Unidad 3 Materiales Metálicos.doc

Ciencia e Ingeniería de los Materiales

UNIDAD 3

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MATERIALES METÁLICOS

3.1 ALEACIONES FERROSAS Más del 90% del peso de los materiales metálicos que utilizamos son aleaciones ferrosas. Existen dos categorías basadas en la cantidad de carbono presente en la composición de la aleación. Por lo regular, el acero contiene entre 0.05 y 2% de peso de Carbono. Los hierros fundidos entre 2 y 4.5%. Dentro de la categoría de los aceros haremos una distinción si se usa o no una cantidad significativa de elementos aleables diferentes al carbono; una composición del 5% de peso total de adiciones distintas del carbono servirá como límite arbitrario entre los aceros de baja aleación y de alta aleación. Estas adiciones de aleación se seleccionan con cuidado ya que representan un incremento en el costo del material. Sólo se justifican con el mejoramiento esencial de las propiedades tales como una mayor resistencia estructural o una mayor resistencia a la corrosión. 3.1.1 Hierros y aceros Hierros fundidos. Como se definió antes son aleaciones ferrosas con una cantidad de C que excede el 2% de peso. También contienen hasta un 3% de peso de silicio para el control de la cinética de la formación del carburo. Presentan bajas temperaturas de fusión, al igual que las viscosidades de su fase líquida, además de que no se forman películas indeseables en la superficie cuando se vierten y sufren una contracción moderada durante la solidificación y el enfriamiento. A un hierro fundido se le da su forma final, vaciando el metal fundido en un molde. La forma del molde es conservada por el metal solidificado, las propiedades mecánicas inferiores resultan de una microestructura menos uniforme, incluyendo algo de porosidad. Las aleaciones forjadas inicialmente son fundidas pero laminadas o forjadas al final en formas relativamente simples (forja significa trabajada). Hay cuatro tipos generales de hierros fundidos: hierro blanco tiene una superficie de fractura cristalina, de color blanco característico, durante el fundido se forman grandes cantidades de Fe3C, creándose un material duro quebradizo; hierro gris tiene una superficie de fractura gris con una estructura finamente faceteada, un contenido significativo de silicio (2 a 3%) provoca la precipitación de grafito (C) en lugar de cementita (Fe 3C), las hojuelas de grafito puntiagudas y afiladas contribuyen a su fragilidad característica; hierro dúctil se produce agregando 0.05% de peso de Magnesio a la fundición de hierro gris, lo que origina precipitados esferoidales de grafito en lugar de hojuelas, su nombre deriva de sus propiedades mecánicas mejoradas, donde la ductilidad se incrementa en un factor de 20 y la resistencia se duplica; hierro maleable es una forma más tradicional de obtener hierro fundido con ductilidad razonable, el cual primero es fundido como el hierro blanco y después se somete a una tratamiento térmico para producir precipitados nodulares de grafito.

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a).- Aceros al carbono y de baja aleación. Casi todas las aleaciones ferrosas caen en esta categoría. Debido a precio moderado por la ausencia de grandes cantidades de elementos aleables y son lo suficientemente dúctiles para moldearse con facilidad. El producto final es resistente y durable por lo que se usan para fabricar desde cojinetes de bolas hasta láminas metálicas que forman la carrocería de los automóviles. En la tabla 3.1 se da un conveniente sistema de designación para estas aleaciones (AISI American Iron and Steel Institute – SAE Society of Automotive Engineers), en el cual los dos primeros números dan un código para designar el tipo de adiciones de aleación y los dos o tres últimos números dan el contenido promedio de carbono en centésimas de porcentaje de peso. Por ejemplo, un acero al carbono no aleado con 0.40% de peso de C es acero 1040. Se ha desarrollado una clase de aceros de alta resistencia y baja aleación (HSLA) para reducir el peso sobre todo en los vehículos. Un ejemplo típico puede contener 0.2% de peso de C y aproximadamente 1% de peso o menos de elementos como Mn, P, Si, Cr, Ni o Mo. La alta resistencia de estos aceros estriba en los porcentajes de aleación y el proceso cuidadosamente controlado como el laminado en caliente (deformación a temperaturas lo suficiente elevadas para permitir algo de alivio de esfuerzos). Numerale s y dígitosa

Tipo de acero y contenido Nominal de aleación

Aceros al carbono 10XX(a) 11XX

Al carbono no aleado (Mn 1% máx) Resulfurizado

12XX

Resulfurizado y fosforizado 15XX Al carbono (salto salto) 1 a 1.65% Aceros al Manganeso 13XX

Mn 1.75 Aceros al níquel

23XX

Ni 3.5

25XX

Ni 5.00

Aceros al níquel – cromo 31XX 32XX 33XX 34XX 40XX 44XX

Ni 1.25; Cr 0.65 y 0.80 Ni 1.75; Cr 1.07 Ni 3.50; Cr 1.50 y 1.57 Ni 3.00; Cr 0.77 Aceros al molibdeno Mo 0.20 y 0.25 Mo 0.40 y 0.52

Aceros al cromo molibdeno 41XX Cr 0.50, 0.80 y 0.95; Mo 0.12, 0.20, 0.25 y 0.30

Numerale s Y dígitos

Tipo de acero y contenido Nominal de aleación Aceros al níquel-cromomolibdeno 43XX Ni 1.82; Cr 0.50 y 0.80; Mo 0.25 43BVXX Ni 1.82; Cr 0.50; Mo 0.12 y 0.25; V 0.03 min 47XX Ni 1.05; Cr 0.45; Mo 0.20 y 0.35 81XX Ni 0.30; Cr 0.40; Mo 0.12 86XX Ni 0.55; Cr 0.50; Mo 0.20 87XX Ni 0.55; Cr 0.50; Mo 0.25 88XX Ni 0.55; Cr 0.50; Mo 0.35 93XX Ni 3.25; Cr 1.20; Mo 0.12 94XX Ni 0.45; Cr 0.40; Mo 0.12 97XX Ni 0.55; Cr 0.20; Mo 0.20 98XX Ni 1.00; Cr 0.80; Mo 0.25 Aceros al níquel molibdeno 46XX Ni 0.85 y 1.82; Mo 0.20 y 0.25 48XX Ni 3.50; Mo 0.25 Aceros al cromo 50XX Cr 0.27, 0.40, 0.50 y 0.65 51XX Cr 0.80, 0.87, 0.92, 0.95, 1 y 1.05

Numerales Y dígitos

Tipo de acero y contenido Nominal de aleación Aceros al cromo

50XXX 51XXX 52XXX

C 1.00 min

Aceros al cromo – vanadio 61XX

Cr 0.60,0.80 y 0.95; V 0.10 y 0.15 min Aceros al tungsteno cromo

72XX

W 1.75; Cr 0.75 Aceros al silicio manganeso

92XX

Si 1.40 y 2.00; Mn 0.65, 0.82 y 0.85; Cr 0.00 y 0.65 Aceros de alta resistencia y baja aleación

9XX

Varios grados SAE

XXBXX XXLXX

B denota acero al boro L denota acero plomado

a

XX o XXX en los dos o tres últimos números de esta nomenclatura, indican que el contenido de carbono (en centésimas de peso) debe insertarse b

Todos los contenidos de las aleaciones están expresados en porcentajes de peso Fuente: Metal Handbook, 9ª ed., Vol 1, American Society for Metals, Metals Park, Ohio 1978

Tabla 3.1 Sistema de designación AISI – SAE para los aceros al carbono y de baja aleación

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b).- Aceros de alta aleación. Son aquellos en los que las adiciones de elementos diferentes al carbono superan el 5% del peso y se pueden ubicar tres categorías principales: 1. Aceros inoxidables: requieren adiciones de aleación para prevenir el daño causado por una atmósfera corrosiva. Son más resistentes a la herrumbre y decoloración que los aceros al carbono y de baja aleación, debido fundamentalmente a la presencia de cromo, el cual se agrega en promedio de 4 a 10% del peso aunque en ocasiones llega hasta el 30%. La tabla 3.1 resume en cuatro categorías principales la nomenclatura de las aleaciones para varios de los aceros inoxidables. El acero inoxidable austenítico tiene la estructura de la austenita (estable desde 910 hasta 1394 °C) pero a temperatura ambiente, lo cual se consigue mediante adiciones de aleación como el níquel. Sin el alto contenido de níquel, encontramos los aceros inoxidables ferríticos, los que se usan para aplicaciones que no requieren de alta resistencia a la corrosión por ser de más baja aleación (obviamente menos caros). La tercera categoría son los aceros inoxidables martensíticos los cuales se obtienen mediante un tratamiento térmico de templado rápido que permite la formación de una estructura de cristal tetragonal más compleja, centrada en el cuerpo que se denomina martensita que otorga alta resistencia y baja ductilidad excelente para cuchillería y resortes. Los aceros inoxidables endurecidos por precipitación es un tratamiento térmico que implica la producción de una microestructura de fases múltiples a partir de una sola fase, resultando un aumento en la resistencia al movimiento de las dislocaciones y por tanto, mayor resistencia o dureza. Se utilizan para producir miembros estructurales resistentes a la corrosión. 2. Aceros para herramientas: Se utilizan para cortar, moldear o dar forma a otro material. Proporcionan la dureza necesaria con tratamientos térmicos más simples y la mantienen a temperaturas de operación más altas. Los principales elementos aleantes son tungsteno, molibdeno y cromo. 3. Superaleaciones: requieren adiciones de aleación para proporcionar estabilidad en aplicaciones a alta temperatura como las paletas de las turbinas. Se refiere a una amplia clase de metales de alta resistencia a temperaturas elevadas (aún superiores a los 1000 °C). tienen el doble propósito de servir como aleaciones resistentes al calor (superaleaciones basadas en hierro). Sin embargo, también incluyen aleaciones basadas en cobalto y níquel. Muchas adiciones contienen cromo para la resistencia a la oxidación y corrosión. Estos materiales son costosos y en algunos casos extremos. 3.2 ALEACIONES NO FERROSAS Aunque las aleaciones ferrosas se usan en la mayor parte de las aplicaciones metálicas, las aleaciones no ferrosas son igualmente importantes, por lo que presentaremos una lista breve de las principales familias de aleaciones no ferrosas y sus atributos clave: 3.2.1

Aleaciones base cobre, aluminio, níquel

a) Aleaciones de Aluminio .- se conocen por su baja densidad y resistencia a la corrosión. También poseen alta conductividad eléctrica, fácil fabricación y su apariencia. Debido a esto, la producción de aluminio duplicó su producción de 1967 a 1977, pero a partir de esta fecha la demanda de aluminio y de oreos metales ha disminuido debido a la cada vez mayor competencia de materiales cerámicos, polímeros y compuestos. Por ejemplo la masa del automóvil disminuyó un 16% debido a la reducción del acero y el incremento del aluminio. Una de las series más activas es la aleación de Ing. Manuel Cota Ruiz

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Al - Li porque proporcionan baja densidad e incremento en la rigidez por lo que se utiliza en variadas aplicaciones de aeronáutica. Numerales Principales elementos aleantes 1XXX Ninguno (≥ 99.00% Al) 2XXX Cu 3XXX Mn 4XXX Si 5XXX Mg 6XXX Mg y Si 7XXX Zn 8XXX Otros elementos Tabla 3.2 Sistema de nomenclatura para aleaciones de aluminio b) Aleaciones de Magnesio.- tienen aún más baja densidad que las de aluminio, por lo que aparecen en muchas aplicaciones aeroespaciales. Estas aleaciones estiradas a presión han encontrado un amplio rango de aplicaciones en productos de consumo, desde raquetas de tenis hasta armazones de maletas. c) Aleaciones de Titanio.- poseen la ventaja singular de mantener la resistencia a temperaturas de trabajo moderadas (por ejemplo, las temperaturas superficiales de aviones de alta velocidad), lo cual conduce a aplicaciones de numerosos diseños aeroespaciales. El titanio comparte la estructura hcp con el magnesio, lo que da una ductilidad característicamente baja. Sin embargo, una estructura bcc presente a alta temperatura puede estabilizarse a temperatura ambiente mediante la adición de de determinados aleantes como el vanadio. d) Aleaciones de cobre.- poseen diversas propiedades importantes, su excelente conductividad eléctrica lo convierte en el principal material de alambrado eléctrico. Por su excelente conductividad térmica tiene aplicaciones en radiadores e intercambiadores de calor. Presenta una gran resistencia a la corrosión en ambientes marinos y en otros ambientes corrosivos. La estructura fcc contribuye a su frecuente alta ductilidad y formabilidad. Su coloración se usa para acabados en diseños arquitectónicos. Las familias clave se incluyen en una lista en la tabla 3.3 de acuerdo con los elementos aleantes primarios, las propiedades mecánicas de dichas aleaciones rivalizan con los aceros en su variabilidad. El cobre de alta pureza es un material excepcionalmente blando, la adición de 2% de peso de Berilio seguido por un tratamiento térmico para producir precipitados de CuBe, es suficiente para obtener una resistencia de 103 Mpa. Familia Elemento Solubilidad Número UNSb a Aleante Sólida (en %) c Cobres, aleaciones al alto cobre C10000 Latones Zn 37 C20000,C30000,C40000 C66400-C69800 Bronces de fósforo Sn 9 C50000 Bronces de aluminio Al 19 C60600-C64200 Bronces de silicio Si 8 C64700-C66100 Níqueles de cobre, platas de níquel Ni 100 C70000 a Tabla 3.3 Clasificación del cobre y las aleaciones de cobre, A20° C(68° F), bAleaciones forjadas, c Varios elementos que tienen menos del 8% de solubilidad sólida a 20° C.

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e) Aleaciones de níquel.- tiene mucho en común con las aleaciones de cobre, ya se ha usado el sistema Cu-Ni como ejemplo clásico de la solubilidad completa. Monel es el nombre que se asigna a las aleaciones comerciales con razones Ni-Cu de aproximadamente 2:1 en peso. Estos son buenos ejemplos de endurecimiento por solución. El níquel es más duro que el cobre, pero el Monel es más duro que el níquel. El níquel presenta excelente resistencia a la corrosión y altas temperaturas (superaleaciones). El Inconel (níquel-cromo-hierro) y el Hastelloy (níquel-molibdeno-hierrocromo), así como la superaleación níquel-aluminio son ejemplos importantes de este tipo de aleaciones. f) Aleaciones de zinc.- son ideales para fundición en molde debido a su bajo punto de fusión y a la carencia de reacción corrosiva con los moldes y crisoles de acero. Las partes de automóvil y ferretería en general son aplicaciones estructurales típicas, aunque su uso tiende a la baja debido a la necesidad de reducir el peso. Las cubiertas de zinc en aleaciones ferrosas son medios importantes de protección contra la corrosión (método de galvanización). g) Aleaciones de plomo.- son materiales durables y versátiles. Las tuberías de plomo instaladas por los romanos en Bath, Inglaterra hace 2000 años aún se encuentran en uso. La alta densidad y deformabilidad del plomo combinada con un punto de fusión bajo se suman a su versatilidad. Las aleaciones de plomo se usan en las rejillas de baterías (aleadas con calcio o antimonio), en soldaduras (aleadas con estaño), para protección contra radiación y en las estructuras de control de sonido. La toxicidad del plomo limita sus aplicaciones y el manejo de sus aleaciones. h) Aleaciones solidificadas rápidamente.- las aleaciones de aluminio y titanio cristalino, solidificadas rápidamente han demostrado propiedades mecánicas superiores a elevadas temperaturas. El control de precipitados de grano fino por solidificación rápida es factor esencial para los sistemas de estas aleaciones en la industria aeroespacial. Los metales refractarios incluyen al molibdeno, niobio, renio, tantalio y tungsteno. Son más resistentes que las superaleaciones a altas temperaturas, sin embargo, son altamente reactivos al oxígeno por lo que requiere que se aplique en atmósferas controladas o con cubiertas protectoras. Los metales preciosos incluyen al oro, iridio, osmio, paladio, platino, rodio, rutenio y plata; su excelente resistencia a la corrosión combinada con varias propiedades inherentes justifican las costosas aplicaciones de estos metales y aleaciones. Los circuitos de oro en la industria electrónica, diversas aleaciones dentales y cubiertas de platino para convertidores catalíticos son algunos ejemplos.

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