Aleaciones metálicas: propiedades y clasificación

Las aleaciones

Las aleaciones (combinaciones de metales o de un metal con un no metal) conceden alguna propiedad particularmente deseable en mayor proporción o permiten una mejor combinación de propiedades. La aleaciones metálicas se definen como mezclas sólidas homogéneas de dos o más metales, o de uno o más metales con algunos elementos no metálicos que conservan las propiedades de los metales. Los materiales metálicos se pueden clasificar en aleaciones férreas y aleaciones no férreas. Se denominan por el nombre del constituyente mayoritario. Se llaman materiales férricos a aquellos en los que el hierro es el elemento predominante. Expuesto al aire se corroe, formando una sustancia pardo-rojiza escamosa.

El hierro

El hierro técnicamente puro, es decir, con menos de 0.008 % de carbono, es un metal blanco-azulado, dúctil y maleable. Funde de 1536˚C a 1539°C, reblandeciéndose antes de llegar a esta temperatura, lo que permite forjado y moldearlo con facilidad. Se trata de un metal que raramente lo encontramos en la naturaleza sin mezclar.

Principales menas para la obtención del hierro

Las principales menas o materias primas para la obtención del hierro son 4: Hematita (𝐹𝑒2𝑂3), la más utilizada, con 70 % de hierro sobre el mineral puro. Magnetita (𝐹𝑒3𝑂4 - 𝐹𝑒2+(𝐹𝑒3+ )2 𝑂4), con 72.4 % de Fe sobre el mineral puro. Siderita (𝐹𝑒𝐶𝑂3) , con 48.3 % de Fe. Limonita, con 60-65 % de Fe.  VARIEDADES ALOTRÓPICAS DEL HIERRO PURO Hierro α (alfa): Esta forma existe por debajo de 906ºC. Hierro γ (gamma): Esta forma existe entre 906 y 1401 °C. Hierro δ (delta): Existe desde 1401 °C hasta la temperatura de fusión (1536-1539° C). Disuelve fácilmente el Carbono y es magnético. Es idéntico a la forma a desde el punto de vista cristalino. Hierro b (beta): Sólo es estable a altas presiones. ALEACIONES HIERRO-CARBONO:  Hierros, cuando tienen entre 0.008% y 0.03% de carbono. Aceros, entre 0.03 y 2,11% de carbono Fundición, entre 2,11 y 6.67 % de carbono.

Transformaciones del hierro

A temperatura ambiente la forma estable es la ferrita o hierro α y tiene estructura BCC. La ferrita a 912ºC experimenta una transformación polimórfica a austenita FCC o hierro ү . La austenita persiste hasta 1394ºC, temperatura a la que la austenita vuelve a convertirse en una fase BCC conocida como ferrita δ , que funde a 1538ºC. El eje de composición solo llega a 6,67% en peso de C, concentración que coincide con la del compuesto intermedio carburo de hierro o cementita (Fe3C), representado en la línea vertical en el diagrama de fases.  En la ferrita α BCC solo son solubles muy pequeñas concentraciones de carbono (como máximo 0,02 % a 727˚C). Esta pequeña solubilidad se debe a la propia estructura BCC que dificulta la acomodación de átomos de carbono. Aunque se presente en muy baja concentración, el carbono ejerce gran influencia en las propiedades mecánicas de la ferrita. Esta fase Fe-C es relativamente blanda, magnética por debajo de los 768ºC y densidad 7,88 g/cm3 . La austenita o fase ү del hierro, cuando está aleado con carbono, no es estable por debajo de los 727ºC. La máxima solubilidad del carbono en austenita es 2,11 % en peso a 1148ºC. Esta solubilidad es aproximadamente 100 veces superior que la máxima para la ferrita BCC. Se debe a la propia estructura de la austenita. Las transformaciones de fases de la austenita son muy importantes en los tratamientos térmicos de los aceros. La ferrita δ es como la ferrita α , y solo se diferencian en el tramo de temperaturas en el cual existen. Como la ferrita δ solo es estable a altas temperaturas, no tiene importancia técnica. Se forma cementita (Fe3C) cuando se excede el límite de solubilidad del carbono en ferrita alfa por debajo de 727ºC. La cementita desde el punto de vista mecánico es dura y frágil y su presencia aumenta considerablemente la resistencia de algunos aceros. La cementita es solo metaestable, esto es, permanece como compuesto a temperatura ambiente indefinidamente. Pero si se calienta entre 650 y 700ºC durante varios años, cambia gradualmente o se transforma en hierro alfa y carbono, en forma de grafito, que permanece al enfriar a temperatura ambiente.

El acero

El acero, es una aleación de hierro y carbono donde la cantidad de carbono no supera el 2% de la cantidad en la aleación. A mayor contenido de carbono de un acero, mayor es su dureza y su resistencia a la tracción, pero su ductilidad disminuirá y se incrementará su fragilidad. Los aceros presentan las siguientes propiedades: Son dúctiles y maleables,  La soldabilidad disminuye con el contenido en carbono, Se oxidan fácilmente, salvo los aceros inoxidables. Dentro de ellos se diferencian tres grandes grupos: Aceros eutectoides: Contienen un 0,8% de C. Con esta concentración y a 727ºC se da la reacción eutectoide en la que la austenita se transforma isotérmicamente en ferrita y cementita (perlita) mediante un enfriamiento. Acero hipoeutectoide: Composición inferior al 0,8%. Cuando este tipo de aceros se enfría por debajo de la línea que va desde 900 a 727ºC la austenita se va transformando paulatinamente en ferrita primaria (proeutectoide) coexistiendo con la austenita. Cuando se pasa a temperatura inferior a 727ºC, desaparece la austenita y aparece la perlita, con lo cual se encuentran dos fases: ferrita proeutectoide y perlita. Aceros hipereutectoides. Contienen entre un 0,8 % y un 2,1 % de carbono. En estos aceros cuando se enfrían por debajo de la línea que va desde 727 a 1148ºC, aparece cementita primaria (proeutectoide) que convive con la austenita. Por debajo de la isoterma eutectoide desaparece toda la austenita existiendo dos fases, cementita proeutectoide y perlita. 

Tipos de aceros

ACEROS BAJOS EN CARBONO: La mayor parte del acero fabricado es bajo en carbono. Este tipo de acero contiene menos del 0,25%C, no forma martensita mediante tratamiento térmico. La microestructura consiste en ferrita y perlita. Por ello son relativamente blandos y poco resistentes, pero con extraordinaria ductilidad y tenacidad, son de fácil mecanizado, soldables y baratos. Se utilizan en carrocerías de automóviles, vigas, tuberías, edificios, puentes, latas estañadas… ACEROS MEDIOS EN CARBONO: Contienen porcentajes en carbono comprendidos entre 0,25 y 0,6%. Estos aceros pueden ser tratados térmicamente mediante temple y revenido, para mejorar sus propiedades mecánicas. Se suelen utilizar en su condición de revenidos, con microestructura de martensita revenida. Se trata de aceros de baja templabilidad, con velocidades de temple muy rápidas. Las adiciones de Cr, Ni y Mo mejoran la capacidad de estas aleaciones para ser tratados térmicamente, generando así gran variedad de combinaciones de resistencia-ductilidad. Son más resistentes que los aceros bajos en carbono, pero menos dúctiles y tenaces. Se usan para fabricar ruedas y raíles de trenes, engranajes, cigüeñales y otros componentes estructurales que necesitan alta resistencia mecánica, resistencia al desgaste y tenacidad. ACEROS ALTOS EN CARBONO: Contienen entre un 0,6 y 1,4%C. Son más duros, resistentes y aún menos dúctiles que los otros aceros al carbono. Casi siempre se utilizan después del temple y revenido. En esta condición son especialmente resistentes al desgaste. Se utilizan aceros aleados de alto carbono para fabricar herramientas de corte y matrices. Contienen generalmente Cr, V, W y Mo. Estos elementos se combinan con el carbono de la aleación para formar carburos muy duros y resistentes al desgaste. ACEROS INOXIDABLES: Resisten la corrosión en muchos ambientes. El Cr es el principal elemento de la aleación, con una concentración mínima del 11%. La resistencia a la corrosión se mejora con Ni y Mo. Se clasifican en función de la microestructura constituyente: martensítica, ferrítica o austenítica. Poseen una amplia gama de propiedades mecánicas. Esto, combinado con la resistencia a la corrosión, hace que sean muy versátiles. El tratamiento térmico de los aceros martensíticos genera martensita como principal constituyente. En los aceros inoxidables austeníticos, la austenita permanece estable a temperatura ambiente. Los aceros inoxidables ferríticos están constituidos por ferrita.  TRATAMIENTOS TÉRMICOS:  TEMPLE: Templabilidad se define como la aptitud de la aleación para endurecerse por la formación de martensita como consecuencia de un tratamiento térmico. El temple se caracteriza por enfriamientos rápidos y continuos en un medio adecuado: agua, aceite o aire. RECOCIDO: Consiste en calentar el material hasta una temperatura determinada durante un tiempo previsto, y posteriormente enfriarlo lentamente. Tiene como finalidad suprimir los defectos del temple. Las variables fundamentales son tiempo y temperatura. NORMALIZADO: Los aceros que se han deformado por laminación, tienen una microestructura perlítica, con tamaños de grano relativamente grandes y forma irregular. Con el normalizado se afina el acero y se provoca una distribución de tamaño más uniforme. REVENIDO: Elimina la fragilidad y las tensiones ocasionadas en el temple. Consiste en un calentamiento a una temperatura inferior a A1, par lograr que la martensita se transforme en una estructura más estable. El proceso termina con un enfriamiento más bien rápido. Aunque destruye parte del temple, el acero es más blando pero menos frágil.

DIAGRAMAS TTT (transformación-tiempo-temperatura) Los diagramas TTT son gráficas que representan el % de transformación en : función de la temperatura (eje vertical) y del tiempo (eje horizontal, normalmente en escala logarítmica). Las transformaciones pueden ser: Transformaciones isotérmicas: Se produce un enfriamiento y el diagrama se realiza a temperatura constante. (El enfriamiento isotérmico se consigue por inmersión en un baño de sales fundidas, que se mantiene a T = Cte.) Transformaciones de enfriamiento continuo: En este caso, se produce un enfriamiento a una velocidad constante. (Se consigue enfriando dentro del horno, al aire, en agua, en aceite,..)  A la izquierda de la curva de inicio de transformación sólo existe la austenita (inestable), mientras que a la derecha de la curva de final de transformación solo existe perlita. Entre ambas hay austenita transformándose en perlita. Se trata de un enfriamiento rápido de la austenita, seguido de un proceso isotérmico. A temperaturas inferiores y muy próximas al eutectoide se forman láminas de ferrita y de cementita, la microestructura se llama perlita gruesa. A medida que decrece la temperatura se forman láminas más delgadas ya que la velocidad de difusión del C decrece. La estructura producida en las proximidades de 540ºC se denomina perlita fina. La perlita fina es más dura y resistente que la gruesa. La cementita es más dura y frágil que la ferrita que es más blanda. Al aumentar la fracción de cementita, manteniendo el resto de las características microestructurales, más duro y resistente es un acero. BAINITA: En la transformación de la austenita se forma, además de la perlita un constituyente denominado bainita. La microestructura bainítica consta de fases ferrita y cementita y en su formación intervienen procesos de difusión. Forma agujas o placas, dependiendo de la temperatura de transformación. Sus detalles microestructurales son tan finos que solo se pueden ver con microscopio electrónico. ▪ Las transformaciones bainítica y perlítica compiten entre sí. La transformación bainítica ocurre a temperaturas inferiores a la perlítica. Solo una parte de la aleación se puede transformar en perlita o bainita. ESFEROIDITA: Si un acero con microestructura perlítica se calienta hasta una temperatura inferior a la eutectoide durante un periodo de tiempo largo, por ejemplo a 700ºC entre 18 y 24 h, se forma una nueva microestructura denominada esferoidita, cementita globular o esferoidal. MARTENSITA: El enfriamiento rápido (o temple), hasta temperatura próxima a la ambiental, del acero austenizado origina otro microconstituyente denominado martensita, que resulta como una estructura de no equilibrio de la transformación sin difusión de la austenita. Se puede considerar un producto de transformación competitivo con la perlita o la bainita.

COMPORTAMIENTO MECÁNICO DE LOS ACEROS:  Perlita: más dura y frágil que la ferrita. La perlita fina es más dura y resistente que la perlita gruesa. La gruesa es más dúctil que la fina. Esferoidita: menos dura y resistente que la perlita. Son muy dúctiles. Bainita: más dura y resistente que la perlita, estructura más fina. Gran resistencia y ductilidad. Martensita: más dura y mecánicamente resistente pero también frágil y menos dúctil. Martensita revenida: Para mejorar sus propiedades se somete la martensita se somete a revenido (calentamiento entre los 250 y 650ºC). Consiste en partículas extremadamente pequeñas de cementita embebidas en una matriz ferrítica continua y uniformemente dispersas. Estructura similar a la esferoidita pero más pequeño. Son aleaciones férreas con un contenido en carbono entre un 3 y 4,5% y otros elementos de adición. Funden y se moldean con facilidad., algunas son frágiles. La cementita o carburo de hierro, es un compuesto metaestable y, en alguna circunstancias, se disocia en dos componentes que son la ferrita alfa y grafito. En la mayoría de las fundiciones el carbono aparece como grafito y la microestructura y las propiedades mecánicas dependen de la composición y del tratamiento térmico.  TIPOS DE FUNDICIONES  FUNDICIÓN GRIS Los contenidos de carbono y silicio de la fundición gris varían entre 2,5 a 4 y 1 a 3% respectivamente. En la mayoría de la fundiciones grises el grafito aparece como escamas o láminas, dentro de una matriz de ferrita alfa o de perlita. Son frágiles y poco resistentes a la tracción pues las láminas de grafito actúan como puntos de concentración de tensión. La fase matriz más habitual de las fundiciones grises es la perlita, que se forma por transformación de la austenita en la región eutectoide, es decir que en esta gama de temperaturas la fundición no sigue ya el diagrama estable sino el diagrama metaestable. FUNDICIÓN DÚCTIL O ESFEROIDAL Adiciones de pequeñas cantidades de magnesio y/o cerio a la fundición gris en estado líquido producen diferentes microestructuras, en las que el grafito en lugar de escamas forma esferoides, que originan distintas propiedades mecánicas. La matriz que rodea a los esferoides de grafito es ferrita o perlita, dependiendo del tratamiento térmico. Tiene propiedades mecánicas parecidas al acero. Se formaría en los enfriamientos propios de los tratamientos de recocido (ferrita), normalizado (perlita) y temple (martensita). FUNDICIÓN BLANCA En fundiciones bajas en carbono (que contengan menos del 1% de Si) a elevadas velocidades de enfriamiento, la mayoría del carbono aparece como cementita en lugar de grafito. La superficie de rotura tiene una tonalidad blanca. Se denominan fundiciones blancas a las aleaciones de hierro y carbono que terminan su solidificación a 1148°C con la transformación eutéctica siguiente: Liq (4.3%C) → Austenita (2.1%C) + 𝐅𝐞𝟑C (6.67%C) Este agregado eutéctico, que forma el constituyente matriz de las fundiciones blancas, recibe el nombre de ledeburita. Dada la elevada proporción de cementita en la ledeburita (48%), se trata de un constituyente muy frágil y duro. FUNDICIÓN MALEABLE Calentando la fundición blanca a temperaturas comprendidas entre 800 y 900ºC durante periodos prolongados de tiempo en atmósfera neutra (para prevenir la oxidación), la cementita se descompone y forma grafito en forma de racimos o rosetas dentro de una matriz ferrítica o perlítica. La estructura de la matriz depende de la velocidad de enfriamiento. El tratamiento de maleabilización consiste en un calentamiento de austenización para descomponer toda la cementita en grafito, de acuerdo con la siguiente reacción: 𝐅𝐞𝟑C →γ + grafito

CLASIFICACIÓN DE LOS METALES NO FÉRRICOS Y SUS ALEACIONES  Los metales no ferrosos se clasifican en 3 grupos, según su densidad: Metales no ferrosos pesados. Aquellos con densidad mayor de 5 g/dm3. Entre ellos el cobre, estaño, plomo, níquel, cinc, oro, cromo, cobalto y wolframio. Metales no ferrosos ligeros. Con densidad entre 5 y 2 g/dm3. Los más importantes son el aluminio y el titanio. Metales no ferrosos ultraligeros. Densidad inferior a 2 g/dm3. Los más importantes son el magnesio y el berilio. Ensayos Los ensayos físicos en los metales y sus aleaciones sirven para conocer sus propiedades físicas y mecánicas.  ENSAYOS DESTRUCTIVOS ENSAYO DE TRACCIÓN ENSAYO DE FLEXIÓN ENSAYO DE TORSIÓN ENSAYO DE DUREZA ENSAYO DE RESILIENCIA ENSAYO DE FATIGA ENSAYO JOMINY ENSAYOS TECNOLÓGICOS ENSAYO DE CHISPA ENSAYO DE PLEGADO ENSAYO DE EMBUTICIÓN ENSAYO DE FORJABILIDAD ENSAYOS NO DESTRUCTIVOS LÍQUIDOS PENETRANTES PARTÍCULAS MAGNÉTICAS ULTRASONIDOS ENSAYOS RADIOGRÁFICOS