Embed Size (px)
Citation preview
RESUMEN DE LOS 8 PRIMEROS CAPÍTULOS DEL LIBRO DE SIDNEY AVNER.
1. LAS HERRAMIENTAS DEL METALURGISTA
Este capítulo proporciona las bases de algunas herramientas y pruebas comunes que se
utilizan en el campo de la Metalurgia.
1.1 Escalas de temperatura
La escala de medición estándar es la centígrada; sin embarga en las plantas industriales
Estadounidenses, la escala Fahrenheit es la que más se emplea. En este libro todas las
referencias a las temperaturas serán en términos de la escala Fahrenheit. La conversión de
una escala a otra puede hacerse con las siguientes ecuaciones:
La exactitud con la que se midan y se controlen las temperaturas determinará el éxito de la
operación de algunos procesos metalúrgicos, como la fundición, la refinación y el
tratamiento térmico. También tendrá un profundo efecto sobre las propiedades de la
resistencia de muchos metales y aleaciones.
MEDICIÓN DE LA TEMPERATURA
La pirometría se ocupa de la medición de altas temperaturas generalmente superiores a los
950°F, y los instrumentos utilizados para este propósito se los conoce como pirómetros.
La termometría se ocupa de las mediciones de temperatura debajo de los 950°F, los
instrumentos empleados para este propósito se los conoce como termómetros.
1.2 Medición de la temperatura por el color
Uno de los métodos más sencillos para medir la temperatura es mediante la observación
del color utilizando la siguiente tabla:
1.3 Termómetros por expansión metálica
La mayoría de metales se expanden por el calor y la cantidad de expansión dependerá de la
temperatura y del coeficiente de expansión de cada metal. Este principio se aplica a la cinta
bimetálica, dicha cinta se forma al unir sobre un costado una tira de metal con coeficiente
de expansión alto, un metal cuyo coeficiente de expansión sea bajo.
1.4 Termómetros por expansión liquida
Tiene el sistema entero lleno de un líquido orgánico adecuado o con mercurio. Los cambios
de temperatura en el bulbo hacen que el líquido se expanda o contraiga, lo cual a su vez
hace que el tubo Bourdon también se expanda o contraiga. Los cambios de la temperatura a
lo largo del tubo capilar y en la caja también producirán alguna expansión y contracción del
líquido; por tanto se requiere alguna forma de compensación. La figura 1.3 muestra un
termómetro de expansión liquida totalmente compensado, mediante un sistema idéntico, sin
el bulbo, arreglado de madera que los movimientos se sustraigan o anulen. Algunos de los
líquidos empleados y de las temperaturas que se utilizan son:
1.5 Termómetros por presión de gas o vapor
En este termómetro un líquido volátil llena parcialmente el bulbo. Diferentes temperaturas
del bulbo producen variaciones de presión correspondientes en el vapor saturado arriba del
nivel del líquido en el bulbo. Estas variaciones de presión se transmiten al tubo Bourdon, y
las indicaciones de presión actúan como una medida de la temperatura en el bulbo.
Mediante una adecuada selección del líquido volátil, casi cualquier temperatura de -60 a +
500°F se puede medir. Algunos de los líquidos que más se utilizan son cloruro de metilo,
éter, alcohol etílico y tolueno.
1.6 Termómetro de resistencia
El principio de este termómetro se basa en el incremento de la resistencia eléctrica con el
aumento de la temperatura de un conductor. Si se calibran las variaciones de temperatura-
resistencia de un metal. Es posible determinar la temperatura al medir su resistencia
eléctrica. El resistor, con forma de bobina, está montado en la extrema cerrado de un tubo
protector y las conexiones se hacen llegar hasta un instrumento adecuado de medición de
resistencias, generalmente de Wheatstone.
1.7 Pirómetro termoeléctrico
El pirómetro termoeléctrico sencillo, mostrado en la figura 1.4, consta de las unidades
siguientes:
El termopar, compuesto de dos metales o aleaciones diferentes,
El bloque de empalmes, situado cerca y fuera del horno,
Los cables de extensión, y
El instrumento indicador o de registro.
El funcionamiento de este pirómetro se basa en dos principios: el efecto de Peltier y el
efecto de Thomson.
1.8 Materiales para termopar
En teoría, dos alambres metálicos distintos desarrollaran una fem cuando hay una
diferencia de temperatura entre sus puntos de unión, sin embargo desde el punto de vista de
la industria, sólo unas cuantas combinaciones se utilizan realmente para termopares. Estas
se escogieron sobre todo por su potencial termoeléctrico, costo razonable, estabilidad del
tamaño de grano, linealidad de la curva temperatura-fem, y de los puntos de fusión mayores
que la temperatura que se va a medir.
32 a 3000°F
420 a 600°F
300 a 1400 °F
1200 a 2200°F
Cromel-alumel
Hierro-constatán
Platino- rodio al
10%
Cobre- constatán
Los termopares se fabrican cortando longitudes adecuadas de los alambres; los extremos se
tuercen conjuntamente de manera cuidadosa unas dos vueltas, o algunas veces se unen sus
extremos, y se sueldan para formar una cabeza redonda y uniforme.
1.9 Medición de la fem
Le temperatura de la unión caliente se determina al medir la fem generada en el circuito.
Un potenciómetro es uno de los instrumentos más exactos para medir fem pequeñas.
Básicamente, la fem desarrollada por un termopar es balanceada contra una fem conocida y
medida en términos en este patrón. La escala del alambre cursor puede calibrarse en
milivoltios o directamente en temperatura. En este último caso, el instrumento se debe
emplear solo con el tipo de termopar para el cual esta calibrado.
1.10 Pirómetro de registro y control
En la mayoría de las instalaciones industriales, es necesario que el pirómetro efectué algo
más que simplemente indicar temperatura. La aguja del potenciómetro se puede sustituir
por una pluma que se mueve sobre una carta corrediza, a fin de obtener un registro
completo de la temperatura. Este recibe el nombre de pirómetro de registro.
1.11 Pirómetro de radiación
Los principios del funcionamiento del pirómetro de radiación incluyen una fuente de
radiación estándar, conocida como cuerpo negro, el cual es un cuerpo hipotéctico que
absorbe toda la radiación que incide sobre él. Tal cuerpo radia energía con mayor rapidez
que cualquier otro cuerpo a la misma temperatura. Los pirómetros de radiación
generalmente están calibrados para indicar temperaturas de cuerpo negro o reales.
El pirómetro de radiación no necesita estar en contacto directo con el cuerpo caliente; de
esta manera, el límite superior del intervalo de temperatura no está determinado por la
habilidad del pirómetro en si para resistir altas temperaturas.
1.12 Pirómetro óptico
El instrumento descrito en la sección precedente que respondió a todas las longitudes de
onda de radiación se conoce como pirómetro de radiación total. El pirómetro óptico mide la
temperatura comparando el brillo de la luz emitida por la fuente con la de una fuente
estándar.
METALOGRAFÍA
1.13 Introducción
La metalografía o microscopía estudia microscópicamente las características estructurales
de un metal o de una aleación. Sin duda, el microscopio es la herramienta más importante
del metalurgista tanto del punto de vista científico como desde el técnico. Es posible
determinar el tamaño de grano, y el tamaño, forma y distribución de varias fases e
inclusiones que tiene gran efecto sobre las propiedades mecánicas del metal.
1.14 Muestreo
La selección de una muestra para estudio microscópico puede ser muy importante. Si lo que
se va a investigar es una falla, se debe escoger una muestra más próxima al área de la falla
y comparársele con una tomada de la sección normal o sana.
Sin el material es suave, como los metales o aleaciones no ferrosas y aceros no tratados
térmicamente, la selección puede obtenerse por corte manual con una segueta. Si el
material es duro, la sección puede obtenerse mediante un disco cortador abrasivo, e cual es
un plato delgado fabricado de un abrasivo de tipo adecuado, que gira a alta velocidad. La
muestra debe mantenerse fría durante la operación de corte.
1.15 Esmerilado burdo o tosco
Siempre que sea posible, la muestra debe ser de un tamaño fácil de manipular. Una muestra
blanda se puede aplanar si se mueve lentamente hacia arriba y hacia abajo a través de la
superficie de una lima plana poco áspera. La muestra blanda o dura puede esmerilarse
burdamente sobre una lija de banda, manteniendo la muestra fría sumergiéndola
frecuentemente en agua durante el esmerilado.
1.16 Montaje
Las muestras pequeñas o de forma incomoda deben montarse de alguna manera para
facilitar el pulido intermedio y final. Alambres, varillas pequeñas, muestras de hojas
metalicas, secciones delgadas, etc., deben montarse en un material adecuado o sujetarse
rigidamente en una monta mecánica.
Los materiales plasticos sinteticos que se acoplan a la muestra en una prensa para montar
especial proprcionan las bases de un tamaño unifrome conveniente para manipular las
muetsras en ulteriores operaciones de pulido.
1.17 Pulido intermedio
Después de montada, la muestra se pule sobre una serie de hojas de esmeril o lija con
abrasivos más finos, sucesivamente. El primer papel es generalmente N°. luego 1/0, 2/0,
3/0 y finalmente 4/0.
La figura 1.10b muestra la superficie del pulido intermedio con lija de 4/0.
1.18 Pulido fijo
El tiempo más utilizado y el éxito del pulido fino dependen en mucho del cuidado puesto
durante los pasos del pulido previo.
Una muestra pulida en forma adecuada mostrará únicamente las inclusiones no metálicas,
además está libre de rayaduras (figura 1.10 c).
1.19 Ataque
El propósito del ataque químico es hacer visibles las características estructurales del metal
o la aleación. El proceso debe ser tal que quedan claramente diferenciadas las partes de la
microestructura. Esto se logra mediante un reactivo apropiado que somete a la superficie
pulida a una acción química.
Estos gráficos muestran algunos ataques químicos.
1.20 Microscopios metalúrgicos
En comparación con uno de tipo biológico, el microscopio metalúrgico difiere en la manera
en que la muestra sea iluminada. Como una muestra metalográfica es opaca a la luz, la
misma debe ser iluminada por una luz reflejada.
PRUEBAS PARA PROPIEDADES METÁLICAS
1.21 Dureza
La dureza no es una propiedad fundamental de un material, sino que está relacionada con
las propiedades elásticas y plásticas. El valor de dureza obtenido en una prueba
determinada sirve solo como comparación entre materiales o tratamientos. El
procedimiento de prueba y la preparación de la muestra suelen ser sencillos y os resultados
pueden utilizarse para estimar otras propiedades mecánicas. La prueba de dureza se utiliza
ampliamente para inspección y control.
Las diversas pruebas de dureza se pueden dividir en tres categorías:
Dureza elástica
Resistencia al corte o abrasión, y
Resistencia a la identación.
1.22 Dureza elástica
Este tipo de dureza se mide mediante un escleroscopio, que es un dispositivo para medir la
altura de rebote de un pequeño martillo con emboquillado de diamante, después de que cae
por su propio peso desde una altura definida sobre la superficie de la pieza o prueba. Esta
prueba es realmente una medida de la resistencia del material, o sea, la energía que puede
absorber en el intervalo elástico.
1.23 Resistencia de corte o abrasión
1.24 Resistencia a la identación
1.25 Exactitud de cualquier o ensayo de dureza por identación
Algunos de los factores que influyen en la exactitud de cualquier prueba de dureza por
identación son:
Condición de marcador de muescas
Exactitud de la carga o esfuerzo aplicado
Cargas o esfuerzos aplicados con el impacto
Condición de la superficie de la muestra
Espesor de la muestra
Forma de la muestra
Localización de las impresiones
Uniformidad del material
1.26 Ventajas y desventajas de los diferentes tipos de pruebas
La prueba de Rockwell es una operación rápida y sencilla. Como las cargas y los identados
o marcadores son menores que los utilizados en la prueba Brinell, la prueba Rockwell
puede emplearse en muestras más delgadas y probarse tanto los materiales más duros como
los más blandos.
El probador Vickers es el más sensible de los probadores de dureza utilizados en la
producción industrial. Tiene una sola escala continua para todos los materiales y el número
de dureza es virtualemente independiente de la carga. Debido a la posibilidad de usar
cargas ligeras, puede probarse secciones más delgadas que cualquier otra prueba de
producción y la impresión cuadrada es la más fácil de medir con exactitud.
La prueba de microdureza es básicamente una prueba de laboratorio. Usar cargas muy
ligeras permite probar partes muy pequeñas y secciones muy delgadas.
1.27 Conversión de los distintos números de dureza
Estos datos vienen dados en tablas, generalmente se aplica a aceros y se han derivado de
extensas pruebas de dureza en aceros al carbono y de sus aleaciones, principalmente en
aquellos en aquellos que han sido tratados térmicamente.
1.28 Esfuerzo y deformación
Cuando a un cuerpo se le aplica una fuerza externa que tiende a cambiar su forma o
tamaño, el cuerpo se resiste a esa fuerza. La resistencia externa del cuerpo se conoce como
esfuerzo y los cambios en las dimensiones del cuerpo que la acompañan se llama
deformaciones o alargamientos.
1.29 Prueba o ensayo de tensión
Es realizada frecuentemente para determinar ciertas propiedades mecánicas. La figura 1.21
muestra la relación entre esfuerzo unitario s y deformación unitaria, encontrada
experimentalmente mediante la gráfica esfuerzo- deformación para un material dúctil y en
la gráfica 1.22 para un material frágil.
1.30 Propiedades de tensión (o tensiles)
Las propiedades que se pueden determinar con una prueba de tensión se explican en
seguida:
Limite proporcional
Límite elástico
Punto de cedencia o fluencia
Resistencia de cedencia o fluencia
Resistencia limite
Resistencia a la ruptura
Ductilidad
Módulo de elasticidad o módulo de Young
1.31 Esfuerzo- deformación verdaderos
La prueba convencional de tensión descrita antes dará valiosa información hasta
aproximarse y llegar al punto de cedencia. Más allá de este punto, los valores de esfuerzo
son ficticios, ya que el área transversal real se reducirá considerablemente. El esfuerzo
verdadero se determina al dividir la carga entre el área transversal existente a esa intensidad
de carga.
1.32 Prueba de impacto
Aunque la tenacidad de un material puede obtenerse calculando el área bajo el diagrama de
esfuerzo-deformación, la prueba de impacto indicara la tenacidad relativa.
Por lo general, para las pruebas de impacto se utilizan muestras tipo muesca. Dos tipos de
muesca de tipo general se utilizan en las pruebas de flexión por impacto: la muesca ojo de
cerradura y la muesca en V. Así mismo, utilizan dos muestras, la Charpy y la Izod, como se
ve en la figura 1.25.
1.33 Pruebas de fatiga
Las pruebas de fatiga se utilizan ampliamente para estudiar el comportamiento de los
materiales son solo para observarlos bajo distintos tipos e intensidades de cargas
fluctuantes, sino también para determinar el efecto de la corrosión, las condiciones de
superficie, la temperatura, el tamaño y la concentración de esfuerzos.
1.34 Pruebas de influencia
Determina el cambio continuo en la deformación de un material a temperaturas elevadas
cuando está sometido a un esfuerzo inferior al valor de la resistencia de cedencia. Los
resultados son importantes en el diseño de aquellas partes para maquinas expuestas a
temperaturas elevadas.
ENSAYOS O PRUEBAS NO DESTRUCTIVAS
1.35 Introducción
Una prueba no destructiva es el examen de un objeto efectuado en cualquier forma que no
impida su utilidad futura.
Hay cinco elementos básicos en cualquier prueba no destructiva:
Fuente
Modificación
Detección
Indicación
Interpretación
1.36 Radiografía de metales
La radiografía de los metales se puede realizar mediante rayos x o rayos gamma- rayos
electromagnéticos de longitud de onda corta capaces de atravesar espesores de metal
relativamente grandes.
1.37 Inspección por partículas magnéticas (Magnaflux)
Es un método para deterctar la presencia de fisuras, recubrimientos, rasgones, inclusiones y
discontinuidades semejantes en materiales ferromagnéticos como el hierro y el acero.
1.38 Inspección por penetración fluorescente
Es un método sensible no destructivo con el que se puede detectar pequeñas
discontinuidades como fisuras, contracciones y porosidades que afloren a la superficie.
1.39 Inspección ultrasónica
Es un método muy antiguo es utilizar ondas de sonido para determinar defectos. Si una
pieza de metal es golpeada por un martillo, producirá ciertas notas audicibles, las cuales
pueden alterarse en resonancia y tono por la presencia de imperfecciones internas. Sin
embargo, la técinca de golpear con un martillo y escuchar el sonido correspondiente es útil
sólo para detectar grandes defectos.
1.40 Inspección por corrientes eléctricas parásitas
Las técnicas por corrientes parásitas se utilizan para inspeccionar eléctricamente materiales
conductores en busca de defectos, irregularidades en estrcutura y variaciones en
composición.
1.41 Desarrollos recientes
El más interesante desarrollo de métodos o pruebas de ensayos no destructivos es el uso de
la holografía, un método muy particular para registrar en película datos visuales de un
objeto tridimensional.
2. ESTRUCTURA Y CRISTALIZACIÓN DE LOS METALES
2.1 Introducción
Se considera que toda la materia está compuesta de sustancias unitarias conocidas como
elementos químicos, que son las unidades más pequeñas que pueden distinguirse con base
en su actividad química y propiedades físicas.
2.2 Estructura atómica
En tanto que cada elemento químico está compuesto por átomos, la diferencia en estructura
atómica es lo que da al elemento sus propiedades características. Es útil pensar que el
átomo libre está constituido por tres partículas elementales: a) electrones, partículas
pequeñísimas de electricidad negativa, b) protones, partículas de elasticidad positiva, y c)
partículas eléctricamente neutras, llamadas neutrones.
El átomo consta de un diminuto núcleo de carga positiva, formado de protones y neutrones
y rodeado por un número de suficiente de electrones que mantienen al átomo como un todo
eléctricamente meutro.
2.3 La tabla periódica
La tabla periódica es el mejor dispositivo de clasificación de los elementos y uno de los
conceptos fundamentales de la ciencia.
Los elementos de cualquier familia muestra semejanza en propiedades químicas fueron
ordenados en la misma columna o grupo: por ejemplo, grupo VII: flúor, cloro, boro y yodo
son todos semejantes en propiedades. Los elementos en cada fila o periodo horizontal
aumenta de izquierda a derecha en peso atómico, con pocas excepciones.
2.4 Isótopos
Para el núcleo de un elemento, es posible tener mayor o menoor cantidad del número
normal de neutrones. Como el número de protones o electrones no ha cambiado, el número
átomico será el mismo; sin embargo, el peso atómico será diferente. A los átomos de peso
atómico variable se les da e nombre de isótopos del elemento.
2.5 Clasificación de los elementos
Los elemento químicos pueden clasificarse aproximadamente en tres grupos: metales,
metaloides y no metales.
2.6 Enlace atómico
Es característico del estado sólido que todos los sólidos verdaderos exhiban una estructura
cristalina que significa que un arreglo geométrico definido de átomos o moléculas.
Algunos materiales, como el vidrio o el alquitrán, que son rígidos a la temperatura ambiente
tienen no un arreglo uniforme y constante de moléculas, sino una distribución al azar, sino
líquidos sobreenfriados.
2.7 Enlace iónico
Esto explica la fuerte atracción entre los iones apareados, típicos del estado gaseoso o
líquido; sin embargo, en ele stado sólido, cada ión de sodio está rodeado por seis iones de
cloro negativos, y viceversa; así, la atracción es igual en todas las direcciones.
2.8 Enlace covalente
Los átomos de algunos elementos pueden alcanzar una estructura electrónica estable al
compartir uno o más electrones con átomos adyacentes.
2.9 Enlace metálico
La falta de iones cargados opuestamente en la estrcutura metálica y la falta de
suficientes electrones de valencia para formar un enlace covalente verdadero hace
necesario que más de dos átomos compartan electrones de valencia. Cada átomo de
metal contribuye con sus electrones de valencia a formar una “nube” electrónica
negativa.
2.10 Fuerzas de Van der Waals
Este tipo de enlace se presenta en átomos neutros como los de los gases inertes. Cuando los
átomos se acercan hay una separación de los centros de cargas positivas y negativas, y
resulta una débil fuerza de atracción. Es de importancia sólo a bajas temperaturas cuando la
fuerza débil de atracción puede vencer la agitación térmica de los átomos.
ESTRUCTURA METÁLICA
2.11 Diámetro atómico
La distancia de equilibrio es diferente para cada elemento y se determina midiendo la
distancia de la aproximación más estrecha posible entre los átomos en el estado sólido. Si
se imaginan los átomos como esferas puede tomarse como el diámetro átomico
aproximado. El diámetro átomico aumenta conforme el número de capas ocupadas se
incrementa y disminuye conforme el número de electrones de valencia aumenta.
2.12 Estructura cristalina
Como los átomos tienden a adoptar posiciones relativamente fijas, esto da lugar a la
formación de cristales en estado sólido. Los átomos oscilan alrededor de puntos fijos y
están en equlibrio dinámico más que fijos estáticamente. La red tridimensional de líneas
imaginarias que conectan los átomos se llama red espacial, en tanto que la unidad más
pequeña que tiene la simetría total del cristal se llama celda unitaria.
2.13 Cúbica centrada en el cuerpo
Si los átomos se representan como esferas, el átomo del centro toca a cada átomo de las
esquinas, pero éstos no se tocan entre sí. Como cada átomo de las esquinas lo comparten
ocho cubos adyacentes y el átomo del centro no puede compartirlo ningún otro cubo, celda
unitaria de la estructura b.c.c. contiene:
2.14 Cúbica centrada en las caras
Además de haber un átomo en cada esquina del cubo, hay uno en el centro de cada cara,
pero ninguno en el centro del cubo.
Cada átomo de las caras toca los átomos de las esquinas más próximas. Como cada átomo
de las esquinas lo comparten ocho cubos adyacentes y cada átomo de las caras es
compartido sólo por un cubo adyacente de la celda unitaria contine:
2.15 Hexagonal compacta
La figura usula de la red hexagonal compacta muestra dos planos basales en forma de
hexágonos regulares, con un átomo tanto en cada esquina del hexágono como en el centro.
Además, hay tres átomos en forma de triángulo a la mitad de la distancia entre los dos
planos basales.
2.16 Polimorfismo y alotropía
El polimorfismo es la propiedad de un material de existir en mñas de un tipo de red espacial
en el estado sólido. Si el cambio en estructura es reversible, entonces el cambio polimórfico
se conoce como alotropía. Por lo menos quince metales muestran esta propiedad, y el
hierron es el ejemplo mejor conocido.
2.17 Planos cristalográficos
Las capas de átomos o los planos sobre los cuales están ordenados los átomos se conocen
como planos atómicos o cristalográficos. La relación que guarda un conjunto de planos con
los ejes de la celda unitaria se designa por los índices de Miller. Se establece que una
esquina de la celda unitaria sea el origen de las coodernadas espaciales, y cualquier
conjunto de planos se identifica por los recíprocos de sus intercepciones con estas
coordenadas.
2.18 Difracción de rayos x
Al llegar a este punto, cabbría imaginar cómo es posible medir dimensiones de la red, ya
qye los espaciamientos atómicos son del orden de sólo unas cuantas unidades de angstrom.
La herramienta más útil para estudiar la estructura cristalina es la difracción de rayos X, de
la cual aquí se dará una breve explicación.
2.19 Estados de la materia
Tres estados de la materia se pueden distinguir: gaseoso, líquido y sólido. En el estado
gaseoso, los átomos del metal ocupan gran parte del espacio debido a si rápido movimiento.
Dicho movimiento es enteramente al azar, y conforme viajan, chocan entre sí y contra las
paredes del recipiente.
2.20 Mecanismo de cristalización
Es la transición del estado líquido
a sólido
1. Formación de núcleos
2. Crecimiento de cristal
2.21 Imperfecciones del cristal
Las inperfecciones cristalinas mas importantes son vacancias, intersticiales y dislocaciones.
Las vacancias son simplemente sitios atomicos vacios.
2.22 Macrodefectos en piezas coladas
otros defectos q pueden surgir de la solidificacion son suficientemente grandes para
que se puedan advertir a simple vista, a saber: los macrodefectos, entre los cuales
los mas comunes son cavidades de contraccion o encogimiento y porosidad.
en un molde diseñano apropiadamente, con provisiones para poder proporcionar
liquido a la porcion que se solidifica al ultimo, la contraccion en volumen no
presentara un problema serio; sin embargo, si todo el exterior de la pieza colada se
solidifica primero, la disminucion en volumen del interior de la pieza durante la
solidificacion dara lugar a la formacion de una gran cavidad por contraccion o
encogimiento de la seccion media. En la solidificacion de lingotes de acero, la
cavidad por contraccion, llamada pipa o tubo, suele estar concentrada en la porcion
central superior del lingote. Esta porcion se corta y descarta antes del trabajo.
2.23 Tamaño de grano
El tamaño de los granos en una pieza colada esta determinado por la relacion entre
la rapidez de crecimiento G y la rapidez de nucleacion N. Si el numero de nucleos
formados es alto se producira un material de grano fino, y si solo se forman unos
pocos nucleos se producira un material de grano grueso. La rapidez de enfriamiento
es el factor mas importante para determinar la rapidez de nucleacion y , por tanto, el
tamaño de grano.
2.24 Medición del tamaño de grano
los principales metodos para calcular el tamaño de grano recomendados por la ASTM
son:
Método de comparación
Método de intercepción (o de Heyn )
Método planimétrico (o de jeffries)
3. DEFORMACIÓN PLÁSTICA
3.1 Introducción
Cuando un material se tensa por debajo de su límite elástico, la deformación
resultante es temporal. La supresión del esfuerzo da como resultado un retorno
gradual del objeto a sus dimensiones originales. Cuando un material se tensa más
allá de su límite elástico, tiene lugar una deformación plástica o permanente, y no
regresará a su forma original por la sola aplicación de una fuerza.
La posibilidad de que un material sufra deformación plástica es problablemente su
característica más relevante en comparación con otros materiales.
3.2 Deformación por deslizamiento
Si el monocristal de un metal es esforzado tensilmente más allá de su límite elástico,
se alarga n forma ligera, aparece un escalón sobre la superficie indicando el
desplazamiento relativo de una parte del cristal con respecto al resto y la elongación
se detiene. Al aumentar la carga se producirá movimiento en el otro plano paralelo y
dará como resultado otro escalón.
3.3 Mecanismo de deslizamiento
Las porciones de cristal en cualquier lado de un plano especifico de deslizamiento
se mueven en direcciones opuestas y al alcanzar el reposo los atomos se encuentrn e
posiciones próximas al equilibrio, de tal forma que hay un cambio menor de
orientación en la red. De este modo, la forma externa del cristal cambia sin
destruirlo.
3.4 Deslizamiento en diferentes estructuras reticulares
La combinación de un plano de deslizamiento y una dirección de deslizamiento se
conoce como sistema de deslizamiento. La dirección de deslizamiento es siempre la
de mas denso empaquetamiento atomico en el plano de deslizamiento y el factor
mas importante en el sistema de delizamiento.
3.5 Deformación por maclaje
El maclaje es un movimiento de planos de átomos en la red, paralelo a un plano
especifico (de maclaje) de manera que la red se divide en dos partes
simétricamente orientadas. En ciertos materiales, particularmente metales c.p.h.,
el maclaje es uno de los principales medios de deformación. Esto puede causar
un extensivo cambio en la forma o colocar planos potenciales de deslizamiento
en una posición más favorable para el deslizamiento.
Al metalurgista le interesan dos tipos de maclaje:
Maclajes mecánicos o de deformación; prevalecientes principalmente en metales
c.p.h (magnesio, zinc, etc.) y en metales b.c.c (tungsteno,hierro α,etc,.).
Maclajes de recocido, prevalecientes principalmente en metales f.c.c (aluminio,
cobre, latón, etc.). estos metales han sido previamente trabajados y luego
recalentados. Los maclajes se forman debido a un cambio en el mecanismo de
crecimiento normal.
3.6 Deslizamiento contra maclaje
El deslizamiento y el maclaje difieren en:
1. La cantidad de movimiento: en el deslizamiento, los atomos se mueven un
numero entero de esparcimientos interatómicos, en tanto que en el maclaje
los atomos se mueven en cantidades fraccionarias, desprendiendo de su
disancia desde el plano de maclaje.
2. La apariencia microscópica: el deslizamiento aparece como líneadelgadas,
en tanto que el maclaje aparece como líneas o bandas anchas.
3. La orientación reticular: en el deslizamiento haymuy poco cabio de
orientación reticular, y os escalones son visibles solo en la superficie del
cristal. Si los escalones se eliminan por pulido, no habrá evidencia de que
habrá habido deslizamiento. Sin embargo, en el maclaje como hay diferente
orientación reticular en la región maclada, la eliminación de los escalones
por pulido superficial no destruirá la evidencia del maclado. Adecuadas
soluciones de ataque, sensibles a la diferencia en orientación, revelaran la
región maclada.
3.7 Fractura
Es la separación de un cuerpo sujeto a un esfuerzo, en dos o más partes. La fractura
se clasifica en frágil o dúctil.
La fractura frágil generalmente comprende la rápida propagación de una grieta con
el mínimo de absorción de energía y de deformación plástica.
La fractura frágil ocurre por clivaje a lo largo de un plano cristalográfico (El plano
100 en el hierro)
3.8 Deslizamiento, maclaje y fractura
La cantidad de deformación que puede ocurrir antes de la fractura esta determinada
por los valores relativos de los esfuerzos necesarios para deslizamiento, maclaje y
clivaje. Hay un valor critico de la componente del esfuerzo cortantepara que se
inicie el deslizamiento, valor que aumenta para las aleaciones y que disminuye con
la temperatura y por deformaciones previas.
3.9 Material policristalino
esta siempre formado de granos policrsitalinos, cuyos ejes cristalinos se orientan al
azar. Cuando un material policristalino esta sujeto a esfuerzo, el deslizamiento
empieza primero en aquellos granos en que el sistema de deslizamiento se halla mas
favorablemente situado respecto al esfuerzo aplicado. Como se debe mantener el
contacto en las fronteras de grano, podría necesitarse la acción de mas de un sistema
de deslizamiento.
un metal de grano fino en el que los granos están orientados al azar poseera
propiedades idénticas en todas direcciones, pero un metal con orientación de granos
preferente tendrá propiedades direccionales.
No todo el trabajo hecho en la deformación se disipa en forma de calor; más bien,
parte de él es el almacenado en el cristal como un incremento de energía interna.
3.10 Efecto de trabajo en frío sobre las propiedades
Un material se considera trabajado en frio si sus granos están en una condición
distorsionada después de finalizada la deformación plástica.
Todas las propiedades de un metal que dependan de la estructura reticular se ven
afectadas por la deformación plástica 0 por el trabajado en frio. La resistencia a la
tensión, 1a resistencia a la cedencia 0 fluencia y la dureza aumentan, mientras que la
ductilidad, representada por el porcentaje de alargamiento, disminuye. Aunque la
resistencia y la dureza aumentan, la rapidez de cambio para cada una no es la
misma. La dureza suele aumentar más rapidarnente en el primer 10% de reducción,
en tanto que la resistencia a la tensión aumenta más 0 menos linealmente. La
resistencia a la cedencia aumenta más rapidarnente que la resistencia a la tensión,
así que a mayor intensidad de deformación plástica, el intervalo entre las
resistencias de cedencia y de tensión disminuye.
4. RECOCIDO Y TRABAJO EN CALIENTE
4.1 Introducción
El recocido total es el proceso mediante el cual la estructura distorsionada de la red
trabajada en frío retorna a una cuyo estado se halle libre de tensiones mediante la aplicación
de de calor. Este proceso se efectúa totalmente en el estado sólido y generalmente le sigue
enfriando en el horno desde la temperatura deseada. El proceso de recocido puede dividirse
en tres etapas: recuperación, recristalización y ccrecimiento de grano.
4.2 Recuperación
En principio, éste es un proceso a baja temperatura, y los cambios producidos en las
propiedades no dan lugar a un cambio apreciable en la microestructura. Parece que el
principal efecto de la recuperación es el alivio de tensiones.
4.3 Recristalización
Conforme se alcanza la temperatura superior del intervalo dde recuperación, aparecen
nuevos cristales en la microestructura, los cuales tienen la misma composición y estructura
reticular que los granos originales no deformados y no están alargados, sino que son
aproximadamente uniformes en sus dimensiones. Los nuevos cristales suelen aparecer en
las porciones del grano más drásticamente deformadas, por lo general en los límites de
grano y los planos de deslizamiento. El agrupamiento de átomos del que se forman los
nuevos granos se llama núcleo. La rescristalización tiene lugar mediante una combinanción
de nucleación de granos libres de deformación y el crecimiento de estos núcleos para
abarcar todo el material trabajado en frío.
4.4 Temperatura de recristalización
Se refiere no a una temperatura definida debajo de la cual el proceso de recristalización no
ocurrirá, sino a la temperatura aproximada a la que un material altamente trabajado en frío
se recristaliza por completo en una hora.
Si aumenta la cantidad de deformación, disminuirá el tamaño del grano.
Grado de deformación
previa
Al aumentar la temperatura favorece el crecimiento de grano.
Tiempo a la temperatura de recocido
Cuan menor sea la temperatura por encima de la temperatura de recristalización, más fino será el tamaño del grano.
Temperatura de recocido
El calentamiento lento formará muy pocos núcleos dando lugar al grano grueso.
Tiempo de calentamiento
4.5 Crecimiento de grano
Los granos grandes tienen menor energía libre que los pequeños. Esto se asocia con la
menor cantidad de área de frontera del grano; por tanto en condiciones ideales, el menor
estado de energía para un metal sería aquél que tedría si estuviera formado por un solo
cristal.
4.6 Tamaño de grano
Como el recocido comprende la nucleación y el crecimiento de grano, los factores que
favorecen la nucleación rápida y el lento crecimiento darán como resultado material de
grano fino, y aquellos que favorecen a la nucleación lenta y el crecimeinto rápido del grano
darán como resultado material de grano grueso. Los factores que determinan el tamaño de
los granos recristalizados son:
4.7 Efecto sobre las propiedades
Como el recocido total devuelve al material a una estructura reticular libre de
tensionesinternas, es esencialmente un proceso de reblandamiento. Los cambios en
propiedades producidos por la deformación plástica se eliminan y el material vuelve casi a
adquirir sus propiedades originales.
TRABAJO EN CALIENTE
4.8 Línea divisoria entre trabajo en caliente y en frío
Cuando un material se deforma plásticamente tiende a hacerse más duro, pero la intensidad
del endurecimiento por trabajado disminuye conforme la temperatura aumenta.
4.9 Trabajado en caliente contra trabajado en frío
La mayoría de formas metálicas se producen a partir de lingotes colados. Para fabricar
hojas, placas, varillas, barras, alambres, etc,. De los lingotes, el método más económico es
el de trabajo en caliente.
5. CONSTITUCIÓN DE LAS ALEACIONES
5.1 Introducción
Una aleación es una sustancia que tiene propiedades metálicas y está constituida por dos o
más elementos químicos, de los cuales por lo menos uno es un metal.
Un sistema de aleación contiene todas las aleaciones que puedan formarse por varios
elementos combianados en todas las proporciones posibles.
5.2 Clasificación de las aleaciones
Las aleaciones pueden ser homogéneas o mezclas. En el primer caso constarán de una sola
fase y en el segundo caso serán una combinación de varias fases. Una fase s cualquier cosa
homogénea y físicamente distinta.
5.3 Metal puro
En condiciones de equilibrio, todos los metales exhiben un punto definido de fusión o
congeleación. El término en condiciones de equilibrio implica condiciones de
calentamiento y enfriamiento extremadamente lentas. Si para un metal puro se grafica una
curva de enfriamiento, ésta mostrará una línea horizontal en el punto de fusión o
congelamiento.
5.4 Fase intermedia de una aleación o compuesto
Como la razón para hacer referencia a este tipo de fase sólida como fase intermedia de una
aleación será más obvia al estudiar diagramas de fase, resultará más sencillo llamarla en
este punto simplemente compuesto.
5.5 Soluciones sólidas
Una solución sólida es simplemente una en estado sólidoy consta de dos clases de átomos
combiando en un tipo de red espacial.
5.6 Solución sólida sustitucional
En este tipo de solución, los átomos del soluto sustituyen átomos del solvente en la
estrcutura reticular del solvente.
5.7 Soluciones sólidas intersticiales
Éstas se forman cuando átomos de pequeños radios atómicos se acomodan en los
espacios o intersticios de la estructura reticular de los átomos solventes más grandes.
6. DIAGRAMAS DE FASE
6.1 Introducción
Como las propiedades de un material dependen ampliamente del tipo, número,
cantidad y forma de las fases presentes, y pueden cambiarse alterando estas
cantidades, es esencial conocer: a) las condiciones bajo las cuales existen estas fases
y b) las condiciones bajo las cuales ocurrirá un cambio en la fase.
Gran cantidad de información se ha acumulado respecto a los cambios de fase, en
muchos sistemas de aleaciones, y la mejor manera de registrar los datos es por
medio de diagramas de fase, también conocidos como diagramas de equilibrio 0
constitucionales
Para especificar por completo el estado de un sistema en equilibrio, es necesario
especificar tres variables independientes, mismas que pueden controlarse
externamente, a saber: temperatura, presion y composición, Si se supone que la
presión permanece constante con valor atrnosferico, el diagrama de equilibrio
indicara los cambios estructurales debidos a la variación de temperatura y
composición.
6.2 Coordenadas de los diagramas de fase
Por lo general, los diagramas de fase se grafican con la temperatura (en grados centígrados 0
Fahrenheit), como la ordenada y la composición de la aleación (como porcentaje en peso), como la
abscisa. Para ciertas investigaciones científicas, algunas veces es más conveniente expresar la
composición de la aleación en porcentaje atómico. La conversi6n de porcentaje en peso a porcentaje
atómico puede hacerse por medio de las siguientes formulas:
Donde: M = peso atómico del metal A,N = peso atómico del metal B,X = porcentaje en peso del metal A, y Y = porcentaje en peso del metal B.
6.3 Métodos experimentales
Los datos para construir diagramas de equilibrio se determinan experimentalmente
por diversos métodos, entre los cuales los más comunes son:
Análisis térmicos: Con mucho, este es el método experimental que más se emplea,
cuando se hace un diagrama de temperatura contra tiempo, a composición constante,
la curva de enfriamiento resultante. Mostrará un cambio en pendiente cuando ocurre
un cambio de fase a causa de la evolución de calor por el cambio de fase. Este
método -parece ser el mejor para de- curren solo en el estado s6lido, generalmente
comprenden pequeños cambios de calor, y otros métodos dan resultados más
exactos.
Métodos metalográficos: Estos consisten en calentar muestras de una aleaci6n a
diferentes temperaturas, esperando que el equilibrio se establezca, y entonces se
enfrían rápidamente para retener su estructura de alta temperatura. Entonces las
muestras se analizan al microscopio. Es difícil aplicar este método a metales a altas
temperaturas, ya que las muestras enfriadas rápidamente no siempre retienen su
estructura de alta temperatura, y entonces se requiere gran habilidad para interpretar
en forma correcta la microestructura observada. Este método es el más adecuado
para verificar un diagrama.
Difracción de rayos X: Como este método mide las dimensiones de la red, indicara
la aparici6n de una nueva fase, ya sea por el cambio en las dimensiones de la red 0
por la aparici6n de una nueva estructura cristalina. Este método es sencillo, preciso
y muy útil para determinar los cambios en la solubilidad s6lida en relación con la
temperatura.
6.4 Tipo I- dos metales completamente solubles en los estados líquido y sólido
Como los dos metales son completamente solubles en el estado sólido, el único tipo
de fase solida formada será una solución solida sustitucional. Los dos metales
tendrán generalmente el mismo tipo de estructura cristalina y diferirán en sus radios
atómicos en menos del 8%.
El resultado de correr una serie de curvas de enfriamiento para varias
combinaciones 0 aleaciones entre los metales A y B, variando en composición del
100% de A y 0% de B hasta 0% de A y 100% de B, se muestra en la figura 6.1. A fin
de ver la relación que existe entre las curvas de enfriamiento, se han graficado en.
un solo conjunto de ejes; no obstante, el lector debe darse cuenta de que cada curva
de enfriamiento tiene sus propias .coordenadas. En otras palabras, cada curva de
enfriamiento es un experimento separado que se inicia desde el tiempo cero. Las
curvas de enfriamiento para los metales puros A y B muestran s6lo una línea
horizontal, porque el inicio y el fin de la solidificación tienen lugar a una
temperatura constante; sin embargo, como las composiciones intermedias forman
una soIuci6n sólida, estas curvas de enfriamiento muestran dos rompimientos o
cambios en la pendiente.
6.5 Regla I: composición química de las fases
Para determinar la composición química real de las fases de una aleación, .en
equilibrio a cualquier temperatura especifica en una región bifásica, se debe
trazar una línea horizontal para la temperatura, Hamada línea vinculo, a las
fronteras del campo. Estos puntos de intersección se abaten a la línea base y la
composición se lee directamente.
6.6 Regla II: cantidades relativas de cada fase
Para determinar las cantidades relativas de las dos fases en equilibrio, a cualquier
temperatura especifica en una región bifásica, se debe trazar una línea vertical que
representa la .aleación y una línea horizontal (como a cualquier temperatura
especifica en una región bifásica, se debe trazar una línea vertical que representa la
aleación y una línea horizontal (como la, temperatura), a los limites del campo. La
línea vertical dividida a la horizontal en dos partes cuyas longitudes son
inversamente proporcionales a la cantidad de las fases presentes. Esta tambien se
conoce como regia de la palanca. El punto donde la línea vertical interseca a la
horizontal se considerara como el fulcro, o eje de oscilación de un sistema de
palanca. Las longitudes relativas de los brazos de palanca multiplicadas por las
cantidades de las fases presentes deben balancearse.
6.7 Enfriamiento en equilibrio de una aleación de solución sólida
Cuando se alcanza la temperatura menor, T2, la composicion liquida esta en L2 La
inica solucion solida en equilibrio con L2, y por tanto la unica solucion solida que
se forma en T2 es 012, Aplicando la regIa I, (l\2 esta constituida por lOB; en
eonsecuencia, conforme la temperatura disminuye, no solo hace que la composicion
del lfquido sea mas rica en B, sino tarnbien la soluci6n solida, En T2, los crist ales
de •1l'2 se forman rodeando los centros de composieion a" y tambien separan las
dendritas de a2 (fig. 6.6). Para que se establezca el equilibrio en T2, la fase solida
entera debera estar a una composicion a•z. Esto requiere difundir los atomos de B
alcentro rico en A no solo del solido apenas forma do, sino tambien del lfquido.
Estoes posible solo si el enfriamiento es extremadamente lento, de modo que la
difusion pueda If al mismo ritmo que el crecimiento cristalino.
6.8 Difusión
La difusion es esencialmente de naturaleza estadistica, resultando de ~uchos.m~ vimientos
al azar de atomos individuales. Mientras la trayectoria de un atomo individual puede ser en
zigzag e impredecible cuando un mimero de atomos hacen tales movimientos pueden
producir un flujo sistematico.
6.9 Enfriamiento fuera de equilibrio- Origen de la segregación dendrítica
En la practica, es sumamente diffcil enfriar bajo condiciones de equilibrio. Como la
difusion en e1 estado solido se Ueva a cabo a una rapidez muy baja, cabe esperar que con
las rapideces de enfriamiento ordinarias habra alguna diferencia respecto a las condiciones
que se indican en el diagram a de equilibrio.
6.10 Homogeneización
Las estructuras de segregacion dendritica son mas comunes en los metales colados, que no
se han tratado termicamente. Del estudio anterior, referente al origen de estructuras de
segregacion dendritica, es obvio que el ultimo solido formado a 10 largo de las fronteras de
grano y en los espacios interdendriticos es muy rico en metal con el menor punto de fusion.
Dependiendo de las propiedades de este metal con punto mas bajo de fusion, las fronteras
de grana pueden actuar como un plano de debilidad. Tambien causara una seria falta de
uniformidad en 10 que se refiere a las propiedades fisicas y mecanicas y, en algunos casos,
un aumento en la susceptibilidad a la corrosion intergranular debido al ataque preferencial
que ejerceria un medio corrosivo, Por tanto, para algunas aplicaciones, una estructura de
segregacion dendritic a es inconveniente.
6.11 Propiedades de las aleaciones de solución sólida
En general" en un sistema de aleacion que da lugar a una serie continua de soluciones
solidas, la mayoria de los cambios de propiedades son causados por distorsion de la red
cristalina del metal solvente por adiciones del metal soluble.
6.12 Tipo II: Dos metales completamente solubles en el estado líquido y
completamente insolubles en el estado sólido
Desde el punta de vista técnico, dos metales no pueden ser completamente insolubles entre
sin; sin embargo, en algunos casos, la solubilidad es tan restringida que para propositos
practices podrian considerarse como insolubles.
La ley de Raoul establece que el 'punto de congelacion 0 fision de una sustanciaura 10
abatira la adici6n de una segunda sustancia, con tal que esta ultima sea soluble en Ia
sustancia pura cuando la liquida y la insoluble se solidifiquen. La cantidad de abatimiento
del punto de congelacion es proporcional al peso molecular del soluto.
6.13 Propiedades de los sistemas de aleación eutéctica
Esto pareciera indicar que las propiedades ffsicas y mecanicas de un sistema eutectico
tambien deben mostrar una variacion lineal; en la practica, sin embargo, es raro encontrar
este comportamiento ideal. Las propiedades de cualquier aleacion multifasica dependen e
las caracteristicas individuales de las fases y la forma en que estas ultimas se hallan
distribuidas en la microestructura. Esto es particularmente cierto para sistemas de aleacion
eutectica. La resistencia, dureza y ductilidad se relacionan con el tarnafio, mimero,
distribucion y propiedades de los cristales de ambas fases. En muchos sistemas de
aleaciones eutecticas importantes desde el pun to de vista del comercio, una fase es
relativamente debil y plastica, en tanto que la otra es relativamente dura y fragil. Conforme
la composicion eutectica se aproxima del lado de la fase plastica, habra un aumento en 1a
resistencia de la aleacion; por otra parte, habra una disminucion en resistencia mas alla de
la composicion cutectica debida al decremento en Ia cantidad de las pequeñas particulas
eutecticas y al aumento en tamafio y cantidad de la fase proeutectica fragil.
6.14 Endurecido por envejecimiento
Solo hay dos metodos principales para aumentar la resistencia y la dureza de una aleacion
dada: trabajo en frio o tratamiento termico. EI proceso de tratamiento termico mas
importante para aleaciones no ferrosas, es el de endurecido por envejecimiento o por
precipitacion. Para aplicar este tratamiento termico, el diagrama de equilibrio debe mostrar
solubilidad salida parcial, y la pendiente de la Iinea de solvus debe ser tal que haya mayor
solubilidad a una temperatura mayor que a una menor. En la figura 6.24 se satisfacen estas
condiciones. Considerese el lado Izquierdo del diagrama que implica la solucion salida. Las
composiciones de aleacion que pueden endurecerse por envejecimiento generalmente se
escogen entre el punto F, con 20% de B, y el punto H, con 10% de B. Comercialmente, la
mayoria de las aleaciones que se pueden endurecer por envejecimiento se escogen de
composiciones ligeramente a Ia izquierda del punto F, aunque el maximo efecto de
endurecimiento se obtendrfa por una aleacion can 20%de B: La fase disuelta puede ser una
soluci6n salida terminal (como en este caso) una fase intermedia de aleaci6n.
6.15 Tipo IV: La fase intermedia de fusión congruente
Cuando una fase cambia en otra isoterrnicamente (a temperatura constante) y sin ninguna
modificacion en composicion quimica, se dice que es un cambio de [hace congruente 0 una
transformación congruente. Todos los metales puros solidifican congruentemente. Ya se ha
visto un ejemplo de una aleacion de fusion congruente, com,o una variacion de un
diagrarna de fase del tipo I.
6.16 Tipo VI: Dos líquidos parcialmente solubles en el estado líquido: la
reacción monotéctica
La reacción monotectlca en todos los tipos estudiados, se supuso que habra solubilidad
completa en el estado liquido; sin embargo, es posible que sobre cierto intervalo de
composicion se form en dos soluciones liquidas no miscibles entre S1. Solubilidad es un
termino utilizado para la solubilidad. Se dice que las sustancias no solubles entre si, como
el aceite y el agua, son inmiscibles; por otra parte, se dice que las sustancias-parcialmente
solubles entre sf muestran un intervalo de miscibilidad, 10 cual constituye el tipo VI.
6.17 Interrelación de tipos básicos
Los diversos tipos de diagramas de equilibrio examinados pueden combinarse de muchas
maneras para formar diagramas relación. Es importante que el lector entienda la
interrelacion que existe entre los tipos basicos, para hacer mucho mas simple el estudio de
los diagramas complejos.
6.18 Alotropía
El hierro, el estafio, el manganese y el cobalto son ejemplos de metales que tienen esta
propiedad, conocida como alotropia. En un diagrama de equilibrio, este cambio alotropico
se indica por un punto 0 puntos en la linea vertical que represente el metal puro.
6.19 La reacción eutectoide
Esta es una reaccion comun en el estado solido, muy semejante a la reaccion eutectica, pero
no incluye at liquido. En este caso, una fase solida se transforrria, al enfriarse, en dos fases
solidas nuevas. La ecuacion general puede escribirse como enfriamiento.
6.20 La reacción peritectoide
Esta es una reaccion medianamente comiin en el estado solido y aparece en muchos
sistemas de aleacion.
6.21 Diagramas complejos
Algunos de los diagramas de equilibrio estudiados son los tipos simples los diagrarnas
de equilibrio reales. Muchos sistemas de aleacion tienen diagramas que muestran mas
de un tipo de reaccion y suelen ser mas complejos que los tipos simples; sin embargo
aun los diagramas mas complejos muestra principalmente las reacciones que se han
cubierto.
7. DIAGRAMA DE EQUILIBRIO HIERRO-CARBURO DE HIERRO
7.1 Introducción
El hierro es un constituyente fundamental de algunas de las mas importantes aleaciones de
la Ingenieria. En una forma casi pura, conocida como hierro dulce, se utiliza en alcantarillas
para drenaje, material para techos y conductos, y como base para sobre el esmaltar
porcelana en refrigeradores, estufas, lavadoras, etc.
Un analisis tipico para el hierro dulce es:
Carbono
manganeso
fosforo
azufre
silicio
Las propiedades mecanicas tipicas del hierro dulce son:
Resistencia tensil
Elongaci6n en 2 pulg.
Dureza Rockwell B
7.2 Propiedades y aplicaciones del hierro forjado
EI hierro forjado de calidad se distingue por su bajo contenido de carbono y manganeso. EI
contenido de carbono esta generalmente por debajo del 0.08% y el de manganese por
debajo del 06%. El contenido de fosforo es generalmente mayor que el del acero y vana de
D.05 a 0.160%. El contenido de azufre se mantiene bajo, y el de silicio de 0.10 a D.20%
esta concentrado casi por entero en la escoria. EI contenido de escoria suele variar
aproximadamente de 1 a 3% por peso.
Un analisis quimico tipico de hierro forjado es:
Porcentaje
Carbono 0.06
Manganeso 0.045
Silicio 0.101
Fosforo 0.068
Azufre 0.009
Escoria, por peso 1.97
7.3 Diagrama hierro- carburo de hierro
La temperatura a que tienen lugar los cambios alotropicos en el hierro esta inftuida por
elementos de aleacion, de los cuales el mas importante es el carbono. La figura 7.5 muestra
la porcion de interes del sistema de aleacion hierro-carbono. Esta es la parte entre hierro
puro y un compuesto intersticial, carburo de hierro, Pe;,C, que contiene 6.67% de carbono
por peso; por tanto, esta porcion se llamara diagrarna de equilibrio hierro-carburo de hierro.
Antes de estudiar este diagrama, es importante que el lector entienda que este no es un
verdadero diagrama de equilibrio, pues equilibrio implica que no. hay cambio de fase con el
tiempo; sin embargo, es un hecho que el compuesto carburo de hierro se descornpondra en
hierro y carbono (grafito), 10 cual tornara un tiempo muy largo a temperatura ambiente, y
aun a 1 3000P tarda varios aries formar el grafito. El carburo de hierro se llama fase
metaestable; por tanto, el diagrania hierro-carburo de hierro, aunque tecnicarnente
representa condiciones metaestables, puede considerarse como representante de cambios en
equilibrio, bajo condiciones de calentamiento y enfriamiento relativamente lentos.
El diagrama muestra tres lineas horizontales que indican reacciones isoterrnicas.
En terrninos generales, la figura 7.5 se ha marcado con letras griegas para representar las
soluciones solidas; sin embargo, es practica como dar nombres especiales a la mayoria de
las estructuras que aparecen en el diagrama. La solucion solida se llama austenita. La figura
7.6 muestra ampliada la porcion del diagrama de la esquina superior izquierda. Esta se
conoce como region delta, debido a la solucion solida 8. El lector debe reconocer Ia linea
horizontal a 2 720°F, por ser una reaccion peritectica, La ecuacion de la reaccion peritectica
se puede escribir como:
calentamiento
enfriamiento
austenitaLiquido + 0
7.4 Definición de estructuras
7.5 Solubilidad de carbono en hierro
La austenita, que es f.c.c. con cuatro atomos por celda unitaria, representa un
empaquetamiento de atomos mucho mas denso que la ferrita, que es b.c.c. con dos atomos
por celda unitaria. Esto se muestra por la expansion que tiene Iugar cuando la austenita
cambia a ferrita en enfriamiento lento. Si se supone que los atomos de hierro son esferas, es
posible, de las dimensiones reticulares y suponiendo que la distancia de mayor
aproximacion es igual al diametro atomico, calcular la cantidad de espacio vacio en ambas
estructuras cristalinas. El calculo muestra que el porcentaje de espacio sin llenar en Ia red
f.c.c. es del 25% y en la red b.c.c. es del 32%.
7.6 Enfriamiento lento del acero
La porcion de acero del diagrama hierrocarburo de' hierro reviste un interes maximo. Aqui
se estudiaran los diversos cambios que tienen lugar durante el enfriarniento muy lento, del
intervalo de austenita, de varios aceros. En el capitulo 11 se analizaran las aleaciones que
contienen mas del 2 % de carbono.
7.7 Líneas de temperatura crítica
La figura 7.10 muestra las lineas de temperatura critica superior e inferior como lineas
sencillas en condiciones de equilibrio y algunas veces se indican como Aleg, Ae1, etc.
Cuando las Iineas criticas realmente se determinan, se encuentra que no cicurren a la misma
temperatura. La linea critica en calentamiento es siempre mayor que la linea critica en
enfriamiento.
7.8 Clasificación del acero
Para c1asificar el acero se pueden utilizar varios metodos:
Metodo de manufactura
Este da lugat al acero bessemer, de hogar abierto, de horno abierto, de homo electrico, de
crisol, etc.
Uso Generalmente se refiere al uso final que se le dara al acero, como acero para maquinas,
para resortes, para calderas, estructural o acero para herramientas.
Composición quimica
Este metodo indica, por medio de un sistema numerico, el contenido aproximado de los
elementos importantes en el acero. Es el metodo de clasificacion mas conocido, el cual se
estudiara con mayor detalle.
Las especificaciones para los aceros representan los resultados del esfuerzo con
junto de la American Iron and Steel Institute (AISI) y de la Society of Automotive
Engineers (SAE) en un prograrna de simplificaciori destinado a lograr mayor efi
ciencia para satisfacer las necesidades de acero de la industria de los Estados Unidos.
7.9 Efecto de pequeñas cantidades de otros elementos
En el analisis previo del uiagrarna de equilibrio hierro-carburo de hierro, se supuso que s6lo
estaban presentes el hierro y el carburo de hierro; sin embargo, 1a tabla 7.3 indica que los
aceros comerciales al carbono contienen pequefias cantidades de otros elementos, ademas
de hierro y carbono, como parte de la composici6n normal.
Azufre En los aceros comerciales, el azufre general mente se mantiene por debajo del 0.05
%. Este metaloide se eombina con el hierro para formar sulfuro de hierro (FeS), el cual
forma, a su vez, una aleaci6n eutectica de bajo punto de fusi6n, con hierro que tiende a
coneentrarse en las fronteras de grano. Cuando el acero se forja lamina a altas temperaturas,
se haee fragil, debido a Ia fusi6n del eutectico sulfuro de hierro que destruye la cohesi6n
entre los granos, permitiendo que se desarrollen grietas. En presencia de manganeso, el
azufre tiende a formar sulfuro de manganeso (MnS) en vez de sulfuro de hierro. El sulfuro
de manganeso puede salir en la escoria o permanecer como inclusiones bien distribuidas
por toda la estructura.
Se recomienda que la cantidad de manganeso sea de dos a ocho veces la cantidad de
azufre..En los aeeros de maquinado libre, el contenido de azufre aumenta entre 0.08 y 0.35
El mejoramiento en maquinabilidad se debe a la presencia de inclusiones sulfurosas mas
nurnerosas que hacen pedazos las rebabas, reduciendo de esta manera el desgaste de la
herramienta.
8. EL TRATAMIENTO TÉRMICO DEL ACERO
8.1 Introducción
La definición de tratamiento termico dada en el Metals Handbook es.: "Una combinaci6n
de operaciones de calentamiento y enfriamiento, de tiempos determinados y aplicadas a un
metal 0 aleaci6n en el estado s6lido en una. Forma tal que producira propiedades deseadas."
Todos los procesos basicos de tratamientos termicos para aceros inc1uyen la
transformaci6n o descomposici6n de la austenita.
La naturaleza y la apariencia de estos productos de transformaci6n determinan las
propiedades fisicas y mecanicas de cualquier acero.
8.2 Recocido total
Este proceso consiste en calentar el acero a la temperatura adecuada y luego enfriar
lentamente a 10 largo del intervalo de transformacion, preferentemente en el homo en
cualquier material que sea buen aislante al calor. Por lo general, el enfriamiento lento
continua a temperaturas mas bajas.
EI proposito del recocido puede ser refinar el grano, proporcionar suavidad, mejorar las
propiedades electricas y magneticas y, en algunos casas, mejorar el maquinado.
8.3 Esferoidización
La estructura esferoidizada es deseable cuando es importante una minima dureza, una
maxima ductilidad 0 una maxima maquinabilidad en aceros a1 alto carbono. Los aceros al
bajo carbono rara vez se esferoidizan por maquinado, porque en la condicion esferoidizada
son excesivamente suaves y "gomosos". La cortadura tendera a empujar e1 material en vez
de cortarlo, provocando excesivo calor y deterioro en la punta de la herramienta de corte.
8.4 Recocido para eliminación de esfuerzos
Para eliminar esfuerzos residuales debidos a un fuerte maquinado u otros procesos de
trabajo en frio. Generalmente se lleva acabo a temperaturas por debajo de la linea critica
inferior (1 000 a 1 2000P).
8.5 Recocido de proceso
Este tratamiento termico se utiliza en las industrias de la lamina y alarnbfc y se lleva a cabo
al ca1entar el acero a una temperatura por debajo de la linea critica inferior (1 000 a 1
2500P). Se aplica despues del trabajado en frio y suaviza el acero, mediante
recristalizacion, para un trabajado ulterior; es muy parecido al recocido para elirninacion de
esfuerzos.
8.6 Normalización
La norrnalizacion del acero se lleva a caboLillcalentar aproximadamente lOO°F por encima
de la linea de temperatura critica superior ,(A 0 Acm) seguida por un enfriamiento en aire
quieto hasta la temperatura arnbiente. La figura 8.3 muestra el intervalo de temperatura
para norrnalizacion. El proposito de la normalizacion es producir un acero mas duro y mas
fuerte que el obtenido por recocido total, de manera que ,para algunas aplicaciones la
norrnalizacion pueda ser un tratamiento terrnico final. Por lo tanto, para aceros
hipereutectoides, es necesario calentar por encima de la linea A em a fin de disolver la red
de cementita. La normalizacion tambien puede utilizarse para mejorar la maquinabilidad,
modificar y refinar las estructuras dcndriticas de piezas de fundicion, y refinar el grana y
homogeneizar la microestructura para mejorar la respuesta en las operaciones de
endurecimiento.
8.7 Endurecimiento
Bajo rapideces de enfriamiento lentas o moderadas, los atomos de carbono pueden
difundirse hacia afuera de la estructura de austenita. De este modo, los atomos de hierro se
mueven ligeramente para llegar a ser b.c.c. (cubicos centrados en el cuerpo). Esta
transforrnacion gamma-alfa tiene lugar mediante un proceso de nucleacion y crecimiento y
depende del tiempo. Con un aumento adicional en la rapidez de enfriamiento, no hay
tiempo suficiente para que el carbono se difunda de la solucion y, aunque tiene lugar algun
movimiento de los atomos de hierro, la estructura no puede llegar a ser b.c.c., ya que el
carbono esta atrapado en la solucion, la estructura resultante, llamada martensita, es una
solucion solida sobre saturada de carbono atrapado en una estructura tetragonal centrada en
el cuerpo.
8.8 Diagrama de transformación isotérmica
Muchos metalurgistas se dieron cuenta de que el tiempo y la temperatura de la
transformacion de austenita tenian una profunda influencia en los productos de
transformacion y las subsecuentes propiedades del acero; sin embargo, a esto no se le dio
base cientifica hasta que E. S. Davenport y E. C. Bain publicaron su obra (Trans. A/ME,
vol. 90, pag, 117, 1930) sobre el-estudio de la transformacion de austenita a temperatura
constante subcritica. Como la austenita es inestable por debajo de la temperatura critica
inferior a Ae1, es necesario saber cuanto tiempo necesitara para empezar a transforrnarse a
una temperatura subcritica especifica, cuanto tiempo precisara para estar completamente
transformada y. cual sera la naturaleza del producto de transformacion. La mejor forma
de.entender los diagramas de transforrnacion isotermica es estudiar su desviacion. La
cornposicion eutectoide de 0.8% de carbono es la mas simple de estudiar, ya que no hay
constituyente proeutectoide presente en la microestructura.
8.9 Curvas de enfriamiento y el diagrama T-I
8.10 Transformación a enfriamiento continuo
8.11 Endurecimiento o temperatura de austenización
La temperatura de austenizacion recomendada para los aceros hipoeutectoides es de unos
50°F por arriba de la Iinea de temperatura crftica superior (A3); o sea, es la misma que la
temperatura de recocido recomendada•. A cualquier temperatura por debajo de la linea A3
habra alguna ferrita proeutectoide presente que se mantendra despues del temple y dara
lugar a areas blandas y a menor grado de dureza.
Para aceros hipereuteetoides al carbono puro, la temperatura de austenizacion recomendada
suele estar entre las lineas Acm y Ag, I' (fig. 8.3); por tanto, los carburos no disueltos
tenderan a estar presentes en la microestructura a la temperatura ambiente.
La figura 8.34 rnuestra la microestructura de un acero hipereutectoide, templado en aceite
desde un punto entre las lineas Acm y A3,1' Notense las pequefias y blancas esferoides de
carburo sin disolver, claramente visibles en las areas oscuras y finas de perlita; son mucho
mas dificiles de ver en la clara matriz rnartensitica.
8.12 Homogeneidad de la austenita
Esta se refiere a 1a uniformidad en el contenido de carbona de los granos de austenita. Si un
acero hipoeutectoide se calienta para endurecerlo, cuando la linea A 1 se cruza, los granos
de austenita formados de la perlita. contendran 0.8% de carbono. Al continuar el
calentamiento, los granos de austenita formados de ferrita proeutectoide contendran muy
poco carbono, de manera que cuando se eruza la linea A:1 los granos de austenita no seran
uniformes en contenido de carbono.
8.13 Mecanismo de eliminación de calor durante el temple
La estructura, dureza y resistencia result antes de una operacion de tratamiento termico se
determinan por la rapidez de enfriamiento real obtenida del proceso de temple. Si la rapidez
de enfriamiento real excede a la rapidez critica de enfriamiento, solo se obtendra
martensita; si la rapidez real de enfriamiento es menor.que la rapidez critica de
enfriamiento, la pieza no endurecera completamente. A mayor diferencia entre las dos
rapideces de enfriamiento, los producto de transforrmacion y la dureza menor. En este
punto, es necesano entender el mecamsmo de eliminacion de calor durante el temple.
8.14 Medio de temple
Esto es particularmente cierto en agua y salmuera; sin embargo, las cantidades para la Gulf
super-quench en la tabla 8.2 muestran un incremento en la rapidez de enfriamiento, con un
aumento en la temperatura del medio, lo cual parece contra star con la proposicion anterior.
8.15 Temperatura del medio de temple
Las rapideces optimas de enfriamiento se obtienen con aceites. templados convencionales
en banos a temperaturas entre 120 y 150°F. Para un aumento de temperatura en el medio
durante el temple, siempre es necesan proporcionar suficiente volumen del medio. En
algunos casos, se insertan temple de enfriamiento en el tanque de temple, para controlar la
temperatura del medio.
8.16 Condición superficial
Cuando el acero se expone a una atmosfera de oxidacion, debido a la presencia de vapor de
agua o de oxigeno en el homo, se forma una capa de oxide de hierro, lIamada escama. Los
experimentos han mostrado que una delgada capa de escama tiene muy poco efecto en la
rapidez real de enfriamiento, pero que una gruesa capa de escama (de 0.005 pulg de
profundidad) retarda la rapidez real de enfriamiento (ver fig. 8.39). Partes de la escarna
tambien tienden a pelar la superficie cuando la pieza se transfiere del homo al tanque de
temple dando lugar asf a una variacion en la rapidez de enfriamiento en diferentes puntos
de la superficie.
8.17 Templabilidad
Aunque la templabilidad generalmente se expresa en terminos de cambios de dureza, los
cambios en microestructura, re6ejados por aquellos valores de dureza, son de importancia
en las propiedades del acero. En general, los elementos de aleacion aumentan la
templabilidad, retardando la transformacion en las regiones de perlita y de. bainita, y
permitiendo de este modo que se forme martensita con rapideces de enfriamiento menores.
8.18 Empleo de los datos de templabilidad
Para seleccionar un acero a fin de encontrar una dureza minima en cierto punto en una
pieza templada nbajo condiciones dadas, primero debe conocerse la rapidez de enfriamiento
en el punto especifico y luego debe determinarse el punta de referencia en : el extrema
templado de la barra de prueba, teniendo la miisma rapidez de enfriamiento.
8.19 Revenido
En la condicion martensitica sin tratamiento terrnico ulterior, el acero es demasiado fragil
para la mayoria de las aplieaciones. La forrnacion de martensita origina grandes tensiones
residuales en el acero; por tanto, el endurecimiento easi siempre sigue de un tratamiento de
revenido, el eual consiste en calentar el acero a alguna temperatura menor que la inferior
critica, El proposito del revenido es liberar los esfuerzos residuales y mejorar la ductilidad
y tenacidad de acero. Este aumento en ductilidad general mente se obtiene a costa de la
dureza o de la resistencia.
8.20 Carburización
8.21 Tratamiento térmico después de la carburización
Como el acero se carburiza en la region de austenita, el ternplado directo desde la
temperatura de carburizacion endurecera tanto la parte externa como la intern a si la rapidez
de enfriamiento es mayor' que Ia rapidez critica de enfriamiento. EI tempIado directo de los
aceros de grano grueso suele dar lugar a Iragilidad y distorsion, de manera que este
tratamiento solo debe aplicarse a aceros de grano fino. Los aceros aleados rara vez se
utilizan en la condicion de tempiado sin tratamiento terrnico ulterior, debido a la gran
cantidad de austenita retenida en la parte superficial endurecida. La figura 8.74 muestra una
representacion diagramatica de varios tratamientos de endurecimiento para aceros
carburizados, junto con las propiedades de la superficie externa endurecida y el centro de la
pieza.
8.22 Nitruración
Este es un proeeso para endurecimiento superficial de aceros aleados en una atmosfera
constituida por una mezcIa en proporciones adecuadas de gas amoniaco y amoniaco
disociado. La efectividad del proceso depende de la formacion de nitruros en el acero por la
reaccion de nitrogeno con ciertos elementos de aleacion. Aunque, a temperaturas adecuadas
y con la atmosfera apropiada, todos los aeeros son capaces de forrnar nitruros de hierro, los
mejores resultados se obtienen en aquellos aceros que contienen uno o mas de los
principales elementos de aleacion que forman el nitruro. Estos elementos son aluminio,
crpmo y molibdeno. El nitrogeno debe proporcionarse en la forma atomica o naciente, en
tanto que el nitrogeno molecular no reaccionara,.
8.23 Endurecimiento por llama
Los dos metodos restantes, el de endurecimiento o por Barna y el de endurecimiento por
induccion, no carnbian la composici6n quinica del acero; mas bien, son metodos de
endurecimiento de poca profundidad. Las ireas seleccionadas de la superficie de un acero se
calientan en el intervalo de' austenita y luego se tempi an para forrnar martensita; por tanto,
es necesario empezar .on un acero que pueda endurecerse. Generalmente, este se halla en el
intervalo de ).30 a 0.60% de carbono.
En el enduredmiento por llama, el calor puedc aplicarse mediante un soplete de ixiacetileno
(mica, como se ve en la figura 8.80, 0 puede formar parte de un aparato elaborado, el cual
autornaticarnente caliente, temple y coloque las piezas.
8.24 Endurecimiento por inducción
Este proceso depende, para su operacion de calentamiento localizado que producen las
corrientes inducidas en un metal bajo .la accron de un campo magnetico rapidarnente
cambiante.
8.25 Aceros al carbono endurecibles o templables
Los aceros al alto carbone (superiores al 0.55% de carbono) estan mas restringidos en sus
aplicaciones, ya que es mas alto el costo de fabricaci6n y tienen una reducida
maquinabilidad, la capacidad de Iormado y la capacidad de soldado, en comparacion con
los aceros al medio carbono. Tambien son mas fragiles en Ia condid6n .de tratados
termicamente. Los aceros con mayor contenido de carbone como 1 070 a 1 095,
SOnespecialmente adecuados para resortes, en que se requiere la resistencia a 18 fatiga y a
la deformaci6n permanentes, La mayoria de las piezas hechas de aceros de este grupo se
endurecen por templado convencional, El ternplado en agua se utiliza para grandes
secciones fabricadas con aceros con menor contenido de carbone y para files de corte,
mientras que eI tempIado en aceite tiene un empleo general. EI austenizado y el templado
interrumpido (rnartenizado) a menudo se utilizan satisfactoriamente para aprovechar Ia
reducci6n considerable en distorsiony, en algunos casos, Ia mayor tenacidad con un alto
grado de dureza que se logran.
