Tema materiales alumno

Bloque de contenido 1: MATERIALES
1. Estructura interna y propiedades de los materiales (enlaces, propiedades
físicas, químicas y tecnológicas de los materiales, estudio cualitativo
del diagrama Fe-C)
2. Técnicas de modificación de propiedades de los materiales
(procedimientos y tratamientos: térmicos, termoquímicos y mecánicos,
materiales compuestos y composites)
3. Tratamientos superficiales (técnicas contra la oxidación y la corrosión)
4. Procedimientos de ensayo y medidas de las propiedades de los materiales
(Concepto de ensayo: Clasificación, Ensayo de tracción, concepto de
dureza y tenacidad, otros ensayos: fatiga, flexión, embutición… Ensayos
no destructivos)
1. Estructura interna y propiedades de los materiales
1. Enlaces
"Enlace "Características "Propiedades "
"IÓNICO "Elementos electronegatividades muy "-Tª fusión y ebullición "
" "diferentes. Cesión de electrones del "elevadas "
" "elemento menos electronegativo al más "-Duros "
" "electronegativo "-No conducen la electricidad, "
" "Ejemplo NaCl "si la conducen disueltos al "
" "Forma redes cristalinas (fórmula "formar iones o al fundirse. "
" "empírica), no moléculas. " "
"COVALENTE "Elementos de electronegatividades altas"SUSTANCIAS MOLECULARES "
" "y muy parecidas. Cumplir la regla de "-Tª fusión y ebullición bajas "
" "octeto es mediante la compartición de "- Gas, líq o sólido a Tª "
" "electrones entre dos átomos. Cada par "ambiente "
" "de electrones que se comparten es un "-No conducen la electricidad, "
" "enlace "ni calor. "
" "La fuerza de atracción entre las cargas"-Poco solubles en agua "
" "positivas de los núcleos y las cargas "SÓLIDOS COVALENTES (asociación"
" "negativas de los electrones que se "de grandes e indeterminadas "
" "comparten. "cantidades de átomos iguales) "
" "Ejemplo CH4 "-Tª fusión y ebullición muy "
" "Forma moléculas (sustancias moleculares"elevadas "
" "Cl2) y redes (sólidos covalentes o "-Duros. Sólidos a tª ambiente "
" "redes covalentes, formula empírica). "Las demás propiedades son "
" " "iguales "
"METÁLICO "Se genera una nube de electrones que se"-Elevada conductividad térmica"
" "extiende por los núcleos atómicos y que"y eléctrica. "
" "se puede desplazar "-Considerable resistencia "
" "Los átomos quedan empaquetados formando"mecánica "
" "una estructura cristalina "-Gran plasticidad, ductilidad "
" " "y tenacidad, "
" " "-Elevada maleabilidad "
" " "-Posibilidad de reutilización "
" " "al fundir "


2. Propiedades físicas, químicas y tecnológicos
*P. Químicas
La Oxidación es la propiedad que tiene un material de oxidarse, es
decir, de reaccionar con el oxígeno del aire o del agua. Los metales
son sensibles a la oxidación.
PROPIEDADES ECOLÓGICAS
Se clasifican en materiales reciclables (se pueden reutilizar;
contribuyen a conservar los recursos naturales. papel), tóxicos
(nocivos para el medioambiente; contaminan el suelo, el agua y la
atmósfera Hg) y biodegradables (no causan daño al medioambiente porque
se descomponen de forma natural, plásticos biodegradables).
Existen materiales que proceden de materias primas renovables
(madera), que se pueden regenerar o de materias primas no renovables
(petróleo).
*P. Físicas
PROPIEDADES ELÉCTRICAS: Conductividad eléctrica es la propiedad
que tienen los materiales de transmitir la electricidad. Conductores
eléctricos (Cu) y aislantes (Plástico).
PROPIEDADES TÉRMICAS:
Conductividad térmica es la propiedad que tienen los materiales de
transmitir el calor. Conductores térmicos (Acero) y aislantes térmicos
(Madera).
Dilatación es el aumento de tamaño que experimenta un material cuando
se eleva la temperatura. Lo contrario es la contracción, al bajar la
temperatura disminuye de tamaño (Hg).
Fusibilidad cuando un material pasa del estado sólido al líquido al
elevar la temperatura (Oro).
Soldabilidad cuando un material se une a otro o a sí mismo después de
fundirse (estaño).
PROPIEDADES ÓPTICAS: Los objetos pueden ser opacos: no permiten el
paso de luz y no dejan ver a través de ellos (acero). Translúcidos:
dejan pasar la luz y no dejan ver con nitidez a través de ellos
(plástico). Transparentes: dejan pasar la luz y se ve a través de
ellos (vidrio).
PROPIEDADES ACÚSTICAS: la conductividad acústica es la propiedad de
los materiales de transmitir el sonido. Los materiales pueden ser
transmisores del sonido (acero) o aislantes acústicos (cartón).
PROPIEDADES MAGNÉTICAS: El magnetismo es la capacidad de un metal de
atraer a otros materiales metálicos. Se manifiesta cuando se acerca un
imán a determinados metales (hierro).
*P. Tecnológicas
Elasticidad: propiedad de los materiales de recuperar su forma
original cuando deja de actuar sobre ellos la fuerza que los
deformaba; (caucho).
Plasticidad habilidad de un material para conservar su nueva forma una
vez deformado; (plastilina).
Maleabilidad Aptitud de ciertos materiales de extenderse en planchas o
láminas. Los materiales son maleables (Al).
Ductilidad la capacidad de ciertos materiales de estirarse en hilos o
cables. Los materiales son dúctiles (Pt).
Resistencia mecánica es la que presenta un cuerpo ante fuerzas
externas; varía según el tipo de esfuerzo que actúe sobre ellos,
resistencia a la tracción (acero), R a la compresión (hormigón)…
Fragilidad la propiedad de un material de romperse fácilmente cuando
es golpeado (vidrio). Opuesta a la resiliencia.
Dureza: es la propiedad mecánica que mide la resistencia que ofrecen
los materiales a alteraciones como la penetración, la abrasión, el
rayado, la cortadura, las deformaciones permanentes.
O bien la capacidad que tiene un material de soportar esfuerzos sin
deformarse permanentemente.
El diamante tiene elevada dureza mientras que el talco es un material
blando. Un acero nitrurado tiene elevada dureza superficial. La escala
de Mohs gradúa la dureza de los minerales de 1 a 10.
Tenacidad: es la propiedad que cuantifica la energía total que absorbe
un material al deformarse plásticamente debido a una tensión aplicada
antes de alcanzar la rotura, por acumulación de dislocaciones.
Diferencia entre dureza y tenacidad: Todos los materiales tienen
grietas internas que se propagan más rápido mientras menos tenaz y más
duro sea el material. Cuando el material se deforma con facilidad, es
decir, es blando, la porción del material que rodea la grieta se
deforma. Este proceso consume energía lo que retarda la propagación de
la grieta y consigue que el material sea tenaz. En los materiales más
duros, esta deformación no ocurre por lo que las grietas disponen de
mucha más energía para propagarse, lo que lleva al material a tener
una baja tenacidad
Resiliencia: es una magnitud que cuantifica la cantidad de energía por
unidad de volumen que almacena un material al deformarse elásticamente
debido a una tensión aplicada.
Maquinabilidad: facilidad que tiene un cuerpo a dejarse cortar por
arranque de viruta.
Acritud: aumento de la dureza, fragilidad y resistencia en ciertos
metales como consecuencia de la deformación en frío.
Colabilidad: Aptitud que tiene un material fundido para llenar un
molde
Fatiga: Deformación (que puede llegar a la rotura) de un material
sometido a cargas variables, inferiores a la de rotura cuando actúan
un cierto tiempo o un número de veces.
OTRAS: Densidad: relación entre la masa y el volumen que ocupa.
Porosidad: es la capacidad que tienen algunos materiales de absorber o
desprender líquidos o gases (adsorber). Cuanto más poroso es un cuerpo
menos denso será. Permeabilidad: propiedad que posee algunos
materiales que dejan filtrar a través de ellos agua u otros líquidos.
Los materiales pueden ser permeables (papel) o impermeables
(plástico).


3. Estudio cualitativo del diagrama Fe-C
a) Conceptos previos
Aleación: producto homogéneo de propiedades metálicas, compuesto por 2
o más elementos, uno de los cuales, al menos, debe ser un metal. Se
llama metal base al que se encuentra en mayor proporción y aleantes a
los restantes elementos.
Tipos:
De solución sólida: cuando los átomos de los elementos aleantes se
sitúan en la red cristalina del metal base, si son de tamaños y
químicamente semejantes y cristalizan en el mismo sistema (solución
sólida de sustitución) si son de tamaños más pequeños y ocupan los
huecos (solución sólida intersticial)

Aleaciones eutécticas: tamaños distintos y no cristalizan en el mismo
sistema. Al solidificar cada uno conservará su edificio cristalino
independientemente.



Aleación eutéctica.
Compuestos intermetálicos: si los átomos son químicamente muy
distintos.

Compuesto intermetálico. Imagen SEM del polvo de la aleación CR40
Zr0.9Ti0.1(Ni0.5Mn0.25Cr0.2V0.05)2 (Escala 20 mm).



SOLIDIFICACIÓN
La SOLIDIFICACIÓN de materiales metálicos es un proceso industrial de
gran importancia ya que la mayor parte de los objetos metálicos se
construyen a partir del material en estado líquido, enfriándolo en un
molde con la forma definitiva o bien conformándolo mecánicamente una
vez que haya solidificado.
Las propiedades del material dependen, en gran medida, de la manera en
que se lleva a cabo este proceso de solidificación.
PROCESO DE SOLIDIFICACIÓN Consiste en el proceso de enfriamiento de un
material metálico en estado fundido. Si se realiza a la Temperatura de
equilibrio: La energía del material en estado líquido se hace igual a
la que le correspondería si estuviera en estado sólido.
Si T>Tª equilibrio -> fase estable = fase líquida.
Si T< Tª equilibrio -> fase estable = fase sólida.
Durante el período de tiempo en el que el metal permanece a la Tª de
equilibrio, conviven las dos fases de la solidificación.
Etapas: NUCLEACIÓN: en la que se forman pequeños núcleos estables
solidificados en el interior del líquido fundido. CRECIMIENTO: en la
que los núcleos estables crecen hasta dar lugar a la estructura
cristalina típica de los materiales metálicos.
Variables: (La velocidad de nucleación: nº de núcleos estables formados
por unidad de tiempo.
(La velocidad de crecimiento: aumento del tamaño de los núcleos por
unidad de tiempo.
(Las propiedades mecánicas de un material metálico aumentan al
disminuir el tamaño medio de sus granos. Para conseguir que este tamaño
sea más fino existen dos procedimientos:
-Aumentar la velocidad de nucleación (enfriando el metal líquido con
gran rapidez).
-Fragmentar los granos ya formados durante su crecimiento.


DIAGRAMA DE EQUILIBRIO O DE FASES:
FASE: parte homogénea de un material que difiere de las demás en su
composición, estado o estructura.
La representación gráfica de las fases presentes en un material para
diferentes temperaturas y composiciones se conoce como DIAGRAMA DE
EQUILIBRIO O DE FASES.
Estos diagramas:
-Estudian las transformaciones de fases en equilibrio.
-Relacionan el comportamiento del material con su estructura.
-Aportan información para seleccionar aleaciones.
Los diagramas de fase se obtienen en condiciones de equilibrio, en el
transcurso de enfriamientos lentos.
Estar en equilibrio significa que por mucho que un material permanezca
en unas condiciones estabilizadas de presión y Tª no desaparecerán las
fases existentes ni aparecerán otras nuevas.
LÍNEA LÍQUIDUS: inicio de la solidificación. Marca la transición entre
la fase líquida y la fase líquida + sólida.
LÍNEA SÓLIDUS: final de la solidificación. Marca la transición entre la
fase líquida + sólida y la fase sólida.













Aleaciones de Fe-C
El hierro puro tiene muy pocas aplicaciones industriales pero,
formando aleaciones con carbono y otros e elementos, es el metal más
utilizado en la industria actual.
Teniendo en cuenta su contenido en carbono, las aleaciones hierro-
carbono se clasifican en hierro industrialmente puro, acero y
fundición.
Se considera hierro industrialmente puro a una aleación hierro-carbono
con un contenido en carbono inferior al 0,03%.
Se denomina acero a toda aleación de hierro-carbono cuyo contendido en
carbono se sitúa generalmente por debajo del 1,76% y superior al
0,03%.
Se denomina fundición a las aleaciones hierro-carbono cuyo contenido
en carbono es superior a la de un acero e inferior a un 4% (6,67%)
aproximadamente de carbono.
La máxima proporción de carbono que se puede disolver es 6,67%
(carburo de hierro, cementita)
Las aleaciones con un contenido en carbono superior a un 5% carecen de
utilidad industrial, a causa de su extrema fragilidad (la cementita es
un constituyen muy duro y frágil).


b) DIAGRAMA DE FASES Fe-C o Fe-Fe3C.


En el diagrama de fases se muestran las fases presentes en las
aleaciones hierro-carbono enfriadas muy lentamente, a varias
temperaturas y composiciones de hierro con carbono hasta el 6,67% de
C. Este diagrama de fases no es un diagrama de equilibrio verdadero.
Puesto que el compuesto carburo de hierro que se forma no es una
verdadera fase. En ciertas condiciones, la cementita, puede
descomponerse en las fases más estables del hierro y en carbono
(grafito). El hierro presenta diferentes formas alotrópicas: Fe-α, Fe-
α, Fe-ϒ, Fe-δ , estructuras diferentes dependiendo de las condiciones
de presión y temperatura.
Las fases sólidas que se encuentran en el diagrama Fe-C son :
Austenita: (Fe-ϒ) es una solución sólida por inserción de carbono en
hierro ϒ (hasta 2,11% de C). No se encuentra a temperatura ambiente.
Es blando, deformable, tenaz y muy resistente al desgaste. Es el
constituyente más denso del acero y es no magnético. Presenta una
estructura FCC y comienza a formarse a 723 ºC.
Ferrita α (Fe-α): solución sólida de carbono en hierro α. Aparece
hasta los 768 ºC. Su estructura cristalina es BCC. Es el constituyente
más blando del acero. Disuelve muy poco carbono (menos de 0,008%) por
lo que se considera hierro α. Más blando y dúctil de los aceros.
Dureza 90 HB, alargamientos del 30-40% y posee propiedades magnéticas
Ferrita δ (Fe-δ): cristaliza entre 1.394 ºC y 1.538 ºC en la
estructura BCC. Puede disolver hasta un 0,1 % de carbono. No tiene
aplicaciones siderúrgicas. A partir de 1.538 ºC , se inicia la fusión
del hierro
Cementita: es el carburo de hierro (Fe3C). Es el más duro y frágil
(6,67% C).
Cristaliza en redes ortorrómbicas. Dureza: 800 HB, propiedades
magnéticas hasta 210ºC.
Perlita: es el microconstituyente eutectoide formado por ferrita
(88,7%) y cementita (11,3%). El contenido en carbono de la aleación es
de 0,89%. Estructura laminar con enfriamiento lento (perlita laminar)
y si el enfriamiento es más brusco estructura borrosa (perlita
sorbítica): Si calentamos a 723 ºC la cementita adquiere forma de
glóbulos en al masa de ferrita (perlita globular)
Ledeburita: es una aleación eutéctica con un contenido en carbono de
4,3% compuesta por austenita y cementita. Es propio de las
fundiciones.








Estructuras que aparecen al someterlos diferentes tratamientos
térmicos:
Martensita: Constituyente más duro de los aceros tras la cementita.
Solución sólida sobresaturada de carbono en hierro α. Se obtiene
enfriando rápido tras calentar a temperatura de austenización.
Estructura en agujas y cristaliza en el sistema tetragonal. %C
variable hasta 0,89% máximo, variando su dureza, su R mecánica y su
fragilidad con el %C. Dureza RC: 50-68.
Bainita: transformación isotérmica de la austenita entre 250 y 550 ºC,
Se produce en un temple defectuoso llamado isotérmico o bainitico. Su
fin no es producir martensita sino bainita.
Troostita : transformación isotérmica de la austenita entre 500 y 600
ºC, Se enfría rápidamente la austenita hasta 500-600 y luego se
mantiene la T constante. Constituyente intermedio entre martensita y
sorbita. Se presenta en forma de nódulos de láminas radiales de
cementita sobre ferrita. Dureza 450 HB.
Sorbita : transformación isotérmica de la austenita entre 600 y 650
ºC, proceso similar a la formación de la troostita. forma laminillas
más finas que la troostita. Dureza 350 HB.


A partir de este diagrama, puede predecirse el tipo de constituyente
mayoritario que tendrá la aleación en función de la temperatura y del
contenido (%) en carbono; conociendo los constituyentes será posible
predecir las propiedades que tendrá la aleación.




Ejemplos:
Enfriamiento lento de aceros de carbono ordinarios:


Aceros eutectoides: si se calienta una muestra de 0,89% de C hasta
aproximadamente 750ºC y se mantiene durante un tiempo suficiente, su
estructura se transformará en austenita homogénea. Este proceso se llama
Austenización. Si después enfriamos muy lentamente hasta justo por encima
de la temperatura eutectoide o justo por debajo, provocará
la transformación de la estructura total de la austenita a una estructura
laminar de placas alternadas de ferrita- α y cementita. Justo por debajo de
la temperatura eutectoide, aparece la estructura laminar, perlita.




Aceros hipoeutectoides: Si una muestra de un acero al 0,4% se calienta
hasta 900ºC durante tiempo, su estructura se convertirá en austenita
homogénea. Si se enfría lentamente empezará a formarse la ferrita
proeutectoide y crecerá principalmente en los bordes de los granos
austeníticos. Al seguir enfriando seguirá creciendo la ferrita
proeutectoide hasta 50% de la austenita transformada y a su contenido en
carbono aumentará de 0,4 a 0,89%. A 723 ºC, si las condiciones de
enfriamiento lento continúan, la austenita isotérmica que queda se
transformará en perlita por la reacción eutectoide de austenita( ferrita +
cementita. La ferrita- α en la perlita se llama ferrita eutectoide para
distinguirla de la proeutectoide formada por encima de 723 ºC.






Aceros hipereutectoides: Si una muestra de un acero al 1,2% se calienta
hasta 950ºC durante tiempo, su estructura se convertirá en austenita(a). Si
se enfría lentamente empezará a formarse la cementita proeutectoide y
crecerá principalmente en los bordes de los granos austeníticos. Al seguir
enfriando seguirá creciendo la cementita proeutectoide. Si las condiciones
de equilibrio alcanzado se mantienen para el enfriamiento lento, el
contenido en carbono global de la austenita remanente de la aleación
cambiará de 1,2% a 0,89%. A 723 ºC, si las condiciones de enfriamiento
lento continúan, la austenita isotérmica que queda se transformará en
perlita por la reacción eutectoide de austenita( ferrita + cementita. La
cementita formada en la reacción eutectoide (que forma perlita) se llama
cementita eutectoide para distinguirla de la proeutectoide formada por
encima de 723 ºC.

















2. Técnicas de modificación de las propiedades
1. Tratamientos térmicos
Los tratamientos térmicos (TT) se realizan a materiales que han
sufrido modificación en sus propiedades:
Mecanismos de endurecimiento: afino de grano, solución sólida o con
trabajo en frío (el acero se agria o adquiere acritud, requiere una
tensión mayor para producirle una deformación de la misma magnitud)


Los TT: modifican la estructura interna y por tanto sus propiedades


Se realizan en tres etapas:
1º Etapa: Calentamiento (crecimiento del grano. O sobrecalentamiento.
Austenización completa o incompleta)
La temperatura debe ser la mínima posible para reducir los efectos
adversos del crecimiento del grano y del sobrecalentamiento.
2ª Etapa: Mantenimiento y permanencia a la temperatura de tratamiento
(homogeneización y difusión de los constituyentes) El tiempo de
permanencia está relacionado con la T y t de calentamiento (50 a 100
ºC/(h·inch)
3º Etapa: Enfriamiento (depende del medio en que se produce: en horno,
aire, agua, en sales.





¿Qué es la MARTENSITA?
La MARTENSITA es el constituyente típico de los aceros
templados. Se trata de una solución intersticial sobresaturada de
carbono en Fe α. Se obtiene enfriando rápidamente en la zona
austenítica. Cristaliza en la red tetragonal centrada en el cuerpo. Es
el constituyente más duro del acero después de la cementita.
La posibilidad de templar un acero viene determinada por dos factores:


Su templabilidad: capacidad de un acero para el temple, es decir, la
facilidad con la que se forma la martensita. La transformación
completa de austenita en martensita sólo se consigue con velocidades
de enfriamiento muy elevadas.
El temple del acero nunca constituye un tratamiento final debido
a que la estructura martensítica obtenida, pese a ser muy dura, es al
mismo a tiempo muy frágil. Por este motivo, una vez templado el acero,
se le somete a tratamiento térmico de revenido con objeto de obtener
una estructura más dúctil y tenaz. Los efectos de este tratamiento
dependen de la temperatura y del tiempo de duración del proceso. El
tratamiento completo de temple más revenido recibe el nombre de
BONIFICADO. El bonificado es un tratamiento adecuado para aceros
aleados o aquellos con un alto contenido en carbono.
Tipos de temple:
- Continuo de austenización completa. Se calienta 50ºC por encima de
A3(Ac3) (austenita).
- Continuo de austenización incompleta. Se calienta 50ºC por encima de
A1(Ac1) (austenita +cementita)
- Martensítico o martempering. Tº austenización. Enfriamiento en baño de
sales un tiempo por encima de Ms (límite superior)
- Austempering. Tiempo más largo Austenita—> Bainita
- Superficial. Calentamiento por soplete oxiacetilénico o por inducción
eléctrica. Núcleo de la pieza permanece inalterado, blando y con buena
tenacidad frente a la superficie, dura y resistente al rozamiento.


"TRATAMIENTOS TÉRMICOS "
"Tratamiento "Calentamient"Enfriamiento "Estructura "Propiedades "
" "o " " " "
"TEMPLE "Hasta T de "Muy Rápido "Martensític">Dureza "
"Factores: "austenizació"desde austenita"a ">Fragilidad "
"-Composición "n (723ºC) "Según Medio: "(Martensita">R a fatiga "
"-T calentam. " "Aire (acero "ss "> R a cargas "
"-t calentam " "perlítico) TT "intersticia"estáticas "
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"-Medio " "Aceite (aceros "Fe α, sc "elástico "
"-Tamaño y " "aleados) TT "Tetragonal "< plasticidad"
"geometria " "medio "centrada en"Tenacidad. "
"(temple " " "más estable"