Metalurgia Para No Metalurgicos (Hierros)

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CONTENIDO

1. INTRODUCCIÓN

1.1. ¿Que es la metalurgia? 1.2. Antecedentes históricos

2. RELACIÓN Y CARACTERÍSTICAS METALÚRGICAS-PROPIEDADES 2.1. Introducción

2.2. Solidificación y diagramas de fase 2.3. Efecto de los elementos aleantes 2.4. Efecto de la microestructura

3. PROPIEDADES MECÁNICAS DE LOS MATERIALES 3.1. Resistencia a la tensión

3.2. Dureza

3.3. Impacto y tenacidad 3.4. Fatiga

4. TRATAMIENTOS TÉRMICOS DEL ACERO 4.1. Generalidades de los tratamientos térmicos 4.2. Procesos de endurecimiento

5. ALEACIONES METALICAS: PROPIEDADES, APLICACIÓN Y NORMATIVA

5.1. Introducción 5.2. Hierros vaciados

5.3. Aceros carbono y aleados 5.4. Aceros para herramienta 5.5. Aceros inoxidables

5.6. Superaleaciones base níquel 5.7. Cobre y sus aleaciones 5.8. Aluminio y sus aleaciones 6. REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS

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CAPÍTULO No. 1 INTRODUCCIÓN 1.1. ¿QUÉ ES LA METALURGIA?

“Es la ciencia y tecnología de los metales, que incluye su extracción a partir de los minerales metálicos, su preparación y el estudio de las relaciones entre sus estructuras y propiedades”.

1.2. ANTECEDENTES HISTÓRICOS

Desde tiempos remotos, el desarrollo de la sociedad ha estado íntimamente ligado al desarrollo de los materiales y en especial de los metales. Basta recordar que algunas de las eras más importantes de la civilización se identifican por el metal que sirvió de base para la fabricación de objetos de trabajo y armamentos para la guerra; así tenemos a la Edad del Bronce, la Edad del Hierro y la época actual, que bien podría llamarse la Edad del Acero, el Concreto, el Plástico y los Semiconductores.

El descubrimiento y dominio en el trabajo de los metales ha sido la pauta para el éxito de muchas empresas del ser humano y a lo largo de la historia se destacan hazañas metalúrgicas como la Espada de Damasco del conquistador Alejandro el Grande, considerada irrompible y que investigaciones de la Arqueometalurgia, han demostrado que estaba hecha de un acero alto carbono, con un tratamiento termomecánico muy similar al ausformado moderno. Otro ejemplo lo constituyen las espadas de los Samurais japoneses, cuyo proceso de forjado conduce a la formación de microestructuras laminares, que la metalurgia moderna ha descubierto que aportan una elevada resistencia.

Muchos de estos materiales antiguos eran considerados mágicos o divinos y eran producidos de manera artesanal; pero los secretos de su fabricación fueron celosamente guardados a través de generaciones hasta desaparecer en el olvido; algunos otros, se volvieron del dominio público y fueron perfeccionándose con el tiempo. Estos últimos materiales fueron los que precisamente se convertirían en los materiales de ingeniería y con la Revolución Industrial serían producidos en escala masiva para acelerar el progreso de la humanidad hasta los niveles actuales. [Jorge Luis González Velásquez].

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CAPÍTULO No.2

RELACIÓN CARACTERÍSTICAS METALÚRGICAS–PROPIEDADES

2.1. INTRODUCCIÓN

Es claro que las sociedades humanas desarrollaron y usaron gran cantidad de materiales mucho antes de contar con las bases científicas que explicaran el por qué de sus propiedades, por ejemplo, la maleabilidad de un metal, la dureza de un diamante, la resistencia al calor de una cerámica, o la lubricidad del grafito. Las características de los materiales es posible entenderlas y explicarlas por sus propiedades y comportamiento que constituyen la causa fundamental del interés práctico en ellos - sobre bases científicas generales emanadas de la compresión de su estructura, entendida ésta, como la forma en que están constituidos los materiales, tanto en escala macroscópica como microscópica, y aún atómica. Por otra parte, la estructura de los materiales está determinada por el procesamiento a que son sometidos en el curso de su fabricación o con el transcurso del tiempo. Finalmente, las propiedades, la estructura y el procesamiento, en forma conjugada, se relaciona íntimamente con el uso del material, y viceversa. Gráficamente estas interrelaciones se han popularizado en la forma del tetraedro de la ciencia de materiales (Fig. 1).

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En el caso de los hierros vaciados y los aceros, ambas aleaciones ferrosas, representan algunos de los más complejos sistemas de aleación, una gran variedad de micro estructuras y por lo tanto, una gran cantidad de propiedades diversas que pueden ser obtenidas, esto dependiendo de la composición, condiciones de solidificación y los tratamientos térmicos apropiados. La intención de este documento es proveer un sistema de la clasificación de estas aleaciones, su nombre comercial, relación con diferentes estándares internacionales y las aplicaciones en función de la micro estructura, además de las composiciones químicas, correlaciones de las propiedades mecánicas, tratamientos térmicos y las aplicaciones de estos materiales.

El termino hierros vaciados, al igual que el acero, representa una gran familia de materiales en diferentes aleaciones, los hierros vaciados son aleaciones contenida como matriz o base los elementos hierro y carbono, las cuales son solidificadas en el área de la trasformación del eutéctico. Además de contener diferentes cantidades de otros elementos como Si, Mn, P y S y trazas de Ti, Sb y Sn. Comúnmente las variaciones en las propiedades están en función del balance entre el carbono y silicio y su combinación con otros elementos metálicos y no metálicos, además de la variación en el tratamiento térmico, variación en las puntos de fusión y la forma del vaciado.

Los cinco tipos básicos de hierros vaciados son: hierro blanco, hierro gris, hierro dúctil,

truchada, y hierro maleable. Los hierros blanco y gris, derivan sus nombres de la apariencia de la fractura que se produce en la superficie, el hierro truchado falla entre el hierro gris y blanco, pero mostrando ambas coloraciones en diferentes zonas, el hierro dúctil es por las propiedades obtenidas en cuando a eso su ductilidad, lo que sus antecesores no presenta esta propiedad y por último el hierro maleable, el cual se obtiene esta propiedad mediante un tratamiento térmico.

Dos divisiones adicionales a esta clasificación se incluyen los hierros altos en grafito y los hierros de grafito compacto. Los primeros son aleaciones que requieren de alta resistencia a la corrosión o una combinación de resistencia a la oxidación y con alta tenacidad y son producidas en ambas, hierro en forma de hojuela (hierro gris) y grafito esferoidal (hierro dúctil). El grafito compacto (CG), es caracterizado por el grafito que es inter conectado dentro

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de las celdas eutécticas, así como el grafito en hojuelas del hierro gris, sin embargo el grafito en el CG, es más grueso y redondo.

ESTRUCRTURAS CRISTALINAS

Los griegos llamaron cristal al cuarzo, κρνσταλλοσ (cristallos = frío + goteo), es decir, carámbanos de extraordinaria dureza y muy fríos. Pero la formación de cristales no es exclusiva de los minerales, y los encontramos también (aunque no necesariamente de modo natural) en los compuestos llamados orgánicos, e incluso en los ácidos nucléicos, en las proteínas, en los virus...

El estado cristalino de la materia es el de mayor orden, es decir, es aquel en donde las correlaciones internas son mayores y a mayor rango de distancias. Y esto se refleja en sus propiedades que son anisotrópicas y discontínuas. Suelen aparecer como entidades puras, homogéneas y con formas geométricas definidas (hábitos) cuando están bien formados.

Con todo ello, nos preguntamos, ¿cuál es la peculiaridad que diferencia a los cristales de otros tipos de materiales?. Pues bien, la denominada estructura cristalina está caracterizada microscópicamente por la agrupación de iones, átomos o moléculas según un modelo de repetición periódica, y el concepto de periodicidad es sencillo de entender si pensamos en los motivos de una alfombra oriental, dibujos de la Alhambra, una formación de tipo militar...

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Si nos fijamos con detenimiento, en estos dibujos hay siempre una fracción de los mismos que se repite. Pues bien, en los cristales, los átomos, los iones o las moléculas se empaquetan dando lugar a motivos que se repiten desde cada 5 Angstrom hasta las centenas de Angstrom (1 Angstrom = 10-8 cm), y a esa repetitividad, en tres dimensiones, la denominamos red cristalina. El conjunto que se repite, por traslación ordenada, genera toda la red (todo el cristal) y lo denominamos celdilla elemental ó celdilla unidad. Para generalizar, su contenido (átomos, moléculas, iones), o sea el motivo que se repite, puede describirse por un punto (el punto reticular) que representa a todos y cada uno de los constituyentes del motivo. Por ejemplo, cada soldado sería un punto reticular. En la materia condensada, un monocristal es un dominio, generalmente poliédrico, de un medio cristalino

Pero hay ocasiones en las que la repetitividad se rompe, no es exacta, y precisamente esa característica es lo que diferencia a los cristales de los vidrios o en general de los llamados materiales amorfos (desordenados o poco ordenados)...

Modelo atómico en un material ordenado (cristal) Modelo atómico de un vidrio

Sin embargo la materia no es totalmente ordenada o desordenada (cristalina o no cristalina) y nos podemos encontrar con toda una degradación contínua del orden (grados de cristalinidad) en los materiales, que nos lleva desde los perfectamente ordenados (cristalinos) hasta los completamente desordenados (amorfos). Esta pérdida gradual de orden que se da en los materiales, es equivalente a lo que podemos observar en los pequeños detalles de esta

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formación gimnástica, que siendo en cierto modo ordenada, sin embargo hay unas personas con pantalones, otras con falda, con posturas algo distintas o ligeramente desalineados ...

En la estructura cristalina (ordenada) de los materiales inorgánicos, los motivos repetitivos son átomos o iones enlazados entre sí, de modo que generalmente no se distinguen unidades aisladas y de ahí su estabilidad y dureza (cristales iónicos, fundamentalmente)...

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Donde sí se distinguen claramente unidades aisladas, es en los llamados materiales orgánicos, en donde aparece el concepto de entidad molecular (molécula), formada por átomos enlazados entre sí, pero en donde la unión entre las moléculas, dentro del cristal, es mucho más débil (cristales moleculares). Son generalmente materiales más blandos e inestables que los inorgánicos...

Estructura cristalina de un material orgánico: cinnamida

En las proteínas también existen unidades moleculares, como en los materiales orgánicos, pero mucho más grandes. Las fuerzas que unen estas moléculas son también similares, pero su empaquetamiento en los cristales deja muchos huecos que se rellenan con agua no ordenada y de ahí su extrema inestabilidad.

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Estructura cristalina de una proteína: AtHal3.

Se muestran los grandes huecos que deja el empaquetamiento cristalino

Los distintos modos de empaquetamiento en un cristal dan lugar a las llamadas fases polimórficas (fases alotrópicas para los elementos), que confieren a los cristales (a los materiales) distintas propiedades. Por ejemplo, de todos son conocidas las distintas apariencias y propiedades del elemento químico Carbono, que se presenta en la Naturaleza en dos formas cristalinas muy diferentes, el diamante y el grafito:

Diamante (carbono puro) Grafito (carbono puro)

El grafito es negro, blando y un lubricante excelente, lo que sugiere que sus átomos deben estar distribuidos (empaquetados) de un modo que puedan entenderse sus

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propiedades. Sin embargo, el diamante es transparente y muy duro, por lo que debe esperarse que sus átomos estén muy fijamente unidos. En efecto, sus estructuras sub-microscópicas (a nivel atómico) dan cuenta de sus diferencias.

Diamante, con estructura muy compacta Grafito, con estructura atómica en láminas

En el diamante, cada átomo de carbono está unido a otros cuatro en forma de una red tridimensional muy compacta (cristales covalentes), de ahí su extrema dureza y su caracter aislante. Sin embargo, en el grafito los átomos de carbono están distribuidos en forma de capas paralelas separadas entre sí mucho más de lo que se separan entre sí los átomos de una misma capa. Debido a esta unión tan debil entre las capas atómicas del grafito, los deslizamientos de unas frente a otras ocurre sin gran esfuerzo, y de ahí su capacidad lubricante, su uso en lapiceros y su utilidad como conductor.

REDES DE BRAVAIS

En toda red cristalina se pueden encontrar (y no de forma única) tres vectores de forma que dos puntos reticulares cualesquiera están siempre relacionados por una expresión del tipo (1.1) con n1, n2y n3 enteros. Los vectores a, b y c que cumplen también esto, definen una celdilla que también por traslación genera el cristal. Se la llama celdilla primitiva porque es la de volumen mínimo que por traslación reproduce el cristal. Si hubiera otra de menor volumen

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y tomando n1, n2y n3 enteros, no encontraríamos necesariamente un punto reticular (Fig. 1.1). Es fácil comprender que a cada celdilla primitiva le corresponde un solo punto reticular (con su correspondiente base cristalina).

La celdilla primitiva no es única. Una forma de concretar la celdilla primitiva es bisecar por planos los segmentos que unen un punto reticular a sus próximos vecinos. En este caso recibe el nombre de celdilla elemental de Wigner-Seitz (Fig. 1.1) y cumple con los postulados anteriores. En particular, es evidente que sólo contiene un punto reticular.

Las redes cristalinas se llaman también redes de Bravais y hay 14 diferentes agrupadas en 7 sistemas cristalinos (Fig. 1.2).

Sistema Redes Malla Redes de Bravais

Cúbico Simple Centrado en cuerpo Centrado en caras a = b = c α = β = γ = 90º Trigonal Romboédrico a = b = c α = β = γ ≠ 90º Hexagonal Simple a = b ≠ c α = β = 90º γ ≠ 120º Tetragonal Simple Centrado en cuerpo a = b ≠ c α = β = γ = 90º

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Ortorrómbico Simple Centrado en bases Centrado en cuerpo Centrado en caras a ≠ b ≠ c α = β = γ = 90º Monoclínico Simple Centrado en bases a ≠ b ≠ c α = β = 90º ≠ γ Triclínico Simple a ≠ b ≠ cα ≠ β ≠ γ

Figura 1.2.- Propiedades de las redes de Bravais

De ellos el sistema cúbico es el de máxima simetría y además el sistema de los semiconductores usuales. Más concretamente estos cristalizan en el sistema cúbico centrado en caras (fcc) que puede verse en la Figura 1.2. Tienen asociada, normalmente, una base cristalina de dos átomos que pueden ser iguales (como en los semiconductores elementales: Silicio, Germanio…) o diferentes (Arseniuro de Galio, Fosfuro de Indio y otros semiconductores formados por asociación de elementos de los grupos III y V, o II y VI del sistema periódico). Para este caso se representa en la Fig. 1.3 la estructura atómica de un material diatómico (tipo blenda, que es la estructura cúbica del SZn). Es fácil ver que los átomos "blancos" marcan la estructura fcc y que cada átomo blanco tiene asociado otro "negro". Cuando todos los átomos son iguales tenemos el caso de las estructuras del tipo diamante.

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Figura 1.3.- Estructura diatómica fcc

2.2. SOLIDIFICACIÓN Y DIAGRAMAS DE FASE.

2.2.1. SOLIDIFICACIÓN.

En general, los productos metálicos se originan en una primera etapa en estado líquido, luego del cual se pasa al estado sólido mediante moldes o por colada continua. El proceso de solidificación es determinante para la calidad del producto final, porque si el material queda defectuoso en esta etapa, será muy difícil efectuar las correcciones en el procesamiento posterior.

Defectos frecuentes de la etapa de fusión y solidificación son:

 Porosidades

 Microgrietas

 Inclusiones no metálicas

 Segregación de elementos de aleación

 Formas de granos muy heterogéneas (por ejemplo: granos muy alargados y granos pequeños)

 Rechupes, (huecos debidos a la contracción del metal líquido al solidificarse y que no han sido llenados por más metal líquido)

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La obtención de un producto sano por solidificación no es simple y requiere un profundo conocimiento acerca de la relación entre las diferentes variables que gobiernan dicho proceso. La transformación de líquido a sólido ocurre en dos etapas. La primera, es la nucleación de la fase sólida en la fase líquida, donde se genera una superficie sólido-líquido que tiene una energía de superficie ΥS→L (energía por unidad de superficie) y la segunda, se refiere al

crecimiento de estos núcleos a medida que desciende la temperatura. Por lo tanto, durante la solidificación coexisten ambas fases, sólida y líquida.

La relación entre las velocidades de nucleación y crecimiento determinará la forma y el tamaño de los granos del sólido resultante.

Las anteriores resistencias a la nucleación exigen un sobreenfriamiento para que se inicie el proceso de solidificación; el sobreenfriamiento será mayor para una nucleación homogénea, es decir, aquella por la cual se forma un núcleo en el seno mismo del líquido. Por otra parte, la nucleación heterogénea está caracterizada por la formación de núcleos sobre superficies sólidas existentes como paredes del molde o partículas sólidas en suspensión.

El diagrama Temperatura (T) v/s tiempo (t) tendrá la siguiente forma para la solidificación de un metal puro. Fig. 2.

a b d c TE Tiempo Temp. (°C) ΔT

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Una característica importante de la cristalización de los sólidos es que a presión constante poseen una temperatura característica de equilibrio sólido-líquido, TE. Solamente a esta

temperatura existe el equilibrio, por lo tanto, podemos decir que las energías libres del sólido y del líquido son iguales. A una temperatura mayor a TE la fase líquida posee una energía libre

menor que la fase sólida siendo, por lo tanto, la fase estable. Análogamente, a temperatura menor a TE la fase sólida posee una energía libre menor que la fase líquida, luego, la fase

estable es la sólida.

Cabe señalar que si el líquido se enfría a una temperatura menor que TE no se produce la

cristalización en forma inmediata, se requiere de un cierto grado de sobreenfriamiento para que el proceso de solidificación comience, esto es el calor latente de fusión (Capacidad calorífica Cp). Como se muestra en la Fig. 2.

El líquido es enfriado hasta TE , corresponde a la zona a.

El líquido debe ser sobreenfriado en una cantidad ΔT para comenzar la nucleación. El

ΔT será mayor para nucleación homogénea, (curva b), que para nucleación

heterogénea, (curva c).

Si continúa el crecimiento de los núcleos, se eleva la temperatura hasta TE , producto del

calor latente de solidificación, y de esta manera se mantiene constante esta temperatura. Esto

coincide con lo establecido en la regla de las fases de Gibbs. Cuando la solidificación termina y ya no hay más calor latente entregado al sistema, la temperatura de sólido comienza a descender, zona d.

Una vez formados los núcleos, un cierto número de ellos crecerá. El crecimiento depende del cambio de energía libre, (δGs), que ocurre en la interfase cuando un número NA de átomos se

agrega como una nueva capa a los N átomos que ya pertenecen al sólido.

Estructuras características de lingotes. Los lingotes nunca son usados directamente en aplicaciones comerciales, es decir, son productos intermedios, destinados a ser transformados en otros productos, mediante deformación plástica, tales como: barras, tubos, planchas, alambres y perfiles. Los procesos usuales para obtener estos productos son:

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 Laminado en caliente y en frío

 Forja

 Extrusión

 Trefilado

La calidad de un lingote para su posterior conformado plástico depende de dos características principales:

 El tipo de grano, es decir, la forma, el tamaño y la orientación de éstos.

 La ubicación y distribución de heterogeneidades dependiendo de la composición.

Figura 3. Estructura de un lingote durante la solidificación.

En la estructura del lingote, Fig. 3, pueden distinguirse tres zonas, dependiendo del tipo de grano que se ha desarrollado durante el enfriamiento y su ubicación, como son:

 Zona Chill

 Zona Columnar

 Zona de Granos Equiaxiales

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del molde debido al gran sobreenfriamiento que sufre el metal líquido al entrar en contacto con el molde frío. Debido a esto la nucleación será heterogénea y su velocidad rápida, produciendo una abundante nucleación de cristales pequeños más o menos equiaxiales y de crecimiento dendrítico.

La extensión de la zona chill depende de las varias condiciones tales como:

 Material del molde

 Temperatura del líquido al vaciarlo en el molde

 Temperatura del molde

 Conductividad térmica del molde

Cuando el líquido está sobrecalentado y las paredes del molde están frías, la zona chill será estrecha, pero si el líquido es vaciado al molde a una temperatura levemente superior a la de solidificación, habrá una zona más amplia de líquido sobreenfriado produciéndose más nucleación, y por lo tanto, la zona chill será más ancha. De aquí podemos deducir que: la zona chill decrece con la mayor temperatura del metal líquido (sobrecalentamiento) y con el precalentamiento del molde; si estas condiciones de temperatura se extreman, la zona chill puede hacerse imperceptible.

Zona Columnar. Se origina en aquellos granos de la zona chill, continuando su crecimiento

hacia el centro del lingote, pues están favorablemente orientados para crecimiento rápido, como se muestra en la Fig. 4.

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Figura 4. Formación de granos columnares.

La existencia de una zona columnar produce orientaciones preferenciales de los cristales en el lingote y por consiguiente produce anisotropía de las propiedades mecánicas, lo que hace indispensable la deformación plástica posterior. Es importante destacar que el crecimiento de los granos columnares no es sólo en su longitud, sino también según su diámetro y que los bordes de grano recogen impurezas.

Zona central de granos equiaxiales. El líquido de la región central puede sobre enfriarse

tanto por efectos térmicos así como por sobreenfriamiento constitucional; de esta manera se desarrolla una zona central de granos equiaxiales.

En las aleaciones es importante el sobreenfriamiento constitucional, pues promueve el desarrollo de la zona equiaxial central. Este sobreenfriamiento se produce cerca del centro del lingote debido a que:

 Algunos cristales formados en la zona chill son barridos desde las paredes del molde por corrientes de convección hacia el interior del lingote. Si la temperatura de vaciado del líquido es baja estos cristales no serán completamente refundidos y servirán como cristales-semillas en la parte central del lingote.

 La solidificación empieza en el punto de temperatura más bajo, exactamente por debajo del líquido. En este punto se forma un cristal pequeño, que se denomina núcleo. Se pueden formar distintos núcleos casi simultáneamente, y cada uno de ellos es un punto donde empieza la solidificación y el metal solidificado crece a partir de estos puntos. La solidificación avanza en todas las direcciones que son normales para los ejes principales del cristal de núcleos. Por consiguiente, a partir

de un cristal cúbico, el crecimiento avanza simultáneamente en seis direcciones. El

crecimiento es simplemente la suma de cristales adicionales a medida que disminuye la temperatura. El crecimiento continúa y adopta una forma similar a la

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de un árbol, con ramas y subramas en ángulos rectos entre sí (Figs. 5 y 6). A medida que la solidificación continúa las ramas se tornan más gruesas, crece y llenan los espacios que hay entre otras ramas, las que se denominan dendritas.

Figura 5. Brazos dendríticos primarios, secundarios y terciarios.

Primarios

Terciarios

Secundarios Disipación de calor y

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Figura 6. Crecimiento dendrítico de los cristales metálicos, partiendo del estado líquido.

 Existe una tercera posible forma de generación de la zona equiaxial, la cual señala que esta zona se puede formar por la precipitación de pequeños cristales desde la cara superior del lingote donde el líquido ha sido enfriado por pérdidas de calor por radiación.

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Figura 7. Lingotes de aleación con de diferentes grados de pureza.

La Fig. 7 muestra diferentes lingotes de una aleación de distinto grado de pureza, en los cuales se observa que la proporción de granos columnares se reduce considerablemente respecto a los granos equiaxiales: con menor sobrecalentamiento del líquido y con mayor nivel de soluto, estas condiciones producen un refinamiento de los granos del lingote.

a) b) c)

g) h) i)

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El menor sobrecalentamiento implica un gradiente menor de temperatura en el líquido que es enfriado, por tanto la nucleación de granos sólidos se inicia en todas partes del lingote, lográndose así un grano final más fino. Con mayor nivel de soluto la diferencia del gradiente de temperaturas, es mayor y una región más amplia queda con sobreenfriamiento constitucional, esto incrementa la zona de nucleación simultánea produciendo así un refinamiento del grano.

Para disminuir o eliminar la zona columnar en la colada continua se ha ensayado la aplicación de un campo magnético que agite el líquido y que por ende quiebre los brazos dendríticos y forme nuevos núcleos.

La segregación de soluto puede aún llevar a la formación de segundas fases en aleaciones que en sí son monofásicas, ejemplo de esto se ve en la figura 8.

Figura 8. Segregación de soluto en una aleación Cu5Sn.

2.2.2. DIAGRAMAS DE FASE.

Los diagramas de fases, son representaciones gráficas de las fases que están presentes en un sistema de materiales a varias temperaturas, presiones y composiciones. La mayoría de los diagramas de fase han sido construidos según condiciones de equilibrio (condiciones de enfriamiento lento), siendo utilizadas por ingenieros y científicos para entender y predecir muchos aspectos del comportamiento de los materiales. Los diagramas de fases más comunes involucran temperatura versus composición.

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Diagrama de fases

En termodinámica y ciencia de materiales se denomina diagrama de fase a la representación gráfica de las fronteras entre diferentes estados de la materia de un sistema, en función de variables elegidas para facilitar el estudio del mismo. Cuando en una de estas representaciones todas las fases corresponden a estados de agregación diferentes se suele denominar diagrama de cambio de estado.

En ciencia de materiales se utilizan ampliamente los diagramas de fase binarios, mientras que en termodinámica se emplean sobre todo los diagramas de fase de una sustancia pura

Cuando aparecen varias sustancias, la representación de los cambios de fase puede ser más compleja. Un caso particular, el más sencillo, corresponde a los diagramas de fase binarios. Ahora las variables a tener en cuenta son la temperatura y la concentración, normalmente en masa. En un diagrama binario pueden aparecer las siguientes regiones:

Sólido puro o disolución sólida

Mezcla de disoluciones sólidas (eutéctica, eutectoide, peritéctica, peritectoide) Mezcla sólido - líquido

Únicamente líquido, ya sea mezcla de líquidos inmiscibles (emulsión), ya sea un líquido completamente homogéneo.

Mezcla líquido - gas

Gas (lo consideraremos siempre homogéneo).

Hay punto y líneas en estos diagramas importantes para su caracterización: Línea de líquidus, por encima de la cual solo existen fases líquidas.

Línea de sólidus, por debajo de la cual solo existen fases sólidas.

Línea eutéctica y eutectoide. Son líneas horizontales (isotermas) en las que tienen lugar transformaciones eutécticas y eutectoides, respectivamente.

Línea de solvus, que indica las temperaturas para las cuales una disolución sólida (α) de A y B deja de ser soluble para transformarse en (α)+ sustancia pura (A ó B).

Concentraciones definidas, en las que tienen lugar transformaciones a temperatura constante: Eutéctica (Líquido--> Sólido A + Sólido B)

Eutectoide (Sólido 1 --> Sólido 2 + Sólido 3) Peritéctica (Líquido + Sólido 1 --> Sólido 2) Perictectoide (Sólido 1 + Sólido 2 --> Sólido 3)

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Monotéctica (Líquido 1 --> Líquido 2 + Sólido) Monotectoide

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Información que podemos obtener de los diagramas de fases:

1. Conocer qué fases están presentes a diferentes composiciones y temperaturas bajo condiciones de enfriamiento lento (equilibrio).

2. Averiguar la solubilidad, en el estado sólido y en el equilibrio, de un elemento (o compuesto) en otro.

3. Determinar la temperatura a la cual una aleación enfriada bajo condiciones de equilibrio comienza a solidificar y la temperatura a la cual ocurre la solidificación.

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Temperaturas de líquidos y de sólidos:

La curva superior en el diagrama es la temperatura de líquidus. Se debe calentar una aleación por encima de líquidus para producir una aleación totalmente líquida que pueda ser colocada para obtener un producto útil. La aleación líquida empezará a solidificarse cuando la temperatura se enfríe hasta la temperatura de líquidus. La temperatura de sólidus es la curva inferior. Una aleación de este tipo, no estará totalmente sólida hasta que el metal se enfríe por debajo de la temperatura de sólidus. Si se utiliza una aleación hierro – carbono a altas temperaturas, deberá quedar seguro que la temperatura durante el servicio permanecerá por debajo de la temperatura de sólidus, de manera que no ocurra fusión. Las aleaciones se funden y se solidifican dentro de un rango de temperatura, entre el líquidus y el sólidus. La diferencia de temperatura entre líquidus y sólidus se denomina rango de solidificación de la aleación. Dentro de este rango, coexistirán dos fases: una líquida y una sólida. El sólido es una solución de átomos de los compuestos involucrados; a las fases sólidas generalmente se les designa mediante una letra minúscula griega, como alpha (α).

Fases presentes:

A menudo, en una aleación a una temperatura en particular interesa saber qué fases están presentes. Si se planea fabricar una pieza por fundición, debe quedar seguro que inicialmente todo el metal esté líquido; si se planea efectuar un tratamiento térmico de un componente, se debe procurar que durante el proceso no se forme líquido. El diagrama de fases puede ser tratado como un mapa de carreteras; si se sabe cuáles son las coordenadas, temperatura y composición de la aleación, se podrán determinar las fases presentes.

Composición de cada fase:

Cada fase tiene una composición, expresada como el porcentaje de cada uno de los elementos de la fase. Por lo general, la composición se expresa en porcentaje en peso (% peso). Cuando está presente en la aleación una sola fase, su composición es igual a la de la aleación. Si la composición original de la aleación se modifica, entonces también deberá modificarse la de la fase. Sin embargo, cuando coexisten dos fases como líquido y sólido, sus composiciones diferirán entre sí como de la composición general original, Si ésta cambia

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ligeramente, la composición de las dos fases no se afectará, siempre que la temperatura se conserve constante.

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2.3. TIPOS, MATERIAS PRIMAS Y EFECTO DE LOS ELEMENTOS ALEANTES

La forma esferoidal del grafito es la característica principal del hierro dúctil, el cual es usualmente producido por el contenido de magnesio entre 0.04 a 0.06 %. Para producir hierro dúctil con la mejor calidad y combinando las propiedades mecánicas como esfuerzo, ductilidad y tenacidad, la materia prima para la producción de este metal deberá de ser seleccionada y cumplir con requerimientos de control de calidad, principalmente los porcentajes de elementos residuales que promuevan la formación de una estructura de matriz perlítica.

El estándar internacional ISO/DIS 9147, especifica dos grados de lingotes de hierro para la producción de hierro dúctil: grado 3.1 (nodular (SG) base) y grado (nodular (SG) base, alto manganeso), la composición de estos grados son:

Grado C Si Mn P S

3.1 3.5-4.6 < 3.0 < 3.1 < 0.08 0.03 max

3.2 3.5-4.6 < 4.0 < 0.1-0.4 < 0.08 0.03 max

Carbono (C): En la fusión mediante horno eléctrico, una parte del carbono se obtiene de lingotes, scrap de hierro vaciado y carburizante, una parte además se adiciona mediante grafito con bajos contenidos de azufre o coke. El rango optimo de este elemento es usualmente entre un 3.4 a 3.8 %, dependiendo de la cantidad o contenido de silicio.

Silicio (Si): El rango más adecuado de este elemento es del 2 al 2.8%. Con bajos contenidos de este elemento, se propicia o aumenta la ductilidad en el tratamiento térmico.

Manganeso (Mn): La mayor fuente de manganeso es en el scrap de acero, usado en la carga del horno. Este elemento como otros deberán de ser controlados ya que da la máxima ductilidad en el hierro, en hierros ferriticos vaciados puede ser del 0.2% o menor, para hierros que sean tratados térmicamente en la condición de ferriticos, además el manganeso es sujeto a una micro segregación no deseable.

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rangos oscilan entre 0.04 a 0.06 %. Si el contenido inicial de azufre es debajo de 0.015%, a menor contenido de magnesio (si el rango es de 0.035 a 0.04%) puede ser satisfactorio. Las estructuras de grafito compacto con propiedades inferiores, pueden ser producidas si el contenido de magnesio es muy bajo, en caso contrario generara algunos defectos en el material.

Azufre (S): Este elemento se deriva de la materia prima que se carga inicialmente al horno y una parte es absorbida del coke, antes del tratamiento del magnesio, el contenido de azufre deberá de ser lo más bajo posible, por el orden del 0.02% preferentemente. El contenido final del azufre en el hierro dúctil es usualmente por debajo de 0.015%.

Cerio (Ce): Este elemento puede ser adicionado para la neutralización de elementos residuales los cuales son elementos indeseables ya que interfieren con la formación de grafito esferoidal y ayudando para la inoculación.

Aluminio (Al): La presencia de ciertas cantidades de este elemento en el hierro dúctil puede generar la formación de pin hole y porosidad entre otros defectos en áreas sub superficiales, este elemento es muy dañino ya que en cantidades del orden de 0.01% puede ser suficiente para la generación de los defectos mencionados anteriormente.

Fosforo (P): Es normalmente mantenido por debajo de 0.05% ya que promueve baja ductilidad y defectos en la sanidad del material.

Algunos elementos menores que afectan la generación de grafito en forma esferoidal son, por mencionar algunos, Pb, An, Bi, Ti.

Algunos de los elementos en menor cantidad que promueven la formación de perlita son: Ni, Cu, Mn, Ar, An.

(30)

juntos como un valor de carbono equivalente, el cual puede ser usado como una guía del comportamiento de la fundición y algunas de sus propiedades, existen muchas formulas para la determinación de este valor. Cuando el carbono equivalente es CE=C% + 1/3(%S + %P) es igual a 4.3, el hierro puede ser con una composición y estructura completamente eutéctica. Si el CE es menor que 4.3, tendrá algunas estructuras dendríticas; y si en caso contrario es mayor de 4.3 se obtendrán nódulos de grafito primario en la estructura.

2.3.1 Tratamiento del metal fundido.

El tratamiento para la producción del hierro dúctil involucra la adición de magnesio para cambiar la forma del grafito, seguido por o combinación con inoculantes de silicio para que se forme y asegure una estructura de grafito. En todos los métodos de tratamiento del magnesio se debe de hacer una medición eficaz en peso del metal que se tiene, ya que de esto depende la cantidad de otros elementos así como la obtención adecuada de la composición final, una elemento importante es el contenido de azufre ya que influye directamente. Posterior al tratamiento del magnesio, el hierro es sujeto a la inoculación final, este proceso es llevado a cabo usando un inoculante granular, el cual es una aleación comercial con un porcentaje aproximado de 75% Si.

2.3.2 Temperatura y velocidad del vaciado

Algunos gradientes excesivos de temperatura en el vaciado puede promover la formación de carburos en secciones delgadas y orillas de algunos componentes vaciados, este efecto puede ser evitado vaciando el metal a una temperatura no menor a los 1315 ºC (2400 ºF) para piezas de hasta 25 mm (1 pulgada) de sección y arriba de 1425 ºC (2600 ºF) para piezas de 6 mm (1/4 pulgada) de sección, estas son solo recomendaciones.

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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

(32)

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

(33)

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.

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Figura 20. Clasificación general de los hierros vaciados.

Otros efectos de la composición sobre la estructura del hiero vaciado en sus diferentes tipos.

(35)

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.

(36)

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.

(37)

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.

(38)

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.

(39)

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

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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

(41)

CAPÍTULO No. 3

PROPIEDADES MECÁNICAS DE LOS MATERIALES

Las propiedades mecánicas determinan el margen de utilización del metal y establecen el servicio que puede esperarse de ellos, también son importantes para la especificación y clasificación de los metales. Las propiedades mecánicas más comunes de los metales son las siguientes:

3.1 RESISTENCIA A LA TENSIÓN

El ensayo de tensión determina la resistencia de un metal para resistir la acción de las fuerzas externas sin romperse. La prueba de tensión es un método para determinar el comportamiento de un metal bajo una carga de estiramiento real. Esta prueba proporciona el límite elástico, el alargamiento, el punto de rotura, el esfuerzo máximo , esfuerzo de cedencia y la reducción en el área. La Fig. 12 muestra un arreglo del ensayo de tensión.

Figura 12. Ensayo de tensión.

Diagrama de esfuerzo-deformación.

En la figura 12 se muestra un dispositivo de prueba, una probeta típica tiene un diámetro de 0.505" y una longitud de calibración de 2". La probeta se fija en la máquina de ensayo y se aplica una fuerza F, llamada carga. Un extensómetro se utiliza para medir el alargamiento de

(42)

la probeta entre las marcas de calibración cuando se le aplica la fuerza.

Esfuerzo y deformación de uso en ingeniería.

Los resultados de un ensayo simple pueden aplicarse a todos los tamaños y formas de probeta para un material dado, si se transforma la fuerza a esfuerzo y la distancia entre las marcas de calibración a deformación. El esfuerzo y deformación ingenieriles se definen mediante:

La curva esfuerzo deformación ingenieril (Fig. 13) se usa para registrar los resultados de un ensayo de tensión.

(43)

Deformación elástica y deformación plástica.

Cuando se aplica una fuerza a una probeta, los enlaces entre átomos se estiran y el material se alarga. Cuando se retira la fuerza, los enlaces regresan a su longitud original y la probeta vuelve a su tamaño inicial. La deformación del metal en esta porción elástica, de la curva esfuerzo-deformación no es permanente. Si las fuerzas son mayores el material se comporta de una manera plástica. Cuando se incrementa el esfuerzo, ocurre deslizamiento y el material comienza a deformarse plásticamente. Esta deformación es permanente. El esfuerzo en que se inicia el deslizamiento es el punto que delimita los comportamientos elástico y plástico.

Esfuerzo de fluencia: Es aquel en el que el deslizamiento se hace notorio e importante. Si se

diseña un componente que deba soportar una fuerza durante su uso, debe asegurarse que no se deformará plásticamente. Al fabricar piezas o componentes mediante cierto proceso de deformación, el esfuerzo aplicado debe exceder el esfuerzo de fluencia para producir un cambio permanente en la forma del material.

Módulo de elasticidad (Módulo de Young):

Es la pendiente de la curva esfuerzo-deformación en la región elástica.

Ductilidad: Mide el grado de deformación que un material puede soportar sin romperse.

Existen dos procedimientos para medir la ductilidad:

1. Medir la distancia entre las marcas hechas en la probeta antes y después del ensayo. El % de alargamiento o elongación expresa la distancia que se estira una probeta antes de su ruptura.

2. Medir el cambio porcentual del área de la sección transversal en el punto de fractura antes y después de la prueba. El % de adelgazamiento o reducción de área describe la

d elasticida de Módulo     E 100 Elongación 0 0    l l lf

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disminución del área transversal que experimenta la probeta durante la prueba de ruptura.

100

área

de

Reducción

0 0

A

A

A

f

El comportamiento esfuerzo-deformación de materiales frágiles comparado con materiales dúctiles se observa en la Fig. 14.

Figura 14. Comparación del comportamiento del ensayo de tensión en materiales frágiles y dúctiles.

3.2 DUREZA

Se define como la resistencia del metal a una penetración local por otro objeto más duro o identador. Se mide introduciendo una punta de diamante ó bola de acero endurecido en una superficie de la muestra, bajo un peso definido en una máquina de prueba de dureza (Figs. 15 y 16).

Figura 15. Durómetro Rockwell Figura 16. Penetradores para ensayos de dureza Brinell y Rockwell.

(45)

La elección del método de prueba depende principalmente del tamaño de la muestra disponible y del propósito último de la prueba, pero las de uso mas común son los ensayos Rockwell y Brinell.

En el ensayo de dureza Brinell, una esfera de acero duro (por lo general de 10 mm de diámetro), se oprime sobre la superficie del material. Se mide el diámetro de la impresión generada, comúnmente de 2 a 6 mm. Y se calcula el número de dureza o índice de dureza Brinell (abreviado con HB o BHN) a partir de la ecuación siguiente:

HB = F/[( /2)D(D - D – D)

Donde:

F es la carga aplicada en Kilogramos, D es el diámetro del penetrador en mm, y D es el

diámetro de la impresión en mm.

El ensayo de dureza Rockwell utiliza una pequeña bola de acero para materiales blandos y un cono de diamante para materiales más duros. La profundidad de la penetración es medida automáticamente por el instrumento y se convierte a índice de dureza Rockwell (HR). Se utilizan diversas variantes del ensayo Rockwell, por ejemplo, la escala Rockwell C (HRC) se utiliza para aceros duros, en tanto que para medir la dureza del aluminio se selecciona la escala Rockwell F (HRF).

Los ensayos Vickers (HV) y Knoop (HK) son pruebas de microdureza: producen penetraciones tan pequeñas que se requiere de un microscopio para obtener su medición. Los índices de dureza se utilizan principalmente como base de comparación de materiales; de sus especificaciones para la manufactura y tratamiento térmico, para el control de calidad y para efectuar correlaciones con otras propiedades de los mismos. Por ejemplo, La dureza Brinell está relacionada estrechamente con la resistencia a la tensión del acero mediante la relación siguiente.

Resistencia a la tensión (psi) = 500 (HB)

Se puede obtener un índice de dureza Brinell en unos cuantos minutos sin preparar ni destruir el componente; y obteniendo una buena aproximación de su resistencia a la tensión.

(46)

La dureza se relaciona con la resistencia al desgaste. Un material que se utiliza para fragmentar o para moler mineral debe ser muy duro para asegurarse de que no se desgastará o sufrirá abrasión debido a los duros materiales que maneja. De una manera similar, los dientes de los engranes en la transmisión o en el sistema impulsor de un vehículo deberán ser lo suficientemente duros para que no se desgasten. Generalmente se encuentra que los materiales poliméricos son excepcionalmente blandos, los metales son de una dureza intermedia y los cerámicos son excepcionalmente duros.

3.3 IMPACTO Y TENACIDAD

Cuando se somete un material a un golpe súbito e intenso, en el cual la velocidad de aplicación del esfuerzo es extremadamente grande, el material puede tener un comportamiento más frágil comparado con el que se observa en el ensayo de tensión. El ensayo de impacto a menudo se utiliza para evaluar la fragilidad de un material bajo esas condiciones. Se han diseñado muchos procedimientos, incluyendo el ensayo Charpy y el ensayo Izod (Fig. 17). Este último generalmente se utiliza para materiales no metálicos. La probeta puede o no tener muesca; la que tiene muesca en “V” mide mejor la resistencia del material a la propagación de grietas.

Durante el ensayo, un péndulo pesado, que inicia su movimiento desde una altura ho, describe un arco y posteriormente golpea y rompe la probeta; llega a una altura final hf menor. Si se conocen las alturas inicial y final del péndulo, se puede calcular la diferencia en su energía potencial. Esta diferencia es la energía de impacto absorbida durante la falla o ruptura de la probeta. En el caso del ensayo Charpy, la energía por lo general se expresa en libra-pie (lb.pie) o en joules (J) donde l lb.pie = 1.356 J. Los resultados del ensayo Izod se expresan en lb.pie/plg o J/m. La capacidad de un material para resistir cargas de impacto, a menudo se conoce como tenacidad del material.

(47)

Figura 17. El ensayo de impacto: (a) Los ensayos Charpy e Izod,

y (b) dimensiones de las probetas típicas.

3.4 FATIGA

En muchas prácticas un componente se somete a una aplicación repetida de un esfuerzo inferior al de fluencia del material. Este esfuerzo repetido puede ocurrir como resultado de cargas de rotación, flexión o vibración. Aunque el esfuerzo sea menor al punto de fluencia, el metal puede fracturarse después de numerosas aplicaciones del esfuerzo. Este tipo de falla es conocido como fatiga.

Los resultados más importantes de una serie de ensayos de fatiga son la duración a la fatiga y el límite de resistencia a la fatiga del material:

Duración a la fatiga:

 Indica cuánto dura un componente cuando un esfuerzo s se aplica repetidamente al material.

Límite de resistencia a la fatiga:

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Las fisuras o grietas de fatiga se inician en la superficie del material al que se le aplica el esfuerzo, donde los esfuerzos son máximos. En muchas aleaciones ferrosas o a base de hierro, el límite de resistencia a la fatiga es aproximadamente la mitad de la resistencia a la tensión del material:

0.5 tensión la a a resistenci fatiga la a a resistenci de límite fatiga de Relación  

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CAPÍTULO No. 4

LOS TRATAMIENTOS TÉRMICOS Y EL EFECTO EN LAS PROPIEDADES MECÁNICAS DE LOS METALES.

4.1 GENERALIDADES DE LOS TRATAMIENTOS TÉRMICOS

En el diagrama de fases Fe-Fe3C existen diferentes temperaturas o puntos críticos de interés,

los cuales son importantes desde el punto de vista básico y práctico. Así como también las fases estables a determinadas condiciones de temperatura y composición.

Estructuras de equilibrio definiciones.

El carbono al disolverse en cada una de las variedades alotrópicas del hierro forma soluciones sólidas que son:

Ferrita ( ).

Es la solución sólida intersticial de carbono en hierro . La máxima solubilidad de carbono en hierro es 0.020 a 723°C, es la estructura menos resistente del sistema.

Austenita ( ).

Es una solución sólida de carbono en hierro. La máxima solubilidad de carbono en hierro es de 2% a 1143°C.

Hierro ( ).

Es una solución sólida de carbono en hierro . La máxima solubilidad de carbono en hierro 

es de 0.09% a 1495°C.

Esta solución produce una transformación peritéctica con líquido de 0.53%C dando Austenita de 0.18%C.

Otros constituyentes que se forman a diferentes contenidos de carbono son los siguientes:

Cementita (Fe3C).

En un compuesto intersticial típico, de alta dureza y baja resistencia a la tracción, pero de alta resistencia a la compresión. Es el constituyente más duro que aparece en el sistema.

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Ledeburita.

Es una mezcla eutéctica de cementita y austenita, contiene 4.3% C y se forma a 1147° conforme a la reacción L  Fe3C + .

Perlita.

Mezcla eutectoide de ferrita y cementita arregladas en forma de láminas alternadas. Su contenido de carbono es de 0.8% y se forma a 723°C conforme a la reacción   Fe3C + .

Los otros componentes microestructurales que se observan en los aceros son la bainita y la martensita, las cuales se obtienen a través de un tratamiento térmico de temple y revenido.

Definición de tratamientos térmicos (Metals Handbook).

Es la operación o conjunto de operaciones (en el caso de un tratamiento Térmico integral) por medio de las cuales se somete a un metal, en estado sólido, a uno o varios ciclos térmicos con el fin de conferir al metal propiedades particulares adecuadas a su transformación o empleo posteriores. Dentro de estos términos no se incluye el calentamiento efectuado como preparación para un trabajo en caliente.

Ciclo Térmico: “Conjunto de variaciones de temperatura (entre límites determinados) a que se

somete un producto en función del tiempo”. Las variaciones pueden ser más o menos bruscas y los tiempos también más o menos prolongados a temperatura constante.

Tratamientos térmicos.

La primera etapa del más común de los tratamientos térmicos es diseñada para cambiar la estructura y propiedades del hierro dúctil, el proceso es el siguiente: se lleva a una temperatura entre 850 º y 950 ºC (1560 y 1740 ºF), por un tiempo aproximado de 1 hora, mas 1 hora por cada 25 mm (1 in) de sección del espesor para homogenizar el hierro. Cuando los carburos son presentes en la estructura, la temperatura deberá ser aproximadamente de 900 a 950 ºC (1650 a 1740 ºF), de esta manera se descomponen los carburos previo a las siguientes etapas del proceso de tratamiento térmico. El tiempo puede ser de 6 a 8 horas en la estabilización de carburos, en el caso de piezas con geometría compleja se recomienda un

(51)

calentamiento inicial de 600 ºC (1110 ºF) lentamente y con un aumento gradual de 50 a 100 ºC (90 a 180 ºF) por hora.

Relevado de esfuerzos.

El objetivo principal de este tratamiento, es remover los esfuerzos presentes dentro del vaciado sin cambiar las propiedades y microestructura, ya que si se presentan gran cantidad de esfuerzos puede ocasionar defectos dentro de los materiales aun cuando se tengan formas complejas, para el relevado de esfuerzos la pieza o componente es llevado a una temperatura aproximada de 500 a 600 ° C (930 a 1100 °F). El componente es calentado a 50 °C (90 °F) por un lapso de una hora, de 200 a 600 °C (390 a 1110 °F) y posteriormente de 600 °C (1110 °F) hacia arriba, se calcula de una hora por cada 25 mm de sección por una hora, posteriormente es enfriado en el horno a 50 °C (90 °F), por hora hasta llegar a 200 °C (390 °F) y finalmente es enfriado en aire a temperatura ambiente.

Recocido.

El propósito de este tratamiento es la generación de una estructura ferritica y la remoción de la perlita y carburos, el tratamiento puede tomar una de las siguientes formas, con enfriamiento interrumpido, enfriamiento controlado y estación simple.

Normalizado.

Consiste en llevar la pieza o componente a una alta temperatura, la cual se alcanza un completo austenitizado y la descomposición de cualquier carburo, seguido por un enfriamiento en aire para la obtención de una matriz de perlitica fina con trazas de ferrita y libre de otros productos de transformación.

Endurecimiento.

El hierro dúctil con altos valores de esfuerzo, generalmente aquellos que exceden 700 MPa (100 Ksi) y con una baja elongación es obtenida por un calentamiento de 875 a 925 °C (1605 a 1695 °F), manteniendo a esta temperatura por un tiempo de 2 a 5 horas, el enfriamiento es en un baño de aceite para producir una estructura de matriz martensitica y un revenido a 400 a 600 °C (750 a 1110 °F) para producir una matriz de martensita revenida, es

(52)

importante el control adecuado ya que puede producir agrietamiento

Por lo común, los aceros son tratados térmicamente para alcanzar la estructura y las propiedades adecuadas. Todos los tratamientos térmicos de los aceros están orientados a la producción de un mezcla de ferrita () y cementita (Fe3C) que de la adecuada combinación de

las propiedades.

Austenitizado.

Si el hierro dúctil es austenitizado y enfriado en un baño con sal o en un baño de aceite caliente a una temperatura de 320 a 550 °C (610 a 1020 °F), la estructura que se obtiene es comúnmente vainita con porciones de austenita, la matriz obtenida está en función del tiempo de transformación y la temperatura del baño de enfriamiento.

Endurecimiento superficial.

Algunos de los procesos usados para realizar este tratamiento son el uso de flama, endurecimiento por inducción, nitruración y laser o plasma.

Diagrama temperatura-tiempo-transformación (Curvas TTT). Este diagrama (figura 18),

llamado también diagrama de transformación isotérmica (T-I), o curva C, nos permite predecir la estructura, las propiedades y el tratamiento térmico de los aceros.

(53)

Figura 18. Diagrama de transformación isotérmica para un acero 1080 (eutectoide).

Clasificación de los tratamientos térmicos

I. Tratamientos que involucran solamente temperatura. (Fig. 19)

Tratamientos Térmicos de Recocido

1. Recocido. Calentamiento y mantenimiento a una temperatura adecuada y un enfriamiento a una velocidad adecuada.

 Una disminución en la dureza.

 Mejoría en la maquinabilidad.

 Mayor facilidad para el trabajo en frío.

 Una cierta microestructura.

 Una cierta propiedad mecánica, física, etc.

2. Recocido completo. Calentamiento a una temperatura inferior a Ac3 para un acero

hipoeutectoide o entre Ac1 y Acm para un acero hipereutectoide seguido de un

enfriamiento lento a través de la zona o rango de transformación.

3. Normalizado. Calentamiento a una temperatura adecuada sobre el rango de transformación seguido de un enfriamiento al aire hasta una temperatura

649 538 427 316 204 93 TEMPERATURA °C °F

Figure

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