Redes cristalinas BCC y FCC, ensayos de dureza y tratamientos térmicos del acero

Estructura Cristalina y Propiedades de los Materiales

Redes Cristalinas

• BCC (Cúbica Centrada en el Cuerpo):
  • Índice de coordinación: 8
  • Número de átomos: 2
  • Relación entre el parámetro de red (a) y el radio atómico (R): a = 4R / √3
• FCC (Cúbica Centrada en las Caras):
  • Índice de coordinación: 12
  • Número de átomos: 4
  • Relación entre el parámetro de red (a) y el radio atómico (R): a = √(8R²)

Ensayos de Dureza

La dureza es una propiedad que indica la resistencia de un material a la deformación plástica localizada, generalmente por indentación.

Ensayo Brinell

Se utiliza una bola de acero extraduro como indentador. Se mide el diámetro de la huella resultante.

• HB: Dureza Brinell (kg/mm²)
• P: Carga aplicada (kg)
• D: Diámetro de la bola (mm)
• d: Diámetro de la huella (mm)
• Fórmula: HB = (2P) / (πD(D - √(D² - d²)))
• Relación carga-superficie: P = k·S (donde S es la superficie de la huella y k una constante que depende del material)

Ensayo Vickers

Se utiliza una pirámide de diamante de base cuadrada como indentador, con un ángulo de 136º entre caras. La carga se aplica durante un tiempo determinado (generalmente 20 segundos). Es adecuado para materiales finos y puede usarse tanto en materiales blandos como duros.

• HV: Dureza Vickers
• P: Carga aplicada (kg)
• L: Longitud de la diagonal de la pirámide (mm)
• Fórmula: HV = 1.8544 * P / L²

Ensayo Rockwell

Existen diferentes escalas Rockwell, que utilizan diferentes combinaciones de indentadores (bolas de acero o conos de diamante) y cargas. Se mide la profundidad de la penetración.

• HRC: Se utiliza un cono de diamante de 120º para materiales duros. Se aplica una precarga de 10 kg y luego una carga adicional de 140 kg (carga total 150 kg).
• HRB: Se utiliza una bola de acero para materiales blandos. Se aplica una precarga de 10 kg y luego una carga adicional de 90 kg (carga total 100kg).
• Medición: Primero se aplican 10 kg de fuerza, luego se incrementa la fuerza (150 kg para HRC, 100 kg para HRB) y finalmente se reduce a 10 kg.
• Fórmula (HRC): HRC = 100 - e; donde e = h₁₅₀ - h₁₀ (diferencia de profundidad entre la carga máxima y la precarga).

Ventajas del ensayo Rockwell: Rapidez y sencillez.

Aleaciones y Microconstituyentes del Acero

Aleaciones

• Aleaciones por sustitución: Los átomos del soluto ocupan posiciones de los átomos del disolvente. Esto ocurre cuando los elementos tienen tamaños atómicos similares.
• Aleaciones intersticiales: Los átomos del soluto se colocan en los huecos intersticiales de la red cristalina del disolvente. Esto ocurre cuando hay una diferencia significativa de tamaño entre los átomos.

Microconstituyentes del Acero

• Ferrita: Estructura BCC. Blanda y magnética. Admite hasta un 0,008% de carbono.
• Cementita: Muy dura pero frágil. Estructura ortorrómbica.
• Austenita: Solución sólida de carbono en hierro gamma (FCC). Puede contener desde 0% hasta 1,76% de carbono. Mayor dureza que la ferrita. No magnética. Es el principal componente del acero.
• Martensita: Se obtiene por enfriamiento rápido de la austenita. Dura pero frágil.
• Sorbita: Perlita (estructura laminar de ferrita y cementita) enfriada rápidamente. Dura pero poco tenaz.

Tratamientos Térmicos y Termoquímicos

Tratamientos Térmicos

Modifican las propiedades mecánicas del material mediante ciclos de calentamiento y enfriamiento.

• Temple: Enfriamiento rápido desde una temperatura superior a la crítica (723 °C). Aumenta la resistencia y la dureza, pero disminuye la tenacidad.
  • Austempering: Enfriamiento en un baño de sales, luego al aire y finalmente revenido.
  • Martempering: Similar al austempering, pero sin enfriamiento al aire ni revenido.
• Revenido: Calentamiento a una temperatura inferior a la crítica (723°C) seguido de un enfriamiento rápido. Aumenta la tenacidad.
• Recocido: Similar al temple, pero con enfriamiento lento. Aumenta la resistencia y la tenacidad, y disminuye la dureza.
• Normalizado: Similar al recocido, pero con un enfriamiento más rápido.

Tratamientos Termoquímicos

Modifican la composición química de la capa superficial del material, mejorando propiedades como la dureza superficial y la resistencia al desgaste.

• Cementación: Aumento del porcentaje de carbono en la superficie mediante la exposición a monóxido de carbono a altas temperaturas.
• Nitruración: Aumento del porcentaje de nitrógeno en la superficie utilizando amoníaco.
• Cianuración: Adición de cianuro para aumentar la dureza superficial.
• Sulfinización: Adición de azufre en baños de sales. Aumenta la resistencia al desgaste y disminuye el coeficiente de rozamiento.
• Carbonitruración: Adición de mezclas gaseosas de metano y amoníaco.

Regla de las Fases de Gibbs

Fases + L = C + 2

Donde:

• Fases: Número de fases presentes en el sistema.
• L: Grados de libertad (variables que se pueden cambiar sin alterar la fase).
• C: Número de componentes.

Oxidación, Corrosión y Protección

Oxidación

Se produce cuando un material pierde electrones. Reacción general: Metal + O₂ → M⁺ⁿO₂^-n

Recubrimientos

Protegen el metal subyacente de la corrosión.

• Metálicos: Aplicados mediante baño de sales (electrólisis).
• No metálicos: Pinturas, barnices, esmaltes.

Inhibidores

Disminuyen la velocidad de oxidación.

Pasivadores

• Naturales: Algunos metales (como el cobre y el aluminio) forman una capa de óxido que los protege de la corrosión.
• Externos: Por ejemplo, el minio (una pintura).

Protección Catódica

Se utilizan ánodos de sacrificio que se oxidan preferentemente, protegiendo el metal principal. Los ánodos de sacrificio deben reemplazarse periódicamente.

Ensayos de Tracción

• σ (Tensión unitaria o esfuerzo) = F/S (Fuerza / Sección)
• A (Alargamiento) = (L_f - L₀) / L₀
• E (Módulo de Young) = σ / A (kg/mm²)
• A (Estricción) (N/mm²)
• σ (Tensión) (N/mm²)

Ensayo Destructivo Dinámico (Resiliencia)

• E_rot = mgΔh (Energía de rotura = masa * gravedad * diferencia de altura)
• σ (Resiliencia) (J/cm²) = E_rot / Superficie rota (cm²)