2. Estructura de los sólidos

2.1 Estados físicos de los materiales

Cuando se habla de materiales nos referimos a materiales sólidos, de los cuales nos interesa la estructura del sólido.

Un sólido es todo aquello que en una constante de tiempo no podemos ver fluir, sea cristalino o amorfo.

Cuando al material cristalino se le aumenta la T, llega a un punto de fusión en el que la T es constante. Por lo tanto, se habla de T de fusión en sólidos cristalinos los cuales, a dicha T, pasan a sólidos amorfos. La T de reblandecimiento es la que se da cuando el sólido pasa a líquido. A nivel molecular, puede darse, que la Tfus y la Trebl coincidan; a nivel micromolecular esta coincidencia no se da habitualmente.

2.2 El orden y el desorden en los materiales

Dentro de los materiales sólidos encontramos tres tipos diferentes: amorfos, cristalinos perfectos e imperfectos.

Los cristales perfectos no existen, la superficie del sólido es un punto de intersección pues la red cristalina termina en ese punto.

Las imperfecciones de un sólido cristalino no tienen porque ser malas, gracias a las imperfecciones es más fácil formar aleaciones.

2.3 El estado cristalino

Es un estado ordenado de la materia y existen 14 diferentes maneras de ordenar los átomos, son las llamadas redes de Bravais y sólo sirven para las ordenaciones de largo alcance (sólidos).

Si el sólido es cristalino la temperatura de fusión se mantiene constante mientras haya equilibrio líquido-sólido. El motivo de este fenómeno es que la energía térmica que se aporta se emplea en romper el orden cristalino.

En el caso de los sólidos cristalinos el paso de sólido a líquido, también conocido como reblandecimiento, y la fusión (paso de cristal a amorfo) se produce a la misma temperatura.

2.4 Estructura de los principales materiales

· Materiales metálicos

Los materiales metálicos tienden a ordenarse de forma más compacta, concretamente de 3 maneras:

• Cúbica centrada en el interior (bcc): hierro

• Cúbica centrada en las caras (fcc): cobre, níquel

• Hexagonal compacta (cph): zinc

Que un material presente una estructura u otra afectará de diferente manera a sus propiedades. Estos tres empaquetamientos son los de máxima compacidad, factor que explica la alta densidad de los metales.

Existen tres características para diferenciar los empaquetamientos:

• Planos de máxima compacidad.

• Tamaño de los intersticios.

• Grado de compacidad.

La estructura bcc tiene intersticios tetraédricos.

La estructura fcc tiene la mayor parte de los intersticios de forma octaédrica, a pesar de poseer también intersticios tetraédricos, por lo tanto, la estructura fcc tiene más capacidad de disolver átomos, ya que los intersticios donde se pueden alojar estos átomos son más grandes y, por lo tanto, hay más posibilidades de que se aloje un átomo pequeño en un intersticio octaédrico que en un tetraédrico.

Ej:

El Fe presenta alotropía (cambio de estructura por efecto de la temperatura) y, a temperatura ambiente tiene estructura bcc y, si elevamos la temperatura, pasa a fcc pudiendo disolver más átomos de carbono.

En resumen, la estructura fcc es más compacta que la bcc y, además, tiene los intersticios más grandes.

Cuanto más grande sea el número de planos de compacidad mayor será su deformabilidad, ya que la deformación se produce a causa del deslizamiento de planos de compacidad.

Ej:

Por este motivo, el herrero deforma el Fe golpeándolo cuando éste está al rojo vivo, porque la estructura fcc tiene más planos de compacidad que la bcc.

· Materiales poliméricos

Se pueden interpretar como cadenas muy largas con interacciones más o menos largas entre ellas. Para que las cadenas se puedan apilar deben estar alineadas una encima de la otra.

El grado de compacidad dependerá de la capacidad que tengan las moléculas para alinearse.

Ej:

En el caso del polietileno, el de baja densidad (LDPE), al tener ramificaciones las cadenas no se pueden acercar y, por lo tanto, son amorfos. En cambio, el de alta densidad (HDPE) al no tener ramificaciones es cristalino.

Un polímero transparente es amorfo ya que, al no estar ordenado, hay espacios entre moléculas permitiendo que la luz atraviese el material.

La presencia de grupos voluminosos en las cadenas contribuye a la formación de sólidos amorfos ya que impide el acercamiento entre las cadenas, disminuyendo así el grado de cristalinidad de la molécula. Por este motivo, se pueden orientar los grupos voluminosos a uno u otro lado de la cadena permitiendo así que las cadenas se acerquen con más fragilidad.

Cuando hablamos de polímeros cristalinos debemos considerar que son parcialmente cristalinos ya que, debido a la estructura de la cadena, hay zonas cristalinas y zonas amorfas. Por lo tanto, lo correcto sería hablar de polímeros semicristalinos.

Si tenemos un polímero semicristalino, al calentarlo podremos observar su temperatura de fusión. Un polímero a una temperatura de fusión definida.

Todos los polímeros amorfos llegan a una temperatura de transición vitrea (Tg): por encima de Tg el enlace sp3 puede rotar y puede adoptar varias formas, por debajo de Tg la cadena está rígida.

Desde el punto de vista de un impacto:

- Si estamos a T>Tg, al producirse un impacto la rotación de las cadenas puede disipar la energía del choque.

- Si estamos a T<Tg, el impacto puede romper las cadenas.

Un elastómero tiene una Tg inferior a la temperatura de trabajo.

· Materiales cerámicos

Están formados por elementos de diferente electronegatividad. Si tienen enlace iónico debe mantenerse la electronegatividad. También podemos encontrar enlaces parcialmente covalentes.

Podemos encontrarnos con moléculas cristalinas y amorfas. El enlace iónico es compacto a pesar de que los átomos se sitúan como una fcc.

El Si es un componente fundamental de los materiales cerámicos.

Un material cerámico iónico será un material frágil ya que, al intentar mover la estructura, un átomo más puede enfrentarse a otro más produciéndose una repulsión y rompiéndose el material.

3. Defectos en la estructura cristalina

Defecto: zona del cristal en la cual se rompe el orden de largo alcance. Existen tres tipos de defectos:

• D. Puntuales

• D. Lineales

• D. Bidimensionales

3.1 Defectos puntuales

Los defectos puntuales afectan al orden de largo alcance a una distancia atómica. El alcance de la rotura es de un átomo.

Existen diferentes tipos de defectos puntuales, en los elementos metálicos:

- Defecto de laguna: es típico de materiales metálicos en los que simplemente un átomo desaparece de su posición.

Gracias a las lagunas los átomos pueden difundir mejor en su estructura. Ej: cambio de Fe a diferente temperatura. Esto lo permiten las lagunas ! enfriamientos lentos. Todos los procesos de transformación en estado sólido son más fáciles.

El número de defectos de laguna en un sólido cristalino aumenta exponencialmente con la temperatura. Sin lagunas es imposible una difusión en estado sólido.

- Defecto intersticial: en los sitios tetraédricos/octaédricos se colocan átomos más pequeños o más grandes. Es poco habitual.

- Defecto sustitucional: sustitución de un átomo por otro. Se rompe el orden y aparece un elemento diferente en la estructura.

En los elementos cerámicos existen los defectos de Frenkle y Shokuki.

- Defecto de Frenkle: supone la desaparición de un catión pero aparece él o un eq. En carga en otra posición.

- Defecto de Schottki: desaparición simultánea de un catión y un anión de la misma carga en otra posición.

3.2 Defectos lineales o dislocaciones

Los defectos lineales son muy importantes a la hora de estudiar la mecánica de los materiales metálicos.

Los defectos lineales están constituidos básicamente por dislocaciones, que suponen la aparición de una hilera extra de átomos en la estructura metálica.

Existen dos tipos de dislocaciones:

De borde: aparición de una hilera de átomos por encima o por debajo del plano de deslizamiento.

Según la posición relativa de las dislocaciones respecto al plano de deslizamiento podemos tener dislocaciones positivas (%)o negativas (%).

En una estructura suele haber más de una dislocación, si se encuentran una dislocación positiva y una negativa, las dislocaciones se anulan aumentando la dureza del metal.

¿Por qué es más fácil deformar un material con dislocaciones?

Porque se desplaza la dislocación que provoca la deformación; desplazar la dislocación requiere menos energía que desplazar un bloque.

2. De tornillo: son las más frecuentes en las estructuras cristalinas.

3.3 Defectos bidimensionales

Cuando un material empieza a solidificarse se forman dos etapas: nucleación y crecimiento. Cada núcleo genera un cristal, ocupando todo el área posible, llegando a formar un cristal policristalino. La frontera entre los diferentes cristales se llama límite de grano.

El límite de grano es la zona de defecto porque es donde se rompe el orden de largo alcance.

Importancia del límite de grano:

Zona de mayor energía. El ataque suave del material revela la posición de los límites de grano.

Un límite de grano es una barrera para las dislocaciones.

Controlando el nº de límites de grano se puede obtener mayor o menor dureza del material, cuanto mayor es el nº, mayor dureza adquiere el material.

Qué son límites de grano coherentes?

Si los cristales han crecido todos en la misma dirección durante la solidificación se dice que son coherentes y no limitan de forma tan importante el movimiento de las dislocaciones.

Tipos de límite de grano según el ángulo:

- De bajo ángulo: la capacidad de bloquear es bajo. El efecto endurecedor es menor que el de gran ángulo.

- De gran ángulo.

Superficie: es la zona de mayor energía; es la zona más fácil de atacar. Lo que intenta siempre un material es buscar la confrontación de menor energía: los materiales tienden a formar una estructura poliédrica para minimizar la energía de la superficie y hacer que el sistema sea más estable. La superficie es una zona de ruptura de largo alcance y debemos esperar que sucedan más cosas que en el interior de la estructura cristalina. También hay que tener en cuenta los cambios de T, la superficie siempre está a la T que nosotros queremos pero no se puede predecir con exactitud la T del interior.

Endurecimiento por trabajo en frío o acritud: consiste en trabajar un material en frío para que, una vez finalizado el trabajo, dicho material se haya endurecido (golpeo de un metal con un martillo).

Cuando se deforma un material a nivel microestructural aparecen dos características o efectos:

• Los límites de grano se orientan hacia la dirección de deformación bloqueándose algunas direcciones de las dislocaciones.

• Al golpear el material se aumentan el nº de dislocaciones (de borde y de tornillo). A mayor nº de dislocaciones más duro se vuelve el material. Las dislocaciones se anulan unas respecto a las otras y, al no poderse mover las dislocaciones, al material le cuesta más deformarse y por lo tanto se endurece.

Muchas veces hay trabajos que se basan en el trabajo en frío en los que, posteriormente al endurecimiento, se pretende volver al estado original de dureza del material. Este proceso es conocido como el recocido contra acritud: se aumenta la T del material, cada material posee una relación de T y t para el recocido. En el proceso de calentamiento existen tres etapas según el tiempo de calentamiento:

0-t1: se alivian las tensiones ya que las tensiones generan grietas y más facilidad de romper.

t1-t2: difusión con reordenación de dislocaciones y de límites de grano.

t2-t3: el material empieza a cristalizar, existe tanta difusión que la estructura cristaliza disminuyendo el nº de cristales y de límites de grano respecto al material original provocando una disminución de la resistencia del material respecto al original. Este fenómeno se llama recristalización.

4. Difusión en estado sólido

4.1 Mecanismos de difusión

Difusión en estado sólido: transferencia de masa por desplazamiento de átomos o moléculas. Cuando se quiere cambiar la composición de una aleación se hace por difusión. La difusión es debida a la diferencia de concentración aunque siempre habrá tendencia a igualar las concentraciones. A temperatura ambiente, la difusión en estado sólido es tan lenta que se escapa, a mayor temperatura mayor rapidez en la difusión.

Ej:

La austenita (Fe; fcc) tiene más facilidad para disolver carbonos. Cuando pasa a ferrita obliga a difusión sólida. Si no hay tiempo para que se produzca la difusión formamos otra fase muy dura (templado de un acero).

4.2 Difusión en estado estacionario. 1era ley de Fick

A mayor diferencia de concentraciones mayor velocidad de difusión. Cuando se igualan las concentraciones la difusión para. Se presupone que la concentración no variará durante la difusión..

D es la difusividad

4.3. Difusión en estado no estacionario. 2da ley de Fick

La variación de la concentración no depende del material y, por lo tanto, es importante conocer de qué depende D. D depende de la temperatura, de la estructura cristalina por la que difundimos y de lo que se esté difundiendo.

4.4 Factores que influyen en la difusión

¿De qué manera puede depender D de la temperatura?

La relación de D con la T es exponencial ya que la dependencia de las lagunas con la T es también exponencial.

D0 característica de la estructura por la que se difunde

El mecanismo de difusión intersticial es más rápido que el mecanismo sustitucional.

La difusión puede ser sustitucional o intersticial:

- Difusión sustitucional: el tamaño del átomo que difunde y el de los átomos de la red cristalina es parecido. La difusión se produce aprovechando los defectos de laguna.

- Difusión intersticial: el tamaño que difunde es inferior al de los átomos de la red cristalina. La difusión se produce aprovechando los intersticios tetraédricos y octaédricos.

5. Solidificación

Se habla de solidificación por dos razones:

Es la manera normal de obtener un material a partir de una estructura fluida. Si somos capaces de controlar el sistema de solidificación se pueden llegar a obtener piezas muy grandes sin ningún tipo de enganche, evitando de esta manera posibles rupturas.

Durante la solidificación se puede controlar la microestructura y, con ello, sus propiedades.

En una solidificación, se debe diferenciar, si es de un material cristalino o amorfo.

· Si el material es amorfo, tendremos poco donde jugar, es más interesante si el material es cristalino.

· La solidificación de materiales cristalinos es un proceso formado por dos etapas: nucleación y crecimiento.

La nucleación consiste en la formación de núcleos, es la etapa limitante. A partir de los núcleos se produce un crecimiento. Cuando se llega a la Tfus, el sólido empieza a ser estable pero, al necesitar la formación de núcleos, la temperatura seguirá bajando hasta alcanzar Tn (T a la que se forman los núcleos). Una vez los núcleos ya son estables y comienza el crecimiento del cristal, el material desprende calor aumentando su temperatura hasta la Tfus. La diferencia entre Tfus y Tn se conoce como sobrefusión o subenfriamiento.

5.1 Nucleación homogénea y heterogénea

Existen dos tipos de nucleación: homogénea y heterogénea.

· Homogénea: los núcleos se forman en el seno del líquido que estamos solificando. Se forma una interficie entre el líquido y el núcleo, hecho que genera una diferencia entre las energías libres
.

Al mismo tiempo, hay una compactación (formación de sólidos) que llamaremos
, que afecta a todo el volumen.

La formación de la interficie va en contra del proceso !

La compactación, en cambio va a favor del proceso !

! tendremos núcleos

Si suponemos que el núcleo es esférico:

: tensión superficial

: variación de energía libre por unidad de volumen

Al aumentar el radio aumentarán
y
, pero llegará un momento en que se tendrá un tamaño de radio, llamado radio crítico en que
. El radio crítico es el tamaño mínimo en el que un embrión pasa a ser núcleo.

· Heterogénea: se inserta algo (núcleo) para que el proceso de nucleación sea más rápido. Siempre tendremos sobrefusión a no ser que se añada un núcleo de las mismas propiedades que el cristal que se quiere obtener.

Hay otro factor que influye sobre
que es que, excepto que se usen núcleos de la misma naturaleza de los que se usan en el resto, habrá una adaptación en la interficie entre las estructuras de los dos materiales (el que cristaliza y el que añadimos).

Factores a tener en cuenta en la solidificación:

· Similitud entre estructuras cristalinas.

· Existe un factor de elasticidad que hace que la adaptación sea más fácil. La estructura tiene que adaptarse sin tensionarse demasiado.

Tipos de crecimiento: columnar y equiáxico.

· Crecimiento columnar: es aquel que, en una única dirección, coincide con el flujo de calor.

· Crecimiento equiáxico: crecimiento en cualquier dirección. Puede ser debido por ejemplo a una agitación.

Los dos crecimientos presentan dos tipos de interficie: dendrítica y eutéctica.

· Dendrítica: es una interficie con forma de dientes de sierra. Nos indica que no todos los puntos de la interficie son iguales, es decir, que existe anisotropía.

· Eutéctica: es una interficie plana en la cual todos los puntos son equivalentes desde el punto de vista del crecimiento del sólido por lo cual no existe anisotropía, sino isotropía. Este tipo de interficie se da en materiales puros o en aleaciones de composición eutéctica (son aleaciones que funden como si fueran materiales puros).

5.2 Sobrefusión térmica y sobrefusión constitucional

Casos de crecimiento:

Caso A: estamos solidificando un material puro con crecimiento columnar. El líquido siempre está más caliente que el sólido. La interficie tiene que ser eutéctica (porque el material es puro). El sólido y el líquido siempre tienen la misma composición, por eso no puede haber anisotropía química y, al estar más frío el sólido que el líquido, no existe anisotropía física. Por todo esto, la interficie, en este caso, es plana.

Caso B: crecimiento equiaxial provocado por una agitación del líquido (ultrasonidos). Al agitar el líquido se rompe la unidireccionalidad del líquido, por lo tanto, se forma un crecimiento equiáxico de un material puro.

La interficie es dendrítica (a pesar de ser un material puro) porque tenemos crecimiento equiáxico. La composición del sólido y del líquido son iguales pero cuando se agita el líquido hay zonas del líquido que están más calientes

Caso C: crecimiento columnar de una aleación de composición no eutéctica. Cuando solidificamos una composición no eutéctica, coexisten líquido y sólido de composición diferente, es decir, que puede existir anisotropía química. A medida que se va formando el sólido, va variando la composición del líquido y del mismo sólido, hecho que provoca que en el sólido durante el proceso exista un estado sólido en el cual existe difusión. La difusión en estado sólido es muy lenta y eso hace que se tenga líquido a una temperatura inferior a la que tocaría, es decir, estamos en una sobrefusión constitucional.

Caso D: crecimiento equiáxico de una aleación de composición no eutéctica. Tenemos anisotropía tanto física como química. Interficie dendrítica. Sobrefusión térmica y constitución composicional.

Cuando se solidifica un material metálico dentro de un molde, el molde debe ser poco conductor de calor para que haya tiempo para la difusión en estado sólido. Los moldes de arena además también permiten la recuperación fácil de la pieza.

Chill zone (piel zona) se forma como piel sobre la pared: hay elevada cantidad de potenciales núcleos heterógeneos y que tienen un gran salto térmico, crecimientos equiáxico. El crecimiento columnar va desde la pared hacia el centro (de frío a caliente). La geometría del molde es importante para el posterior comportamiento del material. En el molde conviene evitar ángulos rectos. Si el molde estaba muy frío, podemos ver una tercera zona equiáxica. El líquido llega a estar frío y ser capaz de generar núcleos: 1000ºC-20ºC, agitación del flujo de calor y crecimiento equiáxico.

6. Aleaciones y diagramas de fase

6.1 Aleaciones

Una aleación es una combinación de dos o más elementos, en forma atómica o molecular, que genera un nuevo material con propiedades diferentes a las de sus constituyentes. La mezcla de elementos metálicos presenta más dureza debido a que los distintos elementos aumentan las dislocaciones.

Disoluciones sustitucionales:

Un átomo de la estructura se sustituye por otro de naturaleza diferente.

En las disoluciones tendremos que tener en cuenta la existencia de soluto y disolvente. El disolvente es siempre el que, al mezclarse con el soluto, mantiene su estructura cristalina y, en el caso de que los dos tengan la misma estructura cristalina será el que esté en mayor proporción.

Hume-Rothery se dedicó a ir haciendo mezclas de diferentes metales para ver si se formaban disoluciones sustitucionales o no y, posteriormente, por deducción empírica, anunció unas leyes empíricas:

Para conseguir disoluciones sustitucionales, el disolvente y el soluto deben tener la misma estructura cristalina, esto hace que las tensiones sean menores.

La diferencia de tamaños entre los átomos de disolvente y de soluto nunca debe ser superior al 15%.

El disolvente y el soluto deben tener, más o menos, el mismo nivel de electronegatividad, es decir, que la afinidad electrónica ha de ser muy baja.

El disolvente y el soluto deben tener la misma valencia potencial (es la potencia más estable). Si no tienen la misma valencia, interesa que la del disolvente sea la más baja.

Cuando ya no podemos disolver más aparecen compuestos intermetálicos.

Disoluciones intersticiales:

El disolvente coloca el soluto en sus intersticios y, por lo tanto, el soluto ha de ser lo suficientemente pequeño para caber en ellos. Esto significa que habrá una relación mínima de tamaño que dependerá de la estructura cristalina del disolvente. Si la diferencia de tamaños es superior al 15% pero no llega a ser lo suficientemente pequeño para colocarse en los intersticios será imposible formarse ningún tipo de disolución: ni sustitucional (por ser >15%) ni intersticial (por ser demasiado grande).

Hay que tener cuidado con los compuestos intersticiales porque, a veces, cuando se forma un compuesto intersticial aparecen los compuestos intermetálicos en forma de partículas precipitadas en la estructura. En realidad, los compuestos intermetálicos aparecen cuando se superan los límites de solubilidad de un metal.

Si las partículas son de tamaño grande (1-10 micras) provocarán zonas donde se acumulan tensiones que debilitan el material. Si las partículas precipitadas son pequeñas bloquean las dislocaciones y endurece el material. Por lo tanto, es básico controlar el nivel de crecimiento.

6.2 Teoría de los diagramas de fase

Fase: es la parte del material que tiene comportamiento homogéneo, estructura homogénea y es físicamente diferenciable.

En un diagrama de fases sólo aparecen las fases termodinámicamente estables o de equilibrio.

6.3 Equilibrio de fases en los sistemas binarios. Aplicación en el caso de los materiales

Diagramas de fases binarios: para la construcción se cogen diferentes aleaciones y las diversas curvas de enfriamiento de las aleaciones.

Estudios de las curvas:

I: la T disminuye hasta que se estabiliza ! se solidifica (Tsolid)

IV: la T disminuye hasta que se estabiliza ! se fusiona (Tfus)

II, III: durante la solidificación coexisten líquido y sólido variando sus concentraciones. La línea resultante de todos los comienzos de solidificación se llama líquidus, por encima de la cual sólo hay líquido. Por otra parte, la línea de todos los comienzos de fusión se llama solidus, por debajo de la cual sólo hay sólido. Entre líquidus y sólidus coexisten líquido y sólido.

Cuando enfriamos y ya tenemos el sólido no se ha acabado el proceso, habrán transformaciones en estado sólido que deberán aparecer en el diagrama.

· Diagrama típico de las aleaciones (fotocopias): presentan solubilidad total del sólido y del líquido. Puntos importantes:

Al llegar a 1 empieza a formarse sólido, se puede leer la composición.

En 2 existen líquido y sólido, se pueden leer las composiciones, y las proporciones de cada componente según la regla de la palanca.

Ejemplo típico: Cd-Bi

Se produce una solubilidad total del líquido e insolubilidad total del sólido. No se puede preparar una solución sólida, ni de Cd en Bi, ni de Bi en Cd. Puntos importantes:

Punto eutéctico: la aleación se comporta, desde el punto de vista de la solidificación, como un material puro (porque el paso de líquido a sólido se produce a una T única).

No se pasa de un líquido a un sólido sino a dos sólidos íntimamente unidos que forman una sola fase. La presencia del eutéctico hace que el diagrama presente dos partes diferenciables:

• Parte izquierda: aleaciones hipoeutécticas.

• Parte derecha: aleaciones hipereutécticas.

Aleaciones hipoeutécticas: al llegar a la Teut tiene la composición eutéctica (60/40). En el sólido tendremos dos fases: Cd formado entre líquido y sólido,y el eutéctico (Cd+Bi).

I: al atravesar la línea de líquido se forma Cd de composición pura (P1); a medida que bajamos hay más Cd y el líquido se va enriqueciendo en Bi (P2). En P3 el líquido que nos queda tiene la composición eutéctica.

Aleaciones hipereutécticas:

III: Al atravesar la línea de liquidus aparece Bi y se irá formando hasta llegar a la línea de solidus.

Aleaciones poliméricas

Estructura formada por la repetición de un monómero. El tipo de unión de estos monómeros determinará sus propiedades.

Propiedades:

• Ligeros

• Resistentes

• Baratos

• Versátiles

Existen diferentes tipos de aleaciones de polímeros según el mecanismo de formación:

· Mezclas: si los polímeros son miscibles sólo se observa una fase, sino se produce una separación de fases.

· Copolímerización: reacción entre dos monómeros diferentes para formar unn polímero combinado.

Ej:

Mezcla de poliestireno y polintarieno ! elástico + fuerte: mezclando buscamos potenciar, por ejemplo, la resistencia al impacto. Si no hay unión entre fases no hay transmisión de energía entre ellos y no se suman sus propiedades.

· Redes interpenetradas (IPN): se forman a partir de la polimerización de dos monómeros con mecanismos de polimerización muy diferentes. Entre las redes interpenetradas existe una interfase continua. Se usan como materiales amortiguadores y resistentes al impacto.

· Composites: no es una mezcla. Ej: fibra de vidrio con plásticos.

Tg para las aleaciones poliméricas??

Una mezcla de dos polímeros miscibles tiene una Tg que corresponde a la media ponderada de las Tg de los polímeros por separado.

Una mezcla de dos polímeros inmiscibles presenta dos Tg diferentes correspondientes cada una a la de cada polímero por separado.

Si los dos polímeros son parcialmente miscibles presentan dos Tg diferentes pero que no coinciden con ninguna de las de los polímeros por separado.

En un IPN no tiene una sola Tg sino que tiene un intervalo. Este intervalo es debido a que cuando una red deja de ser óptima para disipar energía empieza a serlo la otra y no se aprecia una discontinuidad.

6.4 Transformaciones de fases

Transformaciones sin difusión

Existen unas transformaciones de importancia industrial que son las transformaciones sin difusión, que en un diagrama TTT se representan como líneas paralelas al eje de abscisas.

Una transformación sin difusión es aquella que antes y después de la difusión tienen los mismos vecinos (átomos), es decir, no hay transporte de masa.

Las transformaciones sin difusión pueden ser:

· Con distorsión de red cristalina.

· Con cambio en la estructura cristalina.

Aplicaciones: al tener los mismos vecinos, al hacer el proceso inverso, se puede volver a la forma original.

La transformación sin difusión más conocida es la transformación de austenita en martensita o también conocido como templado. Si se calienta la austenita y se enfría de golpe, no hay tiempo para que haya difusión, formándose una nueva fase: la martensita.

¿Qué es lo que hace que vuelva a su estado original?

Los límites de grano y las dislocaciones.

La educación del material depende del límite de grano y de las dislocaciones y, se tiene que realizar a una T elevada en la que haya difusión.

Educación del material

Tenemos una forma determinada y la calentamos hasta una temperatura muy superior a la temperatura austenítica. La aleación modifica su estructura y pasa a la nueva forma después de bajar la temperatura muy rápidamente. A esta temperatura tan alta sí que hay difusión. Los límites de grano y las dislocaciones se adaptan a la deformación provocada por la temperatura tan elevada. La aleación retiene esta forma ya que como la temperatura austenítica es menor que la temperatura elevada, no se produce difusión.

Tenemos un hilo recto (%) de una aleación de Ni/Ti, con una vela lo calentamos y le damos forma de U. Esperamos que se enfríe y le damos la forma que queramos (S). Después calentamos con el secador y vuelve a la forma de U y no al hilo recto ya que la temperatura austenítica es inferior a la temperatura que alcanzamos con la vela.

Si tenemos un material a temperatura superior a su temperatura austenítica no lo podemos deformar, debemos enfriarlo para que se pueda deformar.

7. Propiedades mecánicas de los materiales

7.1 Definición de conceptos: cohesión, elasticidad, plasticidad y tenacidad

La propiedad mecánica es la respuesta del material a un estímulo mecánico.

· Cohesión: es la capacidad que tiene un material de mantener unidos los átomos o moléculas que constituyen su estructura y que nosotros medimos con la propiedad de la dureza.

· Elasticidad: es la capacidad que tiene un material de recuperar la forma original después de que sobre el mismo cese la fuerza que provoca la deformación. Hablamos de deformación no permanente.

· Plasticidad: es la capacidad que tiene un material de deformarse permanentemente sin llegar a romperse. Puede darse: ductilidad o maleabilidad.

• Ductilidad: es la capacidad que tiene un material de formar hilos.

• Maleabilidad: es la capacidad que tiene un material de formar láminas.

Se habla de superplasticidad cuando los materiales pueden deformarse sin romperse en condiciones extremas, ésta es propia de las aleaciones y plásticos.

· Tenacidad: es la capacidad que tiene un material de resistir un impacto sin romperse. Puede descomponerse en:

• Resilencia: capacidad del material de absorber la energía del impacto sin generar deformación permanente.

• Tenacidad: es la capacidad total que tiene un material de resistir un impacto sin romperse en la zona elástica.

· Resistencia (strenght): máxima deformación que aguanta un material en la zona elástica, es el llamado límite elástico.

Todas estas propiedades se determinan, en probetas, mediante ensayos: dureza, esfuerzo-deformación y ensayo de resistencia; a partir de aquí calculamos los valores de las propiedades.

7.2 Dureza: definición y medida

Existen tres tipos de ensayos de dureza:

Penetración: se hace penetrar algo (identador) en la superficie del material y se analiza la huella del material. Se realiza para los materiales metálicos.

Dinámicos (Rebote): se aplica un estímulo al material y medimos la respuesta al estímulo. Se usa para plásticos y elastómeros (polímeros orgánicos).

Rayado: se hace entrar en contacto una superficie sobre unos materiales que conocemos su dureza y miramos cuál es el primero que raya y el último que no raya. Se usa para recubrimientos y pinturas.

Ensayos de penetración

· Brinell: se basa en que la máquina aplica un esfuerzo sobre el material a estudiar. La bola penetra en el material y calcula la dureza en unidades Brinell como la relación de la carga aplicada respecto a la huella que deja. Al tratarse de un sistema de dureza que se calcula la relación
es independiente de la carga aplicada.

Inconvenientes:

• Hay que medir la huella.

• La muestra ha de tener un grosor mínimo (10 veces superior a la profundidad de la huella) y un ancho mínimo (3 veces superior al diámetro de la bola).

• Al ser la bola de acero sólo puede aplicarse a materiales más blandos que el propio acero siendo el valor máximo de dureza a aplicar de 500HB.

· Rockwell: se aplica un pequeño esfuerzo al identador para que quede bien fijado, se le aplica la carga de medida y penetra. Se mide la profundidad de penetración desde el punto de fijado hasta donde ha llegado el identador. En este ensayo no existe relación entre
por lo que no es independiente de la carga aplicada: a mayor carga mayor profundidad. Existen 6 tipos de dureza Rockwell.

Existen dos tipos de identadores:

• bola de acero: para materiales blandos. La dureza se calcula como 130 - Nº Rockwell.

• bola de diamante: para materiales duros. La dureza se calcula como 100 - Nº Rockwell.

Cada unidad Rockwell se relaciona con 0,002 mm de penetración.

· Vickers: intenta mejorar los inconvenientes de los dos ensayos anteriores. El identador es de diamante. El material es más duro y se puede aplicar a cualquier superficie. También permite hacer microdurezas ya que puede construirse a tamaño reducido. Se aplica un esfuerzo y tiene mayor margen de aplicación.

· Knopp: cambia la forma del identador y,consecuentemente, la forma de la huella.

Ensayos dinámicos

· Shore: es un ensayo típico de polímeros. Se mide la respuesta del material a un estímulo. Para materiales duros debemos hacer mucho esfuerzo para deformar el material. En cuanto el material cede el muelle marca la respuesta del esfuerzo.

Según el material se usan dos escalas (Shore A/ Shore B) en las que cambia el módulo del muelle.

Ensayos de rayado

· Mohs: Mohs definió dureza como la capacidad de rayar una cosa. Siguiendo este conocimiento construyó una tabla ordenada de dureza de diferentes minerales.

· Ensayo Willborn: práctica de pinturas y lápiz.

· Ensayo de abrasión: uso de papel de lija; se mide el peso que ha perdido el neumático.

Ensayos Esfuerzo-Deformación:

La mordaza retiene la probeta normalizada. Compresión sobre fondo plano y medimos la deformación hasta romperlo. Se registra esfuerzo vs deformación.

La deformación es proporcional al avance del bastidor o bien con un extensómetro, que es una pinza que se coloca en la parte más estrecha. Normalmente se mide en la dirección del esfuerzo.

Ensayos de Resilencia

Ensayos del péndulo de Charpy o de Izod.

Se llaman ensayos de residencia porque miran la rotura sin deformación.

Los diagramas procedentes de estos ensayos dependen de la temperatura, generalmente se estudian a temperaturas inferiores a 0 ºC.

7.3 Diagrama de tensión-elongación

Diagrama de ingeniería:

Se pueden distinguir cuatro zonas:

1ª. Zona elástica:

Proporcionalidad directa. Cuando se deja de aplicar el esfuerzo, el material recupera la forma inicial.

K: módulo de Young

El módulo de Young o módulo elástico es la pendiente de la recta en esta zona del gráfico. Esta constante informa de la dureza (cohesión). Cuanto mayor sea su valor más costará separar los átomos dentro de la zona elástica.

2ª Límite elástico:

Aparición en la zona de transición. Para disminuir la incertidumbre se define el límite elástico como el esfuerzo que provoca una deformación permanente de 0,02% respecto de la inicial.

Importancia para muchas aplicaciones reales. Se indica el límite de fluencia, que es el esfuerzo máximo a partir del cual el material comienza a fluir.

La relación entre el límite elástico y la pendiente (módulo de Young) da información acerca de la disipación de la energía y absorción.

La resilencia, capacidad del material de absorber energía de impacto sin generar deformación permanente, corresponde al área debajo de la curva de la zona elástica.

3ª Zona plástica de fluencia:

El material ha superado el límite elástico por lo que se deforma permanentemente.

GRAFICO30

En el punto R el material se deforma pero parece que la fuerza aplicada disminuya. Es la zona de estricción. La deformación se va produciendo por una disminución del diámetro, es un fenómeno clásico de los materiales plásticos.

Cuando comenzamos a estirar, los átomos se separan un poco, la deformación en estructuras metálicas se produce por el deslizamiento de los planos de compacidad y llega un momento que hay tan pocos átomos en contacto que el material se rompe. Este deslizamiento de los planos hace que los metales sean plásticos y que, cuando haya un estiramiento fuerte, haya estricción.

8. Comportamiento mecánico del material en servicio

Definiciones

Fractura: ruptura (separación en dos o más trozos) del material cuando está en servicio.

Rotura: ruptura del material en un ensayo.

Existen dos tipos de fracturas:

Fractura frágil: supone la separación brusca de las dos partes sin deformación permanente, es visiblemente apreciable.

Fractura dúctil: antes de la rotura se observa una deformación permanente.

A continuación se estudian los dos tipos de fractura más a fondo:

8.1 Fractura frágil

Este tipo de fractura se suele producir una mala elección del material o por un mal diseño.

Características:

• Este tipo de fractura es típica de materiales sin zona plástica.

• Es típica de materiales con zonas de acumulación de tensiones.

• Las temperaturas bajas favorecen este tipo de fractura. Para un determinado material puede determinarse una temperatura por debajo de la cual el material puede romperse por fractura frágil, esta temperatura se conoce como temperatura de transición de fractura frágil. Existe también una temperatura correspondiente para el caso de fractura dúctil.

Cómo saber si un material se ha roto por fractura frágil??

La superficie de fractura no presenta deformación macroscópica a simple vista. Suele ser brillante y sin rugosidades.

Si observamos la fractura a nivel microscópico se observa que (a) aparecen unas marcas que indican la situación de la acumulación de tensiones antes de la rotura (las marcas son perpendiculares a la fractura y en forma de círculos concéntricos) y que (b) la propagación de la grieta sobrepasa el límite de grano (transgranometalmente), aunque no supone un freno para la propagación; si a través del límite de grano hay fractura entonces el límite de grano está fragilizado.

A nivel atómico (para materiales atómicos) se produce la separación brusca de dos planos (no hay deslizamiento).

8.2 Fractura dúctil

Características:

• Este tipo de fractura es típica de materiales con zona plástica.

• Es típica de materiales sin zonas de acumulación de tensiones.

• Las temperaturas elevadas favorecen este tipo de fractura. Para un determinado material puede determinarse una temperatura por debajo de la cual el material puede romperse por fractura dúctil, esta temperatura se conoce como temperatura de transición de fractura dúctil.

Cómo saber si un material se ha roto por fractura dúctil??

La superficie de fractura no es brillante y presenta rugosidades.

8.3 Fatiga de los materiales

Todo material sometido a tensiones cíclicas fluctuantes inferiores al límite de rotura del material acaba rompiéndose por fatiga.

No todos los materiales tienen la misma resistencia. La resistencia media es la representada en el diagrama resistencia-elongación.

Las zonas de acumulación de tensiones son las zonas de menor grosor: la tensión nominal que soporta puede superar la tensión promedio. Las dislocaciones ayudan a que el material se debilite.

Las grietas se van propagando ciclo a ciclo hasta que son tan grandes que el material no soporta la tensión nominal, entonces el material se rompe por fractura frágil o dúctil dependiendo de la temperatura.

Se observan unas líneas más o menos concéntricas con origen. Cuanto mayor sea su proximidad entre ellas, más cerca se encontrarán del origen. Estas líneas concéntricas se llaman estrías y cada estría representa un ciclo de funcionamiento de la pieza.

Existen unas marcas más anchas llamadas marcas de parada que aparecen cuando el material ha dejado de soportar la tensión cíclica.

Ensayo en funcionamiento:

Este ensayo permite saber la tensión máxima que se podría aplicar sin que se produjera fatiga haciendo un uso correcto. Este ensayo se debe realizar cuando se diseña el material.

X: nº de ciclos que aguanta el material sin romperse al 100% de tensión.

Y: % de tensión aplicada.

Cuando el material está sometido a tensiones altas con poca propagación de grieta se produce una rotura rápida. Se observa una pequeña zona donde hay marcas de parada y una gran zona que corresponde a la fractura.

Las zonas de acumulación de tensiones son el origen de propagación de la grieta.

Para tensiones bajas se da el proceso contrario. Existe una gran zona con estrías y marcas de parada. En función de la disposición de las marcas de parada se puede determinar si hay zonas de acumulación de tensiones.

8.4 Fluencia térmica

Materiales sometidos a tensiones constantes y a temperaturas elevadas respecto a cada material. Este fenómeno es de gran importancia en materiales refractarios.

Etapas:

Fluencia primaria o primera fase: al aplicar un esfuerzo el material se deforma permanentemente.

Fluencia secundaria: se va produciendo una deformación constante en el tiempo. El material se está endureciendo pero al mismo tiempo está a temperatura elevada y se produce reblandecimiento. La pendiente es función de la relación endurecimiento-reblandecimiento. La fluencia secundaria debe ser lo más larga posible.

Fluencia terciaria: material muy deformado. El material se deforma rápidamente y acaba rompiéndose.

Diseño de un material para que resista una fluencia

Materiales cuya temperatura de fusión sea muy elevada.

Módulo de Young elevado. Cuanto mayor sea su valor, más tardará en llegar al límite elástico (costará más deformar).

Proceso de temperatura tan alta que haya recristalización. Los límites de grano ya no hacen de barrera. Necesitamos que los materiales sean monocristalinos (sin límite de grano) hecho que produce que no haya fluencia por los límites de grano.

11. Descripción de los principales materiales metálicos I. Materiales férricos

Debido a la obtención de Fe mediante reacción con el C, la concentración del C en Fe puede ser hasta un 6,67%.

Existen dos tipos de aleaciones base Fe:

• Aleaciones férricas llamadas también aceros (steel): su contenido en C no supera el 1,76%.

• Fundiciones: su contenido en C va de 1,76% hasta 6,67%.

Vamos a estudiar más a fondo estos dos tipos de aleaciones.

11.1 Aceros

El Fe presenta alotropía. A Tamb tenemos Fe (ferrita), de estructura cristalina bcc. Puede disolver una cantidad baja de C (0,002% de C como máximo). Es la fase estable.

Al aumentar la temperatura hasta unos 800ºC se produce un cambio de Fe a Fe (ferrita) cuya estructura es bcc. La diferencia entre ambas es que Fe es magnética y, en cambio, Fe es amagnética.

A una temperatura de 910ºC se observa el cambio a Fe (austenita) cuya estructura es fcc. La capacidad de disolver C es función de la temperatura y el máximo que puede llegar a disolver es de 1,76% a una temperatura aprox. de 1130ºC.

Alrededor de los 1400ºC aparece una nueva fase Fe llamada ferrita. Su estructura cristalina es bcc pero el parámetro de celda ha cambiado y es menos compacta.

Esquema:

Fase	Estructura	Cap.disolver	Temperatura
Fe	bcc	0,002%	Tamb
Fe	bcc		800ºC
Fe	fcc	1,76%	910ºC
Fe	bcc		1400ºC

En el momento en el que se añade C aparece un punto eutéctico (723ºC y 0,89% C). Esta fase se llama perlita, que es la unión íntima de Fe y cementita (Fe3C). El límite en C es 6,67%. En este punto todo es cementita.

Habrá aceros hipoeutécticos y aceros hipereutectóides. La cementita es la fase rica C porque es una fase metaestable. La fase estable es el grafito, se necesita mucha difusión en estado sólido. En el diagrama de fases nunca aparece el grafito pero la cementita sí. El C antes de convertirse en grafito pasa por cementita.

La cementita es muy dura y, al mismo tiempo, muy frágil; a medida que aumenta el % en C aumenta su dureza. Defecto que bloquea las dislocaciones y se vuelve más dura ( efecto aleante).

Hipoeutectoides

A 0,5% en C; se ha formado austenita rica en C a alta temperatura (aprox 900-1200ºC). Hay una única fase cúbica centrada en las caras.

Cuando nos situamos encima de AC3 parte de la austenita va formando ferrita. La austenita se enriquece en C ya que ha dado Fe para la formación de ferrita. Al ir bajando cada vez hay más ferrita y la austenita tiene más C. Finalmente alcanzamos la línea AC1. La austenita que quedaba se ha formado en perlita. En un acero hipoeutectoide tenemos ferrita proeutectoide (formada antes del punto eutectoide) y perlita. La perlita se ha formado a partir de la austenita residual a 723C.

Hipereutectoides

Al cruzar la línea ACm se forma cementita. Es una fase rica en C. Ahora la austenita se enriquece en Fe. Al llegar a AC1 la austenita (0,89% en C) se transforma en perlita. Entre Acm y AC1 hay cementita protectora y perlita por transformación eutectoide de la austenita residual. Cuanta más perlita haya menos C habrá.

En el diagrama Fe-C se observa que al aumentar el % de C lo que se llama Dominio de Estabilidad de la austenita aumenta. Tenemos austenita a temperatura más baja.

Aceros de alta aleación: contienen más de 1% en otros componentes. Estos componentes modifican los dominios de estabilidad de la austenita y ferrita. Hacen variar también las propiedades finales de los aceros.

Componentes modificadores:

- Cromo: es el responsable de la propiedad inoxidable de los aceros. Tiene mucha tendencia a reaccionar con el oxígeno. La aleación Fe-Cr soporta la corrosión, este hecho se conoce con el nombre de efecto pasivante.

El Cr, como metal, cristaliza como bcc. Es un elemento alfágeno. Estabiliza la ferrita. La ferrita puede obtenerse a temperaturas muy altas.

Cuando las proporciones de Cr oscilan de 8% a 10%, la cantidad es suficientemente elevada para que el efecto pasivante sea innegligible.

No son recomendables aleaciones con Cr superior al 28%. Por encima del 28% aparece una nueva fase . Es un compuesto intermetálico de Cr y Fe que es muy frágil. Inhabilita cualquier aleación para su uso industrial.

- Níquel: metal que cristaliza en una estructura fcc. Es un elemento gammágeno. Estabiliza la austenita. Con Ni se puede llegar a tener austenita a Tamb.

Diagrama Fe-Cr-Ni:

A 0% de Cr y 30% de Ni tenemos austenita a Tamb. Gracias al efecto gammágeno la proporción de Ni necesario es moderada.

Desde el punto de vista de las propiedades la diferencia reside en la dureza de austenita y ferrita. En el caso de la austenita tiene una gran resistencia química. En cambio, la ferrita se identifica por su dureza.

El Ni aumenta mucho la resistencia a la corrosión. Dependiendo de la aplicación a efectuar se eligirá un acero austenítico o ferrítico.

- Manganeso: metal que cristaliza con estructura fcc. Es un elemento gammágeno. Estabiliza la austenita.

Se emplea para evitar la fragilidad del acero por sulfuros.

Un acero que contenga Mn + Ni + Fe hace que la cantidad de Ni necesario disminuya para conseguir austenita a Tamb.

Únicamente con la presencia de Mn no se puede estabilizar la austenita a Tamb, es necesario una cantidad mínima de Ni.

Lista de aceros inoxidables ferríticos

• Se observa una cantidad en Cr elevada.

• No hay Ni, cosa que provoca la necesidad de añadir más Cr para que el acero sea inoxidable ! motivo de que la cantidad en Cr sea elevada.

• Algunos aceros tienen molibdeno (Mo) que se usa para mejorar la propiedad de resistencia a la corrosión.

• Todos los aceros inoxidables contienen C en alta o baja proporción dependiendo de la dureza que se desee.

• Siempre habrá S y Mn. El S es inevitable ya que se obtiene del propio metal. Se añade Mn para evitar fragilización por sulfuros.

Lista de aceros inoxidables austeníticos

• La cantidad de Ni es apreciable.

• Algunos aceros con % de Ni bajos tienen cantidades en Mn y C altas. Se observa que los valores para el C son más bajas que para los ferríticos ya que no nos interesa la dureza. Hay interés en resistencia a la corrosión.

11.2 Diagrama Fe-C

La parte derecha del diagrama corresponde a las fundiciones.

Eutéctico: temperatura y composición donde pasamos de líquido a sólido como si la aleación fuese un material puro dando lugar a una fase formada por la unión íntima de dos sólidos.

El punto eutéctico supone una disminución considerable de la temperatura.

En las fundiciones puede haber grafito rico en C.

En el diagrama se puede observar:

• Línea continua: diagrama de la cementita como fase rica en C.

• Línea discontinua: diagrama del grafito como fase rica en C.

Estas dos líneas son las dos opciones posibles en las fundiciones.

Potencial de grafitización: es un parámetro que es función de la composición y velocidad de enfriamiento. Cuando su valor es bajo tenemos cementita, por el contrario, si su valor es alto tenemos grafito.

Obtención de grafito:

El elemento clave en la composición del grafito es el Si, el cual favorece la nucleación del grafito frente a la cementita.

Pueden ocurrir dos cosas:

Si el potencial de grafitización es bajo: significa poca cantidad de Si y velocidad rápida. Se forma cementita y la fase rica en hierro que es austenita. Esta austenita cuando alcance la temperatura austenítica se convertirá en perlita (720ºC).

Cementita + perlita ! fundición blanca

Se distingue una fundición blanca cuando la superficie de fractura tiene color gris metálico.

Si el potencial de grafitización es alto: hay una concentración alta en Si y la velocidad es lenta. Se forma austenita y grafito. Si el potencial se va manteniendo al final tendremos ferrita y, la perlita no se formará ya que no habrá C.

Se producen fundiciones grises, que se distinguen porque al romperse y observarse la superficie de fractura el color es gris oscuro.

11.3 Fundiciones

· Si la fundición blanca se calienta a 800ºC durante 30 horas se obtiene una fundición gris con grafito globular.

· En una fundición gris el grafito es flocular (es alargado acabado en punta). Estas zonas tan agudas son zonas de acumulación de tensiones. Se obtiene un grafito que puede fragilizar el material.

Para un potencial de grafitización alto se añaden pequeñas cantidades de Mg/Ce que favorece la formación de un grafito nodular y focular (salen de él ramificaciones).

¿Qué aporta el grafito a una fundición?

El grafito es un material cristalino fácilmente exfoliable (amortigua las tensiones) de tacto uctuoso. Aumenta la lubricación y mejora la plasticidad.

La fundición gris es un material autoamortiguador, incrementa la resistencia a la corrosión de la aleación.

Esquema:

Fases de una fundición blanca (siguiendo la línea continua):

Aparece un eutéctico. La fase eutéctica se llama ledeburita, que es una unión íntima de cementita y austenita. La temperatura del eutéctico coincide con la temperatura de máxima solubilidad del C en austenita. La austenita es capaz de disolver 1,76% de C; por encima o por debajo la capacidad de absorción disminuye.

La ledeburita formada en este punto está formada por 48% de austenita (de 1,76% en C) y por 52% de cementita (6,67% en C).

Aleación hipoeutéctica (izquierda del eutéctico; línea del 3%): llegamos a la línea de líquidus. Al atravesarlo se forma austenita que es la fase rica en hierro. El líquido se va enriqueciendo en C a medida que nos acercamos a la línea de solidus. La austenita crece contra un líquido y estamos solidificando. La proporción de C va variando mientras enfriamos. Tiene un crecimiento con interfaz dendrítica.

Al llegar a la temperatura de la línea de solidus, el líquido restante tiene la composición y la temperatura del eutéctico. Se transforma en eutéctico.

Cuando traspasa la línea de solidus se forma ledeburita y austenita. Tanto la austenita formada en la zona de líquidus-solidus como la que forma parte de la ledeburita tienen la misma composición en C.

Se va bajando la temperatura y la austenita pierde capacidad para disolver en C. El C que sobra forma cementita. Transformación en estado sólido. Esto ocurre hasta llegar a la temperatura de 723ºC. A esta temperatura toda la austenita se transforma en austenita formada entre solidus-líquidus y la que formaba parte de la ledeburita.

Aleación hipereutéctica (línea del 5%): atravesamos la línea de líquidus y se forma cementita que es la fase rica en C. El líquido cada vez es más rico en hierro.

Al atravesar la línea de solidus tenemos cementita y ledeburita. La cementita solidifica como un compuesto puro tiene composición eutéctica.

Tenemos austenita perteneciente a la ledeburita. A medida que disminuye la temperatura, la austenita no puede absorver tanto C y se forma cementita.

A 723ºC transformación eutectoide. Formación de perlita. Tenemos ahora perlita y cementita.

Fases metaestables (no aparecen en el diagrama)

Usamos diagramas TTT. La cinética es importante porque la difusión en estado sólido es muy lenta.

· Si enfrío lentamente cruzo la línea de transformación a 723ºC, sigo la línea de isoterma y en 30 minutos transforma la austenita en perlita.

· Si enfrío rápidamente puede cortar la línea de transformación donde hay fases metaestables (600ºC). Hago la isoterma y tengo sorbita y no perlita. La sorbita es una fase metaestable: distribución de ferrita y cementita globular. Tiene mejores propiedades mecánicas des del punto de vista de la tenacidad que la perlita.

· Enfriamiento rápido (500-600ºC) y hago isoterma. Fase metaestable: trodostita: es una estructura similar pero diferente a perlita y sorbita. Distribución de cementita y ferrita diferente.

· Pasa lo mismo para fases metaestables: bainita superior e inferior; éstas tienen un tamaño de fase pequeño. Normalmente son fases buscadas. Distribución globular.

· Si enfriamos sin cruzar ninguna línea de transformación se forma martensita. Es una fase sin difusión.

El templado es un enfriamiento rápido (transformación sin difusión): paso de 800 a 100 en un segundo. Si no se efectúa correctamente tendremos una mezcla de martensita, sorbita y trodostita. Existe un problema añadido: si se quiere enfriar una pieza muy gruesa la diferencia de velocidad entre interior y exterior puede ser grande. A lo largo de la pieza tendremos fases diferentes (las propiedades mecánicas variarán). Existe un gran riesgo de rotura por fractura.

Ensayo de Jominy

Estudio para averiguar si toda la pieza tiene martensita mediante la medida de la dureza. Si la dureza es constante el templado se habrá efectuado correctamente.

Con poco C la velocidad de enfriamiento es poco crítica. A mayor C más dificultas se tendrá en el momento de elegir el enfriamiento.

La presencia de otros elementos en las aleaciones puede hacer variar la situación del diagrama TTT.

12. Materiales metálicos. Aleaciones no férricas

12.1 Aleaciones base aluminio

Propiedades del aluminio:

- El Al pertenece al grupo de las aleaciones ligeras, posee una baja densidad ya que tiene un % significativo de elementos aleantes no alcanza 2,8g/cm3.

- También resiste muy bien la corrosión por la formación de una capa de alúmina (Al2O3).

- Convenientemente aleado presenta súperplasticidad, podría inyectarse en un molde a una temperatura y presión con una microestructura adecuada de límites de grano.

- Para obtener Al se funde el mineral (bauxita) y se reduce electroquímicamente.

Grupos de aleaciones:

Aleación de endurecimiento por envejecimiento (Al & Zn, Mg, Cu)

Aleación de fundición (Al & Si)

Aleación de endurecimiento por trabajo en frío.

12.2 Aleaciones por endurecimiento por envejecimiento

Diagrama Al & Cu

Para que una aleación pueda endurecerse por envejecimiento debe haber una zona de solubilidad (la solubilidad debe disminuir rápidamente con la temperatura) a temperatura elevada. Disolución sólida de un elemento en otro.

Observando el diagrama se observa que se forma como fase rica en Cu un compuesto intermetálico Al2Cu de valencia 0 (porque no hay reacción).

Si la temperatura aumenta por encima de la línea de solidus se obtiene una disolución. Si dejamos enfriar a temperatura ambiente se forma una fase de partículas precipìtadas de un tamaño microscópico, demasiado grandes para proporciones mecánicas y actúan de centro de acumulación de tensiones fragilizando la aleación. La alternativa es enfriar rápidamente, obteniéndose una disolución sobresaturada de Cu en Al (templar), no dando tiempo a que aparezca la difusión.

Podemos envejecer a una temperatura intermedia, en la cual se forman partículas nanométricas que bloquean las dislocaciones, aumentando la dureza y, al mismo tiempo, siendo demasiado pequeñas para acumular tensiones. Es mucho más dura pero no es frágil.

Cuando la temperatura disminuye mucho, el núcleo originario deberá ser pequeño deben haber más partículas pero más pequeñas, sin embargo, si la temperatura aumenta mucho para que el núcleo sea estable, las partículas deben ser grandes pero en poca cantidad.

A temperatura extremadamente baja hay poca difusión por lo que el proceso es inviable por lento.

Cinética del proceso

Átomos de Cu (negros) sustituyendo átomos de Al (disolución sobresaturada). Aparecen las zonas de Guinier-Preston, en las que se forma un reordenamiento de átomos de Cu, los cuales inicialmente están distribuidos aleatoriamente. Este reordenamiento provoca un primer aumento de la dureza.

El proceso evoluciona y se forma una primera partícula de Al2Cu. Se aprecia un aumento considerable de la dureza del material. La partícula de Al2Cu tiene todos los lados coherentes con la matriz de aluminio. Esta estructura cristalina es coherente (bloquea poco las dislocaciones) cuando tenemos el máximo de dureza.

Si seguimos envejeciendo es incoherente (bloquea las dislocaciones) desde el punto de vista de la estructura cristalina de la matriz de Al. Por lo tanto, hay que parar el proceso cuando se alcanza la primera partícula de alúmina.

Si las partículas son coherentes, las dislocaciones se mueven pero se encuentran con las partículas que bloquean su movimiento. En cambio, las incoherentes se mueven más fácilmente.

Factores que influyen la velocidad de formación de las partículas:

• La temperatura: a mayor T mayor difusión y, por lo tanto, se produce la formación de partículas. Si la T aumenta la velocidad de envejecimiento aumenta.

• El Cu: si el % de Cu aumenta, aumenta la tendencia a la formación de la partícula y, por lo tanto, aumenta la velocidad de envejecemiento.

Obviamente la temperatura adecuada para el proceso tiene que estar sobre los 200ºC, por encima de esa temperatura obtendríamos un tamaño demasiado grande de partícula.

Si el % de Cu < 3%, el nivel de dureza es pequeño y aumenta el tiempo.

La limitación superior será marcada en el diagrama 5,7% de Cu para el que no hay ningún descenso brusco de la solubilidad. Con un 4,5% de Cu, la densidad es menor que 2,76 g/cm3 y posee una dureza de 100 vickers frente a una de 30 vickers para el Al. Se obtiene un material duro y sin corrosión de grandes propiedades mecánicas.

Aleación Al & Si

En el diagrama, a 12,6 hay un eutéctico a simplemente 577ºC el material funde limpiamente, la mayoría de aleaciones se mueven a % de Si próximos al eutéctico.

La fase rica en Si en el diagrama es el Si, en la hipoeutéctica y en la hipereutéctica es Al-Si + Si.

El Si permite gran facilidad para rellenar moldes y es anticorrosivo (efecto lubricante), pero al mismo tiempo produce gran corrosión.

Puede llegar a ser superplástico controlando los límites de grano, añadiendo Mg como núcleos homogéneos, consiguiendo que el material sea aún más plástico.

Aleaciones base Cobre

Prácticamente no ha de tener elementos aleantes para que sea un buen conductor, ya que es su principal aleación.

Para conseguir un Cu conductor ha de ser un Cu que casi no tenga elementos aleantes es decir necesitamos un Cu puro.

La conductividad es la propiedad que más disminuye con la presencia de elementos aleantes.

Categorías de Cu puro:

· OFHC: está libre de oxígeno porque el oxígeno es muy insoluble en Cu tendiendo a formar compuestos intermetálicos de Cu2O. Si este Cu se desea que trabaje en atmósferas con hidrógeno hay que ir con cuidado que no forme vapor de agua lo cual fragilizaría la estructura.

Ventajas:

• Máxima conductividad

• Máxima ductilidad

Inconvenientes:

• Es un material muy blando

· ETP: se trata de Cu purificado por arco eléctrico. Se obtiene un Cu en el que se eliminan las impurezas por arco eléctrico pero que contiene una proporción de oxígeno que da lugar a Cu2O lo que fragiliza la estructura en atmósferas ricas en hidrógeno.

Ventajas:

• Alta conductividad

• Alta maleabilidad

• Alta ductilidad

· FRHC: se trata de una variante moderna del OFHC pero mucho más barato. Se obtiene un Cu de peor calidad que en los otros dos procesos anteriores.

Ventajas:

• Alta ductilidad

• Alta maleabilidad

Usos:

• Se usa en instalaciones donde la conductividad térmica es importante

Categorías de Cu de baja aleación

· Cu desoxidado con fósforo: el P reacciona con el oxígeno para formar un compuesto intermetálico (P2O5) que no reacciona con el hidrógeno. Por lo tanto, un Cu al que se le añade P puede resistir atmósferas ricas en hidrógeno. No se podrá usar en aplicaciones donde la conductividad eléctrica sea importante.

Usos:

• Se usa en tuberías de agua caliente y gas ya que el P endurece la tubería.

Latones

Hasta un poco más que el 30% nos encontramos con una solución sólida de Zn en Cu con una estructura fcc, es la fase .

Alrededor del 70% aparece una nueva fase  que también es una solución sólida de Zn en Cu pero con una estructura bcc.

La fase  es más maleable y plástica que la fase .

Por encima del 50% existe una fase  que imposibilita ninguna aplicación industrial.

A 454 ºC,  se transforma en '. La fase  y ' son prácticamente la misma, tienen la misma estructura, pero la diferencia es como está distribuido el Zn en la fase. Los átomos de Zn están distribuidos al azar en la fase , en cambio, en la fase ' están distribuidos de manera ordenada.

Existen dos tipos de latones:

• Rojos: contienen aprox. un 15% de Zn.

• Amarillos: contienen más que un 15% de Zn.

· Latón comercial (Cu-10Zn):

Ventajas:

• Es trabajable en frío.

• Resistencia a la corrosión bajo la tensión ! hay un ataque químico en una zona donde hay una tensión mecánica.

· Latón Cartridge (Cu-30Zn):

Ventajas:

• Resistencia

• Ductilidad

Inconvenientes:

• Corrosión bajo tensión

• Riesgo de decincficación ! el latón se va empobreciendo en Zn y al final sólo queda Cu puro que se acaba atacando.

· Latón Muntz (Cu-40Zn; -):

Ventajas:

• Buenas propiedades en caliente pero no tiene suficiente ductilidad para trabajarse en frío.

Inconvenientes:

• Problemas de corrosión.

· Cu-40Zn-3Pb: es igual que el latón Cartridge pero con Pb, que actúa como rompedor de viruta.

Ventajas:

• Alta maquinabilidad, el Pb que actúa como rompedor de viruta.

Inconvenientes:

• El trabajo en frío puede causar grietas.

· Latón de Aluminio (Cu-20Zn-2Al):

Ventajas:

• Evita pérdidas de Zn.

• Gran resistencia a la corrosión.

Usos:

• Se usa en elementos marinos.

· Latón Admiralty (Cu-28Zn-1Sn; ):

Ventajas:

• El Sn se usa para resistir la corrosión del agua de mar.

· Latón Naval (Cu-38Zn-1Sn; -):

Ventajas:

• Tratable en caliente.

• Resistencia a la corrosión.

Bronce

El bronce es producto de la aleación de Cu-Sn.

El Sn mejora mucho las propiedades del Cu.

El bronce es una mezcla de un material blando (Cu) y un material duro (Sn). Además la diferencia de puntos de fusión es abismal lo que produce que la aleación funda mucha mejor.

Diagrama:

A temperatura ambiente puede llegar a reducir un 0.5% de Sn. El Sn que no puede disolverse forma el compuesto .

El porcentaje óptimo de Sn es alrededor del 8-12%, el bronce obtenido con este porcentaje se usa para la fabricación de cañones y las estatuas de calle.

La presencia de oxígeno es demasiado abundante para el bronce ya que se forma óxido de Sn (SnO) en forma de partículas en una fase independiente de la estructura. Esta presencia de oxígeno fragiliza mucho el material. Para evitar este hecho se tiene que oxidar el Cu ya sea con un 2% de P o de Zn.

Cuproníquelos:

Hay solubilidad total en la fase líquida como en la fase sólida. A porcentajes relativamente altos se produce una diferenciación entre dos fases: 1 y 2, que se diferencian en que hay zonas que tienen más átomos de Ni que de Cu. La presencia del Ni hace mejorar mucho la resistencia a la corrosión. El Ni es un material muy caro.

Aleaciones Base-Titanio

El titanio es ligero, de densidad 4 y resistente a la corrosión porque forma una película pasivante de óxido de titanio (TiO2). El titanio es tan poco soluble que es capaz de reaccionar en la superficie con el carbono y nitrógeno formando carburos de titanio y nitruros de titanio. El titanio es biocompatible. Es imposible obtener titanio del óxido por reacción con el carbono. Lo que se hace es hacer reaccionar TiO2 y el cloro que al reaccionar se produce pentacloruro de titanio que es volátil, lo que se separa del material y se reduce con manganeso para obtener el material.

El Ti al igual que el Fe presenta alotropía, es decir, cambia su estructura cristalina en función de la temperatura.

El Ti presenta una fase  y, a partir de una temperatura determinada aparece la fase  y, por lo tanto, un cambio de su estructura cristalina.

En la fase  presenta una estructura: hcp.

En la fase  presenta una estructura: fcc.

Existen cuatro aleaciones base Ti:

· Titanio (4% Al; ): es el que se usa para temas de biocompatibilidad. Se pueden hacer modificaciones en la superficie. Se le da algún tratamiento con nitruros que lo hacen más compatible de forma que no haya rechazo.

· Titanio (6% Vanadio; ): Se usa cuando se trabaja a temperaturas elevadas ya que el vanadio permite estabilizar esta fase a temperaturas elevadas.

· Titanio (5% Al y 0,5 Vanadio; casi )

· Titanio (4% Al y 4% Vanadio; -): permite una zona de contacto entre las fases  y  donde se facilitan una serie de características muy importantes.

13. Descripción de los principales materiales poliméricos orgánicos

13.1Termoplásticos

Material polimérico que se reblandece con la temperatura, con lo que se le puede dar forma fácilmente ya que posee mucha plasticidad, fluye mucho. Los termoplásticos están formados por una unidad fundamental llamada macromolécula: enlaces C-C con hibridación sp3 que puede ser más o menos larga. Puede ser que tengamos una serie de macromoléculas liadas entre ellas (spaguettis). Hay interacciones débiles entre las cadenas. A temperatura ambiente estas interacciones débiles y la rotación C-C son estables y no muy fuertes. La consecuencia de esto es que nos encontramos con un material que a temperatura ambiente tiene consistencia. Cuando calentamos el material llega un momento en que estas interacciones se rompen y el enlace C-C tiende a girar más con lo que el material se reblandece y empieza a fluir. Cuanto mayor sea el peso molecular y más elementos rígidos haya colgados de la cadena principal más le costará fluir.

Ejemplos de termoplásticos: polietileno, polipropileno, PVC, PET, teflón y policarbonato.

13.2 Termoestables

Son materiales que no cambian su forma al aumentar la temperatura, como mucho se consigue descomponerlo, es decir, pirolizarlo.

La capacidad de darle forma es mucho más limitada que los termoplásticos y, siempre que se haya de darle forma a un material, se tiene que efectuar antes de que sea termoestable.

Los materiales termoestables son más rígidos, más duros y son insolubles en la mayor parte de disolventes.

Por qué, estructuralmente, los materiales termoestables tienen estas propiedades??

Porque existen cadenas poliméricas que han reticulado entre ellas, de tal forma que no se puede distinguir la cadena principal de la reticulada. Tienen enlaces covalentes.

A temperatura elevada no hay ninguna interacción que se pueda romper, pero si se rompiera, se rompería toda la cadena porque se rompería la reticulación.

Cuanto más reticulado sea el material, más duro será (diamante).

Ejemplos de termoestables: resinas hepoxi, baquelitas,…

13.3 Elastómeros

Son materiales que absorben energía y disipan parte de la energía del impacto.

Son materiales elásticos pero no se caracterizan por una elevada elasticidad.

Características:

- Presentan elasticidad entrópica: se deforman elásticamente hasta tres veces más que su longitud incial y después se rompen sin deformación plástica. Parte de la energía se pierde por calentamiento.

Al estirar el material se ordena la estructura (disminuye la entropía) y cuando se deja de estirar, la tendencia a volver al desorden (Smax) lo hace retornar.

- Están ligeramente reticulados, generamos puentes de hidrógeno o enlaces covalentes entre las cadenas poliméricas (no muchas porque sino tendremos un material termoestable) por lo que se puede estirar y romperse.

LALAL

…Polietileno:

LALALA

Poliestireno:

Polímero amorfo. Tiene un anillo aromático muy rígido que afecta a la Tg (muy alta 80ºC). Desde el punto de vista del comportamiento químico, el anillo químico le da dos características:

• Solubilidad en disolventes.

• Se deja colorear muy bien.

Además tiene un brillo muy característico y un índice de refracción muy alto.

Diagrama de tensión-elongación:

El poliestireno tiene un módulo de Young elevado, pero la estructura rígida hace que no tenga plasticidad. Por lo tanto, es un material muy poco tenaz, es un polímero que no aguanta casi nada los golpes.

Se han desarrollado variantes del poliestireno para mejorar sus propiedades:

· Poliestireno de alto impacto (PAI): 80% de poliestireno en el que un 20% de caucho se ha dispersado formando una fase diferente, formando el copolímero de poliestireno con butadieno. Este 20% de caucho es el que se encarga de aumentar la tenacidad del material. El límite elástico se ha aumentado mucho.

· SAN: es un copolímero formado por un 60% de estíreno y un 40% acrilonitrilo. La presencia de acrilonitrilo no mejora las propiedades mecánicas respecto al PAI. Lo que sí supone es una mejora en cuanto a la resistencia química, resiste mucho mejor los disolventes.

· ABS: es una mezcla de SAN y un PAI. Con un sistema patentado permite obtener una distribución de fases dando un polímero extraordinario. El ABS pertenece al grupo de los “polímeros de ingeniería”. Tiene unas propiedades mecánicas excelentes y, al mismo tiempo, tiene una resistencia química muy alta. Es el único polímero que aguanta los baños ácidos que se usan, por ejemplo, en los sistemas de cromado.

Existen dos inconvenientes: su precio y el hecho de que absorbe con facilidad la humedad por lo que es necesario calentarlo antes de inyectarlo.

Poliolefinas: suponen el 60% de los polímeros que se producen. Los dos representantes más importantes son: polietileno y polipropileno.

· Polietileno: [-CH2-CH2-]: la temperatura de transición vítrea es muy baja y es muy poco soluble.

Según el sistema de obtención de polimerización podemos clasificar el polietileno en:

·Polietileno High Pressure: se obtiene a alta presión (1000 atm) y entre 80-300 ºC. Polietilenos obtenidos a alta presión

LDPE, baja densidad

Tienen muchas ramificaciones por lo que es muy difícil acercar las cadenas, por lo que son amorfos.

Propiedades:

• Es amorfo, por lo tanto, transparente.

• Tiene menos propiedades mecánicas que los de alta densidad.

• Como es muy polar rechaza el agua.

Usos: recubrimiento aislante de cables, cables que rodean los metales, bolsas de plástico de almendras garrapiñadas,…

· Polietilenos obtenidos a baja presión

HDPE, alta densidad

Tipos de polimerización a baja presión para polietilenos de alta densidad:

• Ziegler-Nafta: para polímeros para peso molecular elevado.

• Phillips, Indiana: usan como catalizador un óxido metálico. Se realizan en disoluciones que se obtienen cadenas de polímeros de pesos moleculares más bajos que los Ziegler-Nafta. Hay mucha más interacción entre las cadenas con lo que hay más dureza, más dureza, más resistencia y el módulo de Young es más elevado.

Usos: bolsas de plástico del súper,…

· LLDPE (lineal low density polietilen)

Polietileno de baja densidad considerado lineal ya que el sentido de las ramificaciones es constante y de poca longitud.

Se consigue polimerizando con otra molécula que tenga un doble enlace que sea más largo.

Usos: bolsas de naranjas pesadas

PVC

El PVC (amorfo) se forma gracias a la polimerización del monómero de cloruro de vinilo. La existencia de un cloro crea el problema de cómo se polimeriza.

Es uno de los más usados pero, a la vez, es uno de los menos estables térmicamente, por ello no existe PVC puro, siempre va formulado.

Cuando se aumenta la temperatura (60 ºC), la molécula descompone por pérdida de HCl dando una molécula estable.

Siempre se habla de formulaciones de PVC y, en general, nos encontramos dos tipos:

• Rígido (ventanas, persianas): módulo de Young elevado y poco elástico.

• Flexible (tubos, películas, cables): módulo de Young bajo y elevada elasticidad.

Ambos tipos poseen un estabilizador térmico y los estabilizadores más típicos son:

• carbonato básico de plomo: desprende CO2

• sulfato de plomo

• sales orgánicas de Cd y de Ba

• Sales orgánicas de Zn y de Ca

• Compuestos organo-metálicos de Sn

Todo PVC lleva alguno de estos estabilizadores, en los rígidos entre un 2-4 % y, en los flexibles aproximadamente un 0,5 %.

Los PVC's rígidos y flexibles se diferencian por el uso de plastificantes, estos se colocan entre las cadenas de PVC y hacen que pierda rigidez. Los plastificantes más usados son los ftalatos.

· Termoplásticos de ingeniería: su producción es inferior a los vistos anteriormente ya que su precio es muy alto dado que sus prestaciones son extraordinarias.

- Policarbonato: se obtiene por condensación de un bisfenol y por condensación de CO2, no se obtiene por adición como en los casos anteriores. Es rígido, amorfo y, por lo tanto, transparente. Es un material muy tenaz.

La tenacidad del policarbonato no tendría que ser tal, ya que, estamos por debajo de su Tg. Por lo tanto, su tenacidad se debe a un efecto dominó en sus moléculas: cuando impactamos en un sitio hace que los dos anillos giren y hagan que giren los de los alrededores, provoca un giro de los anillos aromáticos provocado por los anillos del impacto, de forma que la energía se disipa.

Su viscosidad en estado fluido es muy alta. Es un material que cuesta de inyectar, con lo que una vez inyectado queda con mucha tensión residual. Esto es un riesgo para los materiales tenaces.

De la inyectora va a parar al horno lineal para eliminar tensiones residuales producida mediante la inyección del policarbonato.

Los CD's son de policarbonato.

- PTFE (politetrafloruroetileno) o Teflón: es antiadherente. Para que el pegamento adhiera bien se tiene que mojar bien la superficie para que cuando se solidifique pueda unir a los dos sólidos.

La cadena tiende a estructurarse con forma de espiral con los átomos de fluor en el exterior. Los átomos de fluor están fuertemente ligados con el C con lo que cualquier cosa que le llega lo rechaza, ya que el fluor está muy estable con el C.

Usos: sartén, para materiales que tengan que resistir muy bien cualquier ataque químico como recubrimientos de reactores nucleares, llaves de paso …

Existen además otras características de menor relevancia:

El teflón es muy cristalino y tiene un peso molecular elevado, tan elevado que no se puede obtener por inyección, ya que son muy poco fluidos, incluso a temperaturas muy altas. Lo que se hace es construir piezas a través de polvo de teflón.

Debe tener algún sistema que presiones al teflón por el exterior cuando le hago circular un fluido por su interior, ya que no aguanta cargas mecánicas. Resiste muy mal mecánicamente debido a su obtención y construcción.

CIMAT

Ingeniería Industrial

Toluens