Compuestos, Estructuras, Tratamientos y Materiales en Ingeniería Industrial

A) Compuestos Intersticiales

¿Qué son los compuestos intersticiales? Son compuestos intermetálicos formados por la unión de un metal de transición con otro metal o con elementos como H, B, C y N.

Propiedades significativas: Carácter metálico, elevada dureza, alto punto de fusión y fragilidad. Se utilizan en la industria como herramientas de corte.

Ejemplo: La cementita.

B) Estructuras Defectivas

¿Qué debe ocurrir para que una solución sólida o un compuesto presenten una estructura defectiva? Deben existir nudos vacantes que no están ocupados. Un enfriamiento rápido puede ser la causa.

Ejemplo: El sistema Ni-Al.

C) Transición de Rotura Dúctil a Frágil

¿En qué consiste? En sistemas metálicos con estructura c.c., al bajar la temperatura, la resiliencia disminuye bruscamente, cambiando de rotura dúctil a frágil.

¿Un acero inoxidable ferrítico presenta esta transición? Sí, porque posee una estructura centrada en el cuerpo.

D) Efecto de Hartley-Kirkendall

¿En qué consiste? Al estudiar la difusión de dos metales puros, la superficie de referencia se desplaza hacia el metal de mayor velocidad de difusión.

Influencia del tamaño de grano en la velocidad de difusión: A menor tamaño de grano, mayor velocidad de difusión.

E) Solubilidad en Metales

¿Por qué la solubilidad del cinc en el cobre es mayor que la del arsénico? Porque el arsénico y el cobre tienen electronegatividades más dispares que el cinc y el cobre. A mayor diferencia de electronegatividades, menor solubilidad.

¿Por qué S, Se y Te raramente forman disoluciones sólidas con los metales? Por ser muy electronegativos, forman sulfuros, seleniuros y teloruros.

F) Tenacidad y Módulo de Young

Diferencias de tenacidad entre materiales metálicos y cerámicos: Los materiales metálicos tienen mayor tenacidad, absorbiendo más energía durante su deformación y rotura.

Rigidez: La aleación de aluminio (80 GPa) es más rígida que la de magnesio (48 GPa) debido a su mayor módulo de Young.

G) Variables que Influyen en los Coeficientes de Difusión

1. Temperatura: A mayor temperatura, mayor coeficiente de difusión.
2. Concentración: A mayor concentración, mayor velocidad de difusión.
3. Estructura cristalina: Las estructuras c.c. tienen mayor coeficiente de difusión que las c.c.c.
4. Tamaño de grano: Cuanto más fino sea el grano, mayor coeficiente de difusión.
5. Impurezas: Generalmente no influyen mucho.

H) Solubilidad en Aleaciones Cobre-Silicio

¿Por qué el cobre disuelve más silicio que viceversa? Porque el cobre tiene menor valencia que el silicio. La solubilidad es mayor cuando el disolvente tiene menor valencia.

I) Superredes

¿Qué son? Disoluciones sólidas de sustitución donde cada clase de átomos ocupa una posición definida en la red.

Condiciones para obtenerlas: Enfriamiento lento del sólido. Son estables a bajas temperaturas.

J) Transición de Rotura en Aceros Inoxidables

¿Cuál presenta transición dúctil a frágil? El acero inoxidable ferrítico, debido a su estructura c.c.

K) Procesos Industriales Basados en la Difusión

• Transformaciones en estado sólido (tratamientos térmicos).
• Alteración de capas superficiales (tratamientos termoquímicos).
• Obtención de elementos puros y dopado.
• Fenómenos de corrosión.

L) Factores en la Formación de Soluciones Sólidas de Sustitución

• Tamaño: Similaridad en el tamaño de los átomos.
• Valencia: Igual valencia para amplia solubilidad.
• Estructura cristalina: Misma estructura para solubilidad total.

M) Módulo de Young y Tenacidad

Tenacidad: Energía que absorbe un material durante su deformación y rotura.

Módulo de Young: Tensión unitaria necesaria para duplicar la longitud de una probeta.

Rigidez: La aleación de cobre (110 GPa) es más rígida que la de aluminio (80 GPa).

N) Solubilidad en Aleaciones Plata-Magnesio

¿Por qué la plata disuelve más magnesio que viceversa? El metal de menor valencia disuelve mayor cantidad del de mayor valencia.

O) Solubilidad en Metales con Diferente Valencia

¿Cuál es más soluble? El metal de menor valencia (A) es más soluble en el de mayor valencia (B).

Tratamientos Térmicos

A) Tratamiento para Corregir un Tratamiento Térmico Mal Efectuado

Tratamiento recomendado: Recocido de regeneración.

¿En qué consiste el normalizado? Calentamiento y enfriamiento más rápido que el recocido.

B) Cementación

¿En qué consiste? Aumentar la concentración de carbono en la superficie de un acero mediante un medio cementante.

Maneras de llevarlo a cabo: Nitruración, cianuración, carbonitruración.

C) Cianuración

¿En qué consiste? Endurecimiento superficial mediante la acción combinada de carbono y nitrógeno en un baño líquido.

Ventajas: Endurecimiento superficial.

D) Carbonitruración

¿En qué consiste? Endurecimiento superficial por absorción simultánea de carbono y nitrógeno en una atmósfera gaseosa.

Ventajas: Endurecimiento superficial.

E) Nitruración

¿En qué consiste? Cementar superficialmente un acero con nitrógeno en una corriente de gas amoniaco.

Ventajas: Capas superficiales más duras y resistentes al desgaste.

F) Aleantes Alfágenos y Gammágenos

Aleante alfágeno: Disminuye la temperatura crítica A₄ y aumenta la A₃. Ejemplos: Cr, W, Al.

Aleante gammágeno: Aumenta la temperatura A₄ y disminuye la A₃. Ejemplos: Ni, Cu, Co.

G) Características de los Aceros al Carbono

Fases: Ferrita, austenita y cementita.

Usos: Aplicaciones donde los requerimientos mecánicos no son muy importantes.

Inconvenientes: Mala resistencia a la corrosión y a impactos a bajas temperaturas.

H) Características de los Aceros Microaleados

Definición: Aceros con menos del 10% de aleantes.

Ventajas: Precio competitivo, buena soldabilidad, alta resistencia mecánica y tenacidad.

I) Temple

¿En qué consiste? Calentamiento seguido de enfriamiento rápido para obtener una estructura cristalina deformada.

Objetivos: Aumentar la dureza y la resistencia mecánica.

J) Revenido

¿En qué consiste? Tratamiento complementario al temple para quitar tensiones internas y fragilidad.

Efectos: Disminución de la carga de rotura, límite elástico y dureza, aumento del alargamiento a la rotura y resistencia al impacto.

K) Recocido

¿En qué consiste? Calentamiento a temperaturas adecuadas seguido de enfriamiento lento.

Objetivos: Ablandar los materiales para trabajarlos mejor.

Tipos: Homogeneización, regeneración, estabilización, contra acritud.

L) Efectos de los Aleantes en la Formación de Carburos y Templabilidad

Carburos: Influyen en el tiempo de calentamiento.

Templabilidad: La disminución de carbono y aleantes reduce la templabilidad.

M) Capacidad de Temple y Templabilidad

Capacidad de temple: Dureza máxima que se puede conseguir en un acero.

Templabilidad: Aptitud de un acero para formar martensita en toda la sección.

Ensayo: Jominy.

N) Austenita

¿Qué es? Solución sólida de inserción de carbono en Feɣ.

Estabilidad: Estable a temperaturas superiores a A₁.

Propiedades: Deformable, poco dura, resistente al desgaste, no magnética.

O) Ferrita

¿Qué es? Solución sólida de inserción de carbono en Feα.

Propiedades: Resistencia a la tracción (280 MPa), alargamiento a la rotura (35%).

Presentación: Constituyente proeutectoide en aceros hipoeutectoides.

P) Cementita

Composición: Constante.

Sistema cristalino: Ortorrómbico.

Características mecánicas: Fragilidad y dureza.

Propiedades magnéticas: Ferromagnética a bajas temperaturas.

Q) Recocido para Facilitar el Mecanizado

Tipo de recocido: Recocido de ablandamiento.

Recocido de regeneración: Afinar el tamaño de grano o destruir efectos de un tratamiento térmico mal efectuado.

R) Normalizado y Recocido de Estabilización

Normalizado: Similar al recocido pero con calentamiento y enfriamiento más rápido.

Recocido de estabilización: Eliminar tensiones internas tras trabajos de forja, laminado o mecanizado.

S) Templabilidad y Diámetro Crítico Ideal

Templabilidad: Aptitud de un acero para formar martensita en toda la sección.

Diámetro crítico ideal: Mayor diámetro de una barra cilíndrica con estructura martensítica en su núcleo.

T) Recocido Globular y de Homogeneización

Recocido globular: Para que la cementita adopte forma esférica en una matriz de ferrita.

Recocido de homogeneización: Destruir heterogeneidades químicas en lingotes de acero.

U) Severidad del Temple y Diámetro Crítico

Severidad del temple (H): Eficacia de enfriamiento de un medio.

Diámetro crítico (D_c): Diámetro máximo con estructura martensítica.

Tratamientos Térmicos Especiales

Martempering: Temple escalonado para reducir variaciones de volumen.

Austempering: Temple escalonado bainítico para reducir tensiones internas.

Ausforming: Combinación de endurecimiento por acritud y temple.

Aceros y Fundiciones

A) Aceros para Herramientas

Características: Resistencia al desgaste, alta indeformabilidad y dureza.

Tipos: Templables en agua, de alta templabilidad, para matrices, rápidos.

B) Efectos de los Aleantes en el Crecimiento de Grano y Formación de Carburos

Crecimiento de grano: Aumenta con el cromo, se retarda con el níquel.

Carburos: Influyen en el tiempo de calentamiento.

C) Efectos de los Aleantes en la Templabilidad y Crecimiento de Grano

Templabilidad: Reducida por la mayoría de los aleantes, excepto el cobalto.

Crecimiento de grano: Aumenta con el cromo, se retarda con el níquel.

D) Aleantes Alfágenos y Gammágenos

Aleante alfágeno: Disminuye la temperatura crítica A₄ y aumenta la A₃. Ejemplos: Cr, W, Al.

Aleante gammágeno: Aumenta la temperatura A₄ y disminuye la A₃. Ejemplos: Ni, Cu, Co.

E) Tipos de Aceros Inoxidables

Tipos: Martensíticos, ferríticos, austeníticos, endurecibles por precipitación.

Menor precio: Martensíticos.

Comportamiento frente a la corrosión: Austeníticos.

F) Características de Aceros Inoxidables

Ferrítico: Magnéticos, no responden a tratamientos térmicos, propiedades mecánicas medianas.

Austenítico: No magnéticos, soldables, alta resistencia a la corrosión.

Martensítico: Magnéticos, económicos, buena resistencia a la corrosión ambiental.

G) Constituyentes Estructurales de las Fundiciones

Grafito: Blando y quebradizo, reduce la contracción de solidificación.

Steadita y Ledeburita: Eutécticas duras y frágiles.

Ferrita y Perlita: Ferrita con silicio, perlita con bajo contenido de carbono.

H) Fundición Maleable

Tipos: Corazón blanco (descarburación) y corazón negro (recocido).

I) Tipos de Fundiciones

Blanca: Todo el carbono en forma de Fe₃C, dura y frágil.

Gris: Mayor parte del carbono en forma de grafito, poco resistente.

Atruchada: Parte del carbono en forma de grafito y otra en forma de Fe₃C.

Maleable: Obtenida a partir de fundición blanca, para piezas de maquinaria.

Dúctil: Grafito en forma de esfera, buena deformabilidad y propiedades mecánicas.

J) Bonificado de Aleaciones de Aluminio

Fases: Solubilización, homogeneización, temple de precipitación, maduración.

K) Diagrama de Fases Cobre-Níquel

Características: Solubilidad completa, una sola fase α.

Propiedades: Alta resistencia a la corrosión, dúctiles, no susceptibles a tratamientos térmicos.

L) Tipos de Aleaciones de Aluminio

Aleaciones de forja: No bonificables y bonificables.

Aleaciones para moldeo: Mayor contenido de aleantes.

M) Aleaciones de Titanio

Fase α: Poca plasticidad, buena resistencia a la fluencia y corrosión.

Fase β: Buena conformabilidad y resistencia en frío.

N) Tipos de Latones

Latones α: Hasta 40% de cinc.

Latones α+β: 37.5% a 46% de cinc.

Latones β: Más del 46% de cinc.

O) Cuproaluminios

Ventajas: Mayor resistencia mecánica, menor precio, buena mecanización y resistencia a la corrosión.

Sustitutos: Aceros de contenido medio en carbono.

P) Aleaciones Aluminio-Cobre

Bonificables: Duraluminio, Al-Cu, Al-Mg-Si, Al-Zn-Mg.

No bonificables: Aluminio no aleado, Al-Mn, Al-Mn-Mg, Al-Mg.

Q) Aleaciones Aluminio-Magnesio

Bonificables: Duraluminio, Al-Cu, Al-Mg-Si, Al-Zn-Mg.

No bonificables: Aluminio no aleado, Al-Mn, Al-Mn-Mg, Al-Mg.

R) Bonificado de Aleaciones Ligeras

Fases: Solubilización, homogeneización, temple de precipitación, maduración.

Polímeros y Materiales Compuestos

A) Módulo de Relajación de un Polímero

Obtención: Ensayos isotermos de relajación.

Utilidad: Estudiar el comportamiento reológico de los polímeros en estado sólido.

B) Clasificación de Polímeros por Entrecruzamiento

Termoplásticos: Se ablandan y conforman varias veces.

Elastómeros: Admiten altas deformaciones elásticas, no funden.

Termoestables: Duros y rígidos, no funden.

C) Reacciones de Polimerización

Poliadición: Cada monómero se une a otro igual.

Policondensación: Un monómero reacciona con otro distinto.

Etapas: Iniciación, propagación, final.

D) Propiedades e Inconvenientes de los Polímeros

Propiedades: Baja densidad, baja conductividad calorífica, buenos aislantes eléctricos, fácil maquinabilidad, resistencia a agentes químicos.

Inconvenientes: Limitación a altas temperaturas, gran coeficiente de dilatación térmica.

E) Cuproaluminios vs. Bronces

Ventajas: Mayor resistencia mecánica, menor coste, buena mecanización y resistencia a la corrosión.

Sustitutos: Aceros de contenido medio en carbono.

F) Superaleaciones

Definición: Materiales con temperaturas de servicio por encima de 700 °C.

Bases de desarrollo: Aleantes inoxidables, elementos formadores de compuestos intermetálicos, eliminación de impurezas.

G) Diagrama de Fases Cobre-Níquel

Consecuencias: Una sola fase alfa, alta resistencia a la corrosión, no susceptibles a tratamientos térmicos.

H) Permeabilidad y Resistencia a Disolventes en Polímeros

Permeabilidad: Disminuye con alta cristalinidad y entrecruzamiento.

Resistencia a disolventes: Aumenta con peso molecular, cristalinidad y entrecruzamiento.

I) Aditivos en Plásticos

No especificado en el texto.

J) Fases de una Reacción Polimérica

Etapas: Iniciación, propagación, final.

Conversión y velocidad: Aumenta la velocidad en la etapa de propagación, disminuye al final.

K) Gráficas Módulo de Relajación-Temperatura (Termoplástico)

Comportamiento: El módulo de relajación cae lentamente con la temperatura, la meseta elastoemérica se detecta cuando desaparecen los cristalitos.

L) Gráficas Módulo de Relajación-Temperatura (Termoplástico Amorfo)

Bajo peso molecular: Fluencia viscosa al superar la movilidad de los segmentos moleculares.

Alto peso molecular: Deslizamiento frenado por entrecruzamientos moleculares.

M) Funciones de la Matriz en Materiales Compuestos

Funciones: Aglutinante, protección mutua, mejora de propiedades mecánicas y térmicas, transferencia de carga.

N) Componente que Resiste Esfuerzos Mecánicos

Refuerzo: Fibras y partículas.

O) Resistencia a la Tracción en Composites

No especificado en el texto.

P) Reacción Álcali-Silicio

¿En qué consiste? Interacción de áridos con minerales silicatados y álcalis del cemento.

Efectos: Expansión excesiva, fisuras, ampollas en el hormigón.

Susceptibilidad: Áridos silíceos más susceptibles que los calizos.

Q) Características de Composites Laminares

No especificado en el texto.

R) Refuerzos para Isotropía

Tipos: Dispersión, precipitación de partículas y fibras cortas.

S) Clasificación de Áridos por Origen

Tipos: Natural, artificial, reciclado.

Forma y textura: Redondeadas y suaves para hormigón de cemento Portland, angulares y rugosas para hormigón asfáltico.

Materiales Cerámicos y Hormigón

A) Propiedades de los Materiales Cerámicos

Térmicas: Alto punto de fusión, pequeño coeficiente de dilatación, baja conductividad calorífica, resistencia a cambios de temperatura.

Mecánicas: Fragilidad, dureza, baja resistencia a la fractura, alta resistencia a la compresión, baja resistencia al impacto.

B) Anisotropía en Fibras de Kevlar y Rotura Frágil en Fibras de Carbono

Kevlar: Anisotropía debido a la estructura de hojas planas rígidas.

Carbono: Rotura frágil debido a la estructura de capas de grafeno.

C) Rotura Frágil en Fibras de Vidrio y Anisotropía en Fibras de Carbono

Vidrio: Rotura frágil debido a su estructura amorfa.

Carbono: Anisotropía debido a la estructura de capas de grafeno.

D) Refuerzos para Isotropía

Tipos: Dispersión, precipitación de partículas y fibras cortas.

E) Influencia de Aluminatos-Sulfatos en el Fraguado del Cemento Portland

Relación: Determina la velocidad de fraguado.

F) Contenidos de C2S y C3S y Resistencia del Hormigón

Relación: Mayor cantidad de C2S aumenta la resistencia máxima.

Adición de yeso: Ralentiza la velocidad de hidratación del C3A.

G) Compuestos Principales del Cemento Portland

Compuestos: Silicato tricalcico (C3S), silicato dicalcico (C2S), aluminoferrita tetracalcica (C4AF), aluminato tricalcico (C3A).

H) Anisotropía en Fibras de Carbono y Rotura Frágil en Fibras de Vidrio

Carbono: Anisotropía debido a la estructura de capas de grafeno.

Vidrio: Rotura frágil debido a su estructura amorfa.

I) Relación Agua-Cemento en la Hidratación

Importancia: No alejarse de 0.22-0.25 kg de agua por kg de cemento para evitar reducir la resistencia a compresión.

J) Influencia de la Relación Agua-Materiales Cementosos en la Resistencia a la Compresión

Efecto: Al aumentar la relación, se reduce la resistencia a la compresión.

K) Reacción Álcali-Silicio

¿En qué consiste? Interacción de áridos con minerales silicatados y álcalis del cemento.

Efectos: Expansión excesiva, fisuras, ampollas en el hormigón.

Susceptibilidad: Áridos silíceos más susceptibles que los calizos.

L) Clasificación de Áridos por Origen

Tipos: Natural, artificial, reciclado.

Forma y textura: Redondeadas y suaves para hormigón de cemento Portland, angulares y rugosas para hormigón asfáltico.