La estructura de un material se puede considerar en diferentes niveles (Fig. 10). La disposición de los electrones que rodean al núcleo de lo átomos individuales afectan el comportamiento eléctrico, magnético, térmico y óptico. Además la configuración electrónica influye en la forma en que los átomos se unen entre si, en el siguiente nivel se considera la organización de los átomos en el espacio.
Los metales, muchos cerámicos y algunos polímeros tienen una organización atómica muy regular denominada estructura cristalina, existen defectos en arreglo atómico y pueden controlarse para producir cambios profundos en las propiedades, entre los cristales el arreglo atómico cambia su orientación influyendo así en las propiedades, el tamaño y forma desempeña una función primordial en este nivel.
En la mayoría de los metales se presenta más de una fase, cada una de las cuales tiene su propio arreglo atómico y propiedades mecánicas.
Figura 10. Cuatro niveles de estructura en un material: a) estructura atómica, b) estructura cristalina, c) estructura granular en el acero (100X), d) estructura multifásica de aluminio vaciado (200X).
Durante la deformación plástica con trabajo en frío o en caliente se produce con frecuencia
una microestructura formada por granos alargados en dirección del esfuerzo aplicado, lo cual causa una distorsión en la red cristalina. Como resultado del trabajado en frío, aumenta la dureza, la resistencia a la tensión y la resistencia eléctrica, en tanto que disminuyó la ductilidad. El producto metálico deformado en frío presentará esfuerzos residuales, los cuales se pueden eliminar en su mayoría mediante un tratamiento de recocido total, el cual es un proceso de reblandecimiento. Este proceso se efectúa totalmente en el estado sólido y generalmente le sigue un enfriamiento lento en el hormo desde la temperatura deseada. El proceso de recocido se divide en tres etapas: recuperación, recristalización y crecimiento de
grano. El efecto de las propiedades mecánicas durante el recocido son: la dureza y la
resistencia disminuyen, mientras que la ductilidad aumenta. El cambio en las propiedades se muestra esquemáticamente en la Fig. 11.
El trabajado en caliente se realiza a una temperatura por encima de la temperatura de recristalización.
Figura 11. Efecto de las propiedades y microestructura del proceso de trabajado en fría y recocido.
Las aleaciones ferrosas, incluyendo los aceros inoxidables y las fundiciones utilizan tratamientos térmicos similares para controlar la microestructuras y las propiedades. Sin
embargo la estructura y comportamiento de las aleaciones no ferrosas tienen diferencias enormes. Las temperaturas de fusión, por ejemplo, van desde casi la temperatura ambiente para el galio hasta más de 3000°C para el tungsteno. Las resistencias mecánicas varían desde los 1000 psi hasta más de los 200,000 psi. El aluminio el magnesio y el berilio (“metales ligeros”) tienen densidades muy bajas, en tanto que el plomo y el platino tienen densidades excepcionalmente altas.
En muchas aplicaciones el peso es un factor crítico. Para relacionar la resistencia del material con su peso, se ha establecido una resistencia mecánica específica o relación resistencia peso:
Resistencia mecánica específica = (Resistencia Mecánica) / (Densidad)
Otro factor en el diseño con metales ferrosos y no ferrosos es su costo, que también varía de manera considerable.
El hierro vaciado es de composición y estructura similares al arabio, producido por el alto horno. De hecho con frecuencia se utiliza como materia prima para el cubilote en la fabricación de hierro vaciado, haciendo los ajustes necesarios en composición.
El hierro vaciado es un material metalúrgico barato, particularmente útil cuando un vaciado requiere rigidez, resistencia al desgaste o una alta resistencia a la compresión. Otras propiedades útiles del hierro colado incluyen:
Su facilidad de maquinado cuando se selecciona una composición adecuada. Su fluidez y capacidad para efectuar buenas impresiones de fundición.
Sus temperaturas de fusión, fácilmente obtenibles (1130-1250°C) en comparación con los aceros.
Figura 20. Clasificación general de los hierros vaciados.
Otros efectos de la composición sobre la estructura del hiero vaciado en sus diferentes tipos.
El hierro vaciado ordinario es una aleación compleja que contiene un total de hasta 10% de los elementos: carbono, silicio, manganeso, azufre, y fósforo, siendo el resto hierro. Los hierros aleados contienen además cantidades variables de: níquel, cromo, molibdeno, vanadio y cobre.
El carbono puede existir en dos formas en el hierro vaciado como grafito libre, o combinado
con el hierro, formando carburo de hierro (cementita). Estas dos variedades se conocen como “carbono grafítico” y “carbono combinado” respectivamente y la cantidad total de ambos tipos en la probeta de hierro se conoce como “carbono total”.
La cementita es un compuesto duro, blanco, quebradizo, de manera que los hierros que
contienen una gran cantidad e ella, presentan una fractura blanca y tendrán baja resistencia mecánica, así como una alta resistencia al desgaste. Estos hierros se llaman “hierros blancos”. Cuando la superficie de fractura de un hierro vaciado que contiene grafito, aparece gris y el hierro se conoce como “hierro gris”.
El silicio, se disuelve en la ferrita del hierro vaciado y es el elemento que tiene el efecto
predominante sobre las cantidades relativas de grafito y cementita presentes. El silicio tiende a ser inestable en la cementita, de manera que se descompone, produciendo grafito y por lo tanto, un hierro gris. Mientras más alto sea el contenido de silicio, mayor será el grado de descomposición de la cementita y mayores las hojuelas de grafito producidas.
Así pues, mientras que el silicio refuerza a la ferrita disolviéndose en ella, al mismo tiempo produce cierta blandura, causando la disociación de la cementita en grafito. Sin embargo cuando el silicio está presente en cantidades que exceden a las necesarias para completar la descomposición de toda la cementita, nuevamente causará dureza y un aumento en la fragilidad. Por lo tanto debe considerarse el balance en el contenido de silicio.
La presencia del silicio en el hierro vaciado es beneficiosa ya que aumenta la fluidez del hierro, mejorando notablemente sus propiedades de vaciado.
Azufre. El azufre tiene el efecto opuesto que el silicio, pues tiende a estabilizar la cementita.
presencia como sulfuro, FeS, en el hierro colado, aumentará también la tendencia a la fragilidad.
Manganeso. El efecto del azufre se ve controlado, a su vez, por la cantidad de manganeso
presente. El manganeso se combina con el azufre para formar sulfuro de manganeso, MnS, el cual es insoluble en el hierro fundido y flota a la superficie, uniéndose a la escoria. Los efectos directos del manganeso, incluyen el endurecimiento del hierro, refinamiento del grano y un aumento en su resistencia.
El fósforo se encuentra presente en el hierro vaciado, como fosfuro, Fe3P, que forma una
fase eutéctica con la ferrita en los hierros grises y con la ferrita-cementita en los hierros blancos. Esta fase funde a 950°C aumentando notablemente la fluidez. Los hierros fundidos que contienen 1% de fósforo son, por lo tanto, muy adecuados para la producción de vaciados de secciones delgadas.
Tipos de hierros vaciados
Fundición gris. Es la más común de las fundiciones debido a sus excelentes propiedades de
vaciado. Contiene grafito en perlita y ferrita. El color de estos hierros es debido al grafito. La solidificación produce hojuelas entrelazadas de grafito. En la figura 21 se observa la microestructura típica de un hierro gris y en las figuras 24 y 25 se observa sus grados, y propiedades mecánicas y aplicaciones.
Figura 21. Microestructura de un hierro gris. Consiste de hojuelas de grafito en una matriz perlítica
con trazas de ferrita (áreas blancas) Sin y con químico con Nital al 2%. 100X y 200X, respectivamente.
Fundición blanca. Consisten en cementita y perlita. La concentración de silicio debe ser muy
baja, ya que el silicio es un poderoso agente grafitizante. Estos hierros son muy duros y prácticamente no pueden maquinarse. Los hierros fundidos blancos con bajo equivalente en carbono y que contienen aproximadamente 2.5%C y 1.5%Si, son un producto intermedio en la manufactura del acero maleable. Cierto grupo de hierros blancos, altamente aleados, se usan por su dureza y resistencia al desgaste. Ver microestructura en Fig. 22a.
Fundición maleable. Se produce al tratar térmicamente la función blanca no aleada. La
cementita formada durante la solidificación se descompone y produce aglomeraciones de grafito. La forma redondeada del grafito permite que el hierro fundido maleable tenga una buena combinación de resistencia y ductilidad. Ver microestructura Fig. 22b. Y sus grados y aplicaciones en la figura 26.
Figura 22. Microestructura de un hierro blanco y maleable a) Fundición Blanca; y b) Fundición maleable ferrítica producida por tratamiento térmico
de una Fundición Blanca.
Fundición dúctil o nodular. El hierro fundido dúctil se produce tratando al hierro líquido con
magnesio o cerio, ocasionando el crecimiento del grafito esferoidal durante la solidificación. Comparada con la fundición gris, la fundición dúctil tiene excelente resistencia, ductilidad y tenacidad. La ductilidad y resistencia son también mayores que en las aleaciones maleables, pero debido al mayor contenido de silicio en el hierro dúctil, la tenacidad puede ser menor. Ver su microestructura en la Fig. 23 a y b.
Figura 23. Microestructura de un hierro nodular a) Nódulos de grafito en un recocido completo (sin ataque). 100X. b) Nódulos de grafito con ferrita “ojo de buey” en matriz perlítica parcialmente recocido (ataque químico con Picral) 100X.
2.4.1 Numero de nódulos y nodularidad
En el caso de los hierros, específicamente en el hierro dúctil o nodular, la forma del nódulo es evaluada de acuerdo con la clasificación del estándar ISO 945 o ASTM A 247, el número de nódulos así como la forma, puede ser evaluada por medios cualitativos de manera metalografica y con los instrumentos adecuados.
Una buena práctica recomendada es tener algunos cupones o muestras que requieren de cierto patrón o modelo de nodularidad tomado de cada lote de metal. Para muchos propósitos del 85 al 100% de grafito se considera de con una nodularidad completa. Los cupones obtenidos de cada uno de los lotes, puedes ser evaluados periódicamente para verificar la matriz y estructura del grafito producida en el hierro, además de evaluar los contenidos de ferrita y perlita, además de carburos, inclusiones y condiciones generales del proceso.
2.4.2 Cupones de propiedades mecánicas
Para asegurar que el hierro vaciado cumpla con las especificaciones aplicables, además de las propiedades mecánicas, se verifican algunos cupones maquinados, además de la obtención de varios cupones en diferentes posiciones de la pieza terminada, en algunos de los casos, se toman cupones de componentes que se tratan térmicamente y para la
obtención de la composición química.
2.4.3 Factores que afectan las propiedades en el hierro dúctil
Estructura del grafito: La cantidad y forma del grafito del hierro dúctil, es determinado en la
solidificación y no puede ser alterada por subsecuentes tratamientos térmicos. Todas las propiedades mecánicas y físicas características de este material son obtenidas porque el grafito crece de manera nodular esferoidal, las figuras anteriores muestran algunas de las microestructuras de este tipo de hierro, de esto depende principalmente por el tipo de grafito, en el caso de otro tipo de grafito por ejemplo en hojuelas, tiene efectos adversos en las propiedades mecánicas del material, así como el modulo de elasticidad, el cual puede ser medido por frecuencia de resonancia o ultrasonido; un bajo porcentaje de nodularidad afecta directamente las propiedades como impacto, reduce el esfuerzo a la fatiga, incrementa la conductividad térmica y reduce la resistividad eléctrica.
Un aspecto importante es la inoculación, el cual aumenta el número de nódulos, previene la formación de carburos e incrementa la ferrita, evita el endurecimiento y la fragilización.
Estructura de la matriz: El principal factor que determina los diferentes grados de hierro dúctil
es el contenido en la matriz del componente, en condiciones de vaciado, la matriz puede consistir de ferrita y perlita, si la cantidad de perlita incrementa, aumentan del mismo modo el esfuerzo y la dureza del material. La estructura de la matriz puede ser cambiada por tratamientos térmicos, esto puede ser llevado a cabo mediante el proceso de recocido para producir una matriz completamente ferrítica y un normalizado para producir una matriz substancialmente perlítica
CAPÍTULO No. 3