I)La metalurgia física es la parte de la metalurgia que estudia las propiedades de los metales con relación a su estructura.

Una solución sólida es una solución en estado sólido de uno o más solutos en un solvente. Tal mezcla es considerada una solución en lugar de un compuesto siempre que la estructura cristalina del disolvente permanezca sin cambios al ser sustituidos sus átomos por los átomos de los solutos y además la mezcla permanezca homogénea.

Planos cristalinos se denominan planos cristalinos a aquellos planos geométricos que contienen puntos de la red. La posición y orientación de los planos de un cristal se determina por tres puntos del plano que no sean colineales. Si cada uno de los puntos pertenece a un eje del cristal, puede especificarse el plano dando las posiciones de los puntos a lo largo de los respectivos ejes en función de las constantes de la red.

Polimorfismo en ciencia de materiales y en mineralogía, capacidad de un material sólido de existir en más de una forma o estructura cristalina, todas ellas con la misma composición de elementos químicos. Por ejemplo, el diamante y el grafito son polimorfos del carbono. La α-ferrita, la austenita y la δ-ferrita son polimorfos del hierro. Cuando esta propiedad se da en compuestos formados por un único elemento se denomina también alotropía.

La velocidad de reacción para un reactivo en una reacción química en particular está definida intuitivamente como cuán rápido sucede una reacción. Por ejemplo, la oxidación del hierro bajo condiciones atmosféricas es una reacción lenta que puede tomar muchos años,1 pero la combustión del butano en un fuego es una reacción que sucede en fracciones de segundo.

Imperfecciones en cristales

Defectos puntuales (Imperfección cero dimensional). Son defectos que se presentan estructuralmente a nivel atómico en sistemas cristalinos reales. Existen dos tipos de defectos puntuales: vacante e intersticial.

La vacante es un sitio desocupado por átomo dentro de la estructura del cristal.

El intersticial es un átomo extra insertado en la estructura ideal del cristal haciendo que dos átomos ocupen un lugar cercano al de uno solo en la estructura perfecta del cristal. Los defectos puntuales ocurren como resultado de la vibración térmica de toda la estructura atómica del cristal. Al aumentar la temperatura aumenta la intensidad de esta vibración y se incrementa la probabilidad de desorganización estructural.

Defectos Lineales o dislocaciones (imperfección unidimimencional). La red cristalina se distorsiona alrededor de una línea. Las imperfecciones unidimensionales están asociadas con deformaciones mecánicas. El defecto lineal generalmente es designado con una “T invertida”. Las dislocaciones pueden ser de tipo helicoidal (de tornillo) o de borde, así como combinaciones mixtas de ambas. Se cuantifican por medio del vector de burgers b que indica la presencia de una dislocación en el cristal.

Defectos planares. También se les conoce como bordes de grano. Son imperfecciones en la superficie que separan los granos de diferentes orientaciones en materiales policristalinos. Es una región de átomos mal distribuidos entre granos adyacentes.

En los metales los límites de grano se crean durante la solidificación cuando los cristales formados a partir de diferentes núcleos crecen simultáneamente y se encuentran unos con otros.

El borde de grano es una región estrecha. El empaquetamiento atómico de los bordes de grano es algo menor que dentro de los granos.

Los sólidos deformables difieren unos de otros en su ecuación constitutiva. Según sea la ecuación constitutiva que relaciona las magnitudes mecánicas y termodinámicas relevantes del sólido, se tiene la siguiente clasificación para el comportamiento de sólidos deformables:

Comportamiento elástico, se da cuando un sólido se deforma adquiriendo mayor energía potencial elástica y, por tanto, aumentando su energía interna sin que se produzcan transformaciones termodinámicas irreversibles. La característica más importante del comportamiento elástico es que es reversible: si se suprimen las fuerzas que provocan la deformación el sólido vuelve al estado inicial de antes de aplicación de las cargas. Dentro del comportamiento elástico hay varios subtipos:

Elástico lineal isótropo, como el de la mayoría de metales no deformados en frío bajo pequeñas deformaciones.

Elástico lineal no-isótropo, la madera es material ortotrópico que es un caso particular de no-isotropía.

Elástico no-lineal, ejemplos de estos materiales elásticos no lineales son la goma, el caucho y el hule, también el hormigón o concreto para esfuerzos de compresión pequeños se comporta de manera no-lineal y aproximadamente elástica.

Comportamiento plástico aquí existe irreversibilidad aunque se retiren las fuerzas bajo las cuales se produjeron deformaciones elásticas, el sólido no vuelve exactamente al estado termodinámico y de deformación que tenía antes de la aplicación de las mismas. A su vez los subtipos son:

Plástico puro, cuando el material "fluye" libremente a partir de un cierto valor de tensión.

Plástico con endurecimiento, cuando para que el material acumule deformación plástica es necesario ir aumentando la tensión.

Plástico con ablandamiento.

Comportamiento viscoso que se produce cuando la velocidad de deformación entra en la ecuación constitutiva, típicamente para deformar con mayor velocidad de deformación es necesario aplicar más tensión que para obtener la misma deformación con menor velocidad de deformación pero aplicada más tiempo. Aquí se pueden distinguir los siguientes modelos:

Visco-elástico, en que las deformaciones elásticas son reversibles. Para velocidades de deformaciones arbitrariamente pequeñas este modelo tiende a un modelo de comportamiento elástico.

Visco-plástico, que incluye tanto el desfasaje entre tensión y deformación por efecto de la viscosidad como la posible aparición de deformaciones plásticas irreversibles.

Transformación de fase. Cambio en la naturaleza de la fase o en el número de fases como el resultado de la variación de condiciones impuestas desde el exterior tales como temperatura presión campos eléctricos magnéticos tensiones radiación etc.

El conocimiento de las fases presentes en una aleación en determinadas condiciones es de gran importancia tecnológica porque muchas propiedades pueden así ser previstas antes del posible uso del material teniendo en cuenta su constitución.

Si la aleación se encuentra en el estado de equilibrio estable, tal el de menor energía libre, el instrumento más corrientemente usado para este conocimiento es el denominado ‘diagrama de fases’.

Muchas veces el sistema constituido por la aleación no se encuentra en el estado de equilibrio estable sino en otros, metaestables, que son dependientes de la historia a la que ha sido sometido el material durante un dado procesamiento. En estos casos, en la conformación de la microestructura, intervienen además fenómenos cinéticos relacionados con las velocidades de los cambios o transformaciones.

Zona de inmisibilidad. Sean a y b dos sustancias miscibles en todas proporciones en la fase liquida y completamente inmiscibles en fase sólida. La mezcla de cantidades arbitrarias de los líquidos a y b originan un sistema monofasico que es una disolución de a y b. como los sólidos a y b son completamente insolubles entre si, en enfriamiento de la disolución liquida de a y b ocasiona que a o b se congelen abandonando la disolución, en un diagrama de fases la parte en la que no puede existir miscibilidad se denomina zona de inmiscibilidad.

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

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

Crecimiento del grano. Crecimiento del grano refiere al aumento de tamaño de granos (cristales) en un material en la temperatura alta. Esto ocurre cuando recuperación y recristalización sea completo y la reducción adicional en la energía interna puede ser alcanzada solamente reduciendo el área total del límite de grano. El término es de uso general en metalurgia pero también se utiliza en referencia a la cerámica y a los minerales.

El crecimiento del grano ha sido estudiado de largo sobre todo por la examinación de seccionado, pulida y grabado al agua fuerte muestras debajo del óptico microscopio. Aunque tales métodos permitieron la colección de evidencia empírica mucha, particular con respecto a factores por ejemplo temperatura o composición, la carencia de la información cristalográfica limitó el desarrollo de una comprensión de la fundamental física. Sin embargo, lo que sigue se convirtió en características establecidas del crecimiento del grano:

1. El crecimiento del grano ocurre al lado del movimiento de los límites de grano y no por coalesence (es decir como gotas de agua) 2. El movimiento del límite es discontinuo y la dirección del movimiento puede cambiar repentinamente. 3. Un grano puede crecer en un grano mientras que siendo consumido del otro lado. 4. El índice de la consumición aumenta a menudo cuando el grano casi e consume.5. Un límite curvado emigra típicamente hacia su centro de la curvatura

6. Cuando los límites de grano en una monofásico satisfacen a los ángulos con excepción de 120 grados, el grano incluido por el ángulo más agudo será consumido de modo que los ángulos acerquen a 120 grados.

El crecimiento ideal del grano es un caso especial del crecimiento normal del grano donde el movimiento del límite es conducido solamente por la reducción de la cantidad total de energía de la superficie del límite de grano. Contribuciones adicionales a la fuerza impulsora por ejemplo se descuidan las tensiones o los gradientes elásticos de la temperatura.

Tipos de aceros (fases de sistema hierro carbono)   En las aleaciones Fe-C pueden encontrarse hasta once constituyentes diferentes, que se denominan: ferrita, cementita, perlita, austenita, martensita, troostita sorbita, bainita, ledeburita, steadita y grafito. Ferrita aunque la ferrita es en realidad una solución sólida de carbono en hierro alfa, su solubilidad a la temperatura ambiente es tan pequeña que no llega a disolver ni un 0.008% de C. Es por esto que prácticamente se considera la ferrita como hierro alfa puro. La ferrita es el más blando y dúctil constituyente de los aceros. Cristaliza en una estructura BCC. Tiene una dureza de 95 Vickers, y una resistencia a la rotura de 28 Kg/mm2, llegando a un alargamiento del 35 al 40%. Además de todas estas características, presenta propiedades magnéticas. En los aceros aleados, la ferrita suele contener Ni, Mn, Cu, Si, Al en disolución sólida sustitucional. Al microscopio aparece como granos monofásicos, con límites de grano más irregulares que la austenita. El motivo de esto es que la ferrita se ha formado en una transformación en estado sólido, mientras que la austenita, procede de la solidificación. La ferrita en la naturaleza aparece como elemento proeutectoide que acompaña a la perlita en:Cristales mezclados con los de perlita (0.55% C)Formando una red o malla que limita los granos de perlita (0.55% a 0.85% de C)Formando agujas en dirección de los planos cristalográficos de la austenita. Cementita es carburo de hierro y por tanto su composición es de 6.67% de C y 93.33% de Fe en peso. Es el constituyente más duro y frágil de los aceros, alcanzando una dureza de 960 Vickers. Cristaliza formando un paralelepípedo ortorrómbico de gran tamaño. Es magnética hasta los 210ºC, temperatura a partir de la cual pierde sus propiedades magnéticas. Aparece como:  Cementita proeutectoide, en aceros hipereutectoides, formando un red que envuelve a los granos perlíticos.Componente de la perlita laminar.Componente de los glóbulos en perlita laminar. Cementita alargada (terciaria) en las uniones de los granos (0.25% de C)  Perlita es un constituyente compuesto por el 86.5% de ferrita y el 13.5% de cementita, es decir, hay 6.4 partes de ferrita y 1 de cementita. La perlita tiene una dureza de aproximadamente 200 Vickers, con una resistencia a la rotura de 80 Kg/mm2 y un alargamiento del 15%. Cada grano de perlita está formado por láminas o placas alternadas de cementita y ferrita. Esta estructura laminar se observa en la perlita formada por enfriamiento muy lento. Si el enfriamiento es muy brusco, la estructura es más borrosa y se denomina perlita sorbítica. Si la perlita laminar se calienta durante algún tiempo a una temperatura inferior a la crítica (723 ºC), la cementita adopta la forma de glóbulos incrustados en la masa de ferrita, recibiendo entonces la denominación de perlita globular.

Austenita este es el constituyente más denso de los aceros, y está formado por la solución sólida, por inserción, de carbono en hierro gamma. La proporción de C disuelto varía desde el 0 al 1.76%, correspondiendo este último porcentaje de máxima

solubilidad a la temperatura de 1130 ºC. La austenita en los aceros al carbono, es decir, si ningún otro elemento aleado, empieza a formarse a la temperatura de 723ºC. También puede obtenerse una estructura austenítica en los aceros a temperatura ambiente, enfriando muy rápidamente una probeta de acero de alto contenido de C a partir de una temperatura por encima de la crítica, pero este tipo de austenita no es estable, y con el tiempo se transforma en ferrita y perlita o bien cementita y perlita.Excepcionalmente, hay algunos aceros al cromo-niquel denominados austeníticos, cuya estructura es austenítica a la temperatura ambiente. La austenita está formada por cristales cúbicos de hierro gamma con los átomos de carbono intercalados en las aristas y en el centro. La austenita tiene una dureza de 305 Vickers, una resistencia de 100 Kg/mm2 y un alargamiento de un 30 %. No presenta propiedades magnéticas.  Martensita bajo velocidades de enfriamiento bajas o moderadas, los átomos de C pueden difundirse hacía afuera de la estructura austenítica. De este modo, los átomos de Fe se mueven ligeramente para convertir su estructura en una tipo BCC. Esta transformación gamma-alfa tiene lugar mediante un proceso de nucleación y crecimiento dependiente del tiempo (si aumentamos la velocidad de enfriamiento no habrá tiempo suficiente para que el carbono se difunda en la solución y, aunque tiene lugar algún movimiento local de los átomos de Fe, la estructura resultante no podrá llagar a ser BCC, ya que el carbono está “atrapado” en la solución). La estructura resultante denominada martensita, es una solución sólida sobresaturada de carbono atrapado en una estructura tetragonal centrada en el cuerpo. Esta estructura reticular altamente distorsionada es la principal razón para la alta dureza de la martensita, ya que como los átomos en la martensita están empaquetados con una densidad menor que en la austenita, entonces durante la transformación (que nos lleva a la martensita) ocurre una expansión que produce altos esfuerzos localizados que dan como resultado la deformación plástica de la matriz.Después de la cementita es el constituyente más duro de los aceros. La martensita se presenta en forma de agujas y cristaliza en la red tetragonal. La proporción de carbono en la martensita no es constante, sino que varía hasta un máximo de 0.89% aumentando su dureza, resistencia mecánica y fragilidad con el contenido de carbono. Su dureza está en torno a 540 Vickers, y su resistencia mecánica varía de 175 a 250 Kg/mm2 y su alargamiento es del orden del 2.5 al 0.5%. Además es magnética. Bainita se forma la bainita en la transformación isoterma de la austenita, en un rango de temperaturas de 250 a 550ºC. El proceso consiste en enfriar rápidamente la austenita hasta una temperatura constante, manteniéndose dicha temperatura hasta la transformación total de la austenita en bainita. Ledeburita no es un constituyente de los aceros, sino de las fundiciones. Se encuentra en las aleaciones Fe-C cuando el porcentaje de carbono en hierro aleado es superior al 25%, es decir, un contenido total de 1.76% de carbono. La ledeburita se forma al enfriar una fundición líquida de carbono (de composición alrededor del 4.3% de C) desde 1130ºC, siendo estable hasta 723ºC, decomponiéndose a partir de esta temperatura en ferrita y cementita.

II)

El ensayo normal a la tensión se emplea para obtener varias características y resistencias que son útiles en el diseño.

Esfuerzo: Relación interna de los materiales cuando son sometidos a cargas. Generalmente se expresa en intensidad de fuerza, es decir la fuerza por unidad de área, se denota con la letra griega sDeformación: Deformación debida a un esfuerzo aplicado, se denota con la letra griega e. se define como el cambio de longitud por unidad de

longitud

Módulo elasticidad: o módulo de YOUNG, se define como el esfuerzo axial por deformación normal unitaria. El modulo de Young es el modulo más comúnmente encontrado. Es la pendiente de la parte recta del diagrama “Esfuerzo-Deformación unitaria”

Cedencia: o Punto de cedencia: es el punto en donde la deformación del material se produce sin incremento sensible en el esfuerzo. El material pasa de la zona de deformación elástica y queda deformado permanentemente.

Zona Elástica o lineal: La zona elástica es reversible. Es donde la deformación elástica es una deformación temporal y de pequeña magnitud, se recupera totalmente la forma inicial del material cuando la carga es eliminada.El material absorbe energía elástica que después devuelve. En esta zona se cumple la ley de Hooke. Zona plástica: En la que el material retiene una deformación permanente al ser descargada. No existiendo en ella una relación entre esfuerzo y deformación que pueda ser descrita matemáticamente. El material recupera sólo parcialmente su forma quedando deformado permanentemente, ya que se ha rebasado el límite elástico, es decir, el material no recupera su longitud original.

Esfuerzo de fluencia: Indicación del esfuerzo máximo que se puede desarrollar en un material sin causar una deformación plástica. Es el esfuerzo en el que un material exhibe una deformación permanente especificada y es una aproximación práctica de límite elástico. Zona de transición entre las deformaciones elásticas y plásticas y se caracteriza por un rápido incremento de la deformación sin aumento apreciable de la carga aplicada.

III)

Hierro colado gris de todos los matrices para fundición, el hierro gris es el que más comúnmente se usa debido a su costo relativamente bajo, la facilidad de ser fundido o colación en grandes cantidades y a su fácil maquinado. Las principales objeciones son: su fragilidad y su baja resistencia a la tensión. Este material so se suelda con facilidad debido a que puede agrietarse.

Acero de bajo carbono

Acero y Aluminio

Cerámico y polímero

2)Solubilidad total en estado sólido presentan únicamente líneas de líquidus y sólidus, forman soluciones sólidas substitucionales.

Aparición de un punto invariante (eutéctico E)- transformación eutéctica: Líquido--> Sólido A + Sólido B- la curva de enfriamiento de una composición eutéctica sigue el mismo patrón que la de un metal puro.- el eutéctico presenta una morfologia característica.

Intermetálico.

Fig 8

Reacción eutectoide: Sólido 1 --> Sólido 2 + Sólido 3

3)Solución sólida parcial