Propiedades magnéticas. Materiales magnéticos blandos y duros.

1.CONCEPTOSFUNDAMENTALES.

Cuando una partícula cargada se mueve, genera un campo magnético. Un material magnético tiene dipolos magnéticos.

El momento magnético es un vector (dirección y sentido).

Los dipolos magnéticos pueden considerarse como pequeños imanes en forma de barra formados por un polo norte y un polo sur. Cuando los dipolos magnéticos interaccionan con el campo, se suelen orientar a favor de él. (Ejemplo: brújula)

·Campo magnéticoaplicado.

Viene dado por la intensidad de corriente, distancia y número de vueltas.

También se le denomina intensidad del campo magnético.

·Respuesta del campo magnético El campo magnético inducido se produce dentro del material H≠B (T ó Wb/m2) También se le denomina densidad deflujo magnético. Existe una relación entre el campo magnético aplicado y la inducción magnética. (B = μ·H)

Donde μ es la permeabilidad: medida de la facilidad del material para ser inducido al aplicar un campo magnético.

El parámetro para describir las propiedades magnéticas de los sólidos es el cociente de la permeabilidad de un material entre la permeabilidad en el vacío:

µ

Donde μr se denomina permeabilidad relativa y es adimensional. Es una medida del grado en que el material puede magnetizarse, o bien, de la facilidad con que puede inducirse un campo B en presencia de un campo externo H.

Otra magnitud de campo, M, denominada magnetización del sólido, se produce cuando tenemos un material en un campo. Se define mediante la expresión: B= μ0H + μ0M

M: magnetización, representa el incremento de inducción magnética debido al material.

·Susceptibilidad magnética,χ.

La susceptibilidad magnética indica lo susceptible que es el material al campo H. Es una constante adimensional.

M = χH

Χ = μr -1

2.SUSCEPTIBILIDADMAGNÉTICA.

Al introducir un material en un campo magnético, los electrones se ven afectados por él. La susceptibilidad magnética mide la respuesta de los electrones al campo magnético.

En un átomo, cada electrón tiene momentos magnéticos que se originan de dos fuentes. Una de estas fuentes

tiene que ver con el movimiento orbital del electrón alrededor del núcleo; al ser una carga en movimiento, se puede considerar que un electrón es una pequeña espira de corriente que genera un campo magnético muy pequeño y que tiene un momento magnético a lo largo de su eje de rotación.

También puede considerarse que cada electrón gira sobre sí mismo alrededor de un eje. Es decir, los electrones tendrán dos movimientos denominados:

Movimiento orbital, alrededor del núcleo. Al ser una carga negativa en movimiento produce el momento magnéticoorbital.

Movimiento sobre sí mismo, spin. Genera el momento de spín. El momento de spin puede tener dos direcciones, paralelas o no. En un átomo, el momento magnético de spin es ±μB donde μB es el magnetóndeBohrquees elmomentomagnéticofundamentalyquetieneunamagnitudde2.97·10-24Am2.

El momento magnético neto es la suma de todos los momentos.

En un átomo con todos los niveles electrónicos completamente llenos, cuando se consideran todos los electrones, se produce la cancelación total de todos los momentos magnéticos de todos los electrones.

Esto hace que este tipo de átomo no pueda ser magnetizado permanentemente (gases ideales y algunos materiales iónicos).

(Solo cuando apliquemos H).

3.PARAMAGNETISMO Y FERROMAGNETISMO ENMETALES.

En algunos casos es más favorable no aparear los spines en los orbitales de los metales, pero esto ocurre solo si los orbitales están próximos en energía al nivel de Fermi. Estos electrones desapareados son los responsables de que el metal posea momentos magnéticos.

Como M>>>H :

B = μ0H + μ0M ,, prácticamente B≈μ0M.

La alineación mutua de los spines se presenta en regiones relativamente grandes del cristal denominadas dominios.

–Antiferromagnetismo.

En general, lo presentan losóxidos. Los iones oxígeno no van a presentar momentos magnéticos ya que se cancelan totalmente los dos tipos de momentos, de espín y orbital, pero sí los deMn2+.

Se produce un alineamiento. Las capas se van intercalando y los iones Mn2+ tienen la característica de que el alineamiento de los μspin son antiparalelos, por lo que se van a compensar. De ahí que no posean momento magnético neto, es decir, momento magnético macroscópico. (No quiere decir que no tengan momento magnético).

–Ferrimagnetismo.

Algunos materiales cerámicos también presentan una magnetización permanente,denominadaferrimagnetismo.EstudiaremoslasferritascúbicasMFe2O4,donde M representa cualquiera de varios elementos metálicos. El prototipo de ferrita es Fe3O4, el mineral magnetita o piedraimán.

La magnetita podemos ponerla como una estructura con Fe2+ y Fe3+. (Fe2+O2 -(Fe3+)2(O2-)3)

Apilamiento de un plano de esferas compactadas (aniones) indicando las posiciones tetraédricas y octaédricas entre los planos. Los momentos de espín de todos los iones Fe3+ en las posiciones octaédricas están alineados paralelos entre sí; sin embargo, están dirigidos en sentido opuesto a los iones Fe3+ ubicados en las posiciones tetraédricas, que también están alineados. De este modo, todos los momentos de spin de los iones trivalentes se cancelan entre sí y la contribución neta a la magnetización es nula.

Todos los iones Fe2+ tienen sus momentos alineados en la misma dirección; este momento total es responsable de la magnetización neta. Todos los que están en posiciones Td tienen las mismas direcciones, igual que los que están en Oh.

4.INFLUENCIA DE LA TEMPERATTURA

EN EL COMPORTAMIENTOMAGNÉTICO.

Al aumentar la temperatura, aumenta la magnitud de las vibraciones térmicas de los átomos. Los momentos magnéticos de los distintos átomos pueden girar y por ello la temperatura tiende a desalinear estos momentos: la magnetización disminuye. La magnetización es máxima a 0 K, temperatura a la cual las vibraciones térmicas son mínimas. (Cuando todos los dipolos se orientan a favor del campo).

5.DOMINIOS EHISTÉRESIS.

Los materiales ferri y ferromagnéticos están formados por regiones tridimensionales (a T inferiores de la Tc) en las cuales los momentos magnéticos están alineados. A esta región se le denomina dominio. La magnetización total será la suma de todos los momentos magnéticos de los dominios. Estos dominios están separados por lo que llamamos pared de dominio.

6.CICLOS DEHISTÉRESIS.

A partir de la saturación, si retiramos el campo magnético aplicado, la curva no vuelve por el camino original, sino que se produce más lentamente debido a las resistencias de las barreras de dominio para desmagnetizarse.

èSe produce un efecto de histéresis en el cual el campo B queda desfasado con respecto al campo H aplicado, o sea, que disminuye a una velocidad menor. Cuando el campo H es cero (punto R), existe un campo residual B denominado remanencia o densidad de flujo remanente, Br; en ausencia de un campo externo H el material permanece magnetizado.

Para reducir a cero el campo B dentro del material

, debe aplicarse un campo H de magnitud-Hc en una dirección opuesta a la del campo original; Hc se denomina coercitividad.

El fenómeno de histéresis y la magnetización permanente pueden explicarse por el movimiento de las paredes de dominio. (pag 35 Callister)

7.ANISOTROPÍAMAGNÉTICA.

A la dependencia del comportamiento magnético con respecto a la orientación cristalográfica se denomina anisotropía magnética o anisotropía magnetocristalina. En cada uno de los materiales existe una dirección cristalográfica en la cual la magnetización es más fácil.

8.MATERIALES MAGNÉTICOS BLANDOS YDUROS.

Los materiales se clasifican en función de las características del ciclo de histéresis.

El área bajo la curva del ciclo representa la energía magnética consumida en el ciclo de magnetización/desmagnetización. El material duro consume mucha energía que normalmente se disipa en forma de calor y el material blando lleva asociado poco gasto energético.

–Los materiales blandos: se usarán en dispositivos en el que el núcleo magnético debe calentarse lo menos posible. Un material blando moverá bien las paredes de dominios. Tienen una permeabilidad inicialalta y baja coercitividad, así alcanzará una magnetización con un campo aplicado relativamente pequeño y aún así tener pérdidas de energíade histéresis pequeñas. Otra propiedad es la resistividad. Existen perdidas de energía a partir de corrientes eléctricas que son inducidas en un material magnético por un campo magnético que varía en magnitud y dirección con el tiempo; corrientes parásitas. Lo más conveniente es minimizar estas pérdidas de energía en materiales magnéticos blandos mediante el aumento de la resistividad.

–Los materiales magnéticos duros, en términos del comportamiento de histéresis, tiene remanencia, coercitividad y densidad de flujo de saturación altas, así como baja permeabilidad inicial y altas pérdidas de energía de histéresis. Las dos características más importantes relativas a las aplicaciones de estos materiales son la coercitividad y lo que se denomina el “producto de enegía” BHmáx. Este, corresponde al área del mayor rectángulo B-H que se puede construir dentro del segundo cuadrante de la curvade histéresis.

Cuanto mayor es el BHmáx, más duro es el material en términos de sus características magnéticas.

Nuevamente, el comportamiento de histéresis está relacionado con la facilidad con que se mueven las fronteras de los dominios magnéticos; al impedir el movimiento de las paredes de los dominios, se amplifican la coercitividad y la susceptibilidad, de modo que se requiere un campo externo grande para la desmagnetización.

9.ALMACENAMIENTO MAGNÉTICO.

Los semiconductores tipo FET pueden usarse como conmutadores abierto/cerrado (0/1) para el almacenamiento de información, por ejemplo, en la memoria primaria de los ordenadores.

Ejemplos son: discos duros, cintas magnéticas de audio/vídeo, pen drive… Almacena más información en pequeños espacios y con menor precio. Existen dos métodos:

a)En cintas. Sobre una cinta de material, resinapolimérica, se adhieren partículas de óxidos de Fe o Cr (óxidos ferromagnéticos). Cada partícula es un dominio ferromagnético, solo cabe en él dosorientaciones. Son duros, con una estructura blanda donde el nivel de Fermi se encuentra en una banda de energía estrecha con alto densidad de estados electrónicos, que es la condición de materiales ferromagnéticos. Todos los momentos magnéticos están alineados entre sí. Se requiere ciclos de histéresis prácticamente cuadrados de forma que solo haya dos valores de magnetización o flujo magnético. Para grabar el material magnético se hace con una señal eléctrica, que genera un campo magnético H, que es el que va a producir la magnetización de los segmentos de la cinta. Este tipo de grabación presenta inconvenientes:

- Estos óxidos no son suficientemente duros y al cabo del tiempo pierden información, se desimanta.

- Las acículas entre sí dejan huecos, no permite almacenar gran cantidad de información porque el medio es muy compacto.

b)Película fina (filmfino). El material magnético es un sólido policristalino; es una aleación metálica policristalina en la que cada uno de los granos del material es un dominio magnético, y los granos no dejan huecos entre sí lo que proporciona un medio material muy compacto. Las aleaciones son dos:

1.CoPtCr

2.CoCrTa

Estos materiales ferromagnéticos(se basan en Co), presenta un ciclo de histéresis con área grande y no se desmagetizan fácilmente.

12.SUPERCONDUCTIVIDAD

A medida que la mayoría de los metales de alta purezason enfriados hasta temperaturas cercanas a 0K, la resistividad eléctrica disminuye gradualmente y se aproxima a un valor pequeño pero finito característico del metal específico. Sin embargo, existen algunos materiales en los cuales la resistividad a muy bajas temperaturas desciende en forma súbita desde un valor infinito hasta virtualmente cero y permanece en este valor al enfriar más el material. Los materiales que presentan este comportamiento se denominan superconductores, y la temperatura a la cual alcanzan la superconductividad se denomina críticaTc.

Los superconductores cuando están en estado superconductor son diamagnéticos-efecto Meissner. Causa de que el material flota por encima del imán. Los campos eléctricos no los atraviesan.

·Clasificaciónsuperconductores.

Tipo I.

Metales puros, se caracterizan por tener valores de Hc y Tc muy bajos, por lo que son poco útiles. Además tienen un único valor de Hc. Se enfrían con He líquido para llegar a la Tcrítica. El flujo de corriente solo se da en superficie; el flujo de corriente es muy limitado.

Tipo II.

Son aleaciones, tienen valores mayores de la Tc y Hc y poseen dos valores de Hc. La corriente fluye en el interior del cable ya que las líneas de fuerzas traspasan el material.

Cerámicas.

YBa2Cu3O7 cerámica, tipo perousvkita. Se estudian con el fin de estudiar estructuras con Tc lo más altas posibles para conseguir superconducción a temperatura ambiente.

Para enfriarlos valdría con N2. Elproblemaes su fragilidad y no poder conformarlos en hilos o láminas.

Sistemas y dispositivosópticos.

Por propiedad óptica se entiende la respuesta de un material cuando es expuesto a la radicación electromagnéticas y, en particular, a la luz visible.

1.INTERACCIÓN DE LA LUZ CON LOSMATERIALES.

Cuando la luz interacciona con la materia se produce la absorción y la intensidad de la luz disminuye. Pero en el caso del láser, ocurre lo contrario, la intensidad de la luz aumenta.

·Mecanismo.

Cuando tenemos un átomo que reacciona con la luz, la molécula pasa a un estado excitado al recibir el fotón de energía. Se produce la absorción. Pero al no ser un estado estable, rápidamente pasa al estado fundamental emitiendo un fotón.

La emisión de la luz puede darse de dos maneras:

A.Espontánea.

B.Emisión estimulada. Junto a la emisión espontánea, SIEMPRE se produce este tipo de emisión. Los electrones excitados pueden perder energía al irradiar unfotón.

Como la población es mayor en el estado fundamental, la absorción es el proceso que más se da.

El láser se basa en que el nivel excitado está más poblado que el fundamental, inversión de la población.

Inversión de la población.

El nivel energético de mayor energía tiene que tener mayor número de electrones.

Cuando tenemos dos niveles energéticos no puede haber inversión de la población. Esta se puede dar cuando tengamos 3 o más niveles energéticos debido a que hay niveles “intermedios metaestables”.

Cuantos más niveles, más fácil será la inversión de la población.

Se consigue mediante un bombeo eléctrico o un bombeo óptico; un medio activo, que permita las transiciones y una cavidad óptica, compuesta por un espejo totalmente reflectante y otro parcialmente reflectante.

Algunos caerán desde el sistema excitado al nivel fundamental y otros al nivel intermedio metaesable produciendo que el fotón estimule a su vez que caiga otro fotón y así, sucesivamente, en cadena, consiguiendo la amplificación de la luz.

2.LUZLÁSER.

El láser es la fuente de luz de frecuencia más pura (color más puro, si emite en el visible), de mayor brillo, y mayor directividad de todas las fuentes de luz conocidas.

Sus características son:

a.Altobrillo.

El láser parece mucho más intenso debido a que sólo ilumina un área muy pequeña, mientras que una lámpara normal ilumina todas las paredes de la habitación. A esta potencia concentrada en una pequeña área le llamamos altobrillo.

b.Monocromaticidad.

Los láseres generan una radiación altamente monocromática con una pequeña anchura espectral, es decir posee una frecuencia o color prácticamente puro. Láser semiconductor (anchura espectral 2 nm) Láser He – Neón (anchura espectral 10–8 nm)

c.Coherencia.

Podemos decir que dos puntos de una onda son coherentes entre sí cuando, además de tener la onda la misma longitud de onda en ambos puntos, existe una relación de fase constante entre ambas. La luz láser, a diferencia de la luz normal presenta un grado de coherencia muy elevado.

d.Directividad.

La luz que emerge de la radiación láser es muy directiva debido a que en el interior de la cavidad óptica sólo se amplifican las radiaciones que llevan la dirección de propagación paralela al eje de la cavidad. Es un fenómeno también relacionado con la coherencia.

Una medida de la directividad es la divergencia que indica lo que se abre el haz al recorrer una distancia determinada.

TIPOS DELÁSERES.

I.Láseres iónicos de estadosólido

El primer láser fue construido por Maiman en 1960 siendo un láser de rubí. Medio óptico: sólidos cristalinos que contienen pequeñas cantidades de metales activos.

Láser de rubí

oMedio ópticamenteactivo.

Monocristal de zafiro (Al2O3) al que se ha incorporado un 0,05% de iones Cr3+, que son los responsables del color rojo del rubí y de los tres niveles electrónicos responsables de la función láser.

oSistema debombeo.

El bombeo se realiza mediante una lámpara flash de xenón que posee forma helicoidal, y que produce destellos de gran intensidad y de varios milisegundos de duración. Los electrones del Cr3+ son excitados al estado excitado de mayor energía, y parte de esos electrones, caen en un estado intermedio metaestable donde pueden permanecer 3ms (tiempo considerablemente largo en términos de procesos electrónicos) lo cual significa que un gran número de estos estados pueden ocuparse (inversión de la población).

La emisión inicial y espontánea de fotones por alguno de esos electrones que ocupan posiciones metaestables es el estímulo que dispara una avalancha de emisiones estimuladas.

oCavidadresonante

Constituida por el propio rubí en forma de barra o cilindro con sus extremos planos, paralelos y muy pulidos, que se recubren con plata Uno de los extremos se recubre totalmente y el otro sólo parcialmente Los fotones que se desplazan paralelamente al eje de la barra de rubí inciden en los extremos plateado y se refleja de forma que la luz recorre el material múltiples veces. Los fotones que no son emitidos en esta dirección axial se pierden. La energía lumínica se almacena. U de los espejos permite la salida de una pequeña parte de esa luz de

longitud de onda 6943 A (694,3 nm) y una anchura espectral de ~ 0,1 A.

II.Láseres degas.

Los más conocidos son los láseres de Helio-Neón, los de Argón y sobre todo los láseres de CO2, debido a sus aplicaciones como láseres de potencia.

Láser de CO2

oMedio ópticamenteactivo

Mezcla gaseosa de CO2, N2 y He. Se excitan los modos de vibración de la molécula de CO2, y la transición láser tiene lugar entre estados de energía asociados con diversos modos de vibración de la molécula. Emiten en el IR.

oBombeo

En este caso el proceso se inicia mediante descargas eléctricas y el estado vibracional fundamental se excita por colisiones con electrones.

III.Láseres desemiconductor.

La gran ventaja de estos láseres de estado sólido es que poseen un funcionamiento relativamente sencillo y su tamaño es muy pequeño, ya que se trata de una estructura plana tipo sandwich en la que el medio activo es de tan sólo unas micras de espesor.

oBombeo y medioactivo.

Mediante corriente eléctrica de baja tensión, de unos pocos voltios se origina el bombeo. El medio activo son materiales semiconductores como el arseniuro de galio (GaAs) que en determinadas zonas se dopa con impurezas de tipo n y en otras de tipo p. La aplicación de un campo eléctrico con polarización directa (terminal positiva unida a la región p y negativa a la región n) crea un flujo neto de corriente positiva desde la región p hacia la n. En la unión p-n se crea una alta densidad de electrones y huecos, habiendo una elevada probabilidad de emisión radiativa. En esta región se superponen las regiones de carácter p y n degeneradas con lo que aparece la inversión de la población.

Esta radiación emitida puede estimular la recombinación de electrones y huecos, y originar la acción láser. La estructura completa tipo sandwich se hace crecer sobre un sustrato de GaAs dopado. La capa activa es un material semiconductor emparedado entre dos capas que deben tener: Mayor gap de energía que la capa activa (para conseguir confinamiento eléctrico). Menor índice de refracción que la capa activa para conseguir confinamiento óptico (efecto de guía de ondas, similar al que sucede en la fibra óptica).

oCaracterísticas yaplicaciones.

La longitud de onda de emisión está determinada por el gap de energía del semiconductor pero por lo general emiten en el IR medio y en el cercano al rojo. Actualmente se están desarrollando láseres en las regiones del visible verde y azul.

Éstos son sintonizables por medio de elementos ópticos introducidos en la cavidad. Los que emiten en la región infrarroja cercana al rojo (670 nm) operan a temperatura ambiente y son losque tienen mayoresaplicaciones:

Lectores deCD. // Almacenamientoóptico. // Comunicaciones por enlaces de fibraóptica.

En el láser semiconductor, representaciones esquemáticas de la recombinación estimulada de electrones excitados de la banda de conducción con huecos de la banda de valencia, lo que genera un rayo láser.

a)Un electrón excitado se recombina con un hueco; la energía asociada con esta recombinación es emitida como un fotón deluz.

b)El fotón emitido en (a) estimula la recombinación de otro electrón excitado con hueco, loque provoca la emisión de otro fotón de luz.

c)Los dos fotones emitidos, que tienen la misma longitud de onda y que están en fase entre sí, son reflejados por el espejo totalmente reflejante hacia el interior del semiconductor láser. Además, se generan nuevos electrones excitados y nuevos huecos mediante una corriente que atraviesa al semiconductor.

d)Al pasar por el semiconductor, se estimulan más recombinaciones de electrones excitados con huecos, lo que da lugar a fotones adicionales de luz que también forman parte del rayo láser monocromático ycoherente.

e)Una parte de este rayo láser escapa a través del espejo parcialmente reflejante situado en un extremo del materialconductor.

3.LA FIBRA ÓPTICA O VÍA DEONDAS.

El uso de los sistemas de fibra óptica ha mejorado la velocidad de transmisión, la densidad de información y ha ampliado la distancia de transmisión, con una reducción en la tasa del error; además, no existe interferencia electromagnética.

La información en forma electrónica debe digitalizarse primero en forma de bits, es decir 1’s y 0’s; esto se logra en el codificador. Luego se requiere convertir esta señal eléctrica en una óptica (fotónica), lo que tiene lugar en el convertidor eléctrico a óptico. Este convertidor generalmente es un láser semiconductor, el cual emite una luz monocromática y coherente en el intervalo infrarrojo. La salida de este convertidor láser es en la forma de pulsos de luz; un binario se representa mediante un pulso de alta energía, mientras que un 0 corresponde a un pulso de baja energía o ausencia de pulso. Estas señales se transportan por el cable de fibra hasta el extremo receptor. En las transmisiones largas pueden requerirse repetidoras, se trata de dispositivos que amplifican y regeneran la señal. Finalmente, en el extremo receptor la señal fotónica se reconvierte a una señal electrónica, la que luego se decodifica(se disdigitaliza).

La fibra óptica debe transmitir la señal óptica sin perder potencia.

La fibra consta de tres partes concéntricas: el núcleo, la superficie y el protector.

La señal se transmite por el núcleo, mientras que la superficie impide que los rayos lumínicos viajen dentro del núcleo; el protector protege al núcleo y a la superficie de cualquier daño que pudiera provenir de la abrasión y de las presiones externas.

El núcleo está formado por vidrio puro, relativamente libre de defectos. La superficie también está hecha de vidrio y es un recubrimiento que nos sirve, como hemos dicho antes, para que se produzca confinamiento óptico y todos los rayos lleguen al núcleo. El protector es de plástico.

·Hay dos diseños de fibra óptica según el índice derefracción.

i.Índiceescalonado.

El índice de refracción del revestimiento es ligeramente menor que el del núcleo. El pulso de salida será más ancho que el de entrada, un fenómeno que es indeseable ya que limita la velocidad de transmisión. El ensanchamiento del pulso se debe a que los diferentes rayos lumínicos, aun cuando son inyectados aprox en el mismo instante, llegan a la salida en momentos diferentes, recorren trayectorias diferentes y, entonces, tienen diferentes longitudes de recorrido.

ii.Índice variable ograduado.

Diseño para evitar el ensanchamiento del pulso. Se añaden impurezas al vidrio de modo que el índice de refracción varía parabólicamente a través de la sección transversal. De este modo, la velocidad de la luz dentro del núcleo varía con la posición radial, siendo mayor en la periferia que en el centro. En consecuencia, los rayos de luz que recorren longitudes mayores de trayectoria en la periferia exterior del núcleo viajan más rápidamente en este material de índice más bajo, y llegan a la salida aproximadamente al mismo tiempo que los rayos no desviados que pasan por la parte central del núcleo.

Transformaciones de fase en los metales desarrollo de microestructuras y alteración de propiedades mecánicas.

1.CONCEPTOSFUNDAMENTALES.

En los tratamientos de los materiales se produce una gran variedad de transformaciones de fases, que representan alguna alteración de lamicroestructura.

En estado sólido hay tres tipos detransformaciones:

·Difusiones simples. Solo se mueven, no cambia el número ni la composición de las fases. Correspondenaloscambiosalotrópicos,(Ferrita-austenita),solidificacióndeunmetalpuro, recristalización y crecimiento de grano. También pueden ser cambios deestado.

·Difusiones con cambio de composición y número de fases. Se implica la difusión de los átomos, tienen que moverse. Hay dos fases que difieren en su concentración. Reacciones eutécticas y eutectoide.

·Sin difusión. Se producen cambios en los que todos los átomos se mueven a la vez, pero no difunden uno en otro. Un ejemplo, transformación martensitica, produce fases o estados metaestables. Es típica transformación.

2.CINÉTICA DE TRANSFORMACIONES DEFASE.

Normalmente, con las transformaciones de fase se forma al menos una nueva fase que tiene diferentes características físico-químicas o diferentes estructura que la fase original. Además, la mayoría de las reacciones en estado sólido no ocurren instantáneamente. Más bien, se empiezan formando numerosas y diminutas partículas de otra(s) fase(s), que crecen hasta completar la transformación. El progreso de una transformación de fase puede desglosarse en dos etapas distintas:

1)Nucleación. Proceso donde se forman los granos cristalinos. No se observanada.

2)Crecimiento. Se observa la aparición de lasustancia.

La semilla de una nueva fase, éstos crecen hasta que la nueva fase completa la transformación sustituyendo a la anterior. Se producen fundamentalmente en las zona de límites de grano o en las fronteras de dos fases ya existentes.

Estas transformaciones suelen ser lentas, el proceso de nucleación es el que muchas veces domina la cinética de las transformaciones.

La nucleación puede ser de dos tipos:

·Homogénea.Seproduceenelsenodeundisolvente(sólidoolíquido)totalmentehomogéneo.Seda la formación de un núcleo por acumulación de átomoso

moléculas hasta que se adquiere un tamaño observable o crítico. La nucleación se produce como un proceso espontáneo cuando el sólido que se va a producir es más estable que la situación previa, es decir, una vez formado el sólido, es más estable que el líquido.

Se supone que cada núcleo es esférico, de radio r.

La variación total de energía libre es igual a la suma de estas dos contribuciones: ΔG = 4/3·r3·ΔGv - 4πr2ϒ

·Heterogénea. Cuando se produce la nucleación sobre algún defecto como impurezas insolubles, dislocaciones, etc. La energía de activación (barrera energética) para la nucleación es inferior cuando se forma en este tipo de nucleación porque la energía libre de superficie es reducida, es decir, es más fácil nuclear en una superficie o en una intercara que en otrolugar.

3.CONSIDERACIONES CINÉTICAS DE TRANSFORMACIONES EN ESTADOSÓLIDO.

La dependencia de la velocidad delatransformación con eltiempo es también muy importante en el tratamientotérmicode losmateriales. En muchos estudios cinéticos, la fraccióndereacción transcurridase mida en función del tiempo, mientras quelatemperatura permanece constante. Los datos se representangráficamentecomo la fracciónde material transformado en función dellogaritmodel tiempo.

En la siguiente gráfica se representaelcomportamiento cinético típico de la mayoría de las reacciones en estadosólido.

Estas transformaciones en estado sólido, lafracciónde transformación y es función del tiempo t según:

y = 1- exp(-ktn)

donde k y n son constantes independientes del tiempo, particulares de la reacción. Esta ecuación se suele denominar ecuación de Avrami.

Por convención, la velocidad de una transformación se toma como el recíproco del tiempo necesario para conseguir la mitad de la transformación t0.5 o

Velocidad = 1/t0,5

La temperatura tiene una gran influencia en la cinética y en la velocidad de transformación.

4.VARIACIONES MICROESTRUCTURALES Y DE PROPIEDADES EN ALEACIONES HIERRO- CARBONO.

ØDIAGRAMAS DE TRANSFORMACIÓNISOTÉRMICA.

Son diagramas particulares de una determinada concentración, la del eutectoide, por eso la única transformación es de austenita a perlita.

La dependencia de la temperatura de una aleación de composición eutectoide se recoge en este diagrama, que representa las curvas en forma de S de porcentajes de transformación en función del logaritmo del tiempo, a tres temperaturas distintas. Los datos de cada curva se toman tras el enfriamiento rápido de una muestra compuesta por austenita al 100% a la temperatura indicada(constante)

Parte de un diagrama de transformación isotérmica de un acero de 1.13% C en peso, en el que se aprecia la curva correspondiente a la transformación proeutectoide.

BAINITA.

La transformación de la austenita proporciona, además de la perlita, un constituyente denominado vainita. La microestructura bainíticaconstade fases ferrita y cementita y en su formación intervienen procesos dedifusión.La vainita adopta forma de agujas o placas, dependiendo de la temperaturade transformación. La transformación bainítica también depende del tiempo y delatemperatura y se puede representar en un diagrama de transformación isotérmica,a temperaturas inferiores a las de formación de la perlita. La transformación perlítica y bainítica compiten entre sí y sólo una parte de una aleación se puede transformar en perlita o en bainita. Cualquier transformación en otro microsustituyente sólo es posible volviendo a calentar hasta formar austenita.

MARTENSITA

El enfriamiento rápido o temple del acero austenizado hasta temperatura próxima a la ambiental, origina otro microconstituyente denominado martensita. Es el resultado de una transformación adifusional.

Esta transformación significa que la austenita FCC experimenta una transformación polimórfica a martensita tetragonal centrada en el cuerpo, BCT. Dado que la transformación martensítica no implica difusión, ocurre casi instantáneamente; los granos martensíticos se nuclean y crecen a velocidad muy alta.

La martensita puede coexistir con otros constituyentes.

Tratándose de una fase de no equilibrio, la martensita no aparece en el diagrama de fases hierro-carburo de hierro.

ESFEROIDITA

Si un acero con microestructura perlítica o bainítica se calienta a una temperatura inferior a la eutectoide durante un período de tiempo largo, se forma la esferoidita. Las partículas de Fe3C aparecen como esferoides incrustados en una matriz continua de fase α, en lugar de las láminas alternadas de ferrita y cementita de la perlita, o de las partículas alargadas de Fe3C en matriz ferrítica como en la vainita. Esta transformación tiene lugar mediante la difusión del carbono sin que varíen la composición o las cantidades relativas de las fases ferrita y cementita. La fuerza impulsora de esta transformación radica en la disminución del área límite de fase α-Fe3C.

Los aceros que contienen carbono como único aleante se denominan aceros al carbono, mientras que los aceros aleados contienen apreciables concentraciones de otros elementos.

ØDIAGRAMAS DE TRANSFORMACIÓN POR ENFRIAMIENTO CONTINUO.TEC

Los tratamientos isotérmicos son difíciles de llevar a cabo porque una aleación debe enfriarse rápidamente desde la temperatura superior a la eutectoide y mantenerse a elevada temperatura. La mayoría de los tratamientos térmicos del acero implican enfriamiento continuo de la muestra hasta tamb. Un diagrama de transformarción isotérmico sólo es válido en condiciones de temperatura constante.

ØPROPIEDADES MECÁNICAS DE LOSACEROS.

Para todas las estructuras, excepto M, se puede considerar que existen dos fases, F y C.

–Perlita

La cementita es mucho más dura y frágil que la ferrita. Por ello, al aumentar C en un acero, resulta más duro y resistente.

Los tres parámetros mecánicos (TS, límite elástico y dureza) aumentar con el incremento de [Carbono]. Puesto que la cementita es más frágil, al aumentar su contenido disminuye la ductilidad y la tenacidad (o energía al impacto).

Los espesores de las capas de ferrita y de cementita también inluyen en el comportamiento mecánico del material. La perlita fina es más dura y resistente que la perlita gruesa.

La perlita gruesa es más dúctil que la perlita fina, consecuencia de la mayor restricción de la perlita fina a la deformación plástica.

–Bainita

Los aceros bainíticos son más duros y resistentes que los perlíticos porque tienen una estructura más fina a base de pequeñas partículas de Fe3C y α.

–Esferoidita

Es simplemente un microsustituyente cuando calentamos por debajo del eutectoide para favorecer la difusión y que se reunifiquen. Aunque se trata de un material más duro que la ferrita, pero menos que la perlita.

–Martensita

Es la más dura, frágil y resistente y, por tanto la menos dúctil.

La austenita es ligeramente más densa que la martensita y, por tanto, el volumen aumenta durante la transformación de fases asociada al temple. En consecuencia, se pueden producir grietas debido a tensiones internas.

ØMARTENSITAREVENIDA.

La M resultante directamente del temple es muy dura y muy frágil y, por tanto, inservible para la mayoría de las aplicaciones.

Además, las tensiones internas ejercen un efecto debilitador. La ductilidad y tenacidad de la martensita deben incrementarse mediante el tratamiento térmico del revenido.

El revenido se lleva a cabo calentando el acero M a una T inferior a la eutectoide durante un período de tiempo específico, y por un proceso de difusión, se forma la martensita revenida.

ØREVISIÓN DE TRANSFORMACIONES DE FASE Y PROPIEDADES MECÁNICAS DELOS ACEROS.

Se supone que P, B y M se forman como resultado de tratamientos de enfriamiento continuo; además, la formación de la bainita sólo es posible en aceros aleados, no en aceros al carbono.

5.ALEACIONES CON MEMORIA DEFORMA.

Son un nuevo grupo de materiales. Estos, al ser sometidos a un tratamiento térmico apropiado, después de ser deformados, tienen la capacidad de recuperar la forma y el tamaño previo a la deformación; esto es, el material “recuerda” si anterior forma/tamaño.

Algunos materiales son aleaciones níquel-titanio(Nitinol) y algunas aleaciones base de cobre.

El efecto memoria implica transformaciones entre las dos estructuras cristalinas o fases de la aleación. Esta transformación es austenitaèmartensita. Es un proceso sin difusión y cambia la celdilla unidad.

4.CRISTALES POLIMÉRICOS.

En metales y cerámicas, la cristalización viene dada por la organización de los átomos. En el caso de los polímeros se produce por la ordenación de las cadenas, por lo que serán las que permitan el empaquetamiento.

Pueden ser parcialmente cristalinas, partes cristalinas rodeadas de regiones amorfas, se puede llegar hasta un 95% de cristalinidad. Un polímero presenta mayor densidad que un polímero amorfo con el mismo Pm

El grado de cristalinidad del polímero depende de su densidad.

% = qc(qs — qa) × 100

qs (qc — qa)

El grado de cristalinidad depende a su vez de:

Velocidad de enfriamiento durante la solidificación. Si la velocidad es elevada, se producirán polímeros amorfos. Los polímeros necesitan su tiempo y velocidad para cristalizar ya que si la velocidad es menor, las cadenas podrán moverse, rotar yempaquetarse.

Estructura:

·Polímeros sencillos. Es difícil de evitar la cristalinidad. El empaquetamiento de polímeros como el polietileno se consigue fácilmente incluso a velocidades de enfriamiento altas consiguiendo altos valores decristalinidad.

·Polímeros complejos. El orden de cristalinidad dependerá, pero cristalizan peor porque el empaquetamiento es menos efectivo y serán bastante amorfos.

·Polímeros lineales. Tienen tendencia a cristalizar ya que sus cadenas se disponen de manera ordenada.

·Polímeros ramificados. La interacción está impedida, por lo que dependen del gradode ramificación y nunca son completamentecristalinos.

·Polímerosreticulados.Soncompletamenteamorfosalser3Dylainteracciónentrecadenas escomplicada.

–Entrecruzados. Tendrán distintos grados decristalinidad.

–Isotácticos. Serán fáciles de cristalizar debido a suestereoregularidad.

–Sindiotácticos. Presentan distintosgrados.

–Atáctivos. Son los más difíciles de cristalizar debido al azaer de suestereoregularidad.

Cuantos más sustituyentes tenga la cadena, peor será la cristalización.

CRISTALES POLIMÉRICOS.

Se puede explicar mediante dos modelos.

·Modelo de micela conflecos.

Las cadenas poliméricas están ordenadas. Entre las cadenas hay regiones amorfas, de forma que cada cadena pasa por regiones cristalinas y regionesamorfas.

·Modelo de cadenaplegada.

Se usan disoluciones diluidas de las que se forman los cristales poliméricos. Sistema multicapa y cada capa tiene una forma determinada.

La mayoría de los polímeros cristalizan de un líquido formando esferulita. Las zonas negras son las cadenas amorfas. También es típica la cruz de malta.

TEMA 12 Y 13: ALEACIONES METÁLICAS: TRATAMIENTOS TÉRMICOS DE ALEACIONES METÁLICAS Y CONFORMACIÓN.

CLASIFICACIÓN DE ALEACIONES FÉRREAS

-Férreas (Fe el componente principal)

-No férreas (existen otros metales además del Fe como componente principal)

Los minerales que contienen Fe son abundantes y el proceso para obtenerlo es sencillo.

Las aleaciones de Fe son versátiles, nos pueden dar una gran variedad de propiedades químicas, magnéticas, mecánicas.

Las aleaciones férreas se clasifican en 2 grupos:

-Aceros: son aleaciones de Fe con una cantidad de C (0.008

La mayor parte de los aceros tienen % en C alrededor de 1%. Los aceros se dividen a su vez en:

-Baja aleación: aceros con pequeñas adiciones de otros metales aleantes.

-Alta aleación: aceros con gran cantidad de otros metales aleantes.

Dentro de los de baja aleación, los clasificamos por la cantidad de C que tengan:

*bajo en carbono: por debajo de 0.25%C (

*medio en carbono: el % en C esta entre 0.25 y 0.64 (0.25

*altos en carbono: 0.64

FUNDICIONES (Si)

Generalmente, las fundiciones se clasifican como aleaciones férreas con un contenido en carbono superior al 2,1%

-Gris: los contenidos de carbono y silicio varían entre 2,5 a 4,0 y 1,0 a 3,05, respectivamente. 2,5

-Dúctil: si añadimos a la fundición gris Mg y Cerio, el grafito evoluciona de una forma distinta, formando gránulos esferoidales, que originan distintas propiedades mecánicas. La matriz que rodea a los esferoides de grafito es ferrita o perlita, dependiendo del tratamiento térmico. La fundición dúctil es más resistente y más dúctil que la gris. Tiene propiedades mecánicas parecidas a las del acero.

-Blanca: 2,5

-Maleable: la fundición blanca se obtiene como producto de partida para fabricar  fundición maleable. Se obtiene calentando la fundición blanca a 800-900ºC, la cementita se descompone y forma grafito.

-Hierro de grafito: 3,1

ALEACIONES NO FÉRREAS

- Aleaciones de Cobre

El cobre sin alear es tan blando y ductil que es difícil mecanizar y tiene una capacidad casi ilimitada de ser trabajado en frio. Resiste muy bien la corrosión. Las resistencias mecánica y a la corrosión del cobre mejoran por aleación. Tiene estructura α-FCC.

·Latón (Cu + Zn). Es la aleación de cobre más común, donde el Zn actúa de soluto como principal elemento de aleación. Observando el diagrama de fases Cu-Zn, la fase α es estable a concentraciones de un ˜ 35%Zn. Esta fase tiene estructura cristalina FCC. Los latones con > [Zn] contienen las fases α y β a T ambiente. La fase β posee una estructura cristalina BCC ordenada y es más dura y resistente que la fase α.

·Bronce (Cu + Sn + Al + Si + Ni).Son aleaciones de cobre con estaño, aluminio, silicio y níquel. Estas aleaciones son másresistentes que los latones y tienen gran resistencia a la corrosión. Se aplican cuando se requiere elevada resistencia a la corrosión y buena resistencia a la tracción.

·Cobres al Berilio. Contienen entre 1,0 y 5,5 % Be.

·Constituyen una aleación de cobre de alta resistencia. Son resistentes a la tracción, tienen excelentes propiedades eléctricas y resistencias a la corrosión. La elevada resistencia se consigue por el tratamiento térmico de endurecimiento por precipitación.  

 -Aleaciones de Aluminio

 El aluminio y sus aleaciones se caracterizan por la relativa baja densidad (2,7 g/cm³ comparada con 7,9 g/cm³ del acero), elevadas conductividades eléctrica y térmica y resistencia a la corrosión en algunos medios (excepto en medio ácido). El aluminio tiene estructura cubica centrada en las caras y es dúctil. La principal limitación del aluminio es la baja T de fusión (660ºC).

Aleaciones de aluminio y de otros metales (Mg yTi). Tienen resistencia específica.

-Aleaciones de Magnesio

Presenta menor densidad (1,7g/cm³). Mg tiene una estructura cristalina HC, relativamente blanda y con pequeño modulo elástico. Tiene una T de fusión baja (651ºC). Las aleaciones de Mg son inestables y susceptibles a la corrosión marina.

Al, Zn, Mn y algunas tierras raras son los principales elementos de aleación.

-Aleaciones de Titanio

Tiene baja densidad (4,5 g/cm³), elevada T de fusión (1668ºC). Las aleaciones de titanio son resistentes. Son dúctiles y maleables. La principal limitación del titanio es la reactividad química a elevada T con otros materiales.

OTROS MATERIALES

-Metales refractarios

Son metales con T de fusión extremadamente elevadas. En este grupo se incluyen Nb (2468ºC), Mo, tungsteno (W) (3410ºC), Ta. Presentan enlaces extraordinariamente fuertes.

-Superaleaciones

Tienen propiedades superlativas, son muy resistentes con elevados puntos de fusión y son poco reactivos. Estos materiales se clasifican de acuerdo con el componente principal de la aleación, que puede ser Co, Ni o Fe. Otros elementos incluidos son los metales refractarios (Nb, Mo, W, Ta), Cr y Ti.

-Metales nobles

Son resistentes a la oxidación y a la corrosión. Son caros, blandos, dúctiles y resistentes al calor. Los elementos que forman este grupo son: Ag, Au, Pt, Rh, Ru, Ir, Os. La resistencia de la Ag y del Au aumenta aleándolos con Cu, que forma una disolución sólida.

-No férreas

El níquel y sus aleaciones son muy resistentes a la corrosión en la mayoría de los ambientes, especialmente en medio básico (alcalino).

Ni -> se emplea como recubrimiento para prevenir la corrosión de otros metales.

El Pb, Sn y sus aleaciones se utilizan como materiales de ingeniería. Son blandos y plásticos, con baja T de fusión, muy resistentes a la corrosión.

Pb -> se emplea para la protección a R-X

Sn -> se emplea para la fabricación de hojalata para contener alimentos.

Zn -> blando, con T de fusión baja. Es reactivo en la mayoría de los ambientes y, por lo tanto, susceptible de corroerse. El Zn es más activo que el Fe y protege al acero.

CONFORMACIÓN METÁLICA

Las técnicas de conformación metálica son los métodos utilizados para formar o manufacturar productos metálicos útiles y suelen ir precedidos por procesos de afino, aleación y, a menudo, tratamiento térmico que generan aleaciones con las propiedades deseadas. Su clasificación es la siguiente:

·Hechurado: Técnicas de preparación que se realizan mediante deformación plástica. Puede realizarse en frio o en caliente, pero nunca se llega a la T de fusión del metal. Se divide en:

-forja: se realiza martilleando una preforma metálica. Consiste en deformar la pieza metálica mediante golpeo.

-Laminado: consiste en pasar una pieza metálica entre dos rodillos. Se utiliza para láminas finas o gruesas de un metal. Se hace pasar la pieza metálica entre dos rodillos que de forma continua van aplastando la pieza metálica y formando las láminas.

-Extrusión: una gruesa barra metálica se fuerza para que circule a través de un orificio o hilera de extrusión mediante una fuerza de compresión, aplicada con un émbolo. Se usa para hacer tubos.

-Trefilado: consiste en hacer pasar un alambre a través de una matriz agujereada mediante una fuerza de tracción aplicada desde el extremo de salida. Se usa para obtener hilos metálicos.

·Moldeo: consiste en moldear la pieza metálica con el metal fundido. Poner el metal por encima del punto de fusión (de forma que lo veamos más o menos liquido) para darle la forma adecuada. Se utilizan diferentes técnicas de moldeo:

-En arena: moldeo más común, donde la arena se utiliza como material del molde. Se utilizan para grandes piezas metálicas (motores de automóviles…). El molde se hace en arena prensada, se prepara un molde, introduciendo dentro el metal fundido y una vez  se ha enfriado, la arena que ha formado el molde se retira con facilidad simplemente con un chorro de agua, de esta manera arrastra el chorro de arena.

-En coquilla: Se utiliza para piezas más pequeñas, para moldear piezas pequeñas y aleaciones de Zn, Al y Mg, que tienen temperaturas de fusión bajas. La coquilla se refiere a un tipo de recipiente con dos partes, estilo una concha, donde introducimos el metal fundido.

-De precisión: consiste en un moldeo de cera o de plástico de baja T de fusión. Este molde se sustituye después por otro material resistente a altas T y de esta manera conseguir el moldeo de precisión.

·Otras técnicas:

-Pulvimetalurgia: metalurgia de polvos. El metal lo tenemos en forma de polvo. Consiste en compactar el metal en polvo y después tratarlo térmicamente con el fin de densificar la pieza. La pieza se forma presionando los polvos fuertemente, a la vez que lo calentamos un poco, por debajo del punto de fusión porque normalmente la pulvimetalurgia se utiliza para metales con puntos de fusión altos.

-Soldadura: se considera una técnica de conformación. Se unen dos o más partes metálicas para formar una sola pieza, cuando la obtención de la pieza entera presenta inconvenientes o es cara. No se considera como una unión física sino que se considera un proceso metalúrgico ya que se produce porque los componentes de la aleación se difunden por la pieza, se produce difusión metálica de los átomos correspondientes a  la aleación utilizada para soldar y la pieza soldada.

TRATAMIENTO TÉRMICO EN ACEROS

Las piezas formadas se tienen que someter a tratamiento térmicos para eliminar tensiones o esfuerzos y obtener materiales con el mismo tamaño en sus partículas.

Con un recocido subcrítico, obtenemos la eliminación de las tensiones.

Un proceso de recocido es un tratamiento térmico utilizado para eliminar los efectos del trabajo en frío, esto es, para ablandar y ductilizar un metal. Generalmente se aplica durante los procedimientos de hechurado que necesitan gran deformación plástica, para permitir una posterior deformación sin rotura o excesivo consumo de energía. Estos procesos de recocido nos llevan a unificar los tamaños de partículas, calentamos y los dejamos enfriar lentamente, quedando los tamaños de partícula normalizados.

Los aceros que se han deformado plásticamente, constan de granos de perlita, estos granos son relativamente grandes y de forma irregular, pero de tamaño muy variable; por ello, se les aplica un tratamiento térmico denominado normalizado para afinarlos y producir una distribución de tamaños más uniforme.

El tratamiento térmico denominado recocido total se suele aplicar a los aceros bajos y medios en carbono que se han mecanizado p han experimentado gran deformación plástica durante el hechurado en frío. La aleación se austeniza calentando de 15 a 40ºC por encima de las líneas A₃ o A₁ hasta conseguir el equilibrio. El procedimiento del recocido total necesita mucho tiempo, pero origina una microestructura con granos pequeños y uniformes.

El tratamiento térmico de esferoidización consiste en calentar la aleación a T justo por debajo del eutectoide (línea A₁).

ENSAYO JOMINY

Conocido como proceso de templado. Consiste en un proceso de enfriamiento mediante el cual formamos fundamentalmente martensita. Es muy importante porque la martensita es muy dura y está asociada a la dureza del material. Es un procedimiento estándar utilizado ampliamente para determinar la templabilidad, que se define como la capacidad de una aleación para convertirse en martensita mediante un tratamiento térmico determinado. Esta propiedad de templabilidad se mide mediante el ensayo Jominy, que consta de una pieza cilíndrica del material en el cual se hace una incisión, donde colocamos marcas a determinadas distancias estandarizadas. El cilindro preparado también dispone de unas dimensiones estándar para que los resultados sean comparables. El acero se templa, es decir, se enfría con agua a una T determinada (24ºC) por uno de los extremos. Comienza a enfriarse y al cabo de un cierto tiempo se habrá producido ese temple y la formación de martensita. Se mide la dureza en esos puntos y se dibuja la curva de templabilidad en la que se representa la dureza frente a la distancia, al punto donde se ha producido el enfriamiento.

Los factores determinantes de la templabilidad dependen de la composición de los aceros y del medio de temple.

Los medios de temple utilizados son chorro de agua o de aceite o aire, cuanto más rápido se enfríe, el medio de temple es más severo. (Agua > aceite > aire). El agua es el que produce un temple más severo.

TEMPLABILIDAD Y ENFRIAMIENTO CONTINUO

La templabilidad es una medida cualitativa de la velocidad con que la dureza disminuye con la distancia al extremo templado. Un acero con alta templabilidad mantiene valores elevados de dureza durante distancias relativamente largas; uno de baja templabilidad no. Un acero aleado tiene una única curva de templabilidad.

Es un diagrama de transformación por enfriamiento continuo de un acero aleado eutectoide, donde también se han dibujado las curvas de enfriamiento a cuatro diferentes posiciones Jominy y se han indicado las microestructuras resultantes. También se han incluido las curvas de templabilidad de estos aceros.

Esta grafica muestra curvas de templabilidad para 5 diferentes aceros aleados que contienen 0,40 %C y diferentes cantidades de estos elementos aleantes. Una probeta es de acero al carbono (1040) y las otras cuatro restantes (4140, 4340, 5140, 8640) son aceros aleados. La característica más sobresaliente de estas curvas es su forma, relacionada con la templabilidad.

En el extremo templado, donde la velocidad de temple es aproximadamente de 600 ºC/s, se forma martensita 100%  en las cinco aleaciones. A velocidades de enfriamiento menores de 70ºC/s o distancias Jominy mayores de 6,4 mm, la microestructura del acero 1040 es predominantemente perlítica con restos de ferrita proeutectoide. Sin embargo, la microestructura de los cuatro aceros aleados consta fundamentalmente de una mezcla de martensita y de bainita; el contenido de vainita crece al disminuir la velocidad de enfriamiento.

Esta disparidad en el comportamiento de la templabilidad de las cinco aleaciones se explica por la presencia de níquel, cromo y molibdeno en los aceros aleantes. Estos elementos aleantes retrasan las reacciones austenita-perlita y/o vainita, lo que permite que se forme más martensita para una velocidad de enfriamiento determinada, originando mayor dureza.

Las curvas de templabilidad tambien dependen del contenido en carbono. En la grafica se muestra el efecto para una serie de aceros aleados en los que solo varia la concentracion de carbono.

Un sistema de aleacion es endurecible por dispersion si su diagrama de equilibrio cumple las dos siguientes condiciones: que la solubilidad máxima de un componente en otro sea considerable, del orden de varios porcentajes, y que el límite de solubilidad del componente principal disminuya rápidamente al descender la T. estas condiciones las cumple la siguiente gráfica:  la maxima solubilidad corresponde a la composicion en el punto M.

El endurecimiento por precipitacion se consigue mediante dos tratamientos termicos diferentes. El primero es un tratamiento termico de disolucion en el que lo atomos de soluto se disuelven para formar una disolucion solida monofasica. Alc onsiderar la aleacion de composicion C_o, el tratamiento consiste en calentar la aleacion a una T dentro del campo de fase α, T_o, (a esta T tenemos la disolucion perfectamente homogenea, disuelta) por ejemplo, y esperar hasta que toda la fase β presente se disuelva completamente. En este punto, la aleacion consiste solo en la fase α de composicion C_o. A continuacion se enfria rapidamente o se templa a la temperatura T₁ de modo que se dificulte la difusion a fin de prevenir la formacion de fase β. Para muchas aleaciones T₁ es la T ambiente. Asi, a T₁ existe una situacion de no equilibrio en la cual, la fase α aparece como disolucion solida sobresaturada con atomos B, en este estado la aleacion es relativamente blanda y poco resistente. Además, en la mayoría de las aleaciones las velocidades de difusión a T₁ son extremadamente lentas, de modo que la monofase α permanece a esta T durante períodos relativamente largos.

El tratamiento térmico de precipitación consiste en calentar la disolucion solida sobresaturada α a una temperatura intermedia T₂ dentro de la region bifásica dentro de la región bifásica, temperaturaa la cual la velocidad de difusion es apreciable. La fase precipitada β comienza a formarse como partículas finamente dispersas de composicion C_β proceso que a veces se denomina ``envejecimiento´´. Después de permanecer el tiempo adecuado a la temperatura T₂, la aleacion se enfria a T ambiente a una velocidad que generalmente no tiene importancia.

Cada vez que se hace un tratamiento termico, hay que dejar un determinado tiempo en la aleacion para que adquiera esa T, a este tiempo se le conoce como tiempo de impregnación térmica.

Una de las aleaciones que se pueden endurecer por precipitación es la de Al-Cu, cumple las condicioens para poder endurecer por precipitación.

La segunda fase es un producto intermetálico de CuAl₂ (fase θ).

La fase θ´´ no existe en el diagrama de fases por ser una fase metaestable, con más dureza que la fase θ (más estable).

Cuando estas aleaciones se somete a un proceso de endurecimiento, se denomina proceso de sobreenvejecimiento (disminucion de resistencia y dureza que ocurre después de largos períodos de tiempo). En el proceso de sobreenvejecimiento, se geenran particulas de una 2 fase que se encargan de romper el movimiento de dislocaciones y  por tanto generar el endurecimiento de los materiales.

Polímeros II: propiedades, conformado y aplicaciones.

1.COMPORTAMIENTO MECÁNICO DE LOSPOLÍMEROS.

Las propiedades mecánicas de los polímeros se especifican con los mismos parámetros utilizados para los metales: módulo elástico, límite elástica y resistencia a la tracción.

En los materiales poliméricos se aprecian tres tipos distintos de comportamiento esfuerzo-deformación.

Los materiales frágiles se rompen mientras se deforman elásticamente. La curva azul corresponde al plástico: después de la deformación elástica inicial el material fluye y luego se deforma plásticamente. El comportamiento en la curva verde es totalmente elástico, propio de los elastómeros, pequeños esfuerzos producen grandes deformaciones.

En los polímeros, el módulo elástico y la ductilidad se determinan como en los metales. Para polímeros plásticos, el límite elástico aparece en el valor máximo de la curva, justo después de la región elástica lineal. Además, la resistencia a la tracción corresponde al esfuerzo al cual se produce rotura.

Las características metálicas de los polímeros son muy sensibles a las variaciones de temperatura. El polímero es totalmente frágil a 4ºC mientras que a 50ºC y 60ºC experimenta deformación plástica.

2.DEFORMACIÓN DE UN POLÍMEROSEMICRISTALINO.

La deformación elástica de los polímeros ocurre a niveles de esfuerzo relativamente bajos. Al iniciarse la deformaciónelástica, las cadenas moleculares de la región amorfa se alargan en la dirección del esfuerzo de tracción aplicado. Este proceso se representa mediante dos láminas adyacentes de moléculas plegadas unidas por la región amorfa. Si la deformación continúa, en la segunda etapa ocurren cambios en la región amorfa y cristalina: las cadenas de la zona amorfa se alinean y se alargan, mientras que los enlaces covalentes de las lamelas se ven sometidas a flexióny

tracción. La transición de la deformación elástica a plástica ocurre en la etapa 3. Las cadenas adyacentes de lamelas deslizan unas sobre otras; y el resultado es la inclinación de la parte cristalina, de modo que los pliegues de la cadena se alinean con el eje de tracción. Los enlaces de Van der Waals impiden cualquier deslizamiento de la cadena. Aplicando una deformación de tracción considerable, se genera una alta estructura altamente orientada, estirado.

Cuando se alcanza el límite elástico superior, en la sección central de la probeta aparece una pequeña estricción, dentro de la cual las cadenas se orientan en la dirección del alargamiento. Esto hace que la resistencia aumente localmente y, por consiguiente, a partir de este punto hay una oposición a que la deformación continúe. Por tanto, la elongación de la probeta prosigue por propagación de la estricción a lo largo de la zona central. El fenómeno de orientación de las cadenas acompaña a la propagación de la estricción.

3.RESPUESTA ATRACCIÓN.

Los elastómeros se clasifican en:

–Termoplásticos:pocoentrecruzamiento,linealesyramificados,cadenasflexibles;dúctil;ablandaal calentar; endurecen al enfriar. (Polietileno, polipropileno, policarbonato,poliestireno).

–Termoestables: mayor grado de entrecruzamiento, duro y frágil. Se endurecen al calentarlos y NO ablandaalcontinuarcalentando(Gomasvulcanizadas,cauchosvulcanizados,resinasepoxi,resinas fenólicas).

4.TEMPERATURA DE FUSIÓN Y DE TRANSICIÓNVÍTREA.

Hay dos parámetros que caracterizan a los polímeros en función de la temperatura dependiendo de cómo sea el polímero(amorfo, cristalino).

La temperatura de fusión o la de transición vítrea de un polímero se determinan a partir de la gráfica volumen específico (inverso de la densidad)

frente a la temperatura.

En los materiales cristalinos aparece un cambio brusco de volumen específico a la temperatura de fusión, Tm. La curva del material amorfo es continua pero la pendiente presenta un ligero descenso a la temperatura de transición vítrea. Los polímeros semicristalinos tienen un comportamiento intermedio y presentan tanto temperaturas de fusión como de transición vítrea.

5.DEFORMACIÓNVISCOELÁSTICA

Un polímero amorfo se comporta como un vidrio a baja temperatura, como un sólido gomoelástico a temperaturas intermedias y como un líquido viscoso a temperaturas elevadas. Frente a deformaciones relativamente pequeñas, el comportamiento mecánico a bajas temperaturas es elástico y cumple la ley de Hooke. A temperaturas elevadas prevalece el comportamiento viscoso o fluido. A temperaturas intermedias tiene características mecánicasintermedias entre los dos extremos: viscoelasticidad.

La deformación elástica es instantánea, lo que significa que toda la deformación ocurre mientras el esfuerzo se aplica o se retira (la deformación es independiente del tiempo). Además, al dejar de aplicar el esfuerzo, la deformación se recupera totalmente y la probeta adquiere las dimensiones originales. Por el contrario, si el comportamientoestotalmenteviscosoladeformaciónnoes instantánea.Esdecir,ladeformacióndependedel

tiempo. Además, esta deformación no es totalmente reversible y no se recupera completamente después de eliminar el esfuerzo. En un comportamiento viscoelástico intermedio, la aplicación de un esfuerzo origina una deformación instantánea seguida de una deformaciónviscosa dependiente deltiempo.

Un ejemplo de comportamiento viscoelástico se da en el polímero de silicona, conocido como “Silly Putty” (“masilla-tonta”). Cuando esta masilla se modela en forma de bola y se deja caer sobre una superficie horizontal, rebota elásticamente (la velocidad de deformación durante el rebote es muy rápida). Por otro lado, si la masilla se estira gradualmente con fuerza creciente, el material se alarga o fluye como un líquido muy viscoso. Para este y otros materiales viscoelásticos, la velocidad de deformación determina si la deformación es elástica o viscosa.

Módulo de relajación viscoelástico.

El comportamiento viscoelástico de materiales poliméricos depende del tiempo y de la temperatura. Para medir y cuantificar este comportamiento se utilizan varias técnicas experimentales. La medida de la tensión de relajación es una posibilidad. Este ensayo consiste en deformar rápida y levemente una probeta hasta un nivel predeterminado y relativamente bajo. El esfuerzo necesario para mantener esta deformación se mide en función del tiempo y a temperatura constante. El esfuerzo decrece con el tiempo debido al fenómeno de relajación molecular que se produce dentro del polímero. El módulo de relación Er(t) se definecomo:

Er(t) = o(t)

c0

Para caracterizar el comportamiento viscoelástico se deben determinar los esfuerzos de relajación en un

intervalo de temperaturas.

De esta figura hay que destacar la disminución del modulo de relajación con el tiempo(crecimiento del esfuerzo) y el desplazamiento de las gráficas a valores inferiores de Er al aumentar la temperatura.

Para representar la influencia de la temperatura, se toman datos puntuales, a un tiempo determinado, del gráfico de logEr vs logt y luego se traza la gráfica de logEr(ti) vs T.

Fluencia viscoelástica

Muchos materiales poliméricos experimentan una deformación que depende del tiempo bajo la acción de un esfuerzo constante. Esta deformación se denomina fluencia viscoelástica. En este ensayo se aplica instantáneamente un esfuerzo de tracción que se mantiene constante mientras se determina la deformación en función del tiempo. Además, el ensayo se realiza en condiciones isotérmicas. Los resultados de fluencia se

representan como el módulo de fluencia Ef(t):

Eƒ(t)=o c(t)

Es sensible a la temperatura y disminuye al aumentar ésta.

Respecto a la influencia de la estructura molecular en las características de la fluencia el módulo de fluencia aumenta al aumentar la cristalinidad.

Con el esfuerzo constante, en un material cristalino hay que romper enlaces fuertes y una estructura empaquetada; luego, la deformación es menor, lo contrario que en un polímero amorfo.

6.DEFORMACIÓN DEELASTÓMEROS.

Estos materiales tienen la posibilidad de experimentar grandes deformaciones y de recuperar elásticamente su forma primitiva.

En ausencia de esfuerzos, un elastómero es amorfo y está compuesto de cadenas moleculares entrecruzadas, muy retorcidas, plegadas y enrolladas. La deformación elástica a la aplicación de un esfuerzo de tracción se debe a que se deshacer el retorcimiento y plegado de las cadenas, con la elongación de éstas en la dirección de la tensión aplicada. Después de eliminar el esfuerzo, las cadenas recuperan la configuración original y vuelve a tener la forma primitiva. En todo momento la deformación es reversible.

Un polímero se considera elastómero si cumple los siguientes criterios:

·Ser amorfo. De lo contrario, tendríamos cadenasempaquetadas y sería un materialfrágil.

·Tener rotación en las cadenas relativamente libres para facilitarla respuesta.

·Poseer cierto grado de entrecruzamiento. Esto impide el deslizamiento de las cadenas unidas. El proceso de creación de enlaces entrecruzados sedenomina vulcanización, y se consigue mediante una reacción química no reversible llevada a cabo a elevada temperatura. En la mayoría delas reacciones se añaden compuestos de azufre al elastómero en caliente.

·Estar por encima de la temperatura de transiciónvítrea

7.ADITIVOS DEPOLÍMEROS.

Mejoran propiedades mecánicas, procesabilidad, durabilidad, etc.

·Rellenos.

–Mejoradelaresistenciaalatracciónyalaabrasión,laestabilidaddimensionalytérmica,rebajandoel coste. Ej.: serrín, gel de sílice, vidrio, piedra caliza, talco, polímeros sintéticos,etc.

·Plastificantes.

–Seañadeparareducirlatemperaturadetransiciónvítrea,Tg,paramejorarflexibilidadyductilidad reduciendo dureza y fragilidad.

–Se adiciona al PVC – de otro modo esfrágil.

·Estabilizantes.

–Antioxidantes

–ProtectoresUV

·Colorantes.

–Tintes (se incorporan a la estructura molecular del polímero actuando comodisolventes).

–Pigmentos (como material de relleno en partículas de pequeñotamaño).

·Ignífugos o retardadores de llama.

–Cl/F &B

8.PROCESADO DE PLÁSTICOS.

En la conformación de materiales poliméricos se emplea una gran variedad de técnicas diferentes. El método utilizado para un polímero específico depende de:

osi el material es termoplástico otermoestable;

osi es termoplástico, de la temperatura deablandamiento;

ode la estabilidadatmosférica;

ode la geometría y tamaño delproducto.

·Termoplásticos

–Pueden ser reversiblemente enfriados & recalentados, lo que permite sureciclaje.

–Calentados hasta ablandarse, se les da la forma deseada, y luego se enfrían.

–Ej.: polietileno, polipropileno, poliestireno,etc.

·Termoestables

–al calentarse formanredes.

–se degradan (no funden) cuando secalientan.

–moldeo del prepolímero y después se somete acurado.

–ej.: uretano,epoxi

El conformado normalmente se produce a temperaturas elevadas y, a menudo, por aplicación de presión. El moldeo es el método más común para el conformado de polímeros plásticos. Las diversas técnicas incluyen: compresión, transferencia, soplado, inyección y extrusión.

Moldeo por compresión y por transferencia.

En el moldeo por compresión, una cantidad determinada de mezcla de polímeros y aditivos se coloca entre las piezas superior e inferior del molde. Se calientan ambas piezas del molde, aunque sólo una se desplaza. El molde se cierra y el calor y la presión aplicados provocan que el material plástico se convierta en viscoso y fluya, para ajustarse a la forma del molde.

En el molde por transferencia, que es una variación del

anterior, los ingredientes sólidos se funden en una cámara de transferencia calentada. Después, el polímero fundido se inyecta dentro del molde y, al aplicar presión, se distribuye uniformemente sobre todas las superficies.

Moldeo por inyección.

Es una técnica muy utilizada para conformar materiales termoplásticos. Una cantidad adecuada de material granulado pasa desde la tolva de alimentación a un cilindro por el movimiento de un émbolo. Esta carga se arrastra hacia el interior de una cámara de calentamiento, donde se distribuye alrededor de un esparcidor a fin de hacer un mejor contacto con la pared caliente. Como resultado, el material termoplástico se

funde para formar un fluido viscoso. El plástico fundido se impulsa a través de una boquilla por un émbolo hacia la cavidad del molde cerrado; la presión se mantiene hasta que la masa se haya solidificado.

Extrusión.

Moldeo por inyección de un material termoplástico viscoso mediante una matriz abierta. La solidificación del material extruido se produce por enfriamiento mediante chorro de aire, agua pulverizada o un baño. Se usa para conformar perfiles con secciones transversales constantes (varillas, tubos, canales de mangueras, hojas y filamentos).

Moldeo por soplado y extrusión.

Se elabora por extrusión una preforma. Mientras aún está semifundido, se coloca entre dos piezas del molde. La pieza hueca final se forma por soplado de aire o vapor a presión en la preforma, obligando a las paredes del tubo a ajustarse a los contornos del molde.

9.TIPOS DEPOLÍMEROS.

Elastómeros – cauchos – grandes deformaciones reversibles.

•Materialesentrecruzados

–cauchonatural

–caucho sintético y elastómerostermoplásticos.

•SBR- (styrene-butadiene rubber)estireno

–Siliconerubber

Fibras - longitud/diameter >100

•Empleo como materialestextiles.

–Deben tener gran resistencia a latracción.

–Usualmente elevada cristalinidad & elevadapolaridad.

•Conformadas mediante la técnica dehilado.

–ej: extruyendo el polímero caliente (líq.) a través de los orificios de una placa llamadahilera.

·Placa de Pt con 1000 orificios para el nylon.

·ej.: rayon – disuelto en disolvente se bombea a través de un cabezal para formarfibras.

–lasfibrasmejoransuspropiedadesportrefilado(alargamientomecánicodelafibraenladireccióndel eje de lamisma).

–Esto conduce a cadenas de estructura fibrilar altamente orientadas yalineadas.

Recubrimientos – película fina en superficie – i.e. pinturas, barnices, esmaltes, lacas.

–Protegen de corrosión odegradación.

–Mejoranapariencia.

–Aislanteseléctricos.

•Adhesivos – producen la unión entre dossuperficies.

–Usualmente la unión se producepor:

1.Enlaces de hidrógeno y fuerzas de van derWaals.

2.Unionesmecánicas.

•Film – empaquetado dealimentos.

•Espumas – burbujeando un gas en elplástico