Aleaciones y Microestructuras

Conceptos Básicos

Aleación: Material compuesto formado por la mezcla de dos elementos, siendo al menos uno de ellos un metal.

Aleación isomorfa binaria: Aleación entre dos metales que son 100% solubles en cualquier rango de composición (ej: Cu + Ni).

Aleación eutectica binaria: Aleación entre dos metales cuya solubilidad es limitada en el rango de composición (ej: Pb + Sn) (Cu + Ag).

Fase: Fracción homogénea de un sistema que tiene características físicas y químicas uniformes.

Microestructuras: Disposición, distribución y características de las fases y constituyentes presentes a nivel microscópico en una aleación. Se forman por procesos de enfriamiento y tratamiento térmico.

Microconstituyentes: Diferentes fases o estructuras que se forman en la microestructura de una aleación. Pueden ser identificados por técnicas de microscopía.

Puntos en un Diagrama de Fases

Punto eutéctico: Punto de un diagrama de fases en aleaciones eutécticas donde por reacción eutéctica se pasa de una fase monofásica líquida a una fase bifásica sólida.

Punto eutectoide: Punto de un diagrama de fases en aleaciones eutécticas donde por reacción eutectoide se pasa de una fase monofásica sólida a una fase bifásica sólida.

Punto peritéctico: Punto de un diagrama de fases en aleaciones peritécticas donde por reacción peritéctica se pasa de una fase bifásica (sólido + líquido) a una fase monofásica sólida.

Transformaciones de Fase

Transformación de fase congruente: Proceso en el cual la composición química de la fase inicial se mantiene constante durante toda la transformación (ej: transformación eutéctica).

Transformación de fase incongruente: Proceso en el cual la composición química de la fase inicial varía convirtiéndose en dos o más fases al cambiar las condiciones del sistema (ej: transformación eutectoide).

Otros Fenómenos

Segregación: En un cristal, fenómeno por el cual al enfriar rápidamente se forma un gradiente de concentraciones a través de los granos, generando una estructura nucleada.

Aceros

Fases y Microestructuras en Aceros

Austenita: Fase sólida de la aleación Fe-C que presenta estructura cristalina FCC.

Ferrita: Fase sólida de la aleación Fe-C que se da cuando el %C en la aleación es <0,008%. Es la forma más estable del Fe a temperatura ambiente y tiene estructura cristalina BCC.

Cementita: Compuesto intermetálico presente en el sistema Fe-C que es metaestable por encima de 600-700ºC. Se forma cuando el %C es aproximadamente de 6,7%. Es duro y frágil y se descompone en Fe y grafito.

Perlita: Microestructura que se forma al enfriar austenita por debajo de la temperatura eutectoide. Sus microconstituyentes son láminas de ferrita y cementita alternadas.

  • Perlita gruesa: Microestructura que se forma en aleaciones de acero al enfriar lentamente a temperatura elevada por debajo de la temperatura eutectoide. Sus microconstituyentes son láminas de ferrita y cementita más anchas.
  • Perlita fina: Microestructura que se forma en aleaciones de acero al enfriar rápidamente a temperatura menos elevada por debajo de la temperatura eutectoide. Sus microconstituyentes son láminas de ferrita y cementita más estrechas.

Bainita: Microestructura que se forma en aleaciones de acero cuando se enfría a velocidad moderada la austenita. Se forma por procesos de difusión y sus microconstituyentes son agujas de cementita en una matriz de ferrita. La formación de la bainita compite con la formación de perlita. Es una fase metaestable.

Esferoidita: Microestructura que se forma en aleaciones de acero cuando calentamos la microestructura perlítica o bainítica por debajo de la temperatura eutectoide durante un tiempo largo. Sus microconstituyentes son pequeños glóbulos de cementita en una matriz de ferrita.

Martensita: Microestructura que se forma en aleaciones de acero. Tiene lugar sin difusión por lo que es una estructura metaestable. Se forma por enfriamiento rápido de la austenita a T<215ºC (pasa de FCC a BCT). Los microconstituyentes son agujas de martensita.

Martensita revenida: Microestructura que se forma en aleaciones de acero. Tiene lugar al realizar un tratamiento de revenido a la martensita para mejorar su tenacidad y resistencia.

Tipos de Acero

Acero: Aleación férrea de Fe-C en la que el %C está entre 0,008% y 2,14%.

  • Aceros bajos en carbono: Aleación de Fe-C baja en %C (< 0,25%), formada por ferrita y perlita. Poco resistentes y blandos, dúctiles y tenaces. Los aceros de baja aleación son bajos en %C, con un tercer componente (Cu, Ni o Mo) en baja concentración. Son más resistentes y duros, muy dúctiles y tenaces.
  • Aceros medios en carbono: Entre 0,25 y 0,60% C. La martensita revenida sería un acero medio en carbono. Más duros y resistentes, menos dúctiles y tenaces.
  • Aceros altos en carbono: Entre 0,60% y 1,4% C. También sería la martensita revenida. Los más duros y resistentes. Los menos dúctiles.
  • Aceros inoxidables: Contienen cromo (<11%). Resistentes a la corrosión. Se clasifican según su microestructura en: martensítico, ferrítico y austenítico.

Otros Materiales

Aleaciones No Férreas

Aleaciones no férreas: Aleaciones metálicas que no poseen Fe entre sus componentes. Se clasifican en:

  • Bronce: Aleación metálica compuesta principalmente de Cu+Sn, que es dura y resistente a la corrosión.
  • Latón: Aleación metálica compuesta principalmente de Cu+Zn que es dúctil y maleable y resistente a la corrosión.
  • Alpaca: Aleación metálica compuesta principalmente de Cu+Zn+Ni. Es resistente a la corrosión.
  • Metales refractarios: Metales con temperaturas de fusión muy altas y por ello son muy resistentes al calor y al desgaste (Mo, W, Nb).

Procesos de Conformación

Conformación metálica: Métodos utilizados para formar o manufacturar productos metálicos útiles.

  • Extrusión: Técnica de conformación metálica que consiste en aplicar un esfuerzo mecánico hasta la deformación plástica. Son cuatro: forja, laminado, extrusión y trefilado.
  • Forja: Proceso de extrusión en metales en el que se introduce un metal antes de punto de fusión en un molde y se le da forma.
  • Laminado: Proceso de extrusión en metales en el que se pasa el metal por dos rodillos para obtener una lámina.
  • Extrusión: Proceso de extrusión en metales (plásticos o cerámicas) donde el bloque metálico se comprime para obtener tubos metálicos.
  • Trefilado: Proceso de extrusión por el que un tubo metálico se somete a un alargado para obtener hilos metálicos como alambres.
  • Soldadura: Técnica de conformación metálica en la que se unen dos piezas metálicas por un proceso de difusión.
  • Pulvimetalurgia: Técnica de conformación metálica en la que se compacta un polvo metálico seguido de un tratamiento térmico para dar a la pieza más densidad.

Tratamientos Térmicos

Tratamiento térmico: Método utilizado en metales en el que se modifica la temperatura a la que están sometidos para cambiar la microestructura de la matriz.

  • Revenido: Tratamiento térmico que consiste en calentar acero tras su previo austenizado (calentamiento a temperatura elevada durante un periodo largo de tiempo hasta 100% austenita) y temple (enfriamiento brusco en un medio hasta 100% martensita), por el cual se calienta el acero martensítico a una temperatura inferior a la eutectoide durante un tiempo específico. Permite endurecer la martensita (microconstituyente final: martensita revenida).

Propiedades Mecánicas

Acridad: Capacidad de un material para resistir la deformación plástica por acción de una fuerza externa como la fricción, rascado, abrasión…

Templeabilidad: Capacidad de un material (generalmente aceros) para obtener la estructura martensítica dura al enfriar rápidamente desde una temperatura elevada.

Cerámicas y Vidrios

Zeolita: Son minerales microporosos, típicamente aluminosilicatos, que se utilizan en diversas aplicaciones industriales y ambientales. Su estructura tridimensional formada por tetraedros de sílice y alúmina crea cavidades y canales que pueden alojar moléculas de agua y cationes intercambiables. Esto les confiere propiedades como la capacidad de adsorción, intercambio iónico y catálisis.

Cemento: Es un material pulverizado que, al mezclarse con agua, forma una pasta que se endurece y se convierte en una masa sólida con propiedades cohesivas y adhesivas.

Moldeo en barbotina: Es un proceso de fabricación cerámica en el que se vierte una suspensión líquida de arcilla y agua (barbotina) en un molde poroso. El molde absorbe el agua de la barbotina, formando una capa sólida en su superficie interna. Una vez que se alcanza el espesor deseado, se retira el exceso de barbotina y se deja secar la pieza antes de desmoldarla. Este método se utiliza comúnmente para producir objetos huecos y detallados.

Vitrificación: Proceso mediante el cual un material se transforma en una sustancia vítrea o similar al vidrio, generalmente a través de la fusión y enfriamiento rápido. En la cerámica, esto ocurre cuando los componentes de la arcilla se funden parcialmente al ser sometidos a altas temperaturas, resultando en una superficie dura, brillante y no porosa. Este proceso mejora la durabilidad y la resistencia al agua de los productos cerámicos.

Sinterización: Proceso de fabricación en el cual se compactan y calientan partículas de material en polvo a una temperatura por debajo de su punto de fusión, permitiendo que se unan mediante difusión y recristalización. Este método se utiliza para producir componentes densos y sólidos, mejorando sus propiedades mecánicas y estructurales sin necesidad de fundir completamente el material. Es común en la fabricación de cerámicas, metales y otros materiales compuestos.

Vidrio: Material sólido amorfo y transparente, generalmente fabricado a partir de arena de sílice, carbonato de sodio y caliza, que se funden a altas temperaturas y luego se enfrían rápidamente para solidificarlo sin que cristalice. Este proceso produce un material duro y frágil.

Vitrocerámica: Material policristalino compuesto por vidrio y cerámica (SiO2-Al2O3-Li2O). Tiene alta resistencia mecánica, dilatación térmica baja y muy resistente a altas temperaturas.

Defectos en Sólidos

Disolución sólida: Mezcla homogénea de dos o más sólidos que se combinan a nivel molecular o atómico en una sola fase sólida. En una disolución sólida, los átomos, iones o moléculas de uno de los sólidos se dispersan uniformemente en la red cristalina del otro sólido, lo que resulta en una estructura cristalina continua y uniforme. Este fenómeno puede ocurrir debido a condiciones de alta temperatura durante la formación del sólido, sustituciones parciales de átomos o iones en la red cristalina, o una combinación de ambos.

Dislocación: Defecto lineal en la red cristalina de un material sólido, donde existe una interrupción o discontinuidad en la secuencia de átomos. Estos defectos pueden ser causados por tensiones mecánicas o térmicas durante el proceso de formación del cristal, y tienen un impacto significativo en las propiedades mecánicas del material, como su resistencia y ductilidad. Las dislocaciones pueden moverse dentro del cristal bajo la influencia de fuerzas externas, lo que afecta su capacidad para deformarse plásticamente y su comportamiento frente a la fatiga y la fractura.

Ecuación de Avrami: Expresión matemática utilizada para describir la cinética de transformaciones de fase especialmente en cristales.

Fundiciones

Fundición: Aleación Fe-C en la que el %C está entre 2,11% y 6,7%. Hay cuatro tipos: fundición gris, blanca, dúctil y maleable. En la mayoría aparece el C en forma de grafito.

  • Fundición gris: Aleación férrea de carbono grafito en escamas en una matriz de ferrita o perlita. Frágiles y poco resistentes. Amortiguan vibraciones.
  • Fundición dúctil o esferoidal: Se forma al calentar fundición gris y añadir Ce o Mg. Formada por esferoides de grafito en una matriz de ferrita o perlita. Dúctiles y resistentes.
  • Fundición de grafito compacto: Formada por esferoides y formas vermiculares de grafito en una matriz de ferrita o perlita. Mayor conductividad térmica, mayor resistencia al impacto térmico y menor oxidación a temperaturas altas.
  • Fundición blanca: Bajo contenido de Si. No hay grafito, está formada por cementita y perlita.
  • Fundición maleable: Se forma al calentar fundición blanca (800-900ºC). Formada por grafito en forma de rosetas en una matriz de ferrita o perlita. Resistente, dúctil y maleable.
  • Hierro al grafito: Fundición de Fe-C con un elevado %C. Buen conductor térmico. Su estructura es carbono grafito en forma de gusano en una matriz de ferrita o perlita.

Acero al carbono: Es la aleación de hierro y carbono, donde el contenido de carbono es el principal factor que determina sus propiedades. Este tipo de acero generalmente contiene menos de 2% de otros elementos de aleación, lo que lo hace relativamente económico y versátil.

Subenfriamiento y Sobrecalentamiento

Subenfriamiento: Enfriamiento fuera del equilibrio en un diagrama de fases.

Sobrecalentamiento: Calentamiento fuera del equilibrio en un diagrama de fases.