A.- Materiales Metálicos

La estructura metálica

1.- Perspectiva histórica y necesidades modernas de los materiales

La producción de nuevos materiales y el procesado de estos hasta convertirlos en productos acabados, constituye una parte importante de nuestra economía actual.Los ingenieros deben conocer de la estructura interna y propiedades de los materiales, de modo que puedan seleccionar el más adecuado para cada aplicación y su mejor procesamiento.Los ingenieros sea cual fuere su especialidad, deben tener conocimientos básicos y aplicados sobre los materiales de uso habitual en ingeniería, a efecto de poder realizar su trabajo más eficientemente cuando vayan a utilizar dichos materiales.

2.- Ciencia e Ingeniería de Materiales

La “Ciencia de Materiales” está principalmente ligada a la búsqueda de conocimientos básicos acerca de la estructura interna, propiedades y procesado de materiales.La “Ingeniería de Materiales” está relacionada con el uso de los conocimientos fundamentales y aplicados sobre los materiales, de modo que los materiales pueden ser convertidos en productos necesarios o requeridos por la sociedadAsí estas dos últimas combinadas dan la “Ciencia e Ingeniería de Materiales” resultante del conocimiento de la estructura, propiedades, procesamiento y comportamiento de la ingeniería de materiales.

3.- Clasificación de los Materiales; Competición entre Materiales

Materiales Metálicos: Sustancias inorgánicas compuestas de uno o más elementos metálicos. Pueden contener elementos no metálicos. Su estructura Cristalina hace que los átomos estén dispuestos de manera ordenada. Son buenos conductores eléctricos y térmicos. Relativamente resistentes y dúctiles a temperatura ambiente, otros mantienen alta resistencia,

incluso a elevadas temperaturas.Metales y aleaciones se dividen en dos tipos:Férreas: Contienen alto porcentaje de hierro (aceros y hierros fundidos).No férreas: Carecen de hierro o poseen un bajo porcentaje

Materiales Poliméricos: Formados por largas cadenas de moléculas orgánicas o redes. La mayoría no son cristalinos. Algunos son mezcla de cristalinos y no cristalinos. La rigidez y ductilidad de los materiales varía ostensiblemente Son malos conductores de la electricidad debido a su estructura interna. Algunos son buenos aislantes. Bajas densidades y temperaturas de fluencia (ablandamiento) o descomposición.

Materiales Cerámicos: Son inorgánicos, constituidos por elementos metálicos y no metálicos cohesionados

químicamente. Pueden ser cristalinos, no cristalinos o mezcla de ambos. La mayoría de los materiales tienen alta dureza y resistencia al calentamiento. Tienen fragilidad mecánica (proclividad a la quebradura). Ventajas: bajo peso, altas rigidez, dureza, resistencia al calor y al desgaste, poca fricción y

propiedades aislantes.

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Las propiedades aislantes, junto con la alta resistencia al calor y al desgaste, los hace útiles en revestimientos de hornos, etc.

Materiales Compuestos: Es mezcla de dos o más materiales La mayoría de ellos constan de un determinado material reforzante y una resina compatible

aglomerante con el objeto de obtener las características especificadas y propiedades deseadas Normalmente los componentes no se disuelven recíprocamente y pueden ser identificados por

la interfase Los predominantes son fibrosos (compuestos de fibras en una matriz) y particulados

(compuestos de partículas en una matriz)

Materiales Electrónicos: Importantes para las nuevas tecnologías El más importante es el silicio puro, al que se puede modificar de distintos modos para cambiar

sus características eléctricas.Competición entre materiales: Un factor importante es el costo También lo es el desarrollo de un nuevo material con propiedades especiales para algunas

aplicaciones La sustitución de un material por otro continuará en el futuro, ya que se descubrirán otros

materiales y se desarrollaran nuevos procesos

4.- Influencia de la estructura de los materiales en sus propiedades

Para comprender las propiedades, o sea, las características observables, de los materiales técnicos, es necesario comprender su estructura a escala atómica y/o microscópica. Puede demostrarse que casi cada propiedad principal de los materiales de las 5 categorías mencionadas es resultado directo de mecanismos que suceden a escala atómica o microscópica.Hay un tipo especial de arquitectura relacionado con esas escalas diminutas. La naturaleza de la arquitectura a escala atómica de arreglos Cristalinos (regulares, repetitivos) o No Cristalinos (irregulares, aleatorios) de los átomos.Debe tenerse en cuenta la diferencia de escala entre los niveles “atómico” y “microscópico”.El efecto definitivo que tiene la estructura sobre las propiedades se aprecia bien en dos ejemplos, uno a escala atómica y otro a escala microscópicaPor ejemplo: Aleaciones de aluminio son dúctiles y tienen un empaquetamiento cúbico

Aleaciones de Magnesio son frágiles y tienen un empaquetamiento hexagonal

Relaciones entre la estructura y las propiedades (para todos los materiales). Las propiedades de un material dependen de:

Naturaleza de las fases: En la plancha de concreto las propiedades individuales del concreto y el acero afectan la resistencia total de la plancha. En la aleación de Aluminio 2014, de dos fases, están involucradas una solución sólida de cobre en aluminio y un compuesto intermetálico CuAl2

Cantidad de las fases: Así como tienen importancia las cantidades relativas de acero y concreto, también son significativas las cantidades de las dos fases en la aleación.

Tamaño de las fases: Si todas las varillas de Acero de refuerzo se concentraran en unas pocas barras, la estructura no sería tan resistente como lo es cuando se utiliza la misma cantidad de acero en barras más delgadas. Similarmente se prefiere una dispersión fina de CuAl2.

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Forma de las fases: Si el acero está en barras cuadradas, la concentración de esfuerzo se presentará en las esquinas, causando ruptura del concreto de ahí que se prefiera las barras redondas. En el caso de un precipitado en la microestructura, se obtienen diferentes propiedades según tengan forma esferoidal o de plaquetas.

Distribución de las fases: Si la plancha va a ser sometida a esfuerzos de flexión es conveniente colocar el acero más cercano a la superficie y no en el centro. Igualmente, en una microestructura habrá diferencia en las propiedades si una fase de precipitado se localiza en la frontera de los granos en lugar de distribuirse uniformemente.

Orientación de las fases: Si se va a utilizar la plancha para soportar, por ejemplo, cierto tráfico típico, es preferible orientar el acero. Igualmente, para obtener cierta orientación de las partículas o precipitados en una cinta magnética.

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5.- Los cinco niveles para estudiar la estructura de los materiales

Para entender la estructura de los materiales necesitamos saber: Estructura Atómica: Cuales átomos están presentes. Interacción Atómica: efecto del Níquel en el Hierro Estructura de la Celda Unitaria: Dimensiones y como están unidos (organizados). Podemos

mostrar la organización por medio de una celda unitaria muy simple. Estas celdas se ordenan en conjuntos para formar los granos del material.

Microestructura : Cambios que en ella ocurran. Macroestructura : Cambios que en ella ocurran.

Una vez descriptas estas estructuras y la forma como ellas responden a las condiciones de esfuerzo, de temperatura, de potencia eléctrica y a los campos magnéticos, estaremos en capacidad de entender, no solamente las propiedades especificas de estos materiales, sino también para predecir su comportamiento bajo circunstancias poco comunes.

6.- Conceptos fundamentales de la estructura atómica: Modelo de un átomo

El modelo común de átomo sencillo consta de un pequeño núcleo de aproximadamente 10 -14m de diámetro, rodeado por una nube de electrones relativamente poco dispersa y de densidad variable, el diámetro del átomo es del orden de 10-10m.El núcleo aglutina casi toda la masa del átomo y contiene protones y neutrones.

Masa CargaProtón 1,673.10-24g 1,602.10-19CNeutrón 1,675.10-24g -Electrón 9,109.10-28g 1,602.10-19C

Los electrones, particularmente los más externos, determinan la mayoría de las propiedades eléctricas, mecánicas, químicas y térmicas de los átomos.

Número Atómico: Indica el número de protones. Si es neutro, por lo tanto indicará el número de electrones. Cada elemento tiene su propio número atómico característico, y de este modo, el número atómico define al elemento.

Masa Atómica: La masa atómica relativa de un elemento, es la masa en gramos de 6,023.1023

átomos (Na) de ese elemento. Un mol-gramo (mol) de un elemento se define como el número en gramos de ese elemento igual al número que expresa su masa atómica relativa molar.

Estructura electrónica de los átomos: Si consideramos el movimiento orbital del electrón del hidrógeno alrededor de su núcleo, sólo son permitidas ciertas órbitas definidas (niveles energéticos), debido a las leyes de la mecánica cuántica que solo permiten determinados valores.Así, Niels Bohr desarrolló un modelo para el átomo de hidrogeno que consistía en un electrón sencillo girando alrededor de un protón con un radio fijo (0,05nm).Un electrón puede salir desde una de sus órbitas, en las cuales no radia energía, a otra de energía menor emitiendo un fotón (hf = Eo-Ef)

e= carga del electrónEcuación de Bohr: E= 2.2.m.e4 / n2.h2 n= número cuántico principal

m= masa del electrón (Kg.)h= cte. de Plank (6,62. 10-34J/seg)

En la teoría atómica moderna, la “n” de la ecuación de Bohr se designa como número cuántico principal y la energía expresada en la ecuación es la energía de ionización del electrón (energía necesaria para hacer que el electrón abandone el átomo).

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Puesto que la posición del electrón no puede ser determinada con precisión, se utiliza frecuentemente una distribución de la densidad de nube de carga electrónica. La mayor densidad de carga se encuentra a 0,05nm (Radio de Bohr).

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Números Cuánticos:

Número Cuántico Principal (n): Representa los niveles energéticos principales para el electrón (zona en el espacio donde es alta la probabilidad de encontrar el electrón)

Número Cuántico Secundario (l): Especifica los subniveles de energía dentro de los limites de los niveles principales y también especifica una subcapa donde la probabilidad de encontrar al electrón es alta si ese nivel energético está ocupado. Así:

Número de designación: l = 0,1,2,3.Letra de designación: l = s, p, d, f

Número Cuántico Magnético (ml): Representa la orientación espacial de un orbital atómico. El numero de orientaciones permitidas depende del valor de “l” por la siguiente relación Nml = 2.l + 1, entonces...

l = s Nml = 1l = p Nml = 3l = d Nml = 5l = f Nml = 7

Número Cuántico de Spin (ms): expresa dos direcciones permitidas para el giro del electrón en torno a su propio eje. En sentido horario y antihorario (+ o -). Si dos electrones ocupan el mismo orbital deben tener spins distintos.

7.- Capas de electrones, Tabla Periódica de los elementos

Número máximo de electrones por cada nivel atómico: El máximo número de electrones que pueden ser ubicados en cada nivel atómico esta definido por los diferentes números cuánticos principales, es entonces 2n2.Tamaño Atómico: En general, a medida que a un elemento se le añaden niveles sucesivos con el incremento del número cuántico principal, el tamaño crece. Recorriendo la Tabla Periódica desde un elemento del grupo de los Alcalinos (1A) hasta un gas noble del grupo (8A), el tamaño atómico, en general, disminuye.Configuración Electrónica: El orden de llenado de los orbitales es el siguiente...1s2.2s2.2p6.3s2.3p6.4s2.3d10.4p6.5s2.4d10.5p6.6s2.4f14.5d10.6p6.7s2.5f14.6d10.7p6.6f14.7d10

1s2s 2p 3s 3p 3d4s 4p 4d 4f5s 5p 5d 5f6s 6p 6d 6f7s 7p 7d

Gases Nobles: Con la excepción del helio (1s2), todos tienen configuración en las capas exteriores s2p6 (Ne, Ar, Kr, Xe y Rn), poseen una alta estabilidad química, inactividad para reaccionar.

Elementos electropositivos: Son Metálicos por naturaleza y ceden electrones en las reacciones químicas para producir iones positivos o cationes. El número de electrones cedidos es indicado por el número de oxidación, por ejemplo grupos 1A y 1B.

Elementos electronegativos: Son No Metálicos en esencia y aceptan electrones en las reacciones químicas para producir iones negativos o aniones, por ejemplo desde el grupo 6A y 7A. (excepción: grupos desde 4A hasta 7A pueden comportarse de las dos formas, por ejemplo Carbono, Silicio, Germanio, Arsénico, Antimonio)

Electronegatividad: Capacidad de un átomo para atraer electrones hacia sí. Fuertemente electronegativos son el Flúor, Oxigeno, Nitrógeno, y débilmente electronegativos son el Cesio, Potasio, Rubidio.

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8.- Enlaces Metálicos, Iónico, Covalente, Van der Waals. Descripción, Ejemplos.

Enlace Iónico (Materiales Cerámicos) Ocurre entre átomos cuya diferencia de electronegatividades es notable (aprox. 2) Hay una transferencia completa de electrones desde un átomo a otro con formación de

cationes y aniones. Ambos iones tienen la configuración electrónica de un gas noble, lo cual les confiere una gran

estabilidad. Estado de agregación temperatura ambiente y 1 atm: sólidos y tienen altos puntos de fusión Solubles en solventes polares, en general. Fundidos o disueltos en agua son buenos conductores de la corriente eléctrica.

Enlace Metálico (Materiales Metálicos) Ocurre entre átomos cuyas electronegatividades son bajas y cercanas. Ninguno de los átomos atraerá con gran fuerza los electrones de la unión. Esto hará que los

electrones externos se hallen en un estado relativamente libre y quede una red cristalina de cationes, cuya estabilidad se concreta por la presencia de electrones entre ellos. Sin embargo estos electrones no pertenecen a ningún átomo en particular, sino al cristal como un todo.

Estado de agregación temperatura ambiente y 1 atm: sólido con algunas excepciones. En general tiene alto punto de fusión.

Insolubles en agua o reaccionan químicamente con ella. En estado sólido y fundido son buenos conductores de la corriente eléctrica.

Enlace Covalente (Materiales Plásticos o Cerámicos) Ocurre entre átomos cuyas electronegatividades son altas y cercanas. Se comparten un par de electrones, provenientes uno de cada átomo (común) o el par de un

solo átomo (dativo). Estado de agregación temperatura ambiente y 1 atm: gaseoso, líquido o sólido. En general

tienen bajo punto de fusión. Insolubles o muy poco solubles en solventes polares cuando sus moléculas son no polares. En general son malos conductores de la corriente eléctrica.

Van der Waals (Materiales Plásticos) Enlace secundario entre moléculas, debido principalmente a la atracción entre cargas. Se atraen moléculas, no iones. Aún cuando estén presentes enlaces los enlaces iónicos y covalentes, existe algún

desequilibrio en la carga eléctrica en la molécula. Es especialmente importante en los plásticos o polímeros mayores

9.- Materiales Cristalinos y Amorfos, Celda Unitaria.

Materiales CristalinosSi los átomos o iones constituyentes de un sólido se ordenan en una disposición que se repite en 3-D, forman un sólido al que se lo llama estructura cristalina.Unidades elementales altamente organizadas en estructuras geométricas llamadas cristales, (ejemplos: sales inorgánicas, metales, gases solidificados).

Materiales AmorfosAquellos en que sus átomos no cumplen un ordenamiento regular. Acomodamientos atómicos menos definidos a temperatura ambiente, por ejemplo agua, aceite, mercurio, vidrio.Conglomerado compacto de moléculas, átomos o iones, poco o nada organizados, (ejemplos: vidrio, cauchos, plásticos). La temperatura en la fusión no permanece constante

Celda Unitaria

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(Modelo mínimo) unidad fundamental de la red espacial que se repite análogamente en todas las direcciones axiales del cristal o grano. Encierra un número entero de moléculas, átomos o iones.

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10.- Estructura de Cristales Metálicos, Cálculos de Densidad.

La mayoría de los metales elementales (90%) cristalizan en tres estructuras cristalinas densamente empaquetadas. Esto se debe a que se libera energía a medida que los átomos se aproximan y se enlazan cada vez mas estrechamente entre sí, se encuentran en disposiciones u ordenamientos de energía cada vez mas baja y estable.

Estructura Cúbica Centrada en el Cuerpo (BCC): Un átomo central se encuentra rodeado por ocho más cercanos Si los átomos se consideran esféricos se puede calcular el factor de empaquetamiento atómico

68%Se puede calcular el A.P.F.= Volumen de átomos en la celda / Volumen de la celda

Numero de Coordinación: 8 Atomos por celda: 2 Relación entre la longitud de la cara y el radio atómico: a = 4.R/3 Ejemplos a temperatura ambiente son Hierro, Cromo, Wolframio, Molibdeno y Vanadio

Estructura Cúbica Centrada en las Caras (FCC): A.P.F. 74%, átomos unidos del modo mas compacto posible Numero de Coordinación: 12 Atomos por celda: 4 Relación entre la longitud de la cara y el radio atómico: a = 4.R/2 Ejemplos a temperatura elevada son Hierro, Aluminio, Cobre, Plomo y Níquel

Estructura Cristalina Hexagonal Compacta (HCP): Los metales no cristalizan en la estructura hexagonal sencilla debido a que su A.P.F. es bajo,

pero sí en la forma compacta... A.P.F. 74% Numero de Coordinación: 12 Atomos por celda: 6, tres átomos forman un triángulo en la capa intermedia Relación entre un lado del hexágono y la altura del Prisma: a/h = 1,633

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Ejemplos de estos son Cinc y Cadmio (con una relación a/h 1,633, los átomos están elongados) y Magnesio, Circonio, Titanio y Berilio (con una relación a/h 1,633, los átomos están comprimidos)

Densidad Volumétrica: Se calcula utilizando el modelo atómico de esfera compacta para la celda unitaria de la estructura cristalina de un metal y un valor para el radio del metal en cuestión, así...

v = Masa de la celda / Volumen de la celda

Nota: La ligera menor densidad del valor experimental podría ser atribuida a la ausencia de algunos átomos en las posiciones atómicas (vacantes), a los defectos cristalográficos de línea o a desajustes donde se encuentran los granos (fronteras de granos). Además los átomos no son esferas perfectas.11.- Estados Alotrópicos; Polimorfismo.

Alotropía: Propiedad de algunos elementos químicos de presentarse en dos o más formas distintas (estructuras cristalinas distintas), llamadas alotrópicas, en un mismo estado físico, en la misma composición química.

Polimorfo: Dicese de los cuerpos que se presentan bajo diversas formas sin variar de naturaleza.Muchos elementos y compuestos existen en más de una forma cristalina, bajo diferentes condiciones de temperatura y presión, ejemplos de esto son el Hierro, el Titanio y el Cobalto que presentan transformaciones alotrópicas a elevadas temperaturas y a presión atmosférica.

Hierro - 273 a 912°C BCCHierro 912 a 1394°C FCCHierro 1394 a 1539°C BCC

12.- Materiales Policristalinos: Granos, Anisotropía, Imperfecciones en la Estructura Metálica.

La solidificación de un metal o una aleación puede ser dividida en dos etapas:A.-Nucleación: Es la formación de un núcleo estable en el liquido fundido, y puede ser...1. N.Homogénea: en el liquido fundido, ocurre cuando el metal proporciona por si mismo los

átomos para formar los núcleos. Se da cuando se realiza un elevado subenfriamiento a un metal liquido puro por debajo de su

temperatura de solidificación en un grado suficiente, produciéndose de esta manera, numerosos núcleos homogéneos por movimiento lento de átomos que se mantienen unidos.

Para que un núcleo pueda transformarse en un cristal debe alcanzar un tamaño critico Un conglomerado de átomos enlazados entre si que es menor que el tamaño critico se llama

embrión y si es mayor que el tamaño critico se llama núcleo A causa de su inestabilidad, los embriones están siendo continuamente formados y redisueltos

en el metal fundido.2. N.Heterogénea: es la que se produce en un liquido sobre la superficie del recipiente que lo

contiene.

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Producida también por impurezas insolubles u otros materiales estructurales que reducen la energía libre critica requerida para formar un núcleo estable

Industrialmente, la nucleación es heterogénea pues no existe subenfriamiento.

B.-Crecimiento de Cristales: en un metal liquido y formación de una estructura granular Luego de que los núcleos han sido formados en un metal solidificante, se convierten en

cristales. En cada cristal los átomos están ordenados regularmente, pero la orientación de cada cristal

varía cuando la solidificación se completa y se forman fronteras cristalinas sobre las que los cambios de orientación tienen lugar en distancias de unos pocos átomos.

Un metal solidificado que contiene muchos cristales se llama Policristalino. Los cristales en el metal sólido se llaman Granos, y las superficies entre ellos, Fronteras

Granulares. El numero de sitios de nucleación disponibles para el metal afectará a la Estructura Granular

del metal sólido producido, Así:pocos sitios Estructura Granular Gruesa y Tosca,muchos sitios Estructura Granular Fina(que es la más deseable pues da productos metálicos resistentes y uniformes)

Cuando un metal relativamente puro es fundido en un molde fijo, sin el uso de refinadores de granos, se producen:Granos Equiaxiales: cuando la nucleación y las condiciones de crecimiento en el metal liquido durante la solidificación son tales que los cristales pueden crecer por igual en todas las direcciones, (los encontramos junto a la pared del molde frío, debido a un fuerte enfriamiento que crea una fuerte concentración de núcleos).Granos Columnares: son largos, delgados y rústicos, y se crean cuando el metal se solidifica lentamente en presencia de una reducción regular de la temperatura (pocos núcleos), creciendo perpendicularmente a las caras del molde, ya que los gradientes térmicos más grandes se producen en aquellas direcciones.

Anisotropía: Direccionalidad de las propiedades, característica de los granos y cristales. No se observa en los policristalinos si sus granos están orientados al azar, pero se puede fomentar una anisotropía orientando preferentemente los policristales (ej.: Control de propiedades magnéticas en chapas para transformadores)

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Estructura del grano en fundición industrial: Los metales y las aleaciones se funden de diversas formas. Si tras la fundición el metal va a ser posteriormente fabricado, primero se producen grandes cantidades de piezas sencillas que luego se procesan para dar lugar a productos semiterminadosPara algunos casos es preferible fundir el metal en su forma definitiva (ejemplo: pistón de automóvil).Si se quieren producir lingotes con un tamaño de grano fino se adicionan refinadores de grano al metal liquido antes de la fundición (ejemplo: Al aluminio se le agrega Titanio, Boro o Circonio para lograr una dispersión pura de núcleos heterogéneos).

Solidificación de Cristales Simples: Hay unos pocos materiales que constan de un solo cristal y se los llaman cristales simples o monocristales, esto favorece su conductividad eléctrica ya que no contienen bordes de granos. La temperatura de la interfase sólido-líquido debe ser ligeramente inferior al punto de fusión del sólido, y la temperatura del liquido debe aumentar hasta una temperatura mayor que la de la interfase (ejemplos: Transistores, Diodos).Se utiliza el Método de Czochralski:La mayoría de los materiales cristalinos que se utilizan en la ingeniería están compuestos de muchos cristales y, por lo tanto son policristalinos.

13.- Defectos puntuales, Impurezas y Soluciones Sólidas.

Los defectos puntuales pueden clasificarse:Vacantes: el defecto más sencillo. Espacio dejado por la pérdida del átomo que se encuentra en esa posición.Se puede producir durante el proceso de solidificación como resultado de perturbaciones locales durante el crecimiento del cristal, o por reordenamientos atómicos existentes en el cristal debido a la movilidad de los átomos en metales (1 entre 10.000 átomos).Las vacantes adicionales en los metales pueden ser producidas por deformaciones plásticas del metal, por rápido enfriamiento y por bombardeo con partículas energéticas (neutrones). Las vacantes pueden trasladarse intercambiando sus posiciones con las de sus vecinos.

Intersticial: un átomo en un cristal puede ocupar un lugar intersticial entre átomos que lo rodean ubicados en sitios atómicos normales. Se pueden introducir por irradiación.

Defectos en Cristales Iónicos: son más complejos porque deben mantener la neutralidad eléctrica de los mismos Imperfección de Schottky: dos iones de carga opuesta se pierden en un cristal iónico, se crean

un par de huecos debido al catión. Imperfección de Frenkel: Si un catión se mueve hacia una posición intersticial en un cristal

iónico, una vacante de catión se crea en la posición del ion.

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Estas dos imperfecciones aumentan la conductividad eléctrica.

Impurezas: Ningún material puede ser preparado sin tener algún grado de impurezas químicas. Los átomos o iones de las impurezas que quedan en la solución sólida resultante, sirven para alterar la regularidad estructural del material puro ideal.

Solución Sólida: Es el tipo más simple de aleación, Es un sólido que consta de dos o más elementos dispersos atómicamente en una estructura de fase única.

14.- Solución Sólida Intersticial y Substitucional; Reglas de Hume Rothery.

Solución Sólida Intersticial: Los átomos de soluto encajan en los espacios que hay entre los átomos del disolvente o átomos progenitores. Pueden formarse cuando uno de los átomos es mucho mayor que el otro. Atomo de soluto más pequeño que los átomos de disolvente.

Solución Sólida Substitucional: Los átomos de soluto pueden sustituirse por átomos de disolvente en las posiciones de la red cristalina. La estructura cristalina del elemento progenitor o disolvente permanece inalterada, pero las posiciones cristalinas se pueden distorsionar debido a la presencia de átomos de soluto, especialmente si hay una diferencia significativa de diámetros atómicos entre soluto y disolvente.

Reglas de Hume – Rothery: Condiciones que favorecen la solubilidad cuantitativa de un elemento en otro. Los dos metales deben ser muy similares

La misma Estructura del Cristal. Menos de, aproximadamente, 15% de diferencia en el Radio Atómico Electronegativos similares (habilidad del átomo para atraer un electrón). Deben tener la misma valencia.

15.- Defectos Lineales: Dislocaciones

Defectos Puntuales: No son importantes en cuanto a resistencia pero sí en la difusión. Se los llama “cerodimensionales” y son imperfecciones estructurales que resultan de la agitación térmica.

Defectos Lineales: Son defectos que dan lugar a una distorsión de la red centrada alrededor de una línea. Se crean durante la solidificación del sólido cristalino. También en una deformación plástica o permanente del cristal, por condensación de vacantes y/o por desajustes atómicos en disoluciones sólidas.

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Se debe definir el vector de Burgers: que es el vector de desplazamiento necesario para cerrar un circuito que se forma paso a paso alrededor del defecto.Así tenemos: Dislocaciones Tornillo: Se genera en un cristal por la inserción de un semiplano adicional de

átomos. La distancia de desplazamiento de los átomos alrededor de una dislocación se denomina deslizamiento, y es perpendicular a la línea de la dislocación.El vector de Burgers (b) es paralelo a la línea de dislocación.

Dislocaciones de Borde: Tienen una zona de esfuerzo de compresión donde se encuentra el semiplano extra de átomos y una región de esfuerzo de tensión por debajo del semiplano de átomos. Se puede formar en un cristal perfecto mediante la aplicación de esfuerzos cortantes. Estos esfuerzos introducen una zona de distorsión de la red cristalina en forma de rampa espiral o dislocación de tornillo. Alrededor de dicha dislocación se crea una zona de fuerzas en las cuales se almacena energía.El vector de Burgers (b) es perpendicular a la línea de dislocación

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16.- Defectos Planares: Bordes de Grano. Defectos Volumétricos

Defectos Planares: Son imperfecciones en la superficie de materiales policristalinos, el más importante es... Borde de Grano: que es una región de desajuste entre dos Cristales adyacentes (Granos) que

se encuentran con diferentes orientaciones.En los metales los Bordes de Grano se crean durante la solidificación cuando los Cristales formados a partir de diferentes núcleos crecen simultáneamente y se encuentran unos con otros.El aspecto del Borde de Grano viene dado por las restricciones impuestas por el crecimiento de los Cristales vecinos.El empaquetamiento atómico de los Bordes de Grano es algo menor que dentro de los Cristales debido al mal emparejamiento atómico.Los Bordes de Grano tienen algunos átomos en posiciones rígidas, aumentando la energía de la región, lo cual junto con su estructura más abierta, hacen de ellos una zona más favorable para la Nucleación y el Crecimiento de Precipitados.

Defectos Volumétricos: Resultan del procesamiento inadecuado del material, produciendo vacíos o condiciones desiguales de difusión. Se presentan en los materiales que carecen de la estructura cristalina repetitiva (Sólidos No Cristalinos o Amorfos)

17.- Propiedades de los Materiales con Defectos vs. Materiales Ideales

Aunque la disposición de los iones en los granos metálicos se describe como regular y ordenada, no es perfecta en los materiales metálicos reales; sin embargo, las irregularidades de disposición abarcan sólo una porción sumamente pequeña de todos los iones presentes. No obstante, el efecto de las imperfecciones sobre las propiedades está fuera de proporción con respecto al número relativamente pequeño de imperfecciones presentes.Se han observado varias causas de imperfecciones: La región del límite de grano La presencia de iones extraños, añadidos intencionalmente o que están presentes como

impurezas. El esmerilado, el fresado y los procedimientos de pulido de los materiales metálicos trastornan

considerablemente las capas superficiales e interrumpen la regularidad del espaciamiento iónico.

Los efectos térmicos pueden producir vacancias a temperaturas suficientemente elevadas. Ciertas formas de mala alineación de las hileras y los planos de iones en la estructura

submicroscópica, se conocen como dislocaciones. Las dislocaciones son causadas principalmente por la aplicación de cargas. Las dislocaciones han sido útiles para relacionar las resistencias reales con las teóricas de los materiales metálicos.

18.- Análisis Macroscópico y Microscópico

Análisis MacroscópicoLas características de las estructuras metálicas, que se pueden observar a simple vista, se conocen como macroscópicas.Los exámenes macroscópicos se realizan, a veces, sin mucha preparación especial; pero, con frecuencia, se necesita una cuidadosa preparación de la superficie para poner de manifiesto las características macroscópicas importantes de la estructura.

Análisis MicroscópicoLas características de las estructuras metálicas, que se pueden observar sólo mediante la ayuda de un microscopio.

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Para el estudio de la estructura microscópica se requiere una preparación todavía más cuidadosa de la superficie

El estudio de la estructura metálica es sumamente importante. Estos estudios son útiles para establecer la causa de las fallas metálicas y hacen que sea posible sacar deducciones relativas a la historia previa del material y los métodos de fabricación a que se sometió el metal en cuestión.El estudio de la macro y microestructura es esencial para la metalografía, una ciencia útil en las investigaciones y el control industrial.

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Deformación de los Metales

19.- Ensayo de Tracción: Comportamiento Elástico e Inelástico

Ensayo de Tracción: Un cuerpo se encuentra sometido a un esfuerzo de tracción simple cuando sobre sus secciones transversales se le aplican cargas normales uniformemente repartidas y de modo de tender a producir su alargamiento.El ensayo de tracción es el que mejor verifica el comportamiento de los metales cuando son sometidos a cargas estáticas, pues no sólo permite deducir algunas de sus propiedades tecnológicas más importantes (tenacidad, ductilidad, etc.), sino también obtener el limite de elasticidad o el que lo reemplace prácticamente en el caso de que no lo hubiera, la carga máxima y la consiguiente resistencia estática, en base a cuyos valores se puede determinar la tensión admisible o de trabajo, y mediante el empleo de formulas, muchas de ellas empíricas, deducir las características que representaría el material al ser sometido a otros esfuerzos y ensayos (corte, dureza, etc.).Cuando la probeta se halla bajo un esfuerzo de tracción estático se alarga en mayor o menor grado según su naturaleza, a medida que crece la carga, pudiéndose estudiar gráficamente la relación de esta con las deformaciones que produce.

Los gráficos antes mencionados, que pueden obtenerse directamente de la máquina de ensayo, permite deducir las propiedades mecánicas de los metales, por lo que el conocimiento de sus puntos y zonas características reviste gran importancia. El caso más típico y en base al cual se analizan otros diagramas, nos lo presenta el gráfico de un acero dulce en donde el eje de ordenadas corresponde a las cargas en kilogramos, y el de abscisas a las deformaciones longitudinales o alargamientos en milímetros.

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A = Limite de Proporcionalidad o elasticidad.B = Limite de elasticidad Practico.C = Limite inicial de fluencia.D = Limite final de fluencia.E = Carga Máxima.F = Rotura de la probeta.

I.- Período Elástico:1.- Zona Elástica

II.- Período Plástico:2.- Zona de alargamientos permanentes admitidos.3.- Zona de Fluencia4.- Zona de alargamiento homogéneo en la probeta5.- Zona de estricción.

Comportamiento Elástico e Inelástico (Plástico): Se observa en el gráfico que al comienzo, desde el punto O hasta el A está representado por una recta que nos pone de manifiesto la proporcionalidad entre los alargamientos y las cargas. Además dentro de este período y prácticamente hasta el punto A, los aceros presentan la particularidad de que la barra retoma su longitud inicial al cesar la aplicación de la carga, por lo que en este caso recibe el nombre de Período de Elasticidad (con extensómetros muy sensibles, se puede comprobar que aún en él se generan deformaciones permanentes del orden de los micrones. El número de deformaciones elásticas que puede recibir el material es pequeño). El tramo curvo A-B se confunde con la recta inicial y en el punto B se obtiene la máxima tensión hasta la cual el alargamiento permanente es tan pequeño que puede considerarse prácticamente elástico.Pasando B las deformaciones crecen más rápidamente hasta llegar al punto C, que es característico de los aceros dulces, a partir del cual las deformaciones se incrementan sin aumento de carga, la que experimenta oscilaciones o pequeños avances y retrocesos hasta alcanzar el punto D. A este período se lo llama de fluencia o escurrimiento, pues el material cede sin que aumente la tensión, siendo C y D los puntos inicial y final de fluencia, respectivamente.Las oscilaciones en este período denotan que la fluencia no se produce simultáneamente en todo el material, por lo que las cargas se incrementan en forma alternada para vencer el rozamiento interno de los cristales y ponerlos en movimiento, fenómeno que se repite hasta que el escurrimiento es total y nos permite distinguir los limites superior e inferior de fluencia.Observaciones microscópicas demostraron que en la fluencia comienza el resbalamiento de los cristales a través de los planos de estratificación (planos formados por elementos cristalinos) el cual, a medida que aumenta la carga, produce fisuras hasta la rotura.Como el límite de elasticidad práctico B, es de difícil determinación, se suele adoptar como tal al inicial de fluencia, que será entonces el límite elástico aparente.Más allá del punto final de fluencia D, las cargas vuelven a incrementarse y los alargamientos se hacen más notables o sea se entra en el período de grandes deformaciones, las que son uniformes en toda la probeta hasta llegar a E, que nos indica la carga máxima y a partir de la cual la deformación se localiza en una determinada longitud del material, provocando un estrechamiento de la sección que lo lleva a la rotura. Al período E-F se lo denomina de Estricción.En la zona plástica se produce, por efecto de la deformación, un proceso de endurecimiento, conocido con el nombre de Acritud, que hace alcanzar el esfuerzo de la resistencia del metal, éste al deformarse adquiere mayor capacidad de carga, lo que se manifiesta en el gráfico hasta el punto E. En el período de estricción, la acritud, si bien subsiste, no puede compensar la rápida disminución de algunas secciones transversales, produciéndose un descenso de la carga hasta la fractura.

20.- Concepto de Tensión y Deformación; Curvas. Ejemplos en Aleaciones Fe-C

Tensión (Esfuerzo) : Consideremos una varilla cilíndrica de longitud “lo” y un área de sección transversal “Ao”, sometida a una fuerza de tensión uniaxial “F”, el esfuerzo en la barra es igual al cociente entre la fuerza de tensión uniaxial media y la sección transversal original de la barra, así:

= F / Ao [ lbf / plg2 = psi ; [ N / m2 = Pa

Deformación : Cuando se aplica a una barra una fuerza de tensión uniaxial, da lugar a una elongación en la dirección de la fuerza que se denomina deformación, y es el cociente entre el cambio de longitud de la muestra sobre la longitud inicial.

= l – lo / lo = l / lo [ adimensional

En la mayoría de los casos, se determina mediante el uso de una pequeña longitud, generalmente 2 pulgadas (longitud de calibración), 8 pulgadas en piezas grandes.

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Es común convertir la deformación en un porcentaje de alargamiento o porcentaje de deformación.

Ejemplos en aleaciones Fe-CLa variación del porcentaje de C en los aceros, modifica la respuesta del ensayo de tracción.Puede verse que a medida que aumenta el % de C, la deformación específica disminuye, para aumentar en cambio la resistencia a la tracción. Se produce también la disminución de la estricción y el período de fluencia tan notable en los aceros de bajo tenor en C, va desapareciendo gradualmente hasta haber una total continuidad entre la deformación elástica y la plástica.

Se considera que una familia de aleaciones tienen el mismo E (misma pendiente). E no cambia con la resistencia. E = 2,1.106 kg/mm2

Se puede imaginar una recta de pendiente negativa que va uniendo las distintas curvas en los puntos de rotura, esto es debido a que, al aumentar el tenor de carbono se hacen menos dúctiles (capacidad de transformarse en hilos).

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21.- Otras tensiones: Torsión, Compresión, Corte

Torsión: Se produce torsión en una pieza cuando el sistema de fuerzas actuantes a un lado de la sección en estudio se reduce a un par, situado en un plano paralelo al plano de dicha sección.

Compresión: Similar a la tracción.

Corte: Esfuerzo Cortante se define como = Ps/As donde Ps es la carga en la muestra y As es el área de la muestra paralela a la carga aplicada.El esfuerzo cortante produce un desplazamiento angular () con la deformación cortante , que se define como = tan , la cual es igual a y/Zo

El módulo de corte (o módulo de rigidez), G, se define como G = / El módulo de corte y el Modulo de elasticidad, están relacionados para pequeñas deformaciones, mediante la razón de Poisson, es decir...

E = 2.G (1+v)

22.- Diagrama de Tensión–Deformación de Ingeniería.

Con el objeto de poder independizar a la curva de las dimensiones de la probeta, es que generalmente el diagrama de tracción se traza tomando como ordenados los valores de (sigma) en lugar de “P”, y en las abscisas se reemplaza el alargamiento (l) por el alargamiento especifico (), el que está referido a la unidad de longitud.Esta nueva designación de los ejes induce a creer que la probeta rompe a un valor de la tensión que no es el máximo, pero debe tenerse presente que las tensiones así representadas son considerando su sección inicial “So” y no las instantáneas “S” o sea que no se tiene en cuenta la disminución de la sección al producirse el alargamiento del material. La figura siguiente nos indica, en línea de trazo discontinuo, el diagrama que resultaría al considerar dichas secciones instantáneas.

El esfuerzo en ingeniería se calcula dividiendo la fuerza aplicada F sobre la muestra a prueba por el área de su sección original, Ao.

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Los diseños en ingeniería no están basados en el esfuerzo real a fractura, ya que tan pronto como el limite elástico es rebasado, el material comienza a deformarse. Los ingenieros utilizan en su lugar el limite elástico convencional al 0,2% de desplazamiento para diseños estructurales con los convenientes coeficientes de seguridad.

Las curvas de Esfuerzo–Deformación real son necesarias para investigación. El convencional es el de ingeniería23.- Deformación Elástica; Módulo de elasticidad; Ley de Hooke.

Deformación Elástica: ver punto 19

Las propiedades mecánicas de metales y aleaciones que son importantes en ingeniería para diseño estructural y que pueden ser obtenidas del ensayo de tracción son:1. Modulo de Elasticidad2. Limite elástico convencional a 0,2 % de 3. Resistencia Máxima a la Tensión4. Alargamiento Porcentual5. Porcentaje de Reducción del área en la Fractura

Módulo de Elasticidad (E)Es una constante de cada material que permite conocer los alargamientos elásticos que éste experimenta en función de las cargas.Es, también, la carga que produciría un alargamiento del 100% si para esa carga no llegara a romperse la probeta.En la primera parte del ensayo de tensión la deformación que efectúa un metal es de naturaleza elástica, si se retira la carga convocada sobre la muestra la misma volverá a su longitud original.Para metales la máxima deformación elástica es normalmente inferior al 0,5% En general, los metales y las aleaciones muestran una relación lineal entre el esfuerzo y la deformación en la región elástica del diagrama esfuerzo-deformación.

Ley de Hooke

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= E. = (lf – lo) / lo =1 lf = 2.lo = E

E Modulo de Elasticidad o Modulo de Young, que esta relacionado con la fuerza de enlace entre los átomos en un metal o aleación.Los metales con alto modulo de elasticidad son relativamente rígido y no se deforman fácilmente.

24.- Deformación Plástica: su mecanismo.

Ver punto 19 explicación de Comportamiento Elástico e Inelástico.

25.- Limites de proporcionalidad, elástico y de fluencia.

Limite de ProporcionalidadEs cuando se deja de cumplir la ley de Hooke, deja de ser lineal la relación entre y .

Limite ElásticoEs la fuerza a la que un metal o aleación muestra una deformación plástica significativa.Como no hay un punto definido en la curva de esfuerzo de formación donde termina la deformación elástica y empiece la deformación plástica se elige aquel esfuerzo para el que se produce una cantidad definida de deformación plástica.El limite elástico convencional se toma a 0,2% y se determina a partir del diagrama de esfuerzo-deformación de ingeniería, trazando una paralela a la parte elástica (proporcional) pasante por = 0,002 (m/m) y se determina f como la intersección de la recta con la curva.

Limite de FluenciaLas deformaciones que se incrementaban sin aumento de carga vuelven a incrementarse y los alargamientos se hacen más notables, o sea se entra en el período de grandes deformaciones (ver más arriba)

26.- Resistencia a la tracción máxima y de rotura

Tensión de RoturaEs la máxima fuerza alcanzada en la curva de Esfuerzo-Deformación. No se utiliza mucho en ingeniería de diseño para las aleaciones dúctiles, ya que tiene lugar una deformación demasiado plástica antes de que se alcance.Si la muestra desarrolla una disminución localizada en el área de la sección transversal (estricción) el esfuerzo usual en ingeniería disminuirá con la deformación hasta que se produzca la rotura, puesto que el esfuerzo usual en ingeniería se determina usando el área de la sección transversal original de la muestra.Cuanto más dúctil es un material, más se alargará la muestra antes de la rotura y mayor será la disminución en el esfuerzo sobre la curva esfuerzo-deformación más allá del esfuerzo máximo.Para aleaciones de Al de alta resistencia se produce sólo una pequeña disminución en el esfuerzo más allá del esfuerzo máximo (baja ductilidad)El metal o aleación continúa aumentando el esfuerzo hasta alcanzar el Esfuerzo de Rotura.

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27.- Ductilidad, Resiliencia, Tenacidad.

DuctilidadLa cantidad de alargamiento que una muestra extensible experimenta durante la prueba proporciona un valor de la ductilidad de un material. Se expresa generalmente como porcentaje de alargamiento, empezando con una longitud de calibración de 2 pulgadas.En general, a mayor ductilidad (mayor deformabilidad del material) mayor es el porcentaje de alargamiento.

%alarg. = (l – lo / lo) . 100

ResilienciaCapacidad de absorber y devolver energía dentro del período elástico. El acero de mayor cantidad de grafito y templado tiene mayor resiliencia.( , en el período elástico).

Re = 0,5 . f . f = 0,5 . (f / E) . f = 0,5 . f2 / E

TenacidadEnergía necesaria para deformar plásticamente un metal hasta llegar a la rotura. Es una medida de la cantidad de energía que un material puede absorber antes de fracturarse.( , en toda la curva, hasta la rotura).

RigidezResistencia a la deformación elástica, asociada al modulo de elasticidad. Microscópicamente depende de la dirección de los desplazamientos en zona elástica y Macroscópicamente es constante para aleaciones Fe-C.

MaleabilidadFactibilidad de un metal de ser trabajado en láminas

AcritudEstado que adquieren los metales después de un gran trabajo en frío. Allí la dureza aumenta por deformación de cristales, habiéndose reducido al mismo tiempo la ductilidad y el alargamiento, por lo tanto, no se puede seguir trabajando en frío.

Propiedades Mecánicas claves obtenidas de una Prueba de Tensión

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1.- Modulo de Elasticidad, E

2.- Resistencia a la cedencia

3.- Resistencia a la tension

4.-Ductulidad, 100 x falla (note que la recuperación elástica se presenta después de la fractura)

5.- Tenacidad = d (medida bajo carga; por lo que la línea punteada es vertical).

Los ensayos, tanto sean destructivos como no destructivos, son las únicas maneras de tener una noción númerica de las caracteristicas del material (dureza, resistencia a la tracción, resiliencia, tenacidad, módulo de elasticidad, rigidez, etc.).

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Ensayos Destructivos

28.- Ensayos Destructivos Estáticos, Dinámicos y Cíclicos.

EstáticosSe puede someter al material a aumentos de tensión (cuasiestáticamente). Son los de Tracción, Dureza, Flexión. Ensayo de Tracción: permite determinar la carga específica de rotura (o resistencia a la

tracción), la carga específica correspondiente al limite de fluencia, Alargamiento especifico de Rotura y Concentración específica de rotura (estricción).

Dureza: Ensayos que se adoptan para el control de piezas acabadas o semiacabadas. Flexión : Transversal: aplicación de una carga transversal sobre una probeta, de tal modo que

considerada la sección de la misma, parte de ella se encuentra sometida a esfuerzo de tracción y el resto a compresión, permite determinar: El diagrama de deformaciones (flechas), el modulo de elasticidad, la clase de fundición, el modulo de rotura.

Dinámicos(Impacto) Consisten esencialmente en romper de un solo golpe una probeta de forma y dimensiones determinadas, y medir la energía absorbida en el mismo. Utilizado para determinar si los tratamientos Térmicos fueron correctos, para compara nuevas aleaciones con otros cuyos resultados en servicio se conocen.

CíclicosPiezas sometidas a solicitaciones reiteradas, rompe con características muy distintas a las de otra que fue sometida a carga estática. Esto responde a que la rotura es provocada por un fenómeno distinto conocido como Fatiga. Aplicado a Maquinas alternativas, como ser cigüeñales, bielas, etc.

29.- Rotura Frágil y Dúctil, Concentración de Tensiones.

Los metales FCC exhiben valores de alto impacto y no muestran cambios importantes con la temperatura. Sin embargo, los metales BCC, los polímeros y los cerámicos muestran una temperatura de transición por debajo de la cual se observa un comportamiento frágil.La apariencia de las probetas “Charpy” con muesca en V varía de dúctil a frágil a medida que la temperatura de la muestra se reduce de 90 a –196°C. La observación cuidadosa muestra que la fractura de tipo cizallamiento, indicada por un labio de cizallamiento, es característica de las muestras ensayadas a temperaturas más altas, mientras que no hay cizallamiento en las muestras ensayadas a temperaturas más bajas.

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En un acero de bajo carbono que mostró buena ductilidad en los ensayos normales de tensión, se observaron el desarrollo de grietas severas. El análisis indicó que las fallas ocurrieron como resultado de constricciones (Concentración de Tensiones), y asociadas con el uso de un acero con una temperatura de transición cercana a la temperatura de operación.

Fractura GranularGeneralmente plana, se presenta en Materiales Frágiles donde prácticamente no existe deformación plástica.

Rotura Copa y ConoRevela material homogéneo, de grano fino. La cubeta es más marcada y más profunda a mayor homogeneidad. Característico de Materiales Dúctiles.

Fractura IrregularConstituyentes mal repartidos, generalmente materiales de inferior calidad.

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30.- Diagrama de Tensión-Deformación Real.

Ver punto 22Los puntos de la curva son valores instantáneos entre Tensión-Deformación.

31.- Recuperación Elástica en la Deformación Plástica.

La región elástica de la curva esfuerzo-deformación es la porción lineal inicial. La deformación plástica es una deformación permanente y no se recupera cuando se elimina la carga, aunque se recupera un pequeño componente elástico. La región plástica es la porción no lineal generada una vez que la deformación total excede su limite elástico.Con frecuencia es difícil especificar con precisión el punto en el cual la curva esfuerzo-deformación se desvía de su linealidad y entra en la región plástica.La convención usual es definir como resistencia a la cedencia, la intersección de la curva de deformación con una línea recta, paralela a la porción elástica y desplazarla del cero 0,2% sobre el eje de deformación.La resistencia a la cedencia representa el esfuerzo necesario para generar esta pequeña cantidad de 0,2% de deformación permanente.La figura indica la pequeña cantidad de recuperación elástica que se presenta cuando se quita una carga que está en la región plástica.

32.- Ensayos de Compresión y Flexión.

Ensayo de Compresión: Similar al de Tracción.

Ensayo de Flexión: Se coloca una barra simplemente apoyada en una máquina universal simplemente apoyada. La distancia entre centros de los dos soportes inferiores es de una pulgada. Así se le aplica una carga a la parte superior de la barra, la cual sufre una tensión en la parte inferior. Este esfuerzo de tracción se da aproximadamente por la formula:

= Resistencia a la rotura transversal.P = Carga requerida.

= 3.P.L / 2.b.h2 L = Longitud de la luz.b = ancho de la muestra.h = espesor de la muestra.

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33.- Ensayos de Dureza: Rockwell, Brinell y Vickers.

Ensayos de Dureza por Rayado: con talco al 10% de diamante.Ensayos de Dureza Dinámico: por rebote.

Ensayos de Dureza por Penetración Es una medida de la resistencia de un metal a la deformación (plástica) permanente, se mide forzando con un penetrador su superficie, el cual es de un metal más duro (acero endurecido, carburo de wolframio o diamante).Consta de tres pasos: Precarga, Carga completamente y existencia de recuperación elástica del material, y en general se utiliza una carga conocida presionando ligeramente el penetrador a 90° en la superficie del metal, luego se mide la hendidura y se calcula el número empírico de dureza. Así se puede determinar una relación entre dureza y resistencia.Los tres métodos más utilizados son:

RockwellSe utilizan dos tipos de penetradores según sea la dureza del material Penetrador Cono de diamante: para materiales muy duros y se clasifican además según la

carga que se les aplicará: Penetrad

or esfera de acero: de diámetro 1/16”,

para materiales de dureza media.

Penetrador esfera de acero: de diámetro 1/8”, para materiales blandos. Misma fmla. y la carga es 100 kg.

BrinellUtiliza una bola de acero carburo de wolframio de diámetro 10mm. y posteriormente a los tres pasos se mide el diámetro que deja la impronta. La carga se calcula como...

VickersAnálogo al Brinell utilizando un penetrador Piramidal de diamante. Se aplica una carga P y...

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A RA = 60 kg.C RC = 150 kg.D RD = 100 kg.

Formula a aplicar: 100-500.t

B RB = 100 kg.F RF = 60 kg.G RG = 150 kg.

Formula a aplicar: 130-500.t

P = k.D2

siendo k = 30kg/mm2 (p/aceros y fundic.)k = 5 kg/mm2 (p/cobre y plomo)

Formula BHN = 2.P / .D.(D – D2 – d2)

Formula VHN = 1,72.P / d1

34.- Correlación entre Dureza y Resistencia a la Tracción.

El método de dureza Brinell permite determinar, a partir del valor obtenido, la resistencia a la tracción aproximada de los metales, pudiéndose por lo tanto determinar ésta última sin el ensayo destructivo correspondiente. La relación que liga resistencia con dureza esta dada por:

HBN = 3. r

Para aceros al carbono, brutos de laminación o recocidos, estos coeficientes están determinados y su aplicación es verdaderamente útil.

35.- Factor de Seguridad, Tensión de Trabajo.36.- Ensayos de Impacto: Charpy e Izod.

Ensayos de impacto: Los ensayos dinámicos de choque se realizan generalmente en máquinas denominadas péndulos o martillos pendulares en las que se verifica el comportamiento de los materiales al ser golpeados por una masa conocida a la que se deja caer desde una altura determinada, realizándose la experiencia en la mayoría de los casos de dos maneras distintas según la probeta rompa por flexionamiento (flexión por choque) o que su rotura se alcance por deformación longitudinal (tracción por choque, vista antes)La máquina de ensayo determinará el trabajo absorbido por el material cuando es roto de un solo golpe por la masa pendular y su valor en kgm. O relacionándolo con la sección o volumen de la probeta, según el método, nos indicará la resistencia al choque o capacidad del material para absorber cargas dinámicas de impacto (resiliencia).El principio de funcionamiento de las máquinas utilizadas es el que se ilustra en forma esquemática en la figura, en donde una masa o peso G asegurada a una barra que puede girar libremente sobre un eje O, es elevada a una altura h1, desde su posición vertical de reposo, la que también es posible indicar por el ángulo 1.Si en el punto P ubicado sobre la vertical de desplazamiento del péndulo se coloca una barra de un material determinado, la masa al chocar con ella producirá su rotura, si la energía que posee el péndulo es mayor que la necesaria para alcanzarla, en cuyo caso continuará su trayectoria elevándose hasta la altura h2 indicada también por el ángulo 2. El trabajo empleado entonces en romper la barra será la diferencia entre la energía inicial del péndulo y la que posee al final de su carrera.El valor numérico en kgm. Del trabajo gastado para producir la rotura queda indicado sobre una escala convenientemente graduada que posee la máquina, por el desplazamiento de un cursor arrastrado por el brazo del péndulo.

Flexión por Choque, Método Charpy

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Utiliza probetas entalladas, las que se colocan, como indica la figura, simplemente apoyadas sobre la mesa de la máquina y en forma tal que la entalladura se encuentre del lado opuesto al que va a recibir el impacto.

La resiliencia o resistencia al choque resulta según este método el trabajo gastado por unidad de sección transversal para romper al material de un solo golpe: K = Ao / S en kgm./cm2.La elección del tipo de probeta depende del material a ensayar, adoptándose para cada caso la que de resultados más satisfactorios, en general se emplean las de entalladuras más profundas y de menor ancho para los metales más dúctiles.

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Flexión por Choque, Método IZODAquí la probeta se coloca en voladizo y en posición vertical, siendo asegurada por la mesa de apoyo de modo tal que la entalladura quede en el plano de las mordazas, en estas condiciones el extremo del martillo golpea al material como indica la figura A, pudiéndose realizar más de un ensayo sobre la misma probeta cuando se emplean las del tipo de la figura B. En estas pruebas los valores de ensayos se dan directamente por la resiliencia de impacto en kgm.

37.- Ensayos de Fatiga, Curva de Wohler, Limite de Fatiga y Resistencia a la Fatiga.

Ensayos de Fatiga: Algunos órganos de máquinas y estructuras se encuentran sometidos a cambios de tensiones que se repiten sistemáticamente y que producen la rotura del material, para valores de las mismas considerablemente menores que los calculados en ensayos estáticos, de tracción, compresión, etc.; este tipo de rotura se denomina de fatiga aunque es común identificarla como rotura por tensiones repetidas, produciéndose en forma brusca e imprevista y sin deformación previa del metal. Los esfuerzos dinámicos que producen las fracturas por fatiga pueden ser de tracción, compresión, flexión y torsión, los que varían de un máximo a un mínimo, presentándose en forma simple o combinados. En general, aunque los esfuerzos pueden repetirse en tiempos distintos, la gráfica de la tensión en función de estos, se representa mediante una sinusoide, por lo que es posible hablar de ciclos de tensiones.

La figura nos muestra las representaciones gráficas para los distintos casos de variación de los esfuerzos, por lo cual con el objeto de distinguirlos, se les da la siguiente denominación:

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Alternados (a y b): Se generan cuando las tensiones cambian de signo alternativamente. El caso más común y simple, es aquel en que la tensión máxima positiva es igual a la mínima, obteniéndose un ciclo denominado alternado puro o simétrico. Cuando las tensiones se presentan de distinto signo y valor el ciclo se denomina alternado asimétrico.

Intermitentes (c): Los esfuerzos siempre tienen el mismo sentido y su ciclo va desde 0 a un valor, que puede ser positivo o negativo.

Pulsatorios (d): Tienen lugar cuando la tensión varía de un máximo a un mínimo, distinto de cero, dentro del mismo signo.

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El desarrollo de los ciclos puede indicarse con el valor ejes de motores, piezas de aviones, alabes de turbinas y en general en los mecanismos sometidos a tensiones variables elevadas producidas por movimientos o vibraciones continuas.Las roturas por fatiga se producen en forma repentina y sin deformación previa, presentando dos zonas bien definidas, una mate u oscura de grano aterciopelado o sedoso con puntos brillantes, los que se producirían por el frotamiento que tendría lugar en donde se genera y propaga la fisura; Y otra brillante de aspecto más o menos cristalino, fibrosa o granular, tal como ocurriría normalmente al fracturar un metal en forma brusca.En general, el comienzo de las roturas tiene lugar sobre la parte superficial del material o bien en lugares debilitados por defectos de estructura, mecanizados mal realizados o simplemente por los debilitamientos que pueda presentar la pieza debido a su forma.

Experiencia de WohlerSe deben a Wohler las primeras experiencias sobre los fenómenos de fatiga realizados en hierros forjados y aceros y sus ensayos con algunas modificaciones, son los que aún se emplean en los laboratorios.En ensayos similares a los de Wohler se utilizan probetas sometidas a solicitaciones simples que producen tensiones dinámicas, las que se repiten entre dos limites hasta llegar a la rotura, para determinados valores del esfuerzo.La probeta de sección circular, presenta un extremo ensanchado, por el que es tomada entre las mordazas de la máquina de ensayo que le imprime un movimiento de rotación, mientras que por el otro se la somete a la acción de un peso determinado (carga en voladizo) para originar un esfuerzo de flexión, el que se invierte cada 180° por el giro del material, produciéndose sobre las secciones transversales tracción y compresión en forma alternada simétrica.Estudiando el caso de flexión rotativa se comprueba que, al aplicar en la probeta un esfuerzo que origine un esfuerzo ligeramente inferior al de rotura por tracción, esta acontece en pocos giros o ciclos; repitiendo la experiencia sobre probetas iguales de igual material y bajo las mismas condiciones, pero con disminuciones progresivas de la carga, las fracturas se producen al cabo de un número de ciclos cada vez mayor, hasta llegar a un peso en que los esfuerzos toman valores tales que aquellas tienen lugar para varios cientos de millones de ciclos, los que pueden considerarse como infinitos. A este valor del esfuerzo bajo el cual el material no rompe al aumentar indefinidamente los giros, se le denomina Limite de duración o Resistencia a la fatiga. Llevando a un sistema de ejes (como indica la figura) el valor del esfuerzo máximo que produce la rotura y el número de ciclos correspondiente, se puede obtener para cada serie de probetas, la parábola denominada curva de Wohler o curva de tensiones-ciclos, la cual se irá haciendo asintótica o paralela al eje N a medida que disminuya el esfuerzo, hasta alcanzar el limite de ciclos en el que ya se considera que el material no rompe (convencionalmente mayor que 2.106 ciclos)

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38.- Mecanismos de la Rotura por Fatiga, Vida de Fatiga.

Mecanismo de la Rotura por Fatiga: (Muestra de metal dúctil homogéneo)1. Iniciación de la fractura: Aparecen los primeros síntomas del daño ocasionado por fatiga.2. Crecimiento de la banda de deslizamiento de la fractura: La deformación plástica en un sentido

y otro causa arrugas superficiales y ranuras (extrusiones e intrusiones en banda deslizante) que junto con las irregularidades del material dan lugar a las fracturas que se forman en la superficie o cerca de ella, las cuales se propagan dentro de la muestra a lo largo de planos sometidos a altos esfuerzos cortantes (velocidad de propagación = 10-10m/ciclo).

3. Crecimiento de la fractura en planos de alto esfuerzo de tracción: Las fracturas se propagan y se forman estrías (útiles en los análisis de fallas por fatiga para determinación de origen y la dirección de propagación).

4. Fallo dúctil terminal: La fractura cubre un área suficiente para que el metal restante en la sección transversal no pueda soportar la carga aplicada, la muestra se rompe por fallo dúctil.

Vida de Fatiga:1. Concentración de esfuerzos: La resistencia a la fatiga se ve reducida por la presencia de

aumentos de tensión como ser hendiduras, agujeros, cuñas o cambios bruscos de sección.2. Rugosidades superficiales: crean aumentos de tensión que facilitan la formación de la ruptura

por fatiga.3. Estado de la superficie: Tratamientos de endurecimiento de superficies de aceros,

carburización y nitruración los cuales incrementan la vida frente a la fatiga.4. Medio Ambiente: Un ambiente corrosivo (ataque químico) durante esfuerzos cíclicos de un

metal aumentan la velocidad de propagación de la fatiga (fatiga por corrosión).

XX.- Fluencia Lenta o Creep.

El ensayo de tracción de la mayoría de los metales a temperatura ambiente es independiente del tiempo empleado. La diferencia es mínima o nula si la carga se aplica en dos minutos o en dos horas. Sin embargo a elevada temperatura la resistencia se vuelve muy dependiente de los dos parámetros siguientes:

Velocidad de aplicación de la carga Tiempo de aplicación de la carga

La progresiva deformación de un material a tensión y temperatura constante se llama Fluencia lenta o Creep. Generalmente el Creep comienza a tener significado para relaciones de temperatura Tensayo [°K] / Tfusión [°K] mayor a 0,5.

Ensayo de CreepMide los cambios dimensionales que ocurren a elevada temperatura manteniendo la temperatura y la carga constantes. Los datos obtenidos dan como resultado gráficos como los que siguen:

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Notese que se obtienen mayores tasas de fluencia lenta (pendientes) y tiempos de ruptura mas cortos aumentando la temperatura o la carga.Aumentos de Temperatura o Carga, implican tiempos de ruptura más cortos

Teniendo en cuenta que una falla puede ocurrir por: Excesiva deformación elástica. Excesiva deformación plástica. Rotura.

Se comprende la importancia de este ensayo en materiales que trabajan a elevada temperatura.

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Ensayos No Destructivos.

39.- Tintas Penetrantes, Partículas Magnéticas: Mecanismos, Lecturas.

Tintas PenetrantesSu principio físico se basa en la introducción por capilaridad en los defectos superficiales, de un líquido coloreado o fluorescente cuyo coeficiente de penetración se calcula como:

Coef.de Penet = . donde es la tensión superficial y es la viscosidad del liquido.

Objetivos: Detectar fallas superficiales de espesor mayor a 0,02mm. En especial en piezas no ferrosas, no metálicas o muy grandes. Se aplica mediante Spray o inmersión

Partículas MagnéticasSu principio físico se basa en la magnetización de las piezas a ensayar por medios de campos magnético, generados por alta corriente, logrando que las fallas o soluciones de continuidad superficiales o sub-superficiales actúen como entrehierros modificando las líneas del campo magnético.

Objetivos: Detectar fallas superficiales de espesor menor a 12mm.

Si B = .H cte. Fe.HFe 0.H0 como Fe 0 y además HFe H0, entonces...

En las proximidades de un entrehierro el campo magnético se hace más intenso (líneas de campo mas juntas). Si de alguna manera se pudieran visualizar las líneas de campo se podría ver su variación en correspondencia con las fisuras y así detectarlas. Las líneas de campo se visualizan agregando partículas, magnéticas finamente divididas. La sensibilidad en función de la corriente, forma de la pieza y orientación de la fisura. La mayor sensibilidad se logra cuando la fisura es normal a las líneas de campo.

Proceso:1. Adecuación del Estado Superficial (Limpieza, Rugosidad) 2. Magnetización Continua (varios disparos) y residual.3. Aplicación de las Partículas magnéticas: vía húmeda en bateas para mayor sensibilidad o vía

seca “in situ”(grandes piezas) 4. Observación e interpretación.5. Desmagnetización (Corriente Alterna Decreciente).

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Existen equipos para cada necesidad. La variación de la geometría y de la superficie varia la sensibilidad. Las corrientes involucradas son de 1.500 a 3.000 amperes.

Magnetización Transversal Magnetización Longitudinal

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40.-Radiografía: Emisión de Rayos X, Películas, Lecturas.41.-Gamagrafía: Emisión de Rayos , Películas, Lecturas.

RadiografíaSu principio físico se basa en la transparencia de los materiales para las ondas electromagnéticas de alta energía y el uso de una película radiográfica sensible que permita el registro de la imagen obtenida por transparencia.

Objetivos: Detectar fallas internas de un espesor del 1% del espesor total de la pieza, que puede tener

hasta 100mm de espesor.

GamagrafíaObjetivos: Detectar fallas internas de un espesor del 1% del espesor total de la pieza, que puede tener

hasta 250mm de espesor.

Energía de la Radiación Electromagnética:

H = Constante de Plank.E = h. = h . (c / ) C = Velocidad de la Luz.

= Longitud de Onda

Longitud de Onda Origen de la Radiación Energía

1mm 1000 10-1cm. Radio y Televisión100 10-2cm.10 10-3cm. Radiación Calórica1 10-4cm. Rayos Infrarrojos100m10-5cm. Radiación Visible y Ultravioleta10m 10-6cm. 100 eV1m 10-7cm. 1 KeV1 A 10-8cm. Rayos X 10 KeV0,1 A 10-9cm. 100 KeV0,01 A 10-10cm. Rayos Gamma 1 MeV0,001A10-11cm. Radiación Cósmica 10 MeV

Máquina de Rayos X Pastilla y Cámara de Gamagrafía

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Las fuentes son isótopos (átomos inestables de igual numero atómico pero distinto peso atómico) que decaen emitiendo radiación Gamma. Se fabrican sometiéndolos a bombardeo de partículas en reactores. Al tiempo que tarda para perder el 50 % de su potencia original.

Fuente Vida Media Energía Espesor del AceroTulio 170 127 días 80 KeV 1 a 10 mm.Iridio 192 74 días 600 KeV 10 a 60 mm.Cesio 137 30 años 660 KeV 10 a 80 mm.Cobalto 60 5 años 1,3 MeV 50 a 200 mm.

Propiedades de las Radiaciones Electromagnéticas Se proponen en línea recta, no siendo desviada por campos eléctricos ni magnéticos. Ionizan los gases (detectores). Excitan radiación fluorescente en ciertos compuestos químicos (fósforo). Dañan los tejidos vivos y no son detectados por nuestros sentidos. Sensibilizan emulsiones fotográficas. Atraviesan todos los materiales, incluso los opacos a la radiación luminosa sufriendo una

pérdida de intensidad en relación con el espesor atravesado “X”.

m = Coeficiente másico de absorciónI = Io. e-(m..X) = Densidad del Material

m . = = f (Energía)

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Ejemplo:

I1 = Io. e-(.X1) (ZONA FINA)I2 = Io. e-(.X2) (ZONA GRUESA)I3 = Io. e-(.X2-Xfalla) (ZONA FALLA)I1 I2 , I3 I2

Algunos Valores Potencia-Espesor de los Rayos X

Energía Espesor (mm.)140 KeV 25250 KeV 501 MeV 15051 MeV 250

Ventajas de la Radiografía Industrial Su uso es independiente de la rugosidad superficial de la pieza Grandes espesores (fundiciones, soldaduras, montajes blindados) Registro Gráfico. Inconveniente: la sensibilidad es a lo sumo 1% a 2% del espesor normal a la radiación.

Ejemplo: 100mm fisura mínima detectable 1 mm. (bajo medidas extremas de seguridad), sino normalmente pocos cm.

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42.- Ultrasonido; Emisión y Recepción de Ondas, Lecturas.

UltrasonidoSu principio de funcionamiento es en base a la transmisión de ondas ultrasónicas (f 20 KHz., limite audible por el oído humano) a través de los materiales sólidos, observamos las siguientes comparaciones:

Medio Velocidad Sonido Longitud de ondaAire 330m/s 1,6 a 0,6.10-4 cm.Líquidos 1200m/s 6 a 2,4.10-4 cm.Acero 5900m/s 20 a 8.10-4 cm.Aluminio 6300m/s 20 a 8.10-4 cm.

Se propagan en línea recta y sufren amortiguamiento muy grande en los gases; mediano en los líquidos y débiles en los sólidos.Impedancia Acústica: .C (densidad x velocidad de propagación), así las diferencias de impedancias originan la reflexión y se determina el Factor de Reflexión: R = (W2-W1) / (W2+W1)Así, en aceros se pueden lograr espesores de varios metros con aparatos corrientes.

Emisión y Recepción de OndasExisten cuatro sistemas de localización por ultrasonido, todos utilizan trasductores que son unidades emisoras y receptoras de ultrasonidos. La unidad emisora está compuesta por un generador electrónico de oscilaciones de alta frecuencia. Esta tensión, al actuar sobre el cristal de cuarzo hace que este vibre con la misma frecuencia, transmitiendo esta vibración a la pieza. El cuarzo es un trasductor, ya que transfiere señales eléctricas a mecánicas y viceversa. La unidad receptora también cuenta con un cristal de cuarzo que recibe y convierte las vibraciones en una señal eléctrica que será recogida por un osciloscopio

Ensayo por disminución de la intensidad del ECO: La disminución de la intensidad de la onda ultrasónica reflejada en la cara opuesta de la pieza cuando atraviesa un defecto.

Ensayo por Transparencia: En este caso se utiliza un trasductor como emisor y otro como receptor. La abscisa del osciloscopio representa tiempo, y como la velocidad es constante se interpretará como distancia pudiéndose ubicar la posición del defecto relacionándose la posición del eco intermedio respecto del inicial y el final.Ventajas: La sensibilidad depende de la frecuencia, por ejemplo con frecuencias 100 MHz. se pueden detectar hasta bordes de granos. Se puede llegar a grandes espesores o profundidades.Inconvenientes: Si la pieza tiene una superficie muy rugosa el cabezal no se puede acoplar, a pesar de usar un aceite o grasa acoplante. En especial piezas fundidas.

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Ensayo por la posición del ECO: Se ajusta el palpador del receptor a la distancia que mejor se reciba la emisión reflejada en la cara opuesta de la pieza.

Ensayo por medida del tiempo invertido por la onda reflejada: aparatos provistos de un osciloscopio, en cuya pantalla aparecen tres imágenes correspondientes a la reflexión de la onda sobre la superficie de la pieza, sobre la cara opuesta y, entre las dos, una imagen de la reflexión sobre el defecto, si existe. Posee un solo palpador que contiene el emisor y el receptor.

Existen otros tipos de ensayos Resonancia, Inmersión.

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Trabajo Mecánico

43.- Mecanismo de la deformación plástica, deslizamiento.

De los cuatro tipos de defectos que presentan los materiales, a saber: Defectos Puntuales o Átomos faltantes (vacíos). Importante en la difusión **Defectos lineales o hileras faltantes de átomos (dislocaciones) Defectos de Área (limites de grano) Defectos de Volumen como cavidades actuales.

** Estos defectos son de primordial importancia para entender la razón de la diferencia entre resistencias comerciales y teóricas. Para ilustrar esto, supongamos que tenemos un bloque de metal que posee un plano extra de átomos que se extiende hasta la mitad de éste (figura 1). Vemos que ello da como resultado un núcleo de material inestable que se reintroduce dentro del bloque, como lo muestran los cinco átomos encerrados por un circulo en la sección de la cara. Este núcleo es un defecto lineal llamado “dislocación de borde”. Una característica importante es que los átomos en la parte superior están en compresión y los de la parte inferior en tensión. Es evidente que las fuerzas de enlace no son tan fuertes como en una red perfecta.Veamos ahora qué ocurre si aplicamos un esfuerzo cizallante (figura 2).En la red perfecta, si vamos a desplazar los átomos A necesitamos obtener un nivel uniforme de esfuerzo elevado; esta es la resistencia a la fluencia teórica obtenida en filamentos muy finos.

Sin embargo, donde tenemos una dislocación, los átomos cercanos no se sostienen muy firmemente y la dislocación se desplaza fácilmente hacia la derecha. En otras palabras, obtenemos un menor valor de resistencia a la fluencia.En realidad existen millones de dislocaciones que son producto de la fundición, laminación, etc. Aunque se encuentran en la escala atómica, la evidencia de su presencia y movimiento se puede observar en un microscopio electrónico.

44.- Fortalecimiento por reducción del tamaño de Grano.

Podemos deducir que es posible controlar el tamaño del grano de la pieza terminada por medio de una combinación de trabajo en frío y recocido.Con grandes cantidades de trabajo en frío y recocido rápido, el tamaño del grano será pequeño debido a que se hallan presentes numerosos núcleos para el crecimiento de nuevos granos. Vemos también que los límites del grano son un obstáculo para el deslizamiento. Entonces

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podemos esperar que un material de grano fino presente una resistencia mayor, que uno de grano grueso, lo cual se da en la relación de Petch: = 0 + Kd-1/2 , en donde , es la resistencia a la fluencia, d es tamaño del grano y 0 y k son constantes del material dado. Una ventaja adicional del material de grano fino es la de que el flujo plástico bajo esfuerzo es más uniforme y se obtiene una superficie más tersa al producir piezas estampadas o formadas que cuando se utiliza material de grano más grueso.

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45.- Trabajo Mecánico en frío; Porcentaje de Reducción.

Trabajo Mecánico en fríoPara ilustrarlo, tomemos una barra de metal y apliquemos un esfuerzo hasta que alcancemos el punto A en la curva, bastante mas allá del limite de resistencia a la fluencia (50.000 lb/pulg 2), pero por debajo de la resistencia a la tracción (100.000 lb/pulg2)Descarguemos ahora la muestra, saquémosla de la máquina y entreguémosla a otro operario para que la pruebe. Este obtendrá una resistencia a la fluencia por encima de 80.000 lb/pulg2.Podemos verificar este efecto recordando que al descargar y volver a cargar los puntos deben seguir la misma línea AA’.

Básicamente lo que ocurre es lo siguiente, a medida que aplicamos un esfuerzo en la región de deformación plástica, ocurre un deslizamiento en los planos de orientación preferida, produciéndose dislocaciones y su movimiento. Sin embargo, al presentarse más y más deslizamiento, las dislocaciones interactúan, se amontonan y se forma un nudo de dislocaciones. Esto hace que cada vez sea más difícil el deslizamiento. Todo ello lo muestra la curva creciente de esfuerzo-deformación. Para que se produzca mayor deformación, se necesita mayor esfuerzo.Es importante recordar que el deslizamiento requiere de movimientos de átomos y de movimientos de dislocaciones. Como las dislocaciones también tienen un campo de esfuerzo y otras dislocaciones se producen por el deslizamiento, se estorban mutuamente formando los nudos de dislocación. El efecto neto es que se hace más difícil cualquier deslizamiento adicional.Llegamos ahora al punto crucial del argumento. Cuando obtuvimos el punto A ya se habían ocupado todos los planos y sitios de dislocación de fácil deslizamiento. Cuando se retiró la carga, esta situación no varió. Por lo tanto, cuando se aplicó nuevamente la carga, no era posible obtener una deformación plástica hasta no alcanzar el nivel de esfuerzo del punto A. En consecuencia, encontramos únicamente deformación elástica hasta un nivel mucho más alto y la resistencia a la fluencia fue mucho mayor.El término “frío” es relativo; significa que se trabaja a una temperatura que no altera los cambios estructurales producidos por el trabajo.

Porcentaje de ReducciónEn todos los procesos de trabajo en frío se define como (A0 – Af)/A0 x 100, igual al porcentaje de reducción de área en el ensayo de tensión.En todos estos casos la pieza se hace más resistente por medio del trabajo en frío. Otro efecto importante es que la pieza se endurece y se hace más resistente al desgaste y a la fricción.

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46.- Fortalecimiento por Aleación (Soluciones Sólidas).

En general, con la sustitución de elementos, o aleación se aumenta la resistencia y la dureza del metal base, mientras que la ductilidad puede aumentar o disminuir dependiendo del elemento sustitucional. Por ejemplo los dos elementos sustitucionales de solución sólida sobre las propiedades mecánicas del cobre, es decir el Zn y el Ni, tiene comportamientos diferentes, el Zn es uno de los pocos casos en los cuales aumenta la ductilidad.

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47.- Recuperación, Recristalización y Crecimiento de Grano.

Es útil dividir los efectos de la temperatura en los materiales trabajados en frío en tres regiones, en orden de temperatura ascendente.

RecuperaciónEsta es la gama de temperatura inmediatamente anterior a la temperatura de recristalización. Con el microscopio electrónico podemos demostrar que los esfuerzos se alivian en las regiones de mayor deslizamiento. Las dislocaciones se trasladan a posiciones de menor energía, dando lugar a limites de subgranos en los granos antiguos; este proceso se conoce como poligonización. La dureza y resistencia no cambian mucho durante este período, pero la resistencia a la corrosión mejora. La resistencia eléctrica disminuye ligeramente.

RecristalizaciónCuando la temperatura aumenta por encima del rango de recuperación, se presenta la recristalización. En esta gama de temperatura superior, la formación de nuevos cristales libres de esfuerzo y equiaxiales conduce a una menor resistencia y una mayor ductilidad. Existe una relación interesante entre la cantidad de trabajo en frío previo y el tamaño del grano del material recristalizado. Con una cantidad menor de trabajo en frío se presentan menos núcleos para los nuevos granos y el tamaño del grano resultante es mayor. La resistencia y la ductilidad se modifican aunque las inclusiones en los límites de los granos puedan prevenir completamente los granos equiaxiales.

Crecimiento de granosA medida que la temperatura se eleva aún más, los granos continúan su crecimiento. Esto se debe a que los granos grandes poseen, una menor área superficial por unidad de volumen. Se presentan menos átomos, que abandonan un área unitaria del límite de grano, más en un grano grande que en un grano pequeño, porque los granos minimizan su área superficial. Por lo tanto, los granos grandes crecen a expensas de los más pequeños. Debemos añadir que estos tres efectos también dependen del tiempo. Estos efectos se resumen en la Figura.

48.- Temperatura de Recristalización; Trabajo en Caliente.

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Temperatura de Recristalización, SelecciónLa temperatura requerida para la recristalización varía según el metal y es aproximadamente de un tercio a un medio de la temperatura de fusión de un metal puro, expresada en una escala absoluta. Por lo tanto, vemos que el acero es recocido al rojo (870 a 980°C), mientras que a esta temperatura el aluminio estaría en estado líquido. Por otro lado, es difícil trabajar en frío el plomo a la temperatura ambiente debido a que su temperatura de recristalización es muy baja. Más aún, debemos aclarar que la temperatura de recristalización es un intervalo y no un punto fijo. Además, entre mayor sea la cantidad de trabajo en frío, menor será la temperatura de recristalización, debido a la energía acumulada. La reducción súbita de dureza para el latón con 65% Cu y 35% Zn nos muestra el orden de magnitud de la reducción en la temperatura de recristalización que podemos esperar con el aumento de trabajo en frío.Ahora podemos resumir las variables que influyen la temperatura de recristalización. En efecto, ésta no es una temperatura fija, sino que depende de la aleación, del porcentaje de trabajo en frío, del tamaño de grano original y del tiempo que se mantiene a esa temperatura. La temperatura de recristalización aumenta con el aumento de aleantes. Sin embargo, disminuye con el aumento del trabajo en frío, el tamaño de grano más fino y los mayores tiempos de mantenimiento a temperatura.Los efectos del trabajo en frío y del tamaño de grano se pueden explicar por el hecho de que los nuevos granos pueden nuclearse más rápidamente en los sitios de alta densidad de dislocación (límites de granos y planos de deslizamiento).Los efectos de aleantes y del tiempo dependen de la difusión. Sin embargo, es razonable esperar que el movimiento de los átomos es fundamental para la recristalización y que la presencia de átomos extraños (elementos de aleación) hace más difícil el movimiento de los átomos. En forma similar, los tiempos mayores a la temperatura, le dan mayor oportunidad de movimiento a los átomos y entonces la recristalización puede ocurrir a una temperatura menor. Por lo tanto, es muy común mantener una hora (a la temperatura), para determinar la temperatura de recristalización.

Trabajo en calienteSi trabajáramos la pieza, no con trabajo en frío y recocido, sino a la temperatura de recocido, se presentaría la recristalización de tal manera que pudríamos continuar trabajando la pieza sin interrupciones y por lo tanto podemos realizar prácticamente toda la operación de trabajo a la temperatura de recocido o por encima de éstas. Por ejemplo, el acero se pasa a través de un conjunto de rodillos a altas temperaturas y en algunos casos, la temperatura aumenta debido al calor que produce el trabajo mecánico.Las desventajas del trabajo en caliente son la oxidación de la superficie del metal y una vida más corta de las matrices provocada por el calentamiento de la pieza. Con el trabajo en frío se puede producir una mejor superficie, ya que la pieza puede recocerse en un horno con una atmósfera protectora después de trabajada. Si la pieza se termina por trabajo en caliente, serán menores la resistencia y la dureza.En muchos casos se utiliza una combinación de trabajo en frío y de trabajo en caliente. Primero, se funde una pieza grande, tal como un lingote, se lamina en caliente en forma de barra y luego se limpia, Se protege luego la superficie por medio de laminado en frío y recocido en atmósferas protectoras.

49.- Métodos de Conformado: Forjado, Laminado, Extrusión y Trefilado.

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a.- Laminado en frío de varillas o láminasb.- Extrusión en fríoc.- Formado en frío, Estampado, Forjad.- Trefilado en frío.

50.- Técnicas de Moldeo; Metalurgia de polvos.

Metalurgia de PolvosSe utilizan polvos de los materiales escogidos, los cuales se mezclan y luego se comprimen en una matriz que tiene la forma deseada. La masa luego se trata a alta temperatura para promover la unión entre los granos del polvo por sinterizado, que es un tipo de unión por difusión. Este método tiene especial importancia en la producción de herramientas de carburos para máquinas herramientas.

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Diagramas de Equilibrio

51.- Comparación entre los metales puros y las aleaciones.

Son pocos los elementos que se usan comercialmente en forma pura, por ejemplo, el cobre puro en conductores eléctricos. Generalmente, como en el caso del hierro, están presentes otros elementos para dar mayor resistencia, mejorar la resistencia a la corrosión, o simplemente como impurezas debido al costo de refinación. En todo caso es necesario saber el efecto que tienen estos elementos en la estructura a causa de que la estructura determina las propiedades.Cuando se adiciona un segundo elemento pueden suceder dos cambios estructurales diferentes: Los átomos del nuevo elemento forman una solución sólida con el elemento original, pero aún

existe una sola fase tal como FCC o un líquido. Pueden ser Solución Sólida (más dúctil y deformable) Sustitucional (Cu-Ni) o Intersticial (Fe-C).

Los átomos del nuevo elemento forman una segunda fase nueva, que contiene generalmente algunos átomos del elemento original. Toda la microestructura puede transformarse en esta nueva fase o pueden estar presentes dos fases simultáneamente (tienen mas dureza o resistencia)

Metal PuroSi lo tenemos fundido y lo enfriamos lentamente, será un proceso continuo y uniforme hasta que se estabiliza durante un cierto tiempo (solidificación) y luego continúa el enfriamiento con la misma uniformidad hasta Temperatura ambiente.

Aleación (Binaria)Mezcla de dos metales, sistema de dos componentes, puesto que cada elemento se considera un componente separado.Así, un sistema isomorfo posee componentes completamente solubles entre sí, tanto en el estado sólido como líquido, sólo existe un tipo de estructura cristalina para todas las composiciones de los componentes (Cu-Ni).Normalmente cumplen una o más de las reglas de solubilidades de sólidos de Hume – Rothery.

52.- Soluto, Solvente, Componente, Sistema, Equilibrio y Fase.

Soluto: Componente de la aleación en menor proporción.Solvente: Componente de la aleación en mayor proporción.Sistema: Combinación en alguna proporción de Soluto y Solvente.Equilibrio: Cuando no tienen lugar cambios macroscópicos con el tiempo.Fase: Porción de un sistema material homogéneo y separado físicamente.

53.- Diagramas de Fase Obtención e interpretación.

Diagrama de fasesMapa que muestra cuales estructuras o fases están presentes y en equilibrio a medida que se varían la temperatura y la composición general de la aleación a Presión constante.Se han determinado para sistemas (aleaciones) que enfrían lentamente o en condiciones de equilibrio con la presión atmosférica y no tiene aplicación para aleaciones que enfrían rápidamente en rango de temperaturas de solidificación.

54.- Líneas Solidus y Liquidus, Límite de Solubilidad.

Línea LiquidusTemperatura a la cual el líquido empieza a solidificarse bajo las condiciones de equilibrio.

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Línea SolidusTemperatura durante la solidificación de una aleación a la cual el final de la fase liquida solidifica.

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55.- Regla de las Composiciones, Regla de la palanca.

Regla de las ComposicionesPara determinar las composiciones de las fases liquida y sólida.

mt (masa total) = 100g = mL + mS mL = 60gResuelvo el sistema

30%.mL + 80%mS = 50%. (100g) mS = 40g

Regla de la PalancaSirve para determinar los porcentajes en peso de las fases en las regiones de doble fase de un diagrama de fases en equilibrio binario de compuestos solubles uno en otro.

Fracción en peso de la fase sólida: % = XLA – XA / XLA - XSA

Fracción en peso de la fase líquida: %L = XA – XSA / XLA – XSA

56.- Diagramas de Solubilidad total, parcial o nula.

Solubilidad Total: Forman solución sólida para toda composición (Ej: Cu-Ni; Au-Ag). También llamada Solución Sólida Completa.Solubilidad Parcial: Solubles en estado liquido y parcialmente solubles en estado sólido (Ej: Fe-C; Pb-Sn) . También llamada Solución Sólida Limitada.Solubilidad Nula: Solubles en estado liquido e insolubles en estado sólido (Ej: Bi-Cd; Al-Si). También llamada Sin Solución Sólida.

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57.- Eutécticos y Eutectoides.

Concentración EutécticaAquella que tiene la temperatura de solidificación inferior a la de todas las demás concentraciones. También llamada Aleación Eutéctica

Concentración EutectoidePara otra concentración de la aleación existe una que tiene una temperatura de cambio de forma de cristales inferior a todas las demás concentraciones. (Cambio de cristalización o por cambio de concentración)

EutécticoSe comporta más como un metal puro que como una aleación. Se caracteriza en sistemas con solubilidad limitada de un componente en otro.Reacción: Liquido + + Q

EutectoideReacción que se efectúa en el estado sólido.Reacción: + + Q

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Diagrama Hierro - Carbono

58.- Diagramas de Hierro Carbono, Metaestable y Estable, Descripción.

Hierro-Carbono = Hierro-Carburo de Hierro (Fe3C = Cementita), así, 100% Fe3C = 6.67% C

Ledeburita: Aleación Eutéctica con 35,5% Fe y 64,5% C = 4,3% Fe3CHipoeutécticas: precipitan cristales de Fe con Fe3C en solución = AustenitaHipereutécticas: precipitan cristales de Fe3C con Fe en solución = Cementita Primaria

Perlita: Aleación Eutectoide con 86,5% Ferrita y 13,5% Cementita SecundariaHipoeutéctoides: precipitan cristales de Fe = FerritaHipereutéctoides: precipitan cristales de Fe3C = Cementita

59.- Descripción y propiedades de: Ferrita, Austenita, Perlita, Cementita y Grafito.

FerritaEs hierro (hierro casi puro) obtenido en la zona crítica, durante el enfriamiento por transformación alotrópica del hierro . Es la forma del hierro estable a temperatura ambiente. Puede tener en solución sólida pequeñas cantidades de Si, Mn, P, S y otras. En los aceros

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aleados puede tener en solución cantidades variables de Ni, Mn, Cu, Sí, Al, etc. El carbono es retenido por la ferrita en un máximo de 0.008 % a temperatura ambiente.Cristaliza en el sistema cúbico a cubo centrado. Al microscopio se observa como granos blancos de contornos negros, cuando es atacada con reactivos de nital o picral. Es el más blando de los constituyentes metalográficos del acero, tiene aproximadamente 80 Brínell de dureza; es poco tenaz; 28 kg/mm2 a tracción; 35 % de alargamiento.Es muy dúctil y magnética.

AustenitaEs una solución sólida de carbono o carburo de hierro en hierro gamma. Puede contener desde 0 a 1,7% de carbono y es, por lo tanto, un constituyente de composición variable. Todos los aceros se encuentran formados por cristales de austenita cuando se calientan a temperatura superior a las criticas. Aunque generalmente es un constituyente inestable, se puede obtener esa estructura a la temperatura ambiente por enfriamiento rápido de aceros de alto contenido en carbono o de muy alta aleación.

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CementitaEs el carburo de Fe, CFe3, conteniendo 6,67 % de C y 93,33 % de Fe. Es el constituyente más duro (más de 68 Rc.), y frágil de los aceros. Cristaliza formando un paralelepípedo ortorrómbico. No es coloreado ni atacado por los reactivos ácidos comunes (picral o nital), apareciendo siempre blanco brillante. El picrato de sodio en caliente lo colorea de gris oscuro. A temperatura debajo de 218°C es magnética, luego pierde su magnetismo.Con la ferrita forma un eutectoide llamado perlita, propio de los aceros hipo e hipereutectoides.Aparece libre en los aceros hipereutectoides generalmente en forma de red.

PerlitaEs un eutectoide formado por capas alternadas de ferrita y cementita. Tiene composición química constante y definida de 0,89% de carbono. Según la velocidad de enfriamiento las láminas tienen distintas separaciones; a mayor velocidad de enfriamiento láminas más juntas y su dureza puede variar de 250 a 300 Brinell; a menor velocidad de enfriamiento las láminas resultan más gruesas y separadas dando dureza de 200 a 250 Brinell. La resistencia a la rotura es de alrededor de 80 kg/mm2. y su alargamiento 15 % aproximadamente.Los reactivos ácidos la colorean en general de oscuro como consecuencia de las sombras y claros que proyectan los elementos que la constituyen. El microscopio la muestra muy similar a una impresión digital.

60.- Aceros y Fundiciones: Definición, Constituyentes.

Los aceros al carbono según su tenor de carbono pueden clasificarse en:Aceros hipoeutectoidesAquellos que tienen menos de 0,89 % de C, cuya estructura metalográfica al estado de recocido está formada por ferrita como matriz del eutectoide perlita. Las propiedades mecánicas de estos aceros dependen pues de las propiedades intrínsecas que los constituyentes representan en la proporción de sus cantidades relativas o sea de su % de C.

Aceros eutectoidesAquellos cuyo tenor de carbono es de 0,89 %. El único constituyente que está presente en la perlita, luego sus propiedades mecánicas son las del acero.

Aceros hipereutectoidesDe composición superior al 0,89 % de carbono hasta 1,7%.Su estructura está constituida por perlita y cementita en forma de red o en nódulos según sea la cementita presente laminar o globular.

Fundición BlancaAleaciones de Fe – C – Si (2,1 a 3,6% de C y 0,5 a 1.9% de Si). Contiene gran cantidad de Carburos de Hierro que la hace dura y quebradiza.

Fundición GrisAleaciones de Fe – C – Si (2,5 a 4% de C y 1 a 3% de Si). Contiene gran cantidad de Carbono en forma de hojuelas de Grafito. Son fáciles de elaborar y tienen buena resistencia al desgaste.

Fundición DúctilAleaciones de Fe – C – Si (3 a 4% de C y 1,8 a 2,8% de Si). Contiene gran cantidad de Carbono en forma de nódulos de Grafito (esferas). La adición de Magnesio en un 0,05%, antes de que el hierro fundido sea vertido, permite formar estos nódulos. Es más dúctil que la fundición gris

Fundición Maleable

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Aleaciones de Fe – C – Si (2 a 2,6% de C y 1,1 a 1,6% de Si). Se funde primero como fundición Blanca y luego se trata térmicamente a 940°C durante 3 a 20 horas. El carburo de hierro en el hierro blanco está descompuesto en nódulos de forma irregular o grafito.

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61.- Enfriamiento hasta temperatura ambiente de Aceros y Fundiciones.

Vamos a estudiar el proceso de transformación y los microconstituyentes que aparecen en distintos tipos de aceros y fundiciones, considerando un enfriamiento teórico, infinitamente lento (Diagrama Estable), desde el estado líquido.Aceros:A. HipoeutectoideACERO DE 0,20% DE C: Comienza la solidificación a 1.495° aproximadamente (punto b de la línea AC), precipitándose al principio cristales de austenita cuyo contenido en carbono es inferior a 0,20 %.El contenido en carbono de estos cristales viene dado por la abscisa del punto “a”. Al continuar la solidificación se van precipitando cristales cada vez más ricos en carbono, y su porcentaje en carbono viene dado por las abscisas de los puntos a' a" de la línea Aa'a"E. Mientras tanto el líquido residual va enriqueciéndose en carbono y su composición viene dada por las abscisas de los puntos b b" de la línea Ab' b"C.Durante este tiempo se va efectuando la difusión del carbono en los cristales que se han ido precipitando, tendiendo a homogeneizarse la composición de todos ellos y la composición de los cristales se desplaza, según la línea a a' a"...A temperaturas comprendidas entre el principio y fin de la solidificación, la cantidad de cristales solidificados, es proporcional a la distancia horizontal entre la vertical correspondiente a la composición del acero bc'a" y la línea Abb'b" y la cantidad de líquido residual es proporcional a la distancia de la misma vertical bc'a" a la línea Aa'a". Así, por ejemplo, a 1.460°...El porcentaje del líquido será 100 x (a’ c’)/(a’ b’) %, y...el porcentaje de cristales 100 x (c’ b’)/ (a’ b’) %Cuando la temperatura del acero ha descendido a 1.400° aproximadamente, punto a", la solidificación es completa. La temperatura y composición de los últimos cristales que se solidifican vienen dadas por el punto a" y las del líquido residual un momento antes son las que corresponden al punto b", y si la difusión fuera perfecta, al final, la composición de todos los cristales sería la del punto a".En realidad la difusión no es perfecta y los primeros cristales de austenita tienen menos carbono que los que se depositan al final. La austenita precipitada es heterogénea, siendo los centros de cristalización y ejes de los cristales las zonas menos carburadas. El contenido en carbono de las retículas de los granos suele ser superior a la media del acero.Mientras el acero atraviesa la región austenítica AESG la difusión continúa, y si se dejase pasar el tiempo suficiente para que se efectuara la difusión, esa heterogeneidad inicial del metal desaparecería.Sin embargo, las velocidades habituales de enfriamiento no permiten que se efectúe completamente la difusión.Luego, no ocurre nada anormal hasta el punto a"' a 891°. Entonces comienzan a nacer de la austenita, cristales de ferrita y el contenido de carbono de la austenita restante va aumentando según la línea GOS, mientras la temperatura desciende.Al llegar a los 768° toda la ferrita que ha ido naciendo a expensas de la austenita sufre una transformación magnética y se modifica su estructura cristalina. Para entonces la austenita ha aumentado su carbono hasta 0,35 % de C punto 0. Por fin, al llegar a 700° aproximadamente, el resto de la austenita contiene 0,90 % de C y se transforma bruscamente en perlita con desprendimiento de calor, apareciendo como componentes finales cristales de ferrita y Perlita.

ACERO DE 0,60 % DE C: La solidificación comienza a temperatura más baja que antes, 1.470° aproximadamente (b1). Comienza precipitándose austenita de 0,08% de C aproximadamente (a1), luego cada vez los cristales son más ricos en C y los últimos cristales que precipitan a 1.395° son ya de 0,60 % de C (a'1). No ocurre ninguna novedad hasta los 758° (a"1), entonces comienzan a nacer cristales de ferrita y la austenita se va enriqueciendo en carbono, y hacia los 700°, cuando la composición de la austenita es la eutectoide, precipita toda ella en forma de cristales de perlita.

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Obtenemos como en el caso anterior cristales de ferrita y perlita, pero la proporción de los de perlita es mayor que antes.

A. EutectoideACERO DE 0,90 % DE C: La primera parte del proceso es la misma que anteriormente. El comienzo de la solidificación ocurre a 1.445° (b2). Como siempre el contenido en carbono de los cristales de austenita que van precipitando, aumenta progresivamente hasta 0,90 % de C a 1.225°, punto a'2, y entonces por difusión ya todos los cristales tienen aproximadamente la misma composición.Luego no ocurre nada hasta los 700°. Entonces bruscamente todos los cristales de austenita se transforman en cristales de perlita, obteniéndose como resultado exclusivamente cristales de perlita.

A. HipereutectoideACERO DE 1,40 % DE C: La precipitación de la austenita se verifica igual que en casos anteriores. La solidificación comienza a 1.405° (b3) y termina a 1.145° (a’3), obteniéndose cristales de austenita de 1,4% de C. Pero luego hacia 1.020° (b’3) de esos cristales de austenita, comienzan a nacer cristales de cementita y el porcentaje en Carbono de la Austenita se va modificando con la temperatura según la línea E-S. Continúa la aparición de nuevos cristales de cementita y el empobrecimiento de los de austenita, hasta que, a 700° aproximadamente, tienen 0,90% de C, y bruscamente se transforman todos los cristales de austenita en cristales de perlita.El nacimiento de esos cristales de cementita secundaria es debido a que el poder de disolución de la austenita disminuye desde 1.145° al descender la temperatura. A 1.145° puede disolver hasta 1,70 % de C (25,5 % de cementita), pero a temperaturas inferiores no puede disolver tanto. A

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900°, por ejemplo, (e'3) no puede disolver más que 1,25 % de C ó 18,7 % de cementita y por tanto, al bajar hasta esa temperatura ha tenido que ceder el 6,8 %, de cementita sobrante.Estos cristales de cementita se denominan cementita secundaria, para distinguirla de la que precipita al solidificarse las fundiciones que se llama cementita primaria.

FundicionesFUNDICIÓN DE 3 % DE C: La solidificación comienza a 1.385°, aproximadamente, punto f. Entonces se precipitan cristales de austenita cuya composición es la del punto g precisamente; al descender la temperatura los nuevos cristales que se precipitan tienen cada vez más carbono y su composición viene marcada por la línea g-E. El líquido madre también va aumentando cada vez su riqueza en carbono según la línea f - C y llega a 4,3 % (punto C), cuando su temperatura es aproximadamente de 1.135°. En este momento solidifica todo el líquido madre dando cristales de ledeburita, y tendremos cristales de austenita de 1,7 % de carbono (E) y cristales de ledeburita. (Se llama ledeburita a los cristales eutécticos compuestos a 1.135° por 52% de cementita y 48% de austenita.)Luego, al ir disminuyendo la temperatura, la composición de los cristales de austenita se va modificando y su contenido en carbono viene señalado por la línea E- S y al disminuir el carbono de los cristales de austenita, van apareciendo cristales de cementita secundaria. La disminución de temperatura influye también sobre la ledeburita, que está formada por cementita primaria y austenita. A esta austenita le pasa lo mismo que a la austenita no eutéctica (que a temperaturas inferiores a 1.135° no puede disolver 1,7 % de C) y de ella nacen cristales de cementita secundaria y se va empobreciendo en carbono hasta los 700°. Entonces toda la austenita que contiene 0,90 % de C se transforma en cristales de perlita, obteniéndose como resultado cristales de cementita secundaria (de los cuales parte provienen de la austenita y otros provienen de la ledeburita), cementita de la eutéctica y cristales de perlita. (Unos que provienen de la austenita primaria y otros que provienen de la ledeburita.) (1)

FUNDICION DE 4,3 % DE C: De todas las aleaciones hierro-carbono es la de más bajo punto de fusión. Al ir descendiendo la temperatura desde el estado líquido, no ocurre nada hasta los 1.135° (punto C). Entonces se solidifica bruscamente precipitándose cristales de ledeburita. Estos cristales de ledeburita están formados por 52% de cementita primaria y 48% de austenita. Al continuar descendiendo la temperatura, la composición de la austenita de la eutéctica se va modificando, se precipitan cristales de cementita secundaria, hasta que por fin, a 700°, la composición de la austenita es la eutectoide y se precipitan cristales de perlita. Al fin, el resultado de la cristalización es: cristales de cementita primaria, cristales de cementita secundaria y cristales de perlita. Todos ellos resultantes del desdoblamiento de los cristales eutécticos de la ledeburita que ha precipitado primeramente.

FUNDICIÓN DE 4,8% DE C: Al descender la temperatura se inicia la solidificación en el punto n a 1.400° aproximadamente, comenzando a precipitarse cristales de cementita primaria. Al continuar la solidificación, el contenido en carbono del líquido madre va decreciendo según la línea n-C, y cuando llega a 1.135° es de 4,3 % de carbono aproximadamente, y cristalizan bruscamente, cristales de ledeburita.Luego, al descender la temperatura, la descomposición de la ledeburita es igual que en los casos anteriores. Como la ledeburita está formada por austenita y cementita, y como aquella, por debajo de 1.135° va perdiendo su capacidad de disolución del carbono desde 1,70 % a 0,9 %, tiene que empobrecerse en carbono, y a partir de 1.135° nacen cristales de cementita secundaria, y cuando la temperatura es de 700°, la composición de la austenita es eutectoide (0,9 % de C) y se precipita en forma de cristales de perlita, siendo el resultado final de la solidificación: Cristales de cementita primaria proeutéctica y cristales de perlita y cementita secundaria de la ledeburita.

62.- Análisis de la Microestructura de las aleaciones Hierro Carbono.

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63.- Propiedades vs. Microestructura de las aleaciones Hierro Carbono.

Los aceros al carbono en estado de recocido, o sea los obtenidos enfriando lentamente desde el punto crítico superior, presentan propiedades mecánicas acordes con su composición química (% de C) y por consecuencia su composición estructural. Con la variación continua del tenor de Carbono varían paulatinamente los porcientos relativos de los constituyentes metalográficos presentes; ferrita-perlita o perlita-cementita. Por consiguiente varían paulatinamente las características mecánicas del acero con la variación del tenor de carbono, y puede apreciarse que: La resistencia a la tracción aumenta hasta alcanzar el maximo para aproximadamente 1% de C

y luego desciende nuevamente por efecto de la red frágil de cementita que envuelve los granos de perlita.

La dureza se eleva continuamente con el tenor de carbono. El alargamiento disminuye rápidamente alcanzando valores muy bajos con 1 % C.

Del diagrama Fe-C sabemos: La ferrita puede contener, en solución sólida, un máximo de 0.008% C a temperatura ambiente. La perlita tiene un tenor de carbono constante de 0,89 % C. La cementita es un compuesto químico de composición defínida de 6,67 % C.

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Tratamientos Térmicos de Aceros

64.- Tratamientos Térmicos: Concepto, Aplicaciones y Clasificación

Los tratamientos térmicos tienen por objeto mejorar las propiedades y características de los aceros, y consisten en calentar y mantener las piezas o herramientas de acero a temperaturas adecuadas, durante un cierto tiempo y enfriarlas luego en condiciones convenientes. De esta forma, se modifica la estructura microscópica de los aceros, se verifican transformaciones físicas y a veces hay también cambios en la composición del metal.El tiempo y la temperatura son los factores principales y hay que fijarlos siempre de antemano, de acuerdo con la composición del acero, la forma y el tamaño de las piezas y las características que se desean obtener.

Tratamientos térmicos más usadosEl recocido, temple, normalizado, revenido, cementación, nitruración, temple en baño de sales, temple en baño de plomo, etc.

65.- Descripción y Propiedades de: Perlita Gruesa, Bainita y Martensita.

Resumiendo la transformación de la austenita de un acero con 0,8% de carbono.Por encima de 723°C: a partir del diagrama de equilibrio, la austenita es la fase estable. Si se enfría rápidamente hasta alguna de las siguientes temperaturas y se la mantienen, se forma:PerlitaDe 723 a 566°C: La austenita se transforma isotérmicamente en + carburo en la forma de perlita (que está

formada por capas alternadas de ferrita y cementita). A medida que disminuye la temperatura, el tiempo para transformación disminuye porque la

nucleación es más fácil. Una tasa más rápida de nucleación a menores temperaturas conduce a una perlita más fina

(BHN 170 a 400).BainitaDe 566 a 215°C: La austenita se transforma isotérmicamente en + carburo en forma de bainita (que está

formada por agujas de ferrita y cementita paralelas de contorno arborescente, que actúan como centros de cristalización, desarrollándose junto a ellas paralelamente una serie de agujas separadas entre sí por un borde de cementita).

A medida que disminuye la temperatura, el tiempo para transformación aumenta porque la difusión es más lenta, a pesar de que las tasas de nucleación son altas.

Las altas tasas de nucleación dan como resultado una bainita más fina a medida que disminuye la temperatura (BHN 400 a 580).

MartensitaDe 215 a -20°C:Ms (temperatura de comienzo de la martensita) a Mf (temperatura de final de la martensita): la austenita se transforma en martensita mediante enfriamiento. La dureza de la martensita es BHN 680.

Es especialmente importante observar que una vez que la austenita se ha transformado en alguna de las estructuras mencionadas antes, perlita por ejemplo, no se puede transformar en otra a menos que se caliente la pieza a la temperatura de equilibrio de la austenita [por encima de (723°C)]. Sin embargo, es posible transformar una muestra en una mezcla de productos de transformación si se le mantiene primero durante un momento en el intervalo de transformación de la perlita y la bainita y luego se le enfría a través del intervalo de la martensita.

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66.- Mecanismo, Efectos y usos de la transformación martensítica en aceros al C.

Transformaciones sin DifusiónAnalizando los diagramas TTT, observamos que por debajo de 250°C existe un proceso muy diferente. Se agregan dos líneas horizontales para representar la ocurrencia de un proceso sin difusión que se conoce como transformación martensítica.Este término genérico que se refiere a la amplia familia de transformaciones sin difusión en metales y no metales.El ejemplo mas común es la transformación específica en aceros eutectoides. En este sistema, al producto que se forma a partir de la austenita templada se lo llama Martensita. En efecto, el templado lo suficientemente rápido de la austenita para rodear la “rodilla” de la perlita a aproximadamente 550°C permite que se suprima cualquier transformación difusional. La fase de la austenita aún es inestable y es, de hecho, cada vez mas inestable conforme disminuye la temperatura. A aproximadamente 215°C, la inestabilidad de la austenita es tan grande que una pequeña fracción (menos del 1%) del material se transforma espontáneamente a martensita. En lugar de la migración difusional de átomos de carbono para producir fases separadas de y Fe3C, la transformación de la martensita involucra la reorientación repentina de átomos de C y Fe a partir de la solución sólida FCC de - Fe a una solución sólida (BCT) tetragonal de cuerpo centrado, la cual es martensita. La estructura de cristal relativamente compleja y la concentración supersaturada de átomos de C en la martensita conducen a una naturaleza característicamente frágil. El inicio de transformación está marcado por Ms, si el templado de la austenita continúa por debajo de Ms, la fase de austenita es cada vez más inestable y una fracción mayor del sistema se transforma en martensita, luego se logra la transformación total a martensita.La martensita es una fase Metaestable, es decir, es estable con el tiempo pero bajo recalentamiento se descompone en fases aún más estables de y Fe3C.

67.- Efecto del contenido de C en las temperaturas Martensíticas.

A medida que disminuye el contenido de Carbono aumenta Ms (temperatura de comienzo de la martensita) y disminuye la dureza de la Martensita.A medida que aumenta el contenido de Carbono, disminuye el intervalo de temperaturas Ms y Mf.Así, un acero hipoeutectoide tiene curvas “S” desplazadas hacia la izquierda, por lo que no es posible templarlo dentro de la región de la Austenita para producir una estructura completamente martensítica.Un acero Hipereutectoide requiere un mayor tiempo para la transformación y una temperatura menor que un acero eutectoide.

68.- Efecto de los aleantes en la transformación Martensítica.

Como en secciones gruesas no se puede obtener Martensita, la solución consiste en aumentar el tiempo requerido para que la Austenita se transforme en Perlita, de tal manera que con una

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velocidad de enfriamiento mas lenta todavía se pueda evitar la transformación de Austenita en Ferrita + Cementita. Esto se logra adicionando al acero aleantes tales como: Ni, Cr, Mo y Mn los cuales bajan la Ms (temperatura de comienzo de la martensita) y no modifican la dureza de la Martensita. Estos aleantes aumentan el tiempo de transformación para la Perlita y la Bainita, y bajan el intervalo de temperaturas para la Martensita.

69.- Revenido: Mecanismo, Efectos y usos; Fragilidad del revenido.

RevenidoEs un tratamiento que se da a las piezas de acero que han sido previamente templadas. Con este tratamiento, que consiste en un calentamiento a temperatura inferior a la crítica Acl y luego enfriando lentamente, se disminuye la dureza y resistencia de los aceros templados, se eliminan las tensiones creadas en el temple y se mejora la tenacidad, quedando además el acero con la dureza o resistencia deseada. Todo esto depende de: El estado de la pieza después del Temple. De la temperatura de calentamiento: hay dos etapas.

1. De 0 a 400°C: en donde la martensita tetragonal de temple o martensita se transforma en martensita cúbica de revenido o martensita .

2. A partir de 400°C: en donde globuliza la cementita y baja la dureza. Del tiempo de calentamiento: el efecto del revenido es muy rápido al principio y se atenúa

después. De la velocidad de enfriamiento

Fragilidad del RevenidoSe presenta cuando después del temple, el acero permanece durante bastante tiempo en la zona de temperaturas comprendidas entre 450 y 500°C.No se conocen todavía bien las causas que producen esta fragilidad que no va acompañada de cambios de dureza, volumen o de propiedades magnéticas que podrían ayudar a estudiar este fenómeno, ni se observan tampoco en el examen microscópico modificaciones de estructura, siendo en la actualidad el ensayo por choque, el único que acusa su existencia e importancia.La adición de Molibdeno en porcentajes de 0,15 a 0,50% aproximadamente, es el remedio más eficaz para evitar esta fragilidad.

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70.- Recocido y Normalizado: Mecanismo, Efectos y usos.

Recocido:Con este nombre se conocen varios tratamientos cuyo objeto principal es ablandar el acero; otras veces también se desea además regenerar su estructura o eliminar tensiones internas. Consisten en calentamientos a temperaturas adecuadas, seguidos generalmente de enfriamientos lentos. Las diferentes clases de recocidos que se emplean en la industria se pueden clasificar en tres grupos: Recocidos con austenización completa, recocidos subcríticos y recocidos con austenización incompleta. Recocidos de austenización completa o de regeneración: En este caso el calentamiento se

hace a una temperatura ligeramente más elevada que' la crítica superior y luego el material se enfría muy lentamente. Sirve para ablandar el acero y regenerar su estructura.

Recocidos subcríticos: El calentamiento se hace por debajo de la temperatura crítica inferior, no teniendo tanta importancia como en el caso anterior la velocidad de enfriamiento, pudiendo incluso enfriarse el acero al aire sin que se endurezca. Por medio de este tratamiento se eliminan las tensiones del material y se aumenta su ductilidad.

Se pueden distinguir tres clases de recocidos subcríticos:1. Recocido de ablandamiento: Su principal objeto. es ablandar el acero por un procedimiento

rápido y económico. Con este tratamiento no se suelen obtener las menores durezas, pero en muchos casos las que se consiguen son suficientes para mecanizar perfectamente los materiales. El proceso consiste en calentar el acero hasta una temperatura, que siendo inferior a la crítica Acl, sea lo más elevada posible y enfriar luego al aire. Las durezas que se obtienen en ciertos aceros de herramientas y de construcción de alta aleación, después de este tratamiento, suelen ser algunas veces demasiado elevadas para el mecanizado.

2. Recocido contra acritud.- Se efectúa a temperaturas de 550° a 650°, y tiene por objeto, principalmente, aumentar la ductilidad de los aceros de poco contenido en carbono (menos de 0,40 %) estirados en frío. Con el calentamiento a esa temperatura, se destruye la cristalización alargada de la ferrita, apareciendo nuevos cristales poliédricos más dúctiles que los primitivos, que permiten estirar o laminar nuevamente el material sin dificultad. El enfriamiento se suele hacer al aire.

3. Recocido subcrítico globular.- En ocasiones para obtener en los aceros. al carbono y de baja aleación una estructura globular de muy baja dureza, en cierto modo parecida a la que se obtiene en el recocido globular de austenización incompleta (que se estudia a continuación), se les somete a los aceros a un calentamiento a temperaturas inferiores pero muy próximas a la crítica Acl pudiendo luego enfriarse el acero al aire.

Recocidos de austenización incompleta (globulares): Son tratamientos que se suelen dar a los aceros al carbono o aleados, de más de 0,50 % de carbono, para ablandarlos y mejorar su. maquinabilidad. Consisten en calentamientos prolongados a temperaturas intermedias entre la crítica superior y la inferior, seguidos siempre de un enfriamiento lento. El fin que se persigue con estos recocidos es obtener la menor dureza posible y una estructura microscópica favorable para el mecanizado de las piezas. Por medio de estos tratamientos se consigue con bastante facilidad en los aceros hipereutectoides que la cementita y los carburos de aleación adopten una disposición más o menos globular que da para cada composición una dureza muy, inferior a cualquier otra microestructura, incluso la perlita laminar.

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Doble recocido: Cuando se desean obtener muy bajas durezas se suele dar a los aceros primero un recocido de regeneración y luego otro subcrítico.

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NormalizadoEste tratamiento consiste en un calentamiento a temperatura ligeramente más elevada que la crítica superior, seguido de un enfriamiento en aire tranquilo. De esta forma, se deja el acero con una estructura y propiedades que arbitrariamente se consideran como normales y características de su composición. Se suele utilizar para piezas que han sufrido trabajos en caliente, trabajos en frío, enfriamientos irregulares o sobrecalentamientos, y también sirve para destruir los efectos de un tratamiento anterior defectuoso. Por medio del normalizado, se eliminan las tensiones internas y se uniformiza el tamaño de grano del acero. Se emplea casi exclusivamente para los aceros de construcción al carbono o de baja aleación. Se usa en aceros de 0,15 a 0,4% de C.

71.- Mecanismo, Efectos y usos de los Tratamientos Superficiales

Temple SuperficialRecientemente se ha desarrollado este procedimiento en el que se endurece únicamente la capa superficial de las piezas. El calentamiento se puede hacer por llama o por corrientes inducidas de alta frecuencia, pudiéndose regular en ambos casos perfectamente la profundidad del calentamiento y con ello la penetración de la dureza. Una vez conseguida la temperatura de temple, se enfría generalmente en agua.

Tratamientos en los que hay cambios de Composición:En esta clase de tratamientos, además de considerar el tiempo y la temperatura como factores fundamentales, hay que tener también en cuenta el medio o atmósfera que envuelve el metal durante el calentamiento y enfriamiento. Estos tratamientos se suelen utilizar para obtener piezas que deben tener gran dureza superficial para resistir el desgaste y buena tenacidad en el núcleo. Los tratamientos pertenecientes a este grupo son:

CementaciónPor medio de este tratamiento se modifica la composición de las piezas, aumentando el contenido en carbono de la zona periférica, obteniéndose después, por medio de temples y revenidos, una gran dureza superficial. Se aplica a aceros con un porcentaje de C variable entre 0,08 y 0,25%. Por ejemplo en los engranajes se busca un núcleo tenaz y una superficie resistente al desgaste.

NitruraciónEs un tratamiento de endurecimiento superficial a baja temperatura, en el que las piezas de acero templadas y revenidas al ser calentadas a 500° en contacto con una corriente de amoníaco, que se introduce en la caja de nitrurar, absorben nitrógeno, formándose en la capa periférica nitruros de gran dureza, quedando las piezas muy duras sin necesidad de ningún tratamiento posterior.

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CarbonitruraciónEs un tratamiento parecido a la cementación, en el que el acero absorbe carbono y nitrógeno en la zona superficial, quedando luego esa zona periférica muy dura después de un temple final.

72.-Templabilidad, Ensayo Jominy, Curvas de Templabilidad.

Templabilidad o Penetración de Temple:La dureza que se obtiene en el temple de los aceros y la templabilidad, son dos características que se confunden con mucha frecuencia y que, sin embargo, conviene diferenciar con claridad.Si templamos varias clases de aceros, podemos ver que unos se endurecen más y otros menos. También vemos que la penetración de la dureza hacia el interior es unas veces mayor que otras.La dureza es la resistencia que opone el material a la penetración.La templabilidad viene determinada por la profundidad y distribución de la dureza en el interior de las piezas, inducida por enfriamiento desde la condición austenítica, y depende de:

1. Composición del Acero.2. Grosor del grano austenitico.3. Estructura del acero antes del enfriado.

Se determina en el Ensayo Jominy.Ensayo Jominy:El ensayo Jominy ha adquirido a partir de 1940, una divulgación extraordinaria debido principalmente a que los datos que se obtienen en el mismo, han facilitado notablemente el conocimiento de ciertas propiedades de los aceros y además ha servido también, para aclarar algunas dudas que existían sobre la utilidad de determinados elementos de aleación y sobre la eficacia de ciertas combinaciones de elementos aleados.Más recientemente, a medida que se fueron conociendo mejor las propiedades de los aceros, ya no se consideraban tan decisivas las especificaciones de la composición química, y en cambio, se fué dando cada vez más importancia a otros factores, como el tamaño de grano o la templabilidad.Los resultados que se obtienen en este ensayo, dependen fundamentalmente de la velocidad crítica de temple del acero, cuyo valor viene reflejado en las curvas que se obtienen en cada caso. También señala las durezas máximas y mínimas que aproximadamente se pueden obtener con cada acero, la influencia de los diferentes elementos de aleación sobre la velocidad crítica del temple, y se puede medir la templabilidad y prever los resultados que se obtendrán templando en agua, aceite, etc., barras de diferentes espesores.

Además, el valor de este ensayo aumenta al haberse comprobado que muchas de las propiedades mecánicas ordinarias del acero, tales como la resistencia a la tracción, límite elástico, estricción y alargamiento, son función de la dureza del acero y ésta a su vez, es función de la microestructura. Con los datos que se obtienen, se llegan a conocer las velocidades de enfriamiento que son necesarias para conseguir una dureza, una microestructura y un conjunto de características determinadas.El ensayo, que es muy empleado para aceros de menos de 0,60 % de carbono, consiste en templar una probeta cilíndrica de 25 mm de diámetro y 100 mm de longitud aproximadamente, por

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medio de un chorro de agua que enfría solamente la base inferior. La temperatura del agua será 200 a 250.Las probetas deben obtenerse de perfiles de más de 28 mm de espesor, para que después del mecanizado quede eliminada cualquier capa superficial descarburada que pudiera existir. Antes de comenzar el mecanizado, se normaliza el material a una temperatura 80° más elevada que el punto AC3, para regularizar las condiciones del ensayo. El calentamiento para el temple se hace a una temperatura 60° más elevada que el punto AC3, debiendo colocarse la probeta en el horno, dentro de un molde de grafito o de una caja con viruta de fundición, para evitar descarburaciones u oxidaciones superficiales. El acero debe permanecer a la temperatura de austenización treinta minutos aproximadamente. La colocación de la probeta en el aparato de enfriamiento debe ser muy rápida para evitar que descienda demasiado la temperatura del acero antes de iniciarse el temple por la base, debiendo efectuarse esta operación en menos de cinco segundos. El enfriamiento con el chorro de agua se hará durante diez minutos, y luego se puede enfriar ya la probeta totalmente en agua o al aire, sin peligro de que se modifiquen los resultados. Empleando este método de ensayo, se consiguen en la probeta velocidades de enfriamiento variables desde 333,3°/seg. a 2,2°/seg. (600° a 40 Fahrenheit/seg.)Terminado el enfriamiento se planean dos generatrices de la probeta situadas a 180°, rebajando 0,5 mm de profundidad aproximadamente, debiendo evitarse que en esta operación se caliente la probeta por encima de 100°. Luego se mide la dureza en la línea central de la superficie plana, en puntos situados a intervalos de 1/16 de pulgada, apoyando la probeta en un bloque en forma de V, y se dibuja con los valores obtenidos la curva de Jominy correspondiente.Durante el ensayo se mantiene constante la presión del agua de enfriamiento, utilizando un depósito con un nivel permanente, para que la altura del chorro sea de 2,5 pulgadas. La cara inferior de la probeta se sitúa a media pulgada de distancia del orificio de la salida. El orificio es de media pulgada de diámetro.

IMP... Cabe recordar que no son templables los aceros de contenido de Carbono inferior a al 0,4% (sin aleantes) debido a que la curva de la S está pegada al eje de ordenadas. Ello se debe a que, aproximadamente a los 550°C la transformación de la austenita en perlita fina o bainita superior es prácticamente instantánea, no pudiéndose alcanzar de ninguna manera la zona martensítica (al ser la martensita una solución sobresaturada de C en hierro se requiere como mínimo un 0,4% de C para que pueda formarse y el acero tome temple).

IMP... Los metales puros no son endurecibles por templado, pues del templado se obtiene una solución sólida sobresaturada de un componente duro a fin de aumentar la carga de rotura por tracción, el límite elástico, la dureza y bajar el alargamiento, la estricción y la resiliencia.

73.- Diagramas TTT: Obtención e Interpretación.

Para el estudio de los tratamientos térmicos, principalmente el temple, normalizado y recocido de los aceros es muy interesante la llamada por algunos Curvas de las “S”, debido a su forma característica y por otros diagrama o curva TTT (temperatura, tiempo, transformación) y también

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diagrama de transformaciones isotérmicas de la austenita, que señala, a diversas temperaturas, el tiempo necesario para que se inicie y complete la transformación isotérmica de la austenita en otros constituyentes.Estas curvas se pueden determinar estudiando el proceso de transformación de la austenita a temperatura constante. Los ensayos se realizan con una serie de probetas de acero de pequeñas dimensiones que se calientan a una temperatura ligeramente superior a la crítica Ac3 ó Accm; luego, se introducen rápidamente en un baño de sales o de metal fundido, consiguiéndose después de cierto tiempo de permanencia del acero a esa temperatura, la transformación de la austenita. El ensayo se completa efectuando otras experiencias en baños de sales o de metales fundidos, a temperaturas variables desde 720°, hasta la temperatura ambiente.

Métodos utilizados para la determinación de la curva de la «S» en los acerosPara determinar la curva de la «S» de los aceros se emplean principalmente dos métodos: el metalográfico y el dilatométrico.

Método metalográfico: Se realizan los ensayos en la forma señalada anteriormente. Primero se calientan las probetas, hasta llegar a alcanzar la austenización de toda la masa, se pasan al baño caliente de sales o plomo y a continuación se sacan a intervalos sucesivos de tiempo las probetas del baño caliente, enfriándolas luego rápidamente en agua lo más fría posible. Examinando luego las estructuras con ayuda del microscopio se puede conocer el porcentaje de austenita transformada y la clase de estructura obtenida en la transformación. Por efecto del rápido enfriamiento, la austenita que estaba sin transformar se convierte en martensita, y los constituyentes formados a alta temperatura por transformación isotérmica de un cierto porcentaje de austenita, se conservan después del rápido enfriamiento, en el mismo estado que tenían cuando fueron sacados del baño caliente. Examinando luego las muestras al microscopio, se pueden estudiar las estructuras obtenidas y conocer el tiempo necesario para que comience la transformación de la austenita, el que se necesita para que se transforme un 25 %, un 50 %, un 75 % y por fin para que la transformación sea total.

Método Dilatométrico: La determinación de la curva de la «S» de los aceros, se hace en la forma que explicamos a continuación. En la figura se ve una instalación muy simple y muy empleada para estas determinaciones. El ensayo se comienza colocando la probeta del acero que se va a ensayar en el fondo de un tubo de cuarzo, provisto de una abertura lateral para que la transmisión del calor a la probeta de acero se haga rápidamente. Todo el conjunto se introduce luego en un horno vertical, donde se calienta el acero a una temperatura ligeramente superior a la de austenización. Las variaciones de longitud de la probeta se transmiten a un reloj micrométrico por medio de una varilla de cuarzo. Para evitar que el calor llegue al micrómetro, se coloca sobre la tapa del horno un anillo refrigerado interiormente por agua en circulación. Después de igualada la temperatura en la probeta de acero, se saca todo el conjunto y se introduce rápidamente en otro horno, también vertical, donde hay un baño de sales o plomo fundido, cuya temperatura es precisamente la que se ha fijado para estudiar la transformación de la austenita. Al descender la temperatura, el acero, de acuerdo con las leyes de dilatación y contracción térmica, se contrae. Luego, al cabo de un cierto tiempo, se inicia la dilatación de la probeta, que señala el principio de la transformación de la austenita, que termina al cesar esa dilatación.Registrando el ensayo en un gráfico en el que se señalan dilataciones y tiempos se obtienen las curvas que sirven para conocer, para cada temperatura de ensayo, el tiempo necesario para el principio y fin de la transformación.Preparando otras curvas análogas para diversas temperaturas, se conocerán en cada una de ellas los puntos de comienzo y fin de las transformaciones que servirán para determinar la curva de la «S» de las diferentes clases de aceros.

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74.- Mecanismo, Efectos y usos de los Tratamientos Isotérmicos.

Reciben este nombre ciertos tratamientos, en los que el enfriamiento de las piezas no se hace de una forma regular y progresiva, sino que se interrumpe o modifica a diversas temperaturas durante ciertos intervalos, en los que permanece el material a temperatura constante durante un tiempo, que depende de la composición del acero, de la masa de las piezas y de los resultados que se quieren obtener.Se obtiene de esta forma una gran tenacidad, muy pequeñas deformaciones y se elimina el peligro de grietas y roturas. También se emplea con gran éxito un tratamiento de esta clase, que recibe el nombre de recocido isotérmico, para el ablandamiento de los aceros.

Recocidos isotérmicosSon tratamientos de ablandamiento que consisten en calentar el acero por encima de la temperatura crítica superior o inferior según los casos (generalmente de 740° a 880°) y luego enfriar hasta una temperatura de 600-700°, que se mantiene constante durante varias horas, para conseguir la completa transformación isotérmica de la austenita y finalmente, se enfría al aire. Este tratamiento es muy rápido y se obtienen durezas muy bajas. El calentamiento se suele hacer con austenización completa en los aceros hipoeutectoides y austenización incompleta en los aceros hipereutectoides. En cierto modo estos tratamientos pueden considerarse como casos particulares de los recocidos de austenización completa e incompleta.

Austempering (transformación isotérmica de la austenita en la zona de 250°-600°)Este tratamiento consiste en calentar el acero a una temperatura ligeramente más elevada que la crítica superior y luego enfriarlo rápidamente en plomo o sales fundidas, a temperaturas comprendidas entre 250° y 600°, permaneciendo el acero en el baño a esta temperatura durante el tiempo suficiente para que se verifique la transformación completa de la austenita en otros constituyentes (generalmente bainita) a temperatura constante. Un tratamiento de esta clase, denominado «patenting», se aplica desde hace mucho tiempo para la fabricación de ciertos alambres de alta resistencia, que se conocen generalmente con el nombre de «cuerda de piano». En este caso el enfriamiento se suele hacer en baño de plomo, quedando el acero con una tenacidad y ductilidad excepcionales. Usado en aceros de 0,5 a 1,2% de carbono

MartemperingEs un tratamiento que ha comenzado a desarrollarse también muy recientemente. Es un temple escalonado en el que el material caliente, a una temperatura ligeramente más elevada que la crítica superior, se enfría en un baño de sales, también caliente, a temperaturas comprendidas entre 200° y 400°, permaneciendo en él las piezas durante un tiempo que debe controlarse cuidadosamente y que debe ser suficiente para que iguale la temperatura en toda la masa, antes de que en ninguna parte de ella se inicie la transformación de la austenita, y luego se enfría al aire. De esta forma se consigue que la transformación de toda la masa del acero se verifique casi al mismo tiempo, evitándose desiguales y peligrosas dilataciones que ocurren en los temples ordinarios, en los que las transformaciones de las distintas zonas del material ocurren en momentos diferentes. Usado en aceros de alto contenido de carbono

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75.- Período de Incubación, Velocidad Crítica, Diámetro Crítico

Período de IncubaciónTiempo necesario para que comience a efectuarse la transformación de la austenita y el tiempo que transcurre hasta que la transformación es completa.Velocidad CríticaLa menor velocidad de enfriamiento con la que se obtiene la transformación completa a Martensita.Es la velocidad que hay que rebasar para conseguir la estructura totalmente martensítica y un temple teoricamente perfecto.Diámetro CríticoPara un acero dado y un medio de enfriamiento, es el mayor diámetro en pulgadas que templado en ese medio de enfriamiento tiene en su centro 50% Martensita y 50% Bainita.

76.- Diagramas TTT para diversos Aceros al Carbono y AleadosPara un Acero Hipoeutectoide

Para un Acero Eutectoide

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Para un Acero Hipereutectoide

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Aceros y Fundiciones

77.- Microestructura, Propiedades y usos industriales de los aceros de Bajo, Medio y Alto contenido de Carbono; Baja y Alta Aleación.

Bajo Carbono (% 0,3) AleanteBaja resistencia Sin (0%) Chapas, Perfiles, Barras, CañosAlta Ductilidad Bajo (% 10) Resistentes al calor / frío estructuralesSAE(1010) Medio (10 % 20) Inoxidables martensíticos

Alto (20 %) Inoxidables ferríticos y austeníticosInoxidables Endurecibles p/ precipitación

Medio Carbono (0,3 % 0,6) AleanteMas Resistentes Sin (0%) HerramientasMenos Ductilidad Bajo (% 10) Aceros para Trat. Térmicos, resistentesSAE(1020-1040) a la fatiga, impacto.

Medio (10 % 20) Resistentes al desgasteAlto (20 %) Herramientas

Alto Carbono (20 %) AleanteMas Resistentes aún Sin (0%) HerramientasMenos Ductilidad Bajo (% 10) Herramientas, ResortesSAE(1060-1095) Medio (10 % 20) Herramientas

Alto (20 %) Herramientas, Inoxidables Martensíticos.

Aleantes: Magnesio, Níquel, Cromo, Molibdeno, Wolframio, Vanadio, Cobalto, Boro, Cobre, Aluminio, Plomo, Titanio, Niobio.

78.- Microestructura, Propiedades y usos industriales de los Aceros Inoxidables Martensíticos, Ferríticos y Austeníticos.

Aceros InoxidablesAleados con Cr o Cr-Ni, son resistentes a la corrosión debido principalmente a la acción de una capa pasiva de oxido de cromo superficial. La capa superficial debe tener una densidad igual a la del acero, insoluble e impermeable a los agentes agresivos, adherente al metal base y con un coeficiente de dilatación térmica similar. Se clasifican en:

Composición Templabilidad Temp. de soporte de inoxib.Martensíticos 12-14% Cr Templable 750°CFerríticos 15-30% Cr Mala Templabilidad 850°-1050°CAusteníticos 18% Cr – 8% Ni No se pueden templar 800°-1150°C

Aceros ferríticos

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En el diagrama hierro-cromo observamos que la formación de la austenita se suprime completamente en una aleación pura de hierro-cromo por encima de un 13% de Cr. Sin embargo, si se encuentra carbono presente, el cromo formará carburo de cromo y, en este caso, 1% de C se combina con un 17% de Cr. Este carburo se precipitará y le restará a la matriz de hierro una cantidad correspondiente de cromo. Debido a esto el acero comercial 430 contiene un 16% de Cr para retener la estructura ferrítica. La ventaja de este material, en relación con la ferrita no aleada, es su resistencia a la corrosión. El acero 430 se usa trabajado en frío en los adornos de los automóviles y en los utensilios de cocina.

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Aceros martensíticosCuando el contenido del carbono de los aceros altos en cromo es elevado, como en el 440C, se puede calentar en la región y templar para producir martensita. También con un contenido más bajo de cromo, como en el tipo 410, se puede producir martensita con sólo 0,15% de C. A causa del alto contenido de aleantes, estos aceros tienen alta templabilidad y, en algunos casos, sólo es necesario enfriarlos en aire para formar martensita, evitando fácilmente la formación de perlita y de bainita. Estos aceros son excelentes para cubiertos y matrices.

Podemos resumir las relaciones carbono-cromo para los tipos ferríticos y martensíticos de la siguiente manera:Sólo existe ferrita cuando:

[% de Cr - (17 x % en peso de C)] > 13.

Se puede formar austenita y templarla para formar martensita cuando:

[% de Cr - (17 x % en peso de C)] < 13.Aceros austeníticosSe caracterizan por tener una muy buena resistencia a la acción de los agentes atmosféricos y por ser los que mejor resisten la acción corrosiva de los ácidos. Tienen buena resistencia mecánica a altas temperaturas y los aceros más importantes de este grupo son el acero 18/8 clásico (18% de Cromo y 8% de Níquel), el 25/20 o el 23/13.Para ablandar un acero austenítico hay que calentarlo a 1050°C y enfriarlo rápidamente consiguiéndose de esta forma que el material quede con la menor dureza posible, quedando con una ductilidad extraordinaria, ya que no se endurece por temple (a temperatura ambiente sólo hay austenita).Se los usa en la industria química y petroquímica (debido a su resistencia a los ácidos) y también para paneles para techos que están bajo la acción de una atmósfera agresiva o para piezas de aviación como el eje del rotor.El níquel hace que se amplíe el campo de la austenita hasta el punto de que la vuelve estable a la temperatura ambiente, además de aumentar la inoxidabilidad. Podemos utilizar la sección horizontal del diagrama ternario hierro-níquel-cromo, para ilustrar este efecto. Esta porción muestra las fases que están presentes a 650°C. (Es más fácil utilizar esta temperatura para evitar las complicaciones de la transformación de la austenita en los aceros de baja aleación que ocurren a temperaturas más bajas), Se observa que la composición 18% Cr, el 8% Ni está cercana a los límites entre las regiones + y .Si se quiere tener una estructura sólo a temperatura ambiente, se debe utilizar una composición de tipo 304 con un 19% Cr y 10% Ni.Sin embargo, el acero tipo 301 tiene la ventaja de contener algo de ferrita. Este acero responde mejor al trabajo en frío, como lo muestra su resistencia a la fluencia comparándolo con el tipo 304.El tipo 347, con un 18% Cr y 10% Ni, se utiliza en los casos en que habrá soldaduras para evitar la combinación del carbono con el cromo, lo cual conduce a una baja resistencia a la corrosión. En el tipo 347 el carbono se combina con el niobio, en vez de hacerlo con el cromo, que evita la corrosión debido a un agotamiento de cromo en la matriz.

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79.- Microestructura, Propiedades y usos industriales de las Fundiciones Gris, Blanca, Maleable y Nodular.

Fundición Blanca

En la gráfica de fracción de fases del hierro blanco (Figura) observamos que el carbono se precipita durante los tres períodos importantes (hierro con 3% de carbono):

1. Por debajo de 1148°C: la reacción eutéctica, L + carburo.2. De 1148 a 727°C): del eutéctico al eutectoide + carburo.3. A 727°C: la reacción eutectoide, + carburo (como perlita).

Se debe observar, además, que en la reacción 1 se forman carburos del líquido. En la reacción 2 el carburo se cristaliza sobre el carburo existente, y en la reacción 3 se forma la perlita, lo cual produce la microestructura que se muestra en la Figura. El producto final, por lo tanto, contiene un alto porcentaje de carburo y es duro y frágil.

Ahora vamos a estudiar las variaciones de las propiedades a medida que cambiamos la estructura de la matriz de acero. Puesto que tenemos austenita 871°C, podemos producir cualquiera de los productos de transformación que se encuentran en el acero: ferrita, perlita, bainita, martensita e inclusive austenita retenida. Dichas variaciones se estudiarán para cada tipo de hierro fundido.La mayor parte de la producción de fundición de hierro blanco se hace con una matriz perlítica, es decir, una estructura de perlita y carburo masivo.Si se adicionan aleantes para suprimir la transformación de la perlita, se obtienen hierros blancos martensíticos. El alto contenido de aleantes hace que la nariz del diagrama TTT se corra lo suficiente hacia la derecha, de modo que la martensita se puede obtener aun en secciones tal como se funden. Estas aleaciones se emplean principalmente por su resistencia a la abrasión en recubrimientos y esferas para molinos en equipos para minería y para fabricar cemento, así como en rodillos para terminado del acero.

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Composición 3,5%C - 0,5%SiCarburo Masivo (Islas Blancas) VHN 1300Perlita (Laminar)VHN 300 tal como está fundida.500 aumentos. Atacado con nital al 2%.

Fundición Gris

Para explicar el hierro colado gris, es necesario entender que el carburo del hierro no es básicamente una fase estable y que con un enfriamiento anormalmente lento (o en presencia de ciertos aleantes tales como el silicio), se cristalizarán el grafito (carbono puro) y el hierro. Además, si calentamos el carburo de hierro por un período prolongado, se descompondrá:carburo de hierro hierro + grafito.En otras palabras, el diagrama de equilibrio verdadero es el sistema hierro-grafito que se sobrepone al diagrama hierro-carburo de hierro de la Figura. No se necesita un nuevo diagrama, Porque para todos los propósitos prácticos solamente hay que sustituir el grafito por el carburo en las regiones de dos fases, como se indica en la Figura, Y mover la línea vertical de la derecha hasta el 100% de carbono. Sin embargo, hay unas pequeñas diferencias en los contenidos de carbono eutéctico y eutectoide y en las temperaturas.

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Composición 3%C - 2%SiGrafito (Laminar) Perlita (Laminar) VHN 285Ferrita (Blanca)VHN 195 tal como está fundida.500 aumentos. Atacado con nital al 2%.

Usando este diagrama, sigamos la formación del grafito en un hierro gris colado ferrítico con un 3% de carbono (o sea una matriz de ferrita con grafito laminar).

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Para producir grafito en vez de carburo, se puede enfriar muy, pero muy lentamente o adicionar silicio, que también impulsa la formación de grafito. Obtenemos la gráfica de fracción de fases que se muestra en la Figura.

Ahora se puede comparar la formación de grafito con la del carburo en el hierro blanco colado de composición eutéctica (4,3% de C).

1. Por debajo de 1148°C: la reacción eutéctica, L + Grafito.2. De 1148 a 727°C): del eutéctico al eutectoide + Grafito.3. A 727°C: la reacción eutectoide, + Grafito.

Básicamente, en lugar de la precipitación del carburo encontrado previamente en el hierro blanco colado, se obtiene grafito en la fundición de hierro gris. (Esta opinión se modificará un poco cuando se estudien otras microestructuras de fundiciones de hierro gris. Es posible obtener, por ejemplo, perlita o los otros productos de transformación de la austenita que encontramos en la transformación austenítica del acero, al enfriar rápidamente el hierro gris desde 815°C).La estructura final en fundición de hierro gris ferrítica es, por lo tanto, un grafito en forma laminar más ferrita. Las láminas que se forman a 1148°C crecen durante el enfriamiento a 727°C y en la transformación eutectoide + Gr.

Ahora vamos a estudiar las variaciones de las propiedades a medida que cambiamos la estructura de la matriz de acero.Como en el caso de la fundición de hierro blanco, puede variar la matriz de la fundición de hierro gris. La gama de estructuras que se utilizan en la actualidad es mayor que la del hierro blanco e incluye la ferrita, perlita, bainita, martensita y austenita. En todos los casos la estructura depende del contenido de aleantes y de la rata de enfriamiento de la austenita.La perlita se obtiene fácilmente mediante enfriamiento lo bastante rápido, durante el intervalo eutectoide, para evitar la transformación de austenita en + grafito. Un factor igualmente importante es el porcentaje de silicio y otros elementos que afectan la estabilidad del carburo. Por ejemplo, un bloque de motor de hierro gris perlítico se fabrica con 3.2% de carbono y 2% de silicio y se enfría en aire durante la etapa eutectoide después de verter. Si el bloque se sacara del molde a 760°C y se enfriara lentamente en un horno a la rata de 5,5°C/ hora, la estructura sería ferrítica. La presencia de pequeñas cantidades de estaño o cobre hace que se forme una matriz de perlita, aun enfriando en los moldes de arena.La bainita se puede obtener por medio de un tratamiento isotérmico o :fundiendo con una combinación de aleantes que produzcan una curva TTT con una nariz pronunciada de bainita. Por ejemplo, para producir una estructura de bainita en un cigüeñal de 1 pulgada de diámetro, se

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emplea la siguiente composición: 3.2% C, 2% Si, 0.7% Mn, 1% Ni, 1% Mo. El BHN es 300. La dureza es menor que la de un acero bainítico debido a que hay grafito presente.La martensita generalmente se obtiene por medio de un tratamiento térmico de austenitización y temple en aceite. El análisis químico típico para el eje de levas de un automóvil es 3.2% C, 0.7% Mn, 2% Si, 1% Ni, 1% Cr, 0.4% Mo. El BHN es 550. La sección transversal de un eje endurecido por inducción se muestra en la Fig. 6.47. En este caso, debido al calentamiento selectivo, solamente se austenitizaron las capas superficiales antes del temple.Para obtener austenita, se adicionan suficientes aleantes para evitar la transformación de la perlita y para bajar el Ms, por debajo de la temperatura ambiente. Esto se puede lograr con una aleación de 20% Ni, 2% Cr o con una aleación de 14% Ni, 6% Cu, 2% Cr. Como ejemplos tenemos los múltiples de escape, que requieren una estructura estable resistente al calor, y partes para bombas, que requieren un hierro de alto contenido de cromo-níquel, resistente a la corrosión.

Finalmente, debe mencionarse que los términos "gris" y "blanco" no solamente se refieren a la microestructura, sino que también describen la apariencia de la fractura en los hierros colados. Por consiguiente, un ensayo de fracturas de hierros colados, nos indicarán al menos si la fase alta en carbono es carburo o grafito.

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Fundición Dúctil (Nodular)

Mientras que el hierro gris es excelente para piezas tales como bloques de motor, debido a que las láminas de grafito lo hacen fácilmente maquinable, es mejor una forma de grafito esferoidal para obtener una mayor resistencia. En 1949 Millis y Gagnebin descubrieron que una pequeña cantidad de magnesio (0.05%) disuelta en el hierro líquido hacía que se formara grafito esferoidal en lugar de grafito laminar. Además, el grafito que se precipita de 1148 a 727°C y en el eutectoide continúa cristalizándose en forma esferoidal. La estructura final del hierro dúctil ferrítico es, por lo tanto, grafito esferoidal más ferrita. Las cantidades de las fases y las composiciones son las mismas que en el hierro gris ferrítico, pero la forma diferente del grafito proporciona el doble de resistencia a la tensión y una ductilidad 20 veces mayor.

Ahora vamos a estudiar las variaciones de las propiedades a medida que cambiamos la estructura de la matriz de acero. Puesto que tenemos austenita 871°C, podemos producir cualquiera de los productos de transformación que se encuentran en el acero: ferrita, perlita, bainita, martensita e inclusive austenita retenidaVemos que la resistencia a la tracción de los grados comunes de hierro gris varía de 25 000 a 40 000 lb/pulgl (173 a 276 MPa) y que la elongación es muy baja. Por el contrario, los hierros dúctiles tienen resistencias hasta de 120 000 lb/pUIg2 (828 MPa) y la elongación es alta.El grado más común es el tipo perlítico 80-55-06 tal como sale de fundición. Se controla el análisis para evitar el carburo masivo; pero, además, al enfriarse forma una matriz perlítica. En otras palabras, el silicio se mantiene por debajo del 2.5% y el manganeso por encima del 0.4%. También se emplean pequeñas cantidades de cobre y estaño para promover perlita.El grado ferrítico se obtiene enfriando lentamente a partir de la temperatura de vaciado o recalentando hasta 871°C y manteniendo esta temperatura y luego enfriando lentamente hasta 704°C.El grado templado y revenido del hierro dúctil se somete al tratamiento térmico, de modo semejante al de un acero al carbono de 0.8%. Se lo austenitiza a 871°C, se templa y se reviene hasta obtener la dureza deseada.El grado austenítico tiene mayor resistencia y tenacidad que el hierro gris correspondiente. Por supuesto, esto pudo haberse pronosticado al observar las diferentes formas del grafito.

Fundición Maleable

La diferencia entre el hierro maleable y el hierro gris o dúctil está en que la estructura del hierro maleable, tal como sale de fundición, es la misma que la de fundición de hierro blanco y que no

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Composición 3,5%C - 2%Si - 0,05%MgGrafito EsferoidalPerlita (Laminar) VHN 300Ferrita BlancaVHN 190 tal como está fundida.500 aumentos. Atacado con nital al 2%.

Composición 2,5%C - 1%SiCarbono RevenidoPerlita (Laminar)VHN 345, Tratado térmicamente 954°C, 12 horas, enfriado al aire.500 aumentos. Atacado con nital al 2%.

contiene grafito. En otras palabras, la rata de enfriamiento y las composiciones producen hierro colado blanco dentro de la pieza fundida original. La pieza fundida fría se calienta en un horno de maleabilización a 954°C para dar al carburo de hierro la oportunidad de cambiar a la estructura de equilibrio del hierro más grafito. En este momento sería bueno preguntar por qué no producir el grafito dentro del enfriamiento original y evitar el gasto involucrado en el tratamiento térmico. La respuesta es que el hierro maleable se desarrolló muchos años antes del descubrimiento del hierro dúctil. Se encontró que el hierro maleable era más fuerte y más dúctil que la fundición de hierro gris, porque durante el tratamiento térmico el grafito se forma en nódulos irregulares (algo parecido al grafito esferoidal); este grafito se denomina carbono de revenido. Desde el descubrimiento del hierro dúctil muchos productores de hierro maleable han cambiado al nuevo material, aunque el hierro maleable se emplea todavía en muchas piezas fundidas que tienen secciones delgadas.Es interesante observar los cambios estructurales en el ciclo del tratamiento térmico del hierro maleable; hay dos etapas:

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ETAPA 1: Grafitización. Calentamiento a 954°C durante 12 horas. La estructura de la austenita más carburo se transforma en austenita más carbono revenido.

ETAPA 2: Enfríese de 954 a 760°C. Enfríese lentamente a la rata de 5.5 °C/hora hasta 649°C.

Mientras que la austenita se habría transformado normalmente en + grafito en el intervalo de temperatura eutectoide. El grafito se cristaliza sobre el carbono de revenido existente que se formó a temperaturas más elevadas. La estructura final es ferrita mas carbono de revenido.

Ahora vamos a estudiar las variaciones de las propiedades a medida que cambiamos la estructura de la matriz de acero. Puesto que tenemos austenita 871°C, podemos producir cualquiera de los productos de transformación que se encuentran en el acero: ferrita, perlita, bainita, martensita e inclusive austenita retenidaLos grados principales del hierro maleable son ferríticos, perlíticos y templados.El grado ferrítico se obtiene por medio de la gravitación en dos etapas, descrita anteriormente. Lo mismo que en el hierro dúctil, el grado ferrítico tiene la máxima ductilidad.El grado perlítico se obtiene evitando la etapa 2 de grafitización. Es decir, después de la etapa 1, la pieza fundida se enfría al aire y la austenita se transforma en perlita. Si la perlita es muy dura, se puede revenir posteriormente (se la esferoidiza).El grado templado del hierro maleable también se denomina perlítico, pero el nombre no está bien aplicado. Se produce una estructura martensítica al templar desde la austenita y, luego, revenir a esferoidita.

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80.- Microestructura, Propiedades y usos industriales de los Aceros para herramientas y Aceros al Manganeso.

Aceros para herramientasLos aceros para herramientas tienen una amplia gama de composiciones. Es posible producir un filo de corte duro en un acero ordinario al carbono con alto contenido de carbono. Las ventajas de los aceros de alta aleación, tales como 18% W, 4% Cr, 1% V son dobles. Primero, Una templabilidad mayor hace posible utilizar ratas de enfriamiento más bajas durante el temple, lo cual protege las herramientas del agrietamiento y de la distorsión. Segundo, la martensita de alta aleación, más los carburos con exceso de aleante, retienen su dureza a las altas temperaturas generadas por las altas velocidades de corte, o sea, resisten el revenido.El tipo W1 al carbono se ha tratado térmicamente, como lo ha sido la aleación ordinaria hierro-carbono que hemos estudiado anteriormente. La dureza final depende del contenido de carbono y de la temperatura del temple. Es importante observar que la misma dureza se puede obtener en este acero como en los aceros de alta aleación.El siguiente tipo, 01, se puede templar en aceite en formas geométricas sencillas como por ejemplo barras pequeñas debido al contenido de aleación y a que presenta menos distorsión.El tipo D1, con 12% de cromo., se parece a los aceros inoxidables martensíticos, cuando tiene alto contenido de carbono.El tipo H es diferente de todos los demás, debido a que su nivel de carbono es menor. Se usa para matrices que trabajan en caliente y, por lo tanto, está expuesto a choque térmico. Un acero con mayor contenido de carbono se agrietaría trabajando en estas condiciones. Para evitar que la martensita se ablande, se utiliza una gran cantidad de aleación: 5% Cr, 1.5% Mo, 0.4% V.Los aceros M1 y T1 se pueden considerar como de alta velocidad. El tipo T1 con 18% de tungsteno se desarrolló antes y, debido a la escasez de tungsteno durante la Segunda Guerra Mundial, se desarrolló la modificación con molibdeno.

Aceros RápidosSon aceros con los cuales se consiguen velocidades de corte muy superiores ya que mantienen la dureza y el filo cortante en caliente, aunque la herramienta llegue a calentarse hasta los 600°C. La formación de carburos les da elevadísimos grados de dureza.Están limitados por su alto precio y tienen porcentajes de aleante variable

Se clasifican en:Aceros al Wolframio: W= 12-20%; C= 0,6-1%; V= 1-5%; Cr= 3-4.5%Aceros al Molibdeno: W= 6%; C= 0,85%; Mo= 5%; Cr= 4% (AISI M2)Aceros de Alto cont. de V y C

Cada componente influye de diferente manera:C: Debe tener suficiente cantidad pues da dureza y fomenta la formación de carburos.Cr: Aumenta la penetración de Temple y la resistencia a la oxidación a altas temperaturas.W: Aumenta la resistencia de la martensita en caliente y da más dureza en caliente.Mo: Tiene una acción similar a la del W pero más intensa; tiene como inconveniente el bajar el

punto de fusión del acero y de formar zonas descarburadas.V: Forma carburos muy duros y aumenta la resistencia en caliente.Co: Aumenta la resistencia en caliente, el punto de fusión del acero y permite una mayor

temperatura de temple; aumenta la fragilidad y la estabilidad de la austenita.

La característica más importante del tratamiento térmico de estos aceros es la necesidad de una temperatura de austenitización muy alta. El diagrama de fases para el tipo T1 explica esto. En las investigaciones iniciales, la dureza que se obtuvo en estos aceros, después del temple, era supremamente baja. Esto se debió a que se utilizó una temperatura de austenitización de 900°C en la cual el contenido de carbono de es sólo del 0.2% y, por lo tanto, se obtiene una martensita

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de bajo contenido de carbono con una dureza de aproximadamente 50 Rc. Sin embargo cuando se elevó la temperatura de austenitización a 1250°C el contenido de carbono de la austenita es de 0.6%, que al templar, da una martensita con 64 Rc.El revenido de los aceros de alta velocidad se ha estudiado extensamente debido a que se encuentra un efecto llamado endurecimiento secundario. La dureza se eleva un poco después del revenido a 538°C. La estructura templada contiene algo de austenita retenida y al calentar a 538°C algunos carburos aleados se precipitan. La Ms de la austenita retenida se eleva debido a este efecto (los carburos sustraen aleación de la solución) y la estructura, al enfriarse la temperatura de revenido, se transforma en martensita. Por lo tanto, a pesar de que la martensita original se ablandó a 538°C, la nueva martensita eleva la dureza global. La tenacidad de la estructura se puede mejorar, frecuentemente, al repetir el revenido.

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Acero al manganeso, HadfieldRecordemos que la presencia del manganeso, así como la del; níquel en el acero, produce una ampliación de la región . Aprovechamos esto en un acero austenítico muy tenaz y resistente al desgaste, que contiene 12% de manganeso y 1% de carbono. La estructura, tal como está fundida, contiene carburo, austenita y algo de perlita, pero después de calentar a 1093°C y templarla en agua, la estructura se vuelve completamente austenítica. Se puede emplear un temple en agua aún en piezas complejas fundidas debido a que no se producen esfuerzos al transformar la austenita en martensita. Las propiedades típicas son:Resistencia a la tensión: 120 000 lb/pulg2 (828 MPa);Resistencia a la fluencia: 50 000 lb/pulg2 (345 MPa);Porcentaje de elongación: 45 y BHN: 160.Este acero se emplea ampliamente en equipo de minería y en equipo para movimiento de tierra y en componentes para carrileras de ferrocarril.

81.- Normalización Comercial: IRAM, SAE, AISI, DIN, etc.

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Aleaciones No Ferrosas

82.- Clasificación, Aleaciones para forja y para moldeo

Son aquellas aleaciones que no contienen al hierro como elemento básico.

Para forjaSe parte de un lingote colado, el cual se trabaja hasta obtener la forma deseada, al principio generalmente por encima de la temperatura de recristalización, es decir TF o TC, laminado, extrusión, estampado, etc.No pueden ser trabajadas las aleaciones de Aluminio, las de alto contenido de silicio y las de baja ductilidad.

Para MoldeoSe vierte en un molde de la forma deseada, donde se solidifica, existen distintos métodos:Vaciado en moldes de arena: Utilizado para grandes piezas (construcción).Vaciado en moldes permanentes: donde no se necesiten piezas complejas. Presentan menores contracciones, estructura de grano fino.Vaciado en moldes por coquillas: se fuerza al material fundido bajo considerables presiones en los moldes metálicos. Utilizado donde se requiere: superficies suaves, grano fino, piezas idénticas, automatizado

83.- Cobre puro, Latones, Bronces, Cobre-Berilio, Cobre-Aluminio

Cobre PuroEs un metal noble, de estructura BCC y temperatura de fusión a 1083°CPresenta alta conductividad térmica y eléctrica, buena resistencia a la corrosión, facilidad de fabricación, resistencia media a la tensión, Propiedades del recocido controlables. Se utiliza en la producción de alambres, varillas, planchas metálicas, listones.

Las aleaciones del Cobre se pueden clasificar en:Aleaciones de una sola fase: tienen buena ductilidad pues presentan una celda unitaria tipo FCC, Los mecanismos para aumentar la resistencia de estas aleaciones son el endurecimiento por solución sólida y las combinaciones de trabajo en frío y recocido.Aleaciones Polifásicas: en estas aleaciones se utilizan el endurecimiento por envejecimiento y otros endurecimientos por precipitados o por dispersiones de una segunda fase.

Las siguientes impurezas perjudican la conductividad eléctrica: P, As, Sb, Sn, Fe, ZnSe mejoran las propiedades mecánicas del cobre aleándolo con Zn, Sn, Al, Si, Ni. Les siguen a las aleaciones ferrosas en cuanto a resistencia.

Latones (65-70% Cu – 35-30% Zn)Puede presentar las dos formas de aleación explicadas antes, dependiendo de si el contenido de Zn es mayor o menor al 35%. Si el contenido de Zn es menor al 35% son mas duros y presentan dos fases.Latón Amarillo: 65% Cu - 35% Zn, presentan un aceptable maquinadoLatón de Almirantazgo: 70% Cu - 25% Zn - 5% Sn, Reemplaza a los Aceros aleados al

cromo. El Sn lo hace resistente al agua de mar, siendo usado en la construcción de barcos

Latón Rojo: 85% Cu - 15% Zn, buena resistencia a la corrosiónLatón + : 63% Cu - 35% Zn - 2% Pb. El Plomo aumenta sensiblemente su

maquinabilidad, por lo tanto se obtiene un buen acabado superficial,

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reducido desgaste de la herramienta y una viruta fina. Usado en bulones, tuercas y elementos de cierre.

Bronce (85% Cu - 5% Sn - 5% Pb - 5% Zn)Normalmente entre 1-10% de Sn, Son aleaciones endurecidas por solución Sólida. Esta aleación, forjada, es más resistente que los latones. Presenta mejor resistencia a la corrosión.Si el porcentaje de Sn se aumenta hasta un 16% se utilizara para cojinetes de alta resistencia y engranajes y además se les agrega plomo en un 5-10% para que lubrique las superficies de rozamiento. Es de una fase

Cuproniquel (70% Cu – 30% Ni)

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Cobre - Berilio (95.5% Cu - 2% Be - 2,5% Co)Es la aleación no ferrosa que mayor dureza presenta, aunque su uso se encuentra limitado por el alto costo del berirlio. Presenta una fase (solución sólida) que se satura con un 2,7% de Be a 864°C y, a medida que aumenta el porcentaje de Be aparecen las fases , , que son compuesto itermetálicos más duros y frágiles.Se les aplica el tratamiento de solubilizado, temple y envejecimiento alcanzándose altas durezas, alta resistencia a la corrosión y a la fatiga, bajo módulo elástico, buenas conductividades térmicas y eléctricas, amagnetismo y condición antichispa (son utilizadas para reemplazar a las aleaciones ferrosas en herramientas que no deban presentar Chispa y ferromagnetismo). Se usa en ambientes corrosivos, para la fabricación de electrodos para soldadura eléctrica y en instrumentos de alta precisión y resortes que deban trabajar en medios magneticos.Pueden ser trabajadas en frío y en caliente. Es la más duras de las no ferrosas. Es polifásica.

Cobre - Aluminio

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Contienen 7% de Aluminio, lo cual le aumenta notablemente la resistencia a la corrosión atmosférica. Se hacen, con estas aleaciones tuercas y tornillos.

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84.- Aluminio puro, Aluminio-Silicio, Aluminio-Manganeso, Duraluminio

Aluminio PuroSe obtiene del mineral bauxita mediante los procesos Bayer o Hall-Heroult y su pureza depende de lo que el comprador desee, presentan buena resistencia a la corrosión por formación de capa autopasivante, tiene poca dureza, no es tóxico lo cual lo hace utilizable en la industria alimenticia, presenta buenas propiedades eléctricas, tiene bajo precio en relación con sus propiedades.Se venden en lingotes, placas o perfilería.

Aluminio - Silicio0.6% Si, es una aleación trabajada de dos fases, Se utiliza en equipos de transporte y tuberías

Aluminio - ManganesoCon 1.2%Mn, estas aleaciones presentan una mayor resistencia a la tracción y a la fluencia. Pueden usarse conjuntamente los efectos de endurecimiento por solución sólida y endurecimiento por trabajo; es decir, los efectos son aditivos.Si el porcentaje es menor se trabajan como aleaciones de dos fases. DuraluminioSu composición es 4.5% Cu, 0.8% Si, 0.8% Mn y 0.5% Mg, el resto es Aluminio, Son aleaciones trabajadas de dos fases y se utilizan en estructuras de avión. Es polifásica.Presenta una menor resistencia a la corrosión que el aluminio puro debido a que se forman pilas galvánicas por el agregado de Cu (se lo colamina con aluminio puro o con aleaciones al Mg-Si). Presenta como característica fundamental una extraordinaria resistencia mecánica, comparable a la de los aceros al cromo níquel y 8 veces mayor que la del aluminio puro, lo que se debe a la formación de un precipitado coherente debido al agregado de Cu (se usa mucho en chapas para aviones). Se le aplica el tratamiento de solubilizado, temple y envejecimiento para trabajarlo mecánicamente en estado de temple.

85.- Normalización Comercial de las aleaciones de Aluminio

Clasificación por tipo de aleante1XXX Al puro (99%) Principales impurezas Fe y Si, es resistente a la tensión

Primera X indica el control de impurezas, 0 = no hay controlSegundas XX indica cuanto mas del 99% de pureza tiene.

2XXX Cu para forja T.T, estructuras de aviones, Duraluminio 2024Segundas XX indica el orden en que se descubrió

3XXX Mn Endurecimiento por solución sólida, recipientes a presión4XXX Si5XXX Mg Endurecimiento por solución sólida, usos en marina6XXX Mg + Si para forja tratados térmicamente, tuberías, estruct. marinas7XXX Zn + Mg Aviones y otras estructuras8XXX Otros

Clasificación según el grado de endurecimientoF Tal como se fabricoO Recocido y RecristalizadoH X Endurecido por deformación (T.F.)

X=1 Sólo endurecido por deformación (2,4,6,8 = % de T.F.)X=2 Endurecido por deformación + Recocido Parcial (2,4,6,8 = % de T.F.)X=3 Endurecido por deformación + Estabilizado (2,4,6,8 = % de T.F.)

T X Tratado Térmicamente

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X=1 Envejecimiento naturalX=3 Tratado Térmicamente por solución sólida + T.F. + Envejecimiento NaturalX=4 Tratado Térmicamente por solución sólida + Envejecimiento NaturalX=5 Enfriado + envejecimiento ArtificialX=6 Tratado Térmicamente por solución sólida + Envejecimiento ArtificialX=7 Tratado Térmicamente por solución sólida + EstabilizadoX=8 Tratado Térmicamente por solución sólida + T.F. + Envejecimiento Artificial

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86.- Níquel y sus aleaciones con Cromo, Cobre y Hierro

El Ni puro posee una celda unitaria FCC, propiedades magnéticas y una excelente resistencia a la corrosión, por lo que se lo usa en equipos para la elaboración de alimentos, para productos químicos, motores para cohetes e intercambiadores de calor.Un 20% del total producido se usa en aleaciones no ferrosas, a partir de las cuales se fabrican piezas fundidas o coladas vertiendo metal líquido en un molde que posea las dimensiones adecuadas y productos sólidos trabajando al metal sólido ya sea en caliente o en frío.Presenta resistencia semejante a la del hierro, tiene una excepcional resistencia a la corrosión y a las altas temperaturas.Se clasifican en: Aleaciones resistentes a la corrosión de forja

1. De una fase: Níquel 200, Monel 200, Inconel 6002. De varias fases: Duraniquel 301, Monel K500

Aleaciones resistentes a la corrosión de fundición1. De una fase: Níquel 210, Monel 4112. De varias fases: Monel 505, Inconel 705

Superaleaciones de base Níquel Inconel x750 (73%Ni, 15%Cr, 6,75%Fe, 2,5%Al)

Monel (58-66% Ni, 29-407% Cu)Tiene una resistencia a la fluencia mayor que la del niquel (mas resistente que el Cu) debido al fortalecimiento por precipitación de solución sólida. Utilizado para forja, y puede ser endurecido por envejecimiento.

Inconel (70-76% Ni, ( el resto )% Cr, 6-8% Fe)Utilizado para forja, y puede ser endurecido por envejecimiento.

SuperaleacionesSon resistentes al Creep, a la corrosión y de alta resistencia mecánica.

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87.- Tratamientos Térmicos, endurecimiento por precipitación

Tratamientos Térmicos de las aleaciones No Ferrosas

Aleaciones de Cobre Latón : se le aplica el recocido, ya que luego de trabajado en frío el latón presenta una

distorsión masiva de los granos, que se ven alargados en el sentido del trabajado. Si se calienta demasiado el latón, los granos aumentan demasiado su tamaño y tendremos una superficie rugosa, lo que recibe el nombre de efecto “piel de naranja”.

Latón + : como poseen dos fases, se los calienta hasta arriba de los 800°C y se los templa en agua, de manera de obtener una aleación mas dura (se tiene fase a temperatura ambiente). Estos latones tienen la peculiaridad de que al revenirlos se endurecen, lo que se debe a un proceso de envejecimiento o maduración, que produce la precipitación de la fase en forma de pluma en los bordes de los granos.

Bronces: se les aplica el recocido de estabilización (de 150 a 300°C para eliminar las tensiones residuales), el recocido contra acritud (de 500 a 675°C que elimina el trabajado en frío), el recocido de homogeneización (de 700 a 750°C, y se hace antes del trabajado en frío o en caliente, para destruir la heterogeneidad provocada por segregaciones durante la solidificación), y el temple martensítico (para bronces del 15 al 25% de Sn, obteniéndose fases +, de estructura en agujas similar a la martensita y desapareciendo el constituyente que hace intrabajable al bronce).

Cuproberilio: se les aplica el tratamiento de solubilización, temple y envejecimiento. En la primera etapa se disuelve la solución calentando hasta que alcance la fase (ver diagrama), luego se enfría bruscamente para obtener una pieza dúctil por retención de solución sólida a temperatura ambiente y se la envejece, calentando a 350°C, en donde el exceso de Berilio precipita en partículas submicroscópicas de fase , las que obstruyen el movimiento atómico y restituyen la dureza perdida.

Cuproaluminio: no se suelen tratar térmicamente (se rajan muy fácilmente), aunque aveces se les aplica un temple desde 900°C con un revenido a 400°C (se calienta hasta donde hay solamente fase y se obtienen estructuras martensíticas semejantes a las del acero; sólo para aleaciones entre un 10 y un 12% de Al). También, para piezas fundidas, se aplica un recocido de quitado de tensiones.

Aleaciones de NíquelA las aleaciones de una fase se les aplican procesos de recocido y trabajo en frío.A las aleaciones de varias fases se les aplican recocido, trabajo en frío y envejecimiento. El agregado de Silicio forma Ni3Si, el cual es un compuesto intermetálico que aumenta la dureza del material.

Aleaciones de AluminioA las aleaciones de forja del grupo Al-Cu, Al-Zn y Al-Mg se les aplica un recocido de homogeneización, que busca eliminar la segregación para lograr una estructura uniforme que corresponda a las condiciones de equilibrio (entre 450°C y 500°C).También se aplican recocidos de recristalización a aleaciones que perdieron la ductilidad que poseían antes de adquirir el estado de acritud como consecuencia de una deformación plástica en frío.Por último, el recocido total se efectúa a 425°C y sirve para borrar las huellas de cualquier tratamiento térmico aplicado a la aleación, dejando el material blando.Las aleaciones tratables térmicamente reciben Los siguientes tratamientos:

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Solubilización: solución sólida de los aleantes. Temple: enfriado rápido en agua o aceite para obtener una pieza dúctil y trabajable. Envejecimiento: ya sea natural a temperatura ambiente o artificial calentando, para que

precipiten en forma coherente los solutos y devuelvan durezaA Las aleaciones con Mg se les realiza: Estabilizado: ya que pierden tensión con el paso del tiempo. Calentándose en un horno hasta

alrededor de los 100-130°C.

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El endurecimiento por precipitación (o endurecimiento por envejecimiento)Es una forma de aumentar la resistencia que se emplea en muchas de las aleaciones industriales importantes. La figura muestra una porción del diagrama de fase en la que la solución sólida terminal exhibe solubilidad creciente en el elemento B, a medida que aumenta la temperatura. La aleación endurecible por precipitación X es una mezcla de dos fases de + a temperatura ambiente. Mediante el calentamiento lento de esta solución o aleación, gradualmente disolvemos cantidades mayores de en . Cuando la temperatura llega a Tsol (temperatura a la cual x% de puede disolverse en ), la solución sólida habrá disuelto todo . Esta composición será estable como solución sólida monofásica a, o por encima de Tsol. Si la aleación X se enfría por debajo de Tsol, la solución sólida se volverá sobresaturada (la solución ya no puede retener la misma cantidad en solución, en la forma de solución ). Esta precipitará, en condiciones de enfriamiento lento, en sitios preferenciales tales como los limites de grano. Si la misma aleación se calienta hasta Tsol y después se la enfría rápidamente hasta temperatura ambiente, no hay tiempo para la formación de la estructura de equilibrio: así se retiene la condición de solubilidad. A temperatura ambiente, la estructura es idéntica (solución sólida) a la forma existente a temperatura elevada, pero no es estable: la estructura no es estable porque el diagrama de fases del sistema indica que deben existir dos fases separadas donde sólo existe una. Si a esta aleación se la vuelve a calentar a una temperatura de envejecimiento; al exceso de en solución se le permite ser rechazado una vez más. Sin embargo, ahora se lo rechaza en forma de precipitado distribuido uniformemente y dividido en forma fina, tal como se muestra en la figura. La formación del precipitado produce una distorsión de la red de la solución sólida. Esta distorsión y esta deformación ocasionan un aumento de la resistencia de la aleación que, ahora está endurecida por precipitación.

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88.- Colaminados, Anodizado. Mecanismo y aplicaciones

AnodizadoEs el proceso electroquímico que permite la formación de una capa de óxido de aluminio de 5 a 20 micrones sobre la superficie del metal, usando el aluminio como ánodo.Se utiliza para proteger al aluminio de la corrosión y la abrasión, como base para pinturas y otros acabados orgánicos, como base de electrodepósitos, con fines decorativos, para proteger la superficie previamente pulida y para proporcionar propiedades especiales al material, como es el caso de materiales dieléctricos (se usa en aleaciones con metales pesados, como las de Al-Mg, Al-Mg-Si y Al-Zn-Mg). Aplicado a piezas de aluminio (de las series 1, 3 y 5)

Procedimiento:1. Se desengrasan las piezas limpiándolas en un baño de soda cáustica y posterior pulido

químico o mecánico (abrasivos).2. Se las coloca en una solución de ácido sulfúrico al 15%, haciéndose pasar corrientes de 1,2-

1,8 A y una diferencia de potencial de 15-20V.3. Por último se realiza un baño de agua caliente para hidratar a la alúmina (Al2O3) y tapar a los

poros superficiales, de manera de dar una superficie pareja y libre de poros. Esta etapa se llama Sellado.

Coloreado: La capa anódica es porosa, por lo tanto se puede colorear por impresión o introduciendo iones metálicos en los poros mediante diferencia de potencial. Existen distintos métodos: Por absorción: se coloca la pieza en una cuba con sales especiales. Por autocoloración: control de impurezas y uso de electrolitos especiales. Por electrocolaración: por un proceso electrolítico posterior al anodizado

Se obtienen como resultado: Mayor dureza superficial, mayor resistencia a la abrasión, aislamiento eléctrico, mayor resistencia a la corrosión, decoración arquitectónica (distintos colores)

Comprobar un buen anodizado es fácil. Se colocan sobre la pieza dos electrodos conectados a una lamparita. Si la lamparita se prende es que la pieza está bien anodizada.

ColaminadoUnión de chapas a altas temperaturas, por fenómeno de difusión. Dos placa de aluminio puro por encima y debajo de una placa de duraluminio, posteriormente son pasadas por rodillos a 450°C y se produce una unión por difusión.Así se obtiene un material de alta resistencia en el núcleo enchapado con aluminio puro resistente a la corrosión

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B.- Materiales Inorgánicos

Materiales Cerámicos

89.- Características Generales: Clasificación de Cerámicos según su uso

Los materiales cerámicos son inorgánicos no metálicos, constituidos por elementos metálicos y no metálicos enlazados mediante uniones iónicas y/o covalentes. Son duros y frágiles con baja tenacidad y ductilidad. Son buenos Aislantes eléctricos y térmicos. Tienen altas temperaturas de fusión, alta resistencia al ataque químico, bajo costo y presentan la facilidad de controlar su aspecto.

Cerámicos Tradicionales: Arcilla, Sílice (Pedernal), Feldespato, Porcelanas eléctricasCerámicos de uso Ingenieril: Oxido de Aluminio (Al2O3), Carburo de Silicio (SiC), Nitruro de Silicio (Si3N4)

90.- Estructura Cristalina y Amorfa. Cuarzo, Vidrios

La razón del comportamiento vidrioso está relacionado con la estructura del material. Si fundimos la silice pura (SiO2) al enfriarse forma un vidrio denominado sílice vítrea. La unidad básica de la estructura es el tetraedro de sílice, que está compuesto de un núcleo de silicio (valencia = +4) rodeado por cuatro átomos equidistantes de oxigeno. Ya que cada átomo de oxigeno tiene una valencia de –2, la carga se comparte con el tetraedro adyacente SiO4

4-, produciendo una red en el espacio, de cadenas de tetraedros de sílice.

A altas temperaturas, estas cadenas se deslizan fácilmente entre sí debido a las vibraciones térmicas. Sin embargo, a medida que se enfría la fusión, la estructura se vuelve rígida.

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Observemos que la sílice, SiO2, se encuentra en la naturaleza en estado cristalino no vitrificado. La forma más común de la sílice es el mineral cuarzo que se encuentra en la arenisca y en la arena de sílice.

Para poder formar el vidrio (material amorfo) del material cuarzo (SiO2) se debe fundir y enfriar rapidamente para que se logre una unión al azar.

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91.- Estructura de Silicatos, Mica, Talco, Asbestos, Zeolitas.

Estructura de SilicatosLa unidad estructural básica de los silicatos es el tetraedro, SiO4

-4. La disposición de los átomos en esas unidades se ve en la figura del punto anterior.El tetraedro tiene átomos de oxigeno en cada una de sus cuatro esquinas, con un átomo de silicio en el centro. Los enlaces entre los átomos de oxigeno y silicio se conocen como enlaces de resonancia; o sea que, la distribución de electrones de valencia es tal que el enlace parece tener características tanto iónicas como covalentes. Los enlaces en Si y O son muy fuertes. Tanto si el enlace se considera iónico o covalente, los cuatro oxígenos carecerán de un electrón para producir un octeto completo de electrones de valencia. Así, el tetraedro tiene una valencia de –4 y su formula se escribe SiO4

-4

Repitiendo, los requisitos electrónicos de los átomos tetraédricos de oxigeno pueden satisfacerse, si se comparte un oxigeno entre dos tetraedros. Si cada oxigeno de esquina de cada uno de los tetraedros se comparte entre ellos, el resultado será una estructura tridimensional, que tendrá la fórmula SiO2. Si los tetraedros de este material se disponen de una manera regular y ordenada, para formar material cristalino, la sustancia se conoce como cuarzo.Si los tetraedros de este material se disponen de una manera al azar, para formar material no cristalino, la sustancia se conoce como silicio vítreo.

Los requisitos de los átomos de oxigeno en los tetraedros, pueden satisfacerse mediante la unión con iones metálicos positivos.

MicaMineral constituido por silicatos complejos de potasio y aluminio, cristaliza en el sistema monocíclico y se presenta en forma de láminas.Por ejemplo la muscovita: KAl2(Si3AlO10)(OH)2

Hay un enlace fuerte de Si-O, en dos dimensiones, en lugar de estar en una sola línea.

AsbestosLa base de estos materiales fibrosos, se explica de la siguiente manera: Es posible que los tetraedros formen cadenas largas. En este caso, habrá dos oxígenos insatisfechos por cada silicio de la cadena. La unidad básica será SiO3

-2. Pueden añadirse átomos monovalentes de sodio a lo largo de la longitud de la cadena o tetraedros adicionales de silicato, que compartan los iones de oxigeno para producir Si4O11

-6

TalcoSi se comparten tres de los cuatro iones de oxigeno, se formarán redes bidimensionales y de forma laminar, que requieren sólo un ión monovalente adicional, por átomo de silicio, para satisfacer los requisitos restantes de valencia del oxigeno. Así, para satisfacer ese requisito de valencia, se puede reemplazar el oxigeno insatisfecho con un grupo hidroxilo (OH-), en una capa adyacente de Mg(OH)2, así el Mg(OH)+ proporciona los electrones necesarios, el resultado será una estructura simétrica no polar y plana. Las superficies de esta estructura no atraerán el agua y serán menos plásticos.

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ZeolitasSilicato de Aluminio hidratado natural con sodio o calcio o ambos.Del tipo: Na2O.Al2O3.nSiO2.xH2O Resina Artificial intercambiadora de iones.

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92.- Composición, Características y usos de los vidrios comerciales: Sílice, Soda cal, Plomo, Borosilicato.

Silicio Fundido (99,9% SiO2 Resistente al choque térmico)El silicio fundido se hace con arena silícica pura. Químicamente, es una de las composiciones de vidrio más sencillas. Sus propiedades físicas son ligeramente superiores a las del vidrio de 96% SiO2; pero es mucho más difícil de fabricar, debido a su elevada temperatura de fusión. Se utiliza sólo en aplicaciones críticas, en las que son esenciales sus propiedades superiores.

Vidrio de 96% de SiO2 (VYCOR) (96% SiO2 - 4% B2O3 Resistente al choque térmico)Se hace a partir de vidrio de sodio y silicato óxido de boro. Esta composición se funde fácilmente y se conforma para producir objetos de gran tamaño. Estos se atacan posteriormente con ácido, para retirar esencialmente todo el sodio, lo cual da como resultado un objeto poroso. Después del cocido a 950°C, el vidrio se hace denso y se encoge de manera lineal, en cerca de un 14%. La composición final es de cerca del 96% de dióxido de silicio, un 3% de B 2O3 y cantidades menores de otras sustancias. El elevado contenido de dióxido de silicio produce un vidrio que tiene una excelente resistencia a las temperaturas elevadas y a la corrosión, y una baja absorción de luz visible y ultravioleta. Su coeficiente de expansión es de menos de una décima del de sodio y cal y, por lo tanto, su resistencia a los choques térmicos es excelente.

Vidrio de Borosilicato (PIREX) ) (80% SiO2 - 12% B2O3 - 4%AI2O3 Utensilios de cocina)Los vidrios de borosilicatos se fabrican mediante la substitución de grandes proporciones del álcali y, con frecuencia, de toda la cal, de los vidrios de sodio y cal, con B2O3. Aunque este último producto es un formador de redes, reacciona también con el SiO2, casi de la misma forma que el sodio y la cal, que son modificadores. El uso del B2O3, en lugar del sodio y la cal, reduce el coeficiente de expansión de 9.0x10-6, para el vidrio de sodio y cal, a 3.5x10-6, para un vidrio típico de borosilicato. En esa forma, la resistencia de estos vidrios a los choques térmicos es muy superior a la de los de sodio y cal. Además, la reducción de la cantidad de alcalinos presente hace mejorar la no reactividad química de dicho vidrio. El Pyrex es una marca comercial común para el vidrio de borosilicato. Se utiliza para instrumentos de laboratorio, utensilios de cocina, tuberías para productos químicos y sellos metálicos de baja dilatación.

Vidrio Soda Cal (74% SiO2 - 25% Moderadores - 1%AI2O3 Placas, focos)El tipo más común de vidrio es el de sodio cal. Las principales materias primas para este producto son la arena silícica, las cenizas sódicas y la piedra caliza, en una proporción tal que el producto tiene una composición que se acerca a Na2O-CaO-6SiO2. La adición de cantidades crecientes de Na2O a SiO2 hace disminuir las temperaturas de fusión y ablandamiento de este último producto; no obstante, se disminuye también la resistencia a los ataques químicos, y si se utiliza suficiente Na2O, el vidrio llega a ser soluble en el agua. Esas composiciones se llaman vidrio acuoso. Añadiendo cal (CaO), junto con el Na2O, se mejora la resistencia al agua y los productos químicos, lo cual da como resultado un material más duro; sin embargo, la cal tiende a hacer que el vidrio se cristalice o desvitrifique. Los cristales formados en el vidrio hacen que pierda transparencia y alteran las demás propiedades. En el vidrio moderno de sodio y cal, parte de la cal o su totalidad, puede reemplazarse con otros óxidos alcalinotérreos y parte o el total de sodio con K2O. Este vidrio cal se utiliza para producir láminas, placas, recipientes, lámparas ligeras y aparatos diversos.

Vidrios de Alúmino - Silicato (55% de SiO2 - 20% de AI2O3 - Cant. Pequ. de B2O3, MgO y CaO)Los contenidos elevados de alúmina y dióxido de silicio producen un vidrio de punto elevado de fusión, que tiene mejor resistencia a las temperaturas elevadas que el de sodio y cal. El coeficiente de expansión es de cerca de la mitad que el de este último. El vidrio de silicato alumínico se utiliza para tubos de combustión, utensilios de cocina y aplicaciones similares.

Vidrio de Plomo alcalino

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El vidrio de plomo alcalino es similar en su composición al de sodio y cal, excepto que toda o casi toda la cal se reemplaza con PbO. Las cantidades de PbO que se utilizan se encuentran entre un 15 y un 60 %. La presencia del plomo hace aumentar el índice de refracción y el poder de dispersión. El índice de refracción define la capacidad de un vidrio para desacelerar a la luz y en esa forma hacer que se incline un rayo de luz al entrar en el vidrio, procedente del aire, o salir al aire desde un vidrio. Puesto que el índice de refracción es menor para las longitudes de onda larga (v.gr.: el rojo), en comparación con las longitudes de ondas cortas (v.gr.: el azul), las diversas longitudes de onda tienden a separarse y formar un espectro al atravesar un prisma. La anchura del espectro, cuando se mantienen constantes los demás factores, indica el poder de dispersión del vidrio del que está hecho el prisma. En los lentes compuestos, que corrigen la tendencia de los lentes simples a producir imágenes bordeadas y coloreadas de un objeto, es necesario un gran poder de dispersión. En las vajillas, los valores elevados de los índices de refracción y dispersión producen brillo y resplandor. En los vidrios eléctricos, la gran masa del ion de plomo da como resultado una aminoración del movimiento iónico, mejorando así las propiedades eléctricas del vidrio. El vidrio de plomo se utiliza también para absorber rayox X y gamma, debido al elevado coeficiente de absorción del plomo. La resistencia del vidrio emplomado al agua es mucho menor que la del de sodio y cal. Asimismo, el HCI lo ataca intensamente.

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93.- Conformación de Vidrios: Moldeo, Soplado, Extrusión, Fibras.

Debido a las propiedades únicas del vidrio, se puede fundir, laminar, estirar y prensar como a un metal y, además, se puede soplar.FundiciónSe lleva a cabo vertiendo el líquido en un molde. Un caso famoso es el vertido de un disco de telescopio de 200 pulg de diámetro (5 m) realizado por la Corning Glass Works. Bajo circunstancias normales, si el disco tuviese que alcanzar el intervalo elástico en la presencia de gradientes de temperatura, el material se rajaría cuando éstos se igualaran. Por otra parte, al remover el material en el esmerilado y pulida, la superficie podría distosionarse. Por lo tanto, el disco se enfrió durante mucho tiempo para evitar diferencias de temperatura en la masa.LaminadoSe emplea en la producción de vidrio para ventanas y vidrio plano. Las materias primas se funden en un extremo de un horno largo denominado horno-tanque y el líquido fluye hacia el otro extremo durante cierto tiempo para permitir que las burbujas se eliminen. La temperatura en el extremo donde están situados los rodillos se controla de modo que el vidrio tenga la viscosidad correcta para pasar por los rodillos y formar una lámina. Luego ésta pasa a lo largo de un horno de recocido denominado lehr, donde se eliminan los esfuerzos residuales. Para el vidrio ordinario de ventanas el material laminado es utilizable en su forma original, pero para la plancha de vidrio se necesita bastante esmerilado y pulimento.

Un nuevo método para formar vidrio en planchas se hizo muy importante. En este método el vidrio fluye desde el horno de fundición dentro de un baño de flotación de estaño líquido. El baño de flotación está cubierto por un techo refractario, manteniéndose una atmósfera calentada para evitar la oxidación.En la cámara de flotación ambas superficies del vidrio adquieren la pulidez de espejo; luego la plancha pasa a un horno de recocido que tiene rodillos muy lisos para evitar que se dañe el acabado. Este método reemplazó las costosas operaciones de esmerilado, y pulimento del antiguo método del laminador.Fundición centrifugadaEsta se emplea para fabricar los embudos de los lados traseros de los tubos de televisión. Se deja caer un pedazo de vidrio en un molde metálico rotativo de modo que el vidrio suba por fuerza centrífuga. El borde superior se amolda, se sella luego el disco de vidrio al embudo utilizando una soldadura de vidrio especial de bajo punto de fusión.EstiradoEl estirado de la tubería de vidrio se consigue de modo semejante al laminado. El vidrio de viscosidad adecuada fluye directamente desde el horno de fundición alrededor de un tubo cerámico o mandril tirado por rodillos cubiertos de asbesto. El aire que se sopla a través del mandril evita que el tubo se deforme después de pasar el mandril. Al igual que para el vidrio plano, el recocido es necesario.PrensadoEl prensado se obtiene colocando un pedazo de vidrio en un molde metálico, luego se comprime y se retira para recocerlo.Prensado y Soplado

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El método de prensado y soplado se utiliza mucho para fabricar recipientes, como lo muestra la figura. Se alimenta un molde con un pedazo y se lo presiona. Luego se quita la parte inferior del molde, sustituyéndolo por un molde con la forma final. La operación de soplado le da el contorno deseado. El vidrio parcialmente formado se conoce como parisón.

Fibra de VidrioLa fibra para la fibra de vidrio es ahora un producto muy importante. Un método de producción consiste en la refusión de bolas de vidrio que fluyen a través de una plancha calentada de platino con orificios por los cuales salen filamentos. Se ejerce la tracción rotando el tubo de enrollamiento a velocidades en su superficie hasta de 61 m/seg). Luego se clasifica el material por grosores para separarlo, y se le aplica lubricante a las fibras a medida que se van enrollando.

94.- Viscosidad y temperaturas de transición, recocido, trabajo, fusión

Al medir la expansión térmica de un vidrio, se encuentran dos respuestas mecánicas únicas. Primero, se observa un rompimiento en la curva de expansión a la temperatura Tg. Hay dos diferentes coeficientes de expansión térmica (pendientes) por arriba y por abajo de Tg. El coeficiente de expansión térmica por debajo de Tg es comparable al de un sólido cristalino de la misma composición. El coeficiente de expansión térmica por arriba de Tg es comparable con el de un líquido. Como resultado, Tg se conoce como temperatura de transición vítrea. Por debajo de Tg, el material es un vidrio verdadero (sólido rígido) y por arriba de Tg, es un líquido superenfriado. En términos del comportamiento mecánico, la deformación elástica se presenta por abajo de Tg y la deformación viscosa (como líquido) se presenta por arriba de Tg. El continuar midiendo la expansión térmica por arriba de Tg conduce a una abrupta caída en la curva de los datos a la temperatura Ts. Esta se conoce como temperatura de reblandecimiento y expresa que el material llega a ser tan fluido que no puede soportar por más tiempo el peso de la sonda de monitoreo de la longitud (una pequeña barra refractaria).

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La figura siguiente muestra una gráfica del volumen específico contra la temperatura. Esta gráfica está muy relacionada con la curva de expansión térmica de la figura anterior. La adición de datos de un material cristalino (de la misma composición que el vidrio) da una definición gráfica de un vidrio en comparación con un líquido superenfriado y un cristal.El comportamiento viscoso de los vidrios puede describirse mediante la viscosidad, , la cual se define como la constante de proporcionalidad entre la fuerza cortante por unidad de área (F/A) y el gradiente de velocidad (dv/dx):

Las unidades tradicionales de la viscosidad son el poise [= 1 g/(cm.s)].

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F/A = . (dv/dx)

En la figura, se resume la viscosidad de un vidrio típico de sosa-cal-sílice desde la temperatura ambiente hasta 1500°C.

También, la figura contiene buena cantidad de información útil de procesos, relativa a la fabricación de productos de vidrio. El rango de fusión es el rango de temperatura (entre aproximadamente 1200°C y 1500°C para sosa-cal-sílice), donde está entre 50 y 500 P. Esto representa un material muy fluido. El moldeado de las formas de los productos es práctico en el rango de viscosidades de 104 a 108 P, correspondiendo al rango de trabajo (entre aproximadamente 700°C y 900°C para vidrio de sosa-cal-sílice). El punto de reblandecimiento se define formalmente en el valor de de 107,6 P (aprox. 700°C para vidrio de sosa-cal-sílice) y está en la temperatura más baja del rango de trabajo. Después que se ha formado un producto de vidrio, los esfuerzos residuales pueden mitigarse manteniendo el rango de recocido de de 1012.5 a 1013.5 P. El punto de recocido se define como la temperatura en la cual = 1013.4 P y los esfuerzos internos pueden aliviarse en aproximadamente 15 min (aprox. 450°C para vidrio de sosa-cal-sílice). La temperatura de transición vítrea (de la figura) se. presenta alrededor del punto de recocido.Por arriba de la temperatura de transición vítrea, los datos de viscosidad siguen la forma de una curva de Arrhenius con:

= o.eQ/RT

donde o es la constante preexponencial, Q la energía de activación para la deformación viscosa, R la constante universal de los gases, y T la temperatura absoluta. Debe observarse que el término exponencial tiene un signo positivo en lugar del signo negativo común asociado con los datos de difusividad. Esto es sólo la naturaleza de la definición de viscosidad, la cual decrece en

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lugar de incrementarse con la temperatura. La fluidez, que puede definirse como 1/ tendría, por definición, un signo exponencial negativo en similitud con el caso de la difusividad.

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95.- Vidrios Templados Térmica y Químicamente, Vitrocerámicos.

Vidrios Templados Térmica y QuímicamenteUna aplicación creativa de la deformación viscosa es el vidrio templado. La figura muestra como el vidrio es primero equilibrado por arriba de la temperatura de transición vítrea, Tg, seguido por un templado de superficie que forma una "corteza" superficial rígida a temperatura por abajo de Tg. Debido a que el interior está aún por arriba de Tg, los esfuerzos interiores de compresión son muy relajados, aunque un modesto esfuerzo de tensión está presente en la "corteza" superficial. Un enfriamiento lento hasta la temperatura ambiente permite que el interior se contraiga considerablemente más que la superficie, causando un esfuerzo residual neto de compresión en la superficie balanceado con un esfuerzo residual de tensión más pequeño en el interior. Esta es una situación ideal para una cerámica frágil. Debido a la susceptibilidad a los defectos de Griffith superficiales, el material debe ser sometido a una carga de tensión significativa antes que la carga residual compresivo pueda ser neutralizada. Una carga de tensión adicional es necesaria para fracturar el material. La resistencia final al rompimiento es entonces la resistencia normal al rompimiento ("no templado") más la magnitud del esfuerzo residual en la superficie.Una técnica química en lugar de una térmica para lograr el mismo resultado es intercambiar químicamente iones K+ de radio más grande por los iones Na+ en la superficie de un vidrio de silicato conteniendo sodio. El esfuerzo de compresión de la red de silicato da lugar a un producto que se conoce como vidrio reforzado químicamente.

VitrocerámicosEntre los materiales cerámicos más sofisticados están las vitro-cerámicas. Como su nombre implica, combinan la naturaleza de las cerámicas cristalinas con el vidrio. El resultado es un producto con cualidades en particular atractivas. Las vitro-cerámicas empiezan como utensilios relativamente ordinarios de vidrio. Una ventaja significativa es su capacidad para dar forma a los productos de manera tan económica y precisa como con los vidrios. Mediante un tratamiento térmico cuidadosamente controlado, más del 90% del material vítreo cristaliza. Los tamaños de los granos finales de cristalita por lo regular son entre 0.1 y 1 m. La pequeña cantidad de fase de vidrio residual llena efectivamente el volumen de la frontera de grano creando una estructura libre

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de poros. El producto final de vitro-cerámica se caracteriza por una resistencia a los choques mecánicos y térmicos muy superior a la cerámica convencional. La resistencia de las vitro-cerámicas a los choques mecánicos es muy grande debido, en gran medida, a la eliminación de los poros concentradores de esfuerzo. La resistencia a los choques térmicos resulta de los coeficientes de expansión térmica característicamente bajos de estos materiales.La importancia de un tratamiento térmico, cuidadosamente controlado, para producir la microestructura uniforme de grano fino de las vitro-cerámicas.Necesitamos recordar que la cristalización de un vidrio es un proceso de estabilización. Tal transformación empieza (o es nucleada) en la frontera de fase de alguna impureza. Para un vidrio ordinario en estado de fusión, la cristalización tiende a nuclearse en pocos puntos aislados, a lo largo de la superficie del recipiente del material fundido. Esto es seguido por el crecimiento de algunos cristales grandes. La microestructura resultante es "burda" y no uniforme. Las vitro-cerámicas difieren por el porcentaje en peso del agente nucleante agregado, como el TiO2. Una fina dispersión de pequeñas partículas de TiO2 da una densidad del núcleo tan elevada como de 1012 por milímetro cúbico. Para una determinada composición, existen temperaturas óptimas para la nucleación y el desarrollo de pequeños cristales.

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96.- Arcillas: Características Generales y Etapas de Manufactura: Plasticidad, Moldeo, Secado, Cocido, Vitrificación.

Los principales ingredientes de la arcilla son el dióxido de silicio (SiO2), la alúmina (AI2O3) y el agua. El dióxido puro de silicio se funde a 1728°C y la alúmina pura a 2050°C. Como se muestra en el diagrama de equilibrio, la adición de pequeñas cantidades de una sustancia a la otra, hace que la temperatura de fusión disminuya. Se produce un material eutéctico a aproximadamente seis por ciento de alúmina y 1550°C, como se muestra en el diagrama de equilibrio de la Alúmina y el dióxido de Silicio. El agua, en la arcilla secada al aire, puede absorberse sobre la superficie de las partículas arcillosas o quedar enlazada químicamente. El agua absorbida se desprende a temperaturas de hasta 120°C. Por encima de esta temperatura, se elimina el agua combinada químicamente. Cuando se alcanzan 705°C, aproximadamente un sesenta a un noventa por ciento del agua combinada químicamente se ha eliminado.

Puesto que la arcilla se forma mediante la acción de los agentes atmosféricos sobre las rocas, hay muchas variaciones en las propiedades y la composición de la arcilla. Las propiedades, además de depender de la composición, son sensibles al tamaño de las partículas (menos de 2 a 4 micrones) y la forma. La presencia de compuestos de hierro, por lo común óxidos, sirve para hacer descender la temperatura de ablandamiento y oscurecer la arcilla. Los compuestos de álcalis (Na y K) y los alcalinotérreos (Ba, Ca, Mg) (por lo general óxidos) reducen la temperatura de ablandamiento. La temperatura de fusión incipiente es aquélla en la que comienza a formarse vidrio en el producto arcilloso. Esto va acompañado por un encogimiento, una disminución de la porosidad y un aumento de la dureza y la resistencia. Los productos de arcilla destinados a resistir temperaturas elevadas, se encuentran relativamente libres de todos los óxidos, a excepción de los del silicio y el aluminio. Para una composición dada, aumenta la resistencia y disminuye la porosidad, al incrementarse las temperaturas de cocido, hasta cierta temperatura tope, que depende de la composición.

Etapas de Manufactura:

PlasticidadEl primer paso en la fabricación de productos de arcilla es añadir a la arcilla refinada todos los ingredientes adicionales necesarios para controlar la temperatura de fusión, la plasticidad de la arcilla húmeda, el encogimiento, la resistencia, el color y la porosidad. El control del tamaño de las partículas, incluyendo la distribución de tamaños, es una consideración importante en ciertos productos de arcilla.

MoldeoLa formación de la arcilla se lleva a cabo utilizando una mezcla muy húmeda y de consistencia cremosa, que se conoce como suspensión fluida de arcilla, fundente y agua, que se cuece, para hacer que se forme en las paredes de los moldes una capa espesa de material sólido. Después que el objeto alcanza un espesor adecuado en las paredes, se invierte el molde y se saca el exceso del compuesto. La absorción del agua por el yeso de París hace que el objeto encoja, desprendiéndose de las paredes y facilitando, en esa forma, la separación de la pieza fundida. Los núcleos de yeso se utilizan cuando es preciso un control estrecho de las dimensiones externas. como ejemplos de productos de cerámica fabricados en esta forma, podemos citar los artículos sanitarios para salas de baño, aisladores eléctricos grandes y artículos domésticos, tales como lámparas y teteras.También se forman piezas especiales, trabajando el barro en la condición plástica. La arcilla que contiene, aproximadamente, un veinte por ciento de humedad, puede ser extruída (el proceso es similar a la extrusión en caliente de los metales y la de los plásticos), puede introducirse a presión en moldes o tomar forma en un torno de alfarero. Los ladrillos para la construcción y varios tipos de baldosas son buenos ejemplos de los productos fabricados por extrusión. Las piezas extruidas

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largas se cortan al tamaño adecuado, a medida que el material sale del horno. La evacuación del aire de la mezcla plástica, antes de la extrusión, da como resultado una mayor resistencia, una densidad más elevada y un mejor control dimensional. El aire aprisionado en la arcilla tiende a dilatarse durante el cocido produciendo huecos internos.Si se mantiene el contenido de humedad de la mezcla de arcilla en aproximadamente un nueve por ciento, la mezcla resultará bastante rígida. Las mezclas de esta consistencia se comprimen en seco, por medio de un proceso similar al de la metalurgia en polvo. La porosidad y ciertas limitaciones relativas a las formas y los tamaños de los objetos producidos, restringen las aplicaciones más amplias de este proceso.

SecadoA continuación, las piezas de arcilla se secan antes del cocido. Sí se calientan inmediatamente a una temperatura elevada, la gran cantidad de agua absorbida se transforma en vapor y produce vacíos, ocasionando la distorsión y la debilitación del producto. El secado se lleva a cabo ya sea naturalmente, al aire, o artificialmente, en hornos.Ciertos productos de arcilla se recubren con componentes vidriados, antes del cocido. Estas substancias tienen temperaturas más bajas de ablandamiento y forman una superficie vidriada y dura, durante el cocido. Se utilizan materiales vidriados en productos de arcilla tales como los artículos sanitarios, las baldosas, la porcelana químicamente resistente y los aisladores eléctricos. El material vidriado produce resistencia al desgaste, así como también una superficie no porosa, que es fácil de mantener limpia. Se usan también para la coloración de ciertos objetos de cerámica.

CocidoLos objetos de cerámica se apilan cuidadosamente, para evitar las deformaciones y asegurar un calentamiento uniforme durante el cocido. Si el objeto está vidriado o muy vitrificado por el cocido, debe tenerse cuidado, para impedir que se produzca una fusión con las piezas cercanas. Cuando la temperatura se eleva lentamente hasta 120°C), la humedad superficial de las partículas de arcilla se desprende.

97.- Cambios que ocurren durante el Cocido.

Los índices excesivos de calentamiento durante este período tienden a provocar protuberancias y roturas en el producto. Entre 290°C y 540°C, la mayor parte del agua combinada químicamente se desprende, y se quema la materia orgánica. A unos 900°C, se inicia la fusión en ciertos objetos que tienen temperaturas bajas de ablandamiento. La temperatura se eleva por encima de este punto, hasta obtener el grado deseado de vitrificación, acompañado por un incremento en la resistencia y una reducción de la porosidad. Se evitan las temperaturas excesivas, debido a que provocan distorsiones y resquebrajamientos. El enfriamiento debe controlarse, para permitir los cambios volumétricos provocados por las transformaciones cristalinas. El enfriamiento rápido produce temperaturas no uniformes en todo el volumen de los objetos, lo cual provoca esfuerzos severos, que pueden ocasionar una fractura.

98.- Procesos de conformación de Arcillas.

Hay varios tipos importantes de arcilla, que se conocen como caolín, arcilla refractaria, arcilla ferruginosa y arcilla calcárea.Los caolinesSon, esencialmente, alúmina, dióxido de silicio y agua, con sólo algunas trazas de otras substancias. Son blancos y producen materiales refractarios de alta calidad y porcelanas translúcidas, útiles y muy atractivas. El caolín se utiliza también como relleno blanco en el papel, los objetos de caucho y los de plástico, además de que sirve para incrementar el volumen, proporcionar cuerpo y mejorar las propiedades físicas.

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Las arcillas refractarias No permanecen blancas después del cocido. Sus composiciones son similares a las del caolín; pero contienen óxidos de hierro en diversas cantidades, que no sólo las oscurece, sino que, además, hace disminuir ligeramente sus temperaturas de ablandamiento. Por otra parte, las arcillas refractarias tienen probabilidades de retener cantidades pequeñas de alcalinos y óxidos alcalinotérreos. La arcilla refractaria se usa para fabricar ladrillos con una buena resistencia a las temperaturas elevadas.

Las arcillas ferruginosas y calcáreas Contienen cantidades todavía mayores de hierro, álcalis y óxidos alcalinotérreos. Tienen temperaturas más bajas de ablandamiento y, según el contenido de hierro, pueden variar en la coloración desde casi blancas a una tonalidad roja profunda. Las arcillas ferruginosas y calcáreas se utilizan para fabricar ladrillos para la construcción, baldosas estructurales, losas para desagües y otros objetos similares.

99.- Ladrillos, Loza, Porcelanas: Descripción, Propiedades, Usos.

LadrillosLos ladrillos de construcción se fabrican de tal modo que satisfagan varias especificaciones, dependiendo del uso a que se destinan. La clasificación se basa en las diferencias en la resistencia a la compresión, la absorción de agua y la resistencia a la refrigeración y el deshielo. A medida que se incrementa la temperatura de cocido, aumenta la resistencia, disminuye la porosidad y los ladrillos adquieren una coloración más oscura.

Los ladrillos se clasifican, a menudo, como de fachada y comunes: De fachada: son más oscuros, densos y fuertes que los comunes, debido a las temperaturas

más elevadas de cocción a que se someten. Puesto que los ladrillos de fachada no absorben tanta agua como los comunes, son más resistentes a los daños causados por los hielos y, por lo tanto, se utilizan en las fachadas de los edificios.

Común: absorbe, aproximadamente, un quince por ciento de agua por peso, mientras que los ladrillos de fachada de buena calidad, absorben menos de un diez por ciento. Los ladrillos comunes tienen una resistencia a la compresión de aproximadamente, 4000 Ib/plg2, mientras que los de fachada pueden resistir cerca de 6000 lb/plg2 de compresión. Entre otros productos interesantes y similares de arcilla, se encuentran las baldosas de construcción, los tubos de drenaje y desagüe, la porcelana químicamente resistente y los esmaltes recocidos para porcelana.

LozasEn este grupo se incluye una extensa variedad de productos, desde las formas más sencillas de loza de barro hasta la loza de china y las cerámicas eléctricas. En cada caso veremos primero las materias primas empleadas para hacer los productos y luego, las reacciones que se presentan durante el procesamiento.La loza de barro: se hace de arcilla (caolín, por ejemplo), aunque en algunos casos están presentes sílice (SiO2) y feldespato, como el K(AISi3)O8. La característica importante es que se la somete al fuego a baja temperatura, comparada con la de otros productos de este grupo. Ello produce una fractura terrosa relativamente porosa.La loza semivitrea: tiene calidades más finas, se fabrican empleando mezclas de arcilla-sílice-feldespato, las cuales se denominan triaxiales, por la presencia de estos tres ingredientes. La temperatura de cocido es mayor, dando por resultado la formación de vidrio, menor porosidad y mayor resistencia. Todos los grados pueden ser no vidriados o cubiertos con un material separado que forme una superficie vidriosa, lo cual da una superficie lustrosa.

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La loza de piedra: difiere de la loza de barro en que se emplea una mayor temperatura de cocido, lo cual produce una porosidad menor del 5% comparado con el 5 al 20% de la loza de barro. Por lo general la composición se controla más cuidadosamente que en la loza de barro y el producto no lustroso tiene el acabado mate de la piedra fina. En algunas variaciones, como los tan conocidos cacharros jaspeados Wedgwood, se les añade compuestos de bario. Este es un excelente material para la loza de hornear, tanques para sustancias químicas y serpentinas. En la práctica no lo atacan la mayoría de los ácidos pero lo corroen los álcalis.

La porcelanaLa loza china: se obtiene cociendo la mezcla triaxial antes mencionada u otras mezclas a alta temperatura para obtener un objeto traslúcido. Es así como un experto sostendrá un plato contra la luz para ver qué tan claramente se nota, la sombra de una mano y aseverar con base en esto la calidad de la loza. La razón de la traslucidez es que una gran parte de la mezcla de cristales de cuarzo, arcilla y feldespato se ha convertido en vidrio claro. A veces se emplea la expresión porcelana de "pasta suave". La temperatura de cocido es menor que para la porcelana "dura" porque una pequeña cantidad de CaO está presente como fundente. La "porcelana inglesa": tiene una composición diferente, contiene cerca de un 45% de ceniza de hueso (de huesos de ganado), 25% de arcilla y el resto feldespato y cuarzo. El fosfato de calcio de los huesos produce un material con menor punto de fusión y el grupo fosfato sustituye en parte la sílice como formadora de vidrio.Porcelana china "Beleek": muy conocida, se fabrica añadiendo vidrio como fundente a la mezcla original, que proporciona gran traslucidez al producto terminado.

Porcelana: es la que se cuece a las más altas temperaturas del grupo y está muy relacionada con la loza china que acabamos de describir. En general, la no utilización de fundentes y las temperaturas más altas dan como resultado un producto denso y muy duro.

Son interesantes las especificaciones para la loza de hornear y la resistente a la llama. Se ha encontrado que la cerámica con un coeficiente de expansión de cerca de 4x10 -6 (°C)-1 soportará el calentamiento en un horno y el enfriamiento al aire, pero que se necesita un coeficiente por debajo de 2x10-6 (°C)-1 para piezas en contacto directo con una llama, como en una sartén. Como resultado de ello, algunas composiciones triaxiales con coeficientes de aproximadamente 4x10 -6

(°C)-1 se emplean en el horno de cocina. Para obtener los coeficientes bajos es necesario adicionar Li2O, tal como se encuentra en el mineral espodumeno o cordierita.

Debido a que el sistema arcilla-sílice-feldespato es de tanta importancia para todos estos productos, el diagrama de fase ternario debiera repasarse brevemente. La Fig. 8.9 esencialmente es un mapa con curvas de nivel que muestra la disminución

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100.- Diagrama de fases Sílice – Alúmina: Interpretación, La Mullita.

SiO2 es Cristobalita sobre 1470°C y es tridimita por debajo de esa temperatura.

A: Composiciones de Arcilla RefractariaB: Mullita RefractariaC: Refractario con alta Alúmina

Sistema Al2O3-SiO2:Varias Cerámicas importantes caen en este sistema.Los ladrillos refractarios de Sílice: son casi SiO2 puro, con 0,2 a 1% de peso de Al2O3. Para ladrillos de Silice que se someten a temperaturas por arriba de los 1600°C, obviamente es importante minimizar el contenido de Al2O3 (mediante la cuidadosa selección de la M.P.) para minimizar la cantidad de fase liquida, siendo tolerable una pequeña cantidad de liquido.Los refractarios de arcilla comunes: están localizados en el rango de 25 a 45% de peso de Al 2O3. Su utilidad como elementos estructurales en el diseño de hornos está limitado por la temperatura (eutectica) de la solidus de 1587°C. Un incremento dramático en la capacidad refractaria o resistencia a la temperatura se presenta en la composición de la mullita (3 Al2O3.2 SiO2) cuya fusión es incongruente.Los refractarios de alta alúmina: caen dentro del rango de composición de 60 a 90% de peso de Al2O3. El Al2O3 casi puro representa la capacidad refractaria mas alta (resistencia a la temperatura) de materiales comerciales en el sistema Al2O3- SiO2 . Estos materiales son usados en aplicaciones tan demandantes como lo son los refractarios en la fabricación de vidrio y en crisoles de laboratorio.

Mullita:Son sustancias cerámicas importantes compuestas de varios porcentajes de sílice y alúmina, tal como lo indica el diagrama de fases. Cuando se calienta arcilla refractaria (caolín) se libera agua y

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tienen lugar otros cambios complejos, de modo que por encima de 1595°C están presentes el mineral de mullita y un líquido. Ello limita el empleo de refractarios alúmina-sílice menos del 72% de Al203 a temperaturas por debajo de 1550°C. Sin embargo, por encima de 72% de Al203, tenemos mullita (3Al203 - 2Si02) o mullita más corindón (Al203) con un solidus a 1840°C. Por lo tanto, los refractarios con alto contenido de alúmina se emplean ampliamente en la fabricación del acero (1600°C). Se debe recalcar que un cambio relativamente ligero en el Al203, del 70 al 80% por ejemplo cambia el solidus en 255°C en una escala de temperatura muy importante. Por razón la mullita es un refractario importante.

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101.- Clasificación, Propiedades y usos de refractarios comerciales: Acidos, Básicos, Especiales, Superrefractarios.

Refractarios ComercialesLos materiales que resisten los efectos de las temperaturas elevadas se conocen como refractarios. Algunos de estos materiales son productos de la arcilla y otros no.Los ladrillos refractarios contienen caolinita bastante pura (esencialmente AI2O2 . 2SiO2 . 2H2O), como ingrediente principal, con un mínimo de substancias productoras de vidrio. Se fabrica a partir de arcilla precocida y preencogida, con el fin de obtener un producto dimensionalmente estable. La resistencia de los ladrillos refractarios es baja; pero no tienen como fin el soportar cargas estructurales. Su función principal es confinar a las llamas y a las temperaturas elevadas del aire, para proteger a los miembros estructurales de dichas temperaturas excesivas. Los ladrillos refractarios se unen con cantidades mínimas de mortero, hecho mediante la mezcla de arcilla refractaria molida con agua. El empleo de junturas gruesas de mortero da como resultado una reducción excesiva y si se emplean morteros de otros tipos que los de arcilla refractaria, tienden a hacer disminuir la temperatura de ablandamiento del ladrillo, por la reacción entre éste y dicho mortero. Puesto que son necesarias uniones delgadas, se controlan cuidadosamente las dimensiones y la forma de los ladrillos refractarios. Su temperatura de ablandamiento es de cerca de 1650°C. Los ladrillos de alto contenido de alúmina son similares a los refractarios; pero contienen más de un 50 por ciento de alúmina. Al incrementarse el contenido de este último material, se eleva la temperatura de ablandamiento y la resistencia a los ataques de las escorias.

Refractarios ÁcidosEl dióxido de silicio es el ingrediente principal. Puesto que los ladrillos de dióxido de silicio son ácidos, no reaccionan con otras substancias ácidas y se utilizan en los fondos de los hornos en que se encuentran escorias ácidas. El dióxido de silicio se obtiene del cuarzo o la arenisca arcillosa. Se mezcla con aproximadamente un 2% de cal en una suspensión acuosa. Después de la formación de un ladrillo o algún otro artículo refractario, se cuece el producto, teniendo lugar mientras tanto una reacción entre la cal (básica) y el dióxido de silicio (ácido) para formar el enlace de vidrio que aglutina a las partículas de dióxido de silicio. Los ladrillos de silicio tienden a sufrir una dilatación ligera y permanente, después de una exposición prolongada a las temperaturas elevadas. Se utilizan materiales combustibles de relleno, tales como bandas de carbón, en las juntas de expansión, para acomodarse a dicha dilatación. La tendencia que tienen los ladrillos de dióxido de silicio a dilatarse, es útil, para producir un buen ajuste en los arcos de los hornos. Se utiliza como material de recubrimiento para los convertidores de ácido de hogar abierto y los ácidos para la fabricación del acero.

Refractarios Básicostienen óxido de magnesio (MgO) como ingrediente principal. La magnesia se obtiene calcinando (calentando hasta el punto de la descomposición) la magnesita (MgCO3). Se necesitan temperaturas de 1650°C para obtener un producto estable. También se obtiene magnesia del agua del mar. Después de cocida, la magnesia se muele y se mezcla con óxido férrico, arcilla, alúmina u óxido de cromo. A continuación, se le da forma mediante la compresión y se cuece. Los ladrillos de magnesia se aglutinan también químicamente y sólo necesitan secarse a temperaturas cercanas a los 260°C.Las paredes frontales, posteriores y laterales de los hornos básicos hogar abierto se recubren con ladrillos de magnesia. Los fondos básicos de hogar abierto se cubren con magnesita o dolomita (MgCO3 . CaCO3). Los recubrimientos y los fondos básicos de los hornos de hogar abierto ayudan a retirar las impurezas ácidas y resisten a las reacciones con las composiciones básicas de las escorias.

Refractarios Neutros

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Contienen, a veces, Cr2O3, como ingrediente principal. Cantidades más pequeñas de dióxido de silicio, óxido férrico y magnesia forman un enlace en los productos refractarios neutros. Los productos de alto contenido de alúmina se consideran, a veces, como refractarios neutros. El carburo de silicio, que se obtiene mediante la fusión del dióxido de silicio con el carbón de coke, en un horno eléctrico, y el grafito, se clasifican también como refractarios neutros, resistentes a la acción de las escorias. El grafito, unido a la arcilla, se utiliza en grandes cantidades para el recubrimiento de hornos o altos hornos.

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102.- Abrasivos; Sinterizado de polvos cerámicos.

AbrasivosEn los discos o muelas abrasivos o en el papel de lija, la idea es la de agarrar firmemente las partículas a fin de que no se desprendan del disco o rueda de esmerilar hasta que se hayan redondeado. Ello se consigue por dos métodos:Utilizando una matriz mas suave que se pueda desgastar o dándole porosidad que debilite el soporte. La porosidad es también importante para llevar el refrigerante que evita el quemado de la pieza que se está esmerilando.Cerca del 85% de las ruedas abrasivas son de alúmina sintética y el 15% de carburo de silicio. El carburo es más duro pero más frágil, de modo que hay una gran competencia dependiendo de la aplicación. La unión puede ser un vidrio cerámico, resina o caucho. El desgaste es más rápido con los adhesivos suaves, pero las ruedas se pueden trabajar a mayores velocidades y producirse en secciones más delgadas, como los discos de corte.

Sinterizado de polvos cerámicosEl tema del crecimiento de grano de especial importancia en el desarrollo de procesos de las cerámicas.Como ejemplo de la importancia de la microestructura es la transparencia de una cerámica policristalina Al2O3, esto se puede lograr si el material está libre de poros. Pero está formado mediante la densificación de polvos. Esta unión de partículas de polvo se presenta por la difusión de estado sólido. En el curso de esta etapa de densificación, los poros existentes entre partículas adyacentes disminuyen progresivamente.Este proceso general se conoce como Sinterización (proceso para formar una masa densa mediante calentamiento, pero sin fusión).El mecanismo de reducción de los poros es la difusión de átomos alejándose de la frontera de grano (entre partículas adyacentes) hacia el poro.De hecho, el poro es “llenado” mediante la difusión del material. Desafortunadamente, el crecimiento de los granos puede empezar antes de que la reducción de los poros se complete. El resultado es que algunos poros quedan “atrapados” dentro de los granos.La ruta de difusión de la frontera de grano al poro es demasiado larga para permitir más eliminación de poros. La solución a este problema es agregar una pequeña cantidad de MgO, la cual retarda severamente el crecimiento del grano y permite que se complete la reducción de los poros.

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El crecimiento de grano obstruye la densificación de un polvo compacto. La secuencia de difusión a partir de la frontera de grano al poro (ahora aislado dentro de un grano grande) es demasiado larga.

Ilustración del mecanismo de sinterización para la reducción de un polvo compacto es la difusión de átomos alejándose de la frontera de grano hacia el poro, “llenando”, por tanto el poro. Cada grano en la microestructura fue originalmente una partícula separada de polvo en el compacto inicial.

103.- Cal y Yeso: Descripción, Propiedades y usos.

La CalLa piedra caliza (CaCO3) que contiene cantidades variables de carbonato de magnesio (MgCO3) de hasta un treinta por ciento aproximadamente, es la materia prima para la producción de cal. Con frecuencia se encuentran el SiO2, la Al2O3 y FeO, en pequeñas cantidades.El Carbonato de magnesio se considera beneficioso, ya que experimenta reacciones paralelas a las del carbonato cálcico y, al mismo tiempo, hace descender las temperaturas de calcificación. El dióxido de silicio es una impureza perjudicial, ya que reacciona con la cal (CaO), para formar silicatos.

Método de Fabricación:Calcinación: luego de machacar piedra caliza hasta obtener un tamaño uniforme, se calienta en hornos a temperaturas aproximadas a los 1100°C (Cocido), Se obtiene Cal viva + MagnesiaApagamiento: La cal viva se hidrata, mezclándola en cantidades apropiadas de agua.Endurecimiento: Se realiza mediante la reacción de partículas de cal apagada (Ca(OH)2) con el CO2 del aire.

Usos:Se consume en forma apagada como ingrediente de mortero o yeso. El mortero mas importante es el cal-cemento (1p de cemento, 2p de cal y 6p de arena + agua para darle la plasticidad requerida)

El YesoLa materia prima para los productos de yeso es el mineral yeso pétreo, CaSO4 . 2H2O. Como muchos otros minerales, el yeso contiene impurezas, tales como el SiO2, la Al2O3 y la CaCO3, que, por lo común no se consideran perjudiciales en las cantidades en las que suelen encontrarse presentes. Los productos del yeso tienden a ser blancos cuando son puros y un poco más oscuros, debido a la presencia de cantidades suficientes de impurezas.

Método de Fabricación:Calcinación: se aplasta (triturado) y se calienta.Endurecimiento: El sulfato de calcio (CaSO4) es peculiar, porque su hidrato es menos soluble en agua que su semihidrato; por lo tanto, si se mezcla el semihidrato con agua, reacciona lentamente, para producir la precipitación de agujas de dihidrato.La formación de una capa entrelazada de cristales de dihidrato es la que produce el endurecimiento del yeso de París. Observe que esta reacción de endurecimiento se diferencia marcadamente de la cal, que requiere dióxido de carbono del aire. Los materiales aglutinantes que se endurecen sólo mediante la reacción con el agua se conocen como cementos hidráulicos.La elevación de la temperatura de la masa plástica hace que sea fijada con mayor rapidez, sin embargo generalmente no se desea acelerar el endurecimiento sino retrasarlo, para lo cual se agregan engrudos animales o retardadores. El endurecimiento va acompañado de expansión y producción de calor.

Usos:Yeso de acabados, placas, enyesados, cartones de yeso, Moldes para metales, Empleos odontológicos, etc.

104.- Cemento Portland: Elaboración, Componentes, Hormigón.

ElaboraciónLas siguiente materias primas Caliza (CaCO3), Sílice (SiO2), Alúmina (Al2O3) y Oxido de Hierro (Fe2O3) son molidas y mezcladas luego en proporciones adecuadas, posteriormente se mantienen en un horno a 1400-1650°C, convirtiéndose en cemento endurecido (Clinker), luego se enfría y

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pulveriza y finalmente se le agrega una pequeña cantidad de yeso París para controlar el tiempo de preparación del Hormigón.

ComponentesEl Cemento Portland consta de cuatro componentes prioritarios:Silicato Tricálcico C3S 55%Silicato Dicálcico C2S 20%Aluminato Tricálcico C3A 12%Aluminoferrita de Tetracalcio C4AF 9%

Hormigón (Concreto de Portland)Compuesto de naturaleza cerámica formado por un material tosco (agregado) encajado en una matriz dura de una pasta de cemento (aglutinante), cemento portland normalmente y agua.Es económico, tiene dureza, resiste al fuego, presenta la posibilidad de ser fabricado en el sitio. Presenta como desventajas su escasa resistencia a la tracción, baja ductilidad y algo de contracción.

Composición:Cemento Portland 7-15%Agua 14-21%Aire 0,5-8%Agregado Fino 24-30%Agregado Grueso 31-51%

105.- Resistencia a la Compresión de los componentes. Fraguado.

FraguadoEl cemento sufre una dilatación reversible al humedecerse y una contracción al secarse. Cuando el agua reacciona con las escorias de cemento, se forma en torno a los granos una capa de gel cada vez más espesa.El agua debe difundirse a través de la capa de gel, con el fin de reaccionar con la escoria todavía no activada. Conforme la capa se va haciendo cada vez mas gruesa, el proceso se lleva a cabo con mayor lentitud. El gel forma una red continua con el concreto. Se evapora el agua no reaccionada, dejando huecos interconectados.

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Resistencia Compresiva del HormigónDepende de la relación cemento-agua, así, para grandes proporciones de agua mas baja resistencia y a menor cantidad de agua menos plasticidad.

Hormigón Armado: Aquí se incluyen barras de acero (1010) reforzante. Los esfuerzos de tensión se transferirán a través de su unión.Esfuerzo de tracción 10 a 15 veces más bajo que compresión

Hormigón pretensado: El hormigón armado puede ser mejorado pretensionando los tendones de acero, introduciendo esfuerzos de compresión remanentes.

106.- Cementos Especiales.

H.A.C. (Cemento de alto contenido de Alúmina)Rapidez de endurecimiento, fijación más lenta, excelente resistencia al agua portadora de sulfato, resistente a la alta temperatura.

Cemento de SorelContiene Oxicloruro de Magnesio, utilizado para realizar suelos de imitación mármol, baldosas decorativas. Su costo es mas alto que el cemento portland.

Cal hidráulicaEndurece por reacción con agua, cocción de cal con arcilla.

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107.- Otros Materiales; Asbestos, Fibrocemento, Lana Mineral.

AsbestosLos Asbestos o amianto son complejos de silicatos de magnesio hidratado. En las cadenas de SiO44-, los átomos de oxigeno insatisfechos se pueden enlazar con átomos extraños. En el asbesto, los iones de Mg2+ pueden unirse a estas cadenas, las que pueden terminar en iones OH-, lo que produce una estructura fibrosa (ante un esfuerzo hay fallas entre las cadenas pero estas no se cortan). Se deshidrata a altas temperaturas y es altamente tóxico, lo cual ha eliminado su uso a partes comunes como los revestimientos de freno.

FibrocementoCemento al cual se le han agregado un 15% de asbesto, lo cual le brinda algunas propiedades del mismo. Tiene como grandes ventajas el ser estanco (aísla), ignífugo (no inflamable), es aserrable y perforable. Se emplea mucho en techos para lugares expuestos a agentes químicos y corrosivos, en frenos (debido a que posee un buen coeficiente de fricción) y embrague de los autos (para evitar que patine).

Lana MineralSe obtiene de la escoria del alto horno (Silicato y Aluminato) y posee muy buenas propiedades aislantes

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C.- Polímeros, Maderas y Lubricantes

Materiales Plásticos y Elastómeros

108.- Materiales Poliméricos: Características, Propiedades Generales

109.- Comparación entre los plásticos y otros materiales

110.- Moléculas Principales, Termoplásticos y Termorígidos

111.- Funcionalidad, Copolímeros, Peso molecular, Forma, Isomería

112.- Estructura Molecular: Lineal, Ramificada, Entrelazada, Red

113.- Cristalinidad, Grado de Polimerización

114.- Influencia de la temperatura en la Viscosidad

115.- Mecanismos de Polimerización, Aditivos.

116.- Fortalecimiento: Peso Molecular, Cristalinidad, Formulación, Cadenas, Moléculas, Propiedades y usos de los Plásticos comerciales

117.- Polietileno, Polipropileno, Acrílicos, Poliestireno

118.- De ingeniería: Teflón, Nylon, Acetales, ABS

119.- Melaminas, Fenólicos, Ureicos, Epoxidos

120.- Elastómeros: Características, Propiedades, Vulcanización. Moléculas, Propiedades y usos de los Elastómeros comerciales

121.- Caucho, Buna S (SBR), Buna N, Policloropreno

122.- Técnicas de conformación: Extrusión, Inyección, Soplado

123.- Compresión, Transferencia, Prensado, Rotomoldeo

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Productos Plásticos Especiales

124.- Recubrimientos Orgánicos: Características Generales.

Los recubrimientos orgánicos están formados por un medio fluido denominado vehículo y, con frecuencia, contienen dispersos una serie de componentes sólidos finamente divididos, pigmentos y secadores. El vehículo contiene una sustancia aglutinante, que forma la película y mantiene unidas a las partículas del pigmento, cuando se encuentra presente. El vehículo incluye también al adelgazador, que es un solvente volátil que facilita la aplicación del producto. Los pigmentos alteran la apariencia, así como también las propiedades físicas de la película y, a veces, también las químicas. Los secadores son catalizadores para el endurecimiento de la película, una vez aplicada. Además pueden contener Aditivos, sustancias que se agregan con fines diversos.Dicho fluido se convierte en película sólida con poder cubriente luego de ser aplicada en película delgada.Además de las pinturas liquidas existen los “Revestimientos en polvo Termoconvertibles” con 100% de sólidos, totalmente libres de solventes con vehículos de poliuretano, poliester-epoxi, o epoxi, por ejemplo, que se curan alrededor de los 180°C durante aproximadamente 16’. Se aplican con soplete electrostático o lecho fluidizado.

Las funciones principales de los Recubrimientos Orgánicos son:1) protección del material contra la corrosión, la exposición a altas temperaturas y la intemperie;2) mejoramiento de la visibilidad por luminiscencia, y de la reflectividad;3) Aislamiento eléctrico y4) Mejoramiento de la apariencia.

Entre los materiales utilizados con este fin, se encuentran las pinturas, los esmaltes, los barnices y las pinturas de laca. Las pinturas y los esmaltes están siempre pigmentados, las lacas están unas veces coloreadas y otras no, y los barnices y la goma laca son habitualmente claros. Estudiaremos la formulación de esos recubrimientos, las funciones de sus ingredientes, y los modos en que difieren entre sí los diversos recubrimientos.

El ingrediente fundamental en la mayoría de los recubrimientos orgánicos, es un polímero o una mezcla de polímeros.

125.- Formulación, Propiedades y usos de las pinturas comerciales.

Preparación de Superficies Metálicas: Limpieza:

1. Desengrasado: Disolventes, Detergentes o Alcalis.2. Eliminación de impurezas:

a) Químicamente: Decapado.b) Mecánicamente: Arenado, Granallado.c) Térmicamente: Quemado (soplete oxiacetilenico).

Preparación de la superficie a pintar:1. Fosfatizado: Aplicación de soluciones de ácido fosfórico. Se produce una película micro

cristalina de fosfato de hierro que ayuda a proteger el metal.2. Imprimaciones:

a) Wash Primers: Base para la pintura final, compuesto por resina vinílica + ácido fosfórico + Cromato de metales pesados.

b) Shop Primers: Protección temporaria a base de: Pigmentos de láminas de aluminio, Pigmentos de polvo de cinc, tipo Wash Primers, elaborado con oxido de Fe.

Mecanismos de Formación de Película:

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Secado al Aire:1. Por evaporación del solvente: Ocurre con aglutinante de alto peso molecular que por si sólo

forman película. Son de rápido secado. Ejemplos: Lacas Nitrocelulósicas y Acrilicas, Pinturas de Caucho clorado y vinílicas, Emulsiones de Látex (Termoplásticos como el poliacetato de vinilo o el acrilo-butadieno-estireno.

2. Por Oxidación u Oxidación mas polimerización: Ocurre cuando el peso molecular no es tan elevado para formar pelicula sin necesidad de cambios. Con el oxigeno del aire se forman compuestos intermedios portadores de oxigeno que luego se polimerizan por adicion o por división + polimerización. Ejemplos: Pinturas al Aceite (con aceites secadores como aglutinantes) y Esmaltes Oleorresinosos.

3. Por reacción química (polimerización de dos componentes): Dos polímeros reactivos de bajo peso molecular (uno es reactivo y el otro es catalizador). Ejemplos: Pinturas Epoxi y Poliuretánicas.

Secado al Horno: Por reacción química a cierta temperatura (120 a 200°C), secado durante 15 a 30 minutos. Ejemplos: Esmaltes Acrílicos, Alquídicos, Esmaltes y Barnices Epoxi-fenolicos y Epoxi-Urea.

Clasificación de Pinturas:Como el campo de aplicación de las pinturas es muy vasto los fabricantes las dividen en dos grandes grupos. Pinturas de uso Arquitectónico: Son pinturas de fondo o de terminación, de interior o de

exterior, Mates o Brillantes, para trabajos sobre mampostería, madera o metal, que cubren todos los requerimientos de la industria de la industria de la construcción. ALBA las clasifica en:1. Pinturas al Látex, Fondo y Terminación: Son emulsiones de látex (suspensión de pequeñas

partículas de un polímero curado, modificada ligeramente por adición de resinas en agua)2. Pinturas sintericas, Fondo y Terminación: En este grupo están esmaltes y barnices, estos

últimos no tienen pigmentos, son transparentes y se usan exclusivamente en Madera.3. Wash primer vinílico: Pintura de pretratamiento de metales no ferrosos, contiene

pigmentos, anticorrosivos, resina vinílica y ácido fosfórico. Tiene como función aumentar la adherencia al sustracto de la pintura que se aplicará después. En el caso de pintar Aluminio, o Acero Galvanizado su uso es imprescindible, pues dichos sustracto no poseen buenas propiedades de adherencia (espesores 8 – 10)

4. Pintura de Caucho Clorado de Terminación: Tienen dos funciones principales, Demarcación de pavimentos y para piletas de natación.

Pinturas de uso industrial: De fondo y terminación, son pinturas de mantenimiento, productos que protegen de la corrosión plantas fabriles y grandes obras de infraestructura (puentes, gasoductos, etc.), Pinturas para la industria automotriz, electrodomésticos, etc. En este grupo se incluyen:1. Lacas: Pigmentadas o no, son soluciones de nitrocelulosa en solventes orgánicos volátiles

(thinner) + plastificantes + resinas.2. Alquídico: Se trata de un esquema que ofrece buena resistencia a la intemperie, siendo de

fácil repintado y preparación de la superficie. En ciertos casos, limita su uso, el no ser apto para ambientes agresivos, es decir aquellos donde se presentan ácidos, álcalis, aceites vegetales, detergentes o jabones, ni para mantenerse sumergido en agua. El acabado es brillante.

3. Caucho Clorado: Posee muy buena resistencia a la intemperie, la niebla salina, los álcalis, los jabones, los detergentes y los aceites. No resiste a los solventes orgánicos. A diferencia del alquídico, puede ser sometido a la inmersión en agua. Las tareas de repintado son fáciles y el acabado es semibrillante.

4. Poliuretánico: Este esquema es de máxima resistencia a la intemperie y la niebla salina. Tiene una excelente dureza y brillo, con óptima retención de este último, durante períodos

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prolongados. Resiste muy bien la exposición a agentes químicos, tales como los ácidos, los álcalis, los aceites, los disolventes orgánicos, los detergentes y los jabones. La efectividad del recubrimiento poliuretánico depende de una especial atención en la preparación de la superficie.

5. Esmalte Epoxi: Posee excelente resistencia a los álcalis, los solventes orgánicos, los detergentes, el agua, los jabones, los derivados del petróleo y los productos químicos en general. Es un producto apto para aplicar sobre mampostería u hormigón, pudiendo emplearse sobre ese tipo de superficies en locales sanitarios, cocinas, laboratorios y fábricas. Su brillo inicial se mantiene en interiores y disminuye gradualmente con el tiempo, expuesto a la intemperie. Debe tenerse sumo cuidado en la preparación de la superficie.

6. HI – Bulid epoxi: Este producto adiciona a las propiedades del esmalte epoxi, su excelente comportamiento en superficies sumergidas, siendo apto inclusive para agua potable. Su elevado contenido de componentes no volátiles y alto espesor de película posible de obtener por cada mano, mejora aún más sus cualidades. Requiere preferente atención en la preparación de la superficie y su acabado es semibrillante.

7. Alumapoxi 75-A-1W: Las características más notables de este producto son que no requiere de la preparación exhaustiva de la superficie de aplicación y brinda una protección superior a la que se alcanza con los fondos anticorrosivos convencionales. La presencia de aluminio aumenta su resistencia en ámbitos húmedos. De ser necesario, este producto, puede ser recubierto con una pintura de terminación adecuada.

8. Epoxi Mastic 75-W-9W: Suma a la cualidad de ser aplicado sobre superficies con preparación no exhaustiva, su alta Performance al ataque químico y su alto contenido de no volatiles, lo cual mejora el rendimiento de la mano de obra. Su acabado es brillante.

9. Epoxi sin solvente: Se trata de un producto particularmente apto para el recubrimientos de recintos cerrados o poco ventilados. Posee alta resistencia química, elevada dureza y brillo. Está aprobado para la aplicación en superficies en contacto con productos alimenticios, entre los que se cuentan los vinos y licores en general, la leche y los quesos.

10. Epoxi bituminoso: Es un producto especialmente indicado para el recubrimiento de superficies sumergidas, sean metálicas o cementicias, en medio acuoso. El acabado es exclusivamente de color negro y la terminación es semibrillante. Por su parte, requiere de una adecuada preparación de la superficie.

11. Epoxi bituminoso altos sólidos: A las propiedades de uno convencional, este producto suma su alto contenido de componentes no volátiles, que permiten mejorar significativamente el rendimiento de la mano de obra de aplicación.

12. Epoxi Zinc Rich MZ-4: Es un recubrimiento de alta dureza y resistencia a la abrasión que provee a las superficies metálicas de protección catódica similar al galvanizado. Esto lo hace apto para superficies expuestas a ambientes marinos o químicamente corrosivos. No resulta afectado por el manipuleo a que se ven sometidas las instalaciones metálicas durante su montaje en obra. Debe recubrirse con una pintura adecuada como terminación final.

13. Zinc Rich Inorgánico MZ-7: Adiciona a las propiedades del anterior, una excelente resistencia a elevadas temperaturas, tanto en forma intermitente (426°C) o sostenida (399°C)

126.- Tipos de pinturas: Esmaltes, Barnices y Lacas.

Las denominaciones comunes para seis tipos principales de recubrimientos orgánicos son 1) pintura; 2) pintura de agua; 3) barniz; 4) esmalte; 5) laca y 6) goma laca. Las diferencias principales entre estos materiales pueden atribuirse a los tipos distintos de vehículos de cada uno de ellos. Numerosos vehículos requieren técnicas diferentes de manufactura, endurecimiento por distintos mecanismos y, además, tienen propiedades diferentes, una vez que se endurecen. Otra diferencia consiste en si el material está o no pigmentado.

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PinturaEs un término que se usa frecuentemente, de manera incorrecta, en lugar de esmalte. Originalmente, el término pintura se aplicaba exclusivamente a los recubrimientos pigmentados, que tenían como aglutinante un aceite secador, como el de linaza. El uso actual de la pintura es más amplio, debido a que el aceite de linaza se ha reemplazado con varios otros materiales. Además del aceite secador, el vehículo contiene también un adelgazador, que es un solvente orgánico volátil, como el aguarrás. Se asocian olores a esas pinturas, debido a los adelgazadores utilizados. La acción de secado, que es esencialmente una oxidación en el caso del aceite de linaza, se acelera mediante la presencia de un secador. He aquí una formulación típica para una pintura blanca para fachadas de edificios:

Composición del pigmento, por peso:Pigmento, por peso 60.3% Dióxido de titanio 15%

Oxido de cinc emplomado al 35% 50%Silicato de magnesio 35%

Vehículo, por peso 39.7% Composición del vehículo, por peso:Aceite de linaza 67.5%Esencias minerales 32.5%

Puede usarse un secador jabonoso de plomo y manganeso, en una cantidad equivalente al cinco por ciento, aproximadamente, del peso del aceite de linaza. En este tipo de pintura, el silicato de magnesio mejora la resistencia a los resquebrajamientos de la película de pintura, mejora las características de flujo de esta última y actúa como pigmento de extensión, para los costosos pigmentos blancos de óxido de titanio y óxido emplomado de cinc.

BarnizEl barniz tiene una formulación similar a la de las pinturas, con la excepción de que, en este caso, se omiten los pigmentos y se añade al aglutinante, como ingrediente, una resina natural o sintética. El aceite utilizado, con frecuencia el de palo o tung, se oxida parcialmente y se polimeriza a temperaturas elevadas. La natural o sintética, se disuelve en el aceite y el solvente agregado. A veces, se añade el secador durante la elaboración y, en otros casos, durante el adelgazamiento.

EsmaltesSon mezclas de pintura y barniz, con vehículos similares a los usados en los barnices; aunque contienen también pigmentos. Un esmalte negro mate podría tener la composición siguiente, en porcentajes del peso:

Composición del pigmentoPigmento 21% Negro de carbono 24%

Silicio y silicatos 76%

Vehículo 79% Composición del vehículoResina 10%Aceites vegetales 12%Esencias minerales 78%

Pinturas de AguaLas pinturas de agua se llaman asi porque utilizan agua como adelgazador. La substancia aglutinante es una combinación de aceite y resina o un látex, como se describió en la sección anterior. El empleo del agua como adelgazador ofrece numerosas ventajas, sobre todo, para los decorados interiores de las casas. Entre ellas se encuentran el hecho de que el agua es inodora, que se eliminan los peligros de incendio durante la aplicación y que el producto se evapora con rapidez. Estas pinturas deben guardarse de tal modo que se eviten las temperaturas elevadas o de congelación. Algunos tipos de emulsiones están sujetos a los ataques de bacterias y hongos y

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se descomponen con rapidez, una vez abierto el recipiente que las contiene. La descomposición de las proteínas y otras substancias orgánicas que contienen esas pinturas, después de la aplicación, producen, a veces, olores ligeros; pero perceptibles y desagradables.

LacasSon básicamente soluciones de nitrocelulosa en solventes orgánicos volátiles. Además de la nitrocelulosa, se les añaden plastificantes y otras , para mejorar la calidad de la película.La goma laca es simplemente la solución de una resina natural en alcohol. Se endurece por medio de la evaporación del adelgazador y no es muy resistente al agua; uno de sus usos principales es como sellador para madera que debe recibir un acabado con otros materiales de recubrimiento. Resulta muy útil para sellar los nudos en las tablas de que deban barnizarse o pintarse.

127.- Poder cubriente, Poder de Teñido; Pigmentos, Vehículos, Aditivos.

Poder CubrienteFacultad de cubrir una superficie con una capa fina obteniéndose un color distinto del color del sustrato. Es un fenómeno óptico de refracción / reflexión de la luz.

Poder de TeñidoCapacidad de dar color con poca cantidad de pigmento

VehículosLas diferencias principales entre las pinturas dependen del tipo de aglutinante que se utiliza en el vehículo. La naturaleza de la substancia aglutinante determina el mecanismo y, hasta cierto punto, la rapidez de endurecimiento, la resistencia y la durabilidad de la película endurecida. Aglutinantes:

1. Aceites Vegetales Naturales: conocidos como aceites secadores, son muy útiles como aglutinantes. Estos aceites, los más importantes de los cuales son el de linaza y el de palo, son ácidos grasos no saturados. Cuando quedan expuestas estas substancias al oxígeno del aire, se forman compuestos intermedios, portadores de oxígeno, que se polimerizan, ya sea mediante la adición simple, para formar polímeros con enlaces de oxígeno, o mediante la división del oxígeno, seguida de una polimerización de tipo de adición. En el último caso, el oxígeno funciona como activador. Así pues:

Polímeros con enlaces de oxígeno Activación con oxígeno

El llamado "secado" de esos aglutinantes, en realidad, es una polimerización ayudada por oxidación. Como sucede en los plásticos, la polimerización va acompañada por un aumento de la resistencia. La deterioración de la película se produce por medio de una oxidación continua y la fragmentación eventual de las moléculas del polímero.

2. Resinas: constituyen otro tipo importante de aglutinantes. Con la excepción de la goma laca, que es de origen animal, todas las resinas naturales útiles son vegetales. Las resinas

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naturales son substancias ácidas no saturadas, capaces de efectuar una polimerización, una oxidación y una reacción con substancias orgánicas básicas. Esos cambios químicos producen un incremento de la temperatura de fusión o ablandamiento y mejoran la dureza y la resistencia. Además de las resinas naturales, hay otras sintéticas que tienen una gran importancia como aglutinantes y que, a veces, se usan solas o en combinación con las naturales y aceites secadores para producir materiales de recubrimiento con propiedades muy útiles. Con la excepción de la goma laca y las lacas, el "secado" de las resinas naturales y sintéticas se realiza mediante la oxidación y/o la polimerización. En la goma laca y las lacas, la pérdida del adelgazador da como resultado la formación de una película sólida.

Adelgazadores: El vehículo contiene también un adelgazador que permite extender y aplicar más fácilmente el recubrimiento. En los materiales de recubrimiento que contienen aglutinantes de los tipos mencionados, los adelgazadores utilizados son substancias que disuelven los aceites y las resinas, sin producir reacciones químicas desfavorables. Los adelgazadores adecuados incluyen: alcoholes, solventes derivados del petróleo, derivados del alquitrán y otros como el aguarrás.Las pinturas de agua, que se distinguen por el uso de agua como medio adelgazador, tienen una gran importancia. Hay dos clases principales de pinturas de agua: las de emulsión de aceite y agua y las de emulsión de látex. La emulsión de aceite y agua consiste en una suspensión estable de aglutinantes de aceite y resina, en una fase continua de agua. Las pinturas de látex o de base de goma consisten en una suspensión de partículas sólidas de látex, modificadas ligeramente mediante la adición de resinas que forman la película. Cuando se utilizan pinturas de aceite y agua, esta última se evapora, permitiendo que se unan las partículas de aceite y las de resina, para formar una película continua. En las pinturas de látex, la película se forma mediante la coagulación de las partículas de caucho o goma, tal y como sucede durante la formación de artículos sumergidos en caucho.

PigmentosLos pigmentos desempeñan numerosas funciones importantes, además de su efecto sobre la apariencia y el color. Las partículas de los pigmentos, provocan un aumento de la durabilidad y la resistencia de las películas que las contienen. Algunos pigmentos, como el cromato de cinc y el plomo rojo, son útiles debido a que mejoran la pasividad de ciertas superficies metálicas. En superficies porosas, el pigmento controla la absorción del adelgazador, mejorando el rendimiento. La cantidad y las características físicas del pigmento afectan a la viscosidad y la fluidez de la pintura. El ajuste de la relación entre el pigmento y el vehículo y el control del tamaño de las partículas del pigmento, determinan, en gran parte, que la pintura sea brillante o mate.Los pigmentos son de dos tipos diferentes: blancos y de color.La capacidad encubridora de los pigmentos blancos aumenta al incrementarse su índice de refracción; por eso, el óxido de titanio tiene la mejor y el plomo blanco la peor capacidad de encubrimiento de todos los pigmentos blancos.La capacidad de encubrimiento de los pigmentos de color depende de su capacidad para absorber la luz. Debe recordarse que hay otras propiedades que, además de la capacidad de encubrimiento, influyen en la selección de los pigmentos. Estos pueden clasificarse también como substancias orgánicas e inorgánicas. Estas últimas incluyen a materiales tales como el óxido de cinc, el plomo blanco, el óxido de titanio, el negro de carbono, el verde de cromo y el amarillo de cromo. Las substancias orgánicas importantes son productos químicos orgánicos, sintéticos y complejos, similares a los tintes.

Pigmentos Utilizados: Pigmentos Activos: Otorgan color y poder cubriente.

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1. Blancos: Bióxido de Titanio, Oxido de Cinc, Cal, Tiza.2. Negros: Negro de Humo.3. Amarillo: Amarillo de Cromo, de Cinc, Orgánicos.4. Rojos: Oxido de Hierro, Anaranjado de Cromo, Minio.5. Azules: Azul de Prusia, Orgánicos.6. Verdes: de Cromo, Orgánicos.7. Metálicos: Aluminio, Cobre, Bronce.

Pigmentos Inertes o Extendedores: Son cargas que dan cuerpo a la pintura o modifican algunas de sus propiedades como ser Fluidez, Sedimentación, Resistencia al resquebrajamiento, etc.1. Talco: Silicato de Magnesio.2. Mica: Silicato de Aluminio.3. Barita: Sulfato de Bario.4. Tiza: Sulfato de Calcio.

SecadoresLos secadores son productos que se añaden a ciertos materiales orgánicos de recubrimiento, para acelerar el endurecimiento de la película mediante la polimerización y/o la oxidación. Habitualmente son substancias jabonosas, producidas mediante la sustitución del hidrógeno de ciertos ácidos orgánicos con metales, tales como Pb, Mn, Co, Fe, Zn y Ca. Básicamente, son catalizadores para las reacciones involucradas en el "secado". No son útiles en los recubrimientos orgánicos que se endurecen mediante una simple evaporación.

AditivosEn los aditivos diversos se incluyen materiales con propiedades antisépticas, para impedir que el producto formulado sufra ataques de bacterias y mohos. Asimismo, en las pinturas de base de agua, es frecuente encontrar agentes antiespumantes, agentes de dispersión y estabilizadores de las emulsiones.

Plastificantes: para dar plasticidad a la película como el aceite de castor o el ftalato de butilo.

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XX.- Pinturas: Ensayos de Dureza y Adhesividad

Ensayo de AdhesividadEl que se hace en una pintura es muy simple. Se raya con un cutter la superficie a analizar formando pequeños cuadrados de 1mm de lado. Luego se pega la superficie con una cinta de pintor y se evalúa la cantidad de cuadraditos despegados.

Ensayo de DurezaEl ensayo de dureza se hace con un durómetro pero una manera de ver la dureza al rayado es marcar la superficie con una mina de lápiz. Si se marca con un lápiz HB se dice que la pintura tiene una dureza HB y así con los otros tipos de minas.

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128.- Adhesivos: Características Generales, Mecanismo de la unión.

Adhesivos:Sustancia que se utiliza para unir dos o más materiales, idénticos o diferentes de modo que tiendan a comportarse como si fueran una sola pieza. Actualmente la mayoría son polímeros sintéticos.

Ventajas de la unión adhesiva: Permiten la unión de los más diversos materiales: metales, maderas, papel, plásticos, telas,

cuero, etc. Unen toda la superficie de contacto. No hay tensiones concentradas en puntos, como en

remaches, clavos, soldadura de punto, tornillos, etc. y los están reemplazando. Los proyectistas pueden calcular con menores coeficientes de seguridad.

Es posible combinar objetos de reducidas dimensiones (no hay muchas técnicas para unir objetos pequeños).

Existen adhesivos especiales de matriz mixta que son mezclas de polímeros que dan uniones con extraordinaria resistencia a la fatiga, absorben energía, tienen poder de amortiguamiento (por ejemplo, los álabes del rotor de un helicóptero se construyen con estas técnicas.).

Muchos adhesivos funcionan como aisladores eléctricos, al unir metales diferentes la película aislante evita la formación de pares galvánicos (uniones excedentes de corrosión)

Las uniones pueden ser mas baratas, rápidas y sencillas que las uniones mecánicas. La unión es generalmente impenetrable a líquidos y gases, por lo que se usan como juntas

hermetizantes. Un adhesivo adecuado puede unir materiales con diferentes coeficientes de dilatación térmica.

Asi se pueden disminuir los esfuerzos debidos a variaciones de temperatura.

Desventajas de la unión adhesiva: En general es bajo el intervalo de temperaturas dentro del cual, la unión permanece intacta, y

se presenta fluencia lenta (creep). Es difícil la inspección de la integridad de la unión. Tiene poca resistencia al desgarramiento y a la peladura, resiste bien la tracción, compresión y

corte.

Mecanismo de la Unión:Existe controversia respecto de la naturaleza de la unión. Hay 5 teorías. De ellas se indican los procedimientos que se utilizan para obtener buenas uniones.1. Teoría del entrelazamiento Mecánico: Las superficies son rugosas; el adhesivo penetra en las fisuras y en los poros y luego solidifica. Basada en el hecho de que superficies limpias y rugosas presentan mejor adherencia.

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2. Teoría de la absorción: El adhesivo debe mojar la superficie que va a unir (adherendo). Esta teoría a conducido al desarrollo de adhesivos de baja tensión superficial inferior a la del adherendo. Basada en el hecho de que la resina epoxi; moja al acero y hace buena unión; y no moja al PE; PP; PTFE; y por lo tanto no produce adherencia.3. Teoría Electrostática: Postula que la interacción entre adhesivo y adherendo, desarrolla en la interface una doble capa de iones cargada electrostáticamente. Se justifica porque se observan descargas eléctricas cuando el adhesivo se descascara del sustrato.4. Teoría de la Difusión: Se aplica en los casos en que el adhesivo contiene un solvente para el adherendo. Las moléculas pasan a través de la interfase. La difusión puede destruir el plano mecánico de la interfase.5. Teoría de la capa límite débil: Se acepta que la más alta resistencia de la unión se logra cuando la fractura se presenta dentro del adherendo ó dentro del adhesivo; pero no en la interfase. Esta teoría sostiene, que para que un adhesivo cumpla su función se debe eliminar la capa limite débil. Esta es, en el caso del Hierro, la capa escamosa de óxido. Pero esto no funciona para el Aluminio que tiene un óxido bien anclado. En el caso del Polietileno la presencia de un aditivo débil de bajo peso molecular lleva a una interfase débil. Las capas débiles se pueden remover por tratamientos de superficie químicos o mecánicos.Tensión Superficial:Todos los materiales ya sean líquidos o sólidos tienen fuerzas superficiales, llamada Energía Superficial en los sólidos y Tensión Superficial en los líquidos.Si la Energía Superficial del sólido es mayor que la del líquido, la gota se extenderá y mojará el sólido, por ejemplo: el moja un metal, pero no moja el polietileno.

Tensión Superficial Crítica de un Sólido (TSC):Es la tensión superficial que se requiere en el líquido para que moje al sólido.TSC (dina/cm) Material18,5 Teflón31,0 Polietileno33,0 Poliestireno TS agua = 73 dina/cm46 Nylonmayor a 73 Metales

El mojado puede mejorarse disminuyendo la T.S. del líquido o aumentando la energía superficial del sólido, por ejemplo limpiando la superficie; atacándola químicamente para modificar su estructura, etc.

Requisitos para uniones satisfactorias: Limpieza de las superficies: Debe ser reciente para evitar que se adsorban gases; se formen

óxidos ó se contaminen con el ambiente. Se detallan los procedimientos para cada sistema Material – Adhesivo en manuales especializados.

Selección del adhesivo: Éste debe mojar al adherendo y solidificar dentro de cierto tiempo, temperatura y presión.

Diseño de la unión: En general las uniones son más resistentes a los esfuerzos de cizallamiento, compresión y tracción que a los de desgarramiento y peladura.

Condiciones de Seguridad: En general el coeficiente de expansión del adhesivo es mayor que el de los metales. Se debe considerar la diferencia de temperatura y la exposición al medio ambiente y a los solventes.

Formación de la liga o Unión adhesiva:Resulta de un proceso determinado que se desarrolla de distintas modalidades: Polimerización de una resina sobre un sólido Evaporación de un disolvente de una solución de un polímero termoplástico. Evaporación de agua de un látex polimérico.

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Enfriamiento de un polímero fundido “Hot-melt”.

129.- Tipos, Propiedades y usos de los adhesivos comerciales.

Clasificación – Naturales y Sintéticos.Durante miles de años la humanidad usó los adhesivos naturales, Betumen, cera de abejas, resinas vegetales, colas animales como la gelatina obtenida a partir del colágeno. Engrudos ó colas vegetales a base de caseína y almidón, etc.

Adhesivos Sintéticos:Con el desarrollo de los polímeros aparecieron Adhesivos Sintéticos con caracteristicas muy superiores a los naturales, tienen aplicaciones como adhesivosLos polímeros Termoplásticos, Termoestables, y los Elastómeros. Además se han desarrollado las llamadas Aleaciones en las que se utiliza más de un polímero.

Marcas Comerciales de los Adhesivos Sintéticos:

Adhesivos de Curado: Epoxis (poxipol): Gran adhesividad y resistencia mecánica, Termodeformación baja, No

encogimiento al polimerizar, Resistente a los solventes, Poseen generalmente dos componentes (Resina y Catalizador)

Poliester: Parecido al anterior pero con menos propiedades (mas barato), Gran aplicación como aglutinante de fibras de vidrio, P.R.F.V. (Plástico reforzado con fibra de vidrio), uso naval y automotriz, Compuestos generalmente por una resina, un catalizador y un acelerador.

Silicona (Fastix, Silastic, Bostic): Son estables en condiciones ambientales extremas, existen en dos tipos, los de 1 componente que curan con la humedad del aire y los de 2 componentes forma juntas instantáneamente.

Poliuretanos: Resistentes en aplicaciones criogénicas, pegan plásticos de adherencia difícil como el nylon.

Cianoacrilatos (Gotita): Son monómeros acrílicos. Actúan casi instantáneamente, polimerizan con la humedad de los sustratos, unen casi todos los tipos de materiales.

Anaeróbicos (Gotita): Son monómeros y resinas acrílicas. Polimerizan en ausencia de aire en más de 15 minutos. El envase se llena hasta la mitad para que contenga O2. Se recomiendan para superficies metálicas. Hay 3 tipos: para roscas, para superficies cilíndricas, para sellar juntas.

Adhesivos con Disolvente: Nitrocelulosa (pegalotodo): Hasta hace unos años eran los más utilizados por los hobbistas. Se

vendían como adhesivos multiuso disueltos en solventes orgánicos. Son inflamables. Han sido desplazados por los epoxis y los cianoacrilatos.

Caucho (Poxiran, Suprabond): Usado como adhesivo de contacto. Adhesión por presión.

Adhesivos de Latex:Un latex consiste en partículas pequeñas de polímero curado suspendidas en agua. Al secarse el agua, las partículas se sinterizan y quedan unidas por fuerzas de Van der Waals. Ejemplos: Acetato de polivinilo, pegamento blanco muy usado “Plasticola”

Adhesivos de fusión en caliente:Se aplica el adhesivo fundido en la junta, que se mantiene cerrada hasta que el adhesivo se enfríe. Se venden en barritas de 10 mm de diámetro que se introducen en pistolas de aplicación que tienen resistencias calefactoras que las funden. Se puede usar cualquier polímero que funda a temperatura adecuada y tenga fuerza de atracción considerable. Ejemplos: Poliamidas, Polietilenos.

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Soldadura:Es la unión por la aplicación de calor a una adecuada capa de las superficies a unir, ambas de material termoplástico.

Selladores:Sustancia que se utiliza para impedir el pasaje de un líquido (normalmente agua) o un gas (normalmente aire) a través de una brecha existente entre dos superficies. Sus materias primas son las mismas que las de los adhesivos, pero difieren de los adhesivos en las aplicaciones industriales, en las formulaciones y en las propiedades.Generalmente se aplican en capa gruesa para acomodar el movimiento normal de las dos superficies a lo largo de su vida útil (los adhesivos se aplican en capas finas).La adhesión es importante pero a veces se prefiere ganar elasticidad y resiliencia a expensas de la fuerza de unión.Su importancia industrial en los paises desarrollados es de 1/6 de la de los adhesivos.

Tipos de Selladores: Alta Performance: Polisulfuros, Poliuretanos y Siliconas. Adhieren a una amplia gama de

superficies. Excelente elasticidad en amplio rango de temperaturas y por largos períodos de tiempo.

Media Performance: Butilicos, Acrílicos y Acetato de Polivinilo. Baja Performance: Resinas Naturales y Bituminosas.

Presentación:Masas Espesas, pocos solventes (su evaporación provocaría la contracción del sellador) y mucha carga (Por ejemplo: Carbonato de Calcio, reduce costos y disminuye la contracción del material después del curado).

130.- Fibras, Espumas, Películas. Tipos Principales y usos.

Fibras:Se utilizan para reforzar plásticos, el vidrio, la aramida (polímero aromático de poliamida con una estructura molecular muy rígida) y el carbono Fibras de Vidrio: Reforzar matrices plásticas, tiene buena relación de resistencia/peso, buena

estabilidad dimensional, buena resistencia al calor, al frio, a la corrosión y a la humedad. Es un buen aislante.

Fibras de Carbono: Reforzar matrices plásticas. Tiene escaso peso, alta resistencia y tenacidad. Utilizado en aplicaciones aeroespaciales. Sus precursores fueron el Poliacrilonitrilo (PAN) y brea. Tiene tres etapas de elaboración: Estabilización, Carbonización y Gratificación.

Fibras de Aramida: Utilizada para protección en Balística, curdas y cables. Ejemplos son: Kevlar 29 (baja densidad y alta resistencia) y Kevlar 49 (baja densidad, alta resistencia y alto modulo).Un polímero se extruye a través de una matriz que le da forma de filamento al enfriarse, posteriormente a la solidificación el hilo se estira a una temperatura entre Tg y Tm para orientar los cristales en una dirección favorable.

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Peliculas:Se fabrican por extrusión pasando por una matriz, luego la masa todavía plástica se pasa por una serie de rodillos pulidos que orientan las moléculas mediante estiramiento

Espumas:Utilizadas para aislación y acolchonamiento. Hay de dos tipos: Celda Cerrada (cinturones salvavidas) y Celda Abierta (acolchonar muebles). El polímero puede ser un plástico termorígido o termoplástico.La espuma se hace de poliuretano, el cual es un componente que forma burbujas de CO2, se vierte la mezcla en un molde que es una plancha móvil. Se aumenta el eslabonamiento cruzado. Se hace por inyección.

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Maderas

131.- Maderas: Microestructura; Lignina, Albura, Duramen.

Macroestructura:Los anillos anuales se forman en la madera de primavera y la de verano. La madera de verano es más densa y tiene mayor resistencia. Se encuentran radios de la madera (G), que pueden conducir a una ruptura radial. Las regiones centrales consisten del corazón de la madera (E), el cual transporta poca savia y savia mas blanda de la madera (D), cerca de la corteza. Otras características que no muestra la figura son las grietas, las cuales son separaciones a lo largo y rajaduras, que son las marcas entre los anillos de crecimiento anual. Los dos tipos principales de madera son la dura y la blanda.

Microestructura:Celdas largas y huecas, cuyos ejes corren paralelos a la longitud del árbol. Las celdas están aglomeradas por un resina natural (lignina). Su comportamiento es similar al de un conjunto de tubos de paredes delgadas, adheridos unos a otros.

Estructura Celular: Pared Primaria: Pared celular inicial que se forma durante la división celular en el período de

crecimiento. Pared Secundaria: Las paredes primarias aumentan de espesor en las direcciones transversal

y longitudinal hasta un máximo tamaño. Celulosa: Constituye entre un 45 y un 50% del material sólido Madera. Es un polimero lineal

compuesto de glucosa con grado de polimerización entre 5000 y 10000 Hemicelulosa: Constituye entre un 20 y un 25% del material sólido Madera. Es una molécula

amorfa ramificada formada por varios tipos de unidades de azúcar con grado de polimerización entre 150 y 200.

Lignina: Polímero aromático que forma parte de los tejidos de sostén de los vegetales; suele estar asociada a la celulosa. Constituye del 20 al 30 % de la madera seca.Son materiales Poliméricos tridimensionales con entrecruzamientos formado a partir de unidades fenolicas (aglomerante de celdas).

Microfibrillas: La Pared celular consta principalmente de microfibrillas unidas por un cemento de lignina. Son núcleos cristalinos de celulosa rodeado por una región amorfa de hemicelulosa y lignina.

Albura: Capa clara situada debajo de la corteza de un árbol.Duramen: Parte interna del tronco, formada por leño muerto, inútil para el transporte de sustancias, de consistencia dura y color oscuro

132.- Arboles de Madera Blanda y de Madera Dura, Propiedades y usos.

Maderas Blandastienen, por lo general, menor resistencia. Son perennes, con hojas similares a agujas y semillas expuestas.Son ejemplos de estas: Cedro, Abeto, Pino, Secoya.

Maderas DurasSon caducifolias (es decir, pierden sus hojas cada año) y sus semillas están cubiertas (por ejemplo, nueces)Son ejemplos de estas: Fresno, Abedul, Nogal Americano, Maple, Roble

133.- Defectos; Preservación; Curación; Cortes.

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Defectos Resquebrajamientos: Planos de separación que corren a todo lo largo y a través de los anillos,

dan pérdida de resistencia y empeoramiento de la apariencia. Contrafibras: se produce cuando el grano de una tabla no corre en sentido paralelo a su

dirección longitudinal, son debilitantes. Nudos: aparecen en todos los puntos en los que un miembro o una rama intersecta al tronco.

Pueden encontrarse a cierta profundidad, generalmente son más duros que la madera, así, son causa de desgaste no uniforme y de dificultades de conformación. Asimismo, debilitan la madera, cuando se somete a esfuerzos de tensión.

Bolsas de resina: Son huecos entre anillos de crecimiento anual, llenos de material resinoso. Venteaduras: Similar a las bolsas de resina pero sin material resinoso. Alabeos: Cualquier desviación de la línea recta del plano o la superficie de la tabla, y se puede

atribuir a una curación incorrecta o ser el resultado de la estructura reticular y las características de encogimiento de la madera.

PreservaciónPuesto que la madera es un material orgánico de origen natural, está sujeta al ataque de organismos vivos, tales como los insectos y los hongos. Asimismo puede sufrir daños debidos al fuego.Los hongos causan descomposición, putrefacción o manchas. Las decoloraciones y las manchas de la madera no afectan su resistencia y carecen de importancia para las aplicaciones estructurales. Hay hongos que atacan ya sea a la celulosa o a la lignina, dejando la madera inservible (estos efectos se dan en ambientes húmedos, cierta temperatura y aire). La madera profundamente curada no es atacada por los organismos.Los insectos causan graves daños a las maderas y las estructuras de este material

CuraciónCuando se cura la madera, el agua abandona las paredes de las celdas. Esto da como resultado un encogimiento que, en su mayor parte, se produce en un sentido perpendicular a la longitud de las celdas. La curación da como resultado, además, un mejoramiento de la mayoría de las propiedades mecánicas de la madera; sin embargo, la tenacidad puede disminuir

CortesExisten distintas maneras de cortar, pero existen dos cortes:1.-Corte Transversal o de grano vertical2.-Corte Recto o de corte pleno o de grado plano.

134.- Terciados; Aglomerados.

Terciado de maderas.El terciado es una técnica que se utiliza para evitar la anisotropía que posee la madera en su estado natural, Simplemente se extraen láminas del tronco y se pegan una sobre otra, a través de una resina fenólica, cuidando de que las direcciones de las fibras de dos capas consecutivas queden siempre perpendiculares entre sí. Se emplea siempre un número impar de láminas de manera de que las dos capas exteriores posean la misma apariencia exterior. También se lo denomina madera compensada simple y se lo usa para estructuras resistentes, ya que la rigidez y la resistencia de este material permite que el esqueleto de soporte sea considerablemente más liviano comparados con los requeridos para la madera maciza (por ejemplo, en planeadores). Hay algunos tipos de madera compensado con cara de metal o con recubrimiento metálico (que se usa en tabiques de hospitales), con recubrimientos de plástico (para fines decorativos), con tratamientos refractarios y con hojas intermedias de amianto como mamparas aisladoras para la producción naval.

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Aglomerado.Es otra manera de eliminar la direccionalidad de la madera. A fin de evitar los problemas que también tiene la madera debido a su humedad, se pulveriza la madera haciéndosela aserrín y mezclándosela con virutas y resinas fenólicas de manera de obtener una masa compacta que, además de ser barata, no presenta anisotropía ni deformaciones. Una variante es el enchapado, en donde dos chapas delgadas de madera de calidad son pegadas sobre el aglomerado de manera de brindar una mejor apariencia y buenas propiedades (prácticamente todos los muebles de hoy en día se hacen con esta técnica y tienen especial aplicación en los encofrados de hormigón). Una variante es el panel duro o "hardboard", el cual se realiza a partir de maderas de gran dureza. También existen las "placas de madera desmenuzada" en donde el macaco está conformado por astillas aglomeradas (se usa en las puertas placas de carpintería).

Dureza de la madera. Ensayos.La dureza de la madera se mide mediante el método de Brinell, mediante el cual se las clasifica en muy duras, duras, semiduras, blandas y muy blandas (se emplea una bolilla de diámetro de 10mm durante 30 segundos con cargas variables entre 100kgf y 500kgf). Otro ensayo muy usado es el Janka, el cual mide la dureza por la carga que requiere un penetrador esférico de acero (le 11m28mm de diámetro para introducirse hasta su sección media o sea hasta obtener una flecha igual a su radio (se expresa en Kgf/cm2). Un tercer ensayo es el de Chalais Meudon, en el cual se carga la probeta mediante un cilindro de acero de 30mm de diámetro, con una carga de 100Kg por cada centímetro de ancho de la probeta. Se mide la penetración “f” en mm y la dureza viene dada por la inversa de la penetración en mm.

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Lubricantes

135.- Aceites y Grasas Minerales: Obtención, Tipos, Usos.

LubricantesSe define al lubricante como el fluido empleado para suavizar el movimiento de dos superficies, además de lograr reducir los desgastes de las superficies de frotamiento, reducir o evitar la corrosión de los órganos lubricados, contribuir a disipar el calor producido por el rozamiento, contribuir a la estanquedad de los órganos en el rozamiento y evacuar de las zonas de rozamiento los sedimentos perjudiciales depositados en ella.

Aceites MineralesProvenientes de la destilación del crudo. Son hidrocarburos CnHm (n = 15 a 25 y m = 30 a 50).20 a 40% son compuestos no saturados de cadena abierta, mayor porcentaje de naftalénicos y el resto son compuestos saturados naftalénicos y aromáticos.Características Principales:Absorben oxigeno a altas temperaturas. No se oxidan a temperatura ambienteNo reaccionan con basesNo solubles, vaporizan a 400°C y se oxidan.

Grasas MineralesSon lubricantes semisólidos o plásticos. Se obtienen a partir de la mezcla de Aceite Mineral con Lubricantes Sólidos (grafito o bisulfuro de molibdeno) y Espesantes (jabones metálicos, Ca, Al, Na, Li, Ba).Reemplaza al aceite en elementos sometidos a movimientos centrífugos.Protege del contacto con agua, polvo, etc.Existen muchas diferencias de calidad debido a la complejidad de la obtención.Pueden sufrir endurecimiento.Al ser pastosa ofrece resistencia a los mecanismos.No son estables a altas temperaturas, por lo tanto se le agregan aditivos.

Las grasas son dispersiones de aceite de jabón. El jabón actúa como soporte o esponja del aceite, dependiendo las características de la grasa tanto del aceite como del jabón que lo soporta. Las grasas se emplean para lubricar órganos imposibles de engrasar con aceites, bien sea por falta de condiciones para que pueda ser éste retenido, o bien porque la atmósfera de polvo o suciedad en que se encuentre la máquina aconseje la utilización de un lubricante pastoso que impida la contaminación de los órganos en movimiento. Las grasas se clasifican en cálcicas, Sódicas, aluminicas, líticas, báricas y mixtas (se diferencian en el punto de goteo, temperatura a la cual una grasa contenida en un aparato especial comienza a gotear por un orificio colocado en su parte inferior).

Diferencias entre una grasa y un lubricanteSe diferencian en que una grasa proviene de una esterificación de ácidos saturados, mientras que los lubricantes provienen de ácidos no saturados (la grasa se define como un aceite saturado).

Aceite Vegetal CastrolEs un aceite mas caro que los aceites comunes debido a su mayor poder lubricante. Se utiliza en competición Deportiva y algunos de sus componentes son vegetales.

Aceite CompoundUn lubricante Compuesto o Compound es aquel lubricante simple (cumple con las características tanto generales –disminuir la fricción, bajar el calor disipado, reducir el desgaste, hermetizar convenientemente, etc.- como especiales –estabilidad a la oxidación, detergencia y dispersión,

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aceitosidad, etc.) al cual se le han agregado aditivos para que satisfaga ciertas condiciones de lubricación. Los aditivos pueden ser mejoradores del I.V. (poliestireno, poliisobutileno), depresores del punto de congelación (estearato de aluminio), de untuosidad (jabones de metales), de extrema presión (aditivos con azufre, plomo, y cloro), antidesgaste, antioxidante, detergentes, antiespumantes (polimeros de silicona), etc. Ejemplos de lubricantes compuestos tenemos en el Supermovil, Hipermovil, de maquinas y frigorificos.

Aceite MultigradoEl aceite multigrado que posee un agregado de aditivos tales como los poliisobutilenos y el poliestireno, que elevan sensiblemente su índice de viscosidad e impiden que su viscosidad varíe mucho con la temperatura.

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136.- Viscosidad, Indice de Viscosidad, Detergencia, Acidez, Gomas.

ViscosidadEs la propiedad de los fluidos que se manifiesta por la resistencia al desplazamiento relativo de sus partículas debido a la actividad molecular. Un filete al desplazarse con respecto a otro contiguo con velocidad diferente da lugar a una resistencia debida al intercambio molecular que se establece entre sus partículas determinando una masa en movimiento parcialmente transversal. La correspondiente cantidad de movimiento da origen a la fuerza de resistencia llamada viscosidad absoluta o dinámica () la cual depende de la naturaleza del fluido y su temperatura. Para vencer esta resistencia es necesario aplicar una fuerza...

F = .s.(v / h) = F.v / s.h [Poise]

La explicación de los términos y la verificación de esa expresión puede realizarse utilizando el viscosimetro que se esquematiza. Se trata de dos cilindros concéntricos entre los cuales, por tener diámetros ligeramente diferentes, puede introducirse el fluido cuya viscosidad se desea estudiar, a determinada temperatura. El cilindro exterior gira y debido a la viscosidad del fluido se produce el arrastre del cilindro interior que alcanzará una posición de equilibrio debido a la acción de un resorte solidario (cupla recuperadora). El ángulo girado por el cilindro interior en la posición de equilibrio depende de la viscosidad del fluido.

Indice de Viscosidad (I.V.)Es un valor que representa la variación de la viscosidad de un lubricante con la temperatura. Este valor será tanto mayor cuanto menor sea dicha variación.Para determinar este índice se compara la viscosidad la viscosidad del aceite en estudio con la de otros dos aceites tomados como referencia. Estos aceites se denominan:Aceite H: Es un aceite parafínico standard, presenta escasa variación de viscosidad con la temperatura. Su indice de viscosidad se fija en 100.Aceite L: Es un aceite naftalénico standard, presenta gran variación de viscosidad con la temperatura. Su índice de viscosidad se fija en 0.

Para calcular el indice de viscosidad se procede como sigue:En el viscosímetro Standard Saybolt Universal se mide la viscosidad (cinemática, = / ) del aceite en estudio a 38°C (u) y a 99°C (x).

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M = F . Ri = .s.(v / h) . Ri

S = 2.. Re. LV = W.Reh = Re – Ri

M = 4. .W.Re2.Ri2.L. / Re2 – Ri2

Conociendo el valor del par de fricción y el de la cupla recuperadora puede calcularse el valor de la viscosidad absoluta.

Suponiendo que los aceites comparados H y L tuvieran sus viscosidades a 99°C iguales a las del aceite en estudio a la misma temperatura sus viscosidades respectivas a 38°C serían las que se obtienen de tablas.Con este valor (el de viscosidad a 99°C) se busca en tabla la viscosidad de H y L a 38°C, así, con estos datos se calcula el I.V. mediante la expresión empirica de Dean y Davis

I.V.= (L – u) / (L – H) (todas a 38°C)

Diferencia entre Grado e Indice de ViscosidadLa viscosidad de un lubricante es la resistencia entre capas adyacentes de fluido a fluir ante un esfuerzo de corte, la cual viene dada por la fórmula de Newton σ = .(δv/δn). El grado de viscosidad de un lubricante se determinará ensayando mediante un viscosimetro ya sea Saybolt, Engler o Redwood. El indice de viscosidad es una relación entre dos ensayos de viscosimetro a 100°F y 210°F que se calcula mediante el gráfico de Dean y Davis (Cuanto mayor sea el I.V. de un aceite, mas estable será ante las variaciones de temperatura).

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Viscosímetros. Grados Engler, Segundos Saybolt y RedwoodEn el viscosimetro Engler se tiene una cantidad de aceite de 200cm3 y se expresan los resultados en grados Engler, que es el tiempo de escurrimiento del aceite dividido por el de 200cm3 de agua a 20°C (es el único índice adimensional). Se hace a 20, 38, 50 y 100°C.En el viscosímetro de Saybolt se tiene una cantidad de aceite de 60 cm3 y se expresa en segundos Saybolt, que son simplemente el tiempo de escurrimiento que tiene el aceite. Se realiza a 70, 100, 130, 210°F.En el viscosímetro Redwood que es muy similar al Saybolt se tiene un recipiente de 50cm3, expresándose los resultados en la cantidad de segundos que tarda en escurrir el aceite. . Se realiza a 70, 100, 140, 200°F.

Poder Detergente o Dispersante (Detergencia)Durante la lubricación suelen formarse sustancias gomosas que, además de producir atascamientos, aglutinan partículas solidas que actúan como abrasivos. Este inconveniente disminuye agregandole al lubricante un jabón naftalénico. Las moléculas muy polares de estos jabones rodean las particulas y las mantienen en suspensión coloidal evitándose las floculaciones gomosas o sólidas. Con esto se logra prolongar los períodos de mantenimiento. El poder detergente o dispersante varía con la temperatura y con los contenidos de agua y de partículas de carbón.

Aceitosidad (Acidez) o UntuosidadSe trata de un fenómeno por el cual debido a las características de las moléculas del lubricante y a la acción de las superficies metálicas se produce una absorción de las moléculas sobre las superficies a lubricar. Esta absorción es particularmente intensa cuanto mas asimétrica o polar es la molécula del lubricante ya que el radical ácido se une químicamente al metal formándose una capa delgada que dará un menor coeficiente de fricción. Suele establecerse una similitud de ésta capa con una superficie de terciopelo (los lubricantes mas aceitosos son de gran peso molecular y de cadena larga, uno de cuyos extremos suele presentar fuerte reactividad química concentrada facilitando en ese punto la adsorción de la molécula sobre una superficie metódica.La Untuosidad de un aceite es la adherencia que este lubricante posee a una determinada superficie (un lubricante muy aceitoso o untuoso es uno de cadena larga y de elevado peso molecular).

GomasProducto de la oxidación a altas temperaturas. El oxigeno y el azufre favorecen la formación de gomas que perjudican el funcionamiento normal del aceite.

137.- Envejecimiento, Hidrogenación, Inflamación, Combustión.

Estabilidad química de un aceite lubricanteLa lubricación pasa por situaciones severas, especialmente en motores de combustión interna o bombeos. En consecuencia, se producen generalmente, ciertos fenómenos que alteran el comportamiento del lubricante. Los fenómenos mas frecuentes son:a.- Creckley: rotura de moléculas por asociación de otras mas pequeñas.b.- Oxidaciónc.- Acción Catalítica: Las superficies metálicas al estar bruñidas (lustradas, pulidas) tienen un efecto catalítico sobre el lubricante produciendo su envejecimiento o degradación. Este efecto va disminuyendo a medida que se van ensuciando las superficies lubricadas.

HidrogenaciónHoy en día, se hidrogenan la mayoría de los lubricantes debido a que, a causa de la presencia de enlaces no saturados ingresan elementos extraños a él como el azufre y otros compuestos (tienden a formar goma vulcanizada, lo que es muy común en la combustión de los motores

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Diesel). Debido a esto, se coloca a contracorriente un medio rico en hidrógeno de manera de saturar la mayor cantidad de enlaces posibles y evitar la introducción de átomos extraños.Método por el cual se transforma un aceite (Hidrocarburo no saturado) en un hidrocarburo saturado por la adición de hidrógeno (al romperse los dobles enlaces), esto le aumenta la viscosidad dinámica al aceite.

Punto de InflamaciónEs la temperatura en la que, ante la presencia de llama, se inflaman e inmediatamente se apagan los vapores del aceite.

Punto de CombustiónEs la temperatura en la que, ante la presencia de llama, el aceite arde durante unos segundos. En general, el punto de combustión es unos 35°C mayor que el de inflamación.

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Propiedades de los lubricantes La viscosidad Punto de congelación: aquél en el cual toda la masa de lubricante solidifica por efectos de la

temperatura y deja de fluir. Punto de niebla: temperatura a la cual se forma una niebla, indicando una incipiente

cristalización de la parafina. Punto de inflamación: temperatura a la cual ante la presencia de llama se inflama el aceite e

inmediatamente se apaga. Punto de combustión: temperatura a la cual el aceite ya arde por algunos segundos, ante la

presencia de llama; es 35°C mayor al de inflamación. el punto de autoinflamación: temperatura a la cual el aceite arde sin necesidad de llama. Punto de coquización: cuando se carboniza el lubricante por falta de oxígeno en el aire. Poder detergente: la capacidad de mantener los sedimentos gomosos en suspensión coloidal

en la masa del aceite sin perder las cualidades lubricantes. Poder antiespumante: evitar la dispersión de aire o gas en el lubricante Aceitosidad o Untuosidad.

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