Ingeniería en Materiales
Instituto Politécnico Nacional
ESIME
U. P. Ticomán
Ing. Aeronáutica
Laboratorio de Ingeniería de Materiales
Apuntes de Ing. De Materiales
Víctor M. Sauce Rangel
Ing. De Materiales.
1
Ingeniería en Materiales
PROLOGO
Prácticamente todos los metales, una fracción importante de las cerámicas y ciertos polímeros
cristalizan cuando se solidifican. Con ello, queremos decir que los átomos se arreglan en un patrón
tridimensional ordenado y repetitivo. Tales estructuras se llaman cristales. Este patrón ordenado que
se repite a lo largo de millones de distancias atómicas se debe a la coordinación atómica que existe
dentro del material. Este patrón controla la forma externa del cristal y las propiedades de éste como
material. Posiblemente el ejemplo mas conocido de esta definición sea el contorno hexagonal de los
copos de nieve, el cual los hace únicos e irrepetibles.
Las superficies planares de las piedras preciosas, los cristales de cuarzo (SiO2) o la sal ordinaria
(NaCI) son todas, manifestaciones externas de los arreglos cristalinos internos. En cada caso, los
arreglos atómicos internos persisten aún cuando las superficies externas sean alteradas. La
estructura interna de un cristal de cuarzo no se modifica cuando su superficie se desgasta para
producir arena silícea. Igualmente, en los trozos de hielo, hay un arreglo hexagonal de moléculas de
agua, que persiste si este se pulveriza.
Ya que es imposible para el Ingeniero o el Científico poseer un conocimiento detallado de los
varios miles de materiales disponibles, así como ir a la par de los nuevos desarrollos, el citado debe
conocer los principios fundamentales que gobiernan las propiedades de todos los materiales, los
cuáles se originan a partir de la premisa que enuncia:
Las propiedades de un material se originan en las estructuras internas del mismo.
Las estructuras internas de los materiales involucran a los átomos y la manera en que estos se
asocian entre si, formando moléculas, microestructura y por ende cristales.
El presente trabajo contiene los apuntes de la asignatura de Ing. De Materoales de la carrera de
Ingeniería Aeronáutica, en base al programa de estudios vigente de la Escuela Superior de
Ingeniería Mecánica y Eléctrica, Unidad Profesional Ticomán, del Instituto Politécnico Nacional.
Estos apuntes no necesariamente siguen el orden de aparición en el programa de estudios, sino
que han sido ordenados de acuerdo a una secuencia lógica en el aprendizaje de esta materia. Éstos a
su vez se realizaron, con la finalidad de enriquecer la asignatura que actualmente se imparte, en
base a la experiencia ganada dentro de la industria manufacturera; y que motivó mi participación
para que la población estudiantil tenga presente la importancia de los materiales en cualquier tipo de
industria y más aún en el ramo aeronáutico.
Adicionalmente, este trabajo presenta la solución a problemas propuestos por la bibliografía,
como complemento y soporte didáctico; que al ser practicados y resueltos por el alumno, obtendrá
el nivel Académico deseado.
Agradezco a Mauricio Torres Arellano por su aportación a la edición de este texto.
ING. VICTOR MANUEL SAUCE RANGEL.
Ing. De Materiales.
2
Ingeniería en Materiales
ÍNDICE TEMÁTICO
UNIDAD I
1.1
1.2
1.3
1.4
1.5
1.6
1.7
1.8
1.9
ESTADO SÓLIDO
Estructura Cristalina
Celda unitaria
Redes de Bravais
Parámetros de Red
Número de Coordinación y Factor de empaquetamiento
Densidad
Índices de Miller
Distancia Interplanar
Difracción de Rayos X.
7
8
9
10
13
14
17
19
20
UNIDAD II IMPERFECCIONES EN LOS CRISTALES
2.1
2.2
2.3
2.4
Defectos Puntuales
Dislocaciones
Ley de Schmid
Imperfecciones en los cristales
23
25
28
29
UNIDAD III DIAGRAMAS DE EQUILIBRIO
3.1
3.2
3.3
3.4
3.5
3.6
3.7
3.8
Diagrama Isomorfo
Diagrama Eutéctico
Diagrama Peritéctico
Diagrama Monotéctico
Diagrama Eutectoide
Diagramas Complejos
Regla de la palanca
Diagramas Ternarios
33
37
39
41
42
44
45
48
Ing. De Materiales.
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Ingeniería en Materiales
UNIDAD IV TRATAMIENTO TÉRMICO DE LOS ACEROS
4.1
4.2
4.3
4.4
4.5
4.6
4.6
4.7
4.8
Estructura del hierro (Fe)
Constituyentes de diagrama Fe-Fe3C
Diagrama Fe-Fe3C
Diagramas TTT
Tratamientos Térmicos del acero
Recocidos
a) Recocidos supercríticos de austenización completa, de austenización incompleta
b) Recocidos subcríticos: globular de ablandamiento contra acritud de estabilización
c) Isotérmicos: de austenización completa y de austenización incompleta
Temples
a) Normales: de austenización completa y de austenización incompleta
b) Temples interrumpidos
c) Temples isotérmicos: Austempering y martempering
d) Temples Superficiales
Revenido
Clasificación de los aceros (Normas AISI)
UNIDAD V
5.1
5.2
5.3
5.4
5.5
54
55
62
66
68
69
73
76
84
TRATAMIENTOS SUPERFICIALES DE LOS ACEROS
Difusión
1ª Ley de Fick
2ª Ley de Fick
Tratamientos termoquímicos
Tecnologías de los tratamientos termoquímicos
92
93
96
98
104
UNIDAD VI ALEACIONES LIGERAS
6.1
6.2
6.3
Aleaciones de Aluminio
a) Clasificación
b) Tratamientos térmicos.
c) Principales aplicaciones
Aleaciones de Magnesio
a) Clasificación
b) Tratamientos térmicos.
c) Principales aplicaciones
Aleaciones de Titanio
a) Clasificación
b) Tratamientos térmicos.
c) Principales aplicaciones
107
127
133
Ing. De Materiales.
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Ingeniería en Materiales
UNIDAD VII CORROSIÓN Y OXIDACIÓN
7.1
7.2
7.3
7.3
Corrosión electroquímica
Celda Electroquímica
Tipos de corrosión
Control del medio ambiente
136
138
141
145
PROBLEMAS PROPUESTOS
146
APÉNDICE A "PROPIEDADES DE TENSIÓN"
149
APÉNDICE B "METALOGRAFÍA"
154
BIBLIOGRAFIA
158
Ing. De Materiales.
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Ingeniería en Materiales
UNIDAD I
Elementos del estado Sólido
Los materiales están en el centro de todos los avances tecnológicos. El
dominio del desarrollo, la síntesis y el procesamiento de los materiales
abre oportunidades con las que apenas se soñaba hace algunas décadas. La
realidad de esta afirmación se hace evidente al considerar el progreso
espectacular que se ha hecho en campos tan diversos como la energía, las
telecomunicaciones, los multimedios, las computadoras, la construcción y
el transporte. Sería imposible viajar en aviones de reacción sin los
materiales que se desarrollaron específicamente para el motor a reacción, y
no
habría
computadoras,
como
microelectrónicos de estado sólido.
las
conocemos,
sin
circuitos
En realidad, se ha dicho que la
división atómica ha tenido el impacto con más consecuencias que
cualquier descubrimiento científico o tecnológico hasta la fecha. Es por
ello que los profesores y científicos más eminentes del país, se reconocen
el papel central que desempeñan los materiales en las sociedades
técnicamente avanzadas.
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Ingeniería en Materiales
Estructura cristalina de los metales
En el momento en que los átomos se agrupan en moléculas, y éstas a su vez forman un sólido,
encontramos que se forman patrones específicos.
Se denomina patrón al arreglo atómico que presenta un material. Estos arreglos se denominan
sistemas cristalinos. Los sistemas cristalinos se clasifican de acuerdo a la geometría presente
dentro de sus enlaces atómicos. Es por ello que las investigaciones realizadas, se ha concluidos la
existencia de siete sistemas
En la siguiente tabla; se enuncian cada uno de los sistemas cristalinos, con sus respectivas
características. Las distancias entre sus ejes y la inclinación con respecto a los mismos son
parámetros necesarios e indispensables para la comprensión de los mismos.
Citando la primera fila de nuestra tabla; el sistema cúbico presenta en sus enlaces atómicos, tres
ejes perpendiculares: x, y, z. Las longitudes de los ejes en cada una de las tres dimensiones son
iguales entre sí y se denominan: a = b = c.
Sistema Cristalino
Cúbico
Tetragonal
Ortorrómbico
Monoclínico
Triclínico
Hexagonal
Romboédrico
Ejes
a=b=c
a=b≠c
a≠b≠c
a≠b≠c
a≠b≠c
a=b=c≠d
a=b=c
Ángulos axiales
α = β = γ = 90°
α = β = γ = 90°
α = β = γ = 90°
α = β = 90°; γ < 90°
α ≠ β ≠ γ ≠ 90°
α = β = 90°; γ = δ =90°
α = β = γ ≠ 90°
Tabla 1.1 Geometría de los Sistemas Cristalinos
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Ingeniería en Materiales
Redes de Bravais
Hay catorce arreglos tridimensionales, en los cuales se pueden colocar los átomos para formar
una configuración molecular estable. A ellos se les denomina Redes de Bravais.
1. a, b, c.
2. a, b.
3. a.
4. a, b, c, d
5. a.
6. a, b.
7. a.
Figura 1.3 Las catorce Redes de Bravais, agrupadas en los siete sistemas cristalinos. Las
restricciones de los parámetros de red (a, b, c) y los ángulos (α, β, γ) entre las aristas de la celda
unitaria aparecen en cada caso.
1.- Redes cúbicas
2.- Redes tetragonales
3.- Redes hexagonales
4.- Redes ortorrómbicas
5.- Redes Romboédricas
6.- Redes Monoclínicas
7.- Redes Triclínicas
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Ingeniería en Materiales
¿Cuántos átomos contienen las principales redes cristalinas?
Cúbica simple (C.S.)
8 vértices (1/8) = 1 átomo por celda
Cúbica centrada en las caras (F.C.C.)
8 vértices (1/8) + 6 planos (1/2) = 4 átomos por celda.
Cúbica centrada en el cuerpo (B.C.C.)
8 vértices (1/8) + 1 centro (1) = 2 átomos por celda
La estructura cristalina de un material se refiere al tamaño, forma y ordenamiento atómico
presente dentro de la red cristalina.
Parámetros de Red
Los parámetros reticulares de la celda unitaria son las dimensiones de sus aristas y los ángulos
que forman entre si y que describen el tamaño y la forma de la celda unitaria. Se requieren varios
parámetros de red para definir el tamaño y la forma de celdas unitarias complejas. En un sistema
cristalino cúbico, solo la longitud de un lado es suficiente; sin embargo para la celda unitaria
ortorrómbica se deben especificar las magnitudes de los tres lados de la misma.
La celda unitaria hexagonal requiere dos dimensiones a y b así como el ángulo de 120° entre
estos; además del perpendicular existente entre ellos y el eje c. La más compleja de las celdas
unitarias, la triclínica, se define mediante tres lados y tres ángulos diferentes.
Radio Atómico en Función del Parámetro de Red
Las celdas más sencillas son las que presentan simetría cúbica y con ello un átomo por sitio de
red, es decir que su base atómica es uno. Con esta sencilla relación; es posible determinar el radio
atómico en base al parámetro de red.
Las características primordiales de una celda unitaria son la longitud de su parámetro de red ao,
la cantidad de átomos en al celda unitaria y el número de coordinación de cada átomo.
Aunque en muchas publicaciones técnicas se encuentran los valores de ao para muchos
materiales, es importante conocer que se puede estimar este valor partiendo de un conocimiento del
radio r de los átomos implicados, y de la geometría de la celda unitaria.
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Ingeniería en Materiales
Si se proyecta la vista tridimensional a una bidimensional, podemos resolver este tipo de
incógnitas, no sólo para este tipo de configuración atómica, sino que plantea los principios
definitorios de cada sistema cristalino.
Para poder obtener la relación entre el parámetro de red y el radio atómico (ao-r) se determina
una dirección en que los átomos tengan contacto entre sí y se igualan la expresión de la distancia
entre centros de átomos, en términos de ao, con la de la distancia equivalente en términos de r.
Si retomamos el caso de la estructura cúbica simple (C.S.), podemos afirmar que la proyección
bidimensional de una de sus caras, es un círculo inscrito en un cuadrado, donde la relación (ao-r), se
puede escribir de la siguiente manera:
C.S. (ao-r) → ao = 2r
Siguiendo este algoritmo; podemos citar la estructura del Tungsteno (W); como se puede
apreciar un átomo esta posicionado en cada vértice del cubo, y uno se encuentra en el centro. Esta
es la estructura cúbica centrada en el cuerpo (B.C.C.). Cada átomo de vértice toca al átomo central
pero no toca a otro átomo de vértice. Entre otros metales que tienen la estructura B.C.C. a
temperatura ambiente están el Cromo (Cr), el Hierro (Fe), el Molibdeno (Mo), y el Vanadio (V).
Si definimos ao como la longitud de la arista de nuestro cubo, la longitud de cualquier diagonal
de cara según el Teorema de Pitágoras es ao√2 y la de cualquier diagonal de cuerpo es ao√3.
En consecuencia la distancia entre átomos adyacentes en la estructura B.C.C. es ao√3/2. Esta
misma distancia en función de r, es 2r, por lo que la relación (ao-r) es:
ao√3 = 2r
2
ao (B.C.C.) = 4r
√3
Figura 1.4 Representación esquemática de la relación (ao-r), para uan estructura B.C.C.
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Otra celda unitaria en común, con la simetría cúbica y un átomo por posición, es la estructura
cúbica centrada en las caras (F.C.C.). Entre los metales que tienen esta base a condiciones
normales de temperatura y presión de pueden citar el Aluminio (Al), el calcio (Ca), el oro (Au), el
cobre (Cu), el plomo (Pb), el platino (Pt), el níquel (Ni) y la plata (Ag). Esta estructura tiene un
átomo en cada vértice, y además un átomo adicional en el centro de la cara. Cada átomo de vértice
toca a los átomos del centro de sus tres caras adyacentes, pero los átomos de los vértices no se tocan
entre sí.
Tomamos la definición anterior de ao, y sabiendo que la longitud de la diagonal de cara es ao√2,
la distancia de repetición se define de igual manera como 2r. Es por ello que la relación (ao-r), se
puede traducir como:
ao√2 = 2r
2
ao (F.C.C.) = 4r
√2
Figura 1.5. Estructura de una celda unitaria cúbica centrada en las caras (F.C.C.), representada
de las tres maneras convencionales para la deducción de la relación (ao-r).
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Número de Coordinación
Gran parte de nuestra discusión ha tratado de las combinaciones que involucran únicamente a
dos e incluso cuatro átomos. Sin embargo, la mayoría de los materiales de ingeniería tienen grupos
coordinados de millares de ellos, y que por ende se les debe conceder la atención debida. Por ello
cuando estamos analizando la unión de átomos dentro de un material, tenemos que hablar de un
término denominado como número de coordinación.
El número de coordinación, (N.C.), se refiere simplemente al número de los átomos adyacentes
o continuos al átomo de referencia, y nos da una referencia acerca de la eficacia del factor de
empaquetamiento.
Dos factores controlan al número de coordinación de un átomo. El primero denominado
covalencia, se refiere específicamente al número de enlaces covalentes alrededor de un átomo, y
que estos a su vez, dependen del número de sus electrones de valencia.
El segundo factor que afecta al número de coordinación es el empaque atómico eficiente. A
medida que los iones de cargas distintas se aproximan entre sí, se libera una mayor cantidad de
energía. Los compuestos iónicos por esta razón, tienen generalmente altos números de
coordinación, esto es gracias a que el enlace iónico de vuelve mas fuerte conforme existan tantas
moléculas como sea posible, y con ello evitar la generación de fuerzas de repulsión mutuas entre
los iones de cargas iguales.
Factor de Empaquetamiento
El factor de empaquetamiento o de acomodamiento es la fracción de espacio ocupada por los
átomos, suponiendo que sean esferas sólidas. Se puede entender de manera sencilla como la
relación del volumen ocupado por los átomos, entre el volumen total disponible. Esta relación se
puede describir de manera matemática como:
F.E.A = (Cantidad de átomos en la celda unitaria) (Volumen de un átomo)
Volumen de la celda unitaria
Calcular el factor de empaquetamiento para los tres tipos de celdas cúbicas si el volumen de cada
átomo se considera igual a 4/3 π r³
Cúbica Simple (C.S.)
C = 1 átomo por celda
Vatom = 4/3 π r³
Vcelda = ao³ = (2r)³
F.E.A. = (1)( 4/3 π r³) = 1 π
8r³
6
F.E.A. = 0.52
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Cúbica Centrada en las Caras (F.C.C.)
C = 4 átomos por celda
Vatom = 4/3 π r³
Vcelda = ao³ = (4r/√2)³
F.E.A. = (4)( 4/3 π r³)
64r³
2√2
F.E.A. = 0.74
Cúbica Centrada en el Cuerpo
C = 2 átomos por celda
Vatom = 4/3 π r³
Vcelda = ao³ = (4r/√3)³
F.E.A. = (1)( 4/3 π r³)
64r³
3√3
F.E.A. = 0.68
En los metales el factor de empaquetamiento de 0.74, correspondiente a la celda unitaria cúbica
de centrada en las caras se puede considerar como la más eficiente debido a que este valor nos da
una aproximación exacta de la densidad volumétrica pro unidad atómica, es por ello que al ser
mayor, la cohesión atómica incrementa.
Los átomos de metales que solo presentan unión metálica están acomodados tan eficientemente
como es posible; la mayoría tiene estructuras F.C.C., B.C.C. y H.C. (Hexagonal compacta).
Densidad
La densidad de un metal se puede calcular también aplicando las propiedades de la estructura
cristalina. La densidad como es sabido; es la relación de la masa de cierta cantidad de átomos por
unidad de volumen. La formula general en función de los parámetros del sistema cristalino se
define como:
ρ =
(Átomos de la celda)(Masa Atómica)
(Volumen de la celda)(No. de Avogadro)
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14
Ingeniería en Materiales
Determinar la densidad del Hierro B.C.C. de acuerdo a los datos presentados a continuación.
C = 2 átomos por celda
m = 55.85 gr / gr mol
ao = 2.866*10-8 cm
Vcelda = ao³
ρ =
(2)(55.85)
= 7.878 gr / cm³
-8
23
(2.866*10 )³ (6.023*10 )
Para poder determinar la densidad de este mismo material pero teniendo en su estructura otro
sistema cristalino, como lo es el F.C.C, se tiene:
C = 4 átomos por celda
m = 55.85 gr / gr mol
ao = 2.866*10-8 cm
Vcelda = ao³
ρ =
(4)(55.85)
= 15.756 gr / cm³
(2.866*10-8)³ (6.023*1023)
Estructura Hexagonal Compacta (H.C.)
La estructura del sistema hexagonal se visualiza con mayor facilidad si se consideran tres celdas
unitarias agrupadas en una mayor. Las caras, tanto superior como inferior, son hexágonos; y las
seis caras laterales son rectángulos. En la estructura hexagonal simple (H.S.), los átomos están
colocados en cada vértice y en el centro de las caras hexagonales. Aunque las estructura H.S. no es
común en los cristales, tiene una variación: la estructura hexagonal compacta (H.C.), que es
característica de muchos metales en condiciones tipo, entre ellos el cadmio (Cd), el cobalto (Co), el
magnesio (Mg), el titanio (Ti), y el zinc (Zn).
En esta estructura se puede observar que hay seis átomos en las esquinas de las caras superior e
inferior y que cada uno pertenece y es compartido por seis celdas unitarias; un átomo al centro de
los planos básales inferior y superior, que es compartido cada uno por dos celdas, y tres átomos en
el plano central.
Por lo anterior la cantidad total de átomos en la celda grande es seis. Si se estipula que cada
celda grande está formada por tres celdas unitarias, por ende tenemos que la estructura hexagonal
compacta en cada celda unitaria posee dos átomos.
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15
Ingeniería en Materiales
Figura 1.6 Estructura de las celdas unitarias hexagonal simple (H.S.), y hexagonal compacta (H.C.)
a) Un modelo de puntos de una celda unitaria H.S. mostrando la relación geométrica entre la
celda primitiva y la celda unitaria más grande.
b) Un modelo de puntos de la celda unitaria para la estructura H.C. mostrando varias celdas
unitarias vecinas.
c) El modelo de esferas macizas de la estructura H.C.
d) Ilustración de los átomos adyacentes a una celda unitaria H.C.
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16
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Estructura
ao = f(r)
F.E.A
Metales Típicos
ao = 2r
Número de
coordinación
6
Cúbica Simple
(C.S.)
Cúbica centrada
en el cuerpo
(B.C.C.)
Cúbica centrada
en las caras
(F.C.C.)
Hexagonal
compacta
(H.C.)
0.52
Ninguno
ao = 4r /√3
8
0.68
Fe. Ti, W, Mo, Nb,
Na, V, Cr, Zn
ao = 4r /√2
12
0.74
Fe, Al, Cu, Ag, Pb,
Ni, Pt.
ao = 2r
12
0.74
Ti, Mg, Zn, Be, Co,
Zr, Cd.
Tabla 1.2 Características de los cristales metálicos más comunes.
Índices de Miller
La denotación denomina Índices de Miller, es la convención más común para describir puntos,
direcciones y planos específicos en los sistemas de red cristalina. Con la notación de índices de
Miller no sólo se simplifica la descripción de las direcciones sino que también se pueden utilizar
operaciones vectoriales simples como los productos cruz y punto.
Coordenadas de puntos
El primer paso para describir las estructuras cristalinas es seleccionar un sistema de coordenadas.
En este libro se ha elegido el sistema coordenado correspondiente a la mano derecha para facilitar
nuestro trabajo, aunque si el alumno lo requiere puede tomar como referencia otro si para el es de
mayor comodidad. Enseguida, se debe orientar el sistema coordenado en la celda unitaria alineando
los tres ejes con las aristas del prisma en cuestión. Una vez hecho esto, los puntos ubicados en la
red cristalina, se describen de la forma (h, k, l), y que corresponden a múltiplos de los parámetros de
red (a, b, c), ya descritos.
Posición
O
A
B
C
D
E
F
G
Coordenada
0,0,0
1,0,0
0,1,0
0,0,1
1,1,1
1,1,0
0,1,1
1,0,1
Figura 1.7 Indices de Miller (h, k, l), para indicar los puntos de la red cristalina.
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17
Ingeniería en Materiales
Índices de direcciones
Los índices de Miller para direcciones se obtienen como sigue:
1. Determine las coordenadas de los dos puntos que este en la dirección de interés, (h1, k1, l1) y
(h2, k2, l2). De ser posible, el cálculo se simplifica si el segundo punto de referencia es el
origen del sistema de coordenadas.
2. Reste las coordenadas del primero menos el segundo: (h´, k´, l´) = (h1, k1, l1) - (h2, k2, l2).
3. Elimine las fracciones de las diferencias obtenidas para poder tener índices con valores
enteros mínimos, (h´, k´, l´).
4. Se deben escribir los valores de los índices entre corchetes y sin comas, [h´ k´ l´ ]
5. En caso de presentarse valores negativos, estos se escribirán poniendo una raya arriba del
entero, o con la notación tradicional. Por ejemplo, si h´ < 0; se escribe: [h´ k´ l´ ]
Dirección
OA
OB
OC
OD
OE
OF
CB
Coordenada
[1 0 0]
[1 1 0]
[1 1 1]
[2 0 1]
[0 -1 0]
[1 1 2]
[0 0 -1]
Figura 1.8 Índices de Miller [h k l], para indicar las direcciones de la red cristalina.
Si las propiedades de un cristal se miden en dos direcciones distintas y se ve que son idénticas,
se concluye que esas direcciones son equivalentes. Las propiedades de un cristal cúbico medidas a
lo largo de la dirección [1 0 0], son iguales a las medibles en la dirección [0 -1 0] o [0 1 0]. De
igual manera; las características presentes tanto en todas las diagonales de cara y las diagonales de
cuerpo son equivalentes. A este conjunto de direcciones que presentan las mismas magnitudes
físicas se denominan familias de direcciones, y se especifican con paréntesis angulares: < h, k, l >.
De esta manera, las aristas de un cubo son comprendidas por la familia de direcciones < 1 0 0 >,
las diagonales de las caras comprenden < 1 1 0 > y las diagonales de cuerpo comprenden <1 1 1>.
Se puede concluir que las familias de direcciones en una celda unitaria cúbica se pueden formar
considerando las permutaciones posibles de los símbolos h, k y l, con número enteros (no olcide
considerar los signos negativos también).
Es también necesario conocer el ángulo entre direcciones; esto se puede averiguar aplicando la
definición vectorial de producto punto y aplicarla en este caso:
A ∙ B = |A| |B| cos θ
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Índices de planos
Los índices de Miller de planos se obtienen con el siguiente procedimiento:
1. Identifique las coordenadas al origen del plano, es decir, las coordenadas de las
intersecciones del plano con los ejes coordenados x, y y z. Si el plano es paralelo a uno de
los ejes, se considera que la coordenada al origen se indetermina; aunque en algunos textos
se considera que la coordenada al origen es infinito (∞). Si el plano pasa por el origen, se
debe de cambiar la posición del mismo para poder dar una referencia exacta de la ubicación
del plano.
2. Determine las recíprocas de las coordenadas al origen.
3. Elimine las fracciones, sin reducir a los enteros mínimos (sustraer el máximo común
divisor).
4. Cite los planos entre paréntesis y sin comas, (h k l), de nuevo con rayas arriba o de manera
simple para ejemplificar los índices negativos.
Las familias de planos se indican entre llaves: {h k l}. Todos los planos de una familia son
equivalentes respecto a que contienen exactamente el mismo arreglo de átomos. Como es uan
constante, los miembros de la familia de planos se pueden citar tomando las permutaciones posibles
de los índices, considerando los signos negativos también.
Finalmente al manejar los índices de Miller referentes a planos y direcciones el alumno se
familiarizará con varias propiedades o relaciones importantes.
1.
2.
3.
Los planos y sus negativos son equivalentes. Los negativos de las direcciones no son
equivalentes, sino que apuntan en direcciones opuestas.
No necesariamente los planos equivalen a sus múltiplos. Las direcciones son invariables a
la multiplicación por un factor.
En los cristales cúbicos un plano y una dirección que tienen los mismos índices son
ortogonales.
Plano
A
B
C
D
Coordenadas
al origen
∞, ∞, 1
1, 1, 1
1, 1, ∞
∞, ∞, -1
Índices
(001)
(111)
(110)
( 0 0 -1)
Figura 1.8 Índices de Miller (h k l), para indicar los planos de la red cristalina.
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Índices en el sistema hexagonal
Para poder describir los puntos, direcciones y planos en el sistema cristalino hexagonal, se
pueden tomar las bases aprendidas para describir las estructuras cúbicas.
En este tipo de estructura, se pueden identificar cuatro ejes cristalográficos, que suelen
referenciar con respecto al centro del plano basal. Los tres ejes denominados ai, surgen en este
plano mientras que el eje c, es perpendicular a este.
La formulación de estos índices es complicada, sin embargo a lo largo del texto se podran
nombra a estos simplemente refiriéndonos como direcciones y planos a y c; distinguiéndolos entre
si dependiendo del plano basal en que se encuentren.
Figura 1.9 Direcciones y planos
importantes en las celdas unitarias
hexagonales.
Distancia Interplanar
La distancia entre dos planos de átomos paralelos adyacentes con los mismos índices de Miller
se denomina distancia interplanar; y se representa con la abreviatura dhkl. Tal distancia en los
materiales con una red cristalina cúbica se define matemáticamente como:
dhkl =
ao______
h² + k² + l²
En este caso como sabemos ao, es el parámetro de red, que puede estar definido en función del
radio atómico. Los índices de Millar propuestos, son los correspondientes a los planos adyacentes
considerados.
La distancia interplanar es de vital importancia para el estudio de la difracción de rayos X. Se
puede estudiar la interacción de la radiación X, y los planos de átomos de un cristal para determinar
el parámetro de red de un material.
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Difracción de rayos X
La principal herramienta para investigar la estructura a escala de dimensiones atómicas es la
difracción de rayos X. Es una técnica relativamente sencilla, pero que puede proporcionar
información acerca de los planos y de las posiciones de las moléculas y átomos que conforman un
compuesto.
El mecanismo se basa en el principio de interacción ondulatoria llamado interferencia, y que
tiene como principio el defasamiento de amplitud de las ondas electromagnéticas que se aplican al
compuesto. Si las ondas están alineadas, estas se suman para generar una onda de mayor amplitud,
a esto se le denomina interferencia constructiva. En cambio si las ondas se defasan medio ciclo,
estas se anulan por lo que resulta una interferencia destructiva.
Cuando se presenta una interferencia constructiva se denomina difracción y matemáticamente se
define como:
2d sen θ = nλ
donde λ es la longitud de onda de radiación; θ el ángulo de incidencia y d, la distancia interplanar.
A esta ecuación se le conoce como la Ley de Bragg o ecuación fundamental de la difracción.
El factor n, se determina si la difracción es de n-ésimo orden.
Figura 1.10 Geometría de los rayos X reflejados en planos atómicos paralelos.
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UNIDAD II
Imperfecciones en los cristales
Todos los materiales tienen irregularidades o defectos en el arreglo
atómico, y los cuales tienen efectos en el comportamiento del material.
Controlando las irregularidades reticulares se hacen más resistentes los
metales y sus aleaciones, se producen imanes más potentes, transistores y
fotoceldas solares más eficientes, vidriería de vivos colores, electrónica de
vanguardia y muchas otras aplicaciones en el ámbito industrial.
De acuerdo con las leyes fundamentales de la física, todos los materiales
cristalinos deben tener una pequeña fracción de átomos o iones que falten
o que sobren en sus sitios de red. Además de los defectos que deben estar
presentes, hay otros que, si bien no se requiere que lo estén, tienen
consecuencias notables.
Esos defectos pueden ser impurezas, que pueden estar presentes
intencionalmente o no; tienen una influencia sobre las propiedades de los
materiales que es proporcional a su concentración. Quizá el ejemplo más
obvio del efecto de las impurezas es el del acero, que es una mezcla de
hierro y una concentración muy pequeña de carbono. Los átomos de
carbono, que en el caso característico sólo constituyen el 0.4% en peso del
acero y que tiene el efecto de aumentar la resistencia del material.
En esta unidad se presentarán los tres tipos básicos de defectos de una
red, defectos puntuales, de línea (o dislocaciones) y de superficie. Sin
embargo, debe recordarse que tales irregularidades sólo presentan
deficiencias en un arreglo atómico perfecto y no denotan que el material
en sí sea defectuoso. De hecho, tales "defectos" son incorporados
intencionalmente para producir propiedades mecánicas y físicas deseadas.
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Defectos Puntuales
Un defecto puntual se puede definir como una imperfección en donde solo intervienen unos
cuantos átomos y que se presenta de manera aislada pero con frecuencia dentro de un arreglo
molecular.
Vacantes e intersticiales en los cristales.
El defecto puntual más simple es una vacante, la cual involucra la ausencia de un átomo en una
posición que normalmente debe estar ocupada y que puede deformar en dos espacios para originar
una bivacante.
El defecto intersticial se forma cuando se inserta un átomo adicional en la estructura de la red en
un lugar o nodo que debe estar desocupado, es decir en un intersticio o espacio interatómico.
Figura 2.1 Vacancias e intersticiales
dentro de una red cristalina.
Un defecto sustitucional se introduce cuando un átomo de la red es reemplazado por un tipo
diferente de átomo.
El átomo sustitucional se puede alojar tanto en un nodo atómico como en un intersticio. Si se da
la primera posibilidad, se le conoce como solución sólida sustitucional. En cambio si los átomos
de soluto de depositan en los intersticios se llama solución sólida intersticial.
En los sólidos iónicos se encuentran defectos puntuales parecidos, aunque difieren entre sí
debido a la eliminación de un solo ión ocasionaría un desequilibrio eléctrico dentro del cristal.
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a)
b)
Figura 2.2 a) Solución sólida sustitucional; b) Solución sólida intersticial.
La relación catión-anión debe de ser tal, que al presentarse la vacancia, el material quede
eléctricamente neutro o estable. Estos grupos de catión anión se denominan defectos de Schottky.
Otra posibilidad donde se puede encontrar la neutralidad de la carga es la aparición de un par
vacancia-intersticial. A estos se les denomina como defectos de Frenkel.
Figura 2.3 Defecto de Schottky
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Figura 2.4 Defecto de Frenkel
Dislocaciones
Una dislocación se puede definir como una región distorsionada situada entre dos planos
atómicos
Las posibles causas que originan las dislocaciones dentro de un cristal son:
a) Accidentes en el proceso de crecimiento durante la solidificación de los cristales.
b) Esfuerzos internos relacionados con otros defectos dentro del material
c) Interacciones entre las dislocaciones existentes que se presentan durante la deformación
plástica.
Si la dislocación se origina dentro de la estructura del cristal, debe de presentarse un esfuerzo
cortante τ, para ocasionar la ruptura de los enlaces atómicos existentes entre los planos.
Con ello uno de los planos estará habilitado atómicamente mientras el otro no lo está. A este
movimiento se le conoce como deslizamiento de dislocación.
Se puede obtener una referencia de del desplazamiento atómico definiendo un circuito en torno a
la dislocación de modo que este debe tener un inicio y final idénticos si el defecto no existiese.
A este circuito se le conoce como Vector de Burgers, y tiene la particularidad de no cerrarse
debido que uno de los planos en donde ocurre la dislocación carece de átomos.
Se dice que existe una dislocación de borde si se manifiesta una inserción dentro de uno de los
planos de acción, es decir, la ausencia de átomos en uno de los planos a estudiar.
Existe un defecto planar denominado dislocación de tornillo se llama así debido a la superficie
helicoidal o espiral formada por los planos atómicos alrededor de la línea de defecto. La línea de
dislocación produce esfuerzos de compresión debajo de la dislocación y esfuerzos de tensión por
arriba de ella.
Finalmente se pueden presentar dislocaciones mixtas, en donde la región central no se puede
definir claramente, a causa de la presencia de características de las dos anteriores.
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.
Figura 2.5 Dislocación de Borde
La flecha indica el sitio de
inserción.
Figura 2.6 Dislocación de Tornillo
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Figura 2.7 Dislocación Mixta.
Significado de las dislocaciones
Aunque el deslizamiento puede ocurrir en algunas cerámicas y polímeros, el proceso de
deslizamiento es particularmente útil para comprender el comportamiento mecánico de los metales.
En primer lugar, el deslizamiento explica por qué la resistencia de los metales es mucho más baja
que el valor calculado a partir de la unión metálica. Si tuviéramos que romper una barra de hierro,
rompiendo todos los enlaces metálicos en la sección transversal, como se muestra en la figura
tendríamos que aplicar una fuerza de muchos millones de libras por pulgada cuadrada. En cambio
podríamos deformar la barra ocasionando deslizamiento, durante el cual sólo una pequeña fracción
de todas las uniones metálicas necesita romperse a la vez. Y con un porcentaje de la fuerza
necesaria en el caso anterior.
Además, el deslizamiento proporciona ductilidad y maleabilidad a los metales. Si no se
presentaran dislocaciones, la barra de hierro sería frágil; los metales no podrían ser conformados en
formas útiles por los variados procesos de manufactura tales como el colado y la forja.
Finalmente, se controlan las propiedades mecánicas de un metal o aleación interfiriendo el
movimiento de las dislocaciones. Un obstáculo introducido en el cristal impide que se deslice una
dislocación a menos que se apliquen fuerzas elevadas, por consecuencia, el metal debe ser
resistente.
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Límite de fluencia real
Es el punto en la gráfica esfuerzo-deformación (σ-ε); en el cual existe deslizamiento atómico.
Este punto se encuentra después del punto de cedencia del material, debido a que antes de este
suceso, la deformación se manifiesta elástica; y como su nombre lo indica es el instante físico
donde el material termina de fluir.
Ley de Schmid
Es posible entender las diferencias en el comportamiento de los metales con estructuras
cristalinas distintas, estudiando el proceso del deslizamiento.
Supóngase que se aplica una fuerza unidireccional F a un cilindro de metal que está formado por
un solo cristal. Se puede orientar el plano de deslizamiento y la dirección de deslizamiento hacia la
fuerza aplicada definiendo los ángulos λ y φ.
El ángulo entre la dirección de deslizamiento y la fuerza aplicada se denomina λ, en tanto el
ángulo entre la normal al plano de deslizamiento y la fuerza aplicada, es φ.
.
Para que la dislocación se mueva en este sistema de deslizamiento, la fuerza aplicada debe
producir un esfuerzo cortante en la dirección de deslizamiento. Esta fuerza cortante Fr resultante
está dada por:
Fr = F cos λ
Si dividimos la ecuación entre el área del plano de deslizamiento, A =Ao / cos φ , para tener el
esfuerzo tanto cortante como por tensión.
Así, con esta deducción podemos escribir la ley de Schmid:
τr = σ cos φ cos λ
donde:
τr = Fr = Esfuerzo cortante en la dirección de deslizamiento.
A
σ = F
Ao
= Esfuerzo unidireccional aplicado al cilindro.
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Defectos de superficie
Todos los materiales comparten un tipo de defecto, el tener superficies libres o externas. Éstas al
interactuar con el medio ambiente, alteran la energía interna que poseen y que se denomina tensión
superficial. Es por ello que este tipo de defectos son los más simples de identificar y en cambio
existen innumerables tratamientos ya sea para contrarrestarlos o para aprovechar su presencia.
Un material se define como policristalino, si éste es un agregado de cristales orientados al azar y
que forman una muestra mesurable a las magnitudes correspondientes. La frontera entre los
cristales adyacentes que forman el material se denomina frontera o límite de grano.
Estos bordes de grano forman una zona estrecha donde los átomos no se encuentran espaciados
de manera apropiada ocasionando una región de compresión; mientras que en otras áreas los átomos
están muy separados originando una región de tracción.
Una de las aplicaciones de esta propiedad es el controlar las características de un metal a través
del endurecimiento por tamaño de grano. Reduciendo el tamaño de grano se incrementa el número
de granos por unidad de volumen, y por consiguiente decrece la cantidad de fronteras o bordes de
grano. Cualquier dislocación encontrará un límite de grano con sólo moverse un poco,
incrementándose la resistencia del metal a razón de la obstaculización del movimiento de
dislocación.
Además existe una configuración o arreglo de dislocaciones que produce una pequeña
desorientación entre redes cristalinas contiguas, identificado como borde de grano de ángulo
pequeño. Ya que la red circunvecina no es discontinua como en un borde de grano normal, los
bordes de grano de ángulo pequeño no son tan efectivos para impedir el deslizamiento. Los bordes
de ángulo pequeño formados por dislocaciones de borde son llamados bordes inclinados, y aquellos
producidos por dislocaciones de tornillo se llaman bordes torcidos.
a)
b)
c)
Figura 2.8 Límites de Grano. a) Esquema; b) Estructura granular del latón; c) Estructura granular del acero.
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Como el tamaño del grano tiene grandes consecuencias sobre muchas propiedades ingenieriles;
es importante contar con un método eficiente que nos ayude a encontrar el tamaño del mismo en
ciertas circunstancias. Es por ello que la ASTM (American Society for Testing and Materials), lo
define por la ecuación:
n = 2 N-1
donde N es el tamaño de grano, así como n es la cantidad de granos / in² en un aumento de 100x.
Fallas de Apilamiento
Las fallas de apilamiento son características de los metales F.C.C. y H.C., y representan un error
en la secuencia de acoplamiento de los planos basales. Normalmente, se produce una secuencia de
apilamiento correcta en una red F.C.C. perfecta; pero suponiendo que se produce el error representa
una falla de apilamiento.
Las fallas de apilamiento interfieren con el proceso de deslizamiento, debido a que los esfuerzos
cortantes no se concentran en los planos paralelos y de referencia a la fuerza que se ejerce para este
objetivo
Borde de Macla
Un plano que separa dos partes de un grano que tienen diferencia en la orientación de sus planos,
se denomina borde de macla. Las maclas o gemelos se producen cuando una fuerza cortante que
actúa a lo largo del borde de grano hace que los átomos abandonen su posición. El borde de macla
ocurre durante la deformación o tratamiento térmico de ciertos materiales, y que generalmente se
hace en frío.
Figura 2.8 Borde
de Macla, donde
se ilustra la
ubicación del
mismo dentro de la
red cristalina
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Ingeniería en Materiales
Macrodefectos en las piezas coladas
Otros defectos que pueden surgir de la solidificación son suficientemente grandes y que se
puedan advertir a simple vista. Dentro de estas imperfecciones las más comunes son las cavidades
por contracción y la porosidad.
Los metales líquidos, con pocas excepciones, sufren una contracción en volumen debido a la
solidificación. Este decremento en volumen puede ser hasta del 6%, dependiendo de las condiciones
del vaciado. En un molde diseñado apropiadamente, con las debidas precauciones para poder
proporcionar líquido continuo y sin solutos; la contratación en volumen no presentará un problema
serio; sin embargo, todo el exterior de la pieza durante la solidificación dará lugar a la formación de
una gran cavidad.
a)
b)
Figura 2.9 a) Dislocaciones de un acero inoxidable deformado 10 % a la tensión (40,000 x)
b) Fotomicrografía de dislocaciones impedidas por precipitados en una aleación a base de Ni.
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UNIDAD III
Diagramas de fase
En ingeniería como se ha visto, los materiales y sus propiedades
dependen de su estructura interna. Los diferentes estados de los materiales
que por el momento denominaremos fase, están íntimamente ligados a las
condiciones tanto atmosféricas como de trabajo a las que son sometidas.
Para especificar por completo el estado de un sistema en equilibrio, es
necesario especificar tres variables independientes, mismas que pueden
controlarse externamente y que definen el comportamiento del mismo:
temperatura, presión y composición química.
Si se supone que la presión permanece constante, con valor atmosférico,
el diagrama de equilibrio indicará los cambios estructurales debidos a la
variación de temperatura y composición. De igual manera, si cualquiera
de las dos variables restantes se considera constante, podemos analizar el
sistema de acuerdo a los dos parámetros restantes, y obtener conclusiones
acerca de la síntesis realizada.
El diagrama de fase es esencialmente una representación gráfica de las
fases presentes y como varían de acuerdo a los intervalos de composición,
la temperatura y la presión dentro de los cuales las fases son estables en un
sistema de aleación.
Idealmente, el diagrama de fase deberá mostrar las relaciones entre las
fases bajo condiciones de equilibrio, en las cuales no habrá cambio con el
tiempo. Las condiciones de equilibrio pueden ser aproximadas por medio
de calentamiento y enfriamiento extremadamente lentos, de modo que se
deje suficiente tiempo para detectar si un cambio de fase ocurre. En la
práctica, los cambios de fase tienden a ocurrir a temperaturas ligeramente
mayores o ligeramente menores, dependiendo de la rapidez a la que la
aleación se calienta o se enfría. La rápida variación en la temperatura, que
puede impedir cambios de fase que normalmente ocurrirían bajo
condiciones de equilibrio, distorsiona y a veces limita la aplicación de estos
diagramas.
Es por ello que en este capítulo englobaremos los aspectos necesarios
para construir y analizar estos diagramas de fase y poder pronosticar con
certeza las condiciones y el comportamiento de un material en un instante
determinado.
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32
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Diagramas Isomorfos
Para poder estructurar un estudio profundo y entendible sobre la teoría de los diagramas de fase,
es pertinente conocer los términos y significados que se utilizan con mayor frecuencia para referirse
a los mismos. Los conceptos aquí presentados aparecen como una definición clara y concisa que el
alumnado necesita; aunque no lo exenta de ampliar sus conocimientos consultando la bibliografía
que se propone en el epílogo.
Fase
Es una región química estructuralmente homogénea y que posee características físicas definidas;
como lo son densidad, conductividad térmica y eléctrica, entre otras.
Diagrama de fase
Es una representación gráfica de las fases presentes en un sistema de aleación, en función de la
temperatura, la presión y sus intervalos de composición dentro de los cuales las fases son estables.
Grano
Formación característica de grandes redes estructurales orientadas al azar. A este tipo de
formación se llega por tres métodos físicos inherentes al estado sólido:
a) Por crecimiento de los núcleos de cristalización en un sistema de solidificación.
b) Por un proceso de recristalización en un sistema sólido deformado en frío.
c) Por recristalización en un sistema en el cual uno de los metales es susceptible de
modificación alotrópica.
Según el proceso de formación, los granos pueden prolongarse en una dirección preferente
(alargados) o presentarse en su forma regular (equiaxiales).
Cristal
Agregado estructural de una cantidad finita de granos. Dentro del mismo, cabe aclarar, que la
orientación relativa de los granos se hace a través de una zona de parcial orientación que constituye
el límite común entre los mismos y que afecta sus propiedades de manera significativa.
Solución sólida
En los sistemas metálicos una solución sólida es la interacción atómica de dos compuestos
metálicos. Esta se puede dar total o parcialmente en la red cristalina ya que los átomos del soluto,
sustituyen a los átomos del disolvente; o se interponen en los espacios intersticiales del mismo.
Como esta mezcla tiene lugar a escala atómica; la apariencia en el microscopio no diferencía esta
fase, de un cristal de metal puro. Solo cuando se presenta la segregación, es decir hay una falta de
homogeneidad en la solución, se puede poner de manifiesto su carácter.
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33
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Solubilidad nula en el estado sólido
La solubilidad nula en el estado sólido se presenta en un diagrama de fase, cuando los
componentes de la aleación, bajo ciertas condiciones de temperatura y composición presentan una
miscibilidad nula; es decir no presentan la capacidad de formar una mezcla homogénea.
En los diagramas de fase se aprenderá a distinguir las zonas características de este tipo de
comportamiento.
Solubilidad total en el estado sólido
La solubilidad total en el estado sólido es manifiesta cuando los elementos de la aleación, en
ciertas condiciones de equilibrio presentan la capacidad de formar una mezcla homogénea sólida
que parte de una perfecta hegemonía estructural en el estado líquido. A este comportamiento se le
conoce como reacción eutéctica.
L
α + β
Solubilidad parcial en el estado sólido
Se refiere a un tipo particular de solución donde uno de los elementos de la mezcla delimita las
condiciones tipo en las cuales éste puede ser soluble o disolver al otro; y de manera viceversa.
Es un sistema bifásico que representa cualquier condición donde los componentes no están en
estado puro o en total solución.
Reacción Eutectoide de soluciones sólidas
Es la reacción química en virtud de la cual a partir de una solución sólida de composición mixta
(que contenga los dos elementos de aleación involucrados), se deriven las dos fases
correspondientes a los componentes de la aleación.
γ
α + β
Este tipo de reacción se toma en sentido dextrógiro, si disminuye la temperatura (reacción de
descomposición) y en sentido levógiro si aumenta la temperatura (reacción de adición).
Fase intermedia de composición variable
La fase intermedia de composición variable se refiere al máximo número de fases que pueden ser
estructuralmente estables y que son resultado de los excesos presentes en las soluciones
homogéneas.
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Reacción Peritéctica
Este tipo de reacción química se caracteriza por partir de una solución líquida y una sólida para
dar como resultado una fase intermedia de composición variable.
L + α
β
El sentido de la reacción es el mismo para todos los casos.
Reacción Peritectoide o metatéctica con formación de fase intermedia.
A diferencia de la anterior, esta reacción parte de dos soluciones sólidas para formar una fase
intermedia de composición variable.
γ + α
β
Reacción Monotéctica
En es estado líquido se pueden presentar soluciones parciales y no solo un sistema monofásico,
es decir homogéneo. En este caso el estado líquido se separa en una fase líquida y una sólida; es en
esta situación cuando se lleva a cabo la reacción monotéctica.
L
α + L1
Reacción Monotéctica Líquida
Debido a que el estado líquido bajo ciertas condiciones presenta soluciones parciales, son estas
dos las que llegan a generar una fase intermedia de composición variable, en este tipo de reacción.
L1 + L2
β
Reacción Sintéctica
Cuando las fases líquidas imparciales tengan composiciones diferentes, estas reaccionan entre si
para crear un compuesto intermedio que es capaz de disolver a las fases sólidas; cuando sucede esto
se le denomina reacción sintéctica.
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Ingeniería en Materiales
Lα + Lβ
δ
Diagrama isomorfo para sistemas ideales.
El sistema mas sencillo de dos componentes se denomina sistema isomorfo. Como su nombre lo
indica puede haber solubilidad completa en todo el intervalo de composiciones, tanto en el estado
líquido como en el sólido. La solubilidad bien definida se puede hallar solo en condiciones bien
definidas, llamadas Reglas de Hume-Rothery.
Figura 3.1 Diagrama de fase composición temperatura de un sistema isomorfo binario idealizado.
En la figura 3.1; se ilustra un diagrama isomorfo binario ideal para el sistema A-B. Se supone
que la presión es constante El eje vertical es la temperatura; mientras que el eje horizontal
manifiesta la composición de la aleación en fracción de peso del componente B. Es por ello que el
extremo izquierdo representa al componente puro A y el derecho representa al componente B puro.
Para cualquier mezcla A-B; la solidificación se efectúa en un intervalo de temperaturas, y no en
una fija. Es por ello que si se unen los puntos de inicio y fin de solidificación, en composiciones o
porcentajes de aleación (porcentajes de B) bien definidos; se obtiene un diagrama fase que muestra
el comportamiento global del material y que especifica las condiciones de equilibrio de fase
presentes en determinada combinación de composición y temperatura.
Las líneas definidas dentro de un diagrama de fase; se definen como fronteras o líneas de
fase; y las áreas o superficies encerradas entre ellas se llaman campos de fase. El límite de fase que
separa la región líquida de la región de dos fases (sólida-líquida) se indica por frontera del liquidus.
El límite de fase que separa la región de dos fases de la región de fase sólida se recuerda como
frontera del solidus. Si se requiere definir un punto del diagrama y cuyas coordenadas por ende
Ing. De Materiales.
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son composición-temperatura y que define un estado del material; lo llamaremos punto de estado.
Diagrama de fases eutético
a)
c)
b)
d)
Figura 3.2 Desarrollo de una reacción eutéctica al aumentar la tendencia al agrupamiento en la
fase sólida.
A) Diagrama del sistema ideal
B) a D) Tendencia creciente al agrupamiento de la fase sólida.
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Figura 3.3 Diagrama de fases binario eutéctico y los términos que lo describen.
Los términos manejados en el diagrama binario eutéctico, ya son conocidos por el alumno; sin
embargo cabe aclarar algunos nuevos y que serán de vital importancia en los estudios posteriores.
a) El punto E; es conocido como punto eutéctico; debido a que en yacen las tres fases de
interés (L, α, β,).
b) Las líneas solvus; separan las de solución sólida de una fase, de las regiones sólidas de dos
fases.
c) El diagrama eutéctico se divide en dos descripciones. Denominaremos hipoeutécticas a las
composiciones de la izquierda del punto eutéctico (menos componente B, que la
composición eutéctica o de referencia), e hipereutéctica a las que están a la derecha del
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punto eutéctico (mas componente B de la referencia.).
Diagrama de fases peritéctico
Si la fase líquida y también la fase sólida tienden a formar un nuevo compuesto, la temperatura
del liquidus aumenta y la del solidus disminuye. Como el sólido tiende a fusionarse aparece en un
intervalo de miscibilidad considerable. Con ello la región lenticular de dos fases (en forma de
lente) se ensancha y aumenta la temperatura crítica de esta miscibilidad. Cuando esto ocurre el
límite de esta temperatura crítica lo define la reacción peritéctica.
a)
b)
c)
d)
Figura 3.4 Desarrollo de una reacción peritéctica al aumentar la tendencia al agrupamiento
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de las fases sólida y líquida.
a)
b)
c)
Figura 3.5 a ) Diagrama de fases peritéctico para describir sus regiones
b) Curva correspondiente al enfriamiento de la aleación Xp
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Ingeniería en Materiales
c) Sistema peritéctico donde se muestra tal enfriamiento.
Diagrama de fase monotéctico
. En algunos sistemas de fases; las características de enlace de los componentes son tan distintas
que se desarrolla una región de inmiscibilidad en el estado líquido. Este comportamiento es
característico de los metales cuando se presenta una reacción monotéctica.
Como ya se cito la reacción monotéctica se caracteriza por la presencia de un campo de dos fases
líquidas. El sistema W-Cu es un ejemplo claro de este comportamiento extremo, es por ello que se
utilizan otros métodos para poder obtener una aleación entre ellos.
a)
b)
c)
d)
Figura 3.6
El diagrama de fases monotéctico en su caso límite presente cuando no hay
solubilidad mutua en al fase sólida o líquida
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Diagrama de fase eutectoide
La reacción eutectoide es parecida a la reacción eutéctica, porque su fase se descompone y
forma dos compuestos al enfriar. A diferencia de la mencionada; una fase sólida (γ), se
descompone en dos fases sólidas; es decir que durante esta reacción el estado de agregación del
material no se afecta. En la reacción eutectoide la distribución del soluto en la solución se indica
en la fase sólida.
El sistema industrial más importante que presenta este tipo de reacción es el Fe-FeC3, debido a
que es hoy en día es la aleación con más aplicaciones dentro del mercado; nos referimos al acero.
Figura 3.6 Diagrama de fases eutectoide
Ing. De Materiales.
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Diagrama de fases Fe-FeC3
Figura 3.7 Diagrama general de fases eutectoides en equilibrio, para el sistema binario de
aleación Fe-FeC3.
El diagrama de fases más importante hasta el momento en la industria de la manufactura es el
concerniente a la aleación Fe-Fe3C (sistema de aleación del acero). Como se puede apreciar se
denotan tres reacciones importantes dentro del mismo, una eutectoide (727 °C), una peritéctica
(1495 °C), y una eutéctica (1148 °C), por lo que se le puede considerar también un diagrama
complejo.
Este diagrama se explicará a detalle, con sus composiciones y características en el siguiente
capítulo.
Ing. De Materiales.
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Diagramas complejos
Los diagramas concluidos con anterioridad han sido de mínima complejidad para el
entendimiento del alumnado. En la mayoría de los casos, los diagramas prácticos son más
complicados, a causa de las variadas combinaciones entre las reacciones químicas antes vistas.
Los diagramas se pueden dividir en tantas partes como sea necesario y que ilustren las diversas
reacciones que lo componen; esto con el fin de simplificar su análisis. Además es necesario
recordar los puntos de referencia para poder ubicar las condiciones en las cuales se encuentra una
composición y temperatura específicas.
Figura 3.8 Diagrama de fases complejo, con una reacción peritéctica y dos eutécticas; en este
tipo de diagrama es fácil encontrar fases intermedias de composición variable.
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Fases en equilibrio y la regla de la palanca
Recordemos que las propiedades del material no sólo dependen de las fases presentes, sino
también d sus composiciones y cantidades relativas. El primer paso para obtener esta vital
información es ubicar el punto de estado con el cual se va a trabajar. En el caso de los sistemas
binarios, concretamos que las composiciones de fase se determinan como sigue:
1. Prolongue una línea de enlace, que pase por el punto de estado y que sea paralela al eje de
composición. Intersectando ésta con el eje vertical; se sabrá la temperatura de la
composición
2. Sobre la línea de enlace trace una perpendicular que pase por el punto de estado e intersecte
el eje horizontal. Las composiciones de las dos fases se determinan con las coordenadas
horizontales, teniendo presente que sus unidades son fracciones de peso del componente B.
En una composición que denominaremos XO, a una temperatura T1, el componente B se
distribuye en la fase líquida (XL) y en su fase sólida (XS). Si queremos averiguar este valor en
relación de la masa del componente basta con multiplicar el correspondiente valor de cada fase. Es
por ello que la masa total del componente B se puede resumir como:
MOXO = MS XS
MO
es decir
+ ML XL
MO
XO = fSXS + fLXL
donde fS = ( MS/MO ); fL = ( ML/MO), y son las fracciones en masa del líquido y del sólido
respectivamente. Si consideramos que al sumar estas dos se llega a una constante; fS + fL = 1, se
tiene:
fL = XO - XS
XL - XS
=
XS - XO
XS - XL
fL = XL - XO
XL - XS
=
XO - XL
XL - XS
A estas ecuaciones se denominan regla de la palanca y se utilizan para calcular las cantidades
relativas de fase en equilibrio, independientemente de las fase, solución o reacción presente.
A continuación se ilustra un dibujo con la ayuda mnemotécnica para utilizarla de forma rápida y
fácil cuando se determinan fracciones de masa.
La clave es recordar que la fracción de masa calculada es proporcional a la longitud del brazo
opuesto.
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a)
b)
Figura 3.9 Definición gráfica de la línea de enlace y de la regla de palanca, refiriéndose a un
punto de estado e ilustrando la mnemotecnia utilizada para su aprendizaje.
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Reacciones de tres fases
Este tipo de reacciones llamadas también reacciones invariantes se presentan durante el
calentamiento y/o enfriamiento de un sistema de aleación; y que se pueden identificar en un
diagrama de fases complejo mediante el siguiente procedimiento:
1. Se localiza una línea horizontal en el diagrama de fases. La línea horizontal que indica la
presencia de una reacción de tres fases representa la temperatura a la cual ocurre la reacción
en condiciones de equilibrio.
2. Se localizan tres líneas o fronteras de fase distintas en la línea horizontal. El punto central
representa la reacción de tres fases.
3. Se observa justo por encima y por debajo del punto central y se identifican las fases
presentes. En base a lo anterior se escribe en forma de reacción, la transformación de
acuerdo a las anteriores definiciones.
Reacción
Ecuación General
Apariencia del diagrama
L
Eutéctica
L
α + β
α + β
L + α
Peritéctica
L + α
β
β
L1
Monotéctica
L1
L2 + α
L2 + α
γ
Eutectoide
γ
α + β
α + β
α + β
Peritectoide
α + β
δ
δ
Tabla 3.1 Reacciones de tres fases y su representación gráfica dentro del diagrama de fases.
Ing. De Materiales.
47
Ingeniería en Materiales
Diagramas Ternarios
Hasta ahora hemos examinado solamente sistemas con dos componentes, lo cual nos llevó a los
diagramas binarios. En muchas aleaciones tenemos presentes tres elementos principales; un claro
ejemplo de esto es el acero inoxidable 18/8, que consiste en una aleación con 18% de Cr, 8% de Ni
y alrededor de 74% de Fe.
Si fijamos la presión al valor de la atmósfera tipo en un diagrama binario, y enseguida
especificamos que las tres fases están en equilibrio, solo debemos encontrar la temperatura y las
composiciones de las fases.
Sin embargo, en un sistema ternario bajo las mismas condiciones se pueden encontrar tres fases
en un intervalo de temperaturas y hasta cuatro fases en una temperatura determinada.
Obviamente necesitamos algún tipo de mapa tridimensional para representar esta nueva variable.
Por esta razón; utilizamos entonces una gráfica triangular.
Primero consideramos la representación de la composición a temperatura constante y luego la
dimensión adicional para temperatura variable. Quizás la forma más rápida de visualizar la red
mostrada; es como sí fuese un triángulo equilátero. Cada esquina señala que el componente de
aleación se encuentra puro; y sucesivamente conforme decrecen las líneas hacia los dos extremos
restantes, será entonces el valor de composición de dicho elemento.
Después que la presión se ha establecido; solo la temperatura o algún parámetro de
concentración, se puede seleccionara para fijar las condiciones de equilibrio. La representación del
equilibrio trifásico sobre un diagrama de fases, requiere el uso de una unidad estructural, la cual
designará, para alguna temperatura dada, la composición fijada de las tres fases conjuntas.
Figura 3.10 Gráfica de
composición de un
sistema ternario, usando
un triángulo equilátero.
Ing. De Materiales.
48
Ingeniería en Materiales
Para poder interpretar la composición del punto P1, se trazan las perpendiculares de P1 a los
lados del triángulo. El punto P1, estará a una distancia a del lado BC, a una distancia b del lado AC,
y a una distancia c del lado AB del triángulo. Con ello se puede localizarla intersección de las tres
distancias ubicándolas según al referencia o cuadrícula dada. En consecuencia la composición de la
aleación será el punto con las coordenadas (a, b, c).
Se debe reconocer que debido a que las fracciones de (a, b, c), son al unidad solo se necesitan
localizar las dos de las tres rectas constantes, dejando para confirmar la última de las distancias.
Figura 3.11 Ilustración de
la identificación básica
de componentes.
Aleación compuesta por
30% A, 20% B y 50% C.
Regla de la palanca para los sistemas ternarios
Cuando hay tres fases en equilibrio, al formar el triángulo, se toma como referencia la
determinación de su centro de gravedad; debido a la alegoría de considerar al triángulo apoyado en
tres masas ubicadas en los vértices y que son proporcionales a las cantidades presentes de las tres
fases.
La posición en X (centro de gravedad), se encuentra en equilibrio cuando se presentan las
siguientes igualdades, que definen las regla de la palanca para lo sistemas ternarios.
fa = a’ - X
a’ - a
fb =
b’ - X
b’ - b
fc = c - X
c’ - c
Ing. De Materiales.
49
Ingeniería en Materiales
Figura 3.12 Representación de
regla de la cadena para
diagramas de fase ternarios.
Método paramétrico en el estudio de los diagramas ternarios.
Las medidas de los parámetros reticulares son necesarias para las especificaciones precisas de
los diagramas ternarios. Se comienza por determinar las variaciones de los parámetros en las
regiones monofásicas de los tres sistemas binarios que forman los lados del triángulo
representativo; para después calcularlas éstas sobre la totalidad de cada uno de los campos
monofásicos del diagrama ternario. Después se comparan los diagramas de las aleaciones trifásicas
y se emplea el principio de que cada fase en cualquiera de dichas aleaciones tiene los mismos
parámetros que la del vértice correspondiente del triángulo; concluyendo con la similitud e incluso
la equivalencia de los mismos.
Representación tridimensional en los diagramas ternarios.
Para un sistema a presión constante con un diagrama ternario, se deben de remplazar tres
variables de composición (dos de ellas independientes) y una variable de temperatura. La
descripción de los estados de equilibrios que relacionan la composición y la temperatura con las
fases presentes dentro de la aleación, necesita forzosamente de un diagrama o arreglo gráfico
tridimensional.
Este análisis tridimensional unifica toda la información, pero es difícil su trazo e interpretación.
Cuando se trata de realizar esta difícil tarea una manera sencilla de hacerlo es usar cortes
isotérmicos; generando bloques de temperatura constante. Las superficies liquidus y solidus se
pueden representar en un plano.
Con ello finalmente; las líneas de temperatura se parecen entonces a un mapa topográfico que
muestra las elevaciones representadas por curvas de nivel y fácilmente entendibles, si se utiliza el
cálculo vectorial.
Ing. De Materiales.
50
Ingeniería en Materiales
Figura 3.13 Modelo tridimensional de un sistema ternario con una sucesión de soluciones líquidas y
sólidas. El diagrama equivale al sistema ternario ideal.
Figura 3.14 Proyección de la superficie liquidus sobre el plano de composiciones.
Ing. De Materiales.
51
Ingeniería en Materiales
UNIDAD IV
Tratamientos térmicos de los aceros
Quizá la transformación de fases con la que todos estamos
familiarizados es la congelación del agua: un líquido se transforma en
sólido por extracción del calor. Además de la transformación de un líquido
en sólido, hay muchos cambios de estructura interna que suceden también
en estado sólido. Por ejemplo, cuando el acero se calienta a temperaturas
relativamente altas sin fundirlo, los átomos de carbono y de hierro existen
como una fase única, donde los primeros forman una celda unitaria F.C.C.
(cúbica centrada en las caras), y los de carbono se colocan dentro de los
espacios intersticiales en la red. Cuando se enfría a temperatura ambiente,
la estructura cambia por completo a una mezcla de partículas de carburo
de hierro y hierro B.C.C. (cúbica centrada en el cuerpo) con una pequeña
cantidad de carbono en los espacios intersticiales. Acerca de las
transformaciones de fases surgen preguntas esenciales, como:
¿Con qué procesos se inician esas transformaciones?
¿Cuál es la velocidad a la que se lleva a cabo?
¿Cómo varía la transformación, si se manipulan factores como
temperatura, presión o la presencia de impurezas?. ¿Qué tan estable es la
fase resultante que se forma?
¿Cómo afecta el mecanismo de la transformación a la microestructura y a
sus propiedades?
Esencialmente con los tratamientos térmicos, de desean eliminar los
defectos puntuales, planares o superficiales, porque son los sitios donde se
concentran esfuerzos internos y provocan una falla en el material. El
desafío para la industria era, es y será, el eliminar esos defectos o
provocarlos, según las características de diseño y funcionamiento de los
materiales. Se logró lo anterior mediante la extracción o adición de calor.
Por tanto, en lugar de permitir que los átomos se solidifiquen libremente;
de ellos podemos manipular su estructura y formación si realizamos un
direccionamiento de calor.
Ing. De Materiales.
52
Ingeniería en Materiales
Metalografía
En el estudio de las investigaciones acerca de los tratamientos térmicos y sus efectos dentro de ls
microestructura cristalina de cualquier material, una rama de la metalurgia ha sido vital para el
desarrollo de las mismas; la metalografía.
Dicha ciencia trata microscópicamente las
características estructurales de un metal ó una aleación.
Los procedimientos requeridos para obtener la beta deseada, caen bajo la denominación general
de preparación de probetas metalográficas.
Estructura de los metales y aleaciones
Los metales en bruto no tienen una forma exterior definida, aunque tienen los átomos
perfectamente ordenados en forma geométrica. A esta ordenación o arquitectura atómica se le
denomina estructura, formada en realidad por tres estructuras superpuestas:
1. Estructura Cristalina
2. Estructura Granular o Micrográfica
3. Estructura Macrográfica
Estructura cristalina: Tiene como elemento fundamental el cristal, cuyas dimensiones son del
orden de 10-8 cm.
Estructura Granular o Micrográfica: Tiene como elemento fundamental el grano, formado por
agrupaciones de cristales. Las dimensiones del grano son del orden de 0.02 a 0.2 mm.
Estructura Micrográfica: Tiene como elemento fundamental la fibra; que se forma al alargar o
estrechar los granos cuando se laminan o manufacturan los metales.
Factores que caracterizan las aleaciones Fe-Fe3C
El hierro como casi todos los metales; no se utiliza puro en la industria, sino formando
aleaciones, principalmente con el carbono en forma de carburo de hierro (Fe3C). Las aleaciones
hierro-carbono se caracterizan por tres factores esenciales:
1. Por su composición química.
2. Por su estructura
3. Por sus propiedades mecánicas, eléctricas, térmicas, y magnéticas.
Es por ello que su uso se difundió desde que esta aleación conocida como acero, se descubrió,
durante la Revolución Industrial.
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53
Ingeniería en Materiales
Estructura cristalina del hierro puro
A la temperatura ambiente, salvo una pequeña parte disuelta en la ferrita, todo el carbono que
contienen las aleaciones Fe-C; está en forma de carburo de hierro (Fe3C).
Puntos críticos
Si se enfría lentamente una probeta fundida de hierro puro, es decir, en estado líquido; se observa
que su estado de fusión se encuentra a una temperatura aproximada de 1539 °C. Si la temperatura
sigue descendiendo, observamos que a los 1390 ºC, se suscita un desprendimiento de calor al
producirse un cambio estructural en la probeta, y con ello se detecta una sintonía en la temperatura.
Esto ocurre numerosas veces, pues también ocurre cuando se alcanzan temperaturas del orden
de 900 ºC y 750 ºC. Las temperaturas citadas se denominan temperaturas críticas o puntos
críticos, debido a que un cambio de fase se realiza y con ello una discontinuidad en el descenso de
la temperatura.
Si en lugar de enfriarse, el hierro se calienta desde la temperatura ambiente se tienen de igual
manera, estos puntos aunque con ligeras variaciones, siendo ocasionadas por las condiciones
ambientales en que se presenta el experimento.
Las temperaturas o puntos críticos encontrados al enfriar el material son designados con la
abreviación Ar, correspondiente al vocablo francés refroidissement que significa enfriamiento.
Análogamente, las temperaturas obtenidas al calentar la probeta se denominan con el vocablo
Ac, del francés chauffage, o calentamiento.
Figura 4.1 Diagrama general acerca de la obtención de los puntos críticos para el sistema Fe3C.
El eje horizontal muestra el tiempo en minutos; el eje vertical cita la temperatura en °C.
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Ingeniería en Materiales
Variedades alotrópicas del hierro puro
El hierro (Fe) como otros metales, presenta cambios en su estructura con la variación de su
temperatura; siendo más específicos, cuando pasa por sus puntos críticos. Este metal pertenece a la
red espacial cúbica centrada en el cuerpo (B.C.C.). La distancia entre los átomos como ya se
calculó es de 2.86 Å, aunque como ya se vió, este valor cambiará debido a ciertas condiciones de
estado.
A continuación se presentan las características alotrópicas del hierro puro así como sus
propiedades y características.
Hierro alfa
El hierro alfa (α) tiene la peculiaridad de no disolver el carbono, por lo que se considera, hierro
en estado puro, denominándose ferrita. Su composición en carbono es menor al 0.008% a
temperatura ambiente, siendo su máxima solubilidad cuando se llega a 0.02% al llegar a su punto
crítico. Una de sus propiedades físicas importantes, es que es sumamente magnética
Hierro beta
Cristalográficamente el hierro beta (β) presenta su composición igual al hierro alfa, haciendo
diferencia unicámente el valor de su distancia interplanar, que oscila en el orden de 2.9 Å a 800 ºC,
y de 2.905 Å a 900 ºC. Este incremento notable de sus parámetros, es atribuido a la dilatación
normal de los enlaces atómicos, por el aumento de la temperatura. La única variación notable dentro
de sus propiedades con respecto al hierro alfa, es el no ser magnética.
Hierro gamma
El hierro gamma (γ) cristaliza en la red cúbica centrada en las caras (F.C.C.). La distancia entre
átomos es de 3.6 Å, a 910 °C, llegando hasta 3.68 Å a una temperatura de 1400 °C. El hierro
gamma disuelve fácilmente el carbono creciendo su solubilidad desde 0.85% a 723°C hasta 1.76% a
1130°C. El hierro gamma no es magnético.
Hierro delta
El hierro delta (δ) se indica a los 1400 °C, observándose entonces una reducción en el parámetro
hasta llegar a un valor de 2.93 Å, además de regresar su estructura a una forma B.C.C. Su máxima
solubilidad sobre el carbono es 0.07% a 1487 °C. Esta variedad es poco interesante desde el punto
de vista industrial. A partir de 1539 °C se inicia la fusión del hierro puro.
Es preciso comentar que este tipo de microestucturas son únicas del estado de hierro puro, sin
embargo el alumno podrá identificar con al realización de las prácticas, las diferencias entre estas
microestucturas y las correspondientes a las aleaciones Fe-Fe3C.
Ing. De Materiales.
55
Ingeniería en Materiales
Constitución de las aleaciones hierro carbono
Si se pule la superficie de una muestra de un metal, se le coloca con un reactivo adecuado y se
mira con un microscopio, se observa que ésta se constituye por un conjunto de manchas de diversas
clases repartidas con relativa uniformidad. Estas manchas que se denominan constituyentes poseen
una composición perfectamente definida, y estos pueden ser:
1. Metales puros, como ferrita que es hierro puro.
2. Compuestos químicos como la cementita, (carburo de hierro, Fe3C)
3. Soluciones sólidas, donde los átomos del metal disuelto están intercalados entre los átomos
de los cristales del metal absorbente.
4. Compuestos intermetálicos, que son compuestos intermedios entre los compuestos químicos
y las soluciones sólidas.
A continuación se presentarán los constituyentes de las aleaciones hierro-carbono, así como sus
características, propiedades e ilustraciones.
Ferrita
Es una solución sólida de hierro alfa. Su solubilidad a la temperatura ambiente es tan pequeña
que solo llega a disolver un 0.008% de C. Por esto se considera como hierro puro alfa. Es el más
blando y dúctil constituyente de los aceros. Cristaliza en la red cúbica centrada en el cuerpo
(B.C.C.). Tiene dureza de 90 Brinell y una resistencia a la ruptura de 28 kg./mm²; llegando a un
alargamiento de 35% - 40%. Es magnética.
a)
b)
Figura 4.2 Micrografías características de los constituyentes principales de las aleaciones Fe-C.
a) Cristales de ferrita de un acero normalizado (lente microscópica, 100 x ).
b) Cristales de cementita de un acero 1010, después de un recocido oscilante alrededor del
punto crítico Ac1.
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56
Ingeniería en Materiales
Cementita
Así se le denomina al carburo de hierro (Fe3C) y contiene 6.67% C y 93.33% Fe. Es el
constituyente más duro y frágil de los aceros alcanzando una dureza Brinell de 700. Cristaliza en la
red ortorrómbica. Es magnética hasta los 210 °C; temperatura a partir de la cual pierde el
magnetismo.
Austenita
Constituyente más denso de los aceros y está formado por la solución sólida, por inserción, hierro
gamma. La proporción de carbono disuelto varía desde el 0-1.76%, correspondiendo este último a
su máxima solubilidad, a una temperatura de 1130 °C. Cristaliza en la red cúbica F.C.C., en donde
lso átomos de Fe, se ubican en los vértices el centro de cada cara, mientra que lso átomos de
carbono se localizan entre las aristas.
La austenita tiene una dureza Brinell de 300, una resistencia a la ruptura de 100 kg./mm²; con un
alargamiento de 30%. No es magnética.
Figura 4.3 Micrografía característica de cristales de austenita. Las manchas visibles en la
estructura corresponden a una deformación de orden mecánico en la red cristalina, (lente
microscópica, 280 x). Ilustración de la red austenítica F.C.C.
Perlita
Es el constituyente eutectoide del sistema Fe-Fe3C, ubicado en una aleación que contiene 0.77%
de carbono en peso. Este constituyente está compuesto de 86.5% de ferrita y 13.5% de cementita.
Tiene una dureza aproximada de 200 Brinell; con una resistencia a la rotura medida en 80 kg/mm²;
con un alargamiento del 15%.
Como característica cada grano de perlita está constituido por láminas intercaladas de ferrita y
cementita.
Ing. De Materiales.
57
Ingeniería en Materiales
Figura 4.4 Tomografía computarizada de la
estructura de un acero con 0.77% C en peso.
El componente eutectoide denominado
perlita tiene una morfología laminar, formada
por placas alternas de Fe (claras) y Fe3C
(oscuras). Enfriamiento citado desde 534 °C.
Martensita
Después de la cementita es el constituyente mas duro de los aceros. Es una solución
sobresaturada de hierro-alfa. Se obtiene por enfriamiento muy rápido. Se presenta en forma de
agujas y cristaliza en la red tetragonal en lugar de la red cúbica centrada en el cuerpo, (B.C.C.) que
figura en la del hierro alfa. Este cambio de fase es consecuencia a la deformación que produce en
su red cristalina, la inserción de los átomos de carbono. La dureza de la martensita puede atribuirse
precisamente a la tensión que produce en sus cristales esa deformación.
Su dureza varia de 50-68 Rockwell-C; su resistencia de 175-250 kg./mm² y presenta un
alargamiento de 2.5-6.5%. Correspondiente a las propiedades magnéticas; lo es.
Figura 4.5 Martensita obtenida de una
acero 10180 (1.8% C), al enfriar a -60 °C.
Ing. De Materiales.
58
Ingeniería en Materiales
Troostita
Antiguamente se le denomina Osmondita. Este constituyente se produce transformación
isotérmica de la austenita entre las temperaturas de 500-600°C y manteniendo a esta temperatura
constante hasta su total transformación. Otra manera de producirla, es enfriar la austenita a una
velocidad inferior a la crítica de temple.
La dureza de este compuestos es de 450 Brinell, su resistencia 250 kg./mm²; con un
alargamiento aproximado de 7.5%.
Figura 4.6 Troostita sobre aun matriz
martensítica (lente microscópico, 250x)
Sorbita
Se produce por transformación isotérmica de la austenita a temperaturas comprendidas entre
600-650 °C.
La sorbita se presenta formando laminillas aún más finas que las de la troostita y muy similares
a las de la perlita Tiene una dureza de 350 Brinell, una resistencia de 100 kg./mm²; y un
alargamiento de 15%. Algunos autores denominan a la troostita y la sorbita como perlitas finas.
Figura 4.7 Micrografia de la sorbita, de un
acero templado y revenido Heva TSD;
0.3% C, 0.65% Cr, 3% Ni.
Ing. De Materiales.
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Ingeniería en Materiales
Bainita
Al aumentar la cantidad de subenfriamiento hay una morfología alterna, que se vuelve más
favorable que la perlita desde el punto de vista de la energía.
Esta mezcla de dos fases (α + Fe3C); se llama bainita y se presenta en un acero eutectoide
transformado a temperaturas menores de 550 °C. Al igual que la perlita, la bainita es resultado de
la descomposición de la austenita. La bainita tiene una morfología en forma de listones o placa y
presenta grandes densidades de dislocaciones. Debido a que el tamaño de los carburos es menor; su
identificación es alfo complicada.
Figura 4.8 La microestructura de la
bainita en un acero transformado
Isotérmicamente a 495 °C.
Ledeburita
Este constituyente no corresponde a los aceros, sí no a las fundiciones. Se encuentra en las
aleaciones Fe-C, cuando el porcentaje de carburo de hierro es superior a 1.76%. Su etimología
corresponde al vocablo anglosajón ledebur que significa fluidez. Contiene un 52% de cementita y
el 48% de austenita al 1.76% C. El contenido total de carbono de la ledeburita es de 4.3%.
Esteadita
Es un constituyente de naturaleza eutéctica que aparece en las fundiciones de más de 0.15% P.
Se compone desde 10% de fósforo aproximadamente, y casi todo el fósforo de la fundición se
concentra en este constituyente.
Es muy duro y frágil; funde a 960 °C. En las fundiciones grises está compuesto de una fracción
eutéctica de ferrita y Fe3P.
Ing. De Materiales.
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Ingeniería en Materiales
Grafito
Es uno de los 3 estados alotrópicos en que se encuentra el carbono libre en la naturaleza siendo
los otros dos; el diamante y el carbono amorfo. Es un compuesto blando de color gris oscuro y de
peso especifico 2.25. Presenta baja resistencia y elasticidad en las fundiciones que lo contienen,
pero en cambio mejora la resistencia al desgaste y a la corrosión.
Figura 4.9 Fundición gris perlítica; el carbono se presenta en forma de cementita (0.85%) y grafito,
por lo que la cantidad de carbono total es de 3.40%.
Ing. De Materiales.
61
Ingeniería en Materiales
Diagrama de equilibrio Fe-C.
Considerando al carbono como un elemento de aleación, este se encuentra a temperatura
ambiente combinado con el hierro, en forma de cristales. Es por ello que para obtener aleaciones
para fabricar productos de uso cotidiano, es necesario aplicar correctamente los diagramas de fases.
En esta sección describiremos a fondo el diagrama de fases del sistema binario Fe-Fe3C, para las
aleaciones eutectoides; es decir los aceros.
Como ya se describió el diagrama de fases es trazado sobre los ejes composición y temperatura;
ubicando los puntos de estado cuando ciertas condiciones se cumplen.
El eje de las abcisas describe siete condiciones
1. El límite del diagrama corresponde a una proporción de carbono de 6.67% que es la
cementita pura. (aparece este límite en el diagrama de fases de la figura 3.6)
2. El punto de 0.025% C, es el máximo porcentaje de carbono que puede disolver la ferrita.
3. El punto con 0.08% C, es el máximo porcentaje que contiene una solución de hierro delta.
4. El punto cuyo porcentaje de carbono de 0.18% es el de la austenita, que permanece estable
en la temperatura más alta presente en el diagrama, 1495 °C.
5. El punto denominado eutectoide, es nuestra referencia para designar como hipoeutectoides o
hipereutectoides a las aleaciones de acero. Se caracteriza por una transformación sólida
única: perlita.
6. El punto con 1.76% C, marca la máxima solubilidad de carburo de hierro en el hierro
gamma, es decir que es el punto máximo de contenido de carbono de la austenita.
7. El punto denominado eutéctico correspondiente a una porción de carbono de 4.3%
representa la composición de más bajo punto de fusión 1130 °C. (aparece de igual manera
en la figura 3.6)
En el eje de las ordenadas se establecen los siguientes puntos críticos
1. A0 = 210 °C; es el en que tiene lugar el cambio magnético de la cementita, es magnética y
por encima de esta temperatura deja de ser magnética.
2. Al = 723 °C; es el límite de fusión de la perlita.
3. A2 = 768 °C; es la temperatura de cambio magnético de la ferrita. Por encima de esta
temperatura la ferrita deja de ser magnética.
4. A3 = Línea SG; límite de la ferrita, el punto crítico varía desde 723 a 910 °C, según el
contenido de carbono.
5. Acm = Línea SE; límite de la cementita. Este punto crítico varía entre 723-1130 °C.
6. Línea EF = 1130 °C; límite de la ledeburita.
7. Línea ABCD; es la de la temperatura de iniciación de la solidificación. Por encima de ella,
todo el metal esta en estado sólido.
8. Línea HB; es el limite superior de la austenita.
Ing. De Materiales.
62
Ingeniería en Materiales
Figura 4.10 El sistema Fe-Fe3C eutectoide con los campos de fase definidos y sus respectivas
indicaciones.
Ing. De Materiales.
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Ingeniería en Materiales
Figura 4.11 Arreglos granulares de la aleación dependiendo de la zona o campo de fase donde
se encuentren.
Los diagramas de equilibrio son muy útiles en el estudio de los tratamientos térmicos que están
basados en el cambio de constitución de las aleaciones por calentamiento y enfriamiento. Por
medio de ellos se puede conocer las temperaturas que se deben alcanzar en las aleaciones y la
constitución probable que se obtendrá en los enfriamientos.
Diagramas de transformaciones austeníticas
Los diagramas de transformación austenítica constituye el más valioso auxiliar para el estudio de
los tratamientos térmicos habiéndose incluso desarrollado gracias a ellos. Los tratamientos
isotérmicos son de gran aplicación en la industria moderna. La representación de la transformación
isotérmica de la austenita se realiza llevando al eje de las ordenadas, las temperaturas de
transformación y en el eje de las abcisas los tiempos de duración de la transformación en escala
logarítmica; partiendo de un tiempo muy pequeño, pero nunca de cero.
Las condiciones se trazan anotando en la horizontal que pasa por cada temperatura los puntos de
inicio y fin de la transformación de la austenita y en numerosas ocasiones también los de un 25% de
transformación.
De acuerdo con esto, Morris Cohen propuso completar el diagrama TTT con 2 líneas
horizontales. La línea Ms que representa la temperatura de iniciación de la transformación de la
austenita en martensita y otra línea Mr que representa la temperatura de fin de transformación.
Ing. De Materiales.
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Ingeniería en Materiales
Figura 4.12 Esquema de un diagrama de transformación isotérmico (TI) para un acero eutectoide.
El diagrama se completa con una línea horizontal. Aei, que marca el límite de la estabilidad de la
austenita. Es decir que a temperaturas superiores a la indicada por esta línea, la austenita
permanece estable indefinidamente.
Ing. De Materiales.
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Ingeniería en Materiales
Tipos de diagramas TTT
Los diagramas TTT, pueden clasificarse para el acero (Fe-Fe3C), de acuerdo al tipo específico de
composición a la que deseamos sacar provecho. Así que en este caso, mencionaremos una
clasificación, para facilitar la explicación y la comprensión de todos ellos.
1. Diagramas TTT de aceros carbono eutectoides.
2. Diagramas TTT de aceros carbono hipoeutectoides.
3. Diagramas TTT de aceros al carbono hipereutectoides.
4. Diagramas TTT de aceros aleados.
Diagramas TTT de aceros eutectoides
Es el más sencillo de entender es este tipo de diagrama; constituido por las curvas de iniciación
de transformación; además de las dos líneas de principio y fin de transformación de la martensita.
Cuando baja la temperatura, aumenta la velocidad de la transformación, siendo el máximo
límite, 550 °C.
Figura 4.13 Trayectorias tiempo-temperatura en el diagrama de transformación isotérmica de un
acero eutectoide.
Ing. De Materiales.
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Ingeniería en Materiales
Diagramas TTT de aceros hipoeutectoides.
En este tipo de diagrama existe otra línea más de transformación situada por encima y a la
izquierda de las curvas de los aceros eutectoides que corresponde a la línea de iniciación de la
precipitación de la ferrita. En los diagramas de los aceros hipoeutectoides se acostumbra a señalar
con una línea horizontal Ae3, la temperatura de estabilidad de la ferrita.
Diagramas de aceros hipereutectoides
Aunado a ello, en el diagrama de este tipo, aparece una tercera curva a la izquierda y en la parte
superior del diagrama, que es la iniciación de la transformación de la austenita en cementita. Se
acostumbra también señalar con una línea horizontal, que se denomina Aecm, la temperatura de
estabilización de la cementita. La zona comprendida entre la tercera curva y la de iniciación de
transformación de la austenita en perlita, es tanto mayor cuando más se aleja el contenido de
carbono del porcentaje eutectoide.
Diagramas TTT de aceros aleados
Los elementos aleados producen en general un fuerte desplazamiento de las curvas hacia la
derecha, tanto mayor es, mayor es el porcentaje de elementos de aleación; con la excepción del
cobalto.
Figura 4.14 Diagrama TTT
de un acero
hipoeutectoide.
0.35% C, 0.37% Mn.
Ing. De Materiales.
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Ingeniería en Materiales
Figura 4.15 Diagrama de
un acero hipereutectoide
1.2% C, 0.35% Mn.
Tratamientos térmicos
Los tratamientos térmicos son operaciones de calentamiento, permanencia y enfriamiento en
condiciones determinadas y que se aplican en los aceros para mejorar sus propiedades.
Los tratamientos térmicos fundamentales son el recocido, el normalizado (que se usa
exclusivamente en los aceros), el temple y el revenido.
Recocido
Es un tratamiento térmico consistente en un calentamiento a temperatura adecuada y de
duración determinada, seguido del enfriamiento lento de la pieza tratada. Su objeto es corregir
estados anormales de los metales y aleaciones. Como las anormalidades constitucionales y
estructurales, en general, endurecen el material; al destruirlas con el recocido se consigue ablandar
los metales y hacerlos tenaces, para poder maquinarlos mejor.
Existen diversos tipos de recocido, que en general aplican el mismo medio pero difieren en el
fin. A continuación se presentan.
Recocido de Homogenización
Su objeto es destruir la heterogeneidad química de la masa de un metal o aleación producida por
una solidificación defectuosa. Se realiza a temperaturas elevadas cercanas a la temperatura de
fusión.
Ing. De Materiales.
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Ingeniería en Materiales
Recocido de regeneración
Su objeto es destruir la dureza anormal producida en una aleación por un enfriamiento rápido
involuntario o voluntario (temple). Se realiza a temperaturas elevadas.
Recocido de estabilización
Su objeto es destruir los esfuerzos internos producidas en la masa del metal por su mecanización
o por los modelos complicados. Es un envejecimiento artificial, pues con el se consigue acelerar las
deformaciones que se producirían en el transcurso del tiempo, evitando así las variaciones de las
cotas de las piezas determinadas.
Tipos de recocidos de los aceros
El fin principal de los recocidos es ablandar los aceros para poder trabajarlos mejor. Hay
diversas clases de recocidos, que se diferencian en la temperatura máxima a que debe calentarse el
material. Los recocidos empleados en al industria se pueden clasificar y definir individualmente;
que será el paso a seguir dentro del texto.
l. Recocidos supercríticos.
Recocido de regeneración.
Recocido globular de austerización incompleta.
2. Recocidos Subcríticos.
Recocido globular.
Recocido de ablandamiento.
Recocido contra acritud.
Recocido de estabilización.
3. Recocidos isotérmicos.
Recocido de austenización completa.
Recocido de austenización incompleta.
Ing. De Materiales.
69
Ingeniería en Materiales
Recocidos Supercríticos
Recocido de regeneración.
Se realiza calentando el acero a temperaturas entre 200-400 °C. Este recocido como tratamiento
de ablandamiento se utiliza solamente para aceros de 0.6%. En aceros de menor porcentaje de
carbono únicamente se aplica el recocido de regeneración para ordenar y afinar la estructura
constituida.
Recocido globular de austenización incompleta
Se utiliza para aceros hipereutectoides. Consiste en calentar a temperaturas de 30-50 °C
superiores a la crítica inferior. Se emplea preferentemente para el ablandamiento de los aceros
aleados de herramientas. Tiene como finalidad obtener una dureza aproximada de 175 Brinell.
También gracias a este tratamiento, pueden obtenerse estructuras globulares, procedentes de
austenizaciones incompletas.
Figura 4.16 Temperaturas de calentamiento recomendadas para distintos tipos de recocido,
incluyendo el normalizado.
Ing. De Materiales.
70
Ingeniería en Materiales
Recocido globular subcrítico
Consiste en calentar el acero a una temperatura muy próxima a la crítica inferior y enfriarlo muy
lentamente en el horno. En este proceso; la cementita adopta la estructura globular más perfecta
cuanto más próxima sea la temperatura máxima del recocido a la crítica inferior.
Recocido por ablandameinto subcrítico
Se obtiene calentando el acero a una temperatura algo inferior a la crítica dejando después
enfriar la pieza al aire. Su objeto es ablandar los aceros aleados de gran resistencia, como los
recubiertos por cromo-níquel y cromo-molibdeno. En micrografías disponibles en al bibliografía se
aprecia la influencia de las temperaturas de calentamiento en la dureza de un acero cromo-níquel y
de aceros al alto carbono. En un tratamiento muy sencillo y rápido y no exige ningún cuidado
especial en el enfriamiento.
Recocido de recristalización (contra acritud)
Los aceros que han sido estirados o laminados en frío se endurecen y pierden tenacidad.
Después de haber sufrido varios trefilados o laminados sucesivos, sí la disminución de sección
transversal experimentada ha sido grande, llega un momento en que es imposible continuar el
trabajo, por que el acero se ha vuelto tan frágil y tan duro que se rompe. Se dice entonces que tiene
demasiada acritud. Para mejorar la ductilidad y maleabilidad del acero y poder someterlo a nuevos
estirados o laminados, es necesario darle un tratamiento térmico para contrarrestar su acritud.
Figura 4.17 Influencia
temperatura de recocido
en la dureza final de tres
aceros diferentes Cr-Ni.
Ing. De Materiales.
71
Ingeniería en Materiales
Recocido de estabilización (envejecimiento artificial)
Este se realiza calentando las piezas tratadas, mecanizadas o deformadas en frío, a una
temperatura comprendida entre 100-200 °C, durante un tiempo muy prolongado; que a veces supera
las 100 hr; enfriando después al aire lentamente.
El objeto de este tratamiento es atenuar las tensiones residuales que hayan podido quedar en el
material después de las operaciones mecánicas o térmicas a que se les haya sometido. Con esto se
logra evitar deformaciones posteriores, y en los aceros extradulces trefilados se alcanza un notable
aumento de resistencia.
Recocido Isotérmico
Consiste en calentar el hierro a una temperatura superior a la crítica AC1 y algunas veces superior
a la crítica AC3, para después enfriarlo rápidamente hasta una temperatura ligeramente inferior a
ARl, manteniendo el acero a esta temperatura hasta que se verifique la transformación de la austenita
en perlita. Después se enfría al aire.
Si la temperatura de calentamiento ha sido superior a AC3, se denomina recocido isotérmico de
austenización completa, porque al terminar el calentamiento del acero estará en su totalidad
formado por austenita. Si la temperatura del calentamiento está comprendida entre AC1 y AC3, se
denomina recocido isotérmico de austenización incompleta, porque solamente la perlita se habrá
transformado en austenita al terminar el calentamiento.
Normalizado
Es una variedad del recocido que aplica exclusivamente a los aceros. Se practica calentando el
material a una temperatura de 40-50 °C, por encima de la temperatura crítica y se deja enfriar en
una corriente de aire. El objeto del normalizado es volver al acero al estado que se supone normal
después de haber sufrido tratamientos defectuosos o bien después de de haber sido trabajado en frío
o en caliente.
%C
Temperatura
0.15
0.30
0.50
925
880
840
Resistencia
(kg/mm²)
45
58
70
Elasticidad
(kg/mm)
27
35
42
Alargamiento
(%)
27
20
16
Presión
(kg/mm²)
23
16
7
Tabla 4.1 Temperaturas del normalizado y características obtenidas en aceros después del
tratamiento.
Ing. De Materiales.
72
Ingeniería en Materiales
Figura 4.18 Influencia de la temperatura del recocido de ablandamiento en la dureza de dos
aceros al carbono calentados durante cinco horas y enfriados en agua.
Temple
Es un proceso de calentamiento y enfriamiento, realizado este último con una velocidad extrema
y que se denomina generalmente critica. El fin que se pretende conseguir en este tratamiento es
transformar toda la masa de acero con el calentamiento, en austenita y después por medio del
enfriamiento suficientemente rápido convertirlo en martensita; que es el constituyente típico de los
aceros templados.
El proceso del temple consta de 2 fases:
Calentamiento
Transforma toda la masa del acero en austenita. Su desarrollo está definido por tres variantes:
velocidad de elevación de la temperatura, temperatura límite y permanecía en la temperatura límite.
Temperatura límite de temple
Es la temperatura mínima que debe alcanzar el acero con una composición determinada para que
toda su masa pueda transformarse en cristales de austenita.
Ing. De Materiales.
73
Ingeniería en Materiales
Figura 4.19 Esquema en un diagrama de transformación continua (TC) para un acero eutectoide
en tres trayectorias de temple. Como se puede apreciar se muestran las diversas líneas de inicio y
final de transformación para cada caso. Además se indican las líneas para composiciones
definidas en porcentajes del microconstituyente, que teóricamente se obtendría después de
aplicar el tratamiento.
Ing. De Materiales.
74
Ingeniería en Materiales
Enfriamiento
Transforma la totalidad de la austenita formada en otro constituyente, muy duro, denominado
martensita, aunque en alguna variedad de temple el constituyente final deseado es la bainita. El
factor que caracteriza a esta fase es la velocidad de enfriamiento que debe tener lugar, para la
formación de la martensita.
Velocidad crítica de temple
Es la velocidad de enfriamiento mínima para que la totalidad del acero se transforme en
martensita. Las velocidades críticas de temple varían para los aceros al carbono de 200-600 °C/s,
según sea el porcentaje de carbono. Los elementos de aleación hacen disminuir la velocidad crítica
de temple.
Factores que influyen en la práctica del temple
Los factores que influyen en la práctica del temple tanto involucrados cen la estructura como en
las condiciones reinantes, pueden enumerarse: tamaño de las piezas, su composición, tamaño de
grano y el medio de enfriamiento empleado.
Tamaño de las piezas
En los perfiles delgados, tanto en el calentamiento como en el enfriamiento se observará muy
poca diferencia de temperatura entre la periferia y el interior de las piezas. Pero sí se trata de piezas
de gran espesor o gran diámetro; su temperatura en el interior será inferior en el calentamiento y
superior en el enfriamiento referente a su periferia.
Tamaño del grano
Influye principalmente en la velocidad crítica del temple. A igualdad de composición, las
velocidades críticas de temple de los aceros de grano grueso; son inferiores a las velocidades
críticas de los aceros de grano fino.
Algunas de las conclusiones más recientes a que se ha llegado después de los estudios sobre
tamaño de grano son:
1. El tamaño de grano austenítico, es un factor decisivo en la calidad y el comportamiento de
los aceros.
2. Cada aleación de acero, tiene una forma característica de comportarse.
3. El tamaño de grano austenítico de los aceros, se modifica al elevarse la temperatura y al
prolongarse la duración del calentamiento.
Ing. De Materiales.
75
Ingeniería en Materiales
4. En los aceros que después del temple quedan con una dureza superior a 55 RockweIl-C, hay
una relación muy estrecha entre el grano de fractura y el tamaño que tenía el grano
austenítico en el momento anterior al temple.
5. Hay una diferencia muy señalada entre el grano de los aceros, y los que durante el proceso
de fabricación, han sido desoxidados con aluminio.
Figura 4.20 Creciemiento del tamaño
de grano en dos aceros de grano
grueso y en dos de grano fino, al ser
calentados a diversas temperaturas
durante una hora.
Influencia del medio de enfriamiento
Al sumergir una barra de acero a alta temperatura se tiene:
Primera etapa
Después de introducir la barra, se forma una capa de vapor que envuelve el metal y que dificulta
el enfriamiento, por esta razón empieza siendo bastante lento.
Ing. De Materiales.
76
Ingeniería en Materiales
Segunda etapa
Al descender la temperatura desaparece la envuelta de vapor aunque el líquido en contacto (de
temple) con el metal sigue hirviendo y produciendo burbujas. El enfriamiento es rápido y se
denomina enfriamiento por transporte de vapor.
Tercera etapa
Cuando la temperatura del metal desciende por debajo de la temperatura de ebullición del
líquido de temple, el enfriamiento se hace por conducción y convección, pero como entonces la
diferencias de temperatura entre el metal y el medio es pequeña, el enfriamiento es lento.
Figura 4.21 Curva de enfriamiento de un cilindro de acero sometido a temple
Medio
Agua
Aceite
Plomo
Sales L1, L2, L3
Sales L4, L5
Sales I
Sales H
Aplicación
Aceros al carbono de más de 10 mm de espesor o diámetro. Aceros de poca
aleación de más de 25 mm de espesor o diámetro.
Aceros al carbono de 5 a 10 mm de espesor o diámetro. Aceros aleados.
Muelles, cuerda de piano, herramientas, aceros especiales.
Para el enfriamiento de los martempering y austempering.
Para el enfriamiento en los tratamientos isotérmicos.
Temple de herramientas de 700-950 °C.
Temple de acero rápido de 1000-1300 °C
Tabla 4.2 Medios de temple y sus aplicaciones.
Ing. De Materiales.
77
Ingeniería en Materiales
Clases de temple
Temple de austenización completa
Se aplica generalmente a los aceros hipoeutectoides. Si se calienta el acero, se toman en cuenta
las reglas dadas anteriormente hasta una temperatura aproximada de 50 °C por encima de la critica
superior AC3.
Temple de de austenización incompleta
Se aplica generalmente a los aceros aproximadamente a la critica A321, para que se transforme
únicamente la perlita en austenita. Después se enfría rápidamente para que se transforme en
martensita.
Austempering
En un tratamiento isotérmico y en el que se forma la austenita a temperatura constante. Se
denomina también temple diferido o temple bainítico. Este tratamiento se usa mucho para
fabricación de pequeñas piezas o herramientas de aceros con 0.50-1.2% de C, de baja aleación.
Figura 4.22 Representación
Esquemática del austemperig
En el diagrama TTT.
Ing. De Materiales.
78
Ingeniería en Materiales
Martempering
Tratamiento isotérmico donde la principal ventaja, es el evitar las deformaciones y tensiones. Se
emplea en la fabricación de engranes, troqueles y pistas de cojinetes de bolsas. En realidad, este
tratamiento es una variante moderna del temple interrumpido en agua y aire.
Figura 4.23 Representación del martempering, en el diagrama TTT.
Temple oxiacetilénico
Este proceso consiste en templar solamente la zona superficial del acero calentándolo con una
llama oxiacetilénica y enfriando después a una velocidad superior a la crítica; generalmente con
chorro de agua. Se aplica preferentemente a los aceros de 0.30-0.60% C, pues en aceros de mayor
porcentaje de carbono, se corre peligro de que se desprenda capa superficial.
Figura 4.24 Diagrama del proceso de temple
oxiacetilénico
Ing. De Materiales.
79
Ingeniería en Materiales
Temple por inducción
Su funcionamiento es el mismo que en el temple oxiacetilénico; en lugar de calentar
superficialmente las piezas con una llama, se calienta por medio de corrientes de alta frecuencia. El
calentamiento tiene lugar en gran parte; por medio de las corrientes de Faucault generadas en pieza.
La temperatura alcanzada llega a sobrepasar los 1000 °C, en pocos segundos. Las corrientes de
alta frecuencias son llevadas a una bobina de 2-3 espiras de forma adecuada a las piezas que se han
de templar.
Figura 4.25 Algunos tipos de espiras calentadoras para realizar el temple por inducción.
Ing. De Materiales.
80
Ingeniería en Materiales
Revenido
Es un tratamiento complementario del temple, que generalmente sigue a este. Consiste en
calentar el acero después de templarlo a una temperatura inferior a AC1 y enfriarlo después,
generalmente al aire, aunque algunos tipos de aceros se enfrían en agua o en aceite.
Antiguamente se denominaba bonificación al conjunto de los dos tratamientos, es decir al
temple seguido del revenido.
Modificación de la constitución de los aceros templados por el revenido.
La modificación de las características mecánicas que se obtienen en el revenido se creía queera
debida a las transformación de la martensita en, troostita cuando se llegaba a los 400 °C; y en
sorbita cuando se rebasan los 600 °C.
Hoy se cree que la martensita se transforma, según la temperatura por etapas:
La primera etapa va de los 100-250 °C. Disminuye el contenido de carbono de la martensita por
separación de percarburo de hierro épsilon (ε).
La segunda etapa, de 250-400°C, se presenta solo cuando quedo en el acero templado, austenita
residual. En esta ocasión se transforma la austenita retenida en bainita.
En seguida la tercera etapa, de 250-600 °C, además de la transformación de la austenita residual,
sí la hay, tiene lugar a partir de 250 °C, la redisolución del percarburo de hierro épsilon (ε).
Finalmente la cuarta etapa considera que si los aceros son de alta aleación tiene lugar una cuarta
etapa a temperaturas de 600 °C o más; en la que se precipitan los carburos complejos de aleación.
Factores que influyen el revenido
Así como el recocido o el temple, el revenido se ve gobernado por las condiciones del material,
así como en las que se lleva a cabo el proceso; las principales, se resumen a continuación.
a.
b.
c.
d.
Estado inicial de la pieza.
Temperatura del revenido
Duración del revenido
Tamaño de la pieza
Ing. De Materiales.
81
Ingeniería en Materiales
Estado inicial de la pieza
Los resultados obtenidos en el revenido varían mucho sí se parte de un acero templado formado
únicamente por martensita o de un acero que contiene un porcentaje elevado de austenita residual.
La austenita residual de los aceros aleados es muy opuesta a transformarse, aun después de
largas permanencias a la temperatura de revenido.
Temperatura en el revenido
A igualdad de permanencia a la temperatura de revenido, se observa que a medida que aumenta
ésta, conlleva a un aumento de dureza en los 100 °C; lo que se atribuye a la precipitación de
partículas finas de cementita.
Doble revenido
Para la construcción de herramientas se acostumbra a dar dos revenidos sucesivos después del
temple. En el primer revenido se transforma la martensita revenida. Además, en la martensita
residual se precipitan los carburos de los elementos de aleación, transformándose en bainita inferior.
En el segundo revenido, la martensita, que había sido transformada en el tratamiento anterior, no
sufre variación en su constitución ni estructura; pero la bainita inferior se transforma en martensita
revenida, quedando una constitución y estructura muy uniforme.
Figura 4.26 Dureza y tenacidad de un acero 4140 después de revenirlo durante una hora a
diversas temperaturas, El intervalo de tiempo afecta de manera significativa a este material.
Ing. De Materiales.
82
Ingeniería en Materiales
El revenido es el verdadero tratamiento acondicionador del acero; pues con él se le dan las
propiedades mas adecuadas al fin que se destina. El temple es solo un tratamiento preparatorio,
cuyo fin es convertir la mayor cantidad del acero en martensita pura, es decir, obtener la máxima
dureza. Por eso deben elegirse aceros de suficiente templabilidad, para conseguir el temple en toda
o en la mayor parte de la pieza.
Además, con el revenido se construyen las tensiones internas, se estabiliza el material y se
consigue una estructura perfecta de cementita y carburos precipitados, sobre una matriz dúctil de
ferrita.
Colores del revenido
Cuando las piezas que se revienen están pulidas y su calentamiento se hace al aire, o en otras
atmósferas oxidantes, se forma en su superficie una película de óxido muy fina; que por un
fenómeno de interferencia con la luz reflejada en la superficie de la pieza, produce una coloración
distinta según su espesor. Como este depende de la temperatura, puede valorarse aproximadamente
la alcanzada por la pieza, por el color que adquiere la superficie final. Estas coloraciones no son
iguales para los aceros al carbono, que para los aceros rápidos o los aceros inoxidables.
Temperatura (° C)
220
240
245
255
260
270
280
290
300
340
360
380
400
420
450
500
550
640
720
Aceros
hipoeutectoides
Amarillo pálido
Amarillo paja
Amarillo oro
Amarillo pardo
Violeta oscuro
Púrpura
Violeta
Azul claro
Azul oscuro
-Azul verdoso
Gris oscuro
--------
Aceros rápidos
---Amarillo pálido
--Amarillo paja
-Amrillo oscuro
Amarillo pardo
Rojo oscuro
Púrpura claro
Púrpura oscuro
Violeta
Azul
Gris
----
Aceros inoxidables
martensíticos
---Amarillo pálido
----Amarillo oscuro
-Amarillo pardo
-Violeta oscuro
-Púrpura
Violeta
Azul Claro
Azul verdoso
Gris oscuro
Tabla 4.3 Colores del revenido.
Ing. De Materiales.
83
Ingeniería en Materiales
Clasificación del acero
Los aceros se clasifican según su proceso de fabricación y por su composición química.
a) Método de Manufactura: Este da lugar al acero bessemer, de hogar abierto, de horno abierto,
de horno eléctrico, de crisol, etc.
b) Uso:
Finalmente se refiere al uso final que se le dará al acero, como acero para máquinas,
para resortes, para calderas, estructural o acero para herramientas.
c) Composición química:
Este método indica, por medio de un sistema numérico, el contenido
aproximado de los elementos importantes en el acero. Es el método de clasificación más conocido;
el cual se estudiará con mayor detalle. Las especificaciones para los aceros representan los
resultados del esfuerzo conjunto de la American Iron and Steel Institute (AISI) y de la Society of
Automotive Enginers (SAE).
Los dos primeros dígitos indican los elementos de aleación presentes; mientras los últimos
generalmente indican el contenido de carbono medio, en porcentaje. Los números básicos para la
serie de 4 dígitos de los diversos grados de aceros al carbono y de aleación con porcentajes
aproximados de elementos de identificación son:
Símbolo
10XX
11XX
12XX
13XX
40XX
41XX
43XX
44XX
46XX
47XX
48XX
50XX
51XX
5XXX
61XX
86XX
87XX
88XX
92XX
93XX
98XX
94BXX
Definición y elementos de aleación presentes
Aceros al carbón; básicos de hogar abierto y bessemer.
Aceros al carbón, hogar abierto y bessemer ácidos, azufre alto, fósforo bajo.
Aceros al carbón, hogar abierto, azufre alto y fósforo alto.
1.75% Mn
0.20-0.25 % Mo
0.5-0.9% Cr, 0.12-0.30 % Mo.
1.83% Ni, 0.50-.80% Cr, 0.25% Mo
0.53% Mo
0.85-1.83% Ni, 0.20-0.25% Mo
1.05% Ni, 0.45% Cr, 0.20-0.35% Mo
3.50% Ni, 0.25% Mo
0.40% Cr
0.80-1.00% Cr
1.04% C, 0.03-1.45% Cr
0.86-0.95% Cr, 0.13-0.15% V
0.55% Ni, 0.5% Cr, 0.20% Mo
0.55% Ni, 0.5% Cr, 0.25% Mo
0.55% Ni, 0.5% Cr, 0.35% Mo
2.0% Si
2.25% Ni, 1.2% Cr, 0.12% Mo
1.0% Ni, 0.80% Cr, 0.25% Mo
0.45% Ni, 0.40% Cr, 0.12% Mo
Tabla 4.4 Clasificación de los aceros
Ing. De Materiales.
84
Ingeniería en Materiales
AISI
C1010
C1015
C1020
C1025
C1030
C1035
C1040
C1045
C1050
C1055
C1060
C1065
C1070
C1075
C1080
C1085
C1090
C1095
C (%)
0.08-0.13
0.13-0.18
0.18-0.23
0.22-0.28
0.28-0.34
0.32-0.38
0.37-0.44
0.43-0.50
0.48-0.55
0.50-0.60
0.55-0.65
0.60-0.70
0.65-0.75
0.70-0.80
0.75-0.88
0.80-0.93
0.85-0.98
0.90-1.03
B1112
B1113
B1110
C1113
C1115
0.13
0.13
0.08-0.13
0.10-0.16
0.13-0.18
Mn (%)
P (%)
0.30-0.60
0.4
0.30-0.60
0.4
0.30-0.60
0.4
0.30-0.60
0.4
0.60-0.90
0.4
0.60-0.90
0.4
0.60-0.90
0.4
0.60-0.90
0.4
0.60-0.90
0.4
0.60-0.90
0.4
0.60-0.90
0.4
0.60-0.90
0.4
0.60-0.90
0.4
0.50-0.80
0.4
0.60-0.90
0.4
0.70-1.00
0.4
0.60-0.90
0.4
0.30-0.50
0.4
Aceros de maquinado libre
0.70-1.00
0.07-0.12
0.70-1.00
0.07-0.12
0.30-0.60
0.04
1.00-1.30
0.04
0.60-0.90
0.4
S (%)
0.05
0.05
0.05
0.05
0.05
0.05
0.05
0.05
0.05
0.05
0.05
0.05
0.05
0.05
0.05
0.05
0.05
0.05
SAE
1010
1015
1020
1025
1030
1035
1040
1045
1050
1055
1060
1065
1070
1075
1080
1085
1090
1095
0.16-0.23
0.24-0.33
0.08-0.13
0.24-0.33
0.08-0.13
1112
1113
1115
Tabla 4.5 Composición química de los aceros al carbono
Resistencia
tensil (lb/in²)
Alargamiento
(%)
Reducción de área
(%)
BHN
0.10
0.20
0.40
0.60
0.80
1.00
1.20
1.40
Punto de
cedencia
(lb/in²)
26
45
51
62
70
100
100
96
45
64
85
109
134
152
153
148
45
35
27
19
13
7
3
1
71
60
43
28
18
11
6
3
90
120
165
220
260
295
315
300
0.10
0.20
0.40
0.60
0.80
1.00
1.20
1.40
18
36
44
49
52
52
51
50
41
59
75
96
115
108
102
99
47
37
30
23
15
22
24
19
71
64
48
33
22
26
39
25
90
115
145
190
220
195
200
215
C (%)
Recocido
Tabla 4.6 Propiedades mecánicas de aceros normalizados y recocidos
Ing. De Materiales.
85
Ingeniería en Materiales
Elemento
Símbolo
Solubilidad
sólida
Hierro
gamma
Aluminio
1.1
Hierro
alfa
36
Influencia en los estados
puros del hierro
Ferrita
Austenita
Incremento
notable de
la dureza,
por solución
sólida
Si se
disuelve
en
austenita,
aumenta
su punto
crítico
Al
Cromo
Sin
límite
Sin
límte
75
Incremento
notable de
la dureza.
Aumento
moderado
del límite
de
temple.
Sin
límite
5
Incremento
notable de
la dureza,
reduce su
plasticidad.
Aumento
moderado
del límite
de
temple.
Sin
límite
10
Eleva su
resistencia
y
tenacidad.
Aumento
ligero del
límite
de temple
Co
Manganeso
Mn
Níquel
Aumento
ligero del
límite
de
temple.
12.8
Cr
Cobalto
Incremento
ligero de la
dureza.
Aumenta la
resistencia
a la
corrosión.
Ni
Influencia ejercida medio del
carburo férrico
Tendencia
Acción
Función
a la
durante el
principal
formación
revenido
de
carburo
Negativa
Negativa
Mayor
que el Mn
y menor
que el W.
Reduce la
dureza.
Semejante
al Fe.
Mantiene
la dureza.
Mayor
que el Cr.
Reduce la
dureza.
Negativa
Negativa
Desoxida.
Restringe
la dureza.
Nitrura el
acero.
Previene
la
corrosión.
Aumenta
el límite
de
temple.
Conserva
la dureza
del
material.
Reduce el
depósito
de azufre.
Aumenta
el límite
de
temple.
Añade
resistencia
Hace
tenaces
los aceros
Tabla 4.7 Influencia de los elementos de aleación
Ing. De Materiales.
86
Ingeniería en Materiales
Aceros inoxidables
Característica
Nomenclatura
Cromo
Níquel
Carbono
Magnesio
Silicio
Otros
201
16-18%
3.5-5.5%
0.15%
5.5-7.5%
1.0%
0.25% N2
Grupo austenítico
301
302
16-18%
17-19%
6-8%
8-10%
0.15%
0.15%
2.0%
2.0%
1.0%
1.0%
-----
202
17-19%
4-6%
0.15%
5.5-7.5%
1.0%
0.25% N2
309
22-24%
12-15%
0.20%
2.0%
1.0%
---
316
16-18%
10-14%
0.08%
2.0%
1.0%
2-3% Mo
2150
1850-2050
WQAC
2200
1975-2150
WQAC
Temperatura (°F)
Inicio de forja
Recocido
Enfriamiento
2300
1850-2000
WQAC
2200
1850-2000
WQAC
2200
1450-2050
WQAC
2000
2050-2150
WQAC
Propiedades Mecánicas
Sistema de
Recocido
A
A
A
A
A
A
Resistencia a
la cedencia
(lb/in²)
Resistencia
última
(lb/in²)
Elongación
(%)
Módulo de
elasticidad
(lb/in²)
Dureza Brinell
Dureza
Rockwell
Tiempo de
carga
40
40
35
30
30
30
115
100
100
80
75
75
40
40
50
50
50
50
29
29
29
29
29
29
210
395
210
395
180
---
80
---
200
---
200
---
85 min
85min
85min
85min
80min
70min
Tabla 4.8 Composición química y propiedades mecánicas de algunos aceros inoxidables
Ing. De Materiales.
87
Ingeniería en Materiales
Los aceros para herramientas que más se utilizan se han agrupado en siete grupos.
Grupo
Templados en agua
Resistencia al impacto
Trabajo en frío
Trabajo en caliente
Alta velocidad
Moldes
Própositos específicos
Símbolo y Tipo
W
S
O Templados en aceite
A Mdiana aleación y templable en aire
D Alto carbono y alto cromo
H H1-H19 Base de cromo
H20-H39 Base de Tungsteno
H40-H59 Base de Molibdeno
T Base de Tungsteno
N Base de Molibdeno
P Aceros para moldes
P1-P19 Bajo carbono
P20-P39 Otros elementos
E Baja aleación Carbono-Tungsteno
Tabla 4.9 Clasificación de los aceros según el grado de herramienta
Identificación y tipos de clasificación de los aceros para herramientas.
Aleación
Tipo
C
W1
W2
W3
0.6-1.4
0.6-1.4
1.1
Si
Sc
Ss
St
0.50
0.50
0.55
0.50
O1
O2
O6
O7
0.90
0.90
1.45
1.20
A2
A3
A4
A6
A7
A8
A9
A10
1.00
1.25
1.00
0.70
2.25
0.55
0.50
1.35
Mn
Elementos de aleación en porcentaje de composición
Si
Cr
Ni
V
W
Mo
Aceros templados en agua
0.25
0.50
Aceros resistentes al impacto
1.50
0.80
1.00
1.60
2.00
2.00
1.80
Al
2.50
1.00
2.00
3.25
Acero para trabajo en frío
0.50
Co
0.50
0.40
10.4
0.50
1.00
0.25
0.75
1.75
Aceros medianos templados en aire
5.00
5.00
1.00
1.00
1.00
5.25
4.75
1.00
5.00
1.25
5.00
1.50
1.00
1.25
1.80
1.00
1.00
1.00
1.00
1.00
1.25
1.40
1.50
Ing. De Materiales.
88
Ingeniería en Materiales
Tipo
C
D2
D3
D4
D5
D7
1.50
2.25
2.25
1.50
2.35
H10
H11
H12
H13
H14
H19
0.40.
0.35
0.35
0.35
0.40
0.40
H21
H22
H23
H24
H25
H26
0.35
0.35
0.30
0.45
0.25
0.50
H41
H42
H43
0.65
0.60
0.55
T1
T2
T4
T5
T6
T8
T11
0.70
0.80
0.75
0.80
0.80
0.75
1.50
M1
M2
M3
M4
M6
M7
M10
M30
M34
M36
M41
M42
M43
M44
0.80
1.00
1.05
1.30
0.80
1.00
0.85
0.80
0.90
0.80
1.10
1.10
1.20
1.50
Mn
Si
Cr
Ni
V
W
Mo
Aceros alto Carbono, alto Cromo
12.0
1.00
12.0
12.0
1.00
12.0
1.00
12.0
1.00
Aceros para trabajo en caliente, base Cromo
3.25
0.40
2.50
5.00
0.40
1.50
3.00
0.40
1.50
1.50
5.00
1.00
1.50
5.00
5.00
4.25
2.00
4.25
Aceros para trabajo en caliente, base Tungsteno
3.50
9.00
2.00
11.00
12.00
12.00
3.00
15.00
4.00
15.00
4.00
1.00
18.00
Aceros para trabajo en caliente, base Molibdeno
1.00
1.50
8.00
4.00
2.00
6.00
8.00
4.00
2.00
8.00
Aceros de alta velocidad, base Tungsteno
4.00
1.00
18.00
4.00
2.00
18.00
4.00
1.00
18.00
4.00
2.00
18.00
4.00
1.50
20.00
4.00
2.00
14.00
4.00
2.00
12.00
Aceros de alta velocidad, base Molibdeno
4.00
1.00
1.50
8.00
4.00
2.00
6.00
5.00
4.00
2.40
6.00
5.00
4.00
4.00
6.50
4.50
4.00
1.50
4.00
5.00
4.00
2.00
1.75
8.75
4.00
2.00
8.00
4.00
1.25
2.00
8.00
4.00
2.00
2.00
8.00
4.00
2.00
6.00
5.00
4.00
2.00
6.75
3.75
4.25
1.15
1.50
9.50
3.75
1.60
2.75
8.00
3.75
2.25
5.25
6.25
Co
Al
3.00
4.25
5.00
8.00
12.00
5.00
5.00
12.00
5.00
8.00
8.00
5.00
8.00
8.25
12.00
Ing. De Materiales.
89
Ingeniería en Materiales
Tipo
C
L2
L3
L6
0.50
1.00
0.70
F1
F2
1.00
1.25
P2
P3
P4
P5
P6
0.07
0.10
0.07
0.10
0.10
P20
P21
0.30
0.20
Mn
Si
Cr
Ni
V
Aceros de baja aleación
1.00
0.20
1.50
0.20
0.75
1.50
Aceros Carbono-Tungsteno
W
1.25
3.50
Aceros para moldes de baja aleación
2.00
0.50
0.60
1.25
5.00
2.25
0.50
3.50
Aceros de otros tipos
1.25
4.0
Mo
Co
Al
0.25
0.20
0.25
1.20
Tabla 4.10 Clasificación de los aceros según el grado de herramienta, separados por símbolos
Grupos de aceros para herramientas
W
S
O
A
D
H (Cr)
H (W, Cr)
T
M
L
F
P
Clasificación de maquinabilidad
100
85
90
85
40-50
75
50-60
40-55
45-60
90
75
75-100
Tabla 4.11 Clasificación de la maquinabilidad de aceros para herramientas.
Ing. De Materiales.
90
Ingeniería en Materiales
UNIDAD V
Tratamientos superficiales de los aceros.
Hasta ahora se ha sobrentendido que los defectos puntuales que
describimos, están ubicados en posiciones fijas en el sólido. Sin embargo
esos defectos pueden moverse, y lo hacen, dentro del sólido. El
mecanismo por el cuál los átomos o moléculas se mueven se llama
difusión.
Si se coloca una gota de tinta en un vaso con agua en reposo, la tinta se
mueve (se difunde) a través del agua.
De igual forma, si se coloca una capa de átomos de carbono sobre la
superficie de una placa caliente de hierro, el carbono migra, o se difunde,
al interior de la placa.
Son ejemplos de difusión, el primero de difusión en un líquido y el
segundo en un sólido. También puede haber difusión en un gas, pero sus
efectos se suelen enmascararse por la convección libre del aire.
Así, si se abre un frasco de perfume en una habitación, se puede detectar
la fragancia en toda la habitación, después de haber pasado muy poco
tiempo. Sí ha tenido lugar la difusión, pero las moléculas de perfume han
sido transportadas, en mucho mayor grado, por convección.
Ing. De Materiales.
91
Ingeniería en Materiales
Difusión
La difusión es un proceso de transporte de masa que implica el movimiento de una especie de
átomos a otra. En su forma más simple, sucede por saltos atómicos aleatorios, de una a otra
posición, en cualquier estado de agregación. Como la difusión implica saltos de átomos, es más
rápida a mayor temperatura, debido a que se aumenta la energía interna de los átomos.
La velocidad de difusión en un material se mide por la densidad de flujo y se define como el
número de átomos que pasa a través de un plano de área unitaria, A0, por unidad de tiempo.
Simplemente es entendible lo descrito anteriormente, sin embargo hay diversos factores que se
tienen que tomar en cuenta, antes de llegar a una conclusión.
1.
2.
3.
La diferencia de concentraciones, entre los dos plano de referencia, debe ser tan grande
como sea posible, debido a que con ello crece el flujo de difusión.
La distancia de salto Δx, es una variable en función de la estructura cristalina. Si
disminuye la distancia de salto, aumenta el la velocidad de difusión.
La frecuencia con la que tratan de saltar los átomos de uno a otro plano; esta variable es
función exponencial de la temperatura. Es por ello que si aumenta la frecuencia de saltos,
mayor será la velocidad de difusión.
Al combinar estas afirmaciones, se puede aplicar el siguiente modelo matemático:
J = D C1-C2
Δx
donde:
J = Flujo o cantidad por segundo, de material que pasa a través de un área A, bajo la acción de un
gradiente de concentración. (átomos / cm² s)
D = Coeficiente de difusión
C1-C2 = Gradiente de concentración
Δx = Distancia de salto
Si definimos el gradiente de concentración como -(C1-C2); podemos rescribir la expresión como:
J = -D dC
dx
A esta expresión se le conoce como primera ley de Fick.
Ing. De Materiales.
92
Ingeniería en Materiales
Primera Ley de Fick
La primera ley de Fick; describe el comportamiento de la difusión y se limita a problemas donde
el gradiente de concentración no varía con el tiempo. El signo menos describe que el flujo se lleva
a cabo desde regiones de alta concentración a regiones de baja concentración.
Como se describió; el coeficiente de difusión depende de la frecuencia de saltos respecto a al
temperatura y contiene información acerca de las distancias entre planos; su forma matemática es:
D = D0 e
-Q / RT
ln D = ln D0 + (-Q)
RT²
en donde D0 es una constante del material; Q, es la energía de activación del proceso.
Figura 5.1 Variación del coeficiente de
difusión con respecto a la temperatura.
La pendiente es proporcional a la
Energía de activación.
Mecanismo de difusión
El mecanismo de la difusión es el que determina la barrera de energía que se debe salvar, es
decir la energía de activación, para que ocurra el proceso. Ya que la energía se suministra con
temperatura, entre mayor sea ésta; el proceso de difusión será mas rápido.
Citando la cementación de los aceros, este proceso difunde carbono en la superficie; sabiendo
que el carbono forma una solución intersticial con el fierro; el carbono migra saltando de un
intersticio a otro. Este mecanismo se denomina difusión intersticial.
Ing. De Materiales.
93
Ingeniería en Materiales
La difusión en las soluciones sólidas sustitucionales, como cuando se difunden los átomos de
Al y Cr en una aleación a base de níquel; solo es posible si hay un sitio de red vacante adyacente.
Es por ello que depende de la probabilidad de que existan suficientes vacancias para poder tener una
velocidad de difusión adecuada. A este tipo de difusión se le conoce como difusión de intercambio
de vacancias.
En general, las energías de activación para la difusión por vacancias son mayores que para la
difusión intersticial. La razón se resume en que para el primer caso se requiere de energía para
formar la vacancia y mover el átomo a través de ella. Mientras tanto la energía de difusión
intersticial es menor pues olo se ocupa para mover el átomo al intersticio, siempre existente.
a)
b)
Figura 5.2 Ilustración de los dos mecanismos
de difusión.
b)
c)
d)
a. Difusión intersticial
b. Difusión por intercambio de vacancias
c. Esquema de las energías de activación
asociadas con cada difusión.
e)
Difusión en niveles de concentración variados
El movimiento de átomos en el interior de una material puro se denomina autodifusión, y en
este caso al coeficiente de difusión le corresponde el concepto de coeficiente de autodifusión.
En contraste, cuando ocurre la difusión se debe al movimiento de átomso de soluto en uan
solución diluida, el proceso se llama difusión de impurezas,
Ing. De Materiales.
94
Ingeniería en Materiales
Material
Ni
Cu
Ag
Au
Fe
Si
Al
Ca
Pb
Pt
Mg
Zn
Ti
Polietileno en fundido
Cu en Ag
Cu en Al
Cu en Ni
Zn en Ag
Zn en Cu
Ni en Cu
Ni en Fe
Zn en Cu
Au en Ag
Ag en Au
Al en Cu
C en Fe B.C.C.
C en Fe F.C.C.
N en Fe
Al en Al2O3
O en Al2O3
Mg en MgO
O en MgO
Ni en MgO
O en SiO2
CO2 en poliéster
CO2 en polietileno
CO2 en PVC
O2 en poliéster
O2 en polietileno
O2 en PVC
D0 (m²/s)
Coeficientes de autodifusión
1.30*10-4
2.00*10-5
4.00*10-5
9.10*10-6
1.18*10-2
1.80*10-1
1.00*10-5
3.60*10-5
1.27*10-4
2.70*10-5
1.00*10-4
1.00*10-5
4.00*10-5
1.20*10-11
Coeficientes de difusión de impurezas
1.20*10-4
1.50*10-5
6.50*10-5
5.40*10-5
3.40*10-5
2.70*10-4
7.70*10-5
7.80*10-5
2.60*10-5
7.20*10-6
4.50*10-6
2.00*10-6
2.00*10-5
3.00*10-7
2.80*10-3
1.90*10-1
2.49*10-5
4.30*10-9
1.80*10-9
2.70*10-8
6.00*10-5
2.00*10-4
4.20*10-2
5.20*10-5
6.20*10-4
4.10*10-3
Q (kJ/mol)
279
197
184
174
281
460
135
206
108
283
136
91
96
28
193
126
257
174
191
236
280
184
190
168
165
84
142
76
477
636
330
344
202
111
51
38
64
47
41
54
Tabla 5.1 Coeficientes de difusión para algunos sistemas
Ing. De Materiales.
95
Ingeniería en Materiales
Segunda ley de Fick
En numerosos procesos importantes de difusión, la concentración del material que se difunde en
el interior del sólido anfitrión cambia con el paso del tiempo, en determinada sección.
La rapidez con que varía la concentración de una especie atómica varía en función del tiempo;
aplicando la primera ley de Fick, se determina la posición de dicha variación. La rapidez de cambio
de la cantidad de átomos, es igual a la diferencia entre los átomos que entran y los que salen en la
posición de interés.
Ante esta afirmación, se puede escribir el modelo matemático como sigue:
∂C dV = (J ent – J sal) dA
∂t
sustituyendo dV = dAdx, y reordenando;
∂C = J ent – J sal = ∂J
∂t
∂x
∂x
sustituyendo la ecuación definida de flujo por la ley de Fick;
∂C = D ∂²C
∂t
∂x²
Esta ecuación es la segunda Ley de Fick.
El cambio de temperatura que conlleva la difusión se define por la siguiente ecución y que se
indica como ecuación de transporte de calor;
∂T = Dt ∂²t
∂t
∂x²
Al resolver la segunda ley de Fick se obtienen soluciones en las que la concentración es función
de la posición y del tiempo, esto es, C = C(x, t). Si la fuente de materiales se renueva
constantemente, la solución de la segunda ley de Fick es:
C(x, t) - C0
Cs - C0
 x 
= 1 - erf 

 2 Dt 
Ing. De Materiales.
96
Ingeniería en Materiales
El término erf, se denomina función error y sus valores se presentan a continuación, en caso de
que la fuente no se renueve, se tiene como solución la siguiente expresión.
 
C ( x, t ) = 
 2 Dt
Z
0
0.05
0.10
0.15
0.20
0.25
0.30
0.35
0.40
0.45
0.50
Erf (z)
0
0.056
0.113
0.168
0.223
0.276
0.329
0.379
0.428
0.476
0.521

 − x² 
 exp

 4 Dt 

z
0.55
0.60
0.65
0.70
0.75
0.80
0.85
0.90
0.95
1.00
1.05
Erf (z)
0.563
0.604
0.642
0.678
0.711
0.742
0.771
0.797
0.821
0.843
0.862
Tabla 5.2 Valores seleccionados de la función error.
Tabla 5.3 Gráfica de la función error.
Ing. De Materiales.
97
Ingeniería en Materiales
Tratamientos Termoquímicos
Un tratamiento termoquímico, además de calentar y enfriar el material, modifica la composición
del material en su capa superficial con la adición de carbono, nitrógeno, y otros elementos que
añaden características y propiedades específicas.
Los principales tratamientos termoquímicos son:
Cementación.
Nitruración
Cianuración.
Carbonitruración
Sulfinuración.
Cementación
Consiste en un tratamiento termoquímico donde la capa superficial de una aleación (en este caso
nos enfocaremos a los aceros) es bañada por un producto carburante, calentándose a temperatura
adecuada.
Una vez terminada la operación, se templa y reviene la pieza, quedando una gran dureza
superficial y buena tenacidad en el núcleo.
Respecto a los elementos cementantes, estos pueden ser sólidos, líquidos a temperatura de
cementación (baños de sales) y gaseosos.
Cementantes sólidos
Se emplean para la cementación, carbón vegetal, coke, o elementos pétreos del petróleo. Sin
embargo, con carbón solo no se consiguen porcentajes de carbono en la capa cementada superiores
al 0.60%, sino que sirve de referencia al añadir compuestos similares; por eso se acostumbra
mezclarlo con carbonatos alcalinos.
Las mezclas cementantes deben renovarse periódicamente, utilizando aproximadamente cuatro
partes de mezcla usada y una nueva.
Una mezcla muy utilizada es el cementante carón; compuesto de 60% de carbón vegetal
triturado en trozos, y 40% de carbonato bárico (BaCO3). Esta mezcla puede mejorarse sustituyendo
parte del carbonato bárico por carbón de coke, con lo que se consigue mejorar la velocidad de
penetración del calor a través del cementante y uniformar su temperatura sin que quede debilitada la
acción carburante del cementante Caron.
Puede sustituirse el carbonato bárico en la mezcla anterior por carbonato cálcico (CaCO3) o
carbonato sódico (Na2CO3).
Ing. De Materiales.
98
Ingeniería en Materiales
En la carburación se creyó en un principio que la efectuaba el carbono del carbón vegetal
directamente, pero se comprobó después que es el carbono a alta temperatura, según las reacciones:
BaCO3 + Calor
CO2 + C
BaO + CO2
2CO
2CO + Calor
C + CO2
Las piezas que se han de cementar se colocan en cajas especiales de fundición; de chapa o de
acero inoxidable; rodeadas de material cementante.
Cementantes líquidos (sales fundidas)
Se utilizan para cementación de piezas pequeñas, pues resulta este procedimiento más rápido y
sencillo que la cementación con materiales sólidos. Las sales para cementar están formadas
generalmente por cianuro sódico y otras sales en proporción variable según la profundidad de la
penetración que se desee obtener.
Para espesores de capa centrada de 0.2-.5 mm se utilizan sales de la siguiente composición:
1.
2.
3.
4.
Cianuro sódico
Cloruro bárico
Cloruro sódico
Carbonato sódico
20%
30%
25%
25%
Para espesores comprendidos entre 1.5-3 mm, se puede utilizar la siguiente composición.
1.
2.
3.
4.
Cianuro sódico
10%
Cloruro bárico
55%
Cloruro sódico
20%
Carbonato sódico 15%
El espesor de la capa cementada depende de la composición del baño, de la temperatura y, sobre
todo, de la duración del tratamiento.
Ing. De Materiales.
99
Ingeniería en Materiales
Cementantes gaseosos
Se efectúa colocando las piezas de una atmósfera carburante a las temperaturas de cementación
de 850-900 °C. La atmósfera carburante está formada por la mezcla de un gas activo y un gas
portador. El gas activo es, generalmente metano (CH4), aunque puede utilizarse también propano
(C3H8) o butano (C4H10). El gas portador es una mezcla de óxido de carbono (CO), hidrógeno (H2)
y nitrógeno (N2), con pequeños porcentajes de vapor de agua (H2O), anhídrido carbónico (CO2), etc.
Las misiones de gas portador son las siguientes:
l. Desplazar el aire o gases que existan dentro del horno, sobre todo el vapor del agua y el
anhídrido carbónico, pues son perjudiciales para la buena marcha de la cementación.
2. Reducir el depósito de hollín que inevitablemente se forma en la cementación gaseosa.
3. Economizar metano, ya que se consigue el mismo efecto empleando pequeñas cantidades de
este gas que sí la totalidad de la atmósfera del horno estuviese constituido por él. Sin embargo, la
cementación la realiza única y exclusivamente el metano, al descomponerse por la siguiente
reacción:
CH4
C + 2H2.
El carbono naciente es absorbido por el acero a la temperatura de austenización (850-950 °C).
También el óxido de carbono, colabora en la cementación descomponiéndose a elevada temperatura
en carbono y anhídrido carbónico;
2CO
CO2 + C
Por tanto existirá en la atmósfera de los hornos de cementación gaseosa cantidades de CO2 y H2
formados en el curso de la operación.
Nitruración
Es un tratamiento que tiene por objeto aportar nitrógeno en forma de nitruros de hierro a la capa
superficial de los aceros, con lo que se consigue endurecerla extraordinariamente. La operación se
realiza calentando las piezas a unos 500 °C, en una corriente de amoniaco (NH3) durante unos
cuatro días.
Ing. De Materiales.
100
Ingeniería en Materiales
El amoniaco se disocia con el calor dando;
2NH3 + Calor
N2
+
3H2
La dureza se atribuye a la formación de dos nitruros de hierro, Fe2N4 y Fe4N, estando el primero
situado en al capa exterior y el segundo en las capas inferiores.
Los espesores de la capa nitrurada más empleados varían entre 0.20-0.70 mm, según las duración
de la operación, consiguiéndose aproximadamente un espesor de 0.30 mm.
Cianuración
Es un tratamiento que tiene por objeto endurecer una capa superficial del acero, por la acción
combinada del carbono y del nitrógeno. Se considera la cianuración como un procedimiento mixto
de cementación y nitruración.
La cianuración se emplea para endurecer piezas de bajo contenido de carbono y también de
contenido medio; utilizando baños con concentraciones de cianuro del 40%.
La cianuración tiene el inconveniente de no lograr capas duras muy profundas. Además los
cianuros son muy venenosos; hay que manejarlos con mucho cuidado, colocando los crisoles bajo
campanas de aspiración de gases, dotadas de ventiladores adecuados.
El cianuro sódico, en el proceso de cianuración, se oxida con el oxígeno del aire; en las sales
transcurren las siguientes reacciones
2NaCN
+ O2
2NaCNO + O2
2CO
2NaCNO
Na2CO3
+ CO
+ 2N
CO2 + C
El carbono elemental y el nitrógeno formados se difunden en el acero. La capa cianurada,
obtenida a 840-860 °C, contiene menos carbono (0.6-0.7%) en comparación con las cementadas; el
contenido de nitrógeno en la capa cianurada es de 0.8-1.2%.
La cianuración a bajas temperaturas permite ejecutar el temple directamente después del baño de
cianuro. Después del temple se realiza el revenido a baja temperatura (180-200 °C). La dureza de
la capa cianurada después del tratamiento térmico es igual 58-62 HRc.
Ing. De Materiales.
101
Ingeniería en Materiales
Carbonitruración
Es un tratamiento con el que se consigue endurecer una capa superficial de los aceros por la
absorción simultánea de carbono y nitrógeno.
Se ha llamado a la carbonitruración a la cianuración gaseosa, por que el fin del tratamiento es el
mismo, aunque varía el medio empleado, ya que la cianuración se realiza por medio de cianuros en
estado líquido a la temperatura de la operación y la carbonitruración por medio de gases.
La operación se desarrolla de una manera muy parecida a la cementación gaseosa. Se utiliza un
gas portador formado generalmente por 21% CO, 40% H2, 35% N2, 1 % de C, y pequeñas
cantidades de CO2, O2, vapor de agua y un gas activo, que en este caso es el amoniaco (NH3).
También se añade una pequeña porción de metano (CH4), dependiendo de la aportación de
carbono en la capa superficial del acero.
Hay tres tipos de carbonitruración
Carbonitruración ligera
Este proceso realiza un tratamiento termoquímico de 0.02 a 0.04 mm de profundidad para piezas
expuestas a deformaciones en el tratamientos en caliente o en frío. Se realiza a temperaturas de
650- 690°C. El temple se hace por enfriamiento en corriente de aire, obteniéndose después del
revenido una dureza de 35 5 HRc.
Carbonitruración media
Con espesores del orden de 0.05-0.09 mm para piezas corrientes, las temperaturas varían de
parámetro desde 650-690°C, hasta 790-900°C. El temple se realiza con enfriamiento en aceite o en
baño de sales, consiguiéndose una dureza de 57-63 HRc.
Carbonitruración profunda
Este tipo de depósito; de 0.10 a 0.50 mm de espesor, consigue piezas de superficie dura y buena
tenacidad en el núcleo. La operación se realiza entre 840-870 °C, dejando las piezas enfriarse
lentamente en el horno hasta 550 °C. El temple se realiza con enfriamiento en agua o aceite,
resultando una dureza de 57-60 HRc. La carbonitruración es uno de los tratamientos más
empleados para el temple de engranes.
Sulfinización
Este proceso, fue desarrollado en Francia por Foucry y Beze en 1947, patentándolo con el
nombre de Sulf-Inuz. Su objetivo es aumentar la resistencia al desgaste de las piezas tratadas,
calentándolas en un baño de sales de composición especial a 565 °C, de 1-3 horas.
Ing. De Materiales.
102
Ingeniería en Materiales
En la composición del baño entran tres tipos de sales: unas activas, formadas principalmente por
sulfito sódico; otras protectoras, de carácter reductor, para impedir la oxidación de las sales activas;
y por último sales de soporte, alcalinas o alcalinotérreas, para rebajar hasta 450 °C la temperatura de
fusión de la mezcla.
La duración de la sulfinización oscila entre tres minutos y tres horas, según los tamaños y
espesores de las piezas, obteniéndose como máximo una capa tratada de 0.3 mm de espesor,
resultando inútil prolongar la duración del tratamiento, ya que prácticamente no se logran mayores
espesores de material tratado.
Las características más sobresalientes obtenidas como resultado de las sulfinización son las
siguientes:
1. Las piezas después de tratadas no adquieren mayor dureza de la que tenía el metal base.
2. La capa sulfinizada parece indestructible.
3. La capa tratada tiene cualidades atribuyen características favorables al rozamiento; es
antisoluble.
4. Como la sulfinización, no produce aumento de dureza, y no es aconsejable el temple por las
deformaciones que pueden originarse; se recomienda la nitruración como operación previa.
5. Puede aplicarse este tratamiento a cualquiera de los aceros; aunque se advierte una
penetración mejor en los aceros dulces.
6. Las piezas tratadas resisten temperaturas elevadas en el rozamiento, manteniendo
plenamente su eficacia hasta los 600 °C.
Tratamiento térmico del acero después de la cementación y propiedades de las piezas
cementadas.
Las propiedades finales de las piezas cementadas se logran como resultado del tratamiento
térmico que se realiza después de la cementación. Este tratamiento tiene el siguiente objetivo:
a). Corregir la estructura y afinar el grano del núcleo y de la capa cementada, que
inevitablemente se recalientan en el proceso de exposición duradera a alta temperatura de
cementación.
b). Obtener una alta dureza en la capa cementada.
c). Eliminar la red de carburo en la capa cementada, que se puede formar durante la saturación
con carbono.
En la mayoría de los casos, sobre todo durante el tratamiento de aceros de grano fino hereditario,
se usa el temple por encima de ACl, desde los 820-850 °C. Esto asegura el afinamiento del grano de
la capa cementada, la recristalización parcial y al afinamiento del grano del núcleo. Después de la
cementación con gas; frecuentemente se emplea el temple efectuado directamente después del
horno de cementación. Para disminuir la deformación de las piezas cementadas de aceros, se
emplea también el temple escalonado en aceite caliente con una temperatura de 160-180°C.
Ing. De Materiales.
103
Ingeniería en Materiales
A veces el tratamiento térmico después de la cementación consiste en el doble temple y
revenido.
La imperfección de semejante tratamiento térmico consiste en su complejo proceso tecnológico, en
la elevada torcedura que surge en las piezas de compleja configuración y en la posibilidad de
oxidación y descarburación.
La operación final del tratamiento térmico de las piezas cementadas en todos los casos es el bajo
revenido a baja temperatura a 160-180°C.
Como resultado del tratamiento térmico la capa superficial adquiere una estructura de martensita
revenida o de martensita con pequeña cantidad de carburos sobrantes en forma globular. Su dureza
alcanza 59-63 HRc.
Tecnología en el proceso de nitruración
Esta incluye las siguientes operaciones:
1. Tratamiento térmico preliminar, que consiste en el temple y revenido a la temperatura del acero y
que tiene como objetivo obtener elevada resistencia y viscosidad en el núcleo de la pieza. Al
tratamiento térmico generalmente se someten los aceros en piezas brutas.
2. Tratamiento mecánico de las piezas, como también rectificado, que da las dimensiones
definitivas de la pieza.
3. Protección de las zonas no sometidas a nitruración por medio de la aplicación de una capa
delgada de plomo (0.01-0.015 mm) por el método electrolítico, o de vidrio líquido. El plomo, a la
temperatura de nitruración, se funde y gracias a la tensión superficial se mantiene en la superficie
del acero en forma de una delgada película impermeable para el nitrógeno.
4. Nitruración
5. Rectificado final de la pieza.
Para la nitruración de piezas de paredes finas y compleja configuración, se recomienda realizarla
a 500-520 °C. La duración del proceso depende del espesor necesario de la capa nitrurada.
Tecnología en el proceso de carbonitruración.
Después de este proceso, se emplea el temple inmediato, después del horno o bien después de su
calentamiento secundario; frecuentemente se utiliza el temple escalonado. Después del temple se
realiza el revenido a 160-180 °C. La dureza de la capa después del tratamiento térmico está en el
rango de 60-62 HRc.
A este proceso se someten las piezas de compleja configuración, por ejemplo, los engranajes,
piezas propensas a la torcedura.
Ing. De Materiales.
104
Ingeniería en Materiales
Este proceso tiene una serie de ventajas en comparación con la cementación con gas:
a).
b).
c).
d).
El proceso se realiza a una temperatura más baja (850-870°C).
La obtención de un número menor de deformaciones y torceduras.
Aumento en la resistencia al desgaste y a la corrosión.
La ausencia de negro (hollín) en las piezas y en las paredes del horno.
Gracias a las ventajas señaladas en este proceso, la carbonitruración o nitrocementación se usa
de manera amplia en la industria. Existen otros procesos y que solo se mencionarán como ejemplo:
Metalización por difusión
Valorización
Cromado del acero
Siliciuración
Boración
Ing. De Materiales.
105
Ingeniería en Materiales
UNIDAD VI
Aleaciones ligeras
Una transformación de fase, de gran importancia económica en la
industria de los motores a reacción y que preocupa mucho a todos los que
viajan en avión, se relaciona con la producción de los álabes de las turbinas
de los motores a chorro. En la sección de turbina de un motor, se quema
una mezcla de combustible y aire, a temperaturas mayores de 1500 °K.
Esto causa una expansión rápida de los gases, parte de cuya energía es
convertida en rotación del motor por los álabes de la turbina. La rotación
de las aspas del compresor presiona al aire en la parte delantera del motor,
y lo hace pasar hacia atrás, donde participa en la combustión y el ciclo
continúa.
Los álabes de la turbina trabajan bajo condiciones muy
drásticas: las temperaturas son muy altas, el medio de la combustión es en
extremo corrosivo y los esfuerzos son muy grandes. Casi la única clase de
materiales que puede resistir esas condiciones es la de las llamadas
superaleaciones o aleaciones ligeras en este caso, a base de níquel, que en
los términos más sencillos consisten en una microestructura de una matriz
CCC (en esencia de Ni con otros elementos) y partículas de Ni3AITi.
Al igual que la mayor parte de los metales, estas aleaciones a base de Ni
se usaron en su forma policristalina. Sin embargo, los límites de grano son
zonas donde se presentan deformaciones excesivas y ataque químico
(oxidación), y como tales son sitios preferenciales de fractura. La fractura
de los álabes de estas turbinas representa un riesgo inaceptable, por los
daños que se pueden ocasionar al motor.
Así, las condiciones de
funcionamiento (esfuerzos y temperaturas) tuvieron que ser mantenidas
en valores relativamente bajos al usar los álabes de turbina policristalinos.
Especial mente, se desea eliminar los límites de grano normales al
esfuerzo aplicado, porque son los sitios que se atacarán de preferencia. El
desafío para la industria de los motores a reacción era eliminar esos
límites, y con ello permitir mayores temperaturas y esfuerzos en
funcionamiento. Se logró lo anterior mediante la extracción direccional de
calor. Por tanto, en lugar de permitir que los álabes se solidificaran
libremente con formación de muchos granos orientados al azar, se les
extrajo calor en una dirección.
Ing. De Materiales.
106
Ingeniería en Materiales
Aleaciones en las aeronaves
El transporte aéreo para su construcción, utiliza diferentes materiales, principalmente aleaciones
de aluminio entre otras. A través de la investigación en la documentación más reciente, el presente
trabajo pretende recoger de manera abreviada y concisa los conceptos más importantes relacionados
con su clasificación, aplicación y consumo en general y de esta manera tener presente la tendencia
sobre la utilización de los materiales en la industria aeronáutica.
El diseño de aeronaves requiere de materiales que cumplan las siguientes características:
Excelente resistencia específica.
Bajo costo de manufactura
Elevada duración y extensión de la vida del material.
Adecuada para trabajar en condiciones ambientales extremas.
Se sabe que el material mas empleado son las aleaciones de aluminio debido a la gran resistencia
que se desarrollan en estas; gracias al fenómeno de endurecimiento por envejecido o precipitación,
descubierto accidentalmente por Alfred Wilm en la Ciudad de Berlín en 1906, y que a causa de este
descubrimiento, se desarrollaron aleaciones entre ellas el duraluminio y que, inmediatamente, se
utilizó en Alemania para secciones estructurales de la aeronave.
En principio, para aprovechar su flexibilidad, las aleaciones de aluminio tratadas o trabajadas
han sido los materiales de mayor aplicación en construcción de las aeronaves, las cuales han
estimulado el desarrollo de nuevas aleaciones. Así también, la aplicación del magnesio y las
aleaciones de titanio; ofrecen nuevas alternativas en su empleo donde se requieren nuevas
propiedades.
Importancia del aluminio en al industria aeronáutica
Desde la antigüedad, la aplicación de los metales para el desarrollo humano siempre ha ido a la
vanguardia, debido a que el hombre desde que descubrió su existencia no ha podido prescindir de
ellos. Claro es el ejemplo de esto; cuando la historia del hombre ha nombrado a dos etapas en
honor al metal, que se empleaba; la edad de hierro y la edad de bronce.
Si pudiéramos resumir la historia moderna de esta manera, podemos decir que eh hombre ha
vivido en estos días las edades del acero y el aluminio respectivamente. El acero, desde la
revolución industrial. Ha extendido su uso en cualquier aplicación que incluya desde utensilios de
cocina hasta estructuras de transportes aerospaciales. El aluminio por su parte, entró a la escena
mundial, cuando la industria aeronáutica se consolidó como una de las más poderosas tanto del
mercado como de la investigación.
Es por ello que este segundo metal debe ser explicado y tratado ampliamente gracias a que ha
sido el bastión principal en el estudio de materiales, específicamente en esta área.
Ing. De Materiales.
107
Ingeniería en Materiales
El aluminio es un metal que posee como característica primordial una elevada resistencia
específica. La resistencia específica es un parámetro que mide la resistencia que posee un material
por unidad de masa. En este caso el aluminio presenta una gran resistencia a la vez que su densidad
es de las más pequeñas dentro de los metales maquinables. Para poder magnificar la importancia de
estos renglones, se puede citar que si existiesen en un experimento, dos probetas, una de acero y
otra de aluminio y se les aplicara una carga; se vería que bajo ciertas condiciones, presentan la
misma resistencia; sin embargo la densidad del aluminio es la tercera parte del valor de la del acero;
por lo que se concluye la razón por la cual es empleado en al industria aeronáutica: resiste igual,
pesa menos.
El duraluminio fue el precursor de la serie de aleaciones del aluminio, incluyendo las aleaciones
2014 y la 2024, que son usadas actualmente. El otro grupo de aleación principal de aplicación
aeronáutica es la serie 7XXX. Ambas clases se consideran junto con las aleaciones que contienen
litio, últimas que han sido desarrolladas por su excelente relación resistencia-peso, como una
posible sustitución de materiales.
La selección de materiales para aplicaciones estructurales en las aeronaves, dependen
principalmente de varias prevenciones, numerosos cálculos y algunos requerimientos de
funcionalidad, por lo que es útil entender que esta materia engloba diversos conocimientos, que
deben ser utilizados de manera correcta para poder llegar a un buen resultado.
Componentes de la aeronave
Piel del fuselaje
Largueros del fuselaje
Recuadro de contención del fuselaje
Piel superior del ala
Larguero superior del ala
Piel inferior del ala
Larguero inferior del ala
Costillas y fuselaje
Empenaje
Elementos sustentadores
Tipo de aleación
2024-T3, 7075-T6, 7475-T6
7075-T6, 7075-T73, 7476-T76, 7150-T77
2024-T3, 7076-T6, 7050-T6
7075-T6, 7150-T6, 7055-T77
7075-T6, 7150-T6, 7055-T77
2024-T3, 7475-T73
2024-T3, 7075-T6, 2224-T39
2024-T3, 7075-T6, 7175-T73
2024-T3, 7010-T76, 7150-T77
2024-T3, 7075-T6, 7050-T76
Tabla 6.1 Aleaciones de aluminio utilizadas en una aeronave.
Por otra parte, para el borde de ataque fijo del ala, el estabiIizador vertical y las vigas, entre
otros elementos; las aleaciones deben reunir los siguientes requisitos para que desempeñen un
óptimo trabajo.
Resistencia a la corrosión
Resistencia al esfuerzo en compresión (CYS)
Modulo de elasticidad elevados (E).
Resistencia a la fatiga (FAT)
Requerimientos de diseño.
Ing. De Materiales.
108
Ingeniería en Materiales
Figura 6.1 Aleaciones de aluminio y sistemas para la designación de su nombre de acuerdo a su
tratamiento.
Ing. De Materiales.
109
Ingeniería en Materiales
Desarrollo de fractura por fatiga, (FCG)
Resistencia a la fractura tenaz (FT) (Fracture Toughness)
Resistencia al corte, (SS) (Shear Strength)
Resistencia a la tensión, (TS) (Tensile Strength).
Las zonas o áreas de la aeronave que requieren de estas propiedades mecánicas son las siguientes:
Figura 6.2
pasajeros.
Propiedades requeridas en diferentes zonas estructurales para una aeronave de
En los últimos años, la industria del aluminio ha canalizado sus esfuerzos en una fuerte
competitividad para buscar alternativas de nuevos materiales ligeros y mejorar la relación
resistencia-peso, un ejemplo de esto, son los compuestos orgánicos de fibra reforzada.
A medianos de 1980, se pronosticó que el contenido de aluminio en una aeronave de pasajeros
disminuiría de un 80% a menos del 50%, asimismo, también se pronosticaron cambios drásticos
para las aeronaves militares. Sin embargo, la utilización de los materiales compuestos ha sido
menor a lo esperado, por ejemplo, en la reciente aeronave Boeing 777 se utiliza el 70% de
aleaciones de aluminio en su estructura comparado con une 78-81% en la aeronave a la que sucedió.
La situación es similar en las aeronaves europeas.
Ing. De Materiales.
110
Ingeniería en Materiales
Como lo hemos llevado a cabo dentro del texto; sobre el aluminio, se irán descubriendo sus
características y propiedades a partir de sus aleaciones ligeras, fin último y de vital importancia
como se citó anteriormente.
Estado natural
El aluminio no se encuentra nativo en la naturaleza, pero en combinación con otros elemntos, en
forma de compuestos, sales y minerales, abunda en al corteza terrestre, ocupando un 7.85% de la
misma.
Los principales minerales en que se encuentra son:
Oxido de aluminio o alúmina
Ortohidróxido de aluminio o hidrarginita
Pirohidróxido de aluminio o bauxita
Motohidróxido de aluminio o diásporo
Fluoruro doble de aluminio y sodio o alunita
Sulfato de aluminio y potasio o alunita
Al2O3
Al(OH)3 .
Al2O5H4
AlO2H
A1F3NaF
KAl(SO4)2
Propiedades Físicas
Es un metal blanco, algo azulado, muy ligero, tenaz, dúctil y maleable, conduce bien el calor y la
electricidad. Su densidad es 2.6 gr /cm² cuando está recocido; pero aumenta a 2.7 gr/cm² en estado
agrio o en presencia de impurezas (Fe, Cu).
Se puede clasificar al aluminio entre los metales más ligeros debido a que su peso atómico es
26.97 gr / grmol. Las propiedades térmicas del mismo se resumen en su calor específico 0.22 y su
conductividad térmica de 36; por eso es muy utilizado para utensilios de cocina.
La conductividad eléctrica es de un 60%. Su resistividad es de 2.82 μΩ/cm. Su temperatura de
fusión es de aproximadamente 650 °C.
Obtención del aluminio
Se obtiene por electrólisis de una mezcla de criolita y bauxita fundidas en un horno eléctrico.
Por el calor la criolita se disocia;
AlF33NaF
AlF3 + 3NaF.
y el fluoruro de aluminio deposita el en el cátodo con la reacción;
Ing. De Materiales.
111
Ingeniería en Materiales
2AlF3
3F2
+
2Al.
al mismo tiempo la bauxita, por el calor pasa como óxido.
Al2O5H4
2H2O
+ Al2O3
Este óxido reacciona con el flúor que deja la criolita y produce más fluoruro de aluminio.
Al2O3
+ 3F2
2AlF3
+
1.5 O2.
.
El oxido reacciona con el carbón del electrodo y da
1.5O2
+
3C
3CO
Características químicas
La división del aluminio en categorías; esta basada en la mayor o menor cantidad de impurezas
que acompañan a este metal. Las impurezas son
1. Fierro y silicio
2. Carburos, sulfuros, cobre, zinc, estaño, sodio, nitrógeno, boro, titanio
3. Aluminio
En la obtención del aluminio, los electrodos en especial el ánodo es el principal causante de las
impurezas en el aluminio. Los ánodos pueden estar hechos con coke o carbón de retorta. El
alquitrán es el aglomerante o aglutinante.
Categorías del aluminio
1ª Aluminio de 99.5% de pureza, es decir el Fe y Si, componen el 0.5%.
2ª Aluminio 99%; de igual manera; Fe y Si con 1% de la composición.
3ª Aluminio de 98%, el Fe y Si representan el 2% faltante.
Ing. De Materiales.
112
Ingeniería en Materiales
Características mecánicas
Estas son variables con la acritud (resistencia originada en los metales al trabajarlos en frio), y
se presenta bajo 2 aspectos.
a) Acritud intermedia de fabricación; eliminable por un recocido final.
b) Acritud de estado final; en el producto fabricado.
Estado intermedio: Bajo el primer aspecto, la utilización de acritudes elevadas del rango de 200300% presenta ventajas reales, aumenta de una manera general el valor de las propiedades
mecánicas después del recocido completo.
Estado Final: Bajo el segundo aspecto, la acritud esta lejos de ser recomendable y particularmente
en la industria aeronáutica; en este estado físico; no aparece como un estado estable de material y
debe evitarse.
Aleaciones de aluminio forjadas
Son usadas exclusivamente en la construcción aeronáutica. Aparte de los herrajes que soportan
cargas concentradas; la estructura general del aeroplano como se construye en nuestros días es de
aluminio.
El antecedente de este material, se debe a su bajo peso y alta resistencia, fácil fabricación y al
hecho de que se encuentra en el mercado en todas las formas tipo. Su peso atómico es 1/3 del peso
del acero y se puede obtener con una resistencia a la ruptura de 45.2 kg/mm².
Se le encuentra en varios estados y formas, por lo que se puede seleccionar el más adecuado para
cualquier aplicación particular. Estas aplicaciones varían desde las cubiertas de motor de automóvil
(carter superior) de formas especiales que requieren un material dúctil; hasta las vigas de ala;
altamente resistentes y que soportan grandes esfuerzos.
Nomenclatura
Dado que es un reducido número de aleaciones el que se emplea en aeronáutica por ser las
aleaciones mejor estudiadas; así como por las razones que hemos dado para los otros materiales
aquí nos referiremos a la nomenclatura norteamericana para identificar las diversas aleaciones.
Si ese número esta seguido de la letra S, indica una aleación forjada. Las aleaciones fundidas se
designan por un número sin la S. En algunos casos una letra procede el número de las aleaciones.
Esta letra indica que esta aleación tiene una composición química ligeramente diferente de la liga
normal.
Ing. De Materiales.
113
Ingeniería en Materiales
Aleaciones agrupadas por contenido de elementos de aleación
Elemento principal de aleación
Aluminio puro comercial (99%)
Cobre
Manganeso
Silicio
Magnesio
Magnesio-Silicio
Zinc
Otros elementos
Nomenclatura (AAA)
1XXX
2XXX
3XXX
4XXX
5XXX
6XXX
7XXX
8XXX
Tabla 6.2 Aleaciones agrupadas por mayoría de elementos de aleación.
Nomenclatura
(ALCOA)
2S
3S
4S
11S
14S
17S
A17S
18S
24S
35S
32S
A51S
52S
53S
56S
70S
75S
Nomenclatura
(AAA)
1002
3003
3004
2011
2014
2017
2117
2018
2024
2025
4023
6151
5052
6053
5056
7070
7075
Componentes
(1) Aluminio, (0) sin modificación, (02) aleación 2S
(3) Mangneso, (0) sin modificación, (03) aleación 3S
(1) Manganeso (0) sin modificación, (04) aleación 4S
(1) Cobre, (0) sin modificación, (11) aleación 11S
(1) Cobre, (0) sin modificación, (14) aleación 14S
(1) Cobre, (0) sin modificación, (17) aleación 17S
(1) Cobre, (0) sin modificación, (A17) aleación A17S
(1) Cobre, (0) sin modificación, (18) aleación 18S
(1) Cobre, (0) sin modificación, (24) aleación 24S
(1) Cobre, (0) sin modificación, (25) aleación 25S
(4) Silicio, (0) sin modificación, (32) aleación 32S
(6) Magnesio-Silicio, (1) con modificación, (51) aleación 51S
(5) Magnesio, (0) sin modificación, (52) aleación 52S
(6) Magnesio-Silicio, (0) sin modificación, (53) aleación 53S
(5) Magnesio, (0) sin modificación, (56) aleación 56S
(7) Zinc, (0) sin modificación, (70) aleación 70S
(7) Zinc, (0) sin modificación, (75) aleación 75S
Tabla 6.3 Principales aleaciones según la serie ALCOA.
Aleaciones fundidas y para forja
1XXX Aluminio comercial puro (99%)
2XXX Al-Cu
3XXX Al-Mn
4XXX Al-Si
5XXX Al-Mg
6XXX Al-Mg-Si
7XXX Al-Zn
8XXX Al-Sn
Tratamiento superficial (envejecido)
No envejecido
Endurecible por envejecimiento
Algunas son endurecibles por envejecimiento
Algunas son endurecibles por envejecimiento
No envejecido
Endurecible por envejecimiento
Endurecible por envejecimiento
Endurecible por envejecimiento
Tabla 6.4 Designación del tratamiento superficial para las aleaciones de aluminio.
Ing. De Materiales.
114
Ingeniería en Materiales
Aleación
1100-O
(99% Al)
1100-H18
Esfuerzo de
Elongación
Resistencia a la
fluencia
tensión
(psi)
(psi)
(%)
Aleaciones para forja no tratables
13000
5000
40
24000
20000
10
16000
6000
35
3003-H18
4043-O
(5.2% Si)
5056-O
(5.1% Mg)
29000
21000
27000
10000
7
22
42000
22000
35
5056-H18
60000
50000
15
3003-O
(1.2% Mn)
2024-O
(4.4% Cu)
2024-T4
4032-T6
(12% Si)
6061-T6
(1% Mg 0.6% Si)
7075-T6
(5.6% Zn)
295-T6
(4.5% Cu)
319-F
(6% Si)
356-T6
(7% Si)
380-F
(8.5%Si)
443-F
(5.3% Si)
713-T5
(7.5%Zn)
Aleaciones para forja tratables térmicamente
27000
11000
20
Aplicaciones
Componentes
eléctricos, hojas.
Hojas metálicas
finas
Resistente a la
corrosión,
estructuras.
Latas y envases
Estructuras
arquitectónicas
Metales de
relleno en
soldadura
Recipientes,
componentes
navales.
Transportes,
aeronáutica,
astronáutica y
otras
aplicaciones de
alta resistencia
68000
55000
47000
46000
20
9
45000
40000
15
83000
73000
11
27000
Aleaciones para fundición
18000
2
Colado en arena
34000
19000
2.5
38000
27000
5
41000
35000
1
19000
8000
8
Colado en molde
permanente
Colado en molde
permanente
Colado de
cosquilla
Colado en aren
30000
22000
4
Arena
Tabla 6.5 Propiedades de algunas aleaciones de aluminio.
Ing. De Materiales.
115
Ingeniería en Materiales
Figura 6.3 Diagrama binario de fases de la aleación Al-Cu, de extendido uso industrial,
principalmente aeronáutico.
Figura 6.4 Micrografía de una
aleación Al-Cu (2014).
a) Probeta con precipitados
homogéneos.
b) Probeta con precipitados
nucleados heterogéneamente
a)
b)
Ing. De Materiales.
116
Ingeniería en Materiales
Clasificación de las aleaciones forjadas
Se pueden clasificar en dos grupos; tratados posdeformación en frío, o tratados térmicamente.
En los endurecidos por deformación las propiedades físicas se mejoran solamente por trabajo en
frío, mientras que en .el grupo de las que se pueden tratar térmicamente, el calentamiento es el
proceso que las mejora.
Las aleaciones endurecidas por deformación no responden a ningún tratamiento térmico, que no
sea un suavizado por recocido. Los dos estados externos en los que se pueden obtener todas las
aleaciones endurecidas por deformación son: el estado suave de recocido y el completamente duro.
El último estado se produce por trabajo en frío del metal al máximo que es práctico y comercial.
Las aleaciones que se pueden tratar térmicamente se pueden obtener desde suaves recocidos
hasta temples extremos. Algunas aleaciones tienen un tratamiento intermedio. Se obtienen
resistencias mayores en las aleaciones que se pueden tratar térmicamente que en las aleaciones
endurecidas por deformación.
Por, consiguiente se usan para fines estructurales en aviación, prefiriéndolas sobre las
endurecidas por deformación.
Aleaciones de aluminio ALCLAD
Alclad (formado de la contracción de la palabra aluminio y clad, vestidura o cubierta), es el
nombre dado a aleaciones tipo, tales que se les ha puesto una cubierta delgada de aluminio de alta
pureza. Debido a que ese aluminio puro es mucho muy resistente a la corrosión, protege a la liga
emparedada entre las capas de la superficie. No necesita pintura protectora contra la corrosión
Alclad, a menos que estén sujetos a muy severas condiciones de servicio; un ejemplo, los flotadores
de hidroavión.
Un espesor dado de Alclad, no será tan fuerte como el espesor de la aleación ordinaria pues la
reducción de resistencia es del orden de 8-10% aproximadamente. No obstante, los Alclads, tienen
gran ventaja en relación a la resistencia ya que a través del tiempo esta se conserva.
Las aleaciones ordinarias, aunque protegidas por pintura pueden perder una gran cantidad de su
resistencia y casi toda su ductilidad después de años de servicio severo. La retención de la
resistencia tiene mucha importancia en las secciones delgadas dadas en la construcción aeronáutica.
Figura 5.5 Micrografía de la aleación Alclad 24ST, de
aplicación aeronáutica.
Ing. De Materiales.
117
Ingeniería en Materiales
Tratamiento térmico de las aleaciones de aluminio.
Hay dos tipos de tratamiento térmico aplicables a las aleaciones de aluminio:
Tratamiento térmico de solución.
Tratamiento térmico de precipitación.
El tratamiento térmico de solución se llama así porque durante el, los elementos de liga
constituyentes entran en solución sólida en el aluminio. Se ha encontrado que estos elementos de
aleación que aumentan la resistencia y dureza son más solubles en aluminio sólido a las altas
temperaturas. Después el metal es mantenido a una alta temperatura por un tiempo suficiente para
completar la solución y se le templa rápidamente en agua fría para retener esta condición.
El tratamiento térmico de precipitación consiste en envejecer el material sujeto previamente al
tratamiento térmico de solución manteniéndolo a una temperatura elevada por un periodo de tiempo
bastante largo. Durante el tratamiento una porción de los constituyentes de la liga en solución
sólida, se precipitan. El tiempo de calentamiento comienza a contarse cuando la temperatura del
baño haya alcanzado la temperatura mínima del tratamiento térmico, después de introducir la carga
al horno.
Espesor del material
Baño de Sal (500-510 °C)
1/16-1/32”
1/16 -⅛”
⅛-¼“
¼-½“
½ -1”
10 min
25 min
35 min
90 min
120 min
Fijación dentro del horno
(490-500 °C)
30 min
30 min
45 min
90 min
120 min
Tabla 6.6 Tiempo recomendado para el calentamiento de material en un horno de aire.
Aleaciones
17S
24S
25S
A25S
53S
Tratamiento térmico de solución
Temperatura
Temple
Estado
500-510 °C
490-500 °C
515-525 °C
515-525 °C
515-525 °C
Tabla 6.7
Agua fría
Agua fría
Agua fría
Agua fría
Agua fría
25SW
A51SW
53SW
Tratamiento térmico por precipitación
Estado
Temperatura
Tiempo de
envejecimiento
Ambiente
4 días
17ST
Ambiente
4 días
24ST
142-174 °C
12 días
25ST
157-162 °C
18 días
A51ST
157-162 °C
18 días
53ST
Tratamiento térmicos en las aleaciones de aluminio y sus características.
Ing. De Materiales.
118
Ingeniería en Materiales
Aleaciones endurecidas por deformación o acritud
Las aleaciones endurecidas por deformación que se consiguen en el comercio son 2S, 3S, 4S,
52S. Todas estas aleaciones se usan ordinariamente en la construcción aeronáutica pero no se
utilizan para fines de estructuras primarias porque su resistencia no es tan alta como otros
materiales que pueden aprovecharse.
No obstante pueden doblarse bien, contornarse, soldarse y por estas razones ser utilizadas para
tanques, cubiertas y enlaces de superficie.
Las aleaciones endurecidas por deformaciones por no pueden ser tratadas térmicamente para
mejorar sus propiedades solo pueden obtenerse por tratamiento en frío en la fabricación o
conformación de estos materiales
Se endurecen demasiado sí se trabajan severamente y es
necesario entonces suavizarlos antes de proseguir. El suavizado debido a la recristalización es
prácticamente instantáneo sí se calienta a una temperatura suficiente.
Liga y
estado
Resistencia
máxima a
la tensión
(psi)
Resistencia
de
cedencia
(psi)
2SO
2S1/4H
2S1/2H
2S3/4H
2SH
13000
15000
17000
20000
24000
4000
13000
14000
17000
21000
3SO
3S1/4H
3S1/2H
3S3/4H
3SH
16000
18000
21000
25000
19000
5000
15000
18000
21000
25000
4SO
4S1/4H
4S1/2H
4S3/4H
4SH
26000
31000
35000
39000
42000
10000
25000
31000
35000
38000
52SO
52S1/4H
52S1/2H
52S3/4H
52SH
29000
34000
37000
39000
41000
14000
26000
29000
34000
36000
Alargamiento
(%)
Serie 2
35
12
9
6
5
Serie 3
30
10
5
8
4
Serie 4
20
6
5
3
3
Serie 5
25
12
10
8
7
Dureza
Brinell
Resistencia
al corte
Resistencia
a la fatiga
(psi)
(psi)
23
28
32
28
44
9500
10000
11000
12000
13000
5000
6000
7000
8000
8500
28
35
40
47
55
1000
12000
14000
15000
16000
7000
8000
9000
9500
10000
45
55
64
73
80
16000
17000
19000
21000
23000
140000
14000
15000
15500
16000
45
62
67
74
85
18000
19000
21000
23000
24000
17000
18000
19000
20000
20500
Tabla 6.8 Aleaciones de aluminio endurecidas por acritud con sus propiedades mecánicas.
Ing. De Materiales.
119
Ingeniería en Materiales
Propiedades de trabajo de las aleaciones deformadas en frío
Cuando se ha escogido el estado correcto, todas las aleaciones con acritud (endurecidas por
deformación) pueden ser trabajadas satisfactoriamente a la forma deseada para su uso en
aeronáutica. El más fácil de conformar ya sea por estirado, trefilado o estampado es el material 2S.
Solo ligeramente más dificil de conformar es el material 3S y tiene menores propiedades físicas.
Las cualidades de flexión son de importancia real, y se definen por su radio de acción. Estos
radios de doblez variarán en cierto modo con las herramientas usadas, la operación particular de que
se trate y la técnica empleada.
Aleación
0.016
2SO
2S1/4H
2S1/2H
2S3/4H
2SH
0
0
0
0
0
3SO
3S1/4H
3S1/2H
3S3/4H
3SH
0
0
0
0-t
½-t
4SO
4S1/4H
4S1/2H
4S3/4H
4SH
0
0
0-t
t-2t
3/2-3t
52SO
52S1/4H
52S1/2H
52S3/4H
52SH
0
0
0
0-t
½-3/2t
Espesor Aproximado (t)
0.064
0.128
Serie 2
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0-t
½-3/2t
½-3/2t
t-2t
3/2-3t
Serie 3
0
0
0
0
0
0
0
0-t
0-t
0-t
12-3/2t
t-2t
½-2t
3/2-3t
2-4t
Serie 4
0
0
0
0
0-t
½-2t
½-3/2t
t-2t
3/2-3t
½-3t
2-4t
3-5t
2-4t
3-5t
4-6t
Serie 5
0
0
0
0
0
0-t
0
0-t
½-3/2t
½-3/2t
t-2t
3/2-3t
t-2t
3/2-3t
2-3t
0.032
0.189
0
0-t
0-t
t-2t
2t-4t
0
0-t
0-t
3/2-3t
3-5t
0
1-2t
2-4t
4-6t
4-6t
0
0-t
t-2t
2-4t
3-5t
Tabla 6.9 Radios aproximados para flexión a 90° en frío.
Ing. De Materiales.
120
Ingeniería en Materiales
Figura 6.6 Fotomicrografías de
una sección transversal de una
aleación colada de aluminio.
a) Sin refinador de grano
b) Con refinador de grano
a)
b)
a)
b)
Figura 6.7 Influencia de la cantidad de deformación sobre la estructura granular de una aluminio
1100. a) Microestructura inicial; b) Después de reducir 25% por laminado en frío.
a)
b)
Figura 6.8 Un par de muestras de aleación de aluminio y cobre, mostrando la influencia de la
composición sobre la cantidad de eutéctico. a) Al, con 2% Cu; b) Al, con 5% Cu.
Ing. De Materiales.
121
Ingeniería en Materiales
Obtención de las aleaciones deformadas en frío
Las aleaciones de aluminio se manufacturan en siete formas, que pueden adquirirse. En la
actualidad es posible obtener las aleaciones de aluminio endurecidas por deformación en las
siguientes formas:
Forma
Lámina
Placa
Varillas
Alambre
Piezas estiradas a
presión
Tubos
Remaches
2S
X
X
X
X
X
3S
X
X
X
X
X
4S
X
X
52S
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
Tabla 6.10 Formas tipo de aleaciones endurecidas por deformación en frío.
Se llama lámina cuando el espesor es de ¼” o menor; es placa arriba de ¼”. La lámina puede ser
obtenida solamente hasta 0.162" de grueso en el estado ¾H, hasta 0.128” de grueso en estado
completo H.
El material en barras es semejante a las placas; pero se obtiene desde 3/8" hasta 3/2" de
diámetro. La barra redonda laminada se obtiene hasta de 8" de diámetro.
El alambre se puede obtener estirando desde el calibre N° 36, hasta 3/8" de diámetro. El tubo se
obtiene prácticamente en todos los diámetros y espesores de pared.
Aplicaciones de las aleaciones deformadas en frío
Se usan comúnmente en la construcción aeronáutica para cubiertas de motor, superficies de
enlace, tanques, conductores eléctricos y conductos de combustible.
Las siguientes aleaciones y estados han sido usados sucesivamente para los fines descritos;
Aleación
3S1/2H
4SO
52SO, 52S1/2H
2S1/2H
52SO
3SO
Aplicaciones
Tanques soldados y cubiertas generales de motor.
Anillos cubiertos de motor sujetos a operaciones severas de
conformación.
Cubiertas y enlaces sujetos a vibraciones continuas
Tubos para conductores eléctricos
Tubos para canalizaciones de aceite y combustible
Anillos, cubiertas y otras partes a las que se de forma rechazada en torno
. Tabla 6.11 Aplicaciones de las aleaciones de aluminio deformadas en frío.
Ing. De Materiales.
122
Ingeniería en Materiales
Tratamiento térmico de los remaches de aleaciones de aluminio.
Los remaches que se hacen de aleación 17S se usan ordinariamente en la construcción
aeronáutica. Estos remaches de alta resistencia puede ser identificados por un golpe marcado cada
en la cabeza del remache. El tratamiento térmico actual de los remaches es semejante al descrito
anteriormente para el material estructural pero la técnica empleada es bastante diferente dadas las
pequeñas dimensiones de los remaches y las grandes cantidades que deben ser manufacturadas.
Con el objeto de comprobar el tratamiento térmico y envejecimiento de los remaches, se
acostumbra verificar la dureza de algunos remaches de cada hornada después de que se hayan
envejecido 24 hrs. Cuando se prueben con maquinas Rockwell usando la esfera de 1/16" y 60
kilogramos de carga, la espiga del remache debe mostrar la dureza mínimas siguientes:
Diámetros
3/32 “
1/8 “
5/32 “
3/16 “
¼“
Dureza Rockwell
73
75
78
82
83
Tabla 6.12 Dureza mínima de los remaches de aluminio utilizados en manufactura aeronáutica.
Aleaciones de aluminio tratables térmicamente.
Hay muchos tipos de aleaciones que se pueden adquirir en el comercio pero no todas ellas han
encontrado aplicación en la construcción aeronáutica. Las dos más comunes que se utilizan en
algunas ocasiones son 14S, 25S, y 53S.
Los Alclad 17S y 24S, están siendo usadas generalmente en construcción aeronáutica. En los
trabajos de aeronáutica se utiliza únicamente el estado de tratamiento térmico completo. La
estructura de muchos aeroplanos construidos hoy en día, contienen ambos materiales.
Obtención en el mercado
Las aleaciones antes citadas pueden obtenerse prácticamente en todas las formas tipo, mientras
que otras combinaciones, solo pueden conseguirse como piezas de forja
La lámina usada en trabajo de aeronáutica usualmente mide 1 * 2ft, ya que se emplea para la
fabricación de herrajes pequeños. La varilla y barra redonda pueden obtenerse hasta de 8” de
diámetro. Las barras pueden laminarse a una sección máxima de dimensiones de 3x10".
Las barras de 10" de ancho se usan a menudo en vez de la placa para herrajes. Los tubos se
encuentran en muchos diámetros y formas currentilíneas.
Ing. De Materiales.
123
Ingeniería en Materiales
Aleación
Resistencia
máxima a
la tensión
(psi)
Resistencia
de
cedencia
(psi)
14ST
65000
50000
17SO
17ST
17SRT
26000
58000
61000
10000
35000
46000
17ST
17SRT
55000
57000
32000
40000
24SO
24ST
24SRT
26000
65000
68000
10000
43000
53000
24ST
24SRT
60000
62000
40000
49000
25SO
25SW
25ST
26000
48000
58000
10000
25000
35000
A51ST
43000
34000
53SO
53SW
53ST
16000
33000
38000
7000
20000
32000
Alargamiento
(%)
Serie 14
10
Serie 17
20
20
13
Serie 17 Alclad
18
11
Serie 24
20
20
13
Serie 24 Alclad
18
11
Serie 25
20
18
20
Serie A 51
12
Serie 53
25
22
14
Dureza
Brinell
Resistencia
al corte
Resistencia
a la fatiga
500 kg
(psi)
(psi)
130
---
---
45
100
110
18000
35000
36000
11000
15000
---
-----
32000
3200
-----
42
105
116
18000
40000
41000
14000
14500
---
-----
39000
39000
-----
45
80
100
18000
30000
35000
--9000
14500
90
---
15000
26
65
80
11000
22000
26000
7500
10000
11000
Tabla 6.13 aleaciones de aluminio tratables térmicamente con sus propiedades mecánicas
importantes.
Forma
Lámina
Placa
Varillas y
barras
Alambre
Piezas
estiradas a
presión
Tubos
Remaches
Piezas de
forja
Perfiles
14S
17S
X
X
X
X
X
X
X
17S
Alclad
X
24S
Alclad
X
24S
25S
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
53S
X
X
X
A51S
X
X
Tabla 6.14 Formas tipo de aleaciones tratables térmicamente.
Ing. De Materiales.
124
Ingeniería en Materiales
Aleación
0.016
17SO
17ST
17SRT
0
t-2t
3/2-3t
24SO
24ST
24SRT
0
3/2-3t
2-4t
53SO
53SW
53ST
0
0-t
½-3/2t
Espesor Aproximado (t)
0.064
Serie 17
0
0
3/2-3t
2-4t
2-4t
3-5t
Serie 24
0
0
2-4t
3-5t
3-5t
3-5t
Serie 53
0
0
½-3/2t
t-2t
t-2t
3/2-3t
0.032
0.128
0.189
0
3-5
4-6t
0-t
4-6t
4-6t
0
4-6t
4-6t
0-t
4-6t
5-7t
0
3/2-3t
2-4t
0
2-4t
3-5t
Tabla 6.15 Radios aproximados para flexión a 90° para las aleaciones en tratadas térmicamente.
.
Forma
Designación
común
Barra
Barra
Lámina
Lámina
Lámina
Lámina
Lámina
Lámina
Lámina
Lámina
Lámina
17SO
24SO
24SO
24ST
24RT
24SO Alclad
24ST Alclad
24RT Alclad
XA 75ST
XA 75ST
XB75SO
Alcald
X75ST Alclad
3SO
3S½H
17SO
17ST
24SO
24ST
52SO
Lámina
Tubo
Tubo
Tubo
Tubo
Tubo
Tubo
Tubo
Especificaciones de aluminio
Designación
Fuerza Aérea
federal
QQ-A-351
QQ-A-354
QQ-A-355
QQ-A-355
QQ-A-355
QQ-A-355
QQ-A-355
QQ-A-355
WWW-T-788
WWW-T-786
WWW-T-786
WWW-T-786
WWW-T-785
WWW-T-785
WWW-T-787
57-152-4
57-152-5
57-152-6
57-152-6
57-152-6
57-152-4
57-152-4
57-152-4
57-152-4
57-152-4
Fuerza Naval
46-A-4
46-A-9
47-A-10
47-A-10
47-A-10
47-A-8
47-A-8
47-A-
44-T-20
44-T-20
44-T-21
44-T-22
44-T-28
44-T-31
44-T-32
Resistencia a
la tensión
(psi)
35000
35000
35000
62000
69000
33000
56000
66000
40000
70000
38000
70000
19000
19500
35000
55000
35000
64000
35000
Tabla 6.16 Designación de las aleaciones de aluminio en los diferentes ámbitos industriales.
Ing. De Materiales.
125
Ingeniería en Materiales
Aplicaciones
Las aleaciones tratables térmicamente se usan prácticamente para todos los objetos estructurales
de aeronáutica. Se les da forma en el estado recocido y después se les aplica el tratamiento térmico.
En su forma de lámina se usa el 17ST para fuselajes y las cubiertas de metal. Se usa para fabricar
cuadernas, costillas, piezas de refuerzo y ménsulas. Las placas de 17ST Alclad, se emplean para,
reforzar cuadernas y miembros resistentes similares. Los tubos de 17ST se usan para mecanismos
de operación de control y refuerzos. Los remaches de 17ST son los tipo para la unión de piezas
Figura 6.9 Selección de materiales estructurales usados en una aeronave, para el caso de un
Boeing 747 y Boeing 757
Ing. De Materiales.
126
Ingeniería en Materiales
Magnesio
Es un metal blanco brillante, algo tenaz maleable y de muy poca densidad. En el aire seco no se
altera, pero en un medio húmedo se recubre de una ligera capa de óxido. Cuando se calienta arde
con una luz blanca y brillante.
El óxido de magnesio que se forma durante la combustión se pone
incandescente a consecuencia del calor desarrollado y es lo que produce la luz tan brillante.
No tiene acción sobre el agua caliente, es decir no presenta desprendimiento de hidrógeno. Los
ácidos diluidos los atacan fuertemente con vivo desprendimiento de hidrogeno inflamándose por sí
solo cuando alcanza los 650 °C. No debe ser apagado con agua, sí no con arena.
Su peso atómico es 24.32 gr/grmol; funde a 651 °C y su punto de ebullición es 1120 °C.
Funciona con dos valencias; su densidad es 1.74 gr /cm³ (dos terceras partes con respecto al
aluminio).
Estado natural
No se encuentra nativo en la naturaleza, pero abunda combinado bajo muy diversas formas. Los
principales minerales son:
Cloruro doble de potasio y magnesio
2(KMgCl3)
Sulfato de doble cloruro de potasio y magnesio.
(KMgCl3)SO3
Sulfato doble de potasio y magnesio
(KMg)2(SO3)3
Carbonato de magnesio
MgCO3
Obtención del magnesio
Se obtiene por electrólisis del cloruro doble de potasio y magnesio fundido en horno eléctrico.
El magnesio se deposita en un crisol de hierro que hace las veces de cátodo. De cuando en cuando
se hace una sangría del horno, seguido de un agregado de mineral. Durante la operación debe
hacerse circular una corriente de un gas inerte para evitar la oxidación.
Otro medio de obtención que fue caro hasta hace algunos años es la extracción del magnesio, del
agua del mar que lo contiene en pequeña proporción. El magnesio comercial tiene como impurezas
un promedio de 0.8% repartido como sigue: 0.4% K, 0.1% Si, 0.1% Fe, 0.1% Al y 0.1 % C.
Ing. De Materiales.
127
Ingeniería en Materiales
Aleaciones de magnesio
En su estado puro el magnesio es relativamente blando y no tiene resistencia y otras propiedades
para hacerlo adecuado para su uso estructural. Afortunadamente se liga fácilmente con el aluminio,
zinc, estaño, cobre y cadmio para dar lugar a una variedad de aleaciones estructurales.
Se pueden moldear en arena o vaciarse en matrices; se les encuentra en forma de varilla, barras,
placas, láminas, perfilados estirados a presión y otras formas estructurales.
Las aleaciones de magnesio, tienen una resistencia másica excelente, se maquinan fácilmente, se
sueldan con las aguas que lo tienen en soluciones salinas. Las aleaciones de este metal tienen muy
baja resistencia a la corrosión en atmósfera cargada de sal y se pueden doblar, dar forma, y extruir.
Las piezas vaciadas de aleaciones de magnesio, se usan para partes de motores de avión y para
rines y estructuras del tren de aterrizaje. También se han llegado a fabricar palas de hélices.
En la actualidad estas aleaciones se están usando solamente para fines secundarios en la
construcción aeronáutica; para asientos, entrepaños, piezas de piso, cajas y ménsulas.
Dos empresas principales elaboran el magnesio en E. U. ambas casas le dan designaciones
diferentes a sus productos.
El máximo de impurezas total en estas aleaciones, no debe exceder el 0.3%. Se permite un
máximo de 0.1 % de Cu, en algunas de estas ligas.
Designación
Dowmetal A
AM241
Dowmetal A
AM240
Dowmetal A
Dowmetal A
AM265
Dowmetal A
AM53S
Dowmetal A
AM3S
Dowmetal A
AM57S
--AM58S
--AM61S
Aluminio
7.0-9.0
9.0-11.0
9.0-11.0
5.5-6.5
3.5-6.5
5.8-7.2
7.8-9.2
Manganeso
0.2
0.1
0.1
0.1-0.3
0.2
0.2
0.2-0.6
0.2-0.6
0.8-1.5
Zinc
0.3
0.3
Silicio
Estaño
0.5
2.4-3.3
0.5-1.0
0.2-0.8
5.0-7.0
Tabla 6.17 Designación y composición química de las aleaciones de magnesio.
Propiedades físicas de las aleaciones de magnesio
Peso: 0.064-0.066. lb/in³
Módulo de elasticidad: 6.25-6.5*106 lb/in².
Punto de fusión: 1100-1200 °F.
Ing. De Materiales.
128
Ingeniería en Materiales
Propiedades del magnesio
Resistencia a la tensión (psi)
Límite elástica (psi)
Alargamiento (%)
Dureza Brinell
Peso específico
Estirado
30000
18000
10
35
1.74
Laminado
37000
27000
9
50
1.74
Tabla 6.18 Propiedades del magnesio puro.
Tratamiento térmico de las aleaciones de magnesio
Las aleaciones vaciadas de magnesio responden al tratamiento térmico de manera total; mientras
que para la forja reaccionan solo ligeramente. El material forjado es fabricado en caliente y
desarrolla propiedades mecánicas que solo pueden mejorarse ligeramente por tratamiento térmico.
Las aleaciones de forja pueden tratarse para facilitar el trabajo sin destruir sus propiedades
físicas. El tratamiento térmico de las aleaciones de magnesio es semejante al de las aleaciones de
aluminio.
Hay dos tipos de tratamiento térmico:
Tratamiento térmico de solución
Consiste en calentar el material a 407-412 °C (765-775 °F) por un periodo de 16-18 hrs. Tanto
el horno como el material deben estar a la temperatura requerida durante este periodo. Este
tratamiento aumenta la resistencia a la tensión, la ductilidad y la tenacidad de las piezas vaciadas
pero no cambia el límite elástico.
Tratamiento térmico de precipitación o de envejecimiento
Consiste en calentar un material previamente tratado de solución durante 16-18 hr, a 175 °C
(350 °F). Esto incrementa el límite elástico y la dureza, pero reduce la ductilidad y la tenacidad. Se
puede comprar material vaciado tal como queda después realizarlo o en uno de los dos estados de
tratamiento térmico. Al fabricante de aviones no le ha de preocupar tratar térmicamente estas
aleaciones en su factoría; sin embargo es conveniente que tenga conocimiento del proceso.
Ing. De Materiales.
129
Ingeniería en Materiales
Aplicaciones de las aleaciones de magnesio
La producción anual de magnesio en el mundo occidental, ha sido relativamente constante, de
aproximadamente 250,000 TON durante la década pasada, donde solo 40,000 de ellas se utilizaron
para producir aleaciones estructurales de magnesio, siendo 31,000 TON las respectivas a material
vaciado o moldeado.
En el mercado aeronáutico, la aplicación estructural de este elemento virtualmente ha
desaparecido para nuevos diseños; y se ha enfocado mayoritariamente en la fabricación de
elementos de máquina y cubiertas de transmisión, principalmente para helicópteros.
Asimismo el mercado para el magnesio se analizó recientemente por Hehmann S.C., cuyo
resumen se esquematiza en la siguiente tendencia, donde queda clara la reducción de diversos
productos en comparación con la del año 1996 y el periodo de 1981-1992.
La drástica reducción en el mercado aeronáutico y de misiles en comparación con el incremento
en el transporte terrestre, sector de mayor importancia en la actualidad para la aplicación de los
productos de magnesio, la ha mantenido al margen de su desaparición en el mercado.
La tendencia en la utilización del magnesio se puede observar a continuación:
Porcentaje
utilizado en el
Aplicación
campo
industrial
(1982-1992)
Accesorios del transporte aeronáutico
Estructuras aeronáuticas
49
Elementos de máquina
7
Aplicaciones aerospaciales y misiles
40
Instrumentos aeronáuticos
21
Sistemas del transporte terrestre
Industria automotriz
19
Bicicletas y deslizadores
6
Equipo variado de manipulación
13
Industria
Herramientas y accesorios
8
Productos y accesorios mixtos
Industria óptica
4
Maquinaria y herramienta no industrial
18
Productos de oficina
7
Aplicación privada
Industria del deporte
6
Promedio total
198
Porcentaje
utilizado en el
campo
industrial
(1996)
12
8
0
3
42
4
14
2
0.5
10
17
11
125
Tabla 6.19 Tendencia a la utilización de productos de aleación de magnesio.
Ing. De Materiales.
130
Ingeniería en Materiales
La mayoría de los componentes en aleaciones de magnesio, actualmente se fabrican por
fundición a presión, estas ofrecen particulares ventajas, principalmente:
1. La mayoría de las aleaciones son muy fluidas, lo cual permite que durante el vaciado se
llenen completamente hasta las zonas mas intrincadas.
2. El magnesio presenta un bajo calor específico por unidad de volumen, comparado con otros
metales, por lo que se pueden realizar mas ciclos de vaciado reduciendo el consumo de
dados.
3. Se pueden alcanzar altas presiones en el conducto de colada, como presiones moderadas
debido a la baja densidad del magnesio (1.74 gr/cm³).
4. Los dados de hierro, tienen una muy baja solubilidad en las aleaciones de magnesio, lo cual
es muy benéfico, porque se reduce cualquier tendencia de pegarse o adherirse.
Designación de las aleaciones de magnesio
No hay un código internacional para designar a las aleaciones de magnesio, sin embargo, existe
una tendencia en adoptar el método usado por la ASTM. En este sistema, las primeras dos letras
indican los elementos de aleación de acuerdo al siguiente código:
Elemento
Aluminio
Bismuto
Cobre
Cadmio
Tierras raras
Hierro
Magnesio
Torio
Zirconio
Litio
Designación
A
B
C
D
E
F
G
H
K
L
Elemento
Manganeso
Níquel
Plomo
Plata
Cromo
Silicio
Titanio
Itrio
Antimonio
Zinc
Designación
M
N
P
Q
R
S
T
W
Y
Z
Tabla 6.20 Método para la designación de las aleaciones de magnesio.
La letra que se utiliza al principio de la aleación, indica al elemento presente en mayor cantidad;
si dos de ellos son iguales en cantidad, las letras se indican alfabéticamente. Las dos primeras letras
o sólo una, son seguidas por números, los cuales representan la composición nominal porcentaje,
con los números enteros más cercanos.
Ing. De Materiales.
131
Ingeniería en Materiales
Aplicaciones
Cada una de las aleaciones de magnesio antes descritas; tienen su mejor empleo en determinadas
aplicaciones.
En general, siempre que sea posible debe escogerse el material forjado a causa de su gran
resistencia a los esfuerzos repetidos (fatiga). Estas aleaciones tienen buenas propiedades mecánicas
citando como ejemplo, la Dowmental H o AM265.
En estado de tratamiento térmico estas aleaciones se usan en las ruedas, cajas, cigüeñal, cárter y
otras partes del motor, como secciones delanteras y traseras.
Debe hacerse notar, la aleación MAM35, que debe obtenerse en lámina o en perfiles estirados
por presión, pues posee buenas características de conformación de y de resistencia a la corrosión.
Esta última resistencia mejora ligeramente cuando recibe tratamiento térmico aún cuando sus
propiedades mecánicas en este estado sean prácticamente las mismas que se obtienen por un simple
tratamiento de recociido.
La Dowmetal F o AM335; es la aleación de uso general. Puede obtenerse en formas
estructurales o perfiles, lámina, piezas forjadas o tubería. Tiene propiedades mecánicas y puede
conformarse y soldarse rápidamente. Su resistencia a la corrosión es muy buena.
Otra aleación que tiene muy buenas propiedades mecánicas y una notable resistencia al choque y
a la fatiga y que se presta muy bien para el forjado es la JAM57S.
La AM58S es la aleación de forja, que tiene las mejores propiedades mecánicas. Es poco más
difícil por forjar que la JAM57S por lo que se usa para piezas forjadas de diseño simple como palas
de hélice.
La AM61S se usa para piezas estampadas, tiene magnificas propiedades mecánicas y excelente
facilidad para trabajarse. Las piezas forjadas de esta liga generalmente son más baratas que las
hechas de otras aleaciones de magnesio.
Figura 6.10 Esquema de la interfase entre los elementos
de una aleación Mg-Al, con formación de precipitado.
Ing. De Materiales.
132
Ingeniería en Materiales
Titanio
Uno de los elementos de reciente descubrimiento para la conformación de aleaciones que
presenten resistencia máxima en condiciones extremas; es el titanio. Su aplicación industrial se está
expandiendo, sin embargo en al industria aeronáutica, se le augura un buen futuro.
Sus características más importantes se presentan a continuación:
1.
2.
3.
4.
5.
6.
Proporciona excelente resistencia a la corrosión
Alta relación resistencia-peso específico.
Propiedades favorables a temperaturas altas.
Densidad de 4.505 gr/cm³, o, 0.163 lb/cm³
Resistencia a la ruptura de 220000 psi.
Excelente resistencia a la corrosión y a la contaminación.
El titanio, al igual que el hierro presenta diversos estados alotrópicos. A temperatura ambiente el
titanio se compone de un arreglo atómico estructural hexagonal compacto (H.C.), denominada
titanio α. Al calentarlo a una temperatura de 882 °C, se denomina titanio β, y se caracteriza por
exhibir una estructura cúbica centrada en el cuerpo (B.C.C.)
Aleaciones Titanio α
Las aleaciones titanio alfa contienen 5%Al, y 2.5% Sn, ambos elementos endurecedores por
solución. Estas aleaciones tienen adecuada resistencia a la corrosión y a la oxidación, mantienen
también su resistencia a elevadas temperaturas y su solubilidad es conveniente.
Poseen una aceptable ductilidad y conformidad, a pesar de su estructura HC. Las aleaciones alfa
se recosen a temperaturas elevadas en la región β y luego se enfrían.
Aleaciones Titanio β
Aunque las condiciones excesivas de vanadio (V) o de molibdeno (Mo) producen una estructura
(HC) enteramente β, el titanio en esta fase conserva sus características. Es por ello que se
adicionan estabilizadores de β, de modo que el enfriamiento rápido produce una estructura
metaestable compuesta en su totalidad de esta fase. En la condición recocida donde solo existe β en
la microestructura; la resistencia proviene del endurecimiento por solución sólida.
Las aleaciones también pueden ser envejecidas para producir resistencias mayores. Sus
aplicaciones incluyen los sujetadores de alta resistencia, vigas y otros elementos para uso
aerospacial.
.
Ing. De Materiales.
133
Ingeniería en Materiales
Aleaciones de Titanio α-β
Las aleaciones α-β pueden tratarse térmicamente para obtener altas resistencias. La aleación es
tratada por solución cerca de la temperatura de fusión. Después la aleación es enfria rápidamente
para formar una solución sólida sobresaturada metaestable.
Figura Diagramas de fases para las aleaciones; a) Ti - Sn; b) Ti – Al; c) Ti – Mg; d) Ti – Mo.
Ing. De Materiales.
134
Ingeniería en Materiales
UNIDAD VII
Corrosión
Prácticamente todos los materiales pueden tener reacciones con su
ambiente. Tales reacciones suceden en muchas formas, incluyendo
disolución directa, absorción de materias extrañas en el material base o
formación de nuevas fases. Si bien esas reacciones suelen ser indeseables,
no siempre sucede así. Por ejemplo, se forma sobre las aleaciones de
aluminio una capa de óxido muy adherente y protectora. Así, en muchas
aplicaciones (pero no en todas como veremos), el aluminio se protege
contra el ataque posterior del ambiente.
Se tiene un ejemplo frecuente con la vajilla de cocina fabricada de
aluminio, que es muy durable. Otro ejemplo es el del cobre, que se ha
usado durante siglos para techar.
El cobre forma pronto una pátina
verdosa, formada de sulfatos de cobre; estos sulfatos se forman por
reacciones entre los compuestos atmosféricos de azufre y el cobre. La
pátina, una vez formada, es una barrera contra la corrosión, y la rapidez de
pérdida de cobre es menor a 0.1 mm por siglo.
Sin embargo, lo más frecuente es que las interacciones entre el material
y el ambiente sean indeseables y den como resultado pérdidas económicas.
En las sociedades industriales más avanzadas, la corrosión representa una
pérdida económica anual de un 5% del producto interno bruto.
En
Estados Unidos, eso significa bastante más de $150 mil millones de dólares
cada año.
Un ejemplo espectacular de una falla inducida por la corrosión sucedió
en 1988. La cabina de un avión a reacción de Aloha Airlines, Boeing 737,
en un vuelo de rutina, en las islas Hawaii, se desgarró de repente y una
sobrecargo perdió la vida. La causa se relacionó con la corrosión extensa
del material de la cabina, de aleación de aluminio, en un ambiente de aire
salino.
Ing. De Materiales.
135
Ingeniería en Materiales
Corrosión
La corrosión es una acción electroquímica compleja que causa que los metales se transformen
en sus sales y óxidos elementales. Estas substancias reemplazan el metal y causan severas perdidas
de resistencia en la estructura.
Los mecanismos actuales de corrosión son relativamente simples y se requieren principalmente
de los tres puntos siguientes:
1. Existencia de una diferencia de potencial en el metal.
2. Debe existir un camino conductivo entre las dos áreas de potencial diferente.
3. La existencia de alguna forma de electrolito o fluido que cubra las dos áreas.
La corrosión es un proceso natural, y su prevención es casi imposible, sin embargo puede ser
controlada. En la aviación, la técnica usada es prevenir o remover cualquier indicio de corrosión de
tal manera que se obtenga un tiempo de vida más largo en la estructura de la aeronave.
La limpieza de la superficie es uno de los caminos para controlar la corrosión, cualquier otro tipo
de corrosión que se forme, es removido de la superficie y se protege con algún recubrimiento.
Para entender la corrosión debemos comprender que esta es una acción electroquímica.
Recordemos que todos los materiales constan de átomos y moléculas, donde el primero es la unidad
básica de un elemento químico; mientras que una molécula es una agrupación de átomos que hacen
perfectamente identificable la unidad de un compuesto químico.
Por ejemplo el sodio (Na) es un elemento metálico y consiste simplemente de átomos, sin
embargo combinado con el cloro (Cl) forma una molécula de cloruro de sodio (NaCI), es decir la
sal común.
Un átomo consiste de un núcleo con protones de carga positiva y neutrones sin carga. Alrededor
del núcleo se encuentran los electrones cargados negativamente. Si el átomo tiene exactamente el
mismo numero de electrones y protones esta balanceado. Si hay más o menos electrones que
protones se dice que el átomo esta cargado, este átomo cargado es conocido como ion.
Si hay más protones que electrones se conocen como un ion positivo, por el contrario sí hay más
electrones que protones se conoce como un ion negativo; en cualquiera de las dos situaciones un ion
es inestable, pues siempre está perdiendo o cargando electrones extra.
Corrosión y desgaste
En la composición química, el material es disuelto por un líquido corrosivo. Viendo la
corrosión desde el punto de vista electroquímico; las moléculas se disocian, generando iones que
son reactivos para el material sólido, por lo que se origina un circuito eléctrico.
Los metales y circuitos cerámicos reaccionan en un medio ambiente gaseoso, normalmente a
temperaturas elevadas y el material puede ser destruido por la formación de óxidos u otros
compuestos.
Ing. De Materiales.
136
Ingeniería en Materiales
Los materiales pueden también modificarse cuando se exponen a la radiación e incluso a las
bacterias. Finalmente, una gran diversidad de mecanismos de desgaste y de corrosión altera la
forma de los materiales. Se gastan enormes sumas de dinero cada año para reparar los daños
ocasionados por la corrosión.
Corrosión Química
En la corrosión química o disolución directa, el material se disuelve en un medio líquido
corrosivo y continúa disolviéndose en el líquido hasta que se consume el material o se satura el
líquido.
Deterioro de los metales
Los metales líquidos atacan inicialmente a un sólido en los sitios de alta energía, como los
limites de grano. Si estas regiones continúan siendo atacadas de modo preferente, finalmente se
originan grietas. A menudo esta forma de corrosión se complica por la humedad, la formación de
compuestos que aceleran el ataque, o la corrosión electroquímica.
Disolución selectiva
Un elemento particular en una aleación puede ser, disuelto y separado del sólido. La disolución
selectiva ocurre, citando un ejemplo; el latón que contiene más de 15% de zinc, comienza corroerse
si se encuentra en un medio húmedo. Tanto el cobre como el zinc son disueltos por soluciones
acuosas a temperaturas elevadas; los iones zinc permanecen en la solución mientras que los iones
cobre se reubican sobre el latón. Finalmente, el latón se vuelve poroso y débil.
La corrosión de la fundición gris ocurre cuando el hierro es disuelto selectivamente en agua o
salitre, dejando tras de sí hojuelas entrelazadas de grafito y del producto de la corrosión. La
corrosión localizada, a menudo causa fallas o fugas en tuberías de fundición gris, provocando
explosiones.
Fusión de las cerámicas
Los refractarios cerámicos utilizados para contener metal fundido durante la fusión o la
refinación pueden ser disueltos por las escorias que se producen en la superficie metálica.
Solventes para los polímeros
Los polímeros se disuelven en solventes líquidos que presentan estructuras similares.
Ing. De Materiales.
137
Ingeniería en Materiales
El polietileno, que tiene una estructura en cadena recta, se disuelve fácilmente en solventes
orgánicos cuyas moléculas se asemejan a la molécula del etileno. El poliestireno se disuelve con
más facilidad en los solventes orgánicos como el benceno, que tiene una estructura molecular
similar.
Celda electroquímica
Una celda electroquímica se forma cuando dos piezas de metal se ponen en contacto a través de
un líquido conductor o electrolito. El circuito eléctrico completo que se produce permite tanto la
electrodepositación como la corrosión electroquímica.
Componentes de una celda electroquímica:
1. Ánodo: Elemento que cede electrones al circuito y se corroe.
Cátodo: Elemento recibe electrones del circuito a través de una reacción química. Los iones que
se combinan con los electrones producen un subproducto en el cátodo.
2. Contacto Físico: El ánodo y el cátodo deben estar conectados eléctricamente por contacto físico
para que los electrones fluyan libremente del ánodo al cátodo.
3. Electrolito: Líquido que debe estar en contacto tanto con el ánodo como con el cátodo. El
electrolito es un conductor por lo que completa el circuito. Dicho liquido proporciona el medio a
través del cual, los iones metálicos abandonan la superficie del ánodo y asegura que los iones se
desplacen hacia el cátodo, que acepta los electrones.
Figura 7.1 Una gota de agua sobre una superficie metálica ocasiona la formación de una celda
de concentración de oxígeno
Ing. De Materiales.
138
Ingeniería en Materiales
Reacción anódica
El ánodo que es un metal, experimenta una reacción por oxidación mediante la cual se ionizan,
los átomos metálicos. Estos ingresan a la solución electrolítica mientras que los electrones
abandonan el ánodo a través de la conexión eléctrica.
M
Mn + ne-
Debido a que los átomos metálicos salen del ánodo, éste se corroe.
Reacción catódica en la electrodepositación
En este proceso, ocurre en el cátodo una reacción por reducción, la cual es el inverso de la
reacción en el ánodo.
Mn + ne-
M
Reacción catódica en la corrosión
Excepto en condiciones poco usuales, la electrodepositación de un metal no ocurre durante la
corrosión electroquímica. En lugar de ello, la reacción de reducción forma un producto secundario
en forma de gas, sólido o liquido en el cátodo.
Potencial electródico en las celdas electroquímicas
En la electrodepositación debe aplicarse un voltaje para originar un flujo de corriente en la celda.
En cambio en la corrosión se genera de modo natural un potencial cuando se coloca un material en
una solución.
Cuando se coloca un metal ideal perfecto en un electrolito se produce un potencial electródico, el
cual se relaciona con la tendencia del material a ceder electrones.
Ing. De Materiales.
139
Ingeniería en Materiales
Efecto de la concentración en el potencial electródico
Este potencial depende de la concentración del electrolito. La ecuación de Nerst permite estimar
el potencial electródico en soluciones que no son las típicas.
E = (Eo + 0.0592 ) log C(ion}
η
donde:
E = Potencia electrodico en una solución que contiene una concentración Cion del metal en
unidades molares.
η
= Es la valencia del ion metálico.
Eo = Es el potencial electrodico patrón en una solución. Cuando Cion = 1; E = Eo. Nótese que el
logaritmo es de base 10.
Ion
Ánodico
Cátodico
Metal
Li
= Li+ + eMg = Mg+2 + 2eAl = Al+3 + 3eTi
= Ti+2 + 2eMn = Mn+2 + 2eZn = Zn+2 + 2eCr = Cr+3 + 3eFe =
Fe+2 + 2eNi
= Ni+2 + 2eSn =
Sn+2 + 2ePb = Pb+2 + 2eH2 = 2H+2 + 2eCu =
Cu+2 + 2e4(OH) = O2 + 2H2O + 4eAg =
Ag+ + ePt
=
Pt+4 + 4e2H2O = O2 + 4H+4 + 4eAu =
Au+3 + 3e-
Potencial Electródico
-3.05
-2.37
-1.66
-1.63
-1.63
-0.76
-0.71
-0.44
-0.25
-0.14
-0.13
0.00
+0.34
+0.40
+0.80
+1.20
+1.23
+1.15
Tabla 7.1 Serie de fuerzas electromotrices (F.E.M.) para algunos metales.
Ing. De Materiales.
140
Ingeniería en Materiales
Tipos de corrosión electroquímica
Deterioro uniforme
Cuando se coloca un metal en un electrolito, algunas regiones son anódicas respecto a otras. Sin
embargo la ubicación de tales regiones se desplaza y se invierte por intervalos. Puesto que las
regiones anódicas y catódicas cambian continuamente, el metal se corroe de manera uniforme aun
sin contacto con otro material.
Deterioro galvánico
Ocurre cuando ciertas áreas actúan siempre como ánodos, mientras que otras lo hacen siempre
como cátodos. Estas celdas electroquímicas se denominan celdas galvánicas y se clasifican en tres
tipos:
1. Celdas de composición
2. Celdas de esfuerzo
3. Celdas de concentración.
Protección contra la corrosión electroquímica
Técnicas que se utilizan para impedir la corrosión:
1.
2.
3.
4.
5.
6.
Diseño
Recubrimientos.
Inhibidores.
Protección catódica
Pasivación.
Selección de los materiales.
Diseño
Mediante un diseño adecuado de las estructuras metálicas, la corrosión puede aminorarse o
incluso evitarse. Los factores que deben considerarse se mencionan a continuación:
a) Impedir la formación de las celdas galvánicas.
b) Diseñar componentes para la contención de líquidos, que sean cerrados no se acumulen líquido
estancado.
c) Hacer el área del ánodo mucho mayor que la del cátado.
d) Evitar hendiduras y grietas entre los materiales armados o unidos.
Ing. De Materiales.
141
Ingeniería en Materiales
Recubrimiento
Se utilizan para aislar las regiones del cátodo y el ánodo. Los recubrimientos temporales como
la grasa o el aceite proporcionan cierta protección pero se eliminan fácilmente. Los recubrimientos
orgánicos, como la pintura o los recubrimientos cerámicos como el esmalte o el vidrio proporcionan
una mayor protección.
Los recubrimientos metálicos incluyen al acero galvanizado, con depósito de zinc y estaño. Los
recubrimientos por conversión química se producen por una reacción química, con la superficie.
Inhibidores
Algunos agentes químicos añadidos a la solución de electrolito, emigran preferentemente hacia
la superficie del ánodo o del cátodo y producen una polarización por concentración o por
resistencia. Los inhibidores pueden concentrarse en el ánodo, causando una severa polarización por
concentración y reducen de modo importante la rapidez de corrosión del ánodo.
Protección catódica
Se puede proteger contra la corrosión, suministrando electrones al metal y forzándolo a ser un
cátodo. La protección catódica puede realizarse utilizando un ánodo de sacrificio o un voltaje
inverso.
Pasivación o protección anódica
Los metales cercanos al extremo anódico de la serie galvánica, son activos y sirven como ánodos
en la mayoría de las celdas electrolíticas. La pasivación se realiza mediante la producción de una
fuerte polarización anódica, evitando la reacción anódica normal.
Selección de los materiales y tratamiento
La corrosión puede evitarse o minimizarse seleccionando de manera adecuada los materiales y
los tratamientos térmicos en las aleaciones.
Hay varias técnicas a través de las cuales se puede minimizar el problema:
1. Si el acero contiene menos de 0.03% C, no se forman carburos de cromo. Si el porcentaje
de Cr es muy alto, la austenita puede agotarse por debajo de 12% Cr, aun sí se forman los
carburos de cromo.
2. La adición de titanio o de niobio mantiene el carbono en forma de TiC o NbC, evitando la
formación de carburo de cromo. Se dice que el acero esta estabilizado.
Ing. De Materiales.
142
Ingeniería en Materiales
3. El intervalo de temperaturas de sensibilización es de 425-870 °C, y debe ser evitado durante
la manufactura o el servicio.
4. El tratamiento térmico de el acero inoxidable es calentado por encima de los 870 °C,
causando la disolución de los carburos de Cr.
Oxidación
Los materiales de todos los tipos pueden reaccionar con el oxigeno y otros gases. La oxidación
de los metales; se lleva a cabo cuando éstos reaccionan con el oxigeno produciendo un oxido en la
superficie. Interesan tres aspectos de esta reacción: la facilidad con que se oxida el metal, la
naturaleza de la película de oxido que se forma y la velocidad con que ocurre la oxidación. La
facilidad con la que ocurre la oxidación esta dada por la energía libre de formación.
Daño por radiación
Metales
La radiación de alta energía, como la de neutrones, puede sacar un átomo de su lugar normal en
la red; creando intersticios y vacantes. Estos defectos puntuales reducen la conductividad eléctrica
y provocan que los metales dúctiles se hagan más duros y frágiles. El recocido puede subsanar el
daño por radiación.
Cerámicos
La radiación crea también defectos puntuales en los materiales cerámicos. Normalmente se
observa un pequeño efecto en las propiedades mecánicas, ya que los cerámicos son frágiles, pero las
propiedades físicas como la conductividad técnica y las propiedades ópticas pueden perjudicarse.
Figura 7.2 IIlustración de la corrosión
concentrada en una hendidura o
picadura.
Ing. De Materiales.
143
Ingeniería en Materiales
Desgaste y erosión
El desgaste y la erosión eliminan material de un componente a través del deterioro mecánico de
sólidos y líquidos.
Desgaste por adherencia
Este desgaste, conocido también como rayado o raspado, ocurre cuando dos superficies sólidas
deslizan una sobre otra, bajo presión. Conforme continúa el deslizamiento se rompen estas uniones
produciendo cavidades en la superficie de las partes proyectadas, provocando así mayor desgaste de
las superficies.
Desgaste abrasivo
Ocurre cuando el material se elimina de la superficie al contacto con partículas duras, la cual
pueden encontrarse presentes en la superficie al contacto de un segundo material, como partículas
sueltas entre dos superficies. A diferencia del desgaste por adherencia no ocurre unión.
Figura 7.3 Formación de
carburos de cromo, en el
proceso de soldadura del
acero inoxidable.
a) Volumen sensible del
material.
b) Partículas de CrC2, en el
límite de grano.
c) Formación del ánodo de
la celda galvánica.
Ing. De Materiales.
144
Ingeniería en Materiales
Control del medio ambiente
Es necesario, cada vez más importante que aliado a los proyectistas de estructuras metálicas o de
diseño de equipos e instalaciones, haya un experto en corrosión o, al menos, que los técnicos
responsables del diseño y construcción tengan conocimientos básicos sobre este particular
fenómeno. Sólo con esté último y no cabe pedir menos, se habrían evitado un gran número de los
problemas que plantea el empleo de los materiales metálicos con un costo casi nulo.
La realización de un proyecto correcto desde el punto de vista de la protección contra la
corrosión, exige una previsión de mantenimiento de la instalación. Esta previsión permitirá por una
parte, acumular la información de instalación que será muy valiosa sobre el comportamiento de los
materiales y, por otra, dictar a las grandes empresas, la existencia de un experto en corrosión que
solucionaría grandes problemas sobre el desgaste de los materiales y el control del medio ambiente.
Existen varios tipos de corrosión que deben evitarse con solo tener un control ambiental:
Corrosión uniforme,
Corrosión generalizada y regular
Corrosión localizada
Corrosión por formación de picaduras
Corrosión por agrietamiento
Corrosión bacteriana
Corrosión galvánica
Corrosión por corrientes vagabundas
Corrosión por pilas de concentración
Corrosión por aireación diferencial
Corrosión selectiva,
Corrosión a bajas y altas temperaturas.
Ing. De Materiales.
145
Ingeniería en Materiales
Problemas Propuestos
UNIDAD I
Trace una celda unitaria cúbica y dibuje los miembros de las familias de direcciones < 1 0 0 >,
< 1 1 0 >, < 1 1 1 >.
Trace una celda unitaria cúbica y conteste lo siguiente:
a) ¿Cuáles son las coordenadas de los puntos en cada una de las seis caras?
b) ¿Cuáles son las coordenadas en el centro del cubo?
c) Localice los puntos (¼, ¼, ¾), (¼, ½, ½), (¾, ¼, ⅛).
Demostrar que los planos (0 1 0) y (0 2 0), no son idénticos en una serie unitaria cúbica simple.
El radio atómico del Ni con estructura cristalina F.C.C., es de 1.243 Å. Calcular, su parámetro de
red y su densidad.
El radio atómico del W con estructura cristalina B.C.C., es de 1.371 Å. Calcular, su parámetro de
red y su densidad.
El parámetro de red del Molibdeno (Mo), con estructura B.C.C. es de 3.1468 Å. Calcular el radio
atómico de este elemento.
¿Cuál es la distancia interplanar correspondiente a los siguientes planos, si tenemos una
estructura de hierro con ao = 2.886 Å?. Los planos son: (1 1 1 ), (2 1 2), ( 4 2 3), (2 0 1).
Comparar las densidades planares de los siguientes planos: (1 0 0), (2 0 0), (1 1 0), en una celda
unitaria B.C.C.
La distancia perpendicular entre los planos (2 0 0) en la red cristalina del KBr (bromuro de
potasio), es de 3.27 Å, y su densidad es de 2.825 gr/cm³. Determine el tipo de red cristalina que
presenta esta sal.
El cobre cristaliza en una malla cúbica F.C.C., y su densidad es de 8.93 gr/cm³. Si el peso
atómico del cobre es de 63.54 gr/ gr mol. Calcular la distancia interplanar entre planos ( 1 1 1), del
cristal.
El paladio tiene un parámetro de red de 3.8902 Å, y una densidad de 12.02 gr/cm³. Determinar
que tipo de red es.
Una forma del manganeso tiene una estructura cúbica con un parámetro de red de 6.323 Å.
La densidad de este metal es de 7.26 gr/cm³ con un radio atómico de 1.12 Å. Calcular el número
de átomos por celda unitaria y su factor de empaquetamiento.
El Niobio (Nb) tiene la densidad de 8.57 gr/cm³ y un átomo por vértice. Calcular el parámetro
de red y el radio atómico del niobio.
Calcule la distancia de los planos que produce una intensidad máxima a 32.2°, suponiendo
que la difracción es de 1º orden. La longitud de onda de la radiación es de 1.54 Å.
Ing. De Materiales.
146
Ingeniería en Materiales
UNIDAD II
2.1 El hierro tiene una densidad medida de 7.87 gr/cm³. El parámetro de red del hierro F.C.C.
es 2.866 Ao. Calcular el porcentaje de vacantes en el hierro puro.
2.2 Supóngase que se encuentran 16 granos / in² en una fotomicrografía con amplificación
100X de un metal. Determinar el índice ASTM de tamaño de grano.
2.3 Determinar el θ de un borde de grano de ángulo pequeño en un cristal de cobre cuando
las dislocaciones en el límite están separadas 1000 Å.
UNIDAD V
El coeficiente de difusión para el zinc en el Cu es de 1.4*10 -17 cm² / seg, a 300° C; y 8*10-12 a 600
°C. Determinar la energía de activación, y la constante de difusión Do para el zinc en el cobre.
Un cristal de germanio de 0.1 cm de espesor contiene un átomo de As por cada 108 átomos de
Ge, en una superficie y 1000 átomos de As por cada 108 átomos de Ge en la otra superficie; el
parámetro de red del Ge, es de 5.66 Å. Calcular el porcentaje de átomos de As en cada
superficie; el gradiente de composición.
Determinar el gradiente de concentración requerido para transportar 100 átomos de N/cm² s; a
través de una hoja de hierro a 1000°C; donde el hierro es F.C.C.
Se produce un gradiente de concentración de -10-16 cm³; a través de una hoja de hierro F.C.C.
Calcular la temperatura necesaria para producir una densidad de flujo de 2*10 12 H/cm²s.
Considerar un par de difusión fabricado con tungsteno puro y una aleación de tungsteno con 1% de átomos de torio. Después de algunos minutos a 2000 °C; se establece una zona de
transición de 0.01 cm de espesor. ¿Cuál es la densidad de flujo de átomos de torio en ese
momento sí la difusión de debe a:
a) Difusión volumétrica
b) Difusión por límite de grano
c) Difusión superficial
Durante la carburización de un acero SAE 1020 se introduce 1.0% de carbono en la superficie.
Calcular la cantidad de carbono a una distancia de 0.1 cm por debajo de la superficie después
de pasar 1 hr, a 1000 °C, cuando el acero tiene una estructura F.C.C.
Durante la carburización de un acero con 0.10% Co, se introduce por la superficie 1.2% Cs;
cuando el hierro es F.C.C. El contenido de carbono es del 0.90% a 0.016 cm por debajo de la
superficie después de una hora. Calcular la temperatura de carburización.
Se introduce nitrógeno a la superficie de un acero que contiene 0.002% de nitrógeno a 650 °C,
cuando el hierro es B.C.C. Se desea obtener 0.15% de N2, a uan distancia de 0.0126 cm por
debajo de la superficie en una hora. Calcular la composición del nitrógeno que debe ser
inducida en al superficie.
Ing. De Materiales.
147
Ingeniería en Materiales
Se produce una profundidad de endurecimiento satisfactoria de nitrógeno en el hierro B.C.C.,
después de una hora a 700 °C. ¿Cuánto tiempo se requiere para producir una profundidad de
endurecimiento satisfactorio si la nitruración se lleve a cabo a 600 °C?
Se sueldan dos aleaciones, formando un par difusor que tiene las composiciones
NA1 = 40% de elementos
NA2 = 50% de elementos A
Se calienta el par difusor a T1 y se mantiene durante 40 hr; posteriormente se enfría a
temperatura ambiente. El análisis químico muestra que a una distancia de 0.20 cm, a la derecha
de la soldadura la composición NA es igual a 42.5%. Calcule el coeficiente de difusión.
Una superficie de un engrane de acero SAE 1020 con D = 0.298*10 -6 cm/s; y colado en un horno
a 1000 °C (con una atmósfera rica en gas hidrocarburo), alcanza rápidamente un contenido de
carbono a 0.010 in debajo de la superficie después de 10 hr. Encuentre la concentración de
carbono en esa sección.
La superficie de un acero con 0.01% C, va a ser endurecida por carburización. El acero se
coloca en una atmósfera que proporciona un máximo de 1.2% C, a la superficie del acero a
temperatura elevada. Entonces el carbono se difunde y debe contener 0.45% C a una
profundidad de 0.20 cm, para poder utilizarlo. ¿Qué tiempo llevará la carburización, a estas
condiciones si el coeficiente de difusión es D = 2*10-7 cm²/s?
UNIDAD VI
Una aleación Ti-Mn, con 8% de elemento de aleación es tratada térmicamente sosteniéndola a
705 °C, templándola. Describir la microestructura después de un revenido a 480 °C.
Determinar las fase y su composición para una aleación Ni-Cu, con 80% Cu, a 1400 °C.
Determinar las fase y su composición para una aleación Al-Mg, con 5.2% Mg, a 1100 °C.
UNIDAD VII
Una semicelda que se produde disolviendo zinc en agua produce un potencial electródico de 0.77 V. Calcular la cantidad de zinc que debe añadirse a 1000 gr de agua para producir este
potencial.
Se encuentra que el potencial electródico de una semicelda de oro es de 1.48 V. Determinar
la concentración de iones de Au+3 en un electrolito
Determine la corriente que se requiere para producir una capa de oro de 0.001 cm de espesor
sobre un cátodo de 4 cm² en 30 min.
Ing. De Materiales.
148
Ingeniería en Materiales
Apéndice A
Propiedades de tensión.
Límite proporcional
Para muchos materiales estructurales se ha encontrado que la parte inicial de la gráfica esfuerzodeformación puede ser aproximada por la recta OP. En este intervalo, el esfuerzo y la deformación
son proporcionales entre sí, de manera que cualquier incremento en esfuerzo resultará de un
aumento proporcional a la deformación. El esfuerzo en el límite del punto de proporcionalidad P
se conoce como límite de proporcionalidad.
Límite elástico
Si se retira una pequeña parte de la carga aplicada sobre la pieza a prueba, la aguja del
extensómetro regresará a cero, indicando que la deformación producida por la carga es elástica. Si
la carga se aumenta continuamente, se libera después de cada incremento y se revisa el
extensómetro, entonces se alcanzará un punto en que la aguja no regresará a cero. Esto indica que
ahora el material tiene una deformación permanente; por tanto, el límite elástico puede definirse
como el esfuerzo mínimo al que ocurre la primera deformación permanente. Para la mayoría de los
materiales estructurales, el límite elástico tiene casi el mismo valor numérico que el límite de
proporcionalidad.
Figura A.1 diagrama esfuerzo-deformación (σ-ε), para un material dúctil.
Ing. De Materiales.
149
Ingeniería en Materiales
Punto de cedencia o fluencia
Conforme la carga en la pieza a prueba aumenta más allá del límite elástico, se alcanza un
sfuerzo al cual el material continúa deformándose sin que haya incremento de la carga. El esfuerzo
en el punto Y de la figura se conoce como punto de cedencia o fluencia. Este fenómeno ocurre
sólo en ciertos materiales dúctiles.
El esfuerzo puede disminuir realmente por un momento, resultando en un punto de cedencia
superior y en uno inferior. Como el punto de cedencia es relativamente fácil de determinar y la
deformación permanente es pequeña hasta el punto de cedencia, constituye un valor muy importante
de considerar en el diseño de muchas partes para maquinaria, cuya utilidad se afectaría si ocurriera
una gran deformación permanente. Esto es válido sólo para materiales que exhiban un punto de
cedencia bien definido.
Resistencia de cedencia o fluencia
La mayoría de los materiales no ferrosos y los aceros de alta resistencia no tienen un punto de
cedencia definido. Para estos materiales, la máxima resistencia útil corresponde a la resistencia de
cedencia, que es el esfuerzo al cual un material exhibe una desviación especificada de la
proporcionalidad entre el esfuerzo y la deformación.
Por lo general, este valor se determina por el "método de la deformación permanente
especificada". La deformación especificada OX se marca sobre el eje de la deformación. En
seguida, se traza la línea XW paralela a OP, localizando de esta manera el punto Y y la intersección
de la línea XW con el diagrama esfuerzo-deformación. El valor del esfuerzo en el punto Y indica la
resistencia de cedencia o fluencia. El valor de la deformación permanente especificada está
generalmente entre 0.10-0.20% de la longitud calibrada.
Resistencia límite
Conforme aumenta la carga aplicada sobre la pieza a prueba, el esfuerzo y la deformación se
incrementan, como lo indica la porción de la curva YM, para un material dúctil, hasta que se
alcanza el esfuerzo máximo en el punto M; por tanto, la resistencia límite o la resistencia de tensión
es el esfuerzo máximo desarrollado por el material, basado en el área transversal original. Un
material frágil se rompe cuando es llevado hasta la resistencia limite (punto B), en tanto que el
material dúctil continuará alargándose.
Ing. De Materiales.
150
Ingeniería en Materiales
Resistencia a la ruptura
Para un material dúctil, hasta el punto de resistencia límite, la deformación es uniforme a lo
largo de la longitud de la barra. Al esfuerzo máximo, la muestra experimenta una deformación
localizada (formación de cuello) y la carga disminuye conforme el área decrece.
Esta elongación en forma de cuello es una deformación no uniforme y ocurre rápidamente hasta
el punto en que el material falla. La resistencia a la ruptura, determinada al dividir la carga de
ruptura entre el área transversal original, es siempre menor que la resistencia limite. Para un
material frágil, la resistencia límite y la resistencia de ruptura coinciden.
Ductilidad
La ductilidad de un material se determinará a partir de la cantidad de deformación que le es
posible soportar hasta que se fractura. Esta se determina en una prueba de tensión mediante dos
mediciones:
Elongación:
Se determina juntando, después de la fractura, las partes de La muestra y midiendo la distancia
entre las marcas puestas en la muestra antes de la prueba
Elongación (E) =
donde
Lf - Lo
Lo
Lf = longitud de la medida final,
Lo = longitud de la medida original.
Al reportar el porcentaje de elongación, debe especificarse la longitud de la medida original, ya
que el porcentaje de elongación variará de acuerdo con la longitud original.
Reducción en área:
Esta también se determina a partir de las mitades rotas de la muestra bajo la tensión, midiendo
para ello el área transversal mínima y con la fórmula
Reducción de área (A) =
donde
Af - Ao
Ao
Af = área tranversal final,
Lo = área tranversal original.
Ing. De Materiales.
151
Ingeniería en Materiales
Figura A.2 Gráfica esfuerzo –
deformación (σ-ε) para un
material frágil.
Módulo de elasticidad o Módulo de Young
Considérese la porción recta de la curva esfuerzo-deformación. La ecuación de una línea recta
es y = mx + b, donde y es el eje vertical (en este caso, esfuerzo) y x el eje horizontal (en este caso,
deformación). La intersección de la recta con el eje y es b, y en este caso es cero, ya que la recta
pasa por el origen. La pendiente de la recta es m. Cuando se despeja m de la ecuación, la pendiente
es igual a y/x. De esta manera, se puede determinar la pendiente de la recta dibujando un triángulo
rectángulo cualquiera y encontrando la tangente del ángulo e, que es igual a y/x o , en este caso σ/ε.
La pendiente es realmente la constante de proporcionalidad entre esfuerzo y deformación cuando
se está abajo del límite de proporcionalidad y se conoce como módulo de elasticidad o módulo de
Young.
El módulo de elasticidad, indicación de la rigidez de un material, se mide en psi; por ejemplo, el
módulo de elasticidad del acero es de 30 millones de psi aproximadamente, en tanto que el del
aluminio es 10 millones de psi. Por ende, el acero es aproximadamente tres veces más rígido que el
aluminio. El módulo de elasticidad es una propiedad muy útil de la Ingeniería y aparecerá en
fórmulas relacionadas con el diseño de vigas y columnas, en las que la rigidez es importante.
Ing. De Materiales.
152
Ingeniería en Materiales
Esfuerzo-deformación verdaderos
La prueba convencional de tensión descrita antes; dará valiosa información hasta aproximarse y
llegar al punto de cedencia. Más allá de este punto, los valores de esfuerzo son ficticios, ya que el
área transversal real se reducirá considerablemente. El esfuerzo verdadero se determina al dividir la
carga entre el área transversal existente a esa intensidad de carga. La deformación real se determina
al dividir el cambio en longitud entre la longitud inmediatamente precedente. El diagrama esfuerzodeformación real da información útil concerniente al flujo plástico y la fractura de metales.
Recuperación y dureza.
Es posible dividir el diagrama esfuerzo-deformación en dos partes. La parte a la izquierda del
límite elástico puede definirse como intervalo elástico y la de la derecha como intervalo plástico. El
área bajo la curva en el intervalo elástico (área OPR) es una medida de la energía por unidad de
volumen que puede absorber el material sin sufrir deformación permanente. Este valor se conoce
como módulo de recuperación o resistencia. La energía por unidad de volumen que puede
absorber un material (el área bajo la totalidad del diagrama esfuerzo-deformación) hasta el punto de
fractura se conoce como tenacidad. Esta es principalmente una propiedad del intervalo plástico, ya
que sólo una pequeña parte de la energía total absorbida es energía elástica que puede recuperarse
cuando se suprime el esfuerzo.
Figura A.3 Gráfica esfuerzo deformación para un acero.
Ing. De Materiales.
153
Ingeniería en Materiales
Apéndice B
Metalografía
La metalografía es utilizada principalmente en los metales y en algunas ocasiones en cerámicas
para examinar su estructura. Los diversos pasos para examinar una muestra metalográfica son
mencionados aquí.
•
•
•
•
Cortar la muestra
Pulir la superficie dela misma para librarla de impurezas o imperfecciones .
Se coloca ácido en la superficie pulida.
Examinar con el microscopio.
Metalografía es la técnica de observación dela microestructura de los metales. Los actuales
procedimientos dependen de la aleación, su proceso de manufactura y lo que uno quiera examinar.
En general la idea es seleccionar un área en particular del área metálica para observar y seguido de
esto remover cualquier impureza que interfiera a la hora de describir el material.
El problema que se presenta en estos casos es que cortar y remover las impurezas pueden
cambiar la microestructura ocasionando hendiduras, muescas, deformación plástica del material y
calor. Es por ello que la metalografía requiere de una serie de pasos para llegar a un fin dado. Al
mismo tiempo el sobrecalentamiento debe ser eliminado durante cada paso.
Cuando la mayoría de las imperfecciones fueron removidas, los ácidos se utilizan para atacar la
superficie y que la observación de las características microestructurales como los granos y fases,
sean aún mas nítida.
Usualmente un microscopio en estos casos es utilizado para observar los detalles de la
microestructura.
Corte
En este caso una sierra circular es utilizada para cortar la estructura metálica: la recomendación
que se hace es no forzar la rueda a lo largo del metal pues resultaría en la producción e un mayor
número de imperfecciones, calor y la posibilidad de una fractura en la muestra o en la maquina de
corte.
Se debe utilizar un aditivo para prevenir el sobrecalentamiento
Después del corte se presentan muescas que deben ser removidas.
Montaje
Si la pieza o muestra es muy pequeña, se puede montar en un plástico o resina epóxica para
Ing. De Materiales.
154
Ingeniería en Materiales
hacerla mas fácil de manejar.
Pulido Grueso
Para un pulido grueso una serie de papeles abrasivos es utilizado para reducir la profundidad de
as hendiduras: Normalmente tres o cuatro lijas intervienen en le proceso. Comenzando con una de
220 y finalizando con una enumerada 600-800, incluso en algunas ocasiones es hasta de 2000.
Una vez más se utiliza abundante agua mientras se pule en cada papel para prevenir el
sobrecalentamiento y lavar las rebabas. Para cada caso se tiene que dejar la superficie lisa y cruzar
las hendiduras en ángulo aproximado de 90°. Recuerda que cuando se pule un exceso en la presión
ocasiona una hendidura mayor y incremento en las imperfecciones.
Si se ocasiona esto las lijas posiblemente no lo puedan remover.
Pulido Fino
Un disco abrasivo grueso con una lija de tamaño 80-150, es utilizado para remover raspones,
muescas y material ocasionados por el corte, se necesita una cantidad abundante de agua para
prevenir el sobrecalentamiento y lavar la s impurezas del lijado.
Se lija cruzando las líneas de corte en un ángulo de 90°, se lija hasta que las imperfecciones se
han ido. No se debe presionar demasiado o se provoca la aparición de material turbio. Además de
mantener la presión de manera uniforme para producir una superficie lisa.
Después de lijado la muestra tendrá m mínimas muescas.
Paño
Después del pulido el siguiente paso es remover las imperfecciones con el paño para lograr un
pulido de espejo.
Diamante y alumbre son colocados en discos cubiertos en paño. La muestra debe ser movida
hacia el lado contrario a donde gira en disco. Se utiliza agua con los abrasivos a base de alumbre; y
aceite con los reactivos de diamante.
Una vez más la limpieza es importante, pues si se toca con la mano el paño a la muestra el
resultado es una superficie contaminada. Después del pulido se debe atacar (baño en agua fuerte) o
secar inmediatamente.
Equipo utilizado
Cortadora eléctrica (Abrasimet ®) de disco abrasivo
Lijas 200, 400, 600
Pulidora Intermedia
Pulidora de Paño
Ing. De Materiales.
155
Ingeniería en Materiales
Procedimiento
Se cortó 1 cm en forma transversal de un redondo de acero al carbón. Posteriormente se lijó por
alrededor de 5 min. en cada papel para remover las impurezas del material.
Después de ello, se inició el pulido fino en la pulidora intermedia, siempre teniendo en cuenta el
humedecer la muestra para un mejor acabado en la superficie. En esta máquina las revoluciones
máximas a pulir se denotaban por 300,teniendo cuidado en no apoyar demasiado la muestra,
ocasionando el daño a esta y a la maquinaria.
Finalmente el pulido de espejo, se utiliza para dar las propiedades adecuadas a la superficie, para su
ataque y observación, este se realizó sobre una pulidora del mismo modelo que la anterior,
añadiendo alumbre como reactivo abrasivo, lo cual hace permanecer el pulido apropiado.
Microscopía
Un microscopio es usado par observar los detalles del a microestructura y tomar fotografías de
las mismas. Se debe ser precavido en la utilización del microscopio, las muestras deben de estar
completamente secas o los reactivos en la superficie podrían dañar el microscopio. Para cambiar la
magnitud del objetivo, se utiliza el gradiente ocular empezando por el mas pequeño. Se utiliza el
tornillo macrométrico para ver la muestra y el tornillo micrométrico para enfocarla. Los objetivos
deben ser girados sin tocar al muestra pues esta se dañaría y ocasionaría un daño permanente al
microscopio.
Algunos microscopios cuentan con fotografías instantáneas para tener un registro de las
muestras.
Si un microscopio es utilizado para ver un metal o una cerámica cristalina, el observador
presencia muchos granos. Cada grano es un cristal, así el material se denomina policristalino. Los
granos pueden tener una misma estructura cristalina (misma celda unitaria), pero están alineadas en
diversas direcciones.
Los lugares donde los granos se intersectan se denominan limites de grano estos y afectan las
propiedades de un material.
Una microestructura consiste por lo menos de una fase, todas las áreas con la misma estructura
cristalina y la misma composición constituyen una fase.
Los metales puros están constituidos de una fase pues esta puede variar dependiendo de la
temperatura. La composición es siempre la misma sin embargo la estructura del cristal, puede
cambiar a diferentes temperaturas creciendo una nueva fase a lo largo del metal.
Las aleaciones de metales tienen una composición de dos o mas estructuras, algunas de ellas son
de una fase y algunas las constituyen dos o mas.
Ing. De Materiales.
156
Ingeniería en Materiales
Reactivos de ataque
Diversas soluciones ácidas son utilizadas para mostrar la microestructura en la superficie pulida.
Para mejores resultados se recomienda atacar antes de observar en el microscopio. Se debe secar la
muestra con una compresora de aire caliente inmediatamente después de atacar para prevenir la
formación de marcas de agua.
Existen muchos reactivos para el ataque metalográfico de aceros como el NITAL; PICRAL,
REACTIVO DE VILELLA, etc.
Las variables mas importantes en el ataque metalográfico, son el tiempo y la temperatura , esto
último con la finalidad de obtener diferentes contrastes entre fases y poder identificar lo que se
desea.
Equipo utilizado
Microscopio metalográfico
Procedimiento
Las probetas metalográficas pulidas se lavaron con alcohol; se atacaron utilizando el reactivo
adecuado (Nital), y se secaron con la secadora de probetas, con aire caliente, procurando que el
reactivo no dejara marcas de agua, pues en este caso la pieza se contaminaría.
Se observó la probeta en el microscopio metalográfico a 100 x, previamente enfocando la
muestra y visualizando su estructura; se procedió a identificar los microconstituyentes
Ing. De Materiales.
157
Ingeniería en Materiales
.
BIBLIOGRAFÍA
Introducción a la Metalurgia Física
Sydney H. Avner
Ed. Mc Graw-Hill, México, 1988.
La ciencia e ingeniería de los materiales
Donald R. Askeland
Ed. Grupo Editorial Iberoamericana, México, 1985.
Tecnología de Materiales
Lawrence H. Vann Vlack
Ed. Alfa Omega, México, 1991.
Principios de Metalurgia Física
Robert E. Reed Hill.
Ed. CECSA, México, 1979.
Materiales de Ingeniería y sus Aplicaciones
Richard A. Flimm, Paul K. Trojan
Ed. Mc Graw-Hill, México, 1989.
Materiales para Ingeniería
Lawrence H. Van Vlack
Ed. CECSA, México, 1980.
Metalografía y Tratamiento Térmico de los Metales
Yu M. Lajtin
Ed. Mir Moscú, Rusia, 1977.
Ciencia y Diseño de Materiales para Ingeniería
Schaffer James P.
Ed. CECSA, México, 2000
Phase Diagrams in Metallurgy
Ph D.Frederick N. Rhines
Ed. Mc Graw-Hill, U.S.A., 1956.
Ing. De Materiales.
158
Ingeniería en Materiales
Metallurgy of the Light Metals.,
I. J. Porlmear
Halsted Press Wiley, U.S.A, 1989
Magnesium A1loys & their Applications,
Mordike, B. L., Hehmann, F.
Ed. DGM, Germany, 1992.
International Alloys Designation System (IADS)
Ing. De Materiales.
159