Chapter 11 - 1
TEMAS A TRATAR...
Captulo 11: Aplicaciones y
Procesamiento de Aleaciones Metlicas
Cmo se clasifican las aleaciones metlicas y cuales son sus aplicaciones mas comunes?
Cules son algunos de los procesos de fabricacin de metalsmas communes?
Qu procedimientos de tratamientos trmicos son utilizados para mejorar las propiedades mecnicas de aleaciones ferrosas
y no ferrosas?
Chapter 11 - 2
Adapted from Fig.
11.1, Callister &
Rethwisch 9e.
Clasificacin de aleaciones metlicasAleaciones Metlicas
Steels
Ferrosas No ferrosas
Cast Irons
Chapter 11 - 3
Based on data provided in Tables 11.1(b), 13.2(b), 11.3, and 11.4, Callister & Rethwisch 9e.
Aceros
Baja aleacin Alta aleacin
Bajo carbono
Chapter 11 - 4
Refinamiento de acero a partir de
mineral
Mineral de hierroCoque
Cal
3CO+Fe2O3 2Fe+3CO2
C+O2 CO2
CO2 +C 2CO
CaCO3 CaO+CO2CaO + SiO2 + Al2O3 slag
purificacin
reduccin de mineral de hierro a metal
generacin de calor
Hierro fundido
ALTO HORNO
escoriaaire
Capas de coque
y mineral de hierro
GasesRecubrimineto
refractario
Chapter 11 - 5
Aleaciones ferrosas
Aleaciones basadas en hierro
Nomenclatura para aceros (AISI/SAE)
10xx Aceros al carbon simples
11xx Aceros al carbon simples (resulfurizados para maquinabilidad)
15xx Mn (1.00 - 1.65%)
40xx Mo (0.20 ~ 0.30%)
43xx Ni (1.65 - 2.00%), Cr (0.40 - 0.90%), Mo (0.20 - 0.30%)
44xx Mo (0.5%)
donde xx es wt% C x 100
ejemplo: acero 1060 acero al carbon simple con 0.60 wt% C
Aceros inoxidables >11% Cr
Aceros Hierros fundidos
Chapter 11 - 6
Hierros fundidos
Aleaciones ferrosas con > 2.1 wt% C
Mas comunes 3 - 4.5 wt% C
Baja fusin relativamente fciles de fundir
Generalmente frgiles
Cementita se descompone a ferrita + grafito
Fe3C 3 Fe () + C (grafito)
Generalmente un proceso lento
Chapter 11 - 7
Diagrama de fase Fe-C real
Formacin de graffito
promovida por
Si > 1 wt%
enfriamineto lento
Fig. 11.2, Callister & Rethwisch 9e.[Adapted from Binary Alloy Phase
Diagrams, T. B. Massalski (Editor-in-
Chief), 1990. Reprinted by permission of
ASM International, Materials Park, OH.]
1600
1400
1200
1000
800
600
4000 1 2 3 4 90
L
+L
+ grafito
Lquido +
grafito
(Fe) C, wt% C
0.6
5740C
T(C)
+ grafito
100
1153CAustenita 4.2 wt% C
+
Chapter 11 - 8
Tipos de hierro fundido
Hierro gris
escamas de grafito
dbil & frgil en tensin
ms fuerte a compresin
excellente absorbiendo vibraciones
resistente al desgaste
Hierro dctil
incluye Mg and/or Ce
grafito como ndulos, no escamas
matriz a menudo perlita mas resistente, pero menos dctil
Figs. 11.3(a) & (b),
Callister &
Rethwisch 9e.[Courtesy of C. H.
Brady and L. C. Smith,
National Bureau of
Standards, Washington,
DC (now the National
Institute of Standards
and Technology,
Gaithersburg, MD]
Chapter 11 - 9
Tipos de hierro fundido (cont.)
Hierro blanco
< 1 wt% Si
perlita + cementita
muy duro y frgil
Hierro maleable
Tratamiento tmico de hierro blanco a 800-900C
grafito en rosetas
razonablemente resistente y dctil
Figs. 11.3(c) & (d),
Callister &
Rethwisch 9e.
Co
urtesy
of A
mcast In
dustrial C
orp
oratio
n
Rep
rinted
with
perm
ission o
f the
Iron C
astings S
ociety
, Des P
laines, IL
Chapter 11 - 10
Tipos de hierro fundido (cont.)
Hierro graftico compactado
conductividad trmica relativamente alta
buena resistencia al choque trmico
baja oxidacin a altas temperaturas
Fig. 11.3(e), Callister & Rethwisch 9e.
Co
urtesy
of S
inter-C
ast, Ltd
.
Chapter 11 - 11
Produccin de hierro fundido
Fig.11.5, Callister & Rethwisch 9e.(Adapted from W. G. Moffatt, G. W.
Pearsall, and J. Wulff, The Structure and
Properties of Materials, Vol. I, Structure, p.
195. Copyright 1964 by John Wiley &
Sons, New York. Reprinted by permission of
John Wiley & Sons, Inc.)
Chapter 11 - 12
Limitaciones de aleaciones
ferrosas
1) Densidades relativamente altas
2) Conductividades elctricas relitavamente
bajas
3) Generalmente baja resistencia a la
corrosin
Chapter 11 - 13
Based on discussion and data provided in Section 11.3, Callister & Rethwisch 9e.
Aleaciones no ferrosas
Aleaciones no ferrosas
Aleaciones de aluminio-baja : 2.7 g/cm3
-adiciones de Cu, Mg, Si, Mn, Zn
-reforzados por soluciones slidas
o por precip. Partes para aeronaves
& empaques)
Aleaciones de magnesio-muy baja : 1.7g/cm3
-altamente reactivo -aeronaves, misiles
Metales refractarios-altas Ts de fusin -Nb, Mo, W, Ta Metales nobles
-Ag, Au, Pt -resist. A oxid./corr.
Aleaciones de titanio-baja densidad : 4.5 g/cm3
vs 7.9 de aceros
-reactivos a altas Ts-aplic. espaciales
Aleaciones de cobreLatn: Zn es impureza consid.(joyera, monedas, resistentes a la corrosin)Bronze : Sn, Al, Si, Ni son Impurezas considerables(bujes, trenes de aterrizaje)Cu-Be: Endurecidos por precip.Para resistencia
Chapter 11 - 14
Fabricacin de metales
Cmo fabricamos metales?
Herrero - martillo (forjado)
Fundicin de metal a un molde
Operaciones de formado
Materia prima trabajada a forma final
Trabajado en caliente vs. Trabajado en fro
Temperatura de deformacin suficientemente
alta para recristalizacin
Grandes deformaciones
Deformaciones debajo de temperaturas de
recristalizacin
Ocurre endurecimiento por deformacin
Pequeas deformaciones
Chapter 11 - 15
FORMADO
rodillo
Ao
Adrodillo
Rolado (en caliente o en fro)(Vigas I, carriles, planchas)
Ao Ad
fuerza
die
metal
fuerza
Forja (Martillado; Estampado)(herramientas, cigeales)
A menudo a
altas T
Adapted from
Fig. 11.9,
Callister &
Rethwisch 9e.
Mtodos de fabricacin de metales (i)
pistn palanq.
contenedor
contenedor
fuerzasujetador
dado
Ao
Adextrusin
Extrusin(barras, tuberas)
Metales dctiles, e.g. Cu, Al
(caliente)
fuerza de tensin
Ao
Addado
dado
Trefilado(barras, alambre, tuberas)
dado debe estar bien lubricado y limpio
FUNDICIN MISCELNEOS
Chapter 11 - 16
FORMADO FUNDICIN
Mtodos de fabricacin de metales (ii)
Fundicin- molde es llenado de metal fundido
metal fundido en horno, tal vez se aaden elementos aleantes, luego se funden dentro de un molde
comunes y baratos
da buena produccin de formas
productos mas dbiles, defectos internos
buena opcin para materiales frgiles
MISCELNEOS
Chapter 11 - 17
Fundicin en arena(partes grandes, p.e.,
blocks de motores de autos)
Mtodos de fabricacin de metales (iii)
Qu material resistir T >1600Cque es barato y fcilmente moldeable?
Respuesta: arena!!!
Para crear un molde, empacar arena alrededor de la pieza (modelo) con la forma deseada
arena arena
metal fundido
FORMADO FUNDICIN MISCELNEOS
Chapter 11 - 18
Etapa I Molde formado vertiendo yeso alrededor de modelo de cera.
Yeso se seca (endurece).
Etapa II Cera se derrite y luego se vierte fuera del molde molde hueco, cavidad se mantiene.
Etapa III Metal fundido se vierte al molde y solidifica.
Mtodos de fabricacin de metales (iv)
FORMADO FUNDICIN MISCELNEOS
Fundicin de cera perdida(bajo volumen, formas complejas
ej., joyera, labes de turbina)
wax I
II
III
Chapter 11 - 19
Mtodos de fabricacin de metales (v)
Colada contnua-- formas simples
(ej., bloques rectangulares,
cilindros)
fundido
solidificado
FORMADO FUNDICIN MISCELANEOS
Fndicin por dados-- grandes volmenes
-- para aleaciones con bajas temp.
de fusin
Chapter 11 - 20
MISCELNEOSFUNDICIN
Mtodos de fabricacin de metales (vi)
Metalurgia de polvos(metales c/bajas ductilidades)
presin
calor
punto de contact
a baja T
densificacin
por difusin a
T mas altas
rea de
contacto
densificacin
Welding(when fabrication of one large
part is impractical)
Zona afectada por el calor:(regin en la que la micro-
estructura ha sido cambiada).
Fig. 11.10, Callister
& Rethwisch 9e.[From Iron Castings
Handbook, C.F. Walton
and T.J. Opar (Ed.),
Iron Castings Society,
Des Plaines, IL,1981.]
pieza 1 pieza 2
metal base fundido
metal de relleno (fundido)metal base (fundido)
no afectadano afectada
zona afectada por el
calor
FORMADO
Chapter 11 - 21
Recocido: Calentar a Trecocido, luego enfriar lentamente.
Based on discussion in Section 11.7, Callister & Rethwisch 9e.
Procesamiento trmmico de metales
Tipos de
Tratamiento
Proceso de recocido:Negar efectos de trabajado en fro por (recuperacin/
recristalizacin)
Alivio de tensiones: Reducetensiones resultants de:
- Deformacin plstica - Enriamiento no uniforme - Transformaciones de fase
Normalizado(aceros): Deformaacero con granos grandes. Luego trat.trm. para permitir recristalizacin y formacin de granos mas pequeos.
Recocido (aceros): Produce aceros suaves paraBuen formado. Calentar para obtener , luego enfriar en hornopara obtener perlite gruesa.
Esferoidizacin (aceros): Produce aceros muy suaves para buen maquinado. Calor justo
debajo de Teutectoide & mantener
debajo de 15-25 h.
Chapter 11 - 22
a) Recocido
b) Temple
Caminos temperature-tiempo en
tratamientos trmicos
c)
c) Revenido
(Martensita
revenida)
P
B
A
A
a)b)
Fig. 10.25, Callister & Rethwisch 9e. [Adapted from H. Boyer (Editor), Atlas of
Isothermal Transformation and Cooling
Transformation Diagrams, 1977.
Reproduced by permission of ASM
International, Materials Park, OH.]
Chapter 11 - 23
Endurecimiento -- Aceros Endurecimiento mide la habilidad de formar martensita Ensayo Jominy: ensayo de temple que mide endurecimiento.
Grfico dureza vs. distancia de zona templada.
Fig. 11.12, Callister &
Rethwisch 9e. (Adapted from A.G. Guy,
Essentials of Materials Science,
McGraw-Hill Book Company,
New York, 1978.)
Fig. 11.13, Callister &
Rethwisch 9e.
agua a 24C
espcimen (calentado a
fase )
rea plana
ensayo de dureza
Rockwell C
Dure
za,
HR
C
Distancia desde zona templada
Chapter 11 - 24
La tasa de enfriamiento decrece con la distancia a la zona templada.
Fig. 11.14, Callister & Rethwisch 9e. [Adapted from H. Boyer (Ed.), Atlas of
Isothermal Transformation and Cooling
Transformation Diagrams, 1977. Reproduced
by permission of ASM International, Materials
Park, OH.]
Razn por la cul endurecimiento
cambia con la distancia
distancia de zona templada (plg.)Dure
za
, H
RC
20
40
60
0 1 2 3
600
400
200A M
0.1 1 10 100 1000
T(C)
M(inicio)
Tiempo (s)
0
0%
100%
M(fin)
Chapter 11 - 25
Endurecimiento vs composicin
Curvas de endurecimiento de 5 aleaciones, c/u con
C = 0.4 wt% C
"Aceros aleados"(4140, 4340, 5140, 8640)
-- contienen Ni, Cr, Mo
(0.2 to 2 wt%)
-- stos elementos cambian
la nariz a tiempos mayores(de A hasta B)
-- martensita es ms fcil de formar
Fig. 11.15, Callister & Rethwisch 9e. (Adapted from figure furnished courtesy
Republic Steel Corporation.)
Tasa de enfriamiento
(C/s)
Du
reza
, H
RC
20
40
60
100 20 30 40 50Distancia desde zona templada (mm)
210100 3
4140
8640
5140
50
80
100
%M4340
T(C)
10-1
10 103
1050
200
400
600
800
Tiempo (s)
M(inicio)
M(90%)
BA
TE
Chapter 11 - 26
Efecto del medio de enfriamiento:
Medio
aire
aceite
agua
Severidad de enfriamiento
baja
moderada
alta
Dureza
baja
moderada
alta
Effecto de geometra del espcimen:Cuando la tasa de rea-volmen aumenta:
-- tasa de enfriamiento hacia exterior aumenta
-- dureza hacia exterior incrementa
Posicin
centro
superficie
Tasa de
enfriamiento
baja
alta
Dureza
baja
alta
Influencia de medio de enfriamiento &
geometra de espcimen
Chapter 11 -
Partculas impiden movimiento de dislocaciones. Ej: Sistema Al-Cu Procedimieno:
27
0 10 20 30 40 50wt% Cu
L+L
+
+L
300
400
500
600
700
(Al)
T(C)
Rango de compositcindisponible para endur. por precipitacin
CuAl2
A
Fig. 11.25, Callister & Rethwisch 9e. (Adapted from J.L. Murray, International
Metals Review 30, p.5, 1985. Reprinted by
permission of ASM International.)
Endurecimiento por precipitacin
Adapted from Fig.
11.23, Callister &
Rethwisch 9e.
-- Pto B: temple a temp. amb.
(retiene solucin slida )-- Pto C: recalienta para nuclear
partculas pequeas en la fase .
Otras aleaciones que endurecen por precipitacin:
Cu-Be Cu-Sn Mg-Al
Temp.
Tiempo
-- Pto A: TT para solucin
(obtiene solucin slida )
Pto A (TT solucin)
B
Pto B
C
Pto C (precipitacin de )
Chapter 11 - 28
Aleacin de Al 2014:
Maxima en curvas RT. Aumentando T acelera el proceso.
Fig. 11.28, Callister & Rethwisch 9e. [Adapted from Metals Handbook: Properties and Selection: Nonferrous Alloys and Pure Metals, Vol. 2, 9th ed., H. Baker (Managing Ed.), 1979. Reproduced by permission of ASM International,
Materials Park, OH.]
Influencia de TT por precipitacin en la
RT, %EL
tiempo de TT para precipitacinresis
tencia
a tensi
n (
MP
a)
200
300
400
1001min 1h 1da 1m 1ao
204C149C
Mnima en curvas %EL
%E
L(2
en m
uestr
a)
10
20
30
01min 1h 1da 1m 1ao
204C 149C
tiempo de TT para precipitacin
Chapter 11 - 29
Aleaciones ferrosas: aceros y hierros fundidos Aleaciones no ferrosas:
-- Aleaciones de Cu, Al, Ti, y Mg; aleaciones refractarias; y
metales nobles.
Tcnicas de fabricacn de metales:-- formado, fundicin, miscelneos.
Endurecimiento de metales-- medicin de la habilidad de un acero a ser tratado
trmicamente
-- Aumenta con el contenido de elem. aleantes.
Endurecimiento por precipitacin--endurecimiento, debido a la formacin de partculas
precipitadas.
--Aleaciones de Al, Mg endurecidas por precipitacin.
Sumario
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