciones especiales hechas con metales como berilio, boro, niobio, hafnio y circonio, que absorben los neutrones de una forma determinada. Las aleaciones de niobio-estaño se utilizan como superconductores a temperaturas extremamente bajas. En las plantas de desalinización se utilizan aleaciones especiales de cobre, níquel y titanio, diseñadas para resistir los efectos corrosivos del agua salina hirviendo.

Preparación

Históricamente, la mayoría de las aleaciones se preparaban mezclando los materiales fundidos. Más recientemente, la pulvimetalurgia ha alcanzado gran importancia en la preparación de aleaciones con características especiales. En este proceso, se preparan las aleaciones mezclando los materiales secos en polvo, prensándolos a alta presión y calentándolos después a temperaturas justo por debajo de sus puntos de fusión.

El resultado es una aleación sólida y homogénea. Los productos hechos en serie pueden prepararse por esta técnica abaratando mucho su costo. Entre las aleaciones que pueden obtenerse por pulvimetalurgia están los cermets. Estas aleaciones de metal y carbono (carburos), boro (boruros), oxígeno (óxidos), silicio (siliciuros) y nitrógeno (nitruros) combinan las ventajas del compuesto cerámico, estabilidad y resistencia a las temperaturas elevadas y a la oxidación, con las ventajas del metal, ductilidad y resistencia a los golpes.

Otra técnica de aleación es la implantación de ion, que ha sido adaptada de los procesos utilizados para fabricar chips de ordenadores o computadoras. Sobre los metales colocados en una cámara de vacío, se disparan haces de iones de carbono, nitrógeno y otros elementos para producir una capa de aleación fina y resistente sobre la superficie del metal. Bombardeando titanio con nitrógeno, por ejemplo, se puede producir una aleación idónea para los implantes de prótesis.

La plata fina, el oro de 14 quilates, el oro blanco y el platino iridiado son aleaciones de metales preciosos. La aleación antifricción, el latón, el bronce, el metal Dow, la plata alemana, el bronce de cañón, el monel, el peltre y la soldadura son aleaciones de metales menos preciosos. Debido a sus impurezas, el aluminio comercial es en realidad una aleación. Las aleaciones de mercurio con otros metales se llaman amalgamas.

  • El oro blanco que utilizan los joyeros es una aleación de oro con plata además el oro amarillo es un 90% de oro y un 10% de cobre .

  • Las aleaciones con base en el mercurio se llaman amalgamas .

Existen varios tipos de aleaciones entre ellas se encuentran

  • Eutectico Sencillo : 2 metales de diferentes volúmenes atómicos se van cristalizando por separado al enfriarse lentamente hasta que alcanzan la temperatura eutectica , en la cual se funden a la vez en un solo tipo de metal .

  • Disolución sólida sustitucional : Los volúmenes atómicos de 2 elementos se parecen y se cristalizan en un mismo sistema

  • Disolución sólida con compuesto intersticial : Los pequeños átomos de uno de los elementos se colocan entre la red de átomos del otro metal formando una aleación intersticial.

  • Compuesto intermetalico : Formado por 2 elementos con punto de fusión definido y que no cumplen con la ley de la valencia , los enlaces son entre el metálico y el covalente.

LATON
'Materiales de ingeniería'
Bajo el nombre "Latón" se comprenden todas las aleaciones de un color amarillo de Cobre y Zinc. Las diferentres aleaciones que existen en el mercado se emplean según el uso que se le dé.

Las aleaciones de un color rojizo o parecido al oro que contienen más de 65% de cobre se denominan "TUMBAGA", y las aleaciones que contienen además de cobre y zinc, por ejemplo, plomo, manganeso, etc., se denominan "LATON ESPECIAL"

PROPIEDADES MECANICAS DE LA ALEACION 65/35% que se emplea para láminas, medio duras y pulidas, y especiales para rechazar y troquelar, lo mismo para alambre y tubos.

Dureza

Resistencia a la rotura

Alargamiento

Dureza Brinell

kilo/mm²

%

kilo/mm²

Recocido.....

29-35

45

.......

Semiduro.....

35-43

25

75-95

Duro............

41-50

15

95-120

Acerado......

52-64

5

130-150

'Materiales de ingeniería'
ZAMAK

Descripción Se surte en lingotes de aproximadamente 8 a 10 Kg.(18-22 lbs.) y en atados de +/ - 1,000 Kg. (2200 lbs.),debidamente flejados.

Se utiliza principalmente en la fundición a presión para la fabricación de piezas automotrices como carburadores, cerraduras de puerta, para el encendido, molduras, etc. Otro de los mercados es el de los enseres electrodomésticos para la fabricación de bases de licuadora, armaduras de rotores, cárter de lavadoras, etc. Dentro de los mercados varios, el más importante y el de mayor consumo es el de las cerraduras y candados.

INCONEL

Aleación de níquel/cromo/molibdeno que posee una excelente combinación de resistencia a la oxidación, resistencia a las temperaturas elevadas y de sencillez de fabricación. Su capacidad de resistencia a las grietas debidas a la corrosión bajo carga es excelente en aplicaciones petroquímicas.

Propiedades Eléctricas

Resistividad Eléctrica ( µOhmcm ) 122-124

Propiedades Físicas

Densidad ( g cm-3 ) 8,25

Punto de Fusión ( C ) 1390-1425

Propiedades Mecánicas

Alargamiento ( % ) <20

Dureza Brinell 150-280

Resistencia a la Tracción ( MPa ) 700-1250

Propiedades Térmicas

Coeficiente de Expansión Térmica @20-100C ( x10-6 K-1 ) 12,6

Conductividad Térmica a 23C ( W m-1 K-1 ) 12,0

Monel

Es el nombre que se asigna a las aleaciones comerciales con razones níquel-cobre de aproximadamente 2:1 de peso. El monel es mas duro que el cobre y extremadamente resistente a la corrosión.

Monel 400 es una aleación de Cobre y Níquel (Cerca de 67% Ni-23% Cu), que puede ser endurecida solamente trabajándola en frío. Es una aleación muy fuerte en un rango amplio de altas temperaturas y además tiene una excelente resistencia a ambientes de corrosión. El Monel 400 es usado en una gran variedad de campos, especialmente en la industria marítima, y de procesos petroquímicos.

Las aplicaciones mas comunes para el Monel son:

• Equipos de proceso químico

• Tanques para gasolina y agua

• Destiladores de Petroleo crudo

• Válvulas y bombas

• Bombas y ejes para hélices

• Tornillería y conexiones para la industria marítima

• Partes eléctricas y electrónicas

• Calentadores para vacío.

• Tubería y tanques de presión

• Intercambiadores de calor y calderas

Resistencia Quimica del Monel 400

Para muchas aplicaciones el Monel 400 ofrece casi la misma resistencia a la corrosión que el Níquel, pero trabaja mejor que el Níquel en alta presión y temperatura por un precio mas bajo, pues se maquina mas fácilmente.

• Resistente en agua y vapor de mar a altas temperaturas, al igual que a la sal y a soluciones cáusticas.

• Muy buena resistencia al agrietamiento por corrosión en agua pura.

• Resistencia especifica para ácido clorhídrico y fluorhídrico cuando están al vacío.

• Ofrece cierta resistencia a los ácidos clorhídrico y sulfúrico a temperaturas y concentraciones medianas, pero casi no se usa como material de elección para estos ácidos.

Por su alto contenido de cobre es de esperarse que el Alloy 400 es atacado rápidamente por el acido nítrico y sistemas de amoniaco. El Monel 400 tiene magníficas propiedades mecánicas a temperaturas bajo cero. El punto de fusion es de 2370-2460°F.

Fabricación con Monel 400

Con el apropiado control del trabajo en frio o caliente y la selección adecuada de un tratamiento térmico se pueden producir diferentes fabricaciones con un amplio rango de propiedades mecánicas..

El Monel 400 se puede soldar fácilmente con Gas-Arc Tungsteno, Gas-Arc Metal, o Procesos de Arc (Shielded metal) usando material de relleno apropiado. No hay necesidad de un tratamiento luego de soldar, pero es importante hacer una limpieza completa luego de soldar el material para una optima resistencia a la corrosión, o sino puede presentarse contaminación y debilitamiento del material.

Bronce


El bronce es el nombre con el que se denominan toda una serie de aleaciones metálicas que tienen como base el cobre y proporciones variables de otros elementos como estaño, zinc, aluminio, antimonio, fósforo, y otros con objeto de obtener unas características de dureza superior al cobre.

Fue la primera aleación fabricada conscientemente: consistía en mezclar el mineral de cobre (calcopirita, malaquita etc.) y el de estaño (casiterita) en un horno alimentado con carbón vegetal. El Anhidrido Carbónico resultante reducia los minerales a metales: Cobre y Estaño que se fundían y aleaban entre un 5 y un 10% e De bronce fueron las primeras armas y herramientas; también se utilizó como soporte para la escritura y para fabricar estátuas.

Solidificación de Metales Puros y Aleaciones (Curvas de Enfriamiento

Podemos resumir nuestro análisis hasta este punto examinando una curva de enfriamiento, en la cual se muestra cómo varía la temperatura de un material (en este caso un metal puro) con el transcurso del tiempo [Fig. 8-12(a) y (b)]. El líquido se vierte en un molde a la temperatura de vaciado, punto A. La diferencia entre la temperatura de vaciado y la de solidificación es el sobrecalentamiento. El líquido se enfría cuando el molde extrae su calor específico, hasta que llega a la temperatura de solidificación (punto B). Si el líquido no está bien inoculado, debe subenfriarse (punto B a C). La pendiente de la curva de enfriamiento antes de que se inicie la solidificación es, la velocidad de enfriamiento,. Cuando comienza la nucleación (punto C), se cede el calor latente de fusión y la temperatura aumenta. Este aumento de temperatura del líquido subenfriado como resultado de la nucleación se 113 ffia recalescencia (punto C a D).

La solidificación avanza isotérmicamente a la temperatura de fusión (punto D a E) a medida que el calor latente cedido de la solidificación continua se contrarresta con el calor perdido por enfriamiento. La región entre los puntos D y E, donde la temperatura es constante, se llama meseta térmica. Se produce una meseta térmica debido a que el desprendimiento del calor latente de fusión se equilibra con el calor que se pierde por el enfriamiento. En el punto E, la solidificación ha finalizado y la pieza colada sólida se enfría desde el punto E hasta la temperatura ambiente. Si el líquido está bien inoculado, el grado de subenfriamiento suele ser muy pequeño. El subenfriamiento y la meseta térmica son muy pequeños, y se puede observar en las curvas de enfriamiento sólo con mediciones muy cuidadosas.

Si se encuentran núcleos heterogéneos eficaces en el líquido, la solidificación comienza a la temperatura de solidificación [Fig. 8- 12(b)]. El calor latente mantiene el líquido restante a la temperatura de solidificación, hasta que se ha solidificado todo y ya no se puede desprender más calor latente. El crecimiento en estas condiciones es plano. El tiempo total de solidificación de la pieza es el necesario para eliminar tanto el calor específico del líquido como el calor latente de fusión. Si se mide desde el momento de vaciado hasta que termina la solidificación, este tiempo se determina con la regla de Chvorinov. El tiempo local de solidificación de la pieza es el necesario para eliminar sólo el calor latente de fusión en determinado lugar en la fundición; se mide a partir del momento en que comienza la solidificación hasta que ésta termina. Los tiempos locales de solidificación (y los tiempos totales de solidificación) para los líquidos que se solidifican pasando por subenfriamiento o por inoculación son un poco diferentes.

Con frecuencia usamos los términos "temperatura de fusión" y "temperatura de solidificación" al describir la solidificación. Sería más exacto usar el término "temperatura de fusión" para describir cuando un sólido se convierte por completo en un líquido. Para los metales puros y compuestos (intermetálicos), esto sucede a una temperatura fija (suponiendo una presión fija) y sin sobrecalentamiento. La "temperatura o punto de solidificación", se puede definir como la temperatura a la cual se termina la solidificación de un material.

'Materiales de ingeniería'

'Materiales de ingeniería'

Figura 8-12

Curva de enfriamiento de un me- tal puro que no fue bien inoculado. El líquido se enfría al eliminar su calor específico (entre los puntos A y B). Por tanto, es necesario el subenfriamiento (entre los puntos B y C). Al comenzar la nucleación (punto C), el calor latente de fusión se desprende, causando un aumento en la temperatura del líquido. A este proceso se le llama recalescencia (del punto C al punto O). ,-D: Recalescencia El metal continúa solidificándose a temperatura constante (T¡usión = T solidificación. En el punto E, la solidificación es completa.

La pieza sólida continúa enfriándose a partir de ese punto. (b) Curva de enfriamiento para un metal bien inocula- do, pero por lo demás puro. No se necesita subenfriamiento. No se observa la recalescencia. La solidificación comienza en la temperatura de fusión.

En la figura 4 se presenta la gráfica de una curva de enfriamiento completa, desde el estado de vapor, pasando por el líquido, hasta el sólido.

Supongamos que se tiene una sustancia en el estado de vapor en un tiempo to a una temperatura inicial Ti (figura 4). Si empezamos a extraer calor progresivamente, su temperatura empieza a descender (calor sensible) hasta llegar a la temperatura de licuefacción TL en el tiempo t1.

La cantidad de calor extraído entre to y t1 se calcula por la expresión:

'Materiales de ingeniería'

donde TL : es temperatura de licuefacción e igual numéricamente a Teb.

Cuando la sustancia se encuentra a la temperatura de licuefacción, hay necesidad de extraerle el calor latente de licuefacción (-HL) para convertirla en líquido (intervalo t1 a t2 ), el calor total de este intervalo depende de la masa.

'Materiales de ingeniería'

Cuando todo el vapor se haya transformado en líquido (t2), al extraer calor empieza nuevamente a descender la temperatura (calor sensible) hasta el tiempo (t3), alcanza la temperatura de solidificación (Ts).

El calor aplicado entre t2 y t3 se calcula por la expresión:

'Materiales de ingeniería'

Cuando la sustancia se encuentra en la temperatura de solidificación, hay necesidad de extraerle el calor latente de solidificación (-Hs) para convertirla en slido(intervalo t3 a t4).

El calor total de este intervalo depende de la masa:

'Materiales de ingeniería'

Cuando todo el líquido se ha transformado en sólido (t4), al extraerle calor empieza de nuevo a descender la temperatura (calor sensible) hasta el tiempo final (t5) alcanza la temperatura final deseada Tf.

El calor en este intervalo se calcula por la expresión:

'Materiales de ingeniería'

El calor total extraído durante el proceso de enfriamiento es la suma de todos los calores o sea:

'Materiales de ingeniería'

Definiciones de Algunas Propiedades

Tenacidad

Es la propiedad que tienen ciertos materiales de soportar, sin deformarse ni romperse, los esfuerzos bruscos que se les apliquen.

Elasticidad

Consiste en  la capacidad de algunos materiales para recobrar su forma y dimensiones primitivas cuando cesa el esfuerzo que había determinado su deformación.

Dureza:

Es la resistencia que un material opone a la penetración.

Fragilidad

Un material es frágil cuando se rompe fácilmente por la acción de  un choque.

Plasticidad

Aptitud de algunos materiales sólidos de adquirir deformaciones permanentes, bajo  la acción de una presión o fuerza exterior, sin que se produzca rotura.

Ductilidad

Considerada una variante de la plasticidad, es la propiedad que poseen ciertos metales para poder estirarse en forma de hilos finos.

Maleabilidad

Otra variante de la plasticidad, consiste en la posibilidad de transformar algunos metales en láminas delgadas.

Pruebas y Ensayos Mecánicos

Ensayo de Tensión.

Mide la resistencia del material a una fuerza estática o gradualmente aplicada, se coloca una pieza con cierto diámetro y longitud, se le aplica una fuerza F llamada carga, para medir el alargamiento del material se usa un extensometro.

Esfuerzo y deformación ingenieriles

Para un material dado el resultad de cualquier ensayo son aplicables a cualquier material, si se convierte la fuerza en esfuerzo y las distancias aplicadas en deformación, el esfuerzo y deformación ingenieriles se definen mediante:

-Esfuerzo Ingenieril =  = F/Ao

Ao = Área original de la sección transversal

F = Fuerza

-Deformación Ingenieril =  = (l - lo)/ lo

Del ensayo de tensión se obtiene información relacionada con la resistencia, rigidez y ductilidad de un material. El esfuerzo de cadencia se le conoce como limite elástico; en los metales es el esfuerzo requerido para que las dislocaciones se realicen; el esfuerzo de cadencia mide los comportamientos plástico y elástico de un material.

La resistencia a la tensión es el esfuerzo obtenido de la fuerza más alta aplicada, que seria también el esfuerzo máximo sobre la curva esfuerzo deformación. En algún momento alguna región se deforma mas que otra y se le llama zona de encuellamiento y dado que la sección transversal en ese punto se hace mas pequeño se requiere una fuerza menor para continuar la deformación.

El modulo de elasticidad o modulo de Young, es la pendiente de la curva esfuerzo deformación en su región elástica, el modulo se relaciona con la energía de enlace de loas átomos; una pendiente muy acentuada en la zona de equilibrio significa que se requise mucha fuerza para separar los átomos y hacer que el material se deforme elásticamente.

La propiedades de la tensión dependen de la temperatura, el esfuerzo de cadencia, resistencia a la tensión, modulo de elasticidad disminuyen a temperaturas altas mientras que la ductilidad aumenta.

Ensayo de Dureza

Mide la resistencia de la superficie de un material a la penetración por un objeto duro, las pruebas mas comunes son los ensayos Rockwell y Brinell.

Dureza

Otra propiedad mecánica que puede ser sumamente importante considerar es la dureza, la cual es una medida de la resistencia de un material a la deformación plástica localizada (por ejemplo, una pequeña abolladura o rayadura). Los primeros ensayos de dureza se basaban en el comportamiento de los minerales junto con una escala construida según la capacidad de un material para rayar a otro más blando.

Un método cualitativo de ordenar en forma arbitraria la dureza es ampliamente conocido y se denomina escala de Mohs, la cual va de 1 en el extremo blando para el talco hasta 10 para el diamante. A lo largo de los años se han ido desarrollando técnicas cuantitativas de dureza que se basan en un pequeño penetrador que es forzado sobre una superficie del material a ensayar en condiciones controladas de carga y velocidad de aplicación de la carga.

En estos ensayos se mide la profundidad o tamaño de la huella resultante, lo cual se relaciona con un número de dureza; cuanto más blando es el material, mayor y más profunda es la huella, y menor es el número de dureza. Las durezas medidas tienen solamente un significado relativo (y no absoluto), y es necesario tener precaución al comparar durezas obtenidas por técnicas distintas.

Las diversas pruebas de dureza se pueden dividir en tres categorías:

Dureza elástica

Resistencia al corte o abrasión

Resistencia a la indentación

Dureza elástica

Este tipo de dureza se mide mediante un escleroscopio, que es un dispositivo para medir la altura de rebote de un pequeño martillo con un pequeño emboquillado de diamante, después de que cae por su propio peso desde una altura definida sobre la superficie de la pieza a prueba. El instrumento tiene por lo general un disco autoindicador tal que la altura de rebote se indica automáticamente. Cuando el martillo es elevado a su posición inicial, tiene cierta cantidad de energía potencial. Cuando es liberada, esta energía se convierte en energía cinética hasta que golpea la superficie de la pieza a prueba. Alguna energía se absorbe al formar la impresión, y el resto regresa al martillo al rebotar este. La altura de robote se indica por un numero sobre una escala arbitraria tal que cuanto mayor sea el rebote, mayor será el numero y la pieza a prueba será mas dura.

Esta prueba es realmente una medida de la resistencia del material, o sea, la energía que puede absorber en el intervalo elástico.

Resistencia al corte o abrasión

Prueba de rayadura

Esta prueba la ideó Friedrich Mohs. La escala consta de diez minerales estándar arreglados siguiendo un orden de incremento de dureza. El talco es el 1, el yeso el 2, etc., hasta el 9 para el corindón y el 10 para el diamante. Si un material desconocido es rallado apreciablemente por el 6 y no por el 5, el valor de dureza esta entre 5 y 6. Esta prueba no se ha utilizado mucho en Metalurgia, pero aun se emplea en Mineralogía. La principal desventaja es que la escala de dureza no es uniforme. Cuando la dureza de los minerales es examinada por otro método de prueba de dureza, se encuentra que los valores están muy cercanos entre 1 y 9 y que hay gran diferencia en dureza no cubiertas entre 9 y 10.

Prueba o ensayo de lima

La pieza a prueba se somete a la acción de corte de una lima de dureza conocida, para determinar si se produce un corte visible. Las pruebas comparativas con una lima dependen del tamaño, forma y dureza de la lima; de la velocidad, presión y ángulo de limado durante la prueba; y de la composición y tratamiento térmico del material a prueba. La prueba generalmente se emplea en la industria como aceptación o rechazo de una pieza.

En muchos casos, sobre todo con aceros para herramientas, cuando el acero se trata térmicamente, será suficientemente duro, tal que si se pasa una lima por la superficie, esta no se cortará.

Resistencia a la indentación

Esta prueba generalmente es realizada imprimiendo en la muestra, la que esta en reposo sobre una plataforma rígida, un marcador o indentador de geometría determinada, bajo una carga estática conocida que se aplique directamente o por medio de un sistema de palanca. Los métodos comunes para pruebas de dureza por indentación se describen enseguida:

Prueba o ensayo de Dureza Brinell

El probador de dureza Brinell generalmente consta de una prensa hidráulica vertical de operación manual, diseñada para forzar un marcador de bola dentro de la muestra. En el ensayo de dureza Brinell, una esfera de acero duro (por lo general de 10 mm de diámetro), se oprime sobre la superficie del material. Se mide el diámetro de la impresión genera, comúnmente de 2 a 6 mm, y se calcula el numero de dureza o índice de dureza Brinell ( abreviado como HB o BHN) a partir de la ecuación siguiente:

HB = F .

(/2)D(D - "D^2 - DI^2)

donde F es la carga aplicada en kilogramos, D es el diámetro del penetrador en mm, y DI es el diámetro de la impresión en mm.

El procedimiento estándar requiere que la prueba se haga con una bola de 10 mm de diámetro bajo una carga de 3000 kg para metales ferrosos a 500 kg para metales no ferrosos. Para metales ferrosos, la bola bajo presión es presionada dentro de la muestra por lo menos durante 10 seg.; para los metales no ferrosos el tiempo es de 30 seg. El diámetro de la impresión producida es medido por medio de un microscopio que contiene una escala ocular, generalmente graduada en decimos de milímetro, que permite estimaciones de hasta casi 0.05 mm.

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Prueba o ensayo de dureza Rockwell

En esta prueba de dureza se utiliza un instrumento de lectura directa basado en el principio de medición de profundidad diferencial. La prueba se lleva a cabo al elevar la muestra lentamente contra el marcador hasta que ha aplicado una carga determinada menor. Esto se indica en el disco medidor. Luego se aplica la carga mayor a través de un sistema de carga mayor y, con la carga menor todavía en acción, el numero de dureza Rockwell es leído por el disco indicador.

Hay dos maquinas Rockwell: el probador normal para secciones relativamente gruesas y el probador superficial para secciones delgadas. La carga menor es de 10 kg en el probador normal y de 3 kg en el probador superficial.

Pueden utilizarse diversos marcadores de muescas y cargas y cada combinación determina una escala Rockwell especifica. Los marcadores de muescas incluyen bolas de acero duras de 1/16, 1/8, 1/4 y 1/2 de pulgada de diámetro y un marcador cónico de diamante de 120°. Generalmente las cargas mayores en el probador normal son de 60, 100 y 150 Kg y de 15, 30 y 45 kg en el probador superficial.

El ensayo de dureza Rockwell constituye el método más usado para medir la dureza debido a que es muy simple de llevar a cabo y no requiere conocimientos especiales. Se pueden utilizar diferentes escalas que provienen de la utilización de distintas combinaciones de penetradores y cargas, lo cual permite ensayar virtualmente cualquier metal o aleación desde el más duro al más blando.

Con este sistema, se determina un número de dureza a partir de la diferencia de profundidad de penetración que resulta al aplicar primero una carga inicial pequeña y después una carga mayor; la utilización de la carga pequeña aumenta la exactitud de la medida.

Los ensayos Vickers (HV) y Knoop (HK) son pruebas de microdureza; producen penetraciones que se requiere de un microscopio para obtener su medición.

Los índices de dureza se utilizan principalmente con base de comparación de materiales; de sus especificaciones para la manufactura y tratamiento térmico, para el control de calidad y para efectuar correlaciones con otras propiedades de los mismos.

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Durómetro Rockwell

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Prueba o ensayo de dureza Vickers

En esta prueba, el instrumento utiliza un marcador piramidal de diamante de base cuadrada con un ángulo incluido de 136° entre las caras opuestas. El intervalo de carga esta generalmente entre 1 y 120 kg. El probador de dureza Vickers funciona bajo el mismo principio que el probador Brinell, y los números se expresan en términos de carga y área de la impresión.

Como resultado de la latitud en las cargas aplicadas, el probador Vickers es útil para medir la dureza de hojas muy delgadas, así como secciones pesadas.

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Prueba o ensayo de microdureza

Desafortunadamente, este termino es engañoso ya que podría referirse a la prueba de pequeños valor de dureza cuando en realidad significa el uso de impresiones pequeñas. Las cargas de prueba están entre 1 y 1000 g. Hay dos tipos de marcadores empleados para la prueba de microdureza: la pirámide de diamante Vickers de base cuadrada de 136°, y el marcador Knoop de diamante alargado.

El marcador Knoop tiene forma piramidal que produce una impresión en forma de diamante, y tiene diagonales largas y cortas a razón aproximada de 7:1.

Ensayo de Impacto.

Cuando se somete a un material a un golpe intenso en le cual la velocidad de aplicación del esfuerzo es muy grande, el material se comporta mas frágil comparado con el ensayo de tensión. El ensayo de impacto se utiliza para evaluar la fragilidad de un material.

Durante el ensayo un péndulo realiza su movimiento desde una altura ho, describe un arco y después golpea y rompe la probeta y llega a una altura final hf menor. Conociendose la altura inicial y final se puede calcular su energía potencial inicial y final, la diferencia de estas dos últimas es la energía de impacto absorbida durante la ruptura.

A partir del ensayo de impacto se puede obtener:

-Temperatura de transición.- Es la temperatura a la cual un material cambia de un comportamiento dúctil a uno frágil; esta temperatura se define como la energía promedio entre las regiones dúctil y frágil a una energía absorbida especifica.

Un material que se somete a cargas de impacto debe tener una temperatura de transición por debajo de la temperatura de operación determinada por el medio que le rodea.

Ensayo de Fatiga

Permite comprender el comportamiento de un material cuando se le aplica un esfuerzo cíclico por debajo del esfuerzo de cadencia, por lo que esta es la forma de medir la resistencia.

Las fallas ocurren en tres pasos: primero se inicia una grieta pequeña sobre la superficie, segundo, la grieta se propaga conforme la carga sigue su alternancia y tercero, la sección transversal del material resulta pequeña para soportar la carga.

Un método para medir la resistencia a la fatiga es el ensayo de la viga en voladizo rotatoria. Un extremo de la probeta se sujeta al motor y en el otro lado se coloca carga, el esfuerzo máximo sobre la probeta esta dado por:

 = 10.18 L f/ ddd

L = Longitud de la barra.

f = carga

d = diámetro.

El ensayo de fatiga dice el tiempo o número de ciclos que resiste una pieza a la carga máxima permisible que se puede aplicar para prevenir la falla. El esfuerzo limite para fatiga es el esfuerzo por debajo del cual existe una probabilidad del 50% de que ocurrirá una falla por fatiga.

La vida a fatiga determina cuanto resiste una pieza a un esfuerzo en particular; la resistencia a la fatiga es el esfuerzo máximo con el cual no ocurrirá fatiga hasta cierto número de ciclos.

A veces los componentes se someten a carga que no generan esfuerzos iguales a tensión y compresión, en otros casos la carga puede quedar entre esfuerzos de tensión máximo y mínimo.

Pruebas No Destructivas (PND)

Como su nombre lo indica, las PND son pruebas o ensayos de carácter NO destructivo, que se realizan a los materiales, ya sean éstos metales, plásticos (polímeros), cerámicos o compuestos. Este tipo de pruebas, generalmente se emplea para determinar cierta característica física o química del material en cuestión.

Las principales aplicaciones de las PND las encontramos en:

  • Detección de discontinuidades (internas y superficiales).

  • Determinación de composición química.

  • Detección de fugas.

  • Medición de espesores y monitoreo de corrosión.

  • Adherencia entre materiales.

  • Inspección de uniones soldadas.

Las PND son sumamente importantes en él continúo desarrollo industrial. Gracias a ellas es posible, por ejemplo, determinar la presencia defectos en los materiales o en las soldaduras de equipos tales como recipientes a presión, en los cuales una falla catastrófica puede representar grandes perdidas en dinero, vida humana y daño al medio ambiente. 

Las principales PND se muestran en la siguiente Tabla, en la cual, se han agregado las abreviaciones en Inglés, ya que estás en México son comúnmente utilizadas.

Tipo de Prueba

Abreviación en Español

Abreviación en Inglés

Inspección Visual

IV

VI

Líquidos Penetrantes

LP

PT

Pruebas Magnéticas

PM

MT

Ultrasonido

UT

UT

Pruebas Radiográficas

RX

RT

Pruebas Electromagnéticas

PE

ET

Pruebas de Fuga

PF

LT

Emisión Acústica

EA

AE

Pruebas Infrarrojas

PI

IT

Inspección visual

La inspección visual (IV), es sin duda una de las Pruebas No Destructivas (PND) más ampliamente utilizada, ya que gracias a esta, uno puede obtener información rápidamente, de la condición superficial de los materiales que se estén inspeccionando, con el simple uso del ojo humano. 

Durante la IV, en muchas ocasiones, el ojo humano recibe ayuda de algún dispositivo óptico, ya sea para mejorar la percepción de las imágenes recibidas por el ojo humano (anteojos, lupas, etc.) o bien para proporcionar contacto visual en áreas de difícil acceso, tal es el caso de la IV del interior de tuberías de diámetro pequeño, en cuyo caso se pueden utilizar boroscopios, ya sean estos rígidos o flexibles, pequeñas videocámaras, etc.

Es importante marcar que, el personal que realiza IV debe tener conocimiento sobre los materiales que esté inspeccionando, así como también, del tipo de irregularidades o discontinuidades a detectar en los mismos. Con esto, podemos concluir que el personal que realiza IV debe tener cierto nivel de experiencia en la ejecución de la IV en cierta aplicación (Por ejemplo, la IV de uniones soldadas).

Líquidos penetrantes

El método o prueba de líquidos penetrantes (LP), se basa en el principio físico conocido como "Capilaridad" y consiste en la aplicación de un líquido, con buenas características de penetración en pequeñas aberturas, sobre la superficie limpia del material a inspeccionar. Una vez que ha transcurrido un tiempo suficiente, como para que el líquido penetrante recién aplicado, penetre considerablemente en cualquier abertura superficial, se realiza una remoción o limpieza del exceso de líquido penetrante, mediante el uso de algún material absorbente (papel, trapo, etc.) y, a continuación se aplica un líquido absorbente, comúnmente llamado revelador, de color diferente al líquido penetrante, el cual absorberá el líquido que haya penetrado en las aberturas superficiales. 

Por consiguiente, las áreas en las que se observe la presencia de líquido penetrante después de la aplicación del líquido absorbente, son áreas que contienen discontinuidades superficiales (grietas, perforaciones, etc.)

En general, existen dos principales técnicas del proceso de aplicación de los LP: la diferencia entre ambas es que, en una se emplean líquidos penetrantes que son visibles a simple vista ó con ayuda de luz artificial blanca y, en la segunda, se emplean líquidos penetrantes que solo son visibles al ojo humano cuando se les observa en la oscuridad y utilizando luz negra o ultravioleta, lo cual les da un aspecto fluorescente.

 Estas dos principales técnicas son comúnmente conocidas como: Líquidos Penetrantes Visibles y Líquidos Penetrantes Fluorescentes. Cada una de estas, pueden a su vez, ser divididas en tres subtécnicas: aquellas en las que se utiliza líquidos removibles con agua, aquellas en las que se utiliza líquidos removibles con solvente y aquellas en las que se utilizan líquidos posemulsificables. Cada una de las técnicas existentes en el método de LP, tiene sus ventajas, desventajas y sensibilidad asociada. En general, la elección de la técnica a utilizar dependerá del material en cuestión, el tipo de discontinuidades a detectar y el costo. En la siguiente tabla se muestran las técnicas de aplicación de los LP.

Técnica

Sub-Técnica

Líquidos Visibles

Lavables con agua

Lavables son solvente

Posemulsificables

Líquidos Fluorescentes

Lavables con agua

Lavables son solvente

Posemulsificables

Pruebas magnéticas

Este método de Prueba No Destructiva, se basa en el principio físico conocido como Magnetismo, el cual exhiben principalmente los materiales ferrosos como el acero y, consiste en la capacidad o poder de atracción entre metales. Es decir, cuando un metal es magnético, atrae en sus extremos o polos a otros metales igualmente magnéticos o con capacidad para magnetizarse.

De acuerdo con lo anterior, si un material magnético presenta discontinuidades en su superficie, éstas actuarán como polos, y por tal, atraerán cualquier material magnético o ferromagnético que esté cercano a las mismas. De esta forma, un metal magnético puede ser magnetizado local o globalmente y se le pueden esparcir sobre su superficie, pequeños trozos o diminutas Partículas Magnéticas y así observar cualquier acumulación de las mismas, lo cual es evidencia de la presencia de discontinuidades sub-superficiales y/o superficiales en el metal.

'Materiales de ingeniería'

Este método de PND está limitado a la detección de discontinuidades superficiales y en algunas ocasiones sub-superficiales. Así mismo, su aplicación también se encuentra limitada por su carácter magnético, es decir, solo puede ser aplicada en materiales ferromagnéticos. Aún así, este método es ampliamente utilizado en el ámbito industrial y algunas de sus principales aplicaciones las encontramos en:

  • El control de calidad o inspección de componentes maquinados.

  • La detección discontinuidades en la producción de soldaduras.

  • En los programas de inspección y mantenimiento de componentes críticos en plantas químicas y petroquímicas (Recipientes a presión, tuberías, tanques de almacenamiento, etc.)

  • La detección de discontinuidades de componentes sujetos a cargas cíclicas (Discontinuidades por Fatiga).

En general, existen dos principales medios o mecanismos mediante los cuales se puede aplicar las partículas magnéticas, estos son: vía húmeda y vía seca. Cuando las partículas se aplican en vía húmeda, éstas normalmente se encuentran suspendidas en un medio líquido tal como el aceite o el agua. En la aplicación de las partículas magnéticas vía seca, éstas se encuentran suspendidas en aire.

Así mismo, existen dos principales tipos de partículas magnéticas: aquellas que son visibles con luz blanca natural o artificial y aquellas cuya observación debe ser bajo luz negra o ultravioleta, conocidas comúnmente como partículas magnéticas fluorescentes.

Cada medio de aplicación (húmedo o seco) y cada tipo de partículas magnéticas (visibles o fluorescentes) tiene sus ventajas y desventajas. El medio y el tipo de partícula a utilizar lo determinan distintos factores entre ellos podemos enunciar: el tamaño de las piezas a inspeccionar, el área a inspeccionar, el medio ambiente bajo el cual se realizará la prueba, el tipo de discontinuidades a detectar y el costo. El personal que realiza este tipo de pruebas, generalmente realiza un análisis de los factores anteriores para determinar cual es el medio y tipo optimo de partícula magnética a utilizar para cierta aplicación específica. Otro factor importante a considerar, es la forma o mecanismo mediante el cual se magnetizarán las piezas o el área a inspeccionar, lo cual puede conseguirse de distintas formas, ya sea mediante el uso de un yugo electromagnético, puntas de contacto, imanes permanentes, etc.

Ultrasonido

El método de Ultrasonido se basa en la generación, propagación y detección de ondas elásticas (sonido) a través de los materiales. En la figura de abajo, se muestra un sensor o transductor acústicamente acoplado en la superficie de un material. Este sensor, contiene un elemento piezo-eléctrico, cuya función es convertir pulsos eléctricos en pequeños movimientos o vibraciones, las cuales a su vez generan sonido, con una frecuencia en el rango de los megahertz (inaudible al oído humano). El sonido o las vibraciones, en forma de ondas elásticas, se propaga a través del material hasta que pierde por completo su intensidad ó hasta que topa con una interfase, es decir algún otro material tal como el aire o el agua y, como consecuencia, las ondas pueden sufrir reflexión, refracción, distorsión, etc. Lo cual puede traducirse en un cambio de intensidad, dirección y ángulo de propagación de las ondas originales.

'Materiales de ingeniería'

De esta manera, es posible aplicar el método de ultrasonido para determinar ciertas características de los materiales tales como:

  • Velocidad de propagación de ondas.

  • Tamaño de grano en metales.

  • Presencia de discontinuidades (grietas, poros, laminaciones, etc.)

  • Adhesión entre materiales.

  • Inspección de soldaduras.

  • Medición de espesores de pared.

Como puede observarse, con el método de ultrasonido es posible obtener una evaluación de la condición interna del material en cuestión. Sin embargo, el método de ultrasonido es más complejo en practica y en teoría, lo cual demanda personal calificado para su aplicación e interpretación de indicaciones o resultados de prueba

Radiografía

La radiografía como método de prueba no destructivo, se basa en la capacidad de penetración que caracteriza principalmente a los Rayos X y a los Rayos Gama. Con este tipo de radiación es posible irradiar un material y, si internamente, este material presenta cambios internos considerables como para dejar pasar, o bien, retener dicha radiación, entonces es posible determinar la presencia de dichas irregularidades internas, simplemente midiendo o caracterizando la radiación incidente contra la radiación retenida o liberada por el material.

Comúnmente, una forma de determinar la radiación que pasa a través de un material, consiste en colocar una película radiográfica, cuya función es cambiar de tonalidad en el área que recibe radiación. Este mecanismo se puede observar más fácilmente en la figura de abajo. En la parte de arriba se encuentra una fuente radiactiva, la cual emite radiación a un material metálico, el cual a su vez presenta internamente una serie de poros, los cuales por contener aire o algún otro tipo de gas, dejan pasar más cantidad de radiación que en cualquier otra parte del material. El resultado queda plasmado en la película radiográfica situada en la parte inferior del material metálico.

'Materiales de ingeniería'

Como puede observarse el método de radiografía es sumamente importante, ya que nos permite obtener una visión de la condición interna de los materiales. De aquí que sea ampliamente utilizada en aplicaciones tales como:

  • Medicina.

  • Evaluación de Soldaduras.

  • Control de calidad en la producción de diferentes productos.

  • Otros

 Sin embargo, este método también tiene sus limitaciones. El equipo necesario para realizar una prueba radiográfica puede representar una seria limitación si se considera su costo de adquisición y mantenimiento. Más aún, dado que en este método de prueba se manejan materiales radiactivos, es necesario contar con un permiso autorizado para su uso, así como también, con detectores de radiación para asegurar la integridad y salud del personal que realiza las pruebas radiográficas

Pruebas electromagnéticas

Las pruebas electromagnéticas se basan en la medición o caracterización de uno o más campos magnéticos generados eléctricamente e inducidos en el material de prueba. Distintas condiciones, tales como discontinuidades o diferencias en conductividad eléctrica pueden ser las causantes de la distorsión o modificación del campo magnético inducido (ver figura abajo).  

La técnica más utilizada en el método electromagnético es la de Corrientes de Eddy. Esta técnica puede ser empleada para identificar una amplia variedad de condiciones físicas, estructurales y metalúrgicas en materiales metálicos ferromagnéticos y en materiales no metálicos que sean eléctricamente conductores. De esta forma, la técnica se emplea principalmente en la detección de discontinuidades superficiales. Sus principales aplicaciones se encuentran en la medición o determinación de propiedades tales como la conductividad eléctrica, la permeabilidad magnética, el tamaño de grano, dureza, dimensiones físicas, etc., también sirve para detectar, traslapes, grietas, porosidades e inclusiones.

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Este tipo de pruebas ofrecen la ventaja de que los resultados de prueba se obtienen casi en forma instantánea, además dado que lo único que se requiere es inducir un campo magnético, no hay necesidad de tener contacto directo con el material de prueba, con esto se minimiza la posibilidad de causar algún daño al material de prueba. Sin embargo, la técnica está limitada a la detección de discontinuidades superficiales y a materiales conductores.

Pruebas de fuga

Las pruebas de detección de fugas son un tipo de prueba no destructiva que se utiliza en sistemas o componentes presurizados o que trabajan en vacío, para la detección, localización de fugas y la medición del fluido que escapa por éstas. Las fugas son orificios que pueden presentarse en forma de grietas, fisuras, hendiduras, etc., donde puede recluirse o escaparse algún fluido.

La detección de fugas es de gran importancia, ya que una fuga puede afectar la seguridad o desempeño de distintos componentes y reducen enormemente su confiabilidad.

El propósito de estas pruebas es asegurar la confiabilidad y servicio de componentes y prevenir fallas prematuras en sistemas que contienen fluidos trabajando a presión o en vació. Los componente o sistemas a los cuales generalmente se les realiza pruebas de detección fugas son:

Recipientes y componentes herméticos

Para prevenir la entrada de contaminación o preservar internamente los fluidos contenidos. Por ejemplo: dispositivos electrónicos, circuitos integrados, motores y contactos sellados.

Sistemas herméticos

Para prevenir la pérdida de los fluidos contenidos. Por ejemplo: sistemas hidráulicos y de refrigeración; en la industria petroquímica: válvulas, tuberías y recipientes.

Recipientes y componentes al vacío

Para asegurar si existe un deterioro rápido del sistema de vacío con el tiempo. Por ejemplo: tubos de rayos catódicos, artículos empacados en vacío y juntas de expansión.

Sistemas generadores de vacío

Para asegurar que las fugas se han minimizado y mejorar su desempeño.

Las pruebas de fuga comúnmente utilizadas se basan en uno o más de los siguientes principios:

 Tipos de Pruebas de Fuga

Ultrasonido

Este ensayo comúnmente se aplica en la detección de fugas de gas en líneas de alta presión. Dependiendo de la naturaleza de la fuga, el gas al escapar, produce una señal ultrasónica que puede detectarse con una sensibilidad aproximada de 10-3 cm3/s.

 Por Burbujeo

Este ensayo se basa en el principio de generación o liberación de aire o gas de un contenedor, cuando este se encuentra sumergido en un líquido. Se emplean frecuentemente en instrumentos presurizados, tuberías de proceso y recipientes. Es una prueba más bien cualitativo que cuantitativo, ya que es difícil determinar el volumen de la fuga.

Por Tintas Penetrantes

Consiste en rociar tintas penetrantes en las zonas de alta presión donde se desea detectar fugas. Si existe alguna fuga, la presión diferencial del sistema hará filtrar la tinta hacia el lado de baja presión del espécimen ensayado.

Por Medición de Presión

Este tipo de prueba se utiliza para determinar si existen flujos de fuga aceptables, determinar si existen condiciones peligrosas y para detectar componentes y equipo defectuoso. Se puede obtener una indicación de fuga relativamente exacta al conocer el volumen y presión del sistema y los cambios de presión respecto al tiempo que provoca la fuga.

Algunas ventajas de este método son que se puede medir el flujo total de la fuga independientemente del tamaño del sistema y que no es necesario utilizar fluidos trazadores.

Por Detección de Halógenos (Diodo de Halógeno) Este tipo de prueba es más sensitivo que los anteriores. Fugas tan pequeñas como 10-5 cm3/s pueden detectarse con facilidad. Las dos limitantes de este ensayo son que se necesitan gases de trazado especiales y el uso de calentadores de alta temperatura, lo cual resulta inconveniente en ambientes peligrosos. 

Por Espectrómetro de Helio

Se considera la técnica de detección de fugas, tanto industrial como de laboratorio, más versátil. Tiene las mismas limitantes que el ensayo por detección de halógenos porque se requiere de helio como gas de trazado y, el tubo del espectrómetro se mantiene a alta temperatura mediante filamentos calefactores. Sin embargo, el helio es completamente inerte y menos caro que los gases halógenos. La sensibilidad es del orden de 10-11 cm3/s.

Con Radioisótopos trazadores

En esta técnica se utilizan radioisótopos de vida corta como fluidos trazadores para probar cavidades selladas herméticamente y circuitos cerrados de tubería. La pérdida de flujo o la detección del gas trazador en sitios no esperados son la evidencia de fuga. Esta técnica tiene la misma sensibilidad que el ensayo por Espectrómetro de Helio, aunque es más caro y es necesario establecer medidas de seguridad adecuadas debido a la radiación.

La selección del método a utilizar generalmente se basa en el tipo de fuga a detectar, el tipo de servicio del componente en cuestión y el costo de la prueba. En cualquier caso es necesario, al igual que en otros métodos de pruebas no destructivas, que el personal que las realice este calificado en la aplicación de las mismas

Emisión acústica

Hoy en día, uno de los métodos de pruebas no destructivas más recientes y, que ha venido teniendo gran aplicación a nivel mundial en la inspección de una amplia variedad de materiales y componentes estructurales, es sin duda el método de Emisión Acústica (EA).

Este método detecta cambios internos en los materiales o dicho de otra manera, detecta micro-movimientos que ocurren en los materiales cuando por ejemplo: existe un cambio micro-estructural, tal como lo son las transformaciones de fase en los metales, el crecimiento de grietas, la fractura de los frágiles productos de corrosión, cedencia, deformación plástica, etc. La detección de estos mecanismos mediante EA, se basa en el hecho de que cuando ocurren, parte de la energía que liberan es transmitida hacia el exterior del material en forma de ondas elásticas (sonido), es decir, emiten sonido (emisión acústica). La detección de estas ondas elásticas se realiza mediante el uso de sensores piezo-eléctricos, los cuales son instalados en la superficie del material. Los sensores, al igual que en el método de ultrasonido, convierten las ondas elásticas en pulsos eléctricos y los envía hacia un sistema de adquisición de datos, en el cual se realiza el análisis de los mismos (ver figura abajo).

Rayos infrarrojos

La principal técnica empleada en las pruebas infrarrojas es la Termografía Infrarroja (TI). Esta técnica se basa en la detección de áreas calientes o frías mediante el análisis de la parte infrarroja del espectro electromagnético. La radiación infrarroja se transmite en forma de calor mediante ondas electromagnéticas a través del espacio. De esta forma, mediante el uso de instrumentos capaces de detectar la radiación infrarroja, es posible detectar discontinuidades superficiales y sub-superficiales en los materiales.

Generalmente, en la técnica de TI se emplea una o más cámaras que proporcionan una imagen infrarroja (termograma), en cual las áreas calientes se diferencian de las áreas frías por diferencias en tonalidades  

De esta forma uno puede obtener un termograma típico de una pieza o componente sin discontinuidades. Posteriormente, si hubiese alguna discontinuidad, ésta interrumpirá el flujo o gradiente térmico normal, lo cual será evidente en el termograma. 

La técnica de TI ofrece grandes ventajas: no se requiere contacto físico, la prueba se efectúa con rapidez incluso en grandes áreas, los resultados de la prueba se obtienen en forma de una imagen o fotografía, lo cual agiliza la evaluación de los mismos.

En general, existen dos principales técnicas de TI: La termografía pasiva y la termografía activa.

Termografía Pasiva

Consiste en simplemente obtener un termograma del componente en cuestión, sin la aplicación de energía. El componente por si mismo proporciona la energía para generar la imagen infrarroja. Ejemplos de la aplicación de ésta técnica los encontramos por ejemplo en la evaluación de un motor funcionando, maquinaria industrial, conductores eléctricos, etc.

Termografía Activa

En esta técnica, para obtener un termograma, es necesario inducir cierta energía al material o componente en cuestión. Muchos componentes, dadas sus condiciones de operación y servicio, son evaluados en forma estática o a temperatura ambiente, lo cual da lugar a que el termograma que se obtenga, presente un patrón o gradiente térmico uniforme, es en este tipo de situaciones en que la termografía activa tiene uso. Así, esta técnica puede ser empleada en la detección de laminaciones o inclusiones, las cuales representan variaciones en conducción de calor y por lo tanto son evidentes en el termograma.

Hoy en día la termografía infrarroja se utiliza exitosamente en numerosas aplicaciones, entre las cuales podemos nombrar: discontinuidades sub-superficiales y superficiales como la corrosión, resistencia eléctrica, inclusiones, perdida de material, grietas, esfuerzos residuales, deficiencias en espesores de recubrimiento, etc. El principal inconveniente puede ser el costo del equipo. Sin embargo, los resultados se obtienen rápidamente y la evaluación es relativamente sencilla, por lo que no se requiere mucho entrenamiento en el uso y aplicación de la técnica

Referencias Bibliográficas

Libros consultados:

1- Ciencia de los Materiales 4ª edición

Donald R. Askeland

Sitios web visitados:

http://www.rincondelvago.com

http://omega.ilce.edu.mx:3000/sites/ciencia/volumen2/ciencia3/080/htm/acero.htm

http://www.sigmundcohn.com/sp_metals.htm

http://www.geocities.com/camp_pro_amb/Metales.htm

http://www.librys.com/metalespesados/

http://www.estudiantes.info/tecnologia/metales/metales.htm

http://www.lenntech.com/espanol/tabla-peiodica/Ni.htm

http://www.prodigyweb.net.mx/degcorp/Quimica/Niquel.htm

http:// www.google.com.mx

http:// www.altavista.com

http:// www.yahoo.com.mx

Entre otros.

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