Materiales Metálicos

Tema II

Materiales metlicos

Materiales Metlicos Introduccin

En la decisin sobre la seleccin de materiales, es conveniente conocer los detalles tcnicos sobre los distintos materiales que un ingeniero puede utilizar para materializar un diseoLos materiales metlicos son, con mucha diferencia, los que ms se emplean en desarrollos de ingeniera industrialLas propiedades de las aleaciones se alteran por los procesos de fabricacin y se pueden inducir alteraciones adicionales mediante el uso de tratamientos trmicos adicionalesHay muchos tipos de materiales metlicos y aleaciones de los mismosSe estudiarn las aleaciones metlicas frreas y las no frreas

Materiales Metlicos Aleaciones frreas

En las aleaciones frreas, el principal componente es el hierro

Materiales Metlicos Aleaciones frreas

La gran proliferacin de las aleaciones frreas se debe, fundamentalmente a: La gran abundancia en la Tierra de hierro y sus compuestos derivados Las tecnologas para el procesado del hierro, tanto en extraccin como

en afino, aleacin y conformado, son muy conocidas y razonablemente econmicas

Las aleaciones metlicas frricas se pueden adaptar para cubrir una gran variedad de propiedades fsicas y mecnicas diferentes.

Dentro de las aleaciones frricas, existen dos grandes grupos de materiales: Aceros Fundiciones

Materiales Metlicos Aceros

Un acero es una aleacin hierro carbono con otros componentes aleantes. La proporcin de carbono es normalmente menor del 1% y siempre inferior al 2%.Existen miles de aleaciones de acero diferentes


Segn el contenido en carbono se pueden distinguir:Aceros de bajo contenido en carbono Son aceros con menos de un 0.25% en carbono No responden a los tratamientos para formar martensita El endurecimiento se obtiene por medios fsicos (acritud) Sus constituyentes son ferrita y perlita por tanto son blandos, y

su resistencia es limitada. Adems Tienen muy alta tenacidad Se mecanizan con facilidad Son fcilmente soldables Su produccin es econmica

Tambin se hacen aceros de alta resistencia y baja aleacin (HSLA) con hasta 10% de Cu, V, Ni, Mo

Muchos de los aceros de construccin habituales son de bajo contenido en carbono

Materiales Metlicos AcerosAceros HSLA


Aceros de contenido medio en carbono Suelen contener concentraciones entre 0.25 y 0.60% en peso de

carbono Pueden tratarse trmicamente mediante temple (austenitizacin,

temple y revenido) para mejorar su resistencia Tienen baja templabilidad lo que limita el espesor de las piezas y

obliga a enfriamientos muy rpidos Se alean con Cr, Ni, y Mo para mejorar la templabilidad Se pueden conseguir elevadas resistencias al desgaste Mejoran la resistencia pero a costa de perder ductilidad y

tenacidad Con durezas demasiado altas se puede llegar incluso a la

fragilizacin de las piezas Tambin pueden incorporar Mn para endurecerse bajo impacto


Aceros de alto contenido en carbono Suelen contener concentraciones entre 0.60 y 1.40% en peso de

carbono Son los ms duros y resistentes aunque lo hacen a costa de

perder ductilidad Casi siempre se utilizan templados y revenidos de forma que son

especialmente resistentes al desgaste Por ello se suelen utilizar para fabricar herramientas de corte Tambin se utilizan para matrices y moldes Se suelen alear con cromo, vanadio, tungsteno y molibdeno Estos elementos se combinan con el carbono y forman carburos

muy duros y resistentes al desgaste (Cr23C6, V4C3, WC) Son frecuentes en componentes que necesiten dureza y

resistencia al desgaste (cuchillas, sierras, muelles y alambres de alta resistencia)


Aceros al carbono


Aceros de bonificado


Aceros inoxidables El elemento aleante predominante en estos aceros es el Cromo Se requiere como mnimo un 11% en Cr para llegar a alcanzar la

calificacin de acero inoxidable Su resistencia a la corrosin es mucho mejor que en aceros

normales Existen tres clases de inoxidables en funcin de la fase

predominante en su microestructura: Martensticos. Pueden tratarse trmicamente para que la martensita sea su

componente principal. Ferrticos. Estn compuestos por la fase ferrita (estructura BCC) Austenticos. Son los aceros ms resistentes a la corrosin debido a su mayor

contenido en Cr y a la adicin de Ni. Son los aceros inoxidables ms extendidos. Presentan la fase austenita

Tanto los ferrticos como los austenticos se endurecen y aumentan su resistencia por acritud ya que nos se pueden templar

Algunos conservan su integridad mecnica y resistencia a la oxidacin a temperaturas de hasta 1000 C

Materiales Metlicos Fundiciones

Son aleaciones frreas con un contenido en carbono superior al 2.14% en pesoLa mayora de las fundiciones prcticas tienen contenidos entre un 3 y un 4.5% en peso de C, adems de otros aleantes.

La temperatura de fusin es ms baja que en el acero

Como el Fe3C (cementita) es metaestable, se disocia en ferrita y grafito

Fe3C 3 Fe()+C


La formacin de grafito se controla mediante la velocidad de enfriamiento y la composicinAl aadir Si (>1%) se favorece la aparicin de grafitoEl enfriamiento lento tambin favorece la aparicin de grafitoEn casi todas las fundiciones el carbono aparece en forma de grafito y tanto la microestructura como el comportamiento dependen de lacomposicin y del tratamiento trmico.Las fundiciones ms habituales en la prctica son: Fundicin gris Fundicin esferoidal Fundicin blanca Fundicin maleable Fundicin de grafito compactado


Fundicin grisLa presencia de carbono vara entre un 2.5 y un 4% en peso y la de silicio entre un 1 y un 3%.El grafito suele precipitar en forma de escamas rodeadas de una matriz de ferrita o de perlitaMecnicamente son bastante frgiles y con resistencias bajas debido a su microestructuraPresentan muchos puntos de concentracin de tensin internaCuando trabajan en compresin, las propiedades son muy superioresTienen muy buen amortiguamiento, y buena resistencia al desgaste, son muy fluidas y baratas


Variando la composicin y la velocidad de enfriamiento, se puede evitar la disociacin de la cementita para formar grafito. Con ello se puede conseguir grafito en una matriz perltica o ferrtica

Y con tratamientos trmicos se pueden conseguir mayores modificaciones


Fundicin dctil o nodularSi se aaden pequeas proporciones de Mg o Ce a la fundicin gris lquida se cambia por completo la microestructuraEl grafito precipita en forma de partculas esferoidales rodeadas de una matriz de ferrita o de perlita segn el tratamiento (normalmente perlita)Calentando a 700 C se puede tener matriz ferrticaMecnicamente son muy interesantes con buena resistencia y ductilidad. Similares a acerosSe utilizan ampliamente en la industria por su precio y sus propiedades


Fundicin blancaSi la aleacin es baja en Si (


Fundicin maleableSi se calienta la fundicin blanca entre 800 y 900 C durante suficiente tiempo, se descompone la cementita formando grafito y ferrita o perlitaEl grafito aparece como racimos o rosetasLa formacin de ferrita o perlita se controla con la velocidad de enfriamientoLas micrografas se parecen a las de la fundicin esferoidalLa resistencia mecnica es alta y presentan un comportamiento dctil y maleable

Materiales Metlicos Aleaciones no frreas

Pese al gran consumo de aleaciones frreas en la industria, stas tienen algunas limitaciones importantes como son: Densidades elevadas Conductividad elctrica relativamente baja Facilidad de corrosin en ambientes normales

En muchas aplicaciones es preferible buscar una combinacin de propiedades ms adecuada para la finalidad perseguidaCuando las propiedades buscadas se obtienen con metales, se tienen las aleaciones no frreasLa ANF se clasifican en funcin de su metal base o de sus propiedades caractersticasTambin a veces se clasifican en aleaciones moldeadas y aleaciones deformablesMuchas aleaciones varan sus propiedades mediante tratamientos trmicos y se denominan tratables trmicamente

Materiales Metlicos Aleaciones de cobre

El cobre y sus aleaciones se utilizan desde la antigedadGracias a la gran ductilidad sin alear se puede trabajar especialmente bien en fro, aunque es difcil mecanizarloSu resistencia a la corrosin en ambientes normales es excelenteSus propiedades mecnicas son limitadas y se mejoran mediante aleacionesLas aleaciones de cobre no suelen ser tratables trmicamente y se utiliza el endurecimiento por acritud o la disolucin slidaLas aleaciones ms conocidas que tienen como base el cobre son: Latn Bronce

Materiales Metlicos Aleaciones de cobre. Latn

El latn es la aleacin de cobre con zincLa fase (Cu) es estable hasta un 35% en Cu. Su estructura es FCC y estos materiales son blandos y dctilesCon mayor contenido en Cu se tienen las fases y La fase tiene una estructura BCC y es por tanto ms dura y resistenteEn estos casos suelen ser aleaciones deformables en caliente

Materiales Metlicos Aleaciones de cobre. Bronce

El bronce es la aleacin del Cu con otros elementos como estao, aluminio, silicio, plomo, berilio y nquelNormalmente se utilizan por sus buenas propiedades frente a la oxidacinEn general tienen mejores propiedades mecnicas que los latonesSon especialmente interesantes por su resistencia al desgaste si estn bien lubricadosSe pueden llegar a obtener aleaciones de caractersticas notables cuando se endurecen por precipitacin, especialmente las aleaciones con berilio (de un 1 a un 2.5%)Tienen muy buenas caractersticas elctricasSe pueden fundir y trabajar por deformacin tanto en caliente como en fro

Materiales Metlicos Aleaciones de cobre


Bronce al plomoN2 (c352/Rg-5) UNE 37103. Cu 84-86% Sn 4-6% Zn 4-6% Pb 4-6%. u 200-250 MPa 8-11% E 65-100 GPa 8.7. Cargas medias con rozamiento. Permite trabajos a buenas velocidades y medianas presiones. Adecuada para accesorios de friccin de ferrocarriles y maquinaria.Buenas propiedades de deslizamiento y estanqueidad a la presin hidrosttica y de vapor. Ideal para valvulera en general, equipos hidralicos, etc N3 (c351/Rg-7) Cu 84-86% Sn 6.5-8.5% Zn 3.5-5.5% Pb 3-5%. u 220-250 MPa 12-15% E 98 GPa 8.8. Uso en condiciones duras. Bueno para trabajos en los que haya golpeteo. Recomendado en cojinetes de gran desgaste. Su baja friccin y resistencia al desgaste lo hacen idneo para guas de vlvulas, cojinetes de mbolo, casquillos de cabeza de biela y bridas, maquinaria agrcola, etc.


Bronce al estaoN4 (c311/ 90/10) UNE 37103. Cu 89-91% Sn 9-11%. u 280-340 MPa 5-12% E 110 GPa 8.7. Usado en trabajos de responsabilidad, cojinetes que soporten fuertes cargas e incluso sometidos a golpeteo. Resistente a la corrosin y a los cidos, recomendable para ruedas dentadas, maquinaria, engranajes, casquillos para motores de aviacin, asientos de vlvula y accesorios de alta calidad N10 (c321/Rg-19) Cu 86-89% Sn 9-11% Zn 1-3%. u 250-280 MPa 12-18% E 95 GPa 8.3. Para cojinetes y tejuelos de cojinetes, piones, casquillos para cargas altas y bajas velocidades, tornillos sin fin, vlvulas, bombas, racores, para fluidos de baja presin y para instalaciones de vapor, anillos colectores para maquinaria elctrica


Bronce al aluminioN7 (c213/ Bronce naval) UNE 37103. Cu 55-601% Mn 0.1-2% Fe 0.4-2% Al 0.5-1.5% Zn Resto. u 450-600 MPa 15-20% E 91-105 GPa 8.2. Muy buena resistencia a la corrosin, lo que la hace apropiada en la industria naval para la construccin de hlices, bujes y todo tipo de piezas que requieran una resistencia al agua de mar. Alta resistencia esttica y gran dureza, ideal para soportar grandes presiones; fondos de tubos, condensadores e intercambiadores de calor, y en maquinaria de soldadura. Pese a su gran dureza no es aconsejable su utilizacin en trabajos de traccin N16 (c4151/Bronce aluminio) Cu 78-819% Al 10-11.5% Ni 3-5% Fe 4-6%. u 630-700 MPa 10-18% E 119-122 GPa 7.5. Corosin en alimentacin, y petroqumicas. Friccin en cargas pesadas (caones). Jaulas de rodamientos a bolas, carteres, tornillos sin, sujecin hlices aeronuticas

Materiales Metlicos Aleaciones de Aluminio

El aluminio y sus aleaciones tienen dos caractersticas que lo hacen muy interesante en la Ingeniera Industrial: Baja densidad (2.7 g/cm3) Elevada resistencia a la corrosin en ambientes comunes

Adems presenta una elevada conductividad trmica y elctricaMuchas de sus aleaciones mantienen una elevada ductilidad dada por la naturaleza FCC del aluminio. Esta ductilidad se mantiene incluso a bajas temperaturasLa temperatura de fusin es relativamente baja (660C)La resistencia mecnica puede mejorarse por acritud y por aleacin, perdiendo en ambos casos resistencia a la corrosinLas aleaciones principales utilizan Cu, Mg, Si, Mn, y Zn


Industrialmente las adiciones para formar aleaciones pueden ser: Principales. Adicin que fija el nivel de las propiedades de resistencia y

las operaciones de conformado y dificultad de transformacin Secundarias. Adicin de porcentajes inferiores con una misin concreta

de facilitar la transformacin, elaboracin, etc. Impurezas

Hay ocho grandes familias de aleaciones de aluminioAl 1000 Se definen por % mximo de Fe+Si

Al-Cu 2000 Forja hasta 4% Cu. Moldeo 4 a 12% Cu

Al-Mn 3000 Forja 1% Mg. Moldeo 4% Mn

Al-Si 4000 Forja 3 a 11% Si. Moldeo 4 a 20% Si

Al-Mg 5000 Forja 0.5 a 6% Mg. Moldeo 3 a 10% Mg

AlMg2Si 6000 Forja 0.5 a 15% AlMg2Si y hasta 0.6 % Si libre

Al-Zn 7000 Forja 4 a 8% Zn. Moldeo 1 a 4% Zn

Al-Sn 8000

Materiales Metlicos Aleaciones de forja Aluminio

Serie 2000 Al-Cu

Se caracterizan por el endurecimiento estructural de las fases Al2Cu y Al2CuMg


Aleacin Recocido Temple T4 Temple T6

uMPa

ypMPa

A%

uMPa

ypMPa

A%

uMPa

ypMPa

A%

2014 280 150 18 300 140 20 400 240 14

2017 240 120 20 280 140 22 380 220 12

2024 280 150 20 320 150 22 440 28 12

2036 340 195 24

2117 300 180 27

2219 200 125 12 250 130 24 380 250 6

2124 T85 455 390 4


Serie 3000 Al-Mn

Mejoran por las fases dispersas intermedias Al6Mn o Al6MnFe. Se suma el refuerzo del Mg en la solucin slida


Aleacin Estado O Estado H14 o H24 Estado H18 o H28

uMPa

ypMPa

A%

uMPa

ypMPa

A%

uMPa

ypMPa

A%

3003 95 35 30 140 115 2 185 165

3004 150 60 12 220 170 2 260 215

3005 115 45 14 165 145 2 220 200 1

3105 95 35 19 150 125 2 190 165 1


Serie 4000 Al-Si

Tienen colabilidad excepcionalSe usa mucho la Al-Si 12/13 eutctica con Cu (0.5-1%) para mejorar fatiga y propiedades mecnicas, Mg para tener endurecimiento con Mg2Si. Mn (0.4-1%) para evitar fase (Al-Fe-Si)


Aleacin Estado uMPa

ypMPa

A%

4006 0 a 10 min a 550-560 C 155 50

4007 0 a 10 min a 550-560 C 150 70

4543 T5 160 120 8


Serie 5000 Al-Mg

Gran solubilidad del Mg en el Al (hasta 15%) aunque en forja no se suelen usar proporciones mayores del 5%Son fcilmente conformables, tienen buena soldabilidad, excelente resistencia a corrosin buen comportamiento a baja temperatura y buen aspecto superficial


Aleacin Estado O Estado H34 Estado H38

uMPa

ypMPa

A%

uMPa

ypMPa

A%

uMPa

ypMPa

A%

5005 105 35 12 140 105 2 180 1

5050 125 40 15 170 140 3 200 1

5052 170 65 13 235 180 3 270 220 2

5454 215 85 12 270 200 4

5086 240 95 15 300 235 4 345 280 3

5456 290 130 16 365 285 6 400 380 4


Serie 6000 Al-Mg2SiExisten dos familias de aleaciones en funcin del porcentaje de adicin de Mg-SiAleaciones Al-Mg-Si. Son aleaciones de bajo porcentaje de Mg2Si. Tienen excelente deformacin plstica y baja velocidad crtica de

temple. Las ms utilizadas son las aleaciones 6060, la 6063, y la 6061

Aleaciones Al-Si-Mg. Son aleaciones de mayor porcentaje de adicin de Mg-Si. Tienen propiedades mecnicas entre 250 y 350 MPa. Las ms utilizadas son las aleaciones 6005, 6181, 6082 y 6351

Materiales Metlicos Aleaciones de forja AluminioAleacin Estado T1 Estado T5 Estado T6

uMPa

ypMPa

A%

uMPa

ypMPa

A%

uMPa

ypMPa

A%

6060 130 80 15 180 130 10

6063 110 53 12 145 103 8 207 172 8

6005 160 80 15 262 241 9 265 235 8

6061 180 100 16 241 207 8 262 241 8

6082 200 120 15 280 240 8

6181 200 100 15 275 200 8

6281-6351

180 90 15 262 241 10 290 255 10

6070 380 252 10

6066 276 165 14 345 290 8


Serie 7000 Al-Zn-MgSon las aleaciones de aluminio de mayores propiedades mecnicasBsicamente se tienen dos familiasAleaciones Al-Zn-Mg. Son aleaciones autotemplables Tienen tambin buena resistencia impacto Son muy apreciadas en armamento Las ms empleadas son la 7004, y la 7020

Aleaciones Al-Zn-Mg-Cu. Poseen las mayores propiedades mecnicas Su soldabilidad y resistencia n caliente (ms de 150 C) son

deficientes Las ms empleadas son las aleaciones 7475, 7075, 7010 y 7050


Aleacin Estado T6

uMPa

ypMPa

A%

7004 (T6) 390 340 12

7020 (T4) 350 290 10

Al 5.8Zn 1Mg 0.4Cr (T6) 460 420 11

7075 (T651) 530 450 10

7475 (T7351) 480 400 12

7010-7050 (T73651) 510 440 10


Serie 8000Engloba al resto de elementos aleantes no incluidos en las familias previas.En realidad hay varios tipos dentro de esta serie

Al-Sn. Se usa para cojinetes por el bajo coeficiente de friccin y buen comportamiento a fatiga. Es frecuente la 8280 (Al 6Sn 1Cu 0.6Ni 1.5Si) con resistencia de 180 MPa. Tambin la 8081 (Al 20Sn 1Cu) como antifriccinAl-Fe-Si. Muy usada en embalajes. Habituales la 8011 (Al 0.8Si 0.7Fe) y la 8008 (Al 1.2Fe 0.7Mn)Al-Zr. Se usan por la elevada temperatura de recristalizacin. La ms tpica es la 8040 (0.15% Zr)Al-Li. El Li es el elemento metlico ms ligero y es el nico (junto con el Be) que aumenta el E del aluminio. Precipita Al3Li con lo que endurece la aleacin y mejora la resistencia. Las ms tpicas son la 8090 y 8091


7075 Zicral


Aplicaciones

Suministro real

Materiales Metlicos Aleaciones de Magnesio

El magnesio se utiliza por su extraordinaria densidad, tan solo 1.7 g/cm3, la ms baja de todos los metalesSe utiliza fundamentalmente en aplicaciones aeronuticasEl magnesio se obtiene a partir del MgO por:

Electrolisis gnea del MgO obtenido de calcinar magnesita (CO3Mg), dolomita (CaO, MgO) o del agua de marReduccin trmica del MgO mediante C, Si o C2Ca en vaco

Tiene estructura cristalina HC, es blando y su E es de 45 Gpa.Es difcil de deformar en fro con lo que normalmente se utiliza en piezas fundidas o deformadas en calienteLa resistencia a la oxidacin es buena en ambientes normales pero deficiente en ambientes marinos ya que no forma pelcula de proteccin (como el Al2O3 del aluminio)El polvo de magnesio es muy inflamablePara alearlo, el circonio afina el grano y la fabricabilidad, aunque no es compatible con el Al


Como aleaciones, se tienen para moldeo y para forjaAleaciones de moldeo y resistencia media

Mg 1.5 Mn u 90-110 MPa Mg (7-12Al) u 150-190 MPaMg 3Al 1Zn u 160-200 MPa Mg 5Al 2Zn u 170-210 MPa

Aleaciones de moldeo de elevada resistenciaMg 8Al 0.5Zr u 240-280 MPa Mg 4.5Zn 0.7Zr u 220-270 MPaMg 6Zn 0.7Zr u 260-320 MPa Mg 10Zn 1.6Cu u 200-220 MPa

Aleaciones de forjaMg 1.5Mn u 190-240 MPa Mg 3Al 1Zn u 230-280 MPaMg 1.3Zn 0.7Zr u 240-270 MPa Mg 3Zn 0.7Zr u 260-300 MPaMg 6Al 1Zn u 280-320 MPa Mg 8Al 0.5Zn u 300-330 MPa

La mayora tienen alargamientos de rotura entre el 10 y el 12%

Materiales Metlicos Aleaciones de Titanio

El titanio y sus aleaciones son relativamente nuevos y se utilizan por la buena combinacin de propiedades que presentanSu densidad es intermedia (4.5 g/cm3) al igual que su E (107 GPa)Su coeficiente de dilatacin es inferior al del acero (8.9 x 10-6)Su temperatura de fusin es muy elevada, por encima de 1650 C.Es un metal muy abundante en la corteza terrestreSe obtiene a partir de:

Limenita (FeTi)2O3. Se presenta con estructura HCRutilo TiO2Titanita o Esfeno SiO4TiCa y la Perowskita TiO3Ca

Las aleaciones de Titanio son bastante complejas y se basan en:Transformacin alotrpica cristalogrfica a 882 C de tal forma que la fase (HC) estable a baja temperatura pasa a (BCC)El efecto de los elementos de adicin sobre la temperatura de transformacin y las propiedades del metal


Respecto a los elementos de adicin, pueden ser:Alfgenos. Estabilizan la fase con elevada solubilidad en ella. Destacan el Al, O2, N2 y CNeutros (+). Tienen amplia solubilidad tanto en la fase como en la . Son elementos como el Zr y el Sn. No afectan a la temperatura detransformacin Betgenos. Descienden la temperatura de transformacin y se disuelven en la fase , a la que endurecen. Se disuelven poco en fase

-isomorfos. Mo, V, Nb y Ta. Solubilidad completa con Ti-eutectoides. Fe, Co, Ni, Cr, Mn, W, Au, Ag, Gu y Si. Tienen solubilidad limitada en Ti y forman fases intermedias por descomposicin eutctica

Las aleaciones tienen excelente soldabilidad, buena resistencia a alta temperatura y no suelen endurecerse por acritudLas aleaciones + tienen un espectro amplio y de mejores propiedades que las puras. Destacan Ti-2Cu, Ti 4Al 4Sn 4Mo 0.5Si y la clsica Ti 6Al VLas son metaestables aunque admiten soldadura y suelen ir recocidas. Tienen ms tendencia al agrietamiento y son peores en creep


Propiedades mecnicas de aleaciones + y forjadas

Materiales Metlicos Aleaciones de Niquel

El nquel se utiliza desde la antigedad junto con el cobreLos chinos lo llamaron cobre blanco y lo usaron en utensilios domsticos, herramientas y en monedasEl nquel se obtiene de minerales:

Oxidados. Silicatos como garnieritas Si3O10(OH)8(NiMg)6 y lateritas de composicin muy variableSulfurados o minerales de Cu-Ni

En el mercado se suele encontrar Ni puro en forma de bolas (monds) que son Ni electroltico de gran pureza (mnimo 99% Ni), Ni de sinterizacin en forma de polvo con 75 a 95% de Ni y el resto oxgeno, y Fe-Ni con 20 a 50% de Ni a veces con algo de CrEs un metal pesado, con una densidad de 8.9 g/cm3 y temperatura de fusin de 1454 C con E similar al acero (alrededor de 200 GPa).Absorbe H2 con facilidad y queda fragilizadoPuro en forma semielaborada tiene buenas propiedades mecnicas

BDC u 410-580 MPa 0.2 100-310 MPa 55-35%Con acritud u 445-750 MPa 0.2 270-690 MPa 35-10%Recocido u 375-550 MPa 0.2 100-200 MPa 55-40%


El nquel es muy resistente al agua de mar y tambin a los alcalisExisten numerosas familias de aleaciones de nquel, siendo las ms importantes las siguientes:

Ni-Cu. Monel. Buena resistencia a la corrosin no aptos para atmsferas sulfurosas a ms de 370 C. Su resistencia vara de 550 a 1200 MPa con lmites elsticos de 270 a 1100 MPa y alargamientos de 60 a 15%Ni-Cr. Inconel. Buena resistencia a oxidacin en caliente .Con ms Cr mejora la resistencia a oxidantes y con ms Ni mejora a reductores. Las propiedades elsticas son similares a las anteriores.Ni-Cr-Fe. Incoloy. Resisten a la corrosin por H2 y sulfuros. Son excelentes a alta temperatura. Las propiedades mecnicas son inferiores a las aleaciones Ni-CuNi-Cr-Co. Nimonic. Excelentes para oxidacin en caliente y deformacin plstica en caliente. Buenas para creep y buenas propiedades mecnicas. Resistencias de 850 a 1200 MPa. Ni-Cr-Mo. Hasteloy. Gran estabilidad trmica con poca dilatacin y resistencia a la corrosin hasta 1100 C. Resistencias de 700 a 1300 MPa con lmites de fluencia de 270 a 850 MPa y alargamientos de 60 a 35%


Inconel 718

Materiales Metlicos Metales refractarios

Los metales refractarios son aquellos que tienen temperaturas de fusin muy elevadasLas principales aleaciones incluyen Niobio (Nb), Molibdeno (Mo), Tungsteno (W) y Tntalo (Ta)Las temperaturas de fusin varan desde los 2468 C del Nb a los 3410 C del W (la ms alta de cualquier metal)Normalmente tienen mdulos de elasticidad muy altos por los fuertes enlaces interatmicos que les permiten alcanzar esas temperaturas de fusinLo mismo se puede decir de las resistencias y las durezas de los materiales

Materiales Metlicos Conformacin de metales

La fabricacin de componentes con aleaciones metlicas suele seguir una serie de pasos comunes a todas ellas

AfinoAleacinTratamiento trmicoConformadoTratamiento final

Algunas de ellas tienen influencia sobre las propiedades finales de las aleacionesLas tcnicas de conformado son las siguientes

Deformacin

Materiales Metlicos Tcnicas de conformado

La conformacin de los metales consiste en modificar una pieza por medio de deformacin plsticaEs necesario contar con maquinaria o elementos que ejerzan fuerzas tales que excedan el lmite elstico del material conformadoTambin es preciso que el material base sea capaz de aguantar la deformacin plstica sin romperseLa conformacin puede realizarse tanto en fro como en caliente, obteniendo propiedades y caractersticas diferentesLa deformacin en caliente implica el tener que realizar fuerzas menores para conseguir los objetivos finales. Adems se pueden conseguir deformaciones mayores. Por el contrario puede produciroxidaciones superficiales y peores acabados superficiales. Los materiales no incrementan tanto sus propiedades mecnicasLa deformacin en fro da mejor resistencia con prdida de ductilidad. El acabado superficial es mucho mejor y el control dimensional de la pieza final tambin es mucho mejor. Se puede alcanzar la deformacin final en varias fases

Materiales Metlicos Tcnicas de conformado Forja

La forja es un proceso de deformacin de una pieza metlica en caliente mediante la aplicacin de impactos o presinExisten forjas de matriz abierta y de matriz cerrada. Las de matriz cerrada tienen la forma de la pieza final que se va a fabricar mientras que las de matriz abierta suelen ser matrices con superficies planas o circularesLos componentes forjados tienen muy buena microestructura interior y consiguen las mejores propiedades mecnicasAl fluir el material durante el proceso de forja se produce un fibrado que mejora las propiedades en la direccin de movimiento del material durante el procesoEste fibrado es especialmente intenso, y las estampas se suelen disear con ese fin, en el caso de las forjas en matriz cerradaExisten multitud de elementos que se fabrica por procedimientos de forjaEjemplo de forja en matriz abierta y en cerrada detalle rodillos

Materiales Metlicos Tcnicas de conformado. Laminacin

La laminacin es un proceso de fabricacin que consiste en hacer pasar una pieza metlica entre unos rodillos de manera que stos provocan una disminucin del espesor del material

Dependiendo del material y de la capacidad del tren de laminacin, se necesitarn diferentes pasos para alcanzar la geometra final


Los procesos de laminacin pueden hacerse:En fro. Se deforma la estructura cristalina del material en una direccin determinada, aumentando las propiedades en dicha direccin. Necesitan ms pasos para alcanzar una geometra determinada. La calidad de la superficie es bastante buena.En caliente. Al trabajarse en temperaturas metalrgicas, la estructura del material no se orienta y no se ganan propiedades respecto al material de base. Permiten grandes deformaciones aunque el acabado superficial no es muy bueno.


Perfilado

Materiales Metlicos Tcnicas de conformado. Extrusin

La extrusin consiste en hacer pasar un metal a travs de un determinado orificio en una hilera (forma), por medio de la aplicacin de una elevada fuerza sobre el metal

El proceso se realiza en fro de manera que se alinea la estructura cristalina y se mejoran las propiedades mecnicas

Materiales Metlicos Tcnicas de conformado. Extrusin

Extrusin

Materiales Metlicos Tcnicas de conformado. Trefilado

El trefilado consiste en hacer pasar un metal a travs de una matriz que tiene la geometra que se quiere obtener traccionando al material desde el lado de salida de la hilera

Es un proceso muy habitual en la fabricacin de tubos sin soldaduraComo los procesos anteriores, al no calentar el material base, se orientan los cristales del metal de partida y se mejoran las propiedades mecnicas

Materiales Metlicos Tcnicas de conformado. Trefilado

Trefilado

Materiales Metlicos Tcnicas de conformado. Moldeo

El moldeo consiste en verter un metal totalmente lquido en un molde hueco en donde al solidificarse el metal, adquiere la forma previstaEl proceso de moldeo es complejo y exige inversiones importantes, de manera que, normalmente, se aplica en los siguientes casos:

Fabricacin de formas muy grandes o complicadasSe quiere utilizar un material con una capacidad de deformacin plstica o soldabilidad muy bajaDe las diversas formas de fabricar un componente, sta es la ms econmica

Existen diferentes formas de fundir componentesMoldeo en arenaMoldeo en coquillaMoldeo de precisinMoldeo a la espuma perdidaMoldeo continuo


El moldeo en arena es el mtodo ms habitual en la industriaEl molde se fabrica compactando arena en varias cajas alrededor de un modelo que tiene la geometra de la pieza que se quiere fabricar


El moldeo en coquilla se hace vertiendo el metal lquido a presin y a cierta velocidad en el molde. Con esto se consigue que el metal solidifique bajo presinLos moldes para este proceso son metlicosSe consiguen velocidades altas de moldeo de forma que las piezasobtenidas son econmicasSe suele utilizar para fabricar componentes relativamente pequeos y con puntos de fusin bajos (aluminio, cinc y magnesio)


El moldeo de precisin, tambin llamado moldeo a la cera perdida, se utiliza para fabricar con componentes de gran exactitud dimensional y con excelente acabadoSe hace un modelo de cera o de plstico de baja temperatura de fusin. Alrededor de l se vierte un material que solidifique alrededor del modelo y tenga alta temperatura de fusinSe calienta el conjunto de manera que el modelo se funde o se consume y queda una cavidad con la geometra deseada


El moldeo continuo se suele emplear en los procesos de fabricacin y afino de muchos metalesSe trata de tras formular la aleacin, verterla en forma de lingotes o barras de geometras sencillas de manera continua para, posteriormente realizar una operacin secundaria de endurecimiento por acritudEn muchas ocasiones no se utilizan moldes especficosEjemploRiesgos

Existen otras formas de procesado que tambin tienen efectos interesantes sobre los materiales

PulvimetalurgiaSoldaduras

Materiales Metlicos Tcnicas de conformado. Pulvimetalurgia

La pulvimetalurgia o sinterizado consiste en la compactacin de una pieza metlica a partir de metal en polvoEs un mtodo apropiado para piezas de baja ductilidad para que con una pequea deformacin plstica, para que las partculas de polvo metlico queden unidas entre ellasSe pueden conseguir piezas de propiedades similares a las del metal de partida en funcin de la porosidad final (densificacin) que quede en la piezaEn el sinterizado la pieza se suele calentar hasta el 75% de la temperatura de fusin antes de una ligera compactacin. Una variante es el HIP (hot isostatic pressure) en donde hay temperatura y alta presinEn fro se trabaja con el CIP (cold isostatic pressure)

Materiales Metlicos Tcnicas de conformado. Soldadura

La soldadura no es estrictamente un proceso de fabricacinSin embargo, su uso generalizado, y la influencia de la misma en las propiedades del material, hacen necesario el considerarlaExisten muchos tipos de soldaduras diferentes y algunas de ellaspresentan afecciones especficas sobre los materialesEn general, una soldadura consiste en fundir dos zonas de un material base para, normalmente agregando material nuevo, volver a solidificarse y hacer una nica pieza con continuidad fsicaEn una soldadura siempre hay zonas afectadas por la temperatura

Materiales Metlicos Tcnicas de conformado. Soldadura

Las alteraciones que puede sufrir el material base son las siguientesRecristalizacin y crecimiento de grano en la ZAT. Especialmente frecuente en materiales endurecidos por acritud. Se pierde resistencia, dureza y tenacidadEsfuerzos residuales en las zonas calentadas. Estos esfuerzos pueden mermar la resistencia y debilitar la uninSe pueden producir cambios metalrgicos. En los aceros se puede llegar a temperatura de austenizacin y al enfriar puede aparecer perlita y fases proeutectoides (aceros al carbono) as como martensita (en aceros aleados o en funcin de la velocidad de enfriamiento)Algunos aceros inoxidables pueden sensibilizarse con la temperatura y facilitar la aparicin de corrosin intergranularLa temperatura en la ZAT puede acelerar la oxidacinPueden aparecer difusiones o mezclas de otros materiales no deseados (por el ambiente o por la aportacin) que tengan influencia sobre el comportamiento del material

Materiales Metlicos Tcnicas de tratamiento trmico

A temperaturas elevadas, se puede conseguir una recristalizacin de los metales de manera que se pueden alterar las caractersticas mecnicas por medio de tratamientos trmicosLos principales tratamientos trmicos en las aleaciones metlicas son

RecocidoTempleEndurecimiento por precipitacin

El recocido es un tratamiento trmico en el que un material se somete a una temperatura elevada durante un tiempo prolongado y luego se enfra lentamenteNormalmente, los efectos de un recocido son los siguientes

Elimina esfuerzos existentes en el materialIncrementa la ductilidad y la tenacidadPuede producir una microestructura especfica

El proceso tiene tres fases; calentamiento, mantenimiento a temperatura y enfriamiento. El tiempo es un parmetro fundamental


La velocidad de cambio de temperatura debe ser controlada para evitar gradientes y esfuerzos internos que provocan grietas y roturasHay varios tipos de recocidos:Recocido subcrtico. Este tratamiento se suele utilizar para mitigar los efectos de la deformacin en fro. Con l se ablanda e incrementa la ductilidad de un metal endurecido por acritudEn muchas ocasiones se utiliza como parte de un proceso de endurecimiento por acritudLo que se busca es recristalizar la estructura con una microestructura de grano fino, con lo que el tratamiento se termina antes de que el grano comience a crecerSuele aparecer oxidacin superficial que se puede controlar con temperaturas bajas de recocido o con atmsferas controladasNormalmente el recocido puede acelerarse aumentando la temperatura al favorecer los fenmenos de difusin


Otro recocido muy habitual es el de eliminacin de esfuerzos residuales en componentesMuchas veces, los componentes metlicos quedan con esfuerzos residuales causados por

Procesos de deformacin plstica y endurecimiento por acritudProcesos de fabricacin como el mecanizado, plegado etcEnfriamientos no uniformes de las piezas o aportes de calor locales durante la fabricacin (p.ej. soldaduras)Transformaciones de fase producidas por enfriamiento en donde hay diferencias de fase con densidades y propiedades distintas

Si estos esfuerzos no se eliminan se altera la geometra del componente y se pueden producir roturas localesEl recocido de eliminacin de esfuerzos (estabilizado) suele hacerse calentando hasta una temperatura relativamente baja para no alterar los efectos de endurecimientos anteriores por acritud o tratamiento trmico, manteniendo la temperatura y enfriando al aire

Materiales Metlicos Tcnicas de tratamiento trmico. Recocido

En las aleaciones frreas se hacen recocidos que presentan designaciones ms concretasLos tratamientos dependen de los diagramas de fases correspondientes


Recocido total. Es un tratamiento que se utiliza en aceros con contenidos bajos y medios en carbono que se van a mecanizar o que van a someterse a un proceso de endurecimiento por acritud

El tratamiento se realiza calentando al menos 50 C por encima de la temperatura crtica superior correspondiente a ese acero para composiciones menores que la eutectoide. Para composiciones por encima de la eutectoide, se calienta al menos 50 C por encima de la lnea A1 (para formar austenita y cementita). Se mantiene suficiente tiempo para permitir que la aleacin se transforme completamente y se enfra dentro del horno de tratamientoEl tratamiento produce perlita gruesa y fases proeutectoides que suelen ser dctiles. La microestructura presenta granos uniformes y pequeos

Esferoidizacin. Es un tratamiento para formar partculas esferoidales de cementita que confiere a los aceros mxima ductilidad y suavidad para el endurecimiento por acritud o el mecanizado. Se pueden realizar:

Calentando a temperaturas justo bajo la eutectoide (aprox 700 C), en la regin a+Fe3C . Con perlita, los tiempos de esferoidizacin son 15 a 25 hCalentando justo sobre la eutectoide y enfriando muy lentamente Calentando y enfriando alternativamente hasta unos +-50 C de la temperatura eutectoide

Materiales Metlicos Tcnicas de tratamiento trmico. Temple

Los tratamientos trmicos para conseguir aceros martensticos implican un enfriamiento rpido de una probeta austenizada. Las propiedades ptimas de un acero templado y revenido se consiguen solo si durante el tratamiento se consigue un elevado contenido en martensita. Si se forma perlita y/o bainita, las propiedades sern inferioresAl enfriar una pieza es imposible conseguir una velocidad uniforme de enfriamiento. Siempre se enfriar ms rpida la superficie. La austenita se transforma en un rango de temperaturas que puede conducir a diferentes microestructuras y propiedades en la piezaLa formacin uniforme de martensita en las secciones internas de una pieza depender fundamentalmente de

Composicin de la aleacinTipo y naturaleza del medio detempleTamao y geometra de la pieza


La capacidad de una aleacin para transformarse en martensita durante un proceso de temple depende de su composicin qumica y se describe con un concepto denominado templabilidadLa templabilidad es una propiedad cualitativa que describe la velocidad a la que desaparece la dureza segn se avanza hacia el interior de una pieza. Templabilidad alta implica formacin de martensita en la superficie y en el interior de la piezaLa templabilidad se determina con el ensayo Jominy del extremo templado. Se realiza sobre probetas cilndricas de 25.4 mm y 100 mm de longitud. Tras sacarla del horno ya austenizada se le haceincidir agua con caudal y temperatura determinados en la cara inferior. De esta forma se tiene una zona con alta velocidad de enfriamiento. Tras enfriarse toda la probeta hasta temperatura ambiente, se desbastan tres tiras de 0.4 mm de espesor y se mide la dureza Rockwell para los primeros 50 mm a lo largo de cada tira. En losprimeros 12.8 mm se mide cada 1.6 mm y en el resto cada 3.2 mm. Con los datos registrados, se puede trazar la curva de templabilidad


A veces se presentan las curvas de templabilidad relacionando dureza con velocidad de enfriamientoCon estos ensayos se pueden obtener las curvas de templabilidad de las aleaciones


Las curvas de templabilidad dependen mucho del contenido en carbono


Debido a las desviaciones que existen en los procesos de fabricacin, las curvas de templabilidad se suelen presentar en forma de bandas


La templabilidad, como se ha visto, depende de la aleacin y de la velocidad de enfriamientoSe suele hablar de severidad de temple para indicar la velocidad de enfriamiento. A mayor severidad, ms rpido ser el enfriamientoLos medios de temple ms comunes, por orden de severidad, son agua, aceite y aire. Tambin influye la velocidad de agitacin del medio de templeMuchas aleaciones no admiten temples muy severos por las deformaciones que experimentan y la aparicin de grietasSe suelen utilizar diagramas que muestran la velocidad de temple a 700 C en funcin del dimetro para barras cilndricas en varias posiciones radiales La velocidad de enfriamiento se suele expresar como distancia Jominy equivalenteEstos diagramas son muy tiles para predecir la dureza de las secciones transversales de la probeta

Materiales Metlicos Endurecimiento por precipitacin

Otra forma de aumentar la resistencia y dureza de muchas aleaciones es el formar partculas muy pequeas de una segunda fase de forma que estn uniformemente distribuidas en la matriz de la fase originalEste efecto se puede lograr mediante un tratamiento trmico apropiado y se denomina endurecimiento por precipitacinTambin se le suele llamar endurecimiento por envejecimiento dado que la resistencia se desarrolla con el paso del tiempoAlgunas aleaciones que admiten este tratamiento son la de Al-Cu, Cu-Be, Cu-Sn, y Mg-Al. Tambin hay aleaciones e Fe que permiten estos tratamientosPara estudiar el endurecimiento por precipitacin es necesario contar con los diagramas de fases de la aleacin concretaEl procedimiento para este tratamiento puede parecer similar a un tratamiento trmico normal pero debe matizarse si en realidad el mecanismo es un mero tratamiento o si en realidad el endurecimiento se produce por aparicin de una fase intermedia


El diagrama de fases necesita dos caractersticas fundamentalesSolubilidad mxima de un componente en el otro del orden de varios porcentajesUn limite de solubilidad que disminuya rpidamente en cuanto la concentracin de la fase principal al disminuir la temperatura

La composicin de la aleacin debe ser menor que la solubilidad mximaTodas estas son caractersticas necesarias pero no suficientes


El endurecimiento se consigue por dos tratamientos diferentesTratamiento de disolucin. Por ejemplo la composicin C0 se calienta a T0, se mantiene y se enfra rpidamente hasta T1Tratamiento de precipitacin. Se calienta a una temperatura intermedia T2, se mantiene y se enfra a temperatura ambiente

El carcter de las partculas de la fase y la resistencia y dureza de la aleacin dependen tanto de la temperatura T2 como del tiempo de envejecimiento


El crecimiento de las partcula de la fase b con el tiempo y la temperatura se suele representar con diagramas similares a los de la transformacin eutectoide de los aceros

Resulta mucho ms til representar los datos como una propiedad cuantitativa (resistencia a la traccin, lmite elstico, dureza ) versus el logaritmo del tiempo de envejecimiento a temperatura ambienteEn general, a mayor tiempo de envejecimiento a temperatura T2, ms propiedades hasta un valor en donde comienzan a disminuir


Si el tiempo de envejecimiento es demasiado largo, se denomina sobreenvejecimiento

Este tratamiento es comn en aleaciones de aluminio de alta resistencia. Las ms habituales son las aleaciones Al-Cu


Este tratamiento es comn en aleaciones de aluminio de alta resistencia. Las ms habituales son las aleaciones Al-CuLa fase es una disolucin slida de Cu en Al mientras que la fase es el compuesto intermetlico CuAl2 Las caractersticas mecnicas dependen del carcter de estas partcula de transicinInicialmente, los tomos de Cu se agrupan en discos delgados. Con el tiempo se convierten en partculas de mayor tamao


Inicialmente se ve la disolucin fase a sobresaturadaLa segunda figura es la fase precipitada de transicin Finalmente se ve la fase de equilibrio dentro de la matriz de fase Los efectos se aceleran a medida que aumenta la temperatura del tratamiento

Materiales Metálicos

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