Fundamentos de Materiales Metálicos: Clasificación, Procesos y Transformaciones

Materiales Metálicos: Propiedades y Procesos Fundamentales

Clasificación de los Materiales Metálicos

Los materiales metálicos se clasifican principalmente en dos grandes grupos:

• Aleaciones Férreas (aproximadamente el 90%): Son aleaciones basadas en hierro.
  • Aceros (<2% de carbono): Incluyen aceros de baja aleación y de alta aleación.
  • Fundiciones (>2% de carbono).
• Aleaciones No Férreas: No están basadas en hierro.
  • Aleaciones ligeras.
  • Aleaciones de cobre (Cu).
  • Superaleaciones.
  • Metales refractarios.

Obtención de un Producto Metálico

El proceso de obtención de un producto metálico sigue una secuencia definida, desde la materia prima hasta la pieza final:

1. Materia Prima: Mineral o chatarra.
2. Extracción del Metal: Mediante procesos metalúrgicos.
3. Preparación: Metal, aleaciones o metales puros.
4. Fusión y Colada: Para dar forma inicial.
5. Conformado: Obtención de la pieza final o preforma.
6. Acabado: Procesos finales para la pieza.

Solidificación de Metales

La solidificación es la transformación de un material del estado líquido al sólido, un proceso crucial en la fabricación de piezas por colada. Durante este proceso, el paso de líquido a sólido libera calor. Para que ocurra, se requiere un cambio de energía libre negativo y la extracción de calor (subenfriamiento).

La solidificación se desarrolla en dos etapas principales:

1. Nucleación

Es la formación de agrupaciones estables de átomos (núcleos). Puede ser:

• Homogénea: La probabilidad de formar núcleos es igual en cualquier lugar de la masa fundida.
• Heterogénea: Existen lugares de nucleación preferente (con mayor subenfriamiento), como las paredes de los moldes, impurezas o inclusiones. En la nucleación heterogénea se requieren menos átomos para formar un núcleo estable. El número de núcleos formados determina el tamaño de grano del metal sólido y, por tanto, sus propiedades.

2. Crecimiento

Consiste en la incorporación de átomos del líquido al sólido. Un núcleo puede crecer si su radio (r) es mayor que el radio crítico (r_crítico), lo que implica una variación negativa de la energía libre (ΔG < 0). Este proceso requiere la extracción de calor latente para mantener el subenfriamiento. El crecimiento ocurre en dirección opuesta al flujo de calor y en direcciones preferentes, formando dendritas. La forma y el tamaño de estas dendritas dependen de la velocidad de extracción del calor (influenciada por el tipo de molde, ya sea de arena o metálico).

Importante: Si se aumenta la velocidad de enfriamiento, se incrementa el número de núcleos y se mejoran las propiedades mecánicas del material.

Deformación Plástica en Metales

Una vez que el metal está en estado sólido, es posible cambiar su forma aprovechando su capacidad para ser deformado plásticamente (ductilidad). Los procesos de deformación plástica utilizan la aplicación de fuerzas de compresión y tracción, y se pueden realizar a distintas temperaturas.

Efectos de la Deformación Plástica en Frío

La deformación plástica en frío provoca un endurecimiento en los metales, lo que resulta en un aumento de su resistencia y dureza. Este endurecimiento por deformación plástica se denomina acritud.

La acritud puede impedir o dificultar ulteriores etapas de conformado, haciendo necesario ablandar el material mediante un recocido de recristalización.

Los procesos de deformación plástica provocan cambios significativos en los materiales, tanto a nivel macroscópico como microscópico, y ambos están interrelacionados:

• A nivel microscópico: Se produce una distorsión de los granos y un aumento de la densidad de las dislocaciones.
• A nivel macroscópico:
  • Aumento de la dureza y resistencia.
  • Pérdida de ductilidad.
  • Disminución de la conductividad eléctrica y térmica.
  • Disminución de la resistencia a la corrosión.

Transformaciones de Equilibrio en Estado Sólido

Las transformaciones de equilibrio en estado sólido se rigen por los cambios reflejados en los diagramas de equilibrio de fases. Estas transformaciones ocurren gracias a mecanismos de difusión en estado sólido, que dependen de la temperatura y el tiempo. Al igual que la solidificación, se producen por nucleación y crecimiento, siendo necesario un ΔT (subenfriamiento) con respecto a la temperatura de transformación; la velocidad de la transformación dependerá de este ΔT.

Transformación Perlítica

En la transformación perlítica, se nuclea ferrita sobre la superficie del grano de austenita, y el carbono (C) se desplaza por difusión a zonas adyacentes donde se forma cementita.