Universidad Tecnológica Nacional

Facultad Regional Córdoba

Ingeniería Metalúrgica

Ingeniería Metalúrgica I

Profesor Titular: Ing. Norberto Uanini

Profesor Ayudante: Ing. Roberto Lucci

Año: 2011

Cátedra: Ingeniería Metalúrgica I Profesor Titular: Ing. Norberto Uanini Profesor Adjunto: Ing. Roberto O. Lucci

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Año 2011 2

Índice y Programa Analítico

Unidad Temática 1: Generalidades sobre la metalurgia………………………………………………………………………………………………………………. 3

Historia de la metalurgia. Visión panorámica sobre la metalurgia. Su campo de aplicación. Sus relaciones con otras áreas de la ingeniería.

Unidad Temática 2: Minerales y su tratamiento………………………………………………………………………………………………………………………….. 7

Los minerales y su constitución. Metalúrgica extractiva y procesos de obtención de los minerales. Tratamientos y preparación de los minerales.

Obtención y preparación de los minerales de hierro. Obtención del hierro. Reducción pirometalúrgica: reducción directa y reducción indirecta.

Obtención y preparación de los minerales de aluminio. Obtención del aluminio a partir de la bauxita. Preparación del mineral por hidrometalúrgica: proceso Bayer.

Reducción electrometalúrgica: proceso Hall-Héroult. Reciclado del aluminio, su importancia económica y ambiental.

Unidad Temática 3: Estructura de los cuerpos sólidos……………………………………………………………………………………………………………….. 26

Estructura del átomo. Vínculo de unión: iónico, covalente, metálico, fuerzas de Van der Waals. Sistemas cristalinos. Celdas unitarias. Índices de Miller. Cristalización

primaria: condiciones energéticas. Grado de sobreenfriamiento. Mecanismos del proceso de cristalización. Nucleación y crecimiento. Estructura del lingote metálico:

estructura dendrítica y equiaxial.

Unidad Temática 4: Defectos estructurales……………………………………………………………………………………………………………………………….. 37

Desordenamientos cristalinos. Discontinuidades estructurales. Heterogeneidad estructural. Defectos puntuales. Vacancias. Dislocaciones. Dislocación de borde y

dislocación helicoidal.

Unidad Temática 5: Fases y aleaciones……………………………………………………………………………………………………………………………………… 41

Fases metálicas, soluciones sólidas. Estructura cristalina de las soluciones sólidas. Compuestos químicos. Compuestos intermetálicos. Cambios de fases. Cambios de

estado físico. Análisis térmico, curvas de enfriamiento. Metal puro. Cambios alotrópicos. Diagramas de equilibrio: solubilidad total, insolubilidad total, solubilidad parcial.

Determinación de las composiciones químicas de las fases, determinación de las cantidades relativas de los elementos de aleación. Aplicación de la regla de la palanca.

Difusión. Mecanismos de la difusión. Influencia del gradiente de concentración. Ejemplos.

Unidad Temática 6: Diagrama Fe-C y estructuras metalográficas………………………………………………………………………………………………. 53

Constitución del acero. Diagrama Fe-C. Constituyentes estructurales del acero. Clasificación y designación SAE de los aceros. Metalografía. Examen micrográfico y

macrográfico. Preparación de muestras. Microscopio óptico. Observaciones metalográficas.

Unidad temática 7: Procesos de elaboración y tratamientos térmicos de los aceros…………………………………………………………………. 64

Generalidades sobre la fundición. Generalidades sobre la deformación plástica. Tratamientos térmicos, termomecánicos y termoquímicos. Temple, revenido, recocido,

normalizado, cementación, nitruración y carbonitruración. Curva de las “S”.

Pulvimetalúrgica. Polvos metálicos. Porosidad. Microestructura. Densidad. Métodos de obtención de polvos. Compactación de polvos. Sinterización.

Soldadura. Clasificación de los procesos de soldadura. Soldadura por arco eléctrico: sistema por arco manual con electrodo revestido, sistema MAG-MIG, sistema TIG,

sistema por arco sumergido, soldadura por fricción.

Unidad Temática 8: Ensayos físicos, mecánicos y químicos de los metales………………………………………………………………………………… 85

Ensayos destructivos. Dureza Brinell, Rocwell, Vickers y Knoop: penetradores, funcionamiento, equipos, toma de durezas, escalas de durezas. Ensayos de tracción:

fundamentos teóricos, deformación elástica, fluencia, deformación plástica, rotura, equipos, probetas y medición. Ensayos de choque: método Charpy e Izod,

fundamentos teóricos, máquinas, probetas y medición.

Ensayos no destructivos: inspección visual, líquidos penetrantes, ultrasonido, partículas magnéticas, rayos X, corrientes de Eddy, termografía.

Unidad Temática 9: Corrosión y recubrimientos……………………………………………………………………………………………………………………… 108

Importancia económica de la corrosión. Fundamentos teóricos sobre la corrosión. Tipos de corrosión. Recubrimientos anticorrosivos: recubrimientos electrolíticos,

pinturas, inhibidores.

Unidad Temática 10: Fractografía (tema tratado en las unidades 6 y 8)

Concepto de Fractografía y la importancia de su estudio para el diseño de materiales. Mecanismos de fracturas: dúctil, frágil e intermedias. Fracturas transgranular e

intergranular. Análisis fractográfico. Ejemplos macrográficos y micrográficos de diferentes tipos de fracturas.

Unidad Temática 11: Sistemas comerciales de aleaciones……………………………………………………………………………………………….………. 114

Aleaciones de acero y fundiciones. Aleaciones de aluminio. Aleaciones de cobre. Aleaciones de titanio. Aleaciones de magnesio. Ejemplos de aplicación. Limitaciones.

Unidad Temática 12: Avances en la metalúrgica y en los nuevos materiales metálicos.…………………………………………………………… 117

Conocimientos generales y aplicaciones. Aceros de alta resistencia y baja aleación. Aleaciones con memoria de forma. Nanotecnología y nanomateriales. Metales

superplásticos. Materiales inteligentes (materiales con memoria de forma). Materiales superplásticos. Materiales magnéticos. Materiales de uso nuclear. Vidrios

metálicos. Materiales semiconductores.

Bibliografía ……………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………….……. 122

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Unidad 1: Generalidades sobre la Metalurgia

Historia de la metalurgia

A lo largo de la historia, desde su aparición en la Tierra, el ser humano se ha ayudado de instrumentos para modificar la naturaleza

a su favor. En este sentido, la historia del hombre es una historia de la técnica, una historia en la que se ha buscado trasformar los

elementos disponibles en el medio ambiente de modo que esta transformación hiciera la vida más sencilla. Desde muy tempranos

momentos el hombre utilizó los elementos más disponibles a su alrededor: palos, piedras, pieles, huesos; los cuales eran elementos

que podían ser trabajados y manipulados, para conseguir de ellos una efectividad, pero elementos que no necesitaban, en última

instancia, de ninguna transformación íntima, ninguna modificación de sus propiedades estructurales. No es esto lo que ocurre con

los metales. El metal, en su mayor parte, requiere para ser utilizado de una modificación trabajosa y compleja de las características

en que lo hallamos en estado natural. La aparición de la metalurgia es un elemento reciente, visto desde la escala general de la

historia, pero de tal importancia para el ser humano que no sería posible entender sin él el flujo de la historia ni, por supuesto, las

sociedades contemporáneas. Así se ha considerado desde antiguo, hasta el punto de considerar su descubrimiento el hito que

marca un antes y un después en las sociedades prehistóricas. En 1836 el danés C. J. Thomsen expone el Sistema de las Tres Edades

para clasificar el material prehistórico, propone que los materiales se dividan según provengan de la Edad de Piedra, de la Edad del

Bronce o de la Edad del Hierro. Este sistema fue rápidamente aceptado por los investigadores y supuso un importante avance

conceptual. Los artefactos prehistóricos podían ordenarse cronológicamente y, así, se proporcionaba un método eficaz para el

estudio del pasado. Hoy día dicha clasificación, con modificaciones que no dejan de ser importantes, sigue vigente.

Etapa Premetalúrgica

Existen evidencias de que el hombre prehistórico se vio atraído desde épocas tempranas por los minerales metálicos, en unos casos

por su singularidad o belleza, como en el caso de la malaquita o azurita (ambos minerales de cobre), y en otros por su capacidad

para utilizarlos en la decoración del cuerpo, tejidos o diversas superficies. Este último caso es del ocre, palabra genérica que

designa diferentes óxidos de hierro, del que se verifica su utilización desde hace 300.000 años en Terra Amata, Niza y se encuentra

muy frecuentemente asociado a yacimientos paleolíticos. Sabemos también de un temprano tratado térmico de estos elementos

para acentuar su color.

El primer metal que se trabajó, sin duda por la facilidad de hacerlo, fue el cobre nativo. Las primeras evidencias de su trabajo las

hallamos en el Tell de Sialk (Irán) y en Cayönü Tepesi (Anatolia), en tiempos del VIII al VII Milenio a. C. El cobre nativo se puede

trabajar en frío, por martillado, pero también se puede calentar para aumentar su maleabilidad y disminuir su fragilidad. Para esto

último basta una temperatura de 200 a 300 ºC, lo que sin duda no era difícil de conseguir para los hombres de aquella época. Sin

embargo, la fusión del cobre requiere de una temperatura de 1083º C lo que no está claro si se consiguió antes de la reducción del

mineral, que no necesita temperaturas tan elevadas. Lo que sí sabemos es que el cobre, nativo o mineral, se fundió y se introdujo

en moldes ya en el V Milenio a. C.

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De izquierda a derecha: Óxido de cobre (Cuprita); Bicarbonato dihidratado de cobre (Azurita); Sulfato de hierro y cobre (Calcopirita); Carbonato

dihidratado de cobre (Malaquita).

Calcolítico o Edad del Cobre

La Edad del Cobre, también llamada Calcolítico, es una fase intermedia entre la Edad Moderna de la Piedra o neolítico y la Edad del

Bronce. Se reserva esta denominación para algunas culturas, que presentan rasgos claramente diferenciados, en el período entre el

2500 a. C. y el 1800 a. C.

El bronce es una aleación de cobre y estaño y, antes de usarse el bronce, se usó cobre. Esa época es a la que se llama Calcolítico,

esta edad sin embargo es poco aceptada ya que los primeros cobres eran, en general bronce natural, aunque se usa para

diferenciar esta edad, en la que el bronce era fabricado artificialmente. El cobre fue el primer metal que utilizó el ser humano y lo

hizo hace aproximadamente 5000 años.

Anteriormente al 4.000 a C. encontramos hachas de la cultura de Gumelnitza de bronce fundido y con agujero de enmangue

conseguido en un molde abierto, lo que denota un momento muy avanzado en el tratamiento del cobre. A estas culturas se asocian

explotaciones mineras de gran importancia como las de Ai Bunar. Consisten en trincheras excavadas a cielo abierto de entre 10 y 80

m de longitud y 2 y 20 m de profundidad. También es importante la explotación minera de Rudna Glava, algo posterior a la anterior

y de la que conocemos bastante bien el método utilizado en su explotación: mediante la colocación de hogueras se calentaba la

superficie a explotar, esto hacía que aquella se calentara y rociándola inmediatamente con agua se conseguía un enfriado brusco

que hacía que aparecieran grietas. En ellas se introducían picos de asta de ciervo con los que se desgajaban los bloques de mineral.

Después estos bloques se desmenuzaban mediante martillos de piedra y morteros. En contraste con la buena información de la que

disponemos sobre las operaciones de minería, sabemos poco de como se llevaba a cabo la reducción del mineral. Se hipotetiza que

la causa de esto sea que la reducción del metal se llevaba a cabo en lugares especializados que aun no se han descubierto.

Hasta aquí hemos querido hacer un repaso somero del nacimiento de la metalurgia en el Viejo Mundo, un siguiente paso sería el de

la aparición de las aleaciones, que trataremos a continuación.

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Edad del Bronce

Las aleaciones cupríferas de la antigüedad se realizaban con elementos como el antimonio, el plomo o el arsénico pero, aunque la

utilización de este último es bastante común en determinados momentos, las aleación reina es, sin duda la del cobre con estaño, es

decir el bronce.

El estaño adquiere su valor metalúrgico por su asociación con el cobre. Añadiendo al cobre un 10% de estaño se obtienen varias

ventajas en el material resultante como es disminuir la temperatura de fusión la obtención de un metal fundido de una gran fluidez

y, por supuesto, la mayor dureza del bronce que del cobre. Sin embargo un exceso de estaño, más de un 13%, vuelve al bronce

quebradizo lo que lo hace inservible para objetos utilitarios.

No se conoce a fondo ningún taller que refleje el proceso completo de la metalurgia del bronce, sin embargo sí conocemos los

aspectos principales de dicha actividad.

Existían hornos metalúrgicos de reducción, como el israelí de Timma, que estuvo en uso desde el s. XIV al S. XII a C. Consistía en un

horno semicircular, al final de una fosa, rodeado por piedras que conservaban el calor. Tenía una tobera que desembocaba a media

altura del horno. Se aislaba del resto de la zanja por una pared de piedra y arcilla. Estaba cubierto por piedras que recogían el calor

pero, a la vez, dejaban escapar el humo. En el fondo tenía una cubeta que recibía el material fusionado donde se enfriaba y

formaba un lingote de cobre.

Los moldes suelen ser abiertos, cerrados, monovalvos o bivalvos y solían elaborarse en arcilla, piedra o bronce. La mezcla de metal

se introducía en ellos para darle forma. Cuando eran cerrados el objeto de metal se obtenía fracturando el molde.

Tras la refundición el objeto debía de seguir siendo trabajado, era necesario eliminar las rebabas, pulirlo y, en caso de que

procediera, afilarlo.

La imposición del bronce hace que las armas sean cada vez más numerosas y más útiles para la guerra. El bronce conoció enormes

éxitos con la aparición de los primeros grandes imperios como los orientales, el del Egipto faraónico, el de la Creta minoica o los

reinos de Wessex, Armórica o Dinamarca. Sin embargo, la Edad del Bronce llevaba en su seno su propia contradicción, la dificultad

de obtener suficientes cantidades de cobre o estaño llevó a muchas de estas sociedades a repetidas crisis. En ese sentido se ha

interpretado, por ejemplo, la aparición de aleaciones terciarias, formadas por tres metales, donde el plomo va substituyendo

progresivamente al estaño y haciendo disminuir poco a poco la calidad de los metales y, consecuentemente, de los artefactos

fabricados.

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Edad del Hierro

Los primeros en entrar en la Edad del Hierro fueron los hititas en el área de Palestina y solo fueron necesarios unos siglos para que

a continuación lo hiciera todo el mundo antiguo. Aunque el trabajo del hierro es el más difícil de realizar de entre todos los metales,

las posibilidades que ofrece, su mayor eficacia y la dificultad de abastecerse de cobre y estaño hicieron que el hierro substituyera a

las labores asociadas al cobre de manera bastante rápida. Estas circunstancias estimularon el perfeccionamiento de la siderurgia,

que llevaron a que en épocas prehistóricas se consiguieran temperaturas de hasta 1.300º C. El mineral de hierro es muy abundante

en la tierra, supone el 5% del peso de la corteza terrestre, por lo que su aprovisionamiento no es difícil, pero sin embargo, son

necesarios combustibles de una alta capacidad calorífica para su reducción, generalmente se utilizó el carbón vegetal.

Existen diferentes procedimientos para la obtención del metal de hierro. El primero, llamado procedimiento directo, se obtiene en

horno de cubeta. La reducción se realiza a una temperatura menor que la de fusión (1536º C). Mediante este procedimiento se

obtiene una mezcla de hierro y escoria que, tras un insistente martillado, nos proporciona un metal más o menos homogéneo. Así

se obtiene el hierro dulce, muy puro (con menos de un 0,02 % de carbono), pero a la vez excesivamente dúctil y de escasa dureza.

Si queremos aumentar esta lo podemos conseguir mediante su introducción en carbono, con lo que conseguimos un mayor nivel

de carburación del metal, lo que aumenta la dureza. El hierro carburado no es otra cosa que el acero. El hierro se puede trabajar

mecánicamente, es lo que se llama el forjado, método por el que se pueden conseguir artefactos de una gran variedad.

Otro método general de trabajo del hierro es el indirecto, que se realiza en altos hornos y produce un metal fundido, que se puede

llevar a moldes y tiene un alto porcentaje de carbono (de un 1,7% a un 6,7%). Este método de obtención del hiero colado no se

conoció en Europa hasta el siglo XI-XII d C., pero se dominaba ya en China desde el IV a C. Antes de la revolución industrial el mejor

metal de hierro era el damasquinado, que se fabricaba mediante varillas de hierro dulce y hierro carburado soldadas y martilladas

conjuntamente, dando como resultado un material que aúna flexibilidad, resistencia y dureza.

La Edad del Hierro comienza a finales del IIº Milenio a C. y el conocimiento del carburado fue decisivo en su expansión. El

conocimiento de la siderurgia se extendió rápidamente por el Próximo Oriente, Chipre y el Egeo y, en algunos siglos se hizo asidua

en Europa, gracias a la abundancia de hierro que existía en esta y a los numerosos bosques que posibilitaban la obtención de

grandes cantidades del carbón vegetal necesario para su tratamiento. La colonización griega y fenicia hizo que el hierro se

difundiera rápido por la Península Ibérica, el norte de África y, seguramente, por la fachada atlántica, alcanzando su apogeo en el

mundo celta donde se integra en los objetos de la vida cotidiana. El bronce, de todos modos, se sigue utilizando con fines

decorativos.

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Unidad 2: Minerales y su tratamiento

Los minerales

Llamamos minerales a aquellos materiales del suelo o del subsuelo que sirven para ser preparados y transformados en ciertos

metales.

1.- Los metales en estado nativo, es decir en estado metálico y más o menos puros, son muy raros. El oro, el cobre, la plata y el

mercurio se encuentran en estado nativo.

2.- Lo más frecuente es encontrar el metal combinado con el oxígeno, el silicio, el azufre, el arsénico, etc. La propia combinación

metálica está mezclada con impurezas (materias terrosas por ejemplo) que forman la ganga o estéril. La mezcla de la combinación

metálica y la ganga es la mena o mineral.

Constitución química de la combinación metálica

La combinación metálica puede ser sencilla: óxidos, anhídridos ó hidratos, carbonatos y sulfuros.

a) Como óxidos anhídridos: la magnetita Fe3O4; la hematites roja Fe2O3; la casiterita SnO2; la pirolusita MnO2.

b) Entre los óxidos hidratados: la hematites parda u óxido férrico hidratado 2Fe2O33H2O y la bauxita alúmina hidratada Al2O3nH2O.

c) Como carbonatos: la siderita FeCO3; la magnesita MgCO3; la calamina o smithsonita ZnCO3, la whiterita BaCO3.

d) Al estado de sulfuros: la pirita de hierro FeS2; la blenda ZnS; la galena PbS; la cinabrio HgS, la argirosa Ag2S.

El compuesto metálico se presenta a veces en forma más complicada, resultando más difícil la extracción del metal. Tenemos por

ejemplo la pirita de cobre o calcopirita que es un sulfuro doble de hierro y cobre CU2SFe2S3.

Preparación de los minerales

Antes de comenzar el proceso metalúrgico propiamente dicho, se somete el mineral a un tratamiento mecánico que tiene por fin

concentrar la parte metálica y eliminar elementos perjudiciales.

I- Tratamiento mecánico de los minerales

Extracción

El tipo de extracción puede realizarse en minas a cielo abierto o en minas subterráneas. El mineral llega de la mina en bloques más

o menos grandes que se obtienen a partir de voladuras por explosión y excavación. Luego, mediante un posterior tratamiento

mecánico se lleva el mineral a una finura determinada. Se procede de forma escalonada hasta llegar a una de las tres categorías de

productos siguientes:

Los gruesos o trozos de calibre superior a 25 mm.

La granalla o Arena con calibre entre 1 y 25 mm.

Los Finos con calibre interior a 1 mm.

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Trituración

La trituración o quebranto transforma los bloques en trozos de 30 a 50mm de dimensión máxima. Las quebrantadoras actúan por

aplastamiento, de la misma manera que un cascanueces.

La quebrantadora de mandíbulas se compone de dos placas rectangulares de acero al manganeso, una fija y otra móvil alrededor

del eje con un movimiento de vaivén de amplitud regulable que aproxima y aleja ambas mandíbulas.

Trituradora de mandíbulas.

Molienda

La Molienda transforma los gruesos en granalla o arena y en finos hasta de 1/20 de mm en algunos casos. Hay varios tipos de

molinos que funcionan por choque y por frotamiento, de los que citaremos uno de los más empleados. El molino de bolas consiste

en un tambor cilíndrico o polígono revestido por un tamiz, en cuyo interior se encuentra cierto número de bolas de fundición dura

colada en coquilla. El mineral se introduce en el tambor por una tolva sobre el eje. El tamiz está protegido del choque directo de

las bolas y del mineral por chapas fuertes de acero duro. El conjunto está en el interior de una envoltura metálica.

Las bolas elevadas por la rotación del tambor caen unas sobre las otras y rompen los fragmentos; el tamiz sólo deja pasar la materia

que ha alcanzado la finura deseada.

Molino a bolas.

II- Separación de los minerales (concentración)

La separación del compuesto metálico de la ganga se efectuará sobre el mineral molido, la operación suministra un producto

enriquecido en mineral. La separación se basa en diferencias de propiedades físicas de la ganga y de la combinación metálica, por

ejemplo: la diferencia de densidad en la concentración hidromecánica. En la concentración por flotación se utilizan las fuerzas de

tensión superficial, y las fuerzas magnéticas en la concentración magnética.

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Concentración magnética. Concentración por flotación.

Izquierda: por vía seca; derecha: por vía húmeda.

III- Tratamientos térmicos de los minerales

Es común que a los minerales ya concentrados sean sometidos a la acción del calor para producir una modificación química, con la

finalidad de obtener un producto más fácil de tratar posteriormente. Hay dos maneras de tratarlos:

Calcinación: se aplica principalmente a los carbonatos, donde se calienta el mineral en un horno de cuba en presencia de un exceso

de oxígeno.

2FeCO3 + ½ O2 Fe2O3 + 2CO2

Tostación: es una operación metalúrgica que se aplica generalmente a los sulfuros, aprovechándose el anhídrido sulfuroso formado

para obtener ácido sulfúrico.

4 FeS2 + 11O2 8SO2 + 2Fe2O3

2ZnS + 3O2 2SO2 + 2ZnO

2PbS + 3O2 2SO2 + 2PbO

IV- Aglomeración de los minerales concentrados

Con los tratamientos mecánicos se consigue un mineral molido y concentrado y con los tratamientos térmicos se produce la

trasformación química necesaria para su posterior transformación en productos metalúrgicos, sin embargo, en los hornos

metalúrgicos, no se puede introducir el mineral en forma de finos, porque perturbarían la circulación de los gases reductores, por lo

que se recurre a la aglomeración de lo finos, que transforman estos polvos en trozos de mayores dimensiones. La aglomeración

puede lograrse empleando un elemento ligante o aglutinante como la cal o el cloruro de calcio, formando briquetas, nódulos o

pellets mediante la aplicación de presión en moldes adecuados, las briquetas son endurecidas o secadas en hornos.

También puede producirse la aglomeración por sinterizado que es un proceso en la cual la unión de las partículas de los finos, se

logra aplicando temperaturas elevadas que los lleva a un estado pastoso (fritado de los finos). En el caso de los minerales de hierro,

la sinterización se realiza cargando en varias capas de mineral y de coque, la combustión de este último produce el fritado de los

finos y se obtienen bloques aptos para ser cargados en los hornos metalúrgicos.

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Obtención del hierro y fabricación del acero a partir del mineral

Como se describió anteriormente, el mineral es preparado por los diferentes métodos y procesos para llegar a convertirse en

pellets u otro tipo de concentrado del mineral de hierro, que luego será utilizado para extraer el metal que contiene.

Instalación de una siderurgia integral.

El proceso se puede dividir en dos grandes pasos. El primero consiste en transformar el mineral de hierro de las minas en arrabio y

el segundo en convertir el arrabio en acero. En un alto horno, cuyo esquema se presenta en la figura, se logra la transformación del

mineral de hierro en arrabio:

En el alto horno, el mineral de hierro, el coque y la caliza se cargan por la parte superior. Por las otras toberas se inyecta el aire caliente que

enciende el coque y libera el monóxido de carbono necesario para reducir al óxido de hierro de forma indirecta. El arrabio, producto final del

alto horno, se colecta por una piquera de colada en la parte inferior.

Los minerales de hierro que se cargan al alto horno deben contener del 60 al 70% de hierro; el resto se compone de oxígeno, arena,

arcilla y piedras, que a su vez contienen sílice (óxido de silicio). Es necesario deshacerse de la sílice para evitar que una parte del

hierro se desperdicie al formar compuestos con esta sustancia. Lo anterior se logra agregando piedra caliza. La caliza tiene la

propiedad de que, a altas temperaturas, tiene mucha afinidad por la sílice y por otras impurezas que vienen con el mineral,

formando compuestos que flotan en el arrabio líquido como escoria de menor densidad, la cual es retirada mediante una piquera

de escoria.

El mineral, junto con la piedra caliza y el coque tienen en su conjunto el nombre de carga y se introducen en el alto horno por la

parte superior con bandas transportadoras. Casi todo el alto horno se mantiene lleno de carga. Por la parte inferior, utilizando

ductos llamados toberas, se introduce un soplo de aire caliente que fluye por los huecos que quedan entre las partículas de la

carga. En el alto horno, el aire caliente sirve para producir la combustión del coque y para elevar la temperatura. El oxígeno del aire

se combina con el carbono para producir el monóxido de carbono que, a su vez, reacciona con el óxido de hierro para producir

hierro y dióxido de carbono.

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Al salir del alto horno, los gases producidos por la reacción del aire, caliente con el coque y el mineral de hierro no están totalmente

quemados. Es común, que una cuarta parte de la mezcla de gases salientes sea monóxido de carbono. Este gas venenoso todavía

puede quemarse, es decir, oxidarse, y el calor producido es aprovechable en el calentamiento del soplo del aire que entra. Con esto

se logra además un beneficio para el ambiente al reducir las emisiones de monóxido de carbono.

La parte más caliente del alto horno se localiza justamente arriba de las toberas y se conoce como, etalaje. Allí la temperatura

alcanza los 1800°C, alrededor de 550ºC más de los necesarios para fundir el arrabio. En estas condiciones las esferas de la carga,

originalmente hechas de óxidos de hierro y caliza, gotean arrabio y escoria que se depositan en el crisol que está en la parte inferior

del alto horno.

Los gases que salen del alto horno son canalizados mediante duetos hacia enormes estufas donde se logra la combustión total de

los mismos. En el camino, como se ilustra en la figura siguiente, los gases se hacen pasar por cámaras para separar el polvo que

arrastran. De esas cámaras se conducen a una de las estufas (los altos hornos se acompañan al menos de 3 estufas, dos en

funcionamiento y una en reparación). Las estufas son cámaras de combustión revestidas con tabiques refractarios con alta

capacidad de absorber calor. Después de algunas horas de quemado de los gases la estufa alcanza altas temperaturas y en ese

momento los gases se canalizan a otra de las estufas. Es entonces cuando el soplo del aire, que deberá entrar al alto horno, se pasa

por la estufa para que se caliente al hacer contacto con las paredes de tabique refractario incandescente, y alcanza temperaturas

superiores a los 1000°C. En la figura, la estufa de la izquierda está quemando gases y la de la derecha está calentando al soplo de

aire.

Los gases ricos en monóxido de carbono que salen del alto horno son aprovechados para calentar las estufas al completar su combustión.

Mientras una de las estufas está en el proceso de combustión, la otra, previamente calentada, sirve para elevar la temperatura del aire por

encima de los 1000°C.

La escoria y el arrabio se sacan del crisol por unos ductos llamados piqueras. La piquera de escoria está más arriba que la de arrabio

porque la escoria flota, Frecuentemente el arrabio se traslada al convertidor en el estado líquido; sin embargo, en algunas plantas

se vacía para formar lingotes. En Inglaterra, originalmente, los lingotes de arrabio tenían la forma de cerdos y por eso en inglés el

arrabio es conocido como pig iron.

Obtención del acero o aceración

La segunda etapa de la obtención del acero, es la aceración propiamente dicha. Esta comienza luego de obtener el arrabio del alto

horno, el cual pasa al trabajado en la acería propiamente dicha. El proceso de aceración se conoce como “proceso del oxígeno

básico”, los más conocidos son los convertidores BOF (basic oxygen furnace), BOS, Linz-Donawitz-Verfahren o Convertidor LD, los

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cuales logran la refinación del arrabio empleando la misma idea de Bessemer para eliminar las impurezas y el exceso de carbono

por oxidación, además de aprovechar el calor de la oxidación como fuente de energía para la fusión.

Un esquema del convertidor BOF o su similar europeo LD se presenta en la figura. Consiste en una olla de acero recubierta en su

interior con material refractario del tipo básico, como ser óxido de magnesio o dolomita. A diferencia del convertidor de Bessemer

donde se soplaba el aire por la parte inferior, en estos se inyecta el oxígeno por una lanza que entra por la parte superior. La lanza

se enfría con serpentines de agua interiores para evitar que se funda. La carga y la descarga del convertidor se hacen también por la

parte superior y por eso la olla está montada en muñones que le permiten girar.

Mediante un chorro de oxígeno con polvo cal, el arrabio es convertido en acero en el convertidor, el oxígeno reacciona con el carbono del

arrabio y lo elimina en forma de bióxido (o monóxido) de carbono. La caliza sirve para eliminar impurezas, entre las que destaca el fósforo.

Una de las grandes ventajas que desde un principio se observó en los convertidores fue su capacidad para aceptar hasta un 20% de

"chatarra” junto con la carga de arrabio líquido.

La diferencia de precios entre la chatarra fría y el arrabio líquido ha motivado la búsqueda de tecnologías para incrementar lo más

posible la carga de chatarra. Algunos éxitos en esta dirección se han obtenido al adicionar al oxígeno que entra por la lanza

combustóleo y carburos de silicio y calcio.

Los nuevos acereros

Todas las industrias deben examinarse a sí mismas con frecuencia. El escenario que compone el estado de la tecnología, las

materias primas y la fuerza de trabajo evoluciona muy rápidamente. Suele ocurrir que las premisas que motivaron el

establecimiento de industrias multimillonarias pierdan vigencia a la vuelta de cinco o diez años. Y aunque esas industrias se resistan

a aceptar su obsolescencia y sigan adelante, tarde o temprano sucumbirán ante las empresas más avanzadas.

Todo parece indicar que el alto horno está viviendo su ocaso. La competencia ha forzado a las plantas acereras integradas a crecer,

a buscar la producción en gran escala. Su tamaño, ahora con capacidad de producir de 5000 a 10000 t de arrabio por día, las ha

hecho muy vulnerables. Estas plantas no pueden detener su operación debido a las enormes pérdidas económicas o daños

irreversibles que se producen. En forma sumamente onerosa han tenido que enfrentar problemas de liquidez financiera, de

abastecimiento confiable, de materias primas y de continuidad en la relación laboral.

El suministro de coque es un problema mayor. Durante más de 250 años la industria siderúrgica ha consumido cantidades colosales

de carbón mineral. Naturalmente, los mejores yacimientos de carbón se han agotado. El coque es ahora escaso, caro y de baja

calidad.

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Durante muchos años los metalurgistas han cuestionado la forma indirecta de obtener el acero produciendo primero el arrabio en

los altos hornos. ¿Por qué no sacar directamente el oxígeno del mineral de hierro y obtener el hierro esponja como en la

antigüedad?

En el siglo pasado se propusieron y patentaron muchos métodos para reducir (desoxidar) a los minerales de hierro directamente en

el estado sólido. Se sugería el uso de mezclas de gases de hidrógeno, monóxido de carbono o hidrocarburos, por su alto poder

desoxidante. Varios de esos métodos eran técnicamente muy razonables pero ninguno de ellos fue capaz de competir

económicamente con el alto horno. Un gran impulso salió de México, donde la compañía HYLSA fue pionera de un proceso de

reducción directa muy revolucionario. En 1957 HYLSA abrió su primera planta en Monterrey. Veinte años después el proceso HYL se

había extendido por todo el mundo y se habían construido plantas en Venezuela, Brasil, Zambia, Irak, Irán e Indonesia, aparte de las

seis plantas en México, con capacidad superior a diez millones de toneladas anuales.

El proceso HYL (hojalata y lámina) utiliza una mezcla de gases rica en hidrógeno y monóxido de carbono para extraer el oxígeno del

mineral de hierro. La mezcla de gases se produce a partir de gas natural y vapor de agua en un dispositivo llamado reformador, que

se representa en la figura. El gas natural y el vapor se inyectan a una tubería de acero inoxidable que se calienta con unos

quemadores. A altas temperaturas, y con ayuda de catalizadores que se ponen en el interior de los tubos, ocurre la reacción

química:

El reformador es un reactor químico que a altas temperaturas convierte una mezcla de gas natural y vapor en un gas de alto poder reductor

formado de hidrógeno y monóxido de carbono.

El hidrógeno y el monóxido de carbono, agentes reductores sumamente efectivos, salen del reformador acompañados de pequeñas

cantidades de gas natural y bióxido de carbono. La tubería se conecta con los reactores reductores, que no son otra cosa que

enormes vasijas metálicas donde se carga el mineral de hierro en forma de pequeñas esferas del tamaño de una canica (1 a 2 cm de

diámetro), cómo se indica en la figura:

La unidad reductora consta de una enorme vasija o cuba donde se deposita un aglomerado de esferas del mineral por donde pasa el gas reductor

previamente calentado a altas temperaturas. Posteriormente el gas residual es enfriado en una tubería bañada con agua.

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El mineral de hierro que se emplea en las plantas de HYL generalmente tiene la composición mostrada en el cuadro. Al final del

proceso de reducción directa, el hierro obtenido, denominado “hierro esponja”, contiene un porcentaje en hierro del 85 al 90%,

además, sale enriquecido con el 1 a 2% de carbono.

Composición del mineral de hierro empleado en el proceso HYL

Sustancia Porcentaje en masa

Hierro 67%

Oxígeno (en el hierro) 67%

Fósforo 0.05%

Azufre 0.02%

Óxido de calcio 1.8%

Óxido de magnesio 0.75%

Óxido de aluminio 1.03%

Óxido de silicio 1.3%

Impurezas 1.1%

El hierro esponja se convierte en acero líquido en un horno de arco eléctrico. El horno eléctrico funde al hierro esponja, y a la

chatarra que usualmente se agrega, haciendo pasar por ellos enormes cantidades de corriente eléctrica. El horno eléctrico se

muestra en la figura que sigue. El acero fundido se pasa a una cuchara (olla) donde, en ocasiones, se hace el ajuste final de la

aleación. Finalmente, el acero se vacía en moldes adecuados a cada proceso de fabricación posterior.

El horno de arco consta de una vasija recubierta con refractarios donde se coloca chatarra y/o hierro esponja, que se funden con el paso de una

corriente eléctrica introducida con electrodos de grafito.

Miniacerías

Un competidor implacable de las grandes plantas integradas (que parten del mineral de hierro y terminan con productos acabados

de acero) ha surgido de los miles de millones de toneladas de acero que ellas mismas han producido. La chatarra es hoy una

materia prima nada despreciable para la fabricación de acero, que suele aprovecharse en plantas pequeñas conocidas como

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miniacerías, donde la chatarra se funde en hornos de arco eléctrico. Técnicamente, su sistema de operación es muy sencillo. La

materia prima se consigue con un buen comprador de chatarra capaz de asegurar un suministro regular. Esto no es nada fácil

porque las fuentes de chatarra son muy irregulares. Un buen "chatarrero" debe además distinguir entre los distintos tipos de

chatarra disponible.

La chatarra se carga al horno de arco eléctrico y se funde al exponerse al paso de una enorme corriente eléctrica. La corriente

eléctrica llega a la chatarra a través de electrodos de carbono (grafito). Cuando la chatarra se pasa al estado líquido, lo cual ocurre

en algunos minutos, los operadores toman una muestra y la llevan al laboratorio de análisis. En cuestión de segundos, con la ayuda

de espectrómetros modernos, se determina la composición química del acero. Generalmente es necesario hacer algún ajuste a la

aleación mediante la adición de otros elementos necesarios o formadores de escoria para retirar elementos indeseables como el

fósforo o el azufre.

Del horno eléctrico, el acero líquido se pasa a una cuchara, donde en ocasiones se pasa a una máquina de colada continua para

producir barras de acero de sección cuadrada de 10 a 15 centímetros por lado y de 6 a 8 metros de longitud, llamadas palanquillas.

El proceso de colada continua se desarrolló en Europa en los años 50 para producir secciones de acero directamente a partir de

acero líquido. Anteriormente se producían lingotes que, más tarde, se laminaron en rodillos para formar las palanquillas. La colada

continua, con la cual se procesa más de dos tercios de la producción mundial de acero, se ilustra en la figura. El acero líquido de la

cuchara se vacía en un recipiente de donde, a velocidad controlada, pasa a un molde de sección cuadrada. Las paredes del molde se

lubrican para que el acero no se adhiera y se mantienen "frías" refrigerándolas con serpentines de agua. El molde además, se hace

vibrar para ayudar a que el acero se deslice. El molde no tiene tapa inferior porque el acero que ha solidificado en el extremo

inferior, sirve como tapa. Después de pasar por el molde, el acero, ya sólido pero al rojo vivo, pasa por una serie de rodillos que lo

jalan hasta llegar a una plancha donde, con sopletes, la sección cuadrada se corta en tramos de la longitud deseada.

En el proceso de colada continua se producen barras de sección cuadrada (palanquillas) en un molde, directamente a partir de acero líquido. La

colada continua produce un ahorro considerable de trabajo y energía con respecto a los procesos menos recientes que producen lingotes con el

acero líquido, los cuales deben ser luego calentados al rojo para laminarlos y formar las palanquillas.

La palanquilla es la materia prima para los molinos de laminación donde, a base de rodillos, se conforman productos como varillas

corrugadas, alambrones y barras de secciones cuadradas, hexagonales o redondas.

Debido a la sencillez de su proceso, las miniacerías tienen un costo de inversión bajísimo comparado con el de las plantas

integradas; no están técnicamente obligadas a mantenerse en operación permanentemente, es decir, pueden apagar sus

instalaciones e irse una semana de vacaciones sin ningún problema; y su tamaño permite ubicarlas cerca de los grandes centros de

consumo de acero y producción de chatarra para lograr un ahorro importante en materia de transportes.

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Año 2011 17

El Proceso Productivo Siderúrgico lo hemos dividido gráficamente en diferentes etapas debido a su extensión:

1° Etapa:

REDUCCIÓN DEL MINERAL:

2° Etapa:

FABRICACIÓN DEL ACERO:

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3° Etapa

LAMINACIÓN DEL ACERO:

3° Etapa

LAMINACIÓN DEL ACERO 2:

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3° Etapa

LAMINACIÓN DEL ACERO 3:

3° Etapa

LAMINACIÓN DEL ACERO 4:

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Año 2011 20

Obtención del aluminio a partir del mineral bauxita

Historia

En 1807, Humphrey Davy propuso el nombre aluminium para este metal aún no descubierto.

Se reconoce a Friedrich Wöhler el aislamiento del aluminio en 1827. Aun así, el metal fue obtenido, impuro, dos años antes por el

físico y químico danés Hans Christian Orsted.

La invención del proceso Hall-Héroult en 1886 (patentado independientemente por Héroult en Francia y Hall en EE.UU.) abarató el

proceso de extracción del aluminio a partir del mineral, lo que permitió, junto con el proceso Bayer (inventado al año siguiente, y

que permite la obtención de óxido de aluminio puro a partir de la bauxita).

Algunas características del aluminio

• Es un metal ligero, cuya densidad es de 2,70 g/cm3 (2,7 veces la densidad del agua), un tercio de la del acero.

• Tiene un punto de fusión bajo: 660 ºC (933 K).

• El peso atómico del aluminio es de 26,9815 utm.

• Es de color blanco brillante, con buenas propiedades ópticas y un alto poder de reflexión de radiaciones luminosas y térmicas.

• Tiene una elevada conductividad eléctrica comprendida entre 34 y 38 m/(Ω mm2) y una elevada conductividad térmica (80 a

230 W/(m.K)).

• Resistente a la corrosión, a los productos químicos, a la intemperie y al agua de mar, gracias a la capa de Al2O3 formada en su

superficie.

• Abundante en la naturaleza. Es el tercer elemento más común en la corteza terrestre, tras el oxígeno y el silicio.

• Su producción metalúrgica a partir de minerales es muy costosa y requiere gran cantidad de energía eléctrica.

• Material fácil y barato de reciclar.

• De fácil mecanizado.

• Muy maleable, permite la producción de láminas muy delgadas.

• Bastante dúctil, permite la fabricación de cables eléctricos.

• Material blando (Escala de Mohs: 2-3). Límite de resistencia en tracción: 160-200 MPa en estado puro.

• Para su uso como material estructural se necesita alearlo con otros metales para mejorar las propiedades mecánicas. El

duraluminio es una aleación particularmente resistente.

• Permite la fabricación de piezas por fundición, forja y extrusión.

• Material soldable.

Aplicaciones del aluminio

El aluminio se utiliza rara vez puro, casi siempre se usa aleado con otros metales. El aluminio puro se emplea en la fabricación de

espejos, tanto para uso doméstico como para telescopios reflectores. Entre sus variadas aplicaciones se encuentran:

• Transporte; como material estructural en aviones, automóviles, tanques, superestructuras de buques y bicicletas.

• Estructuras portantes de aluminio en edificios.

• Embalaje de alimentos; papel de aluminio, latas, tetrabriks, etc.

• Carpintería metálica; puertas, ventanas, cierres, armarios, etc.

• Bienes de uso doméstico; utensilios de cocina, herramientas, etc.

• Transmisión eléctrica. Aunque su conductividad eléctrica es tan sólo el 60% de la del cobre, su mayor ligereza disminuye el peso

de los conductores y permite una mayor separación de las torres de alta tensión, disminuyendo los costes de la infraestructura.

• Se usa como ánodo de sacrificio y en procesos de aluminotermia para la obtención y soldadura de metales.

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Año 2011 21

La bauxita

La bauxita es la mena de aluminio más importante, son productos de erosión, ricos en aluminio, pero sólo contiene entre un 30 y

un 54% de aluminio (expresado como Al2O3), siendo el resto una mezcla de sílice, óxidos de hierro y dióxido de titanio. El aluminio

de la bauxita se encuentra normalmente formando hidróxidos, Al(OH)3, o mezclas de hidróxidos y óxidos, (AlO(OH)2). Primero se

extrajo en Les Baux, Francia, de ahí su nombre.

Actualmente, la mayor parte de la minería de bauxita está situada en el Caribe, Australia, Brasil y África.

Mineral bauxita.

Producción de alúmina a partir de la bauxita - Proceso Bayer

El proceso Bayer, inventado por Karl Bayer en 1889, es el método más utilizado para producir alúmina a partir de la bauxita.

En el proceso Bayer, primero se tritura la bauxita y luego se lava con una solución caliente de hidróxido sódico (sosa), NaOH. La

sosa disuelve los minerales de aluminio pero no los otros componentes de la bauxita, que permanecen sólidos.

Las reacciones químicas que ocurren en esta etapa, llamada "digestión" son las siguientes:

Al(OH)3 + OH- + Na

+ → Al(OH)4

- + Na

+

AlO(OH)2 + OH- + H2O + Na

+ → Al(OH)4

- + Na

+

La temperatura de la digestión se escoge en función de la composición de la bauxita. Para disolver el hidróxido de aluminio basta

una temperatura de 140ºC pero para la mezcla de hidróxido y óxido hacer falta subir hasta unos 240ºC. Luego, se retiran de la

solución los sólidos no disueltos, en un decantador, seguido de unos filtros para eliminar los últimos restos. Los sólidos recogidos

en el decantador, llamados "lodo rojo", se tratan para recuperar la sosa no reaccionada, que se recicla al proceso.

La solución de Al(OH)4- obtenida, ya libre de impurezas, se precipita de forma controlada para formar hidróxido de aluminio puro.

Para favorecer la cristalización se opera a baja temperatura y se "siembra" la solución con partículas de hidróxido de aluminio:

Al(OH)4- + Na

+ → Al(OH)3 + OH

- + Na

+

La solución de sosa libre de aluminio se concentra en unos evaporadores y se reutiliza al comienzo del proceso.

Por último, el hidróxido se calienta a unos 1050°C, en una operación llamada "calcinación", para convertirlo en alúmina, liberando

vapor de agua al mismo tiempo:

2 Al(OH)3 → Al2O3 + 3 H2O

La alúmina obtenida se utiliza para producir aluminio mediante electrólisis.

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Año 2011 22

Alúmina a granel.

Resumen de los procesos utilizados desde la bauxita hasta la obtención de alúmina.

Electrólisis de la alúmina – Proceso Hall-Héroult

El óxido de aluminio (alúmina) se disuelve en un baño con fundente de criolita (Na3AlF6) y se electroliza en una celda electrolítica

usando ánodos y cátodo de carbono. Se realiza de esta manera, ya que la alúmina proveniente del proceso Bayer tiene un punto de

fusión extremadamente alto (por encima de los 2000 °C), muy caro y difícil de alcanzar en la práctica industrial.

La mezcla con la criolita da una mezcla eutéctica, que baja el punto de fusión a 900 °C. Por esta razón el consumo energético que se

utiliza para obtener aluminio es muy elevado y lo convierte en uno de los metales más caros de obtener (17 - 20 kWh por cada kilo

de aluminio). De estos baños se obtiene aluminio metálico en estado líquido con una pureza entre un 99,5 y un 99,9%, quedando

trazas de hierro y silicio como impurezas principales.

La electrólisis es un proceso electroquímico en el que se hace pasar una corriente eléctrica a través de una solución que contiene

compuestos disociados en iones para provocar una serie de transformaciones químicas. La corriente eléctrica se proporciona a la

solución sumergiendo en ella dos electrodos, uno llamado cátodo y otro llamado ánodo, conectados respectivamente al polo

negativo y al polo positivo de una fuente de corriente continua.

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Izquierda: principio de funcionamiento de una celda electrolítica. Derecha: electrólisis de la alúmina.

La celda electrolítica usada para obtener el aluminio tiene los electrodos dispuestos en forma horizontal. El baño electrolítico debe

tener menor densidad que el aluminio (alrededor de 2300 kg/m3 a 900 °C), ya que el aluminio refinado debe depositarse en el

fondo de la cuba electrolítica, saliendo por el fondo del recipiente. Por cada tonelada producida de aluminio, se consumen 460 kg

de carbono, proveniente de los electrodos. El gran problema del aluminio es el precio de la energía que consume para producirlo y

que representa entre un 25% y un 30% del costo de producción del metal.

Colada del aluminio líquido obtenido en las celdas electrolíticas.

Purificación y conformado del aluminio

Una vez que se produce la electrólisis del aluminio, éste se retira mediante cucharas transportadoras que lo llevan a los hornos de

refinación para su posterior colada en distintas formas de lingotes o productos semielaborados.

Batería de celdas electrolíticas y cuchara de colada.

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Ingreso del aluminio fundido hacia el horno de refinación, donde se agregan los aleantes y se homogeniza a la temperatura adecuada para su

posterior colado.

Distintas formas obtenidas en el colado del aluminio:

Reciclado del aluminio y su importancia

La recuperación partir de la chatarra, material viejo o deshechos (reciclado) era una práctica conocida desde principios del siglo XX.

Sin embargo, es a partir de los años 1960 cuando se generaliza, más por razones medioambientales que estrictamente económicas,

ya que el reciclaje consume el 5% de la energía necesaria para la producción metalúrgica a partir del mineral.

Al final de la vida útil que contiene aluminio puede ser utilizado una y otra vez sin que se pierda su calidad, ahorrando energía y

materiales en bruto. Reciclando 1 Kg de aluminio se pueden ahorrar 8 Kg de bauxita, 4 Kg de productos químicos y 14 KW/hr de

electricidad.

Cualquier cosa hecha de aluminio puede ser reciclada repetidamente: no solo latas, también hojas, láminas, moldes, marcos de

ventanas, muebles de jardín, componentes de automóvil son derretidos y se usan para hacer los mismos productos de nuevo.

Problemática ambiental

En la primera fase, para obtener 2 Tn de óxidos de aluminio se necesita:

• 4 a 5 Toneladas del mineral de bauxita

• 200 kg de sosa

• 70 kw/h de electricidad

En la segunda fase, para obtener 1 Tn de aluminio en estado de metal:

• 25 kg de criolita, o 30 kg de fluoruros de aluminio

• 550 kg de electrolitos de grafito

• 15.000 kw/h de electricidad

El problema ambiental de la producción de aluminio se concentra en el proceso electrolítico, donde los contaminantes como

fluoruros, brea-polvo, dióxido de sulfuro, CO y CO2 pueden ser emitidos a la atmósfera.

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Para obtener 1 t de aluminio hacen falta 2 t de alúmina y 4 t de bauxita con una gran cantidad de electricidad.

Procesos previos al reciclado

El reciclado del aluminio necesita de una separación en origen y de una selección previa, para ello, es llevado a una planta de

clasificación donde es separado del resto de los materiales no deseados. Luego, el aluminio se empaca y es transportado a un

centro de reciclado. Aquí se realizan una serie de procesos destinados a conseguir que el aluminio pueda ser devuelto al ciclo del

mercado:

1. Triturado y eliminación de impurezas del aluminio.

2. Lavado y secado para eliminar restos orgánicos y humedad.

3. Se introducen las virutas de aluminio en un horno de reverberación donde se funde el aluminio y se forman lingotes de aluminio

o láminas.

4. Fabricación de nuevos productos.

Ventajas del reciclado de aluminio

El reciclado del aluminio es un proceso que se realiza desde hace tiempo porque, además de los beneficios ambientales, tiene

interés económico. Desde el punto de vista técnico resulta fácil y supone un gran ahorro de energía y materias primas. El aluminio

que se recupera conserva gran parte de sus propiedades, pudiendo repetir el proceso cuantas veces se quiera.

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Unidad 3: Estructuras de los cuerpos sólidos

Para interpretar el problema de la resistencia de los materiales, o sea, el efecto que produce en ellos la acción de las fuerzas

externas, es necesario conocer distintos aspectos de la forma y constitución de la materia, como así también, las características

físico-mecánicas que le competen. La menor porción indivisible de materia, representada hasta no hace mucho por el átomo, luego

de las experiencias de Rutherford, se la reconoce como un sistema solar en el que su centro o núcleo de 10-12

cm de diámetro, lo

constituyen cargas eléctricas positivas o “protones” (1,6x10-19

coulomb) y partículas neutras, “neutrones”, cuya masa es de 1,67x10-

24g; debido a la naturaleza eléctrica del átomo y para mantener su neutralidad es que se la completa mediante cargas eléctricas

negativas, “electrones” (4,776x10-10

unidades electrostáticas de carga), que en distintas orbitas giran alrededor del núcleo.

Bohr, posteriormente Sommerfeld y actualmente De Broglie y Heisenberg modificaron y completaron la teoría de Rutherford.

La combinación atómica que da origen a los distintos tipos de sustancias puede llevarse a cabo según varios criterios, entre los que

podemos mencionar:

a) enlace iónico o eléctrico

b) enlace homopolar o magnético

c) enlace por las fuerzas de Van der Waals

d) enlaces metálicos

La vinculación mediante el enlace metálico es tal vez la que permite justificar propiedades unívocas de los metales, como ser su

resistencia mecánica y conductibilidad eléctrica.

La trayectoria externa de un átomo puede ser descripta por 1 y hasta 8 electrones; en este último caso el elemento al que

pertenece es inerte, por lo que no forma parte de compuestos (neón, argón, kriptón, etc.). Si la última orbita no es de los octetos,

el átomo tenderá a compartir con otro sus electrones externos para completarlas (enlace iónico o eléctrico). Los electrones así

compartidos se conocen como electrones de valencia.

En esta forma, los átomos quedan ligados eléctricamente, dando al conjunto una característica neutra, no así al ser considerados

individualmente, pues serán electropositivos cuando seden electrones periféricos (pierden cargas negativas) y electronegativas

cuando los admiten (ganan cargas negativas).

La agrupación de átomos de igual o distinta especie, eléctricamente neutra, que puede ser separada de otras, por medios físicos,

constituye la molécula; en el primer caso pertenecerá a un cuerpo “simple” o elemento químico (Fe, C, Cu, etc.) y en el segundo a

un compuesto (carburo de hierro CFe3, sulfato de cobre SO4Cu, etc.). “La agrupación antes mencionada puede desarrollarse

siguiendo un ordenamiento perfectamente definido, con lo que se pierde el concepto de molécula y se lo reconoce como

estructura cristalina”.

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Estructura cristalina

Los átomos o moléculas de un cuerpo, por efecto de la energía interna que poseen, se encuentran en continuo movimiento, por

otra parte, fuerzas de atracción tienden a aproximarlos. La acción de ambos efectos simultáneos caracterizan o definen el estado

de agregación del mismo (sólido, líquido o gaseoso).

En el estado gaseoso, la energía molecular es tal que la acción de las fuerzas de atracción se hace nula, por lo que se separan

indefinidamente u ocupan el volumen total de un recipiente.

El líquido se caracteriza por ser un estado donde las moléculas no han perdido la movilidad, se encuentran sujetas a la acción de

moléculas vecinas, limitándose con ello las distancias intermoleculares, pero no su posición, por ello tienen volumen pero no

forma, ocupando la forma del lugar que los contiene.

Cuando las fuerzas de cohesión son totalmente predominantes, se presenta el estado sólido, en el que a presión y temperatura

constantes no se verifica ninguna variación de forma ni volumen.

En los metales y sus aleaciones, en el pasaje del estado líquido a sólido por pérdida de calor, el acomodamiento de sus átomos,

respetando su naturaleza y vinculación eléctrica, se realiza en forma ordenada, todo y cada uno de ellos ocupan posiciones que

definen perfectas figuras geométricas.

Representación de la estructura cristalina por la teoría de las esferas rígidas, ejemplo de la agrupación geométrica como un cubo.

Hablar de posiciones en este caso, no compromete la movilidad atómica, pero la existencia de ella está limitada, para cada átomo,

dentro de una zona que podemos representar con una esfera, cuyo centro forma un vértice de la forma geométrica que caracteriza

al conjunto. A tales conjuntos primarios se los denominan “células elementales” y la agrupación de las mismas constituye la

“estructura cristalográfica”.

De los distintos poliedros elementales que suelen presentarse, los más importantes en los metales, son los que adoptan la forma

cúbica, en los que se distinguen los de “caras centradas” (se completa con un átomo en el centro de cada una de sus caras), sistema

al que pertenece el hierro gamma (γ), el cobre, oro, plata, aluminio, níquel, etc.; y los centrados “en el cuerpo” (un átomo en el

centro del cubo), como ser el hierro alfa (α), beta (β) y delta (δ), el wolframio, molibdeno, cromo, etc.; y los que caracterizan el

“ordenamiento hexagonal”, como el magnesio, zinc, cadmio, etc.

De izquierda a derecha: estructura cúbica centrada en el cuerpo (BCC), estructura cúbica centrada en las caras (FCC), estructura hexagonal

compacta (HCP).

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Ecuación de Bragg

En toda la estructura cristalográfica, la sucesión ordenada de sus átomos permite distinguir planos paralelos entre sí, que se

conocen como “planos cristalográficos”. Entre estos haces de planos, orientados en distintas direcciones, revisten mayor

importancia los que definen a la célula elemental o al cristal y que, por otra parte, permiten el clivaje (separación mecánica que se

producen según planos paralelos entre sí).

La existencia de los planos cristalográficos se pone evidentemente de manifiesto mediante el empleo de los rayos X, pues al actuar

como pantallas de difracción, de los mismos se obtienen sobre placas fotográficas sus imágenes reflejadas, con las que es posible

calcular la distancia corriente que separa cada plano del haz. La distancia “d” que separa a los distintos planos de un haz, se calcula

mediante el empleo de la fórmula de Bragg:

η.λ = 2.d.senθ

Donde:

η = numero entero 1, 2, 3, etc.

λ = longitud de onda de los rayos X

d = distancia entre los planos del haz

θ = ángulo de incidencia de los rayos

Ley de Bragg.

Si se conoce la longitud de onda de los rayos empleados y se busca el ángulo de incidencia θ para producir interferencia, se puede

calcular la distancia “d” corriente para cada haz de planos cristalográficos.

Para caracterizar o poder diferenciar los distintos haces de planos que suelen individualizarse en una red cristalina, Miller, propuso

un método cuya nomenclatura o índices llevan su nombre.

Índices de Miller y Miller-Bravais

Sea el cubo A, B, C, D, G, O, de la figura, en el que las aristas OD, OE, OG, coinciden con un sistema de ejes coordenados z, x, y. Si

además, suponemos que las longitudes de las aristas del cubo son iguales a la unidad, la cara ABEF, como el plano cristalográfico

que la contiene, corta a los ejes coordenados x=1; y=∞, z=∞. Los índices de Miller están determinados por las inversas de esos

valores, o sea: x=1/1=1; y=1/∞=0; z=1/∞=0; los que se acostumbran a poner entre paréntesis (100); de la misma forma, los planos

que contienen las caras CBFG, serán los (010) y ABCD serán los (001).Las caras DCGO, DAEO, y EFGO pertenecen al haz de planos

paralelos de ABEF, CBFG, y ABCD, respectivamente. Un plano como el DEG y todos sus paralelos tendrán como índices (111).

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Año 2011 29

En el sistema hexagonal, que debe su nombre a que 3 células elementales convenientemente dispuestas, conforman un prisma

hexagonal, se emplean 4 ejes de referencias, en los que se indican además sus direcciones mediante signos correspondientes.

Como indica la figura, los ejes mencionados serán a1, a2, a3, y c en su dirección positiva; y ā1, ā2, ā3, y c en la negativa, por lo que

cada una de las caras del prisma tendrá como índice:

Índices de Miller para la celda hexagonal. Por ejemplo: un plano tal como el ACGI tendrá como índice (1120).

Constitución de los metales

Hemos dicho que al solidificarse un metal, sus átomos se orientan según planos cristalográficos, para constituir las denominadas

células elementales, que a su vez se agrupan según ternas de ejes coincidentes con el ancho, alto y espesor de aquellas, para

formar el “cristal” o “grano” del metal.

Esta agrupación se realiza independientemente una de otra y según orientaciones arbitrarias, de manera que la formación de un

cristal dependerá del desarrollo de los que se constituyen a su alrededor. El conjunto o metal estará integrado, pues, por un sin

número de cristales o granos de diferentes formas y tamaños, pero de igual célula o estructura interna, adheridos unos a otros,

según Ewen, por una película de metal amorfo (estructura atómica desordenada) más resistente que el cristal, y que sirve de

cemento o elemento de unión.

Si bien el cristal, considerado independientemente, no presenta las mismas propiedades en todos sus planos, o sea, que es

“anisótropo”, teniendo en cuenta que su agrupación tiene lugar en todas las direcciones posibles, por efecto de compensación,

podemos dar al metal un carácter prácticamente “isótropo”, propiedad que se ve favorecida al disminuir los tamaños de los granos.

Solidificación de los metales

Casi universalmente, los objetos metálicos comerciales son solidificados desde una fase líquida o bien a sus formas finales, llamadas

“fundiciones”, o en formas intermedias, llamadas “lingotes”, las cuales se transforman mediante trabajo al producto final. Como las

propiedades del resultado final están determinadas, en gran medida, por la naturaleza del proceso de solidificación, son de la

mayor importancia práctica los factores implicados en la transformación desde líquido hasta sólido. Antes de que se pueda

considerar el asunto de la solidificación, sin embargo, es necesario primero tratar brevemente la naturaleza del estado líquido.

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La fase líquida:

En todos los casos de importancia práctica, las aleaciones de metal líquidas ocurren como una fase simple (una solución líquida

homogénea). Con el propósito de simplificar la presente discusión, tratemos un caso especial, un elemento metálico puro que

solamente posee una fase sólida simple, que es un diagrama de equilibrio presión-temperatura para un sistema de componente

simple.

Como bien sabemos, para pasar del estado liquido a sólido, se reduce la temperatura, es lo que se llama “solidificación”.

Si en la figura trazamos una línea (1), vemos que con la misma temperatura y variando la presión, obtenemos los diferentes estados

para el metal, donde se necesitará de una gran presión para llevarlo de líquido a sólido. En el trazo (2) observaremos que para una

misma presión y variando la temperatura obtendremos el cambio de estado, donde se necesitará de una baja temperatura para

llevar el metal de líquido a sólido.

Las propiedades físicas de los gases metálicos, igual que la de los sólidos metálicos, son capaces, por tanto, de análisis matemático.

Mientras que la fase sólida cristalina se presenta como una disposición de átomos completamente ordenada (despreciando

defectos tales como dislocaciones y lugares vacantes) y la fase gaseosa como un estado de desorden casual (gas ideal), no se ha

logrado todavía un cuadro simple que represente la estructura de la fase líquida.

La fase líquida no posee el orden de largo alcance del sólido ni la falta de interacción entre átomos característico de la fase gaseosa.

Por lo tanto es esencialmente una “estructura indeterminante”. Realmente, en un líquido la separación promedio entre átomos es

muy cercana a la del sólido. Este hecho es demostrado por el pequeño cambio de la densidad en la fusión, lo cual para los metales

compactos alcanza solamente del 2 al 6%, en donde parte de este cambio en la densidad está asociado probablemente con la

formación de defectos estructurales adicionales en la fase líquida (posiblemente lugares vacantes adicionales, intersticiales o

dislocaciones). Además, el calor latente de fusión que se desprende cuando se funde un metal es relativamente pequeño, siendo

solo 1/25 o 1/40 del calor latente de vaporización. Tanto el pequeño tamaño de la energía desprendida cuando se funde un metal

como el hecho de que los átomos en las fases líquidas y sólida tienen separaciones casi idéntica, nos lleva a la conclusión de que el

enlace de los átomos en estas fases es probablemente similar. El estudio de la difracción de los rayos X sobre los metales líquidos

tiende a confirmar esta suposición. Los metales líquidos poseen una estructura en la cual, sobre distancias cortas, están dispuestos

los átomos en una forma ordenada y tienen un número de coordinación aproximadamente al del sólido. Los resultados de los rayos

X muestran también que los átomos en distancias cortas se acercan a disposiciones cercanas a las exhibidas en los cristales, pero

debido a la presencia de muchos defectos estructurales, cuya naturaleza exactamente se desconoce, no se puede lograr el orden

de largo alcance típico de un cristal. En cierto número de casos se ha sugerido que la fase líquida es esencialmente la misma que la

sólida, con la incorporación de la estructura, de un gran número de cierta forma específica de defectos estructurales, tales como

lugares vacantes, átomos intersticiales o dislocaciones. Sin embargo, estos modelos no han sido completamente satisfactorios y

debe admitirse que no se conoce la naturaleza exacta de los defectos que existen en la fase líquida.

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Como la difusión en el estado líquido debe estar asociada con un movimiento correspondiente de defectos estructurales y el

movimiento es muy rápido, llegamos a la conclusión de que la fase líquida es de una estructura en evolución. Esto representa una

diferencia básica entre las fases líquida y sólida. En un sólido, la difusión por movimiento de lugares vacantes no altera, en general,

la estructura del cristal, mientras que en el líquido la estructura es una de cambio constante resultante del movimiento atómico.

Otra consecuencia importante de la facilidad de movimientos atómicos en la fase líquida es el desarrollo de la propiedad más

característica: “la fluidez”, o la incapacidad de un líquido para soportar esfuerzos de corte incluso de magnitudes muy bajas.

Un hecho sorprendente es que las fases líquidas de la mayor parte de los metales son muy similares en sus propiedades, aún

cuando sus propiedades pueden ser bastante diferentes en el estado sólido.

Los metales líquidos tienden a tener el mismo número de vecinos más cercanos. Similarmente, las conductividades eléctricas y

térmicas de las fases líquidas de los metales tienden hacia valores comunes.

Los hechos anteriores pueden ser interpretados como demostración de que las propiedades de las fases líquidas de los metales son

más dependientes de los defectos estructurales característicos de los líquidos que de la naturaleza de las fuerzas de enlace entre

átomos. Por otra parte, en las fases cristalinas sólidas, las propiedades físicas son muy dependientes de la naturaleza de las fuerzas

de enlace entre átomos, ya que estas fuerzas interatómicas determinan los tipos de cristales que forman y, en consecuencia, las

propiedades de los sólidos.

Nucleación

La solidificación de los metales ocurre por nucleación y crecimiento. Cada vez que un metal solidifica ocurre algún

sobreenfriamiento. Además, si las condiciones, durante la solidificación son tales que la nucleación es homogénea, los metales

líquidos pueden ser enfriados a temperaturas muy por debajo de su punto de solidificación de equilibrio antes de que comience la

solidificación.

El último efecto es que a la temperatura de la nucleación homogénea, el tamaño del núcleo crítico se vuelve lo suficientemente

pequeño para que se puedan formar los núcleos estables como resultado de las fluctuaciones térmicas de los átomos. Una vez que

se han formado los núcleos, el calor de fusión desprendido al comienzo de la solidificación tiende a remover el sobreenfriamiento,

y la temperatura de fusión se eleva hacia el punto de solidificación de equilibrio.

La dificultad asociada con la formación de núcleos homogéneos de la fase cristalina sólida no es típica solamente de los metales

puros, sino que se observa en aleaciones, como puede verse en la figura 6, la cual muestra que es posible sobreenfriar aleaciones

de cobre-níquel 300ºC aproximadamente en todas las composiciones.

Esto se realiza bajo condiciones experimentales designadas a prevenir la formación de nucleación heterogénea. En los metales

comunes de comercio, la nucleación durante la solidificación es casi siempre heterogénea. Aquí la formación de núcleos es ayudada

por la presencia en el líquido fundido de partículas de impurezas accidentales, o por la superficie del molde. Cuando ocurre la

nucleación de esta manera, se reduce grandemente el sobreenfriamiento y solo puede alcanzar unos cuantos grados.

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Crecimiento de cristales desde la fase líquida

Se ha demostrado que el movimiento del límite que separa a un líquido desde una fase cristalina sólida, puede considerarse como

la resultante de dos movimientos atómicos diferentes. Así, en la intercara, los átomos que dejan al líquido y se unen al sólido

determinan una “velocidad de solidificación”, mientras que los que viajan en la dirección opuesta, determinan la “velocidad de

fusión”. Si el límite se mueve en tal forma que aumente o disminuye la cantidad de sólido, depende si la velocidad de solidificación

o la fusión es mayor. Este punto de vista es equivalente a ver el movimiento de la intercara como un problema de difusión o

bidireccional.

En la figura vemos que la energía de activación Qf representa la energía requerida para tomar un átomo que queda sobre el lado

líquido del límite al punto de caballete y Qm la energía requerida para llevar un átomo sobre el lado sólido de la intercara hasta el

punto de caballete.

Los pasos de energía potencial mostrados sobre cada lado del punto de caballete se diferencian por el “calor latente de fusión”. Así,

un átomo en el sólido posee una energía menor que un líquido.

Chalmers ha hecho para el cobre, como se ve en la figura, que muestra ambas curvas para la velocidad de solidificación y de fusión

como funciones de la temperatura. Observándose que interceptan en el punto de fusión de equilibrio del cobre.

Debido a las consideraciones sobre nucleación, los metales se pueden sobreenfriar por abajo del punto de solidificación de

equilibrio, pero no se pueden sobrecalentar sobre el mismo. Las curvas muestran cuando solidifican los metales sobreenfriados,

que la velocidad de solidificación es muy rápida.

Estructuras cristalinas diferentes presentan tipos de superficies totalmente distintas hacia la fase líquida, por lo que el factor de

acomodación para el movimiento de los átomos desde el líquido hacia el sólido varía con la naturaleza del sólido. También el

movimiento de los átomos desde el líquido al sólido depende de los índices del plano cristalino particular que se enfrenta al líquido.

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Esto se puede explicar con la figura que sigue, la cual representa una estructura cúbica centrada en las caras, la cual muestra las

disposiciones atómicas sobre superficies (100) y (111). Los agujeros o cavidades, disponibles en la superficie para la acomodación

de un átomo líquido, según se une al cristal, son más grandes para el plano menos compacto (100) que para el más compacto (111).

Como resultado de esta diferencia, para una cantidad dada de sobreenfriamiento hay una diferencia en la velocidad de crecimiento

de los dos planos cristalográficos: “el plano menos compacto crece con mayor rapidez”.

Solidificación estable de la intercara

Supongamos que el gradiente de temperatura es lineal y perpendicular a la cara. Bajo estas condiciones se cree que la intercara

mantiene una forma estable y se mueve hacia adelante como una unidad; teóricamente sería una intercara estrictamente planar.

Sin embargo, hallar un plano compacto en la posición exactamente correcta es muy pequeña y se tiene que considerar aquellos

casos en donde un plano cristalográfico es casi paralelo a la intercara y en donde la intercara no se aproxima a plano alguno de

densidad elevada.

En la primera posibilidad, la intercara tiende a producir una serie de escalones planares compactos, como en la figura:

Intercara estable cuando el plano reticular compacto es casi paralelo a la misma.

Como cada una de estas facetas tiene una inclinación en la dirección del flujo de calor, la temperatura no puede ser uniforme sobre

toda el área; entonces, cada faceta que estén más avanzadas estarán en contacto con líquido más caliente que las porciones más

atrasadas. Como consecuencia, los pasos individuales asumen una forma curvada. La parte más avanzada, o más caliente,

corresponde a un índice más bajo, o superficie de factor de acomodación más elevado, mientras que la porción más retrasada, o

más fría, corresponde a un crecimiento más lento, o superficie de factor de acomodación más bajo. En esta manera, sería posible

obtener una intercara que creciese a una velocidad constante.

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Crecimiento dendrítico

Cuando la intercara líquido-sólido se mueve dentro de un líquido, cuya temperatura cae o disminuye, delante de la intercara,

ocurre un tipo importante de crecimiento cristalino. Supongamos que la figura que sigue representa un región conteniendo una

intercara líquido-sólido.

Inversión de la temperatura durante la solidificación.

Al mismo tiempo, supongamos que se ha obtenido un grado considerable de sobreenfriamiento, de manera que la temperatura del

líquido está bien por debajo del punto de solidificación de equilibrio. Bajo estas condiciones, la temperatura desciende según nos

movemos desde la intercara hacia el interior del sólido, debido a que ésta es la dirección del flujo de calor. También desciende

dentro del líquido sobreenfriado porque hay un flujo natural de calor desde la intercara dentro del líquido sobreenfriado. El

contorno resultante de la temperatura que se obtiene se conoce como una “inversión de la temperatura”.

Cuando la temperatura desciende, la intercara se vuelve inestable y pueden saltar, como disparadas, puntas cristalinas desde la

intercara dentro del líquido. La estructura resultante puede volverse también muy complicada, con ramas secundarias formándose

sobre las puntas primarias, y posiblemente con ramas terciarias formadas sobre las secundarias. El cristal ramificado resultante

tiene la apariencia de un pino en miniatura, y se conoce como una “dendrita” de la palabra griega dendritas que significa de un

árbol.

Las razones para el crecimiento ramificado de un cristal dentro de un líquido, cuya temperatura desciende adelante del sólido, se

debe a que cada vez que una pequeña sección de la intercara se encuentra delante de la superficie que la rodea, estará en contacto

con metal líquido a una temperatura más baja. Su velocidad de crecimiento aumentara en relación a la superficie que la rodea, que

está en contacto con un líquido a temperatura más elevada, y solamente debe esperarse la formación de una punta. Asociado con

la formación de cada punta está el desprendimiento de una cantidad de calor (calor latente de fusión). Este calor eleva la

temperatura del líquido adyacente a cualquier punta dada y retarda la formación de otra formación similar sobre la intercara

general en su vecindad inmediata. El resultado neto es que se forma cierto número de puntas de espaciamiento casi igual con

crecimiento paralelo, como podemos observar en la siguiente figura:

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La dirección con que crecen estas puntas es cristalográfica y se conoce como la “dirección de crecimiento dendrítico”. Estas ramas

o puntas son de primer orden, o de naturaleza primaria.

Una vez que se han formado las puntas, el crecimiento en la intercara general será lento debido a que aquí el sobreenfriamiento es

pequeño y el calor latente de fusión asociado con las puntas tiende a disminuir en magnitud. Por tanto, hay una disminución del

gradiente de temperatura, no solo en frente de las puntas primarias, sino también en direcciones perpendiculares a las ramas

primarias. Este gradiente de temperatura es responsable de la formación de ramas secundarias que se forman a intervalos más o

menos regulares a lo largo de las ramas primarias y en direcciones perpendiculares a éstas, como vemos en la figura que sigue.

Usualmente, los brazos dendríticos aumentan en espesor según crecen en longitud, con el resultado eventual de que crezcan

juntos para formar un solo cristal homogéneo.

En los metales de pureza relativamente elevada, es casi imposible obtener el sobreenfriamiento térmico suficiente para que todo el

proceso de solidificación sea dendrítico. Usualmente, no es posible causar que un metal puro solidifique dendríticamente más que

un 10% en volumen.

Ejemplo esquemático de dendrita con formación de ramas primarias, secundarias y terciarias.

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Estructura del lingote

En la estructura del lingote de la figura que sigue, pueden distinguirse tres zonas, dependiendo del tipo de grano que se ha

desarrollado durante el enfriamiento y su ubicación, como son: zona Chill, zona Columnar y zona de granos Equiaxiales.

La zona chill corresponde a una zona de enfriamiento rápido. Ésta se forma en la superficie del molde debido al gran

sobreenfriamiento que sufre el metal líquido al entrar en contacto con el molde frío. Debido a esto la nucleación será heterogénea

y su velocidad rápida, produciendo una abundante nucleación de cristales pequeños más o menos equiaxiales y de crecimiento

dendrítico.

La zona columnar corresponde a un crecimiento dendrítico en dirección perpendicular a la dirección de la extracción del calor, es

decir, perpendicular a las paredes del molde. Aquí el enfriamiento es relativamente lento, por lo cual se producen grandes granos

alargados.

La zona equiaxial es la última zona en solidificar, corresponde a un enfriamiento lento, pero el cual posee gran cantidad de

impurezas y restos de dendritas que sirven como nuevos centros de nucleación y crecimiento de nuevos granos que se distribuyen

más o menos homogéneamente en el centro del lingote.

Ejemplo esquemático de la estructura típica en la solidificación metálica de un lingote.

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Unidad 4: Defectos estructurales

Dislocaciones y fenómenos de deslizamiento

Discrepancia entre el límite de fluencia teórico y el observado en los cristales

En la figura podemos ver una curva de tensión-deformación de un cristal simple de magnesio. Al bajo esfuerzo de tensión el cristal

se deforma plásticamente y entonces se alarga fácilmente. En la superficie del cristal deformado podremos ver marcas que corren

más o menos continuamente alrededor de la probeta en forma de elipses. Si se observa con muchos aumentos, se reconocen como

una serie de finos escalones que se han formado sobre la superficie.

Como resultado de la fuerza aplicada, los cristales se han cizallado en cierto número de planos paralelos. Cuando ocurre este tipo

de deformación, se dice que el cristal experimenta un “deslizamiento”, las marcas visibles sobre la superficie se denominan “líneas

de deslizamiento”, y el plano cristalográfico sobre el cual ha ocurrido el cizallado se llama “plano de deslizamiento”.

El esfuerzo al cual comienza el flujo plástico de un cristal simple es asombrosamente pequeño cuando se lo compara con la

resistencia de corte teórica de un cristal perfecto (calculada en términos de las fuerzas de cohesión entre átomos).

Se puede obtener una estimación de esta resistencia de la siguiente manera; en la figura que sigue, se muestran en primer lugar

dos planos cristalográficos adyacentes de un cristal hipotético. Un esfuerzo cortante, actuando como se indica por los vectores Ss,

tiende a mover a la izquierda los átomos del plano superior.

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Cada átomo del plano superior se eleva hasta su posición máxima. Esta posición máxima representa un punto de caballete, pues

ahora se promoverá un movimiento continuado hacia la izquierda por las fuerzas que tiran del átomo hacia la cavidad siguiente.

Para alcanzar el punto de caballete, se requiere un movimiento horizontal de cada átomo igual a un radio atómico, el cual

representa el esfuerzo de corte.

Dislocaciones

La explicación entre la discrepancia entre las cargas de deformación aparente y real descansa en el hecho de que los cristales reales

no son perfectos, sino que contienen defectos. El tipo de defecto que hace posible una explicación del bajo límite elástico de los

cristales se denomina “dislocación”. Hay dos orientaciones básicas de una dislocación, la dislocación de “borde y la “helicoidal”.

En la figura que sigue, se muestra como se origina una dislocación de borde sobre un plano cristalográfico de un cristal cúbico

simple. Se puede ver el deslizamiento del plano de átomos de color negro (y su analogía con el deslizamiento de una oruga) cuando

se impone un esfuerzo, de forma tal que al final del esfuerzo aplicado queda en el extremo del cristal una dislocación de borde.

Además, la dislocación representa un defecto que corre completamente a través del crista, desde la parte delantera hasta la

posterior, como se observa en la segunda figura, manifestándose el movimiento por medio de una “línea de dislocaciones”, con

una distancia de un átomo, las cuales, agrupadas en grandes cantidades pueden observarse por microscopía con grandes

aumentos.

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En las figuras que siguen podemos ver una dislocación helicoidal, donde cada cubo representa un átomo del cristal. El plano ABCD

es el plano de deslizamiento. La parte superior del cristal ha sido cizallado por una distancia atómica hacia la izquierda, relativa a la

porción frontal inferior.

La definición “helicoidal” deriva de que los planos del cristal forman una espiral en la línea de dislocación DC. Esto se puede probar

comenzando a trazar una línea continua a partir del punto x en el cristal, en dirección de las flechas. Un circuito del cristal termina

en el punto y, los circuitos continuados terminarán finalmente en z, dibujando una línea helicoidal.

Hay dos tipos de dislocaciones de borde, la dislocación de borde “positiva” y la dislocación de borde “negativa”, de la misma

manera, existen dos tipos de dislocaciones helicoidales, las helicoidal a la “izquierda” y la helicoidal a la “derecha”, como se puede

observar en la figura.

Una dislocación de borde positiva se mueve hacia la izquierda cuando la mitad superior cizallada va hacia la izquierda. Una

dislocación de borde negativa, se mueve hacia la derecha cuando la parte inferior cizallada va hacia la derecha, pero produce

idéntico corte del cristal que la izquierda.

La helicoidal a la derecha se mueve hacia adelante y la helicoidal a la izquierda hacia atrás, produciendo también el mismo corte de

la red.

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Imágenes de la izquierda: de arriba hacia abajo: representación de una línea de dislocación en la estructura y la distorsión de que produce en los

cristales, dislocación helicoidal vista desde dos perspectivas. Imagen de la derecha: analogía entre el movimiento de una dislocación a través de

un cristal y el movimiento de una oruga conforme arquea su parte posterior mientras avanza.

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Unidad 5: Fases y aleaciones

Fases: dos elementos químicos (Cu-Ni; alcohol-agua) aleados o disueltos de forma homogénea en estado líquido forman una fase

líquida.

Que sea una solución homogénea significa que en la fase líquida ambos elementos se encuentran distribuidos uniformemente en la

masa metálica y no pueden diferenciarse ambos elementos por separado.

Cuando la aleación en estado líquido solidifica, puede suceder que se forme un solo tipo de cristales o estructura, en dicho caso se

habla de una sola fase sólida (estructura fcc en el caso del Cu-Ni).

Estructura cristalina de la aleación Cu-Ni

Ciertos metales, como por ejemplo el hierro y el estaño, son polimorfos (alotrópicos) y cristalizan en varias estructuras, cada una

estable en una zona de temperatura diferente. En este caso, cada estructura cristalina define a una fase separada, por lo que los

metales polimorfos son capaces de existir en más de una fase sólida.

¿Qué es una aleación?

Una aleación es una sustancia compuesta por más de un elemento químico, del cual al menos uno de ellos es un metal. Y se define

un sistema de aleación como aquel que contiene todas las aleaciones que pueden formarse con varios elementos combinados en

cualquier proporción posible. Cuando el sistema lo componen dos elementos se denomina sistema de aleación binario, si hay tres

sistema de aleación ternario, etc. De aquí se deduce fácilmente que el número de combinaciones aumenta con el número de

elementos de un sistema, y dado a que las aleaciones comerciales poseen un gran número de elementos, el número de aleaciones

posibles es casi infinito.

Clasificación de las aleaciones

Las aleaciones se clasifican según su estructura en homogéneas y mezclas. Se dice que una aleación es homogénea cuando está

formada por una única fase (entendida esta como toda parte homogénea de un sistema diferenciable físicamente de las demás).

Las aleaciones serán mezclas cuando estén constituidas por más de una fase. Toda parte visible al microscopio y que físicamente

sea distinta de las demás se considera una fase. En el caso de los elementos puros las fases coinciden con los distintos estados, así

podemos hablar de fase sólida, líquida y gaseosa e incluso los distintos alótropos son fases distintas pues poseen distinta estructura

y son físicamente diferenciables.

En el estado sólido pueden presentarse tres fases distintas: metales puros, compuestos químicos, compuestos intermetálicos y

soluciones sólidas. Si una aleación es homogénea sólo puede ser o una solución sólida o un compuesto químico, mientras que si es

una mezcla puede estar formada por cualquier combinación de las tres fases que pueden darse en estado sólido, por ejemplo,

puede estar formada por dos soluciones sólidas o por una solución sólida y un metal puro, o por una solución sólida y un

compuesto, etc.

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Metales puros

La principal característica de los metales puros es el de poseer un punto de solidificación o fusión fijo. Esto es así si el enfriamiento

se realiza muy lentamente para que las transformaciones tengan tiempo de realizarse. La curva de enfriamiento de un metal puro

es la que se presenta a continuación:

Temperatura

Fase líquida

Punto de fusión

Fase sólida

Tiempo

Curva de enfriamiento ideal de un metal sólido

Compuestos químicos

Los compuestos químicos son un tipo especial de solucione sólidas, y para su estudio vamos a comenzar recordando algunos

principios de los compuestos químicos en general.

Los compuestos químicos en general están formados por elementos de valencia opuestas, cuya proporción viene determinada por

la fórmula química, ejemplo de ellos pueden ser el agua y el cloruro sódico. La unión entre ellos se produce por enlaces fuertes por

lo que es difícil la separación de los átomos que los constituyen.

Las propiedades del compuesto químico son distintas a las de los átomos por separado, así si tomamos el caso del cloruro sódico

(sal común), mientras que el cloro es un gas muy reactivo y nocivo, y el sodio es un metal muy reactivo que se oxida fácilmente, el

cloruro sódico es un compuesto inocuo de gran importancia. Luego, como puede verse, al combinarse los elementos estos dejan de

existir como elementos individuales, y dan origen al compuesto químico que tiene unas características físicas y mecánicas propias y

unas propiedades químicas distintas.

La mayoría de los compuestos poseen también un punto de solidificación definido, dentro de unos estrechos márgenes de

temperaturas, igual que los metales puros. Luego la curva de enfriamiento sería la misma que vimos anteriormente.

Las fases de compuestos químicos que pueden darse son: compuestos intermetálicos o de valencia, compuestos intersticiales y

compuestos electrónicos.

Compuestos intermetálicos o de valencia:

Están formados generalmente por metales químicamente distintos, y su combinación obedece a las reglas de la valencia química.

Presentan enlaces fuertes (iónicos – covalentes) y sus propiedades son normalmente similares a las de los materiales no metálicos,

como es poca ductilidad y conductividad eléctrica baja, cristalizando en estructuras complejas. Algunos compuestos intermetálicos

son: CaSn, Mg2Pb, Mg2Sn y Cu2Se.

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Año 2011 43

Compuestos intersticiales:

En este grupo se encuentran los compuestos que forman los metales de transición (Sc, Ti, Ta, W, Fe), con elementos como el

hidrógeno, oxígeno, carbono, boro y nitrógeno. Como la palabra indica los átomos de estos últimos elementos, que son de

pequeño tamaño se sitúan en los huecos o intersticios de la red cristalina. Éstos también pueden formar soluciones sólidas

intersticiales, que veremos posteriormente, y cuya diferencia con éste grupo es que los solutos están en mucha menor proporción.

Los compuestos intersticiales tienen un carácter netamente metálico, una composición variable dentro de unos estrechos

márgenes, puntos de fusión elevados y presentan una gran dureza. Dentro de éste grupo tenemos: TiC, TaC, Fe2N, Fe3C, W2C, CrN y

TiH. Como veremos más adelante muchos de éstos compuestos mejoran las propiedades de los aceros de temple y de las

herramientas de carburo cementadas.

Soluciones sólidas

Toda solución está formada por un soluto y un disolvente, siendo éste último el que se encuentra en mayor proporción. Los

componentes de una solución, soluto y disolvente, pueden ser tanto sólidos como líquidos como gaseosos. De aquí que aunque

cuando hablamos de soluciones, pensemos en el agua como disolvente principal y en algún compuesto sólido como soluto, sea

posible que la solución esté constituida por dos elementos sólidos que formen la misma red.

La cantidad de soluto que puede disolver un disolvente aumenta con la temperatura.

En función de la cantidad de soluto presente en el disolvente las soluciones se dividen en: insaturadas, saturadas y sobresaturadas.

Se dice que una solución es insaturada cuando la cantidad de soluto que contiene es inferior al máximo, será saturada si la cantidad

de soluto que contiene es la máxima que es capaz de solubilizar a esa temperatura, y será sobresaturada si la cantidad de soluto

sobrepasa el máximo. Se puede obtener una solución sobresaturada realizando alguna acción mecánica, como puede ser el simple

hecho de agitar una solución, o bien impidiendo por un enfriamiento desde una temperatura alta, que se alcance las condiciones

de equilibrio. Ahora bien una solución sobresaturada es inestable y por tanto con el tiempo (maduración natural), o con un

pequeño aporte energético (maduración artificial), tiende a ser saturada, depositándose o precipitándose el exceso de metal.

Las soluciones sólidas son soluciones en estado sólido, que están formadas principalmente por dos tipos de átomos distintos

combinados en una misma red espacial. En la mayoría de las soluciones sólidas la solidificación se produce en un intervalo de

temperaturas, en lugar de a una temperatura fija como se produce en el caso de los metales puros. Las soluciones sólidas pueden

ser de dos tipos: Soluciones sólidas por sustitución, denominadas soluciones sólidas sustitucionales, y por inserción, denominadas

soluciones sólidas intersticiales.

Soluciones sólidas sustitucionales:

En estas soluciones sólidas el soluto ocupa algunas posiciones de la red cristalina del disolvente, es decir, los átomos de soluto

sustituyen a los átomos de disolvente. La figura muestra una estructura FCC en la que se observa como los átomos de soluto

sustituyen a los de disolvente en la red cristalina. La red del disolvente permanece inalterada, aunque se distorsiona debido a la

diferencia del tamaño atómico. Así cuando la diferencia de tamaño es grande pueden darse distorsiones de gran importancia.

Cuando el átomo de soluto es mayor que el del disolvente, la red experimenta una dilatación y, en caso contrario experimenta una

contracción.

Soluciones sólidas intersticiales:

En las soluciones intersticiales los átomos de soluto se colocan en los intersticios de la red cristalina del disolvente, por lo que los

átomos que ocupan estos huecos tienen que ser de pequeño tamaño, siendo los únicos que pueden formar estas soluciones el

hidrógeno, el boro, el carbono, el nitrógeno y el oxígeno.

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Este tipo de soluciones difieren de los compuestos intersticiales en que el número de átomos de menor tamaño que necesitan para

formar el compuesto es siempre mayor de los que se pueden disolver en los intersticios de la red. Cuando la cantidad de soluto es

pequeña y la diferencia de radios de los constituyentes presenta un valor adecuado, se forman estas soluciones sólidas

intersticiales. En las soluciones sólidas el soluto tiene una alta movilidad, pudiéndose desplazar de unos intersticios a otro, mientras

que si el número de átomos de soluto es superior a la de la solución saturada se dificulta mucho el movimiento atómico y se

favorece la formación del compuesto intersticial.

La formación de éste tipo de soluciones sólidas va acompañada siempre de una dilatación de la red cristalina del disolvente. La

mayor solubilidad la determina el tamaño del elemento que se introduce, y el tamaño del hueco intersticial de la red cristalina. Así

mientras que el hierro α, sólo es capaz de solubilizar un 0.025% de carbono a 727ºC, el hierro γ, es capaz de solubilizar hasta un 2%

a 1138ºC. Esto es debido, a que el hueco intersticial en el Fe α, BCC, es más pequeño que el del Fe γ, FCC.

Estructura cúbica centrada en las caras, en la cual se ha producido la disolución del átomo B de dos maneras: Izquierda, solución sólida

sustitucional (átomo B en menor cantidad: soluto; átomo A en mayor cantidad: disolvente. Derecha, solución sólida intersticial (átomo B: soluto;

átomo A: disolvente).

Diagramas de equilibrio de fases

Sistema de un componente

Para una sustancia pura es común determinar experimentalmente un diagrama temperatura vs presión llamado diagrama de fase,

tal como el mostrado en la figura. Este diagrama cubre todos los posibles cambios de fase del elemento y se realiza determinando

la fase presente después de que se alcanzó el equilibrio, bajo diferentes combinaciones de temperatura y presión. Es importante

señalar que el diagrama de fase predice la fase que estará en equilibrio termodinámico bajo una determinada combinación de

valores de presión y temperatura pero no indica la velocidad a la que se producirán los cambios de fase al pasar de un punto a otro.

Como ya fue mencionado en puntos anteriores los problemas de nucleación pueden retrasar las transformaciones y ocasionar que

el sistema se mueva por las líneas metaestables (a trazos).

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Sistemas de dos componentes

Al tratar con sistemas de dos componentes se agrega un nuevo parámetro que es la concentración relativa, por lo que el diagrama

de fase debería ser en tres dimensiones, para evitarlo y poder seguir trabajando en dos dimensiones se fija la presión,

normalmente a un valor de una atmósfera (ver en tema “Regla de las fases de Gibbs”).

Así como los metales puros solidifican a temperatura constante, en las aleaciones no sucede en general así y sólo las que

corresponden a la composición eutéctica solidifican a temperatura constante. Las demás aleaciones solidifican a temperatura

decreciente, empezando a una temperatura y terminando a otra inferior, dependiendo estas temperaturas de la concentración y la

composición química. Aunque los diagramas de solidificación de sistemas de dos componentes pueden presentar configuraciones

muy diversas, todos se derivan de tres tipos generales que corresponden a las tres posibilidades de formación de aleaciones que ya

fueron mencionadas anteriormente.

1º caso: diagrama de equilibrio de solubilidad total

Si dos metales A y B, solubles en estado líquido, son solubles también en estado sólido, se forman cristales mixtos de solución

sólida en las que los átomos de A y B estarán entremezclados en la red del metal A o la del B, según sea el disolvente. Tal como lo

muestra el diagrama de la figura, la solidificación no se opera a temperatura constante, sino que empieza a una temperatura

inferior a la del metal de más alto punto de fusión y termina a una superior a la del de más bajo punto de fusión. Así pues, si la

temperatura de solidificación del metal A es θA, y la de B, es θB, una aleación de composición química fija Im, con un determinado

% de B disuelto en A empezará a solidificar a la temperatura θ1 < θA y terminará a la temperatura θ2 > θB. La línea L, línea de

“líquidus”, representa todas las temperaturas de principio de solidificación de las aleaciones A-B, y la S, línea de “sólidus”, las de fin

de solidificación. Cualquier aleación a una temperatura por encima de la línea L se halla en estado líquido, y cualquiera por debajo

de S se halla en estado sólido. Entre S y L, la aleación se halla parte en estado líquido y parte en estado sólido.

Es importante tener en cuenta que, tanto la composición del sólido que se va formando como la del líquido remanente, varían a lo

largo de la solidificación. Si el proceso se realiza tan lentamente como para suponer que se mantiene permanentemente el estado

de equilibrio del sistema, es posible conocer la composición del sólido y del líquido a cada temperatura. Esto se consigue trazando

una línea horizontal por la temperatura a la que se encuentra el sistema de manera que corte a la línea de sólidus y de líquidus. Las

abscisas de los puntos de intersección encontrados determinan la composición del sólido y del líquido respectivamente (ver en

tema “Regla de la Palanca”).

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2º caso: diagrama de equilibrio de insolubilidad total

La aleación de dos metales que, siendo solubles en estado líquido, se hacen insolubles al solidificar, tampoco solidifica a

temperatura constante, sino que empieza a solidificar el de más alto punto de fusión primero, a temperatura comprendida entre θA

y θB, y tanto más próximo a θB cuanto mayor es la concentración de B, y sólo cuando ha solidificado totalmente, solidifica el de más

bajo punto de fusión, efectuándolo a temperatura constante. Su diagrama será de la forma que se indica en las figuras que siguen.

La aleación de composición química constante Im de un determinado % del elemento B disuelto en A empieza a solidificar a la

temperatura θ1, formando granos cristalinos de metal A conforme se enfría hasta θ2, en cuyo instante ha terminado la solidificación

de A, solidificando entonces el líquido residual B a temperatura constante θ2 = θB, formando cristales de B. La aleación solidificada

tendrá dos constituyentes: cristales A + cristales B en la proporción de m % de B. En los casos de insolubilidad es frecuente que se

forme un eutéctico. Si el punto E es la concentración del eutéctico y θE su temperatura de solidificación el diagrama tomará la

forma que se muestra en la segunda figura. Una aleación tal como la Im empieza a solidificar a θ1<θA, formando cristales de A, y

continúa así enfriándose hasta θ2 = θE. Solidificado ya todo el metal A, solidificará a temperatura constante el líquido residual que

formará todo el eutéctico E constituido por cristales entremezclados de metal A y metal B en la proporción de porcentaje eutéctico

E. La aleación IIm solidificará análogamente, pero empezando a solidificar el metal B desde θ3 < θB hasta θ4 = θE y terminando por la

solidificación del eutéctico de A y B a la temperatura θE constante. Finalmente una aleación IIIe de concentración E de B solidifica

formando el eutéctico E (metal A + metal B), efectuándolo a temperatura constante, siendo además la que solidifica a temperatura

más baja entre todas las aleaciones A-B.

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3º caso: diagrama de solubilidad parcial

Dos metales A y B que, solubles en estado líquido, sólo lo son parcialmente en estado sólido, tendrán en este estado un límite de

saturación de porcentaje mm` de B en A. Con menos de esta dosificación se formará una solución sólida (A-B). Con más de m % de

B, el metal en exceso será insoluble y o bien solidificará independiente del A, o, como es más corriente, formará un eutéctico. En el

primer caso el diagrama toma la forma de la figura que sigue. La línea de líquidus es la AB, y la de sólidus, la Am’B. Las aleaciones

con menos de m % de B, como la I, empiezan a solidificar la una temperatura θ1 < θA formando cristales de solución sólida α de (A-

B), y terminan la solidificación en θ2 = θB. Es decir solidifican como una solución sólida normal del primer caso y la aleación

solidificada queda constituida sólo por cristales de solución sólida. Si la aleación contiene una dosificación en B mayor del límite de

saturación m %, tal como la II, la aleación empezará a solidificar a temperatura θ3 < θA formando cristales de solución sólida α ,

hasta que al llegar a la temperatura θ4 = θB ha solidificado toda la solución sólida α, saturada, es decir αm , y el líquido residual será

sólo metal B en exceso que, como se halla a su temperatura de solidificación, solidificará, quedando la aleación sólida constituida

por solución sólida αm + metal B.

Si se forma un eutéctico, es lo normal que haya que considerar dos límites de saturación de soluciones sólidas: el m% de B, que

corresponde a soluciones sólidas α de B en A (átomos de B intercalados en la red de A), y el n % de B, que corresponde a soluciones

sólidas β de A en B (átomos de A intercalados en la red de B). El eutéctico se forma con las dos soluciones sólidas saturadas (αm +

βn) con una dosificación E % de B fija en todo el sistema. El diagrama presenta la configuración de la figura que sigue. Siendo la

línea de líquidus la AEB y la de sólidus, la Am’En’B.

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Diagramas de fases binarios de solubilidad total:

Si realizamos un diagrama donde las variables sean las composiciones de los 2 elementos de aleación (por ejemplo Cu-Ni), en

función de la temperatura, se obtiene un gráfico de las siguientes características:

Construcción del diagrama mediante curvas de enfriamiento:

Si a partir de la aleación líquida de una composición química definida, trazamos curvas con la temperatura en función del tiempo

durante su enfriamiento, obtenemos las curvas de enfriamiento de cada aleación de una composición química definida:

Si abarcamos distintas composiciones químicas y realizamos las curvas de enfriamiento correspondientes a cada una de esas

composiciones, podemos reproducir dichos resultados formando un diagrama de equilibrio de fases:

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Regla de la palanca:

Se puede utilizar una isoterma para determinar la composición de ambos elementos en las distintas temperaturas del diagrama.

El punto donde una dada isoterma corta la curva de líquidus y de sólidus indica las composiciones de las fases líquida y sólida

respectivamente. Si, además de la composición química de las fases, se desea conocer la cantidad relativa de cada fase a cierta

temperatura, se utiliza un cálculo conocido como la regla de la palanca:

- Para calcular la cantidad de una fase a determinada temperatura se construye una palanca sobre la isoterma, con el punto de

apoyo en la composición original de la mezcla (60% Cu – 40% Ni).

- La cantidad de una fase se calcula dividiendo la longitud del brazo opuesto de la palanca por la longitud total de la misma (x100 lo

expresa en porcentaje):

% de fase = L brazo opuesto x 100

L total isoterma

Ejercicio:

Sobre el siguiente gráfico correspondiente a la aleación Cu – Ni, se pide:

a) Determinar la composición de la fase líquida para una aleación con un contenido de Ni de 60% a una temperatura de 1320 ºC.

b) Calcular las cantidades relativas de los elementos de aleación en la fase líquida para las condiciones dadas.

c) Determinar la composición química de la fase sólida y las cantidades relativas de los elementos de aleación en las condiciones

dadas.

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Año 2011 50

Solución:

1- Se ubica el punto O correspondiente a la composición 60% Ni y temperatura 1320 ºC.

2- La intersección de la isoterma con la línea de líquidus del diagrama nos dará la composición química de la fase líquida en dichas

condiciones (punto A); (Ni = 52,5%); (Cu = 100% - 52,5% = 47,5%).

3- La intersección de la isoterma con la línea de sólidus del diagrama nos dará la composición química de la fase sólida en dichas

condiciones (punto B); (Ni = 65,6%); (Cu = 100% - 65,6% = 34,4%).

4- Para obtener las composiciones relativas de de los elementos en la fase líquida y en la fase sólida, se aplica la regla de la palanca:

% de fase líquida = (OB/AB).100% = [(BC - OC)/(BC - AC)].100% =

= [(65,6% - 60%)/(65,6% - 52,5%)].100% = (5,6%/13.1%).100% = 42,75%

% de fase sólida = (OA/AB).100% = [(OC - AC)/(BC - AC)].100% =

= [(60% - 52,5%)/(65,6% - 52,5%)].100% = (7,5%/13.1%).100% = 57,25%

Regla de las fases de Gibbs:

Esta regla nos define los grados de libertad que posee el sistema dependiendo del tipo de variables que consideremos (presión,

temperatura o composición química). Establece la siguiente relación:

F = C - P + 2

F = número de grados de libertad

C = número de componentes

P = número de fases presentes

2 = es el número de variables de estado del sistema (temperatura y presión)

En los casos experimentales que nosotros trataremos, el efecto de la variación de la presión es despreciable, así establecemos que:

P = 1 atm = constante durante todo el experimento. Así, la regla de las fases queda establecida para nuestros propósitos empíricos

como:

F = C - P + 1

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Veamos con un ejemplo utilidad de esta ecuación:

1- Si tenemos un metal puro y nos situamos en su punto de fusión (punto O): C = 1 (Ni puro), P = 2 (sólido + líquido).

F = 1 – 2 + 1 = 0

- Con lo que podemos deducir que el punto de fusión es un punto fijo o invariante, que se da a una temperatura y presión fijas.

2- Si nos situamos en el punto donde coexisten dos fases (puntos B, C, D): C = 2 (Ni + Cu), P = 2 (sólido + líquido)

F = 2 -2 + 1 = 1

- Tenemos un único grado de libertad, es posible mantener la microestructura de 2 fases mientras se modifica la temperatura del

material (en un rango limitado) o de forma independiente a la temperatura, si se modifica la composición (en un rango limitado).

3- Cuando nos situamos en la región donde hay una sola fase (punto A, E): C = 2 (Ni + Cu), P = 1 (fase líquida ó fase sólida)

F = 2 – 1 + 1 = 2

- Tenemos dos grados de libertad, es decir, podemos variar tanto la temperatura como la composición en un rango limitado

manteniendo la microestructura.

Difusión y mecanismos de difusión

Consideraciones sobre la difusión en sólidos

La difusión puede ser definida como el mecanismo por el cual la materia es transportada por la materia. Los átomos de gases,

líquidos y sólidos están en constante movimiento y se desplazan en el espacio tras un período de tiempo. En los gases, el

movimiento de los átomos es relativamente veloz, tal efecto se puede apreciar por el rápido avance de los olores desprendidos al

cocinar o el de las partículas de humo. En los líquidos, los átomos poseen un movimiento más lento, esto se pone en evidencia en el

movimiento de las tintas que se disuelven en agua líquida. El transporte de masa en líquidos y sólidos se origina generalmente

debido a una combinación de convección (movilización de fluido) y difusión. En los sólidos, estos movimientos atómicos quedan

restringidos (no existe convección), debido a los enlaces que mantienen los átomos en las posiciones de equilibrio, por lo cual el

único mecanismo de transporte de masa es la difusión. Sin embargo, las vibraciones térmicas que tienen lugar en sólidos permiten

que algunos átomos se muevan. La difusión de éstos en metales y aleaciones es particularmente importante si consideramos el

hecho de que la mayor parte de las reacciones en estado sólido llevan consigo movimientos atómicos; como ejemplo se pueden

citar la formación de núcleos y crecimiento de nuevos granos en la recristalización de un metal trabajado en frío, la difusión del

carbono en tratamientos térmicos de cementación, la precipitación de una segunda fase a partir de una solución sólida, etc.

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Año 2011 52

Mecanismos de difusión

1. Mecanismo de difusión por vacantes o sustitucional

Los átomos pueden moverse en las redes cristalinas desde una posición a otra si hay presente suficiente energía de activación,

proporcionada ésta por la vibración térmica de los átomos, y si hay vacantes u otros defectos cristalinos en la estructura para que

ellos los ocupen. Las vacantes en los metales son defectos en equilibrio, y por ello algunos están siempre presentes para facilitar

que tenga lugar la difusión sustitucional de los átomos. Según va aumentando la temperatura del metal se producirán más vacantes

y habrá más energía térmica disponible, por tanto, el grado de difusión es mayor a temperaturas más altas.

2. Mecanismo de difusión intersticial

La difusión intersticial de los átomos en redes cristalinas tiene lugar cuando los átomos se trasladan de un intersticio a otro

contiguo al primero sin desplazar permanentemente a ninguno de los átomos de la matriz de la red cristalina. Para que el

mecanismo intersticial sea efectivo, el tamaño de los átomos que se difunde debe ser relativamente pequeño comparado con el de

los átomos de la matriz. Los átomos pequeños como los de hidrógeno, carbono, oxígeno y nitrógeno, pueden difundirse

intersticialmente en algunas redes cristalinas metálicas. Por ejemplo, el carbono puede difundirse intersticialmente en hierro alfa

BCC y hierro gamma FCC. En la difusión intersticial de carbono en hierro, los átomos de carbono deben pasar entre los átomos de la

matriz de hierro.

Energía de activación para la difusión

Un átomo que se difunde debe moverse entre los átomos circundantes para ocupar su nueva posición.

El átomo debe atravesar una barrera de energía potencial que requiere una energía de activación Q. El calor proporciona al átomo

la energía para vencer esta barrera.

Normalmente se necesita menos energía para forzar un átomo intersticial a que pase entre los átomos circundantes; en

consecuencia, la energía de activación es menor en la difusión intersticial que en la difusión por vacancias.

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Año 2011 53

Unidad 6: Diagrama hierro-carbono y estructuras metalográficas

Diagrama Hierro-Carbono (Fe-C)

Constituyentes estructurales de los aceros (según el diagrama Fe-C)

Austenita Ferrita Cementita Perlita

Está formado por una solución

sólida de inserción de C en el

Fe. Sólo es estable a

temperaturas superiores a A1

(723ºC), desdoblándose (por

reacción eutectoide) a

temperaturas inferiores en

ferrita y cementita.

La austenita es deformable,

poco dura, presenta gran

resistencia al desgaste, no es

magnética y es el

constituyente más denso de

los aceros.

Está formado por una

solución sólida de

inserción de C en Fe. Es

el constituyente más

blando y maleable de los

aceros.

Es carburo de hierro, Fe3C, es un

compuesto intermetálico. Es muy

frágil y duro.

Está formada por una mezcla

eutectoide de dos fases, ferrita

y cementita. Su estructura está

constituida por láminas

alternadas de ferrita y

cementita.

Las propiedades mecánicas de

la perlita son intermedias entre

las de la ferrita y la cementita.

Es más dura y resistente que la

ferrita, pero más blanda y

maleable que la cementita.

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Clasificación SAE de los aceros

La inmensa variedad de aceros que pueden obtenerse por los distintos porcentajes de carbono y sus aleaciones con elementos

como el cromo, níquel, molibdeno, vanadio, etc., ha provocado la necesidad de clasificar mediante nomenclaturas especiales, que

difieren según la norma o casa que los produce para facilitar su conocimiento y designación.

La SAE (Society of Automotive Engineers) emplea, a tal fin, números compuestos de cuatro o cinco cifras, según los casos, cuyo

ordenamiento caracteriza o individualiza un determinado acero.

El significado de dicho ordenamiento es el siguiente:

Primera cifra 1 caracteriza a los aceros al carbono

Primera cifra 2 caracteriza a los aceros al níquel

Primera cifra 3 caracteriza a los aceros al cromo-níquel

Primera cifra 4 caracteriza a los aceros al molibdeno

Primera cifra 5 caracteriza a los aceros al cromo

Primera cifra 6 caracteriza a los aceros al cromo-vanadio

Primera cifra 7 caracteriza a los aceros al tungsteno

Primera cifra 9 caracteriza a los aceros al silicio-manganeso

Para aceros al manganeso la característica resulta: 13xx

En los aceros simples (un solo elemento predominante), las dos últimas cifras establecen el porcentaje medio aproximado de C en

centésimo del 1%, cuando el tenor del mismo no alcanza al 1%. Por último, la cifra intermedia indica el porcentaje o, en forma

convencional, el contenido preponderante de la aleación, tal el caso de los aceros al Cr-Ni, en los que la segunda cifra corresponde

al % de Ni.

Mediante el número SAE, los aceros al carbono, de hasta 1% de C, pueden ser fácilmente identificados; así un SAE 1025 indica:

Primera cifra 1 indica acero al carbono

Segunda cifra 0 indica ningún otro elemento de aleación predominante

Últimas cifras 25 indica 0,25% de carbono medio aproximado

La composición química porcentual de los aceros que corresponden a esta designación es:

C = 0,22-0,28 %; Mn = 0,30-0,60 %; S = 0,05 % máx.; P = 0,04 % máx.

Donde puede observarse que el manganeso (Mn), azufre (S) y el fósforo (P) no son considerados como factores capaces de dotar a

la aleación de propiedades especiales, por no alcanzar el porcentaje mínimo de 1,5 %, 0,08 % y 0,1 %, respectivamente, requerido

para ello.

Para ampliar la gama de aceros posibles de clasificar, la SAE los determina, en algunos casos, con cinco cifras, de manera que la

segunda y la tercera indiquen el porciento del elemento preponderante; así por ejemplo: el acero SAE 71660 resulta al tungsteno

con 16 % de W (15 al 18 %) y 0,60 % de C (0,50 al 0,70 %).

Aclaramos que, si bien la primera cifra (elemento que le da su nombre a la aleación de acero) y las dos últimas (tenor de carbono)

cumplen casi rigurosamente con lo indicado precedentemente, no ocurre lo mismo con la intermedia (segunda y tercera si son

cinco), debido a que por necesidad o conveniencia se las elige, algunas veces, en forma arbitraria y de manera que el número

completo defina perfectamente a un tipo de acero.

En la clasificación SAE se han determinado a los metales de mayor uso en automotores; es por ello que los aceros al carbono sólo

tienen designación convencional para aquellos de hasta 1 % y los cuaternarios (Cr-Ni, Cr-Mo, etc.) y complejos (Cr-Ni-Mo, etc.) no

responden en sus números, a los vistos, como se verifica en la tabla y ejemplos siguientes.

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Al Carbono Comunes o no aleados 10xx

Corte rápido 11xx

Manganeso 1,75 % Mn 13xx

Níquel

3,5 % Ni 23xx

5 % Ni 25xx

Cromo-Níquel 1,25 % Ni; 0,65-0,80 % Cr 31xx

3,5 % Ni; 1,55 % Cr 33xx

Resistentes al calor y a la corrosión 303xx

Molibdeno 0,25 % Mo 40xx

Cromo-

Molibdeno

0,5-0,95 % Cr; 0,20-0,25 % Mo 41xx

Níquel-

Molibdeno

1,55-1,8 % Ni; 0,2-0,25 % Mo 46xx

3,5 % Ni; 0,25 % Mo 48xx

Níquel-Cromo-

Molibdeno

1,8 % Ni; 0,5-0,8 % Cr; 0,25 %Mo 43xx

0,55 % Ni; 0,5 % Cr; 0,2 %Mo 86xx

0,55 % Ni; 0,5 % Cr; 0,25 %Mo 87xx

3,25 % Ni; 1,2 % Cr; 0,12 %Mo 93xx

0,45 % Ni; 0,4 % Cr; 0,12 %Mo 94xx

0,55 % Ni; 0,17 % Cr; 0,2 %Mo 97xx

1 % Ni; 0,8 % Cr; 0,25 %Mo 98xx

Cromo Bajo Cr: 0,27 y 0,65 % Cr 50xx

Bajo Cr: 0,8; 0,95 ó 1,05 % Cr 51xx

Bajo Cr: 0,5 % Cr 501xx

Mediano Cr: 1 % Cr 511xx

Alto Cr: 1,45 % Cr 521xx

Resistente al calor y a la corrosión 514xx

515xx

Cromo-Vanadio 0,95 % Cr; 0,15 % mín V 61xx

Silicio-

Manganeso

1,4 y 2 % Si; 0,65 y 0,85 % Mn 92xx

Aceros fundidos Resistentes a la corrosión 60xxx

Resistentes al calor 70xxx

Al carbono con bajo % de aleación 0x0

00xx

Alta resistencia mecánica 01xx

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Metalografía

Son las técnicas que permiten observar visualmente la estructura de los materiales; suele emplearse el término “Materialografía”;

más genérico, por cuanto incluye también a otros materiales no metálicos.

La observación visual puede efectuarse:

Directamente: Examen Macrográfico.

Utilizando un Microscopio Óptico: Metalografía Óptica.

Utilizando un Microscopio Electrónico: Metalografía Electrónica.

Examen macrográfico

- Se emplean pocos aumentos (menos de 20).

- Se observan grandes áreas de la pieza.

- La finalidad del examen macrográfico es detectar porosidades, rechupes, grietas, inclusiones, pliegues, sentidos de laminación

y forja, soldaduras, etc.

Técnicas de ensayos macrográficos

- Los ensayos macrográficos se realizan de dos maneras:

1- Sin preparación superficial, es decir, observando la pieza tal cual se encuentra para su análisis. Con ellos podemos analizar fallas,

fracturas, tamaño de grano, etc. Algunos ejemplos se pueden observar en las macrofotografías que siguen:

2- Mediante el corte de la sección a observar, preparación de la superficie y generalmente atacada con un reactivo que permite

poner de manifiesto la zona de análisis. De esta forma, podemos analizar inclusiones, dirección de fibras de deformación, tamaño

de grano, fallas y grietas, soldaduras, etc. El reactivo generalmente utilizado para los aceros al carbono es el ácido clorhídrico al

50% a temperaturas entre 40 y 70ºC. Algunos ejemplos de observación se muestran en las siguientes fotografías:

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Micrografía óptica

- El examen de la microestructura se utiliza para:

• Determinar si un metal o aleación satisface las especificaciones en relación a trabajos mecánicos (forja, trefilado,

extrusión, etc.)

• Evaluar la estructura obtenida por tratamientos térmicos.

• Determinar la composición química y composición en general (constituyentes, inclusiones, sulfuros, óxidos, precipitados).

• Se utiliza para analizar las fallas metálicas y para controlar procesos industriales en general.

Para el estudio de la estructura microscópica se necesita una preparación muy cuidadosa de la superficie. El procedimiento de

preparación de la superficie es básicamente el mismo para ambos ensayos metalográficos (microscópico y macroscópico). Los

cuatro pasos básicos que se requieren para preparar la superficie para su observación son:

1) Corte u obtención de la muestra

2) Montaje de la probeta

3) Desbaste y pulido

4) Ataque

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Año 2011 58

Los pasos a seguir en el procedimiento de preparación es el mismo para todos los materiales difiriendo solo las herramientas de

corte y el grado de finura de los papeles de esmeril, según la dureza del material. El reactivo de ataque a utilizar depende del tipo de

aleación.

1) Corte u obtención de la muestra

Pueden realizarse mediante:

- Corte por Sierra.

- Corte por Disco Abrasivo (con refrigeración).

Izquierda: identificación de la orientación de la muestra a obtener. Derecha: máquina de corte y diferentes discos de corte.

2) Montaje de la probeta

Si la muestra que va a examinarse es lo suficientemente grande como para que pueda sujetarse bien con la mano, no es necesario

montarla. No obstante, la mayoría de las veces la muestra es demasiado pequeña como para que pueda sostenerse

mientras se esmerila o pule. El montaje puede efectuarse de varias maneras:

• Con sujetadores mecánicos.

• Con una resina epóxica de dos compuestos, que se solidifican después de que se mezclan.

• Con resinas termoplásticas transparentes o coloridas (baquelita). Las cuales endurecen por la acción combinada de la

temperatura y la presión.

• Con resinas fenólicas transparentes o coloreadas que endurecen al aire.

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3) Desbaste y pulido

El desbaste se divide en dos partes:

• Desbaste grueso, con lijas gruesas de grano 80, 120, 160. Se emplean bandas mecánicas, discos o de forma manual, con o sin la

ayuda de agua.

• Desbaste fino, con lijas que van desde 180 a 1500 granos por pulgada cuadrada. Se realiza manualmente o por discos,

dispositivos cuentan con superficies lisas para apoyar las lijas y se produce lubricación con agua.

Técnica: se comienza desde la lija con granos más gruesos y se avanza hacia los granos más finos. El desbaste se produce

alternando el pasaje de cada lija con un movimiento de 90º de la probeta. De esta forma se eliminan las rayas producidas por la lija

anterior.

Defectos producidos por un mal desbaste.

• El Pulido, se puede realizar de dos maneras:

a) Pulido mediante paños de distintos materiales (pelos, sedas, tejidos, terciopelo, pana, etc.). Donde el pulido se realiza usando

distintos materiales abrasivo como ser: óxido de aluminio (alúmina), óxido de magnesio, polvo de diamante, oxido de cromo, oxido

de hierro; que se utilizan dependiendo de la dureza y composición del material a pulir.

b) Pulido electrolítico, el cual se realiza en una cuba o recipiente donde circula una corriente continua a través de un electrolito o

medio ácido conductor y un cátodo de material inerte. La probeta o muestra se conecta en el polo positivo (ánodo) y se pule por

desgaste electroquímico.

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4) Ataque

• Permite poner en evidencia la estructura del metal o aleación.

• Existen diversos métodos de ataque pero el más utilizado es el ataque químico.

• Puede hacerse sumergiendo la muestra con la cara pulida hacia arriba en un reactivo adecuado, o pasar sobre la cara pulida un

algodón embebido en dicho reactivo, luego se lava la probeta con agua, se enjuaga con alcohol y se seca en corriente de aire

caliente.

• El fundamento se basa en que el constituyente metalográfico de mayor velocidad de reacción se ataca más rápido y se verá

más oscuro al microscopio, y el menos atacable permanecerá más brillante, ya que reflejará más luz.

Fundamento de la observación de la probeta en el microscopio óptico.

Examen microscópico

La muestra a observar se coloca en la placa de un microscopio metalúrgico, de modo que la superficie sea perpendicular

al ojo óptico. Puede observarse con ampliaciones diferentes y elegir la adecuada. Generalmente se comienza con pequeños

aumentos (50x o 100x) y luego se avanza hacia mayores aumentos en las zonas de interés (500x o 1000x).

Nota: la probeta se observa primero antes de ser atacada por el reactivo químico.

Microscopio óptico

Principio de funcionamiento: El haz luminoso del microscopio producido por el filamento (1) atraviesa una serie de lentes (2-4).

El diafragma (3) permite regular la cantidad de luz. El diafragma de campo (5) reduce las reflexiones parásitas. Se

refleja en el espejo (6), atraviesa el objetivo (7) e incide sobre la muestra (8) que lo reflejará y atravesará de nuevo el objetivo y

espejo (6). Un prisma (9) lo desvía hacia el ocular para su observación con la vista. Si se separa el prisma, el haz se

focalizará mediante la lente (11) sobre una película fotográfica o una pantalla (12).

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Izquierda: Principio de funcionamiento del microscopio óptico. Luego: Diferentes tipos de microscopios ópticos.

Observación por microscopía óptica

Observación sin ataque con reactivos químico:

Observación con ataque de reactivos químicos:

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Observación por microscopía electrónica

Ventajas respecto a la microscopía óptica:

- Mayores aumentos (hasta 1000000x).

- Mayor profundidad visual de campo (apariencia tridimensional).

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Desventajas:

- Mayor costo de equipamiento.

- Mayor cantidad de tiempo en la preparación del equipo para la observación de las muestras.

Ejemplos de fractura y de tamaño de grano:

Ejemplo de solidificación dendrítica y composición eutéctica:

Ejemplos de dislocaciones:

Izquierda: gráfico teórico hipotético de la formación de dislocaciones en la red cristalina. Centro: Dislocaciones observadas con microscopía

óptica. Izquierda: dislocaciones observadas con microscopía electrónica.

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Unidad 7: Procesos de elaboración y tratamientos térmicos de los aceros

Procesos de elaboración de metales

En el cuadro que sigue se describen los diferentes procesos de elaboración de los metales, entre ellos el acero.

Procesos de elaboración o conformación de metales

En caliente Laminación Forja Extrusión Fundición Sinterización Soldadura

En frío Laminación Forja Mecanización Estampado Embutido Soldadura

A continuación se dará mayor importancia a los procesos de fabricación en caliente:

Procesos de elaboración en caliente

Laminación

Es el proceso realizado por un esfuerzo de tracción y aplastamiento del material a elevadas temperaturas, donde el metal tiene

condiciones de plasticidad que permiten su deformación y conformación. Un ejemplo es la fabricación de chapas por laminación.

Forja

Es el proceso por el cual se fabrica una pieza o parte de ella, partiendo de un trozo de metal precalentado previamente a

temperatura de forja (para el acero aproximadamente 1200°C, que luego es llevado a una matriz que tiene la forma parcial o final

de la pieza, y por acción de un martillo, martinete o balancín es sometido a grandes presiones que conforman el material a su

forma final.

Extrusión

Es el proceso por el cual se fuerza a pasar el metal previamente calentado por una matriz que posee la forma final del perfil a

extruir. La fuerza es ejercida por pistones hidráulicos de gran potencia.

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Fundición

Es la técnica de fabricación o elaboración de piezas que permite obtener a partir del metal líquido la forma final o parcial de una

pieza.

Pulvimetalurgia

La pulvimetalurgia es un procedimiento de conformación metálica, como la forja, la estampación en frío, el moldeo, etc. La

pulvimetalurgia abarca las etapas comprendidas desde la obtención de polvos metálicos hasta las piezas acabadas, es decir,

producción de polvos, mezcla, aglomeración, sinterización y acabados.

Campo de aplicación

• Fabricación de piezas de aleaciones base hierro, cobre, níquel, etc., cuyos factores técnicos y económicos aconsejan dicho

proceso para la suspensión del mecanizado, aprovechando el metal y ahorrando operaciones posteriores.

• Obtención de cojinetes autolubricados. Lo cual es realizado mediante la impregnación con lubricantes en los poros producidos

intencionalmente en el proceso de pulvimetalurgia.

• Preparación de aleaciones de metales con puntos de fusión muy dispares, como Cu-W, Ag-W, Ag-Mo. Combinando así buenas

las propiedades eléctricas del cobre o la plata con las propiedades antidesgaste del wolframio y el cobalto.

• Preparación de materiales pesados que contienen wolframio, cobre y níquel. Estos materiales poseen densidades del orden de

17,5 g/cm3 y se utilizan en balanzas, giroscopios, pantallas de rayos X y gamma.

• Preparación de carburos con gran resistencia al desgaste, a las elevadas temperaturas y buena resistencia a la abrasión,

utilizados para cortes súper rápidos con elevada vida útil.

• Tratamiento de metales refractarios, que presentan elevados puntos de fusión y son prácticamente impracticable la obtención

de piezas por fusión (W, Mo, Ta, Nb, etc.).

• Para evitar bandas de segregación de aceros de alta aleación.

Ventajas de la pulvimetalurgia:

• Reduce al mínimo las perdidas de materia prima, pues solo se usa la cantidad de polvo requerida para alcanzar el peso final.

• Se facilita el control exacto de los límites de composición química.

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• Se puede eliminar o reducir en gran parte las operaciones de mecanizado.

• Las operaciones pulvimetalúrgicas son susceptibles de automatización.

• Es posible lograr buenos acabados, sin rebarbas ni líneas de partición propias del moldeo.

• Es la única técnica de aplicación que permite lograr una porosidad controlada y una oxidación interna muy repartida, apta para

el endurecimiento.

• Evita las segregaciones.

Desventajas de la pulvimetalurgia:

• La forma de la pieza, la cual debe poder extraerse fácilmente de la matriz, con lo que se eliminan posibilidades de diseño.

• Las dimensiones, ya que las prensas no suelen sobrepasar las 500Tm, lo cual limita la superficie de las piezas.

• Las características mecánicas, pues a las piezas sinterizadas no se les puede exigir las mismas propiedades de resistencia y

alargamiento que a las piezas obtenidas por métodos convencionales.

• La economía, ya que se necesitan de matrices caras y complejas, que solo son justificables para elevadas cantidades de

producción en serie.

Los polvos metálicos

El objetivo de la pulvimetalurgia es la obtención de un componente acabado a partir de los polvos del material a emplear. Por lo

tanto, las características de dichos polvos determinan las propiedades finales del componente y repercuten en las etapas

subsiguientes de compactación y sinterización.

Propiedades de los polvos

Las peculiaridades de los distintos tipos de polvos procedentes de un mismo metal dependen de su método de obtención y de los

tratamientos a los cuales han sido sometidos.

Las propiedades fundamentales son:

Forma

Composición

Tamaño

Distribución

Porosidad

Microestructura

Y las propiedades secundarias que derivan de las anteriores, como ser:

Densidad aparente

Densidad del polvo vibrado

Velocidad de derrame

Superficie específica

Compresibilidad

Compactibilidad o consolidabilidad

Plasticidad

Capacidad de endurecimiento por trabajado o acritud

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Forma

La forma indica la geometría de la partícula. Dicha geometría depende del método para obtener el polvo. La forma puede

determinarse por observación microscópica óptica o electrónica. Dado que la forma incide en las propiedades secundarias

(velocidad de derrame, compresibilidad, consolidabilidad, etc.) su conocimiento es importante desde el punto de vista práctico.

Las diferentes formas que suelen presentar las partículas pulverulentas se muestran en la figura.

Composición

Se puede obtener mediante el análisis químico y nos permite conocer la naturaleza del material y su pureza. De esta forma se

puede conocer la distribución de las impurezas, por ejemplo, el oxido interior de la partícula pasa al componente sinterizado sin

interferir, mientras que el óxido superficial o bien es eliminado en la atmosfera reductora del horno o bien dificulta la unión de

partículas.

Tamaño y distribución

El tamaño de la partícula queda definido por sus dimensiones. En el caso de partículas esféricas, el tamaño se expresa mediante su

diámetro. Cuando se trata de partículas no esféricas, se aplica el concepto de diámetro medio, cuya definición depende del método

escogido para su determinación. Por ejemplo si se utiliza el tamizado, se expresa en términos de la malla, si se recure al recuento

microscópico, se obtiene de la media en varias dimensiones, etc.

Es raro encontrar polvos que tengan un tamaño de partícula uniforme, por ello se recurre a la distribución, que define la desviación

de tamaños del conjunto y repercute en las características secundarias del polvo.

El tamizado es el método mas empleado para obtener la distribución. Este método consiste en hacer pasar los polvos en diferentes

mallas o tamices normalizados que dejan pasar o retienen el polvo en función de su tamaño. El tamizado suele realizarse colocando

una muestra de 100g de polvo en una tamizadora automática provista de un juego de tamices y el resultado se expresa como

porcentaje de polvo retenido en cada tamiz, que dará los diferentes tamaños del polvo respectivamente.

Porosidad

La porosidad indica el grado de compacidad de la partícula de polvo. Podemos distinguir dos tipos de poros, según el poro se

encuentre en la superficie o en el interior de de las partículas pulverulentas, que se denominan porosidad externa e interna

respectivamente. La porosidad interna se detecta mediante observación microscópica o por medida de la densidad. La porosidad

externa produce elevados valores de superficie específica que son fáciles de detectar por palpadores y rugosímetros.

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Microestructura

La microestructura es el aspecto que presentan a la observación microscópica los polvos desbastados y pulidos como se observa en

la figura.

Mediante la observación microscópica pueden estudiarse el tamaño, la forma y la disposición de los distintos cristales que

constituyen una partícula de polvo. Las características citadas dependen del método de obtención del polvo, de su pureza y del

tratamiento térmico al que ha estado sometido el metal.

Densidad

La densidad aparente se define como la relación entre el peso y el volumen de una masa pulverizada. La densidad de polvo vibrado

es esta misma relación pero luego de someter a la masa pulverizada a sacudidas intensas durante tiempos normalizados, en un

recipiente de dimensiones fijas. La densidad depende de la forma de las partículas, de su tamaño y distribución, así como de su

porosidad. Su interés reside principalmente en que las matrices se llenan normalmente con volúmenes fijos de polvo, por lo que la

densidad indica la profundidad con que deben diseñarse las matrices.

Superficie específica

Se define como la relación entre su superficie y el peso.

Velocidad de derrame

Se define como el tiempo necesario para que se derrame una cantidad fija de polvo a través de un orificio de dimensiones

normalizadas practicado en un recipiente igualmente normalizado, como se observa en la figura.

La velocidad de derrame depende de la forma, del tamaño y de la distribución de las partículas y de los fenómenos de superficie

(adsorción) que puedan presentarse. Esta medición se utiliza para determinar el tiempo aproximado de llenado de los moldes.

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Compresibilidad

Es la reducción de volumen que se obtiene por prensado del polvo. Se emplea a fin de materializar numéricamente la llamada

relación de compresión, definida como el cociente entre la densidad del polvo compactado en verde (sin sinterizar) y la densidad

aparente. Como es evidente pensar, a mayor compactación menor será el volumen, o sea, mayor densidad en verde. La relación de

compresión es una relación asintótica que tiende a un valor máximo de densidad, como vemos en el diagrama.

Métodos de obtención de polvos

Reducción

Se basa en la eliminación del oxígeno de los óxidos metálicos mediante un agente reductor. El polvo obtenido por este método es

esponjoso y sus granos son de forma esférica irregular. El control de las características del polvo se hace variando la temperatura

de la reacción, la naturaleza del agente reductor, y, si se trata de un gas, su presión y su régimen de flujo. Así también, el tamaño y

la forma del polvo dependen del tamaño y forma del óxido de partida del cual se obtienen.

El método de reducción es similar al obtenido para fabricar hierro esponja, donde luego se produce una trituración y tamización

para la clasificación de los polvos.

Atomización

Consiste en proyectar un chorro de metal o de aleación fundido contra un fluido (aire o agua). Debido a la súbita solidificación que

tiene lugar, el metal aparece en forma pulverulenta. A continuación se recuece la masa así formada en atmósfera reductora para

eliminar el óxido superficial que se haya formado. En la atomización cabe tener en cuenta como variables la naturaleza y presión

del fluido, las dimensiones de las toberas, la altura de la caída, etc.

Recientemente, ha adquirido importancia la técnica de electrodo giratorio, destinada a la atomización de aleaciones. Esta técnica

consiste básicamente en conectar el lingote que se quiere atomizar a un borne de la corriente eléctrica de manera que pueda girar

sobre su eje a velocidad variable. El otro extremo es un electro de wolframio. Entre ambos electrodos se aplica un potencial

eléctrico tan elevado como sea preciso para que se produzca un arco eléctrico y provoque la fusión del lingote. La fuerza centrípeta

del lingote giratorio es suficiente para expulsar gotas de metal líquido que se solidifican después en forma de polvos esféricos,

como vemos en la figura.

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Método electrolítico

Consiste en una electrolisis practicada con un ánodo soluble y un cátodo de acero inoxidable. Controlando convenientemente las

variables electrolíticas, se consigue formar un depósito esponjoso, el cual, tras las operaciones de lavado y secado, es triturado,

pulverizado y tamizado, recociéndose finalmente la masa obtenida en atmósfera reductora, como se esquematiza en la figura.

Trituración

Consiste en el desmenuzamiento del metal por medios mecánicos. Este método puede aplicarse solo en materiales como el

manganeso y el cobre, porque otros metales muy dúctiles son propensos a aglutinarse sobre los martillos o dientes de las

trituradoras. Sin embargo es posible fragilizar un metal mediante el hidrógeno en depósitos catódicos, o por aleación como ser el

hierro-silicio, hierro-cromo, hierro-aluminio.

Pirolisis

Consiste en la descomposición térmica del material de partida. Se obtiene un polvo esférico que se purifica eficazmente por

formación de compuestos volátiles, como Fe(CO)5 o Ni(CO)4. Luego estos compuestos son condensados en atmósferas protectoras

de carácter inerte que previenen su oxidación.

Corrosión

La preparación de algunos polvos, como los de acero inoxidable no esféricos que se aplican en la fabricación de piezas de acero al

cromo, se realiza aprovechando fenómenos de corrosión; en el caso citado, a partir de chatarra de acero inoxidable, se tritura y se

la coloca en un medio corrosivo fuerte, atacando así las zonas sensibilizadas del acero inoxidable y luego la trituración del metal es

sencilla.

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Año 2011 71

Condensación

Consiste en provocar la volatilización o sublimación del metal y luego condensarlo en forma sólida en forma de polvos.

Principalmente se aplica a metales con bajo punto de evaporación, como el zinc, magnesio, cadmio y plomo. Las partículas

obtenidas por este método son de formas esféricas y muy finas.

Mezcla de los polvos

Generalmente, el mezclado mecánico es suficiente para poner en contacto íntimo polvos de distinta naturaleza y lubricantes.

Los elementos que con más frecuencia se suelen agregar al polvo de hierro son el grafito para formar acero, el cobre para

endurecer el acero, el fósforo para endurecer, el azufre para aumentar la maquinabilidad, el níquel para endurecer entre otros.

Lubricación de la mezcla de polvos

El lubricante tiene la finalidad de incrementar la fluidez del sistema para que la densidad del componente acabado sea elevada y

homogénea.

Representando gráficamente la densidad en verde y la presión de expulsión del compactado de la matriz en función del porcentaje

de estearato de cinc, para hierro reducido, se observa la existencia de un valor mínimo de densidad en verde, como vemos en la

figura. En cambio, la presión de expulsión tiende a un valor asintóticamente mínimo localizado para un porcentaje del estearato

(3%). En la práctica se suele trabajar con contenidos de estearato de cinc del orden del 0,8 al 1 %.

La lubricación es necesaria debido a que entre las partículas de polvo se producen fricciones debido a la presión de compactación.

Esta fricción se ve reflejada debida a una pérdida de presión en la compactación. La perdida de presión se determina midiendo la

presión aplicada (Pa) y la presión transmitida (Pt), como se ve en la figura, cuyo cociente da un factor de fricción K: K = Pt/Pa.

En la práctica este dato es importante, ya que afecta a la densidad y al gradiente de densidad en el compactado, a la resistencia del

compacto, a la eliminación del compacto de la matriz y al desgaste de la matriz. La fricción también depende de la relación entre la

pared axial de la matriz y la pared radial del punzón, del tamaño de la pieza a obtener o de la cantidad de polvo que lleva la matriz,

de la presión ejercida y de la naturaleza del lubricante y molde.

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Año 2011 72

Compactación de los polvos

Es la etapa de la pulvimetalurgia que tiene por objeto dar la forma y consistencia a la masa de polvo para su manipulación, desde su

expulsión de la matriz hasta el paso por el horno de sinterización. Consiste en aplicar una presión suficiente y calculada contra la

masa de polvo colocada en una matriz que es el negativo de la forma de la pieza acabada.

El comportamiento de una masa de polvo al aumentar la presión se traduce a un aumento de la densidad. En la figura se presenta

la densidad frente a la presión para un polvo de hierro reducido. En la matriz (a) está llena de polvo sin compactar, de densidad 2,4.

En (b) ambos punzones se desplazan una corta distancia con una presión de 0,1 Tm/cm2 y la densidad aumenta a 2,9. Todavía no

tienen lugar fenómenos de deformación de las partículas individuales y no aparecen fueras de adhesión entre ellas. Al aumentar la

presión tiene lugar la deformación o la rotura, según el polvo. Ya en (d) se ha aplicado una presión de 3,3 Tm/cm2 y se ha

conseguido una densidad de 6, y en (e) la relación de compresión es 3.

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Año 2011 73

Fases de compactación

Se distinguen 3 fases: el llenado del molde, la compactación y la expulsión, como vemos en la figura.

En la fase de llenado, la cavidad de la matriz es cargada con la dosificación exacta de polvo previamente preparado, el cual está

determinado por volumen o por peso, el cual puede efectuarse de manera automática mediante una tolva de carga. Luego, el

dispositivo se separa de la matriz y deja actuar al punzón inferior y al punzón superior que comprimen la masa de polvos. Luego el

dispositivo de llenado vuelve a la posición de llenado expulsando el compactado y repitiendo el ciclo.

Sinterización

La masa de polvo que se ha compactado resulta frágil debido al débil enlace entre las partículas. Para remediarlo se recurre a la

sinterización, que consiste en calentar la masa de polvo a temperatura inferior a su punto de fusión (temperatura de sinterizado =

2/3 a 4/5 de la temperatura de fusión) durante un tiempo suficiente para que las partículas se suelden y el componente resultante

adquiera resistencia mecánica, como vemos en la figura.

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Año 2011 74

Variación de las propiedades mecánicas con la sinterización

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Año 2011 75

Variables de la sinterización

Las variables son:

La temperatura

El tiempo

La atmósfera del horno

Velocidades de calentamiento y de enfriamiento

Hornos

Es un artificio constituido por una caja susceptible de calentamiento y que permite el control y regulación de las distintas variables

mencionadas.

Los hornos se dividen como vemos a continuación:

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Año 2011 76

Etapas de la sinterización

1- El primer fenómeno observado en la evolución de un compacto que se está sinterizando es el crecimiento de los puentes

de enlace. Las aéreas de contacto de las partículas de polvo aumenta, ya que se sueldan íntimamente.

2- En la etapa de la densificación y crecimiento de grano, las partículas independientes empiezan a perder su identidad

aumentando la densidad y produciendo cambios dimensionales a la pieza.

3- En la etapa final aparecen los poros aislados debido a la coalescencia de las partículas.

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Año 2011 77

Soldadura

La soldadura es la unión de dos metales por efectos del calor localizado en el lugar de la unión, realizada por la fusión de los

elementos y acompañada de un tratamiento térmico, ya que las zonas próximas a la fusión sufren un calentamiento sin salir del

estado sólido, seguido por un enfriamiento.

Esta zona en la que se produce un calentamiento decreciente desde la fusión hasta la temperatura inicial del metal base se conoce

como Z.A.T. (zona afectada térmicamente) o Z.A.C. (zona afectada por el calor). Metalúrgicamente, esta zona es tan importante

como la zona de fusión del material, debido a las contracciones y dilataciones que allí se producen, las perturbaciones térmicas que

se traducen en tensiones residuales que pueden producir deformaciones y/o fisuras.

Clasificación de los procesos de soldadura:

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Año 2011 78

Soldadura por arco eléctrico

La soldadura por arco eléctrico requiere una fuerte energía eléctrica, la cual provee la fem (fuerza electro motriz) necesaria para

generar un arco eléctrico.

Cuando el metal base es tocado por la punta del electrodo éste se pone incandescente, provocando emisión termoiónica, liberando

iones por la colisión de las moléculas con los gases que se encuentran entre el metal base y el electrodo, estos gases se desprenden

del revestimiento del electrodo y del aire. Al alejarse el electrodo, una columna de vapores ionizados, llamada plasma, atraviesa el

espacio intermedio y mantiene encendido el arco.

El arco eléctrico aplica calor (altas temperaturas) en un una zona localizada produciendo la fusión en una pequeña zona de la pieza,

coincidente con el arco y el extremo del electrodo.

Sistema de soldadura por arco manual con electrodo revestido

El electrodo es revestido con material no metálico, las funciones del recubrimiento son las siguientes:

• Liberar el elemento de bajo potencial de ionización (sodio o potasio) para establecer la atmósfera y el plasma conductor de los

iones.

• Formar una atmósfera protectora contra la oxidación.

• Hacer que el arco eléctrico continúe cuando se usa corriente alterna, ya que con la misma no se produce conducción cuando la

corriente sinusoidal cruza por el punto cero del ciclo (0Hz).

• Producir la escoria, la cual evita que el cordón de soldadura se oxide, elimina impurezas y actúa como aislante térmico para

producir un enfriamiento lento del cordón de soldadura, ya que muchas veces, debido a un enfriamiento rápido en aceros de

alto contenido en carbono, se produce un temple en la soldadura que trae como consecuencia fragilidad, tensiones y fisuras.

• Aportar los elementos de aleación, en los casos que son necesarios.

Los materiales de aporte pueden ser:

Con ferroaleaciones (electrodos sintéticos).

Sin ferroaleaciones (electrodos puros).

Para los electrodos en soldadoras semiautomáticas pueden ser:

Electrodo macizo.

Electrodo hueco (que puede contener en su interior ferroaleaciones).

Ventajas y desventajas del proceso de soldadura manual con electrodo revestido

Ventajas:

Existe una amplia gama de electrodos con distintos tipos de recubrimientos, lo que nos permite soldar materiales similares en

composición con el electrodo; además, generar aportes de aleaciones para usos como recargue u otros.

Tiene un rendimiento mayor que la soldadura oxiacetilénica y que la TIG.

Desventajas:

Su uso se limita a pequeñas producciones, como reparaciones, mantenimiento, uso artesanal, etc.

Los parámetros de soldadura son controlados por la mano del operador, lo que hace que sea un uso no automático con

requerimientos de mano de obra calificada. (Las principales variables de soldadura en este caso son la distancia del arco eléctrico y

la velocidad de soldadura).

Los elementos y dispositivos de este tipo de soldadura se muestran en las figuras que siguen.

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Año 2011 79

Sistema de soldadura MAG – MIG

MAG: electrodo metálico con gas activo.

Se suele usar CO2, O2, H2, como gas protector (son más económicos que usar gases inertes como el argón).

Este sistema produce una soldadura más caliente y por lo tanto permite soldar mayores espesores que la MIG.

Tiene la desventaja de que a elevadas corrientes (A) produce salpicaduras.

MIG: electrodo metálico con gas inerte.

Por lo general se utiliza argón o helio como gas protector.

Se utiliza para soldar cobre, aluminio, aceros inoxidables, aceros de alta aleación y otros.

En general, las características de estos sistemas, denominados semiautomáticos son:

• Poseen electrodo continuo (electrodo desnudo) protegido por gases.

• El gas se aporta externamente.

• Se usa corriente continua (que mejora el arco eléctrico y la soldadura)

• Su denominación de semiautomática se debe a que se mantiene constante un parámetro más de soldadura. Gracias a la

alimentación continua del electrodo, la distancia del arco y la velocidad de avance pueden mantenerse constantes.

Adaptándose para trabajos automáticos y alta productividad (industria automotriz).

• Las ventajas principales son la de gran velocidad de ejecución, ausencia de escorias, formación rápida del personal, soldadura

en toda posición, cordones de buen aspecto, fácil control de la operación (el arco siempre es visible para el operador).

• Las principales desventajas son la aplicación limitadas a aleaciones disímiles debido a los pocos tipos de electrodos disponibles

en el mercado o su alto costo de importación (caso de Argentina).

Los elementos y dispositivos de este tipo de soldadura se muestran en las figuras que siguen.

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Año 2011 80

Sistema de soldadura TIG

TIG: electrodo de tungsteno (no consumible) protegido por gas inerte.

Las características generales del sistema son las siguientes:

• Como gas inerte se utiliza generalmente argón.

• El arco eléctrico se establece entre la torcha (pistola) y el metal base.

• Se utiliza corriente continua (para aceros), corriente alterna (para aluminio) o también C.C.-C.A. en forma superpuesta.

• Se usan equipos de alta frecuencia.

• El material de aporte se coloca a mano, las dos manos se ocupan y la densidad de corriente se regula con un pedal a pie.

• Se pueden soldar espesores muy pequeños (décimas de milímetros).

• El operario debe ser calificado.

• La soldadura obtenida es de alta calidad.

• Se utiliza en bajas producciones, como por ejemplo en tanques a presión, industria aeronáutica, industria aeroespacial, etc.

El equipo utilizado para este sistema se ilustra en las figuras que siguen.

Sistema de soldadura por arco sumergido

Las características generales son:

• Se utiliza un electrodo desnudo de alimentación continua, protegido con un fundente granulado que se descarga por una tolva

en forma continua (reemplaza al gas inerte). El fundente que no es fundido durante el proceso de soldadura puede ser

recuperado y reutilizado.

• El sistema utiliza electrodos de grandes diámetros.

• Son equipos grandes (de hasta 1000 A).

• Se utilizan para grandes cantidades de aporte y para grandes espesores.

• Son utilizados en la industria naval, industria minera, industria del gas y otras.

• Únicamente pueden realizarse soldaduras en posición horizontal.

• El sistema de soldadura es automático o robotizado.

Los elementos y dispositivos de este tipo de soldadura se muestran en las figuras que siguen.

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Tratamientos térmicos

Definición

Proceso mediante el cual se intenta modificar la microestructura interna de un metal o aleación mediante operaciones de

calentamiento y enfriamiento controlados.

Sólo se puede aplicar a metales y aleaciones que experimenten transformaciones en el estado sólido (como las aleaciones Fe-C). No

se alcanza nunca la temperatura de fusión del metal o aleación.

Objetivo

Mejorar las propiedades mecánicas (dureza, resistencia, plasticidad, ductilidad, etc.) de metales y aleaciones.

Proceso del tratamiento térmico

• Calentamiento hasta la temperatura conveniente.

• Permanencia a esa temperatura el tiempo necesario para obtener los constituyentes estables deseados.

• Enfriamiento hasta la temperatura ambiente con la velocidad adecuada.

Clases de tratamientos térmicos

Tratamientos térmicos: sólo interviene la energía calorífica. Afectan a la estructura, pero no a la composición.

Tratamientos termoquímicos: interviene la energía calorífica y la acción de agentes químicos. Afectan a la estructura y a la

composición química.

Tipos de tratamientos térmicos

Temple: tratamiento con velocidad de enfriamiento muy elevada, que impide las transformaciones que conducen al equilibrio

estable.

Recocido: su misión es contraria a la del temple. Con él se trata de conseguir que, mediante un enfriamiento muy lento, tengan

lugar las transformaciones que conducen a estructuras más estables.

Revenido: se da después del temple y su misión es facilitar, mediante la elevación de la temperatura, el paso de los constituyentes

metaestables a otros de estabilidad intermedia.

Tipos de tratamientos termoquímicos (Aplicados a los aceros)

Cementación: consiste en aumentar la concentración de carbono en la superficie de un acero. Por temple posterior se consigue

aumentar la dureza superficial y resistencia al desgaste, junto a elevadas características de ductilidad y resiliencia en el núcleo de la

pieza tratada.

Nitruración: consiste en aumentar la concentración de nitrógeno en la superficie de un acero. Se obtiene una gran dureza

superficial (mayor que con la cementación) sin necesidad de tratamiento térmico posterior; además de mayor resistencia al

desgaste y menor coeficiente de rozamiento, por adquirir un elevado pulimento.

Cianuración: consiste en crear en las piezas de acero una capa superficial rica en carbono y nitrógeno para aumentar la dureza

superficial. Necesita temple posterior, pero con velocidades de enfriamiento menores.

Tratamientos térmicos de los aceros

Los aceros, después del proceso de obtención, colada, solidificación y forja o conformación, no tienen la estructura adecuada para

su utilización, por lo que es necesario someterlos a tratamientos térmicos.

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Año 2011 82

Objetivos

• Conseguir la estructura de menor dureza (mejor maquinabilidad).

• Eliminar la acritud que produce el trabajo en frío.

• Eliminar tensiones internas que pueden producir deformaciones o roturas en servicio.

• Conseguir una estructura más homogénea que antes del tratamiento.

• Conseguir la máxima dureza y resistencia.

• Mejorar la resistencia a los agentes químicos.

Curvas de enfriamiento y diagrama TTT

Las curvas TTT (transformación, tiempo, temperatura) indican la estabilidad de los distintos constituyentes del acero en función de

las velocidades de enfriamiento. De esta manera es posible predecir la estructura que se obtendrá luego de un tratamiento térmico

determinado. Cada acero con su composición química posee una curva TTT, conocidas con el nombre de curvas de las “S” por su

apariencia a dicha letra.

Curva TTT o curva de las “S”.

Las curvas con las letras a, b, c, d y e, representan diferentes velocidades de enfriamiento, las cuales proporcionan diferentes

estructuras para un mismo tipo de acero. Por ejemplo: a = recocido, b = normalizado, e = temple. La curva d representa la

velocidad crítica de temple, donde las velocidades que caen por la izquierda de la curva d, darán al acero un temple completo,

obteniendo martensita en su estructura. Y las velocidades que caen por la derecha a la curva d, darán diferentes estructuras y

distintas combinaciones de ellas.

Diferentes estructuras conseguidas en un acero al carbono con un contenido de aproximadamente 0,40 % de carbono:

De izquierda a derecha: perlita gruesa, perlita fina, bainita superior.

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De izquierda a derecha: Bainita inferior, martensita.

Recocido

Tratamiento térmico en el que la austenita es enfriada lentamente, se transforma en los constituyentes más estables (perlita fina o

perlita gruesa en función de las velocidades de enfriamiento).

Se emplea para homogenizar la estructura, afinar el grano, ablandar el material, facilitar el mecanizado, eliminar la acritud que

produce el trabajo en frío y eliminar tensiones internas.

Temple

Tratamiento térmico en el que la austenita, enfriada rápidamente (con velocidad de enfriamiento superior a la crítica), se

transforma en martensita.

Se emplea para aumentar la resistencia, el módulo elástico y la dureza, fragilizando la estructura y disminuyendo así la resiliencia, el

alargamiento y la ductilidad.

La dureza máxima y la resistencia de un acero dependen de su porcentaje en C y aumentan con éste.

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Año 2011 84

Revenido

Tratamiento térmico que se da siempre a los aceros después de templados para quitarles la fragilidad y las tensiones internas.

Consiste en calentar las piezas después de templadas, a una temperatura inferior al punto crítico A1 para provocar la

transformación de la martensita en formas más estables, seguido de un enfriamiento más bien rápido.

Con este tratamiento disminuimos la dureza (no siempre), la resistencia y el módulo elástico, aumentando la resiliencia, el

alargamiento y la ductilidad.

Normalizado

Tratamiento térmico similar al recocido, del que se diferencia en que la velocidad de enfriamiento es algo más elevada, así como la

temperatura de calentamiento.

La estructura que se obtiene es la estructura “normal” del acero, es decir, aquella similar a la que se obtiene en la solidificación del

acero, pero con mejores propiedades que esta última.

Temperaturas de calentamiento para los diferentes tratamientos térmicos

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Unidad 8: Ensayos físicos, mecánicos y químicos de los metales.

Ensayo de tracción

El ensayo a tracción es la forma básica de obtener información sobre el comportamiento mecánico de los materiales. Mediante una

máquina de ensayos se deforma una muestra o probeta del material a estudiar, aplicando la fuerza uniaxialmente en el sentido del

eje de la muestra. A medida que se va deformando la muestra, se va registrando la fuerza (carga), llegando generalmente hasta la

Fractura o rotura de la pieza. Así pues, el resultado inmediato es una curva de carga frente a alargamiento, que transformados en

tensión y deformación, en función de la geometría de la probeta ensayada, aportan una información más general. Esta práctica

tiene el objetivo inmediato de ilustrar, mediante la experiencia, las propiedades mecánicas de los materiales que se derivan a partir

de un ensayo a tracción.

Fundamento teórico

El ensayo de tracción tiene por objetivo definir la resistencia elástica, resistencia a la rotura y la plasticidad del material cuando se

le somete a fuerzas uniaxiales. Se requiere una máquina, prensa hidráulica por lo general, capaz de:

a) Alcanzar la fuerza suficiente para producir la fractura de la probeta.

b) Controlar la velocidad de aumento de fuerzas.

c) Registrar las fuerzas, F, que se aplican y los alargamientos, ΔL, que se observan en la probeta.

Un esquema de la máquina de ensayo de tracción se muestra en la figura que sigue.

Máquina de Ensayo de Tracción Universal.

La máquina de ensayo impone la deformación desplazando el cabezal móvil a una velocidad seleccionable. La celda de carga

conectada a la mordaza fija entrega una señal que representa la carga aplicada, las máquinas están conectadas a un ordenador que

registra el desplazamiento y la carga leída. Si representamos la carga frente al desplazamiento obtendremos una curva como la

mostrada en la figura siguiente:

Diagrama del ensayo de tracción fuerza vs. alargamiento.

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La probeta a ensayar se sujeta por sus extremos al cabezal móvil de la máquina de ensayos y a la célula de carga, respectivamente.

Las mordazas se sujeción deben mantener firme a la muestra durante el ensayo, mientras se aplica la carga, impidiendo el

deslizamiento. A su vez, no deben influir en el ensayo introduciendo tensiones que causen la rotura en los puntos de sujeción. Para

que el ensayo se considere válido la rotura debe ocurrir dentro de la longitud calibrada, en la parte central de la probeta.

A partir de las dimensiones iniciales de la probeta, se transforman la fuerza en tensión y el alargamiento en deformación, que nos

permite caracterizar las propiedades mecánicas que se derivan de este ensayo.

De tal forma que la curva típica sería tensión vs. deformación, tal y como se muestra en la figura:

Curva típica de tracción hasta la fractura, punto F. La resistencia a la tracción TS está indicada en el punto M. Los insertos circulares representan

la geometría de la probeta deformada en varios puntos de la curva.

La interpretación de la curva nos lleva a:

1. En la curva podemos distinguir dos regiones:

Zona elástica: la región a bajas deformaciones (hasta el punto P), donde se cumple la Ley de Hooke: σ = E.ε (E = modulo elástico).

Zona plástica: a partir del punto P. Se pierde el comportamiento lineal, el valor de tensión para el cual esta transición ocurre, es

decir, se pasa de deformación elástica a plástica, es el límite de elasticidad, σy, del material.

2. Después de iniciarse la deformación plástica, la tensión necesaria para continuar la deformación en los metales aumenta hasta

un máximo, punto M, resistencia a tracción (σt), y después disminuye hasta que finalmente se produce la fractura, punto F. La

resistencia a tracción es la tensión en el máximo del diagrama tensión-deformación nominales. Esto corresponde a la máxima

tensión que puede ser soportada por una estructura a tracción; si esta tensión es aplicada y mantenida, se producirá la rotura.

Hasta llegar a este punto, toda la deformación es uniforme en la región estrecha de la probeta. Sin embargo, cuando se alcanza la

tensión máxima, se empieza a formar una disminución localizada en el área de la sección transversal en algún punto de la probeta,

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lo cual se denomina estricción, y toda la deformación subsiguiente está confinada en la estricción. La fractura ocurre en la zona de

estricción. La tensión de fractura o bien de rotura corresponde a la tensión en la fractura.

Deformación elástica

Definimos elasticidad como la propiedad de un material en virtud de la cual las deformaciones causadas por la aplicación de una

fuerza desaparecen cuando cesa la acción de la fuerza. "Un cuerpo completamente elástico se concibe como uno de los que

recobra completamente su forma y dimensiones originales al retirarse la carga". ej.: caso de un resorte al cual le aplicamos una

fuerza. El grado con que una estructura se deforma depende de la magnitud de la tensión impuesta. Para muchos metales

sometidos a esfuerzos de tracción pequeños, la tensión y la deformación son proporcionales según la relación σ = E.ε

Esta relación se conoce con el nombre de ley de Hooke, y la constante de proporcionalidad, E (MPa) es el módulo de elasticidad, o

módulo de Young. Cuando se cumple que la deformación es proporcional a la tensión, la deformación se denomina deformación

elástica; al representar la tensión en el eje de coordenadas en función de la deformación en el eje de abscisas se obtiene una

relación lineal:

Ley de Hook. Módulo de elasticidad = Pendiente de la recta.

La pendiente de este segmento lineal corresponde al módulo de elasticidad E. Este módulo puede ser interpretado como la rigidez,

o sea, la resistencia de un material a la deformación elástica. Cuanto mayor es el módulo, más rígido es el material, o sea, menor es

la deformación elástica que se origina cuando se aplica una determinada tensión.

Deformación plástica

Definimos como plasticidad a aquella propiedad que permite al material soportar una deformación permanente sin fracturarse.

Todo cuerpo al soportar una fuerza aplicada trata de deformarse en el sentido de aplicación de la fuerza. En el caso del ensayo de

tracción, la fuerza se aplica en dirección del eje de ella y por eso se denomina axial, la probeta se alargara en dirección de su

longitud y se encogerá en el sentido o plano perpendicular. Aunque el esfuerzo y la deformación ocurren simultáneamente en el

ensayo, los dos conceptos son completamente distintos.

Para la mayoría de los materiales metálicos, la deformación elástica únicamente persiste hasta deformaciones de alrededor de

0.005 %. A medida que el material se deforma más allá de este punto, la tensión deja de ser proporcional a la deformación y ocurre

deformación plástica, la cual es permanente, es decir no recuperable. En la figura se traza esquemáticamente el comportamiento

tensión-deformación en la región plástica para un metal típico. La transición elasto-plástica es gradual para la mayoría de los

metales; se empieza a notar cierta curvatura al comienzo de la deformación plástica, la cual aumenta rápidamente al aumentar la

carga.

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(a) Curva de tracción típica de un metal que muestra las deformaciones elástica y plástica, el limite proporcional P y el limite elástico σy,

determinado como la tensión para una deformación plástica del 0.002 %. (b) Curva de tracción típica de algunos aceros que presentan el

fenómeno de la discontinuidad de la fluencia.

Calculo del límite elástico

Para conocer el nivel de tensiones para el cual empieza la deformación elástica, o sea, cuando ocurre el fenómeno de fluencia,

tenemos que tener en cuenta dos tipos de transición elasto-plástica:

1. Los metales que experimentan esta transición de forma gradual. El punto de fluencia puede determinarse como la desviación

inicial de la linealidad de la curva tensión-deformación (punto P en la figura anterior). En tales casos, la posición de este punto no

puede ser determinada con precisión, por este motivo se ha establecido una convención por la cual se traza una línea recta paralela

a la línea elástica del diagrama de la tensión-deformación desplazada por una determinada deformación, usualmente 0.002 %. La

tensión correspondiente a la intersección de esta línea con el diagrama tensión-deformación cuando éste se curva se denomina

límite elástico práctico, σ0,2.

2. Para aquellos materiales que tienen una región elástica no lineal, la utilización del método anterior no es posible, y la práctica

usual es definir el límite elástico como la tensión necesaria para producir una determinada deformación plástica. Algunos aceros y

otros materiales exhiben el tipo de diagrama tensión-deformación mostrada en la figura (b). La transición elasto-plástica está muy

bien definida y ocurre de forma abrupta y se denomina fenómeno de discontinuidad del punto de fluencia. En el límite de fluencia

superior, la deformación plástica se inicia con una disminución de la tensión. La deformación prosigue bajo una tensión que fluctúa

ligeramente alrededor de un valor constante, denominado punto de fluencia inferior. En los metales en que ocurre este fenómeno,

el límite elástico se toma como el promedio de la tensión asociada con el límite de fluencia inferior, ya que está bien definido y es

poco sensible al procedimiento seguido en el ensayo.

Ductilidad

La ductilidad es otra importante propiedad mecánica. Es una medida del grado de deformación plástica que puede ser soportada

hasta la fractura. Un material que experimenta poca o ninguna deformación plástica se denomina frágil. La ductilidad puede

expresarse cuantitativamente como alargamiento relativo porcentual, o bien mediante el porcentaje de reducción de área. El

alargamiento relativo porcentual a rotura, %EL, es el porcentaje de deformación plástica a rotura, o bien:

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Año 2011 89

Donde lf es la longitud en el momento de la fractura y l0 es la longitud de prueba original.

Representación esquemática de los diagramas de tracción de materiales frágiles, y dúctiles ensayados hasta la fractura.

Tenacidad

La tenacidad de un material es un término mecánico que se utiliza en varios contextos; en sentido amplio, es una medida de la

capacidad de un material de absorber energía antes de la fractura. La geometría de la probeta así como la manera con que se aplica

la carga son importantes en la determinación de la tenacidad.

Resiliencia

Medida de la capacidad de un material de absorber energía elástica antes de la deformación plástica.

Determinación gráfica de la resiliencia.

Procedimiento

Antes de comenzar a realizar los ensayos de tracción se deben tomar las respectivas medidas de las probetas. Es muy importante

ser bastante cuidadosos en la toma de estas medidas ya que después de someter las probetas a los ensayos de tracción por medio

de la maquina universal, se van a comparar finales, tanto la longitud de la probeta como el diámetro de la misma. Después de

realizar todas las medidas a nuestras probetas, procedemos a efectuar el ensayo de tracción. Una vez terminado el ensayo se

vuelve a medir la probeta para calcular la deformación.

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Año 2011 90

En resumen, las determinaciones a efectuar en un ensayo de tracción son las siguientes:

Resistencia estática a la tracción:

Tensión al límite de fluencia:

Tensión al límite convencional o límite práctico:

Alargamiento y alargamiento porcentual:

Estricción porcentual:

Ensayos de dureza

La dureza se puede definir como “la mayor o menor resistencia de un cuerpo a ser rayado o penetrado por otro”.

Los primeros estudios de dureza generaron una tabla en base al rayado de un mineral con respecto a otro de referencia, los

minerales que pertenecen a la escala de Mohs son los siguientes:

Dureza Mineral representativo Foto Descripción

1 Talco

Los minerales de dureza 1, según esta escala, son grasientos al tacto y pueden rayarse fácilmente con la uña.

2 Yeso

Se rayan con la uña.

3 Calcita

La punta de un cuchillo lo raya con facilidad.

4 Fluorita

La punta de un cuchillo lo raya.

5 Apatita

La punta de un cuchillo lo raya con dificultad.

6 Feldespato

El canto agudo de un utensilio de acero, como una lima o la punta de una navaja, raya los minerales de dureza hasta 6,5.

7 Cuarzo

Puede rayar al vidrio común.

8 Topacio

Los minerales de dureza 8 o mayor son muy raros, por lo que no se suelen necesitar pruebas de rayado.

9 Corindón

El corindón deja su marca en todos los demás minerales de la escala, salvo el diamante.

10 Diamante

La única materia natural que puede rayar a un diamante es otro diamante.

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Dureza Brinell

Consiste en comprimir sobre la superficie del material a ensayar una bolilla de acero muy duro o carburo de tungsteno, durante un

cierto tiempo (t) produciendo una impresión con forma a casquete esférico. La dureza Brinell resulta de dividir la carga aplicada por

la superficie dada del casquete:

Izquierda: penetrador Brinell. Derecha: máquina de dureza Brinell.

En la práctica es más usual medir el diámetro de la impresión y por medio de tablas se determina el valor o número Brinell.

La medición del diámetro se realiza con una regla apropiada o con un visor con tornillo micrométrico, como se ve en la figura.

Lupa con regla micrométrica para medir el diámetro de la impresión.

En la prueba deben medirse dos diámetros de la huella perpendiculares entre sí. Y su valor promedio se usa como base para

calcular el número de dureza Brinell. Si no se disponen de tablas para obtener el número Brinell, se puede aplicar la siguiente

fórmula:

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Tabla de dureza a partir de la medición de los diámetros, aplicando bolilla de 10 mm de diámetro y carga de 3000 Kg.

Las durezas obtenidas son comparables cuando las impresiones son geométricamente semejantes, y para que ello ocurra las cargas

deben ser proporcionales al cuadrado del diámetro de la bolilla.

P1 / D12 = P2 / D2

2 = C (constante). Sen(α/2) = d/D

PENETRADORES:

Bolilla de acero diámetro 10; 5; 2,5; 1,25 y 0,625 mm. de acero hasta 450HB, de carburos (tungsteno) hasta 630 HB.

El tiempo de aplicación Aceros = >15 seg., en metales blandos = >30 seg.

Cargas empleadas: 3000kgf - 1500kgf - 500kgf

El valor de la carga P viene dado por: P = K.D2, donde K = cte. de ensayo.

Los valores de K para algunos materiales son:

Aceros y elementos siderúrgicos: K=30

Cobres, Bronces, Latones: K=10

Aluminio y aleaciones: K=5

Materiales blandos (Sn, Pb): K=2,5

No se utilizan los ensayos Brinell para durezas superiores a 500 (aceros templados), porque se deforman las bolas.

Nomenclatura: XXX HBS (D/P/t) Ej. 156 HBS 10/3000/15

Generalmente se usan bolas de 10 mm; cuando t = 15 seg. no hace falta indicarlo.

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Año 2011 93

Condiciones de ensayo:

1 - La superficie de la probeta debe ser plana, estar limpia, homogénea y perpendicular a la bola, libre de óxido y lubricantes.

2 - El espesor de la probeta (s), debe ser al menos ocho veces la flecha de la impronta. (s = 8f).

3 - La distancia entre centros de 2 huellas debe ser mayor a 3 veces el diámetro de la impronta. La distancia del centro de la huella

al borde de una probeta debe ser mayor a 2 veces el diámetro de una impronta.

Constantes de dureza utilizadas para los diferentes materiales y rangos de durezas aplicables.

Diámetro de la esfera y la carga a aplicar en función de la constante de ensayo.

Algunos valores de dureza de los materiales estructurales.

Dureza Rockwell

El método Rockwell difiere del Brinell en que no determina la dureza en función de la superficie de impresión, sino que en función

de la profundidad de la impresión.

Además, actúan dos cargas diferentes: una inicial P0, que es constante y una adicional P1, cuyo valor variará en función del

penetrador utilizado.

La carga inicial tiene por objeto asegurar la perfecta sujeción de la probeta.

En este sistema no es necesario aplicar fórmulas, sino que se obtiene directamente sobre el dial del indicador de la máquina de

ensayo, por diferencia entre la primera y tercera posición del ensayo, como vemos en las figuras que siguen.

La escala de dureza se ha tomado de forma arbitraria y consta de 100 divisiones de 0,002 mm (total = 0,2 mm de penetración de la

punta).

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Año 2011 94

Izquierda: pasos para la toma de dureza. Derecha: dial del durómetro Rockwell.

La carga total P es aplicada sobre el penetrador en dos etapas: una previa Po y una posterior P1 tal que: P= Po+P1

Inicialmente el cono penetra en la superficie una cantidad h0 sobre la acción de la carga P0 que se mantendrá hasta el fin del

ensayo. Esta penetración inicial permite eliminar la influencia de las condiciones superficiales.

A continuación se aplica la carga P1 y la penetración se acentúa. Finalmente la carga P1 es retirada y la profundidad h restante

(solamente actúa P0) determina el número de dureza HR. La escala de los instrumentos de lectura empleados en las máquinas está

invertida para permitir una lectura directa.

Durómetro Rockwell.

Cargas y penetradores

La carga inicial en todos los casos es de 10 Kg y la adicional de 50, 90 o 140 Kg.

Los penetradores pueden ser cónico (120º) de diamante o bolillas de acero de diámetros de 1/16”, 1/8”,1/4”, 1/2”.

En la tabla que sigue se muestra las posibles combinaciones de toma de durezas, sus usos más frecuentes y la designación de cada

una de las durezas Rockwell.

Forma de expresar la dureza Rockwell

Por ejemplo: HRc; donde: HR = dureza Rockwel; C = combinación penetrador y carga (ver tabla).

Las escalas más utilizadas son:

B = bolilla 1/16” – 100 Kg.

C = Cono de diamante – 150 Kg.

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Año 2011 95

Condiciones de ensayo:

La superficie a ensayar debe estar limpia, plana y exenta de óxido.

El espesor de la probeta no podrá ser menor a 10 veces el incremento de penetración (10e).

En piezas cilíndricas el radio no debe ser menor a 5 mm.

La carga debe actuar en forma perpendicular a la probeta.

Rockwell superficial

Es una variante basada en el empleo de penetradores normales, carga inicial de 3 Kg y cargas adicionales de 12, 27 y 42 Kg, que nos

permite, con cono, tomar durezas en piezas con capas endurecidas superficialmente o muy delgadas y, con bolillas, en materiales o

aleaciones blandas.

En este caso, la escala de mediciones tienen divisiones de 0,001 mm (total = 0,1 mm).

Microdureza (Dureza Vickers-Dureza Knoop)

El ensayo de microdureza se emplea fundamentalmente en metalografía para determinar la dureza de distintas estructuras, medir

gradientes de dureza en capas cementadas, nitruradas o recubrimientos duros aplicados por metalizado, etc.

La microdureza se puede realizar con penetradores Vickers o Knoop.

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Año 2011 96

Dureza Vickers

Es un sistema cuyo principio es semejante al Brinell; se calcula dividiendo la carga aplicada por la superficie de la huella generada

por el penetrador.

Hv = P/S

Se debe tener en cuenta dos diferencias fundamentales:

1. El valor de las cargas que son de 1 a 120 Kg. (1-1,2-5-10-20-30-50-100-120).

2. El penetrador es una pequeña pirámide de diamante con base cuadrada y ángulo en el vértice de 136º.

La determinacion de la dureza se realiza midiendo con un instrumento óptico la diagonal de la impresión y con una tabla se

encuentra el valor correspondiente.

Condiciones de ensayo

La superficie debe estar limpia y con terminación de rectificado con caras paralelas.

Matemáticamente la dureza Vickers puede calcularse por la siguiente expresión: Hv = P/S = 1,854.P/d2

Donde P es la carga aplicada y d es el promedio de las diagonales medidas en la impronta.

Determinación de la dureza Vickers.

Dureza Knoop

El penetrador Knoop es una pirámide de base romboidal con ángulos de 130º y 172º30´.

La carga a aplicar es de 1 g a 5 Kg.

La lectura de la impresión se efectúa por método microscópico y se toma la medida de la diagonal mayor, luego, con este valor, y

por medio de una tabla, se determina el grado de dureza.

En la figura que sigue vemos la impresión de la pirámide en una aleación de plomo antimonio, pudiendo observar una mayor

penetración en la matriz de la estructura y una menor penetración en un compuesto de dicha aleación, dando a entender la mayor

dureza que este último posee respecto a la matriz.

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Tabla de valores de distintas durezas utilizadas comúnmente y sus equivalencias de resistencia a la tracción.

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Año 2011 98

Ensayos por choque

Introducción

Si bien los ensayos estáticos de tracción permiten conocer la capacidad de resistencia y deformabilidad de un metal cuando se lo

somete a un esfuerzo progresivo, aplicado lentamente, estas propiedades pueden variar según la naturaleza de las cargas y

condiciones de trabajo a que se halle sometido. Es por ello, que en muchos casos deben considerarse los factores que inciden en la

destrucción de la pieza de acuerdo al empleo práctico del mecanismo o estructura a la que pertenece; ya veremos, por ejemplo,

que si el metal soporta tensiones dinámicas sucesivas (fatiga) o estáticas a elevadas temperaturas (creep), la fractura se origina al

disminuir su resistencia, en cambio en elementos sometidos a efectos exteriores instantáneos o variaciones bruscas de las cargas,

su falla se produce generalmente al no aceptar deformaciones plásticas o por fragilidad, aún en aquellos metales considerados

como dúctiles. En estos casos, es conveniente analizar el comportamiento del material en experiencias de choque o impacto.

Siendo las solicitaciones de choque o impacto de aplicación prácticamente instantánea, las ondas de tensión generadas pueden no

propagarse, provocando la rotura por deformaciones localizadas. Por lo expuesto, las propiedades mecánicas de los materiales

sometidos a efectos dinámicos de choque se ven sensiblemente modificadas, aunque los mecanismos de deformación plástica

presumiblemente no varían con el modo de aplicación de la carga.

Estos hechos nos dicen que, si bien el ensayo de tracción estático nos da valores correctos de la ductilidad de un metal, no resulta

preciso para determinar su grado de tenacidad o fragilidad en condiciones variables de trabajo. Es por lo mismo que al calcular la

Capacidad de Trabajo de Deformación, partiendo de un diagrama de tracción, aclaramos que su magnitud sólo es una medida

comparativa y aproximada de la tenacidad y módulo de resiliencia del metal.

Los ensayos de choque determinan, pues, la fragilidad o capacidad de un material de absorber cargas instantáneas, por el trabajo

necesario para producir la fractura de la probeta de un solo impacto. Este nuevo concepto tampoco nos ofrece una propiedad

definida del material, sino que constituye un índice comparativo de su plasticidad, con respecto a las obtenidas en otros ensayos

realizados en idénticas condiciones, dado que no admite otra condición de comparación o semejanza. Por lo tanto, deben tenerse

muy en cuenta los distintos factores que producen el efecto fragilizante.

Otra aplicación del ensayo dinámico de choque es la de comprobar los distintos grados de revenido que pueden alcanzarse en los

aceros, como también verificar el correcto recocido o forjado de los mismos, lo que muchas veces no es posible deducir de ensayos

estáticos, pues dan valores similares hasta para aquellos mal tratados. En estos casos, el tratamiento defectuoso se pone de

manifiesto en las pruebas de impacto sobre probetas entalladas, al obtener valores muy inferiores de su resiliencia.

Resumiendo, diremos que el objeto del ensayo de choque es el de comprobar si una máquina o estructura fallará por fragilidad

bajo las condiciones que le impone su empleo, muy especialmente cuando las piezas experimentan concentración de tensiones por

cambios bruscos de sección, maquinados incorrectos, bajas temperaturas, o bien verificar el correcto tratamiento térmico del

material ensayado.

Energía de impacto

Los ensayos dinámicos de choque se realizan generalmente en máquinas denominadas péndulos o martillos pendulares, en las que

se verifica el comportamiento de los materiales al ser golpeados por una masa conocida a la que se deja caer desde una altura

determinada, realizándose la experiencia en la mayoría de los casos, de dos maneras distintas según que la probeta rompa por

flexionamiento (flexión por choque) o que su rotura se alcance por deformación longitudinal (tracción por choque). Los valores

obtenidos en estos ensayos son únicamente comparables, en materiales con propiedades similares ya sean siempre dúctiles o

frágiles, cuando se realizan sobre el mismo tipo de probeta y en idénticas condiciones de ensayo.

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La máquina de ensayo determinará el trabajo absorbido por el material cuando éste es roto de un solo golpe por la masa pendular

y su valor en kgm o Joule, o relacionándolo con la sección o volumen de la probeta, según el método nos indicará la resistencia al

choque o capacidad del material para absorber cargas dinámicas de impacto (resiliencia).

El principio de funcionamiento de las máquinas utilizadas es el que ilustra esquemáticamente la figura, en donde una masa o peso

G asegurada a una barra que puede girar libremente sobre un eje 0, es elevada a una altura h1, desde su posición vertical de

reposo, la que también es posible indicar por el ángulo α1.

Principio de funcionamiento de la máquina de choque.

Si en estas condiciones se la deja caer y en el punto P, ubicado sobre la vertical del desplazamiento del péndulo, se coloca una barra

de un material determinado, la masa al chocar con ella producirá su rotura, si la energía que posee el péndulo es mayor que la

necesaria para alcanzarla, en cuyo caso continuará su trayectoria elevándose hasta una altura h2 indicada también por el ángulo α2.

El trabajo empleado entonces en romper la barra será la diferencia entre la energía inicial del péndulo y la que posee al final de su

carrera.

Ao = Al - A2

Al = G. h1 y A2 = G. h2

Ao = G (h1 - h2)

En función de los ángulos, tenemos: h1 = OP – OA; en donde OP es el brazo del péndulo igual a R. Del triángulo OAB

OA = R. cos(α1) reemplazando

h1 = R - R cos α1 = R (1 - cos α1)

Procediendo en igual forma para la altura después del choque

h2 = R - R cos α2 = R (1 - cos α2)

Reemplazando estos valores en la diferencia de trabajos, nos queda:

Ao = GR (1 - cos α1) - GR (1 - cos α2)

Ao = GR (cos α2 - cos α1)

El valor numérico en kilográmetros o en Joule del trabajo gastado para producir la rotura queda indicado sobre una escala

convenientemente graduada que posee la máquina, o bien resulta de la fórmula anterior en donde los valores de los ángulos se

miden sobre un cuadrante que se encuentra en la parte superior de aquélla.

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El trabajo o energía registrada será considerada aceptable cuando las pérdidas por fricción entre las partes metálicas de la

máquina, para la marcha en vacío, sea inferior al 0,4 % de la energía máxima.

Métodos de ensayo

Los métodos propuestos por Izod en 1903 y por Charpy en 1909, consisten en romper el material que se ensaya, bajo un efecto

dinámico que se produce por el impacto sobre el mismo de una masa de peso y velocidad conocida. En ambos casos la rotura se

produce por flexionamiento de la probeta, por lo que se los denomina flexión por choque.

En los casos en que se pretenda obtener mejores condiciones de tracción pura, por la rapidez en la aplicación de las cargas, se

pueden realizar ensayos dinámicos de tracción por choque.

Además, en la determinación de las temperaturas de transición de aceros estructurales, las normas aconsejan el empleo de

martinetes con probetas especiales (método A.S.T.M).

Para el estado de tensión creado por la solicitación dinámica de choque, la velocidad de aplicación de carga estandarizada es

superior a la crítica de rotura, por lo que la deformación será localizada con epicentro en la entalla.

Dada la gran dificultad que existe en la evaluación del volumen deformado, es que el trabajo total de deformación no se define

como la energía por unidad de volumen como lo hacíamos en tracción estática "Capacidad de Trabajo de Deformación", sino por la

energía requerida para provocar la rotura por unidad de área de la sección transversal entallada o resiliencia, o directamente por la

energía absorbida.

Flexión por choque sobre barras simplemente apoyadas (método Charpy)

Con la finalidad de que el material esté actuando en las más severas condiciones, el método Charpy utiliza probetas entalladas

(estado triaxial de tensiones) y velocidades de deformación de 4,5 a 7 m/s, siendo el entorno recomendado por las normas el de 5 a

5,5 m/s.

Las probetas se colocan, como muestra la figura, simplemente apoyada sobre la mesa de la máquina y en forma tal que la

entalladura se encuentra del lado opuesto al que va a recibir el impacto. En la misma figura se puede observar la correcta posición

del material como así también la forma y dimensiones de los apoyos y de la pena del martillo pendular.

Respecto al "filo" o extremo de la masa pendular, la norma A.S.T.M. E-23 indica que debe presentar un ancho de aproximadamente

4 mm, redondeado con un radio de 8 mm. Las probetas utilizadas por Charpy eran de sección cuadrada de 30 mm de lado por 160

mm de largo y la entalladura de 1 mm de ancho con una profundidad de 15 mm terminaba en un orificio de 2 mm de diámetro;

para sus ensayos la luz entre los bordes de los apoyos era de 130 milímetros. Estas probetas son muy poco utilizadas en la

actualidad, siendo reemplazadas por otros tipos que mantienen, en algunos casos, idéntica forma pero de menores dimensiones,

las que varían de acuerdo a las normas utilizadas.

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La elección del tipo de probeta depende del material a ensayar, adoptándose para cada caso la que dé resultados más

satisfactorios; en general se emplean las de entalladuras más profundas y de menor ancho para los metales más dúctiles.

Las I.R.A.M. aconsejan realizar el ensayo de choque por el método Charpy, con el empleo de probetas entalladas aprobadas por

I.S.O. (International Standards Organization), pudiendo reducirse la profundidad de la entalladura, para materiales de poca

resistencia a la flexión por choque, a 3 mm para el tipo B y a 2 mm para el C, obteniéndose en este último caso la probeta

denominada Mésnager, o bien variarse el ancho a 7,5; 6; 5; 2,5 mm para el tipo A, cuando el espesor del producto sea inferior al

necesario para el maquinado de la probeta standard, en cuyo caso debe aclararse la probeta utilizada.

Las probetas indicadas en la figura son usadas preferentemente para el ensayo de metales ferrosos. La norma DIN 50 116 indica

para el cinc y sus aleaciones, probetas sin entallas de secciones cuadradas y trapeciales. La sección cuadrada de 6 X 6 mm se

emplea en aleaciones forjadas y la trapecial de 6,1 X 5,9 X 6,0 mm de altura para aleaciones de fundición inyectable; en todos los

casos el largo de las probetas es de 75 mm, manteniéndose la luz entre apoyos en 40mm.

El impacto sobre las probetas de sección trapezoidal debe darse en la cara más angosta.

La resiliencia o resistencia al choque resulta, según este método, el trabajo gastado por unidad de sección transversal para romper

al material de un solo golpe:

Resiliencia = K = Ao/S (kgfm/cm2 o joule/cm

2)

En la actualidad se tiende a evitar el cálculo de la resiliencia, expresándose los resultados de ensayos simplemente en términos de

energía de rotura.

Flexión por choque de barras empotradas (Método Izod)

En el método Izod la probeta se coloca en voladizo y en posición vertical, siendo asegurada por la mesa de apoyo de modo tal que

la entalladura quede en el plano de las mordazas; en estas condiciones el extremo del martillo golpea al material a 22 mm de las

mismas, como indica la figura pudiendo realizarse más de un ensayo sobre la misma probeta, cuando se emplean las del tipo b, la

que también puede construirse de sección circular, que presenta la ventaja de que permite determinar la energía de rotura sobre

caras o generatrices opuestas y a diferentes profundidades de la muestra.

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La probeta standard Izod es la indicada en la figura, pudiéndose emplear la redonda, que da resultados similares y, por lo tanto,

comparables con los obtenidos con la normal, presentando la ventaja sobre ésta de su mayor facilidad de maquinado.

En estas pruebas, los valores de ensayos se dan directamente por la energía de Impacto en kgfm o Joule, no siendo recomendable

su uso para temperaturas distintas de la ambiente.

Ensayos no destructivos

Una prueba no destructiva es el examen de un objeto efectuado de cualquier forma que no impida su utilidad futura. Aunque en la

mayoría de los casos, las pruebas no destructivas no dan una medición directa de las propiedades mecánicas, son muy valiosas para

localizar defectos en los materiales que podrían afectar el funcionamiento de una pieza de una máquina cuando entra en servicio.

Dicha prueba se emplea para detectar materiales defectuosos antes de que las partes componentes sean formadas o mecanizadas;

para medir el espesor de un metal u otros materiales; para determinar el nivel de líquido o el contenido de sólido en recipientes

opacos; para identificar y clasificar materiales; y para descubrir defectos que pudieran desarrollarse durante el procesamiento o el

uso. Las partes también pueden examinarse cuando están en servicio, lo que permitirá su remoción previa a la ocurrencia de una

falla. Las pruebas no destructivas se utilizan para hacer productos más confiables, seguros y económicos.

Los métodos de prueba o inspecciones no destructivas más comunes son:

Inspección visual

Radiografía

Inspección de partículas magnéticas

Inspección por penetración fluorescente

Inspección ultrasónica

Inspección por corrientes eléctricas parásitas

Inspección por termografía

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Inspección visual

Mediante esta inspección es posible la detección de daños superficiales, discontinuidades o daños estructurales en todos los

materiales. Es simple de usar en áreas donde otros métodos son impracticables, es económica y se puede mejorar mediante la

utilización de métodos ópticos como lupas o microscopios.

La principal desventaja que posee es la necesidad de tener un operario experimentado y muchas veces no es posible acceder a

lugares donde se necesita visibilidad directa de la zona.

Radiografía de metales

La radiografía de metales se puede realizar mediante rayos X o rayos gamma, ambos rayos son electromagnéticos, de longitud de

onda corta, capaces de atravesar espesores de metal relativamente grandes. Los rayos gamma se pueden obtener ya sea de un

material radioactivo natural (como el radio) o de un isótopo radioactivo (como el cobalto 60). La radiación gamma es más

penetrante que los rayos X, pero su sensibilidad inferior limita su aplicación, generalmente requiere mucho más tiempo de

exposición que el método de rayos X.

Los rayos X se producen cuando la materia es bombardeada por un haz de electrones que se mueven rápidamente. Cuando los

electrones se detienen de repente por la materia, parte de su energía cinética se convierte en energía de radiación o rayos X. Las

condiciones esenciales para la generación de rayos X son: a) un filamento (cátodo) que proporciona la fuente de electrones que se

dirigen hacia el objetivo, b) un objetivo (ánodo) localizado en la trayectoria de los electrones, c) una diferencia de voltaje entre el

ánodo y el cátodo, con lo que se regulará la velocidad de los electrones que inciden sobre el objetivo, regulando la longitud de onda

de rayos X producidos, y d) un medio de regular la corriente del tubo para controlar el número de electrones que chocan contra el

objetivo. Los requisitos a) y b) los proporciona generalmente el tubo de rayos X. La figura muestra esquemáticamente el uso de los

rayos X para examinar una placa soldada.

Representación esquemática del uso de los rayos X para examinar una placa soldada.

Una radiografía es una fotografía sombreada de un material más o menos transparente a la radiación. Los rayos X oscurecen la

película, de modo que las regiones de menor densidad que permiten fácilmente la penetración de éstos aparecen oscuras en el

negativo, comparadas con las regiones de mayor densidad que absorben más radiación. De este modo, un orificio o una fractura

aparecen como un área más oscura, en tanto que las inclusiones de cobre en una aleación de aluminio aparecen como un área más

clara.

Aunque la radiografía de metales se ha utilizado principalmente para revisar piezas fundidas y productos soldados, también puede

usarse para medir el espesor de los materiales.

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Inspección por partículas magnéticas (Magnaflux)

Éste es un método para detectar la presencia de fisuras, recubrimientos, rasgones, inclusiones y discontinuidades semejantes en

materiales ferromagnéticos como el acero. El método detectará discontinuidades de la superficie demasiado finas para apreciarse a

simple vista y también detectará discontinuidades ligeramente por debajo de la superficie. No es aplicable a materiales no

magnéticos.

La inspección por partículas magnéticas puede realizarse en diversas formas. La pieza que se va a inspeccionar puede magnetizarse

y luego cubrirse con finas partículas magnéticas (polvo de hierro); esto se conoce como método residual. O bien, la magnetización

y aplicación de las partículas puede hacerse simultáneamente, lo cual se conoce como método continuo. Las partículas magnéticas

pueden mantenerse en suspensión en un líquido que se vierte sobre la pieza, o la pieza puede sumergirse en la suspensión

(método húmedo). En algunas aplicaciones, las partículas, en forma de fino polvo, se esparcen sobre la superficie de la pieza de

trabajo (método seco). La presencia de una discontinuidad se revela por la formación y adherencia de un arreglo característico de

las partículas sobre la discontinuidad en la superficie de la pieza de trabajo. Este arreglo recibe el nombre de indicación y adquiere

la forma aproximada de la proyección superficial de la discontinuidad. El método Magnaglo, es una variante de la prueba

Magnaflux. La suspensión vertida sobre la pieza de trabajo magnetizada contiene partículas magnéticas fluorescentes. Entonces, la

pieza de trabajo se observa bajo luz negra, con lo cual las indicaciones destacan más claramente.

Cuando la discontinuidad está abierta a la superficie, el campo magnético se fuga hacia la superficie y forma pequeños polos norte

y sur que atraen a las partículas magnéticas. Cuando pequeñas discontinuidades están bajo la superficie, alguna parte del campo

aún podría desviarse a la superficie, pero la fuga es menor y se atraen menos partículas, con lo que la indicación obtenida es mucho

más débil.

Si la discontinuidad está muy lejos por debajo de la superficie, no habrá ninguna fuga del campo magnético y, en consecuencia, no

se obtendrá indicación alguna. Es necesario emplear apropiadamente métodos de magnetización, para asegurar que le campo

magnético formado esté perpendicular a la discontinuidad y lograr la indicación más clara.

Principio de la prueba Magnaflux.

Todas las partes de máquinas que han sido magnetizadas para su inspección deben someterse a un proceso de desmagnetización.

Si estas partes se ponen en servicio sin desmagnetizarlas, atraerán limaduras, polvos metálicos, rebabas y otras partículas de acero

que pueden rayar, y por tanto dañar, los cojinetes y otras piezas de la maquinaria.

Inspección por penetración fluorescente (Zyglo)

Este es un método sensible no destructivo con el que se pueden detectar pequeñas discontinuidades como fisuras, contracciones y

porosidades que afloren a la superficie. Aunque este método puede aplicarse tanto a materiales magnéticos como a no

magnéticos, se usa principalmente en materiales no magnéticos. Se puede recurrir a varias técnicas penetrantes para revisar

cualquier material homogéneo que no sea poroso, como metales, vidrio, plástico y algunos materiales cerámicos.

Las partes que van a probarse se tratan primero con un trazador o colorante. Por lo general, los trazadores son líquidos ligeros, de

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apariencia aceitosa que se aplican a la prueba por inmersión, rociado o con una brocha, o de laguna otra manera conveniente. El

trazador es absorbido dentro de las fisuras y otras discontinuidades por una fuerte acción capilar. Después que el trazador ha

tenido tiempo de filtrarse, los residuos restantes sobre la superficie se limpian o se lavan. Esto permite al trazador permanecer en

todas las discontinuidades que afloran a la superficie. A continuación, la pieza que se está revisando se trata con un polvo seco o

una suspensión de polvo en un líquido. Este polvo o revelador actúa como una esponja que atrae al trazador fuera del defecto y

aumenta el tamaño del área de indicación. A fin de que este proceso de inspección sea eficaz, el trazador debe ser observado

fácilmente en el polvo revelador. Un método para facilitar la inspección es usar colores contrastantes para el trazador y el

revelador. Una combinación muy común es utilizar revelador blanco y un colorante rojo.

Otro método consiste en usar un trazador fluorescente. La figura que sigue muestra los pasos principales en la inspección por

medio de un trazador fluorescente. Los pasos son exactamente los mismos que los descritos con anterioridad, excepto que el

líquido penetrante contiene un material que emite luz visible cuando se expone a una radiación ultravioleta. Las lámparas que

emiten luz ultravioleta se llaman lámparas negras, porque la luz visible que podrían emitir normalmente es detenida por un filtro,

haciéndola aparecer negra o púrpura oscuro. Cuando la parte que va a ser revisada se observa bajo la luz negra, el defecto aparece

como una marca fluorescente que brilla contra el fondo negro.

La inspección por trazador fluorescente se emplea para localizar fisuras y contracciones en piezas fundidas, fisuras en la fabricación

y re-esmerilado de herramientas de carburo, fisuras y hoyos en estructuras soldadas, fisuras en hojas de turbina de vapor y de gas,

y fisuras en aisladores cerámicos para bujías y aplicaciones electrónicas.

Pasos principales en el método de inspección por penetrante fluorescente.

Inspección ultrasónica o por ultrasonido

Un método muy antiguo es utilizar ondas de sonido para determinar defectos. Si una pieza de metal es golpeada con un martillo,

producirá ciertas notas audibles, las cuales pueden alterarse en resonancia y tono por la presencia de imperfecciones internas. Sin

embargo, esta técnica de golpear con un martillo y escuchar el sonido es útil sólo para detectar grandes defectos.

Un método más depurado consiste en utilizar ondas de sonido fuera del intervalo auditivo, con una frecuencia de 1 a 5 millones de

Hz (de aquí el término ultrasónico). El método ultrasónico es una prueba no destructiva, confiable y rápida que emplea ondas

sonoras de alta frecuencia producidas electrónicamente que penetrarán metales, líquidos y muchos otros materiales a velocidades

de varios miles de metros por segundo.

La figura muestra dos métodos de prueba ultrasónicos comunes: el de transmisión continua y el de eco-pulsos. El primero utiliza un

transductor en cada lado del objeto que va a revisarse. Si al cristal transmisor se le aplica un pulso eléctrico de la frecuencia

deseada, las ondas ultrasónicas producidas se desplazarán a través de la muestra hasta el otro lado. El transductor de recepción

situado en el lado opuesto recibe las vibraciones y las convierte en una señal eléctrica que se puede amplificar y observar en el

tubo de rayos catódicos de un osciloscopio, un medidor o algún otro indicador. Si la onda ultrasónica viaja a través de la muestra

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sin encontrar ninguna imperfección, la señal recibida será relativamente grande. Si hay imperfección en la trayectoria de la onda

ultrasónica, parte de la energía se reflejará y la señal que recibirá el transductor de recepción se reducirá.

El método del eco-pulso utiliza sólo un transductor que sirve como transmisor y como receptor.

Métodos de inspección ultrasónica, el de transmisión y el de eco-pulsos.

La gráfica de un osciloscopio cuando se utiliza el método de eco-pulso sería semejante a la de la figura siguiente. Conforme la onda

sonora penetra en el material sometido a prueba, parte de ella se refleja de vuelta al cristal, donde se convierte en un impulso

eléctrico. Este impulso se amplía y hace visible, apareciendo como una indicación o señal sobre la pantalla del osciloscopio. Cuando

la onda sonora alcanza el otro lado del material, se refleja de regreso al cristal y se ve como otra señal sobre la pantalla hacia la

derecha de la primera señal. Si hay imperfección entre las superficies frontal y posterior del material, se delatará sobre la pantalla

como una tercera señal entre las dos indicaciones correspondientes a las superficies frontal y posterior. Como las indicaciones en la

pantalla del osciloscopio miden el tiempo transcurrido entre la reflexión del pulso desde la superficie frontal y posterior, la

distancia entre indicaciones es una medida del espesor del material. Por tanto, la localización de un defecto puede determinarse

con exactitud por la indicación que aparece sobre la pantalla.

Gráfica de un osciloscopio por el método de eco-pulsos de inspección ultrasónica.

En general, las superficies uniformes y lisas son más apropiadas para la prueba de pulso de mayor frecuencia; por tanto permiten

detectar defectos más pequeños. La transmisión adecuada de la onda ultrasónica tiene gran influencia en la confiabilidad de los

resultados de la prueba.

La inspección ultrasónica se utiliza para detectar y localizar defectos como cavidades de contracción (rechupes), vacíos o fisuras

internas, porosidad y grandes inclusiones no metálicas. El espesor de la pared se puede medir en recipientes cerrados o en casos en

que tal medición no puede hacerse de otra manera.

Inspección por corrientes parásitas o corrientes de Eddy

Las técnicas por corrientes parásitas se utilizan para inspeccionar eléctricamente materiales conductores en busca de defectos,

irregularidades en estructura y variaciones en composición. En la prueba por corrientes parásitas, si una fuente de corriente alterna

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se conecta a una bobina se produce un campo magnético variable. Cuando este campo se coloca cerca de una muestra a prueba,

capaz de conducir una corriente eléctrica, se inducirán en la muestra corrientes parásitas. A su vez, estas corrientes producirán un

campo magnético propio. La unidad de detección medirá este nuevo campo magnético y convertirá la señal en un voltaje que

puede leerse en un medidor o en un tubo de rayos catódicos. Propiedades como la dureza, la composición de la aleación, la pureza

química y la condición de tratamiento térmico influyen en el campo magnético y se pueden medir directamente con el uso de una

sola bobina. Un empleo importante que se da a esta prueba es la inspección de materiales para detectar posibles variaciones con el

tratamiento térmico o con posibles derivaciones en la composición química. Esta aplicación requiere el uso de dos bobinas. Una

pieza estándar se coloca en una bobina y la pieza a prueba en la otra. La aceptación o rechazo de la pieza a prueba puede

determinarse comparando las gráficas de las dos piezas, que aparecen sobre la pantalla del osciloscopio.

La prueba por corrientes parásitas puede emplearse para detectar defectos superficiales y sub-superficiales, espesor de placas o

tubos, y espesor de capas.

Esquemas del principio de funcionamiento de la inspección por corrientes de Eddy.

Termografía

Generalmente las imperfecciones en un material alteran la velocidad de flujo térmico a su alrededor, generando gradientes de alta

temperatura, es decir puntos calientes. En la termografía, a la superficie de un material se le aplica un recubrimiento sensible a la

temperatura, a continuación el material es calentado uniformemente y luego enfriado. La temperatura es más elevada cerca de

una imperfección que en otros sitios; por tanto, el color del recubrimiento en este punto será distinto y fácilmente detectado.

Se puede utilizar una gran diversidad de recubrimientos. Comúnmente se usan pinturas y papeles sensibles al calor; compuestos

orgánicos o fósforos que producen luz visible al ser excitados por radiaciones infrarrojas; y materiales orgánicos cristalinos,

conocidos como cristales líquidos.

Un uso importante de la termografía es la detección de uniones pobres, monocapas o cintas individuales, que forman muchas

estructuras de materiales compuestos reforzados con fibras, particularmente en la industria aeroespacial.

Además, la termografía puede aplicarse directamente para observar fallas por sobrecalentamientos, por ejemplo en conductores

eléctricos y contactos eléctricos, en piezas mecánicas donde exista rozamiento y falta de lubricación, etc.

Análisis de fallas por termografía.

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Unidad 9: Corrosión y recubrimientos

Generalidades sobre la corrosión

Los metales usados en la mayor parte de la tecnología tienen una gran afinidad por el oxígeno, el agua, el azufre, el anhídrido

carbónico, etc., por lo que pueden ser atacados profundamente si no son debidamente protegidos.

Muchas veces el ataque progresa muy lentamente y no asume dimensiones macroscópicas porque sobre la superficie del metal se

forma espontáneamente una película de óxido o de un compuesto del metal que impide la acción oxidante. Por ejemplo el aluminio

en el aire resiste a la oxidación porque este es protegido por una película de óxido. Otros metales como por ejemplo el oro y el

platino son difícilmente oxidados y tienen escasa afinidad por el oxígeno; tales metales se denominan nobles.

La reacción del oxígeno con los metales puede ocurrir en presencia o en ausencia de agua. El ataque en ausencia de agua (corrosión

seca o química) se puede apreciar a altas temperaturas. El equilibrio es: Me + O2 ↔ Óxido

La reacción se puede desplazar en un sentido o el otro según las condiciones térmicas y la afinidad del metal por el oxígeno. La

degradación de un metal, producto de un proceso corrosivo, no es solamente la disolución macroscópica del metal sino también la

reducción de la eficiencia funcional del objeto metálico.

La corrosión puede ser definida como el deterioro de un material a consecuencia de un ataque químico por su entorno. Siempre

que la corrosión esté originada por reacción química, la velocidad a la que tiene lugar dependerá en alguna medida de la

temperatura y de la concentración de los reactivos y los productos. Otros factores, como esfuerzo mecánico y erosión también

pueden contribuir a la corrosión. La corrosión es un fenómeno espontáneo con que un producto metálico se degrada

tecnológicamente en forma gradual, por reacción química o electroquímica con el medio ambiente que lo circunda.

La corrosión puede ser:

HÚMEDA: si la reacción se realiza en presencia de agua condensada.

SECA: si la reacción se realiza en ausencia de agua condensada.

La corrosión de los metales en algunos casos puede ser considerada como el proceso inverso de la metalurgia extractiva. En el

estado metálico las energías de los metales son más altas y por eso, hay una tendencia espontánea de reaccionar químicamente

para formar compuestos.

Por ejemplo, los óxidos de hierro se encuentran muy difundidos en la naturaleza y son reducidos por aplicación de energía térmica

a hierro elemental, el cual está en un estado energético superior, existiendo por lo tanto una tendencia del hierro a volver

espontáneamente a óxido de hierro por corrosión y así permanecer en un estado energético más bajo.

De acuerdo con la definición del término corrosión, vemos que nos referimos a un proceso. El mismo toma lugar mediante

reacciones fisicoquímicas entre el material y su medio ambiente, generando cambios en las propiedades del primero. El resultado

es un efecto de corrosión que en algunos casos puede ser beneficioso, pero en la mayoría de las situaciones resulta perjudicial.

Ejemplos de efectos perjudiciales de la corrosión son el ataque del material, la contaminación del medio ambiente, pérdidas de

rendimiento en las plantas de vapor, etc. Entre los efectos útiles podemos mencionar algunos procesos controlados de corrosión

como por ejemplo el decapado, pulidos electroquímicos, protección catódica, etc.

Sin embargo, la corrosión es un proceso que deteriora y causa daños a la comunidad. Algunos ejemplos son las siguientes:

1 La funcionalidad operacional de las estructuras pueden ser arriesgada. Por ejemplo, conductos de agua subterráneos

pueden ser puestos fuera de servicio por la corrosión. Otros casos ocurren en los equipos electrónicos, donde importantes

funciones de control pueden ser afectadas, plataformas petroleras mar adentro que operan bajo condiciones corrosivas extremas y

en plantas nucleares donde los daños producidos por la corrosión pueden ser costosos y con mucho riesgo desde el punto de vista

de la seguridad.

2 Los recursos naturales pueden ser perdidos. La corrosión genera una pérdida de energía y una transformación de los

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metales a compuestos más estables, aquellos que se acerquen más al estado mineral. Pero, a diferencia de los minerales que

encontramos en la naturaleza, los productos de los procesos corrosivos son transportados por el agua y el viento por lo que no

podrán ser nuevamente utilizados para obtener metal.

3 El medio ambiente puede ser dañado. Tanques y barriles con productos químicos que son enterrados sin control alguno

pueden ser perforados por los efectos de la corrosión. Su contenido es captado luego por las aguas subterráneas contaminando el

medio.

La protección contra la corrosión se debe tener en cuenta en las siguientes fases:

1) Etapa de Proyecto Buena parte de los problemas de corrosión se pueden

remediar en esta fase, con un buen criterio del diseño.

2) Durante la Selección de Teniéndose en cuenta lo pasado y las experiencias de

materiales laboratorio y de planta piloto se puede realizar una

razonable selección de materiales resistentes a la

corrosión.

3) Mantenimiento Se debe inspeccionar con una periodicidad

predictivo y preventivo preestablecida y dependiente de las condiciones de

funcionamiento de la planta, por métodos directos o

indirectos (visual, ultrasonidos, rayos X, análisis de

productos de corrosión, etc.)

Formas de corrosión

La naturaleza electroquímica de los procesos de corrosión, trae como consecuencia diversas formas de ataque dependiendo de la

mayor o menor tendencia a la localización de las áreas anódicas y catódicas, de la densidad de corriente que fluye a través de los

elementos galvánicos, de factores ambientales, metalográficos, mecánicos, geométricos, etc., los cuales crean diferentes formas de

ataque.

La identificación de las diversas morfología de ataque es de absoluta necesidad para poder determinar en un análisis de falla,

cuales han sido las causas que han provocado el proceso corrosivo. Pudiendo hacerse la siguiente clasificación:

• CORROSIÓN GENERALIZADA

• CORROSIÓN LOCALIZADA

• CORROSIÓN SELECTIVA

La corrosión generalizada es cuando toda la superficie del metal es atacada y se traduce en una reducción de espesor de pared

metálica, que está en contacto con el electrolito. Según la distribución del ataque superficial se distingue corrosión generalizada

uniforme y no uniforme.

La corrosión localizada es cuando una parte limitada de la superficie del metal es atacada. Se la clasifica según su forma en cráteres,

picaduras, fisuras, etc. En las picaduras se tiene en cuenta la relación diámetro/profundidad y en las fisuras si siguen los bordes de

grano o no en intergranulares y transgranulares respectivamente.

La corrosión selectiva produce la disolución de una parte determinada del metal, que por razones químicas o metalográficas,

resultan más fácil de ser atacadas. Se distinguen corrosión cristalográfica, interdendrítica, exfoliación, intergranular, etc.

Otra forma de corrosión selectiva es la desaleación, y es cuando uno de los componentes de una aleación se disuelve

preferencialmente, como por ejemplo la deszincificación de los latones, la desniquelización de los cuproniqueles, dejando un

residuo espumoso y sin consistencia mecánica.

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Protección contra la corrosión

En la mayoría de los casos, un problema de corrosión no puede ser resuelto fácilmente mediante la sustitución del material que se

corroe por otro más noble y resistente debido a dificultades de orden económico y técnico. El problema es pues, combatir la

corrosión de los materiales de uso frecuente. A este respecto, parece oportuno remarcar el orden de prioridades que debe

satisfacer un material para su empleo en cualquier tipo de estructuras y, en particular, en las plantas químicas. Como no ser

atacable por el sistema que contiene o que rodea, no tener influencia en los procesos que se desarrollan a su alrededor, tener

resistencia mecánica adecuada, ser de costo esencialmente bajo.

En la realidad y con mucha frecuencia, los factores económicos son los determinantes de la elección. Un especialista debe estar

familiarizado con ellos de la misma manera que con los factores técnicos y debe basarse en ambos para justificar dicha elección.

Así como la corrosión se presenta en diversas formas, también existen numerosos métodos para combatirla. El análisis racional de

esos métodos obliga a dar una cierta clasificación cuya comprensión depende en gran parte de la característica que se toma como

base. Puede considerarse que el método más idóneo de ordenar las técnicas de protección debe basarse en las características de

las reacciones que se desea neutralizar.

La reacción de corrosión es de carácter heterogéneo y, en su forma más simple, puede esquematizarse en una fase metálica

reactiva, un medio agresivo que puede ser sólido, líquido o gaseoso, y una interfase donde tiene lugar la reacción.

De acuerdo con esta caracterización de la reacción de corrosión, los métodos de protección se pueden clasificar en:

1) Medidas que se adoptan sobre el material

2) Medidas sobre el agente agresivo

3) Medidas a tomar sobre la interfase

A estos tres grupos podrían agregarse aquellas medidas que disminuyen la posibilidad de ataque corrosivo mediante un diseño

realizado con mayor criterio.

La siguiente tabla resume estas medidas e incluye ejemplos y casos prácticos de aplicación. Los métodos se ordenan según actúen

modificando las características de los tres elementos que componen la reacción heterogénea.

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Las medidas a tomar sobre el metal están fuertemente relacionadas con los aspectos metalúrgicos, y se basan fundamentalmente

en adiciones que modifican el comportamiento del metal base. Aquellas que se toman sobre el medio agresivo consisten en

eliminar los componentes corrosivos del mismo.

Finalmente, las medidas sobre la interfase incluyen aspectos muy diversos que van desde la formación de nuevas interfases

(pintado, plaqueado, metalizado) hasta la modificación del potencial de electrodo por métodos electroquímicos, pasando por el

agregado de ciertas sustancias al medio agresivo, pero que actúan en la interfase y son conocidas como inhibidores.

El diseño para evitar problemas de corrosión

El diseño efectuado con mayor criterio es el primer paso a dar para prevenir los efectos nocivos de la corrosión en cualquier tipo

de estructura. Sin embargo, el encargado de efectuar el diseño tiene en general una formación técnica que lo habilita a diseñar en

función del objetivo que debe cumplir el equipo y asegurar su resistencia mecánica, su economía de fabricación y, en ciertas

ocasiones, respetar algunos criterios estéticos. Los aspectos de corrosión son considerados usualmente de segunda importancia y

ello es debido más a la formación del profesional que a un análisis serio de los costos.

Aceptada la inclusión de los aspectos referidos a la prevención de la corrosión en el diseño, resulta claro que la construcción más

económica es aquella que durante su vida útil genera un costo total anual mínimo. Dentro de estos costos, los correspondientes al

mantenimiento, particularmente al repintado de las superficies, constituyen una parte importante del total.

La forma de asegurar un mantenimiento sencillo y económico debe estar incluida en el diseño. Así entonces, luego de establecer

los prerrequisitos del diseño tales como la vida prevista de la instalación, la corrosividad del medio, las condiciones de trabajo, el

tipo de corrosión esperada, etc., y seleccionar le material y el tratamiento superficial más adecuado, debe tratar de respetarse una

serie de reglas generales que minimizarán sin duda los problemas debidos a la corrosión. Algunas de estas reglas son las siguientes:

a) Simplificar las formas: Cuanto más ángulos, esquinas, bordes y superficies internas tenga el diseño, más difícil es asegurar el

éxito del tratamiento superficial y mayor la posibilidad de ataque corrosivo.

b) Evitar la acumulación de humedad o agua de lluvia: Los perfiles deben disponerse de forma tal que no haya posibilidad de

retener agua o humedad. En los espacios parcialmente cerrados debe proveerse de orificios de evacuación. Los recipientes deben

montarse siguiendo el mismo criterio. También deben diseñarse para asegurar su total evacuación y limpieza.

c) Considerar el riesgo de corrosión galvánica: Cuando deben emplearse obligatoriamente dos metales distintos que pueden

producir corrosión galvánica, debe tenerse la precaución de interponer entre ambos un aislante eléctrico.

d) Ser cuidadoso con juntas y uniones: Esto se debe a que pueden generarse espacios de difícil acceso que sufrirán corrosión por

aireación diferencial (corrosión en hendiduras). También pueden generarse efectos galvánicos si las juntas son soldadas, ya sea por

la diferente composición del material de aporte o por las transformaciones que sufre la estructura del metal debido a las fusiones,

solidificaciones y calentamientos.

e) Tener en consideración los cambios dimensionales debidos a la corrosión: Esto se refiere a los casos de disminución de

espesor como resultado de la corrosión, lo cual puede provocar apreciables reducciones en la resistencia a la tensión y,

particularmente, conducir a la fatiga del material. Por otra parte, el aumento de volumen al formarse ciertos productos de

corrosión pueden generar ciertas tensiones muy grandes, cuando se forman en zonas pequeñas y más o menos herméticas.

f) Instrucción y aseguramiento en la fabricación y montaje de equipos: De poco vale hacer previsiones para combatir la

corrosión si en la práctica las medidas recomendadas se realizan en forma defectuosa, bien sea por negligencia o por

desconocimiento de las exigencias. Estos aspectos contribuyen a mantener los daños por corrosión a niveles aceptablemente

bajos.

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Unidad 11: Sistemas comerciales de aleaciones

En el mundo actual, existen innumerables aleaciones de los diferentes sistemas de aleaciones, cada una de ellas con aplicaciones

variadas o específicas. Para el ingeniero metalúrgico es importante saber elegir el material de la manera más eficiente, para

satisfacer las necesidades del producto (llámese producto a todo aquello que sea elaborado para un uso o fin, por ejemplo: un

engranaje, un puente, un avión, una tuerca, etc.. De manera general, se mostrarán fotografías de las aplicaciones de algunos

sistemas de aleaciones conocidos para diferenciarlos desde el punto de vista de sus usos y limitaciones.

Aceros y sus aleaciones

Fundición de hierro

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Aluminio y sus aleaciones

Cobre y sus aleaciones

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Titanio y aleaciones

Magnesio y sus aleaciones

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Unidad 12: Avances en la metalúrgica y los nuevos materiales

“Nuevas tecnologías demandan nuevos materiales”

Aceros de alta resistencia y baja aleación

Un acero de alta resistencia, aleación baja, y que además resiste al calor, tiene un diámetro medio del grano de cristal de a lo sumo

110 µm. Tiene un porcentaje en masa de: C: 0,03-0,15%; Si: a lo sumo 1%; Mn: a lo sumo 2%; P: a lo sumo 0,03%; S: a lo sumo

0,03%; Ni: a lo sumo 0,5%; Cu: al menos 0,01% pero menos de 0,1%; Cr: 1,8-2,8%; V: 0,1-0,3%; Nb: 0,01-0,08%; Mo: 0,05-0,35%; W:

1,2-1,8%; Ti: 0,001-0,05%; B: 0-0,02%; Al: a lo sumo 0,1%; O: a lo sumo 0,1; N: en una cantidad que cumple la fórmula [%N] = [%Ti]

+ 5[%B] + 0,004 y el resto Fe e impurezas inevitables.

Estos aceros se aplican cuando existen solicitaciones en las que se desea ahorrar peso pero con resistencias mecánicas elevadas, en

lugares donde otras aleaciones livianas de alta resistencia no pueden ser aplicadas.

Nanotecnología y nanomateriales

El termino nanotecnología describe los materiales, sistemas y procesos que existen o que operan a una escala extremadamente

pequeña, del orden de los cien nanómetros o menos (un pelo tiene 80 nm de diámetro). Las nanopartículas son productos de

nanotecnología de primera generación, partículas extremadamente pequeñas utilizadas por sus modernas propiedades. Las

nanopartículas fabricadas ya forman parte de centenares de productos.

Materiales inteligentes (Smart Materials)

Dentro de estos materiales se encuentran las aleaciones con memoria de forma SMA (Shape Memory Alloy), las cuales tienen la

propiedad de poder ser deformadas plásticamente (hasta un 10%) y mediante un calentamiento posterior recuperan la forma que

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poseían inicialmente. Estos inusuales efectos memoria de forma térmica y memoria de forma elástica o superelasticidad. El

principio físico del fenómeno está basado en la reversibilidad de la transformación martensítica.

Materiales superplásticos

Algunas aleaciones son capaces de experimentar un comportamiento superplástico dentro de un cierto rango de temperaturas y

velocidades de deformación. La superplasticidad se refiere a la capacidad del material de desarrollar grandes deformaciones

permanentes sin romperse, esto permite fabricar piezas de formas complejas a través de un proceso continuo de deformación.

En algunas aleaciones de bronce, aluminio y ciertos cerámicos, se han registrado deformaciones superplásticas de hasta un 8000 %.

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Materiales magnéticos

Los materiales magnéticos constituyen unos de los grupos de materiales con diversas aplicaciones en el campo de las ciencias e

ingenierías. Además de las aplicaciones ya conocidas, como los motores eléctricos, electroimanes, parlantes, transporte, etc.;

actualmente el uso de estos materiales es de sumo interés en el ámbito de almacenamiento de información, en especial en el caso

de las computadoras, mientras que los semiconductores sirven como base a la memoria primaria, los discos magnéticos y las cintas

son capaces de almacenar grandes cantidades de información.

Existen diversos tipos de comportamiento de los materiales magnéticos: el diamagnetismo y el paramagnetismo.

En los materiales diamagnéticos, la disposición de los electrones de cada átomo es tal que se produce una anulación global de los

efectos magnéticos. Sin embargo, si el material se introduce en un campo inducido, la sustancia adquiere una imantación débil y en

el sentido opuesto al campo inductor.

Los materiales paramagnéticos no presentan la anulación global de efectos magnéticos, por lo que cada átomo que los constituye

actúa como un pequeño imán. Sin embargo, la orientación de dichos imanes es, en general arbitraria, y el efecto global se anula.

El magnetismo inducido, aunque débil, es suficiente intenso como para imponer al efecto magnético. Para comparar los tres tipos

de magnetismo se emplea la razón entre el campo magnético inducido y el inductor.

Un electroimán es un imán hecho de alambre eléctrico bobinado en torno a un material magnético, como el hierro. Este tipo de

imán es útil en los casos en que un imán debe estar encendido o apagado, por ejemplo, las grandes grúas para levantar chatarra de

automóviles.

Un imán permanente conserva su magnetismo sin un campo magnético aplicado exteriormente. Un imán temporal sólo es

magnético mientras esté situado en otro campo magnético.

Materiales de uso nuclear

La tecnología nuclear es aplicada para la producción de energía, para la medicina, la biología, la minería, la agricultura y la

metalúrgica.

Además de los materiales nucleares propiamente dichos, como el uranio, paladio, cobalto y radio entre otros, utilizados en la

producción de la energía nuclear; es necesaria una tecnología específica que demanda materiales con diferentes características

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capaces de satisfacer las necesidades de seguridad, productividad, manejo de materiales radioactivos, traslado, enriquecimiento y

diferentes operaciones previas o posteriores a la generación de energía nuclear.

Los materiales utilizados en los reactores nucleares son de sumo interés para garantizar un funcionamiento adecuado sin riesgos.

Existen además materiales de uso en equipos y dispositivos abocados a la medicina, la biología, etc.; los cuales también tienen

requerimientos especiales que demandan materiales que puedan cumplir con dichas especificaciones.

Por ejemplo, las barras donde se encuentran contenido el uranio u óxido de uranio para la producción de energía en reactores

nucleares, están contenidas en un material conveniente para evitar que los productos de la fisión se filtren en la secuencia del

líquido refrigerador. Este material para la contención varía en función de la tecnología de fisión aplicada; encontramos aleaciones

de magnesio, aleaciones de circonio, o aceros inoxidables.

Vidrios metálicos

Un vidrio metálico es una aleación que contiene una estructura amorfa más que una estructura cristalina y de esta forma se puede

considerar que es un sólido desordenado. En los típicos metales, los átomos están ordenados en todas las direcciones formando

cristales que se interrumpen con zonas de otras orientaciones cristalinas, dejando entre ellas zonas desordenadas llamadas bordes

de grano. El fenómeno de cristalización requiere tiempos largos para que las posiciones de equilibrio de la red cristalina se alcancen

a través de mecanismos de difusión. Esto significa que para alcanzar el estado amorfo hay que enfriar el líquido lo suficientemente

rápido como para que no puedan ocurrir los movimientos difusivos que llevarían a los átomos a ocupar sus posiciones de equilibrio

en la red cristalina. En el caso de los vidrios metálicos este enfriamiento debe ser extraordinariamente rápido, más de u millón de

grados por segundo, lo que imposibilita una producción industrial a gran escala, pero afortunadamente se han logrado conseguir

este tipo de materiales mediante otras técnicas.

A diferencia de los vidrios para ventanas, los vidrios metálicos no son transparentes o fáciles de fragmentar. Muchos metales

tradicionales son fáciles de doblar debido a los defectos (dislocaciones) en su retícula cristalina, pero los vidrios metálicos no tienen

ninguna red cristalina y ninguna dislocación, y su desordenada disposición de átomos les da propiedades mecánicas y magnéticas

distintivas. Los vidrios metálicos, que normalmente se fabrican de dos o más metales, pueden presentar grandes capacidades de

resistencia, tensión elástica y dureza. Otra ventaja es que, como otros materiales dúctiles más débiles, pueden ser fácilmente

calentados, ablandados y moldeados en complejas formas.

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Materiales semiconductores

Un material semiconductor es aquel que tiene una conductividad eléctrica intermedia, entre la de los metales y los aislantes; y

otras propiedades físicas no usuales. Estos se pueden clasificar en dos tipos:

Semiconductores intrínsecos: poseen una conductividad eléctrica fácilmente controlable y, al combinarlos adecuadamente, pueden

actuar como interruptores, amplificadores o dispositivos de almacenamiento. Ejemplos: Si y Ge puros.

Semiconductores extrínsecos: estos se forman al agregar, intencionadamente, a un semiconductor intrínseco sustancias dopantes.

Su conductividad dependerá de la concentración de esos átomos dopantes. Dependiendo de esas impurezas habrá dos tipos:

Semiconductores de tipo n: En las redes de Si o Ge se introducen elementos del grupo 15 los cuales debido a que tienen un electrón

más en su capa de valencia que los elementos del grupo14 se comportan como impurezas donadoras de electrones o portadores

negativos.

Semiconductores de tipo p: En este caso se introducen elementos del grupo 13 que presentan un electrón menos en su capa de

valencia, por lo que se comportan como aceptores o captadores de electrones.

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Bibliografía

Fundamentos de la Ciencia e Ingeniería de Materiales – William F. Smith.

Principios de Metalurgia Física – Robert E. Reed Hill.

Fundamentos de Metalurgia Física – John D. Verhoeven.

Metalurgia Extractiva de los Metales No Ferrosos – John L. Bray.

Properties and Selection: Nonferrous Alloys and Special Purpose Materials - ASM Metals HandBook Volume 2.

Metallography and Microstructures - ASM Metals HandBook Volume 9.

Light Alloys – Metallurgy of the Light Metals – I. J. Polmear.

Metalográfica y Ensayos de Metales – Pedro Pelorosso.

Metalurgia Técnica y Fundición – Eduardo Abril.

Ensayos Industriales – Gonzáles-Palazón.

Tratamientos Térmicos de los Aceros – José Apraiz Barreiro.

Ciencia y Técnica de la Soldadura – Palma-Timerman.

Introducción a la Pulvimetalurgia – P. Molera.

Condiciones para aprobar la materia

Asistencia a clases en un 80 % del total de clases dictadas durante el año lectivo.

Aprobar los parciales con 7 o más de 7 (siete) cada unos de ellos sin promediar las notas.

Realizar las visitas guiadas a las fábricas y empresas que se realizan a lo largo del año.

Metodología de trabajo

Clases semanales teóricas.

Trabajos prácticos, en los Laboratorios de los Departamentos de Metalúrgica y Mecánica.

Visitas guiadas a fábricas y/o empresas de actividades afines a los temas desarrollados.

Evaluación

Se hará en forma combinada, según la participación del alumno en los trabajos prácticos, durante las visitas guiadas con informes

de las mismas y cuatro parciales escritos con posibilidad de recuperación de uno de ellos.