Aleaciones metalicas

Universidad Autónoma de Baja California Facultad de Ciencias Químicas e Ingeniería

Materiales de Ingeniería. Dr. José Heriberto Espinoza Gómez

Aleaciones Ferrosas 1

MMMAAATTTEEERRRIIIAAALLLEEESSS MMMEEETTTAAALLLIIICCCOOOSSS

Un metal es un elemento o cuerpo simple que presenta características físicas y

químicas particulares que dependen de su estructura atómica y su naturaleza. En

este curso consideraremos metales tanto a los metales puros como a sus

aleaciones.

METAL BLANCO: Aleación de color, brillo y dureza semejante a los de la plata, que

ordinariamente se obtiene mezclando cobre, níquel y zinc.

METAL MACHACADO: Oro o plata nativos que en hojas delgadas suelen hallarse

entre las rocas de los filones.

METAL PRECIOSO: Oro, plata o platino.

Las características físicas de los metales son: Elevada resistencia mecánica;

brillo denominado metálico, elevada conductividad eléctrica y calorífica; opacidad;

ductilidad y maleabilidad; acritud, aumento de la resistencia a la deformación a

medida que esta se produce. Son todos sólidos, excepto el Hg., que es líquido.

Sus características químicas son: Tendencia a perder los electrones de

valencia para transformarse en cationes; la mayoría se combina con el oxigeno para

dar lugar a los óxidos, con los ácidos forman sales.

Los metales y las aleaciones empleados en la industria y en la construcción

pueden dividirse en dos grupos principales: Materiales ferrosos y no ferrosos.

Ferroso viene de la palabra Ferrum que los romanos empleaban para el fierro o

hierro. Por lo tanto, los materiales ferrosos son aquellos que contienen hierro como

su ingrediente principal; es decir, las numerosas calidades del hierro y el acero. Los




materiales No Ferrosos no contienen hierro. Estos incluyen el aluminio, magnesio,

zinc, cobre, plomo y otros elementos metálicos.

Una Aleación, es una sustancia compuesta por dos o más metales. Las

aleaciones, al igual que los metales puros, poseen brillo metálico y conducen bien el

calor y la electricidad, aunque por lo general no tan bien como los metales por los

que están formadas. Las sustancias que contienen un metal y ciertos no metales,

particularmente las que contienen carbono, también se llaman aleaciones. La más

importante entre estas últimas es el acero. El acero de carbono simple contiene

aproximadamente un 0,5% de manganeso, hasta un 0,8% de carbono, y el resto de

hierro.

Con frecuencia las propiedades de las aleaciones son muy distintas de las de sus

elementos constituyentes, y algunas de ellas, como la fuerza y la resistencia a la

corrosión, pueden ser considerablemente mayores en una aleación que en los

metales por separado. Por esta razón, se suelen utilizar más las aleaciones que los

metales puros.

AAALLLEEEAAACCCIIIOOONNNEEESSS FFFEEERRRRRROOOSSSAAASSS

HIERRO PURO

El hierro es uno de los metales comerciales más comunes, ha estado en uso

desde los tiempos más remotos, pero no se encuentra de forma pura, a excepción de

los meteoritos, al parecer las primeras herramientas fabricadas en el antiguo Egipto

se hicieron de planchas de níquel de esta fuente. El hierro puro es suave, maleable,

dúctil y a la temperatura ambiente tiene una estructura BCC. Sin embargo, el hierro

puro es alotrópico.

La alotropía o polimorfismo consiste en diferentes estructuras cristalinas, las

cuales están en función de la presión y temperatura. A presión atmosférica, cada

forma alotrópica existe en equilibrio en un determinado intervalo de temperaturas.




El hierro tiene las siguientes formas alotrópicas.

i) Hierro alfa (hierro ): Tiene una estructura cúbica centrada en el cuerpo

(BCC) y ocurre en las siguientes dos formas:

a) Hierro alfa ferromagnético: Es estable debajo de 770°C, y de naturaleza

magnética.

b) Hierro paramagnético: Existe entre 770 y 910°C, y es de naturaleza no

magnética.

ii) Hierro gama (hierro ): Existe entre 910 y 1401°C y tiene una estructura

cúbica centrada en la cara (FCC). También se le conoce como austenita.

iii) Hierro delta (hierro ): Esta forma es estable 1401°C y 1539°C y tiene una

red cristalina cúbica centrada en el cuerpo (BCC).

En la Figura 1 se muestran las diferentes formas alotrópicas del hierro.

Cuando se permite que el hierro puro fundido se enfríe, muestra varios puntos

críticos a 1401, 910, 770 y 723°C. A estos puntos se les conoce como A4, A3, A2 y

A1. En estas temperaturas ocurren puntos de interrupción en el calentamiento y

enfriamiento a los que se conoce como puntos de detención. La temperatura de

detención (o temperatura de cambio) es ligeramente mayor durante el calentamiento

que en el enfriamiento. La temperatura límite de 1539°C a 1401°C muestra que el

hierro tiene una estructura BCC. El hierro muestra una estructura FCC y es

estable entre A4 y A3. El hierro es estable entre 910 y 770°C, pero los átomos se

reacomodan a 723°C. Debajo de los 723°C, el hierro también tiene una estructura

BCC. En la Figura 2 se muestran los diferentes puntos críticos del hierro.




(a) Estructura cúbica centrada en el cuerpo (BCC)

(b) Estructura cúbica centrada en las caras (FCC)

Figura 1. Formas alotrópicas del hierro en función de la temperatura

Hierro

Hierro

Hierro

Hierro

Hierro

1539

1401

910

770

723

650

A4

A3

A2

A1

BCC

BCC

BCC

BCC

Tiempo

Tem

pera

tura

(o C

)

Hierro

Hierro

Hierro

Hierro

Hierro

1539

1401

910

770

723

650

A4

A3

A2

A1

BCC

BCC

BCC

BCC

Tiempo

Tem

pera

tura

(o C

)

Figura 2. Puntos críticos y formas alotrópicas del Hierro.

Fe () Fierro () Fierro () hierro líquido (amorfo)

273oC 910

oC 1400

oC 1539

oC




El hierro es un metal gris, que hasta hace poco no se utilizaba puro. Todos los

hierros comerciales, excepto el hierro y el lingote de hierro electrolítico contienen

cantidades apreciables de carbono, que afectan a sus propiedades. La aleación de

hierro-carbono se clasifica en dos grupos, dependiendo del contenido de carbono

presente en la composición de la aleación. Si el contenido de carbono va de 0.008%

hasta 2%, se le conoce como acero; por otra parte si el contenido de carbono es del

2% al 4% se conoce como hierro fundido

Existen diferentes maneras de clasificar el hierro y el acero. Los métodos más

comunes son: a) conforme al método de fabricación y b) según su composición

química. Sin embargo, también pueden clasificarse en función de su resistencia a la

corrosión y de acuerdo a la AISI (American Iron and Steel Institute) o a la SAE

(Society of Automotive Engineers) Debido a que existen más de 1000 tipos de hierro

y acero, la mayoría de las clasificaciones se hace conforme a su composición

química. En el mercado, el acero se consigue en distintas formas y en los diferentes

países se utilizan muchas especificaciones. Estados Unidos, Rusia, el Reino Unido y

la India tienen sus propias especificaciones.

De acuerdo con su método de fabricación, el hierro y el acero se clasifican de

la siguiente manera:

1. Arrabio como producto del alto horno.

2. Hierro pudelado (acero)

3. El acero Bessemer.

4. El acero de hogar abierto.

5. El acero de arco eléctrico.

6. El acero de crisol.

7. El acero de inducción.

8. El hierro electrolítico.




De acuerdo con su composición química, el hierro y el acero se pueden

clasificar como sigue:

Clasificación del hierro y el

acero según su composición química

Arrabio

Hierro maleable

Hierro fundido

Fundición blanca

Fundición gris

Fundición maleable

Hierro

Acero

A partir de los minerales de hierro (hematites, magnetita y siderita), coque

(carbón) y caliza (CaCO3) como fundente, donde el primero se reduce y el segundo

actúa como agente reductor en un alto horno, ocurre lo siguiente:

Fe2CO3CO3OFe 232

El hierro de primera fusión (arrabio), se fabrica por medio de la reducción del

mineral de hierro en un alto horno y es el constituyente fundamental de todos los

tipos de hierro y acero, contiene carbono en un intervalo de 2 a 4% en peso. Al ser

fundido nuevamente el arrabio, sin ser refinado y moldearse, se obtiene el hierro

fundido.

Por otra parte, si el arrabio es refinado, se produce el hierro dulce

(0.04%<C<0.05%) y una pequeña cantidad de escoria (silicato de hierro

principalmente). También los hierros fundidos o hierros colados o simplemente

fundiciones, contienen de 2 a 4% de C y de 0.5 a 3% de Si.

Fundiciones

El hierro colado, o fundiciones, son llamados así puesto que se obtienen a

partir de ser vaciados en moldes, a diferencia de otros que se maquinan a partir de

formas preestablecidas.




Hierro maleable.

Consiste en hierro de alta pureza y silicato de hierro en asociación física.

Contiene un máximo de 0.01% de carbono con escoria distribuida en el metal base

como fibras, como se muestra en la Figura 3 (a y b, respectivamente). El hierro

maleable se produce por medio de la oxidación del arrabio, al cual se le retira el

carbono, silicio, manganeso, azufre y fósforo. El arrabio contiene cerca de 6% de

impurezas, pero el hierro maleable es casi puro.

Figura 3. a) Hierro maleable (sección longitudinal). b) Hierro maleable (sección

transversal).

Propiedades del hierro maleable: El hierro maleable es dúctil en frío y tiene

buenas cualidades de formado. Su resistencia a la corrosión es mejor que la del

acero. Se puede trabajar fácilmente y soldar a temperatura cercana a su punto de

fusión. Es posible maquinarlo con facilidad y puede retener los recubrimientos

metálicos de protección. En gran medida, las propiedades mecánicas del hierro ma-

leable dependen de la forma y perfil del producto después del trabajo mecánico. El

hierro maleable contiene una cantidad minima de impurezas, es suave y tiene poca

resistencia, por lo que tiene poco uso. La escoria imparte resistencia a la corrosión

del hierro maleable, que se utiliza, por lo general, en la forma de hojas, palanquillas,

tochos y formas estructurales.

Usos del hierro maleable




1. Debido a sus propiedades de resistencia a la corrosión y a la fatiga, se le

utiliza para fabricar barras de hierro para pernos de anclaje, remaches,

pernos para maquinas, etcétera.

2. En la manufacture de placas.

3. En aplicaciones de forjado general.

4. En la fabricación de tubos.

5. En la fabricación de cadenas, ya que se puede soldar fácilmente y posee

buena resistencia al impacto.

Hierro fundido

Es una aleación de hierro y carbono que contiene un mínimo de 2% de

carbono. Es quebradizo y no es apreciablemente maleable a cualquier temperatura.

Por lo general, se fabrica a partir de arrabio en un cubilote.

Fundición blanca

Produce una fractura blanca, por lo cual se le llama fundición blanca (Figura 4).

Proviene de una rápida solidificación, contiene carbono en la forma combinada de

(Fe3C) que lo hace duro y quebradizo; sin embargo, es resistente al desgaste y la

abrasión. Debido a su bajo costo es materia prima de fundición, es maleable pero no

maquinable. Contiene de 2.5 a 3.2% de carbono, 0.5% de aluminio y 1.5% silicio

Figura 4. Microestructura típica de fundiciones blancas (a) 100x; (b) 400x

(a)

(b)




Fundición gris

Contiene carbono en la forma libre conocida como grafito. Produce una fractura

gris debido a la presencia de grafito libre, por lo cual se le denomina fundición gris

(Figura 5). Excelente maquinado, capacidad de amortiguamiento. El contenido de

carbono va de 2.5 a 4%, 1% de aluminio y 3% de silicio.

Figura 5. Microestructura típica de

fundiciones gris (ampliación 100x)

Fundición maleable

Se fabrica mediante un proceso de tratamiento térmico especial de la fundición

blanca, calentándolo a 927oC durante periodos prolongados (50 h). En el tratamiento

térmico, la cementita se divide en grafito esferoidal (negro) en una matriz de ferrita

(blanca) para producir hierro maleable (Figura 6). Se conoce también como carbono

revenido, es dúctil, tenaz, tiene alta resistencia y tolerancia dimensional. La

composición va de 2 a 2.6% de carbono, 1.1% de aluminio y 1.16% de silicio.

Figura 6. Microestructura típica

de fundiciones maleable (ampliación

100x)




Fundición dúctil (nodular).

El hierro dúctil o nodular se obtiene mediante la introducción controlada de

magnesio inoculante para mantener bajos los porcentajes de azufre, fósforo y

oxígeno. De esta forma se obtiene una modificación en la microestructura del metal,

ya que el carbono se deposita en la matriz ferrítica en forma de esferas al contrario

de lo que ocurre en el hierro gris, en el que el carbono toma la forma de láminas.

El resultado de cambio de estructura, es un hierro mucho más fuerte, resistente a la

compresión y la abrasión, elástico (alargamiento), moldeable y maquinable. Este tipo

de fundición conserva las excelentes propiedades de resistencia a la corrosión de las

fundiciones de hierro, pero se comporta desde el punto de vista mecánico

prácticamente como el acero. La composición del hierro dúctil es de 3 a 4% de

carbono, 1.8% de aluminio, 2.8% de silicio, 0.3% de azufre y 0.1% de fósforo.

Acero

Es una aleación de hierro y carbono que, por lo general, contiene menos de 2%

de carbono con cantidades sustanciales de manganeso y silicio. Se consideran dos

categorías dependiendo de si poseen una cantidad significativa de elementos

aleables diferentes del carbono. Se considera que una composición del 5% del peso

total de adiciones distintas del carbono, es el límite entre los aceros de baja aleación

y los de alta aleación. Estas adiciones a la composición de la aleación, representan

un incremento en el costo del material, así como una mejora esencial en las

propiedades, tales como una mayor resistencia estructural o una mayor resistencia a

la corrosión.

Existen diferentes criterios para clasificar a los aceros, entre ellos podemos

considerar:




Porcentaje de carbono con el punto eutectoide

1. proeutecoide o hipoeutectoide

2. eutectoide

3. hipereutectoide

Por su porcentaje de carbono

1. bajo carbono

2. medio carbono

3. alto carbono

Por el método de manufactura

1. Horno calentado mediante combustible sólido.

2. Horno calentado mediante combustible líquido.

3. Horno calentado mediante gas.

4. Horno calentado eléctricamente.

Por el porcentaje de elementos de aleación

1. al carbón

2. aleados

a. de baja aleación

b. alta aleación

Por su resistencia a la corrosión

1. Inoxidables austeníticos

2. inoxidables ferríticos

3. inoxidables martencíticos

4. inoxidables endurecibles por precipitación

5. inoxidables duplex

Nomenclatura estandarizada

1. Instituto Americano del Hierro y el Acero (American Iron and Steel Institute, AISI).

2. Sociedad de Ingeniero de Automóviles (Society of Automotive Engineers, SAE).

3. Sistema Numérico Unificado (Unified Numbering System, UNS)

DIAGRAMA DE EQUILIBRIO HIERRO-CARBONO

En la Figura 7 a) se muestra el diagrama de equilibrio hierro-carbono. También

conocido como diagrama de constitución de hierro-cementita, indica los cambios de




fase que se presentan durante el enfriamiento de una aleación de hierro y carbono

desde la fase líquida hasta la temperatura ambiente. También establece una relación

entre los microconstituyentes y las propiedades del acero y del hierro fundido.

La composición de 2.0% de carbono es muy importante en las aleaciones de

hierro y de carbono. Una aleación que contiene menos de 2.0% de carbono se

solidifica totalmente como austenita (solución sólida de carbono en hierro ) y se le

conoce como acero. Cuando el contenido de carbono es de mas de 2.0%, la

solidificación de la aleación se termina mediante el enfriamiento de la mezcla

eutéctica y a la aleación se le conoce como hierro fundido.

El diagrama completo de constitución de hierro-cementita (Fe3C) se puede

dividir en los siguientes diagramas simples:

Transformación peritéctica: El hierro se transforma en austenita (hierro )

Transformación eutéctica: La austenita () y la cementita (, Fe3C) de forman del

líquido

Solución sólida: Se forma austenita

Transformación eutectoide: Se forma perlita




Figura 7. Diagrama de Equilibrio hierro-carbon.

i) Reacción peritéctica. el líquido de 0,53% de Carbono reacciona

con ferrita-δ (0,009%C) para formar austenita-γ (0,17%C). Tiene lugar a

1495ºC., como se muestra en BCD. La ecuación de la transformación

peritéctica se puede escribir como:

H

A B

C

D

G E

K




hierro líquido austenita ()enfriamiento

calentamiento

ii) Transformacion eutéctica. La transformacion eutéctica tiene lugar

a 1130°C con el líquido de 4,3% de Carbono se forma un agregado

bifásico (mezcla eutéctica) de austenita-γ (2,08%C) y cementita (Fe3C,

con 6,67%C). En la microestructura la austenita no es visible a la tempera-

tura ambiente, ya que solo es estable hasta los 723°C. La reacción

eutéctica se puede escribir como:

líquido austenita () + cementita ()enfriamiento

calentamiento

A la mezcla eutéctica de austenita y cementita también se le conoce

como ledeberita.

iii) Transformacion eutectoide. la austenita sólida (0,8%C) se

transforma en estado sólido para dar lugar a un agregado bifásico de

ferrita-α (0,02%C) y cementita (Fe3C, con 6,67%C). Esta reacción tiene

lugar a 723ºC. El punto H muestra el punto eutectoide. La austenita que

contiene 0.8% de carbono se convierte totalmente en perlita a 723°C. La

ecuación eutectoide se puede escribir como:

austenita () ferrita () + cementita ()enfriamiento

calentamiento

Los aceros también se clasifican de acuerdo con su composicion eutectoide

(perlita).

Al acero que contiene de 0.008% a 0.8% de carbono se le conoce como acero

proeutectoide o hipoeutectoide.




A los aceros que contienen 0.8% de carbono se les llama aceros eutectoides y

a los que contienen más de 0.8% de C y hasta 2%, se les conoce como aceros

hipereutectoides.

TRANSFORMACIONES EN LAS ESTRUCTURAS DEL ACERO DURANTE EL

ENFRIAMIENTO

Una aleacion que contiene 0.4% de carbono se transforma a hierro <5a lo largo

de AD. Se forman dendritas de hierro Sy el líquido remanente finalmente es rico en

carbono (composicion mostrada por la S).

Despues, los cristales solidos reacciónan con el líquido para formar la austenita

de la composicion C. La difusion del carbono ocurre durante el enfriamiento y la

aleacion permanece completamente austenitica hasta que se enfria a la linea HI. En

este punto, la austenita se transforma en ferrita y la solucion solida remanente de

austenita se enriquece con carbono hasta que se al-canza el punto H, en el cual la

austenita se transforma en perlita y finalmente la estructura consiste en 50% de

ferrita y 50% de perlita.

Una aleacion que contiene 0.65% de carbono co-mienza a solidificarse a lo

largo de DF y se solidifica en una solucion solida (austenita, o hierro y). El en-

friamiento adicional se efecnia como se explico antes para el acero con 0.4% de

carbono y las aleaciones muestran perlita embebida en ferrita a la temperatura

ambiente. Una aleacion que contiene 0.8% de carbono se transforma completamente

de austenita en perlita a 723 °C.

Una aleacion que contiene 1.5% de carbono se solidifica como solucion solida

en el nucleo. Al alcanzar la linea GH, se eyecta la cementita y la aleacion residual se

convierte en un material excesivamente pobre en carbono hasta que alcanza el

punto H. En este punto, la austenita se transforma en perlita y ocurre la yuxtapo-

sicion entre la perlita y la cementita, que es la estructura que se muestra en el

microscopio.

La solidificacion de una aleacion que contiene 3.0% de carbono se inicia a la

temperatura en la cual sesepara la solucion solida de austenita. La separacion

enriquece la fundicion con carbono hasta que contiene 4.3% de carbono a 1 130 °C.




Aesta temperatura, todo el líquido se solidifica en una estructura caracteristica co-

nocida como ledeberita. A 723 °C, la austenita cambia a perlita y la aleacion muestra

perlita y cementita como microconstituyentes.

Una aleacion que contiene 4.3% de carbono es total-mente liquida arriba del

punto E. En el punto eutectico (4.3% de carbono), el líquido se solidifica en hierro

fandido para formar ledeberita.

Consideremos la solidificacion de hierro fundido que contiene 5.5% de carbono.

La aleacion es total-mente liquida arriba de la temperatura t2. A esta temperatura, la

cementita se separa y el líquido se vuelve crecientemente pobre en carbono hasta

que contiene 4.3% de carbono correspondiente al punto E. A esta temperatura, el

metal se solidifica completamente como ledeberita. La aleacion consiste en

ledeberita y cementita hasta 723 °C. Debajo de 723 °C la austenita que ya se

encuentra presente en la ledeberita, se transforma en perlita y los

microconslituyentes a la temperatura ambiente presentes en el hierro fundido

hipereutectico consisten en perlita y cementita.

Porcentaje de carbono de acuerdo con el punto eutectoide (perlita).

Acero Eutectoide.

El acero eutectoide se obtiene de forma análoga al enfriamiento de una

aleación de composición eutéctica (de donde se deriva su nombre). A temperaturas

por encima de 727oC, la aleación tiene una estructura austenítica (hierro ), que no

se modifica hasta llegar al punto eutectoide, al pasar por dicho punto, se lleva a cabo

la reacción eutectoide en la que se forman las fases ferrita (hierro ) y cementita

(Fe3C). En este punto, las tres fases de la reacción previa tienen distintas

composiciones, por lo que es necesaria una difusión de los átomos de carbono, lo

cual da lugar a una microestructura formada por láminas alternadas de las fases

austenitica y cementita. En 1864 Sorby bautizo a esta nueva fase como perlita,

también conocida domo acero eutectoide. Los aceros eutectoides son aquellos en

los que la fase austenítica sólida tiene composición del eutectoide 0.77 % (Figura

4.2). Inicialmente la microestructura de la fase γ es muy sencilla con granos

orientados al azar (punto a de la línea xx’). Al enfriar se desarrollan las dos fases




sólidas Fe-α y cementita. Esta transformación de fases necesita la discusión del

carbono ya que las tres fases tienen composiciones diferentes. Para cada grano de

austenita se forman dos fases con láminas de ferrita y otras de cementita y relación

de fases de 9:1, respectivamente (punto b de la línea xx’). Las orientaciones entre

grano son al azar. Esta microestructura de ferrita y cementita (Figura 4.2) se conoce

como perlita, y el nombre deriva de la apariencia de madreperla bajo el microscopio

(Figura 4.3). Mecánicamente, las perlitas tienen propiedades intermedias entre la

blanda y dúctil ferrita y la dura y quebradiza cementita.

Figura 4.2 Representación esquemática de la microestructura de un acero eutectoide (0.77%)




Acero Hipoeutectoide.

Los aceros hipoeutectoides son aquellos en los que la fase austenítica sólida

tiene un contenido en carbono inferior a la del eutectoide 0.77 %. Los cambios en la

microestructura de un acero de esta composición se dan en la Figura 4.4. Para T ≈

875 °C, la microestructura de la fase γ es homogénea con granos orientados al azar

(punto c de la línea yy’). Al enfriar se desarrolla la fase α y nos encontramos en una

región bifásica α + γ (punto d de la línea yy’). En este punto se ha segregado un poco

de fase α, al bajar en temperatura (punto e de la línea yy’) aumenta el contenido en

fase α (aunque la proporción depende de la composición inicial del acero

hipoeutectoide). La mayor cantidad de fase α se forma en los límites de grano de la

fase inicial γ. Al enfriar pasamos a través de la temperatura del eutectoide al punto f

de la línea yy’. En esta transformación de fases, la ferrita no cambia prácticamente y

la austenita que queda se transforma en perlita dando la microestructura

característica de los aceros hipoeutectoides (Figura 4.5). La ferrita de la perlita se

denomina ferrita eutectoide (formada a la temperatura del eutectoide, y proveniente

de los granos que restaban de la austenita), la ferrita formada antes del eutectoide

(en los límites de grano de la austenita) se denomina ferrita proeutectoide. En la

perlita la relación de fases es ≈ 9:1, pero en los aceros hipoeutectoides la relación

perlita y ferrita proeutectoide depende del porcentaje inicial de carbono. Esta

microestructura siempre se observa en los aceros hipoeutectoides si han sido

enfriados lentamente y son los más comunes.




Figura 4.4 Representación esquemática de las microestructuras de un acero hipoeutectoide

Acero hipereutectoide.

Los aceros hipereutectoides son aquellos en los que la fase austenítica sólida

tiene un contenido en carbono entre 0.77 y 2.11 %. Los cambios en la

microestructura de un acero de esta composición se dan en la Figura 10.6. Para T ≈

900 °C, la microestructura de la fase γ es homogénea con granos orientados al azar

(punto g de la línea zz’). Al enfriar se desarrolla la cementita y nos encontramos en

una región bifásica γ + cementita (punto h de la línea zz’). La cementita se comienza




a formar en los límites de grano de la austenita. Esta cementita se denomina

cementita proeutectoide ya que se ha formado antes de que se de la reacción del

eutectoide. Al descender por debajo de la temperatura eutéctica, toda la austenita

remanente de composición eutectoide se transforma en perlita (punto i de la línea

zz’). Por tanto la microestructura es perlita y cementita proeutectoide (Figura 4.7).

En la transformación de la austenita se forma, además de perlita, un constituyente

denominado bainita. La microestructura bainítica consta de las fases ferrita y

cementita, pero formando agujas o placas según la temperatura de la

transformación. La temperatura de la transformación es menor que la de la perlita.

Las transformaciones perlítica y bainítica compiten entre sí. La transformación en

otro microconstituyente es solo posible si se calienta la aleación. Si un acero con

microestructura perlítica se calienta a una temperatura inferior a la del eutectoide

durante un tiempo largo (p. ej., T = 700 °C t = 18 - 24 h) se forma una nueva

microestructura denominada esferoidita, que es cementita globular o esferoidal

(Figura 4.8). Las partículas de Fe3C aparecen como pequeñas esferas incrustadas

dentro de la matriz ferrítica-α. Esta transformación tiene lugar mediante la difusión

del carbono pero sin cambiar las proporciones relativas de la fase ferrita y cementita.

En los casos descritos anteriormente se discuten las fases y microestructuras

presentes si el enfriamiento es suficientemente lento y se pueden ajustar las fases a

las composiciones de equilibrio. En muchos casos estas transformaciones son tan

lentas como impracticables e innecesarias. En estos casos se prefieren las

condiciones de no equilibrio. Además, la presencia de otros elementos aleantes

modifican mucho la regiones de estabilidad de las diferentes fases en el sistema Fe-

C. Por ejemplo, el enfriamiento rápido (temple) hasta una temperatura próxima a la

ambiente del acero austenizado origina una microestructura denominada

martensítica (Figura 4.9). Esta resulta como una estructura de no equilibrio de la

transformación de la austenita pero sin difusión de carbono, y tiene lugar al enfriar

muy rápidamente para evitar la difusión del carbono. Se puede considerar como una

transformación competitiva a la de perlita y bainita. Aunque esta transformación no

es muy bien conocida se sabe que se transforma desde austenita CCC hasta

martensita TCI. Los átomos de carbono permanecen como soluto intersticial dentro




de la estructura tetragonal sin que se segregue el carbono en forma de cementita.

Este sólido sobresaturado se transforma rápidamente a otras estructuras más

estables si se calienta, pero a temperatura ambiente es estable casi indefinidamente.

Al igual que los aceros las fundiciones se pueden clasificar como fundiciones

eutécticas, cuando el contenido en carbono es del 4.3 % en peso, fundiciones

hipoeutécticas cuando el contenido en carbono es menor y fundiciones

hipereutécticas cuando el contenido en carbono es mayor. Según el diagrama de

fases, las fundiciones funden a temperaturas entre 1150 y 1300 °C

considerablemente más baja que la de los aceros (del orden de 1500 °C). Por tanto

funden y se moldean con mayor facilidad y de ahí el nombre que reciben. Sin

embargo, las fundiciones se clasifican más por el estado en que se encuentra el

carbono. Ya se ha comentado que la cementita es metaestable y desompone para

dar ferrita y grafito. En enfriamiento lento y la presencia de algunos elementos

(principalmente el silicio con una concentración superior al 1 %) favorecen este

proceso y la presencia de otros elementos y los enfriamientos rápidos lo impiden.

Las propiedades mecánicas de las fundiciones dependen de la composición y del

tratamiento térmico.




Figura 4.6 Representación esquemática de las

microestructuras de un acero hipereutectoide

El acero puede clasificarse de acuerdo al porcentaje de carbono en acero al

bajo carbono, acero al medio carbono y acero al alto carbono.

Aceros suaves (bajo carbono).

Estas son aleaciones de hierro y carbono con un contenido de carbono de 0.08

a 0.30%. Los aceros suaves no se pueden endurecer mediante calentamiento




térmico, es decir, no responden al tratamiento térmico para dar martensita y su

incremento en la resistencia se consigue por trabajo en frío. pero tienen buena

maquinabilidad. Su microestructura está formada por ferrita y perlita por lo que son

aleaciones relativamente suaves y débiles pero con extraordinaria ductilidad y

tenacidad. Además son fáciles de maquinar y soldar. Debido a que son fáciles de

maquinar y soldar, el acero suave se utiliza para fabricar alambres, tuercas, pernos,

clavos, remaches, hojas, placas, tubos, varillas, tornillos, secciones de acero

estructural, flechas de acero de propósito general, etcétera.

Aceros al medio Carbono

El acero al medio carbono, que contiene 0.3 a 0.6% de carbono, es mas fuerte

que el acero suave, posee mayor dureza y resistencia a la tensión, pero menos

ductilidad. Tiene baja capacidad al endurecimiento y solo pueden tratarse

térmicamente en secciones delgadas mediante austenización, temple y revenido. Su

microestructura suele estar formada por martensita revenida. Son

Estos aceros se pueden rolar, forjar y soldar fácilmente, son aceros más

resistentes pero menos dúctiles y maleables que los de bajo carbono. Los aceros al

medio carbono se utilizan en aquellas aplicaciones que requieren combinar

resistencia, resistencia al desgaste y tenacidad, por lo que son empleados para

fabricar tuercas, pernos, tornillos, ejes, forjas por golpe, diferentes secciones de

acero, tubos de alta tensión, forjas grandes, matrices, alambres, cables, martillos,

componentes agrícolas, ruedas para locomotoras, resortes, etcétera.

Aceros al alto carbono

A las aleaciones de hierro que contienen de 0.6 a 2% de carbono se les conoce

como aceros al alto carbono. La resistencia del acero aumenta con el incremento de

carbono y alcanza un máximo en 0.8% de carbono. De ahí en adelante tiene lugar un

pequeño incremento de dureza, pero la resistencia comienza a disminuir. Este tipo

de acero casi siempre se utilizan templados y revenidos por lo que son más

resistentes y menos dúctiles que el resto de los aceros al carbono.




La ductilidad y la maquinabilidad del acero disminuyen con el aumento del

contenido de carbono. Estos aceros responden muy bien al tratamiento térmico y sus

propiedades mecánicas se pueden alterar de manera apreciable con diferentes

operaciones de tratamiento térmico. Por ello, se utilizan extensamente para fabricar

herramientas para el trabajo de la madera y de corte de metales, matrices y

troqueles para prensado, matrices de forja, brocas pequeñas, pequeños

escariadores, limas de mano, resortes, punzones, etcétera.

Sistemas de designación AISI / SAE Y UNS y tramos de composición para

aceros al carbono y aceros de baja aleación

NUMEROS

SAE

TIPO DE ACERO PORCENTAJES APROXIMADOS DE ELEMENTOS

DE ALEACION

10XX

11XX

12XX

AL CARBONO

No resulfurizado (1% máximo de Mn)

Resulfurizado (bajo fósforo)

Resulfurizado, refosforizado

Sin alear

Sin alear

Sin alear

13XX

23XX

25XX

31XX

32XX

33XX

34XX

40XX

41XX

43XX

44XX

46XX

47XX

48XX

ALEADOS

Mn

Ni

Ni

Ni-Cr

Ni-Cr

Ni-Cr

Ni-Cr

Mo

Cr-Mo

Ni-Cr-Mo

Mo

Ni-Mo

Ni-Cr-Mo

Ni-Mo

Cr

Mn 1.75%

Ni 3.50%

Ni 5.00%

Ni 1.25%-Cr 0.60%

Ni 1.75%-Cr 1.07%

Ni 3.50%-Cr 1.50%

Ni 3%-Cr 0.77%

Mo (0.20% 0 0.25%)

Cr (0.50%, 0.80% o 0.95%)-Mo (0.12%, 0.20% o

0.30%)

Ni 1.83%, Cr(0.5 o 0.8%), Mo 0.25%

Mo 0.53%

Ni (0.85 o 1.83%)-Mo (0.20 o 0.25%)

Ni 1.05%-Cr 0.45%-Mo (0.20 o 0.35%)




50XX

51XX

50XXX

51XXX

52XXX

61XX

71XXX

72XX

81XX

86XX

87XX

88XX

92XX

93XX

94XX

97XX

98XX

Cr

Cr

Cr

Cr

Cr-V

W-Cr

W-Cr

Ni-Cr-Mo

Ni-Cr-Mo

Ni-Cr-Mo

Ni-Cr-Mo

Si-Mo

Ni-Cr-Mo

Ni-Cr-Mo

Ni-Cr-Mo

Ni-Cr-Mo

Ni 3.5%-Mo 0.25%

Cr 0.40%

Cr (0.80%, 0.93%, 0.95% o 1.00%)

C 1.04%-Cr 0.50%

C 1.04%-Cr 1.02%

C 1.04%-Cr 1.45%

Cr (0.60 o 0.95%)-V(0.13 o 0.15%)

W 1.75%-Cr 0.75%

Ni 0.55%-Cr 0.50%-Mo 0.20%

Ni 0.55%-Cr 0.50%-Mo 0.25%

Ni 0.55%-Cr 0.50%-Mo 0.35%

Si 2%-Mn 0.82%-Cr(0.00%, 0.65%)

Ni 3.25%-Cr 1.2%-Mo 0.12%

Ni 1.00%-Cr 0.80%-Mo 0.25%

302XX

303XX

304XX

405XX

410XX

INOXIDABLES

Cr-Ni

Cr-Ni

Cr-Ni

Cr

Cr

Aplicaciones típicas e intervalo de propiedades mecánicas de aceros al

carbono y templados en aceite y revenidos

Intervalo de propiedades mecánicas

Numero

AISI

Numero

UNS

Resistencia a la

tracción

[psi x 103 (Mpa)]

Limite elástico [psi x

103 (Mpa)]

Ductilidad

(%El en

2pulg.)

Aplicaciones típicas

ACEROS AL CARBONO

1040 G10400 88-113 (605-80) 62-85 (430-585) 33-19 Cigüeñales, pernos




1080a

1095 a

G10800

G10950

116-190 (800-1310)

110-186 (760-1280)

70-142 (480-980)

74-120 (510-830)

24-13

26-10

Cinceles, martillos

Cuchillos, hojas de sierra

ACEROS ALEADOS

4063

4340

6150

G40630

G43400

G61500

114-345 (786-2380)

142-284 (980-1960)

118-315 (815-2170)

103-257 (710-1770)

130-228 (895-1570)

108-270 (745-1860)

24-4

21-11

22-7

Muelles, herramientas

Casquillos, tubos para

aviación

Ejes, pistones, engranajes

MICROCONSTITUYENTES DEL HIERRO Y DEL ACERO

A continuación se exponen los diferentes microconstituyentes presentes en el

hierro y en el acero.

i) Ferrita. También se le conoce como hierro y contiene un

máximo de 0.025% de carbono en solución sólida. Es estable debajo

de la temperatura crítica superior, tiene una estructura BCC y es suave,

maleable y dúctil. Su dureza varía de 60 a 90 BHN (dureza Brinell).

Morfología equiaxial (ampliación 100x)

Estructura de Widmanstätten. (ampliación 100x)

ii) Cementita. Es un carburo de hierro (Fe3C) que contiene

6.67% de carbono. Su dureza varía de 650 a 700 VPN (Dureza de

Vickers) y la resistencia última a la tensión es de 4500 a 5000 N/cm2.




Es quebradizo y muestra microconstituyentes blancos brillantes cuando

se observa con un microscopio.

Micrografía de la cementita

(ampliación 100x)

iii) Perlita. Esta formada por laminas alternas de ferrita y

perlita y se puede considerar como una mezcla eutectoide de ferrita y

cementita. Contiene aproximadamente 0.8% de carbono en hierro y es

estable debajo de la temperatura critica inferior. Es el constituyente

mas fuerte del acero, tiene una dureza de aproximadamente 180 VPN,

resistencia a la tensión de 9000 a 9400 N/cm2, con aproximadamente 6

a 8% de elongación. Su nombre se deriva de la madreperla debido a

que tiene apariencia de perla cuando se observa con un microscopio.

Micrografía de la Perlita

(ampliación 400x)

iv) Austenita. Es una solución sólida de carbono en hierro,

que tiene una estructura FCC y es estable por arriba de la temperatura

crítica superior. La máxima solubilidad del carbono en el hierro es 2% a

1130 oC. Consiste en granos poliédricos que se muestran dobles. Es

tenaz, no magnética, maleable y dúctil.




Los átomos de hierro

se presentan en color gris,

mientras que los átomos

de carbono son de color

azul. Los átomos de

carbono aparecen como

defecto intersticial.

v) Martensita. Se obtiene cuando el acero se enfría

súbitamente desde el estado austenítico a la temperatura ambiente. Se

forma por la operación de endurecimiento del acero. Tiene una dureza

de aproximadamente 750 VPN. Se puede decir que es una solución

sobresaturada de carbono en hierro, lo que le da una estructura

semejante a agujas. Es magnética y quebradiza.

Micrografía de la Martensita

(ampliación 400x)

vi) Troostita. Es una perlita muy fina que se encuentra en los

aceros enfriados a menor velocidad desde la temperatura de

endurecimiento que la permitida para la formación de martensita.

También se produce templando martensita entre 200 y 450°C. En

microscopios de alta potencia aparece como un laminado de ferrita y

cementita. Difiere de la perlita solo en el grado de finura.

vii) Sorbita. Se produce templando aceros al carbono

simplemente endurecidos entre 450 y 630°C. En general se encuentra




en los aceros estructurales tratados térmicamente, como bielas, ejes y

cigüeñales, sujetos a esfuerzos dinámicos.

viii) Esferoidita. Para suavizar los aceros endurecidos al aire y

llevar a cabo operaciones de maquinado, los aceros se calientan justo

debajo de la temperatura critica inferior (640 a 690°C). La cementita se

convierte en pequeñas esferas redondeadas conocidas como

esferoiditas. A la operación de producción de esferoides se le conoce

como esferoidizado.

ix) Ledeberita. Es una eutéctica de hierro y carbono que

contiene 4.3% de carbono y es estable debajo de 1130°C. Esta

formada de ferrita y cementita.

x) Bainita. Tiene una estructura parecida a agujas y se

encuentra en los aceros aleados. Se parece a la martensita. Durante el

tratamiento térmico, la bainita inferior se forma a 325°C y la bainita

superior a 400°C. La estructura de la bainita inferior es de alguna

manera similar a la martensita ligeramente templada.

ACEROS INOXIDABLES

Aceros resistentes a la corrosión y al calor. Ciertas aleaciones de hierro y cromo

poseen resistencia a la corrosión y a la oxidación a temperaturas elevadas y

mantienen una resistencia considerable a esas temperaturas. Estas aleaciones a

veces contienen níquel y pequeños porcentajes de silicio, molibdeno, tungsteno,

cobre y otros elementos.

Este vasto y complejo grupo de aleaciones se conoce como aceros inoxidables y,

normalmente se clasifican en los siguientes grupos:




Aceros inoxidables ferríticos: son aleaciones con bajo contenido de carbono , que

no se templan y con contenido de hasta 27% de cromo. Tienen buena resistencia

mecánica, tienen estructura CC, ductilidad moderada, son resistentes a la corrosión,

conformabilidad aceptable.

Aceros inoxidables martensíticos: son aleaciones templables con contenido de

hasta 18% de cromo (bajos en cromo), esto permite que varíe el nivel de carbono, lo

que produce martensita con diferentes durezas. Al combinar dureza, resistencia

mecánica y resistencia a la corrosión, genera un material de muy alta calidad.

Aceros inoxidables austeníticos: estos contienen níquel y cromo, la austenita

tiene como estabilizador al níquel, este hace que crezca el tamaño del campo de

austenita y casi elimina la ferrita, prácticamente todo es de austenita. Tienen buena

ductilidad, conformabilidad y resistencia a la corrosión. No son ferromagnéticos.

Aceros inoxidables endurecidos por precipitación (PH): Por el calentado y

templado se obtienen buenas propiedades mecánicas con bajos contenidos de

carbono. Le deben sus propiedades al endurecimiento por solución sólida, por

envejecimiento, etc.

Aceros inoxidables dúplex: En su estructura tiene mezclas de fases, se obtienen

con un control justo de la composición y el tratamiento térmico con la mitad de ferrita

y austenita. Sus propiedades son: resistencia a la corrosión, conformabilidad y

soldabilidad.

Designaciones, composiciones, propiedades mecánicas y aplicaciones típicas para

los aceros inoxidables ferríticos, austeníticos, masrtensiticos y endurecidos por

precipitación




COMPOSICIÓN (% EN PESO) A

PROPIEDADES MECÁNICAS

Numero

AISI

Numero

UNS

C

Cr

Ni

Otros

Condiciones

Resistencia

a la tracción

[psi x 103

(Mpa)]

Limite

elástico

[psi x 103

(Mpa)]

Ductilida

d (%El

en

2pulg.)

Aplicaciones muy

corrientes

Ferríticos

409

446

S40900

S44600

0.08

0.20

11

25

1.0 Mn

0.75 Ti

1.5 Mn

Recocido

Recocido

65(448)

80(552)

35(240)

50(345)

25

20

Tubos de escape

Válvulas(alta

temperatura

moldes de vidrio)

Austeníticos

304

316L

S30400

S31603

0.08

0.03

19

17

9

12

2.0 Mn

2.0 Mn

2.5 Mo

Recocido

Recocido

85(586)

80(552)

35(240)

35(240)

55

50

Industria

alimentaria

Estructuras

soldadas

Martensítico

410

440A

S41000

S44002

0.15

0.70

12.5

17

1.0 Mn

1.0 Mn

0.75Mo

Recocido Q y T

Recocido Q y T

70(483)

140(965)

105(724)

260(1790)

40(275)

100(690)

60(414)

240(1655)

30

23

20

5

Cañones de rifles

Cuchillería

instrumental

quirúrgico

Precipitación

17-7PH

S17700

0.09

17

7

1.0 Mn

1.0 Al

Solución tratada

Precipitación

130(897)

215(1480)

40(275)

195(1345)

35

9

Cuchillos, muelles

ACEROS ALEADOS PARA FABRICAR HERRAMIENTAS Y MATRICES




Los aceros para fabricar herramientas se pueden da-sificar en seis grupos: i)

endurecimiento al agua, ii) proposito especial, iii) resistentes al impacto, iv)

trabajo en frio, v) trabajo en caliente y vi) aceros de alta velocidad.

Los aceros para endurecimiento al agua, que se utilizan para limas, brocas

helicoidales, cinceles, mar-tillos, etcétera, contienen 0.7 a 1.0% de carbono.

El acero para herramientas resistente al impacto contiene uno o mas

elementos de aleacion, como manganeso, cromo, tungsteno, silicio y molibdeno.

Un acero para herramientas resistente al impacto que se utiliza comunmente

contiene 0.5% de carbono, 2% de cromo y 0.5% de tungsteno. Estos aceros se

utilizan para fabricar picos para corte de carbon, cinceles en frio, cinceles

neumaticos y punzones.

Los aceros para herramientas de trabajo en frio contienen manganeso,

tungsteno y cromo como principales elementos de aleacion.

Los aceros para trabajo en caliente contienen tungsteno, molibdeno y cromo

como elementos de aleacion. Los aceros que mas se emplean para trabajo en

caliente contienen 0.3% de carbono, 10% de tungsteno, 3% de cromo, 0.3% de

molibdeno y 0.3% de vanadio. Se utilizan para estirado en caliente, extrusion de

forjaen caliente, matrices para fundir aluminio, bronce, zinc.y sus aleaciones.

Los aceros de alta velocidad contienen tungsteno, molibdeno, cromo, vanadio

y cobalto como elementos de aleacion.

Los aceros para herramientas de proposito especial contienen una variedad

de aleaciones como niquel, tungsteno, molibdeno, cromo y vanadio. Estos aceros

se utilizan para propositos especiales, como aceros inoxi-dables y resistentes al

calor.

ACEROS PARA CINCELES

De acuerdo con las condiciones en las que se vayan a utilizar los cinceles, los

aceros que se usan para fabricarlos se pueden clasificar en: i) acero para

cinceles para trabajo en frio y ii) aceros para cinceles para trabajo en caliente.

ACEROS NO CONTRACTILES




Estos aceros muestran poco cambio de volumen despues del estado recocido

cuando se endurecen y tern-plan a bajas temperaturas. El acero no contractil mas

economico contiene 0.9% de carbono y aproximadamente 2% de manganeso. Un

mejor acero contiene 1% C, 0.95% Mn, 0.5% W, 0.75% Cr y 0.2% V

Estos aceros, que se endurecen mediante enfriamiento en aceite de 780 a 800

°C y templados a 200 a 245 °C, son adecuados para fabricar calibradores

maestros de herramientas y matrices, ya que no cambian de tamano cuando se

endurecen despues del maquinado en la condicion de recocido.

ACERO PARA HERRAMIENTAS DE ACABADO

Estos son aceros especiales que se emplean para obtener un acabado

superficial muy liso en ciertos articulos. Aunque los aceros de alta velocidad son

eficientes para realizar cortes pesados, no son adecuados para dar un buen

acabado superficial. Los aceros para herramientas de acabado contienen 1.1 a

1.4% de carbono, 4% de tungsteno, 0.7 a 15% de cromo y 0.3% de vanadio. El

tratamiento térmico de estos aceros consiste en precalentamiento a 650 °C,

seguido de endurecimiento en agua de 820 a 840 °C. Inmediatamente despues

se templan a 180 a 200 °C. El recocido de estos aceros se realizaa780°C.

Estos aceros se utilizan para fabricar brocas he-licoidales, machuelos, fresas,

matrices de embutido, herramientas para barriles de canones, cilindros

perforadores y tubos de expansion.

ACERO PARA MATRICES EN FRIO

Los aceros que mas se emplean para fabricar matrices en frio contienen 1%

de carbono, 1% de manganeso, 0.5% de cromo. Los aceros de alta velocidad que

contienen 6% de tungsteno y 6% de molibdeno son adecuados para temperaturas

medias de trabajo. El acero al alto carbono alto cromo contiene 2% de carbono y

12 a 13% de cromo. Se endurece en aceite desde 950°C y se templa a 480 oC

por 2 horas. Este acero, que se utiliza para fabricar matrices para corte de discos,

acunado, rolado, roscado y forja de golpe para formas intrincadas, tiene buena

resistencia a la oxidacion a alias temperaturas, alta dureza y bucnas propiedades




de resistencia al desgaste. Despues del templado, el acero para matrices en frio

da una estructura martensitica.

ACERO PARA FABRICAR MATRICES PARA TRABAJO EN CALIENTE

Para obtener diferentes formas, los matcriales se someten a muchas

operaciones de trabajo en caliente. Las herramientas que se utilizan para dar

forma a materiales que se encuentran a alta temperatura se calientan debido al

contacto con ellos y pierden dureza. For lo tanto, los aceros perliticos o simples al

carbono tienden a suavizarse demas durante el servicio. Para superar esta

dificultad, el acero para matrices en caliente que mas se emplea contiene 0.3 a

0.4% de carbono, 10% de tungsteno, 3% de cromo, 0.3% de molibdeno y 0.3%

de vanadio. El recocido de estos aceros, quese endurecen al aceite a 1 150 °C y

se templan a 570 °C, se efectua a 850 °C.

Los aceros para matrices en caliente se utilizan para embutido en caliente,

forja en caliente, matrices de extrusion y matrices para fundicion a presion de

aluminio, bronce y aleacioncs de zinc.

HOJAS PARA CORTE

Los aceros que se utilizan para fabricar hojas de corte se pueden clasificar

ampliamente en dos clases princi-palcs: a) trabajos de corte en frio y b) trabajos

de corte en caliente.

TRATAMIENTO TÉRMICO DE LOS ACEROS DE ALTA VELOCIDAD

Los principales constituyentes de los aceros de alta velocidad son el

tungsteno, cromo, carbono y vanadio. Aunque estos aceros se desarrollaron en

1860, su uso real se inicio en 1900 cuando Taylor y White desarrollaron el

precursor de los modernos aceros de alta velocidad.

Los aceros de alta velocidad resisten templado de hasta 600 °C y son

capaces de cortar a velocidades de 80 m/min, con la nariz a una temperatura de

rojo apagado. Junto con el tungsteno, el cromo y el vanadio son otros elementos




que se agregan frecuentemente a los aceros de alta velocidad para mejorar las

capacidades de maquinabilidad.

El vanadio mejora las cualidades de corte de los aceros de alta velocidad y

aumenta la tendencia de endurecirniento al aire. El cobalto en los aceros de

super alta velocidad permite utilizar una mayor temperatura de endurecimiento.

En estos aceros se observa una dureza secundaria.

ALEACIONES NO FERROSAS

· Base de la aleación: Cu

Se emplean ampliamente en la industria debido a que presentan alta

conductividad térmica y eléctrica. Los ejemplos más significativos son:

El latón es una aleación de cobre en la que el cinc es un constituyente importante, el

bronce es una aleación de cobre que contiene estaño o algún otro elemento como

fósforo o aluminio como constituyente esencial.

Bronce: (cobre - estaño)

Dependiendo de los porcentajes del estaño, se obtienen bronces de distintas

propiedades. Con un bronce de 5-10% de estaño se genera un producto de máxima

dureza (usado en el pasado para la fabricación de espadas y cañones).

El bronce que contiene entre 17-20% de estaño tiene alta calidad de sonido, ideal

para la elaboración de campanas, y sobre un 27%, una óptima propiedad de pulido y

reflexión (utilizado en la Antigüedad para la fabricación de espejos).

En la actualidad, las aleaciones de bronce se usan en la fabricación de bujes,

cojinetes y descansos, entre otras piezas de maquinaria pesada, y como resortes en

aplicaciones eléctricas.

Latón: (cobre - zinc)

El latón es blando, fácil de tornear, grabar y fundir. Es altamente resistente al

ambiente salino, por lo cual se emplea para accesorios en la construcción de barcos.




Existe una gran variedad de aleaciones de latón. Las más comunes contienen 30-

45% de zinc, y se aplican en todo tipo de objetos domésticos: tornillos, tuercas,

candados, ceniceros y candelabros.

Tanto el cobre, el bronce y latón son aptos para los diversos tratamientos de

dorado y plateado.

· Base de la aleación: Al

Se caracterizan por una baja densidad (2.7 g/cc comparada con 7.9 g/cc del

acero), altas conductividades eléctricas y térmicas y resistencia a la corrosión en

algunos ambientes incluyendo el atmosférico. Son muy dúctiles y ello es

aprovechado para conformarlos fácilmente tales como las técnicas de enrollado. Su

estructura interna FCC permite que su ductilidad se mantenga aun a temperaturas

baja. La principal limitación del aluminio es su baja temperatura de fusión (660ºC) lo

cual restringe su uso por debajo de esta temperatura.

La resistencia mecánica del aluminio se puede alcanzar por trabajo en frío o por

aleaciones, sin embargo ambos procesos tienden a disminuir su resistencia a la

corrosión. Los principales elementos aleantes son Cu, Mg, Si, Mn, y Zn.

Se usan en partes de aviones, recipientes para gaseosas enlatadas, cuerpos de

buses y partes de automóviles (pistones).

Se utilizan en la fabricación de pomos. Dado que son aleaciones livianas pueden

utilizarse en construcción aeronáutica (duraluminio:95,5% Al, 3% Cu, 1% Mn, 0,5%

Mg) y en fabricación de barcos (hidronalio: 90% Al, 10% Mg) siendo además muy

resistentes a la corrosión del agua de mar.

· Base de la aleación: Pb

Son muy dúctiles y se deforman progresivamente. Las aleaciones de Pb y Sn se

emplean para soldaduras. El plomo aleado con otros metales aumenta su dureza.

Con Sn, Cd y Bi forman aleaciones fácilmente fusibles (para poder emplearlas para

soldar debe disminuir el punto de fusión de la aleación




ALEACIONES DE MAGNESIO

El Magnesio es más ligero que el Aluminio, con una densidad de 1.74 g/cm3. Las

aleaciones contienen habitualmente Al, Zn, Mn, algunas tierras raras. Aunque las

Aleaciones de Magnesio no son tan resistentes como las de Aluminio, sus relaciones

resistencia-peso son comparables. Químicamente las aleaciones de magnesio son

relativamente inestables y especialmente susceptibles a la corrosión marina y

razonablemente resistentes en condiciones atmosféricas. Las aleaciones de

magnesio se clasifican en moldeables y hechurables y algunas tierras raras son los

principales elementos de aleación. Las aleaciones de Magnesio hechurables se

utilizan en piezas extrusionadas sometidas a grandes esfuerzos, partes de misiles y

aviones a temperaturas de 425°C, piezas forjadas de máxima resistencia. Las

aleaciones de Magnesio moldeables se utilizan en piezas fundidas no porosas a la

presión , piezas fundidas no porosas a la presión para ser usadas entre 175 y 250°C,

partes de automóviles, cortadoras de césped, maletas.

Debido a que la característica más importante del magnesio es la densidad (1.7

g/cc), la cual es la mas baja de los metales estructurales, sus aleaciones se usan

donde el bajo peso es una consideración importante, por ejemplo en componentes

de aviones. El Mg tiene una estructura hexagonal compacta, es relativamente suave

y tiene un modulo elástico bajo. A temperatura ambiente el Mg y sus aleaciones son

difíciles de deformar, de hecho solo pequeños grados de trabajo en frío pueden

lograrse sin tratamientos de temple.

Consecuentemente, la mayoría de su fabricación se produce por colado o

trabajo en caliente entre 200 y 350ºC. El magnesio así como el aluminio tiene bajo

punto de fusión (651ºC).

Químicamente el magnesio es relativamente inestable y especialmente

susceptible a la corrosión en ambientes marinos. Pero a atmósfera normal presenta

buena resistencia a la corrosión o a la oxidación.

El polvo de magnesio fino se enciende fácilmente cuando se calienta en aire por

lo que hay que manipularlo con cuidado. Los principales elementos aleantes son Al,

Zn, Mn y algunas tierras raras.




ALEACIONES DE TITANIO

El Titanio proporciona excelente resistencia a la corrosión, alta relación

resistencia-peso y propiedades favorables a temperaturas altas. Resistencias hasta

de 200,000 psi (libras por pulgada cuadrada) aunadas a una densidad de 4.505

g/cm3 proporcionan excelentes propiedades mecánicas, Son materiales de ingeniería

relativamente nuevos. Muy resistentes y con elevada resistencia específica.

Resistencia a la corrosión muy elevada a temperatura ambiente, tanto a los

ambientes marino como atmosférico. Se utilizan en estructuras de aviones, vehículos

espaciales, industrias petrolíferas y químicas.

Son aleaciones relativamente nuevas que poseen una extraordinaria combinación

de propiedades. El metal puro tiene una relativamente baja densidad (4.5 g/cc) y alto

punto de fusión (1668ºC) y alto modulo elástico. Las aleaciones de titanio son

extremadamente fuertes y altamente dúctiles y fácilmente forjadas y maquinadas. La

principal limitación del titanio es su reactividad química con otros materiales a

elevadas temperaturas, Esto hace necesario el desarrollo de técnicas no

convencionales de refinado, fusión y colado.

Consecuentemente las aleaciones de titanio son muy costosas. A temperatura

ambiente la resistencia a la corrosión del titanio es inusualmente alta. Ellas son

virtualmente inmunes al ambiente marino, y una amplia variedad de ambientes

industriales. Son comúnmente usadas en estructuras de aeroplanos, vehículos

espaciales y las industrias químicas y del petróleo.

MATERIALES REFRACTARIOS

Los metales con temperaturas de fusión extremadamente elevadas se clasifican

como metales refractarios. En este grupo se incluyen el niobio (Nb), el molibdeno

(Mo), el tungsteno (W) y el tántalo (Ta). E tramo de temperaturas de fusión va desde

2468°C para el niobio a 3410°C para el tungsteno, la temperatura mayor de fusión de

un metal. Los enlaces interatómicos de estos metales son extraordinariamente




fuertes, lo que se traduce en las temperaturas de fusión, en el gran módulo elástico y

en elevados valores de dureza y de resistencia, a temperaturas ambiente y elevada.

La aplicación de estos metales es variada por ejemplo el tántalo y el molibdeno se

alean en los aceros inoxidables para aumentar la resistencia a la corrosión. Las

aleaciones de molibdeno se utilizan para fabricar matrices para la extrusión y partes

estructurales de vehículos espaciales.

SUPERALEACIONES

Son los materiales más utilizados en componentes de turbinas especiales,

expuestas a medios oxidantes, a elevada temperatura durante periodos de tiempo

largos, y en reactores nucleares y equipos petroquímicos. Se clasifican de acuerdo

con el componente principal, que suele ser Co, Ni, Fe. Otros elementos son metales

refractarios, como Nb, Mo, W, Ta, Cr.

Aleaciones metalicas

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