Temario Fundamento de Materiales - Apuntes - Temas 1 - 9. Curso 2011/2012 PDF

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Tema 9. Propiedades y aplicaciones de los materiales en Ingeniería

TEMA 9: PROPIEDADES Y APLICACIONES DE LOS MATERIALES EN INGENIERÍA 9.1 Aleaciones férreas: aceros y fundiciones. 9.2 Aleaciones no férreas y superaleaciones 9.3 Materiales cerámicos. 9.4 Materiales poliméricos. 9.5 Materiales compuestos. __________________________________________________________________________________ 9.1 ALEACIONES FÉRREAS: ACEROS Y FUNDICIONES En la figura 1 se muestra el esquema de clasificación de los principales materiales que se utilizan en ingeniería que, como ya se ha mencionado, son principalmente aleaciones metálicas.

Figura 1 Por su composición, las aleaciones metálicas se agrupan en dos clases: aleaciones férreas y no férreas. Las aleaciones férreas son aquellas en las que el principal componente es el hierro y se clasifican en aceros y fundiciones. Las aleaciones férreas son las que más se producen y las que tienen mayor interés para la construcción de aparatos debido a: (1) en la corteza terrestre abundan los compuestos de hierro; (2) el hierro metálico y los aceros se pueden obtener por técnicas relativamente económicas; (3) las aleaciones férreas son extremadamente versátiles ya que son susceptibles de

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tratamientos que les proporcionan gran variedad de propiedades físicas y mecánicas. La principal desventaja de estas aleaciones es su susceptibilidad a la corrosión. Aceros. Como ya se ha mencionado, son aleaciones Fe-C que contienen menos de un 2% de carbono. Además del C suelen contener otros elementos como Si, Mn, P y S. Existen miles de aceros que tienen distintas composiciones y/o tratamientos térmicos. Las propiedades mecánicas dependen del contenido en carbono, que suele ser inferior al 1%, Los aceros más comunes se clasifican según el contenido en carbono en bajo, medio y alto. Además en cada grupo existen subclases de acuerdo con la concentración de otros elementos de aleación. Según su composición los aceros se clasifican en: 

Aceros al carbono: formados fundamentalmente por Fe y C, aunque pueden contener otros elementos de aleación, pero en proporciones muy bajas, que bien pueden actuar como desoxidantes o desulfurantes, o bien simplemente aparecen como impurezas.



Aceros aleados (alta aleación): Además de Fe y C, contienen otros elementos de aleación como Cr, Ni, Mo, V, W, Ti etc. Estos elementos de aleación influyen de muy diversas maneras en las propiedades de los aceros:  Elementos que aumentan la dureza de los aceros (P, Ni, Si, Al …)  Elementos que modifican las temperaturas A1 y A3 (Ni, Mn y Cu las reducen, mientras que Mo, Al, V, W y Si las aumentan)  Elementos que modifican Ms y Mf  Elementos que influyen en la templabilidad Dentro de este grupo destacan los llamados aceros inoxidables que son muy resistentes a la corrosión. Su elemento predominante es el cromo (>11%C).

Según el %C los aceros se clasifican en: 

Aceros suaves o bajos en C ( 16%).

Fundiciones. Las fundiciones son aleaciones de Fe-C que contienen más de un 2% de carbono. En la práctica, el contenido de C oscila entre 2,5 y 4,5% de C. Además del C suelen contener otros elementos como Si, Mn, P y S. La fundición se utiliza, casi siempre, para la obtención de piezas por moldeo y aunque puede colarse directamente el arrabio obtenido del alto horno, lo más frecuente es emplear fundición de segunda fusión. Las numerosas aplicaciones de las fundiciones se deben fundamentalmente a las ventajas que ofrecen para la fabricación de piezas incluso de formas complejas debido a que: a) su temperatura de fusión es más baja que la de los aceros, b) el proceso de moldeo es más fácil que el de los aceros, c) tienen una alta colabilidad por lo que se pueden fabricar piezas en las que haya que rellenar huecos, d) la mecanización es muy fácil debido a la presencia de grafito que tiene propiedades lubricantes (maquinabilidad) y e) los rechupes (consecuencia de la contracción del material) son menos acusados que en los aceros. La cementita es un compuesto metaestable y, en algunas circunstancias, se disocia en ferrita y grafito de acuerdo con la reacción Fe3C--------3Fe () + C (grafito)

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La tendencia a la grafitización se regula mediante la composición y la velocidad de enfriamiento. Una velocidad de solidificación lenta y la presencia de silicio (>1%) facilitan la grafitización. En la mayoría de las fundiciones el carbono aparece como grafito y la microestructura y propiedades mecánicas dependen de la composición y del tratamiento térmico. Las fundiciones tienen una elevada resistencia al desgaste, mediana resistencia a la tracción (alrededor de 80 Kg/mm2) y a la compresión (alrededor de 100 Kg/mm2) y mayor resistencia a la oxidación que el acero. Además tiene gran capacidad de absorber vibraciones debido al grafito. Los tipos más comunes de fundiciones son: Fundición gris; fundición esferoidal, dúctil o nodular; fundición blanca; fundición maleable y grafito compactado (Figura 3)

Figura 2 Fundición Gris (ferrítica o perlítica): La mayoría del C está como grafito formando escamas y rodeadas de una matriz de ferrita  o de perlita (figura 3a y 3b). Las fundiciones grises son frágiles y poco resistentes a la tracción como consecuencia de su microestructura; las puntas de las escamas de 4

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grafito son afiladas y pueden actuar como puntos de concentración de esfuerzos. Son muy efectivas para el amortiguamiento de las vibraciones, resistentes al desgaste y económicas.

Figura 3 Fundición esferoidal, dúctil o nodular: Cuando a una fundición gris se añaden pequeñas cantidades de magnesio y/o cerio, el grafito forma partículas esferoidales o nodulares en lugar de escamas. Esta fundición es más resistente y mucho más dúctil que una fundición gris (figura 4).

Figura 4 Fundición blanca: En las fundiciones bajas en carbono, con menos del 1% de Si y a elevadas velocidades de enfriamiento la mayoría del C aparece en forma de CFe3 (blanca). Son fundiciones muy duras y frágiles con ductilidad prácticamente nula por lo que su uso se limita a aplicaciones que requieren una superficie muy dura y resistente al desgaste. En general, la fundición blanca se usa como un intermedio en la producción de otro tipo de fundición: fundición maleable. Fundición maleable: Al calentar la fundición blanca a temperaturas entre 800 y 900ºC se produce una descomposición de la cementita formándose grafito en forma de racimos o rosetones rodeados de una matriz ferrítica o perlítica. La microestructura es similar a la de la fundición esferoidal.

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Figura 5 Hierro de grafito compactado: El carbono está presente como grafito en forma vermicular (forma de gusano). La microestructura es intermedia entre la fundición gris y la fundición nodular.

Figura 6 9.2 ALEACIONES NO FERREAS Y SUPERALEACIONES Las aleaciones férreas se consumen en cantidades grandes debido a que poseen una amplia gama de propiedades mecánicas, pueden conformarse con relativa facilidad y se producen de una forma económica. Sin embargo, sus principales limitaciones son: (1) densidad relativamente alta, (2) conductividad eléctrica comparativamente baja y (3) una susceptibilidad a la corrosión en algunos medios comunes. Por ello, en algunas aplicaciones se hace necesario emplear otras aleaciones no férreas que tengan una combinación de propiedades más adecuadas. El cobre y sus aleaciones. El cobre sin alear es tan blando y dúctil que es difícil mecanizarlo; por otro lado, tiene una capacidad casi ilimitada de ser trabajado en frío. Además, es altamente resistente a la

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corrosión en ambientes diversos. Las propiedades de resistencia mecánica y a la corrosión del cobre pueden mejorarse mediante aleación. Las aleaciones de cobre más comunes son los latones, en los cuales el cobre está aleado con Zn. Los latones con Q superficie y D volumen < D borde de grano < D superficie Esto no significa que la difusión superficial sea el proceso más importante ya que la cantidad de zona de difusión disponible también influye. En la mayoría de los casos domina la difusión en volumen. Sin embargo en un material con tamaño de grano muy pequeño (con una gran superficie de borde de grano) podría dominar la difusión por frontera de grano. De forma similar, en un polvo con granos finos (con gran área superficial) puede dominar la difusión a través de la superficie. El estudio de los procesos de difusión, es decir de migración de átomos a través de la estructura del sólido, tiene una gran importancia ya que regula la cinética de un gran número de procesos. Efectivamente, todos los cambios de fase (exceptuando las transformaciones martensíticas) están controlados por difusión. Pero además, los tratamientos de los materiales para mejorar sus propiedades

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se basan también en la transferencia de masa al material desde un gas, un líquido o bien desde otro sólido, procesos todos ellos controlados por difusión. Para realizar estos tratamientos en un tiempo razonable (horas) se suele trabajar a temperaturas elevadas, a fin de que la velocidad de difusión sea suficientemente elevada. Mas adelante hablaremos de los tratamientos térmicos que se realizan en las últimas etapas de producción de materiales metálicos, cerámicos y polímeros. 4.4 SOLUCIONES SÓLIDAS Todos los sólidos cristalinos presentan en mayor o menor medida un cierto número de impurezas. Incluso los materiales semiconductores de alta pureza contienen átomos de impurezas que se alojan de algún modo en la estructura cristalina. Pero es más, muchos materiales en ingeniería contienen intencionadamente cantidades significativas de diferentes impurezas para mejorar sus propiedades. Las aleaciones metálicas comerciales son un buen ejemplo de esta afirmación. Luego en la realidad la mayoría de los materiales en ingeniería son aleaciones. Un ejemplo es la Plata de Ley. La plata pura es muy resistente a la corrosión, pero sus propiedades mecánicas son pobres (excesivamente dúctil). Si se añade del 7.5% de cobre mejora notablemente la resistencia mecánica de la plata, reteniendo su resistencia a la corrosión. El tipo más sencillo de aleación es la solución sólida. Una solución sólida en un sólido que consta de dos o más elementos que están dispersos a nivel atómico formando una única fase. Precisemos un poco más esta noción ya que a primera vista puede parecernos algo extraña. Sin embargo, no se trata mas que de recordar la noción de disolución en estado líquido y extenderla al estado sólido. En la figura 8se muestra una disolución de agua y alcohol que consiste en una mezcla perfecta a nivel molecular de ambos tipos de moléculas.

Figura 8 9

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Pues bien lo mismo puede suceder en estado sólido, esto es que los átomos B de las impurezas (soluto) se distribuyan homogéneamente en el cristal formado por los átomos A (disolvente). En la figura se esquematiza la situación correspondiente a una solución sólida de cobre en níquel según un plano (100) en donde puede apreciarse que algunos átomos de níquel han sido sustituidos por otros de cobre, estando estos últimos distribuidos al azar en la red fcc del níquel.

S.S. sustitucional

Ni (1.25 A)

S.S. intersticial (de iinserción)

Cu (1.28 A)

Fe (1.2 A)

C (0.75 A)

Figura 9 En general, hay dos tipos de soluciones sólidas: sustitucionales o intersticiales. En las soluciones sustitucionales los átomos de soluto sustituyen a los del disolvente en las posiciones de la red cristalina. La aleación Cu-Ni es un caso de este tipo. La estructura cristalina del elemento mayoritario (disolvente) se mantiene si bien ahora puede distorsionarse por la presencia de los átomos de soluto, especialmente si existe una diferencia importante entre los tamaños de los dos tipos de átomos.. La proporción máxima de átomos que puede disolverse en la red sin modificar la estructura cristalina puede variar. En algunos sistemas la solubilidad puede ser total, al igual que sucede con el agua y alcohol ya que estos dos líquidos son solubles en todas proporciones. En el caso de los metales para conseguir esta miscibililidad o solubilidad total los dos metales deben ser bastante similares, como establecen las siguientes reglas empíricas de Hume-Rothery. Según estas reglas para que la solubilidad sea total debe cumplirse que 1. La diferencia entre los radios atómicos sea inferior al 15% 2. Los dos metales tengan las mismas estructuras cristalinas. 3. La electronegatividad de los dos átomos (capacidad para atraer electrones) sea similar 4. Los dos elementos tengan la misma valencia. En la mayoría de los casos la miscibilidad es parcial: existe un límite de concentración, más allá de la cual la estructura cristalina del disolvente queda modificada. Esta concentración se conoce como 10

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límite de solubilidad. Se distingue entre las soluciones sólidas extremas, cuya estructura cristalográfica es la misma que la del disolvente, y fases intermedias, en las cuales la estructura ha cambiado. Ejemplos: Cu-Zn, Cu-Ag. En algunos casos las fases intermedias son exclusivamente estequiométricas (compuestos intermedios). En las soluciones sólidas intersticiales los átomos de soluto se sitúan en los huecos o intersticios que hay entre los átomos del disolvente. Se pueden formar soluciones sólidas intersticiales cuando los átomos de soluto son mucho más pequeños que los del disolvente. Ejemplos de átomos de impurezas que pueden formar estas soluciones son hidrógeno, boro, carbono, nitrógeno y oxígeno debido a su pequeño tamaño. Un ejemplo importante de solución intersticial es la formada por el C en Fe- (fcc) justo por encima de 912 ºC (fase estable hasta 1394 ºC). La diferencia de radios es del 42%. Sin embargo sólo es posible una solubilidad máxima del 2.08 de a 1148 ºC, debido a la distorsión que provocan los átomos de C en la estructura, ya que el radio del mayor hueco intersticial es igual a 0.53A frente al radio del átomo de carbono 0.75A. En el hierro -bcc el radio del mayor hueco intersticial es más pequeño, por lo que la solubilidad intersticial del C será aun mucho menor. Es posible distinguir entre los dos tipos de soluciones sólidas por comparación entre la densidad teórica y la experimental. Para ello basta tener en cuenta que la densidad viene dada por la relación masa/volumen, y referirla a la celda unidad. Supongamos que se trata de una celda con n posiciones atómicas y que las fracciones de átomos A y B son XA y XB siendo MA y MB sus masas atómicas. - Solución sólida sustitucional: En la celda hay un total de n átomos (tantos como posiciones atómicas) de los cuales nXA corresponden al tipo A y nXB átomos al tipo B. Luego,

S 

-

1 M  nX A A  nX N Av  

B

MB N Av

 n   N  X A M A  X B M B  Av 

Solución sólida intersticial: Si en la celda unidad de volumen  hay n átomos A, la fracción de átomos B será

XB 

-

X NB , luego despejando se obtiene N B  n B . XA n  NB

La densidad será pues: n

I 

X MB MA n B X A N Av N Av n    NAv

X    M A  B M B  X A  

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por lo tanto:

i 1   i   s s XA

Para finalizar con este apartado, tan sólo añadir que las soluciones sólidas mencionadas hasta ahora son de tipo aleatorias, esto es los átomos de soluto se distribuyen al azar entre las posiciones disponibles. Sin embargo existen también soluciones sólidas ordenadas. Por ejemplo en la aleación AuCu3 los átomos de Cu ocupan preferentemente los centros de las caras mientras que los átomos de Cu ocupan preferentemente los vértices de la celda cúbica. De esta forma se pasa de una estructura cúbica fcc a una cúbica simple.

4.5 DISLOCACIONES

Una dislocación es una alteración de la estructura cristalina ideal que abarca una serie de espaciados atómicos alrededor de una línea denominada línea de la dislocación. Para entender mejor esta noción lo mejor es idear un proceso para generar una distorsión en el cristal que tenga estas características, esto es que se localice alrededor de una línea de forma que fuera de esta región se mantenga la estructura regular y periódica del sólido ideal. Este hipotético proceso (Volterra) consta de los siguientes pasos: 1) En primer lugar supongamos que se efectúa un corte en el cristal de forma que dicho corte finalice en el interior del cristal (por ejemplo, según el plano ABCD de la figura de forma que la línea AB delimita el fin de la superficie del corte

Figura 10 2) A continuación, se rompen los enlaces entre los átomos a ambos lados de la superficie de corte. Seguidamente se efectúa un desplazamiento relativo entre los átomos a ambos lados de la superficie de corte pero de forma que se restaure de nuevo el orden cristalino. Por ejemplo

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el desplazamiento que se indica en la figura 11 que como vemos está contenido en el plano de corte y es además perpendicular a la línea AB

Figura 11 3) Finalmente se unen de nuevo los átomos a ambos lados de la superficie de corte. La estructura cristalina así obtenida esta distorsionada alrededor de la línea AB (que delimita la superficie de corte en el interior del cristal). Si nos alejamos de dicha línea la estructura cristalina deja de estar distorsionada. A las dislocaciones que se generan con un desplazamiento perpendicular a la línea de la dislocación se las denomina dislocaciones en arista También se podría haber efectuado un desplazamiento paralelo a la línea AB de la dislocación (dislocación helicoidal) de forma que el resultado de la distorsión cristalina seria el de la figura 12.

Figura 12 Pero además, la superficie de corte no tiene porque finalizar en una línea recta. Supongamos que efectuamos el corte delimitado por la curva AB de la figura 13. Si a continuación efectuamos el mismo desplazamiento que en el primer caso se obtiene una dislocación curva. El carácter de la dislocación dependerá del segmento de la dislocación curva que consideremos. Así, por ejemplo si se trata del extremo A la dislocación es helicoidal mientras que en el extremo B es una dislocación que tiene carácter de dislocación en arista. Cualquier segmento intermedio tendrá pues un carácter mixto.

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Figura 13 Las dislocaciones en arista se pueden interpretar como el resultado de la inserción en la estructura de un semiplano extra a modo de cuña (dislocación de cuña). Las dislocaciones helicoidales reciben este nombre debido a la espiral o rampa helicoidal que los planos atómicos describen alrededor de la dislocación. La genialidad del procedimiento descrito es que nos indica claramente que cualquier distorsión de la estructura cristalina tridimensional alrededor de una línea, esto es cualquier dislocación, por compleja que sea queda perfectamente definida si se conoce la línea de la dislocación y su vector de Burgers, siendo este ultimo el vector que representa el desplazamiento relativo entre las dos partes del cristal a ambos lados de la superficie de corte. El vector de Burgers no puede ser cualquiera ya que debe ser el vector de la red más pequeño en la dirección de la traslación (periodo de traslación).. Luego si bien el carácter de la dislocación puede cambiar de un segmen...