Materiales Metálicos

Aleaciones y compuestos Inter metálicos

Los metales suelen ser miscibles en estado líquido, formando aleaciones.

Al enfriar una disolución líquida, comienza a separarse los cristales que, en general, corresponden a algunos de los siguientes tipos:

• Disolución sólida

  Se producirán preferentemente cuando los metales que forman la aleación posean la misma estructura cristalina y sus átomos no difieran considerablemente de tamaño, en cuyo caso podrán reemplazarse al azar dando toda una serie de disoluciones sólidas.

• Eutéctico simple

  La solubilidad es limitada, al enfriar la masa fundida, en primer lugar se separarán cristales puros del componente que se halle en exceso hasta que llegue a una disolución de punto de fusión mínima llamada eutéctico, que cristaliza conjuntamente a la temperatura también llamada eutéctica.

  

• Compuesto intermetálico (Cu${}_3$Au)

  La solubilidad no sólo se ve limitada, sino que la distribución en la red deja de producirse al azar para hacerse ordenada, dando lugar a los llamados compuestos intermetálicos

• Sólido intersticial

  Cuando existe mucha diferencia entre los átomos de los elementos que forman la aleación y, sobre todo, en el caso de los metales de transición con los elementos ligeros no metálicos, pueden ocurrir que los pequeños átomos del elemento ligero no sustituyan a los metálicos, sino que introduzcan en los huecos de la red produciendo solamente un ligero incremento en las dimensiones reticulares. Estas estructuras pueden ser ordenadas o desordenadas. La más conocida es el acero Fe-C.

Aleaciones Fe-C: Acero

Según vamos aumentando la temperatura, la estructura cristalina de esa muestra de hierro va variando. Al llegar a 912ºC el hierro cambia su estructura de $\alpha$ a $\gamma$ o lo que es lo mismo pasa a tener una estructura cúbica centrada en el cuerpo a una estructura cubica centrada en las caras.

• Austenita

Hierro con un máximo de 2,11% de carbono $\gamma$ a 1148ºC, a temperaturas menores, menor cantidad de carbono será admisible.

• Ferrita

El contenido máximo de carbono a un hierro $\alpha$ será de 0,0218% a temperatura de 727ºC y a temperatura ambiente es prácticamente nula.

Cuando el contenido de carbono es más alto, la temperatura de transformación de la forma $\gamma$ a $\alpha$ disminuirá, y la de $\gamma$ a $\delta$ por el contrario aumentará.

El carbono va a provocar un aumento de la dureza y resistencia mecánica del acero a medida que aumenta su contenido, pero a su vez provocan una disminución de su ductilidad y por tanto su tenacidad.

• Aceros hipoeutectóides

  • Cementita

  Cuando enfriamos un acero hipoeutectóide, es decir, con una composición de carbono inferior a la composición eutectóide (0,77% de C) y llegamos a la temperatura A${}_3$ y los granos de austenita cambian su formación. a partir de 727ºC comienza una transformación a temperatura constante y esa austenita con un 0,77% de carbono se transforma en cementita carburo de hierro (CFe${}_3)$.

  • Perlita

  Al conjunto de cementita y ferrita dispuestas alternativamente que se forman por debajo de 727ºC a partir de los granos de austenita que tengamos a esa temperatura se le denomina perlita.

• Aceros eutectóides

  Son aquellos aceros con un contenido de carbono que coincide con la composición eutectóide (0,77% de C).

• Aceros hipereutectóides

  Son aceros con contenido de carbono superior al 0,77%

  Cuando las aleaciones tienen un contenido de carbono por encima del 2,11% se denominan en general, fundiciones.

• El diagrama estable Fe-CEl

  El equilibrio estable Fe-C, debido a que sus transformaciones son excesivamente lentas, no es posible que se presente con enfriamientos normales a no ser que se añada otro elemento, el silicio, que permita alcanzar equilibrios estables en aleaciones puras Fe-C.

  Fundiciones grises: aquellas que al solidificar lo hacen según el diagrama de equilibrio Fe-C estable, y para el cómo se indicó con anterioridad han de cumplirse condiciones.

  1. Presencia de silicio en su composición
  2. solidificación lenta

  La solidificación de forma estable, supone que el eutéctico formado estará constituido por austenita y grafito.

  • Curvas temperatura-tiempo-transformación

    

    ${\theta }_1>{\theta }_2>{\theta }_3$

    • Transformación perlítica(${\theta }_1)$

      En esta transformación es la cementita que nuclea a la ferrita y esto es lo que va a determinar morfología típica de la perlita.

      Según va siendo menor la temperatura de enfriamiento que provoca la reacción, el espesor y magnitud de las láminas de ferrita y cementita va siendo menor hasta que sus dimensiones no llegan a ser resolubles en el microscopio, formando lo que se denomina perlitas finas.

    • Transformación bainítica(${\theta }_2)$

      La ferrita que nuclea a la cementita presentándose una morfología de granos aciculares en forma de aguja que se conoce como bainita.

      Si la temperatura no es demasiado baja tendremos una estructura que se conoce como bainita superior.

      Si la temperatura no es demasiado baja tendremos bainita inferior.

    • Transformación maternsíntica(${\theta }_3)$

      Los átomos de carbono no se pueden adaptar a los espacios interatómicos del hierro $\alpha$ y no permiten la formación de la red regular cúbica centrada en el cuerpo deformándola en tetragonal dando una estructura que se denomina martensita.

      La dureza de la martensita vendrá relacionada con el contenido en carbono de la misma siendo tanto más dura cuanto más carbono contenga.

• Familia de los aceros

  • Aceros inoxidables

    La resistencia a la corrosión de los aceros inoxidables se la comunica el Cr, que si bien, en cantidades pequeñas, un 5% por ejemplo, tiene ya un efecto sensible.

    La acción del Cr se debe a la formación de una capa de óxido protector de caracter impermeable.

  • Silicio y aluminio

    Estos elementos actúan de forma similar al Cr, formando capas de óxido protectoras permitiendo aumentar la resistencia de los aceros frente al oxígeno, el aire y los gases oxidantes.

  • Molibideno

    Favorece la resistencia al calor y mejora la resistencia a la corrosión frente a los ácidos reductores y en presencia del ion cloro.

  • Nitrógeno

    Elemento fuertemente gammágeno

• Tipos de aceros inoxidables

  • Martensíticos

    Aleaciones de Fe con Cr y C con microestructura martensítica en estado de temple. Son ferromagnéticos, endurecibles por tratamiento térmico y resistentes a la corrosión en entornos medianamente agresivos. El contenido de cr puede variar de 10,5% a 18% y el de C puede exceder 1,2%.

  • Ferríticos

    Aleaciones de Fe-Cr con estructura centrada en el cuerpo. El contenido de Cr varía entre 15% y 30% y, as veces, se les adiciona Mo, Si, Al, Ti y Nb para comunicarles propiedades esenciales. Son ferromagnéticos y pueden tener buena ductilidad y conformabilidad, pero su resistencia a temperaturas elevadas es baja comparada con la de los aceros inoxidables austeníticos.

    No son susceptibles de endurecimiento por tratamiento térmicos y su comportamiento ante la corrosión en medios oxidante es excelente.

  • Austensíticos

    Poseen excelentes propiedades en condiciones criogénicas y buena resistencia a temperaturas elevadas. Son la familia de aceros más resistentes a la corrosión en cualquier tipo de medio.

    El contenido de Cr varia entre el 16 y 20%, el Ni hasta aproximadamente el 25% y el Mn hasta el 15%.

• Bronce

  El estaño es un endurecedor del cobre más potente que el Zn.

  Los bronces con un contenido superior al 32% de Sn son muy frágiles y no tienen aplicación en la industria.

• Latón

  Aleación Cu-Zn con la adición de hasta 50% de Zn.

Aleaciones antifricción

Revestimientos para facilitar la fricción

Las características para determinar una buena fricción exigen dos tipos de propiedades opuestas:

1. Resistencia al desgaste que es propia de un metal duro
2. La plasticidad que corresponde a un metal blando

La solución del problema del rozamiento viene, en principio, dada por la utilización de aleaciones de dos constituyentes: uno duro que confiere dureza y resistencia al desgaste y otro blando de elevada plasticidad.

Las propiedades que debe reunir una buena aleación antifricción son las siguientes:

• Dureza y resistencia a compresión

• Conformabilidad: permite que el material se adopte mediante deformación plástica

• Capacidad de carga

• Resistencia al desgaste

• Resistencia al gripado

• Aptitud para la absorción de partículas metálicas

• Mojabilidad

• Resistencia a corrosión

• Aluminio-Cobre

  el cobre es el principal aleante del aluminio por su gran solubilidad y efecto endurecedor.

• Aluminio-Magnesio

  Como en el caso anterior, la solubilidad del magnesio en el aluminio varía con la temperatura, pero en este caso las aleaciones binarias industriales, con contenidos inferiores al 10% no son endurecibles por precipitación, siendo el efecto de formación de disoluciones sólidas al aumento de resistencia experimentado.

• Aluminio-Zinc

  Las aleaciones binarias Al-Zn sólo encuentran aplicación para protección electrolítica frente a la corrosión.

• Aluminio-Silicio

  Este aleante comunica fluidez al aluminio, y es por ello por lo que estas aleaciones son típicas de moldeo.

• Aluminio-Manganeso

  Las aleaciones Al-Mn no son tratables térmicamente, ya que la solubilidad del Mn en el aluminio es muy baja a cualquier temperatura. Las aleaciones de uso industrial más frecuente, contienen Mn en cantidades inferiores al 1% para no dar lugar a la aparición de intermetálicos

• Tratamientos térmicos más habituales

  • Bonificado

    Tratamiento de disolución y precipitación controlada de los elementos aleantes solubles, y que conduce al aumento de la resistencia a la deformación de las aleaciones así tratadas.

  • Recocido

    Se designan de este modo a una serie de tratamientos térmicos encaminados a la obtención de estados estables, caracterizados por el aumento de la ductilidad y una disminución de la dureza.