METALES

las aleaciones base hierro o aleaciones frreas. En este grupo se hallan los aceros al carbono, los aceros de baja aleacin, los aceros de alta aleacin y las fundiciones. Con el trmino aleaciones no frreas se hace referencia al resto de los metales que no contienen hierro como constituyente mayoritario, pero que tampoco pueden considerarse como aleaciones ligeras, destacables por sus elevadas propiedades especficas. Entre las aleaciones no frreas se estudiarn el cobre, nquel, cinc, plomo, estao, metales refractarios y metales preciosos. Las aleaciones ligeras se centran en las aleaciones base aluminio, magnesio, titanio y berilio. Finalmente, se examinan las ltimas tendencias en relacin con los materiales compuestos de matriz metlica.

ALEACIONES FERREAS

Dichas aleaciones se dividen en dos grandes categoras dependiendo de la cantidad de carbono presente en la composicin de la aleacin. Los aceros generalmente tienen un contenido en carbono comprendido entre el 0.05 por ciento y el 2.0 por ciento en peso. Las fundiciones normalmente contienen entre un 2.0 por ciento y un 4.5 por ciento en peso de carbono.

De forma arbitraria, se emplea una concentracin de un 5 por ciento en peso del total de elementos aleantes distintos del carbono como lmite entre los aceros de baja aleacin y los aceros de alta aleacin.

ACEROS AL CARBONO Y DE BAJA ALEACION

Los aceros al carbono son aleaciones hierro-carbono con un porcentaje en peso de carbono desde un 0.003 a un 1.2 por ciento, e incorporan manganeso (de un 0.25 a un 1 por ciento).

Los aceros al carbono pueden alcanzar resistencias de 690 MPa, pero con una elevada prdida de ductilidad y tenacidad; adems, tienen poca resistencia a la corrosin y la oxidacin y muy poca templabilidad.

La mayora de las aleaciones frreas son aceros al carbono y aceros de baja aleacin, consecuencia de su moderado precio debido a la ausencia de grandes cantidades de elementos aleantes y que poseen, adems, suficiente ductilidad para ser conformados con facilidad, obtenindose productos resistentes y duraderos. Las aplicaciones van desde los cojinetes de bolas hasta la carrocera de los automviles, pasando naturalmente por el mundo de la construccin.

aceros aleados aquellos que adems contienen elementos como Ni, Cr, Mo, V, Si, Cu, Al, W, Ti. Co, Zr, Pb, B y otros, aadidos expresamente al acero para mejorar sus propiedades. Si el contenido global en estos elementos es inferior al 5 por ciento en peso, se habla de aceros de baja aleacin.

Los elementos de aleacin en los aceros pueden clasificarse en dos grandes grupos: alfgenos, aquellos que favorecen la formacin de ferrita (Cr, Mo, V, W, Nb, Al y Si), y gammgenos, que estabilizan la formacin de austenita (Ni, Mn, Cu, C, N). Adems, algunos de ellos son formadores de carburos (los alfgenos adems del Ti y ligeramente el Mn). Todos ellos aumentan la templabilidad del acero, pues desplazan las curvas del diagrama TTT a la derecha, permitiendo obtener martensita con enfriamientos ms lentos

Estos aceros pueden ser sometidos a tratamientos, ya comentados en el Captulo 10, de recocido (austenizacin y enfriamiento lento para obtener una estructura de perlita y matriz de ferrita o cementita, en funcin de la composicin), normalizado (austenizacin y enfriamiento al aire), o temple (austenizacin y enfriamiento rpido para evitar las transformaciones de tipo trmico) y revenido (calentamiento posterior al temple).

Temple: Su finalidad es aumentar la dureza y la resistencia del acero. Para ello, se calienta el acero a una temperatura ligeramente ms elevada que la crtica superior Ac (entre 900-950 C) y se enfra luego ms o menos rpidamente (segn caractersticas de la pieza) en un medio como agua, aceite, etctera.

Revenido: Slo se aplica a aceros previamente templados, para disminuir ligeramente los efectos del temple, conservando parte de la dureza y aumentar la tenacidad. El revenido consigue disminuir la dureza y resistencia de los aceros templados, se eliminan las tensiones creadas en el temple y se mejora la tenacidad, dejando al acero con la dureza o resistencia deseada. Se distingue bsicamente del temple en cuanto a temperatura mxima y velocidad de enfriamiento.

Recocido: Consiste bsicamente en un calentamiento hasta la temperatura de austenizacin (800-925 C) seguido de un enfriamiento lento. Con este tratamiento se logra aumentar la elasticidad, mientras que disminuye la dureza. Tambin facilita el mecanizado de las piezas al homogeneizar la estructura, afinar el grano y ablandar el material, eliminando la acritud que produce el trabajo en fro y las tensiones internas.

Normalizado: Tiene por objetivo dejar un material en estado normal, es decir, ausencia de tensiones internas y con una distribucin uniforme del carbono. Se suele emplear como tratamiento previo al temple y al revenido.

Los aceros de alta resistencia y baja aleacin (HSLA, high-strength, bw - alloy) son aceros microaleados que surgieron en respuesta al requisito de reduccin del peso de los vehculos. Son aceros con muy bajo carbono (tpicamente por debajo del 0.2 por ciento en peso de C), y alrededor de un 1 por ciento en peso o menos de elementos tales como Mn, P, Si, Cr, Ni, Mo, y pequesimas cantidades de Nb, V y Ti. Estos aceros son laminados en caliente de forma controlada para obtener una estructura de grano muy fino, con valores elevados del lmite elstico y la resistencia, junto con una baja temperatura de transicin dctil-frgil.

ACEROS DE ALTA ALEACION

Se consideran aceros de alta aleacin aquellos en los que el total de elementos de aleacin distintos del carbono superan el 5 por ciento en peso.

Las aleaciones Fe-Cr con un porcentaje de Cr superior al 12 por ciento en peso constituyen los denominados aceros inoxidables. El Cr forma capas de xido impermeables incluso con espesores de pocos tomos; en proporciones superiores a ese 12 por ciento en peso es capaz de transferir su resistencia a la corrosia Si se aade en cantidades superiores al 20 por ciento, proporciona una buena resistencia a la oxidacin a alta temperatura (acero refractario).

Los aceros inoxidables austenticos, que mantienen retenida la estructura de la austenita a temperatura ambiente. Son aceros de baja resistencia y gran capacidad de deformacin. No son ferromagnticos y tienen la mejor resistencia a corrosin de todos los aceros inoxidables

Fe ALFA, o austenita, tiene una estructura fcc y es estable por encima de 910 C. Las combinaciones Cr-Ni tpicas son de 18-8 y 25-20. Se aade Mo (2 por ciento) para evitar la corrosin por picaduras en caliente.

1.Los aceros inoxidables dplex son aceros con una estructura combinada de ferrita y austenita, a los que se le ha aadido menos Ni en comparacin con el Cr, y presentan propiedades intermedias.

2.Sin un alto contenido en nquel, la estructura bcc es estable, como ocurre en los aceros inoxidables ferrticos. Poseen ms de un 12 por ciento en Cr (y no hay ms elementos; el contenido en C es bajo, 0.1-0.2 por ciento, para no disminuir la plasticidad).

3.En el caso de los aceros inoxidables martensticos, se aade carbono (0.2- 0.7 por ciento), que ampla el bucle y, de modo que estos aceros pueden austenizarse, disolvindose los carburos de cromo (presente en porcentajes del 13-18 por ciento). En el caso de ser templados se obtiene martensita. Poseen alta resistencia, pero su comportamiento a corrosin es inferior al de los dos tipos anteriores. Resultan excelentes en aplicaciones tales como cuberteras o muelles.

4. Los aceros inoxidables endurecibles por precipitacin (PH) se utilizan en piezas resistentes a la corrosin con responsabilidad estructural. Tienen alta resistencia y tenacidad. Se aprovecha la formacin de compuestos intermetlicos a altas temperaturas de revenido.

Los aceros de herramientas presentan resistencia y dureza mximas, y se emplean para cortar, mecanizar o dar forma a otro material.

FUNDICIONES

Las fundiciones Son aleaciones Fe-C-Si, en las que el contenido en C es superior al carbono de saturacin de la austenita (2.1 por ciento en peso, a la temperatura eutctica), y generalmente contienen hasta un 3 por ciento en peso de silicio para controlar la cintica de formacin de carburos, Tambin poseen manganeso, hasta el 1.5 por ciento, fsforo hasta el 1.8 por ciento (que proporciona a la aleacin una colabilidad excelente) y hasta un 0.25 por ciento de azufre. Adems de estas fundiciones ordinarias, existen fundiciones aleadas, que contienen cantidades sensibles de otros elementos de aleacin (Cu, Ni, Mo, Ti, Al) para modificar sus propiedades fsicas y mecnicas, incrementando por ejemplo la resistencia al desgaste, a la abrasin o a la corrosin.

Las fundiciones blancas obedecen al diagrama Fe-C metaestable, bien por mantener un contenido bajo en silicio, bien por obtenerse con altas velocidades de enfriamiento. El nombre lo toman de la superficie de rotura caracterstica, blanca y brillante. Tras la solidificacin, el carbono se encuentra en forma de cementita en una matriz de perlita. Son duras, resistentes al desgaste y muy frgiles, difciles de mecanizar. No se pueden forjar ni templar, pues rompen a causa de las tensiones. Se emplean, por ejemplo, en forros y palas de molinos, o en rodillos de laminacin.

Las fundiciones grises presentan una superficie de rotura gris, consecuencia de la presencia de grafito. Incorporan contenidos en carbono entre el 2.5 y el 4 por ciento en peso. Un contenido significativo de silicio (2 a 3 por ciento en peso) favorece la precipitacin del grafito (C) en lugar de la de la cementita (Fe3C). La precipitacin en forma de placas afiladas y puntiagudas de grafito contribuye a tener fragilidad, por lo que son preferibles las formas nodulares.

Aadiendo una pequea cantidad de magnesio (0.05 por ciento en peso) al metal fundido de composicin correspondiente a la fundicin gris, se obtienen precipitados esfricos de grafito en lugar de precipitados en forma de placas, en una matriz de perlita.

La fundicin dctil (o nodular) resultante obtiene su nombre de la mejora de las propiedades mecnicas. La ductilidad se ve aumentada en un factor de 20, y la resistencia, en un factor de dos. Estas fundiciones presentan buena fluidez y moldeabilidad, se mecanizan muy bien y tienen buena resistencia al desgaste. Otro tipo de fundicin con ductilidad razonable es la fundicin maleable, que primero se moldea al igual que una fundicin blanca (con grandes cantidades de carburos de hierro y sin grafito) y, posteriormente, se somete a un tratamiento trmico (de grafitizacin, por calentamiento por encima de la temperatura eutectoide, y posterior enfriamiento) para obtener precipitados nodulares de grafito. La matriz puede ser ferrita, perlita o martensita. Finalmente, las fundiciones atruchadas son un tipo de fundiciones intermedias entre la blanca y la gris.

ALEACIONES NO FERREAS

Se incluyen en esta seccin aquellos metales y aleaciones cuya base no es el hierro,

pero que tampoco se clasifican como metales ligeros por no poseer baja densidad

COBRE Y ALEACIONES DE COBRE

se puede mejorar mediante procesos de afino, lo que hace de las aleaciones de cobre un material idneo para la fabricacin de cables elctricos. As mismo, su excelente conductividad trmica permite su uso en radiadores o cambiadores de calor.

El cobre muestra una excelente resistencia a la corrosin en agua de mar y otros ambientes corrosivos, aunque es atacado por los halgenos en hmedo. Siempre est recubierto de una capa protectora de xido, que crece con la temperatura y puede llegar a descamarse. Al oxidarse, se cubre de una ptina verdosa, y esta coloracin hace que se emplee en ocasiones por motivos decorativos en arquitectura.

Los latones son aleaciones de cobre en las que el cinc es el soluto por sustitucin predominante. El intervalo de solidificacin es muy pequeo, por lo que suelen obtenerse por moldeo. Hay al menos tres familias de latones. Los latones alfa, con un contenido en cinc inferior al 40 por ciento y red fcc, especficos para trabajo en fro. Se utilizan en bisutera, tuberas, instrumentos musicales, monedas, o en arquitectura Los latones betta, poseen contenidos de cinc entre el 47 y el 55 por ciento, y se caracterizan por formar a baja temperatura una fase ordenada, dura y frgil Los latones gamma, con un porcentaje de cinc superior al 60 por ciento, no se usan industrialmente por su fragilidad

Los bronces son principalmente aleaciones cobre-estao que industrialmente llevan adems otros elementos de aleacin, como P, Pb, Ni y Zn. La resistencia a traccin del cobre mejora hasta un mximo en tomo al 20 por ciento en Sn.

Los bronces son ms resistentes a la corrosin que los latones, y son criognicos, de modo que su comportamiento mejora al disminuir la temperatura.

Bronces fosforosos: que se emplean en aquellas aplicaciones donde sea necesario un bajo coeficiente de friccin. Bronces al cinc: en este caso el cinc se aade para abaratar el costo de produccin del bronce y mejorar su fluidez. Estos bronces, con un bajo contenido de estao (~3% Sn, ~2.5% Zn), se utilizan para monedas, y los de alto contenido en estao (10% Sn, 2% Zn) se utilizan en aquellos otros casos donde se requiere una alta resistencia a la corrosin, por ejemplo en aplicaciones marina. Bronces al plomo: cuando se aade hasta un 2% de Pb. Bronces al cinc y plomo: en estos casos, el plomo no suele exceder de un 4% en las aleaciones para forja y de un 10% en las de moldeo. Bronces al nquel: el Ni se aade en proporciones de hasta 1,5%, consiguindose mejoras en las propiedades y caractersticas tecnolgicas del material. La adicin de nquel contribuye tambin a prevenir la segregacin del plomo en los bronces moldeados de elevado contenido en Pb.

METALES REFRACTARIOS

El trmino refractario se refiere a la propiedad de ciertos materiales de resistir altas temperaturas sin descomponerse. stos, se utilizan para hacer crisoles y recubrimientos de hornos e incineradoras

Los materiales refractarios deben mantener su resistencia y estructura a altas temperaturas, resistir los choques trmicos, ser qumicamente inerte, presentar una baja conductividad trmica y un bajo

coeficiente de dilatacin. Los xidos de aluminio (alumina), de silicio (slice) y magnesio (xido de magnesio) son los materiales refractarios ms importantes. Otro xido que se encuentran generalmente en materiales refractarios es el xido de calcio (cal). Las arcillas refractarias tambin se utilizan ampliamente en la fabricacin de materiales refractarios, como puedes ser la chamota.

El dixido de circonio (circonita) se utiliza cuando hay que soportar temperaturas extremadamente elevadas. El carburo de silicio y el carbono son materiales refractarios de gran resistencia a altas temperaturas pero arden en presencia de oxgeno si desaparece su proteccin de dixido de silicio.

Metales refractarios que se utilizan en la iluminacin, herramientas, lubricantes, barras de control de reaccin nucleares, como catalizadores, y por sus propiedades qumicas o elctricas. Debido a su alto punto de fusin, los componentes metlicos refractarios nunca se fabrican por fundicin. Se utiliza el proceso de metalurgia de polvos. Los polvos del metal puro se compactan, calientan el uso de corriente elctrica, y fabrican ms por trabajo en fro con etapas de recocido. Metales refractarios se puede trabajar en alambres, lingotes, barras de refuerzo, hojas o papel de aluminio.

SUPERALEACIONES

Las condiciones ms crticas a las que se puede someter un material seran cargas elevadas, alta temperatura y un ambiente agresivo. Las superaleaciones cumplen con estos requisitos. Son materiales muy caros, pero su aplicacin se ha ido extendiendo merced a sus elevadas caractersticas.

Las superaleaciones base nquel presentan una de las mejores relaciones propiedades/ estructura de todas las superaleaciones en el rango de temperaturas entre 650 y 1100C. Poseen buena resistencia a traccin a elevada temperatura, resistencia a rotura por fluencia hasta 5000 horas, resistencia a la oxidacin en caliente y resistencia a fatiga trmica a altos y bajos ciclos, con el fin de asegurar entre 20 000 y 50 000 horas de vida. La red fcc del nquel desempea un papel importante en las propiedades a alta temperatura. Las aleaciones base nquel tienen como objeto mejorar las caractersticas de traccin, fluencia, fatiga y estabilidad superficial del material.

Las aleaciones biconel (nquel-cromo-hierro), Hastelloy (nquel-molibdenohierro- cromo) o Nimonic, que incorporan titanio, constituyen importantes ejemplos de superaleaciones base nquel. Se emplean en cmaras de combustin, labes de turbina, toberas, y han sido fundamentales para el desarrollo de la industria aeroespacial.

La pulvimetalurgia implica la unin en estado slido de un polvo de grano fino para convertirse en un producto policristalino. Esta tcnica de procesado presenta ventajas para las aleaciones de alta temperatura de fusin y los productos con formas complejas. Un avance reciente en el campo de la pulvimetalurgia es la tcnica de compresin isosttica en caliente (HIP, hot isostatic pressing), en la que se aplica una presin uniforme a la pieza por medio de un gas inerte a alta temperatura.

METAL ANODIZADO

El proceso de creacin de una delgada capa protectora en la superficie del metal, llamado anodizacin es una herramienta importante para la creacin de materiales con un nmero de aplicaciones comerciales. El aluminio anodizado, es el metal anodizado ms verstil, y se utiliza en una amplia gama de productos, desde productos de consumo decorativo hasta componentes de precisin aeroespaciales.

METALES COMPUESTOS DE MATRIZ METALICA

Los materiales metlicos se caracterizan por su, en general, buena conductividad trmica y elctrica, una gran capacidad de deformacin plstica, y el brillo metlico. La densidad es variable. Las propiedades mecnicas son bajas para los metales elementales, aunque pueden aumentarse por deformacin plstica, solucin slida o precipitacin.

Entre las ventajas de los materiales compuestos de matriz metlica (MMC, metallic matrix composites) frente a las aleaciones sin reforzar estn el mayor mdulo especfico, la mayor resistencia especfica, un mejor comportamiento a temperatura elevada, mayor resistencia al desgaste, un menor coeficiente de dilatacin y un mejor comportamiento a fatiga y a fluencia. Como inconvenientes pueden destacarse la menor plasticidad, menor tenacidad, el peor comportamiento a corrosin, la posibilidad de tener comportamientos anistropos, el posible daado por la aplicacin de ciclos trmicos, y el mayor precio.

La matriz metlica ms utilizada es aluminio, aunque tambin magnesio y titanio. Como refuerzo pueden emplearse fibras largas, de carbono, de A120 3, de boro, de SiC, fibras cortas, whiskers (generalmente de SiC) o partculas.

MATERIALES COMPUESTOS

lo que se define como materiales compuestos avanzados, o materiales estructurales reforzados por fibras continuas de altas caractersticas, que ofrecen unas propiedades mecnicas comparables o superiores a las aleaciones metlicas.

El material compuesto (MC) est formado por una fase discontinua, tambin llamada refuerzo, ya que de ella dependen principalmente las propiedades mecnicas, y por una fase continua o matriz, responsable de la resistencia trmica y ambiental del material, que engloba al refuerzo y hace del material una estructura monoltica.

La forma del refuerzo permite una primera clasificacin: MC granulares, MC de fibra corta y MC de fibra larga o continua. La matriz puede ser polimrica, cermica o metlica; cada uno de estos grupos se subdivide a su vez con materiales especficos, como matriz rganica de epoxy o de polister, o matriz metlica de aluminio o de titanio. La eleccin del tipo de matriz est condicionada fundamentalmente por la temperatura de servicio.

materiales compuestos aquellos materiales que se forman por la unin de dos materiales para conseguir la combinacin de propiedades que no es posible obtener en los materiales originales. Estos compuestos pueden seleccionarse para lograr combinaciones poco usuales de rigidez, resistencia, peso, rendimiento a alta temperatura, resistencia a la corrosin, dureza o conductividad.1 Los materiales son compuestos cuando cumplen las siguientes caractersticas:

Estn formados de dos o ms componentes distinguibles fsicamente y separables mecnicamente.

Presentan varias fases qumicamente distintas, completamente insolubles entre s y separadas por una interfase.

Sus propiedades mecnicas son superiores a la simple suma de las propiedades de sus componentes (sinergia).

No pertenecen a los materiales compuestos, aquellos materiales polifsicos; como las aleaciones metlicas, en las que mediante un tratamiento trmico se cambian la composicin de las fases presentes.2

En los Compuestos de Matriz Metlica (MMC) se mejora el comportamiento a fluencia respecto de la aleacin base, pudiendo obtenerse una direccionalidad de las propiedades; este incremento de resistencia va unido a una disminucin de la tenacidad de la aleacia Se requieren fibras especiales para evitar la reaccin qumica fibra-matriz a altas temperaturas; los costes de fabricacin son muy elevados, y se dispone de poca experiencia de su comportamiento en servicio.

Los Compuestos de Matriz Cermica (CMC) presentan una enorme complejidad, tanto en su comportamiento como en su produccin industrial. El objetivo es disponer de un material cermico con la inherente resistencia trmica de los cermicos, pero con un valor de tenacidad que permita su utilizacin en aplicaciones estructurales. Tejidos tridimensionales de fibra de grafito, entre los que se infiltra una matriz de carbono mediante un proceso iterativo de pirlisis y/o deposicin en fase vapor, se han desarrollado para el revestimiento extemo de los transbordadores espaciales, o como frenos de disco para aviones y automviles de competicin.

Los Compuestos de Matriz Polimrica son los mejor caracterizados y los de mayor utilizacin industrial. Desde 1980, aviones civiles y militares incorporan progresivamente estos materiales en su estructura extema, hasta un 40 por ciento del peso total. Se requiere todava mejorar su tolerancia al dao, o capacidad de la estructura para soportar los accidentes usuales de servicio (corrosin, impactos, etc.), sin una degradacin significativa de sus propiedades.

El tipo de fibra permite tambin identificar al material. Son de uso generalizado los acrnimos CFRP (Carbn Fiber Reinforced Plstic), GRP (Glass Reinforced Plstic) y AFRP (Aramid Fiber Reinforced Plstic), que corresponden a plsticos reforzados con fibras de carbono, vidrio y aramida, respectivamente. El proceso de produccin influye decisivamente en las propiedades finales del producto, y el diseo del elemento estructural no puede hacerse independiente.

La fibra es el elemento reforzante por excelencia. Las propiedades mecnicas de cualquier material son superiores cuando ese material se presenta en forma de fibra.

El mdulo elstico es una propiedad asociada a la fuerza del enlace qumico entre los tomos del material.

anistropo (las propiedades cambian con la direccin de ensayo). Esto permitir un diseo del material adaptado a la geometra y solicitacin mecnica prevista para la estructura.

La anisotropa de un material, o cambio del valor de sus propiedades mecnicas, trmicas o elctricas, segn la direccin escogida para ensayarlo, es una propiedad nica de estos materiales. Significa una mayor complejidad en el diseo, ya que puede dar lugar a comportamientos no intuitivos y a modos de fallo inesperados. Las de laminaciones son una de las consecuencias negativas de esta anisotropa.