Solidificación y Propiedades mecánicas de los materiales

Obtención de lingotes de acero

Lingote de aluminio

Solidificación de Metales

La solidificación de un metal o aleación puede dividirse en las siguientes etapas:

1) La formación de núcleos estables en el fundido (nucleación)

2) El crecimiento de núcleos para formar cristales y la formación de una estructura nuclear

Existen dos tipos de mecanismos por los cuales tiene lugar la nucleación de partículas sólidas en un metal líquido.

1) Nucleación Homogénea: el metal proporciona por sí mismo los átomos que se requieren para formar núcleos. Requiere un gran enfriamiento (pueden llegar a ser varios cientos de grados). Un núcleo debe alcanzar un tamaño crítico para transformarse en un cristal.

La energía necesaria tiene dos componentes: a)la trasformación de líquido a sólido y b) la formación de nuevas superficies sólidas

2) Nucleación Heterogénea: sucede sobre las superficies del recipiente, impurezas insolubles u otros materiales que disminuyen la energía requerida. No necesitan gran enfriamiento, por lo cual son las más usuales en la industria. Al bajar la energía superficial, el tamaño crítico del núcleo disminuye

La cantidad de puntos de nucleación incide en las propiedades del metal, un material con muchos puntos de nucleación forma una estructura llamada de grano fino, mientras que si los puntos de nucleación son mayores, se denomina de grano grueso.

Pueden utilizarse afinadores de grano, como titanio, boro o circonio, en el caso del aluminio; que producen más núcleos

Soluciones Sólidas Metálicas

Muy pocos metales se utilizan en forma pura, la mayoría se combina con otros metales o no metales para conseguir mejor resistencia mecánica, resistencia a la corrosión u otras propiedades

Las aleaciones son mezclas de dos o más metales, o de un metal (metales) con un no metal (o varios)

El tipo más sencillo es la solución sólida, en la que los metales están dispersos atómicamente y forman una sola fase

Soluciones sólidas metálicas Sustitucionales

En este tipo de solución, los átomos del soluto pueden sustituir a los átomos del disolvente en la red cristalina. Debido a esto, ambos componentes deben ser similares, a fin de no distorsionar la red.

Soluciones sólidas metálicas Sustitucionales

Por consiguiente, los sustitutos deben tener las siguientes características:

1) Los diámetros no deben diferir más del 15%

2) Las estructuras cristalinas deben ser iguales

3) No debe haber gran diferencia de electronegatividad

4) Deben tener la misma valencia

Soluciones sólidas metálicas Intersticiales

En este caso, el soluto se sitúa entre los átomos de la red.

Por lo tanto, su tamaño tiene que ser bastante pequeño respecto al solvente

Por ello, típicos átomos intersticiales son el hidrógeno, el carbono, el nitrógeno y el oxígeno.

Un clásico ejemplo es el carbono en uno de los estados cristalinos del hierro.

Fe: 0,129 nm; C:0,075 nm, diferencia del 42%

Se solubiliza solamente un 2,08% a 1148°C

Imperfecciones Cristalinas

1) Defectos puntuales: el más destacado es la vacante, un sitio atómico en el que desapareció el átomo que lo ocupaba (todos los metales tienen aproximadamente 1 vacante cada 10.000 átomos).

También puede ser la aparición de átomos del mismo material ocupando los intersticios entre los átomos de la red

2) Defectos Lineales (dislocaciones): provocan una distorsión de la red centrada en torno a una línea. Se crean durante la solidificación.

3) Defectos planares: incluyen las superficies externas, maclas, límites de grano, bordes de ángulo cerrado y abierto, torsiones y fallas de apilamiento.

La superficie externa es el tipo de más común de defecto planar.

Como los átomos de la superficie tienen menor cantidad de vecinos, y tienen mayor estado de energía, lo que los hace susceptibles a la erosión y a reaccionar con elementos del ambiente.

Tensión y deformación

Cuando se somete una pieza de metal a una fuerza de tracción se produce la deformación del mismo.

Tensión y deformación

Si el metal recupera sus dimensiones cuando se elimina la fuerza, se dice que ha sufrido una deformación elástica.

Tensión y deformación

No puede soportarse mucha deformación elástica porque los átomos se desplazan de sus posiciones originales, pero sin alcanzar posiciones nuevas

Cuando el metal se deforma tanto que no puede recuperar totalmente sus dimensiones originales, se considera que ha sufrido una deformación plástica, en la cual los átomos se desplazan continuamente

La propiedad de algunos metales de ser extensamente deformados sin llegar a la fractura es una de las más útiles en la fabricación de objetos.

Por ejemplo, la gran deformación plástica a que puede ser sometido el acero de paragolpes, capós y puertas de automóvil sin llegar a la fractura

Por ejemplo, la gran deformación plástica a que puede ser sometido el acero de paragolpes, capós y puertas de automóvil sin llegar a la fractura

Tensión y Deformación convencional

Consideremos una barra cilíndrica de longitud l0 y área de la sección transversal A0 sujeta a la acción de una fuerza axial F.

La tensión sobre la barra es, por definición, igual a la fuerza media de tracción F dividida por el área de la sección transversal, o sea

= F/A0 las unidades son [N]/[m2]= Pa (pascal)

Cuando una fuerza de tracción se aplica sobre una barra, se produce un alargamiento de la misma en la dirección de la fuerza.

Dicho desplazamiento recibe el nombre de deformación.

Se define como la relación entre el cambio en la longitud de la muestra y su longitud original.

= (l- l0 )/ l0 = l/l0

Se suele usarlo en forma de porcentaje de deformación o porcentaje de alargamiento multiplicándolo por el 100%

El ensayo de tracción y el diagrama

tensión-deformación

En el ensayo de tracción, una muestra de metal se estira a velocidad constante hasta la fractura, que se produce en un tiempo relativamente corto.

1) Módulo de elasticidad: en la primera parte del ensayo, si la fuerza sobre la probeta desaparece, la misma vuelve a su longitud inicial. la tensión y deformación siguen una relación lineal que viene determinada por la Ley de Hooke

E = / , donde E = módulo de elasticidad de Young

Está relacionado con la fuerza del enlace entre los átomos del metal o aleación.

2) Límite elástico: es el nivel de tensión al que un metal o aleación muestra una deformación plástica significativa.

Es arbitrario y normalmente se determina cuando se produce una deformación del 0,2%

3) Resistencia a la tracción: es la máxima tensión que se alcanza en la curva tensión-deformación. Si el material tiene porosidad o inclusiones, estos defectos pueden producir un descenso de la resistencia máxima respecto al valor normal.

4) Porcentaje de alargamiento: este valor proporciona un valor de la ductilidad del metal.

Tiene importancia no sólo como medida de la ductilidad, sino también como índice de la calidad del metal. Si existe porosidad o inclusiones, o deterioro debido a sobrecalentamiento, el porcentaje decrecerá por debajo del valor normal.

5) Porcentaje de estricción: también puede expresar la ductilidad, así como un índice de su calidad.

Deformación plástica de cristales metálicos por el mecanismo de deslizamiento

Si el deslizamiento de un conjunto de átomos sobre otro conjunto de átomos se realizara en forma simultánea, la resistencia de los cristales a la rotura debería ser de entre 1.000 a 10.000 veces mayor que la resistencia observada.

Para que se produzca la deformación , es necesaria una alta densidad de imperfecciones cristalinas, conocidas como dislocaciones .

Las dislocaciones se forman durante el enfriamiento del metal.

Fractura de los metales

Uno de los aspectos a tener en cuenta en la selección de materiales es la posibilidad de que el componente falle durante su funcionamiento habitual.

La falla es la incapacidad del material de 1) realizar la función prevista, 2) cumplir los criterios de desempeño o 3) tener un desempeño seguro y confiable incluso después de deteriorarse

La fractura es la separación de un sólido en dos o más piezas. Se distingues dos tipos:

La fractura dúctil tiene lugar después de una deformación plástica intensa

Son menos frecuentes que las frágiles, su principal causa es el exceso de carga

La fractura frágil se produce en forma rápida, con una propagación veloz de la fisura

Las fracturas frágiles ocurren normalmente por la existencia de defectos en el metal