Resumen de Metalogía

Unidad 1: ARREGLO ATÓMICO

Estructura cristalina, red espacial, celda unitaria

Los átomos tienden a adoptar posiciones fijas, esto da lugar a la formación de cristales en estado sólido. La red tridimensional de líneas imaginarias que conecta los átomos se llama red espacial, en tanto la unidad más pequeña que tiene la simetría total del cristal se llama celda unitaria (menor subdivisión de una red espacial). La celda unitaria está definida por sus parámetros que son los bordes y los ángulos. Hay 14 tipos posibles de redes espaciales y pueden clasificarse en 7 sistemas cristalinos. La mayoría de los metales importantes se cristalizan en los sistemas cúbicos o hexagonales, y en solo 3 tipos de redes espaciales: bbc (cúbica centrada en el cuerpo: Fe alfa, Cr, Mo, W, V), fcc (cúbica centrada en las caras: Al, Ni, Cu, Ag, Pb, Fe gamma) y cph (hexagonal compacta: Mg Be, Zn).

Factor de empaquetamiento

Nos permite conoces la cantidad de materia que existe en cada celdilla unitaria.

Coordenadas de Puntos

Se pueden ubicar ciertos puntos en la red o celda unitaria, como por ejemplo las posiciones de los átomos.

Direcciones en la celda unitaria

Hay direcciones en la celda que tienen interés especial. Los índices de Miller de las direcciones son la anotación abreviada para describir esas direcciones. Hay que restar las coordenadas del punto de “cola” de las coordenadas del punto de “cabeza” y luego eliminar fracciones y/o reducir resultados.

Las direcciones cristalográficas se utilizan para indicar determinada orientación de un solo cristal o de un material policristalino. Por ejemplo, los metales se deforman más fáciles en direcciones a lo largo de los cuales los átomos están en contacto más estrecho.

Plano cristalográfico

Las capas de los átomos o los planos sobre los cuales están ordenados los átomos se conocen como planos atómicos o cristalográficos.

Plano denso

Es el que tiene todo los iones en contacto agrupados de forma de obtener la máxima densidad planar posible.

Dirección compacta

Es aquella en la cual los iones están todos en contacto de forma de obtener la máxima densidad lineal posible.

Sistema de deslizamiento

Es por donde la deformación del metal es más fácil ya que necesita un esfuerzo menor para poder realizarla.

Comportamiento isótropo y anisótropo

A causa de las diferencias de arreglo atómico en los planos y direcciones dentro de un cristal, también varían algunas propiedades con la dirección. Un material es cristalográficamente anisótropo si sus propiedades dependen de la dirección cristalográfica en la cual se mide la propiedad. Como por ejemplo el modulo de

elasticidad no es igual en todas las direcciones. Si las propiedades son idénticas en todas las direcciones se dice que el material es cristalográficamente isótropo.

Transformaciones alotrópicas

El polimorfismo es la propiedad de un material de existir en más de un tipo de red espacial en estado sólido. Si el cambio en estructura es reversible, entonces el cambio polimórfico se conoce como alotropía. Por los menos 15 metales muestran esta propiedad, siendo el hierro el mejor ejemplo. Cuando Fe esta a 1538ºC - 1403ºC es bcc (Fe delta), a 1403ºC – 911ºC es fcc (Fe gamma) y cuando está por debajo de 911ºC es bcc (Fe alfa).

Unidad 2: IRREGULARIDADES DEL ARREGLO CRISTALINO Y MOVIMIENTO DE LOS ÁTOMOS

Imperfecciones del cristal

Es evidente que la mayoría de los materiales, al solidificarse, están constituidos por muchos cristales o granos. Una velocidad de crecimiento muy lenta, requiere depositar sobre la superficie unas cien capas de átomos por segundo. Todos estos átomos deben depositarse exactamente en el orden correcto para que el cristal sea perfecto, por ende no sorprende que muy pocos cristales sean perfectos y que existan imperfecciones. Estas imperfecciones se pueden clasificar en 3 grupos:

1. Puntuales

Discontinuidades de la red que involucran a uno o varios átomos

Vacancias

Consiste en la ausencia de iones del ordenamiento regular de la red. Se producen durante la solidificación a altas temperaturas durante el crecimiento de los cristales. A media que aumenta la temperatura del material aumenta cantidad de vacancias.

Intersticiales

Consiste en la ubicación de un ion en una posición ajena a la regularidad del ordenamiento de la red.

Defecto de Frenkel

Se produce cuando un ion salta desde un nodo a un sitio intersticial dejando una vacancia en su lugar.

2. Lineales (dislocaciones) Son defectos que dan lugar a una distorsión de la red centrada en torno a una línea. Se crean durante la solidificación de los sólidos cristalinos o por deformación plástica.

Dislocaciones de cuña

Se crea por inserción de un semiplano adicional de átomos dentro de la red. Los átomos por encima de la línea de dislocación, que se encuentra perpendicular al plano de la página, en el punto donde termina el semiplano insertado, se encuentran comprimidos y los que están por debajo se encuentran apartados. La magnitud de esta distorsión decrece con la distancia al semiplano insertado.

Dislocaciones helicoidales

Se llama así debido a la superficie espiral formada por los planos atómicos alrededor de la línea de dislocación y se forman al aplicar un esfuerzo cizallante. La parte superior de la región frontal del cristal desliza una unidad atómica a la derecha respecto a la parte inferior.

Dislocaciones mixtas

Dislocación formada por las dos anteriores, una de cuña y una helicoidal.

3. Superficiales

Son las que separan a la estructura cristalina en regiones.

Borde de grano

Se forma cuando se interfiere el crecimiento de los granos. Se crean zonas de contacto entre ellos.

Borde de subgrano

Se forma cuando se alinean dislocaciones motivado por una deformación plástica

Fallas de apilamiento

Es una interrupción en la secuencia de ordenamiento de planos densos en las estructuras compactas fcc y cph. Hay dos tipos:

si se perturba el crecimiento de la estructura cristalina durante la solidificación y se inicia en forma incorrecta la formación de una nueva capa, esta puede incorporarse en la estructura debido a un enfriamiento rápido denominándose falla de crecimiento

cuando el apilamiento en la región entre dos dislocaciones se interrumpe tenemos una falla de deformación

Vacancia Dislocación de cuña

Dislocación helicoidal

Tamaño de grano

El tamaño de grano está determinado por la relación entre la rapidez de crecimiento y la rapidez de nucleación. Si el número de núcleos es alto se producirá un material de grano fino, y si solo se forman unos pocos núcleos se producirá un material de grano grueso. El enfriamiento rápido dará como resultado que se formen una gran numero de núcleos y se obtenga un tamaño de grano fino, en tanto que el enfriamiento lento solo se forman algunos núcleos y tendrán la oportunidad de crecer, consumiendo el líquido antes que se puedan formar mas núcleos.

En general, los materiales de grano fino muestran mejor tenacidad o resistencia al impacto, además son más duros y fuertes que los materiales de grano grueso.

Medición del tamaño de grano

1. Método de comparación (recomendado para granos de ejes iguales)

Se prepara una probeta y se ataca y luego se proyecta una imagen de 100x comparándola contra una serie de patrones estándar clasificados que cubren diversos tamaños de grano. Mediante prueba y error se encuentra un patrón que coincide con la muestra en estudio. El número de de tamaño de

grano ASTM n puede obtenerse con: donde N es el número de tamaño de granos

observados por pulgada cuadrada a una amplificación de 100x.

2. Método de intercepción (recomendado para granos que no sean de ejes iguales)

El tamaño de grano se estima contando por medio de una pantalla dividida de vidrio o sobre la propia muestra, el número de granos intersecados por una o más líneas rectas. Los granos tocados por el extremo de una línea se cuentan solo como medios granos. Las cuentas se hacen en 3 posiciones distintas para tener un promedio razonable.

3. Método planimétrico

Un círculo de 5000 mm2 se inscribe una fotomicrografía con una amplificación tal que de por los menos 50 granos en el campo que va a contarse. La suma de todos los granos incluidos más la mitad del número de granos intersecados por la circunferencia da el número total de granos dentro del área. Si se conoce la amplificación de la muestra puede determinarse el número de granos por milímetro cuadrado.

Mecanismos de difusión

1. Mecanismo de difusión por vacantes o sustitucional

Los átomos pueden moverse en las redes cristalinas desde una posición a otra si hay presente suficiente energía de activación, proporcionada ésta por la vibración térmica de los átomos, ubicándose en las vacantes de la estructura. Según va aumentando la temperatura del metal se producirán más vacantes y habrá más energía térmica disponible, por tanto, el grado de difusión es mayor a temperaturas más altas. La energía de activación para la difusión propia es igual a la suma de la energía de activación necesaria para formar la vacante y la energía de activación necesaria para moverla.

2. Mecanismo de difusión intersticial

La difusión intersticial de los átomos en redes cristalinas tiene lugar cuando los átomos se trasladan de un intersticio a otro contiguo al primero sin desplazar permanentemente a ninguno de los átomos de la matriz de la red cristalina. Para que el mecanismo intersticial sea efectivo, el tamaño de los átomos que se difunde debe ser relativamente pequeño comparado con el de los átomos de la matriz. Los átomos pequeños como los de hidrógeno, carbono, oxígeno y nitrógeno, pueden difundirse intersticialmente en algunas redes cristalinas metálicas.

Leyes de la difusión

Estado estacionario

Se emplea un signo negativo debido a que la difusión tiene lugar de una concentración mayor a una menor, es decir, existe un gradiente de difusión negativo. Esta ecuación es llamada primera Ley de Fick y afirma que para

condiciones de flujo en estado estacionario, la densidad de flujo neto de átomos es igual a la difusividad D por el gradiente de concentración dC/dX.

Los valores de la difusividad dependen de muchas variables, las más importantes son las siguientes:

El tipo de mecanismo de difusión La temperatura a la cual ocurre la difusión El tipo de estructura cristalina de la red matriz. El tipo de imperfecciones cristalinas. La concentración de las especies que se difunden.

Estado no estacionario

Para casos de difusión en estado no estacionario, en el cual la difusividad es independiente del tiempo, se aplica la segunda ley de Fick sobre difusión, así:

Esta ley establece que la velocidad de cambio de la composición de la muestra es igual a la difusividad por la velocidad de cambio del gradiente de concentración

Unidad 3 PROPIEDADES MECÁNICAS DE LOS METALES

Comportamiento de un material

Se dice que un cuerpo se comporta:

Elásticamente cuando las deformaciones producidas en el cuerpo tensionado desaparecen totalmente y recupera su forma y medidas iniciales al cesar las fuerzas actuantes.

Plásticamente cuando al cesar la solicitación las partículas quedan en la posición alcanzada sin retornar a s estado inicial. La plasticidad es un comportamiento muy importante para los metales ya que interviene en todos los procesos de conformación (laminación, forja, doblado, estirado, embutido). Si un metal en determinadas condiciones presenta una deformación considerable antes de alcanzar la rotura, se le atribuye un comportamiento dúctil, si en cambio presenta un campo plástico restringido o casi nulo, decimos que su comportamiento es frágil

Viscosamente cuando al cesar la solicitación, las partículas continúan trasladándose con el transcurso del tiempo por efecto de su propia masa. Se presenta cuando la velocidad de deformación en el

deslizamiento es proporcional a la tensión tangencial que lo origina.

Tensión y deformación unitaria

Cuando se aplican fuerzas externas a un cuerpo se originan reacciones dentro de él que se denominan tensiones. El estado puede tener 1, 2 o 3 componentes

Deformación unitaria o específica (ε)

Es la relación entre la variación de longitud o deformación absoluta y la longitud inicial de la barra.

Cuando una barra es sometida a una fuerza F de tracción en la dirección X, simultáneamente se produce el

alargamiento y una contracción transversal en las dirección Y y Z que denominaremos .

Ley de Hooke

Características mecánicas de un material

Rigidez

Esta propiedad está dada por el módulo de elasticidad E de cada metal, que corresponde a la pendiente del tramo recto inicial del comportamiento elástico del diagrama σ-ε y que nos da una idea de la resistencia del metal a las deformaciones elásticas.

Ductilidad

Esta característica esta dad por dos parámetros de deformación: el alargamiento de rotura A y la reducción de área Z, que presentan los siguientes valores porcentuales.

Resistencia

Se denomina resistencia a la tracción convencionalmente al cociente entre la fuerza máxima alcanzada en la solicitación simple de tracción y el área de la sección transversal inicial.

Tenacidad y Resiliencia

La tenacidad W de un metal está dada por la energía necesaria por unidad de volumen para alcanzar la rotura del mismo y se puede determinar por el área completa σ-ε. Este valor dependerá de la resistencia y del alargamiento. Otro valor mucho más utilizado es la resiliencia ρ que corresponde a la energía necesaria para alcanzar el limite elástico y cuyo valor, al igual que la tenacidad, esta expresado en J/m3

Unidad 4 ENSAYOS MECÁNICOS

Clasificación de los ensayos

1. Ensayos estáticos:Son aquellos donde las deformaciones se imponen lentamente hasta alcanzar un valor determinado o hasta alcanzar la falla o rotura con valores de deformación lentas. Pueden ser simple: tracción, compresión, flexión, torsión y corte; o compuestas: flexo-compresión, flexo-torsión. También están dentro de estos ensayos los de aptitudes especiales: doblado, embutido, aplastamiento, abocardado, pestañado, dureza

2. Ensayos dinámicosLas deformaciones imuestas crecen bruscamente hasta alcanzar la rotura del material: flexión por impacto y dureza por rebote

3. Ensayos de larga duraciónPueden ser ensayos repetidos donde las cargas de deformaciones varían con el transcurso del tiempo: fatiga; ensayos estáticos donde las cargas de deformación son constantes en el tiempo: creep (cuando se mantiene la carga constante) y los de relajación (se mantiene la deformación constante)

Equipos e instrumentos necesarios

Maquina de ensayoEquipos que reproducen casos simples de solicitación, ya sea dinámica o estáticamente con el objeto de determinar ciertas propiedades mecánicas.

Dispositivos de accionamientosPor medio del cual se imponen deformaciones o se aplican cargas o pares a la probeta. Puede ser mecánico (accionado por un tornillo) o hidráulico (accionado por un por un pistón y un fluido)

Dispositivo dinamométricoPor medio del cual se miden e indican las fuerzas durante el ensayo

o Deformación de un elemento elástico: Resortes calibrados Anillos dinamométricos Barras de torsión

o Aplicación del principio de palanca A pesas y palancas fijas o variables A péndulo

o Por medición directa o indirecta de la presión un fluido A capsula hidráulica

InstrumentosLos necesarios para determinar las medidas preliminares de la probeta y para definir los valores de deformación permanente: reglas, calibres, micrómetros, goniómetros.

o Extensómetros: se utilizan para medir deformaciones Mecánicos: se usan exclusivamente bajo la aplicación de cargas estaticas

A dial comparador Palancas múltiples

Eléctricos: registran deformación en función de algún parámetro eléctrico De inductancia variable De resistencia variable

Ópticos

o Comparadores : se utilizan para medir corrimientos en diversos ensayos o las flechas Mecánicos Electrónicos

Otroso Registradores X-Y: trazan las graficas de las cargas vs las deformacioneso Hornos eléctricos: para ensayos a temperaturas mayores que la ambienteo Cámaras fríaso Cámaras para corrosióno Cámaras acondicionadoras de humedad y temperatura constantes

Normas de ensayo

Condiciones geométricasEstán referidas a las medidas y formas de las probetas a utilizar; la aplicación de las cargas (centradas o exenticas) y la forma de aplicarlas (concentradas o distribuidas)

Condiciones mecánicasDispondrán de las velocidades de deformación y las velocidades de carga

Condiciones físicasDeterminaran la temperatura de realización y el medio

Algunas entidades reguladoras de dichas normas son: IRAM, ISO, ASTM, ANSI, SAE, AISI, DIN,

Ensayo de tracción

Consiste en deformar en forma creciente una probeta mediante solicitación axil simple de tracción hasta alcanzar la rotura, mientras se efectúan mediciones simultáneas de la carga y el alargamiento producidos. Se podrán determinar 4 de las propiedades mecánicas más importantes: resistencia, ductilidad, rigidez, tenacidad. Se considera el área de la sección constante lo que en realidad no es cierto, esto significa que las tensiones se obtienen siempre dividiendo las cargas por el área de la sección inicial. Idéntico criterio se sigue con las deformaciones, considerando constante la longitud.

Dentro de la zona de comportamiento elástico hay dos puntos característicos:

H – Límite de proporcionalidad: es la máxima tensión que se puede originar en el material sin apartarse de la ley de Hooke

B – Límite elástico: es la máxima tensión que el material es capaz de soportar sin que en la descarga se registren deformaciones permanentes

La determinación del límite elástico es difícil de determinar con exactitud, y por eso en la práctica se la suele reemplazar con la tensión que provoca una deformación permanente de 0,01%, (límite elástico técnico).

Si el acero no tiene aleantes y es de bajo o medio carbono y no ha sido deformado previamente, en la grafica de tensión – deformación al comienzo de la periodo plástico hay una zona de crecimiento de las deformaciones sin aumento de la carga o con oscilación de ella que se designa zona de fluencia. Si la carga es constante se define el límite de fluencia, y si la carga es oscilante se define el límite superior e inferior de fluencia. Al iniciarse este periodo en los ensayos de aceros dúctiles, se puede observar sobre la probeta las líneas de Lûders o de Hartmann que corresponden a los deslizamientos provocados por las tensiones a tangenciales a 45º.

El periodo estas cumple con la ley de Hooke siendo el modulo de elasticidad la pendiente de la recta y que es una medida de la rigidez del material. Si el material no posee fluencia definida, la colocación de un extensómetro es imprescindible para la determinación del límite elástico convencional

Límite convencional de fluencia

Es la tensión que corresponde a un alargamiento porcentual que generalmente es igual al 0,2% y se denomina límite 0,2. Para determinarlo se traza una recta paralela al recta del periodo elástico cortando en el eje de las deformaciones con el valor del alargamiento que corresponde, que puede ser 0,2% u otro valor. La intersección da el valor buscado

Tensión que corresponde a un alargamiento total

Es la tensión que corresponde a un alargamiento porcentual total (alargamiento elástico más plástico). Comúnmente se utiliza un alargamiento de 0,5% y se conoce como límite 0,5 bajo carga

La resistencia a la tracción

Características de ductilidad

Capacidad que presentan los metales para deformarse plásticamente antes de alcanzar la rotura. Está medida por dos parámetros: alargamiento a la rotura A y la reducción de área o estricción Z

Debemos tener en cuenta que el alargamiento que sufren los materiales dúctiles durante el ensayo hasta alcanzar la rotura no es uniforme porque está afectado por el fenómeno de estricción. Como consecuencia de este, el valor del alargamiento de rotura fundamentalmente dependerá de la longitud de referencia que se adopte. Tengo 3 tipos de alargamientos: uno elástico, uno plástico uniforme hasta la carga máxima y otro plástico localizado producido por la estricción de la probeta.

Ley de Homología o Ley de Barba

Expresa que la longitud de referencia debe guardar una relación constante con el diámetro o diámetro equivalente de la probeta, denominado diámetro equivalente el diamtero del redondo de igual área que una sección de cualquier forma. IRAM ha adoptado el valor k=5,65 que se obtiene de considerar L0=5 d0

Rigidez

Esta propiedad está dada por el módulo de elasticidad E de cada metal, que corresponde a la pendiente del tramo recto inicial del comportamiento elástico del diagrama σ-ε y que nos da una idea de la resistencia del metal a las deformaciones elásticas.

Tenacidad y Resiliencia

La tenacidad W de un metal está dada por la energía necesaria por unidad de volumen para alcanzar la rotura del mismo y se puede determinar por el área completa σ-ε. Este valor dependerá de la resistencia y del alargamiento. Otro valor mucho más utilizado es la resiliencia ρ que corresponde a la energía necesaria para alcanzar el limite elástico y cuyo valor, al igual que la tenacidad, esta expresado en J/m3

Velocidades de deformación

Pueden medirse según los siguientes criterios:

Por la velocidad de traslación del cabezal móvil con o sin carga Por el tiempo de duración del ensayo hasta la rotura Por el incremento de la carga Por la velocidad de alargamiento

La tensión debe realizarse de tal forma que la tensión originada resulte uniformemente distribuida sobre toda la sección. La velocidad máxima inicial debe ser de 30 N/mm2

Diagrama real y convencional

Las graficas de tracción obtenidas en el ensayo estándar están referidas a cargas y deformaciones absolutas y corresponden a las dimensiones reales de la probeta ensayada, por lo que la grafica F – ΔL siempre es real.

Si convencionalmente adoptamos como constantes el área de la sección y la longitud inicial, podremos trazar un diagrama que no altera su forma con respecto al F – ΔL y que se denomina σ – ε convencional

El diagrama convencional induce a creer que la rotura de los metales se produce con una tensión menor que no es la máxima, pero tenemos que tener en cuenta que el área de la sección real disminuye al deformarse axilmente la probeta y referir cargas a esas secciones instantáneas. Lo mismo ocurre con los alargamientos, a los que podemos referirlos a la longitud instantánea y no a la inicial, con lo que la grafica σ – ε adquiere otra forma.

Las tensiones reales son siempre mayores que las convencionales para cualquier punto a partir del límite elástico

Al sobrepasar el punto de carga máxima el estado tensional deja de ser axial simple, para convertirse en un estado triple de tensiones, como resultado del cuello que se forma en la probeta, a partir de este punto deja de tener validez la hipótesis de la constancia de volumen.

Verificamos que los alargamientos reales resultan más pequeños que los calculo convencional

Tipos de rotura

Rotura frágilRotura clásica de las fundiciones de hierro o de los aceros muy duros. No se producen deformaciones transversales (rotura plana)

Rotura semi dúctilDenominada “cono y copa”

Rotura dúctilSe observa una mayor estricción: rotura por clivaje y pico de pato

Rotura tenazTambién conocida como rotura en estrella

Unidad 5 DEFORMACIÓN PLÁSTICA

Importancia de la deformación plástica

1. Procesos de conformación (laminación, forja, estampado, embutido, doblado, etc)2. Seguridad de servicio (siempre es previa a la rotura)

Mecanismos de deformación

El análisis de los mecanismos de deformación se basa en la transmisión de los esfuerzos en el retículo y la correspondiente respuesta de las fuerzas de cohesión para lo cual consideraremos un cuerpo monocristalino. Como resultado de la aplicación de una fuerza mayor que el limite elástico, después de retirar la carga se ha producido un cambio de dimensiones a volumen constante.

Hay dos tipos de mecanismos de deformación:

1. Por deslizamiento

Si consideramos una red compacta bidimensional en estado de solicitación axil, la tensión actuante provoca el desplazamiento de un plano de átomos sobre el adyacente. Se presenta con mayor facilidad en los planos densos y dentro de dichos planos, en las direcciones compactas. En los planos de menor densidad se necesitara un esfuerzo de corte mayor para conseguir el deslizamiento. El valor de la tensión de corte mínima para iniciar el deslizamiento se llama tensión cizallante crítica τcr y por debajo de este valor las deformaciones son totalmente elásticas. Puede determinarse en función de los parámetros a y b de la red y el modulo G. Esta tensión aumenta cuando la temperatura disminuye, y disminuye debido a la presencia de

dislocaciones.

2. Por maclado

Es la principal deformación en los materiales que presentan una red hexagonal. Consiste en un movimiento de planos en la red, paralelo a un plano especifico, llamado plano de maclado. Estas maclas se pueden producir como resultado de una deformación mecánica o a causa de la nucleacion durante la transformación de fase. Se presenta por el corte uniforme de planos sucesivos de átomos en la red original. Para fcc no hay maclas mecánicas, para bcc aparecen maclas a bajas temperaturas o producidas por grandes velocidades de deformación.

Diferencias entre deslizamiento y maclado

1. En el deslizamiento los átomos se desplazan un número entero de espacios, mientras que en el maclado se desplazan cantidades fraccionarias.

2. El deslizamiento se presenta como líneas finas, mientras que el maclado aparece bajo la formas de bandas anchas.

3. En el deslizamiento hay muy poco cambio en la orientación reticular, mientras que en el maclado existe diferente orientación reticular.

Endurecimiento por deformación o acritud

El incremento por resistencia y dureza que tiene lugar por efecto de la deformación, se denomina acritud. Se produce por apilamiento de las dislocaciones contra los bordes de grano, anclajes de las dislocaciones en

planos de deslizamientos y por la propia deformación de la estructura. Wf es el índice acritud

Factores que aumentan la plasticidad

1. Presencia de inclusiones2. Tamaño de grano3. Temperatura4. Componentes microestructurales5. Velocidad de deformación

Cambio estructural

Debido al proceso de deformación plástica los granos adoptan una forma aplanada con una orientación preferencial. Esta distorsión es el producto del trabajo en frio.

Análisis de la deformación plástica

Cada vez que se aplica a un metal un esfuerzo mayor que el límite elástico y se descarga la pieza, se incrementará el límite elástico, la resistencia y la ductilidad irá disminuyendo. Se podrá incrementar la resistencia hasta que el límite elástico, la resistencia y la tensión de rotura fueran iguales y no hubiera ductilidad por haberse agotado, en este caso el metal ya no podrá deformarse más plásticamente. La respuesta del metal al trabajo en frio esta dado por el coeficiente de endurecimiento por deformación n, que

resulta ser la pendiente de la curva. donde k es el coeficiente de resistencia.

Multiplicador de dislocaciones

Este fenómeno consiste en que por efecto de las tensiones de corte que actúan sobre una dislocación anclada en dos puntos, esta se curva originando una dislocación mixta de cuña y helicoidal.

Recocido

Tratamiento térmico mediante el cual la estructura distorsionada de la red trabajada en frio retorna a un estado libre de tensiones residuales, con granos equiaxiales de menor o mayor tamaño, en función de la temperatura alcanzada y la cantidad de trabajo previo.

Recocido de regeneración

1. RecuperaciónConsiste en un calentamiento a bajas temperaturas para reducir o eliminar los esfuerzos residuales provocados por las deformaciones elásticas. La microestructura contiene granos deformados un gran número de dislocaciones que se mueven y reordenan en una estructura poligonizada cuando se calienta el material, mientras las tensiones residuales se reducen y finalmente se eliminan. Las propiedades mecánicas no presentan cambios apreciables, pero la conductividad eléctrica aumenta.

2. RecristalizaciónAumentando aun más la temperatura comienza la etapa de recristalización, que es la nucleación térmica y el crecimiento de nuevos granos que ahora poseerán pocas dislocaciones y que parecen por efecto de la activación que provoca el aumento de la temperatura, formándose núcleos en las zonas de mayor energía que son los bordes de grano y subgranos

Se denomina temperatura de recristalización a la que en un metal altamente deformado en frio, los

granos deformados son reemplazados pro granos equiaxiales en una hora. Para el acero

de bajo carbono la Trecr es 538ºC. A mayor cantidad de deformación previa menor será la temperatura necesaria para iniciar el proceso de recristalización.Es necesario que la deformación en frio sea de 3 a 8% para que haya recristalización.Bajas deformaciones previas conducen a la deformación de de pocos núcleos que formarán escasos granos de mayor tamaño que los primitivosGrandes deformaciones previas conducirán a obtener mayor número de núcleos de recristalización y la tendencia será de formar muchos granos de pequeño tamaño

3. Crecimiento de granoLos granos grandes tienen menor energía libre que los pequeños por tener menor cantidad de borde de grano, por lo tanto el estado de energía interna mínima para un metal seria el estado monocristalino. A cualquier temperatura, siempre hay un tamaño de grano máximo

Factores que determinan el tamaño final del grano recristalizado

1. Deformación previa2. Temperatura de recocido3. Tiempo de permanencia4. Impurezas insolubles5. Velocidad de calentamiento y enfriamiento

Trabajo en caliente y trabajo en frio

Cuando un metal es deformado plásticamente a una temperatura elevada, tienen lugar simultáneamente dos efectos:

Endurecimiento por deformación plástica Ablandamiento por la recristalización

Denominaremos trabajo en caliente al proceso que se realiza con una velocidad de deformación menor que la velocidad de recristalización

Denominaremos trabajo en frio cuando la velocidad de deformación sea mayor que la velocidad de recristalización

Unidad 9 ACEROS ESPECIALES Y FUNDICIONES DE HIERRO

Clasificación de los Aceros

1. Por el proceso de fabricacióna. Aceros al crisol b. Aceros al convertidor soplado con oxigeno c. Aceros eléctricos

2. Por su usoa. Aceros de construcción : aceros al carbono de baja y media aleación. Propiedades más

importantes: resistencia a la tracción, templabilidad y fatiga Aceros estructurales : vigas, perfiles, barras, chapas, tubos Aceros patinados : 0,4% de cobre, buena resistencia a la corrosión atmosférica. Se usan

en puentes o en torres de energía. Aceros automáticos : de bajo C, muy buena maquinabilidad, aptos para la producción

de tornillos. Pueden ser: o Resulfurados 1100 o Resulfurados y refosforados 1200 o Resulfurados y refosforados al plomo 12L14

Aceros de cementación: son de bajo carbono y tratados térmicamente alcanzan una gran dureza superficial y buena tenacidad en el núcleo

o Al cromo: para ejes 5120o Al cromo niqul: para engranajes 3310o Al cromo niquel molibdeno: para arboles de leva 8620

Aceros de nitruración: de medio carbono y que junto con el aluminio suministra las máximas durezas que se ven incrementadas por el cromo

Aceros de refinadcion: destinado al tratamiento térmico de temple y revenido para mejorar el limite elástico y la tenacidad

o Al cromo 5140 o Al cromo niquel 3140 o Al cromo molibdeno 4140 o Al cromo niquel molibdeno 8640

Aceros para elásticos o resorte: con manganeso y silicio para aumentar el límite elástico y la resistencia a la fatiga

o Al silicio 9260 o Al manganeso 1350 o Al cromo vanadio 6150

Aceros para rodamientos: de gran dureza otorgada por el cromo, se utilizan para la fabricación de bolillas, agujas, rodillos, discos. Al cromo 52100

Aceros para válvulas: sometidos a condiciones muy severas, resistente a altas temperaturas, alta resistencia a la formación de cascarilla y corrosión provocada por gases, alta resistencia al desgaste y al creep

b. Aceros par herramientas c. Aceros inoxidables d. Aceros refractarios

3. Por su características mecánicas4. Por su composición química

Aceros de bajo carbono (hasta 0.25%C)

Aceros de medio carbono (0.25% a 0.60% C)

Aceros de alto carbono (0.6% a 1.6% C)

Aceros aleados

Efectos de los aleantes

1. Mejoramiento de las propiedades mecánicasAumento de la resistencia a la tracción, dureza, al desgaste, fatiga, tenacidad, plasticidad. Mejora la maquinabilidad y la templabilidad

2. Mejoramiento de las propiedades magnéticas y eléctricasDisminución de histéresis y de pérdidas magnéticas en aceros de bajo carbono

3. Mejoramiento de las propiedades resistentes a agentes químicosReducción de la oxidación, y aumento de la resistencia a la corrosión

Formas de presentarse los aleantes

Disueltos en la ferrita: sustitución de los atomos de hierro, modificando las dimensiones de la red (Ni, S, Al, Cu, P, Co

Formando carburos: siempre que haya suficiente carbono tienen tendencia de formar carburo: Mn, Cr, V, Ti, Mo, W. Influyen sobre la temperatura de temple y contribuyen a reducir el crecimiento de grano Los de cromo y vanadio son los mas duros y resistentes al desgaste

Formando inclusiones no metálicas Como elementos en estado libre: el plomo y la plata son insolubles en la ferrita, y se encontraran en

forma de inclusiones metalicas en estado libre. El plomo mejora la maquinabilidad, ya que hace que la viruta no se pegue a la herramienta

Disueltos en la austenita

Influencia de los aleantes

Producen variaciones en:

El diagrama de equilibro metaestable: modifica las situación de los puntos críticos, la posición del punto eutectoide, las amplitud de los campos alfa y gamma

El tamaño de grano Templabilidad Tratamiento térmico de revenido

Aceros inoxidables

Presentan una excelente resistencia a la corrosión con 12% de Cr cuyo oxido forma una capa delgada que los proteje, pero si no han recibido el tratamiento térmico que corresponde su resistencia puede queda disminuida. No hay acero inoxidable que sirva para todo cualquier defecto o alteración superficial modifica las

condiciones del ataque. El cromo ejerce una influencia muy favorable cuando se encuentran en una solución per cuando se presenta como carburo no sirve para mejorar la resistencia a la corrosión. Pueden ser

Ferriticos: de bajo carbono con cantidades mayores a 12% Cr. No pueden ser tratados térmicamente ya que no admiten el temple. Son magnéticos y pueden trabajarse en frio y en caliente y tienen su máxima ductilidad y resistencia a la corrosión en estado recocido. Se utiliza para utensilios domésticos, elementos de cocina, industria alimenticia, adornos en automóvil.

Martensiticos: de 12% a 18% Cr y 0,1% a 1,2% C. Magnéticos endurecibles por temple. Posee bajas velocidades criticas de temple, con posibilidad de templar en aceite o en aire. Con alto carbono se usa para cuchillería, instrumentos quirúrgicos y válvulas, con bajo carbono se usa para tornillería, ejes de bombas y resortes.

Austeniticos: al Cr-Ni_Mn de bajo carbono, no son magneticos, con excelente ductilidad en estado recocido y buena resistencia a la corrosión. Al Cr-Ni presentan buena resistencia al creep a elevadas temperaturas. Se utiliza en la industria alimenticia, automotriz y ferroviaria.

Endurecidos por precipitación: al Cr-Ni con bajo C con agregados de Al, Cu obteniéndose máxima resistencia con menos resistencia a la corrosión.

Aceros para herramientas

Propiedades más importantes

Resistencia al desgaste: depende de la microestructura y de la dureza de la dureza de las zonas sometidas al desgaste. La fricción es elevada en herramientas cortantes y en matrices de conformación de metales en frio. Incorporando elementos formadores de carburos se aumenta notablemente esta propiedad

Tenacidad: es una propiedad necesaria para evitar roturas frágiles y prematuras ya que en general las piezas suelen estar sometidas a impactos mecánicos. Se logra con agregados de V, W, Mo, Cr, Mn. Depende del estado inclusionario, del tamaño de grano y la dosificación correcta de los elementos

Alta dureza a temperaturas elevadas: indispensable en matrices de forja y herramientas de alta velocidad. Se logra con agregados de Co, Cr, V, Mo. La indeformabilidad se puede definir como la tendencia a conservar la estabilidad dimensional después del temple. Además intervienen la conductibilidad térmica la dilatación.

Susceptibilidad a la descarburación

Clasificación de los aceros para herramientas

Aceros de temple al agua para trabajos en frioo W – Son de alto carbono con Cr y V para aumentar el temple y la resistencia al desgaste.

Tienen buena maquinabilidado F – Son de alto carbono con W, Cr y V

Ambos se usan en herramientas de corte de rendimiento moderado Aceros para trabajo en frio de baja deformabilidad

o O – De temple en aceiteo A – De temple al aireo D – Indeformables

Se utilizan para matrices de corte con buena estabilidad dimensional, cilindros y rodillos de conformación y lo D para patrones de medición y matrices de buloneria

Aceros para trabajos con impactoS – La principal propiedad es la tenacidad y se utilizan en maquinas neumáticas, punzones, matrices de estampar, arandelas Grower. Son aceros de medio carbono con Si, Cr, W, y V

Aceros rápidos

M – Son ledeburiticos templabes al aire de alto carbono con Cr, W, y V, que además pueden tener Mo o Mo y CoTR – aceros ledeburiticos de alto C y presentan dureza a altas temperaturas con Cr, Mo, W, V, y CoEn todos los casos el Co mejora la dureza en caliente y la conservan junto con el filo hasta los 600ºC. Son los aceros que tienen la mayor cantidad de aleantes, tienen temperaturas de temple muy altas y se usan para fresas, sierras herramientas de torno, matrices de extrusión y punzones de corte

Aceros para trabajos en calienteH – aceros al Cr con Mo, W, y V. Se utilizan en herramientas y matrices que requiera alta resistencia, alta dureza en caliente, alta tenacidad y resistencia al choque térmico como matrices para estampar o cortar en caliente, mandriles para extrusión en caliente, punzones, moldes para sinterizado de polvos metálicosC – es el único que posee Ni y se utiliza para trabajos en caliente que requieran alta resistencia, como émbolos de prensas de extrusión o tubos o perfiles