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Tema 1 – Introducción a la ciencia e ingeniería de materiales

1.1 Introducción Las propiedades de los materiales son la consecuencia inmediata de la microestructura que presentan en cada momento.

1.2 Los materiales en la sociedad actual La ciencia de materiales se fundamenta en el conocimiento de la estructura interna del material. Conocer esa estructura permite deducir las propiedades mas relevantes del mismo y por tanto sus potenciales aplicaciones. La ingeniería de materiales se dirige principalmente a la utilización de los materiales para obtener productos necesarios para la sociedad, basándose en la aplicación de los conocimientos que tenemos sobre ellos. La integración entre ciencia e ingeniería de materiales se representaría así:

Ciencia de materiales

Ciencia e ingeniería de materiales

Ingeniería de materiales

Conocimientos fundamentales

Análisis de microestructuras

Conocimiento de propiedades

Innovación de métodos de procesado

Mejoras del comportamiento en servicio

Conocimiento de las aplicaciones

1.3 Propiedades de los materiales Las propiedades físicas son importantes para su utilización. Las propiedades físico-químicas y tecnológicas son importantes para su fabricación, transformación, utilización y gestión ambiental.

Propiedades físicas (mecánicas, térmicas, eléctricas, ópticas y magnéticas

Densidad Relación entre la masa y el volumen del material. En los metales está condicionada por la alta compactación que tienen los átomos en el enlace metálico (= presentan alta densidad).

Resistencia mecánica Oposición que presenta a deformarse cuando está sometido a la acción de una carga exterior (tracción, compresión, flexión, cizalla).

Elasticidad Capacidad que presenta para recuperar su forma y dimensiones iniciales cuando cesa la causa generadora de su deformación (ensayo de tracción).

Plasticidad Aptitud que presentan ciertos materiales para deformarse plásticamente bajo la acción de fuerzas externas, sin alcanzar la rotura.

Dureza Resistencia que opone un material a la deformación plástica provocada por la indentación de otro (ensayo de dureza).

Fragilidad Propiedad de romperse bajo la acción de una determinada carga sin deformarse significativamente.

Tenacidad Capacidad que presenta un material para absorber energía durante su deformación plástica hasta producirse la rotura (péndulo de Charpy).

Ductilidad Capacidad de un material para deformarse plásticamente sin alcanzar la fractura. Se calcula midiendo su alargamiento o reducción de área en el ensayo de tracción.

Maleabilidad Aptitud que presenta un material para reducirse a láminas muy finas.

Conductividad eléctrica Aptitud de un material para conducir la corriente. Está relacionada con la existencia de electrones libres en el material (enlace metálico).

Conductividad térmica Aptitud de un material para transmitir el calor a su través. Cuanto mayor compactación posea su estructura interna, mejor conductor térmico será.

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Temperatura de fusión Aquella que proporciona la energía térmica necesaria para romper todos los enlaces que le dan cohesión y consecuentemente le transforme en líquido.

Propiedades físicoquímicas/tecnológicas (Gestión ambiental - Transformación de materiales)

Resistencia a la corrosión

Resistencia que presenta un metal a deteriorarse en su ambiente de servicio por la acción de reacciones químicas o electroquímicas.

Aleabilidad Capacidad que presentan los metales para formar aleaciones metálicas.

Soldabilidad Aptitud de un material a someterse a procesos de unión, mediante alguno de los numerosos métodos de soldadura.

Colabilidad Aptitud que presenta un material metálico para ser vertido al interior de un molde y obtener un producto sólido «sano», y por tanto libre de defectos.

Conformabilidad Capacidad de un material para ser sometido a procesos de deformaciónplástica durante su mecanizado, con el fin de obtener geometrías diversas.

Maquinabilidad Capacidad que presenta un material para someterse a procesos deconformación mediante arranque de viruta.

Reducción Capacidad del material para mantener sus propiedades con la menor cantidad de material por unidad de producto.

Reutilización Característica del material que le permite ser utilizado un númerodeterminado de veces sin someterse a procesos de transformación.

Reciclabilidad Característica de un material que permite, mediante procesos detransformación, alargar su vida útil.

1.4 Estructura atómica Se considera al átomo como un conjunto de partículas subatómicas básicas, esencialmente protones, neutrones y electrones. Los electrones, de carga eléctrica negativa y masa despreciable, se localizan en la corteza girando alrededor del núcleo, en el que se concentran los protones de carga positiva y los neutrones sin carga. El orden de magnitud de las cargas de electrones y protones es de 10-19 culombios y el de las masas de protones y neutrones es de 10-24 g, siendo la masa del electrón 10-28 g. El átomo en condiciones normales es eléctricamente neutro y su masa se haya concentrada en el núcleo.

Los elementos químicos se caracterizan por el número y la masa atómica. El número de protones existente en su núcleo coincide con el número de electrones cuando el átomo es neutro y con el número atómico de cada elemento químico, y determina su ordenación numérica en el sistema periódico de elementos, tal como ilustra la figura. La masa atómica de un átomo corresponde a la suma de masas de neutrones y protones. Pueden existir átomos de un mismo elemento con distintas masas atómicas, a los cuales se les denomina isótopos.

El peso atómico se mide en unidades de masa atómica uma (peso ponderado de todos sus isótopos). Tanto el peso atómico (elemento) como el molecular (compuesto) se pueden expresar en «umas» por átomo o molécula, o en masa por mol de materia. En un mol hay 6,023 • 1023 átomos o moléculas, que corresponde al número de Avogadro.

La mayoría de las propiedades de la materia residen en la distribución y comportamiento de sus electrones. Según el modelo de la mecánica ondulatoria, cada electrón se caracteriza por los cuatro números cuánticos n, l, ml y ms.

n= nivel energético principal. Es un valor entero positivo que va desde 1 a 7 (K, L, M, N, O…). Cuanto mayor sea, mas alejado del núcleo se encuentra.

l= subnivel de energía dentro del orbital. Es un valor entero positivo desde 0 a n-1 (s, p, d, f…)

ml= número magnético, según la orientación del orbital. Varía desde –l a +l, pasando por cero.

ms= espín, corresponde a las dos posibles direcciones de giro del electrón sobre su eje, +½ y –½.

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Según el principio de exclusión de Pauli, no puede existir más de un electrón con los cuatro números cuánticos iguales. Por ello, el subnivel s puede acomodar hasta 2 electrones, el p hasta 6, el d hasta 10 y el f hasta 14, lo que implica que en los niveles K, L, M y N pueden alojarse respectivamente 2, 8, 18 y 32 electrones. El orden de llenado de subniveles y niveles se determina mediante la regla de la diagonal (a la derecha).

Las transiciones de electrones entre los niveles energéticos de los orbitales implican absorción (asciende) o emisión (desciende) de energía en forma de fotones. Puesto que los orbitales mas exteriores suelen quedar incompletos, tienden a estabilizarse bien ionizándose, bien compartiendo electrones con otros átomos. Por tanto, la estructura electrónica de la capa más exterior suele ser la que confieren a cada elemento sus principales propiedades químicas.

Los elementos del sistema periódico se organizan en periodos (filas) y grupos (columnas). Los elementos del grupo VIIIA son los gases nobles (muy estables al tener su última capa electrónica completa); el resto se dividen en metales y no metales. Los primeros grupos (IA y IIA) contienen metales electropositivos, que tienen tendencia a ceder electrones y quedarse cargados positivamente originando cationes. Los últimos grupos (IVA hasta VIIA) contienen sobre todo no metales muy electronegativos cuya tendencia es captar electrones y quedarse con carga negativa formando aniones. El resto son metales de transición con características intermedias.

Tipos de enlace

Los enlaces primarios son los mas fuertes y se forman cuando los orbitales externos comparten o transfieren sus electrones, se dividen en iónicos, covalentes y metálicos. Los segundarios son más débiles, mientras que los mixtos corresponden a combinación de los anteriores.

El enlace metálico es el más usual en los metales sólidos. Su estructura se caracteriza por la proximidad entre átomos, y provoca que los electrones de valencia sean atraídos por los núcleos de los átomos colindantes. Esto permite a los electrones

de valencia liberarse formando una nube, con igual probabilidad de encontrarse asociados a cualquiera de los múltiples átomos. Los núcleos con sus electrones interiores conforman cationes o restos positivos rodeados por una nube formada por los electrones de valencia de todos los átomos que intervienen en el enlace. Al ser muy compacta la aglomeración de cationes, la densidad en los metales será elevada y ello permite también que las vibraciones de origen térmico se transmitan rápidamente. La libertad de los electrones asegura una buena conductividad eléctrica. Las propiedades mecánicas como maleabilidad y ductilidad son buenas, pues los cationes no están unidos con enlaces dirigidos, de manera que el hueco dejado por uno puede ser ocupado por otro.

El enlace iónico es de naturaleza electrostática y se produce como consecuencia de la diferencia de electronegatividad entre átomos, lo cual provoca la transferencia de electrones de un átomo a otro y la formación de cationes (iones positivos) y aniones (iones negativos). Tiene lugar entre átomos de metales muy electropositivos y elementos muy electronegativos como son los no metales. La fuerza de unión de este enlace la origina la atracción electrostática entre los iones de carga opuesta. El enlace iónico es no direccional puesto que un ión atrae en todas direcciones a los iones opuestos. El resultado neto del proceso es la producción del mismo número de aniones que de cationes lo que garantiza la neutralidad de carga en los sólidos iónicos. Estos materiales son duros, frágiles y aislantes tanto eléctrica como térmicamente.

El enlace covalente es altamente direccional, al contrario que los dos anteriores. Se original al compartirse electrones de valencia entre átomos adyacentes, que deben tener electronegatividad similar; es el caso de la unión de las moléculas de H2, Cl2, 02, N2, HF, CH4 y otras. Este enlace se presenta en gran variedad de materiales que van desde los cerámicos como los semiconductores base Si, los materiales abrasivos de diamante, o las moléculas orgánicas. Este enlace es el responsable de muchas de las propiedades de los polímeros, tales como la baja conductividad eléctrica o térmica, al no existir electrones libres. Otra característica importante es el ángulo de enlace. Los ángulos de enlace en los que interviene el C se aproximan mucho al valor ideal, 109,5° y explica la forma

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zigzagueante de las macromoléculas poliméricas como el polietileno y también la disposición tetraédrica que presentan las estructuras cristalinas cúbicas del diamante o el silicio.

La cohesión en los materiales la originan sobre todo los enlaces primarios, pero también existen enlaces de baja energía denominados secundarios que no implican transferencia de electrones. El de Van der Waals es uno de los más característicos, siendo similar al iónico ya que se basa en la atracción de cargas opuestas, aunque en este caso creadas por las asimetrías en la distribución de la carga dentro de las moléculas de un material. Estas asimetrías se denominan dipolos eléctricos, y hay de dos tipos: transitorios (o inducidos) y permanentes. Otro enlace secundario es el enlace por puentes de H, y se presenta entre moléculas que tienen átomos de H en su constitución.

Los enlaces mixtos son combinaciones de los principales, existiendo los metálico/covalente, metálico/iónico, iónico/covalente, iónico/covalente/metálico. El metálico/covalente es común entre los elementos de transición, con altas temperaturas de fusión. El metálico/iónico es característico de los compuestos intermetálicos y su carácter iónico depende de la diferencia de electronegatividad de los elementos que lo forman, siendo muy duros y frágiles. La mayoría de las moléculas con enlace covalente presentan características de enlace iónico y viceversa, dependiendo de la diferencia de sus electronegatividades de forma que a mayor diferencia, mayor es el porcentaje de enlace iónico.

1.5 Clasificación de los materiales Los materiales pueden clasificarse de forma general, en función de su enlace predominante:

• Metales y aleaciones: enlace metálico.

• Polímeros: enlace covalente.

• Cerámicos y vidrios: enlace iónico, aunque con fuerte carácter covalente.

• Compuestos: se identifican mediante el enlace característico de la matriz que los constituye.

Estos cuatro grupos son conocidos como materiales estructurales. Existen a su vez los materiales funcionales, con enlaces principalmente covalentes, aunque algunos con fuerte carácter iónico.

Metales y aleaciones: se dividen en metales y aleaciones férreas y metales y aleaciones no férreas, formando el primer grupo aquellos cuyo elemento mayoritario es el Fe acompañado de otros metales (ocasionalmente algún no metal), como los aceros y fundiciones. El segundo grupo lo componen materiales metálicos cuyo elemento base no es el Fe. Presentan alta: conductividad eléctrica/térmica, densidad, deformabilidad, ductilidad, resistencia y tenacidad.

Polímeros: su enlace característico es el covalente para las cadenas principales y enlaces de Van der Waals para las uniones entre cadenas, lo que confiere un carácter más débil a estas uniones. Se dividen en termoplásticos, termoestables o resinas y elastómeros o cauchos. Presentan alta: ductilidad, maleabilidad, resistencia a la corrosión; y baja: conductividad eléctrica/térmica, rigidez, resistencia y tenacidad, temperatura de servicio.

Cerámicos y vidrios: son materiales de naturaleza inorgánica formados por metales y no metales, y presentan baja o nula tenacidad pero alta resistencia térmica, eléctrica y al desgaste. Sus propiedades varían en función del tipo de enlace, iónico y/o covalente. Los vidrios son materiales inorgánicos amorfos cuya base es la sílice, incluidos tradicionalmente dentro de este grupo aunque constituyen uno propio debido a sus peculiares características entre las que destaca su carácter no cristalino. Presentan alta: resistencia a compresión, dureza, fragilidad, resistencia a la corrosión y al desgaste; y baja: conductividad eléctrica/térmica, tenacidad. Las cerámicas son opacas y con alta temperatura de fusión y los vidrios transparentes.

Compuestos: Son sólidos constituidos por distintas fases, siendo homogéneos a escala macroscópica y heterogéneos a escala microscópica. Se componen básicamente de matriz y refuerzo, y según sea la matriz (metálica, cerámica o polimérica) y la geometría del refuerzo (fibras largas, cortas, entramados...) así serán sus propiedades finales, aspectos que permiten una gran versatilidad.

Otros materiales: Los semiconductores pueden considerarse otro gran grupo, englobado en el de los materiales funcionales. El Si es el más representativo; también lo son el Ge y el Sn. Los materiales inteligentes son aleaciones con memoria que recuperan su estado inicial o cerámicas con propiedades piezoeléctricas que convierten esfuerzos mecánicos en electricidad o viceversa. Los nanomateriales presentan características en la escala de longitud menor de 100nm, pudiendo ser de naturaleza metálica, polimérica, cerámica o compuesta, utilizándose originalmente como catalizadores y pigmentos.

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Tema 2 – Estructura interna de los materiales. Sistemas cristalinos

2.2 Los materiales en la sociedad actual El estado sólido de la materia se caracteriza por el grado de orden que presenta cada sólido en su estructura interna. Según este orden interno, los sólidos se clasifican en cristalinos y amorfos.

Sólidos cristalinos: son aquellos cuyos átomos o iones se ordenan formando una determinada estructura interna que se repite sistemáticamente en todo el material, dando lugar a un orden de largo alcance. Son sólidos cristalinos los materiales metálicos; la inmensa mayoría de los cerámicos, y ciertos polímeros que cristalizan parcialmente. Los sólidos cristalinos se fracturan a lo largo de los distintos planos de su estructura cristalina.

Sólidos amorfos: son aquellos en los que los átomos, iones o moléculas que los forman se encuentran desordenados o poco ordenados. El ejemplo característico de sólido amorfo es el vidrio. La fractura de un sólido amorfo no sigue ningún plano.

Los materiales tienen tendencia a alcanzar el estado cristalino por ser el más estable, si bien la materia no se encuentra totalmente ordenada o desordenada sino que existe una degradación continua del orden en los materiales, induciendo diferentes grados de cristalinidad.

En teoría cualquier material cristalino puede ser fabricado con estructura amorfa si se solidifica con la suficiente rapidez desde el estado líquido. La temperatura de fusión es la que suministra suficiente energía térmica al sólido como para romper todos los enlaces que le dan coherencia; los cristales suelen tener esta temperatura bastante definida; no así los amorfos.

Los materiales cristalinos pueden ser monocristalinos (cuya disposición atómica es perfecta, sin discontinuidades a lo largo del mismo) o policristalinos (unión de cristales de diferente tamaño y orientación llamados granos). Las fronteras de grano acumulan defectos de red, principalmente dislocaciones.

En función de su enlace químico, los sólidos cristalinos se clasifican como:

Metálicos: Presentan un alto punto de fusión, elevada densidad y dureza, son opacos, dúctiles y maleables, y buenos conductores.

Iónicos: Presentan un alto punto de fusión, elevada dureza y cierta fragilidad, son malos conductores; algunos son opacos y otros transparentes.

Covalentes: Presentan un alto punto de fusión, elevada dureza, alta fragilidad, escasamente deformable; algunos son dieléctricos y otros semiconductores.

Moleculares: Se unen por fuerzas como las de Van der Waals, y presentan bajo punto de fusión y baja dureza, son aislantes.

2.3 Sistemas cristalinos. Red espacial La cristalografía se encarga de estudiar y sistematizar los sistemas cristalinos existentes, caracterizados por las distintas geometrías de la celda unidad que es el elemento más sencillo escogido para representar a la unidad estructural. Esa unidad se define mediante los parámetros de red: las tres longitudes de sus lados a, b, c, y los tres ángulos entre los distintos ejes.

La cristalografía establece siete sistemas cristalinos con arreglo a su grado de simetría, siguiendo la propiedad de que «todos los cristales de una misma sustancia presentan los mismos elementos de simetría». Un cristal no es más que una repetición de la unidad elemental, la celda unidad, extendida en las tres dimensiones.

A continuación se muestran los siete sistemas cristalinos, de los cuales los de mayor interés tecnológico son el cúbico y el hexagonal. A su vez, Auguste Bravais definió catorce redes cristalinas en las que se presentan los siete sistemas indicados.

En el sistema internacional se denotan como BCC las estructuras cúbicas centradas en el cuerpo, FCC las cúbicas centradas en las caras y HC las hexagonales compactas. En la asignatura, estas tres se

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denominan por sus siglas en castellano, CC, CCC y HC.

2.4 Isomorfismo y alotropía Se dice que dos metales son isomorfos cuando presentan la misma estructura cristalina. Cuando un metal o un no metal presentan más de una estructura cristalina en estado sólido, en condiciones de presión y temperatura diferente, se dice que presenta alotropía. Cada una de las formas cristalinas constituye un estado alotrópico y el tránsito de uno a otro tiene lugar a una precisa presión y temperatura. Puesto que el ordenamiento atómico cambia significativamente para cada red cristalina, las propiedades de un metal pueden variar enormemente para dos estados alotrópicos del mismo.

Al estado alotrópico estable a más baja temperatura se denomina α y a los siguientes β, γ, δ… La temperatura a la cual se produce el cambio alotrópico se denomina «punto o temperatura crítica».

2.5 Indice de Miller El interior del cristal puede considerarse como un conjunto de puntos que coinciden con las posiciones de los núcleos de los átomos que lo constituyen. Esto hace suponer la existencia de planos y direcciones cristalográficas cuyas

orientaciones o direcciones, respecto de los ejes de referencia, dependen de las posiciones de los átomos que se supone situados o pertenecientes a dichos planos y direcciones. La definición de un plano cristalográfico se hace con respecto a las intersecciones del mismo con los ejes de referencia,

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según diversas notaciones que a continuación se describen.

Indice de Miller de planos cristalográficos (h k l): para definir un plano reticular o el conjunto de sus paralelos, se utilizan tres índices (h k l) obtenidos en los siguientes pasos:

• Se determinan las intersecciones del plano con los ejes cristalográficos, evitando que el plano contenga ninguno de los ejes. Luego se expresan en función del parámetro de red tomado como la unidad.

• Se calculan los recíprocos de los números resultantes.

• Se buscan los enteros más pequeños que equivalgan a los recíprocos.

La notación obtenida de Miller para el plano considerado se encierra entre paréntesis. Los valores negativos se marcan con n . A continuación se muestran unos ejemplos:

Indice de Miller de direcciones cristalográficas [u v w]: En este caso, se obtienen de forma directa determinando las coordenadas del vector cuyo origen corresponde al origen de coordenadas,

encerrando entre corchetes los valores obtenidos. Como en el caso de los planos, el vector determina toda la familia de direcciones paralelas dentro del cristal.

Las familias de planos se denotan entre {} y las de vectores entre <>. Por ejemplo, la familia de

planos definida por {100} contendría a )1(000),100)(01((001),(010),(100),

Índices de Miller-Bravais del sistema Hexagonal: Los sistemas hexagonales necesitan cuatro ejes para ser representados. Tres de ellos a1 a2 y a3 se sitúan en el plano basal, formando ángulos de 120° entre ellos; el cuarto, z, es el eje perpendicular al plano basal y se emplaza en el centro de la celda unidad. El sistema de Miller-Bravais se ideó con el fin de que en los cristales con simetría hexagonal, tanto planos como direcciones tengan los mismos índices, siendo (hkil) la notación para planos y [hkil] para direcciones. El método de cálculo es idéntico al usado en sistemas cúbicos para a1 (h), a2 (k) y l (z). Por su parte, i (a3) se calcula sumando h + k y cambiándole el signo, como se muestra en el ejemplo. Las direcciones se calculan directamente por el valor de sus vectores.

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Tema 3 – Defectos en la estructura cristalina. Solidificación de metales

3.2 Imperfecciones cristalinas La estructura cristalina perfecta no existe, ya que contiene diferentes tipos de defectos o imperfecciones de red que condicionan el comportamiento del material. Las imperfecciones o defectos cristalinos se clasifican según su geometría y forma en:

• Defectos de punto.

• Defectos de línea.

• Defectos de superficie.

3.3 Defectos de punto Son los defectos cristalinos más sencillos y se relacionan directamente con los nudos de la red. Se originan durante la solidificación del material, bien por la posición incorrecta o por la ausencia de algún átomo en su ubicación dentro de la red. También pueden originarse por cambios de temperatura o al ser sometidos a tensiones mecánicas. Se clasifican como intrínsecos o extrínsecos.

Defectos intrínsecos. Vacantes: se trata de defectos inherentes a la propia red del material cristalino. Una vacante se produce cuando un átomo no ocupa su posición de equilibrio en la red, dejando por tanto un hueco y generando una distorsión en su entorno. En la ilustración se muestra la vacante en un plano de la red, y al lado el efecto de distorsión que ello produce, ya que la red se tensa intentando ocupar el espacio vacío. En buena parte de los metales, la relación entre el número de vacantes y el de átomos correctamente posicionados es del orden de 10-4.

Defectos intrínsecos. Intersticiales: El intersticio es el espacio libre entre los átomos que forman el cristal. Lógicamente, este espacio intersticial es mucho menor que el volumen del átomo que forma la red, por lo que si un átomo se sitúa de forma anómala en un intersticio genera un defecto puntual provocando una zona deformada por la expansión de los planos cristalográficos que le rodean. Este tipo de defectos es poco frecuente como consecuencia del impedimento que el

tamaño de los intersticios impone.

Defectos extrínsecos: Se trata de defectos de naturaleza externa, consecuencia de la presencia de átomos de impurezas o extraños al metal base en la red cristalina. Si éstos se sitúan en los intersticios de la red se denominan intersticiales. Es el caso de los átomos de pequeño radio atómico, que pueden alojarse fácilmente en los intersticios sin apenas provocar distorsión en la red. Si la impureza sustituye u ocupa una posición de equilibrio de la red del metal se considera un defecto sustitucional. Para que esto ocurra la impureza debe tener un tamaño, carga y estructura similar al sustituido.

• Tamaño: la diferencia entre radios atómicos de ambos elementos no debe superar el 15%.

• Carga: la diferencia de electronegatividades debe ser mínima.

• Estructura: para que la solubilidad en estado sólido sea completa, ambos tipos de elementos deben presentar estructuras cristalinas similares.

Defectos puntuales más habituales en materiales cerámicos:

• Schottky: pareja de defectos consecutiva vacante-intersticio.

• Frenkel: Asocia un par vacante-intersticio de modo que el ocupante del intersticio se sitúa en el intersticio contiguo, creando así un defecto doble.

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3.4 Difusión en el estado sólido Los átomos también pueden desplazarse internamente en el estado sólido, siempre que existan vacantes e intersticiales susceptibles de moverse a través de la red, aunque a velocidades mucho más lentas. La difusión es un fenómeno de transporte que tiene lugar por el movimiento de los átomos en la red, bien por el mecanismo de migración de vacantes (sin distorsión) o el de intersticios.

La difusión en los materiales metálicos y sus aleaciones es particularmente importante al ser su enlace no dirigido y la conductividad térmica, cosa que no ocurre en cerámicas y polímeros. Muchos procesos industriales se basan en el fenómeno de difusión; entre ellos los tratamientos térmicos y de superficies, o el dopado de semiconductores.

Mecanismos de difusión.

Los átomos pueden desplazarse por el interior de la red cristalina si es suficiente la energía de activación proporcionada por vibración térmica y si existen defectos de punto en la red para establecer el camino de la difusión. En los metales siempre existen vacantes, aumentando su número exponencialmente a medida que se eleva la temperatura. Por eso se dice que la difusión es un

proceso térmicamente activado y responde a la ecuación general RTQ

Dev−

= , donde D es una constante, R la constante de los gases, T la temperatura absoluta y Q la energía de activación, que es la barrera energética a superar para que tenga lugar el proceso de difusión. Existen dos tipos:

Migración de Vacantes: Si existe una vacante, un átomo puede desplazarse desde su posición de equilibrio hasta la vacante más próxima, si se le aporta la energía de activación suficiente, generándose un flujo de vacantes en sentido contrario al desplazamiento.

Migración de intersticios: Es el otro mecanismo de difusión, y permite que las impurezas intersticiales pueden desplazarse a través de los intersticios de la red cristalina si disponen de energía de activación suficiente.

Leyes de Fick

Pensemos en una barra de metal cuya concentración de defectos varía a lo largo de su longitud. Si la temperatura aumenta, al cabo de cierto tiempo la concentración de defectos se igualará por difusión de los mismos, en sentido de mayor a menor concentración, de forma que aunque cualquier átomo tiene la misma probabilidad de moverse en cualquier dirección, serán el gradiente de concentración de los distintos defectos los que establezcan el flujo neto de los mismos.

1ª Ley: Cuando la concentración de defectos es constante con el tiempo se considera régimen o flujo estacionario. En la figura se representan dos secciones de una barra de metal formado por planos cristalográficos cuyas concentraciones en defectos son C1 y C2, siendo C1>C2, en función de la distancia x1<x2. En estas condiciones se establece un flujo neto de átomos o defectos desde el plano de mayor al de menor concentración, definido según la

expresióndxdCDJ −= , donde J es el flujo de átomos y D el coeficiente de difusión (número de átomos

que atraviesa una sección unidad en la unidad de tiempo, nº/m2s), también conocida como difusividad. El signo negativo indica que la difusión se desarrolla desde mayor a menor concentración. Este caso no es el más frecuente en los materiales de mayor aplicación en ingeniería.

2ª ley: El flujo no estacionario se presenta cuando la concentración de defectos varía con el tiempo, y es el caso más común en ingeniería de materiales (por ejemplo, cuando se difunde C en una pieza férrea, en la cual la concentración varía con el tiempo conforme se desarrolla el proceso de difusión).

Viene determinado por la expresión ⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛∂∂

∂∂

=∂∂

xC

xtC xx .

Un caso típico de aplicación es el cálculo de difusiones cuando la concentración de dopante es

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constante. Sea una barra cuya concentración inicial del elemento a difundir es C0. Tras un tiempo de difusión, la concentración del elemento alcanzará el valor Cx, siendo x la distancia a la superficie;

según la expresión ⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛==

−−

Dt2xzerf(z)

CCCC

0s

xs donde, . Los valores

de erf(z) suelen tenerse pretabulados. Esta ley permite calcular la concentración a una cierta profundidad tras un tiempo determinado, o el tiempo necesario para alcanzar una determinada concentración.

Factores que influyen en la difusión

El coeficiente de difusión D de un sistema, cuya magnitud indica la velocidad de difusión, depende de los factores:

• Temperatura: Las barreras de energía se vencen mejor cuanto mayor temperatura, aumentando la velocidad de difusión.

• Mecanismo de difusión: Según sea por vacantes o intersticios varía el coeficiente de difusión.

• Concentración: Una alta concentración afecta las fuerzas de cohesión de la estructura cristalina principal; además, la dirección de difusión transcurre en el sentido que provoca mayor descenso en la energía interna de red.

• Estructura cristalina: El factor de empaquetamiento y las distancias interatómicas de las distintas redes cristalinas, justifican la mayor o menor facilidad de difusión.

• Defectos cristalinos: La difusión es mayor en las zonas con mayor densidad de defectos.

3.5-3.6 Defectos de línea (No entran en temario). Las dislocaciones son desplazamientos de los planos cristalinos debidos a deformación mecánica. Pueden ser en arista (el plano se corta abruptamente), helicoidales (el plano se desliza en hélice) o maclas (el plano se cizalla). Las dislocaciones también se pueden desplazar a lo largo de la estructura cristalina, siendo más fácil que se produzcan en las redes (ccc), algo menos en las (cc) y poco en las (hc). Las dislocaciones facilitan la deformación plástica pero perjudican la resistencia mecánica.

3.7. Defectos de Superficie Superficie libre: La superficie libre de un cristal es en sí misma un defecto ya que en ella los átomos de la red no están sometidos a las mismas fuerzas que los interiores, y cuentan con mayor energía debido a que los enlaces de los átomos superficiales no han tenido lugar en su totalidad.

Superficie intercristalina o frontera de grano: Es el más importante; la frontera de grano es la zona en la que se encuentran los cristales adyacentes con diferentes orientaciones de red en un material policristalino.

3.8-3.9 Solidificación de metales. (No entran en temario). La cristalización ocurre por debajo de la temperatura en que las fuerzas de cohesión son más fuertes que las de vibración térmica. Cuando un metal líquido se enfría, primeramente aparecen núcleos reticulares estabilizados (embriones) y luego crecen las estructuras cristalizadas alrededor formando dendritas; las dendritas acaban formando granos que contactan con el resto de granos con una cierta discontinuidad. En las fronteras de grano se acumulan los defectos de punto y de línea, además de las impurezas. Los materiales con grano fino presentan mayor resistencia mecánica, ya que disponen de más fronteras de grano que detienen las dislocaciones.

La solidificación direccional persigue la orientación direccional de los granos de una pieza.

3.10 Solidificación rápida. Sinterización La solidificación rápida es el proceso de fabricación en el que se obtiene partículas de material mediante enfriamiento rápido del material fundido cuando se dirige a chorro sobre una rueda en giro rápido en un medio refrigerado, obteniéndose el material en forma de partículas sólidas. Este polvo puede ser conformado mediante extrusión en caliente o compactado dentro de un molde mediante el

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proceso de sinterización.

3.11 Defectos producidos durante la solidificación

(No entran en temario). Se suelen ocasionar debido a la contracción rechupes (cavidades en forma cónica), grietas (superficiales o internas), inclusiones gaseosas (poros o sopladuras) y segregaciones (separación de los aleantes).

3.12 Técnicas para la inspección de defectos La detección de defectos forma parte de los ensayos de materiales denominados no destructivos. Los más usuales son:

Partículas magnéticas: Detectan grietas superficiales microscópicas en materiales metálicos magnéticos. Si se aplican finas partículas magnéticas sobre la pieza bajo un campo magnético éstas se acumulan sobre las microgrietas. Esto ocurre porque en el imán inducido sobre la pieza las líneas de fuerza se interrumpen en las grietas, saliendo al exterior en forma de fugas de flujo que atraen y concentran las partículas.

Líquidos penetrantes: Equivale al anterior pero para materiales no magnéticos. Para ello se limpia y prepara la superficie de la muestra, se aplica un líquido penetrante, luego se elimina el exceso de líquido y se revela. Con la ayuda de una lámpara de luz ultravioleta se hace visible el líquido atrapado en las grietas y que el revelador ha atraído al exterior de la fisura.

Método eléctrico: Se basa en la aplicación de corrientes de Foucault para la inspección de defectos superficiales. Utilizando una bobina de corriente alterna se inducen corrientes de Foucault en la pieza. Las grietas se hacen evidentes puesto que alteran la resistencia eléctrica del material.

Radiografía y gammagrafía: Permiten detectar defectos internos. Al irradiar (con rayos X) una pieza, la existencia de poros o defectos que implican una variación en la absorción de la radiación queda imprimada en la placa con diferente contraste. La gammagrafía (rayos γ) se utiliza en aquellos casos que requieran mayor poder de penetración, como por ejemplo en piezas de gran espesor.

Ultrasonidos: Es la técnica más moderna. Permite detectar los distintos tipos de discontinuidades, mediante la atenuación del flujo que las ondas ultrasónicas experimentan al interaccionar con los defectos presentes en el material.

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Tema 4 - Constitución de las Aleaciones Metálicas

4.2 Aleaciones metálicas En la industria no se suelen usar metales puros por su coste elevado y sus pobres cualidades, salvo en algún caso específico como el del Cu cuya conductividad eléctrica mejora cuanto mas refinado. En cambio, en forma de aleación (material base más otros elementos) se suelen mejorar las propiedades del metal base e incluso obtener nuevas. En general, las propiedades mecánicas de una aleación metálica superan a las del metal base que la constituye.

Los sistemas de aleación más sencillos son los binarios, formados por dos elementos, donde el componente mayoritario es metálico. Conforme se añaden más elementos tenemos aleaciones metálicas ternarias, cuaternarias, etc., más complejas de comportamiento.

En estado líquido los metales suelen ser solubles entre sí, pero al solidificar los elementos aleantes a veces pueden incorporarse a la red cristalina del metal base (son solubles en el estado sólido), o no (son insolubles en el estado sólido). En el primer caso se genera una solución sólida, donde el solvente es el que se encuentra en mayor cantidad, conservando su red cristalina y solutos o aleantes son los que se encuentran en menor cantidad y se incorporan a la red del solvente.

La composición de una aleación se expresa en términos de concentración en porcentaje de masa de los componentes. Cuando dos o más metales se alean pueden dar lugar principalmente a soluciones sólidas o a compuestos intermetálicos, que estudiamos a continuación.

4.3 Soluciones Sólidas. (Defectos de punto Intersticiales). Según sea la disposición de los átomos del aleante en la red del metal base, se distinguen dos tipos:

Soluciones sólidas sustitucionales

En este tipo de soluciones sólidas, los átomos del aleante ocupan algunas de las posiciones de equilibrio de la red cristalina que corresponderían a átomos del metal base, aprovechando vacantes en la red. Si las sustituciones se producen al azar se tiene una solución sólida desordenada, mientras que si ocupan posiciones repetitivas tenemos una solución sólida ordenada.

La posibilidad de que dos metales formen soluciones sólidas de sustitución cuando se alean está condicionada por el volumen atómico de los elementos que la forman. No obstante, se establecen cuatro factores que permiten determinar la posibilidad de formación de este tipo de soluciones:

Factor tamaño: Es condición imprescindible para que un elemento pueda alojarse en las posiciones de equilibrio de la red cristalina de otro, debiendo la diferencia de radios atómicos de ambos ser menor del 15%. Si la diferencia es muy acentuada la red se distorsiona en sentido expansivo o contractivo, no siendo posible la formación de la solución sólida si supera cierto límite de distorsión.

Factor electroquímico: Cuando la diferencia de electronegatividad es importante, puede provocar la formación de compuestos en lugar de soluciones sólidas. La solubilidad se ve favorecida cuanta más semejanza exista entre las configuraciones electrónicas de ambos componentes.

Factor valencia: Si la valencia del solvente y del soluto son iguales existe amplia solubilidad y en caso contrario esta se restringe. También se produce solubilidad si la valencia del metal base es inferior a la del soluto, siendo mayor cuanto mas baja sea la valencia; a la inversa, si el metal base tiene valencia superior a la del soluto, existirá muy poca solubilidad.

Factor red cristalina: Es fundamental para una solubilidad total de ambos elementos la igualdad de redes cristalinas.

Si todos los factores analizados son favorables, la solubilidad de los elementos a alear será total. Si alguno resulta desfavorable (en especial el tamaño) la solubilidad será parcial. Cuando aumentan los factores desfavorables, la solubilidad se limita, produciéndose en cambio compuestos intermetálicos.

Soluciones sólidas intersticiales

Este tipo de soluciones sólidas, también llamadas de inserción, tienen lugar cuando los átomos del aleante ocupan los intersticios de la red del metal base. La posibilidad de formación de este tipo de solución esta en función de la relación de los radios atómicos y del tipo de red cristalina.

Red cúbica centrada en las caras (ccc): El diámetro máximo del átomo de soluto que puede insertarse en los intersticios de esta red es el 41% del diámetro del solvente. Si es así se formarán soluciones sólidas intersticiales sin distorsión en la red. Por encima de ese valor se producirán

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distorsiones, siendo el valor máximo observado experimentalmente del 59%.

Red Hexagonal Compacta (hc): El comportamiento similar al de la (ccc).

Red Cúbica centrada en el Cuerpo (cc): Los intersticios son muy pequeños y es difícil la formación de este tipo de soluciones. La relación de diámetros atómicos para un posible intersticio en este tipo de red es de 0,29, lo que justifica la baja solubilidad que tiene lugar cuando la red es (cc).

4.4. Compuestos y Soluciones Intermedias Algunos metales pueden combinarse con otros elementos dando lugar a ciertos compuestos que combinan las propiedades del enlace metálico junto a las del iónico o covalente y se denominan compuestos intermedios. Cuando ambos elementos son metales se denominan compuestos intermetálicos. Los compuestos intermedios se caracterizan por presentar una concentración fija y exacta.

Todos ellos presentan extremada dureza, elevado punto de fusión y son frágiles. Cuando se dispersan en otros materiales les confieren dureza y resistencia al desgaste y las altas temperaturas.

4.5. Soluciones Sólidas Ordenadas En estas soluciones sólidas de sustitución, los átomos de soluto ocupan posiciones idénticas a lo largo de la red. Estas soluciones solo son estables a bajas temperaturas y no se forman durante la solidificación sino cuando una vez sólido la velocidad de enfriamiento es lo suficientemente lenta.

4.6. Insolubilidad No siempre un elemento es soluble en la red de otro. Cuando las densidades son próximas se originan emulsiones, estando constituida la aleación por partículas globulares de uno en la matriz del otro.

La insolubilidad se aprovecha para mejorar la maquinabilidad de ciertas aleaciones, ya que crea discontinuidades en el material base que favorecen la rotura de las virutas durante el mecanizado.

4.7 Diagramas de fases (No entran en temario). Son representaciones gráficas de las fases que están presentes en una aleación, en función de la temperatura y la concentración de aleantes. Una fase es una porción del sistema con estructura homogénea y característica: aparte de las fases líquida o gaseosa, lo son las diversas presentaciones sólidas de un material puro o aleado. En una aleación binaria, cuando los metales son totalmente solubles en estado líquido y sólido se obtiene una gráfica como la de la

izquierda, donde existe una zona totalmente líquida, una totalmente sólida y un área de transición en la que encontraremos la aleación parcialmente solidificada (zona α+L, denominada bifásica). Si los metales son solubles en estado líquido pero poco o nada en sólido, la mezcla

tenderá a pasar a estado líquido a menor temperatura que la de los metales que la componen, y la gráfica (derecha) mostrará la existencia de un punto eutéctico E correspondiente a la composición menos soluble.

Muchas aleaciones presentan mayor número de compuestos y fases intermedias, que corresponden a ciertos intervalos de mezcla o determinadas temperaturas. Por ejemplo, existe la transformación peritéctica en la que un líquido y un sólido reaccionan isotérmicamente para formar un nuevo sólido al enfriarse. Cuando una aleación no es totalmente soluble en estado líquido, se produce la transformación monoeutéctica, que es la inversa que la eutéctica (fusión a mayor temperatura que sus componentes).

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Tema 5. Propiedades mecánicas de materiales metálicos. Ensayos.

5.1. Introducción Los materiales estructurales se caracterizan por sus propiedades mecánicas. El conocimiento de sus propiedades (resistencia, tenacidad, elasticidad…) se obtiene a través de máquinas de ensayo que miden su comportamiento elástico y plástico al someterlos a esfuerzos.

5.2. Deformación dependiente y no dependiente del tiempo Si se somete un material metálico (como una probeta cilíndrica de ensayo) a una fuerza a lo largo de su eje, el material se deforma en la dirección de la fuerza aplicada, alargándose una longitud ΔL. Dependiendo de diversos factores (magnitud de la fuerza, temperatura…) experimentará una deformación que puede ser o no permanente, y depender o no del tiempo.

Durante el ensayo mecánico se somete la probeta cilíndrica a una fuerza constante uniaxial F0 durante un tiempo t0. Transcurrido ese tiempo se suprime la fuerza y se observa la evolución de la deformación con el tiempo, dándose cuatro tipos de comportamientos ideales frente a la acción descrita:

Deformacion elastica

1º: Al aplicar fuerza se produce una deformación instantánea. Ésta se mantiene en el tiempo.

2º: Al desaparecer la fuerza, el material recupera su forma original instantáneamente. Esta deformación es reversible e independiente del tiempo.

Deformación viscoelástica

1º: Al aplicar fuerza se produce una deformación que crece con el tiempo.

2º: Al desaparecer la fuerza, el material recupera su forma original progresivamente. Puede considerarse como una deformación elástica dependiente del tiempo.

Deformación plástica

1º: Al aplicar fuerza se produce una deformación instantánea. Ésta se mantiene en el tiempo.

2º: Cuando desparece la carga, la deformación permanece constante.

Deformacion viscoplástica

1º: Al aplicar fuerza se produce una deformación que crece con el tiempo.

2º: Cuando desaparece la fuerza, la deformación permanece constante.

Comportamiento combinado

Las respuestas de los materiales suele ser mixta, como ilustra la última gráfica de la serie. El segmento OA corresponde a la suma de las deformaciones elástica y plástica no dependientes del tiempo. El tramo AB es la suma de las deformaciones dependientes del tiempo (viscoelástica y viscoplástica). Tras el cese de la carga en t0, el intervalo BC corresponde a la recuperación de la componente elástica y el CD a la de la viscoelástica. La deformación permanente en el material DE es la suma de las componentes plástica y viscoplástica.

5.3 Deformación no dependiente del tiempo

Ensayo de tracción

Este ensayo aplica una velocidad de alargamiento constante, provocando una tensión uniaxial creciente. Permite determinar el modulo de elasticidad, el limite elástico, la resistencia a la tracción máxima y de rotura (resistencia mecánica).

Las probetas utilizadas en este ensayo están normalizadas, y suelen presentar una relación

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longitud/diámetro L > 5d en la zona mas estrecha, que al ser más delgada que las cabezas, es la que sufre más el ataque de la prueba y donde se produce la fractura.

La maquinaria de ensayo consta de una mordaza fija y otra móvil, que permite tanto alargar como contraer la probeta. Una célula de carga permite medir la fuerza ejercida sobre la probeta en cada momento. El ensayo de tracción es de tipo destructivo puesto que la probeta se deforma plásticamente hasta alcanzar su rotura, y se obtiene una curva como la que se muestra.

Para minimizar los efectos geométricos de la probeta de ensayo se utilizan las unidades de tensión y deformación ingenieril σ y ε, donde σ se define como la fuerza aplicada dividida por la sección inicial de la probeta σ = F/A0 (en MPa = N/mm2), y ε el alargamiento producido por unidad de longitud inicial, ε = ΔL/L0 (adimensional, aunque puede expresarse en %)

Se observa que para pequeñas tensiones la deformación depende linealmente de la tensión; este tramo se conoce como zona de deformación elástica, donde se cumple la ley de Hooke σ = Eε (E es el módulo de elasticidad o de Young, e indica el grado de rigidez del material y por tanto su resistencia a la deformación elástica). Cuanto mas alto sea E, mas rígido el material, y cuanto menos alto, mas elástico.

Si la tensión aumenta se alcanza el límite elástico y se pasa a la deformación plástica, donde se pierde la linealidad (se producen dislocaciones en el material que impiden su recuperación).

Límite elástico: Resulta de interés conocer el nivel de esfuerzo máximo que es posible aplicar sin que se alcance la deformación plástica. Dicho esfuerzo corresponde al punto en que se rompe la linealidad en la curva, denominada límite elástico

proporcional, y en la práctica resulta difícil medirlo con precisión. Para obviar esta dificultad, se utiliza el denominado límite elástico convencional. Este valor sí puede ser medido con gran reproducibilidad, y se calcula construyendo una paralela a la porción lineal inicial de la curva, desplazada un 0,2%. Al límite elástico convencional se le suele designar como σy o σ02 y representa la tensión necesaria para producir una deformación permanente del 0,2%.

Resistencia a la tracción: Superado el límite elástico, la tensión necesaria para continuar la deformación plástica aumenta hasta alcanzar un máximo (punto R, de resistencia máxima), para luego disminuir hasta alcanzar la fractura (punto F). Superado el punto R la deformación en la probeta ya no es uniforme; se concentra la estricción o reducción de sección en una zona localizada de la probeta que es la que soporta la carga aplicada, acumula toda la deformación y la tensión necesaria para que prosiga la deformación disminuye hasta que se alcanza la rotura, justo dentro de dicha zona.

Ductilidad: mide la cantidad de deformación plástica que es capaz de soportar un material antes de romperse. Un material frágil experimenta poca o nula deformación plástica antes de la rotura. La ductilidad la definen el alargamiento (A%) y la estricción (Z%). El alargamiento es el aumento de longitud experimentado por la probeta durante el ensayo; la reducción de área o estricción expresa la disminución de sección que experimenta la probeta en la zona de fractura, midiéndose ésta después de unir las dos partes de la probeta una vez rota. La fractura es dúctil si la grieta se propaga lentamente y con gran deformación plástica en la zona de ruptura; en cambio en la frágil la grieta se propaga rápidamente sin apenas deformación plástica.

Resilicencia: es la capacidad que presenta un material para absorber energía cuando es deformado elásticamente y devolverla cuando la carga cesa. Se mide mediante el módulo de resiliencia UR, que se define como la energía de deformación por unidad de volumen que se necesita para llevar el material desde la tensión cero hasta el límite elástico convencional del 0,2%. El área gris/verde del dibujo corresponde al módulo de resiliencia.

Tenacidad: es la capacidad que tiene para absorber energía en el campo plástico. Proporciona además una medida de la energía necesaria para deformar y romper un material. Para calcular la tenacidad se utilizan ensayos de impacto si las tensiones son dinámicas (las velocidades de deformación son elevadas o existen entallas en las que se concentran las tensiones), o ensayos de tracción si son estáticas (con baja velocidad de deformación). En un ensayo de tracción el área

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encerrada bajo la curva tensión-deformación (áreas gris+azul de la gráfica) define la tenacidad del material, siendo el área y por tanto la tenacidad mayor cuanto más grande sea la combinación resistencia-ductilidad. Combinaciones de elevadas resistencias con bajas ductilidades o de elevadas ductilidades con bajas resistencias conducen a tenacidades bajas.

Tensión y deformación reales: De la gráfica parece deducirse que una vez sobrepasado el máximo R, la tensión disminuye y el material se hace más débil. Esto realmente no es cierto, ya que a partir de ese punto la sección de la probeta en la zona de estricción disminuye por lo que la tensión real, esto es la fuerza aplicada dividida por la sección instantánea, aumenta con la deformación: σR = F/A. Si corregimos la curva de tensión/deformación normalizada con la real, obtendríamos la gráfica roja del dibujo adjunto.

Coeficiente de Poisson: Al deformarse elásticamente un material según un eje longitudinal, se produce simultáneamente una contracción transversal ya que el volumen total debe permanecer constante. Este

efecto de contracción se caracteriza mediante el coeficiente de Poisson, ν = -(εx/εz) = -(εy/εz) que relaciona la deformación perpendicular (reducción de sección) con la longitudinal (aumento de longitud) y oscila para los metales entre 0,26 y 0,4. Aunque el coeficiente de Poisson no tiene presencia alguna en la curva σ - ε, describe junto con e módulo elástico el comportamiento elástico de los materiales utilizados en ingeniería.

Tensión y deformación de cizalladura: Además de las deformaciones bajo tensiones uniaxiales de tracción, en los materiales metálicos se dan otras formas de deformación relacionadas con la acción que ejercen las tensiones de cizalladura. Esta tensión se define como: τ = FS/AS donde FS es la fuerza aplicada y AS la sección de la probeta paralela a la dirección de aplicación de la fuerza. La tensión de cizalladura origina una deformación γ, con las siguientes relaciones deformación γ = tgθ = Δz/x (vease el dibujo). A su vez el módulo de cizalladura se define como G = τ / γ, y el módulo elástico E equivale a E = 2G(1+ ν )

Ensayo de compresión

Como en el de tracción, en éste también se busca una curva tensión-deformación a compresión, que caracteriza el comportamiento de un material sometido a una carga de compresión de ensayo progresivamente creciente hasta la rotura o aplastamiento de la probeta. La probeta normalizada para materiales metálicos es un cilindro de altura igual a su diámetro. Los materiales dúctiles se aplastan sin romper, mientras que los frágiles se rompen sin deformación previa, siendo siempre superior la carga de rotura a compresión que la de rotura por tracción. La fractura no se produce por propagación de una grieta, sino la de muchas, quedando el material normalmente triturado.

Ensayo de Flexión

Este ensayo mide la deformación del eje de la pieza o la flecha que se produce en el centro de la probeta, donde alcanza un valor máximo, obteniéndose una curva esfuerzo-deformación a flexión. El módulo de rotura es del mismo orden de magnitud que la resistencia a tracción, produciéndose la rotura en la superficie mas externa de la muestra.

Ensayo de Dureza

La dureza es la medida de la resistencia que un metal opone a la deformación plástica en superficie. Los ensayos de dureza son sencillos y en general no destructivos, y permiten conocer la resistencia al desgaste o dificultad de mecanizado; consisten en que un indentador raya la probeta y se mide el tamaño de la huella dejada. La dureza obtenida es el cociente de la carga de ensayo por la superficie de la huella. Los métodos utilizados determinan la escala obtenida:

Dureza Brinell: Se usa un indentador esférico; se aplica una carga y se mide el diámetro de la huella creada. El resultado expresa el valor de dureza, seguida de las siglas HB, el diámetro de la bola en mm, la carga empleada en Kp y la duración del ensayo en segundos. Ejemplo: 350 HB 5/750/15

Dureza Rockwell: Se usa un indentador cónico o esférico; se aplica una precarga y luego una carga, midiéndose la profundidad de la huella. El resultado expresa el valor de dureza, seguida de las siglas HR, y una letra que resume el tipo de indentador y las condiciones del ensayo. Ejemplo: 75 HBC

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Dureza Vickers: Se usa un indentador piramidal; se aplica una carga y se mide la diagonal de la huella. El resultado expresa el valor de dureza, seguida de las siglas HV, y un número que resume la carga y duración del ensayo. Ejemplo: 640 HV 30/20

Ensayos de Microdurezas: se caracterizan por aplicar cargas mucho menores que en los anteriores (no superan los 1.000g). En los ensayos Knoop y Vickers se utilizan pequeños indentadores piramidales.

La determinación de perfiles de dureza reviste gran importancia en el campo de los materiales metálicos, dado que permiten la comparación de las microestructuras que caracterizan los distintos estados de los materiales, como consecuencia de los tratamientos térmicos y/o mecánicos a los que son sometidos, ya que la dureza queda alterada según el tratamiento superficial, el proceso térmico de la pieza o los esfuerzos que ha soportado.

Ensayo de Impacto

Este ensayo persigue la determinación de la energía absorbida por una probeta normalizada (cuadrangular con entalladura en V) al romperla de un solo impacto. La información obtenida permite

predecir el comportamiento de piezas que han soportar cargas dinámicas, al ser muy alta la velocidad de deformación. Se puede conocer a partir de estos ensayos la temperatura de transición dúctil-frágil cuando estos se realizan en un cierto intervalo de temperaturas.

Se utiliza para ello el péndulo Charpy. Este banco permite situar la probeta apoyada en dos puntos con la entalla en la parte posterior del impacto; luego se deja caer la maza del péndulo para que impacte sobre la probeta y produzca su rotura, registrándose la altura final alcanzada por el martillo después del impacto. La diferencia entre las energías potenciales medidas antes y después del choque es la energía absorbida por la probeta. Cuanto mayor es la energía absorbida más dúctil es el material o mayor tenacidad tiene y lo mismo es cierto a la inversa.

Ensayo de Fatiga

La fatiga en un material tiene lugar cuando está sometido a cargas cíclicas con una determinada frecuencia, de forma que el material puede romper aunque la carga máxima a que está sometido sea inferior al límite elástico obtenido por tracción. Los fallos por fatiga son la causa de alrededor del 90% de los fallos en servicio. Las condiciones básicas para que tenga lugar una rotura por fatiga son:

• Que la tensión máxima aplicada alcance valores elevados.

• Que se produzcan fluctuaciones intensas en la tensión aplicada.

• Que el número de ciclos sea suficientemente importante.

El fallo por fatiga se produce como consecuencia del crecimiento de una grieta originada en la superficie de la probeta y se propaga hacia su interior, por lo cual las rugosidades, picaduras y defectos incrementan el riesgo de fatiga y los tratamientos superficiales la mitigan.

La resistencia a la fatiga se determina mediante ensayos repetitivos en los cuales se elabora la curva de fatiga S-N o de Wöhler. Denominamos límite de fatiga al nivel de tensión por debajo del cual no se produce rotura para un número determinado de ciclos; en la gráfica se puede comprobar que algunos materiales presentan esta zona plana de la curva, situada normalmente en torno al 40-50% de su resistencia a la tracción. Otros materiales no alcanzan nunca una zona plana, por ello para estos materiales se les determina como límite de fatiga el que presenta un nº predeterminado de ciclos por debajo de la gráfica.

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Tema 6. Aleaciones férreas de interés industrial. Tratamientos y características.

6.8 Aleaciones férreas El hierro es el principal componente de estas aleaciones, siendo el material metálico mas utilizado por su abundancia, su procesado económico y el gran abanico de aleaciones posibles con distintas propiedades. El principal aleante es el carbono, con el que forma aceros (0,05% < C > 2,11%) y fundiciones (2,11% < C > 4,5%).

Aceros al Carbono

Son aleaciones Fe-C con contenidos en carbono usualmente inferior al 1,4% y proporciones mínimas de otros aleantes: fósforo (en muy bajo porcentaje endurece la aleación, más del 0,04% provoca fragilidad), azufre (más del 0,05% provoca fragilidad), silicio (tiene efectos desoxidantes; pueden generar grietas) y manganeso (contrarresta el azufre si lo supera en relación 8:1).

Aceros de bajo contenido en C (C<0,25%): son endurecibles mediante deformación en frío. Su resistencia mecánica y dureza son bajas, pero su tenacidad y ductilidad son altas.

Aceros de medio contenido en C (0,25% < C > 0,6%): presentan baja templabilidad, pudiéndose tratar térmicamente mediante temple y revenido.

Aceros de alto contenido en C (0,6% < C > 1,4%): su resistencia mecánica y dureza son altas, pero su ductilidad empeora.

Aceros aleados

Además de Fe-C y sus impurezas, contienen otros aleantes según la propiedad que se pretenda conseguir: mejorar la resistencia mecánica a temperatura ambiente, las propiedades mecánicas a altas o bajas temperaturas, la tenacidad, la templabilidad, la resistencia al desgaste y la resistencia a la corrosión. Los aleantes alfágenos (Ti, V, Cr, Mo, W, Al, Si y P) estabilizan la ferrita, mientas que los gammágenos (Mn, Ni, Co y Cu) estabilizan la austenita.

• Magnesio: aumenta la resistencia, dureza y tenacidad, y reduce la fragilidad en caliente.

• Titanio: evita la corrosión intergranular.

• Vanadio: es desoxidante, reduce la templabilidad y aumenta la dureza y la resistencia al desgaste.

• Cromo: incrementa la resistencia y tenacidad, mejora las propiedades a alta temperatura y la resistencia a la corrosión.

• Molibdeno: mejora la resistencia mecánica, la templabilidad, la resistencia a la fluencia y la resistencia en caliente.

• Wolframio: mejora la dureza, en especial a alta temperatura.

• Cobalto: aumenta la dureza y resistencia de la ferrita; reduce la templabilidad.

• Níquel: mejora la tenacidad, plasticidad y resistencia a la fatiga.

Aceros de baja aleación (aleantes <10%): Mn, Cr, Ni, Mo, V y Cu, proporcionan al acero tratamiento térmico. Son baratos y dúctiles. Los de bajo contenido en carbono presentan muy buena resistencia mecánica y frente a la corrosión, los de alto contenido ofrecen buena resistencia al desgaste, alta indeformabilidad y gran dureza. Estos últimos se clasifican en:

• De baja templabilidad (buena resistencia al desgaste, menor tenacidad)

• De alta templabilidad (con alta estabilidad dimensional)

• Para matrices (alta tenacidad y dureza, baja deformabilidad, resistentes a la erosión)

• Rápidos (estables a alta temperatura).

Aceros de alta aleación (aleantes >10%): V, Ti, Zr, Cr, Mo, W, Co, Ni, Cu, Al, Pb y B para usos en condiciones severas; son mas resistentes mecánica y químicamente. El principal representante es el acero inoxidable. En él, el cromo en proporciones superiores al 11% desarrolla una capa de óxido superficial que protege el material; su carácter es alfágeno; el carbono y el níquel, por el contrario, son gammágenos, lo que posibilita su conformado en frío y templabilidad. De la combinación de éstos y otros materiales se pueden obtener:

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• Aceros inoxidables martensíticos: Son duros y económicos, presentan buena resistencia a la corrosión, alta resistencia y tenacidad razonable.

• Aceros inoxidables austeníticos: con mayor proporción de cromo y níquel; presentan elevada resistencia a la corrosión, fácil conformabilidad y soldabilidad.

• Aceros inoxidables ferríticos: presentan propiedades intermedias entre los dos primeros; son conformables en frío.

Fundiciones

Son aleaciones férreas que presentan un contenido en carbono por encima de la proporción eutéctica (2,11%), siendo lo normal entre 3 y 4,5%. En la fundición, el carbono puede estar libre (grafito) o combinado formando cementita (Fe3C); se forma más grafito cuanto más lento es el enfriamiento y cuanto más silicio hay presente (entre el 1% y el 3%); además proporciona dureza. También contiene otros elementos como fósforo (mejora la fluidez), azufre y Manganeso (estabilizan la cementita). Su temperatura de fusión es bastante menor que la de los aceros (1.150…1.300 ºC), por lo que se moldean con mayor facilidad. Presentan baja ductilidad, excelente fluidez y colabilidad, baja resistencia mecánica y un coste menor que el acero.

Las propiedades de las fundiciones y su nivel de resistencia las determinan el contenido en carbono y en elementos grafitizantes, la velocidad de enfriamiento y el tratamiento térmico, y se dividen en:

• Fundiciones ordinarias: contienen hierro, carbono e impurezas. El límite para considerar una fundición como ordinaria es que los aleantes no superen los siguientes márgenes: C<4,5%; Si<3%; P<1,8%; S<0,25%; Mn<1,5%; Ni<0,3%; Cr<0,2%; Mo<0,1%; V<0,1%; Cu<0,3%; Ti<0,1% y Al<0,1%.

• Fundiciones aleadas: de media (<5%) o alta (>5%) aleación; contienen mayor cantidad de Ni, Cr, Mo, V, Cu, Sn y Al que mejoran propiedades tales como resistencia mecánica, al desgaste o la corrosión, y aportan características especiales a las mismas.

A su vez, en función de la microestructura resultante al enfriar a distintas velocidades el material fundido, para una misma composición química, se tienen los siguientes tipos:

Fundiciones blancas: Contiene poco carbono (<3%) y silicio (<1%). Su rápido enfriamiento produce perlita y cementita, sin apenas grafito. Como la cementita es dura y frágil, estas fundiciones también lo son; además son resistentes a la abrasión, indeformables y difíciles de mecanizar, forjar o templar. En concentración moderada o alta de aleantes mejoran sus propiedades; así, con alto contenido en cromo resiste temperaturas de trabajo altas (500-600ºC) y soporta bien la corrosión; añadiendo níquel se incrementa la resistencia al desgaste y la dureza.

Fundiciones grises: Contiene más carbono (2,5-4%) y silicio (1-3%). Su enfriamiento moderado o lento produce láminas de grafito incrustado en la matriz austenítica, que solidifica respectivamente en matrices perlíticas(más resistente) o ferríticas. Las láminas de grafito disminuyen la superficie resistente, por lo que estas fundiciones son frágiles y poco resistentes a la tracción, fáciles de moldear, resistentes al desgaste y la corrosión, amortiguan bien las vibraciones, y son económicas.

Fundiciones dúctiles: Son una mejora de las grises; añadiendo Ce o Mg el grafito nuclea en el interior de la austenita de forma nodular o esferoidal, lo que mejora su resistencia y ductilidad, manteniendo su resistencia al desgaste, la corrosión y la contracción. Además, son altamente colables y mecanizables, siendo aceptable su resiliencia, soldabilidad y resistencia al choque térmico. Pueden reemplazar a los aceros de contenido medio en carbono.

Fundiciones maleables: Partiendo de una fundición blanca, se le somete a tratamiento térmico a 700ºC durante mínimo 30 horas para descomponer la cementita obteniendo grafito equiaxial en matriz perlítica o ferrítica. Si el tratamiento térmico es en atmosfera no oxidante y se enfría lentamente se obtiene fundición maleable negra o americana (ferrítica); si se enfría mas rápido se obtiene fundición maleable perlítica; si la atmosfera es oxidante las piezas se descarburan, obteniéndose fundición maleable blanca o europea. La fundición negra presenta buena resistencia y dureza, y gran ductilidad; la fundición perlítica aumenta la resistencia y dureza pero empeora la ductilidad, y la blanca aumenta solo la dureza pero sin perjudicar la ductilidad.

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Tema 7. Aleaciones no férreas de interés industrial. Tratamientos y características

7.1 Introducción Se agrupan las aleaciones metálicas no férreas en tres familias: las aleaciones más ligeras que el hierro, las que son más pesadas (con buena conductividad y resistencia a la corrosión), y las de metales refractarios, que presentan aptitud para el trabajo a altas temperaturas.

7.2 Aleaciones no Férreas Son todas aquellas cuyo componente mayoritario no es el hierro.

7.2.1 Aleaciones ligeras

Aleaciones de Aluminio

Es el metal mas abundante de la corteza terrestre, aunque su proceso industrial lo encarece respecto al hierro (hasta seis veces mas caro). Es muy ligero (2,7 gr/cm3) y como cristaliza en sistema (ccc), resulta muy maleable y dúctil. Su conductividad térmica es muy buena, al igual que la eléctrica (4 veces mayor que la del hierro, aunque un tercio inferior al cobre) y su resistencia a la corrosión, ya que reacciona con el oxigeno creando una película protectora de Al2O3, fenómeno conocido como anodizado. En cambio, su módulo de elasticidad (70GPa) es tres veces inferior al del hierro, y su temperatura de fusión también es más baja (660 ºC), además de ser poco duro y resistente, si bien aleado con otros metales mejoran sus cualidades.

El tratamiento más característico de las aleaciones base aluminio es el endurecimiento por precipitación o envejecimiento. Consta de dos etapas, una primera de solubilización y temple, que persigue retener en la solución sólida mayor contenido de soluto del que admitiría en condiciones naturales, y que por tanto resulta inestable y acabaría precipitando, y una etapa lenta de envejecimiento o curado, que persigue estabilizar la solución sobresaturada. Algunas aleaciones posibilitan esta etapa a temperatura ambiente (maduración natural) y otras requieren calentamiento (maduración artificial). Durante la maduración parte de los átomos de soluto se reagrupan en las llamadas zonas de GP, conservando con todo la estructura de red del aluminio. Si el curado se excede de tiempo estos átomos acaban perdiendo dicha estructura y adoptando la propia, lo que se denomina sobreenvejecimiento, perdiéndose parte de la dureza y resistencia mecánica conseguida aunque recuperando ductilidad y conductividad eléctrica. Las aleaciones obtenidas se agrupan en:

Aleaciones para forja: presentan gran plasticidad. Algunas pueden ser endurecidas térmicamente, como son las Al-Cu (muy resistentes, aunque pierden soldabilidad y resistencia a la corrosión), Al-Mg-Si (no tan resistentes como las Al-Cu, aunque mejoran la soldabilidad, la resistencia a la corrosión y la conductividad), Al-Zn-Mg (las más resistentes) y Al-Li (resistentes, muy elásticas y ligeras aunque tremendamente caras). Las aleaciones con manganeso y magnesio no son endurecibles térmicamente, y mejoran las propiedades mecánicas sin perder ductilidad ni resistencia a la corrosión.

Aleaciones para moldeo: presentan buena fluidez y plasticidad, y no endurecen por tratamiento térmico. Las más utilizadas son las Al-Si; son soldables y resisten bien la corrosión.

Aleaciones de Magnesio

Es el metal mas ligero (1,74 gr/cm3) y bastante abundante, aunque resulta 12 veces mas caro que el hierro. Al cristalizar en sistema (hc) es poco conformable y frágil, su módulo de elasticidad (45GPa) y temperatura de fusión (650 ºC) son bastante bajos; tampoco suele ser soldable. En cambio, es altamente maquinable y resiste la corrosión, aunque no soporta bien el contacto con otros metales.

Aleaciones para moldeo: El Mg-Al mejora las propiedades mecánicas y su fluidez, en especial si el aluminio se presenta entre el 6-7%; si se le añade además Zn mejora la colabilidad y la resistencia a la corrosión. El Mg-Zn obtiene buena fluidez, pero resulta frágil. Con las Tierras Raras presentan buen comportamiento a la fluencia has ta 260 ºC.

Aleciones para forja: Trabajado a temperaturas de 350 a 500 ºC, el magnesio gana forjabilidad; en especial aleado con litio, aunque con Al, Zn y Mn también puede ser trabajado.

Aleaciones de Titanio

Es abundante aunque de procesado industrial caro. Su densidad es medio/baja (4,54 gr/cm3), su módulo de elasticidad medio (120GPa) y temperatura de fusión alta (1670 ºC). Es alotrópico,

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cristalizando en (hc) y pasando a (cc) a 883 ºC; su coeficiente de dilatación y conductividad térmica son bajos. Como el aluminio, se pasiva rápidamente con lo cual resiste bien la corrosión. En aleación resulta muy resistente, mecanizable y dúctil.

Las aleaciones que estabilizan la fase α (hc) son el Al y Si, aunque también B, Ga, C, Ge, N, O y La; estas aleaciones no son forjables y escasamente plásticas, aunque resistentes a la oxidación en caliente y soldables. Las aleaciones que estabilizan la fase β (cc) son mas resistentes, aunque sueldan mal y se fragilizan. Existen por último las aleaciones que combinan ambas fases α y β (en especial Ti + 6% Al + 4% V) que mejoran la ductilidad, tenacidad y resistencia a la fatiga.

Aleaciones de Berilio

Es casi tan ligero (1,85 gr/cm3) como el magnesio aunque extremadamente caro. Su rigidez, resistencia mecánica y elasticidad son muy buenos, y su capacidad calorífica la mas alta de todos los metales. Su temperatura de fusión es media (1278 ºC) y a temperaturas medias o bajas resiste la corrosión pues se pasiva. En lo negativo destaca su toxicidad y fragilidad.

7.2.2 Aleaciones según el componente mayoritario

Es un grupo poco homogéneo, que soportan bien la corrosión y son algo mas pesados que el hierro.

Aleaciones de Cobre

Su densidad es similar a la del hierro (8,96 gr/cm3), su módulo de elasticidad alto (240GPa, mejorable por deformación en frío hasta 350GPa) y temperatura de fusión media (1085 ºC); soporta muy bien las temperaturas criogénicas. Cristaliza en red (ccc) por lo que resulta muy conformable, y además es soldable, aunque poco duro. Su conductividad térmica es buena y la eléctrica excelente (mejor mientras mas puro); además resiste bien la corrosión. Con sus aleantes forma familias muy conocidas:

Latones: combinan Cu y Zn; son las mas importantes desde el punto de vista propiedades/coste. A su vez, podemos distinguir los latones α (Zn < 39%) son blandos, dúctiles y fáciles de trabajar en frío, latones α+β (37,5% < Zn < 46%), mas resistentes mecánicamente, maquinables y frágiles, y latones β (46% < Zn < 50%), los mas duros y frágiles, y funden a una temperatura inferior. Como latones especiales, existen el Almirantazgo (Cu + Zn 29% + Sn 1%)n muy resistente en aguas contaminadas ácidas, el Muntz (Cu + Zn 29%) ideal para laminado y forjado en caliente, y el Naval (Cu + Zn 40% + Al 2%) perfecto para forjado. Los latones a veces se descinfican por corrosión (en especial si el contenido es alto) por lo que se les añaden inhibidores del fenómeno; también presentan la llamada corrosión estacional, acentuada en atmósferas húmedas y con cambios de temperatura, se corrige con tratamientos térmicos.

Bronces: combinan Cu y Sn hasta el 25%; son más resistentes mecánicamente, anticorrosivos y caros que los latones; la conductividad eléctrica y térmica desciende con el aumento de estaño. El fósforo hasta un 0,1% mejora las propiedades mecánicas y frente a la corrosión; el Zn mejora la fluidez, abrasión y resistencia a la corrosión; el Pb mejora la maquinabilidad y abrasión, y el Ni las propiedades mecánicas.

Cuproaluminios: con Al entre el 5 y el 11 %; la resistencia mecánica y el precio son mejores que los del bronce, además son soldables y fácilmente mecanizables. Pueden sustituir a los aceros de medio contenido en carbono, pues a igualdad de resistencia mecánica soportan mejor la corrosión. Se dividen en monofásicos y bifásicos, estos últimos mas soldables y maleables en caliente.

Cuproníqueles: con Ni entre el 5 y el 44 %; al ser totalmente solubles entre sí genera una aleación muy dúctil y resistente a la corrosión, tanto interna como en aguas marinas. Añadiendo Si, Sn, Al y Fe mejora la resistencia mecánica y anticorrosión. Con Fe y Co se pueden fabricar imanes permanentes.

Alpacas: combina Cu con Ni y Zn; resiste muy bien la corrosión, aumenta la densidad, la resistividad eléctrica y la maquinabilidad.

Aleaciones endurecibles: abarca las aleaciones Cu-Be (tenaces y duras, con bajo módulo elástico y alta conductividad eléctrica), Cu-Cr (aceptable resistencia y muy alta conductividad eléctrica), Cu-Zr (similares a las Cu-Cr) y Cu-Ti (similares a las Cu-Be, pero altamente resistentes).

Otras aleaciones: se agrupan en esta el Cu-Pb (con buen coeficiente de rozamiento y baja dureza), y el Cu-Mn (mejora la resistencia mecánica y anticorrosión; añadiendo Al mejora todavía más y suelda fácilmente; añadiendo Si incrementa la dureza; añadiendo Ni en diversas proporciones resaltan propiedades como la resistencia eléctrica inalterable o el amagnetismo).

Aleaciones de Níquel

Su densidad es similar a la del hierro (8,9 gr/cm3), su precio y temperatura de fusión (1458 ºC) son

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altos; también son buenas su conductividad, resistencia mecánica y en especial su resistencia a la corrosión, lo que lo hace óptimo como recubrimiento para otros metales. Cristaliza en red (ccc) por lo que resulta muy conformable. En aleaciones pierde conductividad electrica/térmica, resiliencia y límite de fatiga, pero aumenta la resistencia mecánica, dureza y límite elástico. Se distinguen:

Ni-Cr: mejora la resistencia eléctrica y ante la corrosión; óptimo para fabricar resistencias para hornos (Nicrome).

Ni-Cu: buena resistencia mecánica a alta temperatura y frente a la corrosión. Los Monel son muy resistentes, tenaces y dúctiles; el Constantán tiene muy alta resistencia eléctrica y estabilidad.

Ni-Fe: dúctiles y tenaces; el Invar y Superinvar presentan muy bajo coeficiente de dilatación térmica; el Kovar es soldable al vidrio, Elinvar presenta bajo coeficiente de elasticidad; el Permalloys y Perminvars una elevada permeabilidad magnética, siendo constante en el segundo.

Ni-Mo-Fe: forma los Hastelloy, resistentes a la corrosión y buenos para trabajar a alta temperatura.

Superaleaciones: ideales para el trabajo a alta temperatura, hasta 1100 ºC; entre éstas destaca el Nimonic, con alto límite elástico y de rotura. La base es Ni-Cr-Ti en diversas proporciones, pero se le añaden C, Al, Co, B, Zr y V para potenciar algunas propiedades.

Aleaciones de Cobalto

Su densidad es similar a la del hierro (8,9 gr/cm3), su temperatura de fusión es alta (1495 ºC). Es alotrópico, cristaliza en red (ccc) pasando a (hc) por debajo de 417 ºC. Las propiedades mecánicas y frente a la corrosión son medio-bajas; en cambio, en superaleaciones mejora: con Fe y Ni presenta un buen comportamiento en caliente; las composiciones denominadas Stellite presentan buena resistencia al choque térmico y a la abrasión; las aleaciones AlNiCo y CuNiCo tienen propiedades magnéticas.

7.2.3 Aleaciones de metales refractarios

Son cuatro metales con muy alta temperatura de fusión; se usan en aplicaciones que deben soportar temperaturas por encima de 1.200 ºC. Tienen estructura CC y enlaces atómicos muy fuertes, lo que implica gran resistencia mecánica y dureza, aunque su afinidad por el oxígeno les hace oxidables.

Molibdeno: Es frágil a temperatura ambiente y dúctil a partir de 33 ºC; funde a 2.623 ºC. Presenta excelente conductividad térmica en frío y bajo coeficiente de dilatación. La carga de rotura y dureza aumentan con la deformación si la temperatura no es elevada.

Wolframio: Es frágil a temperatura ambiente y dúctil a partir de 343 ºC; funde a 3.422 ºC. Tiene un módulo elástico muy elevado, pero es altamente oxidable.

Niobio: Es dúctil a partir de -120 ºC; funde a 2.469 ºC. Su oxidación le provoca endurecimiento y fragilidad.

Tántalo: Es dúctil a partir de -195 ºC; funde a 3.020 ºC. Al oxidarse se vuelve frágil, pero es a la vez muy resistente a la corrosión química y altamente soldable

7.2.4 Aleaciones de metales blancos

Engloba tres metales pesados de bajo punto de fusión, resistentes a la corrosión.

Cinc: Cristaliza en red hc y funde a 419 ºC; resiste mal la corrosión, pero es maleable a baja temperatura; se le utiliza como protector contra la corrosión en galvanizados, lacados y protecciones catódicas; también en aleación Zamak (con aluminio, magnesio y cobre), que es barata de fabricar y fluye perfectamente en inyección, aunque envejece a temperaturas no excesivamente altas.

Plomo: Cristaliza en red ccc y funde a 327 ºC. Es blando y plástico y resistente a la corrosión; se alea con estaño (aumenta la dureza, resistencia mecánica y límite de fatiga) calcio (lo endurece y aumenta la resistencia a vibraciones) y cobre (resistencia al ácido sulfúrico), pero su toxicidad está limitando sus aplicaciones.

Estaño: Cristaliza en red tetragonal y funde a 230 ºC; resiste la corrosión ambiental y distintos tipos de ácido, es altamente maleable a temperatura ambiente pero su resistencia mecánica y límite elástico son muy bajos. Aleado con cobre, plomo y antimonio mejoran sus características mecánicas.

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Tema 8. Materiales poliméricos de interés industrial

8.1 Introducción Los materiales poliméricos están formados por macromoléculas, que pueden contener millones de átomos. Estas moléculas son cadenas repetidas de una unidad base (mero), unidas por enlace covalente, casi siempre C y H. Se caracterizan por su ligereza, resistencia a los agentes atmosféricos y su facilidad para ser conformados.

Los plásticos son polímeros con aditivos incorporados para modificar sus propiedades. Se clasifican en termoplásticos, termoestables y elastómeros.

8.2 Moléculas de polímeros Los compuestos de monómeros se pueden clasificar como:

Olefínicos o alquenos: son compuestos insaturados, esto es, con doble o triple enlace covalente. Cuando se polimerizan forman un hidrocarburo saturado en el que todos los enlaces son sencillos y al cual no se le pueden añadir nuevos átomos sin eliminar los ya enlazados. La olefina más simple es el etileno, que es la base del PE; otros polímeros de este grupo son el PVC y el PP, formados a partir del cloruro de vinilo y del propileno. Se sintetizan por adición: en primer lugar, un catalizador reacciona con un monómero formando un centro activo, que se propaga en una segunda fase hasta que la cadena termina en un monómero con una sola cadena activa.

Compuestos funcionalizados: presentan al menos dos grupos reactivos en la molécula, de forma que la reacción de polimerizado puede transcurrir repetidas veces entre sí. Son de este tipo el nylon 6,6, el PET, la baquelita, las poliamidas y las resinas. Se sintetizan por condensación, en la cual, en varias etapas, monómeros de especies diferentes reaccionan condensando un subproducto (H2O,

amoníaco o alcohol). Es un proceso lento, y suele formar monómeros con tres enlaces activos, que generan polímeros entrecruzados y reticulados.

8.3 Estructuras moleculares de los polímeros Las macromoléculas que forman los polímeros son consecuencia de la capacidad que tiene el átomo de carbono para unirse consigo mismo un gran número de veces. Como el enlace es covalente, no existen electrones libres en el polímero, por lo que su conductividad eléctrica es nula. Del mismo modo, la conductividad térmica así como la densidad son muy bajas.

La única condición geométrica de unión que debe cumplir el enlace es mantener una distancia fija entre los átomos de carbono (154um) y que el ángulo formado por los enlaces sea de 109º. Cada átomo de una cadena lineal de carbonos puede enlazar en cualquier punto de la base de un cono, con generatriz igual a la distancia C-C, lo que explica que la cadena crezca en zigzag, retorciéndose sobre sí misma, dando lugar a una configuración conocida como ovillo estadístico. Al retorcerse, las cadenas forzosamente se entrelazan con otras cadenas próximas por débiles enlaces de Van der Waals, dando lugar a una maraña de hilos formando un ovillo. Esta morfología amorfa y la capacidad de rotación de los segmentos de las cadenas bajo esfuerzos mecánicos o térmicos explican muchas de sus propiedades, como por ejemplo la transparencia de muchos polímeros.

Las cadenas de polímeros se presentan en forma de cadenas lineales únicas (llamados de alta densidad), cadenas ramificadas (menos empaquetadas que las lineales y por tanto menos densas y resistentes a la tracción; se les llama de baja densidad), cadenas reticuladas (formadas por monómeros con tres enlaces que crean estructuras tridimensionales, mas rígidas y resistentes a la tracción) y cadenas entrecruzadas (son lineales cruzadas unidas con enlaces covalentes a las demás).

Los monómeros asimétricos, como el cloruro de vinilo y el propileno, cuyo elemento diferenciador es, respectivamente, Cl y CH3, pueden ocupar diferentes posiciones a lo largo de la cadena, definiéndose así la estereoisomería típica de este tipo de monómeros, que pueden ser:

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• Isotáctico: todos los grupos sustitutivos se sitúan en el mismo lado de la cadena.

• Atáctico: las posiciones de esos grupos son aleatorias, por lo que se pierde la simetría.

• Sindiotáctico: los grupos sustitutivos se incorporan de forma alternante, dando lugar a una configuración regular.

En función del número de monómeros presentes en la cadena se tienen homopolímeros (solo interviene un tipo de monómero, como el Polietileno) o copolímeros (interviene mas de un tipo, como el ABS). Estos últimos se ordenan de forma alternada (ABABAB…), en bloques (AAAABBAAAABB), aleatoriamente (ABBABAAB) o en injertos (ramificaciones de cada tipo).

8.4 Estructuras cristalinas de polímeros Los polímeros presentan estructuras de ordenación muy complejas, lo que dificulta la formación de polímeros totalmente cristalinos. No obstante, se pueden encontrar polímeros parcialmente cristalinos, al menos en determinadas áreas del material. El grado de cristalinidad de un polímero establece la relación entre la fracción cristalina y el total del mismo. Los factores que determinan dicho grado son:

• Cuanto más sencilla sea la estructura del polímero mayor será la simetría, favoreciendo su grado de cristalinidad. La presencia de grupos sustitutivos voluminosos o ramificaciones dificulta el ordenamiento de las cadenas.

• En el caso de las cadenas, los polímeros más fácilmente cristalizables son los lineales, adoptando la configuración en zigzag las cadenas al empaquetarse en las zonas cristalinas.

• Una velocidad de enfriamiento lenta permite que las cadenas tengan tiempo suficiente para moverse y alinearse, facilitando así el ordenamiento cristalino.

• Como la deformación mecánica tiende a alinear las cadenas en la dirección del esfuerzo, los procesos de extrusión o estirado favorecen la cristalinización.

8.5 Clasificación de los polímeros La clasificación de los polímeros se realiza en función del tipo de unión existente entre las cadenas; así se tiene:

Termoplásticos: Son polímeros lineales, con enlaces débiles del tipo de Van der Waals. Se ablandan al calentarse y se endurecen al enfriarse (ambos procesos son reversibles y repetibles). Son blandos y dúctiles, de estructura amorfa o parcialmente cristalina. Representa la mayor parte del consumo de los materiales plásticos. Son termoplásticos el PE, PP, PVC, PS, PC, PET, PMME, nylon, kevlar y ABS.

Termoestables: Son polímeros reticulados o entrelazados, unidos entre si por fuertes enlaces covalentes. No se ablandan al calentarlo, a lo sumo se degradan. Su transformación no es reversible, por lo que una vez reticulados ya no es posible modificarlos por acción de la temperatura. Son rígidos, estables a diversas temperaturas y buenos aislantes térmicos y eléctricos, resultando más duros, resistentes y frágiles que los termoplásticos. Dos termoestables son el epoxi y la resina de poliéster.

Elastómeros: Son polímeros lineales con uniones covalentes ocasionales entre cadenas, producidas por vulcanizado; este hecho permite cierta elasticidad, recuperando su forma original cuando se retira la carga. Se fragilizan a baja temperatura. Su densidad es muy baja, pero también la resistencia a la tracción y la temperatura de uso. El caucho es el elastómero más característico.

8.6 Funcionalidad de aditivos en plásticos Su misión es mejorar las propiedades de los polímeros; se clasifican por la propiedad que persiguen mejorar. Así, para termoplásticos y termoestables se usan:

Plastificantes: aumentan la flexibilidad, ductilidad y tenacidad.

Carga: reducen el coste (actúan de relleno)

Refuerzo: mejoran las propiedades mecánicas.

Estabilizantes y antioxidantes: Evitan la degradación química o frente a la radiación UV.

Ignifugantes: inhiben la combustión.

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Colorantes: Mejoran el aspecto.

También se usan lubricantes, espumantes, antiestáticos y biocidas. Para los elastómeros se emplean:

Vulcanizantes: Entrecruzan las cadenas para conseguir la elasticidad necesaria.

Antidegradantes: Mejoran la vida útil.

Cargas: las reforzantes mejoran las propiedades, las diluyentes reducen el coste.

Plastificantes: facilitan el conformado.

Factidios: Mejoran el acabado superficial de articulos extrusionados.

También se usan acelerantes y activadores/retardadores del vulcanizado, colorantes y esponjantes.

8.7 Comportamiento de los plásticos Los materiales plásticos son malos conductores eléctricos y térmicos, buenos atenuantes del sonido, presentan buen acabado superficial, y el proceso industrial permite la producción en grandes series, el moldeado fácil y la unión por soldadura.

Para comprobar sus características, se ensayan igual que se describió para los metales, aunque su comportamiento térmico es muy diferente según sea la temperatura y el grado de deformación.

Comportamiento térmico

Los polímeros cristalinos disminuyen de volumen abruptamente cuando solidifican a la temperatura de fusión Tf, para luego seguir contrayendo muy lentamente según se enfrían (curva azul). Los polímeros amorfos, por el contrario, no presentan temperatura de fusión Tf, pasando desde el estado líquido en una larga transición viscosa hasta la temperatura de transición vítrea Tg por debajo de la cual son sólidos quebradizos (curva roja). Los polímeros semicristalinos, finalmente, presentan ambas temperaturas eje, Tf y Tg. A su vez, los plásticos pueden modificar levemente esta curva en función de sus aditivos. La temperatura a la que se presentan estas propiedades suele variar: el PP (semicristalino) tiene la Tg a -10 ºC y la Tf a 175 ºC; el PS (amorfo) encuentra su Tf a 100 ºC.

Comportamiento mecánico

Se pueden encontrar tres comportamientos frente a la tensión/deformación: los polímeros frágiles presentan una curva clásica de deformación elástica, tras la cual se produce directamente la ruptura; otros polímeros pasan por las fases elástica y plástica de forma muy similar a los metales; y por último, los elastómeros, que solo tienen comportamiento elástico, pero muy extenso (curva muy inclinada hacia el eje x). Además, los termoestables son mas frágiles que los termoplásticos.

En general, los polímeros suelen presentar resistencia mecánica y módulo de elasticidad bajos, siendo sensibles al impacto y a la entalla. Además, la curva de tensión/deformación suele ser afectada por la temperatura y la velocidad: cuando aumenta la primera o disminuye la segunda, el material se hace más dúctil. Así, por debajo de la temperatura Tg la deformación en los termoplásticos es fundamentalmente elástica, mientras que por encima es plástica o viscoplástica.

8.10 Termoplásticos de interés industrial Polietileno (PE): Se fabrica en baja y alta densidad (PEBD, 0,92gr y PEAD, 0,95gr); son excelentes aislantes eléctricos, de color blanco opaco. Sus propiedades mecánicas y químicas dependen del grado de cristalinidad. Se usan para fabricar bolsas, tuberías, embalajes, juguetes…

Polipropileno (PP): Es semicristalino (opaco o semitransparente), más resistente, rígido, duro y ligero que el PE. Buen dieléctrico, pero con tendencia a cargarse de estática. Se usa para fabricar botellas, maletas, recipientes, carcasas…

Policloruro de Vinilo (PVC): Es amorfo, con buena resistencia mecánica, rigidez y dureza; su densidad es alta (1,4gr). Existen variantes con emulsionantes (PVC-E) que es opaco, sin

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emulsionantes (PVC-S) que es transparente, y plastificado, que es transparente, mas ligero (1,25gr) y flexible, aunque el aislamiento y la resistencia química empeoran. Con ellos se fabrican tuberías, armarios, bandejas, carpintería, enchufes, calzado, textiles impermeables, artículos de oficina…

Poliestireno (PS): Es amorfo y muy transparente, ligero (1,05gr), rígido, duro y quebradizo. Buen dieléctrico, pero con tendencia a cargarse de estática. Se usa para fabricar luminarias, cubertería desechable, bisutería, etc; con poliestireno expandido se fabrican amortiguantes para envases.

Polimetacrilato de metilo (PMMA): es amorfo y transparente, semiligero (1,19gr), rígido y duro pero frágil. Se usa para fabricar elementos ópticos: lunas, pilotos, claraboyas, muebles, cubiertas transparentes…

Poliamidas (PA): Son semicristalinas, opacas, de densidad media, resistentes a la fatiga, el impacto y la abrasión. Son muy aptas para fabricar como fibras, como el nylon, y en especial las aramidas: Kevlar (elevadísima resistencia a la tracción) y Nomex (resistente al fuego). Se usan para fabricar engranajes, juntas, regletas eléctricas, cascos de moto, chalecos antibalas, trajes ignífugos…

Policarbonato (PC): es amorfo, bastante transparente, semiligero (1,22gr), con buena tenacidad, rigidez, resistencia mecánica, dureza y estabilidad dimensional. Con el se fabrican luminarias, viseras y gafas, aparatos médicos, cuadros de instrumentos, etc.

Poliésteres lineales (PET, PBT): Son altamente cristalinos; tienen buena estabilidad dimensional, resistencia al desgaste y aceptable resistencia térmica.

8.11 Termoestables de interés industrial Resinas fenólicas: Opacas, rígidas, duras y frágiles, buera resistencia a la deformación por calor. Se fabrican enchufes, fusibles, regletas, asas de cazuelas, pinturas, masillas…

Resinas de poliéster: Semitransparentes, con rigidez, resistencia y tenacidad medias, con buen comportamiento frente al calor y las bajas temperaturas. Se usa para fabricar laminados de carrocerías, contenedores, depósitos, muebles…

Resinas de epoxi: Transparentes, con rigidez, resistencia, tenacidad, dureza y comportamiento frente al calor buenos. Se utiliza para encapsulados de componentes eléctricos/electrónicos, aisladores, depósitos, tablas de esquí, adhesivos industriales…

8.12 Elastómeros de interés industrial Caucho Natural (NR): Cristaliza al estirarse, lo que le confiere buena resistencia mecánica y tenacidad; se utiliza vulcanizado. Sensible a la oxidación

Caucho de butadieno-estireno (SBR): Mas económico y resistente a la oxidación, aunque menos resistente que el natural. Reforzados con cargas soportan mejor la abrasión.

Caucho de etileno-propileno (EPM-EPDM): Soportan bien el envejecimiento, la temperatura y los compuestos químicos.

Caucho de cloropreno (CR): Muy resistente a los disolventes y a las inclemencias ambientales; comercialmente se conoce como neopreno.

8.13 Otras formas de polímeros y sus aplicaciones Fibras: Muchos polímeros se fabrican en forma de fibras (véase las poliamidas) que en general son bastante resistentes y tenaces, soportan la tracción y torsión, y tienen elevado módulo de elasticidad.

Adhesivos: Producen uniones de elevada resistencia a la cizalladura mediante la acción de fuerzas electrostáticas. Los termoplásticos se ablandan con el calor y presentan fluencia, así que se usan para cargas muy ligeras. Los termoestables endurecen por curado y son muy resistentes; los de base elastomérica admiten flexibilidad. En cualquier caso, no suelen resistir las altas temperaturas.

Recubrimientos: En forma de lacas y pinturas se utilizan para imprimar, aislar o con fines decorativos.

Espumas: Disponen de celdillas huecas en su interior, por lo que su densidad baja y su capacidad de aislamiento térmico y acústico mejora. Se usan espumas rígidas para aislamientos de estructuras huecas, y espumas blandas para acolchados.

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Tema 9. Materiales cerámicos de interés industrial

9.1. Introducción Las cerámicas son materiales inorgánicos procesados a alta temperatura, formadas por elementos metálicos y no metálicos unidos por enlaces iónicos y/o covalentes, y presentan alta dureza, estabilidad química, fragilidad, punto de fusión y resistencia a la compresión, y baja conductividad eléctrica y térmica. Se podrían agrupar en cerámicas tradicionales, cerámicas técnicas y vidrios.

9.5 Propiedades mecánicas de las cerámicas Resistencia mecánica: En las cerámicas covalentes, la fuerte localización del enlace mantiene a los átomos fuertemente sujetos a sus posiciones de equilibrio. En las cerámicas iónicas la fuerza de repulsión impide el deslizamiento de planos en sentido longitudinal o transversal al provocar que iones de igual signo se acerquen; no obstante, como muestra la figura si el deslizamiento es oblicuo (plano B) la situación de los iones próximos no varía, siendo posible el deslizamiento. Esto justifica que las cerámicas iónicas monocristalinas presenten cierta plasticidad, mientras que en las policristalinas se produce el agrietamiento intergranular seguido de fractura frágil.

Tenacidad: Estos materiales son sensibles a la presencia de micro-defectos, que originan grietas al ser sometidos a tracción; por eso presentan baja tenacidad a pesar de su alta resistencia mecánica. La fractura de las cerámicas no se produce por la rápida propagación de una grieta, sino por el lento avance de multitud de grietas, que conducen a la trituración final del material. Como el tamaño de los defectos y su distribución son factores clave, la investigación para conseguir cerámicas tenaces pasa por reducir dichos defectos, bien sea combinándolos con otros materiales (Tema 10), fabricándolos con tamaños de grano inferiores, o fomentando sistemas productivos de mayor calidad.

Abrasión: Su alta dureza los hace óptimos para ser utilizados como abrasivos; en particular si se reducen a partículas afiladas (alúmina, carburo de silicio, nitruro de boro…)

9.6 Propiedades térmicas de las cerámicas Gracias a su alto punto de fusión, son óptimas como materiales refractarios. Los materiales cerámicos más utilizados como refractarios en hornos son las arcillas ácidas (alúmina y sílice). Las arcillas básicas (magnesia, cal y mezclas de éstas con cromo) son mas resistentes a la temperatura y el ataque químico, pero son caras.

Como además los materiales cerámicos tienen baja conductividad térmica debido a su enlace iónico y/o covalentes, resultan buenos aislantes térmicos. En cambio, tienen un alto coeficiente de expansión térmica, por lo que los cambios bruscos de temperatura les genera tensiones internas que pueden fracturar el material, y por tanto su resistencia al choque térmico es baja.

9.7 Propiedades eléctricas y magnéticas de las cerámicas A baja temperatura, las cerámicas ofrecen resistividad eléctrica alta debido a su enlace iónico y covalente, lo que permite su empleo como aislantes eléctricos.

Cuando se usan como aislantes deben tener baja porosidad o estar vitrificadas como porcelana o vidrio. También se emplean en capacitores (titanato de bario y cerámicas perovskitas por su baja constante dieléctrica) y en transductores piezoeléctricos que pueden convertir cambios de presión en señales eléctricas y viceversa. Algunos compuestos cerámicos tienen propiedades semiconductoras, como el termistor, cuya resistencia disminuye con el aumento de temperatura (ónixos de Mn, Ni, Fe, Co y Cu). Otros tienen estructura cristalina asimétrica y por esto son dipolares, como el titanato de bario BaTiO3, que presenta estructura de dominios, cada uno con su momento dipolar propio con una determinada orientación. Si este material se enfria lentamente bajo un campo eléctrico fuerte, todos sus dipolos se alinean en la dirección del campo, fenómeno conocido como ferroelectricidad.

9.9 Clasificación de materiales cerámicos

Vidrios

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Son cerámicos covalentes inorgánicos basados en la sílice, sin orden cristalino de largo alcance. Presentan excelente transparencia y resistencia a la corrosión, buena dureza y facilidad de fabricación, lo que les hace muy versátiles para aplicaciones de ingeniería.

Estructura y composición: La mayoría se basan o en la unidad fundamental de la sílice SiO2 o en el óxido de boro B2O3, conservando tan solo el orden cristalino de corto alcance (la estructura tetraédrica o trigonal de la molécula base, respectivamente). Se usan óxidos metálicos (Na2O, CaO) como modificadores de red porque se intercalan entre las cadenas de cristales sin unirse a las mismas, alterando algunas propiedades de los vidrios, como la viscosidad, o incluso el coeficiente de expansión térmica en los borosilicatos (pyrex®). Los óxidos intermedios (Al2O3, TiO2) en cambio sí se unen a la red y la estabilizan, aumentando su temperatura de uso y la resistencia al choque térmico.

Temperatura de transición vítrea: La gráfica de solidificación adjunta ya es conocida desde el tema 8. A diferencia de los materiales cristalinos, los vidrios pasan desde la temperatura de fusión Tf hasta la llamada temperatura de transición vítrea Tv en una larga transición pastosa; por encima de Tv se comportan como líquidos subenfriados; por debajo se estabiliza su rigidez.

Viscosidad: Por encima de la temperatura Tv, los vidrios son fácilmente deformables, estando la viscosidad inversamente relacionada con la fluidez del mismo. Desde Tf hasta Tv el vidrio pasa por los puntos intermedios de trabajo (donde es fácilmente conformable), reblandecimiento (límite al cual puede ser manipulado sin quedar alterado), recocido (temperatura a la que todavía fluye pero no puede ser conformado) y deformación (por debajo de la cual se produce fractura si es tensionado).

Conformado: Normalmente se produce a la temperatura de trabajo o a la de reblandecimiento. Se emplea el laminado (el vidrio fluye lentamente hasta unos rodillos que lo reducen a una plancha), estirado (similar, pero pasando por un mandril y una cortina de aire), prensado (se comprime dentro de moldes), soplado (el conformado lo hace la presión del aire contra un molde) o trefilado (se cuela en continuo por un fino orificio). En todos los casos, suele aplicarse un posterior recocido para eliminar tensiones.

Tratamientos de los vidrios: para reforzar el vidrio, se compensan las tensiones creadas en su interior aplicando las técnicas de recocido (el cristal se recalienta, y con un lento enfriamiento se reequilibran las tensiones), temple (un enfriado rápido por chorro de aire contrae la capa superficial, lo que confina las tensiones hacia el interior protegiendo contra las roturas), o reforzado químico (se introducen grandes cationes en la superficie de la pieza que reemplazan a los del cristal, de menor tamaño, lo que induce esfuerzos de compresión en la superficie como en el caso del temple).

Materiales cerámicos tradicionales

Los componentes básicos de este tipo de cerámicas son sílice, feldespato y, sobre todo, arcilla (el más utilizado al ser barato, fácilmente conformable y bastante resistente una vez cocido) y porcelana (variante vitrificada y aditivada) La arcilla se conforma en barbotina (suspensión de arcilla y aditivos en agua que se deshidrata en molde) o en procedimiento hidroplástico (se moldea en masa por manipulación o extrusión antes de secar completamente).

Materiales cerámicos refractarios

Son mezclas de arcillas y sílices capaces de trabajar a cerca de 1600º sin fundir o descomponerse; además son bastante inertes frente a medios agresivos y buenos aislantes térmicos. Se utilizan, fundamentalmente para revestimiento de las paredes de altos hornos.

Materiales cerámicos abrasivos

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Por su gran dureza y tenacidad, resisten enormemente el desgaste. Los más significativos son los carburos de wolframio y de silicio, el óxido de aluminio, la arena de sílice y el diamante. Se utilizan recubriendo a estructuras de trabajo (muelas, lijas…)

Cementos

Se componen de CaO, SiO2, Al2O3 y H2O, siendo el cemento portland el más utilizado. Se fabrica calentando creta y arcilla a más de 1400ºC, lo que la convierte en caliza cocida (clínker) que se tritura después de enfriarse.

Cuando el portland se mezcla con agua se endurece, produciéndose dos reacciones. La mas rápida es la hidratación de la cal con la alumina, que se produce durante las primeras cuatro horas aunque no se completa hasta pasados dos días y es responsable del endurecimiento rápido. La segunda es la hidratación de la cal con la sílice, y a ella se debe el aumento de resistencia más allá de la primera semana, hasta los aproximadamente tres meses en que finaliza.

La dureza del cemento radica en que fragua a través de reacciones que tienen lugar tanto en la superficie como en el interior del material, que comienza con una estructura hidratada tipo gel que acaba cristalizando en forma de hidratos de óxidos de silicio, calcio y aluminio. La cantidad de agua añadida es clave para este proceso, de forma que se debe controlar el exceso (que crea oquedades) o la evaporación (que crea grietas por contracción). También es vital la temperatura durante el fraguado, ya que si es alta el agua se evaporará y si desciende por debajo de los 0 ºC, el agua se congela, fragmentando el cemento.

Cerámicas Vítreas

La más conocida es la vitrocerámica, que combina la naturaleza amorfa del vidrio con la cristalina de la cerámica para formar una estructura casi cristalina, con grano pequeño y sin poros. Presentan un coeficiente de dilatación térmica muy pequeño, son buenos conductores eléctricos y fáciles de fabricar mediante las mismas técnicas de conformado del vidrio.

Cerámicas Técnicas

Son principalmente materiales compuestos de óxidos, carburos o nitruros, normalmente de alto punto de fusión y extremada dureza. Algunas de las mas interesantes son:

• La alúmina se usa en aplicaciones eléctricas de altas prestaciones de resistividad y baja pérdida dieléctrica.

• El carburo de silicio se usa como fibra de refuerzo en matrices cerámicas o metálicas.

• El nitruro de silicio y la circona se usan para fabricar motores y placas de circuito impreso. La circona en particular es alotrópica, y puede fabricarse en fase parcialmente estabilizada (PSZ) que cambia de fase cuando se somete a tensión; así, cuando se produce una grieta el aumento de volumen del cambio de fase contrarresta la misma y acaba cerrándolo.

Otras cerámicas de interés

Se están utilizando cerámicas como el óxido de circonio, de aluminio o carburos como recubrimientos para protección frente a la corrosión, temperatura y desgaste. En biomedicina unen su biocompatibilidad con su resistencia a la corrosión y al desgaste. Por último, las nanocerámicas sinterizadas a presión ofrecen alta ductilidad, y permitirán en un futuro desarrollar materiales cerámicos más tenaces que los actuales.

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Tema 10. Materiales compuestos de interés industrial

10.1 Introducción Se considera material compuesto cuando se combinan dos o más constituyentes que conservan su identidad química, buscando mejorar las cualidades que tienen por separado. No siempre las propiedades de los materiales compuestos son la media ponderada de las de sus componentes, ya que a veces actúan sinérgicamente y consiguen nuevas propiedades o magnifican enormemente alguna de ellas.

10.2 Formación de materiales compuestos Los materiales compuestos se forman conjugando dos constituyentes, uno continuo y mayoritario denominado matriz, que aporta las cualidades técnicas de base y otro discontinuo que se denomina refuerzo, del que dependen las propiedades mecánicas del material resultante; además se pueden añadir aditivos y cargas que complementan o afinan las propiedades. En función de la primera, encontramos compuestos de matriz polimérica (las más usadas), de matriz metálica y de matriz cerámica; los refuerzos más utilizados son las fibras de vidrio, carbono y aramida, y a su vez se pueden incorporar en forma de partículas o de fibras.

Matrices

La matriz debe proteger al refuerzo y transmitirle los esfuerzos del exterior. Las cualidades principales son el intervalo de temperaturas de servicio y la ductilidad. Los mas utilizados son los polímeros y algunos metales como Cu y Al, entre otras razones por la gran ductilidad que presentan.

Tipos de matrices

Se clasifican en poliméricas, metálicas y cerámicas.

Poliméricas termoplásticas: Su resistencia y rigidez dependen den las propiedades del tipo de monómero que las componen y al peso molecular elevado. Las más comunes son PP, PA (nylon) y PC. Puesto que presentan fluencia bajo carga constante o al incrementarse la temperatura, transfieren la carga rápidamente a las fibras de refuerzo, y ésta les permite aumentar significativamente su temperatura de trabajo. A nivel químico son muy estables.

Poliméricas termoestables: Las de base alifáticas aportan tenacidad y flexibilidad, mientras que las aromáticas son más rígidas y resisten más temperatura. Como su polimerizado es en dos fases, el refuerzo se le añade en la segunda (curado) que suele ser lenta, mediante impregnación de las fibras con la matriz, mas la adición opcional de aceleradores, aditivos y cargas en función del uso final. Las mas utilizadas son las resinas de poliéster (baratas, ya que curan muy rápido, y ligeras) y epoxi (mas resistentes térmica y mecánicamente, pero caras, ya que curan despacio).

Metálicas: Se pueden utilizar a temperaturas de servicio mayores que los de matriz polimérica, disponiendo de resistencia y módulo específico muy superiores al ser relativamente baja la densidad de la matriz metálica. Las mas usadas son las de base Al, Ti, Mg y Cu.

Cerámicas: Los refuerzos mejoran la tenacidad y resistencia de las matrices cerámicas.

Refuerzos

Los refuerzos aportan al material resistencia, rigidez y dureza; los más usados son las fibras. En función de la característica que se quiera mejorar se utilizan una u otras. Así, la fibra de vidrio aporta resistencia a la tracción, la de carbono rigidez y la aramida resistencia al choque. El tamaño importa: las partículas más pequeñas interactúan a nivel molecular, las fibras, cuanto mas finas y largas sean mayor resistencia mecánica aportan. Es importante que las fibras sean totalmente compatibles con la matriz.

Geometría de los refuerzos: El tipo, tamaño y orientación alteran el comportamiento del material compuesto. Las geometrías más utilizadas son las partículas, las fibras cortas y continuas embebidas en la matriz. En los refuerzos a base de partículas y fibras cortas la geometría no sigue ninguna pauta y solo se controla la concentración y no su orientación o dimensiones. Las aplicaciones de altas exigencias mecánicas requieren refuerzos con fibras continuas, en las que el área superficial debe ser grande respecto a la transversal, y las fibras deben estar orientadas en la dirección del esfuerzo,

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normalmente formando láminas o incluso tejidos; las láminas a su vez se pueden apilar en un solo sentido o entrecruzadas. La resistencia se incrementa conforme más compleja se la estructura de capas, existiendo estructuras tridimensionales con comportamiento ideal frente al impacto.

Tipos de refuerzos

Se pueden agrupar según sean éstos de partículas o de fibras. Para el primero, se tienen los de partículas grandes, repartidas equiaxialmente por toda la matriz (como el hormigón, cerámico, los cermets, metálicos o el caucho vulcanizado, elastómero) y los de partículas finas consolidadas en la matriz por dispersión aumentando la dureza. Respecto a las fibras, tenemos los siguientes grupos:

Fibras de vidrio: Es el refuerzo más utilizado dadas sus buenas cualidades, en especial su excelente adherencia a la matriz, sus propiedades dieléctricas y buena relación resistencia mecánica/coste; en cambio su módulo elástico es bajo. Además, son incombustibles, imputrescibles, resistentes a muchos agentes químicos, tienen gran estabilidad dimensional y baja conductividad térmica, son compatibles con muy diversas matrices, y son baratas. Se fabrican en hilos contínuos, cortados, o entretejidos.

Fibras de carbono: Se obtienen por grafitización de una fibra precursora, usualmente poliacrilonitrilo (PAN), sometida a operaciones como estirado, oxidación, carbonización y grafitización. Son aptas para aplicaciones estructurales exigentes donde el peso y la rigidez son cruciales, aunque su precio sea alto. Las hay de alto módulo (HM), muy elásticas, y de alta resistencia (HR). La fibra de carbono se compone de planos de grafito ordenados en red hexagonal, consiguiendo un módulo elástico paralelo a los planos de 910 GN m-2, siendo crucial ordenar los planos en el sentido de la fibra para obtener la máxima resistencia. Se fabrican en forma de mechas, tejidos, o tejidos combinados con vidrio o aramida.

Fibras de aramida: Se fabrican por hilado de fibras de poliamidas aromáticas de ácidos ftálico (Kevlar) e isoftálico (Nomex). El Kevlar es una poliamida aromática que presenta una resistencia a tracción óptima, en torno a de 850 MN/m2 y un módulo elástico de 4 GN/m-2; resisten muy bien el corte y son ideales para la absorción de impactos. El Nomex es ignifugo y resistente a la abrasión y los agentes químicos.

Otras fibras cerámicas: incluye las fibras de boro (formadas por deposición en fase de vapor sobre filamento de C o W) y las de Al2O3, que evita la reacción entre fibra y matriz a elevada temperatura cuando los materiales compuestos son metálicos o cerámicos. Son fibras caras y por ello poco usadas.

Cargas y aditivos

Aportan características particulares al producto (aditivos) o rebajan su coste y peso (cargas). Se busca siempre la compatibilidad con matriz, además de estabilidad química, precio, y por supuesto las propiedades que son capaces de aportar.

Cargas: Con ellas se busca reducir el precio o el peso del material, aunque algunas aportan propiedades específicas. Actúan sobre la resina aumentando su viscosidad, densidad, módulo de elasticidad, dureza y estabilidad dimensional, pero disminuyen la resistencia a tracción y flexión. En general, cuanto más fino sea el grano, mejores propiedades proporcionan. Se diferencian entre cargas de refuerzo, que reparten los esfuerzos por todo el material (microesferas de vidrio, carbono o poliméricas) y las que no lo son, que aportan resistencia al fuego (hidrato de aluminio, oxido de antimonio o borato de cinc) o conductividad eléctrica o térmica (polvos metálicos de Al, Cu, Ni, Ag, Fe, microesferas metalizadas y negro de carbón).

Aditivos: Se añaden en muy baja cantidad; sirven como catalizadores de curado, lubricantes internos (disminuyen la viscosidad) y externos (evitando la tendencia a pegarse al molde), pigmentos y colorantes (mejoran la apariencia o la resistencia a radiación UV), o agentes antiretracción (consiguen mejor acabado superficial).