Metalls i Aliatges: Estructura, Propietats i Metal·lografia

Els metalls són elements químics purs extrets de la terra que es poden combinar per crear aliatges.

Metal·lúrgia:

Estudia l'extracció, el processament i les reaccions dels metalls (com la corrosió).

Siderúrgia:

Centrada específicament en el ferro i els seus aliatges. 
Propietats generals: , solids, estructura cristalina definida, alta densitat, punts de fusió elevats, són bons conductors (elèctrics i tèrmics), mal·leables, dúctils, opacs, brillants, de color, radiació reflenaja i abssorvida, durs, tenaços (capacitat absorvir energia antes trencarse) 

Els metalls a la natura ● Estat pur (Metalls natius): Generalment els metalls no es troben purs, però existeixen excepcions anomenades metalls natius. Es troben en forma metàl·lica sense formar compostos. ○ Grup de l'or: Or, coure, plom, alumini, Mercuri i plata. ○ Grup del platí: Platí, iridi, osmi, pal·ladí, rodi i ruteni. ○ Aliatges natius: També es poden trobar barreges naturals com el llaütó, el bronze i amalgames (plata-Mercuri i or-Mercuri). ● Resta de metalls: La gran majoria es troben formant compostos (minerals), per la qual cosa calen processos miners i químics per extreure'ls.

Ordenament estructural Els metalls s'organitzen en tres nivells estructurals jeràrquics, on cada nivell està format per elements de l'anterior: 1. Estructura cristal·lina: El nivell més bàsic (ex: cúbica simple, cúbica centrada en el cos, cúbica centrada en les cares o hexagonal compacta). 2. Estructura microgràfica: Formada per l'agrupació de cristalls. 3. Estructura macrogràfica: El nivell superior d'organització.

-Microestructura (Escala microscòpica) ● Composició: Està formada per àrees cristal·lines individuals anomenades "grans". ● Formació: El seu tamany, estructura i orientació depenen de la composició de l'aliatge i del mètode de formació (com la fosa, el forjat o l'ús d'additius). Els grans es creen durant la solidificació del material fos en interactuar entre ells i amb altres components. ● Observació: Només es pot avaluar mitjançant microscopis (estereomicroscopi, òptic, digital, de rastreig o electrònic de transmissió). Els detalls observats varien des de mil·límetres fins a nanòmetres. ● Utilitat: Permet determinar la mida de gra, detectar defectes, analitzar fallades o estudiar soldadures. Les propietats mecàniques i tecnològiques del metall estan directament lligades a aquestes característiques.

Macroestructura (Escala visual) ● Observació: Es pot apreciar a simple vista, amb una lupa o amb un estereomicroscopi. ● Aplicacions: El seu estudi és menys habitual que el microestructural. S'utilitza principalment per inspeccionar: 1. Soldadures. 2. Peces foses (per detectar deformacions o segregacions). 3. Avaluació de geometries i revestiments.

Influències en l'estructura L'ordenament estructural no és estàtic i pot canviar a causa d'influències externes posteriors: ● Químiques: Com per exemple la corrosió. ● Químiques i/o físiques: Com els tractaments tèrmics.
● Mecàniques: Processos posteriors a la formació com el forjat, el laminat ("rodado") o el corbat.

L'estructura dels metalls: Macro vs. Micro L'estructura interna dels metalls no és uniforme; està formada per grans (àrees cristal·lines individuals). La mida, orientació i forma d'aquests grans depenen de la composició de l'aliatge i del procés de fabricació (forja, fosa, etc.).

2.1.1.1 Macroestructura (Visió general) ● És l'estructura que es pot observar a simple vista, amb una lupa o amb un estereomicroscopi. ● Aplicacions: ○ Inspecció de soldadures. ○ Control de peces fosas (per detectar defectes de segregació). ○ Avaluació de revestiments i geometries de peces forjades. ● Freqüència: S'utilitza menys que la microestructura, però és vital per a controls ràpids de qualitat.

2.1.1.2 Microestructura (Visió profunda) ● Estructura que només es pot avaluar mitjançant microscopis (òptics de llum reflectida, digitals o electrònics de transmissió/escombrat). ● Escala: Des de mil·límetres fins a micròmetres ($\mu m$) i nanòmetres ($nm$). ● Què ens permet analitzar? ○ Mida del gra: Crucial per saber la resistència mecànica. ○ Fases i contaminants: Identificar barreges d'elements dins del metall. ○ Detecció de microdefectes: Esquerdes o porus invisibles a simple vista. ○ Anàlisi de fallades: Entendre per què s'ha trencat una peça.

Factors que influeixen en l'estructura L'estructura del gra no és estàtica; canvia segons les influències externes: 1. Químiques: Com la corrosió, que altera la superfície i el gra. 2. Tèrmiques: Tractaments de calor (com el tremp) que canvien la mida del gra. 3. Mecàniques: Processos com la forja, el laminat o el corbat que deformen els grans i canvien les propietats del material.

Etapas de la solidificación: 1. Formación del núcleo (Nucleación): ● Nucleación homogénea: El núcleo se forma por sí mismo y debe alcanzar un tamaño críTicó determinado para ser estable. ● Nucleación heterogénea: La solidificación ocurre sobre las paredes del molde o sobre impurezas (núcleos añadidos). No requiere un tamaño de núcleo determinado. ● El número de granos resultantes determinará si la estructura es de grano grueso o fino. 2.Crecimiento del núcleo: Los núcleos crecen hasta formar la estructura granular completa.

 Solidificación de un metal puro A partir de los núcleos aparecen estructuras llamadas dendritas, que crecen de forma tridimensional. A medida que crecen, los huecos entre núcleos se rellenan hasta que el crecimiento choca con el de los vecinos, dando lugar a granos de formas irregulares.

2.2.2 Solidificación en molde (lingoteras) ● Se utilizan moldes de arena o metálicos (coquillas) para formar lingotes. ● Gradientes de temperatura: Las paredes del molde se enfrían más rápido que el centro, lo que provoca un fenómeno de subenfriamiento (la temperatura de fusión y solidificación no coinciden exactamente). ● Distribución de granos: Los primeros granos aparecen en la pared del molde (zona fría) por nucleación heterogénea. Luego crecen en dirección opuesta al flujo de calor. En el centro puede formarse una zona equiaxial con granos orientados aleatoriamente. ● La velocidad de enfriamiento (según el tipo de molde) determina el tamaño del grano y, por tanto, las propiedades mecánicas del metal.

Defectos de solidificación Durante las etapas de fusión y solidificación pueden aparecer diversas irregularidades que afectan la calidad del material: ● Defecto Químico: Falta de homogeneidad en la solidificación que provoca una composición distinta en diferentes partes del lingote. ● Defecto Físico: Defectos cristalinos que pueden ser de línea, puntós o de superfície. ● Defecto Estructural: Causados por el subenfriamiento. Incluyen cavidades, huecos, inclusiones o gotas de metal que caen antes del vertido. ● Defectos frecuentes: Porosidades, microgrietas e inclusiones no metálicas.

aliatge:  Combinació de metalls amb altres elements per millorar propietats dels metals com la resistència o la duresa…La majoria dels metalls que s'utilitzen en indústria són aliatges. Requisits per a formar aleaciones: 1. Ser perfectament miscibles en estat líquid per a en solidificar donar lloc a una matèria “homogènia”. 2. Donar lloc a un material de caràcter metàl·lic. 

Solubilitat en l'estat sòlid: a. Solucions sòlides: La composició puga variar de manera contínua sense modificar bruscament les propietats físiques de l'aliatge Soluciones sólidas por sustitución: Los átomos del aleante sustituyen a los del metal mayoritario en su estructura cristalina. Requiere que tengan tamaño, València y electronegatividad similares (Ej: Oro-Plata). Soluciones sólidas por inserción: Los átomos del aleante, que deben tener un radio atómico muy pequeño (H, B, C, N), ocupan los espacios huecos entre los átomos del metal base (Ej: Hierro-Carbono). B. Compostos intermetàl·lics: Combinación química estequiométrica con enlaces mixtos (metálico, covalente e iónico). Son muy duros y frágiles, pero con baja conductividad (Ej: Cementita, Fe_3C).. C. Mescla de fases: Quan els elements són insolubles en estat sòlid (ex: plom en coure).

 Aleaciones Férreas Son aquellas cuyo componente mayoritario es el hierro (Fe). Representan más del 90% de las aleaciones industriales por su bajo coste y facilidad de producción. Inconvenientes: Alta densidad, baja conductividad eléctrica comparada con otros metales y alta susceptibilidad a la corrosión. Avantatges: Són les més utilitzades i amb major aplicació en la indústria, a causa de les seues propietats mecàniques i físiques. Elevada rendibilitat: facilitat en la seua producció i baix cost de fabricació. Representen més d'un 90% del total d'aliatges utilitzats en la indústria. A més del Fe com a principal constituent, és present el Carboni. Per a l'obtenció del Fe es reduïxen els òxids de Fe amb C a temperatures elevades

Aleaciones No Férreas Se utilizan cuando se requieren propiedades que las férreas no cubren (menor densidad, mejor conductividad o resistencia a corrosión). Inconvenients: densitat relativament alta, conductivitat elèctrica comparativament baixa, i susceptibilitat a la corrosió en mitjans comuns. Se clasifican por su densidad: 1.Pesadas (> 5 g/cm³) 2.Ligeras (2 - 5 g/cm³) 3.Ultraligeras (< 2 g/cm³): 

Tipos de acerós inoxidables según su estructura: ● Austeníticos: Contienen Níquel o Manganeso para retener la fase Austenita. Son muy tenaces, muy deformables y resistentes a la corrosión, pero caros. ● Ferríticos: Estructura de Ferrita con hasta un 8% de Cromo. Son más resistentes mecánicamente que los austeníticos y se usan mucho en automoción y alimentación. ● Martensíticos: Se obtienen mediante tratamiento térmico para formar Martensita. Tienen gran dureza y resistencia al desgaste. Muy usados en cuchillería y herramientas quirúrgicas.

La fosa és una tècnica metal·lúrgica en la qual el material fos s'aboca en un motlle, on es refreda i se solidifica donant com a resultat la peça de fosa. Aquesta peça s'extreu del motlle i pot ser acabada mitjançant processos de rectificat, polit i esmaltat. Processos principals: Consisteixen a abocar el metall en un motlle amb la forma desitjada. Es troben: ● Moldeig en lingots. ● Colada contínua. ● Moldeig en sorra. ● Moldeig en conquilla. ● Moldeig per centrifugació.

Heixurat (Conformat) El metall no arriba al punt de fusió, encara que sí que s'escalfa en algunes ocasions fins al vermell viu (com en la forja), però mai fluirà. En altres casos, és una pressió molt elevada la que aconsegueix donar forma als metalls. Processos principals: ● Forja. ● Laminació. ● Extrusió (directa o inversa). ● Trefilatge. ● Embotició.

 METALOGRAFIA La metalografia és la ciència que s'encarrega de l'estudi de les característiques microestructurals d'un metall o d'un aliatge. Permet conèixer les fases de l'estructura, la mida de gra, deformacions, defectes o influències de la fabricació i tractaments tèrmics. Com que la microestructura es troba en escala microscòpica, cal un procediment per adequar la mostra. Les etapes principals són: 6.1. Extracció o tall del material per estudi microestructura S'obté un tros petit (pocs mil·límetres quadrats). El més important és que el tall no sigui invasiu; temperatures o tensions excessives podrien alterar o falsejar la microestructura. 6.2. Embotició de la probeta metalografica S'utilitza una premsa metal·logràfica on es col·loca la mostra amb resina en pols. Se sotmet a pressió i temperatura per crear una pastilla sòlida anomenada proveta metal·logràfica. 6.3. Llimat i polit de la probeta És l'etapa més feixuga. S'utilitzen polidores amb llimas (normalment de carbur de silici). En canviar a una llima més fina, cal girar la mostra 90º perquè les ratlles del llimat anterior siguin eliminades per la nova llima. Finalment, la mostra es poleix amb draps. 6.4. Atac químic Serveix per revelar la microestructura per al microscopi. Consisteix en l'aplicació d'unes gotes d'àcid (fluorhídric, nítric, acètic, etc.) durant uns segons, rentar i assecar. El reactiu dependrà del material analitzat.