CAPITULO N 5Los metales son de alta resistencia y ductilidad y los materiales cermicos ofrecen alta resistencia a la temperatura, estabilidad qumica y poco desgaste.El proceso funciona con la aplicacin simultnea de presin y alta temperatura. La presin aplicada desde el exterior asegura el contacto entre las superficies de unin, y la alta temperatura facilita la difusin a travs de la superficie de contacto.

CINTICA EN LOS PROCESOS SLIDOSEn muchos de estos procesos tienen lugar reacciones en estado slido que implican reacomodos espontneos de los tomos a posiciones atmicas nuevas y ms establesLa energa adicional requerida por encima de la energa media de los tomos se llama energa de activacin E*, y se mide generalmente en julios o en caloras por mol

Energa de activacin para una reaccin en estado slido trmicamente activada.Presenta una reaccin exotrmica, lo cual indica que la energa se desprende de la reaccinLa fraccin de los tomos o molculas en un sistema que tiene energa superior a E*, donde E* es mucho mayor que la energa media de cualquier tomo o molcula, puede escribirse como:

El nmero de vacantes en equilibrio a una determinada temperatura en una red cristalina metlica puede expresarse por la siguiente relacin

Ecuacin de la velocidad de Arrhenius :Velocidad de reaccin = Ce- Q / R T Trabajando con lquidos y slidos la energa de activacin se expresa normalmente en trminos de un mol, o 6.02 1023 tomos o molculas. La energa de activacin suele representarse por el smbolo Q y se expresa en julios por mol o en caloras por mol.La ecuacin de Arrhenius puede tambin transcribirse en trminos de logaritmos decimales, como

Difusin en slidos en generalLa difusin es el mecanismo por el cual la materia se transporta a travs de la materia. Los tomos en los gases, lquidos y slidos estn en constante movimiento y emigran despus de un periodo. En los gases, el movimiento atmico es relativamente rpido, prueba de ello es la aparicin inmediata de olores al cocinar o las partculas de humoExisten dos principales mecanismos de la difusin de los tomos en una red cristalina: 1) Mecanismo sustitucional o por vacantes y 2) Mecanismo intersticial.APLICACIONES INDUSTRIALES DE LOS PROCESOS DE DIFUSIN1) Muchos procesos de manufactura industrial utilizan la difusin en estado slido El de endurecimiento superficial del acero por carburizacin con gas2) La introduccin de impurezas en obleas de monocristales de silicio, para fabricar circuitos electrnicos integrados.Endurecimiento superficial del acero por carburizacin con gas

Muchos componentes que se fabrican en acero y que sern sometidos a rotacin o deslizamiento, tales como engranajes y ejes, deben tener una superficie dura que resista el desgaste, y un ncleo interno tenaz para resistir la fractura.Los aceros carburizados son de bajo contenido en carbono: contienen entre 0.10 y 0.25% de C. Sin embargo, el contenido de elementos de aleacin en los aceros carburizados puede variar considerablemente segn sea la aplicacin en que van a ser utilizadosEFECTO DE LA TEMPERATURA EN LA DIFUSIN EN LOS SLIDOS

Puesto que la difusin atmica implica movimientos atmicos, es de esperar que el aumento de la temperatura de un sistema de difusin incremente la velocidad de difusin. Experimentalmente se ha encontrado que la dependencia de la velocidad de difusin de la temperatura de muchos sistemas de difusin, puede expresarse por un tipo de ecuacin como la de Arrhenius:

CAPITULO N 6EL PROCESO DE METALES Y ALEACIONESLa fundicin de metales y aleacionesEn su mayora, los metales se procesan primero fundiendo el metal en un horno que acta como depsito del metal fundido. A este metal fundido pueden aadirse los elementos de aleacin necesarios para producir las distintas aleaciones. Por ejemplo, el metal magnesio en estado slido puede aadirse al aluminio fundido y, despus de su fusin, puede ser mezclado mecnicamente con el aluminio hasta producir un lquido homogneo de una aleacin aluminio-magnesio.Laminacin en caliente y en fro de metales y aleacionesLa laminacin en caliente y la laminacin en fro son mtodos que se usan comnmente en la fabricacin de metales y aleaciones. Mediante estos mtodos se pueden producir chapas y placas de gran longitud y con secciones transversales uniformes.Laminacin en caliente: de los lingotes de seccin rectangular o planchn, primero se lleva a cabo en caliente porque, cuando el metal est caliente, es posible una mayor reduccin del espesor a cada pasada por el laminador

Laminacin en fro de chapas metlicasDespus de la laminacin en caliente, que tambin puede incluir una cierta laminacin en fro, a las bobinas de metal se les aplica un tratamiento trmico denominado recocido, para reblandecer el metal y eliminar cualquier trabajo en fro introducido durante el proceso de laminacin en caliente. El porcentaje de reduccin en fro de una plancha o chapa de metal se puede calcular como:

Extrusin de metales y aleacionesLa extrusin es un proceso de conformado plstico mediante el cual un material sometido a alta presin reduce su corte transversal cuando es forzado a pasar a travs de una abertura o matriz de extrusinLa mayora de los metales se extruye en caliente porque la resistencia de la formacin del metal es menor a que si lo fuera en fro.

ForjaLa forja es otro mtodo primario de conformado de metales en formas tiles. En el proceso de forja, el metal es golpeado o comprimido hasta la forma deseada. En la forja con martillo, el martillo de la prensa golpea repetidamente contra la superficie de metal para dar forma deseada.

TENSIN Y DEFORMACIN EN METALESLa mayora de los principales mtodos de procesado de metales para obtener productos semiacabados por forja o por fundicin. Ahora se mostrar cmo se evalan las propiedades mecnicas de resistencia y ductilidad para aplicaciones en ingeniera.

Deformacin elstica y plsticaCuando se somete una pieza de metal a una fuerza de traccin uniaxial se produce la deformacin del metal. Si el metal recupera sus dimensiones originales cuando se elimina la fuerza, se considera que el metal ha sufrido una deformacin elstica

Tensin de ingenieraConsidrese una barra cilndrica de longitud lo y rea de la seccin transversal A0 sujeta a una fuerza de traccin uniaxial F, como la que se muestra en la figura anterior. Por definicin, la tensin de ingeniera sobre la barra es igual a la fuerza media de fraccin F sobre la barra dividida por el rea de su seccin transversal A0. Por tanto.

Deformacin convencionalCuando una fuerza de traccin uniaxial se aplica a una barra, como la que se muestra en la figura anterior, se produce un alargamiento de la barra en la direccin de la fuerza. Dicho desplazamiento se conoce como deformacin. Por definicin, deformacin convencional es la relacin entre el cambio en la longitud de una muestra en la direccin en que se aplica la fuerza y la longitud original de la muestra considerada.

Coeficiente de PoissonLa deformacin longitudinal elstica de un metal produce un cambio simultneo de las dimensiones laterales. Como se muestra en las figuras, una tensin a traccin o z produce una deformacin axial +z y una contraccin lateral de x y y. Si la conducta es isotrpica, x y y son iguales.

La relacin se denomina coeficiente de Poisson. Para materiales ideales, v = 0.5. No obstante, en materiales reales el coeficiente de Poisson oscila entre 0.25 y 0.4, con un valor medio alrededor de 0.3Hasta ahora se ha discutido la formacin elstica y plstica de metales y aleaciones bajo tensiones de traccin uniaxiales. Otro mtodo importante de deformacin de metales est relacionado con la accin de tensiones de cizalla dura.

Las unidades para la tensin de cizalladura son las mismas que para la tensin de traccin uniaxialSistema anglosajn: libras fuerza por pulgada cuadrada (lbf/pulg2, o psi)SI: newtons por metro cuadrado (N/m2) o pascales (Pa)La formacin de cizalladura se define como la cantidad de desplazamiento de cizalladura a en la figura anterior dividido por la distancia h sobre la que se produce la cizalladura.

Para cizalladura puramente elstica, la proporcionalidad entre la deformacin a cizalladura y la tensin de cizalladura es

EL ENSAYO DE TRACCIN Y EL DIAGRAMA TENSIN-DEFORMACIN CONVENCIONALEl ensayo de traccin se utiliza para evaluar la resistencia de metales y aleaciones. En este ensayo, una muestra de metal se estira a velocidad constante hasta la fractura, que se produce en un tiempo relativamente corto.El tipo de probeta utilizado en los ensayos de traccin vara en forma considerable. En metales con seccin transversal gruesa, como placas, normalmente se utilizan probetas de 0.50 pulgadas de dimetro. En metales de seccin transversal ms delgada, como chapas, se utilizan probetas planas. La probeta ms utilizada en ensayos de traccin tiene una longitud entre marcas de 2 pulgadas.Forma geomtrica de probetas utilizadas usualmente en ensayos de traccin.a) Probeta redonda estndar para traccin de 2 pulg de longitud de ensayo.b) Probeta rectangular estndar para traccin de 2 pulg de longitud de ensayo.

Valores de propiedades mecnicas obtenidos del ensayo de traccin y del diagrama tensin-deformacin convencional1) Mdulo de elasticidad2) Lmite elstico convencional de 0.2 por ciento3) Resistencia a la traccin4) Porcentaje de alargamiento a fractura5) Porcentaje de estriccin a fracturaMdulo de elasticidadEn la primera parte del ensayo de traccin, el metal se deforma elsticamente. Es decir, si la fuerza que acta sobre la muestra desaparece, la probeta volver a su longitud inicial. Para metales, la mxima deformacin elstica suele ser inferior a 0.5 por ciento. En general, los metales y aleaciones muestran una relacin lineal entre la tensin aplicada y la deformacin producida en la regin elstica del diagrama convencional que se describe por la ley de Hooke:

Captulo 4SOLIDIFICACIN DE METALESLa solidificacin de metales y aleaciones es un importante proceso industrial, dado que la mayora de metales se funden para moldearlos como productos semiacabados o acabadosEn general, la solidificacin de un metal o aleacin puede dividirse en las siguientes etapas1. La formacin de ncleos estables en el fundido (nucleacin).2. El crecimiento de ncleos para formar cristales y la formacin de una estructura granular

Formacin de ncleos estables en metales lquidosLos dos mecanismos principales por los que tiene lugar la nucleacin de partculas slidas en un metal lquido, son: la nucleacin homognea y la nucleacin heterognea.Nucleacin homognea Se considera en primer lugar la nucleacin homognea porque es el caso ms simple de nucleacin. La nucleacin homognea tiene lugar en el lquido fundido cuando el metal proporciona por s mismo los tomos que se requieren para formar los ncleos.Considrese el caso de un metal puro solidificando. Cuando un metal lquido puro se enfra lo suficiente por debajo de su temperatura de equilibrio de solidificacin, se crean numerosos ncleos homogneos mediante el movimiento lento de los tomos que se unen entre s. La nucleacin homognea suele requerir de un nivel alto de subenfriamiento que puede llegar a ser de varios cientos de grados centgrados para algunos metales (vase la tabla 4 . 1). Para que un ncleo estable pueda transformarse en un cristal debe alcanzar un tamao crticoNucleacin heterognea La nucleacin heterognea es la que tiene lugar en un lquido sobre la superficie del recipiente que lo contiene, las impurezas insolubles u otros materiales estructurales disminuyen la energa libre necesaria para formar un ncleo estable. Dado que en las operaciones de fundicin industrial no se producen grandes sub enfriamientos, normalmente varan entre 0.1 y 10C, la nucleacin es heterognea y n o homognea.SOLUCIONES SLIDAS METLICASUna aleacin metlica, o simplemente una aleacin, es una mezcla de dos o ms metales o de un metal (metales) y un no metal (no metales). Las aleaciones pueden tener estructuras relativamente sencillas, como el latn para cartuchos, que es esencialmente una aleacin binaria (dos metales) de 70% Cu y 30% ZnEl tipo ms sencillo de aleacin es el de solucin slida. Una solucin slida es un slido que consta de dos o ms elementos que estn dispersos atmicamente y forman una estructura de una sola fase. En general, hay dos tipos de soluciones slidas: sustitucionales e intersticialesIMPERFECCIONES CRISTALINASEn realidad, no existen cristales perfectos pues contienen varios tipos de defectos que afectan a muchas de las propiedades fsicas y mecnicas, que a su vez afectan a muchas propiedades importantes de los materiales para ingeniera, como la conformacin en fro de aleaciones, la conductividad elctrica de semiconductores, la velocidad de migracin de los tomos en aleaciones y la corrosin de los metales.Las imperfecciones en la red cristalina se clasifican segn su forma y geometra. Los tres grupos principales son: 1) defectos puntuales o de dimensin cero, 2) defectos de lnea o de una dimensin (dislocaciones) y 3) defectos de dos dimensiones que incluyen superficies externas y superficies de lmite de grano. Los defectos macroscpicos tridimensionales o de volumen tambin pueden incluirse. Ejemplos de estos defectos, son: poros, fisuras e inclusiones.Defectos puntualesEl defecto puntual ms sencillo es la vacante, un sitio atmico en el que ha desaparecido el tomo que lo ocupaba (figura 4 . 16a). Las vacantes pueden producirse durante la solidificacin como resultado de perturbaciones locales durante el crecimiento de los cristales, o por las reordenaciones atmicas en un cristal ya existente debido a la movilidad de los tomosMetalografa pticaLas tcnicas de metalografa ptica se emplean para estudiar las caractersticas y constitucin interna de los materiales a escala micromtrica (nivel de aumento de alrededor de 2000X).Mediante la aplicacin de las tcnicas de metalografa ptica puede extraerse informacin cualitativa y cuantitativa en relacin con el tamao de los granos, los lmites de grano, la existencia de diversas fases, dao interno y algunos defectos. En esta tcnica, la superficie de una pequea muestra de material, por ejemplo un metal o un material cermico, se prepara primero mediante un procedimiento pormenorizado y ms bien prolongado. El proceso de preparacin incluye numerosas etapas de molienda de la superficie (por lo general, cuatro) que quitan grandes rayones y capas delgadas deformadas plsticamente.Microscopia electrnica de barrido (SEM)Se utiliza para medir las caractersticas microscpicas, la clasificacin de las fracturas, los estudios de la microestructura, las evaluaciones de los recubrimientos de poco espesor, el examen de la contaminacin de la superficie y el anlisis de fallas en los materiales. En contraposicin a la microscopia ptica en la cual la superficie es expuesta a la luz visible incidente, el microscopio electrnico de barrido (SEM) dirige un haz de electrones enfocado a un punto de la superficie de una muestra a analizar y recoge y muestra las seales electrnicas emitidas por la muestraMicroscopia electrnica de transmisin (TEM)A diferencia de las tcnicas de la microscopia ptica y de SEM, donde la preparacin de la muestra es ms bien bsica y fcil de lograr, la preparacin de muestras para el anlisis de TEM es ms complicada y para ella hacen falta instrumentos muy especializados. Los especmenes que sern analizados con un TEM deben tener un espesor de varios cientos de nanmetros o menos, dependiendo del voltaje de operacin del instrumento. Un espcimen preparado adecuadamente no es nicamente delgado sino que tambin tiene caras planas que son paralelasMicroscopia electrnica de transmisin de alta resolucin (HRTEM)El instrumento tiene una resolucin de alrededor de 0.1 nm, lo que permite observar la estructura cristalina y los defectos a escala atmica. Para comprender lo que este grado de resolucin puede revelar acerca de una estructura, considrese que la red constante de la celda unitaria de silicio a aproximadamente 0.543 nm es cinco veces mayor que la resolucin ofrecida por el HRTEM. Los conceptos bsicos que estn detrs de estas tcnicas son similares a los de la TEM. Sin embargo, la muestra debe ser considerablemente menor Microscopio de tnel de barridoEn esta tcnica, suele fabricarse una punta muy afilada con metales como tungsteno, nquel, platino-iridio u oro, y recientemente con nanotubos de carbono (vase la seccin 11 . 11); se usa para sondear la superficie de una muestra