Tratamientos Térmicos y Corrosión de Materiales

TRATAMIENTOS TÉRMICOS

Definición: Combinación de operaciones de calentamiento y enfriamiento, de tiempos determinados y aplicadas a un metal o aleación sólido produciendo propiedades deseadas.

Tipos de Tratamientos Térmicos

Recocido

Calentar la aleación metálica a una temperatura adecuada y enfriarla a lo largo del intervalo de transformación. Propósito: refinar el grano, proporcionar suavidad, mejorar propiedades magnéticas o eléctricas, o mejorar el maquinado.

• Recocido de Esferoidización: producir carburos de forma esferoidal para mejorar la maquinabilidad de una aleación.
• Recocido para Eliminación de Esfuerzos: útil para eliminar esfuerzos residuales causados por un fuerte maquinado o un proceso de trabajo en frío.

Normalización

Obtenido por austenización y enfriamiento al aire para producir una estructura perlítica fina (aceros y hierros fundidos). Propósito: producir un acero más duro y más fuerte comparado con el recocido total. Tratamiento térmico final.

Endurecimiento

(Aceros) Solución sólida sobresaturada en carbono atrapado en una estructura tetragonal centrada en el cuerpo. Estructura reticular altamente distorsionada --> alta dureza de la martensita.

Características principales de la transformación:

1. Sin difusión, no hay cambio de composición química.
2. Depende sólo de la disminución de la temperatura, es independiente del tiempo.

Aleaciones: hierro-níquel, cobre-zinc y cobre-aluminio.

--> Se pretende modificar la dureza de una aleación metálica. La indentación disminuye al aumentar la dureza (correlación directa con la resistencia). La dureza --> elemento de control del efecto que el historial de temperatura provoca en la resistencia de la aleación.

Temple

Enfriamiento violento de la aleación luego de ser calentado a la temperatura de austenización (aceros). > dureza > velocidad del temple. Templabilidad (capacidad relativa para ser endurecido).

Ensayo de Templabilidad Jominy

Barra de acero normalizada de dimensiones 25 mm de diámetro y 100 mm de longitud.

Calentada hasta la temperatura de austenización y enfriada con un chorro de agua en uno de sus extremos. Velocidad de enfriamiento > donde incide el chorro de agua.

Velocidad de temple --> predecir la dureza de la misma.

Medidas de dureza --> identificar distintas velocidades de temple.

TRATAMIENTOS DE LOS MATERIALES EN ESTADO SÓLIDO

Endurecimiento por Precipitación

Precipitar partículas de segunda fase con la finalidad de reforzar (o endurecer) un metal o aleación. Partículas --> fungen como pequeños obstáculos para el movimiento de las dislocaciones.

Endurecimiento por Envejecimiento

Obtención de una microestructura con una dispersión fina de precipitados.

Diferencia: primer tipo --> precipitados dispersados en los límites o bordes de grano // envejecimiento: los precipitados son muchos más finos y dispersos en toda la microestructura, por difusión de la temperatura.

Dislocaciones

Cambios de estructura y cambios en la composición química de la capa superficial. Serie de calentamientos y enfriamientos controlados en atmósferas controladas. Enriquecer las capas superficiales con Carbono, Nitrógeno, Carbono y Nitrógeno, Aluminio, Cromo...

El objetivo final es elevar la resistencia al desgaste, resistencia a la corrosión y otras propiedades.

• Aumentar la dureza superficial, resistencia a la fatiga, desgaste y corrosión.
• Disminuir el rozamiento, aumento del poder lubricante.

Etapas de los Tratamientos Termoquímicos

1. Disociación: descomposición de moléculas y formación de átomos activos del elemento que difunde.
2. Absorción: átomos del elemento que difunde se ponen en contacto con la superficie de la pieza formando enlaces químicos con los átomos del metal.
3. Difusión: transporte de los átomos de saturación hacia la zona interior del metal.

TRATAMIENTOS TERMOQUÍMICOS

1. Cementación (Carburización) (carbono): se aporta carbono a la superficie mediante difusión modificando su composición química. Aceros bajo contenido de carbono (0,15 a 0,20% de C). Objetivo: endurecer la superficie sin modificar el núcleo. En la superficie es más duro y más resistente al desgaste y a las deformaciones, en el núcleo bajo índice de carbono, tenaz y resistente a la fatiga. Industria: cementante (rico en carbono).
2. Nitruración (nitrógeno): incorporando nitrógeno durante el proceso del tratamiento térmico en una atmósfera rica en nitrógeno. Objetivo: elevar la dureza, la resistencia al desgaste y la resistencia a la corrosión de la capa superficial de las piezas. Piezas sometidas a grandes fuerzas de roce y de carga.
3. Cianuración (carbono y nitrógeno): obtener una superficie dura y resistente al desgaste. Baño de cianuro fundido. Intermedio entre la cementación y la nitruración --> endurecimiento --> acción combinada de carbono y nitrógeno a una temperatura determinada.
4. Carbonitruración (carbono y nitrógeno): promueve el enriquecimiento superficial simultáneo con carbono y nitrógeno. Objetivo: superficies extremadamente duras y un núcleo tenaz, resistencia a la fatiga, resistencia al desgaste y resistencia a la torsión.
5. Calorización (aluminio): (aluminización) cementación a base de aluminio. Aumenta la resistencia a la corrosión. Depósitos de combustible de generadores de gas, válvulas, fundas de termopares, etc.
6. Cromización (cromo): Es una cementación a base de cromo. Descomponiendo la molécula de cloruro de cromo que aporta el cromo en la pieza. Aumenta la resistencia de los aceros, aumenta la dureza y la resistencia al desgaste de aceros y piezas fundidas.

Fractura

Separación de un sólido por la aplicación de fuerzas externas. Esta separación puede ser:

Parámetros de los que depende la resistencia a la fractura:

1. Estructura de los materiales: Metálicos, polímeros, óxidos refractarios, nitruros covalentes, etc.
2. Temperatura: temperatura de laboratorio, temperatura de servicio. T ó T/Tf. El aumento de T aumenta la oxidación y activa procesos térmicos del material.
3. Velocidad de Carga: Modifica el comportamiento mecánico del material. Cambiar el tipo de ruptura.
4. El medio ambiente: medio en el cual la pieza está en servicio.

Tipo de solicitación:

• Uniaxial: Ruptura a baja temperatura... Ruptura a alta temperatura…. Ruptura asistida por el medio ambiente.
• Cíclica: Fatiga, Fatiga Corrosión.

Consecuencias de la aplicación de una fuerza sobre un sólido:

Posibilidades:

1. Fuerza --- Deformación elástica débil --- Ruptura frágil, acomodación de la fuerza por agrietamiento. Clivaje: ruptura de enlaces atómicos de planos específicos.
2. Fuerza --- Deformación elástica ---- Deformación plástica -- Ruptura. Formación de microcavidades, crecimiento y coalescencia. Retado del mecanismo de degradación del material.
3. Fuerza --- Deformación elástica --- Deformación plástica --- Transformación de fase ----- Fractura. Ruptura por encuellamiento o cizallamiento.
4. Fractura por Fluencia (Creep). Frágil. Presencia de microcavidades o por la presencia de grietas en el límite de grano.
5. Encuellamiento producido por un fenómeno de recristalización lo cual implica un cambio de tamaño de grano.

Fractura Dúctil

Estricción en la zona central de la probeta para romper finalmente con valores de reducción de área que pueden llegar en algunos casos al 100%.

Fractura Frágil

Precedidas por cantidades muy pequeñas de deformación plástica, con una fisura propagándose rápidamente a lo largo de planos cristalográficos que poseen baja energía superficial.

Diferencia:

• Frágil: la fisura se propaga con muy poca deformación plástica en su vértice.
• Dúctil: progresa como consecuencia de una intensa deformación plástica asociada al extremo de la fisura.

FALLAS

¿Cómo?: Mejorando la Ingeniería y el Diseño, mejorando la Inspección, Control de Calidad, Planes de Prevención y Mantenimiento.

Técnicas experimentales para el Análisis de Fallas

• Análisis Mecánicos y de Esfuerzos.
• Métodos numéricos: cálculos convencionales, fotoelasticidad, métodos de elementos finitos, análisis de fallas.

FATIGA Y TERMOFLUENCIA

La ruptura en la MAYORÍA de los casos es causada por fatiga.

Fatiga

Modificación de propiedades de los materiales consecuencia de la aplicación de ciclos de esfuerzo repetidamente, lo cual puede conducir a la ruptura de piezas. (90% de las fallas son por fatiga).

En esta curva se pueden distinguir tres zonas:

1. Oligocíclica: pequeño número de ciclos.
2. Resistencia limitada: número de ciclos considerable.
3. Resistencia ilimitada: número de ciclos mayor a 10⁷.

Termofluencia

Existe una deformación permanente que depende del tiempo, bajo una carga o un esfuerzo constante y a alta temperatura. Combinación de fluencia y fatiga. El material comienza a fluir con lentitud. La difusión, deslizamiento y ascenso de dislocaciones o el deslizamiento --> contribuyen.

CORROSIÓN

“Degradación de un material y/o sus propiedades debido a la reacción con su medio ambiente”. “Corrosión es el ataque destructivo de un metal por reacción química o electroquímica con su medio ambiente”.

Corrosión Bajo Tensión

La tensión mecánica --> contribuir a la corrosión. Las zonas sometidas a tensiones mecánicas elevadas en un determinado material se comportan como ánodos en comparación con las regiones sometidas a baja tensión (se disminuye la barrera energética para la ionización).

MÉTODOS DE PREVENCIÓN DE LA CORROSIÓN

1. Selección de Materiales (más importante): Encontrar aleaciones menos sensibles a determinados ambientes corrosivos.
2. Selección del diseño: Evitar uniones con altas tensiones, evitar ánodos de área pequeña en cátodos de gran superficie.
3. Uso de Recubrimientos Protectores: Proporcionan una barrera entre el metal y su entorno (esmaltes, acero galvanizado, pinturas, etc.).
4. Uso de inhibidores: sustancia que en pequeñas concentraciones disminuye la velocidad de corrosión. La mayoría son compuestos orgánicos que forman capas adsorbidas en la superficie del metal.
5. Protección Galvánica: dispositivo distractor de la corrosión. Actúa como ánodo, y se corroe preferencialmente, sin afectar el resto del material que protege.
6. Circuitos Impresos: voltaje externo para oponerse al debido por la reacción electroquímica. Detiene el flujo de electrones para que no haya reacción de corrosión.
7. Ánodo de Sacrificio.