UNIVERSIDAD POLITÉCNICA DE CARTAGENA 

2009/10

Tecnología de Materiales Moldeo – Pulvimetalurgia – Fatiga – Creep – Superaleaciones – Desgaste – Corrosión 

 

 

Tecnología de Materiales   

 

  2 

Tecnología de Materiales Moldeo .................................................................................................................................................... 4 

Etapas de la fundición de materiales .................................................................................................. 4 

Materiales para moldes ....................................................................................................................... 5 

Solidificación en molde ....................................................................................................................... 5 

Solidificación bajo condiciones de no equilibrio ................................................................................. 7 

Tipos de solidificación ......................................................................................................................... 8 

Refinadores de grano .......................................................................................................................... 9 

Porosidad ........................................................................................................................................... 10 

Fundiciones de hierro ........................................................................................................................ 15 

Pulvimetalúrgia ...................................................................................................................................... 17 

Métodos de producción de polvos metálicos ................................................................................... 17 

Aceros Maraging ................................................................................................................................ 18 

Partícula de polvo metálico ............................................................................................................... 18 

Fabricación por aleación metálica ..................................................................................................... 20 

Consolidación de materiales pulvimetalúrgicos (polvos) .................................................................. 21 

Sinterización en estado sólido ........................................................................................................... 24 

Relación densidad – propiedades mecánicas en materiales pulvimetalúrgicos ............................... 28 

Influencia de la densidad en la dureza .............................................................................................. 28 

Fatiga ..................................................................................................................................................... 29 

Introducción ...................................................................................................................................... 29 

Micromecanismos de fatiga en los metales ...................................................................................... 30 

Crecimiento de grietas en materiales dúctiles .................................................................................. 30 

Crecimiento de grietas en materiales duros (sin entalla) ................................................................. 31 

Crecimiento de grietas en materiales con entallas ........................................................................... 31 

Determinación de la resistencia a la fatiga ....................................................................................... 32 

Mecánica de la fractura y fatiga ........................................................................................................ 34 

Control de calidad y ensayos no destructivos ................................................................................... 38 

Creep ..................................................................................................................................................... 39 

Fluencia térmica o Creep ................................................................................................................... 39 

Generalidades ................................................................................................................................... 39 

Naturaleza del Creep ......................................................................................................................... 43 

Aleaciones resistentes al creep ......................................................................................................... 46 

Tecnología de Materiales   

 

  3 

Superaleaciones .................................................................................................................................... 47 

Introducción ...................................................................................................................................... 47 

Condiciones de operación ................................................................................................................. 48 

Definición .......................................................................................................................................... 49 

Superaleaciones base níquel ............................................................................................................. 49 

Fases y microestructuras ................................................................................................................... 50 

Tipos de superaleaciones base níquel ............................................................................................... 53 

Resistencia a la deformación de las superaleaciones base níquel .................................................... 54 

Tratamientos térmicos y procesos de fabricación ............................................................................ 55 

Estabilidad superficial de las superaleaciones .................................................................................. 57 

Barreras térmicas .............................................................................................................................. 58 

Tipos de corrosión ............................................................................................................................. 59 

Desgaste ................................................................................................................................................ 60 

Definiciones ....................................................................................................................................... 60 

Ecuación de Archard .......................................................................................................................... 60 

Mapas de mecanismos de desgaste .................................................................................................. 62 

Regímenes y mecanismos de desgaste de aceros en seco ............................................................... 62 

Método de prevención del desgaste de metales .............................................................................. 65 

Desgaste de metales por erosión ...................................................................................................... 66 

Desgaste de materiales cerámicos .................................................................................................... 66 

Corrosión ............................................................................................................................................... 68 

Clasificación de los tipos de corrosión .............................................................................................. 68 

Oxidación seca de metales ................................................................................................................ 68 

Relación de Pilling‐Bedworth ............................................................................................................ 69 

Mecanismos de crecimiento de óxidos ............................................................................................. 69 

Tipos de corrosión ............................................................................................................................. 70 

Corrosión bajo esfuerzos mecánicos ................................................................................................. 74 

 

   

Tecnología de Materiales   

 

  4 

MOLDEO 

¿Cuándo utilizamos el moldeo? 

1‐ Adecuada resistencia mecánica 2‐ El diseño se basa en factores diferentes de la resistencia mecánica 3‐ Formas geométricas muy complejas o piezas de gran volumen 4‐ Ahorro de tiempo en el desarrollo del producto 5‐ Ahorro de dinero, respecto de la pulvimetalúrgia y otros procesos 

Ventajas 

• Fabricación de formas muy complejas 

• Gran variedad de procesos (alta y baja capitalización) 

Inconvenientes 

• Baja compacidad (menor densidad de la esperada) 

• Alto nivel de impurezas 

• Microestructura gruesa, segregaciones 

Pueden aparecer problemas de control microestructural, cuando más rápido solidifica, más fina será la microestructura. 

Distintos tamaños de grano dentro de la misma microestructura pueden favorecer a la aparición de corrosión. Hay que controlar el tamaño de grano. 

Los defectos más importantes son los que hacen que la densidad sea menor que la debida (poros). 

Interesa tener un tamaño de grano lo más fino posible de manera que mejor será la resistencia y se evita el desplazamiento de las dislocaciones. 

ETAPAS DE LA FUNDICIÓN DE MATERIALES 

Para controlar  la microestructura, el tiempo de solidificación tiene que ser  lo más pequeño posible, viene en función del punto de fusión y del diseño del proceso (según el molde sea de un material u otro, el tiempo será mayor o menor). 

Producción  del molde: metálico,  cerámico,  de  arena…  (éstos  últimos  son  los  antiguos  y desechables) 

Fusión del metal  Vaciado del líquido en la cavidad: colada al aire, en vacío…  Solidificación: estabilización de la forma, endurecimiento, evaporación, etc.  Extracción y limpieza 

   

Tecnología de Materiales   

 

  5 

MATERIALES PARA MOLDES 

Tres son los factores que influyen en la construcción del material: coste, fidelidad de reproducción y propiedades térmicas. 

Coste: cuando se fabrican muchas piezas de fundición idénticas, es preciso abaratar el coste de la unidad empleando un molde que pueda reutilizarse muchas veces. Aunque la inversión inicial sea mayor, el coste final se reducirá. Los moldes de arena y de escayola pueden utilizarse una vez,  los moldes cerámicos  tienen una duración algo mayor, pero  los que pueden utilizarse un nº mayor de veces son  los de acero o aleaciones  de níquel resistentes al calor. Los moldes metálicos son también  los más caros, sobre todo los que se utilizan para procesos a presión. 

Fidelidad  de  reproducción:  los  diferentes  procesos  de  fundición  varían  ampliamente  en cuanto a  su capacidad de  reproducir  las  tolerancias dimensionales, aunque  se consideraba que  la  fundición  a  presión  daba mejores  resultados  se  están mejorando  los  procesos  de arena (proceso Cosworth, con arena de circonio se obtienen paredes de 4 mm.). 

Propiedades  térmicas:  las  propiedades  mecánicas  de  una  fundición  dependen  de  su velocidad de enfriamiento y ésta a su vez depende de  las propiedades térmicas del molde. Los  moldes  metálicos  tienen  mayor  capacidad  de  enfriamiento  que  además  puede modificarse y controlarse mediante la aplicación de recubrimientos superficiales refractarios. Los moldes  no metálicos  son mucho  peores  como  sumideros  de  calor  y  para  acelerar  la solidificación deben incorporar piezas metálicas en la pared del molde. 

SOLIDIFICACIÓN EN MOLDE 

Al enfriarse el metal en el molde, no  todo solidifica al mismo tiempo. Se forman pequeños cristales o núcleos de  cristalización  a  partir  del  líquido.  Según  se  va extrayendo calor del metal fundido, los átomos pierden la energía que les permite su libertad de movimiento y se van uniendo a los núcleos de cristalización hasta que el metal solidifica por completo. Una vez solidificado y convenientemente atacado, puede observarse a simple vista una estructura como la de la figura de la derecha. En  esta  estructura,  largos  cristales  columnares  se extienden  desde  el  exterior  hasta  el  centro  de  la fundición. 

El metal en contacto directo con las paredes del molde se  enfría  rápidamente  mientras  que  en  el  centro  del  molde  el  enfriamiento  tiene  lugar  a  una velocidad más  lenta,  debido  a  que  la  formación  de  los  núcleos  de  cristalización  tiene  lugar más rápidamente en los puntos más fríos. 

Con el tiempo, al enfriarse el metal,  los cristales que han  ido creciendo están en contacto unos con otros. La única dirección en la que pueden seguir creciendo es hacia el centro. 

Tecnología de Materiales   

 

  6 

Si se extrajera el líquido del molde algún tiempo antes de que concluya la solidificación, un examen de la capa de metal sólido adherida al molde revelaría pequeñas agujas cristalinas que sobresalen de la superficie del sólido. Estas agujas tienen forma arborescente y se denominan dendritas. 

 

 

 

La  solidificación en molde  tiene  lugar desde  las paredes y el  fondo hacia el centro y, por  tanto,  la dirección de solidificación es perpendicular a las paredes del molde. 

La  solidificación  tiene  lugar  selectivamente,  solidificando  primero  los  constituyentes  de más  alto punto de fusión. Al crecer los cristales, los troncos y ramas de las dendritas atrapan pequeñas zonas de líquido de menor punto de fusión, que al solidificar darán lugar a un gradiente en la concentración de cualquier elemento, incluso entre diferentes zonas de un grano determinado. Si se seccionara un lingote longitudinalmente, sería posible observar tres tipos de cristales distintos, desde la superficie hacia el centro: 

1) Una delgada zona en la superficie podría contener pequeños cristales equiaxiales (esta zona no puede estar presente en todos los lingotes y su presencia depende de la temperatura del metal fundido). -> Son los primeros núcleos de cristalización.

2) Una zona de cristales columnares perpendiculares a  la superficie del  lingote, que se forman cuando el enfriamiento es  rápido debido al gran gradiente de  temperatura  inicial entre el metal líquido y las paredes del molde. 

3) Una zona central de cristales equiaxiales debido a que no hay flujo térmico. 

Dendritas

Tecnología de Materiales   

 

  7 

SOLIDIFICACIÓN BAJO CONDICIONES DE NO EQUILIBRIO 

La  solidificación  de metales  puros  y  aleaciones  bajo  condiciones  de  no  equilibrio  es  habitual  en fundiciones comerciales. 

Cuando  un  metal  se  enfría  bajo  condiciones  de  equilibrio  ideales,  los  granos  formados  en  la solidificación son generalmente equiaxiales  (iguales en tamaño en todas  las direcciones) uniformes en su composición. 

Sin embargo cuando se producen gradientes de temperatura dentro del metal al solidificar se forman granos  columnares,  largos  y  estrechos,  como  resultado  de  diferente  flujo  de  calor  en  diferentes direcciones. Los granos son alargados en la dirección de mayor gradiente (rápido flujo de calor). Este tipo  de  granos  se  forman  cuando  se  realiza  la  colada  de  un metal  pero  cuyo molde  tiene  una temperatura más baja que la del metal. 

El  frente  de  solidificación  de  un metal  puro  o  de  una  aleación  eutéctica  es  relativamente  recto, mientras  que  cuando  solidifica  una  disolución  sólida,  el  frente  es  muy  irregular.  La  razón  se encuentra en las diferencias de temperatura y composición que tienen lugar durante la solidificación. En general, cuanto más rápida es la solidificación más regular es el frente de solidificación. 

 

Buscamos por tanto una solidificación que sea lo más rápida posible. Tenemos que garantizar que la pared está lo suficientemente fría para que la solidificación sea rápida y empiece directamente. 

Con aleaciones el comportamiento no es tan bueno, ya que suele tener varias fases, y deja huecos que no terminan de llenarse y queda parte líquida, son micromoldes que al solidificar se contraen y dan  lugar a microrechupes. Además,  también puede que  los elementos de menor punto de  fusión solidifican los últimos y tienden a quedar en el centro del grano. 

   

Tecnología de Materiales   

 

  8 

TIPOS DE SOLIDIFICACIÓN 

• Equiaxial dendrítica o Gradiente térmico bajo, sin refinado de grano. o ∆T (entre el molde y metal fundido) bajo. Se obtiene al dejar enfriar sólo el metal. o Peor caso: cuando el tamaño de grano es grande y orientación al azar. 

• Equiaxial no dendrítica o Agitación alta. o Refinadores de grano. o Si introducimos agitación, vamos rompiendo las ramas de las dendritas que se iban formando y 

constituyendo un frente casi plano y formas redondeadas. Los refinadores de grano también colaboran en la ruptura de las dendritas. 

• Columnar dendrítica o Orientación de los cristales provocados por el gradiente térmico ∆T alto. o Forzamos el proceso con paredes de alta conductividad térmica. 

• Celular o ∆T alto. o Velocidad (agitación) baja. o Debido a la agitación conseguimos columnas redondeadas. o El espacio interdendrítico es menor, y el secundario casi nulo. o Elimina micro‐rechupes y segregaciones. 

• Frente plano (monofásico) o Este caso se da en metales puros. o Es el único donde la interfase líquido‐sólido es plana. o Es de los tipos más comunes. 

• Frente plano (bifásico) o ∆T muy alto. o Velocidad muy baja. 

 Equiaxial Dendrítica 

 Equiaxial No Dendrítica 

 Columnar dendrítica 

Tecnología de Materiales   

 

  9 

 Celular

 

Frente plano (monofásico) 

 

Frente plano (bifásico) 

REFINADORES DE GRANO 

Aditivos para  refinar el  tamaño de grano. El crecimiento de  las dendritas da  lugar a  los granos, de hecho el patrón dendrítico  se pierde después de  la  solidificación. La presencia de  impurezas en el metal  líquido  supone excelentes núcleos de cristalización. Cuando más número de nucleos, mayor número de granos, por tanto, menor es el tamaño de grano (deseable en la mayoría de materiales). 

El exceso de impurezas provoca segregación en los bordes de grano. 

Microestructura fina:  Tener una estructura cristalina favorable (actuar como núcleo de cristalización)  Metal deberá depositarse en  los cristales de aditivo  (refinador de grano) antes que en sus propios núcleos de cristalización. 

Aditivo ha de permanecer uniformemente disperso en el metal líquido hasta que se complete la solidificación. 

Reducción en la segregación en bordes de grano.  Bajo nivel de impurezas sólidas. Así  el metal  no  sólo  empezará  a  solidificar  por  las  paredes,  sino  que  lo  hará  por  todo  el material,  además  como  tienen  geometría plana,  los metales que  solidifican,  seguirán  esta estructura y no la dendrítica. 

Menor segregación. La velocidad de  solidificación es mayor,  lo que hace que  la microestructura más  fina y  los elementos minoritarios  como  las  impurezas  no  tienen  tiempo  suficiente  de  contraerse  el borde de grano. 

   

Tecnología de Materiales   

 

  10 

POROSIDAD 

Causa de la porosidad 

− Entrada de aire 

− Impurezas 

− Gases disueltos (H2) 

− Contracción por rechupe 

Métodos para evitarla 

Adición de metal fundido suplementario  Solidificación direccional  Solidificación a presión 

1. Porosidad debida a gases 

1.1. Precipitación de gases disueltos en el metal fundido (caso de fundiciones de Al) Origen de gases disueltos: 

• Fusión: o H2 procedente de refractarios húmedos de los hornos y cuchara de colada o H2 procedente de la combustión de hidrocarburos, gas natural o petróleo o Solución: desgasificar 

• Reacción con el molde 

Estos  gases  disueltos  están  en  forma  atómica,  pueden  difundirse  hasta  la  superficie  y combinarse para formar moléculas gaseosas y evaporarse a la atmósfera. 

El  grado de  transferencia del  gas depende de  la  relación entre el  área de  la  superficie en contacto con la atmósfera y el volumen; a veces dicha transferencia es impedida por: 

Capa de óxido superficial  Capa de escoria superficial  Condiciones  de  la  atmósfera  de manera  que  a  veces  en  lugar  de  emitir  gases  los 

extrae de ella 

Si  el molde  es metálico  estará  relativamente  libre de  vapor de  agua  y de  su producto de descomposición,  el  hidrógeno.  Además,  el  hidrógeno  podrá  difundirse  hacia  la  atmósfera dado que la presión de equilibrio de hidrógeno en el metal fundido es menor que su presión parcial en la atmósfera. 

Si el molde es de arena, con  ligantes químicos o no, el metal estará rodeado prácticamente por  vapor  de  agua  a  una  presión  próxima  a  la  atmosférica.  El  agua  se  descompondrá  en contacto con el aluminio de la forma: 

3 2 3  

El H2 precipita dando  lugar a burbujas (0,05 ÷ 0,5 mm.) debido a  la presión  interna del gas. Las burbujas se distribuyen uniformemente en la fundición excepto una capa de 1 ÷ 2 mm de profundidad, porque el  frente de solidificación  tiene que avanzar, precisamente, 1 ó 2 mm para alcanzar el estado estacionario.(Solidifica rápido y expulsa el hidrógeno). 

Tecnología de Materiales   

 

  11 

Ley de Sievert 

CO ≡ Concentración inicial de hidrógeno en el líquido 

k ≡ Coeficiente de distribución o reparto 

k.CO ≡ Concentración de hidrógeno en el primer sólido 

CO / k ≡ Concentración en el equilibrio 

Para hidrógeno disuelto en Al: k=0,05 → CO/k=20 (La concentración inicial de H aumenta 20 veces en la solidificación) 

Si CO = 0,1 ml/100 g → CO/k=2 ml/100 g 

Los gases diatómicos se disocian cuando se disuelven en metales dando lugar a disoluciones monoatómicas. Tiene lugar el equilibrio reversible: 

H2 (gas) ↔ 2H (disuelto en el metal) 

“La Ley de Sievert establece que el gas se disolverá en el metal proporcionalmente a  la raíz cuadrada de la presión parcial de la fase gaseosa” 

.  

CH ≡ Concentración de H [H] k ≡ Constante de equilibrio PH2 ≡ Presión parcial de la fase gaseosa 

Si   20  20 400  * 

Equilibrio mecánico de una burbuja 

2.  

r ≡ radio de la burbuja (m) 

T ≡ tensión superficial (N/m) 

Pint ≡ presión interna (Pa) Pext ≡ presión exterior (Pa) 

Si  0  . 

Si  1  y  0,1  0,1. 10  

2.1400 . 0,1.10

0,5   

Tamaños  menores  se  disuelven  por  compresión  causada  por  la  tensión  superficial  (T). Tamaños corrientes:    25 100   

Tecnología de Materiales   

 

  12 

1.2. Entrada de aire durante la colada El aire queda atrapado si el sistema genera turbulencia superficial en  la corriente metálica durante el llenado del molde, dando lugar a una mezcla aire‐metal: 

− El aire no puede salir porque se lo impide la capa de óxido 

− Las burbujas al moverse en el metal  fundido dejan un rastro de burbujas  (1 ÷ 5 mm) y  óxido que supone un nuevo defecto, que queda concentrado en capas horizontales muy próximas a la superficie. 

El diagnóstico de este defecto es importante pero no se remedia con desgasificar, sino con un diseño correcto. 

1.3. Descomposición de los ligantes de los moldes de arena Un último tipo de defecto se produce en la colada del metal en un molde de núcleo central. El gas presente se expande y tiende a escapar. Además,  los  ligantes de  la resina utilizados para fabricar los núcleos se pueden descomponer y generar gas adicional. El gas puede escapar por los salientes pero si son demasiado pequeños, o si el molde tiene baja permeabilidad, la presión del interior puede avanzar. Si  Pgas  >  Pmetal    Formación  de  burbujas  (10  ÷  100 mm)    Sopladuras,  que  tienden  a ascender hacia  la  superficie pero que quedan  atrapadas bajo una  capa de  sólido  (menor resistencia mecánica, favorecen grietas y fugas). 

Solución a los defectos de la porosidad debida a gases 

1) Facilitar caminos abiertos para que los gases se escapen a la atmósfera. 2) Usar ligantes con bajo contenido volátil. 3) Realizar  la colada rápidamente, a una presión, en el metal  líquido, superior a  la presión del 

gas, suprimiendo la expansión del gas hacia el líquido. 

2. Porosidad por rechupe 2.1. Macroporosidad 

Aparece en cortos períodos de solidificación de un metal en un molde cuando la contracción volumétrica  es  compensada  con  la  disminución  del  nivel  de  la  superficie  líquida  (la solidificación  comienza  en  las paredes del molde  y  a más baja  velocidad  en  la  superficie superior), lo que da lugar a la formación de un embudo cónico dentro del molde. Características: 

− Se localizan en el centro de la fundición a lo largo del eje de simetría, por encima del centro térmico. 

− Depende de la geometría del molde. 

 

Primaria 

Secundaria 

Tecnología de Materiales   

 

  13 

 

2.2. Microporosidad Aparece  en  largos  períodos  de  solidificación  de  aleaciones  cuando  el  gradiente  de temperatura es bajo, pues en estas condiciones se da  lugar a una extensa y uniforme zona semisólida favorecida por: 

− Conductividad térmica del metal (aleaciones Al ↑ conductividad térmica) 

− Conductividad térmica del molde 

− Temperatura elevada del molde En tales casos hacia el  final de  la solidificación habrá una zona semisólida  formada por un bosque de dendritas  rodeada de  líquido que aún no ha  solidificado,  comienza en  la  zona más alejada desplazándose hacia el bebedero. En una etapa avanzada de  la  solidificación, el metal  líquido del bebedero necesita  fluir a través de la zona semisólida para compensar la contracción al solidificar el metal. Podríamos decir que el proceso: 1. Disminución del radio capilar 2. Disminución de presión de flujo viscoso a través de la zona semisólida 3. Cuando llega a presión de fractura se nucleará el poro 

Ecuación de Poisseuille: 

 ∞ . .

 

η ≡ viscosidad del metal 

L ≡ longitud capilar v ≡ flujo volumétrico por segundo  2r=distancia interdendrítica

Zona semisólida ↔ flujo capilar 

Δ  ∞.

 L ≡  longitud de  la zona semisólida 

Tecnología de Materiales   

 

  14 

El proceso completo que explica la ecuación de Poisseuille: 

1) La zona semisólida es uniforme 2) El metal líquido fluye a través del capilar, al mismo tiempo solidifica 3) Cuando solidifica cierra lentamente el capilar 4) En estado líquido el gradiente de presión es nulo 5) Al solidificar el gradiente de presión aumenta 6) El gradiente de presión aumenta hasta alcanzar la Pf (presión crítica de fractura), se 

nucleará el poro volviendo a ser el gradiente de presión nulo 7) Según prosigue  la  solidificación,  la  concentración en  la  región  líquida  se  alimenta 

desde el bebedero y desde el poro recién creado, apareciendo un nuevo gradiente de presión hasta la creación de un nuevo poro 

8) Este proceso se repetirá hasta que toda la aleación haya solificado 

3. Agrietamiento en caliente Se produce debido a esfuerzos de tracción durante la solidificación: 

Esfuerzos de contracción por enfriamiento  Vibraciones  Golpes  Ruidos  Debidos al molde 

Llegan al líquido produciéndose tensiones internas. La tensión que tenemos en el interior será la resultante  de  todas  las  tensiones  (internas  y  externas)  presentes  a  lo  largo  del  proceso  de fundición. 

Da lugar a desgarramientos ramificados de trayectoria irregular:  Defectos de la microestructura de origen  Si se encuentran en la superficie se pueden eliminar  En el interior son origen de fracturas 

Se localizan en puntos calientes, se distribuyen al azar y su extensión es variable. 

El agrietamiento en caliente producirá: 

Alargamiento de los granos en direcciones paralelas a la de aplicación de la tensión  Acercamiento en la dirección perpendicular a la fuerza aplicada

Se produce la segregación de los elementos de menor punto de fusión en los canales abiertos por lo que no tiene resistencia mecánica ni a la corrosión. La zona solidificada en el canal es rugosa y en donde los granos solidifican regularmente es lisa. 

 

 

Tecnología de Materiales   

Mariano Errazu 

 

  15 

 

FUNDICIONES DE HIERRO 

Son fundiciones de calidad muy grande (excelente colabilidad). Es lo más usado después del acero. 

Ensayo  de  colabilidad:  prueba  de  laboratorio,  normalizada  donde  se  rellena  un molde  en  espiral, midiéndose  la  longitud  a  la que ha  llegado  a  solidificar.  Si el metal  fundido ha  llegado muy  lejos, indicará que tiene una buena colabilidad. 

Aleaciones: 

 

Contenido en carbono alto: 

2% 4,1% 

Características: 

• Bajo coste y facilidad de fabricación 

• Contracción durante el moldeo (menor que los aceros): o Fundición blanca: 4,4% o Fundición gris: 2,1% 

o Acero ≈ 5% • Puntos de fusión inferiores a los aceros y bajo intervalo de solidificación 

• Fácil mecanizado 

• Buena resistencia mecánica y elevada resistencia a la corrosión 

   

a 

b 

2b 

a 

Caso de no existir tensión 

Dirección de la tensión aplicada 

Tecnología de Materiales   

 

  16 

Clasificación: 

En función del aspecto de la superficie de fractura: blanca, gris, nodular, atruchada, acircular… 

 

    

       3                                      6                                12                             24 

Espesor (mm) 

Fundición blanca 

Fundición atruchada 

Fundición gris 

Fundición blanca Fundición 

atruchada

Fundición gris

400 

 

350 

 

300 

 

250 

 

200 

Dureza Brinell 

Espesor (mm)   3                      6                       12                      24 

MONOCRISTALES 

En el caso de no poder permitir  fallos en el material se  recurre al uso de mono cristales  (se usan sobre todo en las superaleaciones). 

El mono cristal se utiliza cuando no puedes permitir la segregación química, porosidad ni micro estructura  gruesa.  Sólo puedes  tener un  grano  en  el material por  lo que no hay bordes de grano ni segregación de borde de grano. Tiene una composición uniforme en todo el material. 

El procedimiento de obtención no se parece al de las funciones ya que ésta se debe realizar en hornos de inducción al vacío y con colada en vacío. 

Se  pone  una  semilla  en  el  lecho  líquido  en  contacto  y  vas  separando  y  enfriando  muy lentamente, se incorporan así capas sucesivas de átomos desde el líquido al sólido. Luego hay que  hacer  etapas  de  fusión  parcial  y  extracción  para  refinarlo  por  zonas  y  limpiarlo  de impurezas  (esto  es  para  la  obtención  de  mono  cristales  de  silicio  para  el  mundo  de  la electrónica). 

Las superaleaciones son resistentes a todo, mecánica, física, corrosión, fatiga… Se usan en los álabes de  las  turbinas, piezas de  la  industria aeroespacial con  temperaturas superiores a  los 1000ºC,  para  alta  frecuencia  de  cargas  aplicadas,  ciclos  de  arranque  y  parada  a  alta temperatura,  fluencia  térmica,  contacto  con medio  corrosivo  y  gases  de  combustión  a  alta temperatura. 

La diferencia de los mono cristales de electrónica (1 o 2 elementos) con las superaleaciones es que las últimas son muy complejas pudiendo contener más de 20 elementos. Su composición es  de  base  níquel  o  cobalto  mayoritariamente  y  fases  dispersas  añadidas.  En  las superaleaciones es difícil controlar la temperatura de fusión y vigilar la fundición ya que cada elemento varía el proceso. No puedes tener  impurezas de ningún tipo  (vapor de agua, gases disueltos…) ya que produciría deformaciones y  la  fractura del material en  servicio. Por  todo esto la única tecnología posible es la  fusión en vacío por inducción y colada en vacío. 

Si se realiza la fusión en vacío  y se deja enfriar al aire libre tendrás una estructura equiaxial y con muchos granos, resiste mucho a temperatura ambiente pero  los bordes de grano no van bien a alta temperatura. Para eliminar el borde de grano se usa el alabe direccional donde a través de forzar un flujo térmico se obtiene un álabe con granos columnares (vas desplazando el  molde  hacia  el  exterior  e  induces  el  flujo  térmico).  Lo  alabes  direccionales  (granos columnares)  tampoco  dejan  alcanzar  alta  temperatura  por  los  bordes  de  grano  y  las segregaciones  químicas.  El más  resistente  es  el mono  cristalino  donde  fuerzas  que  sólo  un grano sea el que crezca hacia el molde y además  le  induces el flujo térmico para que crezca. Debido a la complejidad del proceso no todos salen bien a la primera ya que es difícil eliminar el borde de grano y por  la complejidad de  las superaleaciones  (más de 20 elementos) no se puede refundir a  la  ligera ya que se forman compuestos  intermetálicos que perjudican  la red de refuerzo. 

 

 

 

Tecnología de Materiales   

 

  17 

PULVIMETALÚRGIA 

La pulvimetalúrgia o metalurgia de polvos es un proceso de fabricación que partiendo de polvos finos y  tras  su  compactación  previa  para darles  una  forma  determinada  (compactado),  se  calientan  en atmósfera controlada (sinterizado) para la obtención de la pieza.  

Este proceso es adecuado para la fabricación de grandes series de piezas pequeñas de gran precisión, para materiales o mezclas poco comunes y para controlar el grado de porosidad o permeabilidad.  

¿Cuándo utilizamos la pulvimetalúrgia? 

1‐ Cuando no es aplicable el moldeo: metales refractarios (W, Mo, Ta), elementos de alto punto de  fusión,  materiales  cerámicos  (carburos,  boruros,  nitruros),  materiales  compuestos (M/Mo) 

2‐ Aleaciones de composición no alcanzable mediante moldeo: W‐Cu, W‐Ag, Cu‐C, Cu‐Pb… 3‐ Para la obtención de rodamientos porosos rellenos de lubricante 4‐ En aleaciones de composición controlada: Imanes, Termopares, Patrones de calibración 5‐ Para la obtención directa de formas finales, sin mecanizado 

Ventajas 

• Se obtienen aleaciones de composiciones únicas 

• Materiales de baja densidad, alta resistencia mecánica y a la temperatura 

• No hay necesidad de mecanizado. Se conserva aproximadamente el 97% del material 

Inconvenientes 

• Coste (mayor que el del mismo material obtenido por moldeo) 

• Tamaño de las piezas (aproximadamente 15 kg) 

MÉTODOS DE PRODUCCIÓN DE POLVOS METÁLICOS 

1. Atomización del metal líquido 

Atomización: dispersión del metal  fundido en pequeñas partículas por una  corriente de  gas o líquido a alta velocidad 

a) Atomizador de gas (102 – 104 K/s) 

b) Atomizador de agua (104 – 106 K/s) 

2. Reacción química 

a) Reducción  de  óxidos  (metálicos):  mediante  un  medio  reductor  que  puede  ser  sólido  o gaseoso 

3 2 3  

2 3 4 3  

Podemos decir que los elementos reductores son {H2, C} 

Tecnología de Materiales   

 

  18 

b) Descomposición térmica - Si deseas metales muy puros (encapsulas y a superaleaciones)4   (Niquel tetracarbonilo)

3. Descomposición electrolítica 

En muchos procesos de  refino de metales, el metal  se deposita  sobre el  cátodo de una  celda electrolítica.  Controlando  adecuadamente  las  condiciones  de  precipitación,  el  metal  puede depositarse en forma de polvo o como una masa frágil que puede molerse frágilmente. 

Muchos metales se pueden extraer a partir de disoluciones, donde van a ir precipitando distintas partículas metálicas (controla la dureza) (Cu, Al, Zn). 

4. Aleación mecánica 

ACEROS MARAGING 

Son  aceros  de mayor  resistencia,  ya  que  se  han  sometido  a  endurecimiento  por  precipitación  de fases dispersas. Si eliminas el carbono por completo obtienes l amáxima dureza.  

Características: 

Maraging ≡ Martensite Age Hardening  Aleaciones hierro‐níquel con bajo contenido en carbono  Endurecimiento por precipitación de compuestos intermetálicos 480ºC  Límite elástico 1030‐2420 MPa hasta 3450 MPa  Ni ↑, Co ↑, Mo ↑, C ↓↓  Se mantiene el contenido en C tan bajo como sea posible para evitar la formación de TiC, que disminuye: 

o Resistencia o Ductilidad o Tenacidad 

PARTÍCULA DE POLVO METÁLICO 

Hay dos tipos de atomización: 

Atomización por agua (104 – 106 K/s)  Atomización por gas (102 – 104 K/s) 

Atomización por gas 

Partículas  esféricas  de  polvo  nos  indican  que  es  un  proceso  de atomización por gas. 

Bordes de grano; cada partícula es policristalina y está  formada por diferentes granos (tiene por tanto bordes de grano). 

La forma de las partículas es un factor a tener en cuenta a la hora de compactar  las partículas.  Partículas  con  la misma  geometría  tendrá mejor compactación, sobre todo si estas son esféricas. 

Tecnología de Materiales   

 

  19 

Horno por el que fluye el material fundido. Se tiene que formar atmósfera inerte. 

 

Las  gotas  se  van  haciendo  cada  vez  más  pequeñas  conforme  las  gotas  caen  por  la  toma  del atomizador. 

El  tamaño de  la  toma es para garantizar que  todo  lo que  sale  se convierte en polvo metálico que luego tomaremos abajo solidificado, bajo atmósfera inerte. 

Cada atomizador tendrá su propio tamaño medio de partícula. El tamaño de  las partículas depende de la velocidad de incidencia del chorro de gas o líquido y del ángulo de incidencia. 

Atomización por agua 

Ahora el proceso se puede hacer al aire ya que es absurdo mantener una atmósfera  inerte con el consecuente gasto que ello conlleva y  luego cuando  formen  las partículas con el agua  también  se producirá oxidación. 

 

Tecnología de Materiales   

 

  20 

Características: 

• Cada partícula va a tener una capa fina de óxido 

• Partículas tendrán forma irregular 

• Proceso más barato 

• Toma más pequeña 

• Solidificación más rápida, menor segregación 

Sólo  se puede utilizar para materiales  inertes o aquellos en  los que el óxido  tiene poca  influencia sobre sus propiedades. También se usa para procesos con menores requerimientos 

. sin  

D ≡ tamaño medio de la partícula 

C ≡ constante dependiente del atomizador y no del proceso 

v ≡ velocidad del agua α ≡ ángulo 

Al  aumentar  la  velocidad  de enfriamiento  también  disminuye el  tiempo de  solidificación y, por tanto, el espacio interdendrítico. 

 

 

 

FABRICACIÓN POR ALEACIÓN METÁLICA 

Materiales  en  forma  de  polvo  se  pueden mezclar  en  las  cantidades  adecuadas,  se  consigue  una nueva aleación mezclando los componentes en fase sólida. 

1) Molino de alta energía-impacto de alta energía, afina el polvo y eleva la Tª, posibles microsoldaduras. Gira  a  alta  velocidad.  En  el  interior  tenemos  unas  palas  que  inciden  sobre  las  bolas haciéndolas girar (bolas dentro del molino). Puede habaer transferencia de las bolas a la aleación.Dentro,  nuestro  material,  va  sufriendo  impactos,    formándose  la  aleación,  ya  que  las partículas de polvo se irán compactando. Las microsoldaduras se rompen y afina el polvo. 

2) Tendremos  que  añadir  aditivos  (ceras,  jabones  orgánicos),  actúan  como  lubricantes  del proceso.  Se  conocen  como  PCA  (agente  controlador  del  proceso). Minimizan  la  fricción  y garantizan que no haya contaminantes de las paredes del molino. 

3) Como aditivo no interesa tener líquidos, porque se produce la difusión de éstos. Interesa, por tanto, que sea un sólido aunque luego se fluidice por acción de las altas temperaturas. 

y 

v (velocidad enfriamiento) 

Molde convencional

Molde en vacío

Atomización por gas 

Atomización por agua 

Solidificación rápida

Tecnología de Materiales   

 

  21 

Usaremos  ceras  orgánicas,  como  es  un  aditivo  orgánico  tendremos  C,  H,  O,  N  en  la composición, y al entrar en contacto con los metales se formarán hidruros, carburos, nitruros metálicos (en pequeños porcentajes) quedando estas partículasdistribuidas uniformemente reforzando la aleación.  

4) Teniendo  el  suficiente  tiempo,  las  fases  se  irán mezclando  hasta  obtener  una  nueva  aleación homogénea (nueva aleación en polvo). Las  paredes  del molino  y  las  bolas  deben  ser muy resistentes, debido a  los  impactos  continuos que  se van produciendo. Este procedimiento resulta especialmente útil para la obtención  de  aleaciones  cuya  composición  no podemos  obtener  por  procedimientos  tradicionales como el moldeo.  

Inconvenientes 

− Limitado volumen de producción, bajo rendimiento y elevadísimo coste. 

− Necesidad de control de la atmósfera del molino sobre todo si trabajamos con componentes reactivos 

− Hay que mantener el proceso de manera hermética y evitar el contacto del polvo con la piel y las vías respiratorias 

 

CONSOLIDACIÓN DE MATERIALES PULVIMETALÚRGICOS (POLVOS) 

1‐ Tamizado / clasificación Los polvos se separan en los distintos rangos de tamaño por tamizado y se recombinan después en  función  de  las  aplicaciones  concretas.  Por  ejemplo,  se  suelen  relacionar  las  partículas  en función del tamaño adecuado para el llenado eficiente de los huecos entre partículas en contacto mutuo. Esto facilitará que se alcance la densidad óptima después de la compactación en frío. 

2‐ Mezcla En  la operación  inicial de mezcla,  tanto  los polvos metálicos como  los materiales no metálicos usados en el proceso de aleación, así como los aditivos de lubricación durante la compactación, se mezclan mecánicamente para obtener un material uniforme sin segregación. 

 

Mezcla metálica 

‐ Polvos metálicos ‐ Materiales aleantes no metálicos ‐ Aditivos de lubricación(baja la energía y sube la densidad) 

Tecnología de Materiales   

 

  22 

3‐ Compactación El método más  común para  compactar polvos metálicos es  someterlos a presión en moldes a temperatura  ambiente.  Las briquetas  verdes  son  muy frágiles,  pero  debido  a  la  unión mecánica  de  las  partículas  de polvo se pueden sacar del molde y manipularlas. 

Las piezas pueden tener  la forma final  o  bien  después  del sinterizado, pueden  conformarse con  forja,  extrusión,  embutición, etc. Obtención de una pieza tridimensional. Necesita de alta presión en frío o en caliente. 

Frío   Alta porosidad (Compactación en frío como mínimo)

Caliente   Mayor compactación 

4‐ Sinterización Para  alcanzar  la  suficiente  resistencia  las briquetas  verdes deben  sinterizarse.  La  sinterización implica  el  calentamiento  a  una  elevada  temperatura  (< Tm),  generalmente en atmósfera protectora o en vacío, y tiempo. Esta energía es pequeña y puede incrementarse mediante: 

• Sinterización a presión 

• Sinterización con fase líquida 

Las operaciones de compactación y sinterizado pueden combinarse. Los polvos metálicos pueden consolidarse mediante operaciones tales como compactación en caliente, forja o laminación. 

En una  típica operación de  sinterizado, el compacto verde  se coloca  sobre una cinta que pasa lentamente a través de una temperatura controlada. Las piezas se calientan por debajo del punto de fusión del metal base, mantenidas a la temperatura de sinterización y después enfriadas. 

La  sinterización  transforma  las  uniones  mecánicas  del  verde  en  uniones  metalúrgicas,  esto proporciona las dimensiones fundamentales a las piezas obtenidas por pulvimetalúrgia. 

Las  piezas  así  obtenidas  están  generalmente  listas  para  su  uso.  Sin  embargo  para  conseguir propiedades  especiales,  las  piezas  pueden  someterse  a  tratamientos  posteriores  de  tipo mecánico, térmico o recubrimiento superficial. 

Calientas durante un tiempo determinado. Variables (Tª y tiempo). Calientas el producto de la compactación en frío, subes la Tª y lo mantienes "t". Se mantiene ese tiempo "t" hasta alcanzar

la máxima densidad y el mínimo porrcentaje de porosidad.

   

Tecnología de Materiales   

 

  23 

Proceso de compactación 

(1) Contacto puntual Al no  fundir,  la  estructura de  la partícula de polvo  será  la misma.  Los  átomos que deben moverse son los de la superficie, creando nuevos bordes de grano. 

 (2) Etapa inicial 

El borde de grano va a empezar a aumentar 

 (3) Etapa intermedia 

Así, conforme crece el borde, se va cerrando el poro 

 (4) Etapa final 

Al final quedan porosidades residuales. Debemos saber cuál es la máxima admisible. 

  

   

Poro 

Borde de grano 

Poro

Borde de grano

Tecnología de Materiales   

 

  24 

Así se produce: 1‐ Unión 2‐ Cambio de geometría y contracción: la pieza cuando sale del horno es más pequeña que 

cuando entró. También se produce una reducción del volumen de  la pieza al producirse la disminución de los poros. 

3‐ Eliminación del poro 

Finalmente tenemos que añadir que la pieza se considera terminada al salir, sin necesidad de ser mecanizada. 

SINTERIZACIÓN EN ESTADO SÓLIDO 

Modelo de crecimiento de borde de grano. 

. .  

1 ≤ m ≤ 3 2 ≤ n ≤ 7 

 

Transporte de masa por difusión 

A. Difusión desde bordes de grano 

− Átomos  se  desplazan  desde  el  borde  de grano (saliendo de él)hasta donde hay una vacante 

− Los nuevos granos más los antiguos B. Difusión desde la superficie a otra posición interior de la red C. Difusión a partir de los defectos D. Difusión superficial. Se mueven sin penetrar al interior. E. Difusión de borde de grano. Van a lo largo del borde de grano F. Transporte en fase de vapor. Algún átomo llega a escapar.

Si añadimos  fase  líquida,  todas  las difusiones se verían  favorecidas, para  la misma  temperatura,  la sinterización tendría lugar antes, además tendría lugar la sinterización en fase líquida. 

A≠E 

A. Difusión desde borde de grano (sale de uno y se va a otro, cambio de grano) 

E. Difusión de borde de grano (se desplaza por el mismo borde de grano) 

T, t a 

2x 

Tecnología de Materiales   

 

  25 

Sinterización en fase líquida 

Formas de conseguir la fase líquida durante la sinterización 

1) Podemos añadir antes del sinterizado un aditivo sólido con bajo punto de fusión que funda a la temperatura de sinterización. Favorece así el transporte de masa, la reducción de porosidades y la difusión atómica. 

2) Para aleaciones ligeras podemos hacer la sinterización por debajo del punto de fusión de los elementos principales de  la aleación, de forma que  lo que funda sea uno de  los elementos secundarios, favoreciendo la existencia de una fase líquida. 

í 

 

HIP – Compactación Isostática en Caliente 

Partimos del polvo sin compactar. Introducimos el polvo en un molde con la forma final. Al tener una reducción  de  volumen  en  la  contracción  de  volumen,  añadimos  una  cantidad  adicional  de  polvo. Aplicamos presiones muy elevadas al mismo tiempo que calentamos. 

 

Ciclo completo 

Hacemos un ciclo de calentamiento y presurización aumentando mucho la presión y la temperatura. Mantenemos esta P y T, luego disminuimos. 

Densification parameter  

% 

Tiempo de sinterizado(minutos)

Fase sólida sinterizado

Precipitación de 2ª fases

Flujo líquido

Tecnología de Materiales   

 

  26 

Obtenemos la máxima densidad con un solo proceso. De esta forma, con esta compresión isostática (todas las direcciones) no se generan tensiones residuales, defectos mínimos, densidad y resistencia mecánica máxima.No hay óxido, son todo ventajas.  

Inconvenientes: 

Muy caro, sólo se utiliza cuando: 

No podemos mezclar el polvo con ningún aditivo, solo podemos compactar el polvo  El precio no sea un inconveniente 

Consolidación de polvos con forja 

La pulvimetalúrgia cuenta con muchas etapas y éstas no tienen porqué tener un orden fijo. 

Hay ocaciones en las que la densidad no es muy elevada (< 75%). 

Por problemas con la fricción es necesaria una lubricación externa (sulfuros metálicos, grafito…) y no queremos tratarla posteriormente. 

Forja de elevadas presiones, se puede combinar forja en caliente. 

 

Proceso de extrusión 

Tiene la ventaja que podemos partir del material  en  polvo  (cabe  la  posibilidad de  que  este  proceso  dé  lugar  a  una chapa con densidad inadmisible). 

1) Extrusión simple(en frío) El  resultado  es  una  chapa  con  un nivel  de  porosidad  inaceptable  (lo que  trae  consigo  una  baja resistencia mecánica). 

Densidad = 75 %  Densidad = 80 % Densidad = 90 % Densidad = 100 %

Preforma 

Tensión de la forja

 

Tecnología de Materiales   

 

  27 

2) Extrusión con sinterización 

• Se  calienta  el  pistón  para  que  el  polvo  se  compacte  por  difusión,  así  en  este  proceso  el extruido tiene menos porosidad. 

• La extrusión en caliente hace que la superficie del metal al salir, sea muy reactiva, de manera que si sale a la atmósfera se oxidará toda la chapa. 

3) Extrusión con sinterización y protección superficial El material que se adiciona debe ser tal que no se originen grietas entre el material extruido y el recubrimiento. Además, deben tener ambos las mismas características frente a la extrusión. El material de recubrimiento puede ser inerte con la atmósfera (cerámico no, polímero sí). 

 

 

(1) 

 

(2) 

 

(3) 

 

Tecnología de Materiales   

 

  28 

RELACIÓN DENSIDAD – PROPIEDADES MECÁNICAS EN MATERIALES PULVIMETALÚRGICOS 

 Densidad (g/cm3) 

 Densidad (g/cm3) 

 Densidad (g/cm3) 

 

INFLUENCIA DE LA DENSIDAD EN LA DUREZA 

 

Material forjado 

 

Material pulvimetalúrgico 

   

Tecnología de Materiales   

 

  29 

FATIGA 

INTRODUCCIÓN 

En ingeniería y, en especial, en ciencia de materiales, la fatiga de materiales se refiere a un fenómeno por el cual la rotura de los materiales bajo cargas dinámicas cíclicas se produce más fácilmente que con  cargas estáticas. Un ejemplo de ello  se  tiene en un alambre:  flexionándolo  repetidamente  se rompe  con  facilidad.  La  fatiga  es  una  forma  de  rotura  que  ocurre  en  estructuras  sometidas  a tensiones dinámicas y fluctuantes (puentes, aviones, etc.). Puede ocurrir a una tensión menor que la resistencia a  tracción o el  límite elástico para una  carga estática. Es muy  importante ya que es  la primera  causa de  rotura de  los materiales metálicos  (aproximadamente  el 90%),  aunque  también ocurre en polímeros y cerámicas. 

Existen  numerosos  factores  que  afectan  a  la  iniciación  y  crecimiento  de  grietas  de  fatiga.  Estos factores  incluyen  la  forma,  tamaño,  concentraciones  de  esfuerzos,  tratamientos  térmicos, microestructura,  efectos medioambientales y acabado superficial. 

Esfuerzos de amplitud constante 

Las  fluctuaciones  de  tensión  derivan  de  varias  cargas  que  pueden  ser  de  amplitud  constante  ó variable. 

Las cargas variables pueden proceder de: vibraciones, ruidos, carga y descarga de un componente. Es común que tengan forma sinusoidal. 

 

Curvas S – N 

La resistencia a  la fatiga bajo cargas de amplitud constante se representa más sencillamente en  las curvas S –N 

 

Límite de fatiga

No límite de fatiga

Número de cíclos

Esfuerzo 

 Esf. medio

 Rango Amplitud 

σmax 

σmin t 

Tracción

Compr.

0

N=1 (ciclo)

Según  aumenta  la amplitud  de  esfuerzos, disminuye  el  número  de ciclos antes de que tenga lugar el fallo. 

Tecnología de Materiales   

 

  30 

MICROMECANISMOS DE FATIGA EN LOS METALES 

El fallo por fatiga en los metales, comienza con el inicio de una grieta. La grieta se propaga entonces a  través de  la sección  transversal de  la pieza hasta que  la unión  residual es  incapaz de soportar  la carga y tiene lugar la rotura final según un mecanismo estático. 

Podemos distinguir, por tanto, dos procesos: 

• Iniciación (etapa I)• Propagación (etapa II)

La iniciación de las grietas de fatiga se debe a deslizamientos cristalográficos y suele comenzar en la superficie de la pieza ó en sus proximidades. 

Esto  se  debe  a  que  los metales  de  ingeniería  son  generalmente  policristalinos,  de  forma  que  los granos  de  la  superficie,  al  no  estar  completamente  rodeados  de  otros  granos,  son  fácilmente deformables  que  aquellos  que  se  encuentran  en  el  interior  del material.  Por  lo  tanto,  los  granos superficiales  favorablemente orientados empiezan a deslizarse  localmente bajo  tensiones menores que las normalmente requeridas para la deformación. 

Los granos del interior del material, incluso orientados favorablemente, no pueden deformarse bajo cargas bajas debido al soporte del material que los rodea. 

Proceso de iniciación 

La iniciación de la grieta puede tener lugar en dos formas diferentes: 

1) Por  formación de bandas de dislocación debidas al deslizamiento cristalográfico en  los granos superficiales,  seguido  del  desarrollo  de  una  hendidura  que  penetra  siguiendo  un  plano cristalográfico favorable. Este proceso es importante solo en materiales blandos y dúctiles y es acelerado en gran medida por la presencia de concentraciones geométricas de tensiones. 

2) Como resultado de las tensiones provocadas por incompatibilidad severa a través de inclusiones ó de partículas duras en segundas fases. Este proceso tiende a ocurrir en aleaciones endurecidas metalúrgicamente, en  las que  la matriz es resistente al deslizamiento cristalográfico requerido  para formar una banda de dislocación. El mecanismo de iniciación que finalmente tiene lugar, es el resultado de la competición entre la capacidad del material y la resistencia de la matriz al deslizamiento cristalográfico. 

CRECIMIENTO DE GRIETAS EN MATERIALES DÚCTILES 

Cuando la iniciación ocurre por formación de una grieta en una banda de dislocación, hay dos etapas diferentes en el subsiguiente crecimiento de la grieta. 

En materiales sin concentración de tensiones, la Etapa I de crecimiento puede significar hasta el 90% de la vida total del material. Sin embargo, eventualmente, según crece la grieta, la zona plástica en su extremo se hace  lo suficientemente grande como para pasar a ser  independiente de  la dirección 

Tecnología de Materiales   

 

  31 

cristalográfica del material  y  la  grieta  crece  como  lo haría  en un medio  continuo.  Esto  se  conoce como etapa II del crecimiento de la grieta. Si hay entalla en al etapa I, la velocidad es mayor que si no la hay. 

En  la  transición  de  la  Etapa  I  a  la  Etapa  II,  la  dirección  del  crecimiento  de  la  grieta  cambia  para maximizar  su  apertura durante  el  crecimiento  subsiguiente.  Esta dirección  será  aproximadamente normal al máximo esfuerzo de tracción, en la región del extremo de la grieta -> rotura frágil. 

Debido a que el crecimiento en la Etapa II es más rápido que en en la Etapa I, generalmente es esta etapa la que produce mayor área de la superficie de fractura por fatiga. 

Es la Etapa II la que produce las marcas características en las superficies de fractura por fatiga(líneas de playa). 

Una grieta de Etapa I se conoce como microgrieta y una de la Etapa II como macrogrieta. 

Las etapas de crecimiento I y II son fundamentalmente distintas. La primera solo puede propagarse en  la dirección de  la banda de deslizamiento. Por  tanto,  su velocidad de  formación y propagación depende de la resistencia de la matriz en la que se forma la banda de deslizamiento. 

Si  la etapa  I es una parte significativa del proceso completo de  fatiga,  la resistencia del material se podrá incrementar mediante procesos metalúrgicos normales; sin embargo esto no será posible en la Etapa II. 

CRECIMIENTO DE GRIETAS EN MATERIALES DUROS (SIN ENTALLA) 

En un material de baja resistencia sin entalla, la resistencia a la fatiga aumentará con la resistencia de la  matriz  independientemente  de  si  el  endurecimiento  se  consigue  por  trabajo  en  frío  ó  por tratamientos térmicos.Tienes una superficie perfecta, libre de defectos. Tienes etapas I y II.

Sin embargo,  conforme  la matriz  se  va haciendo progresivamente más dura  y  la nucleación en  la Etapa I va siendo más difícil, se alcanza una etapa en la que debe operar algún factor adicional para que  se  pueda  alcanzar  la  nucleación.  Este  factor  es  la  concentración  de  tensiones  producida  por partículas de segundas fases.Sólo depende de las fases duras ya que la superficie es ideal. 

Para mejorar el comportamiento  frente a  la  fatiga de un material de alta  resistencia, es necesario hacerlo más  limpio.  Esto  puede  requerir materiales  base  de más  alta  pureza  para  aleaciones  de aluminio. 

CRECIMIENTO DE GRIETAS EN MATERIALES CON ENTALLAS (DUROS)  

Mientras que en un material sin entallas el crecimiento de la grieta en la Etapa I puede ocupar el 90% ó más de la vida total de la fatiga, siendo el crecimiento de la Etapa II el restante 10%, en materiales en los que existan concentraciones de tensiones, estas cifras pueden invertirse fácilmente superando la Etapa II más del 90% de la vida total. 

Dado que el crecimiento en  la Etapa  II es mucho más rápido que en  la Etapa  I, esto significa que  la vida total se reduce drásticamente. Por tanto, una gran concentración de esfuerzos en una pieza de maquinaria puede tener efectos desastrosos sobre la resistencia a la fatiga. 

Tecnología de Materiales   

 

  32 

DETERMINACIÓN DE LA RESISTENCIA A LA FATIGA  

Hay dos  líneas de aproximación diferentes. Una de ellas  consiste en usar  relaciones esfuerzo‐vida conocidas generalmente  como  curvas S‐N, donde S es el esfuerzo aplicado y N es  la vida  total de fatiga medida en ciclos. 

La  otra  forma  consiste  en  utilizar  datos  de  mecánica  de  la  fractura  para  estimar  el  grado  de propagación de grietas por fatiga. 

La curva S‐N para un material se determina tomando varias probetas de material y sometiéndolas a diferentes  esfuerzos  cíclicos  hasta  que  falla.  Se  presenta,  como  ya  hemos  visto,  de  la  siguiente manera: 

 

Es  frecuente  la  confusión  en  la definición del  esfuerzo de  fatiga.  Se  suele preferir definir  S  como amplitud  de  esfuerzos  y  esto  es  esencial  en  cualquier  definición  de  proporción  de  fatiga.  Sin embargo,  frecuentemente  se  representa  como esfuerzo máximo, una práctica que  se  refiere a un tipo específico de carga en que el esfuerzo varía desde cero hasta un valor máximo. 

El  esfuerzo máximo  es  igual  al  doble  del  esfuerzo  cuando  éste  varía  sinusoidalmente. Una  carga cíclica generalmente producirá fallos, no importa lo bajo que sea el esfuerzo aplicado. Sin embargo, para algunos materiales, la curva S‐N llega a ser horizontal, lo que sugiere que para estos materiales se puede definir un esfuerzo conocido como  límite de  fatiga, por debajo del cual podría esperarse una vida infinita. 

Se cree que el límite de fatiga podría estar asociado al fenómeno de envejecimiento bajo tensiones. Así, todos los ACEROS FERRÍTICOS cuya resistencia a la tracción no supere los 1100 MN/m2, así como las ALEACIONES DE TITANIO, puede esperarse que presenten un  límite de  fatiga, mientras que  las ALEACIONES  DE  ALUMINIO  y  los METALES  NO  FÉRREOS  en  general  no  lo  presentan,  aunque  las ALEACIONES ALUMINIO‐MAGNESIO no tratables térmicamente podrían presentarlo. 

Debe entenderse que  los datos S‐N están  sujetos a  severas  limitaciones. Existen  tres  restricciones principales: configuración de esfuerzos, esfuerzo medio y concentración de esfuerzos. 

Tecnología de Materiales   

 

  33 

Configuración de esfuerzos 

Debido  a  su mayor  simplicidad,  las  curvas  S‐N  se  determinan  normalmente  bajo  condiciones  de esfuerzo uniaxial. Los ensayos que emplean sistemas de esfuerzos complejos son difíciles de diseñar y realizar. 

Esfuerzo medio 

Cuando  un  esfuerzo  cíclico  revierte  completamente,  el  esfuerzo medio  es  igual  a  cero  y muchos datos de fatiga se han obtenido de esta forma. 

Sin  embargo,  el  esfuerzo medio  es  a menudo  distinto  de  cero  y  es  necesario  entonces  tener  en cuenta  el  hecho  observado  de  que  si  el  esfuerzo  medio  aumenta  en  la  dirección  de  tracción, entonces  la amplitud del esfuerzo debe  reducirse para mantener  la misma vida de  fatiga. Esto  se consigue  mediante  diagramas  de  vida  constante  basados  en  las  ideas  de  Goodman,  Gerber  y Soderberg. 

   

 

Concentración de esfuerzos 

La gran mayoría de  los  componentes de máquinas y elementos estructurales  contienen entallas y concentración  de  tensiones  de  uno  u  otro  tipo,  en  estos  casos  deberán  obtenerse  los  valores apropiados de factor elástico de concentración de esfuerzos, Kt y usar los valores de tensiones locales obtenidas con las curvas S‐N ó de vida constante para piezas sin entallas. 

σm ≠ 0

t 0

σm ≠ 0 

N0

σm = 0 

N0

Tecnología de Materiales   

 

  34 

Se  define  el  factor  de  sensibilidad  a  la  entalla,  q,  en  función  de  Kt  y  del  factor  de  reducción  de resistencia a la fatiga, Kf: 

11 

Donde: 

  

 

Y  Kf  es  la  relación  entre  la  resistencia  a  la  fatiga  después  de  Nciclos  de  una  pieza  sin  entalla  con respecto a la de la pieza con entalla. 

Daño acumulativo y Regla de Palmgren­Miner 

El daño por  fatiga  se acumula más  rápidamente para altas amplitudes de  ciclo que para bajas, de forma que cuando  la amplitud del esfuerzo aplicado a una muestra fluctúa ampliamente, cualquier método para predecir la vida total de fatiga debe tener en cuenta las variaciones para las que tiene lugar  la acumulación de daños por  fatiga.  La  regla de Palmgren‐Miner propone que  si el esfuerzo cíclico  ocurre  para  una  serie  de  amplitudes  de  esfuerzo  S1,  S2,  S3…  cada  una  de  las  cuales  le corresponde a una vida de fatiga N1, N2, N3…, entonces  la fracción de vida total para cada amplitud de esfuerzos es en realidad el número de ciclos Ni dividido por el tiempo de vida para la amplitud Nfi. El daño se acumula de forma que: 

1 

MECÁNICA DE LA FRACTURA Y FATIGA  

En muchas  situaciones de  ingeniería, es  realista desechar cualquier contribución de  la Etapa  I a  la vida de la fatiga, bien porque exista un defecto que elimina esta etapa debido a la concentración de tensiones  ó  porque  dicha  concentración  la  hace  muy  pequeña.  Dado  que  en  materiales razonablemente dúctiles, la velocidad de avance de la Etapa II es sólo débilmente dependiente de la microestructura a través de  la cual se propaga  la grieta,  lo mejor que puede hacerse es estimar esa velocidad y retirar la pieza del servicio antes de que se produzca el fallo. 

Esto es posible gracias al trabajo de Bris y Erdogan, que demostraron que existe una relación entre la velocidad de  crecimiento de  la grieta y el  factor de  intensidad de esfuerzos durante el  ciclo de  la carga. Es lo que se conoce como Ley de Paris‐Erdogan: 

∆  

a = longitud de la grieta N = nº de ciclos de carga A y m = constantes determinadas experimentalmente_para_cada_material. ∆K = Kt máx – Kt mín 

Tecnología de Materiales   

 

  35 

Si una pieza de metal con una grieta inicial se somete a un esfuerzo variable dσ: 

 Si  la grieta es  corta, el  cambio en el  factor de  intensidad de  tensiones en el extremo de  la grieta durante el ciclo de carga es muy pequeño y así, para un número grande de ciclos de carga, la longitud de las grietas ha crecido un poco. 

La velocidad de propagación de grietas se calcula mediante  la diferencia de  la curva a‐N y el AK es simplemente la diferencia entre los factores de intensidad de tensiones máximo y mínimo durante el ciclo de la carga. 

 Si  se  conoce  KC,  resistencia  a  la  fractura,  este parámetro  junto  con  el  valor  del máximo  esfuerzo permite  calcular  el  valor  crítico  de  longitud  de  grieta,  af,  para  el  cual  la  fractura  tendrá  lugar rápidamente y, de ahí, por  integración de  la Ley de Paris, se determina  la vida total en ciclos de  la pieza. 

   

Tecnología de Materiales   

 

  36 

Ecuación de Forman  

La ecuación de Forman tiene en cuenta el efecto del esfuerzo medio, dando cuenta también de  las regiones no lineales para valores altos y bajos de dK. Se define del modo: 

1 . 

δK ≡ intervalo de intensidad de esfuerzos 

KC ≡ resistencia a la fractura 

δK0 ≡ factor de intensidad de esfuerzos umbral 

R ≡ relación de esfuerzos 

n ≡ exponencial determinado experimentalmente 

Factor de concentración de esfuerzos  

El efecto de las discontinuidades en un material bajo tensiones es el cambio de la distribución natural de  esfuerzos  en  la  pieza.  La  tensión  aumenta  alrededor  de  un  hueco  ó  entalla  al  intentar  pasar alrededor de la discontinuidad la fuerza transmitida por el material. 

Consideremos una pieza de metal con una entalla elíptica en uno de sus lados. 

 

La variación de tensiones se representa a lo largo de un eje paralelo a una tensión uniforme: 

 

   

σmax 

σ 

d

El  factor  de  concentración  de  esfuerzos  se define como  la  relación entre el esfuerzo en un punto determinado y el esfuerzo uniforme constante en un punto alejado. 

Esta pieza está expuesta a un  esfuerzo  uniforme perpendicular  al  plano  de la entalla. 

CRACK OPENING DISPLACEMENT: Desplazamiento de apertura de grieta. 

A mayor esfuerzo, mayor tamaño de grieta conforme aumenta la tenacidad (ductilidad) del material ‐> da un COD mayor. Si es poco tenaz (frágil) se da la grieta pronto. Hay un valor crítico por debajo del que no se da = Kc.  

 

KC = Valor crítico de KI 

KI= factor de concentración de esfuerzos en modo 1 de deformación 

 

 

 

Tecnología de Materiales   

 

  37 

Distribución de tensiones en el extremo de una grieta  

Consideremos una grieta de  longitud 2ª en una gran plancha metálica. La plancha se somete a una tensión uniforme σ, perpendicular a la línea de la grieta. 

 

Se  define  r  como  la  distancia  desde  el  centro  de  la  grieta  hasta  un  punto  arbitrario  y  x  como  la distancia desde el extremo de la grieta hasta ese mismo punto. 

De manera que:      

La teoría de la elasticidad muestra que la tensión en un punto es igual a: 

.√

 

Usando:   

.√ . √ 2

. √ .√2. .

 

El factor de intensidad de esfuerzos viene dado por:  . . √ .  

Este factor puede modificarse mediante un parámetro de forma, Q, que permite tener en cuenta las diferentes geometrías: 

. . √ .  

Selección de materiales por su resistencia a la fatiga  

 

2a

r

x

Tecnología de Materiales   

 

  38 

Diseño contra fatiga  

No  existen  reglas  fijas  para  evitar  la  fatiga,  pero  la  experiencia muestra  que  puede  retrasarse  o evitarse siguiendo ciertos criterios: 

1) Evitar ángulos agudos y pequeños orificios 2) Reducir las cargas de fatiga 

• Reducir la carga de tracción 

• Reducir el ruido 

• Limitar los cambios de temperatura 3) Asegurarse  que  los  componentes  críticos  frente  a  fatiga  puedan  ser  fácilmente 

inspeccionados 

• Asegurar un acceso adecuado 

• Utilizar uniones no permanentes para paneles externos 

• Tratar de separar entre sí las partes que requieren inspección 4) Fabricación 

La  selección  de  técnicas  de  fabricación  y  el  control  de  defectos  y  tensiones  internas  y superficiales, es fundamental para evitar la fatiga: 

• Asegurar un buen acabado superficial 

• Utilizar los tratamientos superficiales adecuados 

CONTROL DE CALIDAD Y ENSAYOS NO DESTRUCTIVOS 

E.N.D.  Profundidad máxima Tamaño para el 50% de 

probabilidad de detección 

Rayos X  10 – 185 mm.  12 mm. 

Líquidos penetrantes  Superficie Longitud: 6 mm. Profundidad: 50 μm. Anchura: 1 μm. 

Ultrasonidos  200 mm.  2 – 3 mm. 

Corrientes inducidas  0,2 – 2,2 mm.  1 mm. 

 

 

   

Fatiga en materiales no metálicos.

- Fatiga en polímeros .

. Aunque la fatiga. de los polimeros es superficialmente similar a la de los metales,no es tan bien entendida, debido en parte, a la necesidad de considerar ciertos factores

!lue no son importantes en los metales, como son el Deso molecular, la ramificación de

las cadenas poliméricas, el grado de cristalinidad y los efectos térmicos.

La fatiga de los polímeros es muy sensible a la frecuencia de los ciclos de carga.Si las condiciones no son isoténnicas, el calor generado en cada ciclo hace que disminuyael módulo elástico, hasta que el material no es capaz de soportar la carga y fallaprematuramente.

\ La norma ASTMD671-71 define la vida hasta el fallo bajo condiciones de fatigaI térmica, como el número de ciclos para, con un esfuerzo dado, disminuir el limite., elástico aparente hasta un 70 % de su valor inicial.

Uno de los factores que más influyen en la resistencia a la fatiga de ]O~ plá~cos,es el grado de cristalinidad: las velocidades de crecimiento de grieta más bajas se dan enE.0limeros cristalinos tales como nylon y poliacetal (ver figura).

al

g. 10-3u....••

EE

~. 10-4~

lO

'tl

10-5

10-6

0.2 0.6 1.0 2 4 6 B

AKMPa m%

En contraste, polímeros con alto grado de ramificación de las cadenas presentan "­muy altas velocidades de nropagación. Es de resaltar el hecho de que la·alta reslstenaa ymódulo de estos polimeros altamente entrecruzados que los hacen tan atractivos paraaplicaciones de Ingeniería, vayan asociados con la baja ductilidad y tenacidad que. son,

presumiblemente, responsables de su escasa resistencia a la fatiga:

El peso molecular del polímero también parec~ ser importante en relación con su

resistencia a la fatiga: de· acuerdo con Hertzberg y Manson, la resistencia a lepropagación de grietas por fatiga para un determinado nivel de esfuerzos, aumenta

sustanciaImente aunientando el peso molecular o añadiendo una fracción de alto pe~molecular a la matriz, así como por la presencia de partículas de segundas fases q;:eaumenten la resistencia del material.

Tecnología de Materiales   

 

  39 

CREEP 

FLUENCIA TÉRMICA O CREEP(FLUENCIA VISCOSA) 

Fatiga:  ,  

Creep o deformación:  , ,  

Todos  los materiales  se deforman bajo  carga a  todas  las  temperaturas, pero  se pueden poner de manifiesto muy  variados  comportamientos  cuando  se  comparan  en  términos de  tres  importantes parámetros que se describen. 

GENERALIDADES 

Cuanto mayor es la temperatura y el esfuerzo, mayor es la deformación y menor el tiempo hasta la fractura. Conseguir materiales complejos resistentes al calor es una tarea larga y complicada. 

 Consta de tres etapas sucesivas (si T>0.4Tm): 

1. Primaria (o transitoria) 2. Secundaria (o de estado estacionario)(ss= steady state) 3. Terciaria 

Este comportamiento lo presentan todos los materiales simples (metales, plásticos y cerámicos) pero los materiales complejos pueden presentar considerables variaciones. 

La vida de servicio de cualquier material de  ingeniería debería  transcurrir en su mayor parte en el rango de creep o estado estacionario, porque una vez que  se entra en  la etapa  terciaria, el grado creep crece rápidamente hasta llegar a la fractura.  

 

.  

Alargamiento inicial, y a partir de ahí a lo largo del tiempo. 

Se va modificando la longitud, la pendiente de la curva cambia con el tiempo y depende de la temperatura. 

Tecnología de Materiales   

 

  40 

Creep primario 

Cuanto más tiempo pasa en  la primera región menor es  la deformación  (disminuye  la velocidad de deformación). En C1 y C3 la velocidad es variable. 

Hay un alargamiento inicial: Є0; β = cte y   = tiempo  

Creep secundario (zona intermedia) 

Deformación  constante  con el  tiempo, van a entrar  cuando  la  temperatura  sea mayor que 0,4.TF. Podría entrar el material durante un cierto período de tiempo t  largo y no sería peligroso. Como ya hemos  dicho,  la  vida  de  servicio  de  cualquier material  de  ingeniería  debería  transcurrir  en  creep estacionario. 

El  grado  de  deformación  durante  el  régimen  en  estado  estacionario  se  describe  a menudo  de  la forma: 

. .  

Donde: 

σ ≡ esfuerzo T ≡ temperatura 

A ≡ constante 

n ≡ exponencial n = 3 ÷ 8 

Q ≡ energía de activación (J/mol) 

.  

Creep terciario 

Es  inverso al primario,  la velocidad de deformación aumenta muy rápidamente con el tiempo. Hay que evitar que se produzca, ya que si no se va a producir la fractura en poco tiempo.  

  

 

Tecnología de Materiales   

 

  41 

Aumento de T y σ produce un desplazamiento en las curvas 

 

Representamos ln  frente a 1 T 

 

 

 

2 regímenes:  Altas temperaturas(laboratorio)   Temperaturas  de servicio (baja Tª) 

Aleaciones  específicas  para soportar  temperaturas  muy elevadas,  y  se  realizan  ensayos donde obtenemos valores de  la parte  lineal  de  alta temperatura,  pendiente  es  la relación (‐Q/R) 

R ≡  constante de  los gases que aparece  en  todos  los  procesos activados térmicamente 

Tecnología de Materiales   

 

  42 

Creep secundario (influenciadores por separado)

 

Comportamiento frente a la temperatura 

 

Curva convencional de Creep 

. .  

.  

Larson‐Miller 

.  

A mayor valor del parámetro de Larson‐Miller, va a tener mayor resistencia al creep. 

Tecnología de Materiales   

 

  43 

NATURALEZA DEL CREEP 

La  temperatura de  servicio determina  si el creep puede o no considerarse como posible modo de fallo de un material en un componente dado, y el nivel crítico de temperatura depende de la vida de servicio prevista. 

Como primera aproximación a la máxima temperatura de operación de un material metálico, resulta útil  considerar  su  punto  de  fusión.  Esto  es  debido  a  que  en  los metales  la  temperatura  útil  de operación  está  limitada  por  la  velocidad  a  la  que  tienen  lugar  los  cambios  microestructurales internos. 

A una temperatura dada, la energía térmica en la red cristalina del metal viene dada por KT, donde T es la temperatura absoluta y K la constante de Boltzman. Cualquier proceso activado térmicamente 

progresará  a una  velocidad proporcional  a    siendo Q  la  energía de  activación del  proceso (J/mol) de que se trate, que debe ser superada por la energía térmica aplicada. 

El creep secundario en  los metales  tiene  lugar mediante procesos que dependen de  la difusión de vacantes, existiendo por tanto una buena correspondencia entre  la energía de activación del creep, 

, y la energía de autodifusión,  . 

Un alto valor   es aproximadamente proporcional al punto de fusión del metal (Tm), por tanto se deduce que para que una aleación sea resistente al creep, es que tenga un alto punto de fusión. De acuerdo con  lo anterior, es difícil que una aleación  tenga buenas propiedades a  temperaturas por encima de 2/3.Tm. 

Aparte de  la  influencia de  los  límites de grano, y por  tanto, del  tamaño de grano,  los mecanismos para  aumentar  la  resistencia  al  creep  son  los  mismos  que  para  mejorar  la  resistencia  a  la temperatura  ambiente:  endurecimiento  por  disolución  y  precipitación.  La  diferencia  entre  un material  y  otro  depende  de  la  persistencia  relativa  de  los  mecanismos  de  endurecimiento  al aumentar la temperatura. 

A bajas temperaturas, menos de 0,25.Tm, el grado de creep disminuye rápidamente con el tiempo, hasta hacerse  igual  a  cero. Es  lo que  conocemos  como  creep  logarítmico  y puede  atribuirse  a un endurecimiento por deformación, es decir, el progresivo aumento de la densidad de dislocaciones y al refinamiento de la red de dislocaciones. 

La deformación total es muy pequeña y relativamente insensible al esfuerzo y a la temperatura (sólo es importante donde sea crítica una alta estabilidad dimensional). 

Cuando  la  temperatura  es  1/3.Tm  o  superior,  el  endurecimiento  por  deformación  que  resulta  del deslizamiento cristalográfico intergranular, no es retenido por la estructura dado que la temperatura es  lo  suficientemente  alta  para  que  tengan  lugar  procesos  activados  térmicamente,  como deslizamientos  cruzados  que  transforman  la  red  de  dislocaciones  en  configuraciones  de  menor energía, esto da  lugar a  creep de  recuperación, y el grado de deformación bajo estas  condiciones viene dado por: 

. .  

Tecnología de Materiales   

 

  44 

En el creep de recuperación tienen lugar dos procesos: 

− Endurecimiento por deformación 

− Ablandamiento térmico 

Si  la  temperatura es  lo  suficientemente alta, es el último proceso el que  controla  la velocidad. Se acostumbra, por tanto, a dividir el creep en dos etapas, primaria y secundaria: 

a) El creep primario, transitorio o creep β, tiene lugar al principio del proceso de creep, cuando la  estructura  inicialmente  sin  deformar,  es  capaz  de  soportar  un  alto  grado  de endurecimiento por deformación, de manera que aunque tenga lugar un ablandamiento por calentamiento, no es  lo bastante  rápido para anular el endurecimiento por deformación, y por tanto, la velocidad de creep disminuye. El creep primario puede describirse mediante la ecuación: 

.  

b) Después  de  un  tiempo,  el  grado  de  endurecimiento  por  deformación  disminuye  hasta  un nivel  en  que  es  superado  por  el  proceso  de  ablandamiento  térmico.  El  efecto  de engrosamiento  sobre  la  estructura  de  dislocaciones  producida  por  la  escalada  de dislocaciones y la poligonización, contrarresta al efecto de refinamiento por endurecimiento por deformación y, si el esfuerzo es moderado, el grado creep puede permanecer constante durante un período significativo. Este tipo de creep se denomina creep secundario, de estado estacionario  o  creep  κ.  Bajo  esfuerzos  elevados,  el  tiempo  que  dura  el  creep  secundario puede  ser  extremadamente  corto  debido  a  la  aparición  del  creep  terciario,  que  está dominado por mecanismos diferentes. Ni el  creep primario, ni el  creep  secundario dan  lugar a daños  irreversibles, no  importa  lo largo que sea el período de tiempo durante el que actúen, pero esto no es así para el creep terciario. 

c) Mientras  que  la  aceleración  característica  del  creep  terciario  puede  provenir  de  cambios metalúrgicos tales como recristalización, o cambios en la superficie de la sección transversal debidos  a  inestabilidad  macroscópica,  tales  efectos  no  son  la  causa  general  del  creep terciario,  sino  que  está  asociado  con  la  lenta  pero  continua  formación  de  microgrietas internas. Estas microgrietas representan un daño irreversibe que lleva a la fractura intercristalina final, lo que sugiere que  las grietas se forman como resultado de procesos  localizados en bordes de grano. 

Se han observado dos mecanismos principales: 

1) Agrietamiento de punto triple. Asociado al punto triple donde se encuentran tres bordes de grano. En general  los granos  tendrán distintas orientaciones y en  respuesta a un esfuerzo aplicado  se  deformarán  en  direcciones  incompatibles  entre  sí.  El  resultado  es  una concentración de tensiones que eventualmente da lugar a una grieta. 

2) La cavitación es un tipo diferente de fractura  intercristalina que comienza con  la formación de pequeñas cavidades esféricas a  intervalos de unas pocas micras en  los bordes de grano que son en su mayoría, aunque no exclusivamente, transversales al esfuerzo aplicado. 

Tecnología de Materiales   

 

  45 

La vida del material viene determinada por el tiempo necesario para que  la sección de  las uniones entre las cavidades disminuya hasta desaparecer. Se cree que tiene lugar mediante un mecanismo de difusión  de  vacantes:  considerando  un  borde  de  grano  perpendicular  al  esfuerzo  aplicado,  el alargamiento del material proporciona  la  fuerza para  la difusión de  vacantes desde  los bordes de grano hasta las paredes de los poros, lo que es equivalente a la disposición de átomos en los bordes de grano, alargando así el material. 

La velocidad de creep por difusión (creep de Herring‐Nabarro) viene dada por: 

. . 

D ≡ coeficiente de difusión d ≡ diámetro del borde de grano 

El  creep  por  difusión  es,  por  tanto,  mucho  menos  dependiente  del  esfuerzo  que  el  creep  de recuperación(C2),  pero  está  fuertemente  favorecido  por  un  pequeño  tamaño  de  grano.  Este  tipo  de creep es importante sólo a altas temperaturas (> 0,8.Tm). 

 

La  cavitación  y  las  grietas  de  puntos  triples  pueden  encontrarse  en  la misma muestra,  pero  la cavitación  tiende  a presentarse  a más  altas  temperaturas  y menores  esfuerzos que  las  grietas de punto triple, que es mucho más característica de esfuerzos elevados y temperaturas relativamente bajas. Esto puede explicarse por  la mucha mayor magnitud de  la concentración de tensiones en  los vértices  de  los  granos  cuando  el  esfuerzo  es  alto  y  su  baja  capacidad  de  reducir  estas  tensiones cuando la temperatura es baja. 

   

Tecnología de Materiales   

 

  46 

ALEACIONES RESISTENTES AL CREEP 

Condiciones 

• Alto punto de fusión: por las razones antes mencionadas, es deseable que un material tenga un  elevado  punto  de  fusión  y  la  verdad  de  esta  afirmación  se  demuestra  por  la  baja resistencia al creep de metales como plomo y estaño, aunque esto no es suficiente. 

• Estructura cristalina:  los metales con estructura cúbica centrada en  las caras constituyen  la base de las aleaciones resistente al creep, y esto se debe a la naturaleza de los defectos que pueden existir en estas aleaciones. La ecuación de Langeborg nos da el creep en estado estacionario: 

. . , .  

D ≡ coeficiente de autodifusión A ≡ constante γ ≡ energía de defecto de empaquetamiento 

σ ≡ esfuerzo E ≡ módulo de Young 

Esta ecuación sugiere que un material resistente al creep debe tener una baja difusividad, un alto módulo elástico y una baja energía de defectos de empaquetamiento. Las dos primeras condiciones, las cumplen los materiales de alto punto de fusión, la 3ª con FCC. 

La energía de defectos de empaquetamiento explica  la diferencia entre aceros  ferríticos y austeníticos.  La estructura  cúbica  centrada en el  cuerpo de  los aceros  ferríticos no es una estructura  compacta  y,  por  tanto,  no  puede  dar  lugar  al mismo  tipo  de  defectos  que  la estructura  cúbica  centrada  en  las  caras.  Cualquier  defecto  que  presenten  será  de  alta energía. 

Métodos para incrementar la resistencia al creep 

• Endurecimiento  por  disolución  sólida:  los  elementos  en  disolución  sólida  aumentan  la resistencia al creep, a mayor concentración, menor grado de creep. 

• Endurecimiento por deformación en frío: la resistencia al creep aumenta considerablemente por  un  trabajo  en  frío  previo,  pero  este  efecto  no  persiste  durante mucho  tiempo  en  el régimen estacionario a temperaturas próximas o superiores a 0,5.Tm. 

• Endurecimiento por precipitación y por dispesión: el método más importante para mejorar la resistencia al creep de un metal es  incorporar dentro de  los granos una  fina dispersión de partículas precipitadas de una segunda fase. 

Estas partículas desempeñan dos funciones: 

1‐ Impiden el desplazamiento de dislocaciones 

2‐ Inhiben, por anclaje, la recuperación de las redes de dislocación. 

 

 

Tecnología de Materiales   

 

  47 

SUPERALEACIONES 

INTRODUCCIÓN 

Los grupos de superaleaciones existentes en el mercado son fundamentalmente  las de base hierro, base níquel y base cobalto. 

Concretamente  las superaleaciones base níquel se desarrollaron en un principio de modo empírico buscando su aplicación fundamentalmente para álabes de turbinas de aviación. 

Como  problema  de  ingeniería,  el  desarrollo  de  las  superaleaciones  ofrece  un  claro  ejemplo  de materiales cuyas materias primas y procesos de obtención tienen un coste económico muy elevado, pero resultan rentables, ya que pueden dar lugar a importantes ahorros de energía. 

Aunque pudiera parecer que  las aplicaciones de estos materiales son muy especializados, esto sólo es  cierto  en  cuanto  a  las  razones motoras  de  su  desarrollo,  pero  de  sus  ventajosas  propiedades mecánicas  y  térmicas  han  derivado  aplicaciones  que  implican,  además  de  altas  temperaturas  y resistencia  mecánica,  resistencia  a  ambientes  altamente  corrosivos,  sin  olvidar  las  aplicaciones criogénicas. 

Necesidad de materiales de alta temperatura 

Los materiales que permiten operar a elevadas temperaturas son esenciales para  la competitividad industrial,  porque  la  eficacia  de  la  conversión  y  uso  de  los  combustibles  esté  directamente relacionada con la temperatura de operación. 

La eficacia termodinámica ideal de un motor térmico viene dada por: 

            

Es evidente que cuanto mayor sea T1, mayor será  la eficacia. Por  tanto, para conseguir el máximo rendimiento de  las máquinas  térmicas  se precisa alcanzar  la mayor  temperatura de  trabajo con  la naturaleza de los materiales empleados en su construcción. 

Al aumentar la temperatura de un metal, se producen en él cambios importantes: 

• La modificación de las fases presentes 

• La modificación de los tratamientos térmicos o mecánicos que haya podido recibir 

• La pérdida de acritud 

• El aumento del tamaño de grano 

• La disminución de la dureza y resistencia mecánica 

• La mayor facilidad de ataque por agentes químicos 

Si  las  altas  temperaturas  van  acompañadas  de  tensiones  elevadas,  se  produce  el  fenómeno  de fluencia viscosa o creep, y si los esfuerzos son variables y cíclicos, se produce fatiga. 

Tecnología de Materiales   

 

  48 

CONDICIONES DE OPERACIÓN 

¿Qué se entiende por materiales de alta temperatura? 

En general,  los materiales de alta temperatura son aquellos que han de trabajar por encima de  los 500ºC soportando tensiones elevadas.Por debajo lo aguantan los aceros inoxidables. 

Pero  además,  estos  materiales  pueden  operar  en  un  amplio  espectro  de  condiciones,  tanto mecánicas como químicas. Así,  la  temperatura puede  ser  relativamente constante o estar  sujeta a violentos cambios cíclicos. 

La resistencia a la corrosión es una característica esencial en los materiales de alta temperatura, pero la mayoría de las aplicaciones implican entornos corrosivos significativamente más complejos que la simple oxidación. 

Si  llamamos  Tm  a  la  temperatura  de  fusión  y  Tu  a  la  máxima  temperatura  de  trabajo  para  los materiales: 

70% 90%                  para aplicaciones sin tensión 

30% 70%                  para aplicaciones bajo tensiones elevadas 

Hasta  alrededor  de  4000ºC,  existe  la  posibilidad  de  elegir  entre  varios  tipos  de  materiales dependiendo de los requisitos operacionales.Grafito-4000ºC. 

Sin embargo, ningún material es capaz de operar por encima de los 4000ºC, siendo necesario recurrir a la ablación térmica (pérdida de capas aislantes-transborador espacial). 

Numerosas  industrias  se  beneficiarían  de  temperaturas  de  operación  aún  más  elevadas.  Así,  la temperatura  de  los  tubos  de  alto  rendimiento  en  calderas  de  vapor  en  centrales  térmicas  es  de 560ºC, pero si pudiera elevarse  la  temperatura hasta  los 650ºC  la eficacia  se  incrementaría dando lugar a un ahorro de millones de Tn de carbón al año. 

Las altas  temperaturas  tienen un poderoso efecto en el rendimiento de  los motores de  turbina de gas. Por ejemplo, un aumento de 150ºC en la temperatura de los gases de entrada a la turbina puede suponer un aumento del 6% en la eficacia de los generadores de gas. 

Este  tipo de beneficios ha  sido el principal estímulo que ha hecho posible el desarrollo de nuevas aleaciones de alta temperatura y especialmente, la búsqueda de una aplicación concreta:  la turbina de gas o turborreactor de aviación. 

Los  componentes  metálicos  de  los  turborreactores,  están  sometidos  a  condiciones  extremas: elevadas temperaturas (1100ºC o superio), esfuerzos mecánicos debidos a la fuerza centrífuga (capaz de producir fluencia viscosa o creep), esfuerzos cíclicos (que provocan fatiga), vibraciones, oxidación y otros fenómenos de corrosión debida a los gases de combustión. 

 

 

Tecnología de Materiales   

 

  49 

Por  tanto,  además  de  la  necesidad  de  una  gran  resistencia  al  creep,  las  aleaciones  para  turbinas deben satisfacer otros criterios: 

− Resistencia a la oxidación a alta temperatura y a la abrasión 

− Tenacidad 

− Resistencia a la fatiga térmica 

− Baja densidad 

Todos estos requerimientos limitan el rango de materiales adecuados para estas aplicaciones. 

DEFINICIÓN 

Una  superaleación  es  una  aleación  desarrollada  para  el  servicio  a  alta  temperatura  basada  en elementos de la primera serie del grupo VIII A, es decir, Fe, Co ó Ni, en la que se precisa una elevada estabilidad superficial y que se somete a esfuerzos mecánicos relativamente severos. Si el metal base es níquel, tenemos las superaleaciones base níquel. 

Los criterios básicos para obtener estas aleaciones son: 

1‐ Emplear elementos que formen capas de óxidos compactas e  impenetrables para conseguir que sean inoxidables y para evitar la corrosión superficial 

2‐ Adicionar  elementos  que  formen  compuestos  intermetálicos  para  aumentar  la  resistencia mecánica 

Dependiendo de  la  temperatura máxima de  trabajo que permiten alcanzar, en  las superaleaciones podemos distinguir las siguientes familias: 

De base hierro: hasta unos 600ºC  De base cobalto: entre 650 y 1150ºC  De base níquel: a partir de 850 hasta 1200ºC 

Adicionalmente,  se  puede  distinguir  un  cuarto  grupo  formado  por  aquellas  con  características similares a las superaleaciones de base níquel, pero con cantidades de hierro relativamente grandes, que son las llamadas superaleaciones hierro‐níquel. 

SUPERALEACIONES BASE NÍQUEL(Ni>50%+Cr+Ti+Al - base) 

Existe  un  amplio  grupo  de  superaleaciones  de  base  níquel  disponibles  en  la  actualidad,  cuyas propiedades  las hacen útiles para el servicio a elevadas  temperaturas, pudiendo alcanzar hasta  los 1200ºC.  Otras  características,  como  sus  propiedades  mecánicas,  fabricabilidad,  resistencia  a  la corrosión, etc. las hacen útiles para aplicaciones particulares. 

Las superaleaciones base níquel contienen entre un 8 y un 20% de Cr, hasta un 8% entre Al y Ti, hasta un 20% de Co y pequeñas cantidades d B, C y Zr. Opcionalmente, pueden contener también Mo, W y Nb, además de Hf y Ta. Es de resaltar el hecho de que el hierro esté ausente en  la mayoría de  las superaleaciones base níquel, con algunas excepciones. 

Tecnología de Materiales   

 

  50 

Resulta útil clasificar  los elementos fundamentales, bien atendiendo a  las fases que dan  lugar, bien según las combinaciones químicas en cuya formación intervienen. 

Así, en un primer grupo, podemos distinguir los elementos que forman parte de la matriz austenítica 

γ con estructura cúbica centrada en las caras. Estos elementos pertenecen fundamentalmente a  los grupos VI y VIII e incluyen Ni, Co, Fe, Cr, Mo y W. (NiCoFeCroMoW)

Un  segundo  grupo  de  elementos  son  los  que  dan  lugar  a  los  precipitados  γ’,  formados  por  los compuestos  intermetálicos Ni3X (X = Al ó Ti). Estos elementos pertenecen a  los grupos  IV, Va y  IIIb, que incluyen Al, Ti, Nb y Ta. (TiTaNiobAl)

Un  tercer grupo de elementos está  constituido por B, C, Zr y Hf, que  tienden a  segregarse en  los bordes de grano y que se caracterizan porque sus diámetros atómicos son muy diferentes del resto. La mejora de  la  resistencia  al  creep mediante pequeñas  adiciones de B  y  Zr  es una  característica notable de las superaleaciones base níquel. 

La adición de Mg entre un 0,01 y un 0,05%, aumenta la forjabilidad y mejora las propiedades, se cree que debido a la fijación de azufre, que de otro modo sería un fragilizante de borde de grano. 

Si los clasificamos según el tipo de combinaciones a que dan lugar, estos elementos pueden dividirse en dos subclases: 

Elementos formadores de carburos  Elementos formadores de óxidos protectores 

FASES Y MICROESTRUCTURAS 

Las  superaleaciones base níquel presentan una  variedad de microestructuras que dependen de  la composición y tratamientos que haya recibido cada una de ellas, pero todas presentan al menos dos características comunes: 

La presencia de carburos con el tiempo más pequeños y mejor distribuidos. 

La presencia de fase endurecedora γ’ 

Matriz γ 

La matriz continua es una fase austenítica de base níquel con estructura cúbica centrada en las caras 

llamada fase γ, que normalmente contiene un alto porcentaje de elementos en disolución sólida por inserción, como son Co, Cr, Mo y W. (NiCoFeCroMoW sin Ni ni Fe)

El níquel metálico puro no destaca por tener un módulo de elasticidad extraordinariamente altro ni por  su  especialmente  baja  difusividad  (dos  factores  que  favorecen  la  resistencia  a  la  ruptura  por 

creep), sin embargo, la matriz γ es la preferida por la mayoría de los diseñadores de turbinas de gas por sus prestaciones en temperatura y tiempo. 

Debemos destacar el hecho de que algunas aleaciones pueden usarse a  temperaturas de hasta el 90% de su punto de fusión durante más de 100.000 horas, bajo tensiones elevadas. 

Tecnología de Materiales   

 

  51 

Las razones básicas de su resistencia pueden atribuirse a los siguientes factores: 

1) La alta tolerancia de níquel a ser aleado sin inestabilidad de fase. 2) La  tendencia, cuando se  le adiciona Cr, a  formar capas protectoras ricas en Cr2O3 con bajo 

contenido en vacantes catiónicas, restringiendo así el grado de difusión, tanto de elementos metálicos hacia el exterior, como de oxígeno, nitrógeno, azufre y otros elementos presentes en la atmósfera hacia el interior. 

3) La tendencia adicional, a altas temperaturas, a formar capas ricas en Al2O3 con excepcional resistencia a la oxidación. 

Fase γ’ 

Formada por el compuesto intermetálico Ni3(Al,Ti) en cantidades adecuadas para precipitar una alta fracción de volumen con estructura cúbica centrada en  las caras, que precipita de forma coherente 

con la matriz austenítica γ. El Ni se queda en las caras y el elmnto metálicos en las esquinas de la FCC.

Los cristales, diminutos y normalmente cúbicos, de la fase γ’ se incrustan en una matriz formada por 

la fase γ. La principal diferencia entre las dos fases radica en que los átomos de Ni y Al están mucho 

más ordenados en la fase γ’ que la fase γ. 

En las aleaciones más resistentes se cree que sus mejores propiedades frente a la ruptura se deben a 

la aparición de una película de fase γ’ en los bordes de grano, como consecuencia de los tratamientos térmicos y de la exposición a las condiciones de servicio. 

Carburos 

El carbono, añadido en niveles entre el 0,05 y el 2%, se combina con elementos reactivos como Ti, Ta, Hf ó Mo, para formar carburos de estequiometria general MC, M23C6 y M6C. (TiTaMoHaf)

Carburos MC(FCC, a la Tª de operación no son estables) Tienen estructura cúbica centrada en las caras y se forman normalmente durante el enfriamiento de las superaleaciones. Se distribuyen de forma heterogénea en la aleación, tanto en posiciones inter  como  transgranulares,  a menudo  interdendríticamente,  sin  que  exista  relación  entre  su orientación y la de la matriz. Se pueden meter en medio del grano y eso no es bueno. Estos carburos como TiC y HfC se encuentran entre los compuestos más estables que se conocen. El orden de  formación  (estabilidad decreciente) en  las superaleaciones es: HfC, TaC, NbC y TiC. Este orden no coincide con el de su estabilidad termodinámica que es HfC, TiC, TaC y NbC. En  estos  carburos MC,  los  elementos M  pueden  intercambiarse  fácilmente  para  dar  carburos mixtos del  tipo  (Ti,Nb)C, pero  también pueden  ser  sustituidos por elementos menos  reactivos como Mo o W(inestables). 

Carburos M23C6Aparecen  en  aleaciones  con  contenidos  en  Cr  entre moderados  y  altos.  Se  forman  durante tratamientos térmicos a baja temperatura (entre 760 y 980ºC) y en condiciones de servicio, tanto a partir de carburos MC, como a partir de carbono residual de la matriz. Cuando Mo ó W están presentes, la composición aproximada de M23C6 es Cr21(Mo,W)2C6, donde níquel y pequeñas cantidades de Co y Fe pueden sustituir al cromo. 

Tecnología de Materiales   

 

  52 

Estos  carburos  presentan  una  estructura  cúbica  compleja  que,  si  se  eliminan  los  átomos  de carbono, se parece bastante a la estructura de la fase topológicamente compacta σ. La presencia de carburos de este tipo  influye fuertemente en  las propiedades de  las aleaciones base  níquel.  La  resistencia  a  la  fractura mejora  por  la  presencia  de  partículas  discretas  por inhibición  del  deslizamiento  de  los  bordes  de  grano,  hasta  que  finalmente  la  fractura  puede iniciarse por las propias partículas o por falta de cohesión en la interfase matriz/carburo. 

Carburo M6C Tienen una estructura cúbica compleja cuando el contenido en Mo y/o W es mayor del 6‐8% y aparecen típicamente en el rango entre 815 y 980ºC. Al contrario que en el caso de los más rígidos M23C6, las composiciones de estos carburos pueden variar  ampliamente.  Las  formulaciones más  típicas  para M6C  son  (Ni,Co)3Mo3C  y  (Ni,Co)2W4C, aunque en el caso de Hatelloy X, se han descrito otras formulaciones. Por tanto, los carburos M6C se forman cuando Mo ó W reemplazan al cromo en otros carburos. Los  carburos M6C  son  comercialmente más  importantes  que  los M23C6  como  precipitados  de bordes de grano durante el procesado de las aleaciones de forja. 

Reacciones de los carburos 

Un principio  importante para  todas  las aleaciones de alta  temperatura es que se  trata de sistemas químicamente  dinámicos.  Las  fases  presentes  están  reaccionando  e  interaccionando  entre  sí constantemente. 

A  temperatura  ambiente  lo  que  observamos  es  una  estructura  temporal  que  es  la  que  podemos analizar y procesar. 

Durante  los  tratamientos  térmicos  y  en  las  condiciones  de  operación,  los  carburos MC  tienden  a descomponerse y generar carburos más altos, de los tipos M23C6 y M6C que tienden a situarse en los bordes de grano. 

La  reacción  principal  que  tiene  lugar  en muchas  aleaciones  es  la  formación  de M23C6,  según  la ecuación: 

 

Así, por ejemplo, 

, , , , ,  

Este tipo de reacción es beneficiosa, puesto que  localiza  las partículas de  los carburos más altos en 

los  bordes  de  grano,  regenerando  la  fase  γ’.  Tanto  los  carburos  como  la  fase  γ’  son  importantes puesto que pueden inhibir el deslizamiento de los bordes de grano. 

De manera similar pueden formarse los carburos M6C. Por otra parte, M6C y M23C6 pueden formarse uno a partir del otro: 

 

Estas  reacciones  llevan  a  la  precipitación  de  carburos  en  distintas  localizaciones,  pero preferentemente en los bordes de grano. 

 

Tecnología de Materiales   

 

  53 

Boruros 

Pequeñas adiciones de B son esenciales para mejorar  la resistencia al creep de  las superaleaciones. Los boruros aparecen como partículas duras con  formas cúbicas o de media  luna en  los bordes de grano.  Los boruros  encontrados  en  las  superaleaciones  son del  tipo M3B2  con una  celdilla unidad tetragonal. 

Dado que el porcentaje de boro rara vez supera el 0,03% en peso, siendo a menudo inferior al límite de solubilidad del 0,01%, la fracción de volumen ocupada por los boruros tiende a ser muy pequeña, siendo difícil observarlo en los bordes de grano. 

Fases Topológicamente Compactas (TCP) 

En algunas aleaciones,  si  la composición no ha  sido cuidadosamente  controlada, pueden  formarse fases  indeseables,  bien  durante  los  tratamientos  térmicos,  o  más  corrientemente,  una  vez  en servicio. Estos precipitados están formados por capas con empaquetamientos compacto de átomos, 

paralelas  en  los  planos  (1  1  1)  de  la matriz  γ. Normalmente  estas  fases  son muy  perjudiciales  y pueden aparecer en  forma de discos,  láminas o agujas, nucleándose alrededor de  los carburos de borde de grano. 

Las aleaciones que contienen un alto nivel de metales de transición con estructura cúbica centrada en el cuerpo (Ta, Nb, Cr, W y Mo) son más susceptibles a la formación de fases TCP. 

La composición de  la fase σ es  (Fe, Mo)X(Ni, Co)Y, donde “X” e “Y” varían entre 1 y 7. La dureza de esta  fase y su estructura  laminar puede causar agrietamiento prematuro,  lo que puede conducir a fractura frágil a baja temperatura, aunque sin afectar al  límite elástico. Su mayor efecto es sobre  la resistencia a la fractura a temperatura elevada. 

La formación de fase σ hace que disminuya  la concentración de metales refractarios en  la matriz γ, haciendo disminuir su resistencia y cae la Tª de operación. 

La fractura a alta temperatura puede ocurrir a lo largo de las láminas de fase σ en lugar de seguir el normal  camino  intergranular, dando  lugar  a una pronunciada  reducción de  la  vida de  fractura.  El efecto perjudicial de la fase μ está menos estudiado. 

TIPOS DE SUPERALEACIONES BASE NÍQUEL 

El grupo de superaleaciones base níquel más  importante es el formado por aquellas reforzadas por precipitaciones  de  compuestos  intermetálicos  en  una  matriz  cúbica  centrada  en  las  caras.  El 

precipitado endurecedor es la fase γ’. 

Otro  grupo  es  el  formado  por  aquellas  endurecidas  fundamentalmente  por  disolución  sólida, aunque  parte  de  su  resistencia  deriva  también  de  la  precipitación  de  carburos  producida  tras  el tratamiento de envejecimiento. 

Tecnología de Materiales   

 

  54 

Un tercer grupo, comprende las aleaciones endurecidas por dispersión de óxido (OSD), endurecidas por precipitación de partículas  inertes  tales  como óxido de  itrio que,  en  algunos  casos, puede  ir 

también acompañada de precipitación γ’. 

Las  superaleaciones base níquel  son demasiado  complejas para que opere un  solo mecanismo en todo el rango de esfuerzos y temperaturas de servicio. 

Para  simplificar,  distinguiremos  entre  las  aleaciones  con  pequeña  o  nula  diferencia  entre  los 

parámetros de red de las fases γ y γ’, y aquellas en que esta diferencia es muy grande. 

Grandes diferencias en el parámetro de red parecen  favorecer  la resistencia a  temperaturas bajas, pero son decididamente perjudiciales en cuanto a su resistencia al creep. 

Las  aleaciones  que  presentan  pequeña  o  nula  diferencia  antes  de  entrar  en  servicio  pueden desarrollar durante  la exposición a altas temperaturas, dando  lugar a una pérdida de resistencia al creep. 

Por otra parte, el coeficiente de expansión térmica es mayor para  la fase γ que para γ’, de manera 

que es deseable producir aleaciones en la que el parámetro de red de γ sea algo menor que el de γ’, para que la diferencia sea lo mejor posible a la temperatura de trabajo. 

RESISTENCIA A LA DEFORMACIÓN DE LAS SUPERALEACIONES BASE NÍQUEL 

Las  propiedades más  significativas  de  las  superaleaciones  en  relación  con  su  uso  a  temperaturas elevadas son la resistencia al creep y la carga de rotura. 

Para  hacer  una  descripción  completa  del  comportamiento  frente  al  creep  de  una  aleación  es necesario determinar la dependencia de la tensión de creep y el punto de fractura con tres variables: esfuerzo, temperatura y tiempo. 

Con este propósito deben  llevarse  a  cabo un  gran número de  ensayos de  creep bajo  condiciones variables. 

La correlación de  los resultados de tales ensayos con el fin de extrapolar para condiciones distintas de las ensayadas, se lleva a cabo por el uso de fórmulas empíricas, de las que las más conocidas son las de Larson‐Miller. 

Con estas fórmulas se calcula un parámetro temperatura‐tiempo, de la siguiente forma: 

. 20 log  

Donde T es la temperatura y t el tiempo en horas. 

El  esfuerzo para producir  valores  específicos de deformación por  creep, por  ejemplo, 0,1; 0,2; …; 0,5% o  fractura,  se  representa  frente  a  ese parámetro  P para obtener una  familia de  curvas que proporcionan un indicación razonablemente buena del comportamiento de cada aleación en el rango de condiciones experimentales cubiertas y que pueden ser extrapoladas en alguna extensión sin gran riesgo de error. 

Tecnología de Materiales   

 

  55 

Tales  curvas  resultan  particularmente  valiosas  para  comparar  el  comportamiento  de  diferentes aleaciones y elegir la más adecuada para una aplicación concreta. 

 

Nimonic   75  80A  90  115 Al + Ti (%)  0,4  3,6  4  9 

TRATAMIENTOS TÉRMICOS Y PROCESOS DE FABRICACIÓN 

Una  superaleación  se  fabrica  fundiendo  una  pieza  de  níquel  y  agregando  Al,  Cr  y  pequeñas cantidades de otros metales como Ti y W. Luego,  la mezcla  líquida se enfría apareciendo entonces 

una masa de fase γ, ya que su punto de solidificación es superior al de la fase γ’. 

Cuando  la  aleación  experimenta  un  posterior  enfriamiento,  precipitan  pequeños  cubos  de  fase  γ’ dentro de la matriz de fase γ. 

El tamaño final de las partículas de γ’ se controla variando la velocidad de enfriamiento del material. 

La mayor  resistencia mecánica  la  presentan  superaleaciones  con  una  fracción  de  volumen  de  γ’ cercana al 60%. Sin embargo, cuando las piezas en servicio se exponen a elevadas temperaturas, los 

pequeños cristales de γ’ tienden a crecer. 

Tecnología de Materiales   

 

  56 

Tratamientos térmicos 

Para conseguir buenas propiedades mecánicas a elevadas temperaturas y mantenerlas a pesar de su exposición a muchos ciclos de uso, se han ideado complejos tratamientos térmicos. 

Un procedimiento típico consiste en calentar  la aleación a una temperatura relativamente elevada, enfriarla  rápidamente  y  envejecerla  luego  a una  temperatura más baja  con el  fin de  conseguir  el 

adecuado tamaño y la oportuna distribución de los cristales de γ’. 

Superaleaciones endurecidas por precipitación de γ’ Un  diagrama  de  fase  de  los elementos  en  disolución  sólida 

frente  a  formadores  de  γ’,  pueden aclararnos este problema. En  la  práctica,  el  tratamiento térmico  tiene  dos  partes fundamentales: a) Recocido  a  una  temperatura  lo 

suficientemente  elevada  para que  la  aleación  sea  una disolución  sólida  homogénea. Los  objetivos  del  tratamiento son: a) Disolver  los  precipitados  de 

γ’  producidos  durante  el conformado en caliente 

b) Homogeneizar los elementos 

formadores  de  γ’  en  la disolución sólida. 

c) Controlar  el  tamaño  de grano. Pueden disolverse carburos del tipo M23C6. La temperatura requerida aumenta 

desde los 950 hasta los 1200ºC conforme aumentan los elementos formadores de γ’, es decir, conforme aumenta su fracción de volumen. 

b) Recocido  en  la  región  de  fase  heterogénea  γ/γ’  con  el  objetivo  de  controlar  la precipitación de ésta última con respecto a la fracción de volumen, tamaño, morfología y distribución. Estas características estructurales dependen de la temperatura, tiempo que se mantiene constante tal temperatura, velocidades de enfriamiento y número de etapas del tratamiento térmico. 

Superaleaciones endurecidas por disolución sólida El tratamiento consiste en un recocido a temperatura suficientemente elevada para disolver todos  los  precipitados  y  mantener  la  temperatura  durante  el  tiempo  necesario  para conseguir el tamaño de grano adecuado. Por otra parte,  lo  álabes  de  turbinas  no  se  someten  a  tratamientos  térmicos  sino que  se obtienen directamente por métodos de fundición. 

Tecnología de Materiales   

 

  57 

Procesos de fabricación 

Las  superaleaciones base níquel  se  funden en hornos de  inducción al aire o en vacío. Este último procedimiento permite eliminar, además gases disueltos, el efecto perjudicial de elementos de bajo punto de fusión como Pb, Te, etc. Si el horno es de arco, no se puede realizar la fusión en vacío. 

El proceso  seguido es  similar para  todas  las  superaleaciones,  fundiendo primero  los  componentes mayoritarios (Ni, Cr, Mo, Co, etc.), añadiéndose a la mezcla fundida los elementos endurecedores Ti y Al  finalizando  con  los  elementos  maleabilizantes  B,  Zr,  Mg,  etc.;  poco  antes  de  la  colada.  La temperatura de colada para estas aleaciones se sitúa entre 1450 y 1550ºC. 

El  tratamiento  pulvimetalúrgico  aplicado  a  las  superaleaciones  de  níquel  consiste  en  fundir  la aleación en un horno de inducción en vacío situado en la parte superior de una torre atomizadora de 6 m. de altura. El  fundido  se hace pasar por una boquilla de pequeño diámetro al  tiempo que  los propulsores de argón a alta presión rompen la corriente líquida en finas gotas que solidifican al caer a  lo  largo  de  la  torre.  El  polvo  se  recoge  y  almacena  bajo  argón,  sometiéndolo  después  bien  a extrusión en caliente, bien a compresión  isostática. La principal ventaja de  la compresión  isostática en  caliente  (HIP)  es  mejorar  la  homogeneidad  y  estructura  de  grano  de  componentes  de  gran tamaño. 

Métodos de unión 

La  gráfica  representa  la  soldabilidad de  las superaleaciones base níquel en función  de  los  contenidos  de  Ti  y  Al. Las  que  tienen  bajos  contenidos  de estos  elementos  (por  debajo  de  la línea  de  puntos)  son  fácilmente soldables  por  procedimientos convencionales. 

Las  principales  ventajas  de  la soldadura como método de unión son su  bajo  corte,  bajo  peso  y  alta resistencia. 

ESTABILIDAD SUPERFICIAL DE LAS SUPERALEACIONES 

Corrosión a baja temperatura 

En las superaleaciones base níquel, se precisan altos contenidos en cromo para una buena resistencia a medios corrosivos tales como disoluciones acuosas y ácidos a baja temperatura. 

Oxidación y corrosión a alta temperatura 

Cuando un metal se expone a la acción del oxígeno seco, la relación directa que tiene lugar es: 

12 .  

Tecnología de Materiales   

 

  58 

Si el metal es divalente, o en general: 

. 2 .  

Siempre que la presión parcial de oxígeno sea suficiente para desplazar el equilibrio hacia la derecha. 

Dado que  las presiones parciales del oxígeno son pequeñas a cualquier temperatura para todos  los metales  excepto  para  los  metales  nobles,  se  formarán  capas  de  óxido.  El  grado  de  oxidación, expresado en función del cambio de peso de la muestra, viene dado por: 

• Lineal: 

∆      ó    

• Parabólico: ∆

∆       ó    

Donde  ∆m  es  el  cambio  de  peso,  t  es  el  tiempo,  A  el  área  de  la muestra  y  KP  es  la  constante parabólica de velocidad. 

La conclusión más importante es que la velocidad de oxidación decrece con el tiempo debido a que la capa de óxido formado actúa como barrera protectora inhibiendo la oxidación posterior. 

Al considerar la oxidación de una aleación, la expresión pasa a ser: 

 

(i   1, 2, 3, …, n elementos de aleación) 

Por  tanto,  las  condiciones  termodinámicas  de  la  formación  de  óxidos  están  controladas  por  las actividades  de  los  componentes metálicos  en  la  aleación,  la  presión  de  oxígeno  en  el  gas  y  las afinidades relativas de los elementos metálicos por el oxígeno. 

BARRERAS TÉRMICAS(MULTICAPA) 

Una  barrera  térmica  o  TBC  es  un  recubrimiento multicapa,  siendo  la más  externa  de  cerámica aislante  y  la más  interna  una  capa metálica. 

La capa cerámica externa tiene unos 5 a 15 mils  (0,127 a 0,381 mm.) de espesor,  mientras  que  la  capa metálica  tiene  un  espesor  de  3  a  5 mils  (0,076  a  0,127  mm.). Dependiendo  de  la  conductividad térmica de  la  cerámica, del  espesor del recubrimiento y del flujo de calor creado por el diseño y configuración de un componente en particular,  se 

 

ZrO2 + Y2O3 (cerámico) 

Al2O3

ZZZooonnnaaa    dddeee    dddiiifffuuusssiiióóónnn

Tecnología de Materiales   

 

  59 

pueden crear gradientes de temperatura de varios cientos de grados. El recubrimiento de óxido de circonio estabilizado con un 6‐8% de óxido de itrio ha sido elegido por su baja conductividad térmica y su relativamente elevado (para tratarse de un material cerámico) coeficiente de expansión térmica. 

Por su parte, la capa metálica, depositada normalmente por proyección de plasma, suele ser del tipo MCrAlY, y su función es proteger el material base de la oxidación, ya que el paso de oxígeno no está impedido sino favorecido por el depósito cerámico. 

TIPOS DE CORROSIÓN 

Básica Ácida (O2 + SO3 +  Na2SO4)  Corrosión inducida por 

azufre Inducida por aleación Inducida por la fase 

gaseosa  

Sistemas susceptibles Aleaciones  con %  Cr  y Al bajo 

Aleaciones con altos % de Mo, W 

Prácticamente  todas  en  función  de  PSO3  y V2O5 

Aleaciones  con  1‐6% de Al 

Métodos de inhibición Aumentar el % de Cr y Al para  formar Cr2O3 y Al2O3 

Disminuir  los  metales refractarios Aumentar el Cr 

Añadir  Si3N4  para formar SiO2 

Al > 10% > Co en aleaciones con < 6% Al 

Otros factores que contribuyen Carburos Cloruros 

 

 

   

Tecnología de Materiales   

 

  60 

DESGASTE 

DEFINICIONES 

Adhesión 

Transferencia  de  un material  que  desliza  contra  otro,  el más  blando  de  los  dos  es  el  que más desgaste sufre. En  la mayoría de  las aplicaciones prácticas,  las superficies están  lubricadas de algún modo y el tipo de desgaste que tiene lugar se denomina desgaste por deslizamiento con lubricación. Sin embargo, en algunas aplicaciones de  ingeniería y en muchas  investigaciones de  laboratorio,  las superficies  se  desplazan  en  aire  sin  que  haya  un  lubricante  añadido.  El  desgaste  que  tiene  lugar entonces, se denomina desgaste por deslizamiento en seco, aunque normalmente tiene lugar en aire con un grado de humedad considerado. 

Abrasión 

En el contacto entre dos materiales siempre vamos a tener partículas duras, procedente del mismo material o de agentes externos. 

Cuando haya muchas partículas duras, el mecanismo predominante pasará a ser el de abrasión en lugar de adhesión. 

Erosión 

Es la pérdida del material de forma superficial, provocada por acciones mecánicas como impactos de partículas duras y rozamientos. 

ECUACIÓN DE ARCHARD 

Es un modelo matemático para cuando  hay deslizamiento,  siendo  la  adhesiónel mecanismo de desgaste predominante. 

Siempre  tendremos  una  rugosidad superficial.  Estos  serán  los  primeros puntos en contacto con el material. Por lo  general  suelen  ser  irregulares  y diferentes;  el  modelo  de  Archard supone que la superficie deformable se halla  compuesta  sólo  por  un  gran número  de  asperezas semisféricas de  igual  radio  de  curvatura  R  y  cuyas alturas se hallan distribuidas de manera uniforme. 

Por la modificación de la superficie durante el desgaste, el modelo es lo suficiente aproximado. 

Tecnología de Materiales   

 

  61 

• Carga normal en cada contacto puntual (δW): 

. .  

P ≡ presión de deformación plástica ≅ H (dureza) R ≡ radio de aspereza superficial 

• Volumen de material desgastado (semiesfera) (δV):  

2. .3

 

o Coeficiente adimensional de desgaste: 

3 

Κ ≡ fracción de contactos que generan partículas de contacto 

• Volumen desgastado por unidad de distancia recorrida (δQ): 

.2.

. .3

 

• Volumen desgastado total: 

3. .  

• Carga normal aplicada total: 

. .  

Por tanto: 

.3.

. 

• Coeficiente dimensional de desgaste: 

   

Conclusiones: 

− La ecuación  implica que para un sistema de deslizamiento dado, el volumen del material es proporcional a la distancia recorrida y a la carga normal aplicada. 

− La ecuación de Archard es un medio útil para descubrir la velocidad de desgaste mediante el coeficiente K. 

Tecnología de Materiales   

 

  62 

MAPAS DE MECANISMOS DE DESGASTE 

Método útil para representar los diversos mecanismos de desgaste, se utilizan los llamados mapas de desgaste. 

Para  el desgaste de  aceros  en  aire  en un  tribómetro  tipo  “pin on disc”  se obtiene  el mapa de  la siguiente figura: 

 

Aceros bajo contacto punzón sobre disco: 

ó          ó

         

H ≡ dureza por penetración del material más blando 

           

 

REGÍMENES Y MECANISMOS DE DESGASTE DE ACEROS EN SECO 

I. Asociado  con  presiones muy  elevadas,  tiene  lugar  un  gran  desgaste  superficial  (desgaste severo). Este  régimen corresponde al crecimiento catastrófico de uniones entre asperezas, hasta que el área  real de contacto se hace  igual al área de contacto aparente. El  límite de este  régimen  puede  calcularse mediante  el modelo  de  crecimiento  de  unión. Da  lugar  al gripado. 

Tecnología de Materiales   

 

  63 

II. Corresponde a altas cargas y velocidades  relativamente bajas, para  las cuales se perfora  la fina capa de óxido superficial del acero en los contactos entre asperezas, se ejercen elevadas fuerzas  de  tracción  superficiales  y  se  forman  arranque  de  partículas  metálicas.  Efectos térmicos despreciables. 

III. Para  cargas  bajas,  la  capa  de  óxido  no  se  perfora  y  tiene  lugar  una  baja  proporción  de desgaste suave debido al arranque de partículas de  la propia capa de óxido, que no  llega a perforarse. Igual que en el régimen II, los efectos térmicos son despreciables. 

IV. Para cargas y velocidades altas  la  fuerza de rozamiento es tan alta y  la conducción térmica tan  ineficaz para eliminar el calor de  la  interfase que  tiene  lugar  la  fusión. Aunque esto da lugar a un coeficiente de fricción , las fuerzas viscosas en la capa fundida continúan disipando energía y el desgaste es más rápido y severo, siendo eliminado el material en forma de gotas líquidas.  Este  tipo  de  desgaste  severo  se  utiliza  para  el  “corte  por  fricción”,  en  el  que  el material se corta mediante un disco de acero que gira a alta velocidad con un perímetro muy pulido. Los efectos térmicos son muy importantes. 

V. Desgaste  suave. Baja presión de contacto y alta velocidad. Temperatura de  contacto < Tm. Desgaste por oxidación. 

VI. Hot spots. Desprendimiento de partículas de óxido de ≅ 10 μm. 

VII. Calentamiento en el punto de contacto. Suave‐severo en función de la carga. 

VIII. Formación de martensita en  la  interfase. Temple por  conducción de  calor. Desgaste  suave por desprendimiento de óxido. (Martensita-muy dura). 

Desgaste en seco. Morfología de las partículas de desgaste 

• Disco(planas y redondeadas): o Deformación plástica(adhesión=Archard) o Propagación  de  grietas  bajo  la 

superficie 

• Cuñas redondeadas y esferas: o Propagación  de  grietas  de  fatiga 

(bajo N y alto S) o Esfeoidización por calor 

• Cintas o virutas(como torneado): o Abrasión  por  asperezas  duras 

(partículas  de  desgaste;  inclusiones no metálicas) 

Desgaste con lubricación. Regímenes según el espesor de la película 

  í     í   

Si cada superficie tiene una rugosidad (R) diferente (RA, RB), el término de rugosidad será: 

 

W (mm3) 

d (m) 

WC 

W (mm3) 

PTFE 

 

El  latón sufre desgaste severo  incluso con cargas bajas. El acero  inoxidable es duro y tiene un comportamiento lineal incluso en el cambio de suave a severo. Bajo una cierta carga (carga crítica) se produce este cambio de magnitud en el desgaste debido a que al principio solamente arrancas los óxidos superficiales (duros) pero a partir de la carga crítica perforas  la capa de óxido superficial y  llegas a  la matriz de base hierro que es más blanda y produce el cambio a desgaste severo. 

 

Tecnología de Materiales   

 

  64 

Clasificación: 

3   Régimen hidrodinámico (materiales perfectamente separados) 

1 3   Régimen mixto o elasto‐hidrodinámico 

1    Lubricación  límite,  el  lubricante no  separa de manera  efectiva  y hay  contacto  entre  los materiales. 

Un aumento de la carga normal sobre el contacto, una disminución de la velocidad o una disminución de  la  viscosidad  del  lubricante,  tiende  a  reducir  el  espesor  de  la  película.  Bajo  condiciones hidrodinámicas o elasto‐hidrodinámicas,  cuando no hay  contacto entre  las  asperezas, el  grado de desgaste será muy bajo. 

Si λ baja de 3, sin embargo, podrá haber contacto entre algunas asperezas y entramos en el régimen mixto o elasto‐hidrodinámico parcial. El grado de desgaste será ahora más alto. Para λ < 1, sólo  la presencia de  lubricantes  límite o sólidos puede evitar que el grado de desgaste suba hasta el nivel encontrado en un sistema sin lubricación; tales lubricantes son también muy valiosos para disminuir el grado de desgaste en el régimen elasto‐hidrodinámico parcial (EHL). 

El diagrama de transición IRG representa los mecanismos con lubricación sobre un mapa cuyas  coordenadas  representan  la  carga normal y  la velocidad de deslizamiento. Los límites  entre  regímenes  se  determinan  a partir  de  experimentos  con  contactos conformacionales,  como  la  máquina  de  4 bolas  o  las  geometrías  de  esfera  o  plano sobre cilindro. 

 

El régimen I corresponde al elasto‐hidrodinámico parcial. El coeficiente de fricción se sitúa entre 0,02 y 0,1 y permanece constante por largos períodos de tiempo después de un breve período transitorio de  valor  más  alto.  El  grado  de  desgaste  puede  ser  elevado  durante  este  período  inicial,  pero disminuya rápidamente y continúa disminuyendo con la distancia recorrida hasta que llega a ser muy pequeño. 

Este  comportamiento  puede  explicarse  de  la  siguiente  forma:  en  el  período  inicial  las  fuerzas  de rozamiento llevan al calentamiento local y a la oxidación de las asperezas y el material se elimina por desgaste oxidativo. 

Este régimen puede describirse como desgaste suave. Según se van eliminando las rugosidades más altas de la superficie por desgaste, el valor efectivo de λ aumenta, y las condiciones cambian de EHL parcial o total. Por tanto, tanto la fricción como el desgaste disminuyen hasta alcanzar valores bajos y estables. 

Régimen II 

Régimen I 

Régimen III

W (kN) 

2 

1,5 

1 

0,5 

0,001  0,01  0,1  1  Us  10 U (m/s)

 

Para capas muy delgadas (λ<1) – LUBRICACIÓN LÍMITE 

Hay  una  capa molecular  de  lubricación  pero  no  se  produce  el  contacto  entre  los materiales. Es un aceite base con aditivos que hace que  las moléculas  interaccionen con la estructura del metal. Tiene una cabeza polar que se orienta hacia el metal (a su carga +), la cabeza tiene carga (‐). La cabeza es orgánica (elementos S, N, P, O). La cola es  no  polar  y  es  petróleo.  Al  orientarse  expulsa  el  hidrocarburo  y  siempre  queda lubricante en el contacto. 

Este tipo de lubricante se utiliza cuando hay altísimas presiones entre los elementos en rozamiento para así al menos  tener una  separación de 2 moléculas entre metales y disminuir el rozamiento. 

NOTA: Si λ>3 se puede  tener un alto coeficiente de  fricción por el rozamiento de  las capas de lubricante consigo mismo. 

Tecnología de Materiales   

 

  65 

En el régimen II, el coeficiente de fricción  inicial es más alto que en el régimen I, típicamente entre 0,3 y 0,4 para aceros. El grado de desgaste es también más alto, aunque aún tolerable para algunas aplicaciones de ingeniería. En este régimen predomina la lubricación límite; los efectos de la película de  lubricarse  son despreciables debido a  las altas presiones de  contacto y  los  consiguientes bajos 

valores de λ. Después de un período inicial más largo que en el régimen I, μ disminuye (hasta ≈ 0,1), esta caída se asocia con la oxidación general de las superficies en contacto. Al aumentar el desgaste y hacerse  las superficies más  lisas, λ aumenta, el efecto de  la película puede hacerse  importante y se puede  llegar a condiciones de EHL parcial o  total. El desgaste bajo condiciones de equilibrio en el régimen  II  es  de  carácter  oxidativo,  aunque  el mayor  desgaste  inicial  se  asocia  con mecanismos adhesivos que implican contactos entre asperezas desprotegidas. 

En el régimen III, las condiciones son tan severas que ninguna película de lubricante puede evitar el contacto entre asperezas. Las superficies se comportan como en el desgaste en seco y el desgaste progresa rápidamente. Los coeficientes de  fricción típicos se sitúan entre 0,4 y 0,5 con k mayor de 

10 . 

El  término  scuffing  se  emplea  a menudo  para  describir  este  régimen  de  desgaste  en  contactos concentrados, que se asocia con la ruptura de la lubricación. 

MÉTODO DE PREVENCIÓN DEL DESGASTE DE METALES 

Desgaste adhesivo 

1‐ Pequeño tamaño de grano. Refinado de la estructura 2‐ Endurecimiento por dispersión de finos precipitado 

Desgaste abrasivo 

1‐ La dureza superficial debe ser mayor que la de las partículas abrasivas 

2‐ Tratamientos térmicos: 

a. Nitruración 

b. Carburación 

c. Difusión de elementos de aleación: B, V, Cre 

3‐ Recubrimientos superficiales: 

a. Láser 

b. Plasma 

c. Implantación iónica 

4‐ Partículas blandas: 

a. PTFE 

b. MoS2 

c. Grafito 

d. In 

Tecnología de Materiales   

 

  66 

DESGASTE DE METALES POR EROSIÓN 

Se produce por el impacto de partículas. 

Ecuación del modelo: 

. .  

E ≡ pérdida de peso de material por unidad de peso de partículas incidentes 

v ≡ velocidad de las partículas incidentes q ≡ ángulo de incidencia de las partículas con respecto al plano de la superficie 

 El arranque dependerá de la velocidad y del ángulo. 

Cuando  el material  es  dúctil  puede  absorber  la  energía  del  impacto  sin  pérdida  de masa,  pero teniendo una deformación.  Sin  embargo,  con  ángulos de  impacto pequeños  (<20º)  los materiales dúctiles pueden sufrir pérdida del material. 

En  el  caso  de materiales  frágiles, mientras  no  haya  grietas  no  habrá  casi  pérdidas  de material. Cuando el ángulo de incidencia es de 90º, el daño es mayor, propagando la grieta hacia el interior de la matriz. 

 DESGASTE DE MATERIALES CERÁMICOS 

Cerámicos técnicos de alta resistencia (HV > 15 GPa, KIC > 4 MPa) 

Son materiales  avanzados  que  tienen  un  comportamiento mejorado.  Se  utilizarán  para  reforzar materiales. 

Aplicaciones: 

Al2O3   Herramientas de corte. Mejoran a los aceros rápidos. ZrO2   Guías y moldes en procesos de fabricación. Si3N4   Rodamientos. Cojinetes. SiC   Rodamientos lubricados por agua. Cierres y sellado mecánico. 

E 

q 90º 20º 

n 

2,3 – 2,8  Materiales  dúctiles:  hay  deformación,  se  puede  incluso  adherir  la partícula al chochar contra el material. La masa aumenta. 

2 – 4  Materiales frágiles: se produce pérdida del material, y si hay grieta da lugar a su propagación. 

Tecnología de Materiales   

 

  67 

Regímenes de desgaste en cerámicos 

Desgaste suave: 

10    

Tamaño de partícula ≈ 0,1 (tamaño de grano) 

Rugosidad máxima ≈ 0,1 (tamaño de grano)  Desgaste severo: 

10    

Tamaño de partícula ≈ tamaño de grano 

 

Severidad mecánica del contacto 

,1 10. . . √

 

Severidad térmica del contacto 

,t.Δ

.. .. .

 

μ ≡ coeficiente de fricción 

Pmax ≡ presión máxima 

d ≡ longitud de la grieta 

KIC ≡ resistencia de la fractura 

∆TS ≡ resistencia al shock térmico 

γ ≡ coeficiente de partición de calor 

v ≡ velocidad de deslizamiento 

W ≡ carga aplicada 

κ ≡ conductividad térmica 

Hv ≡ dureza Vickers 

ρ ≡ densidad 

c ≡ calor específico 

   

Severo 

Suave 

Sc,m 

Sc,t 

0

56

10

15

20

10‐3 10‐2 0,04 10‐1 100

Tecnología de Materiales   

 

  68 

CORROSIÓN 

CLASIFICACIÓN DE LOS TIPOS DE CORROSIÓN 

 

OXIDACIÓN SECA DE METALES 

a) Óxido no protector o poroso  Permite la difusión de O2 desde el exterior hacia el metal  El suministro de oxígeno es constante  La velocidad de crecimiento de la capa de óxido es constante (lineal) 

 

.   ≡ espesor de la capa de óxido  ≡ tiempo 

 

O2  Metal 

y 

y

t 

C2 

Extensión del ataque 

Uniforme o generalizada 

Selectiva Uniforme 

Localizada 

Geometría o morfología 

del ataque 

Intersticial 

Por hendiduras (crevice) 

Por picaduras (pitting) 

Intergranular 

Transgranular 

Corrosión bajo esfuerzos aplicados 

Corrosión – erosión 

Corrosión – fricción 

Corrosión – fatiga 

Cavitación 

Corrosión bajo tensiones (SCC) -stress corrosion cracking

Tecnología de Materiales   

 

  69 

b) Óxido protector  Su velocidad de crecimiento: 

− Está limitada por la difusión de iones 

− Es proporcional al espesor de la capa de óxido  La concentración de oxígeno disminuye de manera uniforme durante el proceso de oxidación 

.1 

.                  ó  

2.  

 

 

RELACIÓN DE PILLING­BEDWORTH 

.2.  

   ó       

.. .

 

M ≡ peso molecular del óxido 

m ≡ peso atómico del metal 

D ≡ densidad del óxido d ≡ densidad del metal 

Óxidos protectores:  1 ≤ R ≤ 2 

MECANISMOS DE CRECIMIENTO DE ÓXIDOS 

 

O2 

(a) 

Entra  una  molécula  de  oxígeno  sin  carga,  con  dos  átomos entrelazados  (molécula  diatómica,  es  decir  con  dos  átomos entrelazados). 

 

y

t

Tecnología de Materiales   

 

  70 

 

 

 

TIPOS DE CORROSIÓN 

Corrosión uniforme 

También  llamada  “corrosión  generalizada”. Afecta a todo el metal por igual, es decir, un ataque  uniforme,  de manera  que  el metal pierde  su  brillo  volviéndose  rugoso,  se produce  lo  que  podemos  denominar interacción del metal con  los elementos del medio. 

Crece  con  velocidad  constante  afectando  a todo el metal por igual, es la corrosión ideal. 

Depende  del  potencial  químico  de  las sustancias que rodean al material. 

• Podría llevar a un fallo de la estructura por disminución del espesor del material 

• Dado  que  es  fácilmente  detectable,  las  piezas  son  normalmente  reparadas  antes  de  que existan riesgos estructurales 

• La vida de los equipos puede ser estimada mediante medidas simples (mm/año, mg/día/dm2) 

 

(d) 

Difusión  de  cationes metálicos  y  aniones  óxido mientras  que  los electrones  solo pueden  ir hacia  fuera.  Permite  la  red  cristalina de óxido la difusión de aniones y cationes. Difusión de todos. 

Mn+ 2 O2‐ 

(4+n) e‐ 

(c) 

Difusión  O2‐  de  la  capa  de  óxido  hacia  el metal  y  de  la  capa  de electrones del metal hacia fuera (interfase óxido‐metal). 

(b) 

No  permite  la  entrada  de  óxido  pero  sí  la  difusión  de  cationes metálicos,  con  flujos de  electrones del metal hacia  fuera  (flujo de cationes hacia fuera interfase aire‐óxido). 

M → Mn+ + n e‐ 

Mn+ 

n e‐ 

   

 

 

  71 

Corrosión selectiva(*) 

Corrosión  selectiva  uniforme  del  latón:  se  puede  producir  en  sistemas  de  elementos  binarios. Diremos  que  es  uniforme  porque  todo  el metal  va  a  estar  corroído  igual,  pero,  sin  embargo,  es selectivo porque sólo ataca a un elemento de la aleación. 

Un clarísimo ejemplo de este tipo de corrosión es el de latones con alto contenido en zinc (> 35%) ó en medios ácidos. En este caso es selectivo porque sólo ataca al zinc, pero es uniforme porque ocurre en toda la pieza por igual, es decir, toda la pieza va a estar corroída y no se va a diferenciar. 

Corrosión selectiva  localizada: en el caso de  los  latones se va a producir en aquellos que tienen un bajo  contenido en  zinc o en medios neutros o básicos; en este  caso  se producirá  la  corrosión no afectando a toda la pieza sino a unos puntos determinados de ésta. 

Este tipo de corrosión se caracteriza por: 

• Ser difícil de detectar 

• Sus consecuencias son difíciles de prever 

• Debido  a  la  relación  entre  el  área  anódica  y catódica la velocidad puede ser muy importante 

• Es muy peligrosa 

Otro tipo de aleaciones que pueden sufrirla son: 

Aleaciones de bronce: bronces aluminios (Cu‐Al) y al silicio (Cu‐Si), las cuales pierden Al ó Si  Fundiciones de hierro: 

Fundiciones grises: pérdida de hierro total de la red (grafitización). Resulta una masa porosa constituida por grafito, poros y óxido. El Fe reaccionará antes que el grafito C (pues  aquí  el  carbono  está  segregado),  cada  vez  hay más  grafito  y menos  Fe,  el material pierde resistencia mecánica y se fractura con facilidad 

Fundiciones blancas (el carbono está inmerso en la red cristalina del Fe), maleables y dúctiles: no presentan corrosión selectiva 

Corrosión por picaduras 

Es  una  forma  de  corrosión  localizada,  la  pieza presenta un aspecto externo parecido al de corrosión selectiva  ampliada,  aunque  no  tiene  nada  que  ver con el de la corrosión selectiva. 

Origina  picaduras  en  un  área  pequeña  que  pueden alcanzar  una  profundidad  considerable.  Los  puntos pueden  penetrar  completamente  el  material, creando  un  poro  de  gran  longitud  debajo  de  la superficie. Por el  contrario,  la  corrosión  selectiva es un fenómeno superficial. 

Tecnología de Materiales   

 

  72 

La densidad de picaduras puede variar formándose a veces picaduras aisladas, que son el caso más peligroso, debido a la elevada relación de áreas anódica y catódica. 

. . .  

Si la superficie anódica es muy pequeña, se favorece la circulación de la corriente, siendo éste el que provoca la corrosión. 

La corrosión por picaduras se da en metales pasivos, en presencia de ciertos iones agresivos. Se da en metales  que  forman  óxidos  protectores.  Los  agentes  causantes  son  aniones  de  tipo  cloruros  o halogenuros en general. 

También  se  da  en  procesos  químicos  en  los  que  intervienen  percloratos  (éstos  solo  aparecen  en procesos industriales). 

Entre los metales más expuestos están los aceros inoxidables, el aluminio y sus aleaciones.  

Las distintas formas serían: 

 

Mecanismo de la corrosión por picaduras 

Se propaga en vertical, una vez penetrada la capa de óxido. 

El  catión  metálico  reacciona  con  el  H2O,  dando  lugar  a  un  hidróxido metálico más protones. Los protones son las cargas positivas, bajan el PH formando un medio ácido. 

. .   

Óxido Cl‐ 

Metal Mn+ 

Defecto 

Tecnología de Materiales   

 

  73 

El defecto no tiene porqué atravesar la capa completa de óxido, con que haya un defecto pequeño, éste provocará la concentración de humedad y el aumento del potencial electrolítico que hará que la picadura se propague hasta el metal. 

Los  cloruros  Cl‐,  atravesarán  los  protones,  reaccionando. Mientras  que  los  átomos metálicos  van saliendo, los cloruros en el metal. 

Por tanto: 

• Presencia de humedad, favorecerá la formación de protones 

• El cloruro reaccionará con los protones formando ácido clorhídrico 

Los cloruros se encuentran normalmente en la humedad atmosférica, formando NaCl. 

Las zonas laterales a la grieta quedan protegidas porque ahí no se forma protones. De este modo la picadura avanza siempre verticalmente. 

Medidas preventivas 

Seleccionar el material en función del medio corrosivo y de las condiciones de servicio. 

Entre los aceros inoxidables: 

La adición de un 2% de Mo al acero inoxidable AISI 304 da lugar al acero inoxidable AISI 316, mucho más resistente a las picaduras 

El AISI 316 puede usarse a veces en agua de mar, al contrario que el 304 

La resistencia a las picaduras, de forma genérica, será: 

Titanio > Aceros inoxidables superferríticos (30 Cr – 4 Mo) >

> Aceros inox. Superausteníticos (20 Cr – 18 Ni – 6 Mo – 0,2 Ni) > Hastelloy (Ni/Cr/Fe) >

> Acero inoxidable AISI 316 > Acero inox. AISI 304

Índice de picaduras 

% 3,3. %  

Sirven para comparar distintas aleaciones que tengan el Cu como óxido protector. 

Si queremos comparar dos superaleaciones no sirve de nada este índice. 

Hay otros elementos que  influyen también en  la generación de la corrosión por picaduras además del Cr y Mo. 

+ 

–

Superaleaciones

Base níquel

Aceros dúplex (austenoferríticos)

Aceros inoxidables convencionales

% Ni 

Índice de picaduras

Tecnología de Materiales   

 

  74 

 

PREN (Pitting Resistance Equivalent Number) 

% 1,5. % % 0,5.%  

Es muy susceptible de combinar con cloruros, por lo que, al actuar como catalizadores aumentará la velocidad de corrosión. 

Corrosión intersticial 

Este  tipo de  corrosión es  también una  forma de  corrosión  localizada. Ocurre en  zonas protegidas (cubiertas). 

La corrosión  intersticial va asociada a  la existencia de zonas con pequeños volúmenes de disolución cuya renovación y oxigenación es difícil. 

Corrosión intergranular 

Sensibilización de los aceros inoxidables austeníticos 

Los aceros inoxidables austeníticos contienen C suficiente (> 0,02%) para difundirse en los bordes de grano combinándose con cromo. 

Dado que el Cr (> 13%) es el que hace que el acero sea inoxidable, su disminución en los bordes de grano provoca la corrosión intergranular   se dice que la aleación está sensibilizada. 

Un factor determinante para este tipo de corrosión (Weld Decay) es el tiempo de permanencia en el intervalo de temperaturas de sensibilización. 

Métodos preventivos 

Tratamientos  post‐soldadura,  con  calentamiento  por  encima  de  las  temperaturas  de sensibilización seguido de enfriamiento rápido 

A altas temperaturas se disuelve el carburo de cromo formado  Con el enfriamiento rápido se evita que se formen nuevamente carburos 

Usar aceros  inoxidables con contenido en C < 0,02%   “extra  low carbon steel”, como AISI 304L ó 316L 

Añadir  elementos  con  mayor  afinidad  por  el  carbono  que  el  cromo  (estabilizadores)   titanio, niobio (AISI 347 y 321) 

CORROSIÓN BAJO ESFUERZOS MECÁNICOS 

Corrosión – erosión 

Origen: movimiento relativo entre un fluido y la superficie metálica 

Materiales susceptibles: metales que forman capas de óxidos protectores: Al, aceros inox., etc. 

Causa: eliminación y dificultad de reposición de las películas 

Tecnología de Materiales   

 

  75 

Tipo de ataque:  localizado direccional. Genera una  superficie de aspecto brillante sin depósitos de corrosión. Marcas de herradura 

Mecanismos: 

1‐ Corrosión incrementada por la erosión (EEC): el ataque se limita a la película de óxido 2‐ Erosión incrementada por corrosión (CAE): el ataque afecta a la capa de óxido y al metal base 

Prevención: aplicación de recubrimientos duros (cladding) 

EEC   Corrosión incrementada por erosión (partículas duras) 

Es menos peligrosa para materiales de alta resistencia, ya que la capa afectada será la superficial de óxido,  los  materiales  o  aleaciones  capaces  de  recuperar  esa  capa  de  óxido  no  tendrán  ningún problema, aún encontrándose en un medio oxidante. 

CAE   Erosión incrementada por corrosión 

Puede llegar a afectar al metal base, a haberse llevado toda la capa de óxido, y teniendo los granos al descubierto. Un material convencional  fallará muy rápidamente. A no ser que  las condiciones sean muy agresivas, en materiales resistentes a la corrosión, siempre podemos recuperar la capa de óxido. En  aceros  inoxidables  convencionales  será  necesaria  la  aplicación  de  recubrimientos  de  otro material, cuyos óxidos protectores sean más estables (aleaciones base níquel). El problema de estos recubrimientos es su precio usándose sólo en lugares donde su aplicación resulte imprescindible. 

Corrosión – cavitación 

Se debe al proceso hidrodinámico de cavitación. Puede considerarse un caso particular de corrosión–erosión. 

Cuando  en  un  sistema  de  transporte  líquido  la  presión  desciende  (localmente)  por  debajo  de  su presión  de  vapor,  se  forman  burbujas  de  vapor.  Estas  burbujas  chocan  con  las  paredes,  a  alta velocidad, colapsando y produciendo ondas de choque con presiones del orden de 1,5 GPa. 

El número de burbujas que implotan en una pequeña área puede ser de millones por segundo, por lo que los daños son grandes. 

Corrosión por fatiga 

Depende de la agresividad del medio corrosivo: 

La  velocidad  de  propagación  es mucho mayor  en medios  agresivos  (ej:  agua  de mar  vs. atmósfera) 

La presencia del medio corrosivo también reduce el tiempo necesario para la iniciación de las grietas 

Los medios corrosivos no son específicos: cualquier medio que corroa un metal reduce su resistencia a la fatiga. 

De este modo, las variables que condicionan la agresividad del medio (pH, Tª, oxígeno, etc.), influyen sobre el proceso, modifican el límite de fatiga. 

Tecnología de Materiales   

 

  76 

Corrosión bajo tensiones 

La  corrosión bajo  tensiones produce  el deterioro del material debido  a  la presencia de  tensiones aplicadas o residuales y de un medio corrosivo simultáneamente. 

Dado que suele conducir a la fractura, se conoce como “stress corrosion cracking”. 

 

Fragilización por hidrógeno 

Reducción de la tenacidad sin necesidad de daños internos. 

Origen: proceso de fabricación: soldadura, moldeo (4‐5 cm3/100 g) 

  Ej: Laminación en caliente: no hay fragilización (  H2) 

  Forja de grandes espesores: el hidrógeno queda retenido 

Variables:  configuración  de  esfuerzos,  velocidad  de  deformación,  temperatura,  tiempo, microestructura (perpendicular a la superficie), resistencia mecánica del material. 

Localización: en aceros de matriz ferrítica la solubilidad del hidrógeno es muy baja, pero se concentra en las interfases: borde de grano, interfases con precipitados no coherentes. 

Resistencia a la fragilización por hidrógeno 

Martensita < Bainita superior < Perlita < Bainita inferior < Martensita totalmente revenida

 

H2e‐  e‐ 

H 

H+ H+ 

H 

2  

4 3  

Fragilización reversible: TT 

Fragilización irreversible: 

Tensión Aplicada 

Material Susceptible 

  

Medio Corrosivo 

CBT