Metales - Lecture notes 1-2 PDF

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APUNTES SOBRE METALES EN PROCESOS DE MANUFACTURA...

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ESTRUCTURA INTERNA DE LOS METALES Y ALEACIONES CONOCIMIENTO DE LOS MATERIALES

E.E.T.P. N° 476 “Miguel Castellanos”

Conocimiento de los materiales – Metales y Aleaciones

1- INTRODUCCIÓN Metales y no metales se encuentran separados en el sistema periódico por una línea diagonal de elementos. Los elementos a la izquierda de esta diagonal son los metales, y los elementos a la derecha son los no metales. Los elementos que integran esta diagonal (boro, silicio, germanio, arsénico, antimonio, teluro, polonio, ástato) tienen propiedades tanto metálicas como no metálicas. Los elementos metálicos más comunes son: aluminio, bario, berilio, bismuto, cadmio, calcio, cerio, cromo, cobalto, cobre, oro, iridio, hierro, plomo, litio, magnesio, manganeso, mercurio, molibdeno, níquel, osmio, paladio, platino, potasio, radio, rodio, plata, sodio, tantalio, talio, torio, estaño, titanio, volframio, uranio, vanadio y cinc. Una mezcla de dos o más metales o de un metal con un no metal se denomina aleación. Los metales, a modo de definición, son un grupo de elementos químicos que presentan todas o gran parte de las siguientes características: 

Son sólidos a temperatura ambiente, con excepción del mercurio.



Buenos conductores de la electricidad.



Buenos conductores térmicos.



Tienen brillo, una vez pulidos.



Son duros y resistentes con posibilidades de deformación elástica y/o plástica.



Opacidad, salvo en capas muy finas.

Es necesario aclarar que los metales presentan un margen muy grande en sus propiedades físicas. Se llama estructura de los metales a la disposición ordenada y geométrica, en el espacio, de los constituyentes de la materia en estado sólido (átomos, moléculas, grupo de moléculas). La estructura está ligada íntimamente con el comportamiento del metal por lo que es conveniente efectuar un estudio elemental de la misma.

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2- ESTRUCTURA CRISTALINA Y GRANULAR DE LOS METALES Cuando un metal se encuentra en estado líquido y se lo deja enfriar, llega un momento que cambia su estado físico pasando al estado sólido. En los metales líquidos, calentados considerablemente por encima de su punto de fusión, los átomos se disponen al azar, de manera irregular, con portadores de elevada energía y movimiento. A medida que el líquido se enfría y se acerca al punto de solidificación, la energía de los átomos disminuye y con ello su movilidad dentro de la masa. Al alcanzar la temperatura de solidificación, en distintos puntos, grupos aislados de átomos enlazados adquieren una estructura rígida de orientación los unos respecto a los otros. Es decir, ocupan ciertas “posiciones” formando un cristal elemental. Los átomos vecinos pueden, una vez perdida la energía térmica necesaria, formar nuevos cristales que se van agregando al cristal elemental en todas las direcciones formando un núcleo de cristalización, así comienza a tejerse la red o estructura cristalina. Este crecimiento arborescente característico se llama por eso dendrítico y dendrita al cristal que va creciendo hasta formar el grano. Como la formación de los núcleos de cristalización puede comenzar indistintamente en cualquier punto de la masa líquida, los cristales en crecimiento pueden comenzar a crecer en múltiples lugares simultáneamente. Los metales presentan tres tipos de sistemas cristalinos: 

Cúbico centrado en el cuerpo.



Cúbico centrado en las caras.



Hexagonal.

En el transcurso del crecimiento de los núcleos de cristalización, estos empiezan a tomar contacto entre sí, por consiguiente, después de la solidificación completa, la forma exterior de los cristales formados adquiere un carácter casual, sumamente irregular. Tales cristales se denominan granos y los cuerpos metálicos se denominan policristalinos.

Las impurezas de punto de fusión más bajo son expulsadas hacia “afuera” por los cristales en crecimiento y solidifican al final formando las superficies de borde de los granos.

Estas superficies de borde de los granos disminuyen la cohesión del metal.

Por todo esto también se habla de estructura granular de un metal.

3- DEFECTOS EN LA ESTRUCTURA CRISTALINA Puesto que la solidificación implica el ordenamiento de millones de átomos cabe la posibilidad que la cantidad de cristales perfectos sea pequeña sobre todo para las velocidades de enfriamiento que se emplea en la industria de los metales. En efecto, los átomos (iones) del metal no tienen el tiempo suficiente para acomodarse en la estructura cristalina, la disposición de los mismos en la red cristalina sufre distintos tipos de perturbaciones. Algunos de estos defectos son: a) Vacancia de átomos en la red espacial: El emplazamiento normal de un átomo (o de varios contiguos) no está ocupado.

b) Presencia de impurezas: La red se deforma por el hecho de que algunos átomos de las impurezas que sustituyen a los átomos del metal tienen un volumen diferente.

Cuando la impureza es más grande que los átomos circundantes, éstos están a compresión. Pero si el tamaño de la impureza es menor que el de los átomos circundantes, éstos estarán a tensión. c) Dislocaciones de cuña: Las filas de átomos situados a una y otra parte de un cierto plano no están en igual número. En la figura se ve que por encima del plano marcado con línea de trazos hay una fila de átomos más.

4- ENLACE METÁLICO Ahora bien: ¿Cómo están ligados entre sí los átomos en la estructura cristalina? En cada uno de los átomos del metal se desprenden sus electrones de valencia (capa exterior), los cuales dan lugar a la formación de una “nube” de electrones o gas electrónico.

Estos electrones no se encuentran ligados a ningún átomo en particular, sino que se mueven con gran libertad entre los iones metálicos positivos en niveles de energía determinados. La cohesión entre los iones metálicos se mantiene en virtud de la atracción mutua experimentada por estos iones y la nube de electrones que los envuelve.

Ion metálico

Electrón

Gas electrónico

Estos electrones libres pueden desplazarse fácilmente por toda la masa del metal en los vacíos dejados entre los iones, lo que explica la fuerte conductividad eléctrica de los metales. Por otro lado, el calor pone a los electrones en agitado movimiento, que se transmite a otros electrones y a toda la red cristalina lo que permite entender la conductividad térmica de los metales.

5- ALEACIONES Cuando se dejan solidificar juntos dos o más metales, y a veces un metal con un no metal, se obtiene una aleación con propiedades mecánicas diferentes a las de cada componente. Existen dos tipos de aleaciones: A. ALEACIONES INTERSTICIALES: En general hay un metal base (solvente) que aporta su retículo cristalino, y dentro de éste, con cierto orden, se disponen los átomos del otro elemento (soluto), en estos casos se habla de “solución sólida”. Un átomo pequeño se acomoda en los huecos formados entre los átomos del metal base. Los átomos intersticiales deben caber perfectamente en dichos espacios para que no producir defectos en la red cristalina.

Existen aleaciones que sólo son estables dentro de ciertos límites de contenido.

B. ALEACIONES SUSTITUCIONALES: No siempre se forma la solución sólida, a veces los átomos de los distintos elementos que componen la aleación se agrupan en granos diferentes. Los átomos de los distintos elementos de la aleación cristalizan en granos diferentes. Para que se puedan formar fácilmente y exista alta solubilidad, se deben satisfacer algunas condiciones: 1) Los átomos del disolvente y del soluto deben poseer radios atómicos semejantes. 2) Los metales puros deben cristalizar en estructuras semejantes. 3) Ambos metales deben poseer estructuras electrónicas comparables para presentar el mismo estado de oxidación. 4) Ambos metales deben poseer electronegatividades semejantes, ya que, si no se cumple, se formarían compuestos en lugar de soluciones.

6- VARIEDADES ALOTRÓPICAS DEL HIERRO PURO Algunos metales cambian su estructura cristalina al variar la temperatura, esta característica se denomina alotropía.

Para el caso del hierro puro esos cambios se observan en el siguiente gráfico:

Hierro α: esta forma alotrópica existe por debajo de 900°C, en el sistema cúbico centrado en el cuerpo, ferromagnético hasta 768 °C, deja de ser ferromagnético entre 768 °C y 900 °C, pero el sistema cristalino se mantiene. El lado del cubo es de aproximadamente 0,287 μm a 20 °C. Hierro γ: existe entre 900 °C y 1401 °C, en el sistema cúbico centrado en las caras, con un lado igual a 0,363 μm a 1100 °C, es amagnético. Hierro δ: existe de 1401 °C hasta la temperatura de fusión (1535 °C), en el sistema cristalino cúbico centrado en el cuerpo, amagnético, con un lado de cubo de aproximadamente 0,293 μm a 1425 °C. El hierro presenta entonces dos variedades alotrópicas. Estas transformaciones van asociadas a variaciones de volumen. Se podría deducir que, a mayor temperatura, mayor volumen. Produciéndose esto entre una misma cantidad de hierro α a hierro δ. Sin embargo, a 900 °C se produce una repentina contracción volumétrica y a 1400 °C se produce una expansión volumétrica. Esto se debe al factor de empaquetamiento atómico de las estructuras cristalinas.

7- DIAGRAMA DE LAS ALEACIONES DE HIERRO CON CARBONO Si al hierro se le agrega carbono en diferentes proporciones se forma un grupo de aleaciones denominadas “ferrosas”, de suma importancia, llamadas aceros y fundiciones de hierro. El diagrama de hierro-carbono nos permite conocer, en función del porcentaje de carbono que tiene la aleación y de la temperatura a la cual se encuentra, de que microconstituyentes está formada. En cada zona van apareciendo cristales de microconstituyentes que se designan con nombres especiales:

AUSTENITA (A) Es el constituyente más denso de los aceros, está formada por una solución sólida con inserción del carbono en hierro γ. La cantidad de carbono varía del 0% a 1,76% que es la máxima solubilidad de carbono en esta fase a una temperatura de 1130 °C. La austenita está constituida por cristales cúbicos centrados en las caras, con una dureza de 300 Brinell, una resistencia a la tracción de 100 kgf/mm 2 y un alargamiento del 30%. La austenita no es estable a la temperatura ambiente, pero existen algunos aceros al cromo níquel denominados austeníticos cuya estructura es austenita a temperatura ambiente.

Presenta las siguientes características: 

Baja temperatura de fusión.



Buena tenacidad.



Excelente soldabilidad.



No magnética.



Menor ductilidad que la ferrita.

FERRITA (F) Es una solución sólida de carbono en hierro α (la cantidad de átomos de carbono es muy pequeña), la más blanda y dúctil de todas las fases del acero, cristaliza en la red cúbica centrada en el cuerpo, tiene una dureza de 90 Brinell, una resistencia a la tracción de 28 kgf/mm2, llegando hasta un alargamiento del 40%.

Presenta las siguientes características: 

Muy blanda.



La más dúctil de todas las fases.



Es magnética.

PERLITA (P) Es el microconstituyente eutectoide que contiene 0,89 % de carbono y se forma a 723 °C, es una mezcla muy fina laminar formada por capas alternadas de ferrita y cementita. Tiene una dureza de 250 Brinell, una resistencia a la tracción de 80 kgf/mm 2 y un alargamiento del 15%.

La perlita se ve en el microscopio óptico como negra. Sin embargo, ambas fases, ferrita y cementita en condiciones normales son blancas. El color oscuro lo producen la gran cantidad de límites de grano existentes entre la matriz ferrítica y las láminas de cementita. Mecánicamente tiene las propiedades intermedias entra la blanda y dúctil ferrita y la dura y quebradiza cementita. CEMENTITA (Cm) Es carburo de hierro (Fe3C), el microconstituyente más duro y frágil de los aceros al carbono, alcanza una dureza Brinell de 700 y cristaliza en la red ortorrómbica. Su presencia aumenta considerablemente la resistencia de algunos aceros. Es metaestable, esto es, permanece como compuesto a temperatura ambiente. Pero si se calienta entre 650 °C y 700 °C cambia gradualmente y se transforma en hierro α y el carbono en forma de grafito.

LEDEBURITA (Le) No es un constituyente de los aceros sino de las fundiciones. Se encuentra cuando en las aleaciones de hierro carbono, el contenido de C es superior al 1,76 %. Es la mezcla eutéctica de austenita y cementita. Se forma al enfriar una fundición líquida de aproximadamente 4,3% de C desde 1130 °C siendo estable hasta los 721 °C descomponiéndose a partir de esta temperatura en ferrita y cementita.

La ledeburita transformada (Let) está formada por cementita, cementita recristalizada secundaria (que se separa de la austenita con la disminución de la temperatura al enfriarse el metal) y perlita. La ledeburita posee alta dureza y fragilidad. Representación esquemática de la microestructura de un acero eutectoide (0,77%C)

Austenita: Buena tenacidad, excelente soldabilidad, amagnética. Perlita: Propiedades mecánicas intermedias, blanca y dúctil de la ferrita y quebradiza de la cementita.

Representación esquemática de la microestructura de un acero hipoeutectoide (↓0,77%C)

Microestructura fase γ homogénea con granos orientados al azar. Al enfriarse se desarrolla la fase α y nos encontramos en una región bifásica. Al bajar la temperatura, aumenta el contenido en fase α. Al llegar a los 723 °C aproximadamente la ferrita no cambia y la austenita se transforma en perlita.

Representación esquemática de la microestructura de un acero hipereutectoide (↑0,77%C)

Para temperaturas de aproximadamente 900 °C la microestructura de la fase γ es homogénea con granos orientados al azar. Al enfriarse desarrolla la cementita y nos encontramos en una región bifásica γ + cementita. La cementita comienza a formarse en los límites de grano de la austenita. Por debajo de los 723 °C toda la austenita se transforma en perlita....