Indice.
1.
Introducción.
2. Historia de los materiales y su
clasificación.
4. Enlaces existentes para su
configuración.
5. Estructuras
cristalinas.
6.
Aceros.
7.
Microestructura de los
aceros.
8. Cementita y otros
(microfotografias)
9. Tipos de
hornos.
10.
Conclusiones
11. Bibliografía.
1. Introducción.
En el presente trabajo vamos a ver a grandes rasgos
algunos conceptos que intregran la materia de
Tecnología
de los Materiales,
los cuales nos serviran para poder tener en
claro algunas ideas que nos serviran para tener una
comprensión mas clara de dicha materia, asi
mismo nos permitira familiarizarnos con la industria del
acero sus
tratamientos y aplicaciones a la industria y a
la vida diaria, algunos de los conceptos que trataremos sera:
Historia de los
materiales y su evolucion a travez de loa años, veremos
que esto ha ejercido cierta influencia en las sociedades de
todo el mundo, veremos la clasificacion de los materiales como
son los metales,
cerámicos y los plásticos,
asi tambien veremos las propiedades físicas y
químicas de dichos materiales y el como conocerlas nos
permite trabajar de una manera mas eficiente con ellos tambien
veremos las estructuras
cristalinas, el como conocer la estructura
interna de los materiales nos permite darles un mejor uso y que
puedan se de mejor aprovechamiento, asi tambien los tratamientos
termicos que dichos materiales pueden recibir con el objeto de
darles una mayor durabilidad y mejor aplicaciones a la industria,
otro aspecto que trataremos sera los aceros y como su uso y
aplicaciones a lo largo del tiempo ha
evolucionado y mejorado, algo que no podria faltar son los
enlaces
químicos y como conocerlos nos da ideas sobre el uso y
aplicación de los materiales, anexaremos tambien un
pequeño laboratorio de
maquinas que su uso es las famosas pruebas de
tensión, dureza, fatiga e impacto, las cuales nos permiten
checar la calidad de los
materiales de una manera cualitativa y cuantitativa veremos la
grafica de Hierro Carburo
de Hierro, la
cual es usada en los procesos de
fundición del acero, dicha
grafica es de singular uso, ya que en ella se pueden observar
todos los procesos de
fundición del acero y de cómo este se trabaja,
agregaremos tambien algunas microfotografias de las estructuras de
la austenita, ferrita y otras, en ellas se puede observar los
granos y tambien que distingue a una de la otra, es decir la
micro estructura de
los aceros, a lo largo de de este curso se prodran ver muchos
conceptos que en su totalidad nos permiten asimilar como la
industria de los materiales ha progresado y que aun los
ingenieros hoy en dia trabajan con el unico fin de descubrir
nuevos materiales y reinvantar los ya conocidos con el fin de
mejorar la economia y poder
aprovechar de manera optima los recursos que se
tienen a la mano, a lo largo de las ultimas decadas este ha sido
el queacer de la industria, no tan solo en los materiales sino en
todas sus ramas, la evolucio de la industria y los nuevos tiempos
traenmayores necesidades y es responsabilidad nuesra la optimizacion de los
procesos industriales. Todas las industrias hoy
buscan mejorar los procesod y poder reusar als mermas, todo como
una cultura de
reciclaje y
mejora de la industria, la economia y el bienestar de la comunidad en
conjunto; este trabajo tratara de darnos esas ideas para ser mas
concientes y ademas para mejorar nuestro conocimiento
de la ciencia y
la tecnología de los materiales, debido a que no podemos
quedarnos ausentes de los cambios que en nuestra industria se
generan momento a momento, es de gran importancia el
conocimiento de dichas tecnologías, aunque estas no
esten presentes en nuestra vida de manera constante; esperamos
que este material sea de provecho y utilidad para de
uno u otro modo mejorar nuestra cultura de la
industria y del uso adecuado y conciente de la materia prima,
que de uno u otro modo debemos de ser cuidadosos en el uso que
pretendamos darle a este recurso, los cambios dia con dia son
irremediables y somos victimas de ellos y tenemos que caminar de
la mano y a la par con ellos para poder sobrevivir
económicamente, como economia nacional y vomo una economia
individual, vera en este trabajo cada uno de los conceptos
básicos que ayudan a saber y conocer mas de los
materiales, ojala a medida que lo lea pueda disfrutar de el y
hacer un uso correcto, el material es introductorio y no pretende
ser un estudio detallado de los conceptos. Antes bien proporciona
ideas y conceptos claros de esta ciencia y
tecnología de los materiales, para el aprendis nuevo y
deseoso de buscar.
2. Historia de los materiales y
su clasificación
Los materiales son las sustancias que componen cualquier
cosa o producto
.Desde el comienzo de la civilización , los materiales
junto con la energía han sido utilizados por el hombre para
mejorar su nivel de vida. Como los productos
están fabricados a base de materiales , estos se
encuentran en cualquier parte alrededor nuestro .Los mas
comúnmente encontrados son madera ,
hormigón , ladrillo , acero , plástico ,
vidrio , caucho ,
aluminio ,
cobre y
papel .
Existen muchos mas tipos de materiales y uno solo tiene que mirar
a su alrededor para darse cuenta de ello . Debido al progreso de
los
programas de
investigación y desarrollo ,
se están creando continuamente nuevos materiales.
La producción de nuevos materiales y el
procesado de estos hasta convertirlos en productos
acabados , constituyen una parte importante de nuestra economía actual. Los
ingenieros diseñan la mayoría de los productos
facturados y los procesos necesarios para su fabricación .
Puesto que la producción necesita materiales , los
ingenieros deben conocer de la estructura interna y propiedad de
los materiales , de modo que sean capaces de seleccionar el mas
adecuado para cada aplicación y también capaces de
desarrollar los mejores métodos de
procesado.
Los ingenieros especializados en investigación trabajan para crear nuevos
materiales o para modificar las propiedades de los ya existentes
. Los ingenieros de diseño
usan los materiales ya existentes , los modificados o los nuevos
para diseñar o crear nuevos productos y sistemas .
Algunas veces el problema surge de modo inverso : los ingenieros
de diseño
tienen dificultades en un diseño y requieren que sea
creado un nuevo material por parte de los científicos
investigadores e ingenieros.
La búsqueda de nuevos materiales progresa continuamente .
Por ejemplo los ingenieros mecánicos buscan materiales
para altas temperaturas , de modo que los motores de
reacción puedan funcionar mas eficientemente . Los
ingenieros eléctricos procuran encontrar nuevos materiales
para conseguir que los dispositivos electrónicos puedan
operar a mayores velocidades y temperaturas .
Por conveniencia la mayoria de los materiales de la
ingenieria estan divididos en tres grupos
principales materiales metálicos , poliméricos , y
cerámicos
Materiales metálicos .
Estos materiales son sustancias inorgánicas que
están compuestas de uno o mas elementos metálicos ,
pudiendo contener también algunos elementos no
metálicos , ejemplo de elementos metalicos son hierro
cobre ,
aluminio ,
niquel y titanio mientras que como elementos no metalicos
podriamos mencionar al carbono.
Los materiales de cerámica , como los ladrillos , el vidrio la loza ,
los ailantes y los abrasivos , tienen escasas conductividad tanto
electrica como termica y aunque pueden tener buena resistencia y
dureza son deficientes en ductilidad , conformabilidad y resistencia al
impacto..
Polimeros , en
estos se incluyen el caucho (el hule) , los plásticos
y muchos tipos de adhesivos . Se producen creando grandes
estructuras moleculares apartir de moléculas
orgánicas obtenidas del petroleo o productos
agrícolas .
Fases componentes de un sólido desde su
estructura intermolecular
Una sustancia pura como el agua puede
existir en las fases sólido, liquido y gas, dependiendo
de las condiciones de temperatura y
presión. Un ejemplo familiar para todos de
dos fases de una sustancia pura en equilibrio es
un vaso de agua con cubos
de hielo. En este caso el agua,
sólida y liquida, da lugar a dos fases distintas separadas
por una fase limite, la superficie de los cubos de hielo. Durante
la ebullición del agua, el agua
líquida y el agua vapor son dos fases en equilibrio.
Una representación de las fases acuosas que existen bajo
diferentes condiciones de presión y
temperatura se
muestra en
la
En el diagrama de
fases presión-temperatura (PT} del agua existe un punto
triple a baja presión (4579 torr) y baja temperatura
(0,0098 0C) donde las fases sólida, liquida y
gaseosa coexisten. Las fases liquida y gaseosa existen a lo largo
de la línea de vaporización y las fases
líquida y sólida a lo largo de la línea de
congelación, como se muestra en la
Figura 8.1. Estas lineas son lineas de equilibrio entre dos
fases.
El díagrama de fases en equilibrio (PT) se puede construir
también para otras sustancias puras. Por ejemplo, el
diagrama de
fases de equilibrio PT del hierro puro se muestra en la Figura
8.2. Una diferencia fundamental de este diagrama de fases es que
tiene tres fases sólidas distintas y separadas: Fe alfa
(~, Fe gamma (y) y Fe delta (~).
El hierro ~ y <5 tiene estructuras cristalinas BBC, mientras
el hierro y tiene una estructura FCC. Las fases limite en
el estado
sólido tienen las mismas propiedades que entre liquido y
sólido. Por ejemplo, bajo condiciones de equilibrio, el
hierro ~ y y puede existir a una temperatura de 910 0C
y una atmósfera de presión. Por encima de
910 0C sólo existe la fase y, y por debajo de
910 0C sólo existe la fase ~ Hay también
tres puntos triple en el díagrama PT del hierro donde las
tres fases diferentes coexisten: (1) líquido, vapor Fe
<5; (2) vapor, Fe <5 y Fe y; y (3) vapor, Fe y y Fe
~.enlaces existente para su configuración
4. Enlaces existentes para
su configuración.
Enlaces metálicos
En metales en
estado
sólido , los átomos se encuentran empaquetados
relativamente muy juntos en una ordenación
sistemática o estructura cristalina . Por ejemplo la
disposición de los átomos de cobre en el cobre
cristalino consiste que los átomos están tan juntos
que sus electrones externos de valencia son atraídos por
los núcleos de sus numeroso vecinos . En el caso del cobre
sólido cada átomo
está rodeado por otros 12 átomos más
próximos . Los electrones de valencia no están por
lo tanto asociados férreamente a un núcleo en
particular y así es posible que se extiendan entre los
átomos en forma de una nube electrónica de carga de baja densidad o
gas
electrónico. Los átomos en un enlace
metálico sólido se mantienen juntos por enlace
metálico para lograr un estado de
más baja energía ( o más estable) . Para el
enlace metálico no hay restricciones sobre pares
electrónicos como en el enlace covalente o sobre la
neutralidad de carga como en el enlace iónico . En el
enlace metálico los electrones de valencia más
externos de los átomos son compartidos por muchos
átomos circundantes y de este modo , en general , el
enlace metálico no resulta direccional Fuerzas de van der
Waals
Excepto en un gas muy dispersado las moléculas ejercen
atracciones y repulsiones entre sí . Estas proceden
fundamentalmente de interacciones dipolo-dipolo . Las
moléculas no polares se atraen entre sí mediante
interacciones débiles dipolo-dipolo llamadas fuerzas de
London que surgen como consecuencia de dipolos inducidos en una
molécula por otra. En este caso los electrones de una
molecula son debilmente atraídos hacia el nucleo de otra
pero entonces los electrones de esta son repelidos por los
electrones de la primera. El resultado es una distribución desigual de la densidad electrónica y , en consecuencia , un dipolo
incluido . Las diferentes interacciones dipolo-dipolo (atractivas
y repulsivas) se denominan conjuntamente fuerzas de van der Waals
. La distancia entre las moléculas juega un importante
papel en la
intensidad de dichas fuerzas . Se llama radio de van der
Waals a la distancia a la que la fuerza
atractiva es máxima .Cuando dos átomos se aproxima
a distancias mas cortas que el radio de van der
Waals , se desarrollan fuerzas repulsivas entre los
núcleos y las capas electrónicas . Cuando la
distancia entre dos moléculas es mayor al radio de van der
Waals las fuerzas atractivas entre las moléculas
disminuyen.
Enlace iónico
Los enlaces iónicos se pueden formar entre elementos muy
electropositivos (metálicos) y elementos muy
electronegativos (no metales) . En el proceso de
ionización los electrones son transferidos desde los
átomos de los elementos electropositivos a los
átomos de los elementos electronegativos , produciendo
cationes cargados positivamente y aniones cargados negativamente
. Las fuerzas de enlace son debidas a la fuerza de
atracción electrostática o culombiana entre iones con
carga opuesta . Los enlaces ionicos se forman entre iones
opuestamente cargados por que se produce una disminución
neta de la energía potencial para los iones
enlazados
Enlace covalente
Un segundo tipo de enlace atómico primario es el enlace
covalente . Mientras el enlace iónico involucra
átomos muy electropositivos y electronegativos , el enlace
covalente se forma entre átomos con pequeñas
diferencias de electronegatividad y ubicados muy próximos
en la tabla
periódica . En el enlace covalnete los átomos
generalmente comparten sus electrones externos s y p como otros
átomos , de modo que cada átomo
alcanza la configuración de gas noble. En un enlace
covalente sencillo cada uno de los átomos contribuye con
un electrón a la formación del par de electrones de
enlace , y las energías de los dos átomos asociadas
con el enlace covalente son menores (mas estables) como
consecuencia de la interacción de los electrones . En el
enlace covalente , se pueden formar enlaces mútiples de
pares de eletrones por un átomo consigo mismo o con otros
átomos.
Redes cristalograficas existentes
Sistemas
cristalográficos
Los cristalógrafos han
demostrado que son necesarias solo siete tipos diferentes de
celda unidad para crear todas las redes puntuales . La mayor
parte de etos siete sistemas cristalinos presentan variaciones de
la celda unida básica . A. J. Bravais mostró que
catorce celdas unidad estándar podian describir todas las
estructuras reticulares posibles .Hay cuatro tipos de celdas
unidad :
- Sencilla
- Centrada en el cuerpo
- Centrada en las caras
- Centrada en la base
En el sistema
cúbico hay tres tipos de celdas unidad : cúbica
sencilla , cúbica centrada en el cuerpo y cúbica
centrada en las caras. En el sistema
ortorrómbico están representados los cuatro tipos .
En el sistema tetragonal hay solo dos: sencilla y centrada en el
cuerpo. En el sistema monoclínico tiene celdas unidad
sencilla y centrada en la base , y los sistemas
romboedríco hexagonal y triclínico, tienen solo una
celda unidad .
Estructuras cristalográficas
La mayoría de los metales elementales alrededor del 90 %
cristalizan en tres estructuras cristalinas densamente
enpaquetadas : cúbica centrada en el cuerpo (BCC) ,
cúbica centrada en las caras (FCC) y hexagonal compacta
(HCP) . La estructura HCP es una modificación más
densa de la estructura cristalina hexagonal sencilla . La mayor
parte de los metales cristalizadas en esas estructuras densamente
enpaquetadas debido a que se libera energía a medida que
los átomos se apróximan y se enlazan cada vez
más estrechamente entre sí . De este modo , dichas
estructuras densamente enpaquetadas se encuentran es
disposiciones u ordenamientos de energía cada vez
más baja y estable Examinemos ahora detalladamente la
disposición de los átomos en las celdas unidad de
las tres principales estructuras cristalinas . Aunque solo sea
una aproximación consideremos a los átomos de estas
estructuras como esferas rígidas. La distancia entre los
átomos en las estructuras cristalinas puede ser
determinado experimentalmente por análisis de rayos X. Por
ejemplo , la distancia interatómica entre dos
átomos de aluminio en un fragmento de aluminio puro a 20
0 C es 0.2862 nm.
Se considera que el radio del aluminio en el aluminio metal es la
mitad de la distancia interatómica , o 0.143
nm.
Planos cristalinos
Dirección en la celda
A menudo , es necesario referirnos a posiciones
específicas en las redes cristalinas . Esto es
especialmente importante para metales y aleaciones con
propiedades que varían con la orientación
cristalográfica . Para cristales cúbicos los
indices de las direcciones cristalográficas son los
componentes vectoriales de las direcciones resueltos a lo largo
de cada eje coordenado y reducido a los enteros mas
pequeños .
Para indicar en un diagrama la dirección en una celda cúbica
unitaria dibujamos un vector de dirección desde el origen
(que es normalmente una esquina de la celda cúbica) hasta
que sale la superficie del cubo .Las coordenadas de
posición de la celda unidad donde el vector de
posición sale de la superficie del cubo despues de ser
convertidas a enteros son los indices de dirección .Los
indices de dirección se encierran entre corchetes sin
separación por comas.
Planos en una celda unitaria
Las superficise cristalinas en celdillas unidad HCP pueden ser
identificadas comúnmente utilizando cuatro indices en
lugar de tres. Los indices para los planos cristalinos HCP
,llamados indices Miller-Bravais, son designados por las letras h
, k , i , l y encerrados entre parentesis ( hkil ) . estos
indices hexagonales de 4indices estan basados en un sistema
coordenado de 4 ejes .
Existen 3 ejes basicos , a1 , a2 ,
a3, que forman 1200 entre si. El cuarto eje
o eje c es el eje vertical y esta localizado en el centro de la
celdilla unidad . La unidad a de medida a lo largo de los ejes
a1 a2 a3 es la distancia entre
los átomos a lo largo de estos ejes .la unidad de medida a
lo largo del eje es la altura de la celdilla unidad . Los
recíprocos de las intersecciones que un plano cristalino
determina con los ejes , a1 , a2 ,
a3 proporciona los indices h , k e i mientras el
recíproco de la intersección con el eje c da el
índice l
Notación para planos
Los planos basales de la celdilla unidad HCP son muy importantes
para esta celdilla unidad puesto que el plano basal de la
celdilla HCP es pralelo a los ejes , a1 ,
a2 , a3 las intersecciones de este plano
con estos ejes serán todas de valor infinito
. Así , a1 = ¥ , a2 = ¥
a3 = ¥ El eje c , sin embargo , es unico puesto
que el plano basal superior intersecciona con el eje c a una
distancia unidad . Tomando los reciprocos de estas intersecciones
tenemos los indices de Miller-Bravais para el plano Basal HCP.
Así , H =0 K=0 I = 0 y L=1. El plano basal es , por tanto
un plano cero-cero-cero-uno o plano (0001) .
Importancia del indice de Milller
A veces es necesario referirnos a planos reticulares
específicos de átomos dentro de una estructura
cristalina o puede ser interesante conocer la orientación
cristalográfica de un plano o grupo de
planos en una red
cristalina. Para identificar planos cristalinops es estructuras
cristalinas cúbicas se usa la notación de Miller .
Los indices de Miller de un plano cristalino estan definidos como
los reciprocos de las intersecciones , que el plano determina con
los ejes x , y , z de los tres lados no paralelos del cubo
unitario .Las aristas de una celda cúbica unitaria
presentan longitudes unitarias y las intersecciones de los planos
de una red se miden
en base a estas longitudes unitarias .El procedimiento de
determinación de los indices de Miller para un plano de un
cristal cúbico es el siguiente:
- Escoger un plano que no pase por el origen en
(0,0,0) - Determinar las interacciones del plano en base a los
ejes x,y,z cristalográficos para un cubo unitario ,
estas interacciones pueden ser fraccionarias - Construir los recíprocos de estas
intersecciones
Despejar fracciones y determinar el conjunto mas
pequeño de números esteros que estén en la
misma razón que las intersecciones. Esos números
enteros son los índices de Miller de un plano
cristalográfico y se encierran entre paréntesis sin
usar comas. La notación (hkl) se usa para indicar
índices de Miller en sentido general , donde h ,k, y l son
los indices de Miller para un plano de un cristal cúbico
de ejes x,y,z respectivamente.
La primera clasificación que se puede hacer de
materiales en estado sólido, es en función de
cómo es la disposición de los átomos o iones
que lo forman. Si estos átomos o iones se colocan
ordenadamente siguiendo un modelo que
se repite en las tres direcciones del espacio, se dice que
el material es cristalino. Si los átomos o iones se
disponen de un modo totalmente aleatorio, sin seguir
ningún tipo de secuencia de ordenamiento,
estaríamos ante un material no cristalino ó amorfo.
En el siguiente esquema se indican los materiales sólidos
cristalinos y los no cristalinos.
En el caso de los materiales cristalinos, existe
un ordenamiento atómico (o iónico) de largo alcance
que puede ser estudiado con mayor o menor dificultad. Ahora bien,
realmente ¿necesitamos estudiar los materiales a nivel
atómico?.
Para responder a esta cuestión, podemos estudiar
las principales propiedades de dos materiales tan conocidos como
son el grafito (Fig.1) y el diamante (Fig.2). El grafito es uno
de los materiales más blandos (tiene un índice de
dureza entre 1y 2 en la escala Mohs), es
opaco (suele tener color negro), es
un buen lubricante en estado sólido y conduce bien la
electricidad.
Por contra, el diamante es el material más duro que existe
(10 en la escala Mohs), es
transparente, muy abrasivo y un buen aislante
eléctrico.
Como vemos, son dos materiales cuyas principales
propiedades son antagónicas. Pero, si pensamos en sus
componentes, nos damos cuenta que tanto uno como el otro
están formados únicamente por carbono.
Entonces, ¿a que se debe que tengan propiedades tan
dispares?. La respuesta está en el diferente modo que
tienen los átomos de carbono de enlazarse y ordenarse
cuando forman grafito y cuando forman diamante; es decir, el
grafito y el diamante tienen distintas estructuras
cristalinas.
Ruina Universal de Ensayos:
capacidad máxima de 120kN (12 t), con cuatro escalas, se
realizan ensayos de
tensión, compresión, flexión y corte.
Durómetro Universal Digital: durezas Rockwell,
Brinell y Vickers.
Péndulo de Impacto: ensayos según métodos
Charpy e Izod, capacidad máxima 300J. Para
metales.
Péndulo de Impacto para Plásticos: capacidad
máxima aproximada 8J.
Cámara Climática: ensayos con temperatura y
humedad variable.
Máquina de Fatiga por Flexión Rotativa:
capacidad máxima de 270kg*cm.
No se conoce con exactitud la fecha en que se
descubrió la técnica de fundir mineral de hierro
para producir el metal para ser utilizado. Los primeros
utensilios de hierro descubiertos por los arqueólogos en
Egipto datan
del año 3.000 a.c., y se sabe que antes de esa
época se empleaban adornos de hierro; los griegos ya
conocían hacia el 1.000 a.c, la técnica de cierta
complejidad para endurecer armas de hierro
mediante tratamiento térmico.
Las aleaciones
producidas por los primeros artesanos del hierro (y, de hecho,
todas las aleaciones de hierro fabricadas hasta el siglo XIV
d.c.) se clasifican en la actualidad como hierro forjado. Para
producir esas aleaciones se calentaba una masa de mineral de
hierro y carbón vegetal en un horno o forja con tiro
forzado. Ese tratamiento reducía el mineral a una masa
esponjosa de hierro metálico lleno de una
escoria formada por impurezas metálicas y cenizas de
carbón vegetal. Esta esponja de hierro se retiraba
mientras permanecía incandescente y se golpeaba con
pesados martillos para expulsar la escoria y dejar el hierro. El
hierro producido en esas condiciones solía contener un 3%
de partículas de escoria y un 0,1% de otras impurezas. En
ocasiones esta técnica de fabricación
producía accidentalmente
auténtico acero en lugar de hierro forjado. Los artesanos
del hierro aprendieron a fabricar acero calentando hierro forjado
y carbón vegetal en recipientes de arcilla durante varios
días, con lo que el hierro absorbía suficiente
carbono para convertirse en acero.
Después del siglo XIV se aumentó el
tamaño de los hornos utilizados para la fundición y
se incrementó el tiro para forzar el paso de los gases de
combustión por la carga o mezcla de
materias primas. En estos hornos de mayor tamaño el
mineral de hierro de la parte superior del horno se
reducía a hierro metálico y a continuación
absorbía más carbono como resultado de los gases que lo
atravesaban. El producto de
estos hornos era el llamado arrabio, una aleación que
funde a una temperatura menor que el acero o el hierro forjado.
El arrabio se refinaba después para fabricar acero.
La producción moderna de arrabio emplea altos hornos que
son modelos
perfeccionados de los usados antiguamente. El proceso de
refinado del arrabio para la producción de acero mediante
chorros de aire se debe al
inventor británico Henry Bessemer, que en 1855
desarrolló el horno o convertidor que lleva su nombre.
Desde la década de 1960 funcionan varios minihornos que
emplean electricidad para
producir acero a partir de chatarra.
Las aleaciones de hierro y carbono -aceros y fundiciones- son las
aleaciones metálicas más importantes de la
civilización actual. Por su volumen, la
producción de fundición y de acero supera en
más de diez veces la producción de todos los
demás metales juntos.
Corrientemente se da el nombre de acero y fundición, a las
aleaciones hierro – carbono (si tienen más del 2% de C son
fundiciones y si tienen menos del 2% de C son aceros).
El hierro forma soluciones con
muchos elementos: con los metales, soluciones por
sustitución, con el carbono, nitrógeno e
hidrógeno, soluciones por inserción.
La solubilidad del carbono en el hierro depende de la
forma cristalográfica en que se encuentra el hierro. La
solubilidad del carbono en el hierro ( cúbica de cuerpo
centrado) es menor que el 0,02% y en el hierro (cúbica da
caras centradas) es hasta el 2%.
Se distinguen tres grupos de aceros
al carbono: eutectoides, que contienen cerca de un 0,8% de C,
cuya estructura está constituida únicamente por
perlita: Hipoeutectoides, que contienen menos del 0,8% de C, con
estructura formada por ferrita y perlita; e Hipereutectoides, que
contienen del 0,8 al 2% de C y cuya estructura consta de perlita
y cementita.
7. Microestructuras De Los
Aceros
Los constituyentes metálicos que pueden
presentarse en los aceros al carbono son: ferrita, cementita,
perlita, sorbita, troostita, martensita, bainita, y rara vez
austenita, aunque nunca como único constituyente.
También pueden estar presentes constituyentes no
metálicos como óxidos, silicatos, sulfuros y
aluminatos.
El análisis de las microestructuras de los
aceros al carbono recocidos y fundiciones blancas deben
realizarse en base al diagrama metaestable Hierro-carburo de
hierro o Cementita.
Diagrama Fe-C
Las microestructuras que presenta el diagrama de equilibrio para
los aceros al carbono son:
FERRITA (Hierro a)
Es una solución sólida de carbono en hierro alfa,
su solubilidad a la temperatura ambiente es
del orden de 0.008% de carbono, por esto se considera como hierro
puro, la máxima solubilidad de carbono en el hierro alfa
es de 0,02% a 723 °C.
Microestructura del acero al carbono, cristales blancos
de ferrita
La ferrita es la fase más blanda y dúctil de los
aceros, cristaliza en la red cúbica centrada
en el cuerpo, tiene una dureza de 90 Brinell y una resistencia a
la tracción de 28 kg/mm2, llegando hasta un alargamiento
del 40%. La ferrita se obsera al microscopio como
granos poligonales claros.
En los aceos, la ferrita puede aparecer como cristales mezclados
con los de perlita, en los aceros de menos de 0.6%C, figura 6;
formando una red o
malla que limita los granos de perlita, en los aceros de 0.6 a
0.85%C en forma de agujas o bandas circulares orientados en la
dirección de los planos cristalográficos de la
austenita como en los aceros en bruto de colada o en aceros que
han sido sobrecalentados. Este tipo de estructura se denomina
Widmanstatten.
La ferrita también aparece como elemento eutectoide de la
perlita formando láminas paralelas separadas por otras
láminas de cementita, en la estructura globular de los
aceros de herramientas
aparece formando la matriz que
rodea los glóbulos de cementita, figura 9, en los aceros
hipoeutectoides templados, puede aparecer mezclada con la
martensita cuando el temple no ha sido bien efectuado.
Es el carburo de hierro de fórmula Fe3C, contiene
6.67 %C y 93.33 % de hierro, es el microconstituyente más
duro y frágil de los aceros al carbono, alcanzando una
dureza Brinell de 700 (68 Rc) y cristaliza en la red
ortorómbica.
Microestructura del acero 1%C, red blanca de
dementita
En las probetas atacadas con ácidos se
observa de un blanco brillante y aparece como cementita primaria
o proeutéctica en los aceros con más de 0.9%C
formando una red que envuelve los granos de perlita, formando
parte de la perlita como láminas paralelas separadas por
otras láminas de ferrita, se presenta en forma de
glóbulos o granos dispersos en una matriz de
ferrita, cuando los aceros de alto carbono se han sometido a un
recocido de globulización, en los aceros hipoeutectoides
que no han sido bien templados.
Perlita
Es el microconstituyente eutectoide formado por capas alternadas
de ferrita y cementita, compuesta por el 88 % de ferrita y 12 %
de cementita, contiene el 0.8 %C. Tiene una dureza de 250
Brinell, resistencia a la tracción de 80 kg/mm2 y un
alargamiento del 15%; el nombre de perlita se debe a las
irisaciones que adquiere al iluminarla, parecidas a las perlas.
La perlita aparece en general en el enfriamiento lento de la
austenita y por la transformación isotérmica de la
austenita en el rango de 650 a 723°C.
Microestructura del acero al carbono, cristales oscuros
de perlita
Si el enfriamiento es rápido (100-200°C/seg.), la
estructura es poco definida y se denomina Sorbita, si la perlita
laminar se somete a un recocido a temperatura próxima a
723°C, la cementita adopta la forma de glóbulos
incrustados en la masa de ferrita, denominándose perlita
globular.
Austenita
Es el constituyente más denso de los aceros y está
formado por una solución sólida por
inserción de carbono en hierro gamma. La cantidad de
carbono disuelto, varía de 0.8 al 2 % C que es la
máxima solubilidad a la temperatura de 1130 °C. La
austenita no es estable a la temperatura ambiente pero
existen algunos aceros al cromo-níquel denominados
austeníticos cuya estructura es austenita a temperatura
ambiente.
La austenita está formada por cristales cúbicos
centrados en las caras, con una dureza de 300 Brinell, una
resistencia a la tracción de 100 kg/mm2 y un alargamiento
del 30 %, no es magnética.
Microestructura de la austenita
La austenita no puede atarcarse con nital, se disuelve con agua
regia en glicerina apareciendo como granos poligonales
frecuentemente maclados, puede aparecer junto con la martensita
en los aceros templados.
Martensita
Es el constituyente de los aceros templados, está
conformado por una solución sólida sobresaturada de
carbono o carburo de hierro en ferrita y se obtiene por
enfriamiento rápido de los aceros desde su estado
austenítico a altas temperaturas.
El contenido de carbono suele variar desde muy poco carbono hasta
el 1% de carbono, sus propiedades físicas varían
con su contenido en carbono hasta un máximo de 0.7
%C.
Microestructura de la martensita
La martensita tiene una dureza de 50 a 68 Rc, resistencia a la
tracción de 170 a 250 kg/mm2 y un alargamiento del 0.5 al
2.5 %, muy frágil y presenta un aspecto acicular formando
grupos en zigzag con ángulos de 60 grados.
Los aceros templados suelen quedar demasiado duros y
frágiles, inconveniente que se corrige por medio del
revenido que consiste en calentar el acero a una temperatura
inferior a la crítica inferior (727°C), dependiendo de
la dureza que se desee obtener, enfriándolo luego al
aire o en
cualquier medio.
Troostita
Es un agregado muy fino de cementita y ferrita, se produce por un
enfriamiento de la austenita con una velocidad de
enfriamiento ligeramente inferior a la crítica de temple o
por transformación isotérmica de la austenita en el
rango de temperatura de 500 a 6000C, o por revenido a 4000C.
Sus propiedades físicas son intermedias entre la
martensita y la sorbita, tiene una dureza de 400 a 500 Brinell,
una resistencia a la tracción de 140 a 175 kg/mm2 y un
alargamiento del 5 al 10%. Es un constituyente nodular oscuro con
estructura radial apreciable a unos 1000X y aparece generalmente
acompañando a la martensita y a la austenita
Sorbita
Es también un agregado fino de cementita y ferrita. Se
obtiene por enfriamiento de la austenita con una velocidad de
enfriamiento bastante inferior a la crítica de temple o
por transformación isotérmica de la austenita en la
zona de 600 a 650%, o por revenido a la temperatura de 600%. Su
dureza es de 250 a 400 Brinell, su resistencia a la
tracción es de 88 a 140 kg/mm2 ,con un alargamiento del 10
al 20%.
Con pocos aumentos aparece en forma muy difusa como manchas, pero
con 1000X toma la forma de nódulos blancos muy finos sobre
fondo oscuro, figura 16; de hecho tanto la troostita como la
sorbita pueden considerarse como perlita de grano muy fino.
Bainita
Es el constituyente que se obtiene en la transformación
isotérmica de la austenita cuando la temperatura del
baño de enfriamiento es de 250 a 500°C. Se diferencian
dos tipos de estructuras: la bainita superior de aspecto
arborescente formada a 500-580°C, compuesta por una matriz
ferrítica conteniendo carburos. Bainita inferior, formada
a 250-4000C tiene un aspecto acicular similar a la martensita y
constituida por agujas alargadas de ferrita que contienen
delgadas placas de carburos.
La bainita tiene una dureza variable de 40 a 60 Rc comprendida
entre las correspondientes a la perlita y a la martensita.
Los constituyentes que pueden presentarse en los aceros aleados
son los mismos de los aceros al carbono, aunque la austenita
puede ser único contituyente y además pueden
aparecer otros carburos simples y dobles o complejos.
La determinación del tamaño de grano
austenítico o ferrítico, puede hacerse por la norma
ASTM o por comparación de la microfotografías de la
probeta a 100X, con las retículas patrón numeradas
desde el 1 para el grano más grueso hasta el 8 para el
grano más fino.
En el sistema ASTM el grosor del grano austenitico se indica con
un número convencional n, de acuerdo con la formula:
logG=(n-1)log2
Donde G es el número de granos por pulgada cuadrada sobre
una imagen obtenida a
100 aumentos; este método se
aplica a metales que han recristalizado completamente, n es el
número de tamaño de grano de uno a ocho.
Forma, tamaño y distribución de los cristales o granos en
la microestructura del acero para comparación a 100X
Cualquier proceso de producción de acero a partir del
Arrabio consiste en quemar el exceso de carbono y otras impurezas
presentes en el hierro.
Una dificultad para la fabricación del acero es su elevado
punto de fusión,
1.400ºC aproximadamente, que impide utilizar combustibles y
hornos convencionales.
Para superar esta dificultad, se han desarrollado 3 importantes
tipos de hornos para el refinamiento del Acero, en cada uno de
estos procesos el oxígeno
se combina con las impurezas y el carbono en el metal fundido. El
oxígeno
puede introducirse directamente mediante presión dentro o
sobre la carga a través del oxígeno en el aire, o
en forma de óxidos de hierro o herrumbre en la chatarra.
Esto oxidará algunas impurezas, las que se perderán
como gases, mientras otras impurezas reaccionarán con la
piedra caliza fundida para formar una escoria que será
colada posteriormente.
Horno de hogar abierto o crisol
El horno de hogar abierto semeja un horno enorme, y se le
denomina de esta manera porque contiene en el hogar (fondo) una
especie de piscina larga y poco profunda (6m de ancho, por 15 m
de largo, por 1 m de profundidad, aproximadamente).
El horno se carga en un 30% a un 40% con chatarra y piedra
caliza, empleando aire pre-calentado, combustible líquido
y gas para la combustión, largas lenguas de fuego pasan
sobre los materiales, fundiéndolos. Al mismo tiempo, se quema
(o se oxida) el exceso de carbono y otras impurezas como el
fósforo, silicio y manganeso.
Este proceso puede acelerarse introduciendo tubos refrigerados
por agua (lanzas), los que suministran un grueso flujo de
oxígeno sobre la carga.
Periódicamente, se revisan muestras de la masa fundida en
el laboratorio
para verificar la composición empleando un instrumento
denominado espectrómetro. También se determinan los
niveles de carbono.
Si se está fabricando acero de aleación, se
agregarán los elementos de aleación deseados.
Cuando las lecturas de composición son correctas, el horno
se cuela y el acero fundido se vierte en una olla de colada.
El proceso completo demora de cinco a ocho horas, mientras que el
Horno de Oxígeno Básico produce la misma cantidad
de acero en 45 minutos aproximadamente. Debido a esto, este horno
ha sido virtualmente reemplazado por el de Oxígeno
Básico.
Horno De Oxigeno
Basico
Es un horno en forma de pera que puede producir una cantidad
aproximadamente de 300 toneladas de acero en alrededor de 45
minutos.
El horno se inclina desde su posición vertical y
se carga con chatarra de acero fría (cerca de un 25%) y
luego con hierro derretido, después de ser devuelto a su
posición vertical, se hace descender hacia la carga una
lanza de oxígeno refrigerada por agua y se fuerza sobre
ella un flujo de oxígeno puro a alta velocidad durante 20
minutos. Este actúa como fuente de calor y para
la oxidación de las impurezas.
Tan pronto como el chorro de oxígeno comienza, se agrega
la cal y otros materiales fundentes. La reacción química resultante
desarrolla una temperatura aproximada de 1.650º C. El
oxígeno se combina con el exceso de carbono acabando como
gas y se combina también con las impurezas para quemarlas
rápidamente. Su residuo es absorbido por la capa flotante
de escoria.
Después de haberse completado la inyección de
oxígeno, se analiza el contenido de carbono y la
composición química de diversas
muestras de la masa fundida.
Cuando la composición es correcta, el horno se inclina
para verter el acero fundido en una olla de colada.
Aunque se pueden producir algunos aceros de aleación con
este proceso, el ciclo de tiempo aumenta considerablemente,
eliminando así su ventaja principal. Consecuentemente, el
proceso de oxígeno básico, como el del hogar
abierto, se emplea generalmente para producir altos tonelajes de
acero con un bajo nivel de carbono, que son los de mayor consumo. Estos
aceros con bajo nivel de carbono se utilizan para barras,
perfiles y planchas gruesas y delgadas.
Horno De Arco Electrico
Es el más versátil de todos los hornos
para fabricar acero. No solamente puede proporcionar altas
temperaturas, hasta 1.930ºC, sino que también puede
controlarse eléctricamente con un alto grado de
precisión.
Debido a que no se emplea combustible alguno, no se introduce
ningún tipo de impurezas. El resultado es un acero
más limpio.
Consecuentemente, puede producir todo tipo de aceros, desde
aceros con regular contenido de carbono hasta aceros de alta
aleación, tales como aceros para herramientas,
aceros inoxidables y aceros especiales para los cuales se emplea
principalmente. Otras ventaja sobre el Horno de Oxígeno
Básico es que puede operar con grandes cargas de chatarra
y sin hierro fundido.
El Horno de Arco Eléctrico se carga con chatarra de acero
cuidadosamente seleccionada. El arrabio fundido se emplea
raramente. Si la carga de chatarra es muy baja en carbono, se
agrega coque (el cual es casi puro carbono) o electrodos de
carbono de desecho, para aumentar así su nivel.
Al aplicarse la corriente
eléctrica, la formación del arco entre los
electrodos gigantes produce un calor intenso.
Cuando la carga se ha derretido completamente, se agregan dentro
del horno cantidades medidas de los elementos de aleación
requeridos.
La masa fundida resultante se calienta, permitiendo que se quemen
las impurezas y que los elementos de aleación se mezclen
completamente.
Para acelerar la remoción del carbono, el oxígeno
gaseoso se introduce generalmente en forma directa dentro de
acero fundido por medio de un tubo o lanza. El oxígeno
quema el exceso de carbono y algunas de las impurezas, mientas
otras se desprenden como escoria por la acción de varios
fundentes.
Cuando la composición química de la masa fundida
cumple con las especificaciones, el horno se inclina para verter
el acero fundido dentro de una olla de colada.
Este horno puede producir una hornada de acero en un
período de dos a seis horas, dependiendo del horno
individual.
Cromado
Es una técnica de protección contra la corrosión que tiene muchas variantes y se
puede aplicar al acero, aluminio, magnesio, y zinc. Esto resulta
en la formación de óxidos metálicos en la
superficie de la pieza de trabajo que reacciona para formar
cromatos metálicos. El cromado de aluminio y magnesio
mejora la resistencia a la corrosión considerablemente. Con el acero
es mucho menos permanente.
Galvanizado
Es una técnica para protección contra la
corrosión que se aplica solo a aceros suaves, hierro
fundido y aleaciones de acero en donde las piezas de trabajo son
sumergidas en zinc liquido a una temperatura de 500ºC. Se
forma en la superficie de la pieza de trabajo una aleación
de zinc/hierro dándole a la pieza una capa adherente de
zinc.
Antes del galvanizado, la superficie del metal debe encontrarse
en un estado moderado de limpieza. Esto se cumple generalmente
por la limpieza ácida o blasteado ligero.
Las capas galvanizadas son de aproximadamente 0.005 pulgadas de
grosor y pueden dar una protección por 10 o 20
años.
Nitrurizado
Es un proceso para endurecimiento de superficies utilizado solo
en ciertos tipos de aceros, que resulta en una de las superficies
más duras alcanzables por tratamientos con calor. El
proceso consiste en mantener las piezas de trabajo en una
atmósfera
de amoniaco a 500ºC por un máximo de 100 horas. Bajo
estas condiciones el nitrógeno atómico se combina
con el hierro en la superficie para formar nitrato de hierro. El
nitrógeno lentamente se difunde en la superficie siempre y
cuando se mantenga la temperatura adecuada. Por lo que el grosor
de la superficie endurecida resultante depende de la
duración del tratamiento por calor.
Es sin duda impresionante la manera en la que han
evolucionado los materiales y lo importante que es conocer sus
propiedades no tan solo físicas o mecánicas sino
también a otro nivel como bien podría ser a nivel
atómico ya que de esto depende en buena parte el
comprender como habrá de comportarse un material en
ciertas condiciones y de esa manera conjeturar algunas características como su dureza o su
resistencia a algunos esfuerzos, la verdad este curso de
Materiales ha resultado de mucho provecho para cada uno de
nosotros los alumnos de ingenieria, hemos aprendido como conocer
a los materiales por sus propiedades asi como por su tipo, sus
estructuras internas y externas, que nos llevamos del curso?,
conocimiento
provechoso y una mayor conciencia de los
materiales y su aprovechamiento a lo largo de este curso y a lo
largo de la historia, conocer nuestro entorno es sumamente
importante y poder aprovecharlo y modificarlo nos dara mayor
comodidad y tambien una mayor economia en base al aprovechaniento
que de el obtengamos, podemos sin lugar a dudas decir que los
materiales forman una parte importante de la sociedad actual,
a donde usted mire encontrara diversos materiales en sus miles de
formas y modificaciones que el hombre, el
ingeniero ha hecho con el unico propósito de sacar mayor
ventaja y poder adaptar su medio a las circunstancias requeridas
en su momento, la sociedad cambia y
con ella sus necesidades de toda indole, la industria evoluciona
constantemente al igual que la ciencia,
gracias a estos cambios podemos ir adelantes y no ser victima de
la estatica, hay cambios, hay dinamica, pero esto exije cambios,
tan necesarios y grandes como se desen, quizas hasta se requira
cambios sociales, cambios de actitud y
quizas hasta cambios de estructuras economicas y gubernamentales.
La industria a mejorado y progresado a pasos acelerados durante
las ultimas tres decadas, el uso de los aceros y toda clase de
metales se ha hecho mucho mas comun en las sociedades, la
industrialización a exigido el uso de mas y mejores
materiales para su desarrollo,
hoy tenemos cubierta la mayoria de esas necesidades, pero falta
mucho por recorrer, realmente no sabemos hacia donde la sociedad
con sus industrias, su
ciencia y su
tecnología vayan, lo que si sabemos es que tenemos que ser
concientes de los cambios y prepararnos para ellos, el
afrontarlos adecuadamente, marcara la diferencia entre las
economias fuertes, las debiles y las que deben perecer a causa de
la mediocridad y la falta de actitud
adecuada, podemos mirar hacia veinte años atrás y
ver cuantos cambios al dia de hoy se han dado y como las
industrias exitosas los afrontaron y como otros hoy ni su
recuerdo queda; una actitud y las acciones
adecuadas han permitido el desarrollo de tecnologías
nuevas y en gran manera mucho mejores que las de hace tan solo
diez o cinco años, el progreso nos arrastra y es mejor
remar en el sentido que el se desarrolla para ser mejores,
tambien no podemos estar a expensas de casar tecnologías,
tenemos la obligación de desarrollarlas y sacar adelante a
nuestro pais, su economia, no basta saber manejar la
tecnología, sino ser padres de ella y poder sacarle el
máximo de provecho, hoy es tiempo de contribuir y de
mejorar, de lo contrario el resago nos atrapara y pagaremos caro
una mala actitud, que en mucho pudimos corregir y que no
estuvimos dispuestos. Ojalaesto sirva para visualizar, que un
buen salario es bueno,
pero aportar a este pais alguna idea, algun proyecto, algun
invento; es todavía mucho mejor, el tiempo cambia,
nosotros debemos hacerlo para bien de la comunidad y no
tan solo para provecho personal, ojala
pronto podamos reconocer la falta de una buena actitud y ser
protagonistas en la tecnología, ser ser maestros y no
aprendices.
11. Bibliografía.
Fundamentos de la ciencia de
los materiales
William F. Smith 2da. Edicion
Mc-Graw-Hill
http://www.cmpl.ipn.mx/Area_Tecnica/Glosario.htm
- www.monografias.com
- www.estructurascristalinas.com
Apuntes de Tecnologia de los Materiales II.
Autor:
Jose Juan Jiménez Alejandro
CARRERA: Ingeniero Industrial Administrador.
MATRICULA: 62430
Monterrey, N. L. 14 de agosto de 2003