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Ciencia e Ingeniería de Materiales
Jorge Mira Pérez
1. Tema 1. Introducción a la CeIM
1.1. Materiales y la ingeniería
¿Qué es un material? Cada una de las materias que se necesitan para una obra, o el conjunto de ellas. Los materiales pueden ser de origen natural, como la madera, o de origen sintético, como los plásticos.
A finales del siglo XIX e inicios del XX, se comenzó a descubrir las relaciones existentes entre la estructura de los materiales y sus propiedades, nacienciendo el término de Ciencia de Materiales. La Ciencia de Materiales es la ciencia que investiga la relación estructura-propiedades y el efecto del procesado sobre estas. Por ejemplo, al trefilar aluminio, se consigue mejorar sus propiedades mecánicas sin que su conductivdad eléctrica se vea afectada.
1.2. Tipos de materiales y clasificación
Propiedades de los materiales
Materiales compuestos. Están formados por dos o más componentes distinguibles físicamente y separables mecá- nicamente. Sus propiedades mecánicas son superiores a la simple suma de las propiedades de sus componentes. Materiales poliméricos. Son macromoléculas (generalmente orgánicas) formadas por la unión de moléculas más pequeñas llamadas monómeros. Los polímeros industriales suelen ser malos conductores eléctricos, se usan como aislantes. A temperaturas más bajas los polímeros se vuelven más duros. Enlace covalente.
Materiales metálicos. Son maleables, dúctiles, tenaces y son capaces de resistir esfuerzos mecánicos como de tracción o compresión. Se caracterizan por tener un alto punto de fusión y tener una elevada densidad. Enlace metálico. Materiales cerámicos. Son unos buenos aislantes, que, además, tienen la propiedad de tener una temperatura de fusión y resistencia muy elevada. Todas estas propiedades, hacen que los materiales cerámicos sean imposibles de fundir y de mecanizar por medios tradicionales (fresado, torneado, brochado, etc). Enlace iónico o covalente.
1.3. Competencia entre materiales
1.4. Avances y tendecias futuras en la tecnología de materiales
Materiales inteligentes. Son capaces de detectar estímulos externos y como respuestas a estos, modifican sus propiedades. Están compuestos por un detector y un accionador. Nanomateriales. Escala de longitud menor a 100 nm. Pueden ser metálicos, poliméricos, cerámicos o compuestos.
1.5. Diseño y selección
Factores socio-económicos
Materia prima accesible y su coste de procesado a fin de analizar competitivadad con el resto de materiales disponibles. No plantee problemas para la seguridad del usuario ni del medio ambiente. (Que sea reciclable)
Factores científico-técnicos
El material debe presentar las propiedades que se deseen.
α -Fe y δ -Fe. Estructura cúbica centrada en el cuerpo. BCC (body cubic centered). Modelo de esferas rígidas ideales
En cada celda hay dos átomos: el central y 8 × 1 / 8. Para calcular la constante de red:
(4 R )^2 = (
2 a )^2 + a^2 → 16 R^2 = 3 a^2 → a =
4 R
El factor de empaquetamiento se define como:
APF =
Volumen de los átomos en una celda unitaria Volumen de la celda unitaria
2 × 4 / 3 πR^3 (4 R/
3)^3
3 π 8
Esto significa que el 32 % del volumen de la celda unidad está vació.
γ -Fe. Estructura cúbica centrada en la cara. FCC (face cubic centered). Modelo de esferas rígidas ideales
En cada celda hay cuatro átomos: 6 × 1 / 2 de cada cara y 8 × 1 / 8 de cada vértice. Para calcular la constante de red:
(4 R )^2 = a^2 + a^2 → 4 R =
2 a → a =
4 R
2 R:
El factor de empaquetamiento se define como:
APF =
Volumen de los átomos en una celda unitaria Volumen de la celda unitaria
2 × 4 / 3 πR^3 (4 R/
2)^3
π 3
Esto significa que el 26 % del volumen de la celda unidad está vació.
A partir de este hecho, se puede explicar la contracción y dilatación que ocurre a los 912 oC y 1394 oC, como el APF disminuye, hay menos espacio vacío, entonces el volumen del hierro disminuye.
Estructura hexagonal compacta. HPC. Ti, Mg y Be
En cada celda hay 6 atomoms: 12 · 1 / 6 de cada vértice, 2 · 1 / 2 en cada base y 3 interiores. La relación ideal c/a = 1 ; 63 , aunque en la realidad, hay desviaciones y los átomos pueden estar elongados o comprimidos a lo largo del eje c.
APF =
6 · 4 / 3 πR^3 cpK / 2
24 / 3 πR^3 12 R
3 R/ 2 · 1 ; 63 · 2 R
Donde,
K =
(2 R )^2 − R^2
es la apotema del hexágono.
2.2. Posiciones, direcciones y planos en las redes cúbicas
Posiciones. Vienen dadas por tres dígitos entre paréntesis, separados por comas. Direcciones. Son vectores que unen dos puntos y vienen dadas por tres dígitos entre corchetes. Planos. Vienen dados por tres dígitos entre paréntesis. Estos dígitos son los recíprocos de las intersecciones del plano con los ejes de coordenadas.
Las direcciones cristalográficamente equivalentes son aquellas direcciones que tienen la misma cantidad de masa por unidad de longitud. Por ejemplo, cualquier arista de una celda.
2.3. Densidad volumétrica ( ρv ), planar ( ρp ) y lineal ρl
ρv =
masa de la celda volumen de la celda
número de átomos × masa de un átomo volumen de la celda
ρp =
número de átomos en el área seleccionada × masa de un átomo área seleccionada
ρl = número de diámetros atómicos en la longitud seleccionada longitud seleccionada
A partir de estas definiciones se podría explicar porque un elemento es más maleable que otro. En efecto, la deformación plástica de los metales ocurre con más facilidad en los planos de máxima densidad atómica y su deslizamiento sigue las direcciones más compactas. Es por esto por lo cual podemos decir que el aluminio es más maleable que hierro, pues, el sistema de deslizamiento de FCC es más compacto que el BCC, y por tanto, hay menos fricción, por eso Al es más maleable que Fe.
2.4. Polimorfismo y alotropía
El polimorfismo es la habilidad de un material sólido para cristalizar en distintos sistemas cristalinos en función de la temperatura y la presión manteniendo la misma composición de elementos químicos. Cuando esta propiedad se da en compuestos formados por un único elemento, se denomina alotropía.
Estructura granular
Una vez formados los núcleos estables, estos crecen hasta formar cristales. Cada núcleo va a formar un cristal regular que crece en una dirección y que finalmente se unen unos con otros. Un metal solidificado que contenga muchos cristales se dice que es policristalino, estos cristales se llaman granos y la superficie que los delimita, límite de grano.
Las estructuras cristalinas perfectas no existen, la disposición de los átomos en el interior del metal y en su superficie es diferente. Además, dentor del metal existen una serie de defectos que rompen la periodicidad cristalina. Estos defectos pueden variar las propiedades del metal, tanto positiva como negativamente. Si alguna propiedad no es estructural, no se verá afectada por estos defectos. (Capacidad calorífica, temperatura de fusión,...)
3.1. Defectos
Defectos puntuales
Vacantes. Este tipo de defectos se origina ante la ausencia de un átomo en la red cristalina. Su origen civene de un proceso de solidificación rápida. Durante la formación del cristal, pueden darse reorganizaciones atómicas o perturbaciones locales debido a la movilidad de los átomos. Sustituciones. Se originan cuando un elemento sustituye a otro. Este nuevo elemento, puede ser una impureza o bien un elemento de aleación. En este caso, el efecto sobre las propiedades del metal es importante. Normalmente, el átomo aleante tiene un tamaño similar al del elemento que forma la red cristalina, a pesar de esto, se siguen produciendo distorsiones dentro de la red, que podrían ser beneficiosas o perjudiciales. Intersticiales. Huecos ocupados por átomos pequeños, que pueden o no pertenecer a la red cristalina.
Si consideramos el hueco como una esfera de radio r , podemos calcular la relación r/R , donde R es el radio de las esferas de la red cristalina.
Tipo de hueco BCC FCC Octaédrico 0,15 0, Tetraédrico 0,29 0,
Defectos lineales, dislocaciones
Si se realizase un cálculo teórico de la tensión de cizalla necesaria para desplazar un plano cristalográfico una posición y lo comparamos con el valor real, se observaría que dicho valor real es mucho menos que el teórico. Es decir, necesitamos menos energía para podrucir el movimiento de los planos. Esto se debe a que existen unos defectos en la red cristalina llamados dislocaciones, que se originan en el proceso de solidificación pero se encuentran presentes en aquellas zonas donde hay acumulación de vacantes.
Dislocaciones de cuña.
Este tipo de dislocación se genera por la inserción de una fila de átomos en el material, lo que provoca una tensión dentro de la red cristalina. Dislocaciones helicoidales.
Defectos volumétricos
Porosidad. Se produce por la liberación de sustancias gaseosas durante la solidifación del metal. También puede aparecer como resultado de la disminución de volumen que acompaña al cambio de estado en la mayoría de los metales. Defectis de contracción. La mayoría de los metales al pasar de estado líquido a sólido producen una disminución de volumen. Segregaciones. Presencia de diferencias notables en la composición en distintos puntos de la masa fundida. Tensiones internas. Tiensiones originadas durante la solidificación. Sobre todo en piezas moldeadas de geometrías complejas. Su ta- maño suele variar desde los nanómetros hasta los centímetros y tienen un efecto importante en el comportamiento de un material.
4. Difusión en estado sólido
La difusión es la migración de átomos (y moléculas) a través de un medio. En nuestro caso, este medio será un material, por lo que es un sólido. Este fenómeno ocurre porque los sitemas tienden a eliminar los gradientes de concentración de forma que esta sea homogénea en todo el material. Los mecanismos de difusión más importantes son: por vacantes y por intersticios.
Por vacantes. En este mecanismo, un átomo de la propia red abandona su posición para ocupar alguna vacante próxima, dejando una nueva, de manera que se crean una corriente de átomos en una dirección y de vacantes en sentido contrario. Para que se produzca, deberán exisitir vacantes próximas y que los átomos tengan suficiente energía térmica para superar la energía de activación del proceso. Esto implica que este mecanismo estará favorecido a altas temperaturas, ya que aumentará la concentración de vacantes y la energía térmica de los átomos. Por intersticios.
Los átomos en posiciones intersticiales se desplazan a otras posiciones intersticiales vacías sin desplazar per- manentemente a ningún átomo de la red, creándose una corriente de átomos intersticiales y otra de puntos intersticiales vacíos en sentidos contrarios. Este mecanismo es el responsable de la difusión de átomos de carbono en la ferrita y austenita.
En la mayoría de los sólidos metálicos, la difusión intersticial ocurrirá con mayor facilidad que la difusión por vacantes ya que es más rápida porque los átomos intersticiales son más pequeños, la presencia de huecos es una característica intrínseca de la red, es decir, no se necesita energía adicional para su creación y necesitan menos energía para distorsionar la red durante su desplazamiento. En cualquier caso, únicamente sufrirán difusión aquellos átomos cuya energía térmica sea superior a la energía de activación del proceso de difusión.
Existen dos mecanismos de difusión: estacionario y no estacionario. En la mayoría de los materiales, la difusión es no estacionaria por lo que debe emplear la segunda ley de Fick:
∂cx ∂t
= D
∂^2 cx ∂x^2
Donde D es el coeficiente de difusión y mide la capacidad que tiene un átomo de difundir, es decir, nos indica como de rápido se mueven las partículas por la red metálica. Depende del átomo y del medio en el que se difunda. Como la concentración de átomos cambia en el tiempo, el gradiente no puede ser considerado constante. La solución a la ecuación anterior viene dada por la expresión:
cs − cx cs − c 0
= fer
x 2
2 Dt
Donde cs es la concentración superficial del elemento que se va a difundir, cx la concentración a una determinada profundidad x en un instante de tiempo t , c 0 concentración inicial de ese elemento que tiene el material, fer( Z ) es la función de error gaussiana y D el coeficiente de difusión del elemento que se va a difundir en el soluto a una temperatura T.
4.1. Mecanismo de difusión
Si Q es la energía de activación del mecanismo de difusión, aquellos átomos que sean capaces de difundir por la red cristalina por los intersticios tendrán un coeficiente de difusión D , mayor que los que difundan mediante un mecanismo de vacantes o sustitucion. Por ejemplo, a 500 oC, el carbono tiene un coeficiente de difusión en el hierro de 10 −^12 m^2 /s, mientras que el hierro en carbono es de 10 −^20 m^2 /s. La alta difusividad del carbono se debe a que puede discurrir por la red cristalina a través de los intersticios, mientras que los átomos de hierro no ya que solo pueden hacerlo por un mecanismo susticional.
Cuantos más huecos haya en la red y más grandes sean, mejor difundirán los átomos. Es decir, cuanto menor sea el índice de empaquetamiento, mejor será la difusión.
La dependencia de D con la temperatura obecede una ecuación de tipo Arrhenius.
D = D 0 e−Q/RT
Obviamente, cuanto menor sea el radio atómico, con más facilidad se podrán mover los átomos.
4.2. Aplicaciones industriales de los procesos de difusión
Los procesos de difusión se aplican en una gran variedad de procesos industriales como el endurecimiento superficial de aceros, fabricación de circuitos integrados o bien, soldaduras por difusión.
Endurecimiento superficial de aceros
Con los procesos de difusión podemos endurecer la superficie de aceros, por ejemplo, esta técnica es muy utilizada en la fabricación de engranajes.
Cementación. Difusión del carbono en la austenita para después un tratamiento térmico, conseguir una estructura martensítica en la superficie, mientras que el interior es dúctil. Nitruración. Difusión de nitrógeno para la formación de nitruros metálicos que endurecen la superficie. Cianuración y boruración. Difusión de cianuros o boruros para conseguir capas muy delgadas de cianuros y boruros metálicos que aumentan la resistencia al desgaste y fatiga. Sulfinización. Difusión de azufre para facilitar el mecanizado. Descarburación. Pérdida de parte del carbono de un acero durante un tratamiento a alta temperatura debido a su interacción con una atmósfera gaseosa.
5.4. Deformación plástica de metales policristalinos. Efecto de los límites de grano
Durante una deformación plástica, las dislocaciones que se mueven a lo largo de un determinado plano cristalográfico, no pueden seguir en línea recta al pasar de un grano a otro, por lo que acabarán acumulándose en los límites de grano. Cuanto más pequeño sea el grano, menor recorrido realizarán las dislocaciones antes de acumularse y por ello, los metales de grano fino poseen una mayor resistencia. Este efecto se deduce a partir de la ecuación de Hall-Petch:
σy = σ 0 +
Ky √ d
Donde σ 0 es el límite elástico de un solo cristal. Si el tamaño del grano disminuye, obtenemos un límite elástcio mayor, el material tiene mayor rigidez. Existen tres formas de disminuir el tamaño de grano:
Tratamientos térmicos. Jugando con las velocidades de enfriamiento y los tiempos de permanencia se pueden consguir granos pequeños. Tratamientos termomecánicos. Como la forja o la laminación. Afinadores de grano. Elementos de alto punto de fusión que se le añanden a aleaciones para que formen los primeros núcleos, obteniéndose mayor número de gérmenes que conlleva un gran número de granos.
5.5. Deformación plástica de los metales policristalinos. Endurecimiento por deformación plás-
tica en frío
Se observa que si se golpea una lámina de aluminio puro se va endurenciendo. Es decir, según la golpeamos, el límite elástico y la resistencia a la tracción van aumentando y por tanto, dismunye la ductilidad conforme aumentamos el trabajo en frío. Si se sigue trabajando el material en frío, llegará un momento en el que el límite elástico y la resistencia a la tracción se igualen. En este punto, el material no se podrá deformar más. Aunque un material tenga dislocaciones, cuando se deforma plásticamente se generan más de forma que se van acumulando en zonas deformadas del material que muestran un incremento considerable de la dureza. El material adquiere acritud.
5.6. Endurecimiento por disolución sólida
Al introducir carbono en una matriz de hierro, observamos que se endurence. Esto es debido a que un al introducir un elemento extraño a la estructura cristalina podrucimos defectos sustitucionales que crean una distorsión en la red de manera que se crea un campo de fuerzas en el entorno del átomo extraño. Estos campos de fuerzas dificultan el movimiento de las dislocaciones y por tanto de que se deforme plásticamente.
5.7. Temperatura de transición dúctil-frágil
La temperatura de transición dúctil-fráginl es una temperatura en la cual un material perfectamente dúctil puede comportaste como uno frágil. En función de los elementos que se traten esta temperatura será diferente. Para los aceros, la adición de carbono aumenta esta temperatura.
5.8. Fatiga
Los factores que afectan a la vida a fatiga son:
Tensión media Efectos superficiales Temperatura (fatiga térmica)
6. Aleaciones metálicas y Diagramas de fase
En ingeniería, los metales en etado puro no tienen muchas aplicaciones. Normalmente se usan aleaciones. Una aleación metálica es una mezcla homogénea metal-metal o metal-no metal. Unas de las grandes ventajas de las aleaciones es que son fácilmente procesables y podemos modificar sus propiedades mecánicas con tratamientos térmicos y/o mecánicos. Ahora bien, cuando se le añade algo a un metal, pueden darse tres situaciones:
Que no se mezclen. Los dos componentes quedan separados. Se disuelven completa o parcialmente. Aparezca un nuevo compuesto químico.
Disolución sólida
En una disolución sólida podemos diferenciar claramente entre un soluto y un disolvente. El soluto puede ser un metal o un no metal mientras que el disolvente es el metal base (Hierro en acero). La cantidad de soluto que se puede disolver tiene un límite que depende de la temperatura. Existen dos tipos de disoluciones:
Al unir un metal con un no metal pueden aparecer:
Compuestos intermetálicos. No tienen mucha influencia en las propiedades mecánicas. Compuestos intersticiales complejos. Compuestos que no siguen las valencias normales, carburos o nitruros. En general, tienen una alta dureza y elevado punto de fusión. Afectan a las propiedades mecánicas.
6.1. Diagramas de fase
Los diagramas de fase son mapas de un sistema de aleación en equilibrio que muestra las fases existentes a presión constante. Definiciones:
Sistema. Porción de materia aislada en un recipiente inerte, real o imaginario. Componente. Elemento o compuesto químico estable en las condiciones del proceso. Fase. Porción homogénea de un sistema, físicamente distinta y mecánicamente separable. Grado de libertad. Variable independiente modificable hasta ciertos valores manteniendo el equilibrio.
6.1.1. Ley de Gibbs
En un sistema con C componentes presentes en forma de F fases, existen L grados de libertad según las siguientes expresiones: L = C − F + 2 L = C − F + 1 p = cte
Peritéctica. α + L → β En el diagrama FeC, esta reacción se encuentra en la zona δ y es la reacción caracterísitica de la formación de austenita: L (0 ; 5 C ) + δ (0 ; 09 C ) → γ (0 ; 17 C ) Ca
Peritectoide. α + β → γ
7. Diagrama Hierro-Carbono
En el diagrama hierro-carbono se pueden diferenciar tres regiones:
0 hasta 0,025 % C: Hierro. 0,025 hasta 2 % C: Acero.
- Aceros hipoeutectoides. %C<0, - Aceros eutectoides. %C = 0 ; 8 - Aceros hipereutectoides. 0,8 < %C <2, 2 hasta 6,67 % C: Fundición.
El acero tiene dos fases a temperatura ambiente: ferrita y cementita Fe 3 C. Es una aleación muy utilizada porque tiene grandes capacidades, ya sea para fabricación o tratamientos termomecánicos.
7.1. Componentes
Ferrita
La ferrita es una solución sólida de C en Fe α y tiene una red centrada en el cuerpo. La máxima solubilidad del C en hierro a temperatura ambiente es de 0,008 %, por otro lado, a una temperatura de 727 oC, la máxima solubilidad es de 0,02 %. La ferrita es blanda, dúctil y maleable, además es magnética hasta 770 oC (hierro β ).
Cementita
La cementita es un compuesto intermetálico intersticial. Tiene una composición de 6.67 % C. Es un compuesto duro ( HRC) y frágil.
Austenita
La austenita es una solución sólida de C en hierro γ con una red FCC. La máxima solubilidad en C a 1147 oC es de 2,14 %. Empieza a formarse a partir de 727 oC, donde tiene una solubilidad de 0,8 %. Es amagnética.
7.2. Corte eutectoide
SI se tiene una muestra de acero eutectoide (0,76 %) y se austeniza, manteniendo esta temperatura el tiempo suficiente y se deja enfriar lentamente, su estructura será austenita, como se indica en el punto a , si se sigue enfriando, llegará un momento que se llegue a la temperatura eutectoide, a partir de la cual se formará ferrita y cementita a partir de austenita. Esto es la reacción eutectoide: Austenita → C ementita + F errita. Esta estructura se conoce como perlita.
7.3. Corte hipoeutectoide
Si una muestra de acero de menos de 0,76 % de carbono se austeniza, manteniendo esta temperatura el tiempo suficiente y se deja enfriar lentamente, se tienen varias estructuras. En el punto c se tiene austenita mmientras que conforme va bajando la temperatura, se obtiene ferrita proeutectoide, que crece especialmente en los límites de grano austenítico. Si se sigue enfriando, la ferrita seguirá incrementando su tamaño. Si a la temperatura eutectoide (723 oC) siguen las mismas condiciones, la austenita restante se transformara en perlita (ferrita y cementita) a través de la reacción eutectoide. Hay que diferenciar entre la ferrita proeutectoide, formada a temperaturas superiores a la temperatura eutectoide y la ferrita eutectoide, formada por debajo de la temperatura eutectoide.
7.4. Corte hipereutectoide
Si se tiene una muestra con más de un 0,76 % C y se austeniza, manteniedo esta temperatura el tiempo suficiente y se deja enfriar lentamente se tienen varias estructuras. En el punto g se tiene austenita por completo. Según
