CURSO DE METALURGIA PARA NO METALURGICOS
CONTENIDO
1. INTRODUCCIÓN
1.1. ¿Que es la metalurgia?
1.2. Antecedentes históricos
2. RELACIÓN Y CARACTERÍSTICAS METALÚRGICAS-PROPIEDADES
2.1. Introducción
2.2. Solidificación y diagramas de fase
2.3. Efecto de los elementos aleantes
2.4. Efecto de la microestructura
3. PROPIEDADES MECÁNICAS DE LOS MATERIALES
3.1. Resistencia a la tensión
3.2. Dureza
3.3. Impacto y tenacidad
3.4. Fatiga
4. TRATAMIENTOS TÉRMICOS DEL ACERO
4.1. Generalidades de los tratamientos térmicos
4.2. Procesos de endurecimiento
5. ALEACIONES METALICAS: PROPIEDADES, APLICACIÓN Y NORMATIVA
5.1. Introducción
5.2. Hierros vaciados
5.3. Aceros carbono y aleados
5.4. Aceros para herramienta
5.5. Aceros inoxidables
5.6. Superaleaciones base níquel
5.7. Cobre y sus aleaciones
5.8. Aluminio y sus aleaciones
6. REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS
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CURSO DE METALURGIA PARA NO METALURGICOS
CAPÍTULO No. 1
INTRODUCCIÓN
1.1. ¿QUÉ ES LA METALURGIA?
“Es la ciencia y tecnología de los metales, que incluye su extracción a partir de los minerales
metálicos, su preparación y el estudio de las relaciones entre sus estructuras y propiedades”.
1.2. ANTECEDENTES HISTÓRICOS
Desde tiempos remotos, el desarrollo de la sociedad ha estado íntimamente ligado al
desarrollo de los materiales y en especial de los metales. Basta recordar que algunas de las
eras más importantes de la civilización se identifican por el metal que sirvió de base para la
fabricación de objetos de trabajo y armamentos para la guerra; así tenemos a la Edad del
Bronce, la Edad del Hierro y la época actual, que bien podría llamarse la Edad del Acero, el
Concreto, el Plástico y los Semiconductores.
El descubrimiento y dominio en el trabajo de los metales ha sido la pauta para el éxito de
muchas empresas del ser humano y a lo largo de la historia se destacan hazañas
metalúrgicas como la Espada de Damasco del conquistador Alejandro el Grande, considerada
irrompible y que investigaciones de la Arqueometalurgia, han demostrado que estaba hecha
de un acero alto carbono, con un tratamiento termomecánico muy similar al ausformado
moderno. Otro ejemplo lo constituyen las espadas de los Samurais japoneses, cuyo proceso
de forjado conduce a la formación de microestructuras laminares, que la metalurgia moderna
ha descubierto que aportan una elevada resistencia.
Muchos de estos materiales antiguos eran considerados mágicos o divinos y eran producidos
de manera artesanal; pero los secretos de su fabricación fueron celosamente guardados a
través de generaciones hasta desaparecer en el olvido; algunos otros, se volvieron del
dominio público y fueron perfeccionándose con el tiempo. Estos últimos materiales fueron los
que precisamente se convertirían en los materiales de ingeniería y con la Revolución
Industrial serían producidos en escala masiva para acelerar el progreso de la humanidad
hasta los niveles actuales. [Jorge Luis González Velásquez].
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CAPÍTULO No.2
RELACIÓN CARACTERÍSTICAS METALÚRGICAS–PROPIEDADES
2.1. INTRODUCCIÓN
Es claro que las sociedades humanas desarrollaron y usaron gran cantidad de materiales
mucho antes de contar con las bases científicas que explicaran el por qué de sus
propiedades, por ejemplo, la maleabilidad de un metal, la dureza de un diamante, la
resistencia al calor de una cerámica, o la lubricidad del grafito. Las características de los
materiales es posible entenderlas y explicarlas por sus propiedades y comportamiento que
constituyen la causa fundamental del interés práctico en ellos - sobre bases científicas
generales emanadas de la compresión de su estructura, entendida ésta, como la forma en
que están constituidos los materiales, tanto en escala macroscópica como microscópica, y
aún atómica. Por otra parte, la estructura de los materiales está determinada por el
procesamiento a que son sometidos en el curso de su fabricación o con el transcurso del
tiempo. Finalmente, las propiedades, la estructura y el procesamiento, en forma conjugada, se
relaciona íntimamente con el uso del material, y viceversa. Gráficamente estas interrelaciones
se han popularizado en la forma del tetraedro de la ciencia de materiales (Fig. 1).
Figura 1. Tetraedro que indica las bases de la Ciencia de Materiales.
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En el caso de los hierros vaciados y los aceros, ambas aleaciones ferrosas,
representan algunos de los más complejos sistemas de aleación, una gran variedad de micro
estructuras y por lo tanto, una gran cantidad de propiedades diversas que pueden ser
obtenidas, esto dependiendo de la composición, condiciones de solidificación y los
tratamientos térmicos apropiados. La intención de este documento es proveer un sistema de
la clasificación de estas aleaciones, su nombre comercial, relación con diferentes estándares
internacionales y las aplicaciones en función de la micro estructura, además de las
composiciones químicas, correlaciones de las propiedades mecánicas, tratamientos térmicos
y las aplicaciones de estos materiales.
El termino hierros vaciados, al igual que el acero, representa una gran familia de
materiales en diferentes aleaciones, los hierros vaciados son aleaciones contenida como
matriz o base los elementos hierro y carbono, las cuales son solidificadas en el área de la
trasformación del eutéctico. Además de contener diferentes cantidades de otros elementos
como Si, Mn, P y S y trazas de Ti, Sb y Sn. Comúnmente las variaciones en las propiedades
están en función del balance entre el carbono y silicio y su combinación con otros elementos
metálicos y no metálicos, además de la variación en el tratamiento térmico, variación en las
puntos de fusión y la forma del vaciado.
Los cinco tipos básicos de hierros vaciados son: hierro blanco, hierro gris, hierro dúctil,
truchada, y hierro maleable. Los hierros blanco y gris, derivan sus nombres de la apariencia
de la fractura que se produce en la superficie, el hierro truchado falla entre el hierro gris y
blanco, pero mostrando ambas coloraciones en diferentes zonas, el hierro dúctil es por las
propiedades obtenidas en cuando a eso su ductilidad, lo que sus antecesores no presenta
esta propiedad y por último el hierro maleable, el cual se obtiene esta propiedad mediante un
tratamiento térmico.
Dos divisiones adicionales a esta clasificación se incluyen los hierros altos en grafito y
los hierros de grafito compacto. Los primeros son aleaciones que requieren de alta resistencia
a la corrosión o una combinación de resistencia a la oxidación y con alta tenacidad y son
producidas en ambas, hierro en forma de hojuela (hierro gris) y grafito esferoidal (hierro
dúctil). El grafito compacto (CG), es caracterizado por el grafito que es inter conectado dentro
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de las celdas eutécticas, así como el grafito en hojuelas del hierro gris, sin embargo el grafito
en el CG, es más grueso y redondo.
ESTRUCRTURAS CRISTALINAS
Los griegos llamaron cristal al cuarzo, κρνσταλλοσ (cristallos = frío + goteo), es decir,
carámbanos de extraordinaria dureza y muy fríos. Pero la formación de cristales no es
exclusiva de los minerales, y los encontramos también (aunque no necesariamente de modo
natural) en los compuestos llamados orgánicos, e incluso en los ácidos nucléicos, en las
proteínas, en los virus...
El estado cristalino de la materia es el de mayor orden, es decir, es aquel en donde las
correlaciones internas son mayores y a mayor rango de distancias. Y esto se refleja en sus
propiedades que son anisotrópicas y discontínuas. Suelen aparecer como entidades puras,
homogéneas y con formas geométricas definidas (hábitos) cuando están bien formados.
Con todo ello, nos preguntamos, ¿cuál es la peculiaridad que diferencia a los cristales
de otros tipos de materiales?.
Pues bien, la denominada estructura cristalina está
caracterizada microscópicamente por la agrupación de iones, átomos o moléculas según un
modelo de repetición periódica, y el concepto de periodicidad es sencillo de entender si
pensamos en los motivos de una alfombra oriental, dibujos de la Alhambra, una formación de
tipo militar...
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Si nos fijamos con detenimiento, en estos dibujos hay siempre una fracción de los
mismos que se repite. Pues bien, en los cristales, los átomos, los iones o las moléculas se
empaquetan dando lugar a motivos que se repiten desde cada 5 Angstrom hasta las centenas
de Angstrom (1 Angstrom = 10-8 cm), y a esa repetitividad, en tres dimensiones, la
denominamos red cristalina. El conjunto que se repite, por traslación ordenada, genera toda
la red (todo el cristal) y lo denominamos celdilla elemental ó celdilla unidad. Para generalizar,
su contenido (átomos, moléculas, iones), o sea el motivo que se repite, puede describirse por
un punto (el punto reticular) que representa a todos y cada uno de los constituyentes del
motivo. Por ejemplo, cada soldado sería un punto reticular. En la materia condensada, un
monocristal es un dominio, generalmente poliédrico, de un medio cristalino
Pero hay ocasiones en las que la repetitividad se rompe, no es exacta, y precisamente
esa característica es lo que diferencia a los cristales de los vidrios o en general de los
llamados materiales amorfos (desordenados o poco ordenados)...
Modelo atómico en un material ordenado (cristal)
Modelo atómico de un vidrio
Sin embargo la materia no es totalmente ordenada o desordenada (cristalina o no
cristalina) y nos podemos encontrar con toda una degradación contínua del orden (grados de
cristalinidad) en los materiales, que nos lleva desde los perfectamente ordenados (cristalinos)
hasta los completamente desordenados (amorfos). Esta pérdida gradual de orden que se da
en los materiales, es equivalente a lo que podemos observar en los pequeños detalles de esta
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formación gimnástica, que siendo en cierto modo ordenada, sin embargo hay unas personas
con pantalones, otras con falda, con posturas algo distintas o ligeramente desalineados ...
En la estructura cristalina (ordenada) de los materiales inorgánicos, los motivos
repetitivos son átomos o iones enlazados entre sí, de modo que generalmente no se
distinguen unidades aisladas y de ahí su estabilidad y dureza (cristales iónicos,
fundamentalmente)...
Estructura cristalina de un material inorgánico: el alfa-cuarzo
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Donde sí se distinguen claramente unidades aisladas, es en los llamados materiales
orgánicos, en donde aparece el concepto de entidad molecular (molécula), formada por
átomos enlazados entre sí, pero en donde la unión entre las moléculas, dentro del cristal, es
mucho más débil (cristales moleculares). Son generalmente materiales más blandos e
inestables que los inorgánicos...
Estructura cristalina de un material orgánico: cinnamida
En las proteínas también existen unidades moleculares, como en los materiales
orgánicos, pero mucho más grandes. Las fuerzas que unen estas moléculas son también
similares, pero su empaquetamiento en los cristales deja muchos huecos que se rellenan con
agua no ordenada y de ahí su extrema inestabilidad.
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Estructura cristalina de una proteína: AtHal3.
Se muestran los grandes huecos que deja el empaquetamiento cristalino
Los distintos modos de empaquetamiento en un cristal dan lugar a las llamadas fases
polimórficas (fases alotrópicas para los elementos), que confieren a los cristales (a los
materiales) distintas propiedades. Por ejemplo, de todos son conocidas las distintas
apariencias y propiedades del elemento químico Carbono, que se presenta en la Naturaleza
en dos formas cristalinas muy diferentes, el diamante y el grafito:
Diamante (carbono puro)
Grafito (carbono puro)
El grafito es negro, blando y un lubricante excelente, lo que sugiere que sus átomos
deben estar distribuidos (empaquetados) de un modo que puedan entenderse sus
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propiedades. Sin embargo, el diamante es transparente y muy duro, por lo que debe
esperarse que sus átomos estén muy fijamente unidos. En efecto, sus estructuras submicroscópicas (a nivel atómico) dan cuenta de sus diferencias.
Diamante, con estructura muy compacta
Grafito, con estructura atómica en láminas
En el diamante, cada átomo de carbono está unido a otros cuatro en forma de una red
tridimensional muy compacta (cristales covalentes), de ahí su extrema dureza y su caracter
aislante. Sin embargo, en el grafito los átomos de carbono están distribuidos en forma de
capas paralelas separadas entre sí mucho más de lo que se separan entre sí los átomos de
una misma capa. Debido a esta unión tan debil entre las capas atómicas del grafito, los
deslizamientos de unas frente a otras ocurre sin gran esfuerzo, y de ahí su capacidad
lubricante, su uso en lapiceros y su utilidad como conductor.
REDES DE BRAVAIS
En toda red cristalina se pueden encontrar (y no de forma única) tres vectores de forma que
dos puntos reticulares cualesquiera están siempre relacionados por una expresión del tipo
(1.1) con n1, n2y n3 enteros. Los vectores a, b y c que cumplen también esto, definen una
celdilla que también por traslación genera el cristal. Se la llama celdilla primitiva porque es la
de volumen mínimo que por traslación reproduce el cristal. Si hubiera otra de menor volumen
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y tomando n1, n2y n3 enteros, no encontraríamos necesariamente un punto reticular (Fig.
1.1). Es fácil comprender que a cada celdilla primitiva le corresponde un solo punto reticular
(con su correspondiente base cristalina).
La celdilla primitiva no es única. Una forma de concretar la celdilla primitiva es bisecar por
planos los segmentos que unen un punto reticular a sus próximos vecinos. En este caso
recibe el nombre de celdilla elemental de Wigner-Seitz (Fig. 1.1) y cumple con los postulados
anteriores. En particular, es evidente que sólo contiene un punto reticular.
Las redes cristalinas se llaman también redes de Bravais y hay 14 diferentes agrupadas en 7
sistemas cristalinos (Fig. 1.2).
Sistema
Redes
Malla
Cúbico
Simple
Centrado en
a=b=c
cuerpo
α = β = γ = 90º
Centrado en caras
Trigonal
Romboédrico
a=b=c
α = β = γ ≠ 90º
Hexagonal
Simple
a=b≠c
α = β = 90º
γ ≠ 120º
Tetragonal
Simple
Centrado en
cuerpo
a=b≠c
α = β = γ = 90º
Redes de Bravais
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Simple
Centrado en
bases
a≠b≠c
Ortorrómbico
Centrado en
α = β = γ = 90º
cuerpo
Centrado en caras
Simple
Monoclínico Centrado en
bases
a≠b≠c
α = β = 90º ≠ γ
Triclínico
a≠b≠c
α≠β≠γ
Simple
Figura 1.2.- Propiedades de las redes de Bravais
De ellos el sistema cúbico es el de máxima simetría y además el sistema de los
semiconductores usuales. Más concretamente estos cristalizan en el sistema cúbico centrado
en caras (fcc) que puede verse en la Figura 1.2. Tienen asociada, normalmente, una base
cristalina de dos átomos que pueden ser iguales (como en los semiconductores elementales:
Silicio, Germanio…) o diferentes (Arseniuro de Galio, Fosfuro de Indio y otros
semiconductores formados por asociación de elementos de los grupos III y V, o II y VI del
sistema periódico). Para este caso se representa en la Fig. 1.3 la estructura atómica de un
material diatómico (tipo blenda, que es la estructura cúbica del SZn). Es fácil ver que los
átomos "blancos" marcan la estructura fcc y que cada átomo blanco tiene asociado otro
"negro". Cuando todos los átomos son iguales tenemos el caso de las estructuras del tipo
diamante.
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Figura 1.3.- Estructura diatómica fcc
2.2. SOLIDIFICACIÓN Y DIAGRAMAS DE FASE.
2.2.1. SOLIDIFICACIÓN.
En general, los productos metálicos se originan en una primera etapa en estado líquido, luego
del cual se pasa al estado sólido mediante moldes o por colada continua. El proceso de
solidificación es determinante para la calidad del producto final, porque si el material queda
defectuoso en esta etapa, será muy difícil efectuar las correcciones en el procesamiento
posterior.
Defectos frecuentes de la etapa de fusión y solidificación son:

Porosidades

Microgrietas

Inclusiones no metálicas

Segregación de elementos de aleación

Formas de granos muy heterogéneas (por ejemplo: granos muy alargados y granos
pequeños)

Rechupes, (huecos debidos a la contracción del metal líquido al solidificarse y que no
han sido llenados por más metal líquido)
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La obtención de un producto sano por solidificación no es simple y requiere un profundo
conocimiento acerca de la relación entre las diferentes variables que gobiernan dicho proceso.
La transformación de líquido a sólido ocurre en dos etapas. La primera, es la nucleación de la
fase sólida en la fase líquida, donde se genera una superficie sólido-líquido que tiene una
energía de superficie ΥS→L (energía por unidad de superficie) y la segunda, se refiere al
crecimiento de estos núcleos a medida que desciende la temperatura. Por lo tanto, durante la
solidificación coexisten ambas fases, sólida y líquida.
La relación entre las velocidades de nucleación y crecimiento determinará la forma y el
tamaño de los granos del sólido resultante.
Las anteriores resistencias a la nucleación exigen un sobreenfriamiento para que se inicie el
proceso de solidificación; el sobreenfriamiento será mayor para una nucleación homogénea,
es decir, aquella por la cual se forma un núcleo en el seno mismo del líquido. Por otra parte, la
nucleación heterogénea está caracterizada por la formación de núcleos sobre superficies
sólidas existentes como paredes del molde o partículas sólidas en suspensión.
El diagrama Temperatura (T) v/s tiempo (t) tendrá la siguiente forma para la solidificación de
un metal puro. Fig. 2.
Temp.
(°C)
a
d
TE
c
ΔT
b
Tiempo
Figura 2. Diagrama de solidificación para un metal puro.
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Una característica importante de la cristalización de los sólidos es que a presión constante
poseen una temperatura característica de equilibrio sólido-líquido, TE. Solamente a esta
temperatura existe el equilibrio, por lo tanto, podemos decir que las energías libres del sólido y
del líquido son iguales. A una temperatura mayor a TE la fase líquida posee una energía libre
menor que la fase sólida siendo, por lo tanto, la fase estable. Análogamente, a temperatura
menor a TE la fase sólida posee una energía libre menor que la fase líquida, luego, la fase
estable es la sólida.
Cabe señalar que si el líquido se enfría a una temperatura menor que TE no se produce la
cristalización en forma inmediata, se requiere de un cierto grado de sobreenfriamiento para
que el proceso de solidificación comience, esto es el calor latente de fusión (Capacidad
calorífica Cp). Como se muestra en la Fig. 2.

El líquido es enfriado hasta TE , corresponde a la zona a.

El líquido debe ser sobreenfriado en una cantidad ΔT para comenzar la nucleación. El
ΔT será mayor para nucleación homogénea, (curva b), que para nucleación
heterogénea, (curva c).
Si continúa el crecimiento de los núcleos, se eleva la temperatura hasta TE , producto del
calor latente de solidificación, y de esta manera se mantiene constante esta temperatura. Esto
coincide con lo establecido en la regla de las fases de Gibbs. Cuando la solidificación termina
y ya no hay más calor latente entregado al sistema, la temperatura de sólido comienza a
descender, zona d.
Una vez formados los núcleos, un cierto número de ellos crecerá. El crecimiento depende del
cambio de energía libre, (δGs), que ocurre en la interfase cuando un número NA de átomos se
agrega como una nueva capa a los N átomos que ya pertenecen al sólido.
Estructuras características de lingotes. Los lingotes nunca son usados directamente en
aplicaciones
comerciales,
es
decir, son
productos
intermedios,
destinados
a
ser
transformados en otros productos, mediante deformación plástica, tales como: barras, tubos,
planchas, alambres y perfiles. Los procesos usuales para obtener estos productos son:
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
Laminado en caliente y en frío

Forja

Extrusión

Trefilado
La calidad de un lingote para su posterior conformado plástico depende de dos características
principales:

El tipo de grano, es decir, la forma, el tamaño y la orientación de éstos.

La ubicación y distribución de heterogeneidades dependiendo de la composición.
Figura 3. Estructura de un lingote durante la solidificación.
En la estructura del lingote, Fig. 3, pueden distinguirse tres zonas, dependiendo del tipo de
grano que se ha desarrollado durante el enfriamiento y su ubicación, como son:

Zona Chill

Zona Columnar

Zona de Granos Equiaxiales
Zona Chill. Corresponde a una zona de enfriamiento rápido. Ésta se forma en la superficie
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del molde debido al gran sobreenfriamiento que sufre el metal líquido al entrar en contacto
con el molde frío. Debido a esto la nucleación será heterogénea y su velocidad rápida,
produciendo una abundante nucleación de cristales pequeños más o menos equiaxiales y de
crecimiento dendrítico.
La extensión de la zona chill depende de las varias condiciones tales como:

Material del molde

Temperatura del líquido al vaciarlo en el molde

Temperatura del molde

Conductividad térmica del molde
Cuando el líquido está sobrecalentado y las paredes del molde están frías, la zona chill será
estrecha, pero si el líquido es vaciado al molde a una temperatura levemente superior a la de
solidificación, habrá una zona más amplia de líquido sobreenfriado produciéndose más
nucleación, y por lo tanto, la zona chill será más ancha. De aquí podemos deducir que: la
zona chill decrece con la mayor temperatura del metal líquido (sobrecalentamiento) y con el
precalentamiento del molde; si estas condiciones de temperatura se extreman, la zona chill
puede hacerse imperceptible.
Zona Columnar. Se origina en aquellos granos de la zona chill, continuando su crecimiento
hacia el centro del lingote, pues están favorablemente orientados para crecimiento rápido,
como se muestra en la Fig. 4.
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Figura 4. Formación de granos columnares.
La existencia de una zona columnar produce orientaciones preferenciales de los cristales en
el lingote y por consiguiente produce anisotropía de las propiedades mecánicas, lo que hace
indispensable la deformación plástica posterior. Es importante destacar que el crecimiento de
los granos columnares no es sólo en su longitud, sino también según su diámetro y que los
bordes de grano recogen impurezas.
Zona central de granos equiaxiales. El líquido de la región central puede sobre enfriarse
tanto por efectos térmicos así como por sobreenfriamiento constitucional; de esta manera se
desarrolla una zona central de granos equiaxiales.
En las aleaciones es importante el sobreenfriamiento constitucional, pues promueve el
desarrollo de la zona equiaxial central. Este sobreenfriamiento se produce cerca del centro
del lingote debido a que:

Algunos cristales formados en la zona chill son barridos desde las paredes del
molde por corrientes de convección hacia el interior del lingote. Si la temperatura de
vaciado del líquido es baja estos cristales no serán completamente refundidos y
servirán como cristales-semillas en la parte central del lingote.

La solidificación empieza en el punto de temperatura más bajo, exactamente por
debajo del líquido. En este punto se forma un cristal pequeño, que se denomina
núcleo. Se pueden formar distintos núcleos casi simultáneamente, y cada uno de
ellos es un punto donde empieza la solidificación y el metal solidificado crece a
partir de estos puntos. La solidificación avanza en todas las direcciones que son
normales para los ejes principales del cristal de núcleos. Por consiguiente, a partir
de un cristal cúbico, el crecimiento avanza simultáneamente en seis direcciones. El
crecimiento es simplemente la suma de cristales adicionales a medida que
disminuye la temperatura. El crecimiento continúa y adopta una forma similar a la
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de un árbol, con ramas y subramas en ángulos rectos entre sí (Figs. 5 y 6). A
medida que la solidificación continúa las ramas se tornan más gruesas, crece y
llenan los espacios que hay entre otras ramas, las que se denominan dendritas.
Primarios
Terciarios
Secundarios
Disipación de calor y
crecimiento del cristal
Figura 5. Brazos dendríticos primarios, secundarios y terciarios.
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Figura 6. Crecimiento dendrítico de los cristales metálicos, partiendo del estado líquido.

Existe una tercera posible forma de generación de la zona equiaxial, la cual señala
que esta zona se puede formar por la precipitación de pequeños cristales desde la
cara superior del lingote donde el líquido ha sido enfriado por pérdidas de calor por
radiación.
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a)
b)
c)
d)
e)
f)
g)
h)
i)
Figura 7. Lingotes de aleación con de diferentes grados de pureza.
La Fig. 7 muestra diferentes lingotes de una aleación de distinto grado de pureza, en los
cuales se observa que la proporción de granos columnares se reduce considerablemente
respecto a los granos equiaxiales: con menor sobrecalentamiento del líquido y con mayor
nivel de soluto, estas condiciones producen un refinamiento de los granos del lingote.
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El menor sobrecalentamiento implica un gradiente menor de temperatura en el líquido que es
enfriado, por tanto la nucleación de granos sólidos se inicia en todas partes del lingote,
lográndose así un grano final más fino. Con mayor nivel de soluto la diferencia del gradiente
de temperaturas, es mayor y una región más amplia queda con sobreenfriamiento
constitucional, esto incrementa la zona de nucleación simultánea produciendo así un
refinamiento del grano.
Para disminuir o eliminar la zona columnar en la colada continua se ha ensayado la aplicación
de un campo magnético que agite el líquido y que por ende quiebre los brazos dendríticos y
forme nuevos núcleos.
La segregación de soluto puede aún llevar a la formación de segundas fases en aleaciones
que en sí son monofásicas, ejemplo de esto se ve en la figura 8.
Figura 8. Segregación de soluto en una aleación Cu5Sn.
2.2.2. DIAGRAMAS DE FASE.
Los diagramas de fases, son representaciones gráficas de las fases que están presentes en
un sistema de materiales a varias temperaturas, presiones y composiciones. La mayoría de
los diagramas de fase han sido construidos según condiciones de equilibrio (condiciones de
enfriamiento lento), siendo utilizadas por ingenieros y científicos para entender y predecir
muchos aspectos del comportamiento de los materiales. Los diagramas de fases más
comunes involucran temperatura versus composición.
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Diagrama de fases
En termodinámica y ciencia de materiales se denomina diagrama de fase a la representación
gráfica de las fronteras entre diferentes estados de la materia de un sistema, en función de
variables elegidas para facilitar el estudio del mismo. Cuando en una de estas
representaciones todas las fases corresponden a estados de agregación diferentes se suele
denominar diagrama de cambio de estado.
En ciencia de materiales se utilizan ampliamente los diagramas de fase binarios, mientras que
en termodinámica se emplean sobre todo los diagramas de fase de una sustancia pura
Cuando aparecen varias sustancias, la representación de los cambios de fase puede ser más
compleja. Un caso particular, el más sencillo, corresponde a los diagramas de fase binarios.
Ahora las variables a tener en cuenta son la temperatura y la concentración, normalmente en
masa. En un diagrama binario pueden aparecer las siguientes regiones:
Sólido puro o disolución sólida
Mezcla de disoluciones sólidas (eutéctica, eutectoide, peritéctica, peritectoide)
Mezcla sólido - líquido
Únicamente líquido, ya sea mezcla de líquidos inmiscibles (emulsión), ya sea un líquido
completamente homogéneo.
Mezcla líquido - gas
Gas (lo consideraremos siempre homogéneo).
Hay punto y líneas en estos diagramas importantes para su caracterización:
Línea de líquidus, por encima de la cual solo existen fases líquidas.
Línea de sólidus, por debajo de la cual solo existen fases sólidas.
Línea eutéctica y eutectoide. Son líneas horizontales (isotermas) en las que tienen lugar
transformaciones eutécticas y eutectoides, respectivamente.
Línea de solvus, que indica las temperaturas para las cuales una disolución sólida (α) de A y B
deja de ser soluble para transformarse en (α)+ sustancia pura (A ó B).
Concentraciones definidas, en las que tienen lugar transformaciones a temperatura constante:
Eutéctica (Líquido--> Sólido A + Sólido B)
Eutectoide (Sólido 1 --> Sólido 2 + Sólido 3)
Peritéctica (Líquido + Sólido 1 --> Sólido 2)
Perictectoide (Sólido 1 + Sólido 2 --> Sólido 3)
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CURSO DE METALURGIA PARA NO METALURGICOS
Monotéctica (Líquido 1 --> Líquido 2 + Sólido)
Monotectoide
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CURSO DE METALURGIA PARA NO METALURGICOS
Información que podemos obtener de los diagramas de fases:
1. Conocer qué fases están presentes a diferentes composiciones y temperaturas bajo
condiciones de enfriamiento lento (equilibrio).
2. Averiguar la solubilidad, en el estado sólido y en el equilibrio, de un elemento (o
compuesto) en otro.
3. Determinar la temperatura a la cual una aleación enfriada bajo condiciones de equilibrio
comienza a solidificar y la temperatura a la cual ocurre la solidificación.
4. Conocer la temperatura a la cual comienzan a fundirse diferentes fases.
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CURSO DE METALURGIA PARA NO METALURGICOS
Temperaturas de líquidos y de sólidos:
La curva superior en el diagrama es la temperatura de líquidus. Se debe calentar una aleación
por encima de líquidus para producir una aleación totalmente líquida que pueda ser colocada
para obtener un producto útil. La aleación líquida empezará a solidificarse cuando la
temperatura se enfríe hasta la temperatura de líquidus. La temperatura de sólidus es la curva
inferior. Una aleación de este tipo, no estará totalmente sólida hasta que el metal se enfríe por
debajo de la temperatura de sólidus. Si se utiliza una aleación hierro – carbono a altas
temperaturas, deberá quedar seguro que la temperatura durante el servicio permanecerá por
debajo de la temperatura de sólidus, de manera que no ocurra fusión. Las aleaciones se
funden y se solidifican dentro de un rango de temperatura, entre el líquidus y el sólidus. La
diferencia de temperatura entre líquidus y sólidus se denomina rango de solidificación de la
aleación. Dentro de este rango, coexistirán dos fases: una líquida y una sólida. El sólido es
una solución de átomos de los compuestos involucrados; a las fases sólidas generalmente se
les designa mediante una letra minúscula griega, como alpha (α).
Fases presentes:
A menudo, en una aleación a una temperatura en particular interesa saber qué fases están
presentes. Si se planea fabricar una pieza por fundición, debe quedar seguro que inicialmente
todo el metal esté líquido; si se planea efectuar un tratamiento térmico de un componente, se
debe procurar que durante el proceso no se forme líquido. El diagrama de fases puede ser
tratado como un mapa de carreteras; si se sabe cuáles son las coordenadas, temperatura y
composición de la aleación, se podrán determinar las fases presentes.
Composición de cada fase:
Cada fase tiene una composición, expresada como el porcentaje de cada uno de los
elementos de la fase. Por lo general, la composición se expresa en porcentaje en peso (%
peso). Cuando está presente en la aleación una sola fase, su composición es igual a la de la
aleación. Si la composición original de la aleación se modifica, entonces también deberá
modificarse la de la fase. Sin embargo, cuando coexisten dos fases como líquido y sólido, sus
composiciones diferirán entre sí como de la composición general original, Si ésta cambia
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CURSO DE METALURGIA PARA NO METALURGICOS
ligeramente, la composición de las dos fases no se afectará, siempre que la temperatura se
conserve constante.
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CURSO DE METALURGIA PARA NO METALURGICOS
2.3. TIPOS, MATERIAS PRIMAS Y EFECTO DE LOS ELEMENTOS ALEANTES
La forma esferoidal del grafito es la característica principal del hierro dúctil, el cual es
usualmente producido por el contenido de magnesio entre 0.04 a 0.06 %. Para producir hierro
dúctil con la mejor calidad y combinando las propiedades mecánicas como esfuerzo,
ductilidad y tenacidad, la materia prima para la producción de este metal deberá de ser
seleccionada y cumplir con requerimientos de control de calidad, principalmente los
porcentajes de elementos residuales que promuevan la formación de una estructura de matriz
perlítica.
El estándar internacional ISO/DIS 9147, especifica dos grados de lingotes de hierro para la
producción de hierro dúctil: grado 3.1 (nodular (SG) base) y grado (nodular (SG) base, alto
manganeso), la composición de estos grados son:
Grado
3.1
3.2
C
3.5-4.6
3.5-4.6
Si
< 3.0
< 4.0
Mn
< 3.1
< 0.1-0.4
P
< 0.08
< 0.08
S
0.03 max
0.03 max
Carbono (C): En la fusión mediante horno eléctrico, una parte del carbono se obtiene de
lingotes, scrap de hierro vaciado y carburizante, una parte además se adiciona mediante
grafito con bajos contenidos de azufre o coke. El rango optimo de este elemento es
usualmente entre un 3.4 a 3.8 %, dependiendo de la cantidad o contenido de silicio.
Silicio (Si): El rango más adecuado de este elemento es del 2 al 2.8%. Con bajos contenidos
de este elemento, se propicia o aumenta la ductilidad en el tratamiento térmico.
Manganeso (Mn): La mayor fuente de manganeso es en el scrap de acero, usado en la carga
del horno. Este elemento como otros deberán de ser controlados ya que da la máxima
ductilidad en el hierro, en hierros ferriticos vaciados puede ser del 0.2% o menor, para hierros
que sean tratados térmicamente en la condición de ferriticos, además el manganeso es sujeto
a una micro segregación no deseable.
Magnesio (Mg): El contenido de este elemento se requiere para producir grafito esferoidal, los
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CURSO DE METALURGIA PARA NO METALURGICOS
rangos oscilan entre 0.04 a 0.06 %. Si el contenido inicial de azufre es debajo de 0.015%, a
menor contenido de magnesio (si el rango es de 0.035 a 0.04%) puede ser satisfactorio. Las
estructuras de grafito compacto con propiedades inferiores, pueden ser producidas si el
contenido de magnesio es muy bajo, en caso contrario generara algunos defectos en el
material.
Azufre (S): Este elemento se deriva de la materia prima que se carga inicialmente al horno y
una parte es absorbida del coke, antes del tratamiento del magnesio, el contenido de azufre
deberá de ser lo más bajo posible, por el orden del 0.02% preferentemente. El contenido final
del azufre en el hierro dúctil es usualmente por debajo de 0.015%.
Cerio (Ce): Este elemento puede ser adicionado para la neutralización de elementos
residuales los cuales son elementos indeseables ya que interfieren con la formación de grafito
esferoidal y ayudando para la inoculación.
Aluminio (Al): La presencia de ciertas cantidades de este elemento en el hierro dúctil puede
generar la formación de pin hole y porosidad entre otros defectos en áreas sub superficiales,
este elemento es muy dañino ya que en cantidades del orden de 0.01% puede ser suficiente
para la generación de los defectos mencionados anteriormente.
Fosforo (P): Es normalmente mantenido por debajo de 0.05% ya que promueve baja
ductilidad y defectos en la sanidad del material.
Algunos elementos menores que afectan la generación de grafito en forma esferoidal son, por
mencionar algunos, Pb, An, Bi, Ti.
Algunos de los elementos en menor cantidad que promueven la formación de perlita son: Ni,
Cu, Mn, Ar, An.
Carbono equivalente: Los contenidos de carbono, silicio y fosforo, pueden ser considerados
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CURSO DE METALURGIA PARA NO METALURGICOS
juntos como un valor de carbono equivalente, el cual puede ser usado como una guía del
comportamiento de la fundición y algunas de sus propiedades, existen muchas formulas para
la determinación de este valor. Cuando el carbono equivalente es CE=C% + 1/3(%S + %P) es
igual a 4.3, el hierro puede ser con una composición y estructura completamente eutéctica. Si
el CE es menor que 4.3, tendrá algunas estructuras dendríticas; y si en caso contrario es
mayor de 4.3 se obtendrán nódulos de grafito primario en la estructura.
2.3.1 Tratamiento del metal fundido.
El tratamiento para la producción del hierro dúctil involucra la adición de magnesio para
cambiar la forma del grafito, seguido por o combinación con inoculantes de silicio para que se
forme y asegure una estructura de grafito. En todos los métodos de tratamiento del magnesio
se debe de hacer una medición eficaz en peso del metal que se tiene, ya que de esto
depende la cantidad de otros elementos así como la obtención adecuada de la composición
final, una elemento importante es el contenido de azufre ya que influye directamente.
Posterior al tratamiento del magnesio, el hierro es sujeto a la inoculación final, este proceso es
llevado a cabo usando un inoculante granular, el cual es una aleación comercial con un
porcentaje aproximado de 75% Si.
2.3.2 Temperatura y velocidad del vaciado
Algunos gradientes excesivos de temperatura en el vaciado puede promover la
formación de carburos en secciones delgadas y orillas de algunos componentes vaciados,
este efecto puede ser evitado vaciando el metal a una temperatura no menor a los 1315 ºC
(2400 ºF) para piezas de hasta 25 mm (1 pulgada) de sección y arriba de 1425 ºC (2600 ºF)
para piezas de 6 mm (1/4 pulgada) de sección, estas son solo recomendaciones.
2.4. EFECTO DE LA MICROESTRUCTURA.
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CURSO DE METALURGIA PARA NO METALURGICOS
La estructura de un material se puede considerar en diferentes niveles (Fig. 10). La
disposición de los electrones que rodean al núcleo de lo átomos individuales afectan el
comportamiento eléctrico, magnético, térmico y óptico. Además la configuración electrónica
influye en la forma en que los átomos se unen entre si, en el siguiente nivel se considera la
organización de los átomos en el espacio.
Los metales, muchos cerámicos y algunos polímeros tienen una organización atómica muy
regular denominada estructura cristalina, existen defectos en arreglo atómico y pueden
controlarse para producir cambios profundos en las propiedades, entre los cristales el arreglo
atómico cambia su orientación influyendo así en las propiedades, el tamaño y forma
desempeña una función primordial en este nivel.
En la mayoría de los metales se presenta más de una fase, cada una de las cuales tiene su
propio arreglo atómico y propiedades mecánicas.
c)
a)
d)
b)
Figura 10. Cuatro niveles de estructura en un material: a) estructura atómica, b) estructura cristalina, c)
estructura granular en el acero (100X), d) estructura multifásica de aluminio vaciado (200X).
Durante la deformación plástica con trabajo en frío o en caliente se produce con frecuencia
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una microestructura formada por granos alargados en dirección del esfuerzo aplicado, lo cual
causa una distorsión en la red cristalina. Como resultado del trabajado en frío, aumenta la
dureza, la resistencia a la tensión y la resistencia eléctrica, en tanto que disminuyó la
ductilidad. El producto metálico deformado en frío presentará esfuerzos residuales, los cuales
se pueden eliminar en su mayoría mediante un tratamiento de recocido total, el cual es un
proceso de reblandecimiento. Este proceso se efectúa totalmente en el estado sólido y
generalmente le sigue un enfriamiento lento en el hormo desde la temperatura deseada. El
proceso de recocido se divide en tres etapas: recuperación, recristalización y crecimiento de
grano. El efecto de las propiedades mecánicas durante el recocido
son: la dureza y la
resistencia disminuyen, mientras que la ductilidad aumenta. El cambio en las propiedades se
muestra esquemáticamente en la Fig. 11.
El trabajado en caliente se realiza a una temperatura por encima de la temperatura de
recristalización.
Figura 11. Efecto de las propiedades y microestructura del proceso de trabajado en fría y recocido.
Las aleaciones ferrosas, incluyendo los aceros inoxidables y las fundiciones utilizan
tratamientos térmicos similares para controlar la microestructuras y las propiedades. Sin
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embargo la estructura y comportamiento de las aleaciones no ferrosas tienen diferencias
enormes. Las temperaturas de fusión, por ejemplo, van desde casi la temperatura ambiente
para el galio hasta más de 3000°C para el tungsteno. Las resistencias mecánicas varían
desde los 1000 psi hasta más de los 200,000 psi. El aluminio el magnesio y el berilio
(“metales ligeros”) tienen densidades muy bajas, en tanto que el plomo y el platino tienen
densidades excepcionalmente altas.
En muchas aplicaciones el peso es un factor crítico. Para relacionar la resistencia del material
con su peso, se ha establecido una resistencia mecánica específica o relación resistencia
peso:
Resistencia mecánica específica = (Resistencia Mecánica) / (Densidad)
Otro factor en el diseño con metales ferrosos y no ferrosos es su costo, que también varía de
manera considerable.
El hierro vaciado es de composición y estructura similares al arabio, producido por el alto
horno. De hecho con frecuencia se utiliza como materia prima para el cubilote en la
fabricación de hierro vaciado, haciendo los ajustes necesarios en composición.
El hierro vaciado es un material metalúrgico barato, particularmente útil cuando un vaciado
requiere rigidez, resistencia al desgaste o una alta resistencia a la compresión. Otras
propiedades útiles del hierro colado incluyen:
 Su facilidad de maquinado cuando se selecciona una composición adecuada.
 Su fluidez y capacidad para efectuar buenas impresiones de fundición.
 Sus temperaturas de fusión, fácilmente obtenibles (1130-1250°C) en comparación con
los aceros.
En la Fig. 20 se describe la clasificación general de los hierros vaciados.
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Figura 20. Clasificación general de los hierros vaciados.
Otros efectos de la composición sobre la estructura del hiero vaciado en sus diferentes
tipos.
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El hierro vaciado ordinario es una aleación compleja que contiene un total de hasta 10% de
los elementos: carbono, silicio, manganeso, azufre, y fósforo, siendo el resto hierro. Los
hierros aleados contienen además cantidades variables de: níquel, cromo, molibdeno, vanadio
y cobre.
El carbono puede existir en dos formas en el hierro vaciado como grafito libre, o combinado
con el hierro, formando carburo de hierro (cementita). Estas dos variedades se conocen
como “carbono grafítico” y “carbono combinado” respectivamente y la cantidad total de ambos
tipos en la probeta de hierro se conoce como “carbono total”.
La cementita es un compuesto duro, blanco, quebradizo, de manera que los hierros que
contienen una gran cantidad e ella, presentan una fractura blanca y tendrán baja resistencia
mecánica, así como una alta resistencia al desgaste. Estos hierros se llaman “hierros
blancos”. Cuando la superficie de fractura de un hierro vaciado que contiene grafito, aparece
gris y el hierro se conoce como “hierro gris”.
El silicio, se disuelve en la ferrita del hierro vaciado y es el elemento que tiene el efecto
predominante sobre las cantidades relativas de grafito y cementita presentes. El silicio tiende
a ser inestable en la cementita, de manera que se descompone, produciendo grafito y por lo
tanto, un hierro gris. Mientras más alto sea el contenido de silicio, mayor será el grado de
descomposición de la cementita y mayores las hojuelas de grafito producidas.
Así pues, mientras que el silicio refuerza a la ferrita disolviéndose en ella, al mismo tiempo
produce cierta blandura, causando la disociación de la cementita en grafito. Sin embargo
cuando el silicio está presente en cantidades que exceden a las necesarias para completar la
descomposición de toda la cementita, nuevamente causará dureza y un aumento en la
fragilidad. Por lo tanto debe considerarse el balance en el contenido de silicio.
La presencia del silicio en el hierro vaciado es beneficiosa ya que aumenta la fluidez del
hierro, mejorando notablemente sus propiedades de vaciado.
Azufre. El azufre tiene el efecto opuesto que el silicio, pues tiende a estabilizar la cementita.
Impide la grafitización ayudando a producir un hierro blanco duro y frágil, además su
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presencia como sulfuro, FeS, en el hierro colado, aumentará también la tendencia
a la
fragilidad.
Manganeso. El efecto del azufre se ve controlado, a su vez, por la cantidad de manganeso
presente. El manganeso se combina con el azufre para formar sulfuro de manganeso, MnS,
el cual es insoluble en el hierro fundido y flota a la superficie, uniéndose a la escoria. Los
efectos directos del manganeso, incluyen el endurecimiento del hierro, refinamiento del grano
y un aumento en su resistencia.
El fósforo se encuentra presente en el hierro vaciado, como fosfuro, Fe 3P, que forma una
fase eutéctica con la ferrita en los hierros grises y con la ferrita-cementita en los hierros
blancos. Esta fase funde a 950°C aumentando notablemente la fluidez. Los hierros fundidos
que contienen 1% de fósforo son, por lo tanto, muy adecuados para la producción de vaciados
de secciones delgadas.
Tipos de hierros vaciados
Fundición gris. Es la más común de las fundiciones debido a sus excelentes propiedades de
vaciado. Contiene grafito en perlita y ferrita. El color de estos hierros es debido al grafito. La
solidificación produce hojuelas entrelazadas de grafito. En la figura 21
se observa la
microestructura típica de un hierro gris y en las figuras 24 y 25 se observa sus grados, y
propiedades mecánicas y aplicaciones.
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Figura 21. Microestructura de un hierro gris. Consiste de hojuelas de grafito en una matriz perlítica
con trazas de ferrita (áreas blancas) Sin y con químico con Nital al 2%. 100X y 200X,
respectivamente.
Fundición blanca. Consisten en cementita y perlita. La concentración de silicio debe ser muy
baja, ya que el silicio es un poderoso agente grafitizante. Estos hierros son muy duros y
prácticamente no pueden maquinarse. Los hierros fundidos blancos con bajo equivalente en
carbono y que contienen aproximadamente 2.5%C y 1.5%Si, son un producto intermedio en la
manufactura del acero maleable. Cierto grupo de hierros blancos, altamente aleados, se usan
por su dureza y resistencia al desgaste. Ver microestructura en Fig. 22a.
Fundición maleable. Se produce al tratar térmicamente la función blanca no aleada. La
cementita formada durante la solidificación se descompone y produce aglomeraciones de
grafito. La forma redondeada del grafito permite que el hierro fundido maleable tenga una
buena combinación de resistencia y ductilidad. Ver microestructura Fig. 22b. Y sus grados y
aplicaciones en la figura 26.
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Figura 22. Microestructura de un hierro blanco y maleable a) Fundición Blanca; y
b) Fundición maleable ferrítica producida por tratamiento térmico
de una Fundición Blanca.
Fundición dúctil o nodular. El hierro fundido dúctil se produce tratando al hierro líquido con
magnesio o cerio, ocasionando el crecimiento del grafito esferoidal durante la solidificación.
Comparada con la fundición gris, la fundición dúctil tiene excelente resistencia, ductilidad y
tenacidad. La ductilidad y resistencia son también mayores que en las aleaciones maleables,
pero debido al mayor contenido de silicio en el hierro dúctil, la tenacidad puede ser menor. Ver
su microestructura en la Fig. 23 a y b.
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Figura 23. Microestructura de un hierro nodular a) Nódulos de grafito en un recocido completo (sin ataque). 100X. b)
Nódulos de grafito con ferrita “ojo de buey” en matriz perlítica parcialmente recocido (ataque químico con Picral) 100X.
2.4.1 Numero de nódulos y nodularidad
En el caso de los hierros, específicamente en el hierro dúctil o nodular, la forma del
nódulo es evaluada de acuerdo con la clasificación del estándar ISO 945 o ASTM A 247, el
número de nódulos así como la forma, puede ser evaluada por medios cualitativos de manera
metalografica y con los instrumentos adecuados.
Una buena práctica recomendada es tener algunos cupones o muestras que requieren
de cierto patrón o modelo de nodularidad tomado de cada lote de metal. Para muchos
propósitos del 85 al 100% de grafito se considera de con una nodularidad completa. Los
cupones obtenidos de cada uno de los lotes, puedes ser evaluados periódicamente para
verificar la matriz y estructura del grafito producida en el hierro, además de evaluar los
contenidos de ferrita y perlita, además de carburos, inclusiones y condiciones generales del
proceso.
2.4.2 Cupones de propiedades mecánicas
Para asegurar que el hierro vaciado cumpla con las especificaciones aplicables,
además de las propiedades mecánicas, se verifican algunos cupones maquinados, además
de la obtención de varios cupones en diferentes posiciones de la pieza terminada, en algunos
de los casos, se toman cupones de componentes que se tratan térmicamente y para la
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obtención de la composición química.
2.4.3 Factores que afectan las propiedades en el hierro dúctil
Estructura del grafito: La cantidad y forma del grafito del hierro dúctil, es determinado en la
solidificación y no puede ser alterada por subsecuentes tratamientos térmicos. Todas las
propiedades mecánicas y físicas características de este material son obtenidas porque el
grafito crece de manera nodular esferoidal, las figuras anteriores muestran algunas de las
microestructuras de este tipo de hierro, de esto depende principalmente por el tipo de grafito,
en el caso de otro tipo de grafito por ejemplo en hojuelas, tiene efectos adversos en las
propiedades mecánicas del material, así como el modulo de elasticidad, el cual puede ser
medido por frecuencia de resonancia o ultrasonido; un bajo porcentaje de nodularidad afecta
directamente las propiedades como impacto, reduce el esfuerzo a la fatiga, incrementa la
conductividad térmica y reduce la resistividad eléctrica.
Un aspecto importante es la inoculación, el cual aumenta el número de nódulos, previene la
formación de carburos e incrementa la ferrita, evita el endurecimiento y la fragilización.
Estructura de la matriz: El principal factor que determina los diferentes grados de hierro dúctil
es el contenido en la matriz del componente, en condiciones de vaciado, la matriz puede
consistir de ferrita y perlita, si la cantidad de perlita incrementa, aumentan del mismo modo el
esfuerzo y la dureza del material. La estructura de la matriz puede ser cambiada por
tratamientos térmicos, esto puede ser llevado a cabo mediante el proceso de recocido para
producir una matriz completamente ferrítica y un normalizado para producir una matriz
substancialmente perlítica
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CURSO DE METALURGIA PARA NO METALURGICOS
CAPÍTULO No. 3
PROPIEDADES MECÁNICAS DE LOS MATERIALES
Las propiedades mecánicas determinan el margen de utilización del metal y establecen el
servicio que puede esperarse de ellos, también son importantes para la especificación y
clasificación de los metales. Las propiedades mecánicas más comunes de los metales son las
siguientes:
3.1 RESISTENCIA A LA TENSIÓN
El ensayo de tensión determina la resistencia de un metal para resistir la acción de las fuerzas
externas sin romperse. La prueba de tensión es un método para determinar el
comportamiento de un metal bajo una carga de estiramiento real. Esta prueba proporciona el
límite elástico, el alargamiento, el punto de rotura, el esfuerzo máximo , esfuerzo de cedencia
y la reducción en el área. La Fig. 12 muestra un arreglo del ensayo de tensión.
Figura 12. Ensayo de tensión.
Diagrama de esfuerzo-deformación.
En la figura 12 se muestra un dispositivo de prueba, una probeta típica tiene un diámetro de
0.505" y una longitud de calibración de 2". La probeta se fija en la máquina de ensayo y se
aplica una fuerza F, llamada carga. Un extensómetro se utiliza para medir el alargamiento de
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la probeta entre las marcas de calibración cuando se le aplica la fuerza.
Esfuerzo y deformación de uso en ingeniería.
Los resultados de un ensayo simple pueden aplicarse a todos los tamaños y formas de
probeta para un material dado, si se transforma la fuerza a esfuerzo y la distancia entre las
marcas de calibración a deformación. El esfuerzo y deformación ingenieriles se definen
mediante:
La curva esfuerzo deformación ingenieril (Fig. 13) se usa para registrar los resultados de un
ensayo de tensión.
Figura 13. Curva esfuerzo-deformación ingenieril para una aleación.
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Deformación elástica y deformación plástica.
Cuando se aplica una fuerza a una probeta, los enlaces entre átomos se estiran y el material
se alarga. Cuando se retira la fuerza, los enlaces regresan a su longitud original y la probeta
vuelve a su tamaño inicial. La deformación del metal en esta porción elástica, de la curva
esfuerzo-deformación no es permanente. Si las fuerzas son mayores el material se comporta
de una manera plástica. Cuando se incrementa el esfuerzo, ocurre deslizamiento y el material
comienza a deformarse plásticamente. Esta deformación es permanente. El esfuerzo en que
se inicia el deslizamiento es el punto que delimita los comportamientos elástico y plástico.
Esfuerzo de fluencia: Es aquel en el que el deslizamiento se hace notorio e importante. Si se
diseña un componente que deba soportar una fuerza durante su uso, debe asegurarse que no
se deformará plásticamente. Al fabricar piezas o componentes mediante cierto proceso de
deformación, el esfuerzo aplicado debe exceder el esfuerzo de fluencia para producir un
cambio permanente en la forma del material.
Módulo de elasticidad (Módulo de Young):
Es la pendiente de la curva esfuerzo-deformación en la región elástica.
E 

 Módulo de elasticidad

Ductilidad: Mide el grado de deformación que un material puede soportar sin romperse.
Existen dos procedimientos para medir la ductilidad:
1. Medir la distancia entre las marcas hechas en la probeta antes y después del ensayo.
El % de alargamiento o elongación expresa la distancia que se estira una probeta antes
de su ruptura.
Elongación 
l f  l0
l0
 100
2. Medir el cambio porcentual del área de la sección transversal en el punto de fractura
antes y después de la prueba. El % de adelgazamiento o reducción de área describe la
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CURSO DE METALURGIA PARA NO METALURGICOS
disminución del área transversal que experimenta la probeta durante la prueba de
ruptura.
Reducción de área 
A0  A f
A0
 100
El comportamiento esfuerzo-deformación de materiales frágiles comparado con materiales
dúctiles se observa en la Fig. 14.
Figura 14. Comparación del comportamiento del ensayo de tensión en materiales frágiles y dúctiles.
3.2 DUREZA
Se define como la resistencia del metal a una penetración local por otro objeto más duro o
identador. Se mide introduciendo una punta de diamante ó bola de acero endurecido en una
superficie de la muestra, bajo un peso definido en una máquina de prueba de dureza (Figs. 15
y 16).
Figura 15. Durómetro Rockwell
Figura 16. Penetradores para ensayos de dureza
Brinell y Rockwell.
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La elección del método de prueba depende principalmente del tamaño de la muestra
disponible y del propósito último de la prueba, pero las de uso mas común son los ensayos
Rockwell y Brinell.
En el ensayo de dureza Brinell, una esfera de acero duro (por lo general de 10 mm de
diámetro), se oprime sobre la superficie del material. Se mide el diámetro de la impresión
generada, comúnmente de 2 a 6 mm. Y se calcula el número de dureza o índice de dureza
Brinell (abreviado con HB o BHN) a partir de la ecuación siguiente:
HB =
F/[( /2)D(D - D – D)
Donde:
F es la carga aplicada en Kilogramos, D es el diámetro del penetrador en mm, y D es el
diámetro de la impresión en mm.
El ensayo de dureza Rockwell utiliza una pequeña bola de acero para materiales blandos y un
cono de diamante para materiales más duros. La profundidad de la penetración es medida
automáticamente por el instrumento y se convierte a índice de dureza Rockwell (HR).
Se
utilizan diversas variantes del ensayo Rockwell, por ejemplo, la escala Rockwell C (HRC) se
utiliza para aceros duros, en tanto que para medir la dureza del aluminio se selecciona la
escala Rockwell F (HRF).
Los ensayos Vickers (HV) y Knoop (HK) son pruebas de microdureza: producen
penetraciones tan pequeñas que se requiere de un microscopio para obtener su medición.
Los índices de dureza se utilizan principalmente como base de comparación de materiales; de
sus especificaciones para la manufactura y tratamiento térmico, para el control de calidad y
para efectuar correlaciones con otras propiedades de los mismos. Por ejemplo, La dureza
Brinell está relacionada estrechamente con la resistencia a la tensión del acero mediante la
relación siguiente.
Resistencia a la tensión (psi) = 500 (HB)
Se puede obtener un índice de dureza Brinell en unos cuantos minutos sin preparar ni destruir
el componente; y obteniendo una buena aproximación de su resistencia a la tensión.
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CURSO DE METALURGIA PARA NO METALURGICOS
La dureza se relaciona con la resistencia al desgaste. Un material que se utiliza para
fragmentar o para moler mineral debe ser muy duro para asegurarse de que no se desgastará
o sufrirá abrasión debido a los duros materiales que maneja. De una manera similar, los
dientes de los engranes en la transmisión o en el sistema impulsor de un vehículo deberán ser
lo suficientemente duros para que no se desgasten. Generalmente se encuentra que los
materiales poliméricos son excepcionalmente blandos, los metales son de una dureza
intermedia y los cerámicos son excepcionalmente duros.
3.3 IMPACTO Y TENACIDAD
Cuando se somete un material a un golpe súbito e intenso, en el cual la velocidad de
aplicación del esfuerzo es extremadamente grande, el material puede tener un
comportamiento más frágil comparado con el que se observa en el ensayo de tensión. El
ensayo de impacto a menudo se utiliza para evaluar la fragilidad de un material bajo esas
condiciones. Se han diseñado muchos procedimientos, incluyendo el ensayo Charpy y el
ensayo Izod (Fig. 17). Este último generalmente se utiliza para materiales no metálicos. La
probeta puede o no tener muesca; la que tiene muesca en “V” mide mejor la resistencia del
material a la propagación de grietas.
Durante el ensayo, un péndulo pesado, que inicia su movimiento desde una altura ho,
describe un arco y posteriormente golpea y rompe la probeta; llega a una altura final
hf menor. Si se conocen las alturas inicial y final del péndulo, se puede calcular la
diferencia en su energía potencial. Esta diferencia es la energía de impacto
absorbida durante la falla o ruptura de la probeta. En el caso del ensayo Charpy, la
energía por lo general se expresa en libra-pie (lb.pie) o en joules (J) donde l lb.pie =
1.356 J. Los resultados del ensayo Izod se expresan en lb.pie/plg o J/m.
La
capacidad de un material para resistir cargas de impacto, a menudo se conoce como
tenacidad del material.
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CURSO DE METALURGIA PARA NO METALURGICOS
Figura 17. El ensayo de impacto: (a) Los ensayos Charpy e Izod,
y (b) dimensiones de las probetas típicas.
3.4 FATIGA
En muchas prácticas un componente se somete a una aplicación repetida de un esfuerzo
inferior al de fluencia del material. Este esfuerzo repetido puede ocurrir como resultado de
cargas de rotación, flexión o vibración. Aunque el esfuerzo sea menor al punto de fluencia, el
metal puede fracturarse después de numerosas aplicaciones del esfuerzo. Este tipo de falla
es conocido como fatiga.
Los resultados más importantes de una serie de ensayos de fatiga son la duración a la fatiga y
el límite de resistencia a la fatiga del material:

Duración a la fatiga:

Indica cuánto dura un componente cuando un esfuerzo s se aplica repetidamente al
material.

Límite de resistencia a la fatiga:

Es el esfuerzo por debajo del cual la falla por fatiga nunca ocurre.
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CURSO DE METALURGIA PARA NO METALURGICOS
Las fisuras o grietas de fatiga se inician en la superficie del material al que se le aplica el
esfuerzo, donde los esfuerzos son máximos. En muchas aleaciones ferrosas o a base de
hierro, el límite de resistencia a la fatiga es aproximadamente la mitad de la resistencia a la
tensión del material:
Relación de fatiga 
límite de resistencia a la fatiga
 0.5
resistencia a la tensión
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CURSO DE METALURGIA PARA NO METALURGICOS
CAPÍTULO No. 4
LOS TRATAMIENTOS TÉRMICOS Y EL EFECTO EN LAS PROPIEDADES MECÁNICAS DE
LOS METALES.
4.1 GENERALIDADES DE LOS TRATAMIENTOS TÉRMICOS
En el diagrama de fases Fe-Fe 3C existen diferentes temperaturas o puntos críticos de interés,
los cuales son importantes desde el punto de vista básico y práctico. Así como también las
fases estables a determinadas condiciones de temperatura y composición.
Estructuras de equilibrio definiciones.
El carbono al disolverse en cada una de las variedades alotrópicas del hierro forma soluciones
sólidas que son:
Ferrita (  ).
Es la solución sólida intersticial de carbono en hierro . La máxima solubilidad de carbono en
hierro es 0.020 a 723°C, es la estructura menos resistente del sistema.
Austenita (  ).
Es una solución sólida de carbono en hierro. La máxima solubilidad de carbono en hierro es
de 2% a 1143°C.
Hierro (  ).
Es una solución sólida de carbono en hierro . La máxima solubilidad de carbono en hierro 
es de 0.09% a 1495°C.
Esta solución produce una transformación peritéctica con líquido de 0.53%C dando Austenita
de 0.18%C.
Otros constituyentes que se forman a diferentes contenidos de carbono son los siguientes:
Cementita (Fe3C).
En un compuesto intersticial típico, de alta dureza y baja resistencia a la tracción, pero de alta
resistencia a la compresión. Es el constituyente más duro que aparece en el sistema.
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CURSO DE METALURGIA PARA NO METALURGICOS
Ledeburita.
Es una mezcla eutéctica de cementita y austenita, contiene 4.3% C y se forma a 1147°
conforme a la reacción L  Fe3C + .
Perlita.
Mezcla eutectoide de ferrita y cementita arregladas en forma de láminas alternadas. Su
contenido de carbono es de 0.8% y se forma a 723°C conforme a la reacción   Fe3C + .
Los otros componentes microestructurales que se observan en los aceros son la bainita y la
martensita, las cuales se obtienen a través de un tratamiento térmico de temple y revenido.
Definición de tratamientos térmicos (Metals Handbook).
Es la operación o conjunto de operaciones (en el caso de un tratamiento Térmico integral) por
medio de las cuales se somete a un metal, en estado sólido, a uno o varios ciclos térmicos
con el fin de conferir al metal propiedades particulares adecuadas a su transformación o
empleo posteriores. Dentro de estos términos no se incluye el calentamiento efectuado como
preparación para un trabajo en caliente.
Ciclo Térmico: “Conjunto de variaciones de temperatura (entre límites determinados) a que se
somete un producto en función del tiempo”. Las variaciones pueden ser más o menos bruscas
y los tiempos también más o menos prolongados a temperatura constante.
Tratamientos térmicos.
La primera etapa del más común de los tratamientos térmicos es diseñada para
cambiar la estructura y propiedades del hierro dúctil, el proceso es el siguiente: se lleva a una
temperatura entre 850 º y 950 ºC (1560 y 1740 ºF), por un tiempo aproximado de 1 hora, mas
1 hora por cada 25 mm (1 in) de sección del espesor para homogenizar el hierro. Cuando los
carburos son presentes en la estructura, la temperatura deberá ser aproximadamente de 900
a 950 ºC (1650 a 1740 ºF), de esta manera se descomponen los carburos previo a las
siguientes etapas del proceso de tratamiento térmico. El tiempo puede ser de 6 a 8 horas en
la estabilización de carburos, en el caso de piezas con geometría compleja se recomienda un
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CURSO DE METALURGIA PARA NO METALURGICOS
calentamiento inicial de 600 ºC (1110 ºF) lentamente y con un aumento gradual de 50 a 100
ºC (90 a 180 ºF) por hora.
Relevado de esfuerzos.
El objetivo principal de este tratamiento, es remover los esfuerzos presentes dentro del
vaciado sin cambiar las propiedades y microestructura, ya que si se presentan gran cantidad
de esfuerzos puede ocasionar defectos dentro de los materiales aun cuando se tengan formas
complejas, para el relevado de esfuerzos la pieza o componente es llevado a una temperatura
aproximada de 500 a 600 ° C (930 a 1100 °F). El componente es calentado a 50 °C (90 °F)
por un lapso de una hora, de 200 a 600 °C (390 a 1110 °F) y posteriormente de 600 °C (1110
°F) hacia arriba, se calcula de una hora por cada 25 mm de sección por una hora,
posteriormente es enfriado en el horno a 50 °C (90 °F), por hora hasta llegar a 200 °C (390
°F) y finalmente es enfriado en aire a temperatura ambiente.
Recocido.
El propósito de este tratamiento es la generación de una estructura ferritica y la
remoción de la perlita y carburos, el tratamiento puede tomar una de las siguientes formas,
con enfriamiento interrumpido, enfriamiento controlado y estación simple.
Normalizado.
Consiste en llevar la pieza o componente a una alta temperatura, la cual se alcanza un
completo austenitizado y la descomposición de cualquier carburo, seguido por un enfriamiento
en aire para la obtención de una matriz de perlitica fina con trazas de ferrita y libre de otros
productos de transformación.
Endurecimiento.
El hierro dúctil con altos valores de esfuerzo, generalmente aquellos que exceden 700
MPa (100 Ksi) y con una baja elongación es obtenida por un calentamiento de 875 a 925 °C
(1605 a 1695 °F), manteniendo a esta temperatura por un tiempo de 2 a 5 horas, el
enfriamiento es en un baño de aceite para producir una estructura de matriz martensitica y un
revenido a 400 a 600 °C (750 a 1110 °F) para producir una matriz de martensita revenida, es
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CURSO DE METALURGIA PARA NO METALURGICOS
importante el control adecuado ya que puede producir agrietamiento
Por lo común, los aceros son tratados térmicamente para alcanzar la estructura y las
propiedades adecuadas. Todos los tratamientos térmicos de los aceros están orientados a la
producción de un mezcla de ferrita () y cementita (Fe3C) que de la adecuada combinación de
las propiedades.
Austenitizado.
Si el hierro dúctil es austenitizado y enfriado en un baño con sal o en un baño de aceite
caliente a una temperatura de 320 a 550 °C (610 a 1020 °F), la estructura que se obtiene es
comúnmente vainita con porciones de austenita, la matriz obtenida está en función del tiempo
de transformación y la temperatura del baño de enfriamiento.
Endurecimiento superficial.
Algunos de los procesos usados para realizar este tratamiento son el uso de flama,
endurecimiento por inducción, nitruración y laser o plasma.
Diagrama temperatura-tiempo-transformación (Curvas TTT). Este diagrama (figura 18),
llamado también diagrama de transformación isotérmica (T-I), o curva C, nos permite predecir
la estructura, las propiedades y el tratamiento térmico de los aceros.
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TEMPERATURA
°C °F
649
538
427
316
204
93
Figura 18. Diagrama de transformación isotérmica para un acero 1080 (eutectoide).
Clasificación de los tratamientos térmicos
I. Tratamientos que involucran solamente temperatura. (Fig. 19)
Tratamientos Térmicos de Recocido
1.
Recocido. Calentamiento y mantenimiento a una temperatura adecuada y un enfriamiento
a una velocidad adecuada.
2.

Una disminución en la dureza.

Mejoría en la maquinabilidad.

Mayor facilidad para el trabajo en frío.

Una cierta microestructura.

Una cierta propiedad mecánica, física, etc.
Recocido completo. Calentamiento a una temperatura inferior a Ac 3 para un acero
hipoeutectoide o entre Ac1 y Acm para un acero hipereutectoide seguido de un
enfriamiento lento a través de la zona o rango de transformación.
3.
Normalizado. Calentamiento a una temperatura adecuada sobre el rango de
transformación
seguido
de
un
enfriamiento
al
aire
hasta
una
temperatura
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CURSO DE METALURGIA PARA NO METALURGICOS
substancialmente abajo del rango de transformación.
4.
Relevado de esfuerzos. Calentamiento a una temperatura adecuada y un mantenimiento
suficientemente largo para reducir los esfuerzos residuales; seguido de un enfriamiento lo
suficientemente lento para minimizar el desarrollo de nuevos esfuerzos residuales.
5.
Esferoidización o Globulización. Calentamiento y enfriamiento para reducir a una forma
globular o esferoidal los carburos de fiero del acero. Métodos más usados:
a) Mantenimiento prolongado a una temperatura justo abajo de Ae 1.
b) Calentamientos y enfriamientos alternativos entre temperaturas justo arriba y justo
abajo de Ac1.
c) Calentamiento a temperaturas arriba de Ae 1 ó Ae1 seguido de un enfriamiento muy
lento (en el horno) o mantenimiento justo abajo de Ae 1.
Tratamientos Térmicos de Temple.
1. Temple. Endurecimiento de una aleación ferrosa mediante: una austenización seguida de
un enfriamiento suficientemente rápido tal, que toda o casi toda la austenita se transforme
en martensita. La temperatura de austenización para aceros hipereutectoides está arriba
de Ac1 y abajo de Acm y para hipoeutectoides arriba de Ac 3.
2. Temple superficial. Calentamiento de la superficie del acero a una temperatura arriba de
Ac3 ó Ac1-Acm (según el acero) seguido de un enfriamiento suficientemente rápido tal que
toda o casi toda la austenita se transforme en martensita.
3. Temple directo. Temple directo de componentes tratados termoquímicamente desde la
temperatura del tratamiento.
4. Martempering. Temple de una aleación ferrosa en un medio que se encuentra a una
temperatura ligeramente arriba del rango de transformación martensítica, manteniendo el
componente hasta la homogeneización de la temperatura, seguido de un enfriamiento en
aire a través del rango martensítico.
5. Temple Isotérmico. (Austempering).
Es el temple de aleaciones ferrosas desde una
temperatura superior a la transformación, en un medio que tiene una velocidad de
sustracción de calor suficientemente alta para prevenir la formación de productos de
transformación de altas temperaturas; manteniendo la aleación hasta que se complete la
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transformación en una temperatura abajo de la formación de perlita pero superior a la de
formación de martensita.
Tratamiento de Revenido
1. Revenido. Recalentamiento de una aleación ferrosa que ha sido endurecida por temple
abajo de la de transformación (Ac1) y enfriamiento a cualquier velocidad.
2. Envejecimiento. Es el cambio en las propiedades de ciertos metales y aleaciones que
ocurre a temperatura ambiente o a temperaturas moderadamente elevadas después de las
operaciones de:
a) Tratamiento térmico
b) Trabajado en caliente o
c) Trabajado en frío
3. Endurecimiento por precipitación (Endurecimiento por envejecimiento).- Endurecimiento
provocando por la precipitación de un constituyente de una solución sólida supersaturada.
4 Envejecimiento de tensiones (Strain Aging).- Calentamiento de un acero trabajado en frío
a una cierta temperatura para producir una condición más estable y enfriamiento lento.
Figura 19. Resumen esquemático de los tratamientos térmicos comunes para los aceros
(a) hipoeutectoides y (b) hipereutectoides.
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II. Tratamientos termoquímicos.
Tratamientos Termoquímicos con elementos no-metálicos.
1. Difusión de un no-metal (C, O, N) en la fase austenítica (tratamientos austeníticos).
2.
Difusión del no-metal (C, N, S o una combinación) en la fase ferrítica (tratamientos
ferríticos).
Tratamientos en fase austenítica.
1. Carburizado. Difusión de carbón en materiales de bajo contenido de carbón a
temperaturas usualmente entre 800 y 900ºC por períodos desde 30 min. hasta de 16 hrs,
dependiendo de los requerimientos de penetración. El carbón puede ser suministrado por
el medio de tratamiento térmico que puede ser: sólido, líquido o gaseoso. El proceso
debe ser seguido por un temple para endurecer la capa carburizada
y hasta cierto punto, el centro carburizado.
2. Carbonitrurado. Difusión simultánea de carbón y nitrógeno en las superficies por tratar,
mediante calentamiento en un baño de sales fundidas o en una atmósfera gaseosa
adecuada. El carbonitrurado se efectúa usualmente entre 720 y 925ºC durante 1 ó 3
horas, seguido por un temple en aceite o en agua para endurecer la capa penetrada.
Tratamientos en fase ferrítica.
1. Nitrurado.- En este proceso el nitrógeno es introducido en la superficie de las aleaciones
de acero en el rango de temperatura de 500 a 570ºC en un medio que puede ser gaseoso
o líquido. Después del enfriamiento en aire se alcanzan altas durezas en la superficie.
2. Nitrocarburizado.- En este proceso tanto el nitrógeno como el carbón son introducidos en
la superficie del acero en el rango de temperatura de 500 a 570ºC en un medio que puede
ser líquido o gaseoso y los componentes pueden ser templados o enfriados en aire
dependiendo del proceso específico involucrado.
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III. Tratamientos Termomecánicos
Procesos de trabajo mecánico durante las operaciones térmicas, los métodos utilizados son
laminación en productos planos, forjado, trefilado, etc.
4.2 PROCESOS DE ENDURECIMIENTO
Un mayor uso del acero implica mayores niveles de resistencia, duración, etc. No siempre
conviene lograr aumentos indiscriminados en dureza sino combinar las propiedades
adecuadas para su uso:
Resistencia: Dureza, resistencia a tracción y límite elástico.
Plasticidad:Alargamiento, estricción y resilencia.
Ambos grupos son dependientes, en efecto, al aumentar la resistencia, disminuye la
plasticidad. El tratamiento térmico ofrece ventajas inmejorables en la coordinación de las
propiedades que se desean.
Medidas u operaciones para aumentar la resistencia mecánica de los ceros:
 Por deformación frío.
 Por disminución del tamaño del grano.
 Por formación de solución sólida.
 Por variación de la proporción de los constituyentes (incremento del contenido de
carbono ).
 Por formación de compuestos originados por reacción química.
 Por precipitación en el seno de la matriz anteriormente solución sólida.
 Por transformación controlada de martensita en aceros martensíticos.
 Endurecimiento superficial.
Acritud: es el aumento de defectos en la red (dislocaciones). Es el mecanismo principal
de endurecimiento de aceros suaves. Se usa también en aceros aleados o no y ferríticos o
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CURSO DE METALURGIA PARA NO METALURGICOS
austeníticos, principalmente barras.
Se eleva su límite elástico a consecuencia del
aumento de la dureza. En aceros casi eutectoides (caso extremo) con perlitas finas previas
a la deformación en frío, se logran productos de gran resistencia (160 Kgf/mm 2).
El mecanismo de deformación en cada grano se efectúa por deslizamiento de planos.
Al haber granos continuos se produce interacción entre planos debido a sus orientaciones.
Cuánto más fino sea el grano, mayor interacción y mayor resistencia a la deformación,
mayor dureza, mayor resistencia a la tracción y aumento del límite elástico. Se consideran
aceros de grano fino aquellos con 70% de grano entre 5 y 8.
Deformación de la red de ferrita provocada por la introducción de algún aleante dando
lugar a elevación del límite elástico y de la dureza como consecuencia del impedimento al
deslizamiento en los granos de ferrita. Estas soluciones sólidas se efectúan por átomos que
ocupan lugares Intersticiales en la ferrita (radio atómico pequeño) H, B, C, N y O. Otros
elementos entran en la red por mecanismos de sustitución. Efecto endurecedor por orden
decreciente: Be, Ti, W, Si, Mo, Ni, Al, V, Co y Cr. El endurecimiento es mayor, mientras
menor sea la solubilidad del elemento en la ferrita. Se emplea en la producción de muelles.
Seuyeur indica las siguientes características:
Ferrita
Cementita
Perlita
Kg/mm2
35
3
85
A%
40
0
10
HB
90
650
250 - 300
La mayor parte de los aceros usados en la industria se venden en estados normalizado o
laminado con estructuras ferrítica y perlítica.
Sus características dependen de la proporción de perlita.
Transformación de martensita en aceros.
Fase metaestable formada en el acero y otros materiales a causa de una transformación en
estado sólido sin difusión. Es una solución sólida sobresaturada de carbono atrapado en una
estructura tetragonal intermedia entre la de  y  con gran concentración de esfuerzos en la
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red. Las temperaturas Ms y Mf son función del contenido de Carbón y de aleantes. (Figura
18). La martensita en el acero se obtiene mediante un calentamiento cerca de los 900°C y un
enfriamiento rápido en un medio de temple (agua, aceite, sales fundidas, etc.).
Endurecimiento superficial.
Podemos, mediante un tratamiento térmico adecuado, producir una estructura dura y
resistente en la superficie, con el objeto de obtener una resistencia al desgaste y a la fatiga
excelentes y, al mismo tiempo, conservar un núcleo blando, dúctil y tenaz que proporciones
buena resistencia a la falla por impacto. Estos métodos se pueden clasificar en tres grupos:
Clasificación de los tratamientos térmicos superficiales:
I. Métodos térmicos: Se incluyen aquí los procedimientos que involucran sólo térmicos en la
superficie de la pieza. Principalmente temple.
1. A la Flama: La superficie es calentada por medio de sopletes seguido de un enfriamiento ya
sea por inmersión o por chorros de agua dirigidos a la región calentada.
2. Por inducción: Se induce una corriente eléctrica en la superficie de la pieza mediante una
bobina de inducción y la pieza se calienta por su resistencia al paso de la corriente. El
enfriamiento es similar al método anterior.
3.
Por rayos láser: El calentamiento se produce por el excitamiento de los átomos
superficiales, debido a la incidencia de la energía de la onda luminosa del rayo.
El
enfriamiento se produce por conducción de calor hacia el sustrato de la pieza. (Autotemple).
II. Métodos termoquímicos: Como ya se mencionó, se produce una difusión de elementos
metálicos o no metálicos en fase austenítica o ferrítica en la superficie de la pieza. Los
tratamientos más comunes son carburizado, nitrurado y carbonitrurado.
1. En medios sólidos: Básicamente, es el proceso de carburizado o cementado. La pieza es
empacada en una mezcla de carbón y un activador como el BaCO 3, a temperaturas entre
900 y 930ºC y permanencias de 4 a 16 Hrs. Las principales reacciones son:
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CO2 = C = 2 CO = CO2 = {C}
Esto aumenta el contenido de C en la superficie y la pieza puede enfriarse directamente
hasta la temperatura ambiente dentro de la caja de cementado y posteriormente templar y
revenir. Se aplica a materiales de bajo carbón.
2. En medios líquidos: Los medios son sales fundidas de cloruros y cianuros de Na y K. Se
puede carburizar y carbonitrurar. Las principales reacciones son: 2 Na CN O2 = Na CNO
(en la superficie del baño)
4 Na CNO = 2 Na CN + Na2CO3 + CO + 2 {N}
(Para difundir)
2 CO = CO2 + {C}
Las temperaturas van desde 800 hasta 930ºC y las permanencias desde 0.5 hasta 6 Hrs.
Se enfría en aceite o agua después del tratamiento.
3. En medios gaseosos: Se preparan atmósferas carburantes (CO) y nitrurantes (con
amoniaco) en reactores aparte y se introducen en el horno para carburizar, nitrurar o
carbonitrurar.
Las reacciones para carburizado son:
2 CO = CO2 + {C}
para nitrurar:
2 NH3 = 3 H2 + 2 {N}
Las temperaturas de carburizado son de 850 a 930ºC y permanencias de 0.5 a 4 Hrs.
Para el nitrurado la temperatura es de 550 a 590ºC y tiempos de 12 a 120 hrs. Actualmente
existe un método por plasma para nitrurar.
III. Métodos mecánicos: La superficie de la pieza es endurecida como se menciona en el
punto número uno. Las empleadas son: laminación en productos planos o por chorros a
presión de granalla de acero en cualquier forma de la pieza.
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CAPÍTULO No. 5
ALEACIONES METÁLICAS: PROPIEDADES APLICACIÓN NORMATIVA
Clasificación de los hierros vaciados de acuerdo a su composición y propiedades.
Figura 24. Composición química y propiedades mecánicas de los diferentes grados de hierro
de gris.
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Figura 25. Aplicaciones de los diferentes grados de hierro gris.
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Figura 26. Composición química y propiedades mecánicas, de los diferentes grados de
hierros maleables.
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Figura 27. Clasificación, grados y aplicaciones típicas de hierros dúctiles.
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5.1. ACEROS AL CARBONO Y ALEADOS.
Las aleaciones, ferrosas que se basan en aleaciones de hierro y carbono, incluyen los aceros
al bajo carbono, los aceros aleados y de herramientas, los aceros inoxidables y los hierros
fundidos. Los aceros típicamente se producen de dos formas: refinando el mineral de hierro o
reciclando chatarra de acero.
El acero líquido a veces se vacía directamente en moldes, para producir fundiciones de acero
terminadas; también se le permite solidificar en formas que posteriormente son procesadas
por técnicas de conformado de metales como es el laminado y el forjado.
El diagrama de fases o diagrama de equilibrio Fe-Fe 3C nos da la base para comprender el
tratamiento y las propiedades de los aceros. Fig. 28.
1535
1400
TEM
PER
ATU
RA
1130°C
°C
912
727°C
Figura 28. Diagrama de equilibrio Fe-Fe3C.
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Generalmente se consideran como aceros ordinarios al carbono, aquellas aleaciones de
hierro y carbono que contiene hasta 2% C. En la práctica estos aceros también tienen
cantidades apreciables de manganeso.
Clasificación: Es el agrupamiento de tipos de acero por su composición, propiedades
mecánicas, procedimiento de fabricación, etc. A continuación se definen algunos términos
usados en la clasificación de los aceros:
Grado: Se usa generalmente para definir composición química.
Tipo: Se usa para designar método de desoxidación usado.
Clase: Identifica generalmente propiedades mecánicas.
Designación: Identificación de algún acero por un número que lo relaciona con
su
composición o propiedades mecánicas. Estas designaciones son generalmente dadas por
asociaciones tales como SAE (Society of Automotive Engineers), AISI (American Iron and
Steel Institute), ASTM (American Society for Testing of Materials).
Calidad:
El término calidad en la industria del acero se usa para denotar alguna
particularidad del material que lo hace apropiado para ciertas aplicaciones. Ejemplo: Acero
calidad aviación.
Especificación: Documento escrito donde se señalan las características de un acero
ya sea de composición, dimensionales o de propiedades mecánicas.
Especificación estándar: Documento expedido por un organismo
gubernamental
o
asociación técnica donde se describe un producto que puede ser usado para un sin número
de aplicaciones.
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CURSO DE METALURGIA PARA NO METALURGICOS
Designación AISI-SAE para aceros al carbono y baja aleación.
Este es el sistema más usado para clasificar aceros. Se basa en la utilización de números
fijos para designar un grupo de aceros según su aleación y dos o tres dígitos finales para
especificar el contenido de carbón.
Aceros al carbón
Aceros resulfurados
Aceros resulfurados o refosforados
Aceros al carbón con Mn de 1.0-1.65
%
Aceros al níquel
Aceros al níquel cromo
Aceros al cromo molibdeno
Aceros al níquel cromo molibdeno.
Aceros al cromo
10XX
11XX
12XX
15XX
%Mn
1.0 máximo
“
“
serie 23
serie 30
41XX
43XX
81XX
86XX
98XX
51 y 52XX
Figura 29
Fig. 30. Composición de aceros al carbono y aleados, de acuerdo con AISI
Steel
C
Mn
P, max S, max
Si
Ni
Cr
Mo
1008
0.10 max 0.30-0.50 0.040
0.050
...
...
...
...
1010
0.08-0.13 0.30-0.60 0.040
0.050
...
...
...
...
1020
0.18-0.23 0.30-0.60 0.040
0.050
...
...
...
...
1025
0.22-0.28 0.30-0.60 0.040
0.050
...
...
...
...
1030
0.28-0.34 0.60-0.90 0.040
0.050
...
...
...
...
1035
0.32-0.38 0.60-0.90 0.040
0.050
...
...
...
...
10B35(a) 0.32-0.38 0.60-0.90 0.040
0.050
(a) 0.005 min B
...
...
...
1038
0.35-0.42 0.60-0.90 0.040
0.050
...
...
...
...
1040
0.37-0.44 0.60-0.90 0.040
0.050
...
...
...
...
1045
0.43-0.50 0.60-0.90 0.040
0.050
...
...
...
...
1050
0.48-0.55 0.60-0.90 0.040
0.050
...
...
...
...
1052
0.47-0.55 1.20-1.50 0.040
0.050
...
...
...
...
1055
0.50-0.60 0.60-0.90 0.040
0.050
...
...
...
...
1060
0.55-0.65 0.60-0.90 0.040
0.050
...
...
...
...
1064
0.60-0.70 0.50-0.80 0.040
0.050
...
...
...
...
1065
0.60-0.70 0.60-0.90 0.040
0.050
...
...
...
...
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68
CURSO DE METALURGIA PARA NO METALURGICOS
1070
0.65-0.75 0.60-0.90 0.040
0.050
...
...
...
...
1074
0.70-0.80 0.50-0.80 0.040
0.050
...
...
...
...
1080
0.75-0.88 0.60-0.90 0.040
0.050
...
...
...
...
1095
0.90-1.03 0.30-0.50 0.040
0.050
...
...
...
...
1151
0.48-0.55 0.70-1.00 0.040 0.08-0.13
...
...
...
...
1541
0.36-0.44 1.35-1.65 0.040
0.050
...
...
...
...
1340
0.38-0.43 1.60-1.90 0.035
0.040
0.20-0.35
...
...
...
4047
0.45-0.50 0.70-0.90 0.035
0.040
0.20-0.35
...
...
0.20-0.30
4130
0.28-0.33 0.40-0.60 0.035
0.040
0.20-0.35
...
0.80-1.10 0.15-0.25
4140
0.38-0.43 0.75-1.00 0.035
0.040
0.20-0.35
...
0.80-1.10 0.15-0.25
4340
0.38-0.43 0.60-0.80 0.035
0.040
0.20-0.35
1.65-2.00
0.70-0.90 0.20-0.30
0.48-0.53 0.60-0.80 0.035
0.040
0.20-0.35
1.65-2.00
0.70-0.90 0.20-0.30
0.43-0.48 0.75-1.00 0.035
0.040
0.20-0.35
0.30-0.35 0.60-0.80 0.035
0.040
0.20-0.35
...
0.43-0.48 0.75-1.00 0.035
0.040
0.20-0.35
0.40-0.70
0.40-0.60 0.15-0.25
0.48-0.53 0.75-1.00 0.035
0.040
0.20-0.35
0.40-0.70
0.40-0.60 0.15-0.25
0.20-0.25 0.75-1.00 0.035
0.040
0.15-0.30
0.40-0.70
0.40-0.60 0.30-0.40
4350
5046
(c)
5132
8645
8650
8822
(c)
(c) SAE only 0.20-0.35
0.75-1.00
...
...
Figura. 31. Composición y tipos para los aceros grado herramienta.
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69
CURSO DE METALURGIA PARA NO METALURGICOS
Figura. 32. Composición y tipos de aceros inoxidables.
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CURSO DE METALURGIA PARA NO METALURGICOS
Clasificación de los aceros de acuerdo a sus aplicaciones:
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CURSO DE METALURGIA PARA NO METALURGICOS
Aceros suaves. Con 0.07-0.25%C, capaz de soportar severas deformaciones en frío, se usa
en los cuerpos de los automóviles y en tubos sólidos, es la clase más ampliamente usada de
aceros.
Aceros de medio carbono. Con 0.25-0.55%C, usualmente sujetos a tratamientos térmicos,
incluyendo aceros para forjado y aceros resistentes al desgaste.
Aceros de alto carbono. Con 0.55-0.9%C, usados cuando se requiere alta resistencia al
desgaste.
Aceros para herramientas. Contienen de 0.9-1.16%C, con mayor resistencia que los de la
categoría anterior.
Las aleaciones de hierro y de carbono de menos de 2.0% se consideran aceros, mientras que
aquellas que contienen más de un 2.0% se denominan Hierro fundidos. Por consiguiente, la
línea sobre la gráfica indica si el carbono se mantiene o no en una solución sólida o si se
precipita hacia el exterior.
Para entender mejor el diagrama de hierro-carbono considérese un acero con una
composición de 0.40% de carbono (fig. 33 y 34). Esto se indicará dibujando una línea vertical
entre el 0 y 0.80% de la línea del % de carbono (eje X).
Al considerar esta línea se verá que el acero se fundirá por arriba de aproximadamente
1500°C. A medida que la temperatura disminuye el hierro delta empezará a formarse del
líquido. Justamente por debajo de 1500°C se transformará en austenita y líquido, hasta que a
1450°C termina de solidificar en la fase austenita. Continua el enfriamiento y la austenita
disuelve en su estructura cúbica centrada en las caras el 0.40 % de carbono, pero al llegar a
la temperatura 840°C (G-J) parte del carbono será expulsado para alojarse en los intersticios
de la red cúbica centrada en el cuerpo de la fase ferrita. A medida que continua el
enfriamiento y al la temperatura próxima de 723°C la composición de las fases de austenita y
ferrita esta definida por el punto L 1 aproximadamente 50% de cada una. Por debajo de esta
temperatura la austenita transforma totalmente a ferrita y el carbono se precipita como
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CURSO DE METALURGIA PARA NO METALURGICOS
cementita (carburo de hierro, Fe3C). Estas dos sustancias (Ferrita y Cementita) estarán
formando capas alternas (laminillas) la cual se denomina Perlita. Finalmente a temperatura
ambiente tendremos una estructura formada por fases de Perlita y Ferrita como la observada
en la Fig. 33.
Figura 33. Parte del diagrama de equilibrio térmico del hierro carbono.
Figura 34.a) Microestrucutura de granos equiaxiales de Ferrita en un acero AISI 1020. 100X.
B) Microestructura de Perlita en un acero AISI 1080. 1500X
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CURSO DE METALURGIA PARA NO METALURGICOS
CAPÍTULO No. 6
EVALUACION NO DESTRUCTIVA EN HIERROS DUCTILES
La evaluación no destructiva es un método de rutina durante la producción de hierros
para confirmar la sanidad e integridad del material y asegurar que están libres de defectos
físicos que pudieran ocasionar problemas posteriores.
Algunos de los ensayos que se pueden aplicar para el cumplimiento de las
especificaciones y para la detección de indicaciones son la inspección visual, líquidos
penetrantes y partículas magnéticas, algunas pruebas donde se ve involucrada propiedades
como el sonido, en el caso de defectos internos es la aplicación de ultrasonido, además del
uso de radiografía.
Para la confirmación del tipo de grafito obtenido, puede ser el uso de frecuencia de
resonancia, la cual está directamente relacionada con el modulo de elasticidad.
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CURSO DE METALURGIA PARA NO METALURGICOS
REFERENCIAS BIBLIOGRÁFÍCAS
1)
Metals Handbook, Vol. 1, American Society For Metals. 2004.
2)
Metals Handbook, Vol. 4, American Society For Metals. 2004.
3)
Ciencia e Ingeniería de los Materiales, Donald R. Askeland. 2004.
4)
Steel Casting Handbook 5th Edition, Steel Founders Society of American. 2000.
5)
Mechanical Metallurgy. George E. Dieter 2nd Edition, Mc Graw hill 1999.
6)
Introducción a la Metalurgia física, Sydney H Avner. 1990.
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