Preparación de Aleaciones Metálicas mediante Fundición

En su mayoría, los metales se procesan primero fundiendo el metal en un horno que actúa como el depósito del metal fundido.

Diferencia entre Productos de Aleación de Forja y Productos de Fundición

Forja: El metal es golpeado hasta darle la forma deseada. Esto se puede hacer con el metal caliente o se puede forjar en frío.

Fundición: El metal es fundido en un horno y después se vacía en un molde de refrigeración.

¿Por Qué los Lingotes de Metal Fundido se Laminan Primero en Caliente en Vez de Laminarlos en Frío?

Porque cuando el metal está caliente, con cada paso del rodillo se consigue una reducción de espesor mayor.

¿Qué Tipo de Tratamiento Térmico se da a una Lámina de Metal Laminada Después de una Laminación en Caliente? ¿Con Qué Propósito?

El recocido reblandece el metal con el fin de eliminar cualquier defecto introducido en el proceso de laminado en caliente.

Procesos de Extrusión

Describa e ilustre los siguientes tipos de proceso de extrusión:

  1. Extrusión directa
  2. Extrusión indirecta

¿Cuál es la ventaja de cada proceso?

Directa: La barra es introducida en una cámara de la prensa para ser forzada directamente por un pistón a pasar a través de la boquilla.

Indirecta: Un pistón hueco sujeta la boquilla y el lado opuesto de la cámara está cerrado por una placa. Las fuerzas de fricción y la potencia requeridas para la extrusión indirecta son menores que las necesarias en el método directo. Sin embargo, las cargas que pueden ser aplicadas usando un pistón hueco en el proceso indirecto son más limitadas que aquellas que se pueden usar en el proceso directo.

El Proceso de Forjado

Descripción del Proceso

El metal es golpeado o prensado a la forma deseada. La mayor parte de las forjas se realizan con el metal caliente.

Diferencia entre el Forjado por Martillo y la Forja por Prensa

Forja con martillo: Un martillo efectúa repetidamente golpes sobre la superficie del metal.

Forja de prensa: El metal es sometido a una lenta fuerza de compresión.

Forja de Matriz Abierta y Cerrada

Diferencias

Matriz abierta: Se lleva a cabo entre dos matrices lisas o matrices con formas muy simples como cavidades en pico o semicirculares. Es particularmente útil para producir piezas grandes, tales como árboles de transmisión para turbinas de vapor y generadores. El metal que ya está forjado es situado entre dos matrices, las cuales tienen la forma deseada.

Matriz cerrada: Puede llevarse a cabo mediante el uso de un par de matrices con una o varias impresiones.

El Proceso de Trefilado

Descripción

La barra inicial o alambre se estira por una o más matrices cónicas de trefilado. Para el trefilado del acero se inserta un punzón de carbono de wolframio en una carcasa de acero.

Importancia de la Limpieza y Lubricación

Es necesario asegurar que la superficie del cable entrante esté limpia y lubricada para reducir la fricción y evitar daños en la matriz y el cable.

Tensión en Ingeniería

Definición y Unidades

La tensión (σ) es el cociente entre la fuerza de tensión uniaxial media (F) y la sección transversal original (A0):

σ = F / A0

Unidades comunes:

  • N/m2 (Pascales, Pa)
  • lbf/pulg2 (psi)

1 N/m2 = 1 Pa

Relación entre Deformación y Porcentaje de Deformación

Cuando a un metal se le aplica una fuerza de tensión, se produce un estiramiento. Este estiramiento es la deformación. El porcentaje de deformación indica cuánto se estiró el material en relación con su longitud original.

Dureza de un Metal

Definición

Es una medida de la resistencia de un metal a la deformación permanente (plástica) en su superficie.

Determinación

Se mide forzando un penetrador en la superficie del metal. El material del penetrador, que es usualmente una bola, pirámide o cono, está hecho de un material mucho más duro que el material bajo ensayo.

Tipos de Penetrador

  • Ensayo de Brinell: Esfera de 10 mm de acero o carburo de wolframio.
  • Ensayo de Rockwell: Cono de diamante.
  • Ensayo de Vickers: Pirámide de diamante.
  • Ensayo de Rockwell superficial: Esfera de acero de 1/16 pulg. de diámetro.

Bandas de Deslizamiento y Líneas de Deslizamiento

Definición

Bandas de deslizamiento: Son marcas escalonadas que deja un metal al sufrir deformación permanente.

Líneas de deslizamiento: Se crean cuando se mueven las bandas de deslizamiento y estas forman planos de deslizamiento. Las bandas de deslizamiento son causadas por el deslizamiento o deformación de cristales de los átomos metálicos sobre planos cristalográficos específicos denominados planos de deslizamiento.

Deslizamiento en Direcciones de Mayor Empaquetamiento

El deslizamiento se ve favorecido en los planos más compactos puesto que se necesita menos tensión de cizalla para el deslizamiento atómico que para planos menos compactos.

Sistemas de Deslizamiento en Metales FCC, BCC y HCP

Metales FCC (Cúbica Centrada en las Caras)

  • Plano de deslizamiento: {111}
  • Dirección de deslizamiento: <110>
  • Número de sistemas de deslizamiento: 4 x 3 = 12

Metales BCC (Cúbica Centrada en el Cuerpo)

  • Plano de deslizamiento: {110}
  • Dirección de deslizamiento: <111>
  • Número de sistemas de deslizamiento: 6 x 2 = 12

Metales HCP (Hexagonal Compacta)

  • Plano de deslizamiento: {0001}
  • Dirección de deslizamiento: <1120>
  • Número de sistemas de deslizamiento: 1 x 3 = 3

Tensión de Cizalla Crítica en Monocristales

Es la tensión de cizalla necesaria para producir un desplazamiento en el cristal cuando la tensión de cizalla en el plano de deslizamiento alcanza un nivel requerido.

Bajos Valores de Tensión de Cizalla Crítica en Metales FCC

Metales puros con estructura FCC, como la plata (Ag) y el cobre (Cu), tienen bajos valores de tensión de cizalla crítica debido a sus múltiples sistemas de deslizamiento.

Altos Valores de Tensión de Cizalla Crítica en Titanio HCP

El titanio HCP tiene altos valores de tensión de cizalla crítica debido a su enlace covalente mezclado con enlace metálico, siendo el enlace metálico esparcido el responsable de este alto valor.

Deformación por Maclado

Descripción del Proceso

En este proceso, una gran parte de la red atómica se deforma de tal modo que genera una imagen especular de la red formada. El plano cristalográfico de simetría entre la parte deformada y la no deformada se denomina plano de macla.

Diferencia entre Deslizamiento y Maclado

Deslizamiento: Todos los átomos situados en uno de los lados del deslizamiento se desplazan a igual distancia.

Maclado: Los átomos se mueven a distancias proporcionales a su distancia del plano de maclado.

Importancia del Maclado en la Deformación Plástica

Los cambios de orientación producidos por el maclado pueden orientar adecuadamente el nuevo sistema de deslizamiento respecto a la tensión de cizalladura, permitiendo así que tenga lugar un deslizamiento adicional.

Importancia del Maclado en Metales HCP

El maclado es el proceso más importante en la estructura HCP debido a su reducido número de sistemas de deslizamiento. No obstante, incluso con la ayuda del maclado, metales HCP como el zinc y el magnesio son menos dúctiles que los metales FCC y BCC.

Fronteras de Grano y Deslizamiento

Evidencia Experimental

La ecuación de Hall-Petch es una ecuación empírica que relaciona la resistencia a la tracción de un metal con su diámetro de grano. Esta ecuación se basa en mediciones experimentales que muestran que las fronteras de grano detienen el deslizamiento en metales policristalinos.

Cambios en la Forma del Grano Durante la Laminación en Frío

Durante la deformación plástica en frío, los granos son cizallados unos respecto a otros mediante la generación, movimiento y ordenación de dislocaciones. Esto provoca que los granos se alarguen en la dirección de laminación.

Endurecimiento por Solución Sólida

Descripción

La adición de uno o más elementos al metal puede aumentar la resistencia por la deformación de una solución sólida. Hay dos factores importantes que afectan el endurecimiento por solución sólida:

  1. Factor del tamaño relativo: La diferencia entre el tamaño de los átomos del soluto y los del disolvente afecta al endurecimiento porque afecta a la distorsión de la red, dificultando el movimiento de las dislocaciones, es decir, endureciendo el metal.
  2. Orden de corto alcance: Las disoluciones sólidas rara vez presentan una distribución aleatoria de los átomos que la constituyen. Por el contrario, tienden a formar una cierta ordenación atómica a corto alcance como consecuencia de las diferentes estructuras de enlace. Esta ordenación a corto alcance también impide el movimiento de las dislocaciones.

Estados Metalúrgicos Durante el Trabajo en Frío y Tratamiento Térmico

Los tres estados metalúrgicos principales por los que pasa una lámina de metal trabajado en frío, como el aluminio y el cobre, al calentarla desde la temperatura ambiente hasta una temperatura elevada son:

  1. Recuperación
  2. Recristalización
  3. Crecimiento de grano

Recuperación

Durante la recuperación, se generan subgranos con límites de grano de ángulo pequeño. Este proceso se denomina poligonización y frecuentemente es un cambio estructural que precede a la recristalización. Durante la recuperación, se relajan las tensiones internas del metal, la resistencia se reduce ligeramente, pero aumenta significativamente su ductilidad. La energía interna es menor que la del estado trabajado en frío.

Recristalización

Cuando se calienta un metal trabajado en frío hasta el rango de temperatura donde tiene lugar la recristalización, se nuclean nuevos granos libres de deformación en la estructura del metal recuperado. Estos nuevos granos crecen, formando una estructura de metal recristalizado. La estructura del trabajo en frío se reemplaza completamente por una estructura de grano recristalizado. La resistencia a la tracción de un metal trabajado en frío disminuye de forma importante y su ductilidad aumenta.

Mecanismos de Recristalización

Los dos mecanismos principales por los cuales puede producirse la recristalización son:

  1. Un núcleo aislado puede expandirse en un grano deformado.
  2. Un límite de grano de ángulo grande puede emigrar hacia una región fuertemente deformada del metal.

Factores que Afectan la Recristalización

Los cinco factores que afectan el proceso de recristalización son:

  1. Cantidad de deformación previa del metal.
  2. Temperatura.
  3. Tiempo.
  4. Tamaño del grano inicial.
  5. Composición del metal o aleación.

La recristalización de un metal puede tener lugar en un intervalo de temperaturas y este intervalo depende en cierta forma de las variables citadas.

Fractura Dúctil

Etapas

  1. La muestra presenta una estricción y se forman cavidades en la zona de estricción.
  2. Las cavidades formadas se juntan, generando una fisura en el centro de la probeta que se propaga hacia la superficie de la misma y en dirección perpendicular al esfuerzo aplicado.
  3. Cuando la fisura se aproxima a la superficie, la dirección de la misma cambia 45° respecto al eje de tensión y se genera una fractura del tipo cono y copa.

Fractura Frágil

Etapas

  1. La deformación plástica concentra las dislocaciones a lo largo de los planos de deslizamiento en los obstáculos.
  2. El esfuerzo constante se acumula en los lugares donde las dislocaciones están bloqueadas y, como resultado, se nuclean microfisuras.
  3. Un esfuerzo posterior propaga las microfisuras y la energía de deformación elástica almacenada puede contribuir a la propagación de la misma.

Ensayo de Impacto Charpy

Descripción

El ensayo de impacto Charpy consiste en colocar una probeta Charpy con muesca en V en posición horizontal, con la muesca orientada en dirección opuesta al impacto. Un péndulo con una masa y altura determinadas se libera y golpea la probeta en su trayectoria descendente, fracturándola. La energía absorbida por la probeta durante la fractura se mide y se utiliza para determinar la tenacidad del material.