Presentación Fundamentos Metalurgicos

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FUNDAMENTOS METALÚRGICOS

Y

CIENCIA DE LOS MATERIALES

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CONTENIDO

1.- TIPOS DE MATERIALES INVOLUCRADOS EN PROCESOS DE MANUFACTURA2.- ESTRUCTURA CRISALINA DE LOS MATERIALES3.- ALEACIONES, IMPUREZAS Y DEFECTOS PUNTUALES4.- SOLIDIFICACION DE UN METAL PURO5.- TRANSFORMACIÓN DE FASE6.- CONSTITUYENTES MICRO ESTRUCTURALES DE LOS ACEROS7.- SOLDADURAS8.- GENERALIDADES SOBRE LOS TRATAMIENTOS TÉRMICOS DE LOS ACEROS9.- CLASIFICACION DE LOS ACEROS10.- CLASIFICACIÓN DE LAS ALEACIONES DE ALUMINIO Y COBRE11.- PROPIEDADES MECÁNICAS DE LOS MATERIALES12.- PROCESOS DE FABRICACIÓN13.- MAQUINADO DE METALES

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1. TIPOS DE MATERIALES INVOLUCRADOS EN PROCESOS DE MANUFACTURA

Figura 1.1. Relación entre la naturaleza de los materiales y la integridad mecánica de los procesos de manufactura.

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Figura 1.2. Tetraedro que indica las bases de la Ciencia de Materiales. Cuando un lingote de aluminio vaciado, es laminado en hojas, el procesamiento de laminado modifica la estructura del metal e incrementa su resistencia.


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a)

Figura 1.3.a Propiedades de los materiales. a) Resistencia representativa de diversas categorías de materiales.

b) b) Comportamiento de la conductividad eléctrica de los diferentes tipos de materiales.

Los materiales se clasifican en cinco grupos: •Metales•Cerámicos•Polímeros•Compósitos (materiales compuestos)•semiconductores.

b)


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Figura 1.4. Las plataformas marinas petroleras y las turbinas están constituidas de innumerables partes metálicas.

METALES:Estos materiales tienen un gran número de electrones no localizados, es decir, no

pertenecientes a átomos particulares. Muchas propiedades son atribuidas a estos electrones. Los metales y sus aleaciones, incluyendo al acero, aluminio, magnesio, zinc, hierro

fundido, titanio, cobre, níquel entre otros.


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Figura 1.5. Componentes automotrices, eléctricos y tubos de material cerámico.

CERÁMICOS:Son compuestos entre elementos metálicos y no metálicos, siendo los más frecuentes los

óxidos, nitruros y carburos. Hay una gran cantidad de materiales que caen dentro de esta clasificación, tales como ladrillos, vidrio, porcelana, refractarios, arcillas, cementos, y

abrasivos.


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Figura 1.6. Ensambles y uniones fabricados con polímeros de alta resistencia pueden ser utilizados en la industria petroquímica.

POLÍMEROS:La gran mayoría son compuestos orgánicos basados en el carbono, hidrógeno y otros

elementos no metálicos. Son producidos mediante un proceso denominado polimerización, es decir, creando grandes estructuras moleculares a partir de moléculas orgánicas, los polímeros

incluyen el hule (caucho), los plásticos y muchos tipos de adhesivos. (Figura 1.6).


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a)

Figura 1.7. a) Algunas aplicaciones de materiales compuestos. b) Dos tipos de materiales compuestos

MATERIALES COMPUESTOS (COMPOSITES):Están constituidos por dos o más materiales que generan propiedades no obtenibles

mediante uno solo, tales como el concreto, la madera contra chapada (triplay), y la fibra de vidrio en una matriz polimérica, son algunos ejemplos comunes.


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Figura 1.8. Circuitos integrados para sistemas inteligentes, basan su funcionamientoen los materiales semiconductores.

SEMICONDUCTORES:Los semiconductores tienen propiedades eléctricas intermedias entre los conductores

eléctricos y los aislantes. Estos materiales han influido recientemente en nuestra vida diaria de tantas maneras, que

se justifica calificar nuestro período histórico actual como la “era de los semiconductores principalmente por su relevancia en la industria electrónica y de la computación.


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2. ESTRUCTURA CRISTALINA DE LOS MATERIALES

Figura 2.1. Niveles de ordenamiento atómico en los materiales.

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2.1 Sistemas cristalinos

Figura 2.2. Celda unitaria.

Figura 2.3. Los catorce tipos de celdas unitarias, o redes de Bravais, agrupados en siete sistemas cristalinos.


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2.2Estructuras cristalinas Metálicas

Figura 2.4. Ilustración esquemática del enlace metálico.

Las estructuras cristalinas más comunes son:

(BCC).. Cúbico de Cuerpo Centrado.(FCC).. Cúbico de Caras Centradas.

(HCP).. Hexagonal Compacto.

Algunos metales como el hierro, presentan alguna estructura cristalina ó fase sólida a temperatura ambiente y otras fases sólidas a elevadas temperaturas. Estos cambios de estructura cristalina a otra es lo que se conoce como alotropía.


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2.2 Estructuras cristalinas Metálicas

Figura 2.5. Celda Unitaria BCC.

V, Mo, Fe(a), W y Cr son ejemplos de metales con estructura BCC


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2.2 Estructuras cristalinas Metálicas

Figura 2.6. Celda Unitaria FCC.

Metales como Cu, Al, Au, Pt, Ag, Ni, Fe(g), Co (e) y aleaciones como la mayoría de los latones y los aceros inoxidables austeníticos presentan una estructura FCC


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Figura 2.7. Celda Unitaria HPC.

El Zn, Be, Cd, Co (a) y el Mg tienen una estructura espacial de cristales hexagonales estrechamente empacados


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a) b) c)Figura 2.8. Tres metales puros con diferente estructura cristalina.

a) Hierro meteórico (BCC), b) Níquel nativo (FCC), c) Zinc en lingote (HCP


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3. ALEACIONES, IMPUREZAS Y DEFECTOS PUNTUALES

Figura 3.1. Mecanismos de aleación (solución sólida) e imperfecciones reticulares comunes.

a)

Si los átomos son esencialmente del mismo tamaño que el metal de menor proporción se considerará disuelto en el metal de mayor proporción de la aleación. Esta condición se denomina solución sólida substitucional

Si los átomos del metal de menor proporción en la aleación son mucho más pequeños que los del metal base, no reemplazarán a los átomos del metal de mayor proporción en la red, sino más bien se localizaran en puntos entre espacios ó en espacios interpuestos conocidos como intersticios de red. Este tipo de estructura se denomina solución sólida intersticial.

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3. ALEACIONES, IMPUREZAS Y DEFECTOS PUNTUALES

a)

b) Figura 3.2. Estructura cristalina de compuestos. a) NaCl b) Fe3C o cementita, una fase presente en los

aceros.

la formación de agrupamientos atómicos distintos, los cuales consisten en diferentes estructuras cristalinas. Estos se denominan compuestos

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4. SOLIDIFICACION DE UN METAL PURO

Figura 4.1. Diagramas esquemáticos correspondientes a la solidificación de un material policristalino, donde cada cuadrito corresponde a una celda unitaria. a) Nucleación, b)y c) Crecimiento, d) Estructura

La solidificación de un metal líquido no sucede simultáneamente a través de todo el tiempo que dura el fundido, sino que empieza en el punto de temperatura más bajo, exactamente por debajo del líquido. En este punto se forma un cristal pequeño, que se denomina núcleo. Si este continua creciendo y consume todo el líquido da como resultado un monocristal, pero también se pueden formar distintos núcleos casi simultáneamente, y cada uno de ellos es un punto donde empieza la solidificación y el metal solidificado crece a partir de estos puntos, dando como resultado un material policristalino, donde cada cristal corresponde a cada grano que forma la microestructura de un metal.

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Figura 4.2. Crecimiento dendrítico de un cristal.

Figura 4.3. Etapas iniciales en el crecimiento de una dendrita metálica.


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Figura 4.4. Granos que se forman por las dendritas que crecen simultáneamente. La fotografía de la derecha muestra granos de Ferrita (solución sólida intersticial de carbono en

hierro).


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Cualquier cosa que se haga al metal y que altere o distorsione la estructura cristalina del metal provoca que el metal se endurezca. El trabajar en frío un metal distorsiona la estructura y por tanto lo endurece. La presencia de átomos extraños en la estructura por medio de adiciones de aleaciones distorsiona la estructura y tiende a endurecerla. Cuando los átomos se disuelven en una estructura de estado sólido y luego se precipitan hacia fuera, la estructura se distorsiona y por consiguiente se endurece

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ETAPAS DE SOLIDIFICACIÓN

Se entiende por solidificación el proceso mediante el cual un metal líquido se transforma en sólido. Este proceso se puede dividir para su estudio en tres etapas que son:

1.- Germinación. Enfriamiento a la temperatura del líquidus Sobreenfriamiento

2.- Nucleación de cristales (granos).3.- Crecimiento de cristales (granos).

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5. TRANSFORMACIÓN DE FASE

Fase. Tiene las siguientes características:

•La misma estructura y ordenamiento atómico en todo el material•Una fase tiene en general la misma composición y propiedades•Hay una intercara definida entre la fase y cualquier otra fase a su alrededor

Fases presentes. El diagrama de fases puede considerarse como un mapa de caminos

Composición de cada fase. Cada fase presente en una aleación tiene una composición, expresada como el porcentaje de cada elemento en la fase, usualmente en porciento en peso (% P).

Diagramas de fases. Muestra las fases y sus composiciones en cualquier combinación de temperatura y composición de la aleación

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Figura 5.1. Curva de solubilidad en agua del clorato de potasio.

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Figura 5.2. Diagrama de fases binario mostrando la solidificación de una solución sólida.


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6. CONSTITUYENTES MICRO ESTRUCTURALES DE LOS ACEROS

Figura 6.1. Curva de enfriamiento del

Hierro puro.

La distribución y arreglo de los granos, los límites de grano y las fases presentes en una aleación metálica es lo que se conoce como micro estructura. La micro estructura es responsable de las propiedades de la aleación y ésta se ve afectada por la composición o contenido de los elementos aleantes, por las operaciones de deformación mecánica y por los tratamientos térmicos. Durante el proceso de soldadura la micro estructura es generalmente afectada por efectos térmicos y esto influye directamente en las propiedades de aleación.

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Figura 6.1. Curva de enfriamiento del

Hierro puro.

El hierro tiene una estructura cristalina de reticulado de Cúbico Centrado en el cuerpo (BCC) proveniente de una temperatura ambiente hasta 1670°F (910°C), y a partir de este punto hasta 2535°F (1388°C) es Cúbico Centrada en las Caras (FCC). Por arriba de este punto hasta el punto de fusión de 2800°F (1538°C), nuevamente es de Cúbico Centrado en el cuerpo (BCC). Este cambio en la estructura cristalina se conoce como transformación de fase o alotrópica

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Figura 6.2. Diagramas de equilibrio Fe-C. Diagrama con líneas continuas corresponde al diagrama de equilibrio estable Fe-C(grafito) . Diagrama punteado corresponde al diagrama de equilibrio metaestable Fe-Fe3C.


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Figura 6.3. Diagrama de

equilibrio Fe-C.


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a)

Figura 6.4. Soluciones sólidas Fe-C presentes en los aceros: a) Ferrita y b) Austerita

b)


La mayoría de los metales tienen la capacidad de disolver otros elementos en estado sólido y se forman soluciones sólidas. Una solución sólida de carbono en hierro alfa o delta (BCC) se conoce como ferrita. Una solución sólida de carbono en hierro gamma (FCC) se conoce como austenita.

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a) b)

Figura 6.5a. Microestructura compuesta por granos equiaxiales de Ferrita. 100X.Figura 6.5b. Microestructura compuesta por granos equiaxiales y maclados de

Austenita. 200X.


La ferrita es una solución sólida de carbono en hierro delta o alfa. Tiene una estructura Cúbica Centrada en el Cuerpo (BCC) cuando menos del 0.08% de carbono se disuelve en el hierro.

En los aceros de aleación, ciertos elementos de aleación pueden disolverse en la ferrita como una solución de estado sólido para que se lleve a cabo a la temperatura ambiente.

La austenita es otro importante constituyente. Tiene la forma de entretejido de Cúbica centrada en las Caras, y forma parte de los aceros al carbono a temperaturas mayores de 1333 °F (722°C). No es estable a temperatura ambiente en el acero al carbono; sin embargo, en aceros de alta aleación y en aceros inoxidables es estable a la temperatura ambiente. Tiene ductilidad y buena fuerza de tensión considerable, pero una gran tendencia a endurecerse con el trabajo.

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Figura 6.6. Constituyente bifásico de los aceros llamado Perlita (Ferrita + Cementita). Acero AISI 1080.


La formación de ferrita continuará hasta que se alcance una temperatura de 1340°F (727°C). En este punto, la austenita restante desaparece por completo, transformándose en una estructura conocida como perlita. La perlita es una mezcla de ferrita y carburo de hierro y esta estructura sé retendrá hasta la temperatura ambiente.

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Figura 6.7. Microestrucutura de granos equiaxiales de Ferrita y Perlita. 100X.


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Figura 6.8. Ferrita (fase clara) y Perlita (fase oscura) con presencia de Carburos de hierro (Cementita)

De color claro en los límites de grano. 1000X.


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Figura 6.9 Las cinco reacciones de tres fases de mayor importancia en los diagramas de fases binarios.


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Figura 6.10. Enfriamiento de la austerita y productos de tranformación metaestable de aceros hipoeutectoides, eutectoides e hipereutectoides.


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Figura 6.11. Representación esquemática de los cambios en microestructura durante el enfriamiento lento de un acero al 0.2% de carbono.


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Figura 6.12. Representación esquemática de los cambios en microestructura durante el enfriamiento lento de un acero al 1% de carbono.


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Figura 6.13. Microestructura de martensitas en forma de agujas. 500X y 100X Respectivamente.


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Figura 6.14. Estructura cristalina tetragonal de la

martensita.

Al añadir diferentes aleaciones al acero aumenta la tendencia de la austenita a transformarse en martensita por el enfriamiento. Esta es la base en el endurecimiento del acero.


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7. SOLDADURAS

Figura 7.1. Relación entre las temperaturas pico experimentales en varias regiones de una soldadura y como se correlacionan con el Diagrama Fe-C

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Figura 7.2. Macroestructura de las diferentes zonas de la soldadura, en un acero ASTM A36.Nótese los múltiples pasos de la soldadura (cordones), así como porosidad por causa de

humedad.Las zonas de la soldadura son Metal Base, Soldadura y Zona Afectada por el Calor (ZAC)

ZAC SOLDADURA ZAC

METALBASE

METALBASE

7. SOLDADURAS

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7.1. Soldabilidad de los Metales

La American Welding Society define a la soldabilidad como “la capacidad de un material para ser soldado bajo las condiciones de fabricación impuestas dentro de una estructura específica y convenientemente diseñada y para tener un rendimiento satisfactorio en el servicio que se pretende”.

es de vital importancia que el proceso y los procedimientos de soldadura se consideren cuando se determina la soldabilidad de un metal en particular

La unión de la soldadura que se requiere tiene que tener fuerza uniforme, ductilidad, resistencia a los esfuerzos continuos, resistencia a la corrosión en la soldadura y la zona afectada por el calor. y del material adyacente.

Los cuatro principales factores que afectan a la fractura de la zona afectada por el calor son:

•El espesor del metal base y el tipo de soldadura •La composición del metal base•El proceso de soldadura y el tipo de metal de aporte•El calor de entrada (heat input) y las temperaturas de calentamiento previo.

7. SOLDADURAS

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Los dos factores más importantes para la soldabilidad son la capacidad de endurecimiento y la susceptibilidad a las fracturas de la estructura endurecida. Ambas se incrementan usando un contenido de carbono más alto y de aleación incrementan la capacidad de endurecimiento sin un incremento significativo en la susceptibilidad a las fracturas. En este aspecto el carbono equivalente del metal base se vuelve importante. La fórmula del carbono equivalente es la siguiente:

Contenido decarbono

equivalente= %C %Mn

6+ %Ni

15+ %Cr

5+ %Cu

13+ %Mo

4+

Carbono EquivalenteCarbono EquivalenteTemperaturas de Temperaturas de

precalentamiento sugeridasprecalentamiento sugeridas

0.45% Máximo0.45% Máximo OpcionalOpcional

0.45 – 0.60%0.45 – 0.60% 93º a 204º F93º a 204º F

0.60% Mínimo0.60% Mínimo 204º a 370º F204º a 370º F

Tabla 7.1. Temperatura de precalentamiento en función del valor de carbono equivalente

7. SOLDADURAS

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Los aceros para construcción se pueden agrupar en cinco clasificaciones generales, dependiendo de si son o no endurecibles y de la naturaleza de la estructura endurecida. Las cinco clases son las siguientes:

1.- Aceros suaves no endurecibles y de carbono bajo.

2.- Baja capacidad de endurecimiento con poca susceptibilidad a las fracturas cuando se endurecen, o aceros de baja aleación con un equivalente de carbono de no más de un máximo de 0.20%.

3.- Baja capacidad de endurecimiento con bastante susceptibilidad a las fracturas cuando se endurece, normalmente aceros al manganeso carbono, con menos de un 0.25% de carbono y no más de 1% de manganeso.

4.- Aceros con alta capacidad de endurecimiento y baja susceptibilidad a la fractura cuando se endurecen. Esto incluye a la mayoría de aceros de carbono bajo con baja aleación y alta resistencia generalmente con un carbono de menos de 0.15%, un manganeso hasta del 1.5%, níquel hasta de 1.5%, cromo al 0.25%, molibdeno hasta de 0.25% y vanadio hasta de 0.20%.

5.-Aceros altamente endurecibles con alta susceptibilidad a las fracturas cuando se endurecen. Esto incluirá a los aceros de aleación con un carbono que no excediese del 0.25% pero con aleaciones.

7. SOLDADURAS

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Hay varias precauciones que deben tomarse con las cinco clasificaciones, y son las siguientes:

1.- Precauciones no extraordinarias que se requieren cuando se sueldan materiales con

un espesor de delgado a media

2.- Uso de procesos de bajo hidrogeno y de materiales de aporte y utilización de calentamiento previo para secciones gruesas o incremento de energía por calor:

3.Los procesos de bajo hidrógeno son recomendables, pero no esenciales. Se debe usar calor de entrada alto, y no requiere calentamiento previo, excepto con los materiales más gruesos, y deben fluctuar entre 480 a 660OF (250 a 350OC ).

4.Se requieren Procesos de bajo hidrógeno, se sugieren el calentamiento previo y los interpasos, se recomiendan los procesos con energía por calor alto, y el calentamiento previo se incrementa a media que aumenta el espesor.

5.- Se requieren procesos de bajo hidrógeno, calentamiento previo y temperatura de interfase entre 300 a 480OF (150 a 250OC), así como el empleo de calor después de la soldadura.

7. SOLDADURAS

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Factores que afectan las propiedades de la HAZ:

Precalentamiento Heat Input

Heat Input, Joules/in = Corriente de soldadura x Voltaje x 60

velocidad de avance, in/min

Cuando el heat input aumenta la velocidad de enfriamiento disminuye.

7. SOLDADURAS

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El precalentamiento es una técnica que puede ser utilizada para reducir la necesidad de PWHT, además:

•Disminuye la velocidad de enfriamiento•Puede eliminar la necesidad de PWHT•Se obtiene una estructura dúctil con esfuerzos residuales bajos•Reduce o elimina grietas en caliente•Ayuda en la remoción de humedad•Ayuda en la eliminación de hidrogeno•Retarda la formación de martensita

7. SOLDADURAS

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Post calentamiento relevado de esfuerzos:

Consiste en un calentamiento uniforme de una soldadura o conjunto de soldaduras a una temperatura abajo del límite crítico del material, seguido de un enfriamiento controlado.

Algunos métodos para relevar esfuerzos son los siguientes:

HornoFlama oxiacetilénica Anillos de gas ResistenciaMétodo de inducción

Tabla 7.2 . Relevado de esfuerzos típico para ensambles soldados.

7. SOLDADURAS

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