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Aleaciones Ferrosas y no Ferrosas, Estructuras Cristalinas y sus Consecuencias2

Aleaciones Ferrosas y no Ferrosas, Estructuras Cristalinas y sus Consecuencias

Presentado por: Patricia Sandez, Lorena Villavicencio, Omar Murillo


INTRODUCCION

Los aceros constituyen la familia de los materiales de mayor uso para aplicaciones

estructurales y de carga. La mayoría de los edificios, puentes, herramientas, automóviles y

otras numerosas aplicaciones utilizan aleaciones ferrosas. Gracias a una amplia variedad de

tratamientos térmicos que proporcionan una gran diversidad de microestructuras y de

propiedades, los aceros son posiblemente la familia más versátil de entre los materiales de

ingeniería.

Así mismo como el acero nos ayuda a hacernos la vida más agradable, también

podemos encontrar en las aleaciones no ferrosas para ayudarnos en cuestión de salud. Cada

año, aproximadamente medio millón de personas reciben un implante de cadera. El implante

debe fabricarse con un material bio-compatible que tenga gran tenacidad a la fractura, una

excelente vida a la fatiga, resistencia a la corrosión y una rigidez similar a la del hueso. En

esta aplicación se usan aleaciones no ferrosas basadas en titanio.


ALEACIONES FERROSAS

Una aleación es una mezcla sólida homogénea de dos o más metales, o de uno o más

metales con algunos elementos no metálicos. Se puede observar que las aleaciones están

constituidas por elementos metálicos en estado elemental (estado de oxidación nulo), por

ejemplo Fe, Al, Cu, Pb. Pueden contener algunos elementos no metálicos por ejemplo P, C,

Si, S, As. Para su fabricación en general se mezclan los elementos llevándolos a

temperaturas tales que sus componentes se fundan.

Las aleaciones no tienen una temperatura de fusión única, dependiendo de la

concentración, cada metal puro funde a una temperatura, coexistiendo simultáneamente la

fase líquida y fase sólida como se puede apreciar en los diagramas de fase. Hay ciertas

concentraciones específicas de cada aleación para las cuales la temperatura de fusión se

unifica. Esa concentración y la aleación obtenida reciben el nombre de eutéctica, y presenta

un punto de fusión más bajo que los puntos de fusión de los componentes.

Las aleaciones ferrosas, basadas en aleaciones hierro-carbono, incluyen los aceros al bajo

carbono, los aceros aleados y para herramientas, los aceros inoxidables y los hierros

fundidos. Éstos son los materiales más ampliamente utilizados en el mundo. En la historia de

la civilización, estos materiales dejaron su huella al definir la Edad de hierro. Los aceros se

producen generalmente de dos maneras: refinando el mineral de hierro o reciclando la

chatarra de acero (Fig. 1).


Metal líquido Hierro en lingote

______________

Fig. 1 Produce hierro en lingote fundido a partir de mineral de hierro

Horno eléctrico de arco

Electrodos de carbono

Alto horno Horno de aceleración

Gases

Coque

Mineral de carbono coque (carbono) y

piedra caliza

Oxígeno

Acero

AceroChatarra de acero

(a)

(b)


En la producción del acero de primera fusión, el mineral de hierro (procesado para que

contenga de 50 a 70% de óxido de hierro, Fe203 o Fe304) se calienta en un alto horno en

presencia de coque (un refinado del carbón mineral) y oxígeno . El coque desempeña una

doble función: es el combustible para el alto horno y también es Reductor.

El coque se quema utilizando un chorro de aire (enriquecido en algunas ocasiones

con oxígeno). El coque reduce el óxido de hierro de primera fusión, conocido como arrabio

o hierro cochino. A una temperatura de aproximadamente 1 600 C, este material contiene

cerca de 95% de hierro, 4% de carbono, de 0.3 a 0.9% de silicio, 0.5 de Mn y de 0.025 a

0.05% de azufre, fósforo y titanio. Como subproductos gaseosos, se generan monóxido y

bióxido de carbono. Se agrega piedra caliza (CaC03) como fundente para ayudar a eliminar

impurezas. La piedra caliza se descompone formando CaO. El óxido de calcio forma

eutécticos con el sílice y otros óxidos presentes en forma de impurezas en el concentrado

de mineral, lo que ayuda a producir una escoria fundida. La escoria es un subproducto del

proceso de alto horno. Contiene sílice, CaO y otras impurezas en forma de silicatos

fundidos.

Dado que el arrabio fundido contiene una gran cantidad de carbono, se sopla oxígeno

en el horno de oxígeno básico (BOF, por sus siglas en inglés), a fin de eliminar el exceso

de carbono y producir acero líquido. El acero tiene un contenido de carbono hasta un

máximo de -2%. El procesamiento del acero se efectúa a una escala muy grande.

Aproximadamente 300 toneladas de arrabio pueden refinarse en acero fundido en no más

de 30 minutos. También el acero se produce reciclando chatarra de acero. Frecuentemente

la chatarra de acero se funde en un horno eléctrico de arco en el cual el calor del arco

funde la chatarra.

Muchos aceros aleados y especiales, como los inoxidables, se producen utilizando


fundición eléctrica. Los aceros fundidos (incluyendo los inoxidables) se sujetan

frecuentemente a una refinación adicional utilizando procedimientos como, por ejemplo, un

refinamiento secundario en cuchara, descarburación por argón y oxígeno (AOo, por sus

siglas en inglés) y otros procesos similares. Aquí el objetivo es disminuir los niveles de im-

purezas tales como fósforo, azufre, etc., y hacer que el carbono llegue al nivel deseado.

El acero líquido se vacía en moldes para producir fundiciones de acero o se funde de

manera continua en formas que posteriormente son procesadas mediante técnicas de

conformado de metales, como son el laminado o el forjado . En este último caso, el acero se

vacía en grandes lingoteras o se funde de manera continua en formas regulares. .

Designación y Clasificación de los aceros

El acero es una aleación de hierro y carbono donde el carbono no supera el 2,1% en

peso de la composición de la aleación, El punto de división entre los "aceros" y los "hierros

fundidos" es de 2. 1 % C, punto en que se hace posible la reacción eutéctica. Para 105

aceros, nos concentraremos en la porción eutectoide del diagrama (Fig. 2), en la cual se

identifican de manera especial las líneas de solubilidad y la isoterma eutectoide, La línea A3

muestra la temperatura a la cual empieza a formarse la ferrita al enfriarse; la línea Acm

muestra la temperatura a la cual se empieza a formar la cementita; la línea A I es la

temperatura eurectoide.


Hipoeutectoide------------

----------------- Acero-----------------------Hierro fundido--------

Fig. 2 (a) Versión ampliada del diagrama Fe-C, adaptado de varias fuentes. (b)

Porción eutectoide del diagrama de fase Fe-Fe3C.

Casi todos los tratamientos térmicos del acero tienen como finalidad la producción de una

mezcla de ferrita y cementita que dé la combinación correcta de propiedades. La figura 2

muestra tres microconstituyentes importantes o arreglos atómicos de ferrita y cementita, que

es lo que generalmente se desea obtener.

La perlita es un microconstituyente formado por una mezcla laminar de ferrita y

cementita. En la bainita, que se obtiene al transformar la austenita mediante un gran

subenfriamiento, la cementita es más redonda que la perlita.

La martensita revenida, que es una mezcla de cementita muy fina y casi esférica en la

ferrita, se forma cuando se recalienta la martensita después de su formación.

Designaciones AISl (American Iron and Steel Institute) y SAE (Society of Automotive

Engineers) han organizado sistemas de designación (tabla 1) que utilizan un número de cua-

Composiciones de los aceros AISI-SAE


AISI-SAE

Número %C %Mn %Si %Ni %Cr Otros

1020 0.18-0.23 0.30-0.60

1040 0.37-0.44 0.60-0.90

1060 0.55-0.65 0.60-0.90

1080 0.75-0.88 0.60-0.90

1095 0.90-1.03 0.30-0.50

1140 0.37-0.44 0.70-1.00 0.08-0.13% S

4140 0.38-0.43 0.75-1.00 0.15-0.30 0.80-1.10 0.15-0.25Mo

4340 0.38-D.43 0.60-0.80 0.15-0.30 1.65-2.00 0.70-0-90 0-20-0-300 Mo

4620 0.17-0.22 0.45-0.65 0.15-0.30 1.65-2.00 0.20-0.30 Mo

52100 0.98-1.10 0.25-0.45 0.15-0.30 1-30-1-60

8620 0.18-0.23 0.70-0.90 0.15-0-30 0.40-0-70 0.40-0.60 0.15-0.25 % Y

9260 0.56-0.64 0.75-1.00 1.80-2.20

Tabla 1.

tro o cinco dígitos. Los primeros dos dígitos se refieren a los principales elementos de

aleación presentes, y los últimos dos o tres dígitos corresponden al porcentaje de carbono.

El AISI 1040 es un acero al bajo carbono con 0.40% C. Nótese que la ASTM (American

Society for Testing of Materials) utiliza un procedimiento distinto para clasificar los aceros.

La ASTM tiene una lista de especificaciones que describe los aceros apropiados para

distintas aplicaciones.

Clasificaciones.

Los aceros pueden clasificarse

con base en su composición

según la forma en que han sido procesados.

Los aceros al carbono contienen hasta -2%C. Estos aceros también pueden contener otros

elementos, como, por ejemplo, silicio (máximo 0.6%), cobre (hasta 0.6%) y manganeso

(hasta 1.65%). Los aceros “descarburados” o libres de carbono contienen menos de


0.005%C. Los aceros ultra bajos en carbono contienen un máximo de 0-03%C; también

contienen niveles muy reducidos de otros elementos, como el Si y el Mn.

Los aceros bajo carbono. Contienen de 0.04 a 0.15% de carbono. Estos aceros se utilizan

para fabricar carrocerías automotrices y cientos de otras aplicaciones. Los aceros dulces

contienen de 0.15 a 0.3% de carbono. Este acero se utiliza en edificios, puentes, tuberías,

etc.

Los aceros medio carbono. Contienen de 0.3 a 0.6% de carbono. Estos se utilizan en la

construcción de maquinaria, tractores, equipo para minas, etc.

Los aceros al alto carbono. Contienen más de 0.6% de carbono; se utilizan en la fabricación

de muelles, ruedas para carros de ferrocarril y similares. Nótese que los hierros fundidos son

aleaciones Fe-C que contienen de 2 a 4% de carbono.

Los aceros aleados. Son composiciones que contienen niveles más importantes de AISI

define los aceros aleados como aquellos que exceden los porcentajes que se indican en uno

o más de estos elementos: 21.65% Mn, 0.6% Si, 0.6% Cu. El contenido total de carbono

llega hasta 1% Y todo el contenido de elementos de aleación es inferior al 5%. Un material

se considera también un acero aleado si se especifica una concentración definida de

elementos de aleación, como Ni, Cr, Mo, Ti, etc. Estos aceros se utilizan en la fabricación de

herramientas (martillos, cinceles, etc.) y también en la manufactura de componentes como

ejes, flechas y engranes.

Ciertos aceros especializados podrían estar formados incluyendo niveles más altos de

azufre (>0.1 %) o de plomo (-0.15-0.35%), a fin de mejorar la maquinabilidad: sin embargo,


estos últimos no son fácilmente soldables. Recientemente, los investigadores han

desarrollado "acero verde", en el cual el plomo, un elemento tóxico para el ambiente, ha sido

reemplazado con estaño (Sn) y /0 antimonio (Sb).

Clasificación de los aceros según su procesamiento. Por ejemplo, el término "aceros

concast" se refiere a los aceros fundidos de manera continua. Los aceros galvanizados

tienen un recubrimiento de zinc para resistir la corrosión.

De manera similar, el acero estañado se utiliza para la fabricación de latas y otros

productos resistentes a la corrosión. El estañado se hace depositando estaño mediante un

proceso de galvanoplastia, conocido como "electrodeposición de recuadro continuo". Los

"aceros-E" son aceros fundidos en un horno eléctrico, en tanto que los "aceros-B" tienen

una concentración pequeña (0.0005 'a 0.003%), pero significativa, de boro. Recientemente

se ha desarrollado un acero inoxidable recubierto "resistente a los gérmenes". No es

necesario aprenderse de memoria todas estas clasificaciones. Es importante comprender

cuál es la composición del acero y su microestructura después del procesamiento.

Tratamientos Térmicos Simples

Cuatro son los tratamientos térmicos simples:

El recocido de proceso

El recocido total

El normalizado

El recocido de esferoidización,

Son de uso común (Fig. 3).


Tiempo (a) Hipoeutectoide (b) Hipereutectoide

Figura 3. Resumen esquemático de los tratamientos térmicos comunes para los aceros (a) hipoeutectoides y (b) hipereutectoides


Estos tratamientos térmicos se utilizan para alcanzar uno de los tres objetivos:

1) Eliminar

los efectos

del trabajo

en frío,

2) controlar

el

endurecimiento por dispersión

3) mejorar la maquinabilidad.

Recocido de proceso o de eliminación del trabajo en frío. El tratamiento térmico de

recristalización, utilizado para eliminar el efecto del trabajo en frío en aceros con menos de

aproximandamente 0.25% C, se conoce como recocido de proceso. Éste se efectúa de

80grados Centígrados a 170 grados centígrados por debajo de la temperatura A1. La meta

del tratamiento de recocido de proceso en los aceros es la misma que el recocido de los

vidrios inorgánicos, en el sentido de que lo principal es reducir o eliminar de manera

significativa los esfuerzos residuales.

Recocido y normalizado, seguido por endurecimiento por dispersión. Los aceros se pueden

endurecer por dispersión al controlar el tamaño de la perlita. Inicialmente se calienta el acero

para producir una austenita homogénea (FCC fase y), paso conocido como austenización. El

recocido, es decir un recocido total, permite que el acero se enfríe lentamente en el horno,

produciendo perlita gruesa. El normalizado permite un enfriamiento más rápido del acero, al

aire, que produce perlita fina. La figura 4 muestra las propiedades comunes que se obtienen

al recocer y normalizar aceros al carbono.


Para recocer, se efectúa el

austenitizado de los aceros

hipoeutectoides alrededor de 30

grados C. por encima de A3,

produciendo 100% y. Sin embargo, la

austenización de un acero

hipereutectoide se efectúa a

aproximadamente 30 grados C. por

encima de A1, produciendo

austenita y Fe3 C. Este proceso

impide la formación, en los bordes de

grano, de una película, frágil y contínua de Fe3C que se presenta al enfriar lentamente desde

la región 100%y. En ambos casos, un enfriamiento lento en el horno y una perlita gruesa

proporcionan una resistencia relativamente baja y buena ductibilidad.

Para el normalizado se efectúa el austenitizado a aproximadamente 55 grados C por

encima de A3 o Acm; el acero se retira entonces del horno y se deja enfriar al aire. Este

enfriamiento más rápido produce perlita fina y proporciona una resistencia más elevada.


Fig.4 Efecto del carbono y del tratamiento térmico sobre las propiedades de los aceros de carbono

Recocido de esteroidización y mejoría en la maquinabilidad. Durante el recocido de

esferoidización, que requiere varias horas a aproximadamente 30 "C por debajo de A l' la

morfología de la fase FeJC se transforma a grandes partículas esféricas, esferoides, con el

objeto de reducir la superficie de la cermentita en forma laminar. La microestructura,

conocida como esferoidita, tiene una matriz continua de ferrita blanda y maquinable (Fig. 5).

Para obtener las propiedades requeridas, se le da al acero, después de maquinado, un

tratamiento térmico más sofisticado. Una estructura como la descrita se presenta cuando la

martensita es revenida justo por debajo de Al' durante un largo periodo. Como ya se hizo

notar, también se agregan elementos de aleación como el Pb y S y, más recientemente, se

han desarrollado "aceros verdes" libres de plomo que alcanzan una muy buena

maquinabilidad.


Fig. 5 Microestructura de la esferoídita, con partículas de Fe3C en una matriz de ferrita (850 x). (De ASM Handbook, vot. 7, (1972), ASM Internatíonal, Materíals Park, OH 44073).

El siguiente ejemplo muestra la forma en que se pueden desarrollar diferentes especifica-

ciones de tratamiento térmico para un acero de una composición dada.


Ejemplo:

Tabla1.

Determinación de estructuras del tratamiento térmico.

Recomiende temperaturas para el recocido de proceso, el recosido total, el

normalizado y el recocido de esferoidización, para los aceros 1020, 1077, y

10120.

Solución De la figura 2 determinamos las temperaturas críticas Al' A] o Acm para cada uno

de los aceros, Podemos, entonces, con base en estas temperaturas, definir el

tratamiento térmico.

TIpo de acero 1020 1077 10120 Temperaturas criticas Al = 727"C Al = 727"C Al = 727"C

A3 = 830"C A = 895"C om

Recocido de proceso 727 - (80 a 170) Sin hacer Sin hacer = 557"C a 647CC

Recocido total 830 + 30 = 860"C 727 + 30"" 757°C 727 + 30 = 757cC Normalizado 830 -1- 55 = 885·C 727 + 55 = 782°C 895 -1- 55 = 950·C Recocido de Sin hacer 727 - 30 = 697·C 727 - 30 = 697 "C

esferoidizado


Tratamientos térmicos isotérmicos

Bainitizado y recocido isotérmico. El tratamiento térmico de transformación isotérmico

mediante el cual la austenita se transforma para producir bainita, (Fig. 6).

Por lo general, el recocido y el normalizado se utilizan para controlar la finura de la perlita.

Sin embargo, la perlita formada a partir de un recocido isotérmico puede tener propiedades

más uniformes, ya que las velocidades de enfriamiento y la rnicroestructura obtenida durante

el recocido y normalizado varía a lo largo de la sección transversal del acero.

Tiempo

Fig. 6 Tratamiento térmicos de bainitizados y de recocido isotérmico en un acero 1080

Efecto de los cambios en la concentración de carbono sobre el diagrama TTT. Tanto en un

acero hipoeutectoide como en uno hipereutectoide, el diagrama TTT debe reflejar la posible

formación de una fase primaria. Fig. 7

Cuando se austenitiza, templa y mantiene entre las temperaturas A I Y A3 a un acero

1050, se nucIea y crece ferrita primaria o proeutectoide. Finalmente, se llegará a un

equilibrio en las cantidades de ferrita y de austenita. De manera similar, en un acero 10110


mantenido entre las temperaturas Acm y Al se nuclea y crece la cementita primaria o

proeutectoide hasta su punto de equilibrio.

Si un acero 1050 austenitizado se templa a una temperatura entre las temperaturas de la

nariz y Al' de nuevo la ferrita primaria se nuclea y crece hasta alcanzar el valor de equilibrio.

El resto de la austenita entonces se convierte en perlita. Una situación similar, pero que pro-

duce cementita primaria y perlita, ocurre en un acero hipereutectoide.

Fig. 7.

Diagrama (b) 1050 y diagrama (b) 10110

Si templamos el acero por debajo de la nariz de la curva, solo se formará bainita, indepen-

dientemente del contenido de carbono en el acero. Si los aceros se templan por debajo de M"

se formará martensita.

Interrupción de la transformación Isotérmica. Si se interrumpe el tratamiento este tratamiento

se producen microestructuras complicadas (Fig. 8.). Por ejemplo, podríamos austenitizar el

Tiempo(s)

(a)

Dure

za R

ockw

ell

CTem

pera

ura

° C

Tiempo(s)

(b)


acero 1050 a 800 "C, templarlo a 650 "C y conservarlo a esa temperatura durante por 10

menos 10 segundos (permitiendo la formación de algo de ferrita y de perlita) y a continuación,

templarlo a 350 "C y conservarlo así durante una hora (3600 segundos). Cualquier austenita

inestable remanente después de templar a 350 "C se transformará en bainita, La estructura

final está constituida por ferrita, perlita y bainita. Podríamos complicar aún más el tratamiento

interrumpiéndolo a 350 "C después de un minuto (60 segundos) y finalmente templando.

Cualquier austenita remanente después de un minuto a 350 "C formará martensita. Ahora la

estructura final está constituida por ferrita, perlita, bainita y martensita, Observándose que

Fig. 7"Plumas" obscuras de bainita, rodeadas por martensita de color claro, obtenidas al interrumpir el proceso de transformación isotérmico (1500 x],

Cada vez que se cambie la temperatura, se empezará a contar el tiempo desde cero. En la

práctica, las temperaturas no pueden ser cambiadas de manera instantánea (por ejemplo, no

podemos pasar instantáneamente de 800 a 650 o de 650 a 350 "C). Ésta es la razón por la

cual es mejor utilizar los diagramas de transformación de enfriamiento continuo (TEC),

Tratamientos térmicos de templado y revenido

El templado endurece a la mayoría de los aceros y el revenido incrementa su tenacidad. Este


hecho es conocido desde hace quizás miles de años. Por ejemplo, se han utilizado estos

tratamientos térmicos para la fabricación del acero de Damasco y de las espadas de los

samurais japoneses.

Austenita retenida. Es la que no se transforma en martensita durante el proceso de

templado debido a la dilatación volumétrica asociada con la reacción. La martensita

existente se agrieta o, si no, la austenita queda atrapada en la estructura formando

austeníta retenida.

Figura 8.

Esfuerzos residuales y agrietamiento. Con el cambio de volumen o con el trabajo en frío

también se generan esfuerzos residuales. Se puede efectuar un recocido para eliminar o

minimizar los esfuerzos residuales debidos al trabajo en frío. Los esfuerzos también se

generan a causa de la dilatación y la contracción térmicas. En los aceros se presenta un

mecanismo adicional que causa esfuerzos. Cuando los aceros se templan, la superficie del

Caliente Templado Templado

MartensitaAleaciones Ferrosas y no Ferrosas, Estructuras Cristalinas y sus Consecuencias22

(Fig. 9). Formación de grietas de temple

Acero templado se enfría rápidamente, transformándose en martensita. Queda sometida a la

tensión, en tanto cuando posteriormente la austenita en el centro se transforma, la superficie

dura queda sometida a tensión, en tanto que en el centro queda comprimido. Si los esfuerzos

residuales exceden la resistencia de cedencia, en la superficie se forman grietas de temple

(Fig, 9)

Velocidad del templado. La velocidad a la cual se enfría el acero durante el templado

depende de varios factores.

Primero, la superficie de una pieza siempre se enfría más rápido que el centro.

Además, conforme el tamaño de la pieza es mayor, menor es la rapidez con

que cualquiera de sus partes se enfría.

Finalmente, la velocidad de enfriamiento depende de las características de

transferencia de calor y de la temperatura del medio usado para el temple

(Tabla 2.)

El templado en aceite, por ejemplo, produce una velocidad de enfriamiento más lenta, que si

se templa en agua o en salmuera.

Coeficiente H Velocidad de

enfriamiento en el centro de una barra de

una pulgada (°C/s)


TABLA 2 Coeficiente H, es decir severidad del templado, para

diversos medios

Diagrama de transformación de enfriamiento

contínuo. (TEC). Éste difiere del diagrama TTT en que se necesita de períodos más largos

para que se inicie la transformación y que no se observe región de vainita.

Si enfriamos un acero 1080 a una velocidad de 5 DC/S, el diagrama TEC nos indica que

obtendremos perlita gruesa; el acero ha sido recocido. Si enfriarnos a 35 DC/S, obtenernos

perlita fina y se trata de un tratamiento térmico de normalizado. Si enfriarnos a 100DC/s, se

permite el inicio de la formación de la perlita, pero la reacción es incompleta y la austenita

remanente se convierte en martensita. Obtendremos un 100% de martensita, pudiendo así

efectuar un templado y un tratamiento térmico de templado, solo si enfriamos más rápido que

140 oC/so.

Efecto de los elementos de aleación.

Los elementos de aleación se agregan a los aceros con la finalidad de:

a) proporcionar un endurecimiento en solución sólida de la ferrita

b) causar la precipitación de carburos de aleación en vez de Fe3C

c) mejorar la resistencia a la corrosión y otras características especiales del acero

d) mejorar la templabilidad o capacidad de endurecimiento.

El término templabilidad describe la facilidad con la cual los aceros pueden formar

Medio

Aceite (sin agitar) Aceite agitado) HP (sin agitar) HP (agitado) Salmuera(sin agitar) Salmuera (agitada)

0.25 1.0 1.0 4.02.0 5.0

18 45 45190 90230


martensita en una sección gruesa de acero que se está templando. Con un acero más

templable se puede arreglar con una velocidad de enfriamiento relativamente lenta y aun así

obtener martensita. La mejoría en la capacidad de endurecimiento es de máxima

importancia en los aceros aleados y para herramientas.

Capacidad de endurecimiento (templabilidad). Los aceros al carbono tienen baja

templabilidad; es decir, solo velocidades de enfriamiento muy elevadas transforman todo en

martensita. Los aceros aleados tienen una templabilidad elevada; incluso el enfriamiento al

aire puede producir martensita, La templabilidad no se refiere a la dureza del acero. Un acero

bajo carbono y alta aleación puede formar fácilmente rnartensita; pero, en razón de su bajo

contenido de carbono, la martensita no será dura.

Efecto en la estabilidad del diagrama de fases. Cuando se añaden al acero elementos de

aleación, se afecta la estabilidad del sistema binario Fe-Fe3C y se altera el diagrama de

fases . Los elementos de aleación reducen el contenido de carbono al cual ocurre la reacción

eutectoide y modifican las temperaturas Al' A3 Y Acm. Un acero que solo contenga 0.6% C es

hipoeutectoide y funcionaría a 700°C sin formar austenita; un acero igual pero con 6% Mn es

hipereutectoide y a 700 "C forma austenita.

Forma del diagrama TTT. Los elementos de aleación pueden producir en el diagrama TTT

una región en forma de "ensenada", como ocurre con el acero 4340. Esta región de

ensenada se utiliza como base para un tratamiento termomecánico conocido como

ausformado. Un acero puede ser austenitizado, templado hasta la región de ensenada,

deformado plásticamente y finalmente templado para producir martensita . Los aceros que

se sujetan a este tratamiento se conocen como aceros ausformados.


Revenido. En comparación con los aceros al carbono, los elementos de aleación reducen la

rapidez del revenido. Este efecto puede permitir que los aceros aleados funcionen mejor a

altas temperaturas que los aceros al carbono, debido a que durante su servicio no se

presentará sobreenvejecimiento.

Aplicación de la templabilidad

Para comparar las templabilidades de los aceros se utiliza una prueba de Jominy. (Fig. 10).

Es un ensayo usado para evaluar la templabilidad. Una barra de acero de cuatro pulgadas

de largo y una de diámetro es austenitizada, colocada en un dispositivo y rociada en uno de

sus extremos con agua. Este procedimiento genera todo un rango de velocidades de

enfriamiento, muy rápidas en el extremo templado y prácticamente enfriamiento al aire en el

otro extremo. Después de la prueba, se toman mediciones de dureza a lo largo de la muestra

y se grafican para producir una curva de templabilidad. La distancia entre el extremo

templado es la distancia Jomíny y está relacionada con la velocidad de enfriamiento (tabla 3).

Virtualmente cualquier acero se transforma a martensita en el extremo templado. Por lo

que la dureza a una distancia Jominy de valor cero queda determinada únicamente por el

contenido de carbono del acero. A distancias Jominy mayores, hay más probabilidad que se

formen bainita o perlita en vez de martensita. Un acero aleado con una templabilidad elevada

(como, por ejemplo, el 4340) presenta una curva de capacidad de endurecimiento bastante

plana; un acero al carbono (como, por ejemplo, el 1050) presenta una curva que cae rápida-

mente. La templabilidad la determina principalmente el contenido de aleación en el acero.


Fig. 10 Disposición para la prueba Jominy utilizada para la

determinación de la templabilidad de un acero.

Distancia Jominy


TABLA 12-3 Relación entre la velocidad de enfriamiento y la distancia Jominy

En la práctica se pueden utilizar las curvas de templabilidad para la selección o el reemplazo de los

aceros. El hecho que dos aceros diferentes se enfríen a una misma velocidad si se templan en

condiciones idénticas ayuda a este proceso de selección.

Aceros especiales

Existen muchas clases especiales de aceros:

Aceros para herramienta

Aceros libres de intersticios

Aceros de alta resistencia y baja aleación (HSLA por sus siglas en inglés)

Aceros bifásicos

Aceros martensíticos envejecibles.

Aceros para herramienta. Son por lo común aceros al alto carbono que alcanzan una

elevada dureza mediante un tratamiento térmico de templado y revenido.

Distancia Jominy (pulg) Velocidad de enfriamiento( g C/s)

1/16 2/16 3/16 4/16 5/16 6/16 7/16 8116 10/16 12/16 16/16 20/16 24/16 28/16 36/16

315 110 5036 282217 15108532.82.5


Entre sus aplicaciones se incluyen las herramientas de corte en operaciones de maquinado,

los dados para la fundición a presión, los dados para conformado mecánico y otros usos en

los cuales se requiere una combinación de elevada resistencia, dureza, tenacidad y

resistencia a la temperatura.

Los elementos de aleación mejoran la templabilidad y la estabilidad a elevadas tempera-

turas de los aceros para herramienta.

Hay diferentes métodos de endurecimiento:

I. Los aceros endurecibles al agua, como el 1095, deben ser templados con rapidez

para producir martensita y también ablandan rápidamente incluso a temperaturas

relativamente bajas.

II. Los aceros endurecibles al aceite forman martensita con mayor facilidad, se

revienen más lentamente, pero, aun así, se ablandan a temperaturas elevadas.

III. Los aceros endurecibles al aire y los especiales para herramienta pueden

endurecerse por transformación de martensita al enfriarse al aire.

Aceros de baja aleación y alta resistencia HSLA. Son aceros bajo carbono que contienen

pequeñas cantidades de elementos de aleación. Se especifican en función de su resistencia a

la cedencia, con grados de hasta 80000 psi; los aceros contienen el mínimo de elementos de

aleación que cause la resistencia a la cedencia adecuada sin tratamiento térmico.

Aceros bifásicos. Contienen una distribución uniforme de ferrita y martensita; con la

martensita dispersa, alcanzan resistencias a la cedencia de 60000 a 145000 psi. Estos

aceros al bajo carbono no contienen suficientes elementos de aleación para tener una buena

templabilidad mediante los procesos normales de templado. Pero cuando el acero se

calienta basta la porción ferrita más austenita del diagrama de fases, la fase austenítica se


enriquece de carbono, lo que le da la capacidad de endurecimiento necesario. Durante el

templado, solo la porción austenítica se transforma en martensita.

Aceros martensíticos envejecibles. Son aceros bajo carbono muy altamente aleados. Estos

aceros se austenitizan y se templan para producir una martensita blanda que contienen

menos de 0.3% C. Cuando se envejece la martensita a aproximadamente 500 °C, se

precipitan compuestos intermetálicos como Ni3, Ti, Fe2 Mo y Ni3 Mo.

Aceros libres intersticios. Contienen Nb y Ti. Pueden reaccionar con C y con S para

formar precipitados de carburos y de sulfuros. Por tanto, virtualmente no queda nada de car-

bono en la ferrita. Estos aceros son de fácil conformado y atractivos para la industria

automotriz.

Aceros de grano orientado. Contienen silicio se utilizan como materiales magnéticos blandos

y se incorporan en los núcleos de los transformadores eléctricos. Para la fabricación de

materiales magnéticos, se utiliza polvo de hierro prácticamente puro (conocido como carbo-

nilo de hierro), que se obtiene al descomponer el pentacarbonilo de hierro (Fe(CO)s) y a ve-

ces un tratamiento térmico reductor usado para fabricar materiales magnéticos. También es

utilizado bajo el nombre de hierro reducido como un aditivo para complementos alimenticios

en los cereales del desayuno y en otros productos alimenticios fortificados con hierro.

Muchos aceros están recubiertos, por lo general, con la finalidad de obtener una buena

protección contra la corrosión entre ellos están:

Los aceros galvanizados están recubiertos con una película delgada de zinc

Las láminas de acero emplomadas están recubiertas con plomo;


Otros aceros se recubren con aluminio o con estaño.

Soldabilidad del acero.

Los aceros son los materiales estructurales de más amplio uso. En los puentes, edificios y

en muchas otras aplicaciones, los aceros deben soldarse. La integridad estructural de las

estructuras de acero no solamente depende de la resistencia del acero sino también de la

resistencia de las uniones soldadas. Ésta es la razón por la cual la soldabilidad del acero

será siempre una consideración de importancia.

Muchos aceros bajo carbono se sueldan con facilidad. La soldadura de aceros al medio y al

alto carbono es comparativamente más difícil, puesto que con bastante facilidad puede

formarse martensita en la zona afectada por el calor, causando, por lo tanto, una soldadura

de poca tenacidad. Para contrarrestar estos problemas, se han desarrollado varias

estrategias como el precalentamiento del material o minimizar la incorporación de hidrógeno.

La incorporación del hidrógeno hace que el acero se vuelva frágil. En los aceros bajo

carbono, la resistencia de las regiones soldadas es más elevada que en el material base.

Esto se debe a la microestructura de perlita más fina que se forma durante el enfriamiento

de la zona afectada por el calor. La austenita retenida a lo largo de los bordes de granos de

ferrita también limita la recristalización, ayudando así a retener un tamaño de grano fino, lo

que contríbuye a la resistencia de la región soldada. Durante la soldadura, el metal más

próximo al cordón de soldadura se calienta por encima de la temperatura Al formándose

austenita (Fig. 11).

Perlita

Perlita Perlita


Durante el enfriamiento, la austenita de esta zona afectada por el calor se transforma en

una estructura nueva, dependiendo de la velocidad de enfriamiento y del diagrama TEC de

este acero. Los aceros bajo carbono tienen una templabilidad tan baja que las velocidades

normales de enfriamiento rara vez producen martensita, Sin embargo, un acero aleado

puede requerir un precalentado para reducir la velocidad de enfriamiento o un poscalentado

para revenir la rnartensira que se haya formado.

Un acero que ha sido originalmente templado y revenido presenta dos problemas durante

la soldadura. Primero, la porción ele la zona afectada por el calor por encima de Al puede

formar rnartensita después de enfriarse. Segundo, una porción de la zona afectada por el ca -

lor por debajo de Al puede sobrerrevenirse. Normalmente, no se debería soldar un acero en

condición de temple y revenido.

Aceros inoxidables

Los aceros inoxidables se seleccionan en función de su excelente resistencia a la corrosión.

Fig.11. Desarrollo de una zona afectada por el calor en una soldadura: (a) la estructura a la máxima temperatura,(b) la estructura después de enfriar en un acero de baja templabilldad y (c) la estructura después del enfriamiento en un acero de alta templabilidad


Hurry Brearly estaba trabajando sobre una aleación con 0.35% de carbono y 14% de cromo

(ahora conocido como acero inoxidable 420). Buscaba una forma de "atacar" la muestra

ulilizando ácidos con la finalidad de poder ver la mícroesrrucmra. Tuvo dificultades para en-

contrar un agente químico adecuado para lograr lo anterior. Aunque otros investigadores ya

habían experimentado este "problema", Mr. Brearly vio la oportunidad de aprovechar un ma-

terial que era resistente a la corrosión

Todos los aceros inoxidables verdaderos contienen un mínimo de aproximadamente 1Cr,

lo 11% Cr, lo que permite la formación de una delgada capa superficial de óxido de cromo

cuando el acero queda expuesto al oxígeno.

El cromo es el elemento que hace que los aceros inoxidables sean inoxidables. El cromo

también es un elemento estabilizador de la ferrita. El cromo hace que se contraiga la región

de la austenita, en tanto que la región de la ferrita aumenta de tamaño. En las composiciones

de bajo carbono y alto cromo, la ferrita se encuentra presente como una sola fase hasta la

temperatura solida.

Clases de aceros inoxidables en función de la estructura cristalina y del mecanismo de

endurecimiento.

Aceros inoxidables ferriticos contienen hasta un 30% Cr y menos de 0.12% C. Debido a la

estructura cúbica centrada en el cuerpo (BCC, por sus siglas en inglés).

Tienen buena resistencia y una ductilidad moderada

Son magnéticos no es posible tratarlos térmicamente

Tienen una resistencia excelente a la corrosión

Capacidad de conformado moderada

Son relativamente económico


Aceros inoxidables rnartensiticos .Una aleación de 17% Cr-0.5%C calentada hasta 200 °C

forma un 100% de austenita, misma que se transforma en martensita al templarse en aceite.

La martensita se reviene entonces para producir alta resistencia y dureza. El contenido de

cromo por lo general es menor que 17% Cr; de lo contrario, el campo de austenita se hace

tan pequeño que se requiere un control muy estricto tanto sobre la temperatura de

austenitización como del contenido de carbono. Menores contenidos de cromo también

permiten que el contenido de carbono varíe de aproximadamente hasta 1.0%, lo que permite

la producción de martensitas con diferentes durezas. La combinación de dureza, resistencia

mecánica y resistencia a la corrosión hace que estas aleaciones sean atractivas para

aplicaciones como, por ejemplo, cuchillos de alta calidad, balines y válvulas.

Aceros inoxidables austeníticos. El níquel, que es un elemento estabilizador de la austenita,

incrementa el tamaño de] campo de la austenita y, al mismo tiempo, prácticamente elimina la

ferrita de las aleaciones de hierro·cromo·carbono. Si el contenido de carbono queda por

debajo de aproximadamente 0.03%, no se forman carburos y el acero está constituido

virtualmente por austenita a la temperatura ambiente.

Los aceros inoxidables austeníticos son cúbicos centrados en las caras (FCC, por sus

siglas en inglés)

tienen excelente ductilidad, formabilidad y resistencia a la corrosión.

La resistencia se obtiene mediante un extenso endurecimiento por solución sólida.

Los aceros inoxidables austeníticos pueden ser trabajados en frío para alcanzar

mayores resistencias que los aceros inoxidables ferríticos,

Éstos no son magnéticos, lo que resulta una ventaja para muchas aplicaciones

La aleación 304 con 18% Cr y 8% Ni (también conocida como inoxidable 18-8) es

el grado de acero inoxidable de más amplio uso. Sin embrago cuando se le calienta


a una temperatura de -480·860"C, carburos de cromo se precipitan a lo largo de los

bordes de grano en vez de en el interior de los mismos. Esto causa

empobrecimiento en el contenido de cromo en el interior de los granos y hará que

el acero inoxidable se corroa con mucha facilidad. Este fenómeno se conoce como

sensitización.

Aceros inoxidables endurecidos por precipitación (PH). Contienen Al, Nb, o Ta y deben sus

propiedades al endurecimiento por solución sólida, endurecimiento por deformación,

endurecimiento por envejecimiento y a la reacción martensítica. El acero se calienta primero

y se templa para inducir la transformación de austenita en martensita, Al recalentar, se

permite que se formen precipitados como el Ni3A1 a partir de la martensita. Se obtienen

propiedades mecánicas altas, incluso con aceros de bajo contenido de carbono.

Aceros inoxidables dúplex. En algunos casos, en la estructura del acero inoxidable se

introducen deliberadamente mezclas de fases. Mediante un control apropiado de la composi-

ción y del tratamiento térmico, se puede producir un acero inoxidable dúplex, que contiene

aproximadamente 50% de ferrita y 50% de austenita. Esta combinación proporciona un con-

junto de propiedades mecánicas de resistencia a la corrosión, de formabilidad Y soldabilidad

que no se obtiene con ningún otro de los aceros inoxidables normales.

Los hierros fundidos

Son aleaciones de hierro-carbono y silicio. que comúnmente contienen de 2 a 4% C y de 0.5 a

3% de Si, y que durante la solidificación pasan a través de la reacción eutéctica. Las

rnicroestructuras de los cinco tipos importantes de hierros fundidos se muestran de manera

esquemática en la figura 12.


Fig. 12. (a) Fundición gris, (b) Fundición blanca, (c) Fundición maleable, (d) Fundición dúctil o nodular

y (e) Hierro con grafito compactado.

Porcentaje en peso de carbono

Perlita

Nódulos de grafito de

(a) (c)

Grafito compactado (vermicular)

(b)

(d)

Fig. 13. Diagrama de fases hierro-carbono que muestra la relación entre los equilibrios estables hierro-grafito(líneas continuas) y las reacciones metaestables hierro-cementita (líneas punteadas).

16001400

1200

1000kjkjkkj80060060600


Reacción eutéctica de hierros fundidos. Con base en el diagrama de fases Fe-Fe3 C e-

C a 1140°C es:

Esta reacción produce hierro fundido blanco con una microestructura compuesta de Fe3C y

de perlita. Sin embargo, el sistema Fe-FeF es realmente un diagrama de fases metaestable.

Bajo condiciones de equilibrio verdadero, la reacción eutéctica es:

L -+ r + grafito

El diagrama de fases Fe-C aparece en líneas continuas en la figura 13. Cuando ocurre la

reacción eutéctica estable L -+ l' -1- grafito a 1146 °C, se forma el hierro gris, dúctil (nodular) o

de grafito compacto.

En las aleaciones Fe-e, el líquido se subenfría con facilidad a 6° C (diferencia de tempera-

tura entre las temperaturas eutécticas estables y metaestables) y forma hierro fundido blanco.

Al agregar al hierro aproximadamente 27% de silicio, se incrementa la diferencia de

temperatura entre eutécticos, lo que permite tolerar subenfriamientos mayores y más tiempo

para la nucleación y crecimiento del grafito eutéctico estable. El silicio es, por tanto, un

elemento estabilizador del grafito. Los elementos como el cromo y el bismuto tienen un efecto

opuesto y promueven el hierro fundido blanco. También podemos introducir elementos

inoculantes como el silicio (en forma de ferrosilicio Fe-Si), para promover la nucleación del

grafito, o podemos reducir la velocidad de enfriamiento de la fundición para dar más tiempo

para el crecimiento del grafito.

El silicio también reduce la cantidad de carbono contenida en el eutéctico. Se puede to-

mar en consideración este efecto definiendo el carbono equivalente (CE):

CE = %C + ~ % Si


La composición eutéctica es siempre cerca de 4.3% CE. Un carbono equivalente elevado

promueve el crecimiento del grafito eutéctico.

Reacción eutectoide en los hierros fundidos. La estructura de la matriz y las propiedades de

cada tipo de hierro fundido están determinadas por la forma en que se transforma la

austenita durante la reacción eutectoide. En el diagrama de fases Fe-Fe;C utilizado para los

aceros, la austenita se transformaba en ferrita y en cementita, a menudo en forma ele perlita.

Bajo condiciones de equilibrio, los átomos de carbono se difunden de la austenita hacia

las partículas de grafito existentes dejando atrás ferrita de bajo carbono.

El recocido (o enfriamiento en el horno) del hierro fundido forma una matriz ferrítica

blanda (no una perlita gruesa como en el caso de los aceros).

El normalizado, es decir, el enfriamiento al aire resulta en una matriz perlítica. Los

hierros fundidos también se pueden bainitízar para producir bainita, o se pueden templar

para formar martensita y después revenir. El hierro dúctil bainitizado, con resistencias de

hasta 200000 psi, se utiliza para la fabricación de engranes de alto rendimiento.

El carbono se puede presentar en forma libre (grafito) o combinada (Cementita). La forma

y distribución del carbono influirá grandemente en las propiedades físicas de la fundición. Se

pueden clasificar en:


Fundición de hierro gris. Es la que más se utiliza en la industria. Su estructura está formada

por una matriz metálica conteniendo grafito precipitado en forma de láminas de diversos

tamaños y grosores o formas variadas como rosetas, etc.

Contiene muchas hojuelas pequeñas e interconectadas de grafito que causan baja

resistencia y ductilidad. Ésta es la fundición de hierro de más amplio uso y debe su nombre al

color gris mate de la superficie fracturada.

El punto en el cual se conectan estas hojuelas es el núcleo original de grafito. La

inoculación ayuda a producir celdas eutécticas más pequeñas, mejorando así la resistencia.

Los hierros grises se definen mediante un número de clasificación del 20 al 80. Un hierro gris

de clase 20 tiene una resistencia a la tensión nominal de 20000 psi. Sin embargo, en piezas

fundidas gruesas, las hojuelas de grafito gruesas y la matriz ferritica producen resistencias a

la tensión tan bajas como 12000.

Fundición de hierro blanco. Las fundiciones blancas no contienen grafito libre, en cambio

todo el carbono se presenta combinado como Fe2C. Una superficie fracturada de este

material se ve blanca; de ahí su nombre.

Su dureza y su resistencia al desgaste abrasivo, se utiliza todo un grupo de fundiciones

blancas alta aleación. Se agregan elementos como el cromo, el níquel y el molibdeno, de

manera que, además de los carburos de aleación formados durante la solidificación se

genera martensita durante el tratamiento térmico subsecuente.

Fundición maleable. Se forma al tratar térmicamente la fundición de hierro blanco, pro-

duciendo agrupamientos redondeados de grafito (noduloides). Esta fundición presenta una

mayor ductilidad que los hierros fundidos blancos o grises; también tiene una elevada


maquinabilidad. La fundición maleable se produce mediante tratamiento térmico de la

fundición blanca no aleada con 3% de carbono equivalente (2.5%C, 1.5% Si).

El hierro maleable ferrítico tiene buena tenacidad en comparación con las demás

fundiciones, porque su carbono equivalente bajo reduce la temperatura de transición por

debajo de la temperatura ambiente. Cuando se enfría la nustenita al aire o en aceite para

formar perlita o martensita, se obriene la fundición marea perlírica. En cualquier caso, la

matriz es dura y frágil. La fundición es revenida en ese momento a una temperatura por

debajo de la eutectoide.

El revenido estabiliza la martensita o esferoidiza la perlita. Una temperatura más elevada

de revenido reduce la resistencia e incrementa la ductibilidad y la tenacidad.

El hierro fundido dúctil o nodular contiene partículas de grafito esferoidal. El hierro dúctil se

produce tratando el hierro líquido con un carbono equivalente de cerca de 4.3% con

magnesio, lo que hace que crezca grafito esferoidal (nódulos) durante la solidificación, en

lugar de usar un tratamiento térmico largo. Para producir este hierro, es necesario seguir

varios pasos, es decir, la desulfurización, la nodulación y la inoculación. Durante la

desulfurización, se elimina cualquier azufre y oxígeno existentes en el metal líquido

añadiendo agentes desulfurizantes, como el carburo de calcio (CaO). Durante la nodulación,

se agrega Mg, por lo general en forma diluida como una aleación de MgFeSi.

Los elementos de aleación incrementan los tiempos requeridos para las

transformaciones en los diagramas 1TI, reducen las velocidades de enfriamiento para

producir martensita en los diagramas TEC y mejoran la templabilidad del acero.

Los elementos de aleación y los tratamientos térmicos especiales logran propiedades

únicas o combinaciones de propiedades únicas. Son de particular importancia los

tratamientos de endurecimiento superficial, como el carburizado, que produce una excelente


combinación de resistencia a la fatiga y al impacto. Los aceros inoxidables, que contienen

un mínimo de 12% Cr, tienen una excelente resistencia a la corrosión.

Los hierros fundidos, por definición, sufren una reacción eutéctica durante la solidificación.

Dependiendo de la composición y del tratamiento, se formarán ya sea Y y FeF, o bien y

grafito durante la solidificación.


ALEACIONES NO FERROSAS


ALEACIONES NO FERROSAS

Son aquellas que carecen de hierro o tienen un bajo nivel de éste. Los metales ferrosos se pueden clasificar en:

Pesados

Ligeros

Ultraligero

Características:

Alta resistencia a la corrosión

Buenas propiedades de tensión

Muy dúctiles, aún a temperaturas bajas

Resistencia mecánica.


Materiales no ferrosos pesados.

Estaño Sn. Las características de éste material son en cuanto a su densidad: 7,28 kg/dm 3, Punto de fusión: 231 0 c

Es un metal plateado, maleable, que no se oxida fácilmente con el aire y es resistente a la corrosión. Se

encuentra en muchas aleaciones y se usa para recubrir otros metales protegiéndolos de la corrosión. Una de sus

características más llamativas es que bajo determinadas condiciones forma la peste del estaño.

Al doblar una barra de este metal se produce un sonido característico llamado grito del estaño,

producido por la fricción de los cristales que la componen.

Aplicaciones. Se usa como revestimiento protector del cobre, del hierro y de diversos metales usados en la

fabricación de latas de conserva. Su uso también es de disminuir la fragilidad del vidrio.


Los compuestos de estaño se usan para fungicidas, tintes, dentífricos y pigmentos.

Se usa para hacer bronce, aleación de estaño y cobre.

Se usa para la soldadura blanda, aleado con plomo.

Se usa en aleación con plomo para fabricar la lámina de los tubos de los órganos

musicales.

Recubrimiento de acero.

Método de obtención

casiterita

La casiterita se tritura y muele en molinos adecuados .luego se introduce en una cuba con agua, en la

que se agita .por decantación, el mineral de estaño siendo más pesado se va al fondo.

Posteriormente se introduce en un horno, donde se oxidan los posibles sulfuros de estaño que hay en

el mineral y se transforma en óxidos.

La MENA del estaño, en forma de oxido se introduce en un horno de reverbero donde se produce la

reducción, depositándose el estaño en la parte inferior y la escoria en la superior.

Finalmente, para obtener un estaño con un 99% es necesario someterlo a un proceso electrolítico

Cobre Cu. Sus Características son, en cuanto a su densidad: 8,90 kg/dm 3, Punto de fusión: 1083 0 c

Se trata de un metal de transición de color rojizo y brillo metálico que, punto con la plata

y el oro, forma parte de la llamada familia del cobre.

Se caracterizada por ser los mejores conductores de electricidad y calor.

Gracias a su alta conductividad eléctrica, ductilidad y maleabilidad, se ha convertido en

el material más utilizado para fabricar cables eléctricos y otros componentes eléctricos y

electrónicos.


Aplicaciones. Electricidad y telecomunicaciones Medios de transporte Construcción y ornamentación,

monedas, múltiples aleaciones

Método de obtención.

Vía seca se emplea cuando el contenido de cobre es superior al 10 % y la vía húmeda, Se emplea cuando el

contenido en cobre es inferior al 10 % al triturarlo se le añade acido sulfúrico y luego mediante electrolisis

Zinc (Zn): sus Características: Densidad: 7,14 Kg./dm 3,Punto de fusión: 419 0 c El zinc es un metal, a veces

clasificado como metal de transición el un metal de color blanco azulado que arde en aire con llama verde azulada.

El aire seco no le ataca pero en presencia de humedad se forma una capa superficial de óxido o carbonato básico

que aísla al metal y lo protege de la corrosión.

El metal presenta una gran resistencia a la deformación plástica en frío que disminuye en caliente, lo

que obliga a laminarlo por encima de los 100 °C.

No se puede endurecer por acritud y presenta el fenómeno de fluencia a temperatura ambiente.

Aplicaciones: Calamina blenda método de obtención Proceso de obtención del zinc por vía seca.

Proceso de obtención del Zinc por vía húmeda.

Plomo Pb: sus Características: son Densidad: 11,34 kg/dm 3 punto de fusión: 329 0 c

El plomo es de color azuloso, que se empaña para adquirir un color gris mate. Es flexible,

inelástico y se funde con facilidad. Resistente al ataque de ácido sulfúrico y ácido

clorhídrico, aunque se disuelve con lentitud en ácido nítrico y ante la presencia de bases

nitrogenadas.

Es tóxico y ha producido envenenamiento de trabajadores por su uso inadecuado y mala

manipulación.


Aplicaciones y obtención:

En estado puro:

Óxido de plomo.

Tuberías.

Recubrimiento de baterías,

Protección de radiaciones

Nucleares (rayos X), etc.

Formando aleación:

Soldadura blanda galena: sulfuro de plomo

Otros

Ligeros:

Aluminio, Titanio

Características: su densidad está comprendida entre 2 y 5 Kg. / dm 3

Aluminio Al : Las aleaciones de aluminio son las más importantes entre las no ferrosas, principalmente por su

ligereza, endurecibilidad por deformación, resistencia a la corrosión y su precio relativamente bajo. Se usan en

aeronáutica y en la fabricación de barcos.

El cobre no aleado se usa en abundancia por su conductividad eléctrica, resistencia a la corrosión, buen

procesado y costo relativamente bajo; se alea con el Zn para formar el latón (más resistente); y con Sb y P o Al, para

crear lo que es el bronce.


Otras aleaciones son las de magnesio, titanio y níquel. Las de magnesio son excepcionalmente ligeras y

tienen aplicaciones aeroespaciales.

Magnesio:

Características: Densidad: 2,7 Kg./dm 3,Punto de fusión: 660 0 C, de fácil mecanizado. Muy maleable, permite la

producción de láminas muy delgadas.

Bastante dúctil, permite la fabricación de cables eléctricos.

Material blando, material soldable., Con CO2 absorbe el doble del impacto.

Aplicaciones:

El aluminio puro se emplea principalmente en la fabricación de espejos, tanto para uso doméstico como para

telescopios reflectores.

Como material estructural en aviones, automóviles, tanques, superestructuras de buques y bicicletas Y

en edificios, embalaje de alimentos, carpintería metálica, recipientes criogénicos.

Método de obtención Bauxita El método Bayer Proporciones de elementos para obtener 1 t de aluminio.


Aleaciones: DESIGNACION DE LAS ALEACIONES DE ALUMINIO:

EL PRIMER

DÍGITO

MUESTRA

EL PRIMER

ELEMENTO DE LA ALEACIÓN, EL SEGUNDO SE REFIERE A LA MODIFICACIÓN Y LOS ÚLTIMOS DOS DIGITOS INDICAN

EL PORCENTAJE DECIMAL DE LA CONCENTRACION DE AL. ( por ejemplo, 1060 será una aleación con 99.6 de Al.)

El último dígito indica la forma de producto, 1 o 2 en lingote (dependiendo de la pureza) y cero es para fundición.

Aleaciones de fundición

SERIE CLASE DE ALEACION

1XX.X Aluminio al 99% de pureza mínimo.

2XX.X Aluminio aleado con cobre.

SERIE CLASE DE ALEACION

1XXX Aluminio al 99% de pureza mínimo.

2XXX Aluminio aleado con cobre principalmente.

3XXX Aluminio aleado con manganeso principalmente.

4XXX Aluminio aleado con silicio principalmente.

5XXX Aluminio aleado con magnesio principalmente.

6XXX Aluminio aleado con silicio o con silicio – magnesio.

7XXX Aluminio aleado con zinc o con zinc – magnesio.


3XX.X Aluminio aleado con silicio y cobre o silicio y magnesio.

4XX.X Aluminio aleado con silicio.

5XX.X Aluminio aleado con magnesio.

6XX.X Serie sin usar.

7XX.X Aluminio aleado con zinc.

8XX.X Aluminio aleado con estaño.

9XX.X Aleaciones sin especificar (el fabricante debe hacerlo).

USO DE ALEACIONES DE ALUMINIO

ELEMENTO ALEACIONES USO

Puro 1199, 1188, 1100Conexiones eléctricas, tanques para químicos, metalización.

Cobre (Cu) 2014, 2219, 2024 Tanques, transbordadores espaciales, aviones.

Manganeso (Mn) 3004, 3003 Calderería, muebles, equipo médico.

Magnesio (Mg) 5056, 5356, 5183Estructural, hidráulica, carrocerías, tanques contenedores.

Zinc (Zn) 7039, 7046, 7005Partes automotrices, artículos deportivos, parachoques.

Silicio (Si) 4047, 4043, 4653 Electrodos, brezan, fundición.


Magnesio (Mg)

Silicio (Si)6013, 6061, 6063

Extrusiones, chasis, intercambiadores de calor, calderas

Las aleaciones de aluminio pueden tener dos fines distintos: para forja o conformado y para fundición.

La norma UNE clasifica las aleaciones como de moldeo o forja (L – 200), de fundición (L – 300) y de alta

fusión (L – 400), mientras que la Asociación del Aluminio las clasifica de acuerdo al elemento maleante; fundición

con la forma XXX.X y forja como XXXX, donde cada cifra designa un tipo de aleación y las dos últimas cifras designan

la cantidad de elemento maleante principal.

Las aleaciones de titanio tienen densidades y resistencias intermedias a la temperatura, junto con una

excelente resistencia a la corrosión, lo que les permite ser utilizadas en dispositivos aeroespaciales, procesos

químicos y aplicaciones biomédicas. Estas aleaciones no ferrosas muestran una respuesta poderosa al

endurecimiento por envejecimiento y, en algunos casos, a los tratamientos térmicos de templado y revenido.

Titanio Ti sus Características: Densidad: 4,45 Kg./dm 3,Punto de fusión: 1675 0 C

Es de color plateado grisáceo.

Paramagnético. No se imanta gracias a su estructura electrónica.

Abundante en la Naturaleza.

Reciclable.

Forma aleaciones con otros elementos para mejorar las prestaciones mecánicas.

Muy resistente a la corrosión y oxidación.

Refractario.

Poca conductividad. No es muy buen conductor del calor ni de la electricidad


Método de obtención Rutilo: dióxido de titanio cristalizado. Método Kroll.

Aplicaciones:

El titanio es un metal biocompatible por eso se puede utilizar para:

Instrumental quirúrgico tales como bisturís, tijeras, etc.,

Piercing

Aplicaciones médicas, como prótesis de cadera y rodilla, tornillos óseos, placas antitrauma e implantes

dentales, componentes para la fabricación de válvulas cardíacas y marcapasos, gafas

EL NIQUEL

Se usa en la fabricación de aceros especiales como el acero inoxidable. Tiene gran demanda en la industria porque

da a las aleaciones dureza, tenacidad, ligereza y cualidades anticorrosivas, eléctricas y térmicas. Por ejemplo con:

Cobre, Cromo, Aluminio, Plomo, Cobalto, Manganeso, Plata y Oro.

APLICACIONES:

Es, después del manganeso, más usado en ferro aleaciones.

Acuñación de monedas y niquelado.

En robótica.

Motores marinos.

Industria química.


Tuberías.

(Estos tres últimos por su resistencia a la corrosión.

COBALTO:

Aplicaciones:

Turbinas de gas de aviación, fresadoras, imanes y cintas magnéticas; son ejemplos de aleaciones resistentes a la

corrosión, aceros rápidos.

Catálisis del petróleo e industria química.

Recubrimientos metálicos por deposición electrolítica, su aspecto, dureza y resistencia a la oxidación.

Secante para pinturas, barnices y tintas.

Recubrimiento de esmaltes vitrificados.

Pigmentos (cobalto azul y cobalto verde).

Electrodos de baterías eléctricas.

Como fuente de radiación gamma en radioterapia, radiografía industrial para el control de

calidad de metales (detección de grietas).

Esterilización de alimentos (pasteurización fría).

Ultraligeros

Magnesio

Berilio

Características: su densidad es menor se 2kg/ dm 3

Magnesio Mg, sus características: Densidad: 1,73 Kg. /dm 3,Punto de fusión: 650 °C


El magnesio no se encuentra en la naturaleza en estado libre (como metal), sino que forma parte de

numerosos compuestos, en su mayoría óxidos y sales.

Color blanco plateado. En contacto con el aire se vuelve menos lustroso, aunque a diferencia de otros metales

alcalinos no necesita ser almacenado en ambientes libres de oxígeno, ya que está protegido por una fina capa de

óxido, la cual es bastante impermeable y difícil de sacar

El magnesio reacciona con agua a temperatura ambiente, cuando se sumerge en agua, en la superficie

del metal se forman pequeñas burbujas de hidrógeno, pero si es pulverizado reacciona más rápidamente.

El magnesio es un metal altamente inflamable, que entra en combustión fácilmente cuando se

encuentra en forma de virutas o polvo

Una vez encendido es difícil de apagar, ya que reacciona tanto con nitrógeno presente en el aire (formando nitrato

de magnesio) como con dióxido de carbono (formando óxido de magnesio y carbono). Al arder en aire, el magnesio

produce una llama blanca muy intensa incandescente, la cual fue muy utilizada en los comienzos de la fotografía

El polvo de magnesio todavía se utiliza en la fabricación de fuegos artificiales y en bengalas marítimas.

Método de obtención Carnalita (cloruro de magnesio).

Aplicaciones:

Como material refractario en hornos para la producción de hierro y acero, metales no férreos, cristal y cemento,

como elemento de aleación del aluminio, empleándose las aleaciones aluminio-magnesio en envases de bebidas.

Las aleaciones de magnesio, especialmente magnesio-aluminio, se emplean en componentes de

automóviles, como llantas, y en maquinaria diversa. Además, el metal se adiciona para eliminar el azufre del acero

y el hierro.


Aditivo en propelentes convencionales.

Obtención de fundición nodular (hierro-silicio-Mg) ya que es un agente esferoidizante/ nodulizante del grafito.

Agente reductor en la obtención de uranio y otros metales a partir de sus sales.

El polvo de carbonato de magnesio es utilizado por los atletas como gimnastas y levantadores de peso para

mejorar el agarre de los objetos. Es por este motivo prácticamente imprescindible en la escalada de dificultad para

secar el sudor de manos y dedos del escalador y mejorar la adherencia a la roca. Se lleva en una bolsa colgada de la

cintura.

Otros usos incluyen flashes fotográficos, pirotecnia y bombas incendiarias.

Berilio Be sus Características: Densidad: 1,84 kg/dm3Punto de fusión: 1279 °C.

El berilio tiene uno de los puntos de fusión más altos entre los metales ligeros.

Su módulo de elasticidad es aproximadamente un 33% mayor que el del acero.

Tiene una conductividad térmica excelente, es no magnético y resiste el ataque con ácido

nítrico

Es muy permeable a los rayos X y, al igual que el radio y el polonio, en condiciones normales de presión y

temperatura el berilio resiste la oxidación del aire, aunque la propiedad de rayar al cristal se debe probablemente a

la formación de una delgada capa de óxido.

Obtención:

El berilio se encuentra en 30 minerales diferentes, siendo los más importantes berilo y bertrandita,. Actualmente la

mayoría del metal se obtiene mediante

Reducción de fluoruro de berilio con magnesio.


Las formas preciosas del berilo son la aguamarina y la esmeralda

Aplicaciones:

Elemento de aleación, en aleaciones cobre-berilio con una gran variedad de aplicaciones.

En la litografía de rayos X para la reproducción de circuitos integrados.

Moderador de neutrones en reactores nucleares.

Por su rigidez, ligereza y estabilidad dimensional, se emplea en la construcción de

diversos dispositivos como giróscopos, equipo informático, muelles de relojería e

instrumental diverso.

Las aleaciones de titanio tienen densidades y resistencias intermedias a la temperatura, junto con una

excelente resistencia a la corrosión, lo que les permite ser utilizadas en dispositivos aeroespaciales, procesos

químicos y aplicaciones biomédicas. Estas aleaciones no ferrosas muestran una respuesta poderosa al

endurecimiento por envejecimiento y, en algunos casos, a los tratamientos térmicos de templado y revenido.

Las aleaciones de níquel y de cobalto, incluyendo las superlaciones, tienen buenas propiedades. Incluso

a temperaturas aún más altas. Esto, en combinación con su buena resistencia a la corrosión, hace que estas

aleaciones encuentren muchas aplicaciones en motores de aeronaves y en equipo de procesamiento químico. El

endurecimiento, incluso a altas temperaturas, se obtiene por lo general mediante endurecimiento por

envejecimiento, por solución sólida o por dispersión, debido a los carburos aleados.


Los metales refractarios son capaces de operar a las temperaturas más elevadas, aunque deben ser

quizá protegidos de la oxidación mediante atmósferas o recubrimiento. . Los metales preciosos se utilizan como

conductores en dispositivos electrónicos como catalizadores para los automóviles y en la refinación de petróleo.

Conclusiones:

LAS ALEACIONES NO FERROSAS Son aquellas que carecen de hierro o tienen un bajo nivel de éste sus

principales Características son : Alta resistencia a la corrosión, buenas propiedades de tensión, muy dúctiles,

aún a temperaturas bajas, resistencia mecánica. Entre los principales materiales pesados encontramos Estaño

Sn, Cobre Cu. Zinc (Zn), Plomo Pb,

Los metales "ligeros" Aluminio Al, Titanio y los metales ultraligeros son: Magnesio, Berilio entre otros. Estos

metales tienen múltiples aplicaciones importantes en la Electricidad y telecomunicaciones Medios de

transporte Construcción y ornamentación, monedas, múltiples aleaciones, la fabricación de espejos, tanto para

uso doméstico como para telescopios reflectores; como material estructural en aviones, automóviles, tanques,

superestructuras de buques y bicicletas Y en edificios, embalaje de alimentos, carpintería metálica, recipientes

criogénicos.; Aplicaciones médicas, etc.


ESTRUCTURAS CRISTALINAS Y SUS CONSECUENCIAS


INTRODUCCION

En la vida cotidiana el ser humano es dependiente de diversos materiales para la

construcción de sus viviendas o de los diferentes utensilios que utiliza para facilitar las

labores que realiza. Estos materiales pueden ser elementos naturales o compuestos

(mezclas homogéneas de dos o más elementos).

La unión de las moléculas de dos o más elementos puede darse de forma ordenada o

desordenada, dependiendo en gran parte de las fuerzas que intervengan en la unión de los

mismos, dando origen a materiales con una estructura cristalina o amorfa.

En el presente trabajo se describirá que son las estructuras cristalinas de los

materiales y las características principales de las mismas, así también se diferenciara de las

estructuras no cristalinas o amorfas.


ANTECEDENTES

En 1848 Auguste Bravais (físico y mineralogista francés), estableció la teoría reticular,

según la cual las moléculas de los cristales están dispuestas en redes tridimensionales.

Demostró que solo puede haber 14 tipos de redes especiales que cumplían la

condición de que cada punto tenga otro idéntico alrededor (retículos espaciales de Bravais).

Esta teoría se comprobó mas adelante atreves de la difracción de rayos x.


ESTRUCTURAS CRISTALINAS

La estructura cristalina es el concepto que describe la forma en que se organizan los átomos de un material.

Si estos átomos o iones se colocan ordenadamente siguiendo un modelo que se repite en las tres direcciones del espacio se dice que el material es cristalino si los átomos o iones se disponen en un modo totalmente aleatorio sin seguir ningún tipo de secuencia de ordenamiento estaríamos ante un material no cristalino o amorfo.

Las sustancias se pueden clasificar como amorfas o cristalinas. En el estado amorfo, los átomos se encuentran mezclados en una manera completamente desordenada, y sus posiciones no guardan relación específica con la de sus vecinos.

La estructura cristalina, por su parte, consiste de átomos dispuestos según un orden geométrico regular. La disposición varía, según veremos, de una a otra sustancia

Todos los sólidos verdaderos son de naturaleza cristalina. Este hecho explica hasta cierto punto su rigidez, ya que el ordenamiento de átomos siguiendo un patrón geométrico, hace más difícil la distorsión de la estructura de un sólido.

Si un sólido se sujeta a esfuerzos inferiores a su límite elástico, cualquier distorsión producida es temporal y, cuando se retira el esfuerzo, el sólido retornara a su forma original. Así pues, la remoción del esfuerzo conduce a la remoción de la deformación, y decimos que la sustancia es elástica. La estructura amorfa es típica de todos los líquidos, ya que los átomos se pueden mover fácilmente con respecto a los demás átomos, puesto que no se sujetan a un patrón predeterminado. Una estructura amorfa, por lo tanto no posee elasticidad sino sólo plasticidad o movilidad.

Entre las substancias amorfas se incluyen muchas que normalmente se consideran como sólidos. El vidrio es uno de ellos, por ser un líquido al que se ha obligado a pasar a su punto de congelación y, en la condición “sólido” amorfo es la brea. Nuevamente, éste es un líquido sumamente viscoso, y si colocamos un trozo de él en un recipiente y lo dejamos durante un tiempo considerable, encontraremos que gradualmente ha fluido para ajustarse a la forma del recipiente.

La viscosidad de los líquidos es una propiedad relativa, que depende de la rapidez del cambio de momento de la fuerza de desplazamiento, cuando se aplica esta última. Así pues el agua, bajo la acción de un impacto rápido se comporta en una forma similar a la brea bajo la acción de una carga continua.

Lo anterior parece sugerir que los metales, aun cuando básicamente cristalinos en su forma, contienen cierto material amorfo. Además, el desgarramiento tiene lugar más rápidamente al elevarse la temperatura y es bien sabido que los líquidos amorfos fluyen más


fácilmente a temperaturas más altas, cuando la viscosidad se reduce. Cuando un líquido puro se solidifica formando un sólido cristalino, lo hace a una temperatura fija llamada punto de solidificación. Durante el proceso de cristalización (proceso de solidificación), los átomos toman posiciones siguiendo un patrón geométrico determinado.

Los sólidos cristalinos están constituidos por minúsculos cristales individuales cada uno con forma geométrica y poseen la característica de que al romperse producen caras y planos definidos, al igual presentan puntos de fusión definidos. Como ejemplos podemos destacar: el NaCl, la sacarosa, metales y aleaciones, y también algunos cerámicos.

Los átomos o iones de un sólido se ordenan en una disposición que se repite en tres dimensiones, forman un sólido del que se dice tiene una estructura cristalina, se dice también que es un sólido cristalino o un material cristalino.

Punto reticular: ión, átomo o molécula

que se repite infinitamente

figura 1

Líneas rectas imaginarias que forman la

Celdilla unidad

figura 2

El patrón se repite en el espacio y

Forma el retículo cristalino

figura 3


El tamaño y la forma de la celda unidad pueden describirse por tres vectores reticulares a, b, c y por ángulos entre las caras y la longitud relativa de las aristas, denominados parámetros de red, constantes de red o ejes cristalográficos.

a, b, c : longitud de las aristas correspondientes a los ejes coordenados X, Y,Z.

a , b , g : ángulos entre las aristas.

figura 4

La importancia en la ingeniería de la estructura física de los materiales sólidos depende primordialmente de la disposición de los átomos, iones o moléculas que constituyen el sólido y de las fuerzas de enlace entre ellos.

Asignando valores específicos para las longitudes axiales y los ángulos intereaxiales, se pueden construir diferentes tipos de celda unidad. Los cristalógrafos han mostrado que son necesarias sólo siete tipos de diferentes de celda unidad para crear todas las redes puntuales, estos sistemas cristalinos son: el Cúbico, el Tetragonal, el Ortorrómbico, el Romboédrico, el Hexagonal, el Monoclínico y el Triclínico. La mayor parte de los sistemas cristalinos presentan variaciones de la celda unidad básica. A.J. Bravais mostró que 14 celdas unidad estándar podían describir todas las estructuras reticulares posibles. Hay cuatro tipos básicos de celdas unidad (1) Sencilla, (2) Centrada en el Cuerpo, (3) Centrada en las Caras, y (4) Centrada en la Base.

En el Sistema Cúbico hay tres tipos de celda unidad: cúbica sencilla, cúbica centrada en el cuerpo y cúbica centrada en las caras. En el Sistema Ortorrómbico hay están representados los cuatro tipos. En el Sistema Tetragonal hay solo dos: sencilla y centrada en el cuerpo. La celda unidad tetragonal centrada en las caras parece que falta, pero se puede formar a partir de cuatro celdas unidad tetragonales centradas en el cuerpo. El Sistema Monoclínico tiene celdas unidad sencilla y centrada en la base, y los Sistemas Romboédrico, Hexagonal y Triclínico tienen sólo una celda unidad.


CUBICO.- SE FORMAN CRISTALES EN FORMA CUBICA Y MANIFIESTA 3 EJES CON ARISTAS DE IGUAL MAGNITUD EN LAS 6 CARAS DEL CUBO (ORO, PLATA, NaCl).

TETRAGONAL.- FORMAN CUERPOS CON 3 EJES EN EL ESPACIO EN ANGULO RECTO CON 2 DE SUS ARISTAS DE IGUAL MAGNITUD, (HEXAEDROS CON 4 CARAS IGUALES).

ORTOROMBICO.- CUENTA CON 3 EJES EN ANGULO RECTO Y NINGUNA DE SUS ARISTAS SON IGUALES (AZUFRE, NITRATO DE POTASIO).MONOCLINICO.- FORMA CUERPOS CON 3 EJES EN EL ESPACIO, SOLO 2 EN ANGULO RECTO, CON NINGUNA ARISTA IGUAL (BORO, SACAROSA).

TRICLINICO.- CUANTA CON 3 EJES EN EL ESPACIO, NINGUNO EN LINEA RECTO, CON NINGUNA ARISTA IGUAL (CAFEINA).HEXAGONAL.- CUENTA CON 4 EJES EN EL ESPACIO, 3 COPLANARES EN ANGULO DE 60° Y EL CUARTO EN ANGULO RECTO (ZINC, CUARZO, MAGNESIO).

ROMBOEDRICO (TRIGONAL).- TIENE 3 EJES DE ANGULO SIMILAR ENTRE SI, NINGUNO RECTO Y ARISTAS IGUALES. (ARSENICO, CARBONATO DE CALCIO)


CONCLUSION

En conclusión podemos decir que la estructura de los materiales se define por el

ordenamiento y el tipo de enlace de sus iones y átomos, dando como resultado estructuras

cristalinas o amorfas. También como resultado de los enlaces se definirán otras

características como son densidad, viscosidad, elasticidad, etc.

Los tipos de enlaces se dan dependiendo de las condiciones (frio, calor, presión, etc.)

y de los tipos de elementos o materiales que estén formando el compuesto y esto puede ser

manipulado a voluntad para obtener un material con las características deseadas.

La mayoría de los materiales que utilizamos cotidianamente son compuestos

manipulados para obtener como resultante un producto que sea funcional y factible, que sirva

para la elaboración de productos que se tenían previamente definidos.

De esta forma el ser humano ha podido sacar provecho máximo de los diferentes

elementos naturales y sus propiedades, obteniendo innumerables beneficios.


BIBLIOGRAFÍA

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http://www.mitecnologico.com/Main/EstructuraCristalinaYSuConsecuenciaEnLasPropiedades

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http://www.unalmed.edu.co/~cpgarcia/geomet.pdf

Bibliografía en Libro:

Ciencia e Ingeniería de los Materiales. Donald R. Askeland; Pradeep P. Phulé. Editorial

Thomson, cuarta edición, 2004, México, D.F.

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