Aleaciones férreas y no férreas

1. Introducción.

El componente principal de las aleaciones férreas es el hierro. Son las aleaciones de mayor utilización en la fabricación mecánica por su gran variedad de propiedades físicas y mecánicas. Se clasifican en aceros y fundiciones. Los aceros pueden ser de baja o alta aleación. Los aceros de baja aleación se clasifican en función de su porcentaje de carbono en bajo, medio y alto. Las fundiciones son aleaciones férreas con porcentajes de carbono de entre 1,76% y 6,67%. Las más empleadas industrialmente son la gris, la dúctil, la blanca y la maleable.
El principal inconveniente de las aleaciones férreas es su susceptibilidad a la corrosión. Sin embargo su consumo es indispensable en la mayoría de las aplicaciones industriales.
La Norma UNE clasifica a los aceros en cinco grupos diferentes: F-100, F-200, F-300, F-400 y F-500, en función de su composición y aplicaciones.

2. Aceros.

Los aceros son aleaciones hierro-carbono (Fe3C) que pueden contener ciertos elementos de aleación para mejorar algunas propiedades físicas, químicas o mecánicas.
Se clasifican en función del porcentaje de carbono y en función de sus elementos aleantes en aleaciones de baja, media y alta concentración. La adición de otros elementos genera subclases de aceros con propiedades distintas.
Los aceros al carbono se clasifican en tres tipos en función del porcentaje de carbono y en función de sus elementos aleantes:
- Aceros bajos en carbono. Contienen menos del 0,3% C y pequeñas cantidades de fósforo, azufre y silicio. No admiten tratamientos térmicos para obtener martensita pero pueden endurecerse por acritud. Su microestructura está formada por ferrita y perlita. Pueden tratarse en frío o en caliente.
Son blandos y poco resistentes mecánicamente pero su ductilidad y tenacidad los hacen aptos en la fabricación de latas, tuberías, puentes, etc. Su bajo precio, maquinabilidad y la capacidad de admitir soldadura los hacen muy aptos en fabricación mecánica. El límite elástico 275 MPa, resistencia a la tracción 400-560 MPa y ductilidad del 25%. La resistencia aumenta con el contenido de carbono mientras que la ductilidad disminuye.
Los aceros bajos en carbono se clasifican en aceros extrasuaves (0,1 a 0,2% C) y aceros suaves (0,2 a 0,3% C).
Para incrementar la resistencia mecánica de los aceros bajos en carbono se les adiciona cobre, vanadio, níquel y molibdeno en concentración global de un 10% en peso. La adición de estos elementos aleantes conforma la denominada aleación de alta resistencia y baja aleación (HSLA). Sus mejores propiedades mecánicas, buena maquinabilidad y su mayor resistencia a la corrosión los hacen aptos en la construcción de recipientes a presión, puentes y estructuras metálicas.
- Aceros medios en carbono. Contienen porcentajes de carbono de entre 0,3 y 0,8% C. Por su mayor contenido en carbono admiten tratamiento térmico de temple y revenido. Se requieren grandes velocidades de enfriamiento y sólo pueden ser templadas piezas con pequeños espesores.
Se clasifican en aceros semisuaves (0,3 a 0,4% C), aceros semiduros (0,4 a 0,5% C), aceros duros (0,5 a 0,6% C) y aceros extraduros, cuando contienen porcentajes de carbono mayor a 0,7% C.
La adición de cromo, molibdeno y níquel favorecen los tratamientos térmicos por desplazar las curvas hacia la derecha. Tienen mayor resistencia mecánica y al desgaste pero son menos dúctiles y tenaces que los aceros bajos en carbono.
- Aceros altos en carbono. Contienen entre un 0,8 y 1,4% C. Son más duros, resistentes pero menos dúctiles que los anteriores. Tienen dificultad en su conformación pero la elevada resistencia al desgaste y su dureza los hacen aptos en muchas aplicaciones industriales. Admiten tratamiento térmico de temple y revenido que les confiere resistencia mecánica y resistencia al desgaste. La adición de cromo, vanadio, molibdeno y tungsteno forman carburos muy duros y resistentes al desgaste. Se emplean en la fabricación de matrices y herramientas de corte.
- Aceros aleados. Se diferencian de los aceros al carbono por contener uno o más elementos de aleación en mayor proporción de lo normal. Pueden contener manganeso, silicio y aluminio en porcentajes mayores al 0,6% además de cromo, níquel, molibdeno, vanadio, cobre, volframio que se adicionan en porcentajes que pueden llegar hasta un 20%.
- Aceros inoxidables. Se caracterizan por su elevada resistencia a la corrosión por contener porcentajes de cromo mayores al 11%. La adición de otros elementos aleantes como el níquel y el molibdeno mejora su resistencia a la corrosión y modifica el diagrama de fases Fe-Fe3C obteniendo una gran gama de propiedades mecánicas.
La Norma UNE clasifica a los aceros en cinco grupos diferentes: F-100, F-200, F-300, F-400 y F-500, en función de su composición y de sus aplicaciones.




2.1. Aceros finos de construcción (F-100)

Lo conforman un grupo formado por cinco tipos de aceros F-110, F-120 y F-130, F-140, F-150 y F-170.
F-110. Aceros al carbono.
Incluyen cinco variedades (F-111, F-112, F-113, F-114 Y F-115), con porcentajes de carbono de entre 0,15 a 0,60, manganeso (0,30 y 0,70), silicio (0,15 y 0,30) y cantidades inferiores al 0,04 de fósforo y azufre.
- F-111 (Acero extrasuave). Contiene entre 0,10 Y 0,20% C. Admite soldadura y es muy dúctil. No admite tratamiento térmico de temple por su bajo contenido en carbono. La dureza puede incrementarse por trabajo en frío. Su maquinabilidad es excelente. Se utiliza en la fabricación de alambres, roblones y otros tipos de piezas con baja responsabilidad.
- F-112 (Acero duave). Contiene entre 0,20 y 0,30% de carbono. Admite soldadura y es dúctil. Tiene mayor resistencia a la tracción y límite elástico que los aceros extrasuaves, semejante dureza y menor estricción. Tampoco admite temple por su bajo contenido de carbono. Por su tenacidad y resistencia mediana se utilizan en la obtención de piezas por deformación plástica en frío (embutición y plegado).
- F-113 (Acero semisuave). Contiene entre 0,30 y 0,40% de carbono. Por su contenido de carbono admite tratamiento térmico de temple a temperaturas de entre 850 y 880° C Y enfriamiento en agua. Los aceros templados se emplean en la construcción de elementos de máquinas por su excelente tenacidad y media resistencia. El límite elástico, la resistencia mecánica son superiores a los aceros extrusuaves y suaves.
- F-114 (Acero semiduro). Contiene entre 0,40 y 0,50% de carbono. Admite temple a temperaturas comprendidas entre 820 y 860° C Y endurecimiento por deformación plástica o acritud después del trabajo en frío. También se emplea en la construcción de elementos de máquinas que requieren mayor resistencia y ductilidad que los aceros semisuaves.
- F-115 (Acero duro). Contiene entre 0,50 y 0,60% de carbono. Se emplea templado y revenido. El temple se realiza a temperaturas comprendidas entre 800 y 825°C pudiéndose enfriar en agua o aceite, en función del tamaño y la complejidad del diseño de la pieza. Se emplean en la fabricación de ejes y elementos de máquinas.


F-120 y F-130. Aceros aleados de gran resistencia.
La adición de elementos de aleación como el níquel, cromo, molibdeno y vanadio consigue facilitar el temple de las piezas de grosor considerable. Además, facilita el empleo de medios de enfriamiento poco energéticos y evita las deformaciones y las grietas en las piezas tratadas. Los resultados obtenidos son aceros de gran resistencia a la tracción, elevada dureza y pequeño alargamiento porcentual o estricción.
Se clasifican en función de los elementos de aleación adicionados en aceros al níquel (F-121), aceros al cromo-níquel (F-122, F-123 Y F-132), aceros al cromo-molibdeno (F-124 y F-125), aceros al cromo-vanadio (F-131) y aceros al cromo-níquel-molibdeno (F-126, F-127, F-128 Y F-133). También pueden c1asificarse en función de su resistencia después del temple y revenido (kg/mm2) y por su templabilidad en comparación con los aceros al carbono.

F-140. Aceros aleados para muelles o de gran elasticidad.
Son aceros que se caracterizan por tener una gran elasticidad o poder para recuperar sus dimensiones originales después del cese de la fuerza que lo deforma. Se emplean en la fabricación de muelles o resortes y se caracterizan por tener elevado límite elástico y excelente resistencia a la fatiga.
Contienen entre 0,4 y 0,85% de carbono, entre 0,5 y 1,0% de manganeso, entre 0,15 Y 2,20% de silicio, 0,0035% de fósforo y azufre y cantidades variables de cromo, molibdeno y vanadio.
Admiten temple y revenido. El temple se realiza a temperaturas de entre 820 y 880° C Y en revenido de 400 a 450° C. Las propiedades mecánicas dependen del porcentaje de carbono y de los elementos aleantes. El límite elástico oscila entre 880 MPa para el F1410 y 1180 MPa para el F1460. La resistencia mecánica entre 1180 y 1370 MPa.
F-150. Aceros para cementación.
El tratamiento termoquímico de cementación permite obtener piezas con gran dureza superficial, resistencia al desgaste y excelente tenacidad en el núcleo. La difusión del carbono en la superficie de la pieza tratada permite incrementar el porcentaje de carbono y facilitar su temple mientras que el núcleo queda inalterado con una tenacidad excelente.
Los aceros empleados en la cementación son aquellos que contienen bajos porcentajes de carbono sin llegar a sobrepasar el 0,30%, pudiendo contener elementos de aleación o no. Se clasifican en aceros bajos en carbono, aleados y no aleados.
- Aceros al carbono para cementar (sin elementos de aleación). Contienen un máximo de un 0,15% de carbono, 0,35% de silicio y un 0,80% de manganeso. Se templan a temperaturas comprendidas entre 850 y 950° C, enfriándose en agua para obtener elevados grados de dureza.
- Aceros aleados para cementación. Contienen hasta un máxlmo de 0,20% de carbono, 0,1 de manganeso, 0,35% de silicio y porcentajes variables de cromo, níquel y molibdeno. La adición de cromo incrementa la dureza y resistencia a la corrosión del acero. El níquel mejora la templabilidad. Por último, el molibdeno se adiciona para mejorar la templabilidad y la resistencia al desgaste sin incrementar la dureza.
F-170. Aceros para nitruración.
El tratamiento termoquímico de nitruración crea una capa nitrurada de hasta 0,5 mm de espesor y con durezas muy elevadas. El objeto es obtener gran dureza superficial, tenacidad en el núcleo y buena resistencia a la fatiga.
Los aceros de nitruración son aquellos que admiten el tratamiento termoquímico sin sufrir deformaciones y sin ser demasiado frágiles. Se emplean aceros con contenidos de carbono comprendidos entre 0,3 y 0,6% de carbono con elementos de aleación como el manganeso, silicio, fósforo, azufre, aluminio, cromo, níquel y vanadio.
La norma UNE designa a los aceros para nitrurar como F1700 y se distinguen cinco clases principales F1711, F17712, F1721, F1741 Y F1740.
La temperatura de temple oscila entre 880 y 940° C Y la del revenido entre 570 y 650° C. El límite elástico y la resistencia máxima y elongación dependen del porcentaje de los elementos aleantes empleados.

2.2. Aceros para usos especiales (F-200)

Lo conforman un grupo formado por cinco tipos de aceros F-210, F-220, F-230, F-240, y F-250.



F-210. Aceros de fácil mecanización.
Son aquellos que se caracterizan por tener grano grueso, estar formados por perlita laminar, tener una relación límite elástico/resistencia mecánica grande (0,95) y durezas comprendidas entre 180 y 230 dureza Brinell. Existen tres tipos de aceros de fácil mecanización y contienen azufre, fósforo y plomo.
- Aceros al azufre. Están formados por azufre (0,20-0,60%) además de manganeso (0,60 %) para que puedan formar sulfuro de manganeso que facilita la penetración de la herramienta de corte y el desprendimiento fácil de la viruta.
- Aceros al plomo. Contienen porcentajes de entre 0,15 Y 0,30% de plomo en forma de glóbulos sin estar combinado con el acero (>0,5% C). La fácil mecanización se produce por la lubricación extra que ofrece el plomo y que facilita el corte de la herramienta.
- Aceros al fósforo. Con 0,10 a 0,25% de fósforo en aceros con contenidos inferiores a 0,20% de carbono. El fósforo facilita el arranque de viruta por eliminar parte de la plasticidad de la ferrita.
El azufre, plomo y fósforo deben estar homogéneamente repartidos en la masa del acero para evitar zonas heterogéneas frágiles y dúctiles.
F-220. Aceros de fácil soldadura.
Lo conforman un grupo de aceros al carbono aleados con cromo, molibdeno y vanadio. Se caracterizan por tener bajo contenido en carbono (<3,0%) y por ser fácilmente soldables. Se distingue:
- F-211 y F-212. Aceros de fácil mecanización al azufre y al plomo, respectivamente. Contienen entre 0,20 y 0,30% de carbono y elementos aleantes como manganeso, silicio, fósforo y azufre.
- F-222, F-223 Y F-224. Son aceros al carbono (0,25-0,35%) con contenidos de cromo de entre 0,8 y 1,10%. Además contienen manganeso, silicio, fósforo, azufre y níquel. El F-222 incluye molibdeno, el F-223 vanadio y el F-224 los dos elementos.
F-240. Aceros de alta y baja dilatación.
Los aceros de baja dilatación son aquellos a los que se les adicionan gran cantidad de níquel que disminuye el coeficiente de dilatación hasta hacerlo prácticamente nulo. El níquel se adiciona en cantidad de hasta el 36% como es el caso del invar. (0,24% C y 36% Ni).


F-250. Aceros resistentes a la fluencia.
Contienen baja cantidad de carbono (0,008% C), molibdeno (0,4 a 0,6%) y cobre (0,1 a 0,3%). El molibdeno confiere al acero la resistencia a la fluencia y el cobre resistencia a la oxidación.

2.3. Aceros resistentes a la corrosión (F-300)

Lo conforman un grupo formado por tres tipos de aceros F-310, F-320 Y F-330 que se corresponden con los aceros inoxidables, aceros para válvulas de alta resistencia y aceros refractarios, respectivamente.
Aceros inoxidables.
Son aceros resistentes a la corrosión y a la oxidación por ser autoprotectores. Son capaces de formar una capa pasiva de óxido en la superficie de la pieza que evita el avance y penetración de la corrosión o oxidación en el núcleo.
El elemento de aleación más importante es el cromo y suele adicionarse en porcentajes del 12%. Se forma una capa de óxido de cromo pasiva que impide el avance de la corrosión. También se adiciona níquel que mejora el comportamiento del cromo por estabilizar la capa de óxido generada.
Los aceros inoxidables son resistentes en muchos ambientes pero sólo a temperaturas no muy elevadas. Se clasifican en función de los constituyentes presentes en: martensíticos, ferríticos y austeníticos. Todos ellos tienen el cromo como elemento aleante común en porcentajes mínimos del 12%.
- Aceros inoxidables martensíticos. Son aceros inoxidables que admiten temple y adquieren estructura martensítica en su transformación. Tienen porcentajes de carbono de entre 0,08 a 0,6%, elevado contenido de cromo (13-17%) y cantidades de níquel de hasta el 2%.
La Norma UNE los clasifica en la serie F-3400 en función de los elementos aleantes adicionados. Según el porcentaje de carbono pueden c1asificarse en cuatro grupos:
a) Aceros inoxidables con bajo contenido en carbono. Se denominan aceros inoxidables extrasuaves y contienen porcentajes de carbono inferiores al 0,08%. El contenido de cromo es de hasta el 13%. Por el porcentaje de carbono tienen resistencia mecánica parecida a los aceros no aleados (F-11 00) con alargamientos de hasta el 16%. Admiten soldadura y son resistentes a ácidos y a la oxidación en condiciones poco severas. Se emplean por su gran ductilidad en procesos de embutición.
b) Aceros inoxidables del 0,3% en carbono. Tiene las propiedades mecánicas de los aceros con 0,6% de carbono después de temple y revenido. Su excelente resistencia a la corrosión se debe al porcentaje de cromo que oscila entre el 12 y el 14%. Su principal aplicación se realiza en la fabricación de cubertería e instrumental quirúrgico.
c) Aceros inoxidables del 0,6 al 1% en carbono. Además tiene un 17% de cromo y cantidades de molibdeno de hasta el 0,5%. Después de temple y revenido tiene gran dureza y resistencia al desgaste. Se emplean en la fabricación de rodamientos y en aquellas aplicaciones donde se exige buenas propiedades anticorrosivos y excelente resistencia al desgaste.
- Aceros inoxidables ferríticos. Tienen estructura ferrítica sin importar la temperatura del tratamiento. Con contenidos de carbono de un 0,10% Y de un 27% de cromo, mayor que en los aceros austeníticos. Se clasifican en función del contenido de cromo. Uno de los más empleados en el acero inoxidable ferrítico con un 16% de cromo. Es resistente a la corrosión atmosférica. La misma variedad pero con un contenido del 25% de cromo es resistente a la oxidación a elevadas temperaturas. El incremento de la dureza se realiza por deformación en frío.
- Aceros inoxidables austeníticos. Tienen estructura austenítica a cualquier temperatura, incluso a temperatura ambiente. Contienen cromo y níquel en cantidades aproximadas del 18% de cromo y un 8% de níquel, además de molibdeno, wolframio, manganeso y silicio.
El cromo mantiene las propiedades anticorrosivas del acero mientras que el níquel estabiliza la formación de la austenita.
Aceros refractarios.
Son resistentes a la fluencia y a la corrosión. Se distinguen dos variedades de gran aplicación industrial, los aceros refractarios con cromo y níquel y los de cromo y manganeso. Los primeros (cromo y níquel) tiene estructura austenítica. El cromo y el níquel se adicionan en cantidades parecidas de entre un 16 y un 30%. Los aceros refractarios al cromo manganeso tienen las composiciones de 18% Mn y 12% Cr.
2.4. Aceros de emergencia (F-400)

Lo constituyen dos grupos de aceros: aceros de alta resistencia (F-410 Y F-420) y los aceros para cementar (F-430).
Aceros de alta resistencia. Están aleados con níquel, cromo, vanadio y molibdeno que facilita la penetración del temple y el incremento de su resistencia se debe al tratamiento de temple y revenido. Se clasifican en función de su templabilidad, del contenido de carbono o por su resistencia mecánica.
Aceros para cementar. Tienen bajo contendido de carbono (0,20-0,20% C), de entre 0,2 y 1,0% de manganeso y menos del 0,35% de silicio. Además pequeñas cantidades de cromo, níquel y molibdeno.

2.5. Aceros para herramientas (F-500)

El grupo está formado por tres tipos principales de aceros. Los aceros al carbono para herramientas (F-510), los aceros aleados para herramientas (F-520, F-530 Y F-540) Y los aceros rápidos y extrarrápidos (F-550).
F-510. Aceros al carbono para herramientas. Tienen entre 0,5 y 1,4% de carbono en función de sus aplicaciones. El incremento en el porcentaje de carbono mejora la dureza y la resistencia mecánica empeorando su tenacidad.
F-520, F-520 y F-540. Aceros aleados para herramienta. Poseen porcentajes de carbono parecido a los anteriores pero en éstos se adicionan cantidades variables de cromo, wolframio, molibdeno y vanadio. La adición de estos aleantes afina el grano y mejora la templabilidad. Se emplean el la fabricación de herramientas de corte como cuchillas, limas y brocas.
F-550. Aceros rápidos y extrarrápidos. Se distinguen los aceros rápidos (F-551 y F-552) Y los extrarrápidos (F-553 y F-554). Los primeros contienen wolframio en porcentajes de 14 al 18% respectivamente. Los aceros extrarrápidos contienen entre un 5 y un 10% de cobalto.








3. Fundiciones.

Son aleaciones férreas con porcentajes de carbono mayores al 2,5%, aunque industrialmente se emplean con contenidos comprendidos entre un 3 y un 4,5% C, con otros elementos de aleación como el manganeso, silicio, azufre y fósforo. Se clasifican en fundiciones ordinarias, especiales y aleadas. Estas últimas además pueden contener elementos como el cromo, molibdeno, cobre y níquel.
Las fundiciones funden a temperatura de entre 1150 y 1300, punto mucho más bajo que los aceros. Se emplea en la obtención de piezas por moldeo y su maquinabilidad es mejor que en los aceros.

3.1. Fundiciones ordinarias

La forman las fundiciones blancas, grises y perlíticas. Se caracterizan por contener hierro, carbono y pequeñas cantidades de elementos aleantes como el fósforo, azufre, manganeso y silicio.
Se clasifican en función del aspecto de sus superficies de fractura. Las fundiciones blancas tienen el color blanco característico debido a la existencia de cementita (Fe3C) que le confiere dureza y fragilidad. Las fundiciones grises tiene ese color porque el carbono contenido no forma carburos sino que aparece en forma de grafito.
Fundición blanca. Están constituidas por perlita y cementita con contenidos de carbono de entre 1,76 Y 6,67% C. Se clasifican en función de su porcentaje de carbono en fundiciones blancas hipoeutécticas, eutécticas y hipereutécticas.
El mayor contenido en carbono incrementa la dureza de las fundiciones blancas por la mayor presencia de cementita. Así, pueden tenerse durezas de 300 a 400 HB, frágiles, con baja tenacidad y pocas aplicaciones industriales.
Fundición gris. En este tipo de fundición el carbono no se encuentra formando carburos con el hierro (cementita) sino que aparece en forma de grafito mientras que el hierro esta como ferrita.
Tiene buen comportamiento a compresión, desgaste y son capaces de amortiguar vibraciones, por ello se emplea en la fabricación de bancadas en máquinas­herramientas. Su bajo coste junto con su colabilidad y baja contracción lo hace muy apto en la fabricación de piezas por moldeo.
Fundición perlítica. El contenido de carbono es de un 0,80%. Forma perlita laminar embebida en grafito.
Función dúctil. La adición de magnesio y/o cerio a la fundición gris produce la formación de grafito esferoidal con distintas propiedades mecánicas. La microestructura resultante es la fundición dúctil formada por esferoides de grafito embebido en una matriz ferrítica o perlítica. Es más resistente y dúctil que la gris y sus propiedades mecánicas son comparables con las del acero.

3.2. Fundiciones aleadas

Se obtienen por la adición de níquel, cobre, aluminio, molibdeno y cromo a la fundición gris para modificar el estado del grafito contenido.
En función del porcentaje de elementos de aleación se distinguen las fundiciones aleadas de baja y alta aleación. Las primeras se obtienen cuando se adicionan cantidades menores al 5% de elementos de aleación y se clasifican en función de sus aplicaciones. Las más empleadas son fundiciones aleadas de elevada resistencia (Cr, Ni, Cu y Mo) y las resistentes al desgaste (Ni y Mn). Las fundiciones de alta aleación tienen más del 5% de elementos aleantes y se caracterizan por su buen comportamiento a la corrosión y a elevadas temperaturas. Se clasifican en función del elemento de aleación en mayor porcentaje (Cr, Ni, Si).

3.3. Fundiciones especiales

Se clasifican en funciones maleables y grafito. En las primeras se distinguen las de corazón negro, blanco y perlítica maleable. En las de grafito, las de grafito esferoidal y las de grafito difuso.
Función maleable. Son tratadas térmicamente y adquieren ductilidad y maleabilidad adoptando cierta capacidad para deformarse plásticamente. Las de corazón blanco o europeas se obtienen por decarburación de una fundición blanca por calentamiento a temperaturas de entre 900 y 1100° C durante dos o tres días. La expulsión del carbono por difusión se produce desde el núcleo hacia la periferia. La fundición de corazón negro o americana se obtiene por recocido de la fundición blanca a temperaturas de entre 800 y 900° C, por la descomposición de la cementita en grafito. El enfriamiento lento hasta 650° C evita la formación de perlita y el grafito queda en forma nodular permitiendo se deformado por su excelente maleabilidad. La fundición maleable perlítica se obtiene por tratamiento térmico de la fundición de corazón negro. Su matriz perlítica le confiere mayor dureza y resistencia.
Grafito. Se distinguen dos tipos: grafito difuso y grafito esferoidal. Las primeras se obtienen de las fundiciones blancas y contienen el grafito en forma de nódulos homogéneamente repartido por su masa. La de grafito esferoidal se obtienen por la adición de magnesio que provoca la formación de grafito en forma de nódulos o esferas en lugar de estar laminado. Se obtienen mejoras en la resistencia a la tracción y en el alargamiento.
4. Aleaciones no férreas.

Las aleaciones férreas tienen propiedades mecánicas muy variadas, son fáciles y económicas en su conformación, admiten tratamientos térmicos y pueden conformarse por fundición, forja, arranque de viruta, soldadura, etc. Sin embargo, presentan inconvenientes que no lo hacen aptos para muchas aplicaciones industriales en fabricación mecánica. De entre ellas la elevada densidad, baja conductividad eléctrica y baja resistencia a la corrosión dificultan su utilización en ciertas aplicaciones.
Por ello, es útil utilizar otros metales y aleaciones no férreas como las de cobre, aluminio, magnesio o titanio. Se clasifican en aleaciones pesadas y aleaciones ligeras en función de su densidad.






4.1. Cobre y sus aleaciones

El cobre sin alear es blando, dúctil, muy buen conductor y tiene capacidad para ser trabajado en frío. Además posee excelentes propiedades anticorrosivas en ambientes industriales y agua de mar.
El cobre es dúctil y maleable. La resistencia mecánica y su capacidad anticorrosiva se mejoran con la adición de otros elementos aleantes. La dureza y la resistencia mecánica pueden llegar a duplicarse por deformación en frío.
La mayoría de las aleaciones de cobre no endurecen por tratamiento térmico sino por acritud y por formación de disoluciones sólidas. El trabajo en frío le confiere dureza y fragilidad pero al recocerlo a temperatura de entre 560 y 630° C recupera su maleabilidad.
No se degrada cuando esta inmerso en agua pura y genera una capa verde superficial de sulfato de cobre en contacto con atmósferas oxidantes. La capa retarda la oxidación de la pieza sin ser totalmente pasiva.
La mayor aplicación es en la fabricación de conductores eléctricos y térmicos por su excelente conductividad. Su resistencia a la corrosión lo hace apto en la construcción de tuberías. Por su maleabilidad y fácil conformación se utiliza en la fabricación de artesanía. Sin embargo, su mayor uso se da en el empleo como elementos de aleación para piezas a moldear o forjar. Se emplea en las aleaciones de cinc (latones), estaño (bronces) y en otros metales.
Se clasifican en dos grandes grupos: latones (cobre y cinc) y bronces (cobre y otro metal).


4.1.1. Aleaciones de cobre
El cobre se alea principalmente con cinc, estaño, aluminio, níquel y plomo que le confieren buenas propiedades mecánicas y excelente resistencia a la corrosión. Se distinguen las aleaciones para moldeo y para forja. Y también se clasifican en latones y bronces, en función del elemento de aleación principal.
Latón
Es la aleación de cobre y cinc, es la más utilizada con contenidos de cinc que actúa como soluto y principal elemento de aleación con cantidades de hasta un 50%. El cinc facilita el moldeo y la colabilidad del cobre además de incrementar su resistencia mecánica.
El porcentaje de cinc adicionado al cobre define el color, las propiedades físicas y mecánicas del latón. El latón con porcentajes de cinc inferior al 35% es dúctil y maleable pudiéndose conformar por deformación plástica en frío. La mayor adición de cinc empeora su ductilidad y dificulta su trabajo en frío. Las propiedades se modifican con el contenido de cinc.
- Color. Varía de un color rojo amarillento cuando el cinc se presenta en cantidades de hasta un 15%. La adición de mayor cantidad oscurece al latón hasta adquirir un color grisáceo cuando se tienen cantidades de hasta un 81% de cinc.
- Propiedades mecánicas. La resistencia mecánica y la dureza aumentan con el contenido de cinc. Mientras que el alargamiento, límite elástico y la resiliencia disminuyen.
- Propiedades físicas. La dilatabilidad, conductividad también disminuyen al alear con cinc.
Bronce
Es una aleación de cobre y estaño con pequeñas adiciones de aluminio, silicio y níquel. Es más resistente que el latón y tiene mayor resistencia a la corrosión. La adición de estaño provoca un efecto parecido al cinc en los latones pero más marcado.
Industrialmente se adicionan cantidades de estaño inferiores al 25%. Las propiedades mecánicas mejoran con el porcentaje de estaño añadido y se clasifican en función de su adición.
Cantidades inferiores al 6% de estaño crean bronces blandos y dúctiles que pueden trabajarse en frío. Mayor adición incrementa la dureza, la resistencia mecánica y la resistencia al desgaste. Adiciones mayores al 20% de estaño incrementan mucho la dureza y se vuelven frágiles y poco resistentes.
La adición de estaño provoca modificaciones en el color y en las propiedades fisicoquímicas del cobre:
- Color. La adición de pequeñas cantidades de estaño de hasta un 20% da un color rojo amarillento al bronce. Cuando se incrementa el contenido de estaño hasta un 90% se transforma en blanco.
- Propiedades mecánicas. La resistencia a la tracción, el límite elástico y la dureza se incrementan con la adición de estaño mientras que el alargamiento se reduce considerablemente.
- Propiedades físicas. La conductividad disminuye con el incremento de estaño mientras que la resistencia a la corrosión mejora.
Los bronces se clasifican en ordinarios y especiales. Los primeros contienen únicamente cobre y estaño mientras que los especiales además contienen aluminio, plomo, níquel, etc.
4.2. Plomo y sus aleaciones

Muy blando, maleable, poco tenaz y denso. Funde a 327,4° C y se vaporiza a 1725° C. Es buen conductor eléctrico y térmico. Se emplea en conducciones de agua y gas, por sus propiedades pasivas frente a corrosión y oxidación al aire seco y agua. Su mayor aplicación se da en soldadura (estaño-plomo, 20-60% plomo y resto de estaño) y en tas aleaciones antifricción. Sufre fluencia. No es capaz de endurecer por deformación plástica.

4.3. Estaño y sus aleaciones

Blando y maleable con baja temperatura de fusión (231° C) y menor densidad que el plomo (7,28 kg/dm3). Tiene baja resistencia a la tracción. Experimenta cambio alotrópico a los 18° C. A temperaturas mayores a 18° C el estaño es blanco y cristaliza en estructura tetragonal. A temperaturas inferiores es gris con estructura cúbica. En el cambio alotrópico se modifica su densidad pasando de 5,57 a 7,298 g/cm3 a temperaturas mayores a 18° C.
Es inoxidable en aire y ácidos orgánicos por lo que se emplean en la fabricación de latas de conserva como recubrimiento del hierro (hojalata, chapa fina de hierro recubierta de estaño).
Por su temperatura de fusión se emplea en soldadura, en los bronces como elemento de aleación y en las aleaciones antifricción.

4.4. Cinc y sus aleaciones

Maleable con dureza superior al plomo y al estaño pero inferior a la plata. Tiene una estructura cristalina hexagonal compacta (HC) y una temperatura de fusión de 419,4° C. La resistencia mecánica es baja pero puede incrementarse con el laminado.
El aire húmedo le confiere una capa de óxido pasiva que lo hace muy apto como recubrimiento del hierro (hierro galvanizado) en aplicaciones como depósitos o conducciones de agua.
La mayor aplicación del cinc es en la fabricación por laminación de láminas de recubrimiento, de depósitos, en galvanizado o recubrimiento de hierro, en aleaciones como el latón (Cu-Zn y Cu-Zn-Ni) y en la obtención del zamak (Al-Cu-Zn) para el moldeo por inyección.
4.5. Níquel y sus aleaciones

Es muy maleable por lo que admite forja, laminación y estirado tanto en frío como en caliente. Cristaliza en estructura cúbica centrada en las caras (FCC). Su temperatura de fusión es de 1453° C y tiene una resistencia a la tracción de 49,3 kg/mm2 que puede incrementarse con la laminación.
En estado puro se emplea en la fabricación de instrumental quirúrgico y en útiles de cocina. Otra gran aplicación del níquel es como recubrimiento electrolítico (niquelado) en la protección de metales como el hierro y el cobre.
Como elemento aleante se emplea en los aceros inoxidables, aceros al níquel, cupro-níquel.
4.6. Cromo y sus aleaciones

Es duro, frágil y poco maleable. Cristaliza en un sistema cúbico centrada en el cuerpo (BCC). Su temperatura de fusión es de 1875° C. Se emplea en los aceros inoxidables y en los metales duros (estilita y vidia). También se emplea como protector del hierro en forma de cromado (o protección electrolítica) y como recubrimiento de otros metales por cromado duro para mejorar las propiedades de desgaste.

4.7. Antimonio y sus aleaciones

Es un metal frágil, mal conductor y poco maleable. Cristalina en estructura hexagonal. Su densidad es de 6,6 g/cm3 y funde a 630° C. Su mayor aplicación es en la obtención de aleaciones antifricción como elemento aleante.

4.8. Manganeso y sus aleaciones

Es duro, cristaliza en estructura hexagonal compacta (HC). Su densidad es de 7,4 g/cm2 y funde a 1245° C. Se emplea en la obtención de bronces y en las aleaciones ligeras.
4.9. Cobalto y sus aleaciones

Es duro, tenaz y cristaliza en estructura hexagonal compacta (HC). Su densidad es de 8,8 g/cm2 y funde a 1495° C. Se emplea como recubrimiento en instrumentos quirúrgicos, en la obtención de aceros rápidos y en la fabricación de herramientas de corte como carburos metálicos de cobalto.

4.10. Molibdeno y sus aleaciones

Se caracteriza por su elevada temperatura de fusión, 2610° C. Es dúctil y maleable. Cuando contiene impurezas se comporta de forma frágil. Cristaliza en estructura cúbica centrada en el cuerpo (BCC).
Su aplicación más importante es en la fabricación de filamentos de lámparas, aunque también se emplea como elemento de aleación en metales duros, aceros rápidos y en los aceros al molibdeno.

4.11. Tungsteno y sus aleaciones

También denominado wolframio. Se caracteriza por su elevado punto de fusión (3400° C), el más alto de todos los metales, y por su elevada densidad (20,6 g/cm2). Cristaliza en estructura cúbica centrada en el cuerpo (BCC). Es dúctil y maleable. Por su temperatura de fusión se emplea en la fabricación de filamentos de lámparas y en contactores eléctricos. Como elemento de aleación se emplea en aceros rápidos y en metales duros.

5. Aleaciones ligeras.

El consumo mundial de productos férreos es mucho mayor que el del resto de metales y aleaciones debido al precio, la gran variedad de propiedades que pueden obtenerse y a la facilidad de obtención de piezas por procedimientos tan variados como el arranque de viruta, la fundición, forja y soldadura. Sin embargo, los productos férreos tienen ciertos inconvenientes que no los hacen aptos para un gran número de aplicaciones. De entre ellos se destaca su facilidad de corrosión, deficiente conductividad y elevada relación resistencia/peso.
Las aleaciones ligeras incluyen a metales como el aluminio, magnesio, titanio y berilio, todos ellos con una densidad inferior a 4500 kg/m3. De las citadas, todas se consideran aleaciones ligeras excepto la de magnesio que se considera aleación ultraligera.
Las aleaciones ligeras de aluminio, magnesio y titanio se caracterizan por su poco peso, su resistencia a la corrosión y su facilidad de reciclaje.
El aluminio (Al) se emplea en aplicaciones que requieran ligereza, buena conductividad y elevada resistencia a la corrosión. Su mayor aplicación es en conductores eléctricos.
El magnesio (Mg), más ligero que el aluminio, se caracteriza por su facilidad de moldeado en fundición. Permite construir piezas extremadamente ligeras, complejas y de gran resistencia. Actualmente se emplea en la fabricación de llantas, elementos de la suspensión y asientos.
El titanio (Ti) tiene excelente relación resistencia /peso baja conductividad y coeficiente de dilatación, excelente resistencia a la corrosión. Su elevada temperatura a la fusión le confiere un buen comportamiento a elevadas temperaturas y su buena biocompatibilidad con los sistemas biológicos lo hace muy apto en la fabricación de prótesis en aplicaciones biomédicas.
Las aleaciones ligeras forman parte de las aleaciones no férreas y comprenden al aluminio, titanio y al magnesio y sus aleaciones.

5.1. Aluminio y sus aleaciones

Es uno de los elementos más abundante en la corteza terrestre. Se caracteriza por su poco peso, gran resistencia a la corrosión y elevada conductividad térmica y eléctrica. Cristaliza en un sistema FCC (cúbico centrada en las caras) siendo muy dúctil y maleable.
La elevada resistencia a la corrosión y oxidación se debe a la capacidad para formar una fina capa de óxido de aluminio que lo protege de la oxidación.
La adición de elementos aleantes permite incrementar su resistencia a la corrosión (cromo, magnesio y manganeso). Otros elementos como el cobre, hierro, níquel y cobalto aumentan su resistencia.
La resistencia mecánica del aluminio disminuye al aumentar la pureza. Se puede mejorar su comportamiento mecánico por aleación con otros metales, por tratamientos térmicos de envejecimiento o con procesos de forja.
La clasificación de las aleaciones de aluminio se realiza según el proceso de transformación y a su vez de la capacidad de poder ser tratada térmicamente.

5.2. Titanio y sus aleaciones

Es un elemento muy abundante en la corteza terrestre (el noveno más abundante) pero caro en su extracción y afino. Se caracteriza por su ligereza, buena relación resistencia peso, baja conductividad y dilatación, por su excelente resistencia a la corrosión y buen comportamiento a elevada temperatura.
Su elevada temperatura a la fusión le concede un buen comportamiento a elevadas temperaturas.
La resistencia mecánica del titanio puro es baja pero puede aumentarse con la adición de elementos de aleación, por tratamiento térmico o por deformación en frío (acritud).
Reacciona con facilidad con el oxígeno para formar óxido de titanio (TIO). La capa de óxido es mucho más protectora y adherente contra la corrosión y oxidación que la formada por el aluminio (Al2O3). Sin embargo, por encima de los 536º C la capa de óxido pierde adherencia y el titanio se fragiliza.
Otra de las características que lo hace muy apreciado en la industria es su biocompatibilidad con tejidos y huesos. Se emplea en la fabricación de prótesis óseas y dentales.
5.3. Magnesio y sus aleaciones

Se caracterizan por su baja densidad (1,7 g/cm3) la menor de los metales estructurales, compitiendo con el aluminio (2,7 g/cm3). Se utiliza en la fabricación de componentes que requieren bajo peso (aeronáutica y automoción de competición).
La estructura del magnesio es hexagonal compacta (HC), confiriendo baja capacidad de deformación a temperatura ambiente por sus únicos tres sistemas de deslizamiento principales. Es blando, tienen pequeño módulo elástico (45x10 MPa), poca resistencia a la termofluencia, a la fatiga y al desgaste. Buen comportamiento a forja a 300-500° C y se mecaniza con gran facilidad.
Se conforma en la mayoría de los casos por moldeo a temperatura de entre 200 y 300° C por ser difícil de conformar a temperatura ambiente. Tienen baja temperatura de fusión (651° C). Es inestable químicamente y susceptible a corrosión. En forma de polvo quema con facilidad. El calentamiento de pequeñas virutas de magnesio en contacto con aire provoca su combustión por lo que no pueden mecanizarse en máquinas herramientas a elevadas velocidades de corte.
El coste del magnesio es mayor que el del aluminio por lo que sólo es apto en aquellas aplicaciones en las que se requiere baja densidad y temperaturas de trabajo no muy elevadas.
La principal aplicación del magnesio es como elemento aleante en las aleaciones ligeras y como elemento principal de las ultraligeras.

5.4. Berilio y sus aleaciones

Es más ligero que el aluminio (1820kg/m3), con estructura hexagonal compacta (HC) y propiedades mecánicas que dependen mucho de los elementos aleantes adicionados. El berilio puro es dúctil y maleable pero al alearse con silicio, cobre o hierro se vuelve duro y frágil.
Su elevada temperatura de fusión (1280º C), mayor que el magnesio y el aluminio, junto con su excelente módulo elástico lo convierten en uno de los metales con mejores propiedades. Sin embargo, su uso es muy limitado por su escasez y elevado coste.

Metalurgia básica

1. Las aleaciones hierro carbono.

1.1. El hierro y sus aleaciones.
El hierro se encuentra presente en la corteza terrestre, en una proporción aproximada del 5,06% y es, por tanto, el metal más abundante, después del aluminio, que representa un 8,07%. Sin embargo, el hierro no se encuentra nunca en la naturaleza en cantidades de interés industrial.
El hierro se encuentra en la naturaleza en forma de óxidos o carbonatos, mezclados con otras substancias que no contienen hierro o lo contienen en muy pequeña cantidad, tales como arcillas, cuarzo, piedra caliza, etc. que constituyen la parte inerte o ganga de los minerales de hierro.

1.1.1. El Hierro puro.
Los procesos siderúrgicos que conducen a la obtención de hierro metálico, a partir de sus minerales, no proporcionan hierro puro, sino unido a cantidades variables de otros elementos tales como el carbono, manganeso, silicio, fósforo, azufre, cobre, etc.
El hierro más puro obtenido por métodos industriales, es el llamado hierro Armco. Su composición aproximada es la siguiente:
Fe> 99,8; C: 0,012; Mn: 0,017; P: 0,005; Si: cantidades ínfimas
Mediante procesos de experimentación en laboratorios, se consigue obtener hierro con una pureza de hasta un 99,99%.
A la presión atmosférica, este hierro casi puro hierve a 3000º C, solidifica a 1535° en forma de cristales cúbicos de cuerpo centrado (hierro ), que son estables hasta los 1400º C y a esta temperatura, se transforman en cúbicos de caras centradas (hierro ) el cual, adopta dé nuevo el sistema cúbico centrado (hierro ) a los 910° C. Esta variedad alotrópica es ya estable aún cuando se continúe reduciendo su temperatura.
La temperatura de 1400º C a que el hierro se transforma en , se designa como punto A4. La de 910 ° C a que el hierro se transforma en , se llama punto A3. Antiguamente se conocía como punto A2 la temperatura de 768° C, a la cual se produce, durante el enfriamiento, la aparición del magnetismo del hierro o bien, la desaparición durante el calentamiento (punto de Curie). A esta temperatura se produce una clara discontinuidad en el calor específico del hierro, que permite identificar el punto de Curie mediante el análisis térmico, pero como no corresponde a ningún cambio polimórfico, esa temperatura carece prácticamente de interés desde un punto de vista metalográfico.
Los valores que hemos atribuido a las temperaturas de transformación son los calculados para los estados de equilibrio entre las fases correspondientes. Sabemos, sin embargo, que si se miden durante el calentamiento de la muestra, aparecen a temperaturas superiores y tanto más altas cuanto mayor sea la velocidad de calentamiento. Por el contrario, medidas durante el enfriamiento, aparecen a temperaturas inferiores a las de equilibrio y la diferencia se acentúa con la velocidad de enfriamiento. Los puntos críticos medidos durante el calentamiento se indican con la letra "c". Así escribimos: Ac4, Ac3. Si están medidos durante el enfriamiento, esta circunstancia se manifiesta con la letra "r". Escribimos pues: Ar4, Ar3. A veces las temperaturas de equilibrio se califican con una: Ae4, Ae3.
Las características mecánicas del hierro puro no han podido ser determinadas por la imposibilidad de obtener este metal libre de impurezas y a consecuencia de la profunda alteración en sus propiedades que se produce incluso con porcentajes muy pequeños de otros elementos.
El hierro Armco, laminado en caliente, posee propiedades mecánicas que oscilan dentro de los límites siguientes:
Carga de rotura 28-32Kg/mm2
Carga de fluencia 12,5-17,5Kg/mm2
Alargamiento del 45%
Estricción 70%
Dureza Brinell 70-90

1.1.2. Los productos siderúrgicos.
Entre los elementos que inevitablemente aparecen unidos al hierro en los productos siderúrgicos industriales, el de mayor significación es el carbono, a consecuencia de la influencia tan notable que su presencia ejerce sobre las propiedades de la aleación, hasta el punto de que, variaciones muy pequeñas en la proporción de carbono, modifican radicalmente esas propiedades. Por esta razón el contenido de carbono sirve de base para establecer una primera clasificación de los productos siderúrgicos, que se llaman aceros si el carbono que contienen no supera el 2% y fundiciones si excede de ese límite.
Los aceros utilizados en la industria tienen rara vez más del 1,5% de C. Cuando el contenido de este elemento es muy bajo, inferior al 0,10%, se designan, en lenguaje de taller como hierro dulce.
Comparadas con el carbono, el resto de las impurezas, en las proporciones con que suelen estar presentes en los productos siderúrgicos, influyen muy levemente en las propiedades de la aleación en estado de equilibrio. En consecuencia, el estudio del diagrama de fases del sistema Fe-C reviste gran interés, pues nos dará una representación muy aproximada de lo que sucederá en las aleaciones reales, que contienen, además otras impurezas, y tiene la ventaja de que puede realizarse con la sencillez propia de los sistemas binarios frente a la complejidad inherente al estudio de los equilibrios en sistemas de más componentes.

1.2. Tipos de soluciones entre metales.
Los metales en estado puro, sin impurezas, tienen poca aplicación industrial y difícilmente pueden ser empleados como elementos estructurales. Se caracterizan por ser blandos y poco resistentes. Sin embargo, tienen mayor resistencia a la corrosión y mejores conductividades que sus aleaciones.
La aleación o adición de átomos extraños a un metal puro mejora sus propiedades mecánicas (resistencia y dureza) y disminuye la ductilidad, conductividad y resistencia a la corrosión. Por ello, la aleación se realiza para conseguir las propiedades que no tienen los metales puros, como es el caso de los aceros, en los que se adicionan átomos de carbono y de boro para incrementar las propiedades mecánicas del hierro puro.
Figura 1
Figura 2
Los átomos extraños o elementos de aleación pueden ser metales o no metales. Al estaño se le pueden adicionar átomos de plomo, otro metal; y al hierro, carbono (no metal), para formar un acero. Los átomos adicionados actúan como defectos puntuales que llegan a distorsionar la red cristalina dificultando el movimiento de las dislocaciones y endureciendo la aleación. Los átomos extraños adicionados al metal para formar la aleación pueden ser solubles o insolubles.
La solubilidad se produce cuando los átomos adicionados se acomodan en la estructura del metal base. Cuando no pueden acomodarse y formar parte del metal base se dice que son insolubles.
El disolvente es el metal que se encuentra en mayor proporción en la aleación siempre y cuando ambos tengan la misma estructura cristalina. En caso de tener diferente estructura se define al disolvente como aquel que mantiene su estructura en la aleación aunque se encuentre en menor proporción.
La aleación 70% de cromo y 30% de níquel, mantiene la estructura cúbica centrada del níquel a pesar de estar en menor proporción, por lo que el níquel actúa como disolvente y el cromo lo hará como soluto.
En función de los elementos de aleación añadido se diferencian las soluciones sólidas sustitucionales o las intersticiales.
La solución sólida sustitucional, es una solución con dos o más elementos que tienen tamaños atómicos muy parecidos y donde no se distorsiona la red cristalina. El átomo de soluto se sitúa en los espacios de la red antes ocupada por el disolvente. Para que dos metales formen una solución sólida sustitucional deben cumplirse las Leyes de Hume-Rothery:
1. Tamaño atómico. Los átomos sustitucionales (soluto) deben tener semejante radio atómico (± 15%) que el disolvente. A medida que el radio atómico es más parecido el soluto puede acomodarse mejor en la red cristalina del disolvente y en mayor proporción sin producirse distorsiones.
2. Misma estructura cristalina. La misma estructura cristalina del disolvente y soluto favorece la formación de las soluciones sólidas sustitucionales.
3. Valencia. Los átomos deben tener la misma valencia. Átomos con diferente número de electrones de valencia pueden formar compuestos en lugar de soluciones sólidas sustitucionales.
4. Electronegatividad parecida. Semejante configuración electrónica formada por los átomos del disolvente y del soluto favorecen la formación de la solución sólida sustitucional. Electronegatividades diferentes la dificultan.
Aplicando las leyes de Hume-Rothery puede determinarse el grado de solubilidad de una solución sólida. Por ejemplo en una solución de silicio en aluminio no se cumplen las leyes 1 y 3 (radio atómico y valencia) por lo que no forman una solución sólida sustitucional y el aluminio sólo admite un 2% de silicio.

Aluminio
Silicio
Radio atómico
0,143nm
0,117 nm
Estructura cristalina
FCC
FCC
Valencia
+3
-4
Electronegatividad
1,5
1,8

Ejercicio resuelto
Estudiar el grado de solubilidad sólida del aluminio con los siguientes elementos: cobre, manganeso y cinc.
Solución:
Se estudian las cuatro reglas de Hume-Rothery (tamaño atómico, estructura cristalina, valencia y electronegatividad).


Radio
Estructura
Valencia
Electro-
Relación
Grado

atómico
Cristalina
negatividad
Radio Al
solubilidad
Al
0,143
FCC
3+
1,5
-
Medio
Cu
0,128
FCC
1+
1,9
-10,48
Medio
Mn
0,112
Cúbica
2+
1,5
-21,67
Muy bajo
Zn
0,133
HC
2+
1,6
-6,99
Muy alto
El factor más importante es la relación de tamaños atómicos. El porcentaje de diferencia de radio puede calcularse:
El mayor grado de solubilidad sólida se da con el Zn.
Las soluciones sólidas intersticiales están formadas por elementos de aleación con radios atómicos muy diferentes (como mínimo de la mitad de los átomos del metal base o receptor). En estos casos los átomos de soluto se acomodan en posiciones intersticiales del disolvente. Con el hierro forman soluciones sólidas intersticiales el carbono, nitrógeno, oxígeno, hidrógeno y el boro.
Las aleaciones también se distinguen en función del número de elementos de aleación que contienen. Así, por ejemplo, se distinguen las aleaciones binarias, que sólo contienen dos elementos, como las aleaciones de Pb-Sn, Al-Si o Cu-Ni, y las aleaciones con más de dos elementos aleantes, como es el caso de los aceros rápidos que pueden llegar a contener hasta cinco elementos de aleación (Cr, W, Cr, V y Mo) además del hierro y el carbono.

2. Diagramas de fases.

El conocimiento de las aleaciones requiere el empleo de representaciones gráficas que registren las diferentes microestructuras presentes a cualquier temperatura y composición. Estas representaciones son los diagramas de fases y su interpretación es indispensable en el estudio de la metalurgia. Para comprender los diagramas es conveniente estudiar previamente algunos conceptos como la solubilidad y las curvas de enfriamiento.
Una fase es una parte de la microestructura de un material que se caracteriza por tener la misma estructura y composición química. Las características que definen a una fase son:
1) Toda fase tiene el mismo ordenamiento atómico.
2) Tiene igual composición química.
3) Por las características descritas en el punto 1 y 2 se deduce que tiene las mismas propiedades.
4) Siempre existe una interfase que separa a dos fases distintas.
Un ejemplo lo constituye un cubito de hielo donde bajo condiciones normales de temperatura y presión pueden coexistir tres fases al mismo tiempo: la fase sólida (hielo), la fase líquida (hielo derretido en forma de agua) y la fase gaseosa (vapor de agua). A pesar de tener la misma composición química se tienen diferentes ordenamientos atómicos y diferentes propiedades en cada uno de los casos. Entre cada una de las fases se tiene una interfase donde el ordenamiento de los átomos y las propiedades se igualan.
Figura 3: Coexistencia de tres fases

2.1. Regla de las fases de Gibbs.
Permite describir el estado del material. La ecuación que lo define:
F = C – P + 2
Donde:
- C: Es el número de elementos o compuestos que contiene el sistema.
- F: Es el número de grados de libertad o parámetros que pueden modificarse de forma independiente sin modificar el número de fases en equilibrio (temperatura, presión y composición).
- P: Es el número de fases existentes.
El 2 de la ecuación limita a dos las variables de estado (temperatura y presión). En los casos en los que la presión sea constante (por ejemplo, la atmosférica), la regla de Gibas puede escribirse como:
F = C – P + 1
En la siguiente figura se representa el diagrama de equilibrio del magnesio. Se indican cada una de las fases a las que puede encontrarse el magnesio en función de la temperatura y la presión. Cada una de las fases está separada de la otra mediante las líneas de equilibrio. A la presión de 1 atmósfera (línea discontinua) se tienen las temperaturas de fusión y ebullición (TF y TE), respectivamente.
En el diagrama se muestra la sublimación o paso de sólido a vapor sin pasar por el estado líquido a bajas presiones.
Punto A. El magnesio se encuentra en estado líquido. Aplicando la ecuación de Gibbs se tiene:
F = C – P + 2 = 1 – 1 + 2 = 2
Se tienen dos grados de libertad por lo que se puede modificar la temperatura, la presión o ambos al mismo tiempo y seguir estando en la misma porción del diagrama. Para ubicar un punto en el diagrama se necesitan como mínimo dos parámetros (temperatura y presión).
Punto B. Límite entre el estado líquido y el sólido. C = 1 (un solo componente), P = 2, existe líquido y sólido.
F = C – P + 2 = 1 – 2 + 2 = 1
Se tiene un solo grado de libertad. Con la temperatura o con la presión queda definido el límite de coexistencia del líquido - sólido. Fijando una variable, por ejemplo la presión, en el diagrama se indica la temperatura a la que debe someterse un sistema para estar en las mismas condiciones.
Punto C. Coexisten al mismo tiempo líquido, sólido y vapor.
F = C – P + 2 = 1 – 3 + 2 = 0
No existen grados de libertad. Coexisten las tres fases para una temperatura y una presión dada. Se denomina punto triple.



2.2. Solubilidad.
Es la cantidad de material que acepta otro sin crear una nueva fase. La solubilidad puede ser limitada o ilimitada.

2.3. Solubilidad ilimitada.
Un ejemplo lo constituye el agua y el alcohol. Cada uno de ellos por separado representa una fase distinta. Sin embargo cuando se mezclan se obtiene una fase con las mismas propiedades, estructura y composición química.
Las aleaciones binarias cobre-níquel (Cu-Ni) forman sistemas de solubilidad ilimitada con la misma composición química, estructura y propiedades en todo el material. Ello es debido a que tanto el cobre como el níquel tienen las mismas propiedades descritas por Hume-Rothery de solubilidad total. Los átomos de níquel y cobre tienen la misma estructura y semejante radio atómico, electronegatividad y valencia.
Figura 4: Aleaciones binarias con solubilidad ilimitada

2.4. Solubilidad limitada.
Un ejemplo es la sal con agua. El agua es capaz de disolver una cantidad determinada de sal de forma que puede formarse una fase con las propiedades homogéneas. Sin embargo, la adición de mayor cantidad de sal genera un precipitado que no es capaz de disolverse en el agua y se crean dos fases, la disolución de agua y sal y la sal precipitada.
Una aleación con solubilidad limitada la forma la aleación binaria de cobre y cinc (Cu-Zn). Donde el cobre es capaz de disolver un porcentaje limitado de cinc sin que se genere una fase nueva. La adición de mayor cantidad de cinc provoca la formación de una segunda fase rica en cinc y pobre en cobre.





Figura 5: Aleaciones binarias con solubilidad limitada

Al alearse dos metales diferentes pueden suceder, en función del estado en que se encuentren, (sólido o líquido), que se tenga una solubilidad o insolubilidad según, el siguiente gráfico:



Figura 6: Tipos de aleaciones binarias

3. Diagramas de fases.

En la descripción del proceso de solidificación de una aleación se emplean los diagramas de equilibrio que son obtenidos a partir de las curvas de enfriamiento. Las curvas de enfriamiento muestran como se produce el cambio de fase (solidificación) de una aleación inicialmente a elevada temperatura y en estado líquido que se enfría hasta temperatura ambiente.

Figura 7: Curvas de enfriamiento

En la figura 7 se representan las curvas de enfriamiento para un metal puro y para una aleación. En el primer caso y durante el enfriamiento, el metal en estado líquido va perdiendo temperatura siguiendo la curva de enfriamiento. La solidificación se produce a una temperatura fija y única representada por la recta horizontal. La cristalización del sólido empieza en el punto A y termina en B manteniéndose la temperatura constante. A partir del punto B el sólido ya cristalizado pierde temperatura.
En la aleación, el cambio de líquido a sólido se produce en un intervalo de temperaturas en la que existían dos fases en equilibrio (sólido + líquido) y se representa por una recta no horizontal.
Para obtener un diagrama de equilibrio de una aleación binaria (A + B) deben trazarse las curvas de enfriamiento para los dos metales puros por separado además de curvas de enfriamiento para aleaciones del metal (A+B) a diferentes porcentajes, tal y como se muestra en la figura 8.

Figura 8: Construcción del diagrama de equilibrio a partir de las curvas de enfriamiento de cinco aleaciones binarias

Las curvas de enfriamiento primera y última corresponden a cada uno de los metales puros que componen la aleación binaria. La intersección de estas dos curvas con el eje de ordenadas define el punto A y B, que son puntos de fusión de cada uno de los metales (temperaturas de trasformación del metal puro). El resto de puntos se corresponden al inicio y fin de trasformación para aleaciones binarias formadas por porcentajes variables de A y B. La unión de los puntos superiores forma la línea de líquidos. A temperaturas por encima de la línea de líquidos toda la aleación está en estado líquido. Así mismo, la unión de los puntos inferiores define el final de la solidificación o línea de sólidos bajo la cual la aleación estará en estado sólido. Entre ambas líneas, líquidos y sólidos la aleación estará parcialmente líquida y sólida.
Los diagramas de equilibrio pueden llegar a ser representaciones muy complicadas a medida que aumenta el número de componentes presentes en la aleación.
Las aleaciones binarias pueden ser solubles, insolubles o parcialmente solubles tanto en estado líquido como en el sólido. Dentro de estos tipos generales se distinguen los siguientes: Insolubilidad total en estado líquido y sólido, solubilidad parcial en estado líquido y solubilidad total en estado líquido y en sólido.

3.1. Insolubilidad en estado líquido y sólido.
Se da en metales con puntos de fusión muy diferentes siendo sus densidades en estado líquido tan distintas que se mantienen en capas separadas. Un sistema binario con insolubilidad total en estado líquido lo constituye la aleación Fe-Pb.
A temperaturas superiores a 1535º C se tiene al hierro y al plomo en estado líquido como dos fases diferentes debido a la diferencia de densidad. Al enfriar la aleación y sobrepasar los 1535° C, línea de líquidos, el hierro solidifica mientras que el Pb todavía se mantiene en estado líquido. La solidificación se da por finalizada al cruzar la isoterma de 327° C con la formación de dos capas en estado sólido.
Figura 9: Diagrama de equilibrio con insolubilidad total en estado líquido en el que se diferencian tres formas de insolubilidad total

3.2. Solubilidad parcial en estado líquido.
Se da en sistemas donde a temperaturas altas los metales son totalmente solubles y al descender la temperatura, la solubilidad entre ellos sólo se mantiene cuando la concentración del uno sobre el otro es pequeña.
El incremento de concentración de uno de los elementos de aleación provoca la pérdida de homogeneidad y la aparición de dos líquidos distintos como consecuencia de la variación de la solubilidad debido a la temperatura.
Un ejemplo lo constituye la aleación binaria Pb-Zn (Figura 10). Para temperaturas mayores a 800° C se tiene una fase homogénea en estado líquido formado por Pb y Zn. Entre 800 y 417° C se tienen tres fases distintas en función de la composición de la aleación (L1=Zn(Pb), L2=Pb(Zn) y L1+L2).
Para concentraciones pequeñas de cinc en plomo se tiene una fase homogénea que es una solución diluida en cinc en plomo. El mismo comportamiento se da en aleaciones con pequeñas concentraciones de plomo en cinc. Para concentraciones intermedias se tienen dos fases líquidas con distinta densidad: Pb (Zn) y Zn (Pb).
Al enfriar, las dos fases L1 y L2, debido a su diferencia de densidad se establecen en capas que al sobrepasar los 417º C solidifica el cinc y al llegar a temperatura inferior a 318º C se produce la solidificación del plomo, obteniendo dos fases sólidas, Zn y Pb.

3.3. Solubilidad total en líquido y en sólido.
Los dos componentes son totalmente solubles a cualquier temperatura (en estado sólido y en líquido) como los sistemas Cu-Ni y MgO-NiO. En la figura se representa un diagrama con solubilidad total.
En el eje de ordenadas se representa la temperatura del sistema mientras que en el eje de abcisas se indica la composición de la mezcla binaria. En cada uno de los extremos se tienen los componentes en estado puro (100% A, lado izquierdo y 100% B, lado derecho), al igual que en los diagramas descritos anteriormente.
Entre ambos se da una mezcla binaria de los dos componentes y justo en el punto medio se tiene la mezcla 50% A Y 50% B. En el eje de ordenadas se representa la temperatura de fusión de los componentes puros (100% de A y 100% de B).
A temperaturas suficientemente altas (región L, fase líquida) los dos componentes A y B están fundidos y entre ellos existe solubilidad total.
A temperaturas más bajas, en la fase sólida (región SS) los dos componentes también son totalmente solubles entre ellos.
A temperaturas intermedias y entre la región L y SS se tiene una región en la que coexisten dos fases al mismo tiempo, la fase líquida y la fase sólida (L+SS). Su delimitación con la región líquida (L) se da mediante la línea de líquidos mientras que su delimitación con la región sólida (SS) se da con la línea de sólidos.
Como la temperatura de fusión de B es mayor que la de A, en la región (L+SS), para una determinada temperatura, existe equilibrio entre la fase líquida rica en A y la fase sólida rica en B (de menor punto de fusión).
Para conocer la composición de cada una de las fases a una temperatura y composición determinada (Regla de Gibbs) debe alargarse la línea horizontal definida por la temperatura hasta que corte las curvas de equilibrio que delimitan la región (L+SS, línea de líquidos y línea de sólidos). Su proyección sobre el eje de abcisas indicará la composición de cada una de las fases.
- Fase sólida. Intersección y proyección de la línea horizontal con la línea de sólidos (18% A Y 82% B).
- Fase líquida. Intersección y proyección de la línea horizontal con la línea de líquidos. (70% A Y 30% B).

Mediante la regla de Gibbs se puede conocer la composición de la fase líquida y sólida a una temperatura y composición determinada. En el ejemplo se muestra la composición de la fase sólida (18% A + 82% B) Y de la fase líquida (70% A + 30% B) para una aleación binaria (50% A + 50% B) a la temperatura T1.

3.4. Variación de la microestructura al variar la temperatura.
En el punto 1 y a temperatura suficientemente alta los dos componentes A y B están en estado líquido y son solubles entre ellos. Su composición es de 50% de A y de 50% de B. Al disminuir la temperatura hasta el punto 2 y sobrepasar la línea de líquidos empieza la cristalización apareciendo la fase sólida embebida en una matriz líquida. Inicialmente el sólido cristalizado es rico en el componente B, de mayor temperatura de fusión, y la matriz líquida lo será del componente A. A medida que desciende la temperatura, en la región L+SS, el líquido modifica su concentración haciéndose cada vez más pobre del componente B y rico del componente A. El sólido se empobrece de B ganando en A, según la regla de Gibbs. Al llegar al punto 4, justo al sobrepasar la línea de sólidos todo pasa al estado sólido con un 50% de A y un 50% de B.





La regla de Gibbs permite conocer el porcentaje de cada uno de los componentes (A y B) tanto en la matriz líquida como en el sólido a diferentes temperaturas y durante el enfriamiento. También es importante conocer la cantidad de cada una de las fases (sólida y líquida) a cada una de las temperaturas. Para ello se utiliza la regla de la palanca, que emplea el equilibrio de masas en su determinación. En el siguiente ejemplo se determina el porcentaje de líquido y sólido a la temperatura del punto 3.
Para su cálculo se traza una isoterma (recta horizontal) que pase por la temperatura T3 y corte a la línea de sólidos y a la línea de líquidos. El punto medio representa la composición de la mezcla binaria (50% A Y 50% B, en este caso).

La isoterma dibujada tiene tres puntos y en la determinación del porcentaje de cada fase debe dividirse el segmento opuesto para la fase a determinar por el segmento total de la isoterma según:

El porcentaje de sólido se obtiene de la división del segmento A, el opuesto a la línea de líquidos, por el segmento A+B, segmento total.

Con la Regla de Gibbs y la Regla de la palanca puede determinarse:
- Regla de Gibbs: Composición de la fase sólida y de la fase líquida para una aleación determinada a una temperatura cualquiera.
- Regla de la palanca: Cantidad porcentual de la fase sólida y de la fase líquida.

3.5. Variación de las propiedades mecánicas en una aleación binaria.
En un diagrama binario como el representado se aprecia como la temperatura de fusión de la aleación se modifica en función de los porcentajes de cada uno de los elementos de aleación. Una aleación formada por un 50% de cobre y un 50% de níquel tiene un punto de fusión mayor que el cobre puro y menor que el níquel puro.
También se ha comentado que los metales puros tienen propiedades mecánicas inferiores a las aleaciones. En la siguiente figura se representa como varía el límite elástico, la resistencia a la tracción y la elongación en función del porcentaje de cada uno de los elementos de aleación.
La adición de átomos de Ni (B) al cobre puro (A) provoca el incremento de su resistencia a la tracción y el incremento del límite elástico mientras que empeora su ductilidad, representada por la elongación.
Una aleación de 70-75% Ni y 30-25% Cu (zona rayada) posee el máximo de dureza y resistencia y mínimo de ductilidad.

Ejercicio propuesto 1
Describe el enfriamiento de una aleación Cu-Ni con un 40% de níquel y un 60% de cobre.
Solución:


















3.6. Insolubilidad total en estado sólido.
Se trata de un sistema binario en el que sus componentes son solubles en estado líquido, e insolubles en estado sólido. Un ejemplo lo constituyen los sistemas Al-Si, AI-Ge y Ge-Zn, donde a bajas temperaturas se tienen dos fases en el sólido puro (A+B). El diagrama que representa este tipo de solubilidad se denomina eutéctico (fundir bien).
El diagrama eutéctico se caracteriza por tener una línea de sólidos horizontal que coincide con la temperatura eutéctica). En la mezcla eutéctica se produce el paso de líquido a sólido a una sola temperatura y sin la formación de dos fases en equilibrio.
Para la composición eutéctica la aleación se funde por completo a una sola temperatura que es la temperatura de fusión más baja posible de la aleación. Cuando se tiene composiciones distintas a la eutéctica se funde en un intervalo de temperaturas pasando por dos fases (L+A) y (L+B).
El punto eutéctico divide el diagrama en dos zonas o regiones con dos fases (A+L y B+L). La región de la izquierda (A+L) recibe el nombre de hipoeutéctica y la región de la derecha (B+L) hipereutéctica.
Por encima de la línea de líquidos los dos metales son totalmente solubles y se encuentran en estado líquido.

3.7. Microestructuras.
En la siguiente figura se representa como varía la composición de la fase sólida y líquida. La cantidad porcentual de cada una de ellas puede determinarse mediante la Regla de Gibbs y la Regla de la Palanca. A continuación se describe el enfriamiento de tres aleaciones: hipoeutéctica, eutéctica e hipereutéctica.
Figura 10: Enfriamiento hipoeutéctico, eutéctico e hipereutéctico

Enfriamiento Hipoeutéctico. Al enfriar la aleación hipoeutéctica (rica en A, 75% A + 25% B) se empiezan a formar los primeros cristales cuando se cruza la línea de líquidos. El sólido va creciendo a expensas del líquido hasta llegar a la línea de sólidos (horizontal, temperatura hipoeutéctica) donde, después de cruzarla, solidifica el último líquido presente.
La composición del líquido y del sólido varía con el descenso de la temperatura según la regla de Gíbbs. Inicialmente y justo después de cruzar la línea de líquidos, el líquido está formado por un 70% de A y un 30% de B), composición de la aleación. A medida que desciende la temperatura el líquido se empobrece de A y gana en B. El último líquido presente, antes de cruzar la línea de sólidos tendrá la composición eutéctica.
Enfriamiento eutéctico. La aleación se encuentra en fase líquida a la temperatura más baja posible y solidifica por completo a la temperatura eutéctica. La transformación del estado líquido al sólido se realiza rápidamente y se obtiene una microestructura eutéctica de grano pequeño, dentro de cada uno de los cuales se tienen capas finas de A y B de forma alterna (laminar).
Enfriamiento hipereutéctico. Al enfriar la aleación hipereutéctica (rica en B; 88% B + 12% A) Y cruzar la línea de líquidos se empiezan a formar los primeros cristales de B en una matriz líquida en equilibrio. A medida que desciende la temperatura el sólido crece a expensas del líquido. El líquido se empobrece de B y se enriquece de A hasta llegar a la temperatura eutéctica, donde el líquido tiene la composición eutéctica. Al cruzar la línea de sólidos solidifica en forma de finas capas de A y B de forma alterna.

3.8. Diagrama de solubilidad parcial en estado sólido.
Se trata de un sistema binario con solubilidad limitada en el estado sólido y solubilidad total en estado líquido. Es un diagrama intermedio entre los dos anteriormente descritos y se caracteriza porque en el estado sólido el metal A y el metal B son parcialmente solubles en porcentajes muy pequeños, como ocurre en la aleación Pb-Sn (Plomo estaño).
En la región sólida cercana a los extremos hay solubilidad total y se forma una sola fase (alfa: cuando el metal mayoritario A es capaz de disolver una pequeña cantidad de B, y beta: el metal mayoritario B disuelve una pequeña cantidad de A). En el caso de la aleación Pb-Sn, la fase alfa puede llegar a disolver hasta un 19,2% de estaño (Sn) a la temperatura eutéctica (183° C) formando una solución sólida. La fase beta es rica en el componente B y puede disolver un máximo de un 20,5% de plomo a 183° C. En ambos casos la solubilidad disminuye a medida que desciende la temperatura hasta llegar a la temperatura ambiente donde la solubilidad se ve fuertemente reducida.
Los diagramas eutécticos también se caracterizan por presentar el punto eutéctico lugar donde la línea de líquidos corta a la de sólidos en un punto. Se tiene a la aleación en estado líquido a la temperatura más baja posible. En la aleación binaria Pb-Sn el punto eutéctico se da para una composición de 61,9% Sn y 38,1% Pb a la temperatura de 183° C. Al sobrepasar el punto eutéctico en el enfriamiento lento la fase líquida se transforma en dos soluciones sólidas alfa y beta según la reacción:
Líquido alfa + beta
La estructura cristalina adoptada por la solución sólida α es la misma que tiene el componente A; mientras que la estructura adoptada por β coincide con la del componente B. La solución sólida o estará formada por átomos de A (estaño) con átomos de B (plomo).
Al enfriar lentamente una aleación binaria con composición eutéctica desde elevada temperatura hasta la temperatura eutéctica, permanece en estado líquido formando una sola fase. A la temperatura eutéctica todo el líquido se transforma en una mezcla formada por una solución sólida alfa (α) y beta (β). Por ejemplo, en el caso de la aleación Pb-Sn:
Líquido (61,9% Sn) alfa (19,2% Sn) + Beta (97,5% Sn)
Al enfriar lentamente una aleación binaria con composición hipoeutéctica desde elevada temperatura, al cruzarse la línea de líquidos empieza a formarse el primer sólido, el primer sólido, llamado sólido α, que se encuentra en equilibrio con el líquido. A medida que desciende aún más la temperatura, el sólido α se va incrementado a costa del líquido, hasta llegar a la línea de sólidos, donde se produce la reacción eutéctica que termina de solidificar el líquido restante, formando una solución sólida α (formada principalmente por plomo) y por otro lado una β (formada principalmente por estaño). Lo que ocurre es que tendré más porcentaje de α, que de β.
Al enfriar lentamente una aleación binaria con composición hipereutéctica desde elevada temperatura, al cruzarse la línea de líquidos empieza a formarse el primer sólido, el primer sólido, llamado sólido β, que se encuentra en equilibrio con el líquido. A medida que desciende aún más la temperatura, el sólido β se va incrementado a costa del líquido, hasta llegar a la línea de sólidos, donde se produce la reacción eutéctica que termina de solidificar el líquido restante, formando una solución sólida β (formada principalmente por plomo) y por otro lado una α (formada principalmente por estaño). Pero, contrariamente al caso anterior, tendré más porcentaje de β, que de α.

Ejercicio propuesto 2
Determinar la cantidad de cada una de las fases presentes en una aleación binaria cobre-plata, así como el porcentaje de cada elemento en cada uno de los puntos indicados en el diagrama.





























4. Microestructura de los aceros.

Introducción.
Algunos metales como el hierro (Fe) y el titanio (Ti) pueden tener diferente estructura cristalina en función de la temperatura y la presión sin necesidad de cambiar su composición química.
La designación de los estados alotrópicos se realiza con el alfabeto griego (α, β, γ y δ). El estado alotrópico a la temperatura más baja posible se designa con la letra α (alfa) y a medida que aumenta la temperatura y cambia la estructura cristalina se emplean las letras β (Beta), γ (gamma) y δ (delta). La temperatura de cambio alotrópico se denomina temperatura crítica (Tc).
El hierro es un metal blando, azulado, dúctil y maleable. Conduce bien la electricidad y puede magnetizarse. Admite forja y moldeo en su conformación. Se caracteriza por tener cuatro estados alotrópicos.
El calentamiento del hierro puro cambia la estructura cristalina de BCC a FCC antes de fundir.
A temperatura ambiente se denomina ferrita (Fe α) y su estructura es cúbica centrada en el cuerpo (BCC). Al sobrepasar los 768º C el hierro se denomina hierro beta (Fe β) conservando la estructura BCC pero aumentando ligeramente la distancia interatómica y perdiendo magnetismo. El hierro beta no se considera un estado alotrópico del hierro. Al sobrepasar los 912º C la estructura cambia a cúbica centrada en el cuerpo, FCC (Austenita, Fe γ) manteniéndose con esta configuración hasta los 1400º C. Desde 1400º C hasta 1539º C se tiene el tercer estado alotrópico, Fe δ, con la misma estructura que el hierro alfa pero con una distancia interatómica mayor. Tiene un débil magnetismo. Al sobrepasar los 1539º C se produce la fusión del hierro pasando al estado líquido.
- Hierro alfa. Admite un 0,008% de carbono a temperatura ambiente. La máxima solubilidad se da a 723º C con un 0,022% C.
- Hierro Beta. Tiene la misma estructura que el hierro alfa pero el aumento de la temperatura incrementa la distancia interatómica (2,90 A a 800º C) y pierde su comportamiento magnético al sobrepasar la temperatura de Curie a 768º C.
- Hierro Gamma. Su estructura FCC y la distancia interatómica máxima de 3,60 A permite que la austenita pueda admitir gran cantidad de átomos de carbono intersticiales y tratarse térmicamente mediante temple. La solubilidad máxima de carbono es de 1,76% C a 1130º C.
- Hierro Delta. Posee la misma estructura cristalina que el Fe α pero distinta separación interatómica y un débil magnetismo. Admite poco carbono (0,07% C a 1487º C).

Constituyentes de los aceros.
Los constituyentes metálicos que se presentan en los aceros al carbono son la ferrita, cementita, perlita, sorbita, troostita, martensita, bainita, y la austenita. Pueden presentarse otros constituyentes no metálicos en forma de óxidos, silicatos, sulfuros y aluminatos.

Ferrita
Es una solución sólida insterticial de carbono en una red cúbica centrada en el cuerpo. Se considera como hierro alfa puro (Fe α). Su solubilidad a la temperatura ambiente es del orden de 0,008% de carbono, por esto se considera como hierro puro. La máxima solubilidad del carbono en el hierro alfa es de 0,02 % a 723º C.
Es el constituyente más blando y dúctil del acero.

Cementita
La cementita es carburo de hierro (Fe3C) con un contenido de 6,67% de C y 93,33% de hierro. Es el microconstituyente más duro y frágil de los aceros al carbono.

Perlita
Es un microconstituyente formado por capas alternadas de ferrita y cementita, compuesta por el 86,5% de ferrita y 13,5% de cementita, contiene el 0,89% de C.

Austenita
Es el microconstituyente más denso de los aceros y está formado por una solución sólida de carbono en hierro gamma. La cantidad de carbono disuelto, varía de 0,89 al 1,76%, que es la máxima solubilidad a la temperatura de 1130º C. La austenita no es estable a la temperatura ambiente.

Martensita
Es una solución sólida de hierro-carbono producida por la transformación producida por el enfriamiento rápido de la austenita. Es el constituyente más duro de los aceros después de la cementita.

Troostita
Es un constituyente duro, algo más blando que la martensita que se obtiene por enfriamiento de la austenita a una velocidad inferior que en el caso de la martensita. Las propiedades de la troostita son intermedias entre la martensita y la sorbita.

Sorbita
Constituyente intermedio entre la martensita y la perlita. Se obtiene por enfriamientos de la austenita a velocidades inferiores a las empleadas en la obtención de la troostita. Las propiedades mecánicas de la sorbita son inferiores a la troostita. Tiene menor dureza y resistencia pero mayor ductibilidad.

Bainita
Se consigue enfriando de una determinada forma la austenita. Tiene propiedades muy parecidas a la sorbita.

Ledeburita
Es un constituyente de algunos tipos de fundiciones, formado por austenita y cementita mezcladas. Es estable hasta los 723º C, a partir de ahí se transforma en ferrita y cementita.

Grafito
Es duro y confiere baja resistencia. Mecánica, elasticidad y plasticidad en todas las fundiciones que lo contienen. Mejora el comportamiento a corrosión y desgaste.
Diagrama Fe-C.

El diagrama de equilibrio de las aleaciones hierro-carbono es una de las herramientas indispensables para conocer los constituyentes y las proporciones de las aleaciones a diversas temperaturas.
Es una representación gráfica en un diagrama de ejes cartesianos. En el eje de ordenadas se representan las temperaturas y en el de abcisas el porcentaje de carbono.
Para el estudio completo del diagrama se definen los porcentajes de carbono y temperaturas importantes:
a) Límites del diagrama. El diagrama es representado desde el 0% de carbono (hierro puro) hasta un 6,67% de carbono (Fe3C) que corresponde al de la cementita pura, que es el porcentaje de carbono máximo que puede ser combinado con el hierro en forma de carburo de hierro. A porcentajes mayores se tiene el carbono en forma de grafito. El diagrama se divide en dos partes en función del porcentaje de carbono (zona de aceros y fundiciones).
b) Puntos notables. El porcentaje de carbono define los límites de existencia del hierro puro, los aceros y las fundiciones. El hierro puro se encuentra en la parte izquierda del diagrama y posee porcentajes de carbono de entre O y 0,008%. Los aceros se encuentran comprendidos entre 0,008 y 1,76% C, dividiéndose en dos tipos, los aceros hipoeutectoides y los aceros hipereutectoides, separados por el eutectoide a 0,89% C. La existencia de los aceros hipoeutectoides se da desde el 0,008% C hasta el 0,89% C. Los aceros hipereutectoides, entre 0,89% C y 1,76% C. Mientras que las fundiciones se clasifican en hipoeutécticas (1,76-4,3% C) y hipereutécticas (4,3-6,67% C). La fundición eutéctica contiene un 4,3% de carbono.
c) Puntos S y C. El punto S es el eutectoide y se encuentra a 0,89 %C. Indica la composición de la austenita estable a más baja temperatura (723° C). Al descender la temperatura desde el estado austenítico a la temperatura ambiente en una aleación de 0,89% C y en condiciones de equilibrio se obtiene perlita formada por 86,5% de ferrita y 13,5% de cementita.
Para contenidos con mayor o menor porcentaje de carbono la austenita al cruzar las líneas Acm (SE) y A3 (GS) se transforma en cementita y en ferrita, respectivamente, antes de llegar a los 723° C y cruzar la línea A1. Al sobrepasar A1, la austenita se transforma siguiendo la reacción eutectoide.
El punto C es el eutéctico y tiene 4,3% C. Se caracteriza por ser la aleación de más bajo punto de fusión (1130° C) y su importancia radica en el hecho de que solidifica o funde a una sola temperatura. Marca la composición de la aleación que es capaz de permanecer es estado líquido a la menor temperatura posible (1130° C).
Al igual que en el eutectoide, las aleaciones con mayor o menor contenido de carbono experimentan en su enfriamiento la precipitación de cementita y austenita, respectivamente. En el eutéctico precipita ledeburita, formada por un 52% de cementita y un 48% de austenita de 1,76% C.
d) Puntos J, H, P Y E. El punto J (perieutéctico: 0,18% C y 1492° C) representa la austenita estable a más alta temperatura. Se pasa de hierro gamma + líquido a austenita durante su enfriamiento.
El punto H (0,08% C), es el máximo porcentaje de carbono que puede admitir una solución sólida de hierro alfa a 1492° C.
El punto P (0,025% C) es el máximo porcentaje de carbono que admite la ferrita a 723º C.
El punto E representa la máxima solubilidad del carbono en Fe γ (austenita). Se da a 1,76% C y 1130° C. El punto E divide el diagrama Fe-C en aceros y fundiciones. A mayor y menor temperatura la solubilidad del carbono en austenita se reduce.

También deben definirse temperaturas importantes en el diagrama Fe-C:
a) A0 (210° C). A esta temperatura se da el cambio magnético en la cementita. En su calentamiento pierde el magnetismo a 210° C.
b) A1 (723° C). Es el límite superior de existencia de la perlita. Se produce la reacción eutectoide a 0,89% C.
c) A2 (768° C). A esta temperatura se produce el cambio en el magnetismo de la ferrita, perdiendo el magnetismo al sobrepasar los 768° C en su calentamiento.
d) A3 (Línea SG). Representa el límite de existencia de la ferrita. En función del porcentaje de carbono la línea SG existe desde 910° C (0% C) hasta 723° C (0,89% C). Los puntos S, G Y P define la existencia de austenita y ferrita.
e) Acm (Línea SE). Representa el límite de existencia de la cementita por encima de los 723° C. La línea SE se extiende desde el punto eutectoide (0,89% e y 723° C) hasta el punto E de máxima solubilidad de carbono en austenita a 1130° C. Los puntos S, E y la línea A1 definen la existencia en equilibrio de la austenita y la cementita.
f) Línea EF. Se extiende desde 1,76% e y 1130° C hasta 6,67% e conteniendo el punto eutectoide. Representa el límite de existencia de la ledeburita.
g) Línea AHJECF. Línea de inicio de la fusión al calentar y solidificación del líquido al enfriar. A temperaturas inferiores a la línea la aleación se encuentra totalmente sólida. Por encima de ella el acero o fundición se encuentra en estado líquido. La temperatura mínima del estado líquido coincide con el punto C (eutéctico a 1130° C).
h) Línea ABCD. Es la línea de líquidos que indica la temperatura de inicio de solidificación al enfriar. A temperaturas superiores la aleación se encuentra en estado líquido.
i) Línea HB (A4). A 1492º C. Representa el límite superior de existencia de la austenita.

Procesos de solidificación.

Acero hipoeutectoide (0,1% de C)
A 1500° C empieza la solidificación de una solución sólida de carbono en hierro delta, en equilibrio con una matriz líquida. Al seguir enfriando y cruzar la línea A4 el líquido se transforma en hierro gamma (solución sólida de carburo en hierro gamma). Al cruzar la línea JN el hierro delta se transforma en hierro gamma o austenita. La existencia de la austenita se da hasta los 880° C y a medida que desciende la temperatura disminuye el tamaño de grano. Se produce la reacción eutectoide al cruzar la línea A3 (GS). La austenita se transforma en hierro beta (ferrita no magnética). Al descender la temperatura aumenta la proporción de hierro beta con detrimento de la austenita hasta llegar a la línea A1 a 723° C. La ferrita beta obtenida se transforma en hierro beta al sobrepasar los 768° C transformándose en magnética.
Al llegar a A1 (723° C) se tiene hierro alfa magnético y austenita no transformada (según la regla de la palanca). La ferrita sólo es capaz de admitir pequeñas cantidades de carbono (0,025% C a 723° C y 0,008% C a temperatura ambiente) por lo que la austenita no transformada tendrá un porcentaje de carbono de un 0,89% C.
Al sobrepasar A1 la austenita se transforma por completo en perlita (86,5% de Feα y 13,5% Fe3C) y con un 0,89% de carbono. La ferrita (formada antes de cruzar la línea A1) acompañará a la perlita obtenida en la transformación. Finalmente se produce el cambio magnético de la cementita. Al sobrepasar la línea A0 (210° C) durante el enfriamiento pasa a ser magnético.

Acero eutectoide (0,89% de C)
La solidificación de una aleación eutectoide comienza tras sobrepasar la línea BC a 1460º C donde empiezan a crecer los primeros cristales de Feγ (austenita). A medida que desciende la temperatura los cristales de austenita crecen y va disminuyendo la proporción de líquido (regla de la palanca). En el momento que se sobrepasa la línea JE solidifica el último líquido pasando a ser todo austenita (Feγ). Igual que en el estudio de la aleación hipoeutectoide, a medida que se desciende la temperatura en condiciones de equilibrio (enfriamiento lento), los granos van disminuyendo de tamaño.
Al sobrepasar los 723° C la austenita sufre la reacción eutectoide transformándose por completo en perlita (86,5% de ferrita + 13,5% de cementita). A los 210º C la perlita pasa a ser magnética.

Fundición hipoeutéctica (2,5% de C)
El enfriamiento lento de una fundición hipoeutéctica con un 1,3% de carbono empieza a solidificar cristales de austenita (Feγ) a los 1420º C. El descenso de temperatura provoca el crecimiento por solidificación de austenita a expensas de líquido (regla de la palanca) hasta llegar a cruzar la línea JE, donde la última gota de líquido se transforma en Feγ.
La austenita es estable y durante su enfriamiento disminuye el tamaño de grano hasta cruzar la línea Acm a los 900oe. A partir de este punto empieza a precipitar cementita alrededor de los granos de austenita. La cementita creada va creciendo a expensas de la austenita y a medida que disminuye la temperatura. Tras pasar la línea A1 a 723° C la austenita no transformada cuyo porcentaje de carbono es igual al eutectoide (0,89% C) se transforma en perlita (Feα+Fe3C)' Quedando finalmente perlita y cementita. Al igual que el resto de los aceros estudiados, al pasar los 210º C (A0) la cementita pasa a ser magnética.

Fundición eutéctica (4,3% de C)
Hasta los 1130º C la fundición con un 4,3% de carbono se mantiene en estado líquido. Sobrepasado el punto eutéctico solidifica completamente sin tener que pasar por fases intermedias de equilibrio (sólido + líquido). La transformación del líquido a ledeburita define el punto de transformación eutéctico. La ledeburita formada tiene un 52% de cementita y un 48% de austenita con un 1,76% de carbono. El descenso continuo y en equilibrio de la temperatura provoca la segregación de la austenita en cementita. Al llegar a los 723° C (temperatura de transformación eutectoide), la austenita (0,89% C) se transforma en perlita. Finalmente se tiene la perlita recién obtenida, la cementita eutéctica y la cementita secundaria obtenida por la segregación de la austenita. El enfriamiento por debajo de los 210º C produce el cambio magnético de la cementita.

Fundición hipereutéctica (5% de C)
El primer sólido cristalizado se produce a los 1400º C formando cementita proeutectoide o primaria en equilibrio con la fase líquida. Al cruzar la línea de 1130º C, transformación eutéctica, el líquido con un 4,3% e solidifica completamente formando la ledeburita. El enfriamiento en equilibrio posterior hasta la temperatura ambiente sigue el mismo proceso que el indicado para la fundición eutéctica. Finalmente se obtiene cemetita proeutéctica o primaria, cementita eutéctica generada a partir de la ledeburita y cementita proeutectoide o secundaria obtenida a partir de la segregación de la austenita de la ledeburita. Además contiene perlita de la transformación a los 723° C.
Ejercicio propuesto 3
Determinar la proporción de ferrita y cementita que hay en la perlita a temperatura ambiente.

Ejercicio propuesto 4
Determinar la proporción de ferrita y cementita que hay en ledeburita a temperatura ambiente.

Ejercicio propuesto 5
Determinar la proporción de ferrita y cementita de un acero hipoeutectoide de 0,5% de C a temperatura ambiente.

Ejercicio propuesto 6
Determinar la proporción de ferrita hipoeutectoide y perlita en un acero hipoeutectoide de 0,5% de C a temperatura ambiente

Ejercicio propuesto 7
Determinar la proporción de cementita y ledeburita en una fundición de 4,5% de C a 1145º C.

Ejercicio propuesto 8
Determinar la cantidad de perlita presente en una aleación hipoeutéctoide del 0,4% de C que se ha enfriado desde los 900º C hasta los 72º C.

Ejercicio propuesto 9
¿Qué porcentaje de carbono tiene un acero hipoeutectoide con un 45,2 % de ferrita eutectoide a temperatura ambiente?

Introducción a los materiales

1. Introducción a los materiales.
En Construcciones Metálicas una de las primeras etapas en la definición de un proyecto consiste en definir el material más adecuado para incorporarlo en el diseño.
La selección del material es una etapa crítica pues de él no sólo dependen las propiedades mecánicas (resistencia, ductibilidad o dureza), las propiedades fisicoquímicas (conductividad, dilatación, etc.) o su coste económico, sino que además deben tenerse en cuenta una gran cantidad de requisitos, como por ejemplo:
- Su capacidad de conformación manteniendo las tolerancias y acabados superficiales especificados en los planos.
- Su capacidad para mantener las propiedades mecánicas iniciales estando en el medio de trabajo requerido duran el tiempo de servicio sin sufrir degradación (oxidación, corrosión, desgaste, etc.)
- Su capacidad de reciclado después de su uso.
Es por tanto muy importante conocer los distintos tipos de materiales que pueden utilizarse, sus propiedades, su capacidad para ser conformados, el comportamiento en servicio y el coste de su adquisición y manufactura.
En este primer capítulo se describen brevemente los principales tipos de materiales así como las principales propiedades fisicoquímicas, mecánicas y tecnológicas.

2. Clasificación de los materiales.
Los materiales se clasifican en función de su estructura química y atómica en tres familias principales: metálicos, cerámicos y poliméricos. Además, se pueden incluir otros dos grupos: compuestos y electrónicos debido a su gran importancia actual.

Materiales metálicos.
Los metales y sus aleaciones son sustancias inorgánicas compuestas por elementos metálicos como el hierro, aluminio, cobre, zinc, etc., que pueden contener algunos elementos no metálicos como es el carbono, el nitrógeno, el oxígeno, etc.

Los metales son utilizados en estado puro sin la adición de otros elementos, o también como combinación de dos o más metales y no metales, con el fin de mejorar ciertas propiedades. A estos últimos se les denominan aleaciones.
Se caracterizan por tener brillo metálico y elevada conductividad eléctrica y térmica, características que son atribuidas a la gran cantidad de electrones deslocalizados que caracterizan el enlace metálico.
Su estructura cristalina muestra los átomos ordenados en el espacio. Son aptos en los procesos de deformación plástica.
Se utilizan en aplicaciones estructurales por sus buenas propiedades mecánicas (resistencia y dureza) y como conductores eléctricos por su buena conductividad.
Las aleaciones se clasifican en dos grandes grupos en función de su contenido en hierro. Aleaciones férreas (con alto contenido de hierro: aceros y fundiciones) y las aleaciones no férreas, cuando no se tiene hierro o éste se encuentra en pequeñas cantidades: aleaciones de aluminio, de cobre, de cinc o de níquel.
Materiales poliméricos o plásticos.
Los polímeros son compuestos orgánicos formados por carbono, hidrógeno y algunos elementos no metálicos, caracterizados por formar largas cadenas de elevado peso molecular. Se obtienen por procesos de polimerización a partir de pequeñas moléculas orgánicas e incluyen a los cauchos, plásticos y adhesivos.

Los polímeros son compuestos orgánicos formados por carbono, hidrógeno y algunos elementos no metálicos, caracterizados por formar largas cadenas de elevado peso molecular. Se obtienen por procesos de polimerización a partir de pequeñas moléculas orgánicas e incluyen a los cauchos, plásticos y adhesivos.
El término polímero significa muchos monómeros. Los monómeros son compuestos sencillos que pueden enlazarse de forma covalente con otros para formar largas cadenas moleculares. El etileno o el cloruro de vinilo son ejemplos de monómeros que al enlazarse unos con otros de forma covalente generan los polímeros de polietileno (PE) y de policloruro de vinilo (PVC), respectivamente.
Se caracterizan por tener baja densidad, gran flexibilidad y ser aislantes. Además, tienen temperaturas de descomposición o ablandamiento relativamente bajas por lo que no son adecuados en aplicaciones a altas temperaturas.
Los polímeros termoplásticos forman una larga cadena principal de átomos de carbono unidos de forma covalente. Tienen buena ductilidad y conformabilidad debido a su estructura formada por largas cadenas no conectadas por enlaces covalentes. Se comportan de forma plástica al ser calentados (ABS, PE, PP Y PET) Y en la industria se conforman por fusión y posterior solidificación en molde.
Los polímeros termoestables son más resistentes y frágiles por formar redes tridimensionales (epoxy, fenólicos y siliconas). Al calentarse sufren una reacción química que los transforma en redes macromoleculares ricas en entrecruzamientos. No pueden ser re procesados después de ser calentados porque se descomponen.
Los elastómeros como el caucho se caracterizan por tener grandes deformaciones elásticas debido a su estructura de cadenas entrecruzadas obtenidas en los procesos de vulcanización (estireno-butadieno).
· Lineales. Las cadenas tienen formas lineales sin ramificaciones y se caracterizan por su gran flexibilidad.
· Ramificados. Las cadenas principales lineales se enlazan con otras trasversales.
· Entrecruzados. La cadenas lineales están unidas de forma transversal por enlaces covalentes. Como es el caso del caucho vulcanizado.
· Reticulados. Forman redes tridimensionales (epoxy y fenol-formaldehidos).
También se clasifican en función de la repetición de la unidad monomérica en homopolímeros y copolímeros.
· Homopolímeros. Están formados por una única unidad repetitiva o monómero. Si el monómero es la unidad A la secuencia del homopolímero es AAAAAAA.
· Copolímero. La cadena del polímero está formada por dos o más monómeros o unidades repetitivas. Se diferencian cuatro tipos de copolímeros en función de la periodicidad de repetición de los monómeros:
- Copolímeros estadísticos. La secuencia de ordenamiento de cada uno de los monómeros es aleatoria. AABAAABBA.
- Copolímeros alternantes. La secuencia de ordenamiento es alternante. ABABABA.
- Copolímeros en bloque. Los monómeros se ordenan en bloques de repetición como AAAA-BBBB-AAAA-BBBB.
- Copolímeros de injerto. Lo conforman aquellos polímeros con una cadena principal formada por un monómero A en el que se encuentran injertados pequeñas cadenas formadas por el monómero B.
La fabricación de piezas de plástico se realiza mediante diferentes técnicas de moldeo en función de la geometría de la pieza que se desea obtener. Los principales procesos son: moldeo por compresión, inyección, extrusión y soplado.
· Moldeo por compresión. Se emplea en la fabricación de piezas huecas de gran tamaño y poco espesor. El procedimiento consiste en introducir en la cavidad de un molde caliente de acero la resina termoestable en forma de granos o en estado pastoso. Se presiona la resina para que adquiera la forma negativa de la cavidad del molde y se extrae la pieza caliente después de separar las dos partes del molde.
· Inyección. Es el procedimiento de mayor empleo en la fabricación de la mayoría de piezas de plástico. Consiste en introducir la materia prima en forma de granza dentro de un cilindro sinfín con calefacción que durante su movimiento rotativo permite el avance del plástico y su cambio a un estado viscoelástico ideal para llenar la cavidad del molde con la forma geométrica a obtener. El plástico tratado es inyectado por un movimiento de traslación del cilindro plastificador a la cavidad del molde. Después del enfriamiento la pieza es extraída de la cavidad.
· Extrusión. Permite obtener piezas de sección constante como tubos o varillas además de recubrir cables conductores. Consiste en forzar al material en estado plástico a pasar por una salida llamada hilera de cuya forma depende la pieza obtenida. El material plástico sale de forma continua y se enfría al aire.
· Soplado. Se emplea en la obtención de botellas y cuerpos huecos. Consiste en introducir una cantidad de material plástico reblandecido a cierta temperatura (paterson) en un molde abierto. El cierre del molde atrapa parte del material que es empujado hacia las paredes de la cavidad por el insuflado de aire. El plástico se adapta a las paredes frías de la cavidad y se endurece. La apertura y extracción de la pieza termina con el proceso de soplado.
Materiales cerámicos.
Son compuestos químicos formados por metales y no metales (óxidos, carburos y nitruros). De entre ellos: el vidrio, la porcelana, los abrasivos o los refractarios, son los más empleados industrialmente.
Son materiales duros, fuertes y frágiles. La baja conductividad eléctrica y térmica les confiere buenas propiedades como aislantes.
Se comportan mejor que los metales y los polímeros a elevadas temperaturas y bajo condiciones ambientales agresivas, sin embargo su fragilidad no los hace aptos en muchas aplicaciones industriales.
Los materiales cerámicas se clasifican en función de su aplicación en: vidrios, vitrocerámicas, productos de arcillas, refractarios, abrasivos, cementos y cerámicas avanzadas.
- Vidrios. Contienen un 70% de sílice además de sosa y cal, en estado no cristalino. La resistencia al calor y a los choques térmicos se consigue incrementando el porcentaje de sílice.
- Vitrocerámicas. Son vidrios que por procedimientos de solidificación controlada pierden su estado amorfo para llegar a un estado policristalino. A diferencia de los vidrios, tienen un coeficiente de dilatación muy bajo que los hace aptos en aplicaciones a elevadas temperaturas, como en intercambiadores de calor o encimeras de cocina.
- Arcillas. Son silicatos de aluminio hidratados fáciles de conformar. Sus productos se clasifican en función de su estructura de grano en línea blanca (grano fino) y en línea estructural (grano grueso). La línea blanca se emplea en la fabricación de sanitarios y vajillas, pudiendo estar esmaltados. La línea estructural, en ladrillos y baldosas.
- Refractarios. Compuestos por partículas gruesas de óxidos metálicos unidos por material refractario más fino. Resisten el ataque químico y elevadas temperaturas por lo que son idóneos en aplicaciones sometidas a choques térmicos (ladrillos de hornos y crisoles).
- Abrasivos. Pueden ser naturales o artificiales y comprenden a materiales como el diamante, el carburo de silicio, el carburo de tungsteno o la alúmina. Se emplean como muelas abrasivas para operaciones de desgaste o corte de otros materiales más blandos.
- Cementos. Están formados por silicatos de calcio en forma de polvo fino. Al mezclarlo con el agua se forma una pasta que endurece con el tiempo a temperatura ambiente. Su mezcla con arena o gravilla forma el hormigón. Tiene muy buenas propiedades a compresión.
- Cerámicas técnicas. Poseen composiciones químicas muy controladas. Se clasifican en función de sus aplicaciones en electrónicas, ópticas, magnéticas y estructurales.









Materiales compuestos.
Son materiales formados por dos o más constituyentes con diferente forma y composición química, e insolubles entre sí. Esta mezcla de dos o más constituyentes hace que el material resultante posea las mejores propiedades de cada uno de los componentes por separado.
Están compuestos por una matriz o material aglutinante y otros materiales en forma de fibras o partículas. Entre los diferentes tipos que existen destacan los materiales reforzados y los aglomerados.
Los primeros materiales compuestos se desarrollaron durante la Segunda Guerra Mundial y consistían en una matriz plástica (polímero) y un refuerzo con forma de fibra (vidrio o carbono), tomando la resistencia de la fibra y la ligereza del polímero.
Los materiales compuestos son más caros que los materiales tradicionales pero sus propiedades (ligereza y resistencia) los hacen muy aptos en aplicaciones como la aeronáutica, automación y en construcción civil. En función de la matriz y del refuerzo seleccionado además de ligereza y resistencia mecánica puede obtenerse elevada resistencia química, resistencia al impacto, excelente aislamiento térmico, resistencia al fuego y resistencia a la fatiga.
También pueden clasificarse en función de la forma de las partículas de refuerzo y del tipo de matriz según el esquema:
Ejercicio propuesto 1:
Seleccionar el material compuesto más adecuado para las siguientes aplicaciones industriales: palos de golf, bicicleta de montaña y una biela de un motor.





3. Clasificación de los materiales.

La selección del material más adecuado para la fabricación de una pieza depende de la estructura y de las propiedades del mismo así como el procedimiento de conformación utilizado para darle la forma final.
1) Estructura. Se caracteriza a diferentes niveles: nivel atómico, subatómico y como fase.
o A nivel subatómico la estructura está definida por la distribución de los electrones en cada uno de los átomos y sus propiedades dependerán de la interacción de los electrones con el núcleo. De esta forma se define el comportamiento eléctrico, térmico, magnético y óptico. Además, la configuración de lo electrones define el tipo de enlace que se establece entre los átomos (enlace iónico, covalente y metálico).
o A nivel atómico, los átomos o moléculas pueden distribuirse espacialmente de forma ordenada (cristalina) o de forma desordenada (amorfa).
o Un tercer nivel lo constituye la posibilidad de creación de diferentes fases en un mismo material. Las fases tienen estructura, composición química y propiedades homogéneas y diferentes entre cada una de ellas. La cantidad de cada fase presente, su tamaño y su distribución influye decisivamente en las propiedades, por ejemplo, de los aceros.
2) Propiedades. La propiedad de un material se establece en función de la respuesta de éste frente a un estímulo externo. La respuesta dependerá de sus propiedades mecánicas, eléctricas, térmicas, ópticas y magnéticas.
Como se indicó anteriormente, la selección del material más adecuado para la fabricación de una pieza depende de la estructura y de las propiedades del mismo así como el procedimiento de conformación utilizado para darle la forma final. A parte de esto, también debe tenerse en cuenta la posibilidad de degradación del material y por último, el coste del producto.









4. Clasificación de los materiales.

Se distinguen las propiedades fisicoquímicas, mecánicas y tecnológicas.

Propiedades fisicoquímicas.

Expresan las características físicas y químicas de los materiales.

Densidad.
Es la masa contenida por unidad de volumen de un cuerpo. Depende de la temperatura, y si se trata de una mezcla, también depende de su composición. Se expresa como kg/m3 o g/cm3.
En la selección de materiales para el diseño se tiene en cuenta la densidad del material para determinar el coste por kilogramo de la materia prima. También se tiene en cuenta la relación resistencia-peso, o mejor dicho la resistencia a la tracción (GPa) dividida por la densidad (g/cm3).

Conductividad.
Propiedad de un material que permite transmitir la electricidad o el calor. En muchas ocasiones se utiliza el concepto inverso, el de resistividad, que es la propiedad de un material de impedir que se transmita a través de él la electricidad o el calor.
La resistividad de un material varía de forma clara con los cambios de temperatura, según la siguiente fórmula:
Donde es la resistividad a temperatura ambiente (25º C), es el coeficiente térmico de la resistividad de cada material y T2 y T1 son las temperaturas final e inicial, respectivamente. La conductividad eléctrica ( ) y representa la facilidad con la que puede conducirse la corriente eléctrica en un sólido. La conductividad es la inversa de la resistividad ( ).
Ejemplos de materiales con una alta conductividad eléctrica son la plata, el cobre, el aluminio, etc. y como ejemplo de materiales opuestos, es decir, con una baja conductividad (o una alta resistividad) tenemos a los plásticos, a las cerámicas, etc.

Dilatación.
Aumento del volumen que experimenta un cuerpo debido a la separación de sus moléculas como consecuencia del incremento de la temperatura. Al aumentar el volumen se disminuye la densidad. La dilatación depende del estado del cuerpo (los gases pueden dilatarse más que los sólidos). En la dilatación de los sólidos se define el coeficiente de dilatación, lineal, superficial y cúbica, en función del alargamiento experimentado por el cuerpo en una, dos o tres direcciones.

Punto de fusión.
Es la temperatura a la cual una sustancia cambia del estado sólido al estado líquido.


Calor específico.
Es la cantidad de calor necesario para elevar un grado la temperatura de una unidad de masa. El calor específico de un cuerpo depende de las condiciones en las que se realiza la medición y del estado del cuerpo. En muchas ocasiones se utiliza la relación existente entre el calor específico del cuerpo en estudio y el calor específico de un patrón que, normalmente es el agua.
El calor específico (c), al representar la capacidad calorífica por unidad de masa tiene unidades (J/kg-K o cal/g-K).

Resistencia a la corrosión.
Es la oposición de un material a su deterioro gradual por procesos químicos como la oxidación o el ataque de un producto por corrosión. La acción corrosiva se debe, principalmente, a la acción del agua de lluvia y las atmósferas industriales contaminantes.
Los mecanismos de deterioro de los materiales son diferentes en función de su naturaleza. Así, los metales experimentan pérdida de material por su disolución (corrosión) o por la formación de una capa externa de óxido (oxidación). Los materiales cerámicos son más resistentes que los metales pero a elevadas temperaturas y en ciertas atmósferas pueden experimentar perdida de material por corrosión. La corrosión en los metales se da principalmente por los siguientes procesos:
- Corrosión uniforme. Ataca por igual a toda la superficie de la pieza expuesta a la acción corrosiva y puede detectarse por simple observación superficial.
- Corrosión galvánica. Se produce por la unión eléctrica de dos metales con distintas composiciones químicas (serie galvánica) en un electrolito. El metal noble sufre la corrosión (ánodo) mientras que el inerte queda protegido (cátodo).
- Corrosión por picaduras. Es una corrosión localizada que forma pequeños agujeros que penetran hacia el interior del metal base. Es difícil de detectar por las pequeñas dimensiones de las picaduras y por la insignificante pérdida de material sufrida. Es peligrosa por la disminución de las propiedades mecánicas.
- Corrosión por aireo diferencial. Se da en piezas que se encuentran en electrolitos con diferentes concentraciones para las diferentes regiones de la pieza. Una parte de la pieza será anódica mientras que la otra será catódica. Se presenta en grietas o zonas estancas de las piezas donde hay empobrecimiento en la concentración de oxígeno. La parte de la pieza en contacto con el O2 será catódica y no sufrirá la corrosión, mientras que la parte no aireada actúa de forma anódica y se corroe. Suele darse en piezas que están en contacto parcial con un medio líquido y es muy peligroso porque la parte corroída, al estar sumergida, no es directamente visible.
- Corrosión por erosión. Se produce al combinar la acción erosiva (abrasión mecánica o desgaste) junto con el ataque químico. Se dará mucho en las herramientas de corte
- Corrosión bajo tensiones. Combina la acción química (ambiente corrosivo) junto con la aplicación de tensiones mecánicas. La formación de las grietas se produce por la acción conjunta de tensiones mecánicas y la acción corrosiva del medio. Muchas aleaciones metálicas rompen a tensiones más bajas debido a la acción corrosiva del medio.

Oxidación.
Se produce por la acción de atmósferas gaseosas (aire) sobre el metal o aleación creando capas de óxido en la superficie externa de las piezas. La capa de óxido creada puede actuar como barrera evitando que continúe la oxidación o puede romperse y desprenderse de la superficie, dejando una nueva superficie libre para que continúe el proceso oxidativo.
Los metales son resistentes a la oxidación cuando son capaces de crear una capa de óxido protectora que evite la propagación de la oxidación.
Los aceros inoxidables, contienen cromo y aluminio y son capaces de crear una capa de óxido superficial de elevada temperatura de fusión y gran resistencia que dificulta el proceso de difusión de la oxidación.

Propiedades mecánicas.

Expresan el comportamiento de los metales frente a esfuerzos o cargas que tienden a alterar su forma.

Resistencia.
Capacidad de soportar una carga externa. Si el metal debe soportarla sin romperse se denomina carga de rotura y puede producirse por tracción, por compresión, por torsión o por cizallamiento. La resistencia a la tracción será el valor de diseño de una pieza de acero, en una estructura metálica, ya que un acero siempre aguantará mejor los esfuerzos de compresión, de torsión o de cizalladura. La resistencia a la tracción, de un perfil metálico, será el máximo esfuerzo que aguante sin romperse estirando de él perfil por cada uno de sus extremos.

Resistencia a la fractura.
Es la oposición a la separación de un cuerpo en dos o más partes al aplicar una tensión estática. Se conocen dos tipos de fracturas en los materiales: fractura dúctil y fractura frágil.


Dureza.
Resistencia ofrecida por el material cuando es sometido a una carga que implica una deformación permanente. Los métodos más utilizados para medir la dureza de un material se basan en medir la huella que deja un penetrador en forma de bola, en forma de cono o de diamante sobre la superficie del material. Cuanto mayor sea la huella dejada, menor será la dureza del material. Los métodos más utilizados son los siguientes:
- Brinell
- Rockwell
- Vickers
El ensayo Brinell consiste en comprimir una bola de acero templado, de diámetro determinado, sobre el material que se ensaya, por medio de una carga y un tiempo establecido. Se encuentra la dureza del material según el área dejada por la bola en el material.
Para realizar el cálculo, se mide el diámetro de la huella (d) dejada por la bola (D, diámetro) y se aplica la ecuación HB. Aunque la mayoría de durómetros Brinell la dureza puede leerse directamente de la máquina sin aplicar ninguna ecuación.
La Norma UNE especifica que para el hierro y acero se debe emplear la bola de 10mm de diámetro y carga de 3000Kg, aplicada durante diez segundos. Para las aleaciones no férreas prescribe la bola de 10mm de diámetro y carga de 500Kg, aplicada durante 30 segundos. Estas especificaciones no pueden ser empleadas cuando las piezas ensayadas tengan poco espesor, pero se podrá obtener el mismo número Brinell si se conserva el coeficiente de proporcionalidad entre carga y D2 de la bola.
El coeficiente de proporcionalidad hace que este tipo de ensayo sea de gran utilidad debido a que cualquier modificación de las condiciones de ensayo deberá someterse a las siguientes relaciones:
P=30D2 P=5D2
Para el hierro y el acero (K=30) Para latón, bronce y aleaciones (K=5)
donde, P= Carga aplicada en Kg y D= Diámetro de la bola en milímetros.
La dureza Brinell se indica como XXHB(D,F,T). De donde XX hace referencia al grado de dureza Brinell obtenido (Kg/mm2), D es el diámetro de la bola en milímetros, F la carga aplicada y T el tiempo de aplicación de la carga.
Un material con la designación 350 HB 5/750/20 nos indica que el valor de la dureza es de 350 y se ha obtenido en un ensayo Brinell mediante la utilización de una bola de diámetro 5mm aplicando una carga de 750Kg durante 20 segundos.
Ejercicio propuesto 2:
Se ha realizado un ensayo de dureza Brinell con una bola de diámetro D= 10mm. Sabiendo que el material ensayado tiene una constante de ensayo K=10, el diámetro de la huella obtenido es de d=1,78mm y el tiempo de ensayo 15 segundos. Determinar la dureza Brinell del material.















Elasticidad.
Capacidad de un material para retomar su forma original al cesar la carga que lo ha deformado.
Límite elástico.
Se llama límite elástico a la carga máxima que puede soportar un metal sin sufrir una deformación permanente después de cesar la carga que lo deforma. Es el esfuerzo requerido para producir deformación plástica. En un diagrama de tracción (esfuerzos-deformaciones), el límite elástico divide la gráfica en deformaciones elásticas y deformaciones plásticas o permanentes

Límite elástico.
Es la relación entre el esfuerzo y la deformación cuando ésta es únicamente elástica. Es una medida de la rigidez del material. También se conoce como Módulo de Young (E). Para la mayoría de los metales está comprendido entre 4,5x104 MPa y 40,7x104 MPa. En las curvas tensión-deformación es la pendiente de la zona elástica. La expresión que lo define es:
Donde σ es la tensión cuyas unidades son el megapascal (MPa), ε es la deformación (adimensional cm/cm o m/m) y E es el Módulo Elástico o Módulo de Young (Mpa).







Ejercicio propuesto 3:
Se ha realizado un ensayo de tracción a una probeta de D0= 13,8mm y longitud entre puntos L0= 100mm. Se han obtenido los siguientes resultados:
F (N)
5000
7500
10000
12500
15000
17500
20000
L (mm)
0,041
0,062
0,083
0,103
0,126
0,148
0,169
Calcular el módulo medio de Young o módulo de elasticidad.
















Ejercicio propuesto 4:
Una barra de sección circular y diámetro 2,5cm es sometida a una carga de tracción de 3000kg. Determinar el esfuerzo que soporta la probeta en megapascales (MPa).




Ejercicio propuesto 5:
Conociendo la curva-tensión adjunta determinar: el Módulo de elasticidad, el límite elástico para una deformación del 0,02 y la carga máxima que soporta una probeta de diámetro 12mm.









Relación de Poisson (μ).
Es la relación negativa de las deformaciones laterales y axiales que resultan de aplicar un esfuerzo axial en la deformación elástica. Relaciona la deformación elástica longitudinal producida por una tensión de tracción o compresión, con la deformación que se produce en la dirección perpendicular a la aplicación de la carga.
Plasticidad.
Capacidad de deformación de un metal por la acción de una fuerza externa sin que la deformación desaparezca cuando cesa la fuerza. La deformación plástica de los metales define los procesos de fabricación como la laminación, embutición, doblado y corte cuando la temperatura empleada es inferior a la de recristalización (conformado en frío). Los procesos como la forja emplean temperaturas superiores a la de recristalización y se considera como una conformación en caliente.

Tenacidad.
Capacidad de un material que expresa su resistencia frente a esfuerzos de tracción deformándose y estirándose sin que se produzca la fractura. También puede definirse como la energía absorbida por un material en su deformación y rotura. Los materiales tenaces absorben gran cantidad de energía antes de romperse, parte de la cual se consume en la deformación elástica y el resto en la deformación plástica.

Fragilidad.
Expresa la capacidad de un material a romperse sin que se aprecie deformación cuando es sometido a una carga o choque. Expresa falta de plasticidad, y por tanto, de tenacidad. Los materiales frágiles se rompen en el límite elástico, es decir su rotura se produce espontáneamente al sobrepasar la carga correspondiente al límite elástico.

Resiliencia.
Resistencia de un material a su rotura por choque. Se determina en el ensayo Charpy y se expresa como la energía absorbida (julios) en la rotura por unidad de sección (m2). La medida de la resiliencia depende de la geometría de la probeta, del aparato utilizado y de la temperatura del ensayo. Se expresa en julios/metro2 (kg/s2 y N/m).







La resiliencia varía con la temperatura. A bajas temperaturas el material tiene un comportamiento más frágil y absorbe menos energía en el impacto. Lo contrario ocurre a elevadas temperaturas donde se absorbe más energía y el comportamiento es más dúctil. Existe un intervalo de temperaturas conocido con el nombre de temperatura de transición, donde se produce el cambio del comportamiento frágil a dúctil con la temperatura.

Ejercicio propuesto 6:
Se realiza un ensayo de resiliencia (Charpy) dejando caer una maza de 22 Kg desde una altura de 1m sobre la probeta y, después de romperla, el martillo se eleva hasta una altura de 0,67m. Calcular la resiliencia y la velocidad que alcanza la maza en el momento del impacto.






Fatiga.
Es la rotura que experimenta un material cuando se somete a la acción de cargas son periódicas (alternativas o intermitentes), inferiores a su límite elástico. Las cargas son cíclicas pueden ser de rotación, flexión o vibración.
La rotura por fatiga se produce en tres etapas: iniciación, propagación y rotura final. La rotura se debe a la propagación inicialmente lenta y posteriormente rápida de una grieta engendrada en la superficie de la pieza fracturada.
En la etapa de iniciación o incubación se genera la microgrieta en la superficie de la pieza después de un ciclo de carga determinado. El acabado y la dureza superficial son factores que pueden retardar su aparición.
En la etapa de propagación, la grieta avanza por la sección transversal de la pieza de forma más o menos rápida hasta que la sección es insuficiente y no puede soportar la tensión aplicada produciéndose la rotura rápida.
Las máquinas empleadas para su medición son capaces de aplicar tensiones variables en sentido y magnitud a las piezas ensayadas y contar el número de ciclos hasta la rotura.
Para su correcto conocimiento deben ensayarse varias probetas a diferentes tensiones y representar en un diagrama las tensiones frente al número de ciclos necesarios para la rotura final.
Se define el límite de fatiga como la tensión por debajo de la cual la pieza soportará infinitos ciclos de fatiga sin llegar a romper con una probabilidad del 50%.
La resistencia a la fatiga es la tensión mayor por debajo de la cual no se produce rotura en un número determinado de ciclos (107).
La vida a fatiga representa el número de ciclos que son necesarios para fracturar una probeta bajo una tensión cíclica determinada. En muchos materiales el límite de fatiga es la mitad que su resistencia a la tracción.
Además de la composición química y otras características intrínsecas del material se tienen en cuenta otros factores que afectan a la vida a fatiga:
- Concentración de esfuerzos. Los cambios bruscos en la sección de las piezas ensayadas (agujeros, cuñas, entallas, etc.) provocan concentradores de tensiones que disminuyen la vida a la fatiga.
- Tipo de tensión. La magnitud (tensión) y el sentido de la carga (oscilante, pulsatoria, tracción, compresión, etc.) modifican el número de ciclos a fatiga.
- Estado superficial. El mejor acabado superficial en las piezas ensayadas incrementa la vida a la fatiga. Cuando las piezas tienen gran rugosidad se crean concentradores de tensión que disminuyen su vida en servicio.
- Atmósfera. El ambiente corrosivo junto con las condiciones cíclicas de fatiga facilita la propagación de la grieta y disminuye el número de ciclos a la falla.
Las piezas rotas por fatiga presentan en la superficie de fractura dos zonas fácilmente diferenciables a simple vista. La primera zona tiene aspecto de concha y se origina en un punto o defecto superficial de la pieza. Se caracteriza por tener las denominadas marcas de playa o crestas de forma semicircular que indica cómo se desarrolla el avance de la grieta con el número de ciclos. La segunda zona surge a continuación de la primera, tiene el grano fino con aspecto brillante y es debido a la rotura frágil final de la pieza.

Propiedades tecnológicas.
Determina la capacidad de un metal a ser conformado en piezas o partes útiles o aprovechables. Estas son:
Ductibilidad.
Es la capacidad del metal para dejarse deformar o trabajar en frío sin que se produzca la rotura. Aumenta con la tenacidad y disminuye al aumentar la dureza. Los metales que presentan mayor ductibilidad son el hierro, el cobre, el níquel y el aluminio.
Para su evaluación en los ensayos de tracción se emplea el % de elongación y el % de reducción en área o estricción.

Donde L0 y A0 es la longitud y sección inicial de la probeta y LF y AF la longitud y sección final en el momento de rotura.
En los diagramas de tensión- deformación pueden distinguirse los compartimientos dúctiles de los frágiles. Los materiales frágiles tienen deformaciones a rotura pequeñas, menores de un 5%. La zona plástica es pequeña por lo que visualmente se verán las probetas con roturas prácticamente rectas sin estricción aparente. Los materiales dúctiles tienen gran deformación plástica, de un 30% a un 45% (elongación).

Ejercicio propuesto 7:
Determinar la ductibilidad como porcentaje de estricción de una probeta cilíndrica que es deformada en frío desde un diámetro inicial de 15mm hasta un diámetro final de 12mm.














Colabilidad.
Es la capacidad de un metal fundido para llenar un molde, de manera que adopte su forma y llene los huecos por pequeños y complejos que sean. Los metales más colables son la fundición de hierro, el bronce, el latón y las aleaciones ligeras. La colabilidad varía según la temperatura de sobrecalentamiento, de las condiciones enfriamiento del molde y de la velocidad de colada.
Soldabilidad.
Es la aptitud de un metal para soldarse con otro de la misma especie bajo presión ejercida sobre ambos en caliente. Poseen esta propiedad los aceros de bajo contenido de carbono.

Maquinabilidad.
Para su determinación se tienen en cuenta diversos criterios como la duración de la herramienta para una determinada velocidad de corte o la calidad de la superficie mecanizada, la fuerza de corte o la formación de la viruta. Son fácilmente mecanizables la fundición gris y el bronce, con virutas cortadas en forma de escamas. El acero dulce y las aleaciones ligeras de alta tenacidad, producen virutas largas.
En los aceros la maquinabilidad depende de los elementos aleantes contenidos. El carbono, elemento indispensable en los aceros, no sólo determina la mayoría de las propiedades mecánicas sino que además dificulta la maquinabilidad. Otros elementos como el manganeso, níquel y cobalto también dificultan el mecanizado y otros como el plomo, azufre, fósforo y porcentajes de carbono de entre 0,3 y 0,6% facilitan el mecanizado.
Otras propiedades que afectan a la Maquinabilidad son la estructura del material, la dureza y resistencia, la ductibilidad y la conductividad térmica entre otras.