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Tema 1 – Introducción a la ciencia e ingeniería de materiales
1.1 Introducción
Las propiedades de los materiales son la consecuencia inmediata de la microestructura que presentan en cada momento.
1.2 Los materiales en la sociedad actual
La ciencia de materiales se fundamenta en el conocimiento de la estructura interna del material. Conocer esa estructura permite deducir las propiedades mas relevantes del mismo y por tanto sus potenciales aplicaciones. La ingeniería de materiales se dirige principalmente a la utilización de los materiales para obtener productos necesarios para la sociedad, basándose en la aplicación de los conocimientos que tenemos sobre ellos. La integración entre ciencia e ingeniería de materiales se representaría así:
Ciencia de materiales
Ciencia e ingeniería de materiales
Ingeniería de materiales
Conocimientos fundamentales
Análisis de microestructuras Conocimiento de propiedades Innovación de métodos de procesado Mejoras del comportamiento en servicio
Conocimiento de las aplicaciones
1.3 Propiedades de los materiales
Las propiedades físicas son importantes para su utilización. Las propiedades físico-químicas y tecnológicas son importantes para su fabricación, transformación, utilización y gestión ambiental.
Propiedades físicas (mecánicas, térmicas, eléctricas, ópticas y magnéticas
Densidad Relación entre la masa y el volumen del material. En los metales está condicionada por la alta compactación que tienen los átomos en el enlace metálico (= presentan alta densidad).
Resistencia mecánica Oposición que presenta a deformarse cuando está sometido a la acción de
una carga exterior (tracción, compresión, flexión, cizalla).
Elasticidad Capacidad que presenta para recuperar su forma y dimensiones iniciales
cuando cesa la causa generadora de su deformación (ensayo de tracción).
Plasticidad Aptitud que presentan ciertos materiales para deformarse plásticamente bajo la acción de fuerzas externas, sin alcanzar la rotura.
Dureza Resistencia que opone un material a la deformación plástica provocada por la
indentación de otro (ensayo de dureza).
Fragilidad Propiedad de romperse bajo la acción de una determinada carga sin deformarse significativamente.
Tenacidad Capacidad que presenta un material para absorber energía durante su deformación plástica hasta producirse la rotura (péndulo de Charpy).
Ductilidad Capacidad de un material para deformarse plásticamente sin alcanzar la fractura. Se calcula midiendo su alargamiento o reducción de área en el ensayo de tracción.
Maleabilidad Aptitud que presenta un material para reducirse a láminas muy finas.
Conductividad eléctrica Aptitud de un material para conducir la corriente. Está relacionada con la existencia de electrones libres en el material (enlace metálico).
Conductividad térmica Aptitud de un material para transmitir el calor a su través. Cuanto mayor compactación posea su estructura interna, mejor conductor térmico será.
Temperatura de fusión Aquella que proporciona la energía térmica necesaria para romper todos los enlaces que le dan cohesión y consecuentemente le transforme en líquido. Propiedades físicoquímicas/tecnológicas (Gestión ambiental - Transformación de materiales)
Resistencia a la corrosión
Resistencia que presenta un metal a deteriorarse en su ambiente de servicio por la acción de reacciones químicas o electroquímicas.
Aleabilidad Capacidad que presentan los metales para formar aleaciones metálicas.
Soldabilidad Aptitud de un material a someterse a procesos de unión, mediante alguno de los numerosos métodos de soldadura.
Colabilidad Aptitud que presenta un material metálico para ser vertido al interior de un molde y obtener un producto sólido «sano», y por tanto libre de defectos.
Conformabilidad Capacidad de un material para ser sometido a procesos de deformación plástica durante su mecanizado, con el fin de obtener geometrías diversas.
Maquinabilidad Capacidad que presenta un material para someterse a procesos de conformación mediante arranque de viruta.
Reducción Capacidad del material para mantener sus propiedades con la menor cantidad de material por unidad de producto.
Reutilización Característica del material que le permite ser utilizado un número determinado de veces sin someterse a procesos de transformación.
Reciclabilidad Característica de un material que permite, mediante procesos de transformación, alargar su vida útil.
1.4 Estructura atómica
Se considera al átomo como un conjunto de partículas subatómicas básicas, esencialmente protones, neutrones y electrones. Los electrones , de carga eléctrica negativa y masa despreciable, se localizan en la corteza girando alrededor del núcleo, en el que se concentran los protones de carga positiva y los neutrones sin carga. El orden de magnitud de las cargas de electrones y protones es de 10-19^ culombios y el de las masas de protones y neutrones es de 10-24^ g, siendo la masa del electrón 10 -28^ g. El átomo en condiciones normales es eléctricamente neutro y su masa se haya concentrada en el núcleo.
Los elementos químicos se caracterizan por el número y la masa atómica. El número de protones existente en su núcleo coincide con el número de electrones cuando el átomo es neutro y con el número atómico de cada elemento químico, y determina su ordenación numérica en el sistema periódico de elementos, tal como ilustra la figura. La masa atómica de un átomo corresponde a la suma de masas de neutrones y protones. Pueden existir átomos de un mismo elemento con distintas masas atómicas, a los cuales se les denomina isótopos.
El peso atómico se mide en unidades de masa atómica uma (peso ponderado de todos sus isótopos). Tanto el peso atómico (elemento) como el molecular (compuesto) se pueden expresar en «umas» por átomo o molécula, o en masa por mol de materia. En un mol hay 6,023 • 10^23 átomos o moléculas, que corresponde al número de Avogadro.
La mayoría de las propiedades de la materia residen en la distribución y comportamiento de sus electrones. Según el modelo de la mecánica ondulatoria, cada electrón se caracteriza por los cuatro números cuánticos n, l, ml y ms.
n= nivel energético principal. Es un valor entero positivo que va desde 1 a 7 (K, L, M, N, O…). Cuanto mayor sea, mas alejado del núcleo se encuentra.
l= subnivel de energía dentro del orbital. Es un valor entero positivo desde 0 a n-1 (s, p, d, f…)
ml = número magnético, según la orientación del orbital. Varía desde –l a +l, pasando por cero.
ms= espín, corresponde a las dos posibles direcciones de giro del electrón sobre su eje, +½ y –½.
zigzagueante de las macromoléculas poliméricas como el polietileno y también la disposición tetraédrica que presentan las estructuras cristalinas cúbicas del diamante o el silicio.
La cohesión en los materiales la originan sobre todo los enlaces primarios, pero también existen enlaces de baja energía denominados secundarios que no implican transferencia de electrones. El de Van der Waals es uno de los más característicos, siendo similar al iónico ya que se basa en la atracción de cargas opuestas, aunque en este caso creadas por las asimetrías en la distribución de la carga dentro de las moléculas de un material. Estas asimetrías se denominan dipolos eléctricos, y hay de dos tipos: transitorios (o inducidos) y permanentes. Otro enlace secundario es el enlace por puentes de H , y se presenta entre moléculas que tienen átomos de H en su constitución.
Los enlaces mixtos son combinaciones de los principales, existiendo los metálico/covalente, metálico/iónico, iónico/covalente, iónico/covalente/metálico. El metálico/covalente es común entre los elementos de transición, con altas temperaturas de fusión. El metálico/iónico es característico de los compuestos intermetálicos y su carácter iónico depende de la diferencia de electronegatividad de los elementos que lo forman, siendo muy duros y frágiles. La mayoría de las moléculas con enlace covalente presentan características de enlace iónico y viceversa, dependiendo de la diferencia de sus electronegatividades de forma que a mayor diferencia, mayor es el porcentaje de enlace iónico.
1.5 Clasificación de los materiales
Los materiales pueden clasificarse de forma general, en función de su enlace predominante:
- Metales y aleaciones: enlace metálico.
- Polímeros: enlace covalente.
- Cerámicos y vidrios: enlace iónico, aunque con fuerte carácter covalente.
- Compuestos: se identifican mediante el enlace característico de la matriz que los constituye.
Estos cuatro grupos son conocidos como materiales estructurales. Existen a su vez los materiales funcionales , con enlaces principalmente covalentes, aunque algunos con fuerte carácter iónico.
Metales y aleaciones: se dividen en metales y aleaciones férreas y metales y aleaciones no férreas , formando el primer grupo aquellos cuyo elemento mayoritario es el Fe acompañado de otros metales (ocasionalmente algún no metal), como los aceros y fundiciones. El segundo grupo lo componen materiales metálicos cuyo elemento base no es el Fe. Presentan alta: conductividad eléctrica/térmica, densidad, deformabilidad, ductilidad, resistencia y tenacidad.
Polímeros: su enlace característico es el covalente para las cadenas principales y enlaces de Van der Waals para las uniones entre cadenas, lo que confiere un carácter más débil a estas uniones. Se dividen en termoplásticos, termoestables o resinas y elastómeros o cauchos. Presentan alta: ductilidad, maleabilidad, resistencia a la corrosión; y baja: conductividad eléctrica/térmica, rigidez, resistencia y tenacidad, temperatura de servicio.
Cerámicos y vidrios: son materiales de naturaleza inorgánica formados por metales y no metales, y presentan baja o nula tenacidad pero alta resistencia térmica, eléctrica y al desgaste. Sus propiedades varían en función del tipo de enlace, iónico y/o covalente. Los vidrios son materiales inorgánicos amorfos cuya base es la sílice, incluidos tradicionalmente dentro de este grupo aunque constituyen uno propio debido a sus peculiares características entre las que destaca su carácter no cristalino. Presentan alta: resistencia a compresión, dureza, fragilidad, resistencia a la corrosión y al desgaste; y baja: conductividad eléctrica/térmica, tenacidad. Las cerámicas son opacas y con alta temperatura de fusión y los vidrios transparentes.
Compuestos: Son sólidos constituidos por distintas fases, siendo homogéneos a escala macroscópica y heterogéneos a escala microscópica. Se componen básicamente de matriz y refuerzo, y según sea la matriz (metálica, cerámica o polimérica) y la geometría del refuerzo (fibras largas, cortas, entramados...) así serán sus propiedades finales, aspectos que permiten una gran versatilidad.
Otros materiales: Los semiconductores pueden considerarse otro gran grupo, englobado en el de los materiales funcionales. El Si es el más representativo; también lo son el Ge y el Sn. Los materiales inteligentes son aleaciones con memoria que recuperan su estado inicial o cerámicas con propiedades piezoeléctricas que convierten esfuerzos mecánicos en electricidad o viceversa. Los nanomateriales presentan características en la escala de longitud menor de 100nm, pudiendo ser de naturaleza metálica, polimérica, cerámica o compuesta, utilizándose originalmente como catalizadores y pigmentos.
Tema 2 – Estructura interna de los materiales. Sistemas
cristalinos
2.2 Los materiales en la sociedad actual
El estado sólido de la materia se caracteriza por el grado de orden que presenta cada sólido en su estructura interna. Según este orden interno, los sólidos se clasifican en cristalinos y amorfos.
Sólidos cristalinos: son aquellos cuyos átomos o iones se ordenan formando una determinada estructura interna que se repite sistemáticamente en todo el material, dando lugar a un orden de largo alcance. Son sólidos cristalinos los materiales metálicos; la inmensa mayoría de los cerámicos, y ciertos polímeros que cristalizan parcialmente. Los sólidos cristalinos se fracturan a lo largo de los distintos planos de su estructura cristalina.
Sólidos amorfos: son aquellos en los que los átomos, iones o moléculas que los forman se encuentran desordenados o poco ordenados. El ejemplo característico de sólido amorfo es el vidrio. La fractura de un sólido amorfo no sigue ningún plano.
Los materiales tienen tendencia a alcanzar el estado cristalino por ser el más estable, si bien la materia no se encuentra totalmente ordenada o desordenada sino que existe una degradación continua del orden en los materiales, induciendo diferentes grados de cristalinidad.
En teoría cualquier material cristalino puede ser fabricado con estructura amorfa si se solidifica con la suficiente rapidez desde el estado líquido. La temperatura de fusión es la que suministra suficiente energía térmica al sólido como para romper todos los enlaces que le dan coherencia; los cristales suelen tener esta temperatura bastante definida; no así los amorfos.
Los materiales cristalinos pueden ser monocristalinos (cuya disposición atómica es perfecta, sin discontinuidades a lo largo del mismo) o policristalinos (unión de cristales de diferente tamaño y orientación llamados granos). Las fronteras de grano acumulan defectos de red, principalmente dislocaciones.
En función de su enlace químico, los sólidos cristalinos se clasifican como:
Metálicos : Presentan un alto punto de fusión, elevada densidad y dureza, son opacos, dúctiles y maleables, y buenos conductores.
Iónicos : Presentan un alto punto de fusión, elevada dureza y cierta fragilidad, son malos conductores; algunos son opacos y otros transparentes.
Covalentes : Presentan un alto punto de fusión, elevada dureza, alta fragilidad, escasamente deformable; algunos son dieléctricos y otros semiconductores.
Moleculares : Se unen por fuerzas como las de Van der Waals, y presentan bajo punto de fusión y baja dureza, son aislantes.
2.3 Sistemas cristalinos. Red espacial
La cristalografía se encarga de estudiar y sistematizar los sistemas cristalinos existentes, caracterizados por las distintas geometrías de la celda unidad que es el elemento más sencillo escogido para representar a la unidad estructural. Esa unidad se define mediante los parámetros de red: las tres longitudes de sus lados a, b, c, y los tres ángulos entre los distintos ejes.
La cristalografía establece siete sistemas cristalinos con arreglo a su grado de simetría, siguiendo la propiedad de que «todos los cristales de una misma sustancia presentan los mismos elementos de simetría». Un cristal no es más que una repetición de la unidad elemental, la celda unidad, extendida en las tres dimensiones.
A continuación se muestran los siete sistemas cristalinos, de los cuales los de mayor interés
tecnológico son el cúbico y el hexagonal. A su vez, Auguste Bravais definió catorce redes
cristalinas en las que se presentan los siete sistemas indicados.
En el sistema internacional se denotan como BCC las estructuras cúbicas centradas en el cuerpo, FCC las cúbicas centradas en las caras y HC las hexagonales compactas. En la asignatura, estas tres se
según diversas notaciones que a continuación se describen.
Indice de Miller de planos cristalográficos (h k l): para definir un plano reticular o el conjunto
de sus paralelos , se utilizan tres índices (h k l) obtenidos en los siguientes pasos:
- Se determinan las intersecciones del plano con los ejes cristalográficos, evitando que el plano contenga ninguno de los ejes. Luego se expresan en función del parámetro de red tomado como la unidad.
- Se calculan los recíprocos de los números resultantes.
- Se buscan los enteros más pequeños que equivalgan a los recíprocos.
La notación obtenida de Miller para el plano considerado se encierra entre paréntesis. Los valores negativos se marcan con n. A continuación se muestran unos ejemplos:
Indice de Miller de direcciones cristalográficas [u v w]: En este caso, se obtienen de forma directa determinando las coordenadas del vector cuyo origen corresponde al origen de coordenadas, encerrando entre corchetes los valores obtenidos. Como en el caso de los planos, el vector determina toda la familia de direcciones paralelas dentro del cristal. Las familias de planos se denotan entre {} y las de vectores entre <>. Por ejemplo, la familia de
planos definida por {100} contendría a (100),(010),(001),( 1 00)(0 1 0),(00 1 )
Índices de Miller-Bravais del sistema Hexagonal: Los sistemas hexagonales necesitan cuatro ejes para ser representados. Tres de ellos a 1 a 2 y a 3 se sitúan en el plano basal, formando ángulos de 120° entre ellos; el cuarto, z, es el eje perpendicular al plano basal y se emplaza en el centro de la celda unidad. El sistema de Miller-Bravais se ideó con el fin de que en los cristales con simetría hexagonal, tanto planos como direcciones tengan los mismos índices, siendo (hkil) la notación para planos y [hkil] para direcciones. El método de cálculo es idéntico al usado en sistemas cúbicos para a 1 (h), a 2 (k) y l (z). Por su parte, i (a 3 ) se calcula sumando h + k y cambiándole el signo, como se muestra en el ejemplo. Las direcciones se calculan directamente por el valor de sus vectores.
Tema 3 – Defectos en la estructura cristalina. Solidificación de
metales
3.2 Imperfecciones cristalinas
La estructura cristalina perfecta no existe, ya que contiene diferentes tipos de defectos o imperfecciones de red que condicionan el comportamiento del material. Las imperfecciones o defectos cristalinos se clasifican según su geometría y forma en:
- Defectos de punto.
- Defectos de línea.
- Defectos de superficie.
3.3 Defectos de punto
Son los defectos cristalinos más sencillos y se relacionan directamente con los nudos de la red. Se originan durante la solidificación del material, bien por la posición incorrecta o por la ausencia de algún átomo en su ubicación dentro de la red. También pueden originarse por cambios de temperatura o al ser sometidos a tensiones mecánicas. Se clasifican como intrínsecos o extrínsecos.
Defectos intrínsecos. Vacantes: se trata de defectos inherentes a la propia red del material cristalino. Una vacante se produce cuando un átomo no ocupa su posición de equilibrio en la red, dejando por tanto un hueco y generando una distorsión en su entorno. En la ilustración se muestra la vacante en un plano de la red, y al lado el efecto de distorsión que ello produce, ya que la red se tensa intentando ocupar el espacio vacío. En buena parte de los metales, la relación entre el número de vacantes y el de átomos correctamente posicionados es del orden de 10-^.
Defectos intrínsecos. Intersticiales: El intersticio es el espacio libre entre los átomos que forman el cristal. Lógicamente, este espacio intersticial es mucho menor que el volumen del átomo que forma la red, por lo que si un átomo se sitúa de forma anómala en un intersticio genera un defecto puntual provocando una zona deformada por la expansión de los planos cristalográficos que le rodean. Este tipo de defectos es poco frecuente como consecuencia del impedimento que el tamaño de los intersticios impone.
Defectos extrínsecos: Se trata de defectos de naturaleza externa, consecuencia de la presencia de átomos de impurezas o extraños al metal base en la red cristalina. Si éstos se sitúan en los intersticios de la red se denominan intersticiales. Es el caso de los átomos de pequeño radio atómico, que pueden alojarse fácilmente en los intersticios sin apenas provocar distorsión en la red. Si la impureza sustituye u ocupa una posición de equilibrio de la red del metal se considera un defecto sustitucional. Para que esto ocurra la impureza debe tener un tamaño, carga y estructura similar al sustituido.
- Tamaño: la diferencia entre radios atómicos de ambos elementos no debe superar el 15%.
- Carga: la diferencia de electronegatividades debe ser mínima.
- Estructura: para que la solubilidad en estado sólido sea completa, ambos tipos de elementos deben presentar estructuras cristalinas similares.
Defectos puntuales más habituales en materiales cerámicos:
- Schottky: pareja de defectos consecutiva vacante- intersticio.
- Frenkel: Asocia un par vacante-intersticio de modo que el ocupante del intersticio se sitúa en el intersticio contiguo, creando así un defecto doble.
constante. Sea una barra cuya concentración inicial del elemento a difundir es C 0. Tras un tiempo de difusión, la concentración del elemento alcanzará el valor Cx, siendo x la distancia a la superficie;
según la expresión (^) ⎟⎟ ⎠
2 Dt
x
erf(z) z
C C
C C
s 0
s x , donde. Los valores
de erf(z) suelen tenerse pretabulados. Esta ley permite calcular la concentración a una cierta profundidad tras un tiempo determinado, o el tiempo necesario para alcanzar una determinada concentración.
Factores que influyen en la difusión
El coeficiente de difusión D de un sistema, cuya magnitud indica la velocidad de difusión, depende de los factores:
- Temperatura: Las barreras de energía se vencen mejor cuanto mayor temperatura, aumentando la velocidad de difusión.
- Mecanismo de difusión: Según sea por vacantes o intersticios varía el coeficiente de difusión.
- Concentración: Una alta concentración afecta las fuerzas de cohesión de la estructura cristalina principal; además, la dirección de difusión transcurre en el sentido que provoca mayor descenso en la energía interna de red.
- Estructura cristalina: El factor de empaquetamiento y las distancias interatómicas de las distintas redes cristalinas, justifican la mayor o menor facilidad de difusión.
- Defectos cristalinos: La difusión es mayor en las zonas con mayor densidad de defectos.
3.5-3.6 Defectos de línea
(No entran en temario). Las dislocaciones son desplazamientos
de los planos cristalinos debidos a deformación mecánica. Pueden ser en arista (el plano se corta abruptamente), helicoidales (el plano se desliza en hélice) o maclas (el plano se cizalla). Las dislocaciones también se pueden desplazar a lo largo de la estructura cristalina, siendo más fácil que se produzcan en las redes (ccc), algo menos en las (cc) y poco en las (hc). Las dislocaciones facilitan la deformación plástica pero perjudican la resistencia mecánica.
3.7. Defectos de Superficie
Superficie libre: La superficie libre de un cristal es en sí misma un defecto ya que en ella los átomos de la red no están sometidos a las mismas fuerzas que los interiores, y cuentan con mayor energía debido a que los enlaces de los átomos superficiales no han tenido lugar en su totalidad.
Superficie intercristalina o frontera de grano: Es el más importante; la frontera de grano es la zona en la que se encuentran los cristales adyacentes con diferentes orientaciones de red en un material policristalino.
3.8-3.9 Solidificación de metales.
(No entran en temario). La cristalización ocurre por debajo de la temperatura en que las fuerzas de
cohesión son más fuertes que las de vibración térmica. Cuando un metal líquido se enfría, primeramente aparecen núcleos reticulares estabilizados (embriones) y luego crecen las estructuras cristalizadas alrededor formando dendritas; las dendritas acaban formando granos que contactan con el resto de granos con una cierta discontinuidad. En las fronteras de grano se acumulan los defectos de punto y de línea, además de las impurezas. Los materiales con grano fino presentan mayor resistencia mecánica, ya que disponen de más fronteras de grano que detienen las dislocaciones.
La solidificación direccional persigue la orientación direccional de los granos de una pieza.
3.10 Solidificación rápida. Sinterización
La solidificación rápida es el proceso de fabricación en el que se obtiene partículas de material mediante enfriamiento rápido del material fundido cuando se dirige a chorro sobre una rueda en giro rápido en un medio refrigerado, obteniéndose el material en forma de partículas sólidas. Este polvo puede ser conformado mediante extrusión en caliente o compactado dentro de un molde mediante el
proceso de sinterización.
3.11 Defectos producidos durante la solidificación
(No entran en temario). Se suelen ocasionar debido a la contracción rechupes (cavidades en forma
cónica), grietas (superficiales o internas), inclusiones gaseosas (poros o sopladuras) y segregaciones (separación de los aleantes).
3.12 Técnicas para la inspección de defectos
La detección de defectos forma parte de los ensayos de materiales denominados no destructivos. Los más usuales son:
Partículas magnéticas: Detectan grietas superficiales microscópicas en materiales metálicos magnéticos. Si se aplican finas partículas magnéticas sobre la pieza bajo un campo magnético éstas se acumulan sobre las microgrietas. Esto ocurre porque en el imán inducido sobre la pieza las líneas de fuerza se interrumpen en las grietas, saliendo al exterior en forma de fugas de flujo que atraen y concentran las partículas.
Líquidos penetrantes: Equivale al anterior pero para materiales no magnéticos. Para ello se limpia y prepara la superficie de la muestra, se aplica un líquido penetrante, luego se elimina el exceso de líquido y se revela. Con la ayuda de una lámpara de luz ultravioleta se hace visible el líquido atrapado en las grietas y que el revelador ha atraído al exterior de la fisura.
Método eléctrico: Se basa en la aplicación de corrientes de Foucault para la inspección de defectos superficiales. Utilizando una bobina de corriente alterna se inducen corrientes de Foucault en la pieza. Las grietas se hacen evidentes puesto que alteran la resistencia eléctrica del material.
Radiografía y gammagrafía: Permiten detectar defectos internos. Al irradiar (con rayos X) una pieza, la existencia de poros o defectos que implican una variación en la absorción de la radiación queda imprimada en la placa con diferente contraste. La gammagrafía (rayos γ) se utiliza en aquellos casos que requieran mayor poder de penetración, como por ejemplo en piezas de gran espesor.
Ultrasonidos: Es la técnica más moderna. Permite detectar los distintos tipos de discontinuidades, mediante la atenuación del flujo que las ondas ultrasónicas experimentan al interaccionar con los defectos presentes en el material.
distorsiones, siendo el valor máximo observado experimentalmente del 59%.
Red Hexagonal Compacta (hc): El comportamiento similar al de la (ccc).
Red Cúbica centrada en el Cuerpo (cc): Los intersticios son muy pequeños y es difícil la formación de este tipo de soluciones. La relación de diámetros atómicos para un posible intersticio en este tipo de red es de 0,29, lo que justifica la baja solubilidad que tiene lugar cuando la red es (cc).
4.4. Compuestos y Soluciones Intermedias
Algunos metales pueden combinarse con otros elementos dando lugar a ciertos compuestos que combinan las propiedades del enlace metálico junto a las del iónico o covalente y se denominan compuestos intermedios. Cuando ambos elementos son metales se denominan compuestos intermetálicos. Los compuestos intermedios se caracterizan por presentar una concentración fija y exacta.
Todos ellos presentan extremada dureza , elevado punto de fusión y son frágiles. Cuando se dispersan en otros materiales les confieren dureza y resistencia al desgaste y las altas temperaturas.
4.5. Soluciones Sólidas Ordenadas
En estas soluciones sólidas de sustitución, los átomos de soluto ocupan posiciones idénticas a lo largo de la red. Estas soluciones solo son estables a bajas temperaturas y no se forman durante la solidificación sino cuando una vez sólido la velocidad de enfriamiento es lo suficientemente lenta.
4.6. Insolubilidad
No siempre un elemento es soluble en la red de otro. Cuando las densidades son próximas se originan emulsiones, estando constituida la aleación por partículas globulares de uno en la matriz del otro.
La insolubilidad se aprovecha para mejorar la maquinabilidad de ciertas aleaciones, ya que crea discontinuidades en el material base que favorecen la rotura de las virutas durante el mecanizado.
4.7 Diagramas de fases
(No entran en temario). Son representaciones gráficas de las fases que están presentes en una
aleación, en función de la temperatura y la concentración de aleantes. Una fase es una porción del sistema con estructura homogénea y característica: aparte de las fases líquida o gaseosa, lo son las diversas presentaciones sólidas de un material puro o aleado. En una aleación binaria , cuando los metales son totalmente solubles en estado líquido y sólido se obtiene una gráfica como la de la izquierda, donde existe una zona totalmente líquida, una totalmente sólida y un área de transición en la que encontraremos la aleación parcialmente solidificada (zona α+L, denominada bifásica). Si los metales son solubles en estado líquido pero poco o nada en sólido, la mezcla tenderá a pasar a estado líquido a menor temperatura que la de los metales que la componen, y la gráfica (derecha) mostrará la existencia de un punto eutéctico E correspondiente a la composición menos soluble.
Muchas aleaciones presentan mayor número de compuestos y fases intermedias, que corresponden a ciertos intervalos de mezcla o determinadas temperaturas. Por ejemplo, existe la transformación peritéctica en la que un líquido y un sólido reaccionan isotérmicamente para formar un nuevo sólido al enfriarse. Cuando una aleación no es totalmente soluble en estado líquido, se produce la transformación monoeutéctica , que es la inversa que la eutéctica (fusión a mayor temperatura que sus componentes).
Tema 5. Propiedades mecánicas de materiales metálicos.
Ensayos.
5.1. Introducción
Los materiales estructurales se caracterizan por sus propiedades mecánicas. El conocimiento de sus propiedades (resistencia, tenacidad, elasticidad…) se obtiene a través de máquinas de ensayo que miden su comportamiento elástico y plástico al someterlos a esfuerzos.
5.2. Deformación dependiente y no dependiente del tiempo
Si se somete un material metálico (como una probeta cilíndrica de ensayo) a una fuerza a lo largo de su eje, el material se deforma en la dirección de la fuerza aplicada, alargándose una longitud ΔL. Dependiendo de diversos factores (magnitud de la fuerza, temperatura…) experimentará una deformación que puede ser o no permanente, y depender o no del tiempo. Durante el ensayo mecánico se somete la probeta cilíndrica a una fuerza constante uniaxial F 0 durante un tiempo t 0. Transcurrido ese tiempo se suprime la fuerza y se observa la evolución de la deformación con el tiempo, dándose cuatro tipos de comportamientos ideales frente a la acción descrita: Deformacion elastica 1º: Al aplicar fuerza se produce una deformación instantánea. Ésta se mantiene en el tiempo. 2º: Al desaparecer la fuerza, el material recupera su forma original instantáneamente. Esta deformación es reversible e independiente del tiempo.
Deformación viscoelástica
1º: Al aplicar fuerza se produce una deformación que crece con el tiempo.
2º: Al desaparecer la fuerza, el material recupera su forma original progresivamente. Puede considerarse como una deformación elástica dependiente del tiempo.
Deformación plástica
1º: Al aplicar fuerza se produce una deformación instantánea. Ésta se mantiene en el tiempo.
2º: Cuando desparece la carga, la deformación permanece constante.
Deformacion viscoplástica
1º: Al aplicar fuerza se produce una deformación que crece con el tiempo.
2º: Cuando desaparece la fuerza, la deformación permanece constante.
Comportamiento combinado
Las respuestas de los materiales suele ser mixta, como ilustra la última gráfica de la serie. El segmento OA corresponde a la suma de las deformaciones elástica y plástica no dependientes del tiempo. El tramo AB es la suma de las deformaciones dependientes del tiempo (viscoelástica y viscoplástica). Tras el cese de la carga en t 0 , el intervalo BC corresponde a la recuperación de la componente elástica y el CD a la de la viscoelástica. La deformación permanente en el material DE es la suma de las componentes plástica y viscoplástica.
5.3 Deformación no dependiente del tiempo
Ensayo de tracción
Este ensayo aplica una velocidad de alargamiento constante, provocando una tensión uniaxial creciente. Permite determinar el modulo de elasticidad, el limite elástico, la resistencia a la tracción máxima y de rotura (resistencia mecánica).
Las probetas utilizadas en este ensayo están normalizadas, y suelen presentar una relación
encerrada bajo la curva tensión-deformación (áreas gris+azul de la gráfica) define la tenacidad del material, siendo el área y por tanto la tenacidad mayor cuanto más grande sea la combinación resistencia-ductilidad. Combinaciones de elevadas resistencias con bajas ductilidades o de elevadas ductilidades con bajas resistencias conducen a tenacidades bajas.
Tensión y deformación reales: De la gráfica parece deducirse que una vez sobrepasado el máximo R, la tensión disminuye y el material se hace más débil. Esto realmente no es cierto, ya que a partir de ese punto la sección de la probeta en la zona de estricción disminuye por lo que la tensión real, esto es la fuerza aplicada dividida por la sección instantánea, aumenta con la deformación: σR = F/A. Si corregimos la curva de tensión/deformación normalizada con la real, obtendríamos la gráfica roja del dibujo adjunto. Coeficiente de Poisson: Al deformarse elásticamente un material según un eje longitudinal, se produce simultáneamente una contracción transversal ya que el volumen total debe permanecer constante. Este efecto de contracción se caracteriza mediante el coeficiente de Poisson, ν = -(εx/εz ) = -(εy /εz ) que relaciona la deformación perpendicular (reducción de sección) con la longitudinal (aumento de longitud) y oscila para los metales entre 0,26 y 0,4. Aunque el coeficiente de Poisson no tiene presencia alguna en la curva σ - ε, describe junto con e módulo elástico el comportamiento elástico de los materiales utilizados en ingeniería.
Tensión y deformación de cizalladura: Además de las deformaciones bajo tensiones uniaxiales de tracción, en los materiales metálicos se dan otras formas de deformación relacionadas con la acción que ejercen las tensiones de cizalladura. Esta tensión se define como: τ = FS/AS donde FS es la fuerza aplicada y AS la sección de la probeta paralela a la dirección de aplicación de la fuerza. La tensión de cizalladura origina una deformación γ, con las siguientes relaciones deformación γ = tgθ = Δz/x (vease el dibujo). A su vez el módulo de cizalladura se define como G = τ / γ, y el módulo elástico E equivale a E = 2G(1+ ν )
Ensayo de compresión
Como en el de tracción, en éste también se busca una curva tensión-deformación a compresión, que caracteriza el comportamiento de un material sometido a una carga de compresión de ensayo progresivamente creciente hasta la rotura o aplastamiento de la probeta. La probeta normalizada para materiales metálicos es un cilindro de altura igual a su diámetro. Los materiales dúctiles se aplastan sin romper, mientras que los frágiles se rompen sin deformación previa, siendo siempre superior la carga de rotura a compresión que la de rotura por tracción. La fractura no se produce por propagación de una grieta, sino la de muchas, quedando el material normalmente triturado.
Ensayo de Flexión
Este ensayo mide la deformación del eje de la pieza o la flecha que se produce en el centro de la probeta, donde alcanza un valor máximo, obteniéndose una curva esfuerzo-deformación a flexión. El módulo de rotura es del mismo orden de magnitud que la resistencia a tracción, produciéndose la rotura en la superficie mas externa de la muestra.
Ensayo de Dureza
La dureza es la medida de la resistencia que un metal opone a la deformación plástica en superficie. Los ensayos de dureza son sencillos y en general no destructivos, y permiten conocer la resistencia al desgaste o dificultad de mecanizado; consisten en que un indentador raya la probeta y se mide el tamaño de la huella dejada. La dureza obtenida es el cociente de la carga de ensayo por la superficie de la huella. Los métodos utilizados determinan la escala obtenida:
Dureza Brinell: Se usa un indentador esférico; se aplica una carga y se mide el diámetro de la huella creada. El resultado expresa el valor de dureza, seguida de las siglas HB, el diámetro de la bola en mm, la carga empleada en Kp y la duración del ensayo en segundos. Ejemplo: 350 HB 5/750/
Dureza Rockwell: Se usa un indentador cónico o esférico; se aplica una precarga y luego una carga, midiéndose la profundidad de la huella. El resultado expresa el valor de dureza, seguida de las siglas HR, y una letra que resume el tipo de indentador y las condiciones del ensayo. Ejemplo: 75 HBC
Dureza Vickers: Se usa un indentador piramidal; se aplica una carga y se mide la diagonal de la huella. El resultado expresa el valor de dureza, seguida de las siglas HV, y un número que resume la carga y duración del ensayo. Ejemplo: 640 HV 30/
Ensayos de Microdurezas: se caracterizan por aplicar cargas mucho menores que en los anteriores (no superan los 1.000g). En los ensayos Knoop y Vickers se utilizan pequeños indentadores piramidales.
La determinación de perfiles de dureza reviste gran importancia en el campo de los materiales metálicos, dado que permiten la comparación de las microestructuras que caracterizan los distintos estados de los materiales, como consecuencia de los tratamientos térmicos y/o mecánicos a los que son sometidos, ya que la dureza queda alterada según el tratamiento superficial, el proceso térmico de la pieza o los esfuerzos que ha soportado.
Ensayo de Impacto
Este ensayo persigue la determinación de la energía absorbida por una probeta normalizada (cuadrangular con entalladura en V) al romperla de un solo impacto. La información obtenida permite predecir el comportamiento de piezas que han soportar cargas dinámicas, al ser muy alta la velocidad de deformación. Se puede conocer a partir de estos ensayos la temperatura de transición dúctil-frágil cuando estos se realizan en un cierto intervalo de temperaturas. Se utiliza para ello el péndulo Charpy. Este banco permite situar la probeta apoyada en dos puntos con la entalla en la parte posterior del impacto; luego se deja caer la maza del péndulo para que impacte sobre la probeta y produzca su rotura, registrándose la altura final alcanzada por el martillo después del impacto. La diferencia entre las energías potenciales medidas antes y después del choque es la energía absorbida por la probeta. Cuanto mayor es la energía absorbida más dúctil es el material o mayor tenacidad tiene y lo mismo es cierto a la inversa.
Ensayo de Fatiga
La fatiga en un material tiene lugar cuando está sometido a cargas cíclicas con una determinada frecuencia, de forma que el material puede romper aunque la carga máxima a que está sometido sea inferior al límite elástico obtenido por tracción. Los fallos por fatiga son la causa de alrededor del 90% de los fallos en servicio. Las condiciones básicas para que tenga lugar una rotura por fatiga son:
- Que la tensión máxima aplicada alcance valores elevados.
- Que se produzcan fluctuaciones intensas en la tensión aplicada.
- Que el número de ciclos sea suficientemente importante.
El fallo por fatiga se produce como consecuencia del crecimiento de una grieta originada en la superficie de la probeta y se propaga hacia su interior, por lo cual las rugosidades, picaduras y defectos incrementan el riesgo de fatiga y los tratamientos superficiales la mitigan.
La resistencia a la fatiga se determina mediante ensayos repetitivos en los cuales se elabora la curva de fatiga S-N o de Wöhler. Denominamos límite de fatiga al nivel de tensión por debajo del cual no se produce rotura para un número determinado de ciclos; en la gráfica se puede comprobar que algunos materiales presentan esta zona plana de la curva, situada normalmente en torno al 40-50% de su resistencia a la tracción. Otros materiales no alcanzan nunca una zona plana, por ello para estos materiales se les determina como límite de fatiga el que presenta un nº predeterminado de ciclos por debajo de la gráfica.
- Aceros inoxidables martensíticos: Son duros y económicos, presentan buena resistencia a la corrosión, alta resistencia y tenacidad razonable.
- Aceros inoxidables austeníticos: con mayor proporción de cromo y níquel; presentan elevada resistencia a la corrosión, fácil conformabilidad y soldabilidad.
- Aceros inoxidables ferríticos: presentan propiedades intermedias entre los dos primeros; son conformables en frío.
Fundiciones
Son aleaciones férreas que presentan un contenido en carbono por encima de la proporción eutéctica (2,11%), siendo lo normal entre 3 y 4,5%. En la fundición, el carbono puede estar libre (grafito) o combinado formando cementita (Fe 3 C); se forma más grafito cuanto más lento es el enfriamiento y cuanto más silicio hay presente (entre el 1% y el 3%); además proporciona dureza. También contiene otros elementos como fósforo (mejora la fluidez), azufre y Manganeso (estabilizan la cementita). Su temperatura de fusión es bastante menor que la de los aceros (1.150…1.300 ºC), por lo que se moldean con mayor facilidad. Presentan baja ductilidad, excelente fluidez y colabilidad, baja resistencia mecánica y un coste menor que el acero.
Las propiedades de las fundiciones y su nivel de resistencia las determinan el contenido en carbono y en elementos grafitizantes, la velocidad de enfriamiento y el tratamiento térmico, y se dividen en:
- Fundiciones ordinarias: contienen hierro, carbono e impurezas. El límite para considerar una fundición como ordinaria es que los aleantes no superen los siguientes márgenes: C<4,5%; Si<3%; P<1,8%; S<0,25%; Mn<1,5%; Ni<0,3%; Cr<0,2%; Mo<0,1%; V<0,1%; Cu<0,3%; Ti<0,1% y Al<0,1%.
- Fundiciones aleadas: de media (<5%) o alta (>5%) aleación; contienen mayor cantidad de Ni, Cr, Mo, V, Cu, Sn y Al que mejoran propiedades tales como resistencia mecánica, al desgaste o la corrosión, y aportan características especiales a las mismas.
A su vez, en función de la microestructura resultante al enfriar a distintas velocidades el material fundido, para una misma composición química, se tienen los siguientes tipos:
Fundiciones blancas: Contiene poco carbono (<3%) y silicio (<1%). Su rápido enfriamiento produce perlita y cementita, sin apenas grafito. Como la cementita es dura y frágil, estas fundiciones también lo son; además son resistentes a la abrasión, indeformables y difíciles de mecanizar, forjar o templar. En concentración moderada o alta de aleantes mejoran sus propiedades; así, con alto contenido en cromo resiste temperaturas de trabajo altas (500-600ºC) y soporta bien la corrosión; añadiendo níquel se incrementa la resistencia al desgaste y la dureza.
Fundiciones grises: Contiene más carbono (2,5-4%) y silicio (1-3%). Su enfriamiento moderado o lento produce láminas de grafito incrustado en la matriz austenítica, que solidifica respectivamente en matrices perlíticas(más resistente) o ferríticas. Las láminas de grafito disminuyen la superficie resistente, por lo que estas fundiciones son frágiles y poco resistentes a la tracción, fáciles de moldear, resistentes al desgaste y la corrosión, amortiguan bien las vibraciones, y son económicas.
Fundiciones dúctiles: Son una mejora de las grises; añadiendo Ce o Mg el grafito nuclea en el interior de la austenita de forma nodular o esferoidal, lo que mejora su resistencia y ductilidad, manteniendo su resistencia al desgaste, la corrosión y la contracción. Además, son altamente colables y mecanizables, siendo aceptable su resiliencia, soldabilidad y resistencia al choque térmico. Pueden reemplazar a los aceros de contenido medio en carbono.
Fundiciones maleables: Partiendo de una fundición blanca, se le somete a tratamiento térmico a 700ºC durante mínimo 30 horas para descomponer la cementita obteniendo grafito equiaxial en matriz perlítica o ferrítica. Si el tratamiento térmico es en atmosfera no oxidante y se enfría lentamente se obtiene fundición maleable negra o americana (ferrítica); si se enfría mas rápido se obtiene fundición maleable perlítica; si la atmosfera es oxidante las piezas se descarburan, obteniéndose fundición maleable blanca o europea. La fundición negra presenta buena resistencia y dureza, y gran ductilidad; la fundición perlítica aumenta la resistencia y dureza pero empeora la ductilidad, y la blanca aumenta solo la dureza pero sin perjudicar la ductilidad.
Tema 7. Aleaciones no férreas de interés industrial.
Tratamientos y características
7.1 Introducción
Se agrupan las aleaciones metálicas no férreas en tres familias: las aleaciones más ligeras que el hierro, las que son más pesadas (con buena conductividad y resistencia a la corrosión), y las de metales refractarios, que presentan aptitud para el trabajo a altas temperaturas.
7.2 Aleaciones no Férreas
Son todas aquellas cuyo componente mayoritario no es el hierro.
7.2.1 Aleaciones ligeras
Aleaciones de Aluminio
Es el metal mas abundante de la corteza terrestre, aunque su proceso industrial lo encarece respecto al hierro (hasta seis veces mas caro). Es muy ligero (2,7 gr/cm^3 ) y como cristaliza en sistema (ccc), resulta muy maleable y dúctil. Su conductividad térmica es muy buena, al igual que la eléctrica ( veces mayor que la del hierro, aunque un tercio inferior al cobre) y su resistencia a la corrosión, ya que reacciona con el oxigeno creando una película protectora de Al 2 O 3 , fenómeno conocido como anodizado. En cambio, su módulo de elasticidad (70GPa) es tres veces inferior al del hierro, y su temperatura de fusión también es más baja (660 ºC), además de ser poco duro y resistente, si bien aleado con otros metales mejoran sus cualidades.
El tratamiento más característico de las aleaciones base aluminio es el endurecimiento por precipitación o envejecimiento. Consta de dos etapas, una primera de solubilización y temple, que persigue retener en la solución sólida mayor contenido de soluto del que admitiría en condiciones naturales, y que por tanto resulta inestable y acabaría precipitando, y una etapa lenta de envejecimiento o curado, que persigue estabilizar la solución sobresaturada. Algunas aleaciones posibilitan esta etapa a temperatura ambiente (maduración natural) y otras requieren calentamiento (maduración artificial). Durante la maduración parte de los átomos de soluto se reagrupan en las llamadas zonas de GP, conservando con todo la estructura de red del aluminio. Si el curado se excede de tiempo estos átomos acaban perdiendo dicha estructura y adoptando la propia, lo que se denomina sobreenvejecimiento, perdiéndose parte de la dureza y resistencia mecánica conseguida aunque recuperando ductilidad y conductividad eléctrica. Las aleaciones obtenidas se agrupan en:
Aleaciones para forja : presentan gran plasticidad. Algunas pueden ser endurecidas térmicamente, como son las Al-Cu (muy resistentes, aunque pierden soldabilidad y resistencia a la corrosión), Al-Mg- Si (no tan resistentes como las Al-Cu, aunque mejoran la soldabilidad, la resistencia a la corrosión y la conductividad), Al-Zn-Mg (las más resistentes) y Al-Li (resistentes, muy elásticas y ligeras aunque tremendamente caras). Las aleaciones con manganeso y magnesio no son endurecibles térmicamente, y mejoran las propiedades mecánicas sin perder ductilidad ni resistencia a la corrosión.
Aleaciones para moldeo : presentan buena fluidez y plasticidad, y no endurecen por tratamiento térmico. Las más utilizadas son las Al-Si; son soldables y resisten bien la corrosión.
Aleaciones de Magnesio
Es el metal mas ligero (1,74 gr/cm^3 ) y bastante abundante, aunque resulta 12 veces mas caro que el hierro. Al cristalizar en sistema (hc) es poco conformable y frágil, su módulo de elasticidad (45GPa) y temperatura de fusión (650 ºC) son bastante bajos; tampoco suele ser soldable. En cambio, es altamente maquinable y resiste la corrosión, aunque no soporta bien el contacto con otros metales.
Aleaciones para moldeo : El Mg-Al mejora las propiedades mecánicas y su fluidez, en especial si el aluminio se presenta entre el 6-7%; si se le añade además Zn mejora la colabilidad y la resistencia a la corrosión. El Mg-Zn obtiene buena fluidez, pero resulta frágil. Con las Tierras Raras presentan buen comportamiento a la fluencia has ta 260 ºC.
Aleciones para forja : Trabajado a temperaturas de 350 a 500 ºC, el magnesio gana forjabilidad; en especial aleado con litio, aunque con Al, Zn y Mn también puede ser trabajado.
Aleaciones de Titanio
Es abundante aunque de procesado industrial caro. Su densidad es medio/baja (4,54 gr/cm^3 ), su módulo de elasticidad medio (120GPa) y temperatura de fusión alta (1670 ºC). Es alotrópico,
