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Universidad Tecnológica Nacional
Facultad Regional Córdoba
Ingeniería Metalúrgica
Ingeniería Metalúrgica I
Profesor Titular: Ing. Norberto Uanini
Profesor Ayudante: Ing. Roberto Lucci
Año: 2011
Cátedra: Ingeniería Metalúrgica I Profesor Titular: Ing. Norberto Uanini Profesor Adjunto: Ing. Roberto O. Lucci
Universidad Tecnológica Nacional Facultad Regional Córdoba Ingeniería Metalúrgica
Año 2011 2
Índice y Programa Analítico
Unidad Temática 1: Generalidades sobre la metalurgia………………………………………………………………………………………………………………. 3
Historia de la metalurgia. Visión panorámica sobre la metalurgia. Su campo de aplicación. Sus relaciones con otras áreas de la ingeniería.
Unidad Temática 2: Minerales y su tratamiento………………………………………………………………………………………………………………………….. 7
Los minerales y su constitución. Metalúrgica extractiva y procesos de obtención de los minerales. Tratamientos y preparación de los minerales.
Obtención y preparación de los minerales de hierro. Obtención del hierro. Reducción pirometalúrgica: reducción directa y reducción indirecta.
Obtención y preparación de los minerales de aluminio. Obtención del aluminio a partir de la bauxita. Preparación del mineral por hidrometalúrgica: proceso Bayer.
Reducción electrometalúrgica: proceso Hall-Héroult. Reciclado del aluminio, su importancia económica y ambiental.
Unidad Temática 3: Estructura de los cuerpos sólidos……………………………………………………………………………………………………………….. 26
Estructura del átomo. Vínculo de unión: iónico, covalente, metálico, fuerzas de Van der Waals. Sistemas cristalinos. Celdas unitarias. Índices de Miller. Cristalización
primaria: condiciones energéticas. Grado de sobreenfriamiento. Mecanismos del proceso de cristalización. Nucleación y crecimiento. Estructura del lingote metálico:
estructura dendrítica y equiaxial.
Unidad Temática 4: Defectos estructurales……………………………………………………………………………………………………………………………….. 37
Desordenamientos cristalinos. Discontinuidades estructurales. Heterogeneidad estructural. Defectos puntuales. Vacancias. Dislocaciones. Dislocación de borde y
dislocación helicoidal.
Unidad Temática 5: Fases y aleaciones……………………………………………………………………………………………………………………………………… 41
Fases metálicas, soluciones sólidas. Estructura cristalina de las soluciones sólidas. Compuestos químicos. Compuestos intermetálicos. Cambios de fases. Cambios de
estado físico. Análisis térmico, curvas de enfriamiento. Metal puro. Cambios alotrópicos. Diagramas de equilibrio: solubilidad total, insolubilidad total, solubilidad parcial.
Determinación de las composiciones químicas de las fases, determinación de las cantidades relativas de los elementos de aleación. Aplicación de la regla de la palanca.
Difusión. Mecanismos de la difusión. Influencia del gradiente de concentración. Ejemplos.
Unidad Temática 6: Diagrama Fe-C y estructuras metalográficas………………………………………………………………………………………………. 53
Constitución del acero. Diagrama Fe-C. Constituyentes estructurales del acero. Clasificación y designación SAE de los aceros. Metalografía. Examen micrográfico y
macrográfico. Preparación de muestras. Microscopio óptico. Observaciones metalográficas.
Unidad temática 7: Procesos de elaboración y tratamientos térmicos de los aceros…………………………………………………………………. 64
Generalidades sobre la fundición. Generalidades sobre la deformación plástica. Tratamientos térmicos, termomecánicos y termoquímicos. Temple, revenido, recocido,
normalizado, cementación, nitruración y carbonitruración. Curva de las “S”.
Pulvimetalúrgica. Polvos metálicos. Porosidad. Microestructura. Densidad. Métodos de obtención de polvos. Compactación de polvos. Sinterización.
Soldadura. Clasificación de los procesos de soldadura. Soldadura por arco eléctrico: sistema por arco manual con electrodo revestido, sistema MAG-MIG, sistema TIG,
sistema por arco sumergido, soldadura por fricción.
Unidad Temática 8: Ensayos físicos, mecánicos y químicos de los metales………………………………………………………………………………… 85
Ensayos destructivos. Dureza Brinell, Rocwell, Vickers y Knoop: penetradores, funcionamiento, equipos, toma de durezas, escalas de durezas. Ensayos de tracción:
fundamentos teóricos, deformación elástica, fluencia, deformación plástica, rotura, equipos, probetas y medición. Ensayos de choque: método Charpy e Izod,
fundamentos teóricos, máquinas, probetas y medición.
Ensayos no destructivos: inspección visual, líquidos penetrantes, ultrasonido, partículas magnéticas, rayos X, corrientes de Eddy, termografía.
Unidad Temática 9: Corrosión y recubrimientos……………………………………………………………………………………………………………………… 108
Importancia económica de la corrosión. Fundamentos teóricos sobre la corrosión. Tipos de corrosión. Recubrimientos anticorrosivos: recubrimientos electrolíticos,
pinturas, inhibidores.
Unidad Temática 10: Fractografía (tema tratado en las unidades 6 y 8)
Concepto de Fractografía y la importancia de su estudio para el diseño de materiales. Mecanismos de fracturas: dúctil, frágil e intermedias. Fracturas transgranular e
intergranular. Análisis fractográfico. Ejemplos macrográficos y micrográficos de diferentes tipos de fracturas.
Unidad Temática 11: Sistemas comerciales de aleaciones……………………………………………………………………………………………….………. 114
Aleaciones de acero y fundiciones. Aleaciones de aluminio. Aleaciones de cobre. Aleaciones de titanio. Aleaciones de magnesio. Ejemplos de aplicación. Limitaciones.
Unidad Temática 12: Avances en la metalúrgica y en los nuevos materiales metálicos.…………………………………………………………… 117
Conocimientos generales y aplicaciones. Aceros de alta resistencia y baja aleación. Aleaciones con memoria de forma. Nanotecnología y nanomateriales. Metales
superplásticos. Materiales inteligentes (materiales con memoria de forma). Materiales superplásticos. Materiales magnéticos. Materiales de uso nuclear. Vidrios
metálicos. Materiales semiconductores.
Bibliografía ……………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………….……. 122
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Unidad 1: Generalidades sobre la Metalurgia
Historia de la metalurgia
A lo largo de la historia, desde su aparición en la Tierra, el ser humano se ha ayudado de instrumentos para modificar la naturaleza
a su favor. En este sentido, la historia del hombre es una historia de la técnica, una historia en la que se ha buscado trasformar los
elementos disponibles en el medio ambiente de modo que esta transformación hiciera la vida más sencilla. Desde muy tempranos
momentos el hombre utilizó los elementos más disponibles a su alrededor: palos, piedras, pieles, huesos; los cuales eran elementos
que podían ser trabajados y manipulados, para conseguir de ellos una efectividad, pero elementos que no necesitaban, en última
instancia, de ninguna transformación íntima, ninguna modificación de sus propiedades estructurales. No es esto lo que ocurre con
los metales. El metal, en su mayor parte, requiere para ser utilizado de una modificación trabajosa y compleja de las características
en que lo hallamos en estado natural. La aparición de la metalurgia es un elemento reciente, visto desde la escala general de la
historia, pero de tal importancia para el ser humano que no sería posible entender sin él el flujo de la historia ni, por supuesto, las
sociedades contemporáneas. Así se ha considerado desde antiguo, hasta el punto de considerar su descubrimiento el hito que
marca un antes y un después en las sociedades prehistóricas. En 1836 el danés C. J. Thomsen expone el Sistema de las Tres Edades
para clasificar el material prehistórico, propone que los materiales se dividan según provengan de la Edad de Piedra, de la Edad del
Bronce o de la Edad del Hierro. Este sistema fue rápidamente aceptado por los investigadores y supuso un importante avance
conceptual. Los artefactos prehistóricos podían ordenarse cronológicamente y, así, se proporcionaba un método eficaz para el
estudio del pasado. Hoy día dicha clasificación, con modificaciones que no dejan de ser importantes, sigue vigente.
Etapa Premetalúrgica
Existen evidencias de que el hombre prehistórico se vio atraído desde épocas tempranas por los minerales metálicos, en unos casos
por su singularidad o belleza, como en el caso de la malaquita o azurita (ambos minerales de cobre), y en otros por su capacidad
para utilizarlos en la decoración del cuerpo, tejidos o diversas superficies. Este último caso es del ocre, palabra genérica que
designa diferentes óxidos de hierro, del que se verifica su utilización desde hace 300.000 años en Terra Amata, Niza y se encuentra
muy frecuentemente asociado a yacimientos paleolíticos. Sabemos también de un temprano tratado térmico de estos elementos
para acentuar su color.
El primer metal que se trabajó, sin duda por la facilidad de hacerlo, fue el cobre nativo. Las primeras evidencias de su trabajo las
hallamos en el Tell de Sialk (Irán) y en Cayönü Tepesi (Anatolia), en tiempos del VIII al VII Milenio a. C. El cobre nativo se puede
trabajar en frío, por martillado, pero también se puede calentar para aumentar su maleabilidad y disminuir su fragilidad. Para esto
último basta una temperatura de 200 a 300 ºC, lo que sin duda no era difícil de conseguir para los hombres de aquella época. Sin
embargo, la fusión del cobre requiere de una temperatura de 1083º C lo que no está claro si se consiguió antes de la reducción del
mineral, que no necesita temperaturas tan elevadas. Lo que sí sabemos es que el cobre, nativo o mineral, se fundió y se introdujo
en moldes ya en el V Milenio a. C.
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De izquierda a derecha: Óxido de cobre (Cuprita); Bicarbonato dihidratado de cobre (Azurita); Sulfato de hierro y cobre (Calcopirita); Carbonato
dihidratado de cobre (Malaquita).
Calcolítico o Edad del Cobre
La Edad del Cobre, también llamada Calcolítico, es una fase intermedia entre la Edad Moderna de la Piedra o neolítico y la Edad del
Bronce. Se reserva esta denominación para algunas culturas, que presentan rasgos claramente diferenciados, en el período entre el
2500 a. C. y el 1800 a. C.
El bronce es una aleación de cobre y estaño y, antes de usarse el bronce, se usó cobre. Esa época es a la que se llama Calcolítico,
esta edad sin embargo es poco aceptada ya que los primeros cobres eran, en general bronce natural, aunque se usa para
diferenciar esta edad, en la que el bronce era fabricado artificialmente. El cobre fue el primer metal que utilizó el ser humano y lo
hizo hace aproximadamente 5000 años.
Anteriormente al 4.000 a C. encontramos hachas de la cultura de Gumelnitza de bronce fundido y con agujero de enmangue
conseguido en un molde abierto, lo que denota un momento muy avanzado en el tratamiento del cobre. A estas culturas se asocian
explotaciones mineras de gran importancia como las de Ai Bunar. Consisten en trincheras excavadas a cielo abierto de entre 10 y 80
m de longitud y 2 y 20 m de profundidad. También es importante la explotación minera de Rudna Glava, algo posterior a la anterior
y de la que conocemos bastante bien el método utilizado en su explotación: mediante la colocación de hogueras se calentaba la
superficie a explotar, esto hacía que aquella se calentara y rociándola inmediatamente con agua se conseguía un enfriado brusco
que hacía que aparecieran grietas. En ellas se introducían picos de asta de ciervo con los que se desgajaban los bloques de mineral.
Después estos bloques se desmenuzaban mediante martillos de piedra y morteros. En contraste con la buena información de la que
disponemos sobre las operaciones de minería, sabemos poco de como se llevaba a cabo la reducción del mineral. Se hipotetiza que
la causa de esto sea que la reducción del metal se llevaba a cabo en lugares especializados que aun no se han descubierto.
Hasta aquí hemos querido hacer un repaso somero del nacimiento de la metalurgia en el Viejo Mundo, un siguiente paso sería el de
la aparición de las aleaciones, que trataremos a continuación.
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Edad del Bronce
Las aleaciones cupríferas de la antigüedad se realizaban con elementos como el antimonio, el plomo o el arsénico pero, aunque la
utilización de este último es bastante común en determinados momentos, las aleación reina es, sin duda la del cobre con estaño, es
decir el bronce.
El estaño adquiere su valor metalúrgico por su asociación con el cobre. Añadiendo al cobre un 10% de estaño se obtienen varias
ventajas en el material resultante como es disminuir la temperatura de fusión la obtención de un metal fundido de una gran fluidez
y, por supuesto, la mayor dureza del bronce que del cobre. Sin embargo un exceso de estaño, más de un 13%, vuelve al bronce
quebradizo lo que lo hace inservible para objetos utilitarios.
No se conoce a fondo ningún taller que refleje el proceso completo de la metalurgia del bronce, sin embargo sí conocemos los
aspectos principales de dicha actividad.
Existían hornos metalúrgicos de reducción, como el israelí de Timma, que estuvo en uso desde el s. XIV al S. XII a C. Consistía en un
horno semicircular, al final de una fosa, rodeado por piedras que conservaban el calor. Tenía una tobera que desembocaba a media
altura del horno. Se aislaba del resto de la zanja por una pared de piedra y arcilla. Estaba cubierto por piedras que recogían el calor
pero, a la vez, dejaban escapar el humo. En el fondo tenía una cubeta que recibía el material fusionado donde se enfriaba y
formaba un lingote de cobre.
Los moldes suelen ser abiertos, cerrados, monovalvos o bivalvos y solían elaborarse en arcilla, piedra o bronce. La mezcla de metal
se introducía en ellos para darle forma. Cuando eran cerrados el objeto de metal se obtenía fracturando el molde.
Tras la refundición el objeto debía de seguir siendo trabajado, era necesario eliminar las rebabas, pulirlo y, en caso de que
procediera, afilarlo.
La imposición del bronce hace que las armas sean cada vez más numerosas y más útiles para la guerra. El bronce conoció enormes
éxitos con la aparición de los primeros grandes imperios como los orientales, el del Egipto faraónico, el de la Creta minoica o los
reinos de Wessex, Armórica o Dinamarca. Sin embargo, la Edad del Bronce llevaba en su seno su propia contradicción, la dificultad
de obtener suficientes cantidades de cobre o estaño llevó a muchas de estas sociedades a repetidas crisis. En ese sentido se ha
interpretado, por ejemplo, la aparición de aleaciones terciarias, formadas por tres metales, donde el plomo va substituyendo
progresivamente al estaño y haciendo disminuir poco a poco la calidad de los metales y, consecuentemente, de los artefactos
fabricados.
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Edad del Hierro
Los primeros en entrar en la Edad del Hierro fueron los hititas en el área de Palestina y solo fueron necesarios unos siglos para que
a continuación lo hiciera todo el mundo antiguo. Aunque el trabajo del hierro es el más difícil de realizar de entre todos los metales,
las posibilidades que ofrece, su mayor eficacia y la dificultad de abastecerse de cobre y estaño hicieron que el hierro substituyera a
las labores asociadas al cobre de manera bastante rápida. Estas circunstancias estimularon el perfeccionamiento de la siderurgia,
que llevaron a que en épocas prehistóricas se consiguieran temperaturas de hasta 1.300º C. El mineral de hierro es muy abundante
en la tierra, supone el 5% del peso de la corteza terrestre, por lo que su aprovisionamiento no es difícil, pero sin embargo, son
necesarios combustibles de una alta capacidad calorífica para su reducción, generalmente se utilizó el carbón vegetal.
Existen diferentes procedimientos para la obtención del metal de hierro. El primero, llamado procedimiento directo, se obtiene en
horno de cubeta. La reducción se realiza a una temperatura menor que la de fusión (1536º C). Mediante este procedimiento se
obtiene una mezcla de hierro y escoria que, tras un insistente martillado, nos proporciona un metal más o menos homogéneo. Así
se obtiene el hierro dulce, muy puro (con menos de un 0,02 % de carbono), pero a la vez excesivamente dúctil y de escasa dureza.
Si queremos aumentar esta lo podemos conseguir mediante su introducción en carbono, con lo que conseguimos un mayor nivel
de carburación del metal, lo que aumenta la dureza. El hierro carburado no es otra cosa que el acero. El hierro se puede trabajar
mecánicamente, es lo que se llama el forjado, método por el que se pueden conseguir artefactos de una gran variedad.
Otro método general de trabajo del hierro es el indirecto, que se realiza en altos hornos y produce un metal fundido, que se puede
llevar a moldes y tiene un alto porcentaje de carbono (de un 1,7% a un 6,7%). Este método de obtención del hiero colado no se
conoció en Europa hasta el siglo XI-XII d C., pero se dominaba ya en China desde el IV a C. Antes de la revolución industrial el mejor
metal de hierro era el damasquinado, que se fabricaba mediante varillas de hierro dulce y hierro carburado soldadas y martilladas
conjuntamente, dando como resultado un material que aúna flexibilidad, resistencia y dureza.
La Edad del Hierro comienza a finales del IIº Milenio a C. y el conocimiento del carburado fue decisivo en su expansión. El
conocimiento de la siderurgia se extendió rápidamente por el Próximo Oriente, Chipre y el Egeo y, en algunos siglos se hizo asidua
en Europa, gracias a la abundancia de hierro que existía en esta y a los numerosos bosques que posibilitaban la obtención de
grandes cantidades del carbón vegetal necesario para su tratamiento. La colonización griega y fenicia hizo que el hierro se
difundiera rápido por la Península Ibérica, el norte de África y, seguramente, por la fachada atlántica, alcanzando su apogeo en el
mundo celta donde se integra en los objetos de la vida cotidiana. El bronce, de todos modos, se sigue utilizando con fines
decorativos.
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Unidad 2: Minerales y su tratamiento
Los minerales
Llamamos minerales a aquellos materiales del suelo o del subsuelo que sirven para ser preparados y transformados en ciertos
metales.
1.- Los metales en estado nativo, es decir en estado metálico y más o menos puros, son muy raros. El oro, el cobre, la plata y el
mercurio se encuentran en estado nativo.
2.- Lo más frecuente es encontrar el metal combinado con el oxígeno, el silicio, el azufre, el arsénico, etc. La propia combinación
metálica está mezclada con impurezas (materias terrosas por ejemplo) que forman la ganga o estéril. La mezcla de la combinación
metálica y la ganga es la mena o mineral.
Constitución química de la combinación metálica
La combinación metálica puede ser sencilla: óxidos, anhídridos ó hidratos, carbonatos y sulfuros.
a) Como óxidos anhídridos: la magnetita Fe3O4; la hematites roja Fe2O3; la casiterita SnO2; la pirolusita MnO2.
b) Entre los óxidos hidratados: la hematites parda u óxido férrico hidratado 2Fe2O33H2O y la bauxita alúmina hidratada Al2O3nH2O.
c) Como carbonatos: la siderita FeCO3; la magnesita MgCO3; la calamina o smithsonita ZnCO3, la whiterita BaCO3.
d) Al estado de sulfuros: la pirita de hierro FeS2; la blenda ZnS; la galena PbS; la cinabrio HgS, la argirosa Ag2S.
El compuesto metálico se presenta a veces en forma más complicada, resultando más difícil la extracción del metal. Tenemos por
ejemplo la pirita de cobre o calcopirita que es un sulfuro doble de hierro y cobre CU2SFe2S3.
Preparación de los minerales
Antes de comenzar el proceso metalúrgico propiamente dicho, se somete el mineral a un tratamiento mecánico que tiene por fin
concentrar la parte metálica y eliminar elementos perjudiciales.
I- Tratamiento mecánico de los minerales
Extracción
El tipo de extracción puede realizarse en minas a cielo abierto o en minas subterráneas. El mineral llega de la mina en bloques más
o menos grandes que se obtienen a partir de voladuras por explosión y excavación. Luego, mediante un posterior tratamiento
mecánico se lleva el mineral a una finura determinada. Se procede de forma escalonada hasta llegar a una de las tres categorías de
productos siguientes:
Los gruesos o trozos de calibre superior a 25 mm.
La granalla o Arena con calibre entre 1 y 25 mm.
Los Finos con calibre interior a 1 mm.
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Trituración
La trituración o quebranto transforma los bloques en trozos de 30 a 50mm de dimensión máxima. Las quebrantadoras actúan por
aplastamiento, de la misma manera que un cascanueces.
La quebrantadora de mandíbulas se compone de dos placas rectangulares de acero al manganeso, una fija y otra móvil alrededor
del eje con un movimiento de vaivén de amplitud regulable que aproxima y aleja ambas mandíbulas.
Trituradora de mandíbulas.
Molienda
La Molienda transforma los gruesos en granalla o arena y en finos hasta de 1/20 de mm en algunos casos. Hay varios tipos de
molinos que funcionan por choque y por frotamiento, de los que citaremos uno de los más empleados. El molino de bolas consiste
en un tambor cilíndrico o polígono revestido por un tamiz, en cuyo interior se encuentra cierto número de bolas de fundición dura
colada en coquilla. El mineral se introduce en el tambor por una tolva sobre el eje. El tamiz está protegido del choque directo de
las bolas y del mineral por chapas fuertes de acero duro. El conjunto está en el interior de una envoltura metálica.
Las bolas elevadas por la rotación del tambor caen unas sobre las otras y rompen los fragmentos; el tamiz sólo deja pasar la materia
que ha alcanzado la finura deseada.
Molino a bolas.
II- Separación de los minerales (concentración)
La separación del compuesto metálico de la ganga se efectuará sobre el mineral molido, la operación suministra un producto
enriquecido en mineral. La separación se basa en diferencias de propiedades físicas de la ganga y de la combinación metálica, por
ejemplo: la diferencia de densidad en la concentración hidromecánica. En la concentración por flotación se utilizan las fuerzas de
tensión superficial, y las fuerzas magnéticas en la concentración magnética.
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Concentración magnética. Concentración por flotación.
Izquierda: por vía seca; derecha: por vía húmeda.
III- Tratamientos térmicos de los minerales
Es común que a los minerales ya concentrados sean sometidos a la acción del calor para producir una modificación química, con la
finalidad de obtener un producto más fácil de tratar posteriormente. Hay dos maneras de tratarlos:
Calcinación: se aplica principalmente a los carbonatos, donde se calienta el mineral en un horno de cuba en presencia de un exceso
de oxígeno.
2FeCO3 + ½ O2 Fe2O3 + 2CO2
Tostación: es una operación metalúrgica que se aplica generalmente a los sulfuros, aprovechándose el anhídrido sulfuroso formado
para obtener ácido sulfúrico.
4 FeS2 + 11O2 8SO2 + 2Fe2O3
2ZnS + 3O2 2SO2 + 2ZnO
2PbS + 3O2 2SO2 + 2PbO
IV- Aglomeración de los minerales concentrados
Con los tratamientos mecánicos se consigue un mineral molido y concentrado y con los tratamientos térmicos se produce la
trasformación química necesaria para su posterior transformación en productos metalúrgicos, sin embargo, en los hornos
metalúrgicos, no se puede introducir el mineral en forma de finos, porque perturbarían la circulación de los gases reductores, por lo
que se recurre a la aglomeración de lo finos, que transforman estos polvos en trozos de mayores dimensiones. La aglomeración
puede lograrse empleando un elemento ligante o aglutinante como la cal o el cloruro de calcio, formando briquetas, nódulos o
pellets mediante la aplicación de presión en moldes adecuados, las briquetas son endurecidas o secadas en hornos.
También puede producirse la aglomeración por sinterizado que es un proceso en la cual la unión de las partículas de los finos, se
logra aplicando temperaturas elevadas que los lleva a un estado pastoso (fritado de los finos). En el caso de los minerales de hierro,
la sinterización se realiza cargando en varias capas de mineral y de coque, la combustión de este último produce el fritado de los
finos y se obtienen bloques aptos para ser cargados en los hornos metalúrgicos.
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Obtención del hierro y fabricación del acero a partir del mineral
Como se describió anteriormente, el mineral es preparado por los diferentes métodos y procesos para llegar a convertirse en
pellets u otro tipo de concentrado del mineral de hierro, que luego será utilizado para extraer el metal que contiene.
Instalación de una siderurgia integral.
El proceso se puede dividir en dos grandes pasos. El primero consiste en transformar el mineral de hierro de las minas en arrabio y
el segundo en convertir el arrabio en acero. En un alto horno, cuyo esquema se presenta en la figura, se logra la transformación del
mineral de hierro en arrabio:
En el alto horno, el mineral de hierro, el coque y la caliza se cargan por la parte superior. Por las otras toberas se inyecta el aire caliente que
enciende el coque y libera el monóxido de carbono necesario para reducir al óxido de hierro de forma indirecta. El arrabio, producto final del
alto horno, se colecta por una piquera de colada en la parte inferior.
Los minerales de hierro que se cargan al alto horno deben contener del 60 al 70% de hierro; el resto se compone de oxígeno, arena,
arcilla y piedras, que a su vez contienen sílice (óxido de silicio). Es necesario deshacerse de la sílice para evitar que una parte del
hierro se desperdicie al formar compuestos con esta sustancia. Lo anterior se logra agregando piedra caliza. La caliza tiene la
propiedad de que, a altas temperaturas, tiene mucha afinidad por la sílice y por otras impurezas que vienen con el mineral,
formando compuestos que flotan en el arrabio líquido como escoria de menor densidad, la cual es retirada mediante una piquera
de escoria.
El mineral, junto con la piedra caliza y el coque tienen en su conjunto el nombre de carga y se introducen en el alto horno por la
parte superior con bandas transportadoras. Casi todo el alto horno se mantiene lleno de carga. Por la parte inferior, utilizando
ductos llamados toberas, se introduce un soplo de aire caliente que fluye por los huecos que quedan entre las partículas de la
carga. En el alto horno, el aire caliente sirve para producir la combustión del coque y para elevar la temperatura. El oxígeno del aire
se combina con el carbono para producir el monóxido de carbono que, a su vez, reacciona con el óxido de hierro para producir
hierro y dióxido de carbono.
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Al salir del alto horno, los gases producidos por la reacción del aire, caliente con el coque y el mineral de hierro no están totalmente
quemados. Es común, que una cuarta parte de la mezcla de gases salientes sea monóxido de carbono. Este gas venenoso todavía
puede quemarse, es decir, oxidarse, y el calor producido es aprovechable en el calentamiento del soplo del aire que entra. Con esto
se logra además un beneficio para el ambiente al reducir las emisiones de monóxido de carbono.
La parte más caliente del alto horno se localiza justamente arriba de las toberas y se conoce como, etalaje. Allí la temperatura
alcanza los 1800°C, alrededor de 550ºC más de los necesarios para fundir el arrabio. En estas condiciones las esferas de la carga,
originalmente hechas de óxidos de hierro y caliza, gotean arrabio y escoria que se depositan en el crisol que está en la parte inferior
del alto horno.
Los gases que salen del alto horno son canalizados mediante duetos hacia enormes estufas donde se logra la combustión total de
los mismos. En el camino, como se ilustra en la figura siguiente, los gases se hacen pasar por cámaras para separar el polvo que
arrastran. De esas cámaras se conducen a una de las estufas (los altos hornos se acompañan al menos de 3 estufas, dos en
funcionamiento y una en reparación). Las estufas son cámaras de combustión revestidas con tabiques refractarios con alta
capacidad de absorber calor. Después de algunas horas de quemado de los gases la estufa alcanza altas temperaturas y en ese
momento los gases se canalizan a otra de las estufas. Es entonces cuando el soplo del aire, que deberá entrar al alto horno, se pasa
por la estufa para que se caliente al hacer contacto con las paredes de tabique refractario incandescente, y alcanza temperaturas
superiores a los 1000°C. En la figura, la estufa de la izquierda está quemando gases y la de la derecha está calentando al soplo de
aire.
Los gases ricos en monóxido de carbono que salen del alto horno son aprovechados para calentar las estufas al completar su combustión.
Mientras una de las estufas está en el proceso de combustión, la otra, previamente calentada, sirve para elevar la temperatura del aire por
encima de los 1000°C.
La escoria y el arrabio se sacan del crisol por unos ductos llamados piqueras. La piquera de escoria está más arriba que la de arrabio
porque la escoria flota, Frecuentemente el arrabio se traslada al convertidor en el estado líquido; sin embargo, en algunas plantas
se vacía para formar lingotes. En Inglaterra, originalmente, los lingotes de arrabio tenían la forma de cerdos y por eso en inglés el
arrabio es conocido como pig iron.
Obtención del acero o aceración
La segunda etapa de la obtención del acero, es la aceración propiamente dicha. Esta comienza luego de obtener el arrabio del alto
horno, el cual pasa al trabajado en la acería propiamente dicha. El proceso de aceración se conoce como “proceso del oxígeno
básico”, los más conocidos son los convertidores BOF (basic oxygen furnace), BOS, Linz-Donawitz-Verfahren o Convertidor LD, los
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cuales logran la refinación del arrabio empleando la misma idea de Bessemer para eliminar las impurezas y el exceso de carbono
por oxidación, además de aprovechar el calor de la oxidación como fuente de energía para la fusión.
Un esquema del convertidor BOF o su similar europeo LD se presenta en la figura. Consiste en una olla de acero recubierta en su
interior con material refractario del tipo básico, como ser óxido de magnesio o dolomita. A diferencia del convertidor de Bessemer
donde se soplaba el aire por la parte inferior, en estos se inyecta el oxígeno por una lanza que entra por la parte superior. La lanza
se enfría con serpentines de agua interiores para evitar que se funda. La carga y la descarga del convertidor se hacen también por la
parte superior y por eso la olla está montada en muñones que le permiten girar.
Mediante un chorro de oxígeno con polvo cal, el arrabio es convertido en acero en el convertidor, el oxígeno reacciona con el carbono del
arrabio y lo elimina en forma de bióxido (o monóxido) de carbono. La caliza sirve para eliminar impurezas, entre las que destaca el fósforo.
Una de las grandes ventajas que desde un principio se observó en los convertidores fue su capacidad para aceptar hasta un 20% de
"chatarra” junto con la carga de arrabio líquido.
La diferencia de precios entre la chatarra fría y el arrabio líquido ha motivado la búsqueda de tecnologías para incrementar lo más
posible la carga de chatarra. Algunos éxitos en esta dirección se han obtenido al adicionar al oxígeno que entra por la lanza
combustóleo y carburos de silicio y calcio.
Los nuevos acereros
Todas las industrias deben examinarse a sí mismas con frecuencia. El escenario que compone el estado de la tecnología, las
materias primas y la fuerza de trabajo evoluciona muy rápidamente. Suele ocurrir que las premisas que motivaron el
establecimiento de industrias multimillonarias pierdan vigencia a la vuelta de cinco o diez años. Y aunque esas industrias se resistan
a aceptar su obsolescencia y sigan adelante, tarde o temprano sucumbirán ante las empresas más avanzadas.
Todo parece indicar que el alto horno está viviendo su ocaso. La competencia ha forzado a las plantas acereras integradas a crecer,
a buscar la producción en gran escala. Su tamaño, ahora con capacidad de producir de 5000 a 10000 t de arrabio por día, las ha
hecho muy vulnerables. Estas plantas no pueden detener su operación debido a las enormes pérdidas económicas o daños
irreversibles que se producen. En forma sumamente onerosa han tenido que enfrentar problemas de liquidez financiera, de
abastecimiento confiable, de materias primas y de continuidad en la relación laboral.
El suministro de coque es un problema mayor. Durante más de 250 años la industria siderúrgica ha consumido cantidades colosales
de carbón mineral. Naturalmente, los mejores yacimientos de carbón se han agotado. El coque es ahora escaso, caro y de baja
calidad.
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Año 2011 14
Durante muchos años los metalurgistas han cuestionado la forma indirecta de obtener el acero produciendo primero el arrabio en
los altos hornos. ¿Por qué no sacar directamente el oxígeno del mineral de hierro y obtener el hierro esponja como en la
antigüedad?
En el siglo pasado se propusieron y patentaron muchos métodos para reducir (desoxidar) a los minerales de hierro directamente en
el estado sólido. Se sugería el uso de mezclas de gases de hidrógeno, monóxido de carbono o hidrocarburos, por su alto poder
desoxidante. Varios de esos métodos eran técnicamente muy razonables pero ninguno de ellos fue capaz de competir
económicamente con el alto horno. Un gran impulso salió de México, donde la compañía HYLSA fue pionera de un proceso de
reducción directa muy revolucionario. En 1957 HYLSA abrió su primera planta en Monterrey. Veinte años después el proceso HYL se
había extendido por todo el mundo y se habían construido plantas en Venezuela, Brasil, Zambia, Irak, Irán e Indonesia, aparte de las
seis plantas en México, con capacidad superior a diez millones de toneladas anuales.
El proceso HYL (hojalata y lámina) utiliza una mezcla de gases rica en hidrógeno y monóxido de carbono para extraer el oxígeno del
mineral de hierro. La mezcla de gases se produce a partir de gas natural y vapor de agua en un dispositivo llamado reformador, que
se representa en la figura. El gas natural y el vapor se inyectan a una tubería de acero inoxidable que se calienta con unos
quemadores. A altas temperaturas, y con ayuda de catalizadores que se ponen en el interior de los tubos, ocurre la reacción
química:
El reformador es un reactor químico que a altas temperaturas convierte una mezcla de gas natural y vapor en un gas de alto poder reductor
formado de hidrógeno y monóxido de carbono.
El hidrógeno y el monóxido de carbono, agentes reductores sumamente efectivos, salen del reformador acompañados de pequeñas
cantidades de gas natural y bióxido de carbono. La tubería se conecta con los reactores reductores, que no son otra cosa que
enormes vasijas metálicas donde se carga el mineral de hierro en forma de pequeñas esferas del tamaño de una canica (1 a 2 cm de
diámetro), cómo se indica en la figura:
La unidad reductora consta de una enorme vasija o cuba donde se deposita un aglomerado de esferas del mineral por donde pasa el gas reductor
previamente calentado a altas temperaturas. Posteriormente el gas residual es enfriado en una tubería bañada con agua.
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El mineral de hierro que se emplea en las plantas de HYL generalmente tiene la composición mostrada en el cuadro. Al final del
proceso de reducción directa, el hierro obtenido, denominado “hierro esponja”, contiene un porcentaje en hierro del 85 al 90%,
además, sale enriquecido con el 1 a 2% de carbono.
Composición del mineral de hierro empleado en el proceso HYL
Sustancia Porcentaje en masa
Hierro 67%
Oxígeno (en el hierro) 67%
Fósforo 0.05%
Azufre 0.02%
Óxido de calcio 1.8%
Óxido de magnesio 0.75%
Óxido de aluminio 1.03%
Óxido de silicio 1.3%
Impurezas 1.1%
El hierro esponja se convierte en acero líquido en un horno de arco eléctrico. El horno eléctrico funde al hierro esponja, y a la
chatarra que usualmente se agrega, haciendo pasar por ellos enormes cantidades de corriente eléctrica. El horno eléctrico se
muestra en la figura que sigue. El acero fundido se pasa a una cuchara (olla) donde, en ocasiones, se hace el ajuste final de la
aleación. Finalmente, el acero se vacía en moldes adecuados a cada proceso de fabricación posterior.
El horno de arco consta de una vasija recubierta con refractarios donde se coloca chatarra y/o hierro esponja, que se funden con el paso de una
corriente eléctrica introducida con electrodos de grafito.
Miniacerías
Un competidor implacable de las grandes plantas integradas (que parten del mineral de hierro y terminan con productos acabados
de acero) ha surgido de los miles de millones de toneladas de acero que ellas mismas han producido. La chatarra es hoy una
materia prima nada despreciable para la fabricación de acero, que suele aprovecharse en plantas pequeñas conocidas como
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miniacerías, donde la chatarra se funde en hornos de arco eléctrico. Técnicamente, su sistema de operación es muy sencillo. La
materia prima se consigue con un buen comprador de chatarra capaz de asegurar un suministro regular. Esto no es nada fácil
porque las fuentes de chatarra son muy irregulares. Un buen "chatarrero" debe además distinguir entre los distintos tipos de
chatarra disponible.
La chatarra se carga al horno de arco eléctrico y se funde al exponerse al paso de una enorme corriente eléctrica. La corriente
eléctrica llega a la chatarra a través de electrodos de carbono (grafito). Cuando la chatarra se pasa al estado líquido, lo cual ocurre
en algunos minutos, los operadores toman una muestra y la llevan al laboratorio de análisis. En cuestión de segundos, con la ayuda
de espectrómetros modernos, se determina la composición química del acero. Generalmente es necesario hacer algún ajuste a la
aleación mediante la adición de otros elementos necesarios o formadores de escoria para retirar elementos indeseables como el
fósforo o el azufre.
Del horno eléctrico, el acero líquido se pasa a una cuchara, donde en ocasiones se pasa a una máquina de colada continua para
producir barras de acero de sección cuadrada de 10 a 15 centímetros por lado y de 6 a 8 metros de longitud, llamadas palanquillas.
El proceso de colada continua se desarrolló en Europa en los años 50 para producir secciones de acero directamente a partir de
acero líquido. Anteriormente se producían lingotes que, más tarde, se laminaron en rodillos para formar las palanquillas. La colada
continua, con la cual se procesa más de dos tercios de la producción mundial de acero, se ilustra en la figura. El acero líquido de la
cuchara se vacía en un recipiente de donde, a velocidad controlada, pasa a un molde de sección cuadrada. Las paredes del molde se
lubrican para que el acero no se adhiera y se mantienen "frías" refrigerándolas con serpentines de agua. El molde además, se hace
vibrar para ayudar a que el acero se deslice. El molde no tiene tapa inferior porque el acero que ha solidificado en el extremo
inferior, sirve como tapa. Después de pasar por el molde, el acero, ya sólido pero al rojo vivo, pasa por una serie de rodillos que lo
jalan hasta llegar a una plancha donde, con sopletes, la sección cuadrada se corta en tramos de la longitud deseada.
En el proceso de colada continua se producen barras de sección cuadrada (palanquillas) en un molde, directamente a partir de acero líquido. La
colada continua produce un ahorro considerable de trabajo y energía con respecto a los procesos menos recientes que producen lingotes con el
acero líquido, los cuales deben ser luego calentados al rojo para laminarlos y formar las palanquillas.
La palanquilla es la materia prima para los molinos de laminación donde, a base de rodillos, se conforman productos como varillas
corrugadas, alambrones y barras de secciones cuadradas, hexagonales o redondas.
Debido a la sencillez de su proceso, las miniacerías tienen un costo de inversión bajísimo comparado con el de las plantas
integradas; no están técnicamente obligadas a mantenerse en operación permanentemente, es decir, pueden apagar sus
instalaciones e irse una semana de vacaciones sin ningún problema; y su tamaño permite ubicarlas cerca de los grandes centros de
consumo de acero y producción de chatarra para lograr un ahorro importante en materia de transportes.
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Año 2011 17
El Proceso Productivo Siderúrgico lo hemos dividido gráficamente en diferentes etapas debido a su extensión:
1° Etapa:
REDUCCIÓN DEL MINERAL:
2° Etapa:
FABRICACIÓN DEL ACERO:
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Año 2011 18
3° Etapa
LAMINACIÓN DEL ACERO:
3° Etapa
LAMINACIÓN DEL ACERO 2:
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Año 2011 19
3° Etapa
LAMINACIÓN DEL ACERO 3:
3° Etapa
LAMINACIÓN DEL ACERO 4:
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Año 2011 20
Obtención del aluminio a partir del mineral bauxita
Historia
En 1807, Humphrey Davy propuso el nombre aluminium para este metal aún no descubierto.
Se reconoce a Friedrich Wöhler el aislamiento del aluminio en 1827. Aun así, el metal fue obtenido, impuro, dos años antes por el
físico y químico danés Hans Christian Orsted.
La invención del proceso Hall-Héroult en 1886 (patentado independientemente por Héroult en Francia y Hall en EE.UU.) abarató el
proceso de extracción del aluminio a partir del mineral, lo que permitió, junto con el proceso Bayer (inventado al año siguiente, y
que permite la obtención de óxido de aluminio puro a partir de la bauxita).
Algunas características del aluminio
• Es un metal ligero, cuya densidad es de 2,70 g/cm3 (2,7 veces la densidad del agua), un tercio de la del acero.
• Tiene un punto de fusión bajo: 660 ºC (933 K).
• El peso atómico del aluminio es de 26,9815 utm.
• Es de color blanco brillante, con buenas propiedades ópticas y un alto poder de reflexión de radiaciones luminosas y térmicas.
• Tiene una elevada conductividad eléctrica comprendida entre 34 y 38 m/(Ω mm2) y una elevada conductividad térmica (80 a
230 W/(m.K)).
• Resistente a la corrosión, a los productos químicos, a la intemperie y al agua de mar, gracias a la capa de Al2O3 formada en su
superficie.
• Abundante en la naturaleza. Es el tercer elemento más común en la corteza terrestre, tras el oxígeno y el silicio.
• Su producción metalúrgica a partir de minerales es muy costosa y requiere gran cantidad de energía eléctrica.
• Material fácil y barato de reciclar.
• De fácil mecanizado.
• Muy maleable, permite la producción de láminas muy delgadas.
• Bastante dúctil, permite la fabricación de cables eléctricos.
• Material blando (Escala de Mohs: 2-3). Límite de resistencia en tracción: 160-200 MPa en estado puro.
• Para su uso como material estructural se necesita alearlo con otros metales para mejorar las propiedades mecánicas. El
duraluminio es una aleación particularmente resistente.
• Permite la fabricación de piezas por fundición, forja y extrusión.
• Material soldable.
Aplicaciones del aluminio
El aluminio se utiliza rara vez puro, casi siempre se usa aleado con otros metales. El aluminio puro se emplea en la fabricación de
espejos, tanto para uso doméstico como para telescopios reflectores. Entre sus variadas aplicaciones se encuentran:
• Transporte; como material estructural en aviones, automóviles, tanques, superestructuras de buques y bicicletas.
• Estructuras portantes de aluminio en edificios.
• Embalaje de alimentos; papel de aluminio, latas, tetrabriks, etc.
• Carpintería metálica; puertas, ventanas, cierres, armarios, etc.
• Bienes de uso doméstico; utensilios de cocina, herramientas, etc.
• Transmisión eléctrica. Aunque su conductividad eléctrica es tan sólo el 60% de la del cobre, su mayor ligereza disminuye el peso
de los conductores y permite una mayor separación de las torres de alta tensión, disminuyendo los costes de la infraestructura.
• Se usa como ánodo de sacrificio y en procesos de aluminotermia para la obtención y soldadura de metales.
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Año 2011 21
La bauxita
La bauxita es la mena de aluminio más importante, son productos de erosión, ricos en aluminio, pero sólo contiene entre un 30 y
un 54% de aluminio (expresado como Al2O3), siendo el resto una mezcla de sílice, óxidos de hierro y dióxido de titanio. El aluminio
de la bauxita se encuentra normalmente formando hidróxidos, Al(OH)3, o mezclas de hidróxidos y óxidos, (AlO(OH)2). Primero se
extrajo en Les Baux, Francia, de ahí su nombre.
Actualmente, la mayor parte de la minería de bauxita está situada en el Caribe, Australia, Brasil y África.
Mineral bauxita.
Producción de alúmina a partir de la bauxita - Proceso Bayer
El proceso Bayer, inventado por Karl Bayer en 1889, es el método más utilizado para producir alúmina a partir de la bauxita.
En el proceso Bayer, primero se tritura la bauxita y luego se lava con una solución caliente de hidróxido sódico (sosa), NaOH. La
sosa disuelve los minerales de aluminio pero no los otros componentes de la bauxita, que permanecen sólidos.
Las reacciones químicas que ocurren en esta etapa, llamada "digestión" son las siguientes:
Al(OH)3 + OH- + Na
+ → Al(OH)4
- + Na
+
AlO(OH)2 + OH- + H2O + Na
+ → Al(OH)4
- + Na
+
La temperatura de la digestión se escoge en función de la composición de la bauxita. Para disolver el hidróxido de aluminio basta
una temperatura de 140ºC pero para la mezcla de hidróxido y óxido hacer falta subir hasta unos 240ºC. Luego, se retiran de la
solución los sólidos no disueltos, en un decantador, seguido de unos filtros para eliminar los últimos restos. Los sólidos recogidos
en el decantador, llamados "lodo rojo", se tratan para recuperar la sosa no reaccionada, que se recicla al proceso.
La solución de Al(OH)4- obtenida, ya libre de impurezas, se precipita de forma controlada para formar hidróxido de aluminio puro.
Para favorecer la cristalización se opera a baja temperatura y se "siembra" la solución con partículas de hidróxido de aluminio:
Al(OH)4- + Na
+ → Al(OH)3 + OH
- + Na
+
La solución de sosa libre de aluminio se concentra en unos evaporadores y se reutiliza al comienzo del proceso.
Por último, el hidróxido se calienta a unos 1050°C, en una operación llamada "calcinación", para convertirlo en alúmina, liberando
vapor de agua al mismo tiempo:
2 Al(OH)3 → Al2O3 + 3 H2O
La alúmina obtenida se utiliza para producir aluminio mediante electrólisis.
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Año 2011 22
Alúmina a granel.
Resumen de los procesos utilizados desde la bauxita hasta la obtención de alúmina.
Electrólisis de la alúmina – Proceso Hall-Héroult
El óxido de aluminio (alúmina) se disuelve en un baño con fundente de criolita (Na3AlF6) y se electroliza en una celda electrolítica
usando ánodos y cátodo de carbono. Se realiza de esta manera, ya que la alúmina proveniente del proceso Bayer tiene un punto de
fusión extremadamente alto (por encima de los 2000 °C), muy caro y difícil de alcanzar en la práctica industrial.
La mezcla con la criolita da una mezcla eutéctica, que baja el punto de fusión a 900 °C. Por esta razón el consumo energético que se
utiliza para obtener aluminio es muy elevado y lo convierte en uno de los metales más caros de obtener (17 - 20 kWh por cada kilo
de aluminio). De estos baños se obtiene aluminio metálico en estado líquido con una pureza entre un 99,5 y un 99,9%, quedando
trazas de hierro y silicio como impurezas principales.
La electrólisis es un proceso electroquímico en el que se hace pasar una corriente eléctrica a través de una solución que contiene
compuestos disociados en iones para provocar una serie de transformaciones químicas. La corriente eléctrica se proporciona a la
solución sumergiendo en ella dos electrodos, uno llamado cátodo y otro llamado ánodo, conectados respectivamente al polo
negativo y al polo positivo de una fuente de corriente continua.
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Año 2011 23
Izquierda: principio de funcionamiento de una celda electrolítica. Derecha: electrólisis de la alúmina.
La celda electrolítica usada para obtener el aluminio tiene los electrodos dispuestos en forma horizontal. El baño electrolítico debe
tener menor densidad que el aluminio (alrededor de 2300 kg/m3 a 900 °C), ya que el aluminio refinado debe depositarse en el
fondo de la cuba electrolítica, saliendo por el fondo del recipiente. Por cada tonelada producida de aluminio, se consumen 460 kg
de carbono, proveniente de los electrodos. El gran problema del aluminio es el precio de la energía que consume para producirlo y
que representa entre un 25% y un 30% del costo de producción del metal.
Colada del aluminio líquido obtenido en las celdas electrolíticas.
Purificación y conformado del aluminio
Una vez que se produce la electrólisis del aluminio, éste se retira mediante cucharas transportadoras que lo llevan a los hornos de
refinación para su posterior colada en distintas formas de lingotes o productos semielaborados.
Batería de celdas electrolíticas y cuchara de colada.
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Ingreso del aluminio fundido hacia el horno de refinación, donde se agregan los aleantes y se homogeniza a la temperatura adecuada para su
posterior colado.
Distintas formas obtenidas en el colado del aluminio:
Reciclado del aluminio y su importancia
La recuperación partir de la chatarra, material viejo o deshechos (reciclado) era una práctica conocida desde principios del siglo XX.
Sin embargo, es a partir de los años 1960 cuando se generaliza, más por razones medioambientales que estrictamente económicas,
ya que el reciclaje consume el 5% de la energía necesaria para la producción metalúrgica a partir del mineral.
Al final de la vida útil que contiene aluminio puede ser utilizado una y otra vez sin que se pierda su calidad, ahorrando energía y
materiales en bruto. Reciclando 1 Kg de aluminio se pueden ahorrar 8 Kg de bauxita, 4 Kg de productos químicos y 14 KW/hr de
electricidad.
Cualquier cosa hecha de aluminio puede ser reciclada repetidamente: no solo latas, también hojas, láminas, moldes, marcos de
ventanas, muebles de jardín, componentes de automóvil son derretidos y se usan para hacer los mismos productos de nuevo.
Problemática ambiental
En la primera fase, para obtener 2 Tn de óxidos de aluminio se necesita:
• 4 a 5 Toneladas del mineral de bauxita
• 200 kg de sosa
• 70 kw/h de electricidad
En la segunda fase, para obtener 1 Tn de aluminio en estado de metal:
• 25 kg de criolita, o 30 kg de fluoruros de aluminio
• 550 kg de electrolitos de grafito
• 15.000 kw/h de electricidad
El problema ambiental de la producción de aluminio se concentra en el proceso electrolítico, donde los contaminantes como
fluoruros, brea-polvo, dióxido de sulfuro, CO y CO2 pueden ser emitidos a la atmósfera.
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Para obtener 1 t de aluminio hacen falta 2 t de alúmina y 4 t de bauxita con una gran cantidad de electricidad.
Procesos previos al reciclado
El reciclado del aluminio necesita de una separación en origen y de una selección previa, para ello, es llevado a una planta de
clasificación donde es separado del resto de los materiales no deseados. Luego, el aluminio se empaca y es transportado a un
centro de reciclado. Aquí se realizan una serie de procesos destinados a conseguir que el aluminio pueda ser devuelto al ciclo del
mercado:
1. Triturado y eliminación de impurezas del aluminio.
2. Lavado y secado para eliminar restos orgánicos y humedad.
3. Se introducen las virutas de aluminio en un horno de reverberación donde se funde el aluminio y se forman lingotes de aluminio
o láminas.
4. Fabricación de nuevos productos.
Ventajas del reciclado de aluminio
El reciclado del aluminio es un proceso que se realiza desde hace tiempo porque, además de los beneficios ambientales, tiene
interés económico. Desde el punto de vista técnico resulta fácil y supone un gran ahorro de energía y materias primas. El aluminio
que se recupera conserva gran parte de sus propiedades, pudiendo repetir el proceso cuantas veces se quiera.
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Unidad 3: Estructuras de los cuerpos sólidos
Para interpretar el problema de la resistencia de los materiales, o sea, el efecto que produce en ellos la acción de las fuerzas
externas, es necesario conocer distintos aspectos de la forma y constitución de la materia, como así también, las características
físico-mecánicas que le competen. La menor porción indivisible de materia, representada hasta no hace mucho por el átomo, luego
de las experiencias de Rutherford, se la reconoce como un sistema solar en el que su centro o núcleo de 10-12
cm de diámetro, lo
constituyen cargas eléctricas positivas o “protones” (1,6x10-19
coulomb) y partículas neutras, “neutrones”, cuya masa es de 1,67x10-
24g; debido a la naturaleza eléctrica del átomo y para mantener su neutralidad es que se la completa mediante cargas eléctricas
negativas, “electrones” (4,776x10-10
unidades electrostáticas de carga), que en distintas orbitas giran alrededor del núcleo.
Bohr, posteriormente Sommerfeld y actualmente De Broglie y Heisenberg modificaron y completaron la teoría de Rutherford.
La combinación atómica que da origen a los distintos tipos de sustancias puede llevarse a cabo según varios criterios, entre los que
podemos mencionar:
a) enlace iónico o eléctrico
b) enlace homopolar o magnético
c) enlace por las fuerzas de Van der Waals
d) enlaces metálicos
La vinculación mediante el enlace metálico es tal vez la que permite justificar propiedades unívocas de los metales, como ser su
resistencia mecánica y conductibilidad eléctrica.
La trayectoria externa de un átomo puede ser descripta por 1 y hasta 8 electrones; en este último caso el elemento al que
pertenece es inerte, por lo que no forma parte de compuestos (neón, argón, kriptón, etc.). Si la última orbita no es de los octetos,
el átomo tenderá a compartir con otro sus electrones externos para completarlas (enlace iónico o eléctrico). Los electrones así
compartidos se conocen como electrones de valencia.
En esta forma, los átomos quedan ligados eléctricamente, dando al conjunto una característica neutra, no así al ser considerados
individualmente, pues serán electropositivos cuando seden electrones periféricos (pierden cargas negativas) y electronegativas
cuando los admiten (ganan cargas negativas).
La agrupación de átomos de igual o distinta especie, eléctricamente neutra, que puede ser separada de otras, por medios físicos,
constituye la molécula; en el primer caso pertenecerá a un cuerpo “simple” o elemento químico (Fe, C, Cu, etc.) y en el segundo a
un compuesto (carburo de hierro CFe3, sulfato de cobre SO4Cu, etc.). “La agrupación antes mencionada puede desarrollarse
siguiendo un ordenamiento perfectamente definido, con lo que se pierde el concepto de molécula y se lo reconoce como
estructura cristalina”.
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Estructura cristalina
Los átomos o moléculas de un cuerpo, por efecto de la energía interna que poseen, se encuentran en continuo movimiento, por
otra parte, fuerzas de atracción tienden a aproximarlos. La acción de ambos efectos simultáneos caracterizan o definen el estado
de agregación del mismo (sólido, líquido o gaseoso).
En el estado gaseoso, la energía molecular es tal que la acción de las fuerzas de atracción se hace nula, por lo que se separan
indefinidamente u ocupan el volumen total de un recipiente.
El líquido se caracteriza por ser un estado donde las moléculas no han perdido la movilidad, se encuentran sujetas a la acción de
moléculas vecinas, limitándose con ello las distancias intermoleculares, pero no su posición, por ello tienen volumen pero no
forma, ocupando la forma del lugar que los contiene.
Cuando las fuerzas de cohesión son totalmente predominantes, se presenta el estado sólido, en el que a presión y temperatura
constantes no se verifica ninguna variación de forma ni volumen.
En los metales y sus aleaciones, en el pasaje del estado líquido a sólido por pérdida de calor, el acomodamiento de sus átomos,
respetando su naturaleza y vinculación eléctrica, se realiza en forma ordenada, todo y cada uno de ellos ocupan posiciones que
definen perfectas figuras geométricas.
Representación de la estructura cristalina por la teoría de las esferas rígidas, ejemplo de la agrupación geométrica como un cubo.
Hablar de posiciones en este caso, no compromete la movilidad atómica, pero la existencia de ella está limitada, para cada átomo,
dentro de una zona que podemos representar con una esfera, cuyo centro forma un vértice de la forma geométrica que caracteriza
al conjunto. A tales conjuntos primarios se los denominan “células elementales” y la agrupación de las mismas constituye la
“estructura cristalográfica”.
De los distintos poliedros elementales que suelen presentarse, los más importantes en los metales, son los que adoptan la forma
cúbica, en los que se distinguen los de “caras centradas” (se completa con un átomo en el centro de cada una de sus caras), sistema
al que pertenece el hierro gamma (γ), el cobre, oro, plata, aluminio, níquel, etc.; y los centrados “en el cuerpo” (un átomo en el
centro del cubo), como ser el hierro alfa (α), beta (β) y delta (δ), el wolframio, molibdeno, cromo, etc.; y los que caracterizan el
“ordenamiento hexagonal”, como el magnesio, zinc, cadmio, etc.
De izquierda a derecha: estructura cúbica centrada en el cuerpo (BCC), estructura cúbica centrada en las caras (FCC), estructura hexagonal
compacta (HCP).
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Año 2011 28
Ecuación de Bragg
En toda la estructura cristalográfica, la sucesión ordenada de sus átomos permite distinguir planos paralelos entre sí, que se
conocen como “planos cristalográficos”. Entre estos haces de planos, orientados en distintas direcciones, revisten mayor
importancia los que definen a la célula elemental o al cristal y que, por otra parte, permiten el clivaje (separación mecánica que se
producen según planos paralelos entre sí).
La existencia de los planos cristalográficos se pone evidentemente de manifiesto mediante el empleo de los rayos X, pues al actuar
como pantallas de difracción, de los mismos se obtienen sobre placas fotográficas sus imágenes reflejadas, con las que es posible
calcular la distancia corriente que separa cada plano del haz. La distancia “d” que separa a los distintos planos de un haz, se calcula
mediante el empleo de la fórmula de Bragg:
η.λ = 2.d.senθ
Donde:
η = numero entero 1, 2, 3, etc.
λ = longitud de onda de los rayos X
d = distancia entre los planos del haz
θ = ángulo de incidencia de los rayos
Ley de Bragg.
Si se conoce la longitud de onda de los rayos empleados y se busca el ángulo de incidencia θ para producir interferencia, se puede
calcular la distancia “d” corriente para cada haz de planos cristalográficos.
Para caracterizar o poder diferenciar los distintos haces de planos que suelen individualizarse en una red cristalina, Miller, propuso
un método cuya nomenclatura o índices llevan su nombre.
Índices de Miller y Miller-Bravais
Sea el cubo A, B, C, D, G, O, de la figura, en el que las aristas OD, OE, OG, coinciden con un sistema de ejes coordenados z, x, y. Si
además, suponemos que las longitudes de las aristas del cubo son iguales a la unidad, la cara ABEF, como el plano cristalográfico
que la contiene, corta a los ejes coordenados x=1; y=∞, z=∞. Los índices de Miller están determinados por las inversas de esos
valores, o sea: x=1/1=1; y=1/∞=0; z=1/∞=0; los que se acostumbran a poner entre paréntesis (100); de la misma forma, los planos
que contienen las caras CBFG, serán los (010) y ABCD serán los (001).Las caras DCGO, DAEO, y EFGO pertenecen al haz de planos
paralelos de ABEF, CBFG, y ABCD, respectivamente. Un plano como el DEG y todos sus paralelos tendrán como índices (111).
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Año 2011 29
En el sistema hexagonal, que debe su nombre a que 3 células elementales convenientemente dispuestas, conforman un prisma
hexagonal, se emplean 4 ejes de referencias, en los que se indican además sus direcciones mediante signos correspondientes.
Como indica la figura, los ejes mencionados serán a1, a2, a3, y c en su dirección positiva; y ā1, ā2, ā3, y c en la negativa, por lo que
cada una de las caras del prisma tendrá como índice:
Índices de Miller para la celda hexagonal. Por ejemplo: un plano tal como el ACGI tendrá como índice (1120).
Constitución de los metales
Hemos dicho que al solidificarse un metal, sus átomos se orientan según planos cristalográficos, para constituir las denominadas
células elementales, que a su vez se agrupan según ternas de ejes coincidentes con el ancho, alto y espesor de aquellas, para
formar el “cristal” o “grano” del metal.
Esta agrupación se realiza independientemente una de otra y según orientaciones arbitrarias, de manera que la formación de un
cristal dependerá del desarrollo de los que se constituyen a su alrededor. El conjunto o metal estará integrado, pues, por un sin
número de cristales o granos de diferentes formas y tamaños, pero de igual célula o estructura interna, adheridos unos a otros,
según Ewen, por una película de metal amorfo (estructura atómica desordenada) más resistente que el cristal, y que sirve de
cemento o elemento de unión.
Si bien el cristal, considerado independientemente, no presenta las mismas propiedades en todos sus planos, o sea, que es
“anisótropo”, teniendo en cuenta que su agrupación tiene lugar en todas las direcciones posibles, por efecto de compensación,
podemos dar al metal un carácter prácticamente “isótropo”, propiedad que se ve favorecida al disminuir los tamaños de los granos.
Solidificación de los metales
Casi universalmente, los objetos metálicos comerciales son solidificados desde una fase líquida o bien a sus formas finales, llamadas
“fundiciones”, o en formas intermedias, llamadas “lingotes”, las cuales se transforman mediante trabajo al producto final. Como las
propiedades del resultado final están determinadas, en gran medida, por la naturaleza del proceso de solidificación, son de la
mayor importancia práctica los factores implicados en la transformación desde líquido hasta sólido. Antes de que se pueda
considerar el asunto de la solidificación, sin embargo, es necesario primero tratar brevemente la naturaleza del estado líquido.
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Año 2011 30
La fase líquida:
En todos los casos de importancia práctica, las aleaciones de metal líquidas ocurren como una fase simple (una solución líquida
homogénea). Con el propósito de simplificar la presente discusión, tratemos un caso especial, un elemento metálico puro que
solamente posee una fase sólida simple, que es un diagrama de equilibrio presión-temperatura para un sistema de componente
simple.
Como bien sabemos, para pasar del estado liquido a sólido, se reduce la temperatura, es lo que se llama “solidificación”.
Si en la figura trazamos una línea (1), vemos que con la misma temperatura y variando la presión, obtenemos los diferentes estados
para el metal, donde se necesitará de una gran presión para llevarlo de líquido a sólido. En el trazo (2) observaremos que para una
misma presión y variando la temperatura obtendremos el cambio de estado, donde se necesitará de una baja temperatura para
llevar el metal de líquido a sólido.
Las propiedades físicas de los gases metálicos, igual que la de los sólidos metálicos, son capaces, por tanto, de análisis matemático.
Mientras que la fase sólida cristalina se presenta como una disposición de átomos completamente ordenada (despreciando
defectos tales como dislocaciones y lugares vacantes) y la fase gaseosa como un estado de desorden casual (gas ideal), no se ha
logrado todavía un cuadro simple que represente la estructura de la fase líquida.
La fase líquida no posee el orden de largo alcance del sólido ni la falta de interacción entre átomos característico de la fase gaseosa.
Por lo tanto es esencialmente una “estructura indeterminante”. Realmente, en un líquido la separación promedio entre átomos es
muy cercana a la del sólido. Este hecho es demostrado por el pequeño cambio de la densidad en la fusión, lo cual para los metales
compactos alcanza solamente del 2 al 6%, en donde parte de este cambio en la densidad está asociado probablemente con la
formación de defectos estructurales adicionales en la fase líquida (posiblemente lugares vacantes adicionales, intersticiales o
dislocaciones). Además, el calor latente de fusión que se desprende cuando se funde un metal es relativamente pequeño, siendo
solo 1/25 o 1/40 del calor latente de vaporización. Tanto el pequeño tamaño de la energía desprendida cuando se funde un metal
como el hecho de que los átomos en las fases líquidas y sólida tienen separaciones casi idéntica, nos lleva a la conclusión de que el
enlace de los átomos en estas fases es probablemente similar. El estudio de la difracción de los rayos X sobre los metales líquidos
tiende a confirmar esta suposición. Los metales líquidos poseen una estructura en la cual, sobre distancias cortas, están dispuestos
los átomos en una forma ordenada y tienen un número de coordinación aproximadamente al del sólido. Los resultados de los rayos
X muestran también que los átomos en distancias cortas se acercan a disposiciones cercanas a las exhibidas en los cristales, pero
debido a la presencia de muchos defectos estructurales, cuya naturaleza exactamente se desconoce, no se puede lograr el orden
de largo alcance típico de un cristal. En cierto número de casos se ha sugerido que la fase líquida es esencialmente la misma que la
sólida, con la incorporación de la estructura, de un gran número de cierta forma específica de defectos estructurales, tales como
lugares vacantes, átomos intersticiales o dislocaciones. Sin embargo, estos modelos no han sido completamente satisfactorios y
debe admitirse que no se conoce la naturaleza exacta de los defectos que existen en la fase líquida.
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Año 2011 31
Como la difusión en el estado líquido debe estar asociada con un movimiento correspondiente de defectos estructurales y el
movimiento es muy rápido, llegamos a la conclusión de que la fase líquida es de una estructura en evolución. Esto representa una
diferencia básica entre las fases líquida y sólida. En un sólido, la difusión por movimiento de lugares vacantes no altera, en general,
la estructura del cristal, mientras que en el líquido la estructura es una de cambio constante resultante del movimiento atómico.
Otra consecuencia importante de la facilidad de movimientos atómicos en la fase líquida es el desarrollo de la propiedad más
característica: “la fluidez”, o la incapacidad de un líquido para soportar esfuerzos de corte incluso de magnitudes muy bajas.
Un hecho sorprendente es que las fases líquidas de la mayor parte de los metales son muy similares en sus propiedades, aún
cuando sus propiedades pueden ser bastante diferentes en el estado sólido.
Los metales líquidos tienden a tener el mismo número de vecinos más cercanos. Similarmente, las conductividades eléctricas y
térmicas de las fases líquidas de los metales tienden hacia valores comunes.
Los hechos anteriores pueden ser interpretados como demostración de que las propiedades de las fases líquidas de los metales son
más dependientes de los defectos estructurales característicos de los líquidos que de la naturaleza de las fuerzas de enlace entre
átomos. Por otra parte, en las fases cristalinas sólidas, las propiedades físicas son muy dependientes de la naturaleza de las fuerzas
de enlace entre átomos, ya que estas fuerzas interatómicas determinan los tipos de cristales que forman y, en consecuencia, las
propiedades de los sólidos.
Nucleación
La solidificación de los metales ocurre por nucleación y crecimiento. Cada vez que un metal solidifica ocurre algún
sobreenfriamiento. Además, si las condiciones, durante la solidificación son tales que la nucleación es homogénea, los metales
líquidos pueden ser enfriados a temperaturas muy por debajo de su punto de solidificación de equilibrio antes de que comience la
solidificación.
El último efecto es que a la temperatura de la nucleación homogénea, el tamaño del núcleo crítico se vuelve lo suficientemente
pequeño para que se puedan formar los núcleos estables como resultado de las fluctuaciones térmicas de los átomos. Una vez que
se han formado los núcleos, el calor de fusión desprendido al comienzo de la solidificación tiende a remover el sobreenfriamiento,
y la temperatura de fusión se eleva hacia el punto de solidificación de equilibrio.
La dificultad asociada con la formación de núcleos homogéneos de la fase cristalina sólida no es típica solamente de los metales
puros, sino que se observa en aleaciones, como puede verse en la figura 6, la cual muestra que es posible sobreenfriar aleaciones
de cobre-níquel 300ºC aproximadamente en todas las composiciones.
Esto se realiza bajo condiciones experimentales designadas a prevenir la formación de nucleación heterogénea. En los metales
comunes de comercio, la nucleación durante la solidificación es casi siempre heterogénea. Aquí la formación de núcleos es ayudada
por la presencia en el líquido fundido de partículas de impurezas accidentales, o por la superficie del molde. Cuando ocurre la
nucleación de esta manera, se reduce grandemente el sobreenfriamiento y solo puede alcanzar unos cuantos grados.
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Año 2011 32
Crecimiento de cristales desde la fase líquida
Se ha demostrado que el movimiento del límite que separa a un líquido desde una fase cristalina sólida, puede considerarse como
la resultante de dos movimientos atómicos diferentes. Así, en la intercara, los átomos que dejan al líquido y se unen al sólido
determinan una “velocidad de solidificación”, mientras que los que viajan en la dirección opuesta, determinan la “velocidad de
fusión”. Si el límite se mueve en tal forma que aumente o disminuye la cantidad de sólido, depende si la velocidad de solidificación
o la fusión es mayor. Este punto de vista es equivalente a ver el movimiento de la intercara como un problema de difusión o
bidireccional.
En la figura vemos que la energía de activación Qf representa la energía requerida para tomar un átomo que queda sobre el lado
líquido del límite al punto de caballete y Qm la energía requerida para llevar un átomo sobre el lado sólido de la intercara hasta el
punto de caballete.
Los pasos de energía potencial mostrados sobre cada lado del punto de caballete se diferencian por el “calor latente de fusión”. Así,
un átomo en el sólido posee una energía menor que un líquido.
Chalmers ha hecho para el cobre, como se ve en la figura, que muestra ambas curvas para la velocidad de solidificación y de fusión
como funciones de la temperatura. Observándose que interceptan en el punto de fusión de equilibrio del cobre.
Debido a las consideraciones sobre nucleación, los metales se pueden sobreenfriar por abajo del punto de solidificación de
equilibrio, pero no se pueden sobrecalentar sobre el mismo. Las curvas muestran cuando solidifican los metales sobreenfriados,
que la velocidad de solidificación es muy rápida.
Estructuras cristalinas diferentes presentan tipos de superficies totalmente distintas hacia la fase líquida, por lo que el factor de
acomodación para el movimiento de los átomos desde el líquido hacia el sólido varía con la naturaleza del sólido. También el
movimiento de los átomos desde el líquido al sólido depende de los índices del plano cristalino particular que se enfrenta al líquido.
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Año 2011 33
Esto se puede explicar con la figura que sigue, la cual representa una estructura cúbica centrada en las caras, la cual muestra las
disposiciones atómicas sobre superficies (100) y (111). Los agujeros o cavidades, disponibles en la superficie para la acomodación
de un átomo líquido, según se une al cristal, son más grandes para el plano menos compacto (100) que para el más compacto (111).
Como resultado de esta diferencia, para una cantidad dada de sobreenfriamiento hay una diferencia en la velocidad de crecimiento
de los dos planos cristalográficos: “el plano menos compacto crece con mayor rapidez”.
Solidificación estable de la intercara
Supongamos que el gradiente de temperatura es lineal y perpendicular a la cara. Bajo estas condiciones se cree que la intercara
mantiene una forma estable y se mueve hacia adelante como una unidad; teóricamente sería una intercara estrictamente planar.
Sin embargo, hallar un plano compacto en la posición exactamente correcta es muy pequeña y se tiene que considerar aquellos
casos en donde un plano cristalográfico es casi paralelo a la intercara y en donde la intercara no se aproxima a plano alguno de
densidad elevada.
En la primera posibilidad, la intercara tiende a producir una serie de escalones planares compactos, como en la figura:
Intercara estable cuando el plano reticular compacto es casi paralelo a la misma.
Como cada una de estas facetas tiene una inclinación en la dirección del flujo de calor, la temperatura no puede ser uniforme sobre
toda el área; entonces, cada faceta que estén más avanzadas estarán en contacto con líquido más caliente que las porciones más
atrasadas. Como consecuencia, los pasos individuales asumen una forma curvada. La parte más avanzada, o más caliente,
corresponde a un índice más bajo, o superficie de factor de acomodación más elevado, mientras que la porción más retrasada, o
más fría, corresponde a un crecimiento más lento, o superficie de factor de acomodación más bajo. En esta manera, sería posible
obtener una intercara que creciese a una velocidad constante.
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Año 2011 34
Crecimiento dendrítico
Cuando la intercara líquido-sólido se mueve dentro de un líquido, cuya temperatura cae o disminuye, delante de la intercara,
ocurre un tipo importante de crecimiento cristalino. Supongamos que la figura que sigue representa un región conteniendo una
intercara líquido-sólido.
Inversión de la temperatura durante la solidificación.
Al mismo tiempo, supongamos que se ha obtenido un grado considerable de sobreenfriamiento, de manera que la temperatura del
líquido está bien por debajo del punto de solidificación de equilibrio. Bajo estas condiciones, la temperatura desciende según nos
movemos desde la intercara hacia el interior del sólido, debido a que ésta es la dirección del flujo de calor. También desciende
dentro del líquido sobreenfriado porque hay un flujo natural de calor desde la intercara dentro del líquido sobreenfriado. El
contorno resultante de la temperatura que se obtiene se conoce como una “inversión de la temperatura”.
Cuando la temperatura desciende, la intercara se vuelve inestable y pueden saltar, como disparadas, puntas cristalinas desde la
intercara dentro del líquido. La estructura resultante puede volverse también muy complicada, con ramas secundarias formándose
sobre las puntas primarias, y posiblemente con ramas terciarias formadas sobre las secundarias. El cristal ramificado resultante
tiene la apariencia de un pino en miniatura, y se conoce como una “dendrita” de la palabra griega dendritas que significa de un
árbol.
Las razones para el crecimiento ramificado de un cristal dentro de un líquido, cuya temperatura desciende adelante del sólido, se
debe a que cada vez que una pequeña sección de la intercara se encuentra delante de la superficie que la rodea, estará en contacto
con metal líquido a una temperatura más baja. Su velocidad de crecimiento aumentara en relación a la superficie que la rodea, que
está en contacto con un líquido a temperatura más elevada, y solamente debe esperarse la formación de una punta. Asociado con
la formación de cada punta está el desprendimiento de una cantidad de calor (calor latente de fusión). Este calor eleva la
temperatura del líquido adyacente a cualquier punta dada y retarda la formación de otra formación similar sobre la intercara
general en su vecindad inmediata. El resultado neto es que se forma cierto número de puntas de espaciamiento casi igual con
crecimiento paralelo, como podemos observar en la siguiente figura:
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Año 2011 35
La dirección con que crecen estas puntas es cristalográfica y se conoce como la “dirección de crecimiento dendrítico”. Estas ramas
o puntas son de primer orden, o de naturaleza primaria.
Una vez que se han formado las puntas, el crecimiento en la intercara general será lento debido a que aquí el sobreenfriamiento es
pequeño y el calor latente de fusión asociado con las puntas tiende a disminuir en magnitud. Por tanto, hay una disminución del
gradiente de temperatura, no solo en frente de las puntas primarias, sino también en direcciones perpendiculares a las ramas
primarias. Este gradiente de temperatura es responsable de la formación de ramas secundarias que se forman a intervalos más o
menos regulares a lo largo de las ramas primarias y en direcciones perpendiculares a éstas, como vemos en la figura que sigue.
Usualmente, los brazos dendríticos aumentan en espesor según crecen en longitud, con el resultado eventual de que crezcan
juntos para formar un solo cristal homogéneo.
En los metales de pureza relativamente elevada, es casi imposible obtener el sobreenfriamiento térmico suficiente para que todo el
proceso de solidificación sea dendrítico. Usualmente, no es posible causar que un metal puro solidifique dendríticamente más que
un 10% en volumen.
Ejemplo esquemático de dendrita con formación de ramas primarias, secundarias y terciarias.
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Año 2011 36
Estructura del lingote
En la estructura del lingote de la figura que sigue, pueden distinguirse tres zonas, dependiendo del tipo de grano que se ha
desarrollado durante el enfriamiento y su ubicación, como son: zona Chill, zona Columnar y zona de granos Equiaxiales.
La zona chill corresponde a una zona de enfriamiento rápido. Ésta se forma en la superficie del molde debido al gran
sobreenfriamiento que sufre el metal líquido al entrar en contacto con el molde frío. Debido a esto la nucleación será heterogénea
y su velocidad rápida, produciendo una abundante nucleación de cristales pequeños más o menos equiaxiales y de crecimiento
dendrítico.
La zona columnar corresponde a un crecimiento dendrítico en dirección perpendicular a la dirección de la extracción del calor, es
decir, perpendicular a las paredes del molde. Aquí el enfriamiento es relativamente lento, por lo cual se producen grandes granos
alargados.
La zona equiaxial es la última zona en solidificar, corresponde a un enfriamiento lento, pero el cual posee gran cantidad de
impurezas y restos de dendritas que sirven como nuevos centros de nucleación y crecimiento de nuevos granos que se distribuyen
más o menos homogéneamente en el centro del lingote.
Ejemplo esquemático de la estructura típica en la solidificación metálica de un lingote.
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Año 2011 37
Unidad 4: Defectos estructurales
Dislocaciones y fenómenos de deslizamiento
Discrepancia entre el límite de fluencia teórico y el observado en los cristales
En la figura podemos ver una curva de tensión-deformación de un cristal simple de magnesio. Al bajo esfuerzo de tensión el cristal
se deforma plásticamente y entonces se alarga fácilmente. En la superficie del cristal deformado podremos ver marcas que corren
más o menos continuamente alrededor de la probeta en forma de elipses. Si se observa con muchos aumentos, se reconocen como
una serie de finos escalones que se han formado sobre la superficie.
Como resultado de la fuerza aplicada, los cristales se han cizallado en cierto número de planos paralelos. Cuando ocurre este tipo
de deformación, se dice que el cristal experimenta un “deslizamiento”, las marcas visibles sobre la superficie se denominan “líneas
de deslizamiento”, y el plano cristalográfico sobre el cual ha ocurrido el cizallado se llama “plano de deslizamiento”.
El esfuerzo al cual comienza el flujo plástico de un cristal simple es asombrosamente pequeño cuando se lo compara con la
resistencia de corte teórica de un cristal perfecto (calculada en términos de las fuerzas de cohesión entre átomos).
Se puede obtener una estimación de esta resistencia de la siguiente manera; en la figura que sigue, se muestran en primer lugar
dos planos cristalográficos adyacentes de un cristal hipotético. Un esfuerzo cortante, actuando como se indica por los vectores Ss,
tiende a mover a la izquierda los átomos del plano superior.
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Año 2011 38
Cada átomo del plano superior se eleva hasta su posición máxima. Esta posición máxima representa un punto de caballete, pues
ahora se promoverá un movimiento continuado hacia la izquierda por las fuerzas que tiran del átomo hacia la cavidad siguiente.
Para alcanzar el punto de caballete, se requiere un movimiento horizontal de cada átomo igual a un radio atómico, el cual
representa el esfuerzo de corte.
Dislocaciones
La explicación entre la discrepancia entre las cargas de deformación aparente y real descansa en el hecho de que los cristales reales
no son perfectos, sino que contienen defectos. El tipo de defecto que hace posible una explicación del bajo límite elástico de los
cristales se denomina “dislocación”. Hay dos orientaciones básicas de una dislocación, la dislocación de “borde y la “helicoidal”.
En la figura que sigue, se muestra como se origina una dislocación de borde sobre un plano cristalográfico de un cristal cúbico
simple. Se puede ver el deslizamiento del plano de átomos de color negro (y su analogía con el deslizamiento de una oruga) cuando
se impone un esfuerzo, de forma tal que al final del esfuerzo aplicado queda en el extremo del cristal una dislocación de borde.
Además, la dislocación representa un defecto que corre completamente a través del crista, desde la parte delantera hasta la
posterior, como se observa en la segunda figura, manifestándose el movimiento por medio de una “línea de dislocaciones”, con
una distancia de un átomo, las cuales, agrupadas en grandes cantidades pueden observarse por microscopía con grandes
aumentos.
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Año 2011 39
En las figuras que siguen podemos ver una dislocación helicoidal, donde cada cubo representa un átomo del cristal. El plano ABCD
es el plano de deslizamiento. La parte superior del cristal ha sido cizallado por una distancia atómica hacia la izquierda, relativa a la
porción frontal inferior.
La definición “helicoidal” deriva de que los planos del cristal forman una espiral en la línea de dislocación DC. Esto se puede probar
comenzando a trazar una línea continua a partir del punto x en el cristal, en dirección de las flechas. Un circuito del cristal termina
en el punto y, los circuitos continuados terminarán finalmente en z, dibujando una línea helicoidal.
Hay dos tipos de dislocaciones de borde, la dislocación de borde “positiva” y la dislocación de borde “negativa”, de la misma
manera, existen dos tipos de dislocaciones helicoidales, las helicoidal a la “izquierda” y la helicoidal a la “derecha”, como se puede
observar en la figura.
Una dislocación de borde positiva se mueve hacia la izquierda cuando la mitad superior cizallada va hacia la izquierda. Una
dislocación de borde negativa, se mueve hacia la derecha cuando la parte inferior cizallada va hacia la derecha, pero produce
idéntico corte del cristal que la izquierda.
La helicoidal a la derecha se mueve hacia adelante y la helicoidal a la izquierda hacia atrás, produciendo también el mismo corte de
la red.
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Año 2011 40
Imágenes de la izquierda: de arriba hacia abajo: representación de una línea de dislocación en la estructura y la distorsión de que produce en los
cristales, dislocación helicoidal vista desde dos perspectivas. Imagen de la derecha: analogía entre el movimiento de una dislocación a través de
un cristal y el movimiento de una oruga conforme arquea su parte posterior mientras avanza.
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Año 2011 41
Unidad 5: Fases y aleaciones
Fases: dos elementos químicos (Cu-Ni; alcohol-agua) aleados o disueltos de forma homogénea en estado líquido forman una fase
líquida.
Que sea una solución homogénea significa que en la fase líquida ambos elementos se encuentran distribuidos uniformemente en la
masa metálica y no pueden diferenciarse ambos elementos por separado.
Cuando la aleación en estado líquido solidifica, puede suceder que se forme un solo tipo de cristales o estructura, en dicho caso se
habla de una sola fase sólida (estructura fcc en el caso del Cu-Ni).
Estructura cristalina de la aleación Cu-Ni
Ciertos metales, como por ejemplo el hierro y el estaño, son polimorfos (alotrópicos) y cristalizan en varias estructuras, cada una
estable en una zona de temperatura diferente. En este caso, cada estructura cristalina define a una fase separada, por lo que los
metales polimorfos son capaces de existir en más de una fase sólida.
¿Qué es una aleación?
Una aleación es una sustancia compuesta por más de un elemento químico, del cual al menos uno de ellos es un metal. Y se define
un sistema de aleación como aquel que contiene todas las aleaciones que pueden formarse con varios elementos combinados en
cualquier proporción posible. Cuando el sistema lo componen dos elementos se denomina sistema de aleación binario, si hay tres
sistema de aleación ternario, etc. De aquí se deduce fácilmente que el número de combinaciones aumenta con el número de
elementos de un sistema, y dado a que las aleaciones comerciales poseen un gran número de elementos, el número de aleaciones
posibles es casi infinito.
Clasificación de las aleaciones
Las aleaciones se clasifican según su estructura en homogéneas y mezclas. Se dice que una aleación es homogénea cuando está
formada por una única fase (entendida esta como toda parte homogénea de un sistema diferenciable físicamente de las demás).
Las aleaciones serán mezclas cuando estén constituidas por más de una fase. Toda parte visible al microscopio y que físicamente
sea distinta de las demás se considera una fase. En el caso de los elementos puros las fases coinciden con los distintos estados, así
podemos hablar de fase sólida, líquida y gaseosa e incluso los distintos alótropos son fases distintas pues poseen distinta estructura
y son físicamente diferenciables.
En el estado sólido pueden presentarse tres fases distintas: metales puros, compuestos químicos, compuestos intermetálicos y
soluciones sólidas. Si una aleación es homogénea sólo puede ser o una solución sólida o un compuesto químico, mientras que si es
una mezcla puede estar formada por cualquier combinación de las tres fases que pueden darse en estado sólido, por ejemplo,
puede estar formada por dos soluciones sólidas o por una solución sólida y un metal puro, o por una solución sólida y un
compuesto, etc.
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Año 2011 42
Metales puros
La principal característica de los metales puros es el de poseer un punto de solidificación o fusión fijo. Esto es así si el enfriamiento
se realiza muy lentamente para que las transformaciones tengan tiempo de realizarse. La curva de enfriamiento de un metal puro
es la que se presenta a continuación:
Temperatura
Fase líquida
Punto de fusión
Fase sólida
Tiempo
Curva de enfriamiento ideal de un metal sólido
Compuestos químicos
Los compuestos químicos son un tipo especial de solucione sólidas, y para su estudio vamos a comenzar recordando algunos
principios de los compuestos químicos en general.
Los compuestos químicos en general están formados por elementos de valencia opuestas, cuya proporción viene determinada por
la fórmula química, ejemplo de ellos pueden ser el agua y el cloruro sódico. La unión entre ellos se produce por enlaces fuertes por
lo que es difícil la separación de los átomos que los constituyen.
Las propiedades del compuesto químico son distintas a las de los átomos por separado, así si tomamos el caso del cloruro sódico
(sal común), mientras que el cloro es un gas muy reactivo y nocivo, y el sodio es un metal muy reactivo que se oxida fácilmente, el
cloruro sódico es un compuesto inocuo de gran importancia. Luego, como puede verse, al combinarse los elementos estos dejan de
existir como elementos individuales, y dan origen al compuesto químico que tiene unas características físicas y mecánicas propias y
unas propiedades químicas distintas.
La mayoría de los compuestos poseen también un punto de solidificación definido, dentro de unos estrechos márgenes de
temperaturas, igual que los metales puros. Luego la curva de enfriamiento sería la misma que vimos anteriormente.
Las fases de compuestos químicos que pueden darse son: compuestos intermetálicos o de valencia, compuestos intersticiales y
compuestos electrónicos.
Compuestos intermetálicos o de valencia:
Están formados generalmente por metales químicamente distintos, y su combinación obedece a las reglas de la valencia química.
Presentan enlaces fuertes (iónicos – covalentes) y sus propiedades son normalmente similares a las de los materiales no metálicos,
como es poca ductilidad y conductividad eléctrica baja, cristalizando en estructuras complejas. Algunos compuestos intermetálicos
son: CaSn, Mg2Pb, Mg2Sn y Cu2Se.
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Año 2011 43
Compuestos intersticiales:
En este grupo se encuentran los compuestos que forman los metales de transición (Sc, Ti, Ta, W, Fe), con elementos como el
hidrógeno, oxígeno, carbono, boro y nitrógeno. Como la palabra indica los átomos de estos últimos elementos, que son de
pequeño tamaño se sitúan en los huecos o intersticios de la red cristalina. Éstos también pueden formar soluciones sólidas
intersticiales, que veremos posteriormente, y cuya diferencia con éste grupo es que los solutos están en mucha menor proporción.
Los compuestos intersticiales tienen un carácter netamente metálico, una composición variable dentro de unos estrechos
márgenes, puntos de fusión elevados y presentan una gran dureza. Dentro de éste grupo tenemos: TiC, TaC, Fe2N, Fe3C, W2C, CrN y
TiH. Como veremos más adelante muchos de éstos compuestos mejoran las propiedades de los aceros de temple y de las
herramientas de carburo cementadas.
Soluciones sólidas
Toda solución está formada por un soluto y un disolvente, siendo éste último el que se encuentra en mayor proporción. Los
componentes de una solución, soluto y disolvente, pueden ser tanto sólidos como líquidos como gaseosos. De aquí que aunque
cuando hablamos de soluciones, pensemos en el agua como disolvente principal y en algún compuesto sólido como soluto, sea
posible que la solución esté constituida por dos elementos sólidos que formen la misma red.
La cantidad de soluto que puede disolver un disolvente aumenta con la temperatura.
En función de la cantidad de soluto presente en el disolvente las soluciones se dividen en: insaturadas, saturadas y sobresaturadas.
Se dice que una solución es insaturada cuando la cantidad de soluto que contiene es inferior al máximo, será saturada si la cantidad
de soluto que contiene es la máxima que es capaz de solubilizar a esa temperatura, y será sobresaturada si la cantidad de soluto
sobrepasa el máximo. Se puede obtener una solución sobresaturada realizando alguna acción mecánica, como puede ser el simple
hecho de agitar una solución, o bien impidiendo por un enfriamiento desde una temperatura alta, que se alcance las condiciones
de equilibrio. Ahora bien una solución sobresaturada es inestable y por tanto con el tiempo (maduración natural), o con un
pequeño aporte energético (maduración artificial), tiende a ser saturada, depositándose o precipitándose el exceso de metal.
Las soluciones sólidas son soluciones en estado sólido, que están formadas principalmente por dos tipos de átomos distintos
combinados en una misma red espacial. En la mayoría de las soluciones sólidas la solidificación se produce en un intervalo de
temperaturas, en lugar de a una temperatura fija como se produce en el caso de los metales puros. Las soluciones sólidas pueden
ser de dos tipos: Soluciones sólidas por sustitución, denominadas soluciones sólidas sustitucionales, y por inserción, denominadas
soluciones sólidas intersticiales.
Soluciones sólidas sustitucionales:
En estas soluciones sólidas el soluto ocupa algunas posiciones de la red cristalina del disolvente, es decir, los átomos de soluto
sustituyen a los átomos de disolvente. La figura muestra una estructura FCC en la que se observa como los átomos de soluto
sustituyen a los de disolvente en la red cristalina. La red del disolvente permanece inalterada, aunque se distorsiona debido a la
diferencia del tamaño atómico. Así cuando la diferencia de tamaño es grande pueden darse distorsiones de gran importancia.
Cuando el átomo de soluto es mayor que el del disolvente, la red experimenta una dilatación y, en caso contrario experimenta una
contracción.
Soluciones sólidas intersticiales:
En las soluciones intersticiales los átomos de soluto se colocan en los intersticios de la red cristalina del disolvente, por lo que los
átomos que ocupan estos huecos tienen que ser de pequeño tamaño, siendo los únicos que pueden formar estas soluciones el
hidrógeno, el boro, el carbono, el nitrógeno y el oxígeno.
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Este tipo de soluciones difieren de los compuestos intersticiales en que el número de átomos de menor tamaño que necesitan para
formar el compuesto es siempre mayor de los que se pueden disolver en los intersticios de la red. Cuando la cantidad de soluto es
pequeña y la diferencia de radios de los constituyentes presenta un valor adecuado, se forman estas soluciones sólidas
intersticiales. En las soluciones sólidas el soluto tiene una alta movilidad, pudiéndose desplazar de unos intersticios a otro, mientras
que si el número de átomos de soluto es superior a la de la solución saturada se dificulta mucho el movimiento atómico y se
favorece la formación del compuesto intersticial.
La formación de éste tipo de soluciones sólidas va acompañada siempre de una dilatación de la red cristalina del disolvente. La
mayor solubilidad la determina el tamaño del elemento que se introduce, y el tamaño del hueco intersticial de la red cristalina. Así
mientras que el hierro α, sólo es capaz de solubilizar un 0.025% de carbono a 727ºC, el hierro γ, es capaz de solubilizar hasta un 2%
a 1138ºC. Esto es debido, a que el hueco intersticial en el Fe α, BCC, es más pequeño que el del Fe γ, FCC.
Estructura cúbica centrada en las caras, en la cual se ha producido la disolución del átomo B de dos maneras: Izquierda, solución sólida
sustitucional (átomo B en menor cantidad: soluto; átomo A en mayor cantidad: disolvente. Derecha, solución sólida intersticial (átomo B: soluto;
átomo A: disolvente).
Diagramas de equilibrio de fases
Sistema de un componente
Para una sustancia pura es común determinar experimentalmente un diagrama temperatura vs presión llamado diagrama de fase,
tal como el mostrado en la figura. Este diagrama cubre todos los posibles cambios de fase del elemento y se realiza determinando
la fase presente después de que se alcanzó el equilibrio, bajo diferentes combinaciones de temperatura y presión. Es importante
señalar que el diagrama de fase predice la fase que estará en equilibrio termodinámico bajo una determinada combinación de
valores de presión y temperatura pero no indica la velocidad a la que se producirán los cambios de fase al pasar de un punto a otro.
Como ya fue mencionado en puntos anteriores los problemas de nucleación pueden retrasar las transformaciones y ocasionar que
el sistema se mueva por las líneas metaestables (a trazos).
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Sistemas de dos componentes
Al tratar con sistemas de dos componentes se agrega un nuevo parámetro que es la concentración relativa, por lo que el diagrama
de fase debería ser en tres dimensiones, para evitarlo y poder seguir trabajando en dos dimensiones se fija la presión,
normalmente a un valor de una atmósfera (ver en tema “Regla de las fases de Gibbs”).
Así como los metales puros solidifican a temperatura constante, en las aleaciones no sucede en general así y sólo las que
corresponden a la composición eutéctica solidifican a temperatura constante. Las demás aleaciones solidifican a temperatura
decreciente, empezando a una temperatura y terminando a otra inferior, dependiendo estas temperaturas de la concentración y la
composición química. Aunque los diagramas de solidificación de sistemas de dos componentes pueden presentar configuraciones
muy diversas, todos se derivan de tres tipos generales que corresponden a las tres posibilidades de formación de aleaciones que ya
fueron mencionadas anteriormente.
1º caso: diagrama de equilibrio de solubilidad total
Si dos metales A y B, solubles en estado líquido, son solubles también en estado sólido, se forman cristales mixtos de solución
sólida en las que los átomos de A y B estarán entremezclados en la red del metal A o la del B, según sea el disolvente. Tal como lo
muestra el diagrama de la figura, la solidificación no se opera a temperatura constante, sino que empieza a una temperatura
inferior a la del metal de más alto punto de fusión y termina a una superior a la del de más bajo punto de fusión. Así pues, si la
temperatura de solidificación del metal A es θA, y la de B, es θB, una aleación de composición química fija Im, con un determinado
% de B disuelto en A empezará a solidificar a la temperatura θ1 < θA y terminará a la temperatura θ2 > θB. La línea L, línea de
“líquidus”, representa todas las temperaturas de principio de solidificación de las aleaciones A-B, y la S, línea de “sólidus”, las de fin
de solidificación. Cualquier aleación a una temperatura por encima de la línea L se halla en estado líquido, y cualquiera por debajo
de S se halla en estado sólido. Entre S y L, la aleación se halla parte en estado líquido y parte en estado sólido.
Es importante tener en cuenta que, tanto la composición del sólido que se va formando como la del líquido remanente, varían a lo
largo de la solidificación. Si el proceso se realiza tan lentamente como para suponer que se mantiene permanentemente el estado
de equilibrio del sistema, es posible conocer la composición del sólido y del líquido a cada temperatura. Esto se consigue trazando
una línea horizontal por la temperatura a la que se encuentra el sistema de manera que corte a la línea de sólidus y de líquidus. Las
abscisas de los puntos de intersección encontrados determinan la composición del sólido y del líquido respectivamente (ver en
tema “Regla de la Palanca”).
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2º caso: diagrama de equilibrio de insolubilidad total
La aleación de dos metales que, siendo solubles en estado líquido, se hacen insolubles al solidificar, tampoco solidifica a
temperatura constante, sino que empieza a solidificar el de más alto punto de fusión primero, a temperatura comprendida entre θA
y θB, y tanto más próximo a θB cuanto mayor es la concentración de B, y sólo cuando ha solidificado totalmente, solidifica el de más
bajo punto de fusión, efectuándolo a temperatura constante. Su diagrama será de la forma que se indica en las figuras que siguen.
La aleación de composición química constante Im de un determinado % del elemento B disuelto en A empieza a solidificar a la
temperatura θ1, formando granos cristalinos de metal A conforme se enfría hasta θ2, en cuyo instante ha terminado la solidificación
de A, solidificando entonces el líquido residual B a temperatura constante θ2 = θB, formando cristales de B. La aleación solidificada
tendrá dos constituyentes: cristales A + cristales B en la proporción de m % de B. En los casos de insolubilidad es frecuente que se
forme un eutéctico. Si el punto E es la concentración del eutéctico y θE su temperatura de solidificación el diagrama tomará la
forma que se muestra en la segunda figura. Una aleación tal como la Im empieza a solidificar a θ1<θA, formando cristales de A, y
continúa así enfriándose hasta θ2 = θE. Solidificado ya todo el metal A, solidificará a temperatura constante el líquido residual que
formará todo el eutéctico E constituido por cristales entremezclados de metal A y metal B en la proporción de porcentaje eutéctico
E. La aleación IIm solidificará análogamente, pero empezando a solidificar el metal B desde θ3 < θB hasta θ4 = θE y terminando por la
solidificación del eutéctico de A y B a la temperatura θE constante. Finalmente una aleación IIIe de concentración E de B solidifica
formando el eutéctico E (metal A + metal B), efectuándolo a temperatura constante, siendo además la que solidifica a temperatura
más baja entre todas las aleaciones A-B.
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3º caso: diagrama de solubilidad parcial
Dos metales A y B que, solubles en estado líquido, sólo lo son parcialmente en estado sólido, tendrán en este estado un límite de
saturación de porcentaje mm` de B en A. Con menos de esta dosificación se formará una solución sólida (A-B). Con más de m % de
B, el metal en exceso será insoluble y o bien solidificará independiente del A, o, como es más corriente, formará un eutéctico. En el
primer caso el diagrama toma la forma de la figura que sigue. La línea de líquidus es la AB, y la de sólidus, la Am’B. Las aleaciones
con menos de m % de B, como la I, empiezan a solidificar la una temperatura θ1 < θA formando cristales de solución sólida α de (A-
B), y terminan la solidificación en θ2 = θB. Es decir solidifican como una solución sólida normal del primer caso y la aleación
solidificada queda constituida sólo por cristales de solución sólida. Si la aleación contiene una dosificación en B mayor del límite de
saturación m %, tal como la II, la aleación empezará a solidificar a temperatura θ3 < θA formando cristales de solución sólida α ,
hasta que al llegar a la temperatura θ4 = θB ha solidificado toda la solución sólida α, saturada, es decir αm , y el líquido residual será
sólo metal B en exceso que, como se halla a su temperatura de solidificación, solidificará, quedando la aleación sólida constituida
por solución sólida αm + metal B.
Si se forma un eutéctico, es lo normal que haya que considerar dos límites de saturación de soluciones sólidas: el m% de B, que
corresponde a soluciones sólidas α de B en A (átomos de B intercalados en la red de A), y el n % de B, que corresponde a soluciones
sólidas β de A en B (átomos de A intercalados en la red de B). El eutéctico se forma con las dos soluciones sólidas saturadas (αm +
βn) con una dosificación E % de B fija en todo el sistema. El diagrama presenta la configuración de la figura que sigue. Siendo la
línea de líquidus la AEB y la de sólidus, la Am’En’B.
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Diagramas de fases binarios de solubilidad total:
Si realizamos un diagrama donde las variables sean las composiciones de los 2 elementos de aleación (por ejemplo Cu-Ni), en
función de la temperatura, se obtiene un gráfico de las siguientes características:
Construcción del diagrama mediante curvas de enfriamiento:
Si a partir de la aleación líquida de una composición química definida, trazamos curvas con la temperatura en función del tiempo
durante su enfriamiento, obtenemos las curvas de enfriamiento de cada aleación de una composición química definida:
Si abarcamos distintas composiciones químicas y realizamos las curvas de enfriamiento correspondientes a cada una de esas
composiciones, podemos reproducir dichos resultados formando un diagrama de equilibrio de fases:
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Regla de la palanca:
Se puede utilizar una isoterma para determinar la composición de ambos elementos en las distintas temperaturas del diagrama.
El punto donde una dada isoterma corta la curva de líquidus y de sólidus indica las composiciones de las fases líquida y sólida
respectivamente. Si, además de la composición química de las fases, se desea conocer la cantidad relativa de cada fase a cierta
temperatura, se utiliza un cálculo conocido como la regla de la palanca:
- Para calcular la cantidad de una fase a determinada temperatura se construye una palanca sobre la isoterma, con el punto de
apoyo en la composición original de la mezcla (60% Cu – 40% Ni).
- La cantidad de una fase se calcula dividiendo la longitud del brazo opuesto de la palanca por la longitud total de la misma (x100 lo
expresa en porcentaje):
% de fase = L brazo opuesto x 100
L total isoterma
Ejercicio:
Sobre el siguiente gráfico correspondiente a la aleación Cu – Ni, se pide:
a) Determinar la composición de la fase líquida para una aleación con un contenido de Ni de 60% a una temperatura de 1320 ºC.
b) Calcular las cantidades relativas de los elementos de aleación en la fase líquida para las condiciones dadas.
c) Determinar la composición química de la fase sólida y las cantidades relativas de los elementos de aleación en las condiciones
dadas.
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Año 2011 50
Solución:
1- Se ubica el punto O correspondiente a la composición 60% Ni y temperatura 1320 ºC.
2- La intersección de la isoterma con la línea de líquidus del diagrama nos dará la composición química de la fase líquida en dichas
condiciones (punto A); (Ni = 52,5%); (Cu = 100% - 52,5% = 47,5%).
3- La intersección de la isoterma con la línea de sólidus del diagrama nos dará la composición química de la fase sólida en dichas
condiciones (punto B); (Ni = 65,6%); (Cu = 100% - 65,6% = 34,4%).
4- Para obtener las composiciones relativas de de los elementos en la fase líquida y en la fase sólida, se aplica la regla de la palanca:
% de fase líquida = (OB/AB).100% = [(BC - OC)/(BC - AC)].100% =
= [(65,6% - 60%)/(65,6% - 52,5%)].100% = (5,6%/13.1%).100% = 42,75%
% de fase sólida = (OA/AB).100% = [(OC - AC)/(BC - AC)].100% =
= [(60% - 52,5%)/(65,6% - 52,5%)].100% = (7,5%/13.1%).100% = 57,25%
Regla de las fases de Gibbs:
Esta regla nos define los grados de libertad que posee el sistema dependiendo del tipo de variables que consideremos (presión,
temperatura o composición química). Establece la siguiente relación:
F = C - P + 2
F = número de grados de libertad
C = número de componentes
P = número de fases presentes
2 = es el número de variables de estado del sistema (temperatura y presión)
En los casos experimentales que nosotros trataremos, el efecto de la variación de la presión es despreciable, así establecemos que:
P = 1 atm = constante durante todo el experimento. Así, la regla de las fases queda establecida para nuestros propósitos empíricos
como:
F = C - P + 1
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Veamos con un ejemplo utilidad de esta ecuación:
1- Si tenemos un metal puro y nos situamos en su punto de fusión (punto O): C = 1 (Ni puro), P = 2 (sólido + líquido).
F = 1 – 2 + 1 = 0
- Con lo que podemos deducir que el punto de fusión es un punto fijo o invariante, que se da a una temperatura y presión fijas.
2- Si nos situamos en el punto donde coexisten dos fases (puntos B, C, D): C = 2 (Ni + Cu), P = 2 (sólido + líquido)
F = 2 -2 + 1 = 1
- Tenemos un único grado de libertad, es posible mantener la microestructura de 2 fases mientras se modifica la temperatura del
material (en un rango limitado) o de forma independiente a la temperatura, si se modifica la composición (en un rango limitado).
3- Cuando nos situamos en la región donde hay una sola fase (punto A, E): C = 2 (Ni + Cu), P = 1 (fase líquida ó fase sólida)
F = 2 – 1 + 1 = 2
- Tenemos dos grados de libertad, es decir, podemos variar tanto la temperatura como la composición en un rango limitado
manteniendo la microestructura.
Difusión y mecanismos de difusión
Consideraciones sobre la difusión en sólidos
La difusión puede ser definida como el mecanismo por el cual la materia es transportada por la materia. Los átomos de gases,
líquidos y sólidos están en constante movimiento y se desplazan en el espacio tras un período de tiempo. En los gases, el
movimiento de los átomos es relativamente veloz, tal efecto se puede apreciar por el rápido avance de los olores desprendidos al
cocinar o el de las partículas de humo. En los líquidos, los átomos poseen un movimiento más lento, esto se pone en evidencia en el
movimiento de las tintas que se disuelven en agua líquida. El transporte de masa en líquidos y sólidos se origina generalmente
debido a una combinación de convección (movilización de fluido) y difusión. En los sólidos, estos movimientos atómicos quedan
restringidos (no existe convección), debido a los enlaces que mantienen los átomos en las posiciones de equilibrio, por lo cual el
único mecanismo de transporte de masa es la difusión. Sin embargo, las vibraciones térmicas que tienen lugar en sólidos permiten
que algunos átomos se muevan. La difusión de éstos en metales y aleaciones es particularmente importante si consideramos el
hecho de que la mayor parte de las reacciones en estado sólido llevan consigo movimientos atómicos; como ejemplo se pueden
citar la formación de núcleos y crecimiento de nuevos granos en la recristalización de un metal trabajado en frío, la difusión del
carbono en tratamientos térmicos de cementación, la precipitación de una segunda fase a partir de una solución sólida, etc.
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Año 2011 52
Mecanismos de difusión
1. Mecanismo de difusión por vacantes o sustitucional
Los átomos pueden moverse en las redes cristalinas desde una posición a otra si hay presente suficiente energía de activación,
proporcionada ésta por la vibración térmica de los átomos, y si hay vacantes u otros defectos cristalinos en la estructura para que
ellos los ocupen. Las vacantes en los metales son defectos en equilibrio, y por ello algunos están siempre presentes para facilitar
que tenga lugar la difusión sustitucional de los átomos. Según va aumentando la temperatura del metal se producirán más vacantes
y habrá más energía térmica disponible, por tanto, el grado de difusión es mayor a temperaturas más altas.
2. Mecanismo de difusión intersticial
La difusión intersticial de los átomos en redes cristalinas tiene lugar cuando los átomos se trasladan de un intersticio a otro
contiguo al primero sin desplazar permanentemente a ninguno de los átomos de la matriz de la red cristalina. Para que el
mecanismo intersticial sea efectivo, el tamaño de los átomos que se difunde debe ser relativamente pequeño comparado con el de
los átomos de la matriz. Los átomos pequeños como los de hidrógeno, carbono, oxígeno y nitrógeno, pueden difundirse
intersticialmente en algunas redes cristalinas metálicas. Por ejemplo, el carbono puede difundirse intersticialmente en hierro alfa
BCC y hierro gamma FCC. En la difusión intersticial de carbono en hierro, los átomos de carbono deben pasar entre los átomos de la
matriz de hierro.
Energía de activación para la difusión
Un átomo que se difunde debe moverse entre los átomos circundantes para ocupar su nueva posición.
El átomo debe atravesar una barrera de energía potencial que requiere una energía de activación Q. El calor proporciona al átomo
la energía para vencer esta barrera.
Normalmente se necesita menos energía para forzar un átomo intersticial a que pase entre los átomos circundantes; en
consecuencia, la energía de activación es menor en la difusión intersticial que en la difusión por vacancias.
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Año 2011 53
Unidad 6: Diagrama hierro-carbono y estructuras metalográficas
Diagrama Hierro-Carbono (Fe-C)
Constituyentes estructurales de los aceros (según el diagrama Fe-C)
Austenita Ferrita Cementita Perlita
Está formado por una solución
sólida de inserción de C en el
Fe. Sólo es estable a
temperaturas superiores a A1
(723ºC), desdoblándose (por
reacción eutectoide) a
temperaturas inferiores en
ferrita y cementita.
La austenita es deformable,
poco dura, presenta gran
resistencia al desgaste, no es
magnética y es el
constituyente más denso de
los aceros.
Está formado por una
solución sólida de
inserción de C en Fe. Es
el constituyente más
blando y maleable de los
aceros.
Es carburo de hierro, Fe3C, es un
compuesto intermetálico. Es muy
frágil y duro.
Está formada por una mezcla
eutectoide de dos fases, ferrita
y cementita. Su estructura está
constituida por láminas
alternadas de ferrita y
cementita.
Las propiedades mecánicas de
la perlita son intermedias entre
las de la ferrita y la cementita.
Es más dura y resistente que la
ferrita, pero más blanda y
maleable que la cementita.
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Año 2011 54
Clasificación SAE de los aceros
La inmensa variedad de aceros que pueden obtenerse por los distintos porcentajes de carbono y sus aleaciones con elementos
como el cromo, níquel, molibdeno, vanadio, etc., ha provocado la necesidad de clasificar mediante nomenclaturas especiales, que
difieren según la norma o casa que los produce para facilitar su conocimiento y designación.
La SAE (Society of Automotive Engineers) emplea, a tal fin, números compuestos de cuatro o cinco cifras, según los casos, cuyo
ordenamiento caracteriza o individualiza un determinado acero.
El significado de dicho ordenamiento es el siguiente:
Primera cifra 1 caracteriza a los aceros al carbono
Primera cifra 2 caracteriza a los aceros al níquel
Primera cifra 3 caracteriza a los aceros al cromo-níquel
Primera cifra 4 caracteriza a los aceros al molibdeno
Primera cifra 5 caracteriza a los aceros al cromo
Primera cifra 6 caracteriza a los aceros al cromo-vanadio
Primera cifra 7 caracteriza a los aceros al tungsteno
Primera cifra 9 caracteriza a los aceros al silicio-manganeso
Para aceros al manganeso la característica resulta: 13xx
En los aceros simples (un solo elemento predominante), las dos últimas cifras establecen el porcentaje medio aproximado de C en
centésimo del 1%, cuando el tenor del mismo no alcanza al 1%. Por último, la cifra intermedia indica el porcentaje o, en forma
convencional, el contenido preponderante de la aleación, tal el caso de los aceros al Cr-Ni, en los que la segunda cifra corresponde
al % de Ni.
Mediante el número SAE, los aceros al carbono, de hasta 1% de C, pueden ser fácilmente identificados; así un SAE 1025 indica:
Primera cifra 1 indica acero al carbono
Segunda cifra 0 indica ningún otro elemento de aleación predominante
Últimas cifras 25 indica 0,25% de carbono medio aproximado
La composición química porcentual de los aceros que corresponden a esta designación es:
C = 0,22-0,28 %; Mn = 0,30-0,60 %; S = 0,05 % máx.; P = 0,04 % máx.
Donde puede observarse que el manganeso (Mn), azufre (S) y el fósforo (P) no son considerados como factores capaces de dotar a
la aleación de propiedades especiales, por no alcanzar el porcentaje mínimo de 1,5 %, 0,08 % y 0,1 %, respectivamente, requerido
para ello.
Para ampliar la gama de aceros posibles de clasificar, la SAE los determina, en algunos casos, con cinco cifras, de manera que la
segunda y la tercera indiquen el porciento del elemento preponderante; así por ejemplo: el acero SAE 71660 resulta al tungsteno
con 16 % de W (15 al 18 %) y 0,60 % de C (0,50 al 0,70 %).
Aclaramos que, si bien la primera cifra (elemento que le da su nombre a la aleación de acero) y las dos últimas (tenor de carbono)
cumplen casi rigurosamente con lo indicado precedentemente, no ocurre lo mismo con la intermedia (segunda y tercera si son
cinco), debido a que por necesidad o conveniencia se las elige, algunas veces, en forma arbitraria y de manera que el número
completo defina perfectamente a un tipo de acero.
En la clasificación SAE se han determinado a los metales de mayor uso en automotores; es por ello que los aceros al carbono sólo
tienen designación convencional para aquellos de hasta 1 % y los cuaternarios (Cr-Ni, Cr-Mo, etc.) y complejos (Cr-Ni-Mo, etc.) no
responden en sus números, a los vistos, como se verifica en la tabla y ejemplos siguientes.
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Año 2011 55
Al Carbono Comunes o no aleados 10xx
Corte rápido 11xx
Manganeso 1,75 % Mn 13xx
Níquel
3,5 % Ni 23xx
5 % Ni 25xx
Cromo-Níquel 1,25 % Ni; 0,65-0,80 % Cr 31xx
3,5 % Ni; 1,55 % Cr 33xx
Resistentes al calor y a la corrosión 303xx
Molibdeno 0,25 % Mo 40xx
Cromo-
Molibdeno
0,5-0,95 % Cr; 0,20-0,25 % Mo 41xx
Níquel-
Molibdeno
1,55-1,8 % Ni; 0,2-0,25 % Mo 46xx
3,5 % Ni; 0,25 % Mo 48xx
Níquel-Cromo-
Molibdeno
1,8 % Ni; 0,5-0,8 % Cr; 0,25 %Mo 43xx
0,55 % Ni; 0,5 % Cr; 0,2 %Mo 86xx
0,55 % Ni; 0,5 % Cr; 0,25 %Mo 87xx
3,25 % Ni; 1,2 % Cr; 0,12 %Mo 93xx
0,45 % Ni; 0,4 % Cr; 0,12 %Mo 94xx
0,55 % Ni; 0,17 % Cr; 0,2 %Mo 97xx
1 % Ni; 0,8 % Cr; 0,25 %Mo 98xx
Cromo Bajo Cr: 0,27 y 0,65 % Cr 50xx
Bajo Cr: 0,8; 0,95 ó 1,05 % Cr 51xx
Bajo Cr: 0,5 % Cr 501xx
Mediano Cr: 1 % Cr 511xx
Alto Cr: 1,45 % Cr 521xx
Resistente al calor y a la corrosión 514xx
515xx
Cromo-Vanadio 0,95 % Cr; 0,15 % mín V 61xx
Silicio-
Manganeso
1,4 y 2 % Si; 0,65 y 0,85 % Mn 92xx
Aceros fundidos Resistentes a la corrosión 60xxx
Resistentes al calor 70xxx
Al carbono con bajo % de aleación 0x0
00xx
Alta resistencia mecánica 01xx
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Año 2011 56
Metalografía
Son las técnicas que permiten observar visualmente la estructura de los materiales; suele emplearse el término “Materialografía”;
más genérico, por cuanto incluye también a otros materiales no metálicos.
La observación visual puede efectuarse:
Directamente: Examen Macrográfico.
Utilizando un Microscopio Óptico: Metalografía Óptica.
Utilizando un Microscopio Electrónico: Metalografía Electrónica.
Examen macrográfico
- Se emplean pocos aumentos (menos de 20).
- Se observan grandes áreas de la pieza.
- La finalidad del examen macrográfico es detectar porosidades, rechupes, grietas, inclusiones, pliegues, sentidos de laminación
y forja, soldaduras, etc.
Técnicas de ensayos macrográficos
- Los ensayos macrográficos se realizan de dos maneras:
1- Sin preparación superficial, es decir, observando la pieza tal cual se encuentra para su análisis. Con ellos podemos analizar fallas,
fracturas, tamaño de grano, etc. Algunos ejemplos se pueden observar en las macrofotografías que siguen:
2- Mediante el corte de la sección a observar, preparación de la superficie y generalmente atacada con un reactivo que permite
poner de manifiesto la zona de análisis. De esta forma, podemos analizar inclusiones, dirección de fibras de deformación, tamaño
de grano, fallas y grietas, soldaduras, etc. El reactivo generalmente utilizado para los aceros al carbono es el ácido clorhídrico al
50% a temperaturas entre 40 y 70ºC. Algunos ejemplos de observación se muestran en las siguientes fotografías:
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Año 2011 57
Micrografía óptica
- El examen de la microestructura se utiliza para:
• Determinar si un metal o aleación satisface las especificaciones en relación a trabajos mecánicos (forja, trefilado,
extrusión, etc.)
• Evaluar la estructura obtenida por tratamientos térmicos.
• Determinar la composición química y composición en general (constituyentes, inclusiones, sulfuros, óxidos, precipitados).
• Se utiliza para analizar las fallas metálicas y para controlar procesos industriales en general.
Para el estudio de la estructura microscópica se necesita una preparación muy cuidadosa de la superficie. El procedimiento de
preparación de la superficie es básicamente el mismo para ambos ensayos metalográficos (microscópico y macroscópico). Los
cuatro pasos básicos que se requieren para preparar la superficie para su observación son:
1) Corte u obtención de la muestra
2) Montaje de la probeta
3) Desbaste y pulido
4) Ataque
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Año 2011 58
Los pasos a seguir en el procedimiento de preparación es el mismo para todos los materiales difiriendo solo las herramientas de
corte y el grado de finura de los papeles de esmeril, según la dureza del material. El reactivo de ataque a utilizar depende del tipo de
aleación.
1) Corte u obtención de la muestra
Pueden realizarse mediante:
- Corte por Sierra.
- Corte por Disco Abrasivo (con refrigeración).
Izquierda: identificación de la orientación de la muestra a obtener. Derecha: máquina de corte y diferentes discos de corte.
2) Montaje de la probeta
Si la muestra que va a examinarse es lo suficientemente grande como para que pueda sujetarse bien con la mano, no es necesario
montarla. No obstante, la mayoría de las veces la muestra es demasiado pequeña como para que pueda sostenerse
mientras se esmerila o pule. El montaje puede efectuarse de varias maneras:
• Con sujetadores mecánicos.
• Con una resina epóxica de dos compuestos, que se solidifican después de que se mezclan.
• Con resinas termoplásticas transparentes o coloridas (baquelita). Las cuales endurecen por la acción combinada de la
temperatura y la presión.
• Con resinas fenólicas transparentes o coloreadas que endurecen al aire.
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Año 2011 59
3) Desbaste y pulido
El desbaste se divide en dos partes:
• Desbaste grueso, con lijas gruesas de grano 80, 120, 160. Se emplean bandas mecánicas, discos o de forma manual, con o sin la
ayuda de agua.
• Desbaste fino, con lijas que van desde 180 a 1500 granos por pulgada cuadrada. Se realiza manualmente o por discos,
dispositivos cuentan con superficies lisas para apoyar las lijas y se produce lubricación con agua.
Técnica: se comienza desde la lija con granos más gruesos y se avanza hacia los granos más finos. El desbaste se produce
alternando el pasaje de cada lija con un movimiento de 90º de la probeta. De esta forma se eliminan las rayas producidas por la lija
anterior.
Defectos producidos por un mal desbaste.
• El Pulido, se puede realizar de dos maneras:
a) Pulido mediante paños de distintos materiales (pelos, sedas, tejidos, terciopelo, pana, etc.). Donde el pulido se realiza usando
distintos materiales abrasivo como ser: óxido de aluminio (alúmina), óxido de magnesio, polvo de diamante, oxido de cromo, oxido
de hierro; que se utilizan dependiendo de la dureza y composición del material a pulir.
b) Pulido electrolítico, el cual se realiza en una cuba o recipiente donde circula una corriente continua a través de un electrolito o
medio ácido conductor y un cátodo de material inerte. La probeta o muestra se conecta en el polo positivo (ánodo) y se pule por
desgaste electroquímico.
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Año 2011 60
4) Ataque
• Permite poner en evidencia la estructura del metal o aleación.
• Existen diversos métodos de ataque pero el más utilizado es el ataque químico.
• Puede hacerse sumergiendo la muestra con la cara pulida hacia arriba en un reactivo adecuado, o pasar sobre la cara pulida un
algodón embebido en dicho reactivo, luego se lava la probeta con agua, se enjuaga con alcohol y se seca en corriente de aire
caliente.
• El fundamento se basa en que el constituyente metalográfico de mayor velocidad de reacción se ataca más rápido y se verá
más oscuro al microscopio, y el menos atacable permanecerá más brillante, ya que reflejará más luz.
Fundamento de la observación de la probeta en el microscopio óptico.
Examen microscópico
La muestra a observar se coloca en la placa de un microscopio metalúrgico, de modo que la superficie sea perpendicular
al ojo óptico. Puede observarse con ampliaciones diferentes y elegir la adecuada. Generalmente se comienza con pequeños
aumentos (50x o 100x) y luego se avanza hacia mayores aumentos en las zonas de interés (500x o 1000x).
Nota: la probeta se observa primero antes de ser atacada por el reactivo químico.
Microscopio óptico
Principio de funcionamiento: El haz luminoso del microscopio producido por el filamento (1) atraviesa una serie de lentes (2-4).
El diafragma (3) permite regular la cantidad de luz. El diafragma de campo (5) reduce las reflexiones parásitas. Se
refleja en el espejo (6), atraviesa el objetivo (7) e incide sobre la muestra (8) que lo reflejará y atravesará de nuevo el objetivo y
espejo (6). Un prisma (9) lo desvía hacia el ocular para su observación con la vista. Si se separa el prisma, el haz se
focalizará mediante la lente (11) sobre una película fotográfica o una pantalla (12).
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Izquierda: Principio de funcionamiento del microscopio óptico. Luego: Diferentes tipos de microscopios ópticos.
Observación por microscopía óptica
Observación sin ataque con reactivos químico:
Observación con ataque de reactivos químicos:
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Observación por microscopía electrónica
Ventajas respecto a la microscopía óptica:
- Mayores aumentos (hasta 1000000x).
- Mayor profundidad visual de campo (apariencia tridimensional).
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Desventajas:
- Mayor costo de equipamiento.
- Mayor cantidad de tiempo en la preparación del equipo para la observación de las muestras.
Ejemplos de fractura y de tamaño de grano:
Ejemplo de solidificación dendrítica y composición eutéctica:
Ejemplos de dislocaciones:
Izquierda: gráfico teórico hipotético de la formación de dislocaciones en la red cristalina. Centro: Dislocaciones observadas con microscopía
óptica. Izquierda: dislocaciones observadas con microscopía electrónica.
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Año 2011 64
Unidad 7: Procesos de elaboración y tratamientos térmicos de los aceros
Procesos de elaboración de metales
En el cuadro que sigue se describen los diferentes procesos de elaboración de los metales, entre ellos el acero.
Procesos de elaboración o conformación de metales
En caliente Laminación Forja Extrusión Fundición Sinterización Soldadura
En frío Laminación Forja Mecanización Estampado Embutido Soldadura
A continuación se dará mayor importancia a los procesos de fabricación en caliente:
Procesos de elaboración en caliente
Laminación
Es el proceso realizado por un esfuerzo de tracción y aplastamiento del material a elevadas temperaturas, donde el metal tiene
condiciones de plasticidad que permiten su deformación y conformación. Un ejemplo es la fabricación de chapas por laminación.
Forja
Es el proceso por el cual se fabrica una pieza o parte de ella, partiendo de un trozo de metal precalentado previamente a
temperatura de forja (para el acero aproximadamente 1200°C, que luego es llevado a una matriz que tiene la forma parcial o final
de la pieza, y por acción de un martillo, martinete o balancín es sometido a grandes presiones que conforman el material a su
forma final.
Extrusión
Es el proceso por el cual se fuerza a pasar el metal previamente calentado por una matriz que posee la forma final del perfil a
extruir. La fuerza es ejercida por pistones hidráulicos de gran potencia.
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Fundición
Es la técnica de fabricación o elaboración de piezas que permite obtener a partir del metal líquido la forma final o parcial de una
pieza.
Pulvimetalurgia
La pulvimetalurgia es un procedimiento de conformación metálica, como la forja, la estampación en frío, el moldeo, etc. La
pulvimetalurgia abarca las etapas comprendidas desde la obtención de polvos metálicos hasta las piezas acabadas, es decir,
producción de polvos, mezcla, aglomeración, sinterización y acabados.
Campo de aplicación
• Fabricación de piezas de aleaciones base hierro, cobre, níquel, etc., cuyos factores técnicos y económicos aconsejan dicho
proceso para la suspensión del mecanizado, aprovechando el metal y ahorrando operaciones posteriores.
• Obtención de cojinetes autolubricados. Lo cual es realizado mediante la impregnación con lubricantes en los poros producidos
intencionalmente en el proceso de pulvimetalurgia.
• Preparación de aleaciones de metales con puntos de fusión muy dispares, como Cu-W, Ag-W, Ag-Mo. Combinando así buenas
las propiedades eléctricas del cobre o la plata con las propiedades antidesgaste del wolframio y el cobalto.
• Preparación de materiales pesados que contienen wolframio, cobre y níquel. Estos materiales poseen densidades del orden de
17,5 g/cm3 y se utilizan en balanzas, giroscopios, pantallas de rayos X y gamma.
• Preparación de carburos con gran resistencia al desgaste, a las elevadas temperaturas y buena resistencia a la abrasión,
utilizados para cortes súper rápidos con elevada vida útil.
• Tratamiento de metales refractarios, que presentan elevados puntos de fusión y son prácticamente impracticable la obtención
de piezas por fusión (W, Mo, Ta, Nb, etc.).
• Para evitar bandas de segregación de aceros de alta aleación.
Ventajas de la pulvimetalurgia:
• Reduce al mínimo las perdidas de materia prima, pues solo se usa la cantidad de polvo requerida para alcanzar el peso final.
• Se facilita el control exacto de los límites de composición química.
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• Se puede eliminar o reducir en gran parte las operaciones de mecanizado.
• Las operaciones pulvimetalúrgicas son susceptibles de automatización.
• Es posible lograr buenos acabados, sin rebarbas ni líneas de partición propias del moldeo.
• Es la única técnica de aplicación que permite lograr una porosidad controlada y una oxidación interna muy repartida, apta para
el endurecimiento.
• Evita las segregaciones.
Desventajas de la pulvimetalurgia:
• La forma de la pieza, la cual debe poder extraerse fácilmente de la matriz, con lo que se eliminan posibilidades de diseño.
• Las dimensiones, ya que las prensas no suelen sobrepasar las 500Tm, lo cual limita la superficie de las piezas.
• Las características mecánicas, pues a las piezas sinterizadas no se les puede exigir las mismas propiedades de resistencia y
alargamiento que a las piezas obtenidas por métodos convencionales.
• La economía, ya que se necesitan de matrices caras y complejas, que solo son justificables para elevadas cantidades de
producción en serie.
Los polvos metálicos
El objetivo de la pulvimetalurgia es la obtención de un componente acabado a partir de los polvos del material a emplear. Por lo
tanto, las características de dichos polvos determinan las propiedades finales del componente y repercuten en las etapas
subsiguientes de compactación y sinterización.
Propiedades de los polvos
Las peculiaridades de los distintos tipos de polvos procedentes de un mismo metal dependen de su método de obtención y de los
tratamientos a los cuales han sido sometidos.
Las propiedades fundamentales son:
Forma
Composición
Tamaño
Distribución
Porosidad
Microestructura
Y las propiedades secundarias que derivan de las anteriores, como ser:
Densidad aparente
Densidad del polvo vibrado
Velocidad de derrame
Superficie específica
Compresibilidad
Compactibilidad o consolidabilidad
Plasticidad
Capacidad de endurecimiento por trabajado o acritud
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Forma
La forma indica la geometría de la partícula. Dicha geometría depende del método para obtener el polvo. La forma puede
determinarse por observación microscópica óptica o electrónica. Dado que la forma incide en las propiedades secundarias
(velocidad de derrame, compresibilidad, consolidabilidad, etc.) su conocimiento es importante desde el punto de vista práctico.
Las diferentes formas que suelen presentar las partículas pulverulentas se muestran en la figura.
Composición
Se puede obtener mediante el análisis químico y nos permite conocer la naturaleza del material y su pureza. De esta forma se
puede conocer la distribución de las impurezas, por ejemplo, el oxido interior de la partícula pasa al componente sinterizado sin
interferir, mientras que el óxido superficial o bien es eliminado en la atmosfera reductora del horno o bien dificulta la unión de
partículas.
Tamaño y distribución
El tamaño de la partícula queda definido por sus dimensiones. En el caso de partículas esféricas, el tamaño se expresa mediante su
diámetro. Cuando se trata de partículas no esféricas, se aplica el concepto de diámetro medio, cuya definición depende del método
escogido para su determinación. Por ejemplo si se utiliza el tamizado, se expresa en términos de la malla, si se recure al recuento
microscópico, se obtiene de la media en varias dimensiones, etc.
Es raro encontrar polvos que tengan un tamaño de partícula uniforme, por ello se recurre a la distribución, que define la desviación
de tamaños del conjunto y repercute en las características secundarias del polvo.
El tamizado es el método mas empleado para obtener la distribución. Este método consiste en hacer pasar los polvos en diferentes
mallas o tamices normalizados que dejan pasar o retienen el polvo en función de su tamaño. El tamizado suele realizarse colocando
una muestra de 100g de polvo en una tamizadora automática provista de un juego de tamices y el resultado se expresa como
porcentaje de polvo retenido en cada tamiz, que dará los diferentes tamaños del polvo respectivamente.
Porosidad
La porosidad indica el grado de compacidad de la partícula de polvo. Podemos distinguir dos tipos de poros, según el poro se
encuentre en la superficie o en el interior de de las partículas pulverulentas, que se denominan porosidad externa e interna
respectivamente. La porosidad interna se detecta mediante observación microscópica o por medida de la densidad. La porosidad
externa produce elevados valores de superficie específica que son fáciles de detectar por palpadores y rugosímetros.
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Año 2011 68
Microestructura
La microestructura es el aspecto que presentan a la observación microscópica los polvos desbastados y pulidos como se observa en
la figura.
Mediante la observación microscópica pueden estudiarse el tamaño, la forma y la disposición de los distintos cristales que
constituyen una partícula de polvo. Las características citadas dependen del método de obtención del polvo, de su pureza y del
tratamiento térmico al que ha estado sometido el metal.
Densidad
La densidad aparente se define como la relación entre el peso y el volumen de una masa pulverizada. La densidad de polvo vibrado
es esta misma relación pero luego de someter a la masa pulverizada a sacudidas intensas durante tiempos normalizados, en un
recipiente de dimensiones fijas. La densidad depende de la forma de las partículas, de su tamaño y distribución, así como de su
porosidad. Su interés reside principalmente en que las matrices se llenan normalmente con volúmenes fijos de polvo, por lo que la
densidad indica la profundidad con que deben diseñarse las matrices.
Superficie específica
Se define como la relación entre su superficie y el peso.
Velocidad de derrame
Se define como el tiempo necesario para que se derrame una cantidad fija de polvo a través de un orificio de dimensiones
normalizadas practicado en un recipiente igualmente normalizado, como se observa en la figura.
La velocidad de derrame depende de la forma, del tamaño y de la distribución de las partículas y de los fenómenos de superficie
(adsorción) que puedan presentarse. Esta medición se utiliza para determinar el tiempo aproximado de llenado de los moldes.
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Año 2011 69
Compresibilidad
Es la reducción de volumen que se obtiene por prensado del polvo. Se emplea a fin de materializar numéricamente la llamada
relación de compresión, definida como el cociente entre la densidad del polvo compactado en verde (sin sinterizar) y la densidad
aparente. Como es evidente pensar, a mayor compactación menor será el volumen, o sea, mayor densidad en verde. La relación de
compresión es una relación asintótica que tiende a un valor máximo de densidad, como vemos en el diagrama.
Métodos de obtención de polvos
Reducción
Se basa en la eliminación del oxígeno de los óxidos metálicos mediante un agente reductor. El polvo obtenido por este método es
esponjoso y sus granos son de forma esférica irregular. El control de las características del polvo se hace variando la temperatura
de la reacción, la naturaleza del agente reductor, y, si se trata de un gas, su presión y su régimen de flujo. Así también, el tamaño y
la forma del polvo dependen del tamaño y forma del óxido de partida del cual se obtienen.
El método de reducción es similar al obtenido para fabricar hierro esponja, donde luego se produce una trituración y tamización
para la clasificación de los polvos.
Atomización
Consiste en proyectar un chorro de metal o de aleación fundido contra un fluido (aire o agua). Debido a la súbita solidificación que
tiene lugar, el metal aparece en forma pulverulenta. A continuación se recuece la masa así formada en atmósfera reductora para
eliminar el óxido superficial que se haya formado. En la atomización cabe tener en cuenta como variables la naturaleza y presión
del fluido, las dimensiones de las toberas, la altura de la caída, etc.
Recientemente, ha adquirido importancia la técnica de electrodo giratorio, destinada a la atomización de aleaciones. Esta técnica
consiste básicamente en conectar el lingote que se quiere atomizar a un borne de la corriente eléctrica de manera que pueda girar
sobre su eje a velocidad variable. El otro extremo es un electro de wolframio. Entre ambos electrodos se aplica un potencial
eléctrico tan elevado como sea preciso para que se produzca un arco eléctrico y provoque la fusión del lingote. La fuerza centrípeta
del lingote giratorio es suficiente para expulsar gotas de metal líquido que se solidifican después en forma de polvos esféricos,
como vemos en la figura.
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Año 2011 70
Método electrolítico
Consiste en una electrolisis practicada con un ánodo soluble y un cátodo de acero inoxidable. Controlando convenientemente las
variables electrolíticas, se consigue formar un depósito esponjoso, el cual, tras las operaciones de lavado y secado, es triturado,
pulverizado y tamizado, recociéndose finalmente la masa obtenida en atmósfera reductora, como se esquematiza en la figura.
Trituración
Consiste en el desmenuzamiento del metal por medios mecánicos. Este método puede aplicarse solo en materiales como el
manganeso y el cobre, porque otros metales muy dúctiles son propensos a aglutinarse sobre los martillos o dientes de las
trituradoras. Sin embargo es posible fragilizar un metal mediante el hidrógeno en depósitos catódicos, o por aleación como ser el
hierro-silicio, hierro-cromo, hierro-aluminio.
Pirolisis
Consiste en la descomposición térmica del material de partida. Se obtiene un polvo esférico que se purifica eficazmente por
formación de compuestos volátiles, como Fe(CO)5 o Ni(CO)4. Luego estos compuestos son condensados en atmósferas protectoras
de carácter inerte que previenen su oxidación.
Corrosión
La preparación de algunos polvos, como los de acero inoxidable no esféricos que se aplican en la fabricación de piezas de acero al
cromo, se realiza aprovechando fenómenos de corrosión; en el caso citado, a partir de chatarra de acero inoxidable, se tritura y se
la coloca en un medio corrosivo fuerte, atacando así las zonas sensibilizadas del acero inoxidable y luego la trituración del metal es
sencilla.
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Año 2011 71
Condensación
Consiste en provocar la volatilización o sublimación del metal y luego condensarlo en forma sólida en forma de polvos.
Principalmente se aplica a metales con bajo punto de evaporación, como el zinc, magnesio, cadmio y plomo. Las partículas
obtenidas por este método son de formas esféricas y muy finas.
Mezcla de los polvos
Generalmente, el mezclado mecánico es suficiente para poner en contacto íntimo polvos de distinta naturaleza y lubricantes.
Los elementos que con más frecuencia se suelen agregar al polvo de hierro son el grafito para formar acero, el cobre para
endurecer el acero, el fósforo para endurecer, el azufre para aumentar la maquinabilidad, el níquel para endurecer entre otros.
Lubricación de la mezcla de polvos
El lubricante tiene la finalidad de incrementar la fluidez del sistema para que la densidad del componente acabado sea elevada y
homogénea.
Representando gráficamente la densidad en verde y la presión de expulsión del compactado de la matriz en función del porcentaje
de estearato de cinc, para hierro reducido, se observa la existencia de un valor mínimo de densidad en verde, como vemos en la
figura. En cambio, la presión de expulsión tiende a un valor asintóticamente mínimo localizado para un porcentaje del estearato
(3%). En la práctica se suele trabajar con contenidos de estearato de cinc del orden del 0,8 al 1 %.
La lubricación es necesaria debido a que entre las partículas de polvo se producen fricciones debido a la presión de compactación.
Esta fricción se ve reflejada debida a una pérdida de presión en la compactación. La perdida de presión se determina midiendo la
presión aplicada (Pa) y la presión transmitida (Pt), como se ve en la figura, cuyo cociente da un factor de fricción K: K = Pt/Pa.
En la práctica este dato es importante, ya que afecta a la densidad y al gradiente de densidad en el compactado, a la resistencia del
compacto, a la eliminación del compacto de la matriz y al desgaste de la matriz. La fricción también depende de la relación entre la
pared axial de la matriz y la pared radial del punzón, del tamaño de la pieza a obtener o de la cantidad de polvo que lleva la matriz,
de la presión ejercida y de la naturaleza del lubricante y molde.
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Año 2011 72
Compactación de los polvos
Es la etapa de la pulvimetalurgia que tiene por objeto dar la forma y consistencia a la masa de polvo para su manipulación, desde su
expulsión de la matriz hasta el paso por el horno de sinterización. Consiste en aplicar una presión suficiente y calculada contra la
masa de polvo colocada en una matriz que es el negativo de la forma de la pieza acabada.
El comportamiento de una masa de polvo al aumentar la presión se traduce a un aumento de la densidad. En la figura se presenta
la densidad frente a la presión para un polvo de hierro reducido. En la matriz (a) está llena de polvo sin compactar, de densidad 2,4.
En (b) ambos punzones se desplazan una corta distancia con una presión de 0,1 Tm/cm2 y la densidad aumenta a 2,9. Todavía no
tienen lugar fenómenos de deformación de las partículas individuales y no aparecen fueras de adhesión entre ellas. Al aumentar la
presión tiene lugar la deformación o la rotura, según el polvo. Ya en (d) se ha aplicado una presión de 3,3 Tm/cm2 y se ha
conseguido una densidad de 6, y en (e) la relación de compresión es 3.
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Año 2011 73
Fases de compactación
Se distinguen 3 fases: el llenado del molde, la compactación y la expulsión, como vemos en la figura.
En la fase de llenado, la cavidad de la matriz es cargada con la dosificación exacta de polvo previamente preparado, el cual está
determinado por volumen o por peso, el cual puede efectuarse de manera automática mediante una tolva de carga. Luego, el
dispositivo se separa de la matriz y deja actuar al punzón inferior y al punzón superior que comprimen la masa de polvos. Luego el
dispositivo de llenado vuelve a la posición de llenado expulsando el compactado y repitiendo el ciclo.
Sinterización
La masa de polvo que se ha compactado resulta frágil debido al débil enlace entre las partículas. Para remediarlo se recurre a la
sinterización, que consiste en calentar la masa de polvo a temperatura inferior a su punto de fusión (temperatura de sinterizado =
2/3 a 4/5 de la temperatura de fusión) durante un tiempo suficiente para que las partículas se suelden y el componente resultante
adquiera resistencia mecánica, como vemos en la figura.
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Año 2011 74
Variación de las propiedades mecánicas con la sinterización
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Año 2011 75
Variables de la sinterización
Las variables son:
La temperatura
El tiempo
La atmósfera del horno
Velocidades de calentamiento y de enfriamiento
Hornos
Es un artificio constituido por una caja susceptible de calentamiento y que permite el control y regulación de las distintas variables
mencionadas.
Los hornos se dividen como vemos a continuación:
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Año 2011 76
Etapas de la sinterización
1- El primer fenómeno observado en la evolución de un compacto que se está sinterizando es el crecimiento de los puentes
de enlace. Las aéreas de contacto de las partículas de polvo aumenta, ya que se sueldan íntimamente.
2- En la etapa de la densificación y crecimiento de grano, las partículas independientes empiezan a perder su identidad
aumentando la densidad y produciendo cambios dimensionales a la pieza.
3- En la etapa final aparecen los poros aislados debido a la coalescencia de las partículas.
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Año 2011 77
Soldadura
La soldadura es la unión de dos metales por efectos del calor localizado en el lugar de la unión, realizada por la fusión de los
elementos y acompañada de un tratamiento térmico, ya que las zonas próximas a la fusión sufren un calentamiento sin salir del
estado sólido, seguido por un enfriamiento.
Esta zona en la que se produce un calentamiento decreciente desde la fusión hasta la temperatura inicial del metal base se conoce
como Z.A.T. (zona afectada térmicamente) o Z.A.C. (zona afectada por el calor). Metalúrgicamente, esta zona es tan importante
como la zona de fusión del material, debido a las contracciones y dilataciones que allí se producen, las perturbaciones térmicas que
se traducen en tensiones residuales que pueden producir deformaciones y/o fisuras.
Clasificación de los procesos de soldadura:
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Año 2011 78
Soldadura por arco eléctrico
La soldadura por arco eléctrico requiere una fuerte energía eléctrica, la cual provee la fem (fuerza electro motriz) necesaria para
generar un arco eléctrico.
Cuando el metal base es tocado por la punta del electrodo éste se pone incandescente, provocando emisión termoiónica, liberando
iones por la colisión de las moléculas con los gases que se encuentran entre el metal base y el electrodo, estos gases se desprenden
del revestimiento del electrodo y del aire. Al alejarse el electrodo, una columna de vapores ionizados, llamada plasma, atraviesa el
espacio intermedio y mantiene encendido el arco.
El arco eléctrico aplica calor (altas temperaturas) en un una zona localizada produciendo la fusión en una pequeña zona de la pieza,
coincidente con el arco y el extremo del electrodo.
Sistema de soldadura por arco manual con electrodo revestido
El electrodo es revestido con material no metálico, las funciones del recubrimiento son las siguientes:
• Liberar el elemento de bajo potencial de ionización (sodio o potasio) para establecer la atmósfera y el plasma conductor de los
iones.
• Formar una atmósfera protectora contra la oxidación.
• Hacer que el arco eléctrico continúe cuando se usa corriente alterna, ya que con la misma no se produce conducción cuando la
corriente sinusoidal cruza por el punto cero del ciclo (0Hz).
• Producir la escoria, la cual evita que el cordón de soldadura se oxide, elimina impurezas y actúa como aislante térmico para
producir un enfriamiento lento del cordón de soldadura, ya que muchas veces, debido a un enfriamiento rápido en aceros de
alto contenido en carbono, se produce un temple en la soldadura que trae como consecuencia fragilidad, tensiones y fisuras.
• Aportar los elementos de aleación, en los casos que son necesarios.
Los materiales de aporte pueden ser:
Con ferroaleaciones (electrodos sintéticos).
Sin ferroaleaciones (electrodos puros).
Para los electrodos en soldadoras semiautomáticas pueden ser:
Electrodo macizo.
Electrodo hueco (que puede contener en su interior ferroaleaciones).
Ventajas y desventajas del proceso de soldadura manual con electrodo revestido
Ventajas:
Existe una amplia gama de electrodos con distintos tipos de recubrimientos, lo que nos permite soldar materiales similares en
composición con el electrodo; además, generar aportes de aleaciones para usos como recargue u otros.
Tiene un rendimiento mayor que la soldadura oxiacetilénica y que la TIG.
Desventajas:
Su uso se limita a pequeñas producciones, como reparaciones, mantenimiento, uso artesanal, etc.
Los parámetros de soldadura son controlados por la mano del operador, lo que hace que sea un uso no automático con
requerimientos de mano de obra calificada. (Las principales variables de soldadura en este caso son la distancia del arco eléctrico y
la velocidad de soldadura).
Los elementos y dispositivos de este tipo de soldadura se muestran en las figuras que siguen.
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Año 2011 79
Sistema de soldadura MAG – MIG
MAG: electrodo metálico con gas activo.
Se suele usar CO2, O2, H2, como gas protector (son más económicos que usar gases inertes como el argón).
Este sistema produce una soldadura más caliente y por lo tanto permite soldar mayores espesores que la MIG.
Tiene la desventaja de que a elevadas corrientes (A) produce salpicaduras.
MIG: electrodo metálico con gas inerte.
Por lo general se utiliza argón o helio como gas protector.
Se utiliza para soldar cobre, aluminio, aceros inoxidables, aceros de alta aleación y otros.
En general, las características de estos sistemas, denominados semiautomáticos son:
• Poseen electrodo continuo (electrodo desnudo) protegido por gases.
• El gas se aporta externamente.
• Se usa corriente continua (que mejora el arco eléctrico y la soldadura)
• Su denominación de semiautomática se debe a que se mantiene constante un parámetro más de soldadura. Gracias a la
alimentación continua del electrodo, la distancia del arco y la velocidad de avance pueden mantenerse constantes.
Adaptándose para trabajos automáticos y alta productividad (industria automotriz).
• Las ventajas principales son la de gran velocidad de ejecución, ausencia de escorias, formación rápida del personal, soldadura
en toda posición, cordones de buen aspecto, fácil control de la operación (el arco siempre es visible para el operador).
• Las principales desventajas son la aplicación limitadas a aleaciones disímiles debido a los pocos tipos de electrodos disponibles
en el mercado o su alto costo de importación (caso de Argentina).
Los elementos y dispositivos de este tipo de soldadura se muestran en las figuras que siguen.
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Año 2011 80
Sistema de soldadura TIG
TIG: electrodo de tungsteno (no consumible) protegido por gas inerte.
Las características generales del sistema son las siguientes:
• Como gas inerte se utiliza generalmente argón.
• El arco eléctrico se establece entre la torcha (pistola) y el metal base.
• Se utiliza corriente continua (para aceros), corriente alterna (para aluminio) o también C.C.-C.A. en forma superpuesta.
• Se usan equipos de alta frecuencia.
• El material de aporte se coloca a mano, las dos manos se ocupan y la densidad de corriente se regula con un pedal a pie.
• Se pueden soldar espesores muy pequeños (décimas de milímetros).
• El operario debe ser calificado.
• La soldadura obtenida es de alta calidad.
• Se utiliza en bajas producciones, como por ejemplo en tanques a presión, industria aeronáutica, industria aeroespacial, etc.
El equipo utilizado para este sistema se ilustra en las figuras que siguen.
Sistema de soldadura por arco sumergido
Las características generales son:
• Se utiliza un electrodo desnudo de alimentación continua, protegido con un fundente granulado que se descarga por una tolva
en forma continua (reemplaza al gas inerte). El fundente que no es fundido durante el proceso de soldadura puede ser
recuperado y reutilizado.
• El sistema utiliza electrodos de grandes diámetros.
• Son equipos grandes (de hasta 1000 A).
• Se utilizan para grandes cantidades de aporte y para grandes espesores.
• Son utilizados en la industria naval, industria minera, industria del gas y otras.
• Únicamente pueden realizarse soldaduras en posición horizontal.
• El sistema de soldadura es automático o robotizado.
Los elementos y dispositivos de este tipo de soldadura se muestran en las figuras que siguen.
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Año 2011 81
Tratamientos térmicos
Definición
Proceso mediante el cual se intenta modificar la microestructura interna de un metal o aleación mediante operaciones de
calentamiento y enfriamiento controlados.
Sólo se puede aplicar a metales y aleaciones que experimenten transformaciones en el estado sólido (como las aleaciones Fe-C). No
se alcanza nunca la temperatura de fusión del metal o aleación.
Objetivo
Mejorar las propiedades mecánicas (dureza, resistencia, plasticidad, ductilidad, etc.) de metales y aleaciones.
Proceso del tratamiento térmico
• Calentamiento hasta la temperatura conveniente.
• Permanencia a esa temperatura el tiempo necesario para obtener los constituyentes estables deseados.
• Enfriamiento hasta la temperatura ambiente con la velocidad adecuada.
Clases de tratamientos térmicos
Tratamientos térmicos: sólo interviene la energía calorífica. Afectan a la estructura, pero no a la composición.
Tratamientos termoquímicos: interviene la energía calorífica y la acción de agentes químicos. Afectan a la estructura y a la
composición química.
Tipos de tratamientos térmicos
Temple: tratamiento con velocidad de enfriamiento muy elevada, que impide las transformaciones que conducen al equilibrio
estable.
Recocido: su misión es contraria a la del temple. Con él se trata de conseguir que, mediante un enfriamiento muy lento, tengan
lugar las transformaciones que conducen a estructuras más estables.
Revenido: se da después del temple y su misión es facilitar, mediante la elevación de la temperatura, el paso de los constituyentes
metaestables a otros de estabilidad intermedia.
Tipos de tratamientos termoquímicos (Aplicados a los aceros)
Cementación: consiste en aumentar la concentración de carbono en la superficie de un acero. Por temple posterior se consigue
aumentar la dureza superficial y resistencia al desgaste, junto a elevadas características de ductilidad y resiliencia en el núcleo de la
pieza tratada.
Nitruración: consiste en aumentar la concentración de nitrógeno en la superficie de un acero. Se obtiene una gran dureza
superficial (mayor que con la cementación) sin necesidad de tratamiento térmico posterior; además de mayor resistencia al
desgaste y menor coeficiente de rozamiento, por adquirir un elevado pulimento.
Cianuración: consiste en crear en las piezas de acero una capa superficial rica en carbono y nitrógeno para aumentar la dureza
superficial. Necesita temple posterior, pero con velocidades de enfriamiento menores.
Tratamientos térmicos de los aceros
Los aceros, después del proceso de obtención, colada, solidificación y forja o conformación, no tienen la estructura adecuada para
su utilización, por lo que es necesario someterlos a tratamientos térmicos.
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Año 2011 82
Objetivos
• Conseguir la estructura de menor dureza (mejor maquinabilidad).
• Eliminar la acritud que produce el trabajo en frío.
• Eliminar tensiones internas que pueden producir deformaciones o roturas en servicio.
• Conseguir una estructura más homogénea que antes del tratamiento.
• Conseguir la máxima dureza y resistencia.
• Mejorar la resistencia a los agentes químicos.
Curvas de enfriamiento y diagrama TTT
Las curvas TTT (transformación, tiempo, temperatura) indican la estabilidad de los distintos constituyentes del acero en función de
las velocidades de enfriamiento. De esta manera es posible predecir la estructura que se obtendrá luego de un tratamiento térmico
determinado. Cada acero con su composición química posee una curva TTT, conocidas con el nombre de curvas de las “S” por su
apariencia a dicha letra.
Curva TTT o curva de las “S”.
Las curvas con las letras a, b, c, d y e, representan diferentes velocidades de enfriamiento, las cuales proporcionan diferentes
estructuras para un mismo tipo de acero. Por ejemplo: a = recocido, b = normalizado, e = temple. La curva d representa la
velocidad crítica de temple, donde las velocidades que caen por la izquierda de la curva d, darán al acero un temple completo,
obteniendo martensita en su estructura. Y las velocidades que caen por la derecha a la curva d, darán diferentes estructuras y
distintas combinaciones de ellas.
Diferentes estructuras conseguidas en un acero al carbono con un contenido de aproximadamente 0,40 % de carbono:
De izquierda a derecha: perlita gruesa, perlita fina, bainita superior.
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Año 2011 83
De izquierda a derecha: Bainita inferior, martensita.
Recocido
Tratamiento térmico en el que la austenita es enfriada lentamente, se transforma en los constituyentes más estables (perlita fina o
perlita gruesa en función de las velocidades de enfriamiento).
Se emplea para homogenizar la estructura, afinar el grano, ablandar el material, facilitar el mecanizado, eliminar la acritud que
produce el trabajo en frío y eliminar tensiones internas.
Temple
Tratamiento térmico en el que la austenita, enfriada rápidamente (con velocidad de enfriamiento superior a la crítica), se
transforma en martensita.
Se emplea para aumentar la resistencia, el módulo elástico y la dureza, fragilizando la estructura y disminuyendo así la resiliencia, el
alargamiento y la ductilidad.
La dureza máxima y la resistencia de un acero dependen de su porcentaje en C y aumentan con éste.
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Año 2011 84
Revenido
Tratamiento térmico que se da siempre a los aceros después de templados para quitarles la fragilidad y las tensiones internas.
Consiste en calentar las piezas después de templadas, a una temperatura inferior al punto crítico A1 para provocar la
transformación de la martensita en formas más estables, seguido de un enfriamiento más bien rápido.
Con este tratamiento disminuimos la dureza (no siempre), la resistencia y el módulo elástico, aumentando la resiliencia, el
alargamiento y la ductilidad.
Normalizado
Tratamiento térmico similar al recocido, del que se diferencia en que la velocidad de enfriamiento es algo más elevada, así como la
temperatura de calentamiento.
La estructura que se obtiene es la estructura “normal” del acero, es decir, aquella similar a la que se obtiene en la solidificación del
acero, pero con mejores propiedades que esta última.
Temperaturas de calentamiento para los diferentes tratamientos térmicos
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Año 2011 85
Unidad 8: Ensayos físicos, mecánicos y químicos de los metales.
Ensayo de tracción
El ensayo a tracción es la forma básica de obtener información sobre el comportamiento mecánico de los materiales. Mediante una
máquina de ensayos se deforma una muestra o probeta del material a estudiar, aplicando la fuerza uniaxialmente en el sentido del
eje de la muestra. A medida que se va deformando la muestra, se va registrando la fuerza (carga), llegando generalmente hasta la
Fractura o rotura de la pieza. Así pues, el resultado inmediato es una curva de carga frente a alargamiento, que transformados en
tensión y deformación, en función de la geometría de la probeta ensayada, aportan una información más general. Esta práctica
tiene el objetivo inmediato de ilustrar, mediante la experiencia, las propiedades mecánicas de los materiales que se derivan a partir
de un ensayo a tracción.
Fundamento teórico
El ensayo de tracción tiene por objetivo definir la resistencia elástica, resistencia a la rotura y la plasticidad del material cuando se
le somete a fuerzas uniaxiales. Se requiere una máquina, prensa hidráulica por lo general, capaz de:
a) Alcanzar la fuerza suficiente para producir la fractura de la probeta.
b) Controlar la velocidad de aumento de fuerzas.
c) Registrar las fuerzas, F, que se aplican y los alargamientos, ΔL, que se observan en la probeta.
Un esquema de la máquina de ensayo de tracción se muestra en la figura que sigue.
Máquina de Ensayo de Tracción Universal.
La máquina de ensayo impone la deformación desplazando el cabezal móvil a una velocidad seleccionable. La celda de carga
conectada a la mordaza fija entrega una señal que representa la carga aplicada, las máquinas están conectadas a un ordenador que
registra el desplazamiento y la carga leída. Si representamos la carga frente al desplazamiento obtendremos una curva como la
mostrada en la figura siguiente:
Diagrama del ensayo de tracción fuerza vs. alargamiento.
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Año 2011 86
La probeta a ensayar se sujeta por sus extremos al cabezal móvil de la máquina de ensayos y a la célula de carga, respectivamente.
Las mordazas se sujeción deben mantener firme a la muestra durante el ensayo, mientras se aplica la carga, impidiendo el
deslizamiento. A su vez, no deben influir en el ensayo introduciendo tensiones que causen la rotura en los puntos de sujeción. Para
que el ensayo se considere válido la rotura debe ocurrir dentro de la longitud calibrada, en la parte central de la probeta.
A partir de las dimensiones iniciales de la probeta, se transforman la fuerza en tensión y el alargamiento en deformación, que nos
permite caracterizar las propiedades mecánicas que se derivan de este ensayo.
De tal forma que la curva típica sería tensión vs. deformación, tal y como se muestra en la figura:
Curva típica de tracción hasta la fractura, punto F. La resistencia a la tracción TS está indicada en el punto M. Los insertos circulares representan
la geometría de la probeta deformada en varios puntos de la curva.
La interpretación de la curva nos lleva a:
1. En la curva podemos distinguir dos regiones:
Zona elástica: la región a bajas deformaciones (hasta el punto P), donde se cumple la Ley de Hooke: σ = E.ε (E = modulo elástico).
Zona plástica: a partir del punto P. Se pierde el comportamiento lineal, el valor de tensión para el cual esta transición ocurre, es
decir, se pasa de deformación elástica a plástica, es el límite de elasticidad, σy, del material.
2. Después de iniciarse la deformación plástica, la tensión necesaria para continuar la deformación en los metales aumenta hasta
un máximo, punto M, resistencia a tracción (σt), y después disminuye hasta que finalmente se produce la fractura, punto F. La
resistencia a tracción es la tensión en el máximo del diagrama tensión-deformación nominales. Esto corresponde a la máxima
tensión que puede ser soportada por una estructura a tracción; si esta tensión es aplicada y mantenida, se producirá la rotura.
Hasta llegar a este punto, toda la deformación es uniforme en la región estrecha de la probeta. Sin embargo, cuando se alcanza la
tensión máxima, se empieza a formar una disminución localizada en el área de la sección transversal en algún punto de la probeta,
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Año 2011 87
lo cual se denomina estricción, y toda la deformación subsiguiente está confinada en la estricción. La fractura ocurre en la zona de
estricción. La tensión de fractura o bien de rotura corresponde a la tensión en la fractura.
Deformación elástica
Definimos elasticidad como la propiedad de un material en virtud de la cual las deformaciones causadas por la aplicación de una
fuerza desaparecen cuando cesa la acción de la fuerza. "Un cuerpo completamente elástico se concibe como uno de los que
recobra completamente su forma y dimensiones originales al retirarse la carga". ej.: caso de un resorte al cual le aplicamos una
fuerza. El grado con que una estructura se deforma depende de la magnitud de la tensión impuesta. Para muchos metales
sometidos a esfuerzos de tracción pequeños, la tensión y la deformación son proporcionales según la relación σ = E.ε
Esta relación se conoce con el nombre de ley de Hooke, y la constante de proporcionalidad, E (MPa) es el módulo de elasticidad, o
módulo de Young. Cuando se cumple que la deformación es proporcional a la tensión, la deformación se denomina deformación
elástica; al representar la tensión en el eje de coordenadas en función de la deformación en el eje de abscisas se obtiene una
relación lineal:
Ley de Hook. Módulo de elasticidad = Pendiente de la recta.
La pendiente de este segmento lineal corresponde al módulo de elasticidad E. Este módulo puede ser interpretado como la rigidez,
o sea, la resistencia de un material a la deformación elástica. Cuanto mayor es el módulo, más rígido es el material, o sea, menor es
la deformación elástica que se origina cuando se aplica una determinada tensión.
Deformación plástica
Definimos como plasticidad a aquella propiedad que permite al material soportar una deformación permanente sin fracturarse.
Todo cuerpo al soportar una fuerza aplicada trata de deformarse en el sentido de aplicación de la fuerza. En el caso del ensayo de
tracción, la fuerza se aplica en dirección del eje de ella y por eso se denomina axial, la probeta se alargara en dirección de su
longitud y se encogerá en el sentido o plano perpendicular. Aunque el esfuerzo y la deformación ocurren simultáneamente en el
ensayo, los dos conceptos son completamente distintos.
Para la mayoría de los materiales metálicos, la deformación elástica únicamente persiste hasta deformaciones de alrededor de
0.005 %. A medida que el material se deforma más allá de este punto, la tensión deja de ser proporcional a la deformación y ocurre
deformación plástica, la cual es permanente, es decir no recuperable. En la figura se traza esquemáticamente el comportamiento
tensión-deformación en la región plástica para un metal típico. La transición elasto-plástica es gradual para la mayoría de los
metales; se empieza a notar cierta curvatura al comienzo de la deformación plástica, la cual aumenta rápidamente al aumentar la
carga.
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Año 2011 88
(a) Curva de tracción típica de un metal que muestra las deformaciones elástica y plástica, el limite proporcional P y el limite elástico σy,
determinado como la tensión para una deformación plástica del 0.002 %. (b) Curva de tracción típica de algunos aceros que presentan el
fenómeno de la discontinuidad de la fluencia.
Calculo del límite elástico
Para conocer el nivel de tensiones para el cual empieza la deformación elástica, o sea, cuando ocurre el fenómeno de fluencia,
tenemos que tener en cuenta dos tipos de transición elasto-plástica:
1. Los metales que experimentan esta transición de forma gradual. El punto de fluencia puede determinarse como la desviación
inicial de la linealidad de la curva tensión-deformación (punto P en la figura anterior). En tales casos, la posición de este punto no
puede ser determinada con precisión, por este motivo se ha establecido una convención por la cual se traza una línea recta paralela
a la línea elástica del diagrama de la tensión-deformación desplazada por una determinada deformación, usualmente 0.002 %. La
tensión correspondiente a la intersección de esta línea con el diagrama tensión-deformación cuando éste se curva se denomina
límite elástico práctico, σ0,2.
2. Para aquellos materiales que tienen una región elástica no lineal, la utilización del método anterior no es posible, y la práctica
usual es definir el límite elástico como la tensión necesaria para producir una determinada deformación plástica. Algunos aceros y
otros materiales exhiben el tipo de diagrama tensión-deformación mostrada en la figura (b). La transición elasto-plástica está muy
bien definida y ocurre de forma abrupta y se denomina fenómeno de discontinuidad del punto de fluencia. En el límite de fluencia
superior, la deformación plástica se inicia con una disminución de la tensión. La deformación prosigue bajo una tensión que fluctúa
ligeramente alrededor de un valor constante, denominado punto de fluencia inferior. En los metales en que ocurre este fenómeno,
el límite elástico se toma como el promedio de la tensión asociada con el límite de fluencia inferior, ya que está bien definido y es
poco sensible al procedimiento seguido en el ensayo.
Ductilidad
La ductilidad es otra importante propiedad mecánica. Es una medida del grado de deformación plástica que puede ser soportada
hasta la fractura. Un material que experimenta poca o ninguna deformación plástica se denomina frágil. La ductilidad puede
expresarse cuantitativamente como alargamiento relativo porcentual, o bien mediante el porcentaje de reducción de área. El
alargamiento relativo porcentual a rotura, %EL, es el porcentaje de deformación plástica a rotura, o bien:
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Año 2011 89
Donde lf es la longitud en el momento de la fractura y l0 es la longitud de prueba original.
Representación esquemática de los diagramas de tracción de materiales frágiles, y dúctiles ensayados hasta la fractura.
Tenacidad
La tenacidad de un material es un término mecánico que se utiliza en varios contextos; en sentido amplio, es una medida de la
capacidad de un material de absorber energía antes de la fractura. La geometría de la probeta así como la manera con que se aplica
la carga son importantes en la determinación de la tenacidad.
Resiliencia
Medida de la capacidad de un material de absorber energía elástica antes de la deformación plástica.
Determinación gráfica de la resiliencia.
Procedimiento
Antes de comenzar a realizar los ensayos de tracción se deben tomar las respectivas medidas de las probetas. Es muy importante
ser bastante cuidadosos en la toma de estas medidas ya que después de someter las probetas a los ensayos de tracción por medio
de la maquina universal, se van a comparar finales, tanto la longitud de la probeta como el diámetro de la misma. Después de
realizar todas las medidas a nuestras probetas, procedemos a efectuar el ensayo de tracción. Una vez terminado el ensayo se
vuelve a medir la probeta para calcular la deformación.
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Año 2011 90
En resumen, las determinaciones a efectuar en un ensayo de tracción son las siguientes:
Resistencia estática a la tracción:
Tensión al límite de fluencia:
Tensión al límite convencional o límite práctico:
Alargamiento y alargamiento porcentual:
Estricción porcentual:
Ensayos de dureza
La dureza se puede definir como “la mayor o menor resistencia de un cuerpo a ser rayado o penetrado por otro”.
Los primeros estudios de dureza generaron una tabla en base al rayado de un mineral con respecto a otro de referencia, los
minerales que pertenecen a la escala de Mohs son los siguientes:
Dureza Mineral representativo Foto Descripción
1 Talco
Los minerales de dureza 1, según esta escala, son grasientos al tacto y pueden rayarse fácilmente con la uña.
2 Yeso
Se rayan con la uña.
3 Calcita
La punta de un cuchillo lo raya con facilidad.
4 Fluorita
La punta de un cuchillo lo raya.
5 Apatita
La punta de un cuchillo lo raya con dificultad.
6 Feldespato
El canto agudo de un utensilio de acero, como una lima o la punta de una navaja, raya los minerales de dureza hasta 6,5.
7 Cuarzo
Puede rayar al vidrio común.
8 Topacio
Los minerales de dureza 8 o mayor son muy raros, por lo que no se suelen necesitar pruebas de rayado.
9 Corindón
El corindón deja su marca en todos los demás minerales de la escala, salvo el diamante.
10 Diamante
La única materia natural que puede rayar a un diamante es otro diamante.
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Año 2011 91
Dureza Brinell
Consiste en comprimir sobre la superficie del material a ensayar una bolilla de acero muy duro o carburo de tungsteno, durante un
cierto tiempo (t) produciendo una impresión con forma a casquete esférico. La dureza Brinell resulta de dividir la carga aplicada por
la superficie dada del casquete:
Izquierda: penetrador Brinell. Derecha: máquina de dureza Brinell.
En la práctica es más usual medir el diámetro de la impresión y por medio de tablas se determina el valor o número Brinell.
La medición del diámetro se realiza con una regla apropiada o con un visor con tornillo micrométrico, como se ve en la figura.
Lupa con regla micrométrica para medir el diámetro de la impresión.
En la prueba deben medirse dos diámetros de la huella perpendiculares entre sí. Y su valor promedio se usa como base para
calcular el número de dureza Brinell. Si no se disponen de tablas para obtener el número Brinell, se puede aplicar la siguiente
fórmula:
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Año 2011 92
Tabla de dureza a partir de la medición de los diámetros, aplicando bolilla de 10 mm de diámetro y carga de 3000 Kg.
Las durezas obtenidas son comparables cuando las impresiones son geométricamente semejantes, y para que ello ocurra las cargas
deben ser proporcionales al cuadrado del diámetro de la bolilla.
P1 / D12 = P2 / D2
2 = C (constante). Sen(α/2) = d/D
PENETRADORES:
Bolilla de acero diámetro 10; 5; 2,5; 1,25 y 0,625 mm. de acero hasta 450HB, de carburos (tungsteno) hasta 630 HB.
El tiempo de aplicación Aceros = >15 seg., en metales blandos = >30 seg.
Cargas empleadas: 3000kgf - 1500kgf - 500kgf
El valor de la carga P viene dado por: P = K.D2, donde K = cte. de ensayo.
Los valores de K para algunos materiales son:
Aceros y elementos siderúrgicos: K=30
Cobres, Bronces, Latones: K=10
Aluminio y aleaciones: K=5
Materiales blandos (Sn, Pb): K=2,5
No se utilizan los ensayos Brinell para durezas superiores a 500 (aceros templados), porque se deforman las bolas.
Nomenclatura: XXX HBS (D/P/t) Ej. 156 HBS 10/3000/15
Generalmente se usan bolas de 10 mm; cuando t = 15 seg. no hace falta indicarlo.
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Año 2011 93
Condiciones de ensayo:
1 - La superficie de la probeta debe ser plana, estar limpia, homogénea y perpendicular a la bola, libre de óxido y lubricantes.
2 - El espesor de la probeta (s), debe ser al menos ocho veces la flecha de la impronta. (s = 8f).
3 - La distancia entre centros de 2 huellas debe ser mayor a 3 veces el diámetro de la impronta. La distancia del centro de la huella
al borde de una probeta debe ser mayor a 2 veces el diámetro de una impronta.
Constantes de dureza utilizadas para los diferentes materiales y rangos de durezas aplicables.
Diámetro de la esfera y la carga a aplicar en función de la constante de ensayo.
Algunos valores de dureza de los materiales estructurales.
Dureza Rockwell
El método Rockwell difiere del Brinell en que no determina la dureza en función de la superficie de impresión, sino que en función
de la profundidad de la impresión.
Además, actúan dos cargas diferentes: una inicial P0, que es constante y una adicional P1, cuyo valor variará en función del
penetrador utilizado.
La carga inicial tiene por objeto asegurar la perfecta sujeción de la probeta.
En este sistema no es necesario aplicar fórmulas, sino que se obtiene directamente sobre el dial del indicador de la máquina de
ensayo, por diferencia entre la primera y tercera posición del ensayo, como vemos en las figuras que siguen.
La escala de dureza se ha tomado de forma arbitraria y consta de 100 divisiones de 0,002 mm (total = 0,2 mm de penetración de la
punta).
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Año 2011 94
Izquierda: pasos para la toma de dureza. Derecha: dial del durómetro Rockwell.
La carga total P es aplicada sobre el penetrador en dos etapas: una previa Po y una posterior P1 tal que: P= Po+P1
Inicialmente el cono penetra en la superficie una cantidad h0 sobre la acción de la carga P0 que se mantendrá hasta el fin del
ensayo. Esta penetración inicial permite eliminar la influencia de las condiciones superficiales.
A continuación se aplica la carga P1 y la penetración se acentúa. Finalmente la carga P1 es retirada y la profundidad h restante
(solamente actúa P0) determina el número de dureza HR. La escala de los instrumentos de lectura empleados en las máquinas está
invertida para permitir una lectura directa.
Durómetro Rockwell.
Cargas y penetradores
La carga inicial en todos los casos es de 10 Kg y la adicional de 50, 90 o 140 Kg.
Los penetradores pueden ser cónico (120º) de diamante o bolillas de acero de diámetros de 1/16”, 1/8”,1/4”, 1/2”.
En la tabla que sigue se muestra las posibles combinaciones de toma de durezas, sus usos más frecuentes y la designación de cada
una de las durezas Rockwell.
Forma de expresar la dureza Rockwell
Por ejemplo: HRc; donde: HR = dureza Rockwel; C = combinación penetrador y carga (ver tabla).
Las escalas más utilizadas son:
B = bolilla 1/16” – 100 Kg.
C = Cono de diamante – 150 Kg.
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Año 2011 95
Condiciones de ensayo:
La superficie a ensayar debe estar limpia, plana y exenta de óxido.
El espesor de la probeta no podrá ser menor a 10 veces el incremento de penetración (10e).
En piezas cilíndricas el radio no debe ser menor a 5 mm.
La carga debe actuar en forma perpendicular a la probeta.
Rockwell superficial
Es una variante basada en el empleo de penetradores normales, carga inicial de 3 Kg y cargas adicionales de 12, 27 y 42 Kg, que nos
permite, con cono, tomar durezas en piezas con capas endurecidas superficialmente o muy delgadas y, con bolillas, en materiales o
aleaciones blandas.
En este caso, la escala de mediciones tienen divisiones de 0,001 mm (total = 0,1 mm).
Microdureza (Dureza Vickers-Dureza Knoop)
El ensayo de microdureza se emplea fundamentalmente en metalografía para determinar la dureza de distintas estructuras, medir
gradientes de dureza en capas cementadas, nitruradas o recubrimientos duros aplicados por metalizado, etc.
La microdureza se puede realizar con penetradores Vickers o Knoop.
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Año 2011 96
Dureza Vickers
Es un sistema cuyo principio es semejante al Brinell; se calcula dividiendo la carga aplicada por la superficie de la huella generada
por el penetrador.
Hv = P/S
Se debe tener en cuenta dos diferencias fundamentales:
1. El valor de las cargas que son de 1 a 120 Kg. (1-1,2-5-10-20-30-50-100-120).
2. El penetrador es una pequeña pirámide de diamante con base cuadrada y ángulo en el vértice de 136º.
La determinacion de la dureza se realiza midiendo con un instrumento óptico la diagonal de la impresión y con una tabla se
encuentra el valor correspondiente.
Condiciones de ensayo
La superficie debe estar limpia y con terminación de rectificado con caras paralelas.
Matemáticamente la dureza Vickers puede calcularse por la siguiente expresión: Hv = P/S = 1,854.P/d2
Donde P es la carga aplicada y d es el promedio de las diagonales medidas en la impronta.
Determinación de la dureza Vickers.
Dureza Knoop
El penetrador Knoop es una pirámide de base romboidal con ángulos de 130º y 172º30´.
La carga a aplicar es de 1 g a 5 Kg.
La lectura de la impresión se efectúa por método microscópico y se toma la medida de la diagonal mayor, luego, con este valor, y
por medio de una tabla, se determina el grado de dureza.
En la figura que sigue vemos la impresión de la pirámide en una aleación de plomo antimonio, pudiendo observar una mayor
penetración en la matriz de la estructura y una menor penetración en un compuesto de dicha aleación, dando a entender la mayor
dureza que este último posee respecto a la matriz.
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Año 2011 97
Tabla de valores de distintas durezas utilizadas comúnmente y sus equivalencias de resistencia a la tracción.
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Año 2011 98
Ensayos por choque
Introducción
Si bien los ensayos estáticos de tracción permiten conocer la capacidad de resistencia y deformabilidad de un metal cuando se lo
somete a un esfuerzo progresivo, aplicado lentamente, estas propiedades pueden variar según la naturaleza de las cargas y
condiciones de trabajo a que se halle sometido. Es por ello, que en muchos casos deben considerarse los factores que inciden en la
destrucción de la pieza de acuerdo al empleo práctico del mecanismo o estructura a la que pertenece; ya veremos, por ejemplo,
que si el metal soporta tensiones dinámicas sucesivas (fatiga) o estáticas a elevadas temperaturas (creep), la fractura se origina al
disminuir su resistencia, en cambio en elementos sometidos a efectos exteriores instantáneos o variaciones bruscas de las cargas,
su falla se produce generalmente al no aceptar deformaciones plásticas o por fragilidad, aún en aquellos metales considerados
como dúctiles. En estos casos, es conveniente analizar el comportamiento del material en experiencias de choque o impacto.
Siendo las solicitaciones de choque o impacto de aplicación prácticamente instantánea, las ondas de tensión generadas pueden no
propagarse, provocando la rotura por deformaciones localizadas. Por lo expuesto, las propiedades mecánicas de los materiales
sometidos a efectos dinámicos de choque se ven sensiblemente modificadas, aunque los mecanismos de deformación plástica
presumiblemente no varían con el modo de aplicación de la carga.
Estos hechos nos dicen que, si bien el ensayo de tracción estático nos da valores correctos de la ductilidad de un metal, no resulta
preciso para determinar su grado de tenacidad o fragilidad en condiciones variables de trabajo. Es por lo mismo que al calcular la
Capacidad de Trabajo de Deformación, partiendo de un diagrama de tracción, aclaramos que su magnitud sólo es una medida
comparativa y aproximada de la tenacidad y módulo de resiliencia del metal.
Los ensayos de choque determinan, pues, la fragilidad o capacidad de un material de absorber cargas instantáneas, por el trabajo
necesario para producir la fractura de la probeta de un solo impacto. Este nuevo concepto tampoco nos ofrece una propiedad
definida del material, sino que constituye un índice comparativo de su plasticidad, con respecto a las obtenidas en otros ensayos
realizados en idénticas condiciones, dado que no admite otra condición de comparación o semejanza. Por lo tanto, deben tenerse
muy en cuenta los distintos factores que producen el efecto fragilizante.
Otra aplicación del ensayo dinámico de choque es la de comprobar los distintos grados de revenido que pueden alcanzarse en los
aceros, como también verificar el correcto recocido o forjado de los mismos, lo que muchas veces no es posible deducir de ensayos
estáticos, pues dan valores similares hasta para aquellos mal tratados. En estos casos, el tratamiento defectuoso se pone de
manifiesto en las pruebas de impacto sobre probetas entalladas, al obtener valores muy inferiores de su resiliencia.
Resumiendo, diremos que el objeto del ensayo de choque es el de comprobar si una máquina o estructura fallará por fragilidad
bajo las condiciones que le impone su empleo, muy especialmente cuando las piezas experimentan concentración de tensiones por
cambios bruscos de sección, maquinados incorrectos, bajas temperaturas, o bien verificar el correcto tratamiento térmico del
material ensayado.
Energía de impacto
Los ensayos dinámicos de choque se realizan generalmente en máquinas denominadas péndulos o martillos pendulares, en las que
se verifica el comportamiento de los materiales al ser golpeados por una masa conocida a la que se deja caer desde una altura
determinada, realizándose la experiencia en la mayoría de los casos, de dos maneras distintas según que la probeta rompa por
flexionamiento (flexión por choque) o que su rotura se alcance por deformación longitudinal (tracción por choque). Los valores
obtenidos en estos ensayos son únicamente comparables, en materiales con propiedades similares ya sean siempre dúctiles o
frágiles, cuando se realizan sobre el mismo tipo de probeta y en idénticas condiciones de ensayo.
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La máquina de ensayo determinará el trabajo absorbido por el material cuando éste es roto de un solo golpe por la masa pendular
y su valor en kgm o Joule, o relacionándolo con la sección o volumen de la probeta, según el método nos indicará la resistencia al
choque o capacidad del material para absorber cargas dinámicas de impacto (resiliencia).
El principio de funcionamiento de las máquinas utilizadas es el que ilustra esquemáticamente la figura, en donde una masa o peso
G asegurada a una barra que puede girar libremente sobre un eje 0, es elevada a una altura h1, desde su posición vertical de
reposo, la que también es posible indicar por el ángulo α1.
Principio de funcionamiento de la máquina de choque.
Si en estas condiciones se la deja caer y en el punto P, ubicado sobre la vertical del desplazamiento del péndulo, se coloca una barra
de un material determinado, la masa al chocar con ella producirá su rotura, si la energía que posee el péndulo es mayor que la
necesaria para alcanzarla, en cuyo caso continuará su trayectoria elevándose hasta una altura h2 indicada también por el ángulo α2.
El trabajo empleado entonces en romper la barra será la diferencia entre la energía inicial del péndulo y la que posee al final de su
carrera.
Ao = Al - A2
Al = G. h1 y A2 = G. h2
Ao = G (h1 - h2)
En función de los ángulos, tenemos: h1 = OP – OA; en donde OP es el brazo del péndulo igual a R. Del triángulo OAB
OA = R. cos(α1) reemplazando
h1 = R - R cos α1 = R (1 - cos α1)
Procediendo en igual forma para la altura después del choque
h2 = R - R cos α2 = R (1 - cos α2)
Reemplazando estos valores en la diferencia de trabajos, nos queda:
Ao = GR (1 - cos α1) - GR (1 - cos α2)
Ao = GR (cos α2 - cos α1)
El valor numérico en kilográmetros o en Joule del trabajo gastado para producir la rotura queda indicado sobre una escala
convenientemente graduada que posee la máquina, o bien resulta de la fórmula anterior en donde los valores de los ángulos se
miden sobre un cuadrante que se encuentra en la parte superior de aquélla.
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El trabajo o energía registrada será considerada aceptable cuando las pérdidas por fricción entre las partes metálicas de la
máquina, para la marcha en vacío, sea inferior al 0,4 % de la energía máxima.
Métodos de ensayo
Los métodos propuestos por Izod en 1903 y por Charpy en 1909, consisten en romper el material que se ensaya, bajo un efecto
dinámico que se produce por el impacto sobre el mismo de una masa de peso y velocidad conocida. En ambos casos la rotura se
produce por flexionamiento de la probeta, por lo que se los denomina flexión por choque.
En los casos en que se pretenda obtener mejores condiciones de tracción pura, por la rapidez en la aplicación de las cargas, se
pueden realizar ensayos dinámicos de tracción por choque.
Además, en la determinación de las temperaturas de transición de aceros estructurales, las normas aconsejan el empleo de
martinetes con probetas especiales (método A.S.T.M).
Para el estado de tensión creado por la solicitación dinámica de choque, la velocidad de aplicación de carga estandarizada es
superior a la crítica de rotura, por lo que la deformación será localizada con epicentro en la entalla.
Dada la gran dificultad que existe en la evaluación del volumen deformado, es que el trabajo total de deformación no se define
como la energía por unidad de volumen como lo hacíamos en tracción estática "Capacidad de Trabajo de Deformación", sino por la
energía requerida para provocar la rotura por unidad de área de la sección transversal entallada o resiliencia, o directamente por la
energía absorbida.
Flexión por choque sobre barras simplemente apoyadas (método Charpy)
Con la finalidad de que el material esté actuando en las más severas condiciones, el método Charpy utiliza probetas entalladas
(estado triaxial de tensiones) y velocidades de deformación de 4,5 a 7 m/s, siendo el entorno recomendado por las normas el de 5 a
5,5 m/s.
Las probetas se colocan, como muestra la figura, simplemente apoyada sobre la mesa de la máquina y en forma tal que la
entalladura se encuentra del lado opuesto al que va a recibir el impacto. En la misma figura se puede observar la correcta posición
del material como así también la forma y dimensiones de los apoyos y de la pena del martillo pendular.
Respecto al "filo" o extremo de la masa pendular, la norma A.S.T.M. E-23 indica que debe presentar un ancho de aproximadamente
4 mm, redondeado con un radio de 8 mm. Las probetas utilizadas por Charpy eran de sección cuadrada de 30 mm de lado por 160
mm de largo y la entalladura de 1 mm de ancho con una profundidad de 15 mm terminaba en un orificio de 2 mm de diámetro;
para sus ensayos la luz entre los bordes de los apoyos era de 130 milímetros. Estas probetas son muy poco utilizadas en la
actualidad, siendo reemplazadas por otros tipos que mantienen, en algunos casos, idéntica forma pero de menores dimensiones,
las que varían de acuerdo a las normas utilizadas.
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La elección del tipo de probeta depende del material a ensayar, adoptándose para cada caso la que dé resultados más
satisfactorios; en general se emplean las de entalladuras más profundas y de menor ancho para los metales más dúctiles.
Las I.R.A.M. aconsejan realizar el ensayo de choque por el método Charpy, con el empleo de probetas entalladas aprobadas por
I.S.O. (International Standards Organization), pudiendo reducirse la profundidad de la entalladura, para materiales de poca
resistencia a la flexión por choque, a 3 mm para el tipo B y a 2 mm para el C, obteniéndose en este último caso la probeta
denominada Mésnager, o bien variarse el ancho a 7,5; 6; 5; 2,5 mm para el tipo A, cuando el espesor del producto sea inferior al
necesario para el maquinado de la probeta standard, en cuyo caso debe aclararse la probeta utilizada.
Las probetas indicadas en la figura son usadas preferentemente para el ensayo de metales ferrosos. La norma DIN 50 116 indica
para el cinc y sus aleaciones, probetas sin entallas de secciones cuadradas y trapeciales. La sección cuadrada de 6 X 6 mm se
emplea en aleaciones forjadas y la trapecial de 6,1 X 5,9 X 6,0 mm de altura para aleaciones de fundición inyectable; en todos los
casos el largo de las probetas es de 75 mm, manteniéndose la luz entre apoyos en 40mm.
El impacto sobre las probetas de sección trapezoidal debe darse en la cara más angosta.
La resiliencia o resistencia al choque resulta, según este método, el trabajo gastado por unidad de sección transversal para romper
al material de un solo golpe:
Resiliencia = K = Ao/S (kgfm/cm2 o joule/cm
2)
En la actualidad se tiende a evitar el cálculo de la resiliencia, expresándose los resultados de ensayos simplemente en términos de
energía de rotura.
Flexión por choque de barras empotradas (Método Izod)
En el método Izod la probeta se coloca en voladizo y en posición vertical, siendo asegurada por la mesa de apoyo de modo tal que
la entalladura quede en el plano de las mordazas; en estas condiciones el extremo del martillo golpea al material a 22 mm de las
mismas, como indica la figura pudiendo realizarse más de un ensayo sobre la misma probeta, cuando se emplean las del tipo b, la
que también puede construirse de sección circular, que presenta la ventaja de que permite determinar la energía de rotura sobre
caras o generatrices opuestas y a diferentes profundidades de la muestra.
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La probeta standard Izod es la indicada en la figura, pudiéndose emplear la redonda, que da resultados similares y, por lo tanto,
comparables con los obtenidos con la normal, presentando la ventaja sobre ésta de su mayor facilidad de maquinado.
En estas pruebas, los valores de ensayos se dan directamente por la energía de Impacto en kgfm o Joule, no siendo recomendable
su uso para temperaturas distintas de la ambiente.
Ensayos no destructivos
Una prueba no destructiva es el examen de un objeto efectuado de cualquier forma que no impida su utilidad futura. Aunque en la
mayoría de los casos, las pruebas no destructivas no dan una medición directa de las propiedades mecánicas, son muy valiosas para
localizar defectos en los materiales que podrían afectar el funcionamiento de una pieza de una máquina cuando entra en servicio.
Dicha prueba se emplea para detectar materiales defectuosos antes de que las partes componentes sean formadas o mecanizadas;
para medir el espesor de un metal u otros materiales; para determinar el nivel de líquido o el contenido de sólido en recipientes
opacos; para identificar y clasificar materiales; y para descubrir defectos que pudieran desarrollarse durante el procesamiento o el
uso. Las partes también pueden examinarse cuando están en servicio, lo que permitirá su remoción previa a la ocurrencia de una
falla. Las pruebas no destructivas se utilizan para hacer productos más confiables, seguros y económicos.
Los métodos de prueba o inspecciones no destructivas más comunes son:
Inspección visual
Radiografía
Inspección de partículas magnéticas
Inspección por penetración fluorescente
Inspección ultrasónica
Inspección por corrientes eléctricas parásitas
Inspección por termografía
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Inspección visual
Mediante esta inspección es posible la detección de daños superficiales, discontinuidades o daños estructurales en todos los
materiales. Es simple de usar en áreas donde otros métodos son impracticables, es económica y se puede mejorar mediante la
utilización de métodos ópticos como lupas o microscopios.
La principal desventaja que posee es la necesidad de tener un operario experimentado y muchas veces no es posible acceder a
lugares donde se necesita visibilidad directa de la zona.
Radiografía de metales
La radiografía de metales se puede realizar mediante rayos X o rayos gamma, ambos rayos son electromagnéticos, de longitud de
onda corta, capaces de atravesar espesores de metal relativamente grandes. Los rayos gamma se pueden obtener ya sea de un
material radioactivo natural (como el radio) o de un isótopo radioactivo (como el cobalto 60). La radiación gamma es más
penetrante que los rayos X, pero su sensibilidad inferior limita su aplicación, generalmente requiere mucho más tiempo de
exposición que el método de rayos X.
Los rayos X se producen cuando la materia es bombardeada por un haz de electrones que se mueven rápidamente. Cuando los
electrones se detienen de repente por la materia, parte de su energía cinética se convierte en energía de radiación o rayos X. Las
condiciones esenciales para la generación de rayos X son: a) un filamento (cátodo) que proporciona la fuente de electrones que se
dirigen hacia el objetivo, b) un objetivo (ánodo) localizado en la trayectoria de los electrones, c) una diferencia de voltaje entre el
ánodo y el cátodo, con lo que se regulará la velocidad de los electrones que inciden sobre el objetivo, regulando la longitud de onda
de rayos X producidos, y d) un medio de regular la corriente del tubo para controlar el número de electrones que chocan contra el
objetivo. Los requisitos a) y b) los proporciona generalmente el tubo de rayos X. La figura muestra esquemáticamente el uso de los
rayos X para examinar una placa soldada.
Representación esquemática del uso de los rayos X para examinar una placa soldada.
Una radiografía es una fotografía sombreada de un material más o menos transparente a la radiación. Los rayos X oscurecen la
película, de modo que las regiones de menor densidad que permiten fácilmente la penetración de éstos aparecen oscuras en el
negativo, comparadas con las regiones de mayor densidad que absorben más radiación. De este modo, un orificio o una fractura
aparecen como un área más oscura, en tanto que las inclusiones de cobre en una aleación de aluminio aparecen como un área más
clara.
Aunque la radiografía de metales se ha utilizado principalmente para revisar piezas fundidas y productos soldados, también puede
usarse para medir el espesor de los materiales.
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Inspección por partículas magnéticas (Magnaflux)
Éste es un método para detectar la presencia de fisuras, recubrimientos, rasgones, inclusiones y discontinuidades semejantes en
materiales ferromagnéticos como el acero. El método detectará discontinuidades de la superficie demasiado finas para apreciarse a
simple vista y también detectará discontinuidades ligeramente por debajo de la superficie. No es aplicable a materiales no
magnéticos.
La inspección por partículas magnéticas puede realizarse en diversas formas. La pieza que se va a inspeccionar puede magnetizarse
y luego cubrirse con finas partículas magnéticas (polvo de hierro); esto se conoce como método residual. O bien, la magnetización
y aplicación de las partículas puede hacerse simultáneamente, lo cual se conoce como método continuo. Las partículas magnéticas
pueden mantenerse en suspensión en un líquido que se vierte sobre la pieza, o la pieza puede sumergirse en la suspensión
(método húmedo). En algunas aplicaciones, las partículas, en forma de fino polvo, se esparcen sobre la superficie de la pieza de
trabajo (método seco). La presencia de una discontinuidad se revela por la formación y adherencia de un arreglo característico de
las partículas sobre la discontinuidad en la superficie de la pieza de trabajo. Este arreglo recibe el nombre de indicación y adquiere
la forma aproximada de la proyección superficial de la discontinuidad. El método Magnaglo, es una variante de la prueba
Magnaflux. La suspensión vertida sobre la pieza de trabajo magnetizada contiene partículas magnéticas fluorescentes. Entonces, la
pieza de trabajo se observa bajo luz negra, con lo cual las indicaciones destacan más claramente.
Cuando la discontinuidad está abierta a la superficie, el campo magnético se fuga hacia la superficie y forma pequeños polos norte
y sur que atraen a las partículas magnéticas. Cuando pequeñas discontinuidades están bajo la superficie, alguna parte del campo
aún podría desviarse a la superficie, pero la fuga es menor y se atraen menos partículas, con lo que la indicación obtenida es mucho
más débil.
Si la discontinuidad está muy lejos por debajo de la superficie, no habrá ninguna fuga del campo magnético y, en consecuencia, no
se obtendrá indicación alguna. Es necesario emplear apropiadamente métodos de magnetización, para asegurar que le campo
magnético formado esté perpendicular a la discontinuidad y lograr la indicación más clara.
Principio de la prueba Magnaflux.
Todas las partes de máquinas que han sido magnetizadas para su inspección deben someterse a un proceso de desmagnetización.
Si estas partes se ponen en servicio sin desmagnetizarlas, atraerán limaduras, polvos metálicos, rebabas y otras partículas de acero
que pueden rayar, y por tanto dañar, los cojinetes y otras piezas de la maquinaria.
Inspección por penetración fluorescente (Zyglo)
Este es un método sensible no destructivo con el que se pueden detectar pequeñas discontinuidades como fisuras, contracciones y
porosidades que afloren a la superficie. Aunque este método puede aplicarse tanto a materiales magnéticos como a no
magnéticos, se usa principalmente en materiales no magnéticos. Se puede recurrir a varias técnicas penetrantes para revisar
cualquier material homogéneo que no sea poroso, como metales, vidrio, plástico y algunos materiales cerámicos.
Las partes que van a probarse se tratan primero con un trazador o colorante. Por lo general, los trazadores son líquidos ligeros, de
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apariencia aceitosa que se aplican a la prueba por inmersión, rociado o con una brocha, o de laguna otra manera conveniente. El
trazador es absorbido dentro de las fisuras y otras discontinuidades por una fuerte acción capilar. Después que el trazador ha
tenido tiempo de filtrarse, los residuos restantes sobre la superficie se limpian o se lavan. Esto permite al trazador permanecer en
todas las discontinuidades que afloran a la superficie. A continuación, la pieza que se está revisando se trata con un polvo seco o
una suspensión de polvo en un líquido. Este polvo o revelador actúa como una esponja que atrae al trazador fuera del defecto y
aumenta el tamaño del área de indicación. A fin de que este proceso de inspección sea eficaz, el trazador debe ser observado
fácilmente en el polvo revelador. Un método para facilitar la inspección es usar colores contrastantes para el trazador y el
revelador. Una combinación muy común es utilizar revelador blanco y un colorante rojo.
Otro método consiste en usar un trazador fluorescente. La figura que sigue muestra los pasos principales en la inspección por
medio de un trazador fluorescente. Los pasos son exactamente los mismos que los descritos con anterioridad, excepto que el
líquido penetrante contiene un material que emite luz visible cuando se expone a una radiación ultravioleta. Las lámparas que
emiten luz ultravioleta se llaman lámparas negras, porque la luz visible que podrían emitir normalmente es detenida por un filtro,
haciéndola aparecer negra o púrpura oscuro. Cuando la parte que va a ser revisada se observa bajo la luz negra, el defecto aparece
como una marca fluorescente que brilla contra el fondo negro.
La inspección por trazador fluorescente se emplea para localizar fisuras y contracciones en piezas fundidas, fisuras en la fabricación
y re-esmerilado de herramientas de carburo, fisuras y hoyos en estructuras soldadas, fisuras en hojas de turbina de vapor y de gas,
y fisuras en aisladores cerámicos para bujías y aplicaciones electrónicas.
Pasos principales en el método de inspección por penetrante fluorescente.
Inspección ultrasónica o por ultrasonido
Un método muy antiguo es utilizar ondas de sonido para determinar defectos. Si una pieza de metal es golpeada con un martillo,
producirá ciertas notas audibles, las cuales pueden alterarse en resonancia y tono por la presencia de imperfecciones internas. Sin
embargo, esta técnica de golpear con un martillo y escuchar el sonido es útil sólo para detectar grandes defectos.
Un método más depurado consiste en utilizar ondas de sonido fuera del intervalo auditivo, con una frecuencia de 1 a 5 millones de
Hz (de aquí el término ultrasónico). El método ultrasónico es una prueba no destructiva, confiable y rápida que emplea ondas
sonoras de alta frecuencia producidas electrónicamente que penetrarán metales, líquidos y muchos otros materiales a velocidades
de varios miles de metros por segundo.
La figura muestra dos métodos de prueba ultrasónicos comunes: el de transmisión continua y el de eco-pulsos. El primero utiliza un
transductor en cada lado del objeto que va a revisarse. Si al cristal transmisor se le aplica un pulso eléctrico de la frecuencia
deseada, las ondas ultrasónicas producidas se desplazarán a través de la muestra hasta el otro lado. El transductor de recepción
situado en el lado opuesto recibe las vibraciones y las convierte en una señal eléctrica que se puede amplificar y observar en el
tubo de rayos catódicos de un osciloscopio, un medidor o algún otro indicador. Si la onda ultrasónica viaja a través de la muestra
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sin encontrar ninguna imperfección, la señal recibida será relativamente grande. Si hay imperfección en la trayectoria de la onda
ultrasónica, parte de la energía se reflejará y la señal que recibirá el transductor de recepción se reducirá.
El método del eco-pulso utiliza sólo un transductor que sirve como transmisor y como receptor.
Métodos de inspección ultrasónica, el de transmisión y el de eco-pulsos.
La gráfica de un osciloscopio cuando se utiliza el método de eco-pulso sería semejante a la de la figura siguiente. Conforme la onda
sonora penetra en el material sometido a prueba, parte de ella se refleja de vuelta al cristal, donde se convierte en un impulso
eléctrico. Este impulso se amplía y hace visible, apareciendo como una indicación o señal sobre la pantalla del osciloscopio. Cuando
la onda sonora alcanza el otro lado del material, se refleja de regreso al cristal y se ve como otra señal sobre la pantalla hacia la
derecha de la primera señal. Si hay imperfección entre las superficies frontal y posterior del material, se delatará sobre la pantalla
como una tercera señal entre las dos indicaciones correspondientes a las superficies frontal y posterior. Como las indicaciones en la
pantalla del osciloscopio miden el tiempo transcurrido entre la reflexión del pulso desde la superficie frontal y posterior, la
distancia entre indicaciones es una medida del espesor del material. Por tanto, la localización de un defecto puede determinarse
con exactitud por la indicación que aparece sobre la pantalla.
Gráfica de un osciloscopio por el método de eco-pulsos de inspección ultrasónica.
En general, las superficies uniformes y lisas son más apropiadas para la prueba de pulso de mayor frecuencia; por tanto permiten
detectar defectos más pequeños. La transmisión adecuada de la onda ultrasónica tiene gran influencia en la confiabilidad de los
resultados de la prueba.
La inspección ultrasónica se utiliza para detectar y localizar defectos como cavidades de contracción (rechupes), vacíos o fisuras
internas, porosidad y grandes inclusiones no metálicas. El espesor de la pared se puede medir en recipientes cerrados o en casos en
que tal medición no puede hacerse de otra manera.
Inspección por corrientes parásitas o corrientes de Eddy
Las técnicas por corrientes parásitas se utilizan para inspeccionar eléctricamente materiales conductores en busca de defectos,
irregularidades en estructura y variaciones en composición. En la prueba por corrientes parásitas, si una fuente de corriente alterna
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se conecta a una bobina se produce un campo magnético variable. Cuando este campo se coloca cerca de una muestra a prueba,
capaz de conducir una corriente eléctrica, se inducirán en la muestra corrientes parásitas. A su vez, estas corrientes producirán un
campo magnético propio. La unidad de detección medirá este nuevo campo magnético y convertirá la señal en un voltaje que
puede leerse en un medidor o en un tubo de rayos catódicos. Propiedades como la dureza, la composición de la aleación, la pureza
química y la condición de tratamiento térmico influyen en el campo magnético y se pueden medir directamente con el uso de una
sola bobina. Un empleo importante que se da a esta prueba es la inspección de materiales para detectar posibles variaciones con el
tratamiento térmico o con posibles derivaciones en la composición química. Esta aplicación requiere el uso de dos bobinas. Una
pieza estándar se coloca en una bobina y la pieza a prueba en la otra. La aceptación o rechazo de la pieza a prueba puede
determinarse comparando las gráficas de las dos piezas, que aparecen sobre la pantalla del osciloscopio.
La prueba por corrientes parásitas puede emplearse para detectar defectos superficiales y sub-superficiales, espesor de placas o
tubos, y espesor de capas.
Esquemas del principio de funcionamiento de la inspección por corrientes de Eddy.
Termografía
Generalmente las imperfecciones en un material alteran la velocidad de flujo térmico a su alrededor, generando gradientes de alta
temperatura, es decir puntos calientes. En la termografía, a la superficie de un material se le aplica un recubrimiento sensible a la
temperatura, a continuación el material es calentado uniformemente y luego enfriado. La temperatura es más elevada cerca de
una imperfección que en otros sitios; por tanto, el color del recubrimiento en este punto será distinto y fácilmente detectado.
Se puede utilizar una gran diversidad de recubrimientos. Comúnmente se usan pinturas y papeles sensibles al calor; compuestos
orgánicos o fósforos que producen luz visible al ser excitados por radiaciones infrarrojas; y materiales orgánicos cristalinos,
conocidos como cristales líquidos.
Un uso importante de la termografía es la detección de uniones pobres, monocapas o cintas individuales, que forman muchas
estructuras de materiales compuestos reforzados con fibras, particularmente en la industria aeroespacial.
Además, la termografía puede aplicarse directamente para observar fallas por sobrecalentamientos, por ejemplo en conductores
eléctricos y contactos eléctricos, en piezas mecánicas donde exista rozamiento y falta de lubricación, etc.
Análisis de fallas por termografía.
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Unidad 9: Corrosión y recubrimientos
Generalidades sobre la corrosión
Los metales usados en la mayor parte de la tecnología tienen una gran afinidad por el oxígeno, el agua, el azufre, el anhídrido
carbónico, etc., por lo que pueden ser atacados profundamente si no son debidamente protegidos.
Muchas veces el ataque progresa muy lentamente y no asume dimensiones macroscópicas porque sobre la superficie del metal se
forma espontáneamente una película de óxido o de un compuesto del metal que impide la acción oxidante. Por ejemplo el aluminio
en el aire resiste a la oxidación porque este es protegido por una película de óxido. Otros metales como por ejemplo el oro y el
platino son difícilmente oxidados y tienen escasa afinidad por el oxígeno; tales metales se denominan nobles.
La reacción del oxígeno con los metales puede ocurrir en presencia o en ausencia de agua. El ataque en ausencia de agua (corrosión
seca o química) se puede apreciar a altas temperaturas. El equilibrio es: Me + O2 ↔ Óxido
La reacción se puede desplazar en un sentido o el otro según las condiciones térmicas y la afinidad del metal por el oxígeno. La
degradación de un metal, producto de un proceso corrosivo, no es solamente la disolución macroscópica del metal sino también la
reducción de la eficiencia funcional del objeto metálico.
La corrosión puede ser definida como el deterioro de un material a consecuencia de un ataque químico por su entorno. Siempre
que la corrosión esté originada por reacción química, la velocidad a la que tiene lugar dependerá en alguna medida de la
temperatura y de la concentración de los reactivos y los productos. Otros factores, como esfuerzo mecánico y erosión también
pueden contribuir a la corrosión. La corrosión es un fenómeno espontáneo con que un producto metálico se degrada
tecnológicamente en forma gradual, por reacción química o electroquímica con el medio ambiente que lo circunda.
La corrosión puede ser:
HÚMEDA: si la reacción se realiza en presencia de agua condensada.
SECA: si la reacción se realiza en ausencia de agua condensada.
La corrosión de los metales en algunos casos puede ser considerada como el proceso inverso de la metalurgia extractiva. En el
estado metálico las energías de los metales son más altas y por eso, hay una tendencia espontánea de reaccionar químicamente
para formar compuestos.
Por ejemplo, los óxidos de hierro se encuentran muy difundidos en la naturaleza y son reducidos por aplicación de energía térmica
a hierro elemental, el cual está en un estado energético superior, existiendo por lo tanto una tendencia del hierro a volver
espontáneamente a óxido de hierro por corrosión y así permanecer en un estado energético más bajo.
De acuerdo con la definición del término corrosión, vemos que nos referimos a un proceso. El mismo toma lugar mediante
reacciones fisicoquímicas entre el material y su medio ambiente, generando cambios en las propiedades del primero. El resultado
es un efecto de corrosión que en algunos casos puede ser beneficioso, pero en la mayoría de las situaciones resulta perjudicial.
Ejemplos de efectos perjudiciales de la corrosión son el ataque del material, la contaminación del medio ambiente, pérdidas de
rendimiento en las plantas de vapor, etc. Entre los efectos útiles podemos mencionar algunos procesos controlados de corrosión
como por ejemplo el decapado, pulidos electroquímicos, protección catódica, etc.
Sin embargo, la corrosión es un proceso que deteriora y causa daños a la comunidad. Algunos ejemplos son las siguientes:
1 La funcionalidad operacional de las estructuras pueden ser arriesgada. Por ejemplo, conductos de agua subterráneos
pueden ser puestos fuera de servicio por la corrosión. Otros casos ocurren en los equipos electrónicos, donde importantes
funciones de control pueden ser afectadas, plataformas petroleras mar adentro que operan bajo condiciones corrosivas extremas y
en plantas nucleares donde los daños producidos por la corrosión pueden ser costosos y con mucho riesgo desde el punto de vista
de la seguridad.
2 Los recursos naturales pueden ser perdidos. La corrosión genera una pérdida de energía y una transformación de los
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metales a compuestos más estables, aquellos que se acerquen más al estado mineral. Pero, a diferencia de los minerales que
encontramos en la naturaleza, los productos de los procesos corrosivos son transportados por el agua y el viento por lo que no
podrán ser nuevamente utilizados para obtener metal.
3 El medio ambiente puede ser dañado. Tanques y barriles con productos químicos que son enterrados sin control alguno
pueden ser perforados por los efectos de la corrosión. Su contenido es captado luego por las aguas subterráneas contaminando el
medio.
La protección contra la corrosión se debe tener en cuenta en las siguientes fases:
1) Etapa de Proyecto Buena parte de los problemas de corrosión se pueden
remediar en esta fase, con un buen criterio del diseño.
2) Durante la Selección de Teniéndose en cuenta lo pasado y las experiencias de
materiales laboratorio y de planta piloto se puede realizar una
razonable selección de materiales resistentes a la
corrosión.
3) Mantenimiento Se debe inspeccionar con una periodicidad
predictivo y preventivo preestablecida y dependiente de las condiciones de
funcionamiento de la planta, por métodos directos o
indirectos (visual, ultrasonidos, rayos X, análisis de
productos de corrosión, etc.)
Formas de corrosión
La naturaleza electroquímica de los procesos de corrosión, trae como consecuencia diversas formas de ataque dependiendo de la
mayor o menor tendencia a la localización de las áreas anódicas y catódicas, de la densidad de corriente que fluye a través de los
elementos galvánicos, de factores ambientales, metalográficos, mecánicos, geométricos, etc., los cuales crean diferentes formas de
ataque.
La identificación de las diversas morfología de ataque es de absoluta necesidad para poder determinar en un análisis de falla,
cuales han sido las causas que han provocado el proceso corrosivo. Pudiendo hacerse la siguiente clasificación:
• CORROSIÓN GENERALIZADA
• CORROSIÓN LOCALIZADA
• CORROSIÓN SELECTIVA
La corrosión generalizada es cuando toda la superficie del metal es atacada y se traduce en una reducción de espesor de pared
metálica, que está en contacto con el electrolito. Según la distribución del ataque superficial se distingue corrosión generalizada
uniforme y no uniforme.
La corrosión localizada es cuando una parte limitada de la superficie del metal es atacada. Se la clasifica según su forma en cráteres,
picaduras, fisuras, etc. En las picaduras se tiene en cuenta la relación diámetro/profundidad y en las fisuras si siguen los bordes de
grano o no en intergranulares y transgranulares respectivamente.
La corrosión selectiva produce la disolución de una parte determinada del metal, que por razones químicas o metalográficas,
resultan más fácil de ser atacadas. Se distinguen corrosión cristalográfica, interdendrítica, exfoliación, intergranular, etc.
Otra forma de corrosión selectiva es la desaleación, y es cuando uno de los componentes de una aleación se disuelve
preferencialmente, como por ejemplo la deszincificación de los latones, la desniquelización de los cuproniqueles, dejando un
residuo espumoso y sin consistencia mecánica.
Cátedra: Ingeniería Metalúrgica I Profesor Titular: Ing. Norberto Uanini Profesor Adjunto: Ing. Roberto O. Lucci
Universidad Tecnológica Nacional Facultad Regional Córdoba Ingeniería Metalúrgica
Año 2011 110
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Protección contra la corrosión
En la mayoría de los casos, un problema de corrosión no puede ser resuelto fácilmente mediante la sustitución del material que se
corroe por otro más noble y resistente debido a dificultades de orden económico y técnico. El problema es pues, combatir la
corrosión de los materiales de uso frecuente. A este respecto, parece oportuno remarcar el orden de prioridades que debe
satisfacer un material para su empleo en cualquier tipo de estructuras y, en particular, en las plantas químicas. Como no ser
atacable por el sistema que contiene o que rodea, no tener influencia en los procesos que se desarrollan a su alrededor, tener
resistencia mecánica adecuada, ser de costo esencialmente bajo.
En la realidad y con mucha frecuencia, los factores económicos son los determinantes de la elección. Un especialista debe estar
familiarizado con ellos de la misma manera que con los factores técnicos y debe basarse en ambos para justificar dicha elección.
Así como la corrosión se presenta en diversas formas, también existen numerosos métodos para combatirla. El análisis racional de
esos métodos obliga a dar una cierta clasificación cuya comprensión depende en gran parte de la característica que se toma como
base. Puede considerarse que el método más idóneo de ordenar las técnicas de protección debe basarse en las características de
las reacciones que se desea neutralizar.
La reacción de corrosión es de carácter heterogéneo y, en su forma más simple, puede esquematizarse en una fase metálica
reactiva, un medio agresivo que puede ser sólido, líquido o gaseoso, y una interfase donde tiene lugar la reacción.
De acuerdo con esta caracterización de la reacción de corrosión, los métodos de protección se pueden clasificar en:
1) Medidas que se adoptan sobre el material
2) Medidas sobre el agente agresivo
3) Medidas a tomar sobre la interfase
A estos tres grupos podrían agregarse aquellas medidas que disminuyen la posibilidad de ataque corrosivo mediante un diseño
realizado con mayor criterio.
La siguiente tabla resume estas medidas e incluye ejemplos y casos prácticos de aplicación. Los métodos se ordenan según actúen
modificando las características de los tres elementos que componen la reacción heterogénea.
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Las medidas a tomar sobre el metal están fuertemente relacionadas con los aspectos metalúrgicos, y se basan fundamentalmente
en adiciones que modifican el comportamiento del metal base. Aquellas que se toman sobre el medio agresivo consisten en
eliminar los componentes corrosivos del mismo.
Finalmente, las medidas sobre la interfase incluyen aspectos muy diversos que van desde la formación de nuevas interfases
(pintado, plaqueado, metalizado) hasta la modificación del potencial de electrodo por métodos electroquímicos, pasando por el
agregado de ciertas sustancias al medio agresivo, pero que actúan en la interfase y son conocidas como inhibidores.
El diseño para evitar problemas de corrosión
El diseño efectuado con mayor criterio es el primer paso a dar para prevenir los efectos nocivos de la corrosión en cualquier tipo
de estructura. Sin embargo, el encargado de efectuar el diseño tiene en general una formación técnica que lo habilita a diseñar en
función del objetivo que debe cumplir el equipo y asegurar su resistencia mecánica, su economía de fabricación y, en ciertas
ocasiones, respetar algunos criterios estéticos. Los aspectos de corrosión son considerados usualmente de segunda importancia y
ello es debido más a la formación del profesional que a un análisis serio de los costos.
Aceptada la inclusión de los aspectos referidos a la prevención de la corrosión en el diseño, resulta claro que la construcción más
económica es aquella que durante su vida útil genera un costo total anual mínimo. Dentro de estos costos, los correspondientes al
mantenimiento, particularmente al repintado de las superficies, constituyen una parte importante del total.
La forma de asegurar un mantenimiento sencillo y económico debe estar incluida en el diseño. Así entonces, luego de establecer
los prerrequisitos del diseño tales como la vida prevista de la instalación, la corrosividad del medio, las condiciones de trabajo, el
tipo de corrosión esperada, etc., y seleccionar le material y el tratamiento superficial más adecuado, debe tratar de respetarse una
serie de reglas generales que minimizarán sin duda los problemas debidos a la corrosión. Algunas de estas reglas son las siguientes:
a) Simplificar las formas: Cuanto más ángulos, esquinas, bordes y superficies internas tenga el diseño, más difícil es asegurar el
éxito del tratamiento superficial y mayor la posibilidad de ataque corrosivo.
b) Evitar la acumulación de humedad o agua de lluvia: Los perfiles deben disponerse de forma tal que no haya posibilidad de
retener agua o humedad. En los espacios parcialmente cerrados debe proveerse de orificios de evacuación. Los recipientes deben
montarse siguiendo el mismo criterio. También deben diseñarse para asegurar su total evacuación y limpieza.
c) Considerar el riesgo de corrosión galvánica: Cuando deben emplearse obligatoriamente dos metales distintos que pueden
producir corrosión galvánica, debe tenerse la precaución de interponer entre ambos un aislante eléctrico.
d) Ser cuidadoso con juntas y uniones: Esto se debe a que pueden generarse espacios de difícil acceso que sufrirán corrosión por
aireación diferencial (corrosión en hendiduras). También pueden generarse efectos galvánicos si las juntas son soldadas, ya sea por
la diferente composición del material de aporte o por las transformaciones que sufre la estructura del metal debido a las fusiones,
solidificaciones y calentamientos.
e) Tener en consideración los cambios dimensionales debidos a la corrosión: Esto se refiere a los casos de disminución de
espesor como resultado de la corrosión, lo cual puede provocar apreciables reducciones en la resistencia a la tensión y,
particularmente, conducir a la fatiga del material. Por otra parte, el aumento de volumen al formarse ciertos productos de
corrosión pueden generar ciertas tensiones muy grandes, cuando se forman en zonas pequeñas y más o menos herméticas.
f) Instrucción y aseguramiento en la fabricación y montaje de equipos: De poco vale hacer previsiones para combatir la
corrosión si en la práctica las medidas recomendadas se realizan en forma defectuosa, bien sea por negligencia o por
desconocimiento de las exigencias. Estos aspectos contribuyen a mantener los daños por corrosión a niveles aceptablemente
bajos.
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Unidad 11: Sistemas comerciales de aleaciones
En el mundo actual, existen innumerables aleaciones de los diferentes sistemas de aleaciones, cada una de ellas con aplicaciones
variadas o específicas. Para el ingeniero metalúrgico es importante saber elegir el material de la manera más eficiente, para
satisfacer las necesidades del producto (llámese producto a todo aquello que sea elaborado para un uso o fin, por ejemplo: un
engranaje, un puente, un avión, una tuerca, etc.. De manera general, se mostrarán fotografías de las aplicaciones de algunos
sistemas de aleaciones conocidos para diferenciarlos desde el punto de vista de sus usos y limitaciones.
Aceros y sus aleaciones
Fundición de hierro
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Aluminio y sus aleaciones
Cobre y sus aleaciones
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Titanio y aleaciones
Magnesio y sus aleaciones
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Unidad 12: Avances en la metalúrgica y los nuevos materiales
“Nuevas tecnologías demandan nuevos materiales”
Aceros de alta resistencia y baja aleación
Un acero de alta resistencia, aleación baja, y que además resiste al calor, tiene un diámetro medio del grano de cristal de a lo sumo
110 µm. Tiene un porcentaje en masa de: C: 0,03-0,15%; Si: a lo sumo 1%; Mn: a lo sumo 2%; P: a lo sumo 0,03%; S: a lo sumo
0,03%; Ni: a lo sumo 0,5%; Cu: al menos 0,01% pero menos de 0,1%; Cr: 1,8-2,8%; V: 0,1-0,3%; Nb: 0,01-0,08%; Mo: 0,05-0,35%; W:
1,2-1,8%; Ti: 0,001-0,05%; B: 0-0,02%; Al: a lo sumo 0,1%; O: a lo sumo 0,1; N: en una cantidad que cumple la fórmula [%N] = [%Ti]
+ 5[%B] + 0,004 y el resto Fe e impurezas inevitables.
Estos aceros se aplican cuando existen solicitaciones en las que se desea ahorrar peso pero con resistencias mecánicas elevadas, en
lugares donde otras aleaciones livianas de alta resistencia no pueden ser aplicadas.
Nanotecnología y nanomateriales
El termino nanotecnología describe los materiales, sistemas y procesos que existen o que operan a una escala extremadamente
pequeña, del orden de los cien nanómetros o menos (un pelo tiene 80 nm de diámetro). Las nanopartículas son productos de
nanotecnología de primera generación, partículas extremadamente pequeñas utilizadas por sus modernas propiedades. Las
nanopartículas fabricadas ya forman parte de centenares de productos.
Materiales inteligentes (Smart Materials)
Dentro de estos materiales se encuentran las aleaciones con memoria de forma SMA (Shape Memory Alloy), las cuales tienen la
propiedad de poder ser deformadas plásticamente (hasta un 10%) y mediante un calentamiento posterior recuperan la forma que
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poseían inicialmente. Estos inusuales efectos memoria de forma térmica y memoria de forma elástica o superelasticidad. El
principio físico del fenómeno está basado en la reversibilidad de la transformación martensítica.
Materiales superplásticos
Algunas aleaciones son capaces de experimentar un comportamiento superplástico dentro de un cierto rango de temperaturas y
velocidades de deformación. La superplasticidad se refiere a la capacidad del material de desarrollar grandes deformaciones
permanentes sin romperse, esto permite fabricar piezas de formas complejas a través de un proceso continuo de deformación.
En algunas aleaciones de bronce, aluminio y ciertos cerámicos, se han registrado deformaciones superplásticas de hasta un 8000 %.
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Materiales magnéticos
Los materiales magnéticos constituyen unos de los grupos de materiales con diversas aplicaciones en el campo de las ciencias e
ingenierías. Además de las aplicaciones ya conocidas, como los motores eléctricos, electroimanes, parlantes, transporte, etc.;
actualmente el uso de estos materiales es de sumo interés en el ámbito de almacenamiento de información, en especial en el caso
de las computadoras, mientras que los semiconductores sirven como base a la memoria primaria, los discos magnéticos y las cintas
son capaces de almacenar grandes cantidades de información.
Existen diversos tipos de comportamiento de los materiales magnéticos: el diamagnetismo y el paramagnetismo.
En los materiales diamagnéticos, la disposición de los electrones de cada átomo es tal que se produce una anulación global de los
efectos magnéticos. Sin embargo, si el material se introduce en un campo inducido, la sustancia adquiere una imantación débil y en
el sentido opuesto al campo inductor.
Los materiales paramagnéticos no presentan la anulación global de efectos magnéticos, por lo que cada átomo que los constituye
actúa como un pequeño imán. Sin embargo, la orientación de dichos imanes es, en general arbitraria, y el efecto global se anula.
El magnetismo inducido, aunque débil, es suficiente intenso como para imponer al efecto magnético. Para comparar los tres tipos
de magnetismo se emplea la razón entre el campo magnético inducido y el inductor.
Un electroimán es un imán hecho de alambre eléctrico bobinado en torno a un material magnético, como el hierro. Este tipo de
imán es útil en los casos en que un imán debe estar encendido o apagado, por ejemplo, las grandes grúas para levantar chatarra de
automóviles.
Un imán permanente conserva su magnetismo sin un campo magnético aplicado exteriormente. Un imán temporal sólo es
magnético mientras esté situado en otro campo magnético.
Materiales de uso nuclear
La tecnología nuclear es aplicada para la producción de energía, para la medicina, la biología, la minería, la agricultura y la
metalúrgica.
Además de los materiales nucleares propiamente dichos, como el uranio, paladio, cobalto y radio entre otros, utilizados en la
producción de la energía nuclear; es necesaria una tecnología específica que demanda materiales con diferentes características
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capaces de satisfacer las necesidades de seguridad, productividad, manejo de materiales radioactivos, traslado, enriquecimiento y
diferentes operaciones previas o posteriores a la generación de energía nuclear.
Los materiales utilizados en los reactores nucleares son de sumo interés para garantizar un funcionamiento adecuado sin riesgos.
Existen además materiales de uso en equipos y dispositivos abocados a la medicina, la biología, etc.; los cuales también tienen
requerimientos especiales que demandan materiales que puedan cumplir con dichas especificaciones.
Por ejemplo, las barras donde se encuentran contenido el uranio u óxido de uranio para la producción de energía en reactores
nucleares, están contenidas en un material conveniente para evitar que los productos de la fisión se filtren en la secuencia del
líquido refrigerador. Este material para la contención varía en función de la tecnología de fisión aplicada; encontramos aleaciones
de magnesio, aleaciones de circonio, o aceros inoxidables.
Vidrios metálicos
Un vidrio metálico es una aleación que contiene una estructura amorfa más que una estructura cristalina y de esta forma se puede
considerar que es un sólido desordenado. En los típicos metales, los átomos están ordenados en todas las direcciones formando
cristales que se interrumpen con zonas de otras orientaciones cristalinas, dejando entre ellas zonas desordenadas llamadas bordes
de grano. El fenómeno de cristalización requiere tiempos largos para que las posiciones de equilibrio de la red cristalina se alcancen
a través de mecanismos de difusión. Esto significa que para alcanzar el estado amorfo hay que enfriar el líquido lo suficientemente
rápido como para que no puedan ocurrir los movimientos difusivos que llevarían a los átomos a ocupar sus posiciones de equilibrio
en la red cristalina. En el caso de los vidrios metálicos este enfriamiento debe ser extraordinariamente rápido, más de u millón de
grados por segundo, lo que imposibilita una producción industrial a gran escala, pero afortunadamente se han logrado conseguir
este tipo de materiales mediante otras técnicas.
A diferencia de los vidrios para ventanas, los vidrios metálicos no son transparentes o fáciles de fragmentar. Muchos metales
tradicionales son fáciles de doblar debido a los defectos (dislocaciones) en su retícula cristalina, pero los vidrios metálicos no tienen
ninguna red cristalina y ninguna dislocación, y su desordenada disposición de átomos les da propiedades mecánicas y magnéticas
distintivas. Los vidrios metálicos, que normalmente se fabrican de dos o más metales, pueden presentar grandes capacidades de
resistencia, tensión elástica y dureza. Otra ventaja es que, como otros materiales dúctiles más débiles, pueden ser fácilmente
calentados, ablandados y moldeados en complejas formas.
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Materiales semiconductores
Un material semiconductor es aquel que tiene una conductividad eléctrica intermedia, entre la de los metales y los aislantes; y
otras propiedades físicas no usuales. Estos se pueden clasificar en dos tipos:
Semiconductores intrínsecos: poseen una conductividad eléctrica fácilmente controlable y, al combinarlos adecuadamente, pueden
actuar como interruptores, amplificadores o dispositivos de almacenamiento. Ejemplos: Si y Ge puros.
Semiconductores extrínsecos: estos se forman al agregar, intencionadamente, a un semiconductor intrínseco sustancias dopantes.
Su conductividad dependerá de la concentración de esos átomos dopantes. Dependiendo de esas impurezas habrá dos tipos:
Semiconductores de tipo n: En las redes de Si o Ge se introducen elementos del grupo 15 los cuales debido a que tienen un electrón
más en su capa de valencia que los elementos del grupo14 se comportan como impurezas donadoras de electrones o portadores
negativos.
Semiconductores de tipo p: En este caso se introducen elementos del grupo 13 que presentan un electrón menos en su capa de
valencia, por lo que se comportan como aceptores o captadores de electrones.
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Bibliografía
Fundamentos de la Ciencia e Ingeniería de Materiales – William F. Smith.
Principios de Metalurgia Física – Robert E. Reed Hill.
Fundamentos de Metalurgia Física – John D. Verhoeven.
Metalurgia Extractiva de los Metales No Ferrosos – John L. Bray.
Properties and Selection: Nonferrous Alloys and Special Purpose Materials - ASM Metals HandBook Volume 2.
Metallography and Microstructures - ASM Metals HandBook Volume 9.
Light Alloys – Metallurgy of the Light Metals – I. J. Polmear.
Metalográfica y Ensayos de Metales – Pedro Pelorosso.
Metalurgia Técnica y Fundición – Eduardo Abril.
Ensayos Industriales – Gonzáles-Palazón.
Tratamientos Térmicos de los Aceros – José Apraiz Barreiro.
Ciencia y Técnica de la Soldadura – Palma-Timerman.
Introducción a la Pulvimetalurgia – P. Molera.
Condiciones para aprobar la materia
Asistencia a clases en un 80 % del total de clases dictadas durante el año lectivo.
Aprobar los parciales con 7 o más de 7 (siete) cada unos de ellos sin promediar las notas.
Realizar las visitas guiadas a las fábricas y empresas que se realizan a lo largo del año.
Metodología de trabajo
Clases semanales teóricas.
Trabajos prácticos, en los Laboratorios de los Departamentos de Metalúrgica y Mecánica.
Visitas guiadas a fábricas y/o empresas de actividades afines a los temas desarrollados.
Evaluación
Se hará en forma combinada, según la participación del alumno en los trabajos prácticos, durante las visitas guiadas con informes
de las mismas y cuatro parciales escritos con posibilidad de recuperación de uno de ellos.