Ensayos de materiales

1. Propiedades de
los materiales

Los materiales se diferencian entre sí por sus
propiedades. Estas propiedades pueden agruparse de maneras
diferentes. No obstante, desde el punto de vista técnico
resulta útil la siguiente clasificación:

Las propiedades fisicoquímicas Son
aquellas propiedades que nos informan sobre el comportamiento del
material ante diferentes acciones externas, tales como el
calentamiento, las deformaciones o el ataque de productos
químicos. Entre las mismas podemos citar la
densidad, relación entre la masa y el
volumen, la conductividad térmica de un
material está relacionada con la mayor o menor dificultad
que tiene el material para conducir el calor; la
dilatación térmica indica el aumento de
volumen que experimenta un material cuando se calienta; la
transparencia es la facilidad con la que un material permite
que lo atraviese la luz; la conductividad eléctrica
indica si un material es buen o mal conductor de la corriente
eléctrica, etc.

Propiedades ecológicas Son aquellas
propiedades relacionadas con la mayor o menor nocividad del
material para el medio ambiente: toxicidad, volatilidad,
facilidad de reciclado, etc. En tecnología las propiedades
más importantes son las mecánicas, hacen
referencia al comportamiento del material ante la
aplicación de diferentes tipos de esfuerzos.

Ductilidad: capacidad de los materiales
para deformarse cuando se les aplica un esfuerzo de
tracción. Mide la capacidad de un material para deformarse
en forma de hilos.

Maleabilidad: capacidad de los
materiales de deformarse plásticamente frente a esfuerzos
de compresión. Mide la capacidad de un material para
deformarse en forma de láminas.

Tenacidad: es la capacidad de un
material para soportar esfuerzos de rotura aplicados de manera
lenta. Un esfuerzo puede ser de tracción, de
compresión, de flexión, de torsión y de
cizalladura.

Elasticidad: capacidad de un material de
recobrar su forma primitiva cuando cesa la causa que lo
deformó.

Resiliencia: capacidad de un material de
absorber energía en la zona elástica al someterlo a
un esfuerzo de rotura. Mide la capacidad para resistir golpes sin
romperse.

Dureza: resistencia que opone un
material a ser penetrado o rayado por otro.

Fatiga: resistencia a la rotura de un
material sometido a esfuerzos variables tanto en magnitud como en
sentido.

Plasticidad: capacidad de algunos
materiales sólidos de adquirir deformaciones permanentes
sin llegar a romperse.

2. Ensayos
tecnológicos

Son procedimientos normalizados con los que se
cuantifican las diferentes propiedades de los materiales.
Clasificación de los ensayos Con los ensayos se intenta
simular las condiciones de trabajo para determinar la idoneidad
del material o pieza en cuestión. Debido a la diversidad
de propiedades y a las diferentes formas de determinarlas, los
ensayos se pueden clasificar en:

Según la rigurosidad del ensayo

Ensayos científicos: son ensayos
que se hacen en laboratorios especializados y permiten obtener
valores precisos y reproducibles de las propiedades ensayadas, ya
que las condiciones a las que se somete el material están
convenientemente normalizadas.

Ensayos tecnológicos: se hacen en
fábrica e indican calidades de
material.Según la naturaleza del
ensayo

Ensayos químicos: permiten
conocer la composición cualitativa y cuantitativa del
material, así como la naturaleza del enlace químico
o la estabilidad del material en presencia de compuestos
corrosivos.

Ensayos metalográficos: con el
uso de microscopios, permiten conocer la estructura interna del
material.

Ensayos físicos: tienen por
objeto cuantificar ciertas propiedades físicas tales como:
densidad, punto de ebullición, punto de fusión,
conductividad eléctrica, conductividad térmica,
etc.

Ensayos mecánicos: con ellos se
determina la resistencia del material a ciertos esfuerzos. Los
ensayos de este tipo más importantes son: dureza, fatiga,
choque, tracción, etc.

Según la utilidad de la pieza después de
ser sometida al ensayo

Ensayos destructivos: son aquellos que
producen un daño o rotura de la pieza sometida al
ensayo.

Ensayos no destructivos: se analizan los
defectos externos e internos de una pieza mediante procedimientos
de observación directa empleando microscopios, rayos X,
ultrasonidos, campos magnéticos, etc.

2.1.- ENSAYOS DE DUREZA

Los más empleados son los ensayos de dureza
estáticos, donde se emplea un elemento "penetrador" y se
mide la huella que produce en el material a medir.

La dureza viene dada por la relación entre fuerza
y superficie de la huella.

Método Brinell (HB) Emplea como penetrador una
bola de acero muy duro de diámetro conocido. Al someter la
bola a una carga determinada, se produce en el material una
huella en forma de casquete esférico. La dureza Brinell
queda determinada por;

Este ensayo se utiliza en materiales blandos (de baja
dureza) y muestras delgadas. El penetrador usado es una bola de
acero templado de diferentes diámetros. Para los
materiales más duros se usan bolas de carburo de
tungsteno. En el ensayo típico se suele utilizar una
bola de acero de 10 a 12 milímetros de diámetro,
con una fuerza de 3.000 kilopondios. El valor medido es el
diámetro del casquete en la superficie del
material.

La carga a aplicar viene dada por la siguiente
expresión K
es una constante que depende del material, 5 (aluminio, magnesio
y sus aleaciones), 10 (cobre y sus aleaciones), y 30
(aceros).

D es el diámetro de la bola.

F la fuerza en Kg a aplicar.

La determinación de superficie de la huella se
realiza por A=p.D.f

Este ensayo sólo es válido para valores
menores de 600 HB en el caso de utilizar la bola de acero,
pues para valores superiores la bola se deforma y el ensayo no es
válido. Se pasa entonces al ensayo de dureza
Vickers.

Algunos valores típicos de dureza serían:
Acero (blando): 120 HB, Acero de herramientas: 500 HB, Acero
inoxidable: 250 HB, Aluminio: 15 HB, Cobre: 35 HB, Madera: entre
1 HB y 7 HB, Vidrio: 482 HB La denominación del resultado
del ensayo se describe de la siguiente manera:

340 HB 10/3000/30 Siendo el primer número el
resultado del ensayo en Kp/mm2.

Y los valores que siguen a las siglas representan: 10
(diámetro de la bola en mm), 3000 (carga en Kp) y 30
(duración de la carga en segundos)

Método Vickers HV Este método se emplea
para durezas superiores a 400 HB. El método es igual al
caso anterior, con la salvedad del penetrador que es una
pirámide regular de base cuadrada cuyas caras forman un
ángulo de 136º. Sus cargas van de 5 a 125 kilopondios
(de cinco en cinco). El tiempo que dura el ensayo es de unos 20
s.

El resultado de la medición viene dado por: 315
HV 30 Donde el 315 es el valor obtenido en Kp/mm2 y 30 la carga
aplicada en Kp Método Rockwell Este método, a
diferencia de los anteriores, permite determinar la dureza de un
material, no a partir de la superficie de la huella sino de su
profundidad. El penetrador empleado depende del material a
ensayar, para los materiales blandos empleamos una bola de acero
y para los duros un cono de diamante con 120º de
ángulo, denominándose el ensayo según el
penetrador con una letra que sigue a las siglas HR, los ensayos
más comunes son Rockwell B y C, HRB o
HRC.

Forma de realizar el ensayo 1º Se aplica al
penetrador una carga de 10 Kg durante un tiempo determinado. Esta
carga provoca una huella de profundidad h1. 2º
Después, dependiendo de la dureza del material, se
añade la carga adicional que puede ser de 60, 100 ó
150 kg. La profundidad de la huella alcanza entonces el valor
h2. 3º Al retirar la carga adicional, el penetrador
retrocede por la recuperación elástica del
material, hasta una profundidad h3

Siendo

h3 h1
en mm

La dureza Rockwell queda determinada por HRC = 100
– e HRB = 130 – e

Cuanto mayor es la profundidad e, menor es la
dureza del material.

El durómetro para Rockwell está provisto
de una escala graduada que permite realizar una medida
instantánea de la profundidad de la huella. En los
anteriores casos hay que utilizar una lupa graduada o un
microscopio para medir el diámetro de la huella o
diagonales de la pirámide.

Comparativo de ensayos de dureza

2.2.- ENSAYO DE
TRACCIÓN

Cuando un material es sometido a una fuerza de
tensión se produce una deformación del mismo. Si al
cesar la fuerza el material vuelve a sus dimensiones primitivas
diremos que ha experimentado una deformación
elástica.

Si el material se deforma hasta el extremo de no poder
recuperar por completo sus medidas originales, se dice que ha
experimentado una deformación plástica.

Dado un elemento cilíndrico sometido a una fuerza
F de tracción, se define tensión o esfuerzo s como
el coeficiente entre la fuerza y la sección transversal A0
del elemento.

Se acostumbra a utilizar como unidad de esfuerzo Kp/cm2,
Kp/mm2 ó en N/m2 (Pascales).

Recordar 1 Pascal (1 N/m2) = 9,8 . 104
Kp/cm2.

Alargamiento unitario Al aplicar la
tensión al elemento se producirá un alargamiento
Δl = l – l0

Esta deformación se suele dar en tanto por
ciento de la longitud inicial:

Módulo de elasticidad (E) Todo material
se comporta de manera elástica hasta un límite de
tensión. El módulo de Young es la relación
entre tensión y alargamiento característico de cada
material hasta ese límite.

como e es
adimensional se mide en las mismas unidades que la
tensión? El ensayo de tracción consiste en someter
a una "probeta" del material a ensayar de unas dimensiones
determinadas a un esfuerzo de tracción hasta romperla. A
través del mismo se obtienen datos acerca de la
elasticidad del material, su plasticidad y su resistencia a la
rotura.

Probetas La norma que regula el ensayo indica
con exactitud las dimensiones que debe de tener la probeta a
ensayar, pueden ser cilíndricas o
prismáticas.

Máquina de tracción Son
dispositivos mecánicos o hidráulicos que someten a
las probetas a un esfuerzo o tensión de tracción
creciente. Esto provoca un desplazamiento de las mordazas que
sujetan la probeta, que comienza a alargarse. La máquina
detecta, cuantifica y relaciona las tensiones aplicadas y las
deformaciones (alargamientos producidos).

Diagrama de esfuerzos y deformaciones Relaciona
en una gráfica las tensiones aplicadas y las elongaciones
producidas. Todo material tiene un diagrama como el
siguiente.

Al comienzo de aplicar cargas el material responde de
una manera elástica siendo carga y alargamiento
proporcionales, es la denominada zona proporcional donde
el módulo de Young E es característico de cada
material

el límite en que tensión y
deformación dejan de ser proporcionales se llama
límite proporcional y es un dato importante que se
obtiene del ensayo sp.

Si se continúa aumentando la tensión el
material sigue comportándose de manera elástica
pero tensión y deformación ya no son
proporcionales.

Cuando se llega a un valor de tensión
límite elástico sE el material deja de
comportarse de forma elástica y al dejar de aplicar la
tensión el alargamiento permanece.

A partir del límite elástico el material
tiene un comportamiento plástico, en la gráfica se
está en la zona plástica. Si se sigue
aumentando la tensión llega un momento que el material no
resiste y se rompe es el llamado límite de rotura o
tensión de rotura sR.. Aunque la probeta no
esté visiblemente rota, se considera como límite el
valor de tensión a partir del cual se rompe la probeta
aunque se siga aplicando una tensión menor. Zona de
estricción, llegado un punto del ensayo, las deformaciones
se concentran en la parte central de la probeta
apreciándose una acusada reducción de la
sección de la probeta, momento a partir del cual las
deformaciones continuarán acumulándose hasta la
rotura de la probeta por esa zona. La estricción es la
responsable del descenso de la curva
tensión-deformación; realmente las tensiones no
disminuyen hasta la rotura, sucede que lo que se representa es el
cociente de la fuerza aplicada (creciente) entre la
sección inicial y cuando se produce la estricción
la sección disminuye, efecto que no se tiene en cuenta en
la representación gráfica. Los materiales
frágiles no sufren estricción ni deformaciones
plásticas significativas, rompiéndose la probeta de
forma brusca.

El coeficiente de estricción es la
relación entre la diferencia de secciones de rotura e
inicial y la sección inicial.

Siendo A0 la sección inicial, AS la
sección en el momento de la rotura. El coeficiente de
estricción será:

Dependiendo de las propiedades del material de
elasticidad, plasticidad y resistencia se obtendrá un tipo
u otro de gráfica.

Como en Ingeniería los aceros son los principales
materiales el ensayo de tracción de los aceros es el
más estudiado, en el mismo se obtiene una gráfica
de este tipo:

En el diagrama de muchos aceros aparece una zona a
continuación del límite elástico donde el
material se alarga de una manera muy rápida sin
incrementar la tensión, a este fenómeno se le llama
fluencia ya que el material fluye sin causa aparente. El
punto donde desaparece este fenómeno se llama
límite de fluencia o tensión de fluencia sF
.

Tensión de trabajo sT Cuando se
diseña una pieza que ha de estar sometida a esfuerzos hay
que asegurarse de que esa pieza va a resistir. Además el
diseñador tiene que asegurarse de que la pieza no tiene
una gran deformación. Podríamos pensar que para
cumplir estas condiciones la tensión de trabajo
debería de ser inferior a la que marca el límite
elástico o el límite proporcional. Pero para
asegurarse de que con el tiempo o con la aplicación de
esfuerzos imprevistos la pieza sigue resistiendo se emplea un
coeficiente de seguridad N, de manera que una pieza se
someterá a una tensión sT que cumpla la siguiente
expresión.

Pudiéndose emplear en la expresión el
límite proporcional o incluso el límite de
rotura.

2.3.- ENSAYO DE RESILIENCIA

El más característico es el ensayo
Charpy.

En este ensayo se utiliza una probeta de sección
cuadrada provista de una entalladura que es sometida a la
acción de una carga de ruptura por medio de un martillo
que se desplaza en una trayectoria circular.

La energía absorbida por la rotura se llama
resiliencia ? y su unidad en el sistema internacional es el
J/m2

Ep = Energía potencial absorbida en la ruptura en
Julios.

m = masa del martillo en Kg.

g = Gravedad terrestre 9,8 m/s2 H = Altura desde la que
cae el martillo en metros h = Altura que alcanza el martillo tras
la rotura en metros.

? = Resiliencia en Julios por metro cuadrado A0 =
Sección de la probeta por la parte de la entalladura en
metros cuadrados.

Como en la probeta que se utiliza para el ensayo se
practica una entaya la sección a tener en cuenta
vendrá dada por las medidas de la misma.

3. – Principios de diagramas de
fases

3.1.- LOS METALES

Aunque en la actualidad se están descubriendo
nuevos materiales cerámicos y plásticos que en
algunas aplicaciones industriales sustituyen ventajosamente a los
metales están muy lejos de sustituirlos plenamente. El
principal inconveniente del uso de los metales está en el
agotamiento de los yacimientos mineros, nuevas necesidades
industriales y la oxidación por corrosión de los
mismos por parte de ciertos agentes químicos y
atmosféricos. Desde el punto de vista de su uso podemos
clasificar los metales en puros y aleaciones.

Metales puros El uso de los metales puros se centra en
muy pocas aplicaciones, ya que aunque resultan difíciles
de obtener tienen buena resistencia a la corrosión y alta
conductividad eléctrica que los hacen aptos para ciertas
aplicaciones muy concretas.

Estructura cristalina de los metales puros Una de las
características de los metales puros es que solidifican en
una estructura cristalina determinada formada a partir de un
núcleo. Dependiendo de la velocidad de enfriamiento, en
una pieza determinada se pueden formar más o menos
núcleos dando lugar a granos cuyo tamaño
determinará ciertas propiedades
mecánicas.

3.2.- ALEACIÓN

Es todo producto que resulte de la unión de dos o
más elementos químicos, uno de los cuales ha de
tener carácter metálico. Para que la unión
de estos elementos se considere aleación tienen que
cumplirse dos condiciones:

• Que los elementos componentes sean totalmente
  miscibles en estado líquido.

• Que el producto resultante tenga mayoría de
  enlaces metálicos, (carácter
  metálico).

Las aleaciones mejoran notablemente las propiedades
mecánicas de los metales puros como pueden ser tenacidad,
dureza, resistencia a la oxidación, etc; sin embargo se
empeoran propiedades como conductividad eléctrica y
térmica.

3.3.- ELEMENTOS QUE CONSTITUYEN LAS
ALEACIONES

En las aleaciones, para que se produzca una
solución sólida estable, es necesario que los
elementos que la constituyen formen parte de la misma red
cristalina.

Para una aleación de dos elementos que poseen la
misma estructura cristalina, se denomina solvente
al elemento que entra en mayor proporción, y
soluto al que lo hace en menor proporción.
Cuando los elementos poseen distinta estructura cristalina, se
denomina solvente al elemento que proporciona la
estructura final de la aleación.

Tal y como se ha dicho, los metales puros solidifican
formando una estructura cristalina determinada, por lo tanto los
átomos que introducimos han de formar parte de esa
estructura cristalina, distinguiéndose dos tipos de
soluciones:

Solución sólida por
sustitución: en este caso, el disolvente y soluto
tienen una estructura cristalina similar, por lo que un
átomo de soluto ocupa la posición de otro
átomo de disolvente en la estructura cristalina
final.

Solución sólida por
inserción: ocurre cuando los átomos de
soluto son muy pequeños y ocupan los huecos intersticiales
del disolvente. Esto provoca un aumento de la resistencia de la
aleación, ya que se hace más difícil la
deformación del producto final.

3.4.-DIAGRAMAS DE EQUILIBRIO O
FASES

Desde el punto de vista estructural, una
fase de un material, es una parte
homogénea del mismo que difiere de las demás en su
composición, estado o estructura. Al conjunto de las
representaciones de los estados posibles se denomina
diagrama de fases.

Regla de las fases de Gibbs La
ecuación o regla de Gibbs nos permite calcular el
número de fases que pueden existir en equilibrio en
cualquier sistema.

f + N = C +2

f = Es el número de fases presentes en el punto
de análisis.

N=Grados de libertad, es decir, el número de
variables (presión, temperatura o composición en
sistemas con más de un componente) que se pueden modificar
sin que varíen las fases del sistema.

C= Es el número de componentes del
sistema.

Ejemplo del diagrama de fases del
agua

Diagramas de equilibrio en las aleaciones (con
solubilidad total en fase sólida)

Si se trata de una aleación de dos metales (A y
B), se representa la temperatura en ordenadas y la
composición en abscisas. En los diagramas de fases las
disoluciones sólidas se suelen representar por las
primeras letras del alfabeto griego.

Línea de líquidus: es la
línea superior del diagrama; representa el inicio de la
solidificación y marca la transición entre la fase
líquida y la fase liquida + sólida.
Línea de sólidus: es la
línea inferior del diagrama; representa la
transición entre la fase líquida +
sólido y la fase sólida.

Regla de la palanca Nos sirve para
determinar para una temperatura y concentración
determinadas de la aleación qué porcentaje de la
misma está en estado líquido y sólido.
Supongamos que queremos determinar la proporción de
líquido y sólido de la aleación en el punto
D.

El punto D se encuentra en un estado bifásico en
el que coexisten una fase sólida a y otra
líquida L. La proporción de
sólido y líquido puede determinarse por la
regla de la horizontal, trazando una horizontal
que pase por el punto D y que corte las líneas de
fase.

Si llamamos WL al tanto por uno que tenemos de
masa líquida en el punto D y Wa al tanto por
uno que tenemos de masa sólida en el mismo punto, podemos
determinar dichas masas mediante unas ecuaciones, aplicando lo
que se conoce como regla de la palanca. Co =
Concentración del elemento A o B correspondiente al punto
D. CL = Concentración del elemento A o B para la cual la
aleación está en estado líquido a la
temperatura del punto D. Ca = Concentración del elemento A
o B para la cual la aleación está en estado
sólido a la temperatura del punto D.

Si utilizamos concentraciones del elemento A, las
ecuaciones correspondientes a Wa y WL son:

Proceso de solidificación Cuando
se enfría un material metálico en estado fundido
llega un momento en que se alcanza una determinada temperatura,
conocida como temperatura de equilibrio, a la que el material
empieza a solidificar.

El proceso de solidificación de un metal o de una
aleación metálica puede dividirse en dos
etapas:

Nucleación: en la que se forman pequeños
núcleos estables solidificados en el interior del
líquido fundido. Crecimiento: en la que los
núcleos estables crecen hasta dar lugar a la estructura
cristalina típica de los metales.

El siguiente gráfico representa la curva de
enfriamiento de un metal puro, en ella se observa un
escalón que corresponde a la temperatura de equilibrio, en
un metal puro los cambios de estado se realizan a temperatura
constante. Durante el periodo de tiempo que dura la
solidificación se dan las dos fases, líquida y
sólida, primero se generan unos pequeños
núcleos estables solidificados que, por crecimiento
gradual, terminarán formando la estructura cristalina
característica.

Curvas de enfriamiento Si representamos
en unos ejes de coordenadas las temperaturas y el tiempo
transcurrido desde el estado líquido al sólido,
podemos ver la variación de velocidad de
solidificación que experimenta la aleación al pasar
por una curva de fase.

En la gráfica siguiente se muestran las curvas de
enfriamiento correspondientes al 100% de A, 50% de A y 100% de B.
El enfriamiento de la aleación cuando hay una
proporción de ambos componentes se da entre dos valores de
temperatura. De esta forma se obtiene el diagrama de fases de una
aleación.

Cuando la aleación es totalmente soluble en
estado sólido se obtiene un diagrama como el de la figura.
El caso más común es que las aleaciones no muestren
solubilidad total en estado sólido como veremos a
continuación.

3.4.1.- Solución con solubilidad total en
líquido e insolubilidad total en
sólido.

En la figura se muestra el diagrama de dos metales
totalmente insolubles en estado sólido y que dan origen a
una mezcla eutéctica para una composición
de A y B determinada.

Una mezcla eutéctica se forma cuando una
determinada proporción de ambos componentes posee una alta
estabilidad en estado líquido, de tal forma que solidifica
a una temperatura más baja que sus componentes
puros.

Durante la solidificación de la aleación I
(mezcla eutéctica), la mezcla permanece en estado
líquido hasta el punto 1, que corresponde a una
temperatura inferior a la de solidificación tanto de A
como de B. En dicho punto, coexisten las fases sólidas A y
B y la fase líquida, teniendo lugar la
solidificación a temperatura constante.

Esta solidificación comenzará con la
formación de un primer núcleo de metal A, al que
seguirá inmediatamente la formación de otro
núcleo de metal B, repitiéndose este proceso
continuamente a temperatura constante. Debido a este proceso
descrito la estructura del sólido
eutéctico tiene forma de láminas entre
mezcladas de los constituyentes A y B. Se considera esta mezcla
como una única fase.

Las aleaciones situadas a la izquierda del punto
eutéctico se denominan
hipoeutécticas, mientras que aquellas que se
encuentran a la derecha del punto eutéctico se
denominan hipereutécticas.

La estructura final de una aleación
hipoeutéctica estará formada por un
constituyente disperso (metal A) que es el primero que
solidifica, y un constituyente matriz continuo, que es el
sólido eutéctico laminar que rodea al
constituyente disperso.

La solidificación de una aleación
hipereutéctica procede de modo análogo a la
hipoeutéctica, salvo que se forma un primer
sólido constituido por metal puro B, rodeado por el
constituyente matriz eutéctico.

3.4.2.- Solubilidad total en estado
líquido y solubilidad parcial en estado
sólido

En la figura se representa un diagrama
característico de este grupo con dos componentes A y B y
un punto eutéctico E.

La línea de líquidus es AEB por encima
toda la aleación está líquida.

La línea de solidus es la AMENB, por debajo de
esta línea, todas las aleaciones están
sólidas.

Entre AE y AME y entre EB y ENB, las aleaciones
están parcialmente sólidas y parcialmente
líquidas.

La solución sólida del metal B en A la
llamaremos a, la máxima proporción de B que puede
disolverse en A es m %. Y los cristales de esta solución
saturada los designaremos por am.

La solución sólida A en B la designaremos
por ß, la máxima proporción de A que puede
disolverse en B es de (100 – n) % y la llamaremos
ßn.

Vamos a ver el proceso de solidificación
de las tres aleaciones I, II y III.

Aleación I: al llegar en su
enfriamiento a P1, empieza a formarse cristales de
solución sólida de B en A (a), entre P1 y P2, la
aleación estará parte sólida y parte
líquida, creciendo las proporciones de
solidificación y decreciendo las proporciones del
líquido. Al descender la temperatura de P2 toda la
aleación quedará solidificada, quedando formada por
cristales a de solución sólida de P3 % de B en
(100- P3) de A.

Para proporciones de m% de B se formarán
cristales saturados de solución sólida de m% B en
(100 – m) % de A que hemos llamado am.

Aleación II: al llegar en su
enfriamiento al punto q1, empieza la formación de
cristales a, de solución B en A, que irán
aumentando. En cambio el líquido irá disminuyendo.
A medida que descienda la temperatura, aumentará el
número y concentración de cristales a,
corrigiéndose la composición de la aleación
líquida para que, al llegar a q2, la aleación quede
formada por las proporciones de metal A y B necesarias para que
al solidificarse al descender q2 quede la totalidad de la parte
líquida formando cristales auténticos (am +
ßn) en la proporción que fija la eutéctica.
Quedando al solidificarse la aleación II formada por
cristales de am + cristales eutécticos (am +
ßn).

Lo mismo ocurre con todas las aleaciones comprendidas
entre e y n; pero en lugar de formarse cristales am, se forman
cristales de solución de A en B.

Al terminar la solidificación queda la
aleación formada por cristales ßn + cristales
eutécticos.

Aleación III: de
proporción eutéctica, la solidificación
tiene lugar al llegar a E, a una sola temperatura que
además es más baja que la de cualquier otra
proporción.

La totalidad de la aleación se solidifica
formando cristales eutécticos (am + ßn).

Este es el caso más normal en las aleaciones de
los metales con alguna consideración:

Nunca solidifican A o B puros, sino en forma de sus
soluciones a y ß. Estas soluciones limitadas por los ejes
se denominan soluciones sólidas
terminales.

A las curvas que marcan la máxima solubilidad de
B en A o de A en B se les denomina solvus.

Si la temperatura desciende también lo hace la
solubilidad por lo cual las líneas Solvus son
curvas.

El punto de corte de estas líneas con el eje de
abcisas marca la solubilidad a temperatura ambiente.

El gráfico obtenido sería como el
siguiente

DIAGRAMA Fe-C. ACEROS Y
FUNDICIONES

El hierro puro apenas tiene aplicaciones industriales.
Pero formando aleaciones con carbono y otros elementos es el
metal más utilizado en ingeniería. Como paso previo
al estudio de las aleaciones hierro-carbono, es necesario el
análisis del diagrama de fases porque nos permite: Conocer
la naturaleza y características de las fases y
constituyentes a distintas temperaturas.

Conocer las características de las
transformaciones.

Las propiedades mecánicas están
íntimamente relacionadas con la microestructura a
temperatura ambiente, y el diagrama Fe-C aporta las bases para
optimizar el comportamiento de las aleaciones férricas
mediante los tratamientos térmicos. En realidad en el
diagrama debe denominarse diagrama hierro-carburo de hierro,
porque a temperatura ambiente el carbono está combinado
con el hierro en forma de carburo de hierro. Además
está trazado para concentraciones menores del 6.67% de
carbono, pues a porcentajes mayores las aleaciones carecen de
interés industrial. Las aleaciones con concentraciones
menores del 1,76% de carbono se conocen como
aceros, y las que tienen una composición
de carbono comprendida entre el 1,76% y el 6,67% se llaman
fundiciones.

Estados alotrópicos del Fe
puro.

Las distintas redes cristalinas que toma un metal
dependiendo de la temperatura se denominan estados
alotrópicos. El hierro puro presenta 4 estados
alotrópicos, siendo los más importantes el Fe a y
el Fe ? Fe a, llamado ferrita, hasta 768º, es
magnético, forma una red cúbica centrada en el
cuerpo BCC, permite disolver muy poca cantidad de soluto 0,03%
de Carbono. Fe ß, desde 768 a 910ºC con la misma
red que el anterior pero deja de ser magnético. Fe
?, también llamado austenita desde 910ºC a
1400ºC, no es magnético, FCC red cúbica
centrada en las caras, permite disolver mayor cantidad de C,
hasta 1,76%.

Fe d, desde 1400ºC hasta 1530ºC que funde el
Fe puro. Vuelve a ser magnético y a red BCC, admite muy
poco C en disolución.

Diagrama Fe-C, Fe-Fe3C

El hierro y el carbono constituyen aleaciones
únicamente hasta un 6,67% en peso de carbono. Con esta
concentración y con concentraciones superiores se crea un
compuesto químico denominado cementita (Fe3C con un
6,67% de C) que no tiene propiedades metálicas. Por lo
tanto, únicamente se estudia el diagrama hasta esa
proporción de carbono.

La línea de líquidus parte de la
temperatura de solidificación del Fe puro (1539
ºC).

A medida que baja la
temperatura el Fe forma el estado alotrópico Fe ?
que admite una solución de carbono de hasta un 1,76%, a
esta fase se le denomina austenita. Con una
proporción de carbono de un 4,30% se crea un
eutéctico llamado ledeburita. Este compuesto
solidifica a la menor temperatura de un compuesto Fe-C
1130ºC. La ledeburita es una fase compuesta por
Austenita y cementita que se descompone por debajo de los
723ºC en perlita y cementita.

Esto
provoca la primera clasificación del sistema
hierro-carbono: se habla de aceros si la proporción
de carbono es inferior a 1,76%, y de fundiciones para
proporciones entre 1,76 y 6,67%.

 Si se continúa bajando la temperatura,
cambia el estado alotrópico del Fe, pasando a ser
Fe a (con distinta estructura cristalina) de manera que la
red admite menor cantidad de átomos de carbono y se
expulsa el carbono sobrante en forma de cementita
(Fe3C).

Cuando la temperatura baja de 910° C el hierro sufre
un cambio alotrópico y su red se transforma, la nueva
estructura apenas acepta átomos de carbono en su seno;
entonces el hierro se denomina hierro-a o ferrita. A la
temperatura de 723ºC y con una proporción de carbono
de 0,89% se forma un eutectoide llamado perlita que
está formado por una estructura laminar de ferrita y de
cementita. En la reacción eutectoide una fase
sólida genera dos fases sólidas distintas por el
cambio de solubilidad de su estructura. A los aceros que
tienen una proporción menor que 0,89% de carbono se les
denomina hipoeutectoides, y si tienen entre 0,89 y 1,76%
de carbono, hipereutectoides.

 Recopilando todo, el diagrama del sistema
hierro-carbono tiene este aspecto:

Constituyentes de los aceros A temperatura
ambiente, siempre que el enfriamiento de la aleación sea
lento los constituyentes son: ferrita y cementita,
separados o formando perlita.

La parte del diagrama correspondiente a los aceros es la
siguiente:

 Para un acero hipoeutectoide, a medida que se va
enfriando la austenita se convierte en ferrita hasta que se
alcanza la proporción del eutectoide y la austenita
restante se transforma en perlita. La estructura resultante
estará formada por cristales de ferrita en una matriz
perlítica.

Para aceros hipereutectoides la cementita tiende a
formar nódulos o pequeños granos en el seno de la
austenita, a ésto se le denomina cementita proeutectoide.
Cuando se alcanza la proporción del eutectoide la
austenita restante se tranforma en perlita que rodea a la
cementita.

La estructura de los aceros hipereutectoides
estará formada por cristales de cementita en una matriz
perlítica.

LAS FUNDICIONES El diagrama que corresponde a las
fundiciones es el siguiente:

Las fundiciones se clasifican de forma básica
como hipoeutécticas e
hipereutécticas, y tienen la propiedad de que se
extienden extraordinariamente cuando se funden y se vierten en un
molde. Además, la fundición eutéctica se
puede fundir totalmente a 1130º C, la mínima
temperatura de fusión de todas las aleaciones
férricas.

En las fundiciones obtenidas por enfriamiento lento,
durante las transformaciones -en especial la A1- el carbono
sobrante es expulsado de la red del hierro en forma de
cementita. A este tipo de material se le llama
fundición blanca. Pero si el enfriamiento es
más brusco, el carbono no tiene tiempo de arrastrar
átomos de hierro y es expulsado como grafito, en cuyo caso
se obtiene la llamada fundiciones negras o las
fundiciones grises.

CONSTITUYENTES DE LOS ACEROS Resumiendo lo visto
hasta ahora los aceros procedentes de un enfriado lento
están constituidos por los siguientes componentes a
temperatura ambiente:

> Ferrita: solución
sólida de hierro alfa con C (es hierro alfa casi puro
0,03% C). Es el más blando y dúctil
de los constituyentes de los aceros.

> Cementita: es un compuesto
intermetálico de fórmula Fe3C (equivalente a
6,67%C). Es el constituyente más duro y
frágil.

> Perlita: solución eutectoide formada
por cristales de ferrita y cementita. La estructura laminar
confiere elevada dureza y resistencia mecánica.

Si se produce un enfriamiento rápido aparecen
nuevos componentes:

Martensita Es el constituyente típico de
aceros templados. Está formado por una
solución sólida sobresaturada de carbono o
carburo de hierro en hierro a, y se obtiene por enfriamiento
rápido del acero desde alta temperatura. Sus
propiedades físicas varían con su
composición, aumentando su dureza, resistencia y
fragilidad con el contenido en carbono. Se produce porque un
enfriamiento rápido de la austenita impide que salgan los
átomos de carbono de su estructura creando una estructura
distinta a ferrita + perlita.

La bainita es una mezcla de fases de ferrita y
cementita y en su formación intervienen procesos de
difusión. Forma agujas o placas, dependiendo de la
temperatura de transformación. Se produce por un
enfriamiento de la austenita a velocidad intermedia entre
la velocidad de generación de la perlita y de la
martensita.

CLASIFICACIÓN DE ACEROS Y
FUNDICIONES

Los aceros se pueden clasificar de diferentes
formas, una de las principales sería:

Aceros al carbono

• Hipoeutectoides, tienen matriz
  ferrítica, por lo que son dúctiles y
  tenaces; son aceros de construcción

• Eutectoides

• Hipereutectoides, tienen matriz de cementita,
  por lo que es duro y frágil; son aceros de
  herramientas

Aceros aleados

• Inoxidables, contienen níquel y cromo que los
  pasivan ante la corrosión

• Refractarios, con wolframio, titanio, molibdeno y
  cobalto para resistir altas temperaturas

• Eléctricos, con silicio para reducir la
  resistencia eléctrica

• Rápidos, con cromo y molibdeno para
  herramientas de corte

Las fundiciones tienen una clasificación
similar a esta última de los aceros, y tenemos: