Metalurgia y Conformado de Metales

1. Obtención de un Producto Metálico

Metalurgia: Mineral o Chatarra → Extracción del metal (Metalurgia)

Metales puros (Fe, Al, Cu, Ti) ← METAL (Conformado) → Aleaciones

Conformado: Metal → Fusión y Colada → 1. Pieza final (Acabado) → 2. Solidificación preforma → Deformación plástica forma final (Acabado)

Acabado: Tratamientos térmicos, Tratamientos termomecánicos, Tratamientos superficiales

2. Solidificación de los Metales

Solidificación: Transformación de líquido a sólido. Proceso que ocurre en la fabricación de piezas por colada: Líquido ↔ Sólido + Q (Calor latente de fusión)

Condiciones:

• ΔG < 0
• Extracción del calor de subenfriamiento: ΔT = Ts - T* (Ts: Temperatura de solidificación, T*: Temperatura real del líquido)

Etapas de la solidificación:

1. Nucleación
2. Crecimiento

Si T < TE, la reacción espontánea será: Líquido → Sólido. T ↓ ⇒ v ↑, T ↓ ⇒ D ↓ ⇒ v ↓

2.1 Nucleación

Nucleación: Formación de agrupaciones estables de átomos (núcleos).

Nucleación Homogénea: Probabilidad de formar núcleos igual en cualquier lugar de la masa fundida.

Nucleación Heterogénea: Existen lugares de nucleación preferente (mayor subenfriamiento): paredes de moldes, impurezas o inclusiones.

¿Estado crítico? → Estable

En la nucleación homogénea de un metal puro deben considerarse dos tipos de cambio de energía:

1. La energía libre superficial necesaria para formar las nuevas superficies de la partícula solidificada de radio r: 4πr² → γ
2. La energía libre volumétrica, o global, liberada para la transformación de líquido a sólido: (4/3)πr³ → ΔGv

ΔG = 1 + 2

r crítico = ...

A mayor subenfriamiento, mayor es la probabilidad de formar núcleos, menor es el tamaño del radio crítico necesario para la solidificación.

El radio crítico es el mismo en la nucleación homogénea y heterogénea, pero el volumen del núcleo es menor en la heterogénea (requiere menos subenfriamiento porque γ es menor).

Menos subenfriamiento en nucleación heterogénea (menos átomos).

El número de núcleos determina el tamaño del grano del metal sólido y, por lo tanto, sus propiedades.

La velocidad de nucleación homogénea debe ser proporcional a la población de núcleos r* y a la velocidad a la que los átomos del líquido se incorporan al núcleo para que siga creciendo. Esto depende de:

1. La energía de activación para generar un núcleo: ΔG*
2. La frecuencia con la que los átomos pasan de líquido a sólido.

N = ...

2.2 Crecimiento

Crecimiento: Incorporación de átomos del líquido al sólido. El crecimiento está regido por la difusión. Capacidad del átomo de llegar a la intercara núcleo-líquido.

La velocidad de solidificación es proporcional a la velocidad de nucleación y a la de crecimiento.

Un núcleo solo puede crecer si: r ≥ r crítico (supone ΔG < 0).

Requiere extracción de calor latente para mantener el subenfriamiento. Sentido contrario al flujo de calor y en direcciones preferentes según sea el sistema cristalino en el que solidifique (menor temperatura en las paredes del molde: flujo de calor perpendicular a las paredes, crecimiento de granos alargados).

La naturaleza del crecimiento dependerá de la forma con la que se extraiga el calor:

1. Calor específico del líquido
2. Calor latente de fusión

Menos ΔT, menos velocidad de movimiento de la intercara líquido-sólido → Mayor ΔT

Influencia de la velocidad de enfriamiento en el crecimiento dendrítico: Si ↑ velocidad de enfriamiento ⇒ ↑ número de núcleos ⇒ ↓ tamaño dendrítico (espaciamiento entre brazos dendríticos secundarios, EBDS) ⇒ mejora propiedades mecánicas. EBDS = k(ts)^m (k, m: constantes; ts: tiempo de solidificación).

Solidificación: Metales puros, Aleaciones (con adición de nucleantes)

3. Deformación Plástica

Una vez el metal en estado sólido, es posible cambiar su forma aprovechando la capacidad de los metales para ser deformados plásticamente (ductilidad).

Los procesos de deformación plástica utilizan la aplicación de fuerzas de compresión y de tracción, y se pueden realizar a distintas temperaturas.

La deformación plástica en frío provoca endurecimiento en los metales (acritud) → aumento de resistencia y dureza. La acritud puede impedir o dificultar ulteriores etapas de conformado, siendo necesario ablandar el material mediante un recocido de recristalización.

Provocan cambios en los materiales, tanto a nivel macroscópico como microscópico:

A nivel microscópico: Distorsión de los granos. Aumenta la densidad de dislocaciones → Anclaje de dislocaciones.

A nivel macroscópico:

• Aumento de dureza y resistencia
• Pérdida de ductilidad
• Disminución de la conductividad eléctrica y térmica
• Disminución de la resistencia a la corrosión

Recocido de recristalización: Tratamiento térmico para recuperar las propiedades originales del material. Etapas: Restauración - Recristalización - Crecimiento de grano.

Procesos de deformación en masa: Laminado (Fuerza y Compresión), Forja, Extrusión (Fuerza y Compresión), Trefilado (Fuerza)

Procesos de deformación sobre chapa: Embutición, Doblado, Corte

4. Transformaciones de Equilibrio

Las transformaciones de equilibrio en estado sólido vienen dadas por los cambios que se reflejan en los diagramas de equilibrio de fases.

Ocurren gracias a mecanismos de difusión en estado sólido (temperatura y tiempo).

Se producen por nucleación y crecimiento, al igual que la solidificación:

• Es necesario un ΔT (subenfriamiento) con respecto a la temperatura de transformación.
• La velocidad de la transformación dependerá de ΔT.

4.1 Transformación Perlítica (Difusión)

Perlita: Láminas de dos fases: Feα + Fe₃C. Se nucléa ferrita sobre la superficie del grano de austenita y se desplaza el C por difusión a zonas adyacentes donde se forma cementita.

Perlita gruesa, perlita fina ...