Estructura interna materiales

MATERIALES INDUSTRIALES

- ESTRUCTURA INTERNA DE

LOS MATERIALES -

Luis Miguel GARCÍA GARCÍA-ROLDÁN

Dpto. de Tecnología

IES CAP DE LLEVANT - MAÓ

TECNOLOGÍA INDUSTRIAL II – 2º BACHILLERATO

Maó - 2010

2

Contenido

Descripción de la estructura atómica de la materia y de los diferentes tipos de

enlaces atómicos. Representación gráfica de diferentes estructuras cristalinas.

Propiedades de los materiales. Elaboración de una lista de propiedades de

materiales usuales.

Interpretación de diagramas de equilibrio (hierro/carbono, níquel/cromo,

estaño/plomo) y cálculo del número de fases presente, composición de las fases

y la cantidad de cada una.

Técnicas de modificación de las propiedades.

Apreciación de la necesidad de desarrollar nuevos materiales.

Actitud crítica para relacionar la estructura de la materia y sus propiedades.

Oxidación y corrosión. Planificación práctica de oxidaciones y corrosiones de

algún material.

Reconocimiento de la necesidad de reducir el gasto que suponen los fenómenos

de oxidación y corrosión.

Comparación de los diferentes tipos de tratamiento superficial.

Reconocimiento del esfuerzo e inversión necesarios para investigar nuevos

sistemas de protección y tratamiento superficial y los beneficios que se pueden

obtener.

CONTENIDO LA MATERIA PROP. MATERIALES DIAGR. EQUILIBRIO OXIDACIÓN Y CORROSIÓN

3

Molécula


MOLÉCULA es la mínima porción de la materia que conserva

las propiedades de un material.

4

El átomo


ÁTOMO es una estructura eléctrica formada por la agrupación

de partículas elementales. Es la unidad elemental básica que

puede experimentar cambio químico. Diferenciamos dos partes

fundamentales: núcleo y corteza

EL ÁTOMO

Los átomos son neutros, tienen el

mismo número de protones que

de electrones. Un ión es un átomo

cargado por exceso o defecto de

electrones.

5

El átomo. Variantes


ISÓTOPOS son átomos con el mismo número de protones y

distinto de neutrones

ISÓTONOS son átomos con el mismo número de neutrones y

distinto de protones

ISÓBAROS son átomos con el mismo número másico

6

El átomo. Modelos atómicos


7

El átomo. Niveles energéticos


La corteza del átomo está formada por niveles energéticos y los

electrones son entes corpusculares que pueden ocuparlos. Se

producen saltos electrónicos de un nivel inferior a uno superior

o viceversa cuando se absorbe o emite

energía, respectivamente.

8

Sistema periódico de elementos


SISTEMA PERIÓDICO DE ELEMENTOS es la ordenación

sistemática de los elementos según su configuración

electrónica

9

Iteracción entre átomos (I)


Dos átomos de igual signo se repelen y

de distinto signo se atraen. La fuerza con

la que lo hacen es de origen

electroestático, pues despreciamos las de

origen magnético o gravitatorio.

Dos átomos iguales en contacto sufren fuerzas de atracción

debido a la naturaleza del enlace y a las atracciones

electrostáticas entre el núcleo de uno y la nube electrónica del

otro, y fuerzas de repulsión entre núcleos y entre nubes.

10

Iteracción entre átomos (II)


Se define distancia de equilibrio

aquella a la que dos átomos igualan

las fuerzas de repulsión y atracción. Es

el punto de mínima energía de enlace.

Es del orden de unos 3A.

La naturaleza de las fuerzas y energías

de penden del tipo de enlace atómico.

ENERGÍA DE ENLACE es la necesaria para separarlos

átomos o moléculas que lo forman una distancia infinita; es

decir, para destruir el enlace.

11

Reactividad química


Los elementos electropositivos (metales) tienen pocos

electrones en la última capa y los ceden para producir iones

positivos (cationes). El número de electrones cedidos es el

número de oxidación positivo.

Los gases nobles son los elementos más estables y menos

reactivos ya que tienen completa su última capa electrónica s2

p6, que es la que posee los electrones reactivos.

Los elementos electronegativos (no metales) tienen muchos

electrones en la última capa y aceptan electrones para

producir iones negativos (aniones). El número de electrones

aceptados es el número de oxidación negativo.

Los elementos de los grupos centrales de la tabla pueden

comportarse como electronegativos o electropositivos.

12

Electronegatividad


Electronegatividad es la capacidad de un átomo de atraer

electrones.

13

Enlaces moleculares


Dipolo permanente. Se forman entre moléculas que poseen

dipolos permanentes. Son relativamente débiles

Dipolo inducido. Se forman entre moléculas que poseen dipolos

cuya densidad electrónica va cambiando en el tiempo por

efectos de dispersión o movimientos de carga. Son muy débiles

14

Enlaces atómicos (I)


Dos átomos enlazados son más estables porque tienen menor

energía potencial que de forma separada. Se forman entre

moléculas que poseen dipolos permanentes. Son relativamente

débiles

Enlaces fuertes o primarios. Pueden ser enlaces iónicos (se

ceden electrones), covalentes (se comparten electrones) o

metálicos (se comparten electrones deslocalizados).

Enlaces débiles o secundarios. Pueden ser fuerzas de Van der

Waals o puentes de hidrógeno

15

Enlaces atómicos (II)


16

Enlace iónico (I)


Se da entre un átomo electropositivo (metal) y un átomo

electronegativo (no metal).

El electropositivo cede electrones al electronegativo hasta que

ambos adquieren la configuración de gas noble en el último

nivel.

Se producen un catión y un

anión.

Se generan materiales duros y

frágiles, con elevados puntos de

fusión y ebullición, buenos

aislantes térmicos y

eléctricos, aunque buenos

conductores en disolución.

17

Enlace iónico (II)


ENLACE IÓNICO

18

Enlace covalente (I)


Se da entre dos átomos con electronegatividad similar.

Los dos átomos comparten electrones hasta que ambos

adquieren la configuración de gas noble en el último nivel.

Las energías de los dos átomos asociados son menores que

las de los átomos por separado (más estables).

Pueden ser enlaces sencillos o múltiples.

19

Enlace covalente (II)


ENLACE COVALENTE

20

Enlace covalente para el carbono


La configuración de la última capa del carbono es 1s2 2s2

2p2, por lo que debería hacer dos enlaces covalentes con los

orbitales 2p semillenos. En realidad, muchas veces hace cuatro

enlaces covalentes de igual fuerza

Esto se produce debido a un fenómeno de hibridación, por el

que un orbital 2s se separa formando 4 orbitales sp3.

21

Enlace metálico


Se forman estructuras cristalinas ordenadas sistemáticamente

formadas por núcleos de iones positivos y electrones de

valencia dispersos en forma de nube electrónica que pueden

moverse fácilmente dentro de la red cristalina ya que las

fuerzas que los unen a los núcleos son muy débiles.

Esta configuración hace de los metales materiales muy

conductores del calor y de la electricidad, son fácilmente

deformables y tienen energías de enlace y puntos de fusión muy

diversos.

22

Fuerzas de Van der Waals


Unen los átomos de los gases nobles.

Se deben a la aparición de dipolos variables originados en el

movimiento de los electrones dentro de los átomos.

Existen dos efectos fundamentales:

Polarización: se produce cuando uno

de los átomos de la molécula tiene

más afinidad por los electrones. Se

produce un dipolo eléctrico.

Efectos de dispersión: producidos

por el movimiento de los electrones

dentro de los átomos.

23

Puentes de hidrógeno


Se producen en moléculas

bipolares como el agua.

Se deben a la atracción entre el

núcleo del hidrógeno de una

molécula y los electrones no

compartidos de los otros átomos

de otra molécula

24

Estructura cristalina


La estructura física de los sólidos es consecuencia de la

disposición en la que se encuentran átomos y moléculas y de

las fuerzas que los unen. Si esta estructura se repite en el

espacio el sólido tiene estructura cristalina.

El elemento que se repite en la red espacial es la celda

unitaria, que se caracteriza por tres vectores que convergen en

un vértice y tres ángulos.

25

Sistemas cristalinos


Dependiendo de cómo sea la celda unitaria, existen 7 sistemas

cristalinos y 14 retículos espaciales diferentes.

Propiedades de los materiales industriales

Propiedades químicas

Propiedades físicas

Propiedades mecánicas

Propiedades estéticas y

económicas

Propiedades de

fabricación

26CONTENIDO LA MATERIA PROP. MATERIALES DIAGR. EQUILIBRIO OXIDACIÓN Y CORROSIÓN

Propiedades químicas

Las propiedades químicas de los materiales son consecuencia

directa de su estructura química. Existen dos procesos naturales

que pueden alterar la composición química de un material:

Oxidación

Es la combinación de un material con el oxígeno para formar

óxidos más o menos complejos

Corrosión

Es una oxidación que se produce en ambientes húmedos o

en presencia de otras sustancias agresivas.


La resistencia que ofrezca un material a la oxidación y a la

corrosión son dos de sus principales propiedades químicas

Propiedades físicas (I)

Son consecuencia del ordenamiento en el espacio de los átomos. Las

principales son:

Densidad

Es la relación entre la masa de una determinada cantidad de material y el

volumen que ocupa. (Kg/m3)

Peso específico

Es la relación entre el peso de una determinada cantidad de material y el

volumen que ocupa. (N/m3)

Propiedades eléctricas

Resistividad es la resistencia que ofrece un material al paso de corriente

eléctrica. (m). Según sea la resistividad los materiales son conductores,

aislantes o semiconductores. Superconductores.

Rigidez dieléctrica es la máxima tensión que puede soportar por unidad

de longitud un aislante sin que se produzca en él una chispa o descarga

(kV/cm)


Propiedades físicas (II)

Propiedades térmicas

Dilatación térmica es el aumento de tamaño de un material al aumentar la Tª. Se debe a la mayor vibración de las partículas.

Calor específico es la cantidad de calor que hay que aportar a la unidad de masa de una sustancia para elevar un grado su Tª. ( J/(Kg K) )

Tª de fusión es la Tª a la que una sustancia empiece a fundirse.

Calor latente de fusión es el calor que hay que dar a la unidad de masa de una sustancia que está a la Tª de fusión para que pase de sólido a líquido. (kJ/mol)

Difusión es el desplazamiento de los átomos de un cuerpo desde su posición de equilibrio debido a la agitación térmica.

Conductividad térmica es la capacidad de un cuerpo para transmitir calor. (K)


Propiedades físicas (III)

Propiedades magnéticas

Según cual sea el comportamiento frente a los campos

magnéticos, los cuerpos pueden ser diamagnéticos (se

oponen al campo magnético debilitándolo. Ej: oro,

plata,…), paramagnéticos (aumentan ligeramente un

campo magnético aplicado. Ej: oxígeno, aluminio,…) o

ferromagnéticos (amplifican un campo magnético aplicado.

Ej: hierro, cobalto, níquel,…).

Propiedades ópticas

Según sea el comportamiento de un cuerpo al recibir luz

(ésta sufre reflexión, difusión y refracción), éste será

opaco, transparente o translúcido.


Propiedades mecánicas (I)

Elasticidad

Es la capacidad para recuperar la forma primitiva cuando

cesa la carga que deforma a un material. Cuando se rebasa

el límite elástico la deformación será permanente.

Plasticidad

Es la capacidad de un material para adquirir deformaciones

permanentes sin llegar a la rotura. (maleabilidad y

ductilidad).

Cohesión

Es la resistencia que ofrecen los átomos a separarse.

Dureza

Es la resistencia que ofrecen los cuerpos a ser rayados o

penetrados. Depende de la cohesión atómica.


Propiedades mecánicas (II)

Tenacidad

Es la resistencia a la rotura por acción de fuerzas externas.

Fragilidad

Es la propiedad opuesta a la tenacidad. Intervalo plástico

muy corto y límites elástico y de rotura muy próximos.

Resistencia a la fatiga

Es la resistencia que ofrecen un material a los esfuerzos

repetitivos.

Resiliencia

Es la energía absorbida en una rotura por impacto.


Propiedades estéticas y económicas

Propiedades estéticas

Aspecto. (Ej: ropa)

Textura. (Ej: madera)

Color. (Ej: ropa)

Olor. (Ej: madera)

Propiedades económicas

Precio del material.

Coste del transporte desde el lugar de producción hasta el de consumo.

Disponibilidad del material.


Propiedades de fabricación

Las propiedades de fabricación dan idea de la posibilidad de

someter a un material a determinados procesos industriales.

Maleabilidad

Es la capacidad de un material para ser laminado.

Ductilidad

Es la capacidad de un material para ser convertido en hilos.

Forjabilidad

Es la capacidad de un material para ser forjado.

Maquinabilidad

Es la capacidad de un material para ser sometido a procesos de

arranque de viruta.


Selección de materiales

No existe ningún material perfecto que sea utilizable en cualquier

aplicación. Por este motivo, cuando se va a elegir un material con una

finalidad determinada, es preciso sopesar sus cualidades y defectos y

actuar en consecuencia

INTRÍNSECAS

Propiedades Mecánicas

Propiedades Físicas

Propiedades Químicas

ATRIBUTOS

Precio y Disponibilidad

Propiedades de Fabricación

Propiedades Estéticas

PROPIEDADES

DISEÑO


Diagramas de equilibrio. Aleaciones

Aleación (disoluciones sólidas)

Es una disolución sólida entre dos o más elementos, uno de ellos de carácter metálico. Los átomos que se introducen del segundo elemento pasan a formar parte de la estructura cristalina del metal mejorando así propiedades como la dureza, tenacidad y conductividad.

Para que el producto resultante de la disolución sea una aleación tiene que cumplirse:

Los elementos a mezclar tienen que ser miscibles en estado líquido de manera que al solidificar resulte un producto homogéneo.

El producto resultante tiene que tener carácter metálico. Se mantienen los enlaces metálicos.


Diagramas de equilibrio. Componentes de una aleación (I)

En una aleación el disolvente es el elemento que conserva la red cristalina y el soluto el otro elemento, independientemente de cual esté en mayor proporción.

Se define concentración como la relación entre la cantidad de masa de soluto y la masa total de la aleación, expresada en términos porcentuales.

100

Ds

s

mm

mC


Diagramas de equilibrio. Componentes de una aleación (II)

Se disuelven 85 Kg de Co en 1 tm de acero. ¿Cuál es la concentración

de Co en masa de la solución?

¿Qué cantidad de Co se debe añadir a 1.5 tm de acero para tener una

aleación al 8% de Co?

Kg130.4m1001500m

m8100

mm

mC Co

Co

Co

AceroCo

Co

Code7.8%100100085

85100

mm

mC

Ds

s


___EJERCICIOS___

Diagramas de equilibrio. Tipos de aleaciones

Tipos de aleaciones según la deformación de la red cristalina:

Solución por sustitución: Los átomos de disolvente y soluto tienen estructura cristalina similar y ambos forman parte de la estructura cristalina al reemplazarse átomos del disolvente por átomos del soluto.

Solución por inserción: Los átomos del soluto son muy pequeños comparados con los del disolvente y se colocan en el interior, en los huecos, de la red cristalina del disolvente.

Cuando los átomos del soluto son de tamaño superior o inferior a los que sustituyen del disolvente o a los huecos en los que se insertan de éste, la estructura cristalina original se deforma provocando tensiones internas semejantes a las producidas en ensayos de tracción o deformaciones en frío, provocando un aumento del límite elástico. El material aumenta la carga de rotura pero también su fragilidad.


Diagramas de equilibrio. Energía en las aleaciones (I)

Normalmente los metales no están en estado líquido, pero es necesario licuarlos para poder realizar una aleación. Para ello es necesario dar energía al metal en forma de calor para elevar su Tª desde 25ºC hasta la Tª de fusión:

donde

Q es la energía que se debe aportar

m es la masa a fundir

Ce es el calor específico del metal a fundir

∆t es la variación de Tª hasta alcanzar la de fusión

Mientras que la energía necesaria para el cambio de estado se calculará:

donde

Q es la energía que se debe aportar para el cambio de estado

m es la masa a fundir

C es el calor latente de fusión del metal a fundir

tCemQ

CmQ


Diagramas de equilibrio. Energía en las aleaciones (II)

Calcular la energía precisa para fundir 1 tm de Al.

Mientras que la energía necesaria para el cambio de estado será:

La energía total necesaria será la suma de las dos

expresada en Kwh (1Kwh = 861.24Kcal) será Q = 226 Kwh

Normalmente hace falta mucha más energía para conseguir la fusión completa ya que gran parte de la energía invertida se pierde en las paredes del horno y, además, hay que elevar la Tª muy por encima del punto de fusión para que el metal no comience a solidificar hasta que sea utilizado el metal líquido.

Kcal136525C25)º(660CKgº0.215Kcal/1000KgΔtCemQ

Kcal92700g92.7Kcal/K1000KgCmQ

Kcal229225Kcal92700Kcal136525Q


___EJERCICIO___

Diagramas de equilibrio. Cristalización (I)

La cristalización de los metales puros y de las aleaciones tiene lugar

mediante un proceso de solidificación. En los metales puros este

proceso se produce a Tª constante (siempre que no se de el proceso

de subfusión que se produce a una Tª inferior a la de fusión), mientras

que en las aleaciones la Tª no permanece constante durante la

solidificación.


Diagramas de equilibrio. Cristalización (II)

En el proceso de solidificación se dan las siguientes etapas:

1) Nucleación es la formación de núcleos estables en la masa fundida.

2) Cristalización o crecimiento de los núcleos en las 3 dimensiones del espacio. Se forman las dentritas para dar origen a cristales.

3) Formación del grano a partir de los cristales anteriores. Interesa que el tamaño del grano sea pequeño para obtener mejores propiedades mecánicas.

Cuando los metales solidifican en un molde, el proceso de cristalización es más rápido en los

bordes que en el centro del molde debido a que el enfriamiento en las paredes del molde es

más rápido y a que el metal se adhiere a las paredes del mismo. Esto provoca que se creen

más cristales y se formen granos de menor tamaño; en el interior los granos que se forman

son más grandes y, por consiguiente, se forman columnas en dirección perpendicular a la

pared.

Además, al enfriarse el metal se contrae por lo que pueden aparecer defectos.


Diagramas de equilibrio. Regla de las fases de Gibbs (I)

Componente (C) es cada una de las sustancias o elementos químicos que forman un material. Ej: acero es hierro + carburo de hierro.

Fase (F) es cada una de las partes homogéneas de un sistema que se diferencia físicamente del resto; los sistemas pueden ser elementos puros, compuestos químicos, aleaciones o disoluciones. En el caso de un elemento puro las fases son cada uno de los estados en los que puede estar. Ej: cada uno de los tres estados del agua es una fase.

Grados de libertad (N) es el número de variables de un sistema que podemos variar libremente: Tª, presión, concentración, etc.

Gibbs desarrolló una ecuación que permite calcular el número de fases que pueden coexistir en equilibrio dentro de un sistema material. Es la regla de las fases de Gibbs:

F + N = C + 2


Diagramas de equilibrio. Regla de las fases de Gibbs (II)

En la figura vemos el diagrama de fases del agua pura regulado por las variables presión y Tª.

En el punto triple coexisten tres fases (sólido, líquido y vapor) y solo hay un componente. Por lo que el número de grados de libertad será:

F + N = C + 2 => 3 + N = 1 + 2 => N = 0

Por tanto, ninguna de las variables P-T se puede modificar. El punto triple es invariante.

En un punto cualquiera de la curva de solidificación (roja) coexisten 2 estados o fases y por tanto

F + N = C + 2 => 2 + N = 1 + 2 => N = 1


una de las variables P-T se puede modificar manteniendo un sistema con dos fases. A una P determinada sólo existe una T determinada a la que las dos fases sólido-líquido coexistan.

F + N = C + 2 => 1 + N = 1 + 2 => N = 2

por lo que se pueden modificar dos variables y el sistema permanece en una fase única.

Diagramas de Equilibrio de Fases.

Contienen toda la información sobre la estructura de fases de una aleación. Son la representación de la relación entre la estructura, la composición y el número de fases presentes en el equilibrio, así como las transformaciones que se producen al cambiar de una fase a otra.

Mediante estos diagramas podemos predecir las transformaciones y la microestructuras resultantes de los cambios de fase que se originan al modificar la Tª, presión y/o concentraciones de la aleación (se pueden modificar otras variables pero estas son las usuales). En estos casos, las fases pueden aparecer, desaparecer o cambiar de una a otra, generándose transformaciones y microestructuras que pueden estar o no en equilibrio.

Cada fase se nombra con una letra griega y al material fundido se le llama líquido.

Normalmente se representan diagramas de dos componentes y a presión atmosférica, con lo que solo quedan dos variables: Tª (eje ordenadas) y concentración en % (eje abscisas).


El diagrama nos indicará la composición o porcentaje de cada fase para una Tª y una concentración de los materiales implicados dada. Por ejemplo, para 40% del material A, existirán dos fases posibles α y ß. Al disminuir la Tª la fase α va convirtiéndose en la fase ß, pero hasta lograrlo pueden convivir las dos fases en la aleación (zona verde).

Diagramas de Equilibrio de Fases. Regla de la Palanca (I)

P1: en esta zona el 100% de la aleación está en fase αhasta llegar a la línea de fase α.

P2: es la zona de la línea de fase α, a partir de aquí empieza a generarse la fase ß.

P3: en esta zona conviven las dos fases. Para averiguar en qué porcentaje lo hacen se usa la regla de la palanca.

A la T3 se traza la isoterma, segmento horizontal hasta cortar las líneas de fase, generando los puntos de corte con éstas Cα y Cß cuyas concentraciones correspondientes de componente B son 60% y 25%.

La fracción de una fase es la relación entre el segmento formado por el punto de estudio P3 y el punto de corte con la otra fase y la isoterma (o recta de reparto). Así:

Estas son los porcentajes de cada fase en el punto P3, ; es decir, a la T3 y con una concentración del 40% del componente B.

%86.421002560

2540100

3

CC

CPdeFracción

%14.571002560

40601003

CC

CPdeFracción


Diagramas de Equilibrio de Fases. Regla de la Palanca (II)

P4: es la zona de la línea de fase ß, a partir de aquí empieza solamente la fase ß.

P5: en esta zona el 100% de la aleación esta en fase ß.


Diagramas Isomórficos Binarios. Solubilidad total en estado líquido y sólido (I)

Un sistema isomórfico binario es una aleación que está formada por dos componentes A y B que son ambos totalmente solubles en estado líquido y sólido.

Para obtener el diagrama de equilibrio de una aleación se toman un número de aleaciones con distintos porcentajes de A y B primero se obtienen las diferentes curvas de enfriamiento. Para ello, se funde cada una de ellas y se deja enfriar lentamente, representando una gráfica Tª- t y anotando en ellas los puntos críticos: Tª de licuefacción (cuando empiezan a formarse cristales) y Tª de solidificación (cuando se forma el último cristal).

Después se trasladan estos puntos a una gráfica Tª-concentración y se unen todos los puntos de Tª de licuefacción formando la línea de liquidusy todos los puntos de Tª de solidificación formando la línea de solidus.

Se puede determinar la Tª a la que empieza a fundirse una aleación (Tª de licuefacción) y la Tª a la que estará totalmente fundida (Tª de solidificación) para una concentración determinada trazando una vertical sobre dicha concentración y evaluando los puntos de corte de ésta con las líneas de liquidus y solidus.


Diagramas Isomórficos Binarios. Solubilidad total en estado líquido y sólido (II)


Diagramas Isomórficos Binarios. Solubilidad total en estado líquido y sólido (III)

Número de fases presente: Las líneas de solidus y liquidus dividen el diagrama en tres zonas dentro de las cuales toda la aleación estará formada por las mismas fases. Aplicando la regla de las fases de Gibbs, se puede apreciar que:

Cualquier punto de la zona L representa una fase líquida única. Cuanto más alejado se esté de la línea de liquidus, más líquida será la aleación.

En la zona α existe una única fase, sólida.

En la zona α+L estarán presentes las dos fases, líquido y sólido, en equilibrio. La composición y porcentajes de cada fase dependerá de la Tª para una composición de la aleación dada.


Diagramas Isomórficos Binarios. Solubilidad total en estado líquido y sólido (IV)


Determinación de las Tª de solidificación y licuefacción para una concentración dada:

Trazamos una vertical sobre la concentración de estudio y evaluamos los puntos de

corte de ésta con las líneas de liquidus y solidus.

En la concentración 70-30, la Tª de licuefacción será la correspondiente al punto dL

mientras que la Tª de solidificación será la correspondiente al punto bS.

Diagramas Isomórficos Binarios. Solubilidad total en estado líquido y sólido (V)

%32.261004280

7080100

LS

S

LCC

CCW

Determinación de la composición de las fases: En la zona bifásica, la composición de cada fase para una concentración dada la determinan los puntos de corte de la recta de reparto trazada a la Tª de estudio y las líneas de solidus y liquidus. Para el caso del punto C, la composición de líquido será CL(42% de A y 58% de B) mientras que la composición de sólido será CS (80% de A y 20% de B).

En una zona monofásica, la composición de la fase será la concentración de la aleación en ese punto de estudio.

%68.731004280

4270100

LS

LS

CC

CCW


Determinación de los porcentajes de cada fase: La cantidad de masa de aleación relativa a cada fase para una concentración y Tª dadas se calcula aplicando la regla de la palanca en el punto de estudio.

Diagramas Isomórficos Binarios. Solubilidad total en estado líquido y sólido (VI)

Interpretar el diagrama de fases Cu-Ni

En estado líquido es una solución homogénea compuesta por Cu y Ni. La fase α es una solución sólida por sustitución de átomos de Cu y de Ni, de estructura FCC. A temperaturas inferiores a 1080ºC el Cu y el Ni son mutuamente solubles en estado sólido a cualquier composición, ya que tienen la misma estructura cristalina, y similares radios atómicos, electronegatividades y valencias. El sistema resultante es isomorfo.

Indica los puntos de fusión de los componentes puros.

Analiza las temperaturas de licuefacción y solidificación para una composición del 50% de cada componente.

Calcula el número de fases presentes en los puntos A, B y C, indicando la Tª y las concentraciones de Ni y Cu en cada punto.

Calcula la composición de fases en los puntos anteriores.

Calcula el porcentaje de cada fase en los puntos anteriores (utiliza el gráfico ampliado)


___EJERCICIO___

Diagramas de Equilibrio de aleaciones totalmente solubles en estado líquido e insolubles en estado sólido (I).


Diagramas de Equilibrio de aleaciones totalmente solubles en estado líquido e insolubles en estado sólido (III).

CONCENTRACIÓN 70% A / 30% B ALEACIÓN HIPOEUTÉCTICA

a: toda la aleación es de fase líquida y su concentración es la de la aleación 70% de A y 30% de B.

bL: comienzan a formarse los primeros cristales de A. La concentración de la fase líquida es bL (70-30) y la de la fase sólida es bS (100-0).

n: en esta zona conviven las dos fases. La concentración de la fase líquida es nL (55-45) y la de la fase sólida es bS (100-0). Para averiguar en qué porcentaje lo hacen se usa la regla de la palanca.

d: existen cristales puros de A de concentración dS (100-0) y el resto será líquido de concentración la de la aleación eutéctica. Los porcentajes:

A partir del punto d hacia abajo, las aleaciones están formadas por los cristales de A formados entre bL y d (cristales primarios de A) y cristales mixtos de A+B (cristales secundarios de A). Las concentraciones serán las de la aleación, 30% de B y 70% de A, formado por 50% de A primario y 70-50 = 20% de A secundario.

%70.6610055100

70100100

LS

S

Lnn

nnW %30.33100

55100

5570100

LS

LS

nn

nnW

%5010040100

70100100

LS

S

Ldd

ddW %50100

40100

4070100

LS

LS

dd

ddW


Diagramas de Equilibrio de aleaciones totalmente solubles en estado líquido e insolubles en estado sólido (IV).

CONCENTRACIÓN 40% A / 60% B. ALEACIÓN EUTÉCTICA

e: toda la aleación es de fase líquida y su concentración es la de la aleación 40% de A y 60% de B.

c: comienzan a formarse los primeros cristales de A y de B de igual manera e íntimamente mezclados, formando cristales mixtos de composición total la de la aleación eutéctica.

A partir del punto c hacia abajo, y hasta la Tª ambiente, no hay cambio alguno.

Las aleaciones eutécticas tienen el menor punto de fusión y por ello son idóneas para fabricar piezas fundidas mediante moldes. Rellenan mejor los moldes y son más homogéneas.


Diagramas de Equilibrio de aleaciones totalmente solubles en estado líquido e insolubles en estado sólido (V).

CONCENTRACIÓN 25% A / 75% B ALEACIÓN HIPEREUTÉCTICA

k: toda la aleación es de fase líquida y su concentración es la de la aleación 25% de A y 75% de B.

d: comienzan a formarse los primeros cristales de B. La concentración de la fase líquida es dL (25-75) y la de la fase sólida es dS (0-100).

p: en esta zona conviven las dos fases. La concentración de la fase líquida es pL (32.5-67.5) y la de la fase sólida de cristales de B es pS (0-100). Para averiguar en qué porcentaje lo hacen se usa la regla de la palanca.

q: existen cristales puros de B de concentración qS (0-100) y el resto será líquido de concentración la de la aleación eutéctica. Los porcentajes

A partir del punto q hacia abajo, las aleaciones están formadas por los cristales de B formados entre d y q (cristales primarios de B) y cristales mixtos de A+B (cristales secundarios de B). Las concentraciones serán las de la aleación, 25% de A y 75% de B, formado por 37.5% de B primario y 75-37.5 = 37.5% de B secundario.

%5.375.62100 SW

%7710005.32

025100

SL

SL

pp

ppW %2377100 SW

%5.62100040

025100

SL

SL

qq

qqW


Aleaciones hierro-carbono:

En industria el hierro puro no tiene prácticamente aplicaciones, pero es muy utilizado en forma de aleaciones con el carbono y otros elementos.

Mediante la variación de la velocidad en los calentamientos y enfriamientos del acero se pueden obtener determinadas estructuras y con ello variar considerablemente las propiedades de los aceros y las piezas fabricadas con este material.

Los objetivos que se logran con los tratamientos térmicos son:

Lograr una estructura de menor dureza y mayor maquinabilidad.

Eliminar tensiones internas para evitar deformaciones después del mecanizado.

Eliminar la acritud originada por el trabajo en frío. (hierro quebradizo)

Conseguir una estructura más homogénea.

Obtener máxima dureza y resistencia.

Variar alguna de las propiedades físicas.

No todos los objetivos se logran con el mismo tratamiento térmico, sino que existen diferentes tratamientos a aplicar a los materiales en función del objetivo u objetivos a conseguir. Como tratamientos térmicos más destacados se pueden citar el temple, recocido, normalizado y el revenido.

En todos los tratamientos la primera fase es un calentamiento del material.


Aleaciones hierro-carbono: estados alotrópicos del Fe

El hierro es un metal alotrópico, es decir, cambia de estructura de cristalización en

función de la Tª, como podemos ver en las curvas de enfriamiento y calentamiento.


Aleaciones hierro-carbono: composición (I)

El carbono se puede encontrar en el hierro de las siguientes formas:

Disuelto en hierro α (ferrita) en muy pequeñas proporciones. (a Tª ambiente)

Disuelto en hierro γ, formando una solución sólida denominada austenita. (al aumentar la Tª)

Combinado con el hierro, formando un compuesto denominado cementita (Fe3C)

Libre formando láminas o nódulos de grafito.

Los cambios de estado del hierro y el acero se verifican cuando los cambios de temperatura son lentos, según se representa en el diagrama hierro-carbono.


Aleaciones hierro-carbono: composición (II)

Las aleaciones con contenidos de

carbono comprendidos entre 0.10% y

1.76% reciben el nombre de aceros(que a su vez pueden alearse con

otros elementos) mientras que si el

porcentaje de carbono sobrepasa el

1.76% reciben el nombre de

fundiciones, que no se pueden

forjar.

La máxima proporción de carbono que

una aleación puede disolver es

6.67%, compuesto denominado

cementita (Fe3C puro).

Tanto los aceros como las fundiciones

presentan impurezas de elementos

como el azufre o el fósforo que

despreciaremos a la hora de analizar

el diagrama de equilibrio.


Aleaciones hierro-carbono: constitución (I).

Ferrita: solución sólida de carbono en hierro α. Su baja solubilidad a Tª ambiente (0.008% de C como máximo) hace que se la considere hierro α puro. Es el más blando y dúctil de los aceros. Cristaliza en red cúbica centrada en el cuerpo (BCC). Tiene una dureza de 90HB (dureza en grados Brinell) y una resistencia a la rotura de 28 Kg/mm2; puede sufrir alargamientos del 30 al 40%. Posee propiedades magnéticas.

Cementita (Fe3C): Es el constituyente más duro (hasta 800HB) y frágil de los aceros. Posee propiedades magnéticas hasta los 210ºC. Cristaliza en redes ortorrómbicas.

Perlita: solución formada por un 86.5% de ferrita y un 13.5% de cementita. Tiene una dureza de 200HB, una resistencia a la rotura de 80 Kg/mm2 y un alargamiento del 15%. Si el enfriamiento ha sido lento posee una estructura laminar (perlita laminar) y si no presenta una estructura más borrosa (perlita sorbítica). A una Tª de 723ºC en la perlita laminar la cementita adquiere forma de glóbulos incrustados en la masa de la ferrita (perlita globular).

Las aleaciones están formadas por constituyentes, cuya naturaleza varía en función de la concentración de sus componentes químicos y de la Tª. Los principales constituyentes son:

cementitaferrita perlita


Aleaciones hierro-carbono: constitución (II).

Austenita: está formada por una solución sólida por inserción de carbono en hierro γ. La proporción del carbono varía desde 0 a 1.76%. Es el constituyente más denso de los aceros y está formada por cristales cúbicos de hierro γ, donde los átomos de carbono están intercalados en las aristas y en el centro. Tiene una dureza de hasta 300HB, una resistencia a la rotura de 100 Kg/mm2 y un alargamiento del 30%. No es magnética.

austenita


Martensita: después de la cementita es el más duro de los constituyentes. Es una solución sólida sobresaturada de carbono en hierro α que se obtiene por enfriamiento rápido de la austenita de los aceros, después de haber sido calentada para conseguir una constitución austenítica. Se presenta en forma de agujas y cristaliza en el sistema tetragonal. La proporción de C varía hasta el 0.89%, aumentando según sea esta su dureza (de 50 a 68HB), su resistencia a la rotura (de 175 a 250 Kg/mm2) y su alargamiento (de 2.5 a 5%). Posee propiedades magnéticas.

Troostita: Intermedio de la martensita y la sorbita, se produce mediante una transformación isotérmica de la austenita que se enfría rápidamente hasta el intervalo de temperaturas de 600ºC a 650ºC y se mantiene la Tª para que toda la austenita se convierta en troostita. Se presenta en forma de nódulos de láminas radiales de cementita sobre ferrita. Su dureza es de 450HB y su resistencia a la rotura de 250 Kg/mm2.

troostitamartensita

http://images.google.com/imgres?imgurl=http://www.cec.uchile.cl/~rhpalma/pag_scmm/boletines/Image6.jpg&imgrefurl=http://www.cec.uchile.cl/~rhpalma/pag_scmm/boletines/boletin.htm&usg=__QMdkGOjYjJuiITn6gQvS82Ay6Qs=&h=317&w=289&sz=11&hl=es&start=9&um=1&tbnid=MD9S-n_4f4djuM:&tbnh=118&tbnw=108&prev=/images?q=troostita&hl=es&rls=com.microsoft:en-US&um=1

http://images.google.com/imgres?imgurl=http://www.esi2.us.es/IMM2/micrografias/x25-400.jpg&imgrefurl=http://www.esi2.us.es/IMM2/Pract-html/martensi.html&usg=__FYr6NIW-33aVZtgq_K7X0Jhk1GM=&h=560&w=720&sz=80&hl=es&start=3&um=1&tbnid=EMM-zRWpiAGypM:&tbnh=109&tbnw=140&prev=/images?q=martensita&hl=es&rls=com.microsoft:en-US&um=1

Aleaciones hierro-carbono: constitución (III).

Sorbita: se produce mediante una transformación isotérmica de la austenita que se enfría rápidamente hasta el intervalo de temperaturas de 500 a 600ºC en un procedimiento similar al anterior. Se presenta en forma de láminas más finas que las de troostita y similares a las de perlita. Su dureza es de 350HB y su resistencia a la rotura de 100 Kg/mm2.

Bainita: también se produce mediante una transformación isotérmica de la austenita en un intervalo de temperaturas de 200ºC a 250ºC en un temple defectuoso llamado isotérmico o bainítico.

bainitasorbita


Aleaciones hierro-carbono: estructuras

Hay tres tipos de estructuras:

Estructura cristalina: no es uniforme, varía según los constituyentes de la aleación, y éstos cambian con la composición y la Tª.

Estructura micrográfica: es típica de los aceros y está formada por granos, el tamaño de los cuales determinará las propiedades físicas y mecánicas de los diferentes aceros. En general estas propiedades son peores cuanto mayor es el grano, salvo la capacidad de trabajar con máquinas, que aumenta.

Estructura macrográfica: depende de las impurezas que contenga el acero y de la forja a la que puede ser sometido.


Diagrama de equilibrio con transformaciones en estado sólido (I)

Aleación III (0,89% de C): En a toda la aleación esta en estado líquido. En b comienzan a formarse cristales de austenita. En c coexisten dos fases: fase líquida y fase sólida. En d se solidifica el último resto del líquido.

Entre d y A13 los cristales son todos de austenita, solución sólida de cementita en hierro γ.

En A13 el hierro γ (CCC) se transforma en hierro α (CC), que no es capaz de mantener disuelta a la cementita. Los cristales de austenita se transforman en otros de hierro α(ferrita) y carburo de hierro (cementita), denominados perlita.

La aleación hierro-carbono, en realidad, esuna aleación hierro-carburo de hierro (Fe3C)donde tenemos el 6,67% de C y el 93,33% deFe. En esta parte del diagrama vamos a elegirtres aleaciones tipo, identificadas con lascifras ll, III y IV.


Diagrama de equilibrio con transformaciones en estado sólido (II)

Aleación II (C < 0,89%): Sucede lo mismoque en la anterior, hasta llegar al punto A3.En este momento empiezan a transformarselos cristales de hierro γ en hierro α o ferrita.En n (0,45% de C) ya se han transformadouna serie de cristales de hierro γ en hierro α.La concentración y cantidad relativa de cadafase se calcula como en casos anteriores:

Los cristales de ferrita son hierro puro.

Los cristales de austenita tienen laconcentración correspondiente al puntonγ (aproximadamente 0,75% de C):


Al alcanzar A1 se tendrán cristales de hierro α y cristales de austenita (0,89% de C), y las cantidades serán:

ferritadenn

nnW %40100

75.0

30.0100

austenitadeW %6040100

Diagrama de equilibrio con transformaciones en estado sólido (III)

Aleación IV (C > 0,89%): Sucede lomismo que en los otros casos hasta llegar alpunto Acm, donde comienzan a formarsecristales de cementita. A partir de ese puntova empobreciéndose la austenita encontenido de carbono, y al llegar al punto A1alcanza la concentración A13 (0,89% de C).En los puntos intermedios entre Acm y A1 sepuede saber la concentración de la austenitay de la cantidad de ella y de la cementitasegregada.


ferritadeW %4910089.0

45.089.0

austenitadeW %5149100

Del punto A1 hacia abajo, la ferrita primaria sigue invariable y la austenita de concentracion 0,89% de carbono se transforma en perlita.

Para m se tendrá que la concentración de

austenita es la correspondiente al punto m

(aproximadamente 1,1% de C). Las

cantidades serán:

Diagrama de equilibrio con transformaciones en estado sólido (IV)

cementitamm

mmW CFe %57.3100

1.17.6

1.13.1100

7,6

3

austenitadeW %43.9657.3100

Por debajo de A1 se la austenita se transforma

en perlita, y la cementita permanece.

Esta parte del diagrama Fe-C es similar al de

los diagramas de aleaciones eutécticas en

cuanto a formas y comportamiento, pero el

diagrama Fe-C se parte de una aleación en

estado sólido y las transformaciones se logran

siempre en este estado.

Debido a esta similitud, a la aleación de 0,89%

de C se Ie llama eutectoide. El constituyente

eutectoide es la perlita, formada por cristales

mixtos de los dos componentes, hierro (ferrita)

y carburo de hierro (cementita). Las aleaciones

de menos de 0,89% de C se llaman

hipoeutectoides y las de mas de 0,89%

hipereutectoides.70


Diagrama de equilibrio de fases Fe-C (I)


Diagrama de equilibrio de fases Fe-C (II)

Conocidos los componentes y constituyentes que

podemos encontrar en las aleaciones hierro-

carbono, se puede determinar cuales de ellos las

forman, según sean las proporciones de hierro y

carbono, así como la Tª a que se encuentran.

En la se ha representado un diagrama de hierro-

carbono; de su observación y análisis se puede

deducir:

1.- La línea ABCD es la línea de liquidus, apartir de la cual comienzan a solidificar lasaleaciones del sistema. La línea AECF o líneade solidus indica las temperaturaspertenecientes al final de la solidificación.

2.- El punto A coincide con la Tª desolidificación del hierro en estado puro.

3.- El punto C representa la aleación eutécticacon una proporción de carbono del 4.3%,compuesta por austenita y cementita formandola ledeburita.


Diagrama de equilibrio de fases Fe-C (III)

4.- El punto E es el de máxima solubilidad delC en hierro , que corresponde a unaproporción de carbono del 1,76% .

5.- El punto D está en el limite del diagrama6,67% de carbono, que corresponde a lacementita pura.

6.- En el punto S o eutectoide, la austenita setransforma en perlita. Esta aleación tiene el0,89% de carbono.


Diagrama de equilibrio de fases Fe-C (IV)

Para la mejor comprensión del diagrama, estudiaremos el proceso de solidificación de seis

aleaciones de los siguientes porcentajes de carbono: 0.5%; 0.89%; 1.2%; 3.2%; 4.3% y 5.4%.

Aleación I (0.5% de C). Por encima del punto 1existe solamente la fase líquida. Comienza laformación de austenita hasta que en 2 solidificatotalmente. En el punto 3 el hierro γ setransforma progresivamente en ferrita o hierroα. Mientras dura la transformación anterior, laaustenita residual se enriquece en carbonohasta que en el punto 4, con una proporción de0,89 de C, se convierte en perlita.

Aleación II (0.89% de C). Comportamientoidéntico al anterior, con una sensible diferencia,y es que no existe el punto 3, porque toda laaustenita se transforma bruscamente en perlita.Es la llamada eutectoide.

Aleación III (1.2% de C). En el punto 5comienzan a separarse cristales de cementita,empobreciéndose progresivamente en carbonola austenita restante, hasta que en el punto 6 ala temperatura de 723ºC el porcentaje es de0.89%, y se transforma bruscamente en perlita.


Diagrama de equilibrio de fases Fe-C (IV)

Aleación IV (3.2% de C). En el punto 7 comienzala solidificación y se forma austenita. Cuando elIíquido residual llega a la línea eutéctica, todoel se transforma en ledeburita, punto 8.Conforme desciende la temperatura, laaustenita va segregando cementitapreeutéctica, hasta que en el punto 9 seconvierte en perlita. Como la ledeburita estáformada por el 52% de cementita primaria y el48% de austenita, también se transforma enperlita (ledeburita transformada).

Aleación V (4.3% de C). Idéntica a la anterior,aunque en el punto C presenta un paso bruscode solidificación en ledeburita (aleacióneutéctica).

Aleación VI (5.4% de C). En el punto 10comienzan a formarse cristales de cementita,mientras que la fase líquida va perdiendocarbono hasta que a la temperatura de 1130ºCsolidifica en ledeburita con un porcentaje decarbono de 4.3%.


Tratamientos térmicos

Temple

Recocido

Revenido

Normalizado

Tratamientos termoquímicos

Cementación

Cianurización

Nitruración

Sulfinización

Tratamientos Mecánicos

En frío

En caliente

Tratamientos superficiales

Metalización

Cromado duro

Técnicas de modificación de las propiedades de los materiales industriales

Controlando el enfriamiento de las aleaciones es posible alterar la estructura

y, en consecuencia, las propiedades de los materiales.


Tratamientos Térmicos: Temple (I)

Consiste en someter a los metales o aleaciones a un proceso de calentamiento

y enfriamiento rápido y continuo en un medio adecuado: agua, aceite o aire.

Tras el tratamiento se consigue un metal cuya superficie es muy dura, debido a

que el enfriamiento tan rápido impide a los cristales de la superficie adquirir un

equilibrio estable.

Es el tratamiento típico de los aceros martensíticos. Un acero templado tendrá

mejores propiedades cuanta mayor sea la cantidad de martensita que se haya

generado en el proceso de enfriamiento. Se define la templabilidad como la

aptitud de la aleación para endurecerse por la formación de martensita como

consecuencia de un tratamiento térmico.


Tratamientos Térmicos: Temple (II)

Factores que influyen en el temple

Composición del acero: cuanta mayor sea la cantidad de carbono mejorespropiedades tendrá el temple. La presencia de otros elementos que puedan formarcarburos también favorecerán la templabilidad, es decir la formación de martensita avelocidades de enfriamiento menores.

Temperatura de calentamiento: Variará en función del contenido de carbono y de otroselementos.

Tiempo de calentamiento: Dependerá de la masa de la pieza.

Velocidad de enfriamiento: Es el factor más importante y depende del medio detemple.

Características del medio de temple: Condiciona la velocidad de enfriamiento.

Tamaño y geometría de la muestra: Condiciona el tiempo de enfriamiento y lahomogeneidad del la pieza resultante.

Medios de temple

Agua: Es el medio más rápido de enfriamiento, se consiguen temples muy fuertes y seutiliza para templar aceros al carbono. Nunca debe llegar a los 30ºC. Es convenienteagitar el agua para evitar la formación de burbujas de vapor y para aumentar lavelocidad de enfriamiento y, por tanto, la efectividad del temple.

Aceite: Al ser más viscosos se enfrían más lentamente y por tanto se consiguentemples más suaves. Se emplean para aceros aleados, pues cuanta mayor sea lacantidad de carbono el temple en el agua puede ser muy severo y provocardeformaciones y grietas. Conviene agitarlo.

Aire: Es el medio más lento. Provoca microestructuras totalmente perlíticas.


Tratamientos Térmicos: Temple (III)

Tipos de Temple

Temple continuo de austenización completa: se aplica aaceros hipoeutectoides. Su principal componenteestructural es la martensita.

Temple continuo de austenización incompleta : se aplica aaceros hipereutectoides. La estructura resultante serámartensita y cementita.

Temple martensítico o martempering: Se enfría la austenitaen un baño de sales a Tª constante. La martensita obtenidaes muy dura, resistente al rozamiento y frágil.

Temple austenpering: Es similar al anterior pero con mayortiempo de permanencia en las sales para que el resultadofinal sea bainita.

Temple superficial: Consiste en calentar rápida ysuperficialmente un material de forma que solo lasuperficie se transforme en austenita. Luego se produce elenfriado rápido de manera que el núcleo de la piezapermanece blando, tenaz, resilente y resistente aldesgaste, mientras que la superficie de la pieza es dura yresistente al rozamiento como un temple martensítico. Elcalentamiento de la pieza puede hacerse con sopleteoxiacetilénico o por inducción eléctrica.


Tratamientos Térmicos: Recocido

Eliminar tensiones del temple.

Aumentar la plasticidad, ductilidad y tenacidad.

Conseguir una microestructura específica.

Consiste en calentar el material hasta una temperatura determinada durante un tiempo

previsto para posteriormente enfriarlo lentamente hasta la Tª ambiente. Se consigue así

eliminar los defectos estructurales introducidos por el temple para disminuir la dureza y

favorecer el mecanizado de la pieza. Los objetivos que se buscan con el recocido son:

En función del tamaño y geometría de la pieza, es

imprescindible controlar perfectamente los tiempos de

calentamiento y enfriamiento así como las velocidades de

variación de la Tª para evitar deformaciones y agrietamiento

internos en las piezas. Según los resultados esperados hay

tres tipos de recocidos:

Homogeneización: Se aplica en metales con soldaduras defectuosas.

Regeneración: Se aplica en aleaciones demasiado duras por haber enfriado demasiado

rápido.

Estabilización: Consigue eliminar tensiones internas en metales y aleaciones sometidas

a forjado o laminado.


Tratamientos Térmicos: Revenido

Es un proceso posterior al temple para eliminar la fragilidad y mejorar la

tenacidad a costa de disminuir la dureza. Consiste en calentar el material hasta

una temperatura inferior a la de temple para lograr que la martensita se

transforme en una estructura más estable para posteriormente enfriarlo

rápidamente.

Los factores que más influyen son la Tª y el tiempo de calentamiento: cuanto

más se acerque a la Tª de temple y mayor sea el tiempo, mayor será el

ablandamiento y mayor la tenacidad. Si bien se destruye parte del temple, el

acero resultante es más blando pero menos frágil.


Tratamientos Térmicos: Normalizado

Es un tratamiento térmico similar al recocido pero con una velocidad de

enfriamiento más elevada. Se calienta el material para convertir la ferrita en

austenita y se enfría al aire libre.

Mediante este proceso se afinan los aceros, consiguiendo disminuir el tamaño

de grano medio.


Tratamientos Termoquímicos

Son procesos de calentamiento y enfriamiento de metales y aleaciones que además varían la

composición química superficial de éstos, añadiendo otros elementos. La finalidad es

mejorar determinadas propiedades en la superficie como la dureza y resistencia a la

corrosión. Los principales tratamientos termoquímicos son:

Cementación: Se aumenta la cantidad decarbono en superficie para aumentar ladureza y la resiliencia. El material será másresistente a la fricción y a los golpes.

Nitruración: Se aumenta la cantidad denitrógeno en superficie para aumentar ladureza. Se aplica a cigüeñales, brocas,sierras, etc donde la dureza es muyimportante.

Cianurización: Se aumenta la cantidad decarbono y de nitrógeno. Es la combinaciónde los tratamientos anteriores.

Sulfinización: Se incorpora azufre,nitrógeno y carbono a la superficie delmaterial. Se mejora la resistencia aldesgaste y a la corrosión.


Tratamientos Mecánicos

Son operaciones de deformación permanente de los metales y aleaciones mediante un

esfuerzo mecánico. Mejoran la estructura interna al eliminar posibles fisuras y/o cavidades

internas y homogeneizar el material. Se pueden llevar a cabo en frío o en caliente.

En frío: Los más conocidos son ellaminado en frío, la estampación en frío,el estirado y el hilado. Se utilizan paraobtener chapas, hilos y cables

En caliente: Los más conocidos son laforja, el laminado en caliente, laestampación en caliente y la extrusión.Se utilizan para fabricar herramientas yen artesanía.


Tratamientos Superficiales

Son tratamientos que consisten en la mejora de las calidades superficiales de

los metales y aleaciones. Los más conocidos son la metalización y el cromado

duro.

Metalización: Se proyecta un metalfundido sobre la superficie de otropara conseguir que la superficie delsegundo adquiera las propiedades delprimero. Se usa para aumentar laresistencia al desgaste o a lacorrosión.

Cromado duro: Se efectúa medianteun proceso electrolítico especial paraconseguir que la capa de cromo seamás gruesa de lo habitual, de maneraque el metal presente menorcoeficiente de fricción y mayorresistencia al desgaste.


Oxidación y Corrosión

Los dos componentes básicos del aire atmosférico son el nitrógeno (79%) y el

oxígeno (21%). El nitrógeno es un gas muy poco activo mientras que el oxígeno

es el responsable de la mayoría de los procesos químicos que se producen en

los materiales expuestos a la intemperie.

■ En ambiente seco y cálido el oxígeno provoca la oxidación de muchos

materiales.

■ En ambiente húmedo se produce corrosión.

La mayor parte de los materiales se oxidan en contacto con el oxígeno, pero

analizaremos sólo la oxidación y la corrosión de los metales.


Oxidación

Desde el punto de vista químico, la oxidación es una reacción en la que el elemento que

se oxida cede electrones al elemento oxidante. Aunque el más común de los oxidantes es

el oxígeno (O2), la oxidación de los metales puede ser provocada por otros agentes como el

cloro (Cl2), el bromo (Br2), el azufre (S), el hidrógeno (H), el iodo (l2), los óxidos de azufre

(SO2 y SO3) y los de carbono (CO y CO2).

En algunos metales como el cobre, el níquel, el estaño, el aluminio, el cromo, el proceso de

oxidación depende de la Tª:

■ A Tª ambiente la capa de óxido que los recubre se compacta impidiendo el contacto

del metal con el agente corrosivo y evitando que continúe la oxidación.

■ Si la Tª se eleva se puede producir una rotura de la capa de óxido y una difusión del

oxígeno a través de esta capa, con lo que la oxidación llega al interior del metal.


Corrosión

Es la destrucción lenta y progresiva de un material producida por el oxígeno del aire

combinado con la humedad. Los procesos de corrosión son procesos electroquímicos, ya

que en la superficie del metal se generan micropilas galvánicas en las que la humedad

actúa como electrolito. Por tanto, se producen dos reacciones químicas simultaneas: una

reacción anódica y una reacción catódica.

■ La reacción anódica se produce en la superficie del metal, que actúa como ánodo y

cede electrones formándose el óxido correspondiente.

■ La reacción catódica consiste en la captura de los electrones por los radicales OH- y

el posterior desprendimiento de hidrógeno gas (H2).

Los agentes corrosivos más habituales son el cloruro de sodio presente en el agua de mar

y el dióxido de azufre que se produce en las combustiones.


Corrosión. Tipos (I)

Se suelen distinguir unos ocho tipos de corrosión: uniforme, galvánica, por aireación

diferencial, picaduras, intergranular, erosión y corrosión bajo tensiones.

■ Corrosión uniforme: Cuando se coloca un metal en un electrolito (puede ser aire

húmedo), puede verse al microscopio que unas zonas actúan como cátodo y otras

como ánodo, repartiéndose al azar y cambiando, lo que da lugar a una corrosión

uniforme incluso sin contacto con otro material. Es el caso de la herrumbre en el acero

o la capa que recubre algunos objetos decorativos. Es la forma más común y

predecible de corrosión, por lo que se puede prevenir con recubrimientos o barnices

protectores.

■ Corrosión galvánica: Tiene lugar al poner próximos dos metales

o aleaciones distintas que están expuestos a un electrolito

(agua, aire húmedo etc.). El metal menos noble o más activo en el

ambiente del electrolito es el que se corroe.

Se debe tener especial cuidado de no poner juntos metales o

aleaciones con electronegatividades muy diferentes y, si no

queda más remedio, se debe utilizar un área anódica lo mas

grande posible o aislar los metales con aislantes eléctricos

(caucho, pintura, plástico) antes de juntarlos. También se puede

realizar una protección catódica si se conecta eléctricamente un

tercer metal anódico a los otros dos.


Corrosión. Tipos (II)

■ Corrosión por aireación diferencial: Ocurre en objetos formados

por un mismo metal en los que pueden existir grietas y rendijas,

en las cuales penetra la suciedad y la humedad, con lo que las

zonas exteriores están más aireadas y las interiores quedan

empobrecidas de oxígeno, al gastarse en la oxidación y no

poder ser renovado. Si en lugar de uniones remachadas,

atornilladas o por plegado se emplean soldadas, el efecto se

puede reducir. También hay que procurar que no existan zonas

estancas sin aireación y que tengan un buen drenaje.

■ Picaduras: Es una forma localizada de corrosión que penetra

desde la superficie al interior. El fenómeno es parecido al del

caso anterior, pues una pequeña grieta donde se inicie una

oxidación hará que la superficie bajo ella se quede sin oxígeno.

Las superficies pulidas presentan mayor resistencia a este tipo

de corrosión.

■ Corrosión intergranular: Sucede cuando en los limites de grano

ha precipitado una segunda fase, con lo que se produce una

celda galvánica (dos componentes que tienen distinta

electronegatividad). En el acero la ferrita es anódica respecto

de la cementita, con lo que se produce una circulación de

electrones.90


Corrosión. Tipos (III)

■ Corrosión por tensiones: Un esfuerzo externo o una tensión

interna (por ejemplo, tras una deformación en frío) hace que

puedan existir pequeñas grietas. Estas fisuras provocan que las

zonas con menor concentración de oxígeno que el exterior

hagan de ánodo y comience la corrosión.


■ Corrosión por erosión: Más que una corrosión es la eliminación

de la capa protectora de óxido que se forma en los metales.

Esta eliminación se produce por la acción mecánica (desgaste)

de un fluido que va por una conducción. (tuberías, codos,

válvulas, bombas y, en general, cualquier elemento que

conduzca un fluido. La presencia de burbujas o partículas en

suspensión empeora la situación.

Protección contra la corrosión (I)

Los tratamientos superficiales no modifican las propiedades mecánicas del metal base, por

ello se recurre a técnicas de recubrimiento para proteger metales contra la corrosión.

La primera precaución es realizar un buen diseño:

■ Seleccionar el material adecuado para el ambiente en que se va a trabajar, siempre

que el coste lo permita.

■ Evitar la formación de células galvánicas en las uniones de diferentes metales

(hierro y latón p.e.).

■ Procurar que la superficie del ánodo sea mayor que la del cátodo. Por ejemplo, una

arandela de cobre sobre una chapa de acero tiene poca superficie comparada con la

de la chapa de acero, con lo que el cobre toma pocos electrones del acero y la

corrosión de este último es más lenta. Pero, si la arandela es de acero y la chapa de

cobre el proceso se invierte y acelera.

■ Los recipientes para contener Iíquidos deben ser cerrados y se hay que procurar en

su vaciado que no se estanque. Los fondos cónicos facilitan el desagüe.

■ Evitar hendiduras y grietas en las construcciones metálicas mediante el uso de

soldaduras, así se protege de la corrosión por aireación diferencial


Protección contra la corrosión (II)


Protección contra la corrosión (III)

■ Inhibidores: Cuando los recipientes que contienen fluidos han de

ser totalmente cerrados, como en el caso de un radiador de

automóvil, se utilizan sustancias que reaccionan con el oxígeno y

lo eliminan o bien atacan la superficie que se desea preservar

formando un recubrimiento protector. Las sales de cromo pueden

realizar esta función, pero, si se añaden en poca cantidad, quedan

zonas sin recubrir y se acelera la corrosión.

■ Protección catódica: Es un medio efectivo, aunque caro, se trata

de hacer que el metal que se va a proteger deje de ser ánodo para

forzarlo a ser cátodo. Para ello hay dos variantes, el ánodo de

sacrificio (se usa un material con potencial de electrodo menor al

que se desea proteger y éste se corroerá) y el voltaje impuesto

(poner una fuente de alimentación externa que invierta la polaridad

de los componentes: el elemento a proteger al polo negativo).

■ Protección anódica o pasivación: Es un caso de recubrimiento

con reacción superficial. Se forma una película de óxido o de

hidróxido, adherente e impermeable (como sucede en el

aluminio, en cuyo caso se denomina anonizado), evitando así la

formación de celdas galvánicas.


Protección contra la corrosión (IV)

Recubrimientos protectores: Tratan de aislar el ánodo y el cátodo. Los hay, como el aceiteo la grasa, que son temporales. Los recubrimientos mas usuales son los metálicos, lascerámicas y los polímeros. En todos los casos debe realizarse una escrupulosa limpieza dela superficie que se quiere cubrir.

Metálicos: Al exponer dos metales a la humedad, se acelera la corrosión de uno deellos. Así, si se recubre acero con Mg, Al, Zn o Cd, se acelera la corrosión de estos.Pero si se recubre con Sn, Cu, Ni u Au sucede lo contrario; con lo que en este últimocaso el recubrimiento debe quedar bien adherido para evitar puntos de corrosión.

Orgánicos: Son las pinturas, barnices, esmaltes y cerámicas. La pintura es unasuspensión que se aplica en capas finas sobre la superficie del metal, la evaporacióndel disolvente y el endurecimiento al reaccionar con el aire la convierten en una capamás o menos impermeable a acciones externas.

La pintura tiene varios componentes principales, el vehículo (compuesto a su vez porel diluyente o disolvente), el aglutinante (se polimeriza al secarse, formando la capadura) y los pigmentos, que tienen distintas funciones. La pintura sin pigmento es elbarniz o laca.

Los pigmentos tienen diferentes misiones; por ejemplo, los pigmentos inertes tienen elpapel de relleno para evitar el paso de los reactivos exteriores. Los coloreados facilitanel color. Los anticorrosivos, como el minio (Pb3O4) actúan de inhibidor o polvo de cine,que facilita una protección catódica. Los ignífugos trabajan consumiendo el oxígenoambiente al calentarse, por lo que disminuyen la presencia de este elemento en unfuego. Los plastificantes aumentan la plasticidad, elasticidad y tenacidad de la pintura,a la vez que mejoran su adherencia.


Estructura interna materiales

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