Fundamentos de Materiales: Ensayos de Dureza, Endurecimiento por Precipitación y Solidificación Metálica

Ensayos de Dureza en Materiales Metálicos

Ensayo Brinell

El Ensayo Brinell es el más adecuado para determinar la dureza de materiales no muy duros, como el acero recocido, laminado o normalizado.

• Ventajas:
  • Ideal para materiales de dureza media-baja.
  • No exige una preparación de superficie tan cuidadosa como otros métodos.
• Inconvenientes:
  • Deja una huella de mayor tamaño en la superficie del material ensayado.

Ensayo Rockwell

El Ensayo Rockwell es el método más rápido y útil para determinar la dureza de herramientas templadas y piezas cementadas.

• Ventajas:
  • Lectura fácil y directa en un cuadrante.
  • Alta velocidad de ensayo.

Ensayo Vickers

El Ensayo Vickers es el método más indicado para ensayar piezas, barras o flejes delgados, así como piezas nitruradas, cementadas o cromadas. Es ampliamente utilizado en investigación para medir todo tipo de materiales.

• Ventajas:
  • Versatilidad para una amplia gama de materiales y espesores.
  • Deja una huella muy pequeña.
• Inconvenientes:
  • Necesita una superficie casi rectificada para una medición precisa.

Endurecimiento por Precipitación

El endurecimiento por precipitación se basa en dificultar el avance de las dislocaciones mediante la generación de una dispersión muy fina de precipitados dentro de la matriz del material.

Para aplicar este tratamiento térmico, el diagrama de fases del material debe mostrar solubilidad sólida parcial y una pendiente positiva en la línea de solvus.

Un ejemplo clásico es el Duraluminio (Al-4%Cu).

Aplicaciones del Duraluminio

El duraluminio es ampliamente utilizado en la aeronáutica debido a su elevada resistencia específica (relación resistencia/densidad).

Tipos de Precipitado: Coherente e Incoherente

• Precipitado Incoherente:

  La fase de equilibrio, como el Al₂Cu, es tetragonal e incoherente con la matriz. Esto significa que no hay una relación cristalográfica directa entre el precipitado y la matriz.

• Precipitado Coherente:

  Son estructuras de transición, denominadas zonas de Guinier-Preston (GP). Estas zonas son coherentes con la matriz, con los átomos de Cu ocupando posiciones del cristal de Al. La formación de estas zonas conduce a una gran distorsión de la red y, por tanto, a un significativo endurecimiento de la aleación.

Consideraciones Generales para el Endurecimiento por Precipitación

1. La combinación de una matriz dúctil y blanda con un precipitado resistente y duro actúa como un freno eficaz para el movimiento de las dislocaciones.
2. Es fundamental que la matriz sea continua y el precipitado discontinuo.
3. Las partículas pequeñas y numerosas incrementan significativamente la interferencia con el movimiento de las dislocaciones, mejorando la resistencia.
4. La resistencia de la aleación aumenta directamente con el contenido de precipitado.
5. Las partículas redondeadas no actúan como concentradores de tensiones, lo que ayuda a evitar la fragilización del material.

El proceso de Bonificado es un tratamiento térmico que combina hipertemple y maduración para lograr el endurecimiento por precipitación.

Nucleación y Solidificación de Metales

Nucleación Homogénea

La nucleación homogénea ocurre en el líquido fundido cuando el propio metal proporciona los átomos necesarios para formar el núcleo. Se crean numerosos núcleos homogéneos por el movimiento lento de átomos que se mantienen unidos. Este tipo de nucleación requiere un elevado subenfriamiento (∆T).

Nucleación Heterogénea

La nucleación heterogénea tiene lugar sobre la superficie de cualquier partícula externa (conocida como agente de nucleación) que sirva de soporte o agrupamiento de átomos. Este proceso disminuye la energía libre necesaria para formar un núcleo estable, facilitando la solidificación.

Enfriamiento Fuera de Equilibrio

Durante el enfriamiento fuera de equilibrio, la difusión es rápida en el líquido pero lenta en el sólido. Esto provoca que la composición del sólido dependa directamente de la velocidad de solidificación. Se establece un gradiente de concentraciones, donde el centro de los granos es rico en el componente con mayor temperatura de fusión (Tm).

Este fenómeno conduce a la microsegregación:

• Microsegregación: Composición no uniforme producida por la solidificación fuera del equilibrio.
• Consecuencias: Si se produce un recalentamiento, el borde de grano (rico en el componente de menor Tm) funde antes, lo que puede llevar a un fallo mecánico prematuro del material.

Enfriamiento en Equilibrio

El enfriamiento en equilibrio busca una composición uniforme. La macrosegregación es una heterogeneidad en la composición entre las distintas partes del sólido (por ejemplo, entre la superficie y el interior de una pieza).

• Macrosegregación: Heterogeneidad en la composición a gran escala dentro de la pieza.
• Solución: La eliminación de la macrosegregación se logra mediante un recocido de homogeneización o un procesado en caliente.