TEMA5
PARTE 1: MATERIALES METÁLICOS
Los materiales metálicos podemos clasificarlos en dos grandes grupos:
Aleaciones férreasy aleaciones no férreas.
1. ALEACIONES FÉRREAS
Su principal componente es el hierro, y son las que más se producen y las que tienen mayorinterés como material para la construcción de aparatos.El único inconveniente es su susceptibilidad a la corrosión.
1.1. ACEROS
Son aleaciones hierro-carbono cuyas propiedades mecánicas dependen del contenido en carbono que suele ser inferior al 1%. Podemos clasificarlos en aceros al carbono, cuando sólo tiene concentraciones residuales de impurezas distintas al carbono, y aceros aleados, cuando se añaden intencionadamente elementos de aleación en concentraciones específicas.
A) Aceros bajos en carbono (%C
No responden al tratamiento térmico para formar martensita, y se endurecen por acritud(deformación plástica).Microestructura; está formada por ferrita y perlita.
Propiedades mecánicas: Baja dureza y resistencia mecánica. Alta ductilidad y tenacidad.Fácil mecanizado, soldables y baratos.
B) Aceros medios en carbono (0,25 < %c=»»>
Se suelen emplear con estructura de martensita revenida, pero como son de baja templabilidad, las piezas deben ser de pequeño espesor y utilizar altas velocidades de temple.Son aceros más resistentes que los de bajo contenido en carbono, pero menos dúctiles y tenaces.
C) Aceros altos en carbono (0,60 < %c=»»>
Son mucho más resistentes y menos dúctiles. Se suelen utilizar templados y revenidos, ya que son más resistentes al desgaste.
D) Aceros inoxidables
Son aceros que resisten la corrosión en muchos ambientes. Tiene como principal elementode aleación el cromo, con una concentración mínima del 11%, aunque también se le suele adicionar níquel y molibdeno, para mejorar más su resistencia a la corrosión.
1.2. FUNDICIONES
Son aleaciones férreas con un contenido en carbono superior al 2%, aunque la mayoría contiene entre un 3 y un 4,5 % de carbono. Funden a temperaturas más bajas que los aceros y se moldean con facilidad, con lo que está técnica de conformado suele ser la más conveniente,sobre todo en algunas fundiciones frágiles.La cementita, que es un compuesto metaestable, tiende a descomponerse en hierro alfa y carbono (grafito)
. Para controlar este proceso, se regula mediante la composición y velocidad de enfriamiento. Facilitan la formación de grafito, la presencia de silicio en concentraciones superiores al 1% y el empleo de bajas velocidades de enfriamiento.
Las fundiciones podemos clasificarlas en: gris, dúctil, blanca y maleable.
A) Fundición grisSu microestructura está formada por láminas de grafito dentro de una matriz de perlita
o ferrita.
Contenido en carbono: entre 2,5 a 4%. Contenido en silicio: entre 1 y 3%.La velocidad de enfriamiento moderada y baja favorece la formación de grafito, aunque en el primer caso se favorece la formación de una matriz perlítica, y en el segundo caso, ferrítica.Debido a que las láminas de grafito actúan de concentradores de tensiones, es frágil y poco resistente a la tracción.
Sin embargo, es resistente y dúctil a esfuerzos de compresión.
También es fácilmente moldeable, mecanizable, resistente al desgaste, barata y con una excelente capacidad de amortiguamiento vibracional.
B) Fundición dúctil (o esferoidal)
Al adicionar a la fundición gris en estado líquido, pequeñas cantidades de magnesio y/o cerio, en lugar de láminas de grafito, se forman esferas de grafito.
Mejora la tenacidad y ductilidad, y es más resistente que la fundición gris, con lo que sus propiedades son más parecidas a la del acero.
C) Fundición blanca
Son fundiciones bajas en carbono, con un contenido en silicio inferior al 1%, que han sido enfriadas a elevada velocidad, con lo que en vez de grafito, se obtiene cementita.Su fractura ofrece una superficie con tonalidad blanca.Por la gran cantidad de fase cementita, la fundición blanca es extremadamente dura y frágil, hasta el punto de ser inmecanizable. Por tanto, su aplicación se limita a componentes de gran dureza y resistencia al desgaste y sin ductilidad.
D) Fundición maleable
Para obtenerla se parte siempre de una fundición blanca.
Si se calienta en un horno a unos 800 o 900ºC, durante un tiempo prolongado en atmósfera neutra, la cementita se descompone formando aglomerados de grafito.
Si a continuación se enfría, se obtiene una matriz ferrítica (menor velocidad) o perlítica.Tiene una resistencia relativamente alta y ductilidad o maleabilidad.
2. ALEACIONES NO FÉRREAS
Los inconvenientes que presenta el acero son:1. Densidad relativamente alta.2. Conductividad eléctrica baja.3. Susceptibilidad a la corrosión.Para muchas aplicaciones es corriente utilizar otros metales con una combinación más apropiada de propiedades. Entre ellas se encuentran:
2.1 COBRE Y ALEACIONES
El cobre sin alear, es tan blando y dúctil que es difícil mecanizar y tiene una capacidad casi ilimitada de ser trabajado en frío. Además, resiste muy bien la corrosión en la mayoría de los medios. La resistencia mecánica del cobre mejora por aleación. La mayoría de las aleaciones de cobre no endurecen por tratamiento térmico, con lo que las propiedades mecánicas se mejoran mediante acritud y formación de disoluciones sólidas.
2.1.1 LATÓN
Es la aleación más común del cobre, donde el zinc actúa de soluto como principal elemento de aleación. Los latones αson relativamente blandos, dúctiles y fáciles de hechurar (deformar plásticamente) en frío.2.1.2 BRONCES
Son aleaciones de cobre con estaño, aluminio, silicio y níquel.Son más resistentes a la tracción que los latones y tienen mayor resistencia a la corrosión, por lo que se aplican cuando se requieren estas dos condiciones.Los cobres al berilio, son aleaciones de cobre de alta resistencia y tienen una buenacombinación de propiedades: resistencia a la tracción, resistencia a la corrosión y al desgaste.
2.2 ALUMINIO Y SUS ALEACIONES
El aluminio y sus aleaciones se caracterizan por la relativamente baja densidad (2,7 g/cm3 comparada con 7,9 g/cm3 del acero), elevada conductividad eléctrica y térmica, y resistencia a la corrosión en algunos medios como el atmosférico.Muchas de estas aleaciones se hechuran con facilidad debido a la elevada ductilidad; esto es evidente en el aluminio puro, que se puede convertir en láminas de pequeño espesor y enrollar. El aluminio tiene estructura FCC y es dúctil incluso a temperatura ambiente. Su principal limitación es su baja temperatura de fusión (660ºC), que restringe su campo de aplicación.La resistencia mecánica del aluminio se logra por acritud y por aleación.
Una importante característica de estos materiales es su resistencia específica, que es la relación entre la resistencia a la tracción y la densidad. Aunque tengan una resistencia a la tracción inferior a la de otros metales más densos, para un peso determinado puede aguantar una carga mucho mayor.
2.3 MAGNESIO Y SUS ALEACIONES
El magnesio presenta la menor densidad de los materiales estructurales (1,7 g/cm3), por lo que se utiliza por su bajo peso. Tiene una estructura HC y pequeño módulo elástico.A temperatura ambiente el magnesio y sus aleaciones se deforman con dificultad. Laconformación se realiza por moldeo o hechurado a temperaturas entre 200 a 350ºC.Sutemperatura de fusión es baja (651ºC).
2.4 TITANIO Y SUS ALEACIONES
El metal puro tiene baja densidad (4,5 g/cm3) pero elevada temperatura de fusión (1668ºC). Sus aleaciones son muy resistentes, con una notable resistencia específica.
Además son dúctiles y fácilmente forjables y mecanizables. Su principal limitación es la reactividad química a elevada temperatura, por lo que se han tenido que desarrollar técnicas especiales de afino, fusión y moldeo para obtener sus aleaciones.
2.5 METALES REFRACTARIOS
Son metales que tienen elevadas temperaturas de fusión, como el niobio (2468ºC), molibdeno (2617ºC), tántalo (2996ºC) y el wolframio (3440ºC). Los enlaces interatómicos son extremadamente fuertes, lo que se traduce en altas temperaturas de fusión, gran módulo elástico, y elevados valores de dureza incluso a elevadas temperaturas. Por ejemplo, los filamentos de bombillas o de tubos de rayos x, utilizan aleaciones de wolframio.
2.6 METALES NOBLES
Son un grupo de ocho elementos que son altamente resistentes a la oxidación y corrosión, caros, blandos, dúctiles y resistentes al calor. Son la plata, oro, platino, paladio, rodio, rutenio, iridio y osmio.
La resistencia del oro y de la plata aumenta aleándolos con cobre, que forma una disolución sólida. Por ejemplo, la plata esterlina es una aleación plata-cobre (7,5%Cu).
2.7 OTRAS ALEACIONES NO FÉRREAS.2.7.1 NÍQUEL Y ALEACIONES
Son muy resistentes a la corrosión en la mayoría de los ambientes, y a la oxidación a alta temperatura. El níquel posee estructura FCC, lo que lo hace altamente maleable.
Su densidad es de 8,9 g/cm3, lo que limita su uso. Se usa como recubrimiento para prevenir la corrosión de otros metales.
2.7.2 PLOMO, ESTAÑO Y ALEACIONES
Son mecánicamente blandos y plásticos, con baja temperatura de fusión y muyresistentes a la corrosión ambiental.
Muchas soldaduras son aleaciones de plomo y estaño.El plomo y aleaciones se utilizan para protección de rayos x y acumuladores. La principal aplicación del estaño es la fabricación de hojalata (latas estañadas) para contener alimentos;este recubrimiento impide las reacciones entre el acero y los alimentos.