Resumen Final de Materiales (1)

RESUMEN DE MATERIALES

C-3.20.1 MATERIALES 2do Cuatrimestre 2013

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GENERALIDADES SOBRE MATERIALES.

Qu son los materiales? Son sustancias (elemento, compuesto qumico, aleacin o mezcla) con alguna propiedad til para el hombre, ya sea mecnica,

elctrica, ptica, trmica, etc.

Ciencia e ingeniera de los materiales. Ciencia de los materiales: investiga la relacin entre la composicin, la estructura, las propiedades y el desempeo basndose en

la combinacin de la fsica, la qumica y las matemticas (como est compuesto y que propiedades tiene).

Ingeniera de los materiales: comprende el desarrollo de aplicaciones tiles considerando el procesamiento de los materiales, sus

propiedades en relacin a las exigencias, su costo, sus posibilidades de conservacin y reciclado basndose en los conocimientos

de la Ciencia de los Materiales. Se ocupa de:

Seleccin de materiales (costo y desempeo).

Posibilidades de utilizacin y propiedades con el uso (no podes hacer una caja fuerte de madera).

Creacin de nuevos materiales.

Pone especial nfasis a la relacin existente entre las propiedades de los materiales y sus aplicaciones.

La clasificacin clsica de los materiales. Materiales metlicos: son resistentes, pueden ser conformados, poseen capacidad de deformarse permanentemente, son buenos

conductores de la electricidad y el calor y opacos a la luz pero son brillantes si estn recin pulidos o cortados. Ejemplo: aluminio,

acero, plata, oro, cobre, bronce.

Materiales cermicos: tienen mejores propiedades qumica, pueden tener elevadas resistencias pero son frgiles, resisten altas

temperaturas, son malos conductores de la electricidad y el calor, pueden variar de opacos a transparentes, son moldeables, son

ms resistentes a la compresin que a la traccin. Ejemplo: vidrio, porcelana, ladrillos, baldosas cermicas, muchos minerales.

Materiales polimricos: son livianos y en general se descomponen a temperaturas moderadas, son conformables, dctiles, menos

resistentes que los anteriores, tienen mayor reactividad qumica. Ejemplo: polietileno, nylon, tefln, tejidos animales, papel.

Materiales compuestos: preparados en base a dos o ms materiales bsicos diferentes para obtener propiedades que no se

consiguen con ninguno de los componentes en forma individual. Uno forma una matriz continua y el otro proporciona relleno o

refuerzo. Las propiedades dependen tanto de la matriz como del refuerzo. Ejemplos: plsticos reforzados con fibra de vidrio,

fibrocemento, hormign, morteros y revoques, madera terciada y aglomerada, gomas enteladas (neumticos).

Clasificacin de los materiales. Por sus funciones: estructurales, cerramiento, recubrimiento, esttica, conduccin, resistencia a agentes agresivos.

Por exigencias: capacidad para soportar cargas, deformabilidad, constancia de volumen, resistencia al medio ambiente,

aprovechamiento energtico y reciclabilidad, costo, condiciones (aislantes, conductoras, culturales y estticas).

Propiedades de los materiales.

Son las respuestas frente a un agente externo. Qumicas: vinculadas a su composicin qumica (elementos componentes, proporciones).

Fsicas: vinculadas a la estructura (color, densidad, peso), generalmente no se alteran por fuerzas que actan sobre el material.

Mecnicas: vinculadas a su resistencia frente a la accin de fuerzas y tensiones.

Elctricas: conduccin elctrica y propiedades dielctricas.

Magnticas: respuesta en presencia de un campo magntico.

pticas: respuesta frente a la accin de radiaciones, transparencia, opacidad.

Trmicas: respuesta frente al calor, conductividad trmica, poder aislante.

Propiedades mecnicas. Resistencia: capacidad de los materiales de soportar pesos y fuerzas sin romperse, fracturarse o agrietarse.

Elasticidad: capacidad de recobrar su forma y dimensiones primitivas cuando cesa el esfuerzo.

Dureza: capacidad de impedir la penetracin de otros objetos, en general en punta, o a ser rayado.

Tenacidad: capacidad de absorber gran cantidad de energa antes de romperse. Soportan esfuerzos bruscos sin romperse.

Ductilidad: capacidad de deformarse plsticamente antes de romperse.

Plasticidad: aptitud de algunos materiales slidos de adquirir deformaciones permanentes, sin que se produzca la rotura.

Resistencia a la fatiga: capacidad de soportar un gran nmero de esfuerzos repetidos.


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NORMAS Y ESPECIFICACIONES.

Qu es la normalizacin? Proceso para establecer ante situaciones reales o potenciales, disposiciones destinadas a usos comunes y repetidos con el objeto

de optimizar el ordenamiento tecnolgico poltico, econmico u otro.

Esta actividad se plasma en un documento llamado NORMA e implica la participacin de tres sectores que deben llegar al

consenso: productores, consumidores e intereses generales (cuidan que la norma no le haga dao al resto de la sociedad).

En nuestro pas la actividad de normalizacin corresponde al IRAM, existen adems otros organismos pblicos o privados.

Beneficios de la normalizacin.

Crea criterios mnimos operativos para un proceso, producto o servicio.

Promueve un idioma tcnico comn.

Favorece la libre circulacin de productos industriales.

Fomenta la competitividad y las nuevas tecnologas.

Ayuda a seleccionar productos ms aptos para un determinado objetivo (si todos cumplen con la norma tengo la garanta

de que estar comparando productos con ciertas caractersticas mnimas similares).

Promueve la racionalizacin en la produccin, la satisfaccin de los usuarios, la optimizacin de procesos y otorga

seguridad a instaladores y comunicadores.

Qu es una norma? Es un documento establecido por consenso y aprobado por un organismo reconocido que establece, para usos comunes y

repetidos, reglas, criterios o caractersticas para las actividades o sus resultados, que procura la obtencin de un nivel ptimo de

ordenamiento en un contexto determinado.

Consenso: acuerdo general al se llega mediante un proceso en el que se han tenido en cuenta todos los sectores interesados. No

implica unanimidad.

Es un documento pblico para ser consultado, referenciado y usado por quienes lo deseen. Su aplicacin es voluntaria pero las

autoridades pueden dictar reglamentos obligatorios que hacen referencia a la norma.

Son hechas por IRAM, quien forma parte del COPANT a nivel regional y de ISO a nivel internacional.

Cmo se produce una norma?

El proceso comienza con la SOLICITUD DE NORMA (un grupo de personas solicita a algn organismo que se realice la norma) y a

partir de ah se realiza un ESQUEMA que requiere de investigacin, bsqueda de antecedentes, referencia a normas extranjeras.

Luego se forma un ORGANISMO DE ESTUDIO formado por interesados que invita IRAM para que se renan y expresen lo que

piensan del esquema. Surge de all un ESQUEMA DE DISCUSION que es un borrador ms perfeccionado. Nuevamente el organismo

de estudio realiza observaciones hasta cierta cantidad de sesiones. Se arma un nuevo borrador e IRAM lo pone en DISCUSION

PUBLICA durante un tiempo (ej: 90das). En ese perodo cualquier persona puede realizar mediante un formulario observaciones.

Luego el organismo de estudio decide qu observaciones son vlidas y elabora un PROYECTO de norma. Un COMIT GENERAL

revisa el proyecto, verificando lenguaje tcnico, que no contradiga otras normas, etc. Luego queda constituida la NORMA IRAM.

Tipos de normas. Norma de terminologa: establece trminos generalmente acompaados de su definicin y a veces de notas explicativas,

ilustraciones, ejemplos, etc.

Norma de servicio: especifica los requisitos que debe satisfacer un servicio para garantizar su aptitud para su uso.


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Norma de proceso: especifica los requisitos que debe satisfacer un proceso para garantizar su aptitud para el uso.

Norma de producto: norma que especifica los requisitos que debe cumplir un producto para garantizar su aptitud para su uso.

Pueden incluir elementos relativos a terminologa, muestreo, ensayo, empaque, rotulado.

Norma de ensayo: suministra mtodos de ensayo, a veces acompaados de su definicin o de notas explicativas.

Gua tcnica: documento normativo que proporciona recomendaciones o pautas no obligatorias, con respecto a situaciones

repetitivas en un contexto dado.

Ejemplo de una norma que no existe: de cerraduras.

Especificaciones tcnicas. Conjunto de pautas normativas que rigen contractualmente la actividad industrial o comercial durante un proceso de

trasformacin de materiales, adquisicin de los mismos, elaboracin, colocacin, etc.

Son cuidadosamente elaboradas ya que constituyen un documento contractual, regulan la relacin entre el consumidor y el

proveedor. Regulan la relacin entre consumidor y proveedor. Tiene como objeto lograr una calidad ms uniforme, fomentar la

competencia entre proveedores, facilitar el control.

Especificaciones tcnicas generales: rigen la generalidad de las obras o tareas que es necesario ejecutar en una obra o

proceso de acuerdo con las reglas del arte.

Especificaciones tcnicas particulares: establecen excepciones, modificaciones o cambios, situaciones no previstas en

general que se especifican individualmente.

Todas las especificaciones se agrupan en un libro denominado Pliego de Especificaciones. Quienes especifican son la Direccin

Nacional de Vialidad, Direccin de Hidrulica, Municipalidad de Rosario, Direccin de Arquitectura, entes particulares.

Las certificaciones verifican que se cumplan las especificaciones.

Reglamentos. Conjunto de reglas para la realizacin de una actividad. Contiene normas y especificaciones. CIRSOC es el Centro de Investigacin

de los Reglamentos Nacionales de Seguridad de Obras Civiles. Su objetivo es la investigacin, desarrollo, actualizacin y difusin

de los Reglamentos y Cdigos de Seguridad, durabilidad y calidad de las estructuras y construcciones que se realicen en el pas,

respetando las caractersticas geopolticas, tcnicas y econmicas del pas y sus regiones.


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ENSAYOS DE MATERIALES. TIPOS Y EQUIPAMIENTO.

Tipos de ensayos. Ensayos cientficos: los resultados sirven para establecer propiedades fundamentales (verificacin o teora). Son de mxima

precisin, por lo que necesitan equipos especializados y no se hacen todos los das. Experimento e investigacin.

Ensayo tecnolgico: prev el comportamiento de un material o de un elemento estructural adaptado al uso que tendr. Ensayo

explorativo con condiciones simplificadas. No requiere equipos sofisticados. Por ejemplo: cunto resiste un elemento estructural.

A veces hay que construir el experimento cmo se desgasta una baldosa, dispongo de un patn de goma y sobre la baldosa

arena y agua, cuento las vueltas que doy hasta que se le va el esmalte.

Ensayo de control: ensayo de rutina basado en procedimientos establecidos previamente para verificar propiedades conocidas

dentro de rangos de aceptacin. No es importante la precisin, sino saber si se cumple o no determinada condicin. Se seleccionan

muestras de un lote para realizar el ensayo.

Se pueden ensayar:

Probeta: parte del material muestreado convenientemente.

Probeta calibrada: parte del material de forma y dimensiones establecidas.

Elemento estructural (un pedazo de mampostera).

Estructura completa (una viga).

Equipos de ensayo. Son muy variados y se adaptan a las necesidades o propiedades a medir. Los ms comunes son los de traccin y compresin,

donde controlando la F que se aplica, conociendo su valor en cada momento, se puede calcular y , con el extensmetro que

mide 0.

Segn la forma de control se clasifican en:

Manuales.

Automticos: se conectan a una computadora que es la que decide si el ensayo continua o no, o si debera ir ms rpido

o no.

Segn el mecanismo de aplicacin:

Hidrulicos.

Neumticos.

Elctricos (tornillo sin fin).

Por la forma de aplicacin de las cargas:

A carga controlada: la carga aumenta regularmente.

A desplazamiento controlado: se deforma a un ritmo controlado.

Medicin de desplazamientos. Flexmetro: El vstago inferior se mueve solidario a la deformacin y el cuerpo se mantiene fijo. El vstago gira una rueda dentada

y ste el dial. El inconveniente es que si la aguja gira muy rpido es difcil registrar los valores instantneos.

Calibracin medir para distintos desplazamientos cul es la tensin obtengo un k de calibracin.

Transformadores lineales variables LVDT: posee tres bobinas dispuestas extremo

con extremo alrededor de un tubo. La bobina central es el devanador primario y las

externas son los secundarios. Un centro ferromagntico de forma cilndrica, se

desliza con respecto al eje del tubo. Cuando una corriente alterna circula por el

primario, causa un voltaje que es inducido a cada secundario que es proporcional

al nmero de vueltas de cada arrollamiento (a la inductancia mutua con el

primario). A medida que el ncleo se mueve la inductancia mutua cambia, haciendo

que el voltaje inducido en el secundario cambie. Las bobinas estn conectadas en

serie pero invertidas, as que el voltaje de salida es la diferencia entre los dos

voltajes secundarios. Cuando el ncleo est en su posicin central, se encuentra

equidistante a los dos secundarios, los voltajes inducidos son iguales pero de signo

opuesto, as que el voltaje de salida= O. Cuando el ncleo es desplazado en una direccin, el voltaje en una bobina aumenta

mientras que en otra disminuye, causando que el voltaje de salida tambin aumente desde cero hasta su mximo. La magnitud

del voltaje de salida es proporcional a la distancia en que fue desplazado el ncleo.

Debido a que el ncleo deslizante no toca el interior del tubo, puede moverse prcticamente sin friccin muy fiable muchos

usos industriales y cientficos.


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Medicin de deformaciones. Stain-gages: Se coloca un alambre largo y plegado dentro de la barra. Si durante el ensayo la barra se estira tambin lo har el

alambre modificando su longitud y su seccin. Si el alambre es corto la sensibilidad es muy baja. Se construyen por mtodos

fotogrficos.

Un puente de Wheatstone se utiliza para medir resistencias desconocidas mediante el equilibrio de los brazos del puente. Estos estn constituidos por cuatro resistencias que forman un circuito cerrado, siendo una de ellas la resistencia bajo medida.

Extensmetro: Dispositivo para medir la variacin de la distancia entre dos puntos de un cuerpo macizo cuando ste se deforma.

Medicin de fuerzas. Aro dinammetro: est formado por un flexmetro y un aro calibrado que al deformarse (vara el dimetro del mismo) se mueve

el vstago del flexmetro y ste mueve la aguja del dial que indicar las mediciones. F = Fa.A.D, Fa=factor del aro.

Celda de carga: piezas metlicas que adentro tienen pegados Stain-gages. Sirven para medir continuamente.

Medicin de presiones. Manmetro: internamente tienen un tubo curvado que al aumentar la presin se desenrolla moviendo el dial.

Celdas de presin: formados por cilindros de acero con una membrana en su interior con un Stain-gages en su interior. Cuando

aumenta la presin la membrana se deforma.


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ESTRUCTURA ATMICA Y ENLACES.

tomo.

Es la unidad bsica de todos los materiales y estn constituidos por tres partculas subatmicas bsicas: neutrones,

electrones y protones.

Elementos multieletrnicos.

Los electrones se sitan en capas o niveles de energa principales de altas densidades electrnicas. La estructura

electrnica, la reactividad qumica y las propiedades electrnicas dependen de los electrones ms externos, llamados

electrones de valencia. Los gases nobles son los ms estables y los menos reactivos. Los otros elementos reaccionan y

se enlazan entre s. Los fuertes enlaces primarios entre tomos se forman cuando los electrones de valencia se

transfieren o comparten entre los tomos.

Enlace inico.

Resulta de la transferencia de electrones, para establecer una estructura ms estable. El tomo que cede electrones

se transforma en catin (+) y el que gana, en anin (-). Se da en general entre un metal y un no metal. La unin es

debida a fuerzas de atraccin electroesttica. La mayor tendencia a ganar o apoderarse de electrones se llama

electronegatividad. El enlace inico se da entre sustancias con grandes diferencia de electronegatividad. Se forma un

cristal inico (no hay molcula). Forma un retculo espacial. Es no direccional, porque los aniones y los cationes se

unen entre todos manteniendo un equilibrio. Al ser un enlace fuerte, tiene elevado punto de fusin. Constituyen

materiales duros y resistentes pero frgiles ya que al enfrentarse cargas de igual signo se rompen sin deformarse

apreciablemente.

Enlace covalente.

Resulta de una coparticin de electrones que se producen entre elementos de similares electronegatividad. Es un

enlace direccional. Se forma una molcula.

Enlace metlico.

Resulta de una distribucin compartida de electrones. Es no direccional. Los electrones de valencia estn

deslocalizados, movindose libremente en un mar de electrones. Esta movilidad de electrones justifica la buena

conductividad elctrica y trmica y la ductilidad de la mayora de los metales.

Enlaces secundarios.

Debido al movimiento de los electrones, ocasionalmente, el centro de cargas (-) no coinciden con el de cargas (+) y se

produce un dipolo temporario. Las Fuerzas de Van Der Waals son fuerzas intermoleculares dbiles por aparicin de

dipolos.

Energa de enlace.

Es la energa que se debe ingresar para romper el enlace. Es muy grande para los enlaces inicos, menor pero variable

para los enlaces covalente y metlico y pequea para los secundarios. Mayor IEoI = mayor temperatura de fusin,

mayor mdulo elstico del material y menor coeficiente de expansin trmica.

Cermicos enlaces inicos y covalentes.

Metales enlaces metlicos.

Polmeros enlaces covalentes y secundarios.


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ORDENAMIENTO ATMICO DE LOS METALES. Los enlaces entre tomos, iones y molculas y la disposicin que adoptan en el espacio tridimensional, influyen notablemente en las propiedades de los materiales.

Energa y ordenamiento. Sin ordenamiento material amorfo.

Ordenamiento sistemtico material cristalino y repetitivo. Ordenamiento aleatorio, no denso: podra ordenar los tomos y quedara lugar para agregar otro ms. Los tomos se acomodan de manera aleatoria. La energa de enlace tpica no es la mnima. Ordenamiento regular, denso: los huecos entre un tomo y otro son ms pequeos. Tienen menores energas de enlace, la mnima energa.

Ordenamiento atmico. Materiales cristalinos: los tomos se ordenan peridicamente en arreglos 3D. Esta estructura tpica la tienen los metales, muchos cermicos y algunos polmeros. Materiales amorfos o no cristalinos: los tomos no siguen un ordenamiento peridico. Tpicamente para estructuras complejas (mezclan muchos tomos distintos) y enfriamientos rpidos (no le da lugar a acomodarse). Ej.: vidrio.

Materiales cristalinos. Cristal simple nico: los tomos se ordenan peridica y repetitivamente en todo el volumen del material. Cristales policristalinos: los tomos se ordenan peridica y repetitivamente en pequeos volumen, formando granos o cristales. En general los materiales que utilizamos en ingeniera son de este tipo.

Estructura cristalina. Su caracterstica fundamental es que es regular y repetitiva. Existe una unidad estructural que se repite, la celda unidad (mnima unidad que me permite llenar todo el volumen, siempre es la ms sencilla). sta contiene la descripcin completa de la estructura, como un todo. El agrupamiento peridico de celdas unidad genera puntos con idnticos contornos, llamados puntos reticulares, que se repiten peridicamente. Para describir el ordenamiento tengo que dar forma y tamao a la celda unidad, se dan parmetros lineales (a, b, c) y angulares (, , ).

Sistemas cristalinos. Todas las estructuras posibles para llenar un espacio 3D se reducen a un pequeo nmero de celdas que constituyen los siete sistemas cristalinos. En el caso bidimensional son slo cinco.

Puntos reticulares. Los tomos son vistos como esferas rgidas. El agrupamiento peridico de celdas unidad genera puntos de red o puntos reticulados que son agrupamientos de puntos con idnticos contornos. Son puntos tericos dispuestos peridicamente en el espacio3D. Para ello existe un nmero limitado de posibilidades conocidas como 14 Redes de Bravais.

Cristales metlicos. Los metales son materiales cristalinos. Tienden a ordenarse, naturalmente, lo ms densamente posible. Por ejemplo: el acero est formado por 99% de hierro. Existen diferentes razones para este ordenamiento denso: Tpicamente hay un solo elemento qumico presente por lo que todos los radios atmicos son iguales. No son puros pero gran

porcentaje corresponde al mismo elemento qumico. El enlace es no direccional, cada tomo puede enlazarse con los vecinos en cualquier direccin. La distancia entre tomos vecinos ms cercanos tiende a ser pequea para tener la mayor energa de enlace en valor absoluto. Son materiales con las estructuras cristalinas ms simples.

La mayor parte de los metales, alrededor del 90%, cristalizan en tres estructuras bsicas densamente empaquetadas.


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Estructura cbica simple. Los tomos se localizan en las esquinas de un cubo y estn en contacto en las aristas. No es muy empaquetada. Los bordes del cubo son las direcciones de mayor empaquetamiento. NR = 6 Nmero de coordinacin NR: nmero de tomos vecinos ms cercanos. Factor de empaquetamiento atmico APF: asume que los tomos son esferas rgidas.

=

Cbica centrada en las caras FCC. Las direcciones de mayor empaquetamiento son las diagonales de las caras del cubo. Existen cuatro tomos en cada celda unidad. NR = 12 APF = 0,74

Cbica centrada en el cuerpo BCC. Las direcciones de mayor empaquetamiento son las diagonales del cubo. Dos tomos por unidad de celda. NR = 8 APF = 0,68

Hexagonal compacta HCP. NR = 12 APF = 0,74 La FCC y la HCP tienen igual nmero de coordinacin y factor de empaquetamiento, la diferencia est en la secuencia de apilamiento. Este concepto permite explicar la ductilidad. Para deformar el cristal tengo que mover relativamente los tomos. Para ello tengo que aplicar esfuerzos de corte. Los planos donde ocurre esto son planos de deslizamiento, planos preferenciales para el movimiento de dislocacin. En la FCC hay tres planos de deslizamiento, mientras que en la HCP slo hay dos. Dicho esto, un material con estructura FCC es ms dctil. El conjunto de planos de deslizamiento es conocido como sistema de deslizamiento. Las direcciones y planos de deslizamiento son aquellas de mayor densidad de empaque. Los planos estn ms separados que los propios tomos y entonces es ms fcil deslizarse unos con otros. Los cristales BCC y FCC tienen mayores sistemas de deslizamientos que los HCP, por lo que estos primeros son ms dctiles.

Polimorfismo o alotropa. Es un fenmeno que caracteriza a muchos elementos y compuestos cuando existen en ms de una forma cristalina bajo distintas condiciones de presin y temperatura. El hierro, por ejemplo, presenta distintas formas alotrpicas.

Proceso de cristalizacin. Se empiezan a formar ncleos con tomos acomodados siguiendo la estructura cristalina correspondiente. Estos ncleos a veces permanecen y otras veces desaparecen y vuelven a formarse. Algunos, se suman a otros, se unen, y los cristales van creciendo por acomodamiento sucesivo de tomos. El crecimiento se va a dar a medida que se lo permitan los cristales vecinos hasta que en determinados lugares el ordenamiento se rompe, constituyendo un borde de grano. En condiciones cuidadosas se puede producir un slo ncleo. Existen aleantes que modifican el tamao de los bordes de grano ya que stos van a ser relevantes en las propiedades del material.

Imperfecciones cristalinas. Las estructuras cristalinas presentan imperfecciones que pueden ser puntuales o de lnea. stas provocan tensiones internas que afectan las propiedades mecnicas. Entre las puntuales, encontramos: Vacancia: falta un tomo que hace que las lneas de enlace se deformen. Los planos tienen una abolladura dificultando los desplazamientos posibles.


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Intersticial: un tomo del mismo u otro elemento se mete en un intersticio durante la cristalizacin y luego sigue creciendo la estructura. Ese tomo empuja a los vecinos.

Dentro de las imperfecciones de lnea existen tres tipos: De borde: comprende un plano extra de tomo dentro del reticulado. Arriba de la dislocacin, la red est comprimida y, por debajo, tensionada. De tornillo: los planos cristalinos estn desplazados o retorcidos (girados). Combinados.

Bordes de grano. En los bordes de grano se rompe el ordenamiento y consecuentemente los tomos estn ms separados o apretados con energas de enlace mayores que en el caso ordenado. Influencian notablemente el movimiento de las dislocaciones y consecuentemente, las propiedades mecnicas. Donde hay bordes de grano, es ms fcil sacar los tomos porque all, stos no estn ubicados a la distancia de enlace, se requiere menos energa. Si el grano es pequeo, hay muchos bordes y por lo tanto muchos tomos que son fciles de mover. Adems, las dislocaciones tendrn una menor distancia que recorrer hasta llegar a un borde de grano, sern menos dctiles. Y si se quiere que las dislocaciones se sigan deslizando tengo que aplicar fuerzas mayores por lo que es ms resistente. Todo lo contrario si el grano es grande.


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PROPIEDADES MECNICAS DE LOS MATERIALES (METALES).

Comportamientos bajo carga de materiales ideales.

Elstico Lineal: La tensin es proporcional a la deformacin. La deformacin se recupera totalmente al

retirar la carga (no quedan deformaciones remanentes) = .

Elstico No Lineal: La proporcionalidad entre tensiones y deformaciones depende del

estado de tensiones. La deformacin se recupera totalmente al retirar la carga (no quedan

deformaciones remanentes) E =f() E =f()

Perfectamente plstico: Cuando la tensin alcanza un valor crtico el material fluye.

La deformacin no se recupera al retirar la carga (queda una deformacin permanente).

Materiales Elastoplsticos: La tensin es proporcional a la deformacin hasta un cierto valor

crtico . Luego el material fluye a tensin constante. Al retirar la carga, parte de la deformacin se

recupera elsticamente (la que fue producida por tensiones menores a ) y parte queda como

deformacin plstica remanente.

Caractersticas mecnicas mediante ensayos. En general, las propiedades mecnicas de los materiales son determinadas experimentalmente mediante distintos ensayos.

El objeto es obtener resultados numricos experimentales que describan estas propiedades mecnicas.

De distinta naturaleza: de traccin, de compresin, de flexin, de dureza, triaxiales o especficos.

En algunos casos, desarrollados semi empricamente.

Resistencia a la traccin. Es la mxima tensin de traccin.

Metales: ocurre una notable estriccin.

Cermicos: ocurre una propagacin de fisuras.

Polmeros: ocurre un alineamiento de las cadenas polimricas y estn a punto de cortarse.

Materiales dctiles y frgiles. Fractura: la separacin en partes de un elemento material sometido a la accin de un esfuerzo

aplicado.

Fractura frgil: pequeas e incluso nulas deformaciones plsticas previamente a la fractura.

Fractura dctil: grandes deformaciones plsticas deformaciones plsticas previamente a la fractura.

Ductilidad y fragilidad. En general, el Alargamiento porcentual en rotura A y la Estriccin Z son comparables (del mismo orden), esto es as porque el

deslizamiento de los cristales no cambia el volumen, es decir, la deformacin es a volumen constante. Los lmites entre fragilidad

y ductilidad se establecen convencionalmente:

A > 5 % Dctil

A < 5 % Frgil

Tenacidad. Capacidad de un material de absorber energa durante la deformacin. El rea bajo la curva

representa el trabajo total W por unidad de volumen que puede realizarse sobre el

material sin que se produzca la rotura.

Diagrama real . Si la tensin se calcula respecto al rea instantnea de la probeta y la deformacin

local, se obtiene una curva diferente.


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Influencia de la temperatura. En los metales la temperatura juega un papel muy importante siendo que a menor temperatura se hacen menos dctiles pero

ms resistentes.

Endurecimiento por deformacin. Los materiales metlicos adquieren acritud por deformacin en fro.

Primero se ensaya una barra y se detiene el ensayo en el punto 1, siendo

1 superior al lmite elstico 1 1. Tengo una probeta con una longitud mayor a la inicial, producto de la deformacin plstica que

experimento. Luego de volver a cargar, obtengo un nuevo lmite elstico

2 2. Si se repite, podemos ver que se incrementa el lmite elstico y la

resistencia a la traccin, pero hay una disminucin de la ductilidad

(frgil).

Este fenmeno es importante en plegados. Cuando se doblan barras para armaduras se debe tratar de que las deformaciones

plsticas no sean muy grandes. Para doblarse se utiliza un radio de curvatura tal que no fragilice mucho el material. All las

propiedades del material son distintas, se puede dar lugar a la aparicin de fisuras y consecuentemente, una disminucin de las

cargas. La tensin de rotura y el alargamiento porcentual han cambiado.

Deformacin elstica. La deformacin elstica de los metales puede justificarse desde el punto de vista de los enlaces atmicos. La aplicacin de una

fuerza exterior produce un estiramiento de los enlaces, de tal magnitud que sigue prevaleciendo la fuerza de atraccin que retorna

a los enlaces a su posicin inicial cuando la carga cesa.

El mdulo de elasticidad se ve reflejado en el diagrama F-a en el punto de equilibrio. Una pendiente muy pronunciada significa

macroscpicamente un E muy alto.

Deformacin plstica. Si el mecanismo de deformacin fuera por rotura de enlaces, la fuerza que se debera realiza seria alta. En realidad no se necesita

tal fuerza porque no todos los enlaces se cortan a la vez sino que se corta uno y se repone y as sucesivamente a medida que

progresa la deformacin. La deformacin plstica que queda es producto de que ha habido una acumulacin de saltos de enlace

atmico. La propagacin de la dislocacin a travs del plano hace que la parte superior se deslice respecto de la inferior, de a un

plano por vez.

ENSAYO DE TRACCIN ESTTICA. Es un ensayo destructivo y de control. Con l se quieren obtener la tensin de fluencia, tensin de rotura y alargamiento porcentual. Se utiliza una probeta normalizada y los procedimientos son segn norma (ensayo normalizado). La probeta es sometida a dos fuerzas colineales de igual intensidad y sentido opuesto, donde la distancia entre dos puntos cualesquiera va creciendo progresivamente. A la probeta de ensayo no se le aplica una carga, se le aplica una deformacin; sta impide la deformacin generando una carga dentro de ella (por reaccin y accin). El estado lmite del material puede ser la rotura o el agotamiento. La rotura se produce cuando se supera el esfuerzo mximo que puede soportar el material y el agotamiento se produce por deformacin del material (cuando tiene una cierta deformacin que imposibilita su empleo). El ensayo de traccin est caracterizado por: - la tensin de rotura no es tan susceptible a la velocidad como la tensin de fluencia, por ello para la rotura no hace falta tener tan controlada la velocidad como en el periodo de fluencia. - Se hacen marcas en la probetas equidistantes, el alargamiento porcentual a rotura va a depender de la longitud, por eso se realiza esta convencin. - Siempre se refieren los clculos a secciones iniciales porque no se puede prever qu seccin va a tener en cada momento que se quiera conocer . - Durante el ensayo, si se descarga la probeta, la misma vuelva por la misma lnea que fue cargada. - Para pasar del alargamiento al alargamiento porcentual tenemos que utilizar la longitud entre las cuchillas del extensmetro. Para calcular la deformacin de rotura usamos la medida entre las marcas que hicimos en la probeta.


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La fluencia real se da cuando el material empieza a tener deformaciones apreciables sin tomar carga. El mismo comienza a fluir. Salvo que el material no presente fluencia real, se obtiene la fluencia de manera convencional. El lmite convencional de fluencia se define como la tensin necesaria para la cual la deformacin permanente remanente es apreciable, la misma es igual al 0,2%. All es donde se alcanza el lmite elstico. Rh es el lmite de proporcionalidad, luego de ese punto la deformacin es elstica no lineal.

Ley de similitud. Dos o ms ensayos pueden compararse en sus alargamientos si las probetas son geomtricamente semejantes, lo que se logra

cuando lo es proporcional al dimetro . O sea que los ensayos sobre probetas distintas resultan comparables si se cumple la ley de similitud. Previo a la estriccin hay una deformacin uniforme en toda la barra, por lo que para calcular la fluencia se puede utilizar la base del extensmetro y no considerar la longitud de referencia. En la rotura, como se produce la estriccin, hay una deformacin localizada en tal sector. All si tomo distintos lo que incluyan el sector de estriccin, el alargamiento porcentual ser distinto en cada caso. Por esto es necesario utilizar probetas proporcionales en las cuales el lo se relaciona con la rea So para que este fenmeno no incida en los resultados. La deformacin de la probeta est formada por la suma de dos deformaciones, una uniforme l1 y otro concentrada l2. l1= lo un factor que depende del tipo de acero.

l2= otro factor segn el tipo de acero.

La deformacin ser =

lo =

1+ 2

0=

0 + 0

0 = +

0

0

Como y son constantes, se dice que las deformaciones sern iguales.

Si 0

0=

0

= 0 , como

= = se dice que si existe una relacin K entre lo y se cumple la ley de similitud.

Si la probeta es corta: lo= 5 K=5,65 Si la probeta es larga: lo= 10 K=11,3

DUREZA DE LOS MATERIALES. Mayor o menor resistencia que un cuerpo opone a ser rayado o penetrado por otro (dureza comparativa: se establece en forma

cualitativa por comparacin entre distintos materiales).

Depende del tipo y magnitud de las fuerzas de enlace y aumenta en forma semejante a la resistencia. Existe adems una relacin

proporcional entre dureza y resistencia a la traccin.

Dureza en los distintos tipos de materiales:

Polmeros: relativamente blandos (baja dureza).

Slidos inicos y metlicos: ms duros que los polmeros.

Slidos covalentes: materiales ms duros conocidos.

Dureza Mohs. Escala de rayado de Mohs usada para dureza de minerales. En esta escala cada mineral en el orden en que est dispuesto raya a

todos los anteriores. A partir de la comparacin se determina la clasificacin de la dureza.

1 Talco/ 2 Yeso/ 3 Calcita/ 4 Fluorita/ 5 Apatita/ 6 Feldespato/ 7 Cuarzo/ 8 Topacio/ 9 Corindn/ 10 Diamante.


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Dureza por penetracin. Se determina un nmero que no es absoluto y depende del ensayo (caractersticas del penetrador y carga aplicada). Podemos

destacar dos ensayos con estas caractersticas:

Dureza Brinell:

Una bolilla de acero es incrustada con una carga esttica durante un tiempo determinado. Como resultado la bolita incide

parcialmente en el metal, se retira la bolita y se mide la impronta con una lupa micromtrica. Cuanto ms chica es la huella, ms

duro es el metal. Dicha dureza es expresada en nmero HB. Si por alguna razn no pueden aplicarse las condiciones estndar es

posible aplicar cargas menores y utilizar dimetros menores. Se exige el criterio de semejanza: P/D2 = constante.

El tamao de la bola adaptada al tamao de grano, espesor de la probeta y dureza del material.

Hay una relacin entre la dureza Brinell de los metales y su resistencia a la traccin. Con este ensayo no destructivo puedo obtener

la resistencia de estructuras de acero en servicio. Ejemplo:

Dimetro de la bola: 10 mm

Carga (P): 30000N

Duracin de la carga: 10 a 15s

En estas condiciones 200HB 10/30000/15

Dureza Rockwell:

Similar a la anterior pero el penetrador tiene forma cnica y extremo esfrico. Se mide la profundidad de penetracin. Las puntas

pueden ser de acero o de diamante segn las escalas A, B, C, L.

Para la escala B: Se utiliza un penetrador esfrico de acero templado y de una superficie finamente pulida. El dimetro de la

esfera ser de 1,588 mm 0,0035 mm.

Para la escala C: Se utiliza un penetrador de forma cnica y con punta de diamante, el ngulo en el vrtice del cono ser de 120

y la terminacin del cono ser de forma casquete esfrico, con un radio de 0,2 mm 0,002 mm.

La aplicacin la carga inicial (Pi) tiene por finalidad:

- Eliminar la influencia de rugosidad de la superficie de la pieza.

- Determinar el punto de partida de la medicin de la penetracin.

- Establecer la ubicacin correcta del dial de lectura de la dureza.

Se aplicar una carga de ensayo (Pe). El aumento de la carga hasta su valor lmite deber ser lento, entre 3 y 6 seg, aplicada en

forma uniforme y libre de vibraciones. La aplicacin de esta carga tiene por finalidad determinar la dureza de la pieza con la carga

total. La carga se mantiene por 15 segundos.

El resultado del ensayo se expresar en cifras de dureza Rockwell seguidas

de la escala utilizada para ste (ej: HRB o HRC). Por ejemplo 66,2 HRB.

Escala A: Materiales muy duros (carburos cermicos).

Escala L: Plsticos y metales blandos como el Plomo.

Escala B: Materiales de dureza media, aceros al carbono bajos y medios,

latn, bronce, etc.

Escala C: aceros endurecidos, aleaciones endurecidas y revenidas.

Durmetro: tiene un sistema ptico en el cual la magnitud de la impronta aparece proyectada en un vidrio esmerilado, y un calibre

permite medir la huella.

RESISTENCIA AL IMPACTO. Un material sometido a deformaciones aplicadas de forma extremadamente

rpidas puede comportarse muy diferente que en un ensayo de traccin

convencional mostrndose mucho ms frgil. Esto sucede tambin cuando estn a

bajas temperaturas. Un impacto provoca un desgarro en estos materiales frgiles,

generando un punto de concentracin de tensiones y se termina produciendo una

rotura violenta.

Se usan ensayos de impacto. Los ms divulgados son el Charpy y el Izod cuyos

principios de funcionamiento son iguales pero difieren en los parmetros de ensayo

y la forma de probeta.

Ensayo Charpy. Se tiene un pndulo que puede girar alrededor de un punto fijo, constituido por una

barra y un martillo en su extremo. Se levanta el pndulo hasta una altura

determinada y se lo libera. El pndulo golpea con un martillo sobre una pequea


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probeta normalizada colocada entre dos yunques que tiene una entalladura. Al golpearla produce la rotura de la misma y el

pndulo continua su avance hasta alcanzar una altura final menor a la inicial, producto de que parte de la energa potencial que

tena inicialmente fue absorbida por la rotura de la probeta.

La energa utilizada en el impacto puede calcularse por conservacin de la energa antes y despus el mismo. Los parmetros

primarios son la velocidad de impacto (que depender de la altura con que se suelte el martillo) y la energa cintica al alcanzar la

probeta.

El resultado de la prueba Charpy es la resiliencia que se expresa como la

relacin entre la energa absorbida por unidad de superficie fracturada. Es

la cantidad de energa por mm2 necesaria para producir la fractura de esa

probeta.

Ensayo Izod. Es parecido al ensayo de Charpy pero con algunas diferencias: El brazo del pndulo tiene una longitud

distinta, la masa del martillo es diferente y con forma de cua. Adems la probeta est tomada por

una morsa en forma vertical quedando en voladizo. La acanaladura est del mismo lado de donde

golpea el martillo a la probeta.

Influencia de la velocidad de impacto. La influencia acusada de la velocidad de aplicacin de la carga sobre la resiliencia de un material obliga a fijar la velocidad de

impacto para que los resultados obtenidos en distintos materiales sean comparables. Las Normas de ensayo fijan entornos de

velocidad.

Al aumentar la velocidad, disminuye la resiliencia, por lo que la cantidad de energa necesaria para romper la probeta es menor.

Tenacidad y resiliencia. La tenacidad es la energa que se debe entregar a la probeta en el ensayo de traccin para producir la fractura. La resiliencia es la

energa que se debe entregar al a probeta en el ensayo de Charpy para producir la rotura.

Temperatura de transicin dctil - frgil. El ensayo de Charpy se puede realizar a distintas temperaturas con

distintas probetas (de la misma partida) y observar cul es la energa

absorbida en el impacto, representndolo en el eje vertical. Se forma una

curva. De 120 a 80 la energa es alta y prcticamente constante. De 40

a 10 se produce una variacin notable de la energa que debo entregar

para romper la probeta. Por debajo del 0 es mnima, muy pequea. Hay

un punto llamado temperatura de transicin dctil frgil, donde la curva

presenta inflexin. All se marca donde el material se comporta como

tenaz y se necesita mucha energa para romperlo, y donde se comporta

como frgil y se necesita menos energa. Por encima del punto se

comporta como dctil.

Influencia del contenido de carbono en aceros. Para un contenido de 0,01% la temperatura de transicin est por debajo de los -90C y es muy violenta. Mayores contenidos

producen menores variaciones, es decir, valores relativamente ms bajos de energa y temperatura de transicin bastante

superiores.

FATIGA DE LOS MATERIALES. Posibilidad de rotura de un material debido a la accin reiterada de solicitaciones, tal que en un punto de la estructura de

produzcan tensiones de traccin que provoquen la rotura aun cuando estas sean menores a las tensiones de rotura

Clasificacin de las cargas. Estticas

Permanentes: no cambian en el tiempo. Peso propio

Transitorias: son variables pero lo hacen en periodos de tiempo

relativamente largos. Muebles o equipamientos.


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Dinmicas: cargas que varan en el tiempo de forma relativamente

rpida.

Instantneas: cargas asociadas a impactos, valores elevados.

Reiteradas: adoptan distintos valores en cortos intervalos de

tiempo.

Las cargas pueden ser aleatorias, es decir que varan entre valores mximos y mnimos, o pueden ser peridicas variando las

tensiones en el tiempo de manera regular.

Experiencia de Whler. Calcul el momento resistente W de la seccin (circular) y con la tensin

de rotura que era conocida porque se conoca el material, calcul el

dimetro necesario para que el eje no se rompiera. Descubri que al

cabo de un tiempo los ejes se rompan, los hizo ms grandes y an as

se rompan. El clculo esttico era razonable, pero el problema era otro.

Entonces la experiencia que realiz fue: con el mismo material de los

ejes fabric alrededor de 40 probetas troncocnicas (la seccin no era

constante para que el mximo no se diera en el empotramiento. Las

coloc en una mquina donde las probetas estaban empotradas pero

con posibilidad de girar y se les aplicaba en el extremo distintos pesos.

Como la probeta giraba, el punto que estaba traccionado al principio,

cuando daba la vuelta estaba comprimido. La magnitud de la traccin o compresin la regulaba colocando ms o menos peso en

el extremo de probeta. Cargaba la misma, pona en funcionamiento el sistema y contaba cuntos giros hacan falta para que la

probeta se fracturara. A menor carga, menor tensin y por lo tanto mayor nmero de vueltas necesarias para romperla.

Resultados del ensayo de Whler. En este fenmeno se dan tres cosas distintas: que se rompa a poca cantidad de vueltas porque las tensiones son muy altas, que

se rompa a un gran nmero de vueltas porque las tensiones son bajas o que ni llegue a romperse. Curva -N:

N < 1000: fatiga de bajo nmero ciclo (oligocclica). El dao por fatiga est acompaado por el producido por las importantes

deformaciones plsticas.

N > 1000: bajo nivel de tensin aplicada (fatiga multicclica). Muy larga que obliga a adoptar una escala logartmica.

Lmite de fatiga. Es la mxima tensin que un material puede soportar durante N repeticiones o ciclos

(N mayor a 107 ciclos). Si se aplica una tensin menor, cabe esperar una vida

indefinidamente larga.

En algunos materiales no hay lmite de fatiga, entonces se establece un criterio

segn su vida til. Se considera que luego de esa cantidad de vueltas, el material ya

no funciona del mismo modo y corre riesgo de romperse, por lo que debe ser

cambiado. No se rompi pero el riesgo empieza a ser cada vez mayor.

Rotura por fatiga. Comienza con algn defecto en la superficie (poro, golpe, ralladura) y por aplicacin de

tensiones, el defecto genera una fisura. Esta comienza a moverse por el borde de grano y lo va

rompiendo, progresando cada vez ms hacia el interior. Por reiteracin del esfuerzo la fisura va

avanzando hasta que recorri una distancia tal que achica tanto la seccin, que al no poder

soportar ms el esfuerzo, se rompe. Esta rotura es frgil y violenta. Se caracteriza una zona lisa

que aparece debido al roce por la propagacin de la grieta con marcas anulares y una zona

rugosa que aparece al romper la pieza por disminucin de la seccin efectiva sana.

Caracterizacin de los modos de solicitacin. El estado de cargas se define mediante tres parmetros:

Tensin media = = +

2

Amplitud = = =

2


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Coef. de variacin o de asimetra = =

En los ensayos se puede utilizar una carga alternativa (pasa de un mximo de compresin a un mximo de traccin) o una carga

pulsatoria (pasa de cero a un mximo de traccin).

Carga alternativa (Whler)

= +

2= 0

=

= 1

Carga pulsatoria (perno)

= + 0

2= 2

=

= 0

Influencia del modo de carga. R: hace variar los lmites de fatiga.

1 : Tensin lmite de fatiga donde la probeta no rompe sin importar el nmero de ciclos en condicin de carga alternativa (R = -

1). Corresponde al menor valor de tensin que puede soportar.

0 : Tensin lmite de fatiga donde la probeta no rompe sin importar el nmero de ciclos en condicin de carga pulsatoria (R = 0).

Corresponde al mayor valor de tensin que puede soportar.

Diagrama Goodman-Smith. Permite saber si una estructura sometida a un estado de tensiones es susceptible a tener fallas por fatiga. Define una regin que

si una estructura posee un estado de tensiones dentro de ella, en principio no habra problema de fatiga. Existe un coeficiente de

seguridad = +

. Lo ideal es que se encuentre entre 1,2 y 2.

Factores que influyen en la resistencia a la fatiga.

Tipo de material, su grado de aleacin, mtodo de fabricacin, condiciones y atmsfera de trabajo.

Factor de carga: considera si la carga es axial, corte, torsin o combinacin.

Concentracin de tensin o presencia de entallas: presencia de entallas, agujeros o grietas en el material.

Factor de tamao: influye la forma y tamao de la pieza

Factor de temperatura: la baja temperatura de operacin puede generar problemas de fragilizacin del material o por el

contrario, las altas temperaturas afectan cuando la tensin se aproxima a la de fluencia.

Factor de superficie: debido a que la pieza no tiene el grado de pulido y acabado como la pieza de laboratorio.


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ALEACIONES.

Aleaciones metlicas. En general los metales no se usan en estado puro sino que se hacen aleaciones con el objeto de mejorar o variar sus propiedades. Aleacin: Mezcla de 2 o ms metales, o de metales con no metales de manera que la mezcla presenta caractersticas metlicas. La mayor parte de las aleaciones metlicas se forman en estado lquido. Las mismas pueden ser: Totalmente solubles en estado lquido Parcialmente solubles en estado lquido Las aleaciones comerciales son totalmente solubles en estado lquido. Sin embargo en estado slido pueden darse distintos casos: Totalmente solubles en estado slido Totalmente insolubles en estado slido Parcialmente solubles en estado slido Combinables formando un compuesto intermetlico. Algunas definiciones importantes: Componente: cada una de las sustancias qumicas con las que est compuesta una fase. Un compuesto puede ser un componente. Una aleacin binaria tiene 2 componentes, ternaria tiene 3, Fase: porcin de microestructura homognea desde un punto de vista qumico y estructural; una regin de composicin y estructura cristalina uniforme. Estas porciones pueden diferir de otras partes de la microestructura, que probablemente tenga otra estructura cristalina y otra composicin qumica. En conjunto, acomodadas y con proporciones relativas, tienen determinadas propiedades que lo hacen til al hombre. No confundir fase y grano: un material de una sola fase puede contener muchos granos. Sin embargo, un grano simple consiste de una nica fase. Sistema: una serie de posibles aleaciones, compuestos o mezclas resultantes de los mismos componentes (el sistema hierro carbono, el sistema agua y azcar, etc.) Solvente: componente de mayor proporcin en la solucin. Soluto: componente de menor proporcin. El Lmite de Solubilidad de un componente en una fase es la mxima cantidad de dicho componente que puede disolverse en tal fase. Agua y alcohol, solubilidad ilimitada. Agua y azcar, solubilidad limitada, agua y aceite son insolubles. Equilibrio: Configuracin estable de un sistema cuando ha transcurrido un lapso de tiempo suficientemente largo, no se modifican a medida que transcurre el tiempo. El equilibrio puede alcanzarse muy rpidamente (segundos) o tomar largos perodos de tiempo (eras geolgicas) Microestructura: Las propiedades de una aleacin no dependen slo de las proporciones de las fases sino adems de cmo estn acomodadas estructuralmente a nivel microscpico. Una microestructura queda definida por: el nmero de fases, sus proporciones y su arreglo en el espacio. Relacin propiedades microestructura. En general las propiedades de una aleacin dependen de su microestructura. Los diagramas de fases o diagramas de equilibrio pueden ayudar a entender y predecir la microestructura de la aleacin, y consecuentemente las propiedades de la misma. Los diagramas de fases deben entenderse como mapas. Un diagrama de fase binario, de uso ingenieril como el de hierro-carbono, representa una regin qumica y estructuralmente homognea de dos componentes que se mantienen estables a lo largo del tiempo. Variacin de propiedades en aleaciones.

En estos grficos se puede ver la tensin de rotura del cobre en funcin del porcentaje de nquel. El cobre puro tiene una resistencia a la traccin muy baja y el nquel puro tiene una resistencia algo mayor. Existe una aleacin llamada monel, de aproximadamente 60% de cobre y 40% de nquel que tiene una resistencia a la traccin mayor a la que tienen individualmente. Se puede jugar con los distintos porcentajes y conseguir materiales con las propiedades que se requiera.


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Solubilidad total en estado slido. En sistemas de un componente, la solidificacin (fusin) ocurre a una temperatura bien definida. En sistemas de ms de un componente, la solidificacin (fusin) ocurre en un rango de temperaturas entre la lnea de liquidus y la lnea de solidus. En las aleaciones, la temperatura para la cual pasa de lquido a slido o viceversa no es fija, ni constante. Tenemos dos componentes A y B. TA es la temperatura de fusin que tiene A puro. Como es un metal puro, su pasaje de slido a lquido ocurre a una temperatura fija y constante. La curva de liquidus define una regin por arriba de ella donde todas las distintas y posibles aleaciones se encuentran en estado lquido. De igual forma, la lnea de solidus define una regin por debajo de ella donde la aleacin es slida. En la regin comprendida entre ambas lneas, coexisten ambos estados. Este diagrama de fase en equilibrio me permite describir para una temperatura y composicin arbitraria, las fases que estn presentes, la composicin de cada fase y las fracciones relativas de cada fase. Supongamos la aleacin de dos componentes ideales formada por 40% de A y 60% de B. El enfriamiento tiene que ser lento ya que se trata de un proceso en equilibrio. A T1 el sistema comienza a solidificar; si alcanzo la temperatura T, en el sistema coexisten

las fases lquida L y solucin slida SS. Bajando la temperatura hasta T2 todo el lquido se solidific y se tiene una sola fase solucin slida SS. Un diagrama de fase en equilibrio, me permite saber a una cierta temperatura la composicin del lquido y de la solucin slida. Una horizontal trazada a esta temperatura corta la lnea de liquidus en un punto y a la curva de solidus en otro. Si trazo una vertical por donde la lnea horizontal corta a la lnea de liquidus, sta me indica el porcentaje de lquido que todava no solidific. De igual forma, trazo una vertical por donde corta a la lnea de solidus y conozco su composicin. En T se tiene un lquido compuesto por 58% de A y 42% de B y una SS compuesta de 24% de A y 76% de B. A medida que la temperatura baja, las proporciones cambian. En T2 se tiene una SS de 40% de A y 60% de B.

Regla de la palanca. Permite determinar a una temperatura dada, la cantidad de cada fase. En T, el sistema est compuesto de un lquido con el 58% de A y el 42% de B (M) y una SS en equilibrio con 24% de A y 76% de B (O). Cunto hay de L y SS? WL + WSS = 1 WL = 1 - WSS WL a = WSS b (1 - WSS) a = WSS b

WSS = ( + )

WL = ( + )

Soluciones slidas (solubilidad). Soluciones slidas sustitucionales: Los tomos de soluto (el de menor proporcin) sustituyen a tomos de disolvente (el de mayor proporcin). Hay reglas que deben cumplirse para que se produzca: Diferencia entre dimetros de tomos menos al 15%. Igual estructura cristalina. Similares electronegatividades. Igual nmero de electrones en la capa de valencia. En la naturaleza no son muchos los casos donde se cumplen estas condiciones por lo que estas soluciones slidas sustitucionales no son muy comunes.


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Soluciones slidas intersticiales: Los tomos de soluto (el de menor proporcin) encajan entre los tomos de disolvente (el de mayor proporcin). Los tomos que pueden formar este tipo de solucin slida son los de pequeo tamao: hidrgeno, carbono, nitrgeno y oxgeno.

Insolubilidad total en estado slido. En el diagrama de fase, la lnea de solidus es una isoterma. Hay un punto que corresponde a una dada proporcin de A y B, que tiene la particularidad de que el sistema pasa de lquido a slido a una temperatura bien definida. A dicha composicin exacta que vara para cada par de componentes A y B se la conoce como composicin EUTECTICA. TA y TB: Temperaturas de fusin de A y B respectivamente. Si consideramos una aleacin de composicin

85% de A y 15% de B. Dado que A y B no tienen

buena solubilidad y en estado slido van a

quedar separados, no forman una solucin

slida.

Por encima de TZ existe una nica fase lquida L de composicin 85% de A y 15% de B. AL llegar a TZ, se empiezan a formar los primeros cristales de A en equilibrio con L de composicin 85% de A y 15% de B. Al llegar a T existen cristales de A en equilibrio con un lquido de composicin 70% de A y 30% de B. Al llegar a TE la aleacin pasa al estado slido con una composicin de 85% de A y 15% de B que se mantiene a temperaturas inferiores a TE.

Para la composicin eutctica, 60% de A y 40% de B. Para TZ existe una nica fase lquida L de composicin eutctica. Al llegar a TE, A y B se acomodan de manera particular donde el lquido solidifica y mantiene la composicin eutctica existiendo cristales de A y B conformando una estructura eutctica de finas capas alternadas de A y B. Esta es la estructura tpica de la composicin eutctica que le confiere propiedades mecnicas, pticas y magnticas. Para TU, la estructura se conserva. Representamos al eutctico como un conjunto de granos que tienen una estructura de bandas alternadas de A y de B, orientadas en distintos sentidos en cada grano.

La insolubilidad total es poco comn. Microestructuras en el caso de insolubilidad total

A cualquier temperatura por encima de la temperatura de enfriamiento, se tendra un lquido homogneo de tomos de A y B. Cuando sta va disminuyendo y paso la lnea de liquidus, en este lquido empiezan a formarse cristales de A (si trazo una horizontal corta al lquido y corta a A). Si continuo bajando la temperatura, dichos cristales crecen hasta cortar la lnea correspondiente a la temperatura eutctica donde el resto del lquido coagula y se forma una estructura eutctica de bandas alternadas de A y de B.


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Solubilidad parcial en estado slido. Para pequeas proporciones de uno de los componentes respecto al otro, hay solubilidad total. Se forman soluciones slidas y . Para mayores combinaciones, no hay posibilidades de formar una solucin slida y el caso es similar al de insolubilidad total. Todas estas posibilidades de combinacin dan infinitos materiales con infinitas propiedades y es por eso que se usan las aleaciones.

Microestructura 1. Si tomamos una composicin con mucho porcentaje de A, vemos que a altas temperaturas obtenemos un lquido. En cuanto pasamos la lnea de liquidus, se forma un lquido dentro del cual flotan cristales de una solucin slida y cuando cruzamos la lnea de solidus, obtenemos un slido compuesto exclusivamente por la solucin slida . Si descendemos la temperatura hasta llegar a la temperatura ambiente, al no cruzar ninguna otra lnea, lo que nos queda es un conjunto policristalino de solucin slida .

Microestructura 2. Tomamos una composicin que tenga aproximadamente 15% de B y 85% de A. A altas temperaturas, todo es lquido. Al meternos en el cuerno, en dicho lquido hay tambin cristales slidos de . Descendiendo la temperatura, logramos un slido de solucin slida . Si sigo bajando la temperatura, vuelvo a cruzar la lnea y al trazar una horizontal corto a y en el otro extremo a , por lo que en la solucin slida se van a formar cristales slidos de . Como conclusin, nos queda granos de y granos de precipitado. Es decir, a temperatura ambiente se forman cristales dentro de la solucin slida.

Microestructura 3. Con la composicin eutctica, a temperaturas mayores a TE, todo es lquido. Por debajo de la misma, obtenemos un slido con bandas alternadas, pero ya no de A y de B sin de y . El eutctico est formado por y , ambos compuestos por tomos de A y de B.


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Microestructura 4. Tomamos una composicin un poco antes de eutctico, a altas temperaturas obtengo una solucin lquida. Al cruzar el cuerno, obtenernos una solucin lquida con cristales de , pero al no estar justo en la composicin eutctica sobran algunos de estos cristales. Es decir, a TE obtenemos el eutctico formado por y y adems cristales puros de .

Microestructura 5. Si hiciera una composicin pasando el eutctico tendra el eutctico formado por y y adems cristales puros de .

Dado que el eutctico est formando por y (provenientes de A y de B), las distintas propiedades varan tambin en funcin de su cantidad, disposicin geomtrica y ordenamiento. Las transformaciones ocurren en estado slido. La composicin por debajo del eutctico se la denomina HIPOEUTCTICA y se observara el eutctico con cristales de puro (microestructura 2). Por el contrario, una composicin pasando el eutctico se llama HIPEREUTCTICO y se observara el eutctico con cristales de puros (microestructura 5).

Eutectoide (slido slido). Hay diagramas de fase en los que el rebote se da de slido a slido, a una temperatura fija y uniforme. Esto se denomina eutectoide, existe un cambio de fase en estado slido.

Compuestos intermetlicos. Composiciones de tomos exactas, con razn estequiomtrica que se puede dar en ciertos sistemas. No dan como resultado una aleacin sino un compuesto intermetlico. Estos diagramas son tratados como una fase ms en la regla de la palanca, no aparece una regin sino una lnea vertical. El mismo se puede tratar de forma separada, por encima y por debajo del compuesto.


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ALEACIONES FERROSAS.

Alotropa del hierro. El Hierro es un metal que puede presentarse en diversas variedades de estructuras cristalinas (Alotropa).

Fase de la aleacin Temperatura C Sistema cristalina Observaciones

Hierro 1538- 1393 BCC

Hierro 1393- 910 FCC

Hierro 910- 723 BCC No magntico

Hierro Menos de 723 BCC Magntico

Aleaciones hierro carbono. Elementos bsicos: hierro (Fe) y carbono (C) - Aceros: Menos del 2 % de carbono - Fundiciones: Entre 2 y 6,67 % de carbono El Carbono adicionado al hierro modifica las temperaturas a las cuales se producen los cambios alotrpicos. El diagrama de equilibrio o diagrama de fases es el denominado Diagrama Hierro Carbono. Se lo representa en el rea de inters entre hierro puro y el compuesto qumico Fe3C (carburo de hierro) que contiene 6,67 % de carbono en peso. En estas aleaciones el carbono no interviene como elemento puro a nivel atmico sino como el compuesto cementita Fe3C, que es un compuesto intermetlico que cada tres tomos de hierro, hay un tomo de carbono. Diagrama hierro carbono (simplificado) Limitamos la cantidad de carbono a 6,67% ya que lo que nosotros estudiamos es la aleacin de hierro con carbono. Para esta cantidad se forma un compuesto intermetlico.

Fases del diagrama hierro carbono. Fase (Ferrita): Solucin slida intersticial formada por pequeas cantidades de carbono disueltas en hierro que solidifica a una estructura BCC. La solubilidad mxima se presenta a 727C y es de 0,025%. A temperatura ambiente, llega a disolver slo el 0,008% de carbono. La ferrita es muy blanda y dctil, es casi todo hierro. Resistencia a la traccin: 280 MPa. Alargamiento: 40 % Dureza: menos de 100 Brinell. Fase (Austenita): Solucin slida intersticial que solidifica con una estructura FCC. La solubilidad mxima se presenta a 1148C y es de 2% de carbono. Es dctil pero ms dura y resistente que la ferrita. No es estable a temperatura ambiente, por lo que se le agrega un aleante (aceros austensticos). Un ejemplo de esto es el acero inoxidable, que tiene gran resistencia a los agentes externos como la corrosin. Resistencia a la traccin: 1050 MPa. Alargamiento: 10 %. Dureza: 40 Rockwell.


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Fase Fe3C (Cementita): Compuesto qumico (intermetlico) metaestable, es decir que en largos perodos de tiempo y temperatura ambiente se descompone en hierro y carbono en forma de grafito, debido a la gran cantidad de este ltimo componente en estado slido. Es ms parecido a un cermico que a un metal por su alto contenido de carbono, 6,67%. Compuesto duro y frgil que cristaliza en una estructura ortorrmbica. Baja resistencia a la traccin y alta resistencia a la compresin. Segn la utilidad del acero, el mismo puede ser blando y dctil como lo es la ferrita o duro y frgil como el caso de la cementita. Constituyentes bifsicos. Existen otros dos micro constituyentes bifsicos que corresponden a transformaciones eutcticas (A) y eutectoide (B). Reciben el nombre de Lederburita y Perlita, respectivamente. Perlita (en el punto B): Mezcla eutectoide (de slido a slido). Posee un contenido de carbono 0,77% que se forma a 727 C. Se puede aproximar a 0,8% de C. Est formada por lminas delgadas paralelas de ferrita y cementita. Resistencia a la traccin: 840 MPa. Alargamiento: 20 %. Dureza: 20 Rockwell. Lederburita (en el punto A): Mezcla eutctica (de lquido a slido) de austenita y cementita. Contiene 4,3 % de carbono y se forma a 1148 C. No es estable a temperatura ambiente por la gran cantidad de carbono que tiene.

Aceros eutectoides. Aleaciones Hierro Carbono con menos del 2 % de carbono. Para tal concentracin, existe solubilidad total en estado slido a 1148C. Todas las microestructuras son las resultantes de tres fases: ferrita, austenita y cementita. Para 0,8% de carbono, la austenita no sufre modificaciones durante el enfriamiento hasta llegar a 727C, es aqu donde sufre una transformacin eutectoide, es decir se transforma totalmente en perlita. Aparecen lminas intercaladas de ferrita y cementita formando la perlita. La microestructura resultante por debajo de 727C son cristales de perlita.

Aceros hipoeutectoides. Para porcentajes de carbono menos al 0,8%, la austenita no es estable por debajo de la lnea IK, por lo que al enfriarse se transforma en ferrita con la composicin correspondiente a la lnea IL, mientras que la austenita residual se enriquece en carbono segn la lnea IK de transformacin alotrpica. La austenita tiene una celda unitaria de cuatro tomos y la ferrita de dos tomos, al producirse la transformacin alotrpica se forman celdas de ferrita con menos contenido de carbono, lo que produce el enriquecimiento de carbono en la austenita. A 727C se tiene una composicin de ferrita y austenita y como producto de una transformacin eutectoide se forma la perlita.

Aceros de construccin Los aceros ADN solamente tienen especificados por la norma los contenidos de Azufre y Fsforo, por lo que la composicin queda a eleccin del fabricante. En general los dimetros menores se fabrican con un acero similar al SAE 1045 (aleacin de carbono con un contenido de 0,45%, hipoeutectoides) y los dimetros mayores con un grado aproximado al SAE 1541 (C: 0,36 / 0,44; Mn: 1,35 / 1,65, hipoeutectoides). En las medidas 25 y 32 mm se utiliza frecuentemente acero microaleado; con Niobio Nb Vanadio V. Los aceros ADN no aparecen en los diagramas de equilibrio que utilizamos ya que no son soluciones bifsicas. Pero, dado que el contenido de los otros componentes son bajos, se podra considerar que como tales.


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Aceros hipereutectoides. Porcentajes de carbono mayores a 0,8%. Al enfriase la austenita disminuye la solubilidad del carbono segn la lnea GK y se separa cementita que precipita en los bordes de grano de la austenita. La composicin de la austenita vara hasta alcanzar los 727C donde la cantidad remanente se transforma en perlita. La microestructura resultante son granos de perlita en cuyos bordes hay cementita precipitada.

Fundiciones. Son aleaciones con ms del 2% de carbono. Si la velocidad de enfriamiento es elevada, superior a un valor crtico que depende de la composicin de cada aleacin, el carbono

queda combinado en la cementita Fundicin blanca. Si la velocidad de enfriamiento es reducida, inferior a su valor crtico, el carbono no queda combinado en la cementita (que es

metaestable) y se separa en Hierro y grafito (forma estable de carbono) Fundicin gris. Fundicin gris. El nombre proviene de que la superficie de fractura es gris por el grafito separado. Son menos dctil que un acero pero menos duro y frgil que una fundicin blanca. Soldable con precauciones y maquinable. Tienen buena resistencia al desgaste debido a su contenido de grafito y a la corrosin, son tratables trmicamente. Las propiedades dependen de la matriz (perltica o ferrtica) y de la forma del grafito separado (laminar o nodular). Fundicin blanca. Mucho contenido de carbono, red cristalina distorsionada donde aparecen dos fases: ferrita y cementita. El nombre proviene de que la superficie de fractura es clara. Es una fundicin muy dura y frgil, no maquinable ni soldable. Su usan es para superficies resistentes al desgaste. Al solidificar a temperatura ambiente queda una estructura formada por perlita (ferrita y cementita) y cementita. Se comporta ms como un cermico que un metal.

Aceros especiales. El diagrama Hierro Carbono se modifica si se agregan otros elementos aleantes, lo que modifica las propiedades del material resultante. Estos agregados tienen el objetivo de mejorar las propiedades mecnicas, la resistencia a la corrosin y facilitar el desarrollo de propiedades por tratamientos trmicos. Si el porcentaje de elementos agregados es menos del 5 % se los llama aceros de baja aleacin. Si el porcentaje de elementos agregados es ms del 5 % se los llama aceros de media y alta aleacin. Algunos elementos aleantes: Silicio, cromo, estao, molibdeno, tungsteno, titanio y vanadio facilitan la formacin de ferrita. Nquel estabiliza la austenita. Cromo y cobre aumentan la resistencia a la corrosin. Vanadio y Niobio se usan para disminuir el tamao de grano y aumentar resistencia y ductilidad.

Aceros inoxidables. Son aceros con alta resistencia a la corrosin en ambientes cidos debido a la formacin de una capa de xido de cromo. Esta capa duradera y resistente impide la formacin de xido de hierro, por lo que el porcentaje de cromo es aproximadamente del 11,5%. Se los clasifica de acuerdo al contenido de cromo y otros aleantes: Ferrticos: menos de 0,1 % de carbono y 16% de cromo: buenas propiedades de inoxidabilidad pero baja resistencia (utensillos de cocina, guarniciones de automviles). Martensticos: Carbono de 0,2 a 0,6 % y 17 % de cromo. Son duros y resistentes pero frgiles (cuchillos, instrumentos, vlvulas). Austenticos: Contenido de carbono menor al 0,2%, 18% de cromo y 8% de nquel. Son dctiles de buena soldabilidad con moderada resistencia a la intemperie. Aceros Hardfield que contienen 1,1% de carbono y 12% de manganeso. Duros, resistentes a la abrasin de alta tenacidad y templables (uso en minera, bolas de molino, vas de ferrocarril.


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TRATAMIENTOS TRMICOS.

La influencia del tiempo hace cambiar el ordenamiento de las fases y esto tiene como consecuencia la modificacin de propiedades

mecnicas de las aleaciones. La mayora de las transformaciones en estado slido no ocurren instantneamente.

Adems, esto es especialmente importante en las transformaciones que implican fenmenos de DIFUSIN. Es un proceso de transporte de masa por movilidad atmica, lo que produce un reacomodamiento en estado slido que demora tiempo. En los slidos esto pasa mucho ms lentamente que en los gases, porque la movilidad que tienen los tomos del slido es mucho menor que la que tienen las molculas en un gas o en un lquido. El aumento de temperatura, genera una mayor movilidad en los tomos, al tener mayor energa, por lo que el proceso se ve favorecido y el tiempo se acorta. Micro estructuralmente, estas transformaciones implican una etapa de nucleacin seguida de una etapa de crecimiento, como sucede en la solidificacin de lquido a slido. En dicha transformacin tengo un lquido homogneo y si paso de determinada temperatura empieza a formarse algn ordenamiento de slido, van empezando a juntarse tomos en distintos lugares y estos ordenamientos van creciendo, algunos se desacomodan y se vuelven a acomodar. Estos tomos se van a acomodar y los ordenamientos van a crecer hasta que empiecen a interferirse unos con otros y se produzcan los bordes de grano. Es decir, que en este proceso hay, primero, una etapa en donde algunos tomos tienen que empezar a acomodarse e iniciar ncleos para comenzar a armar la estructura cristalina (nucleacin), lo que demanda un tiempo porque los tomos tienen mucha energa en este estado. Cuando consiguen un estado estable, los otros tomos comienzan a unirse a estos ncleos iniciadores y los mismos van creciendo (crecimiento). En los procesos de solidificacin de slido a slido ocurre lo mismo. Cuando tenemos la composicin eutectoide (0,8% de carbono) se produce la transformacin de la austenita, solucin slida, en perlita. Esta transformacin es el resultado de un proceso de difusin. Si mirara la austenita al microscopio vera una serie de granos homogneos y si se pasa los 727C tendra esa misma

composicin policristalina pero donde se producira un cambio de la microestructura y pasara a tener una microestructura esencialmente bandeada de ferrita y cementita. Todo este cambio ocurre en estado slido. Una vez formados los ncleos, los otros tomos se van agregando. Esta transformacin necesita de un tiempo para que empiecen a darse los ordenamientos, para que los mismos crezcan y para que la transformacin progrese en el tiempo. Al finalizar dicho lapso, todos los tomos estn acomodados en el lugar que deban. El t50 indica que en este momento, la mitad de los tomos ya ocupa una posicin definitiva, el 50% del acomodamiento se ha producido. Este tiempo finaliza cuando se interfieren unos ncleos con otros formando bordes de grano.

Curvas TTT: diagrama de transformacin isotrmica. La forma general de representacin que incluye el factor tiempo son los diagramas TTT: Temperatura-Tiempo (s)-Transformacin, tambin conocidos como diagramas de transformacin isotrmica. Se construyen a partir de las curvas de transformacin isotrmicas, representando los puntos de inicio, 50% y fin de transformacin, para las diferentes temperaturas. Representan la transformacin de un material en estado slido con cierta estructura a otro con una estructura distinta cuando el mismo es enfriado a una temperatura constante. Consideremos el caso de un acero eutectoide (0,77% de C). Tengo un bloque de austenita en un horno cuya temperatura es mayor a los 727C. Si lo sacara del horno, como la austenita no vive a temperatura ambiente, se separara y quedara convertido en una magnitud de granos donde tengo ferrita y cementita (perlita). Ahora, tomo el bloque y lo coloco en un horno a una temperatura un poco menor, por ejemplo, 675C. Por lo tanto, no puede ser ms austenita, se transforma en perlita, es decir, ferrita y cementita acomodadas en forma de bandas alternadas. Si tomo el tiempo que tarda en darse esta transformacin, me encuentro con que: al acabo de 20 segundos aproximadamente de

haber pasado los 675C. empiezan a aparecer los primeros ncleos y a partir de ellos se les siguen agregando tomos hasta que al cabo de 600 segundos, aproximadamente, todo el bloque se ha transformado de austenita a perlita. Estas curvas marcan cmo evoluciona la transformacin a distintas temperaturas y con distintos tiempos. Marcan siempre transformaciones isotrmicas, lo que quiere decir que lo saco de una temperatura por arriba del eutectoide, lo pongo a otra temperatura ms baja que sta y mido el tiempo que tarda en convertirse todo. Cuanto ms cerca de los 727C. se est, el tiempo que demora la trasformacin en iniciarse es mayor y tambin es ms largo el tiempo que demora en transformacin, porque est tan cerca de ser austenita que le es ms difcil. A una temperatura menos de 727C. la transformacin se inicia y se concreta en un tiempo ms corto. Los aceros con perlita fina son ms duros y resistentes, pero menos dctiles que los aceros con perlita gruesa. En caso de enfriar, de llevar a una temperatura menor a los 550C, la curva se vuelve para el otro lado, conformando el diagrama de nariz o de rodilla. Esto ocurre porque


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los tomos a estas temperaturas muy bajas, tienen muy reducida movilidad, por lo que les cuesta formar ncleos y terminar la transformacin, por eso el tiempo comienza a ser ms largo.

ACEROS EUTECTOIDES: Microestructuras relevantes. A menores temperaturas, 600C a 540C, la transformacin ocurre antes ya que predomina la velocidad de nucleacin pero el tamao del grano es menor ya que est dificultada la difusin. Ello conduce a microestructuras de grano ms fino con perlita de estructura en capas finas (perlita fina).

A mayores temperaturas, prximas a la eutectoide, las mayores velocidades de difusin permiten un mayor crecimiento del grano y la formacin de estructuras de capas ms gruesas (perlita gruesa). Los aceros con perlita fina son ms duros y resistentes, pero menos dctiles que los aceros con perlita gruesa. Para transformaciones de temperaturas entre 200 y 540C, aparece una estructura denominada bainita que consiste n finas agujas o placas de ferrita separadas de largas hojas delgadas de cementita. En la regin de la bainita, la difusin a esta temperatura es muy lenta, da lugar a granos pequeos y a un ordenamiento de bandas muy finas que casi no llegan a formarse completas. Estos aceros son ms duros y resistentes por tratarse de una estructura ms fina. Tienen una conveniente relacin entre resistencia y ductilidad, no son ni demasiado frgiles ni demasiado dctiles, pero tienen una elevada resistencia.

El acero puede alcanzar una estructura esferoidita. Se forma cuando un acero con microestructura perltica o baintica se calienta a temperatura inferior al eutectoide durante un periodo de tiempo suficientemente largo (700C, 18-14h por ej.). La cementita aparece como pequeas partculas esfricas embebidas en una matriz continua de ferrita, que se forman para reducir la interfase Fe3C-Fe. Lgicamente esta esferoidita tiene propiedades mecnicas distintas, tiene menor dureza y resistencia que la perlita, son los aceros ms blandos y dctiles. La martensita se forma a bajas temperaturas (< 215C) y es el resultado de una transformacin sin difusin de la austenita. Se produce una reordenacin colectiva de los tomos de Fe y C, pasando de la estructura cbica de caras centradas de la austenita a una estructura tetragonal centrada en el cuerpo (parecida a la cbica de cuerpo centrado pero con un lado ms largo), correspondiente a la martensita. Al no implicar difusin, ocurre casi instantneamente (no depende del tiempo). La velocidad de transformacin martenstica depende nicamente de la temperatura a la que se la aleacin es enfriada rpidamente y no del tiempo (temple). Es la microestructura de los aceros ms duros y resistentes, pero a la vez ms frgil. Su ductilidad es prcticamente nula. De hecho, la martensita como tal es inservible en la mayora de aplicaciones. Se le aplica un tratamiento de revenido, calentando a temperatura inferior al eutectoide, transformndose en partculas extremadamente pequeas de cementita dispersas en una matriz de ferrita. La estructura es similar a la esferoidita, pero de menor tamao. La martensita slo aparece si el enfriamiento del acero es suficientemente rpido (temple), como para evitar la formacin de perlita o bainita. Las fases en equilibrio solamente pueden darse cuando el material se enfra muy lentamente desde la fase de austenita. Cuando el enfriamiento de un acero no es lento (fuera de equilibrio) se forman fases en su microestructura que no estn representadas en el diagrama hierro - carbono. Austenita

Enfriamiento rpido: se forma martensita. Enfriamiento moderado: se forma bainita. Enfriamiento lento: Fases de equilibrio: ferrita, cementita, perlita.

Los tratamientos trmicos se basan en conseguir aceros con microestructuras distintas que les confieren propiedades mecnicas distintas, dado que stas dependen de los componentes, la composicin relativa de cada uno y su ubicacin en el espacio. Es importante aclarar que las propiedades son producto de la microestructura que se consigue y no del contenido de carbono.

Tratamientos trmicos. Influencia del enfriamiento. d) lo pongo a une temperatura menor, la mantengo hasta que llega a la lnea media y luego lo enfro de golpe. Voy a tener que el 50% de los tomos form perlita fina y el otro 50% form martensita. f) lo enfro a 300C, la mantengo, un 50% de la transformacin me da como resultado una vainita y luego termino de enfriar y tengo matensita.


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Los tratamientos trmicos consisten en calentar al acero por encima de una determinada temperatura, mantenerlo durante un cierto perodo de tiempo y luego retornarlo a la temperatura ambiente con distintas velocidades de enfriamiento. Los ms usuales son:

Recocido: Tiene por objetivo ablandar el acero, es decir, quitarle dureza, aumentar su ductilidad y disminuirle su resistencia. Lo que hace es regenerar la estructura cristalina y eliminar tensiones internas. Para lograr esto, al acero se lo calienta y se lo enfra muy lentamente.

Normalizado: se lo usa para borrar tratamientos trmicos previos, corregir enfriamientos irregulares y sobrecalentado. Es solamente usado para aceros al carbono o de baja aleacin. Para ello se lo calienta en el horno y luego se lo deja enfriar al aire, de una forma no tan lenta como en el recocido.

Templado: tiene por objeto aumentar la resistencia y endurecer el acero, pero hacerlo al mismo tiempo muy frgil. Se lo calienta hasta que sea todo austenita y luego se lo enfra muy rpido (en un bao de aceite, agua o sales) y se consigue martesita. Como se consigue un acero muy frgil, casi inutilizable, luego del templado se hace un revenido. Debido a este mtodo, es probable que la superficie se enfre rpidamente pero no as el corazn de la pieza. Entonces la superficie puede que sea una martensita (duro y frgil) y el corazn es probable que sea una perlita fina (dctil y blando). Se obtiene la combinacin ideal: superficie dura y resistente que no permite el desgaste por abrasin e interior blando y dctil que soporta esfuerzos y deformaciones sin producir la rotura.

Revenido: tiene por objeto hacer un poco ms dctil el acero, sacarle un poco de fragilidad, aunque se pierde un poco de resistencia. Se calienta el acero hasta que sea parcial o totalmente austenita y luego se lo deja enfriar al aire.

Cementado: tiene por objeto corregir la estructura y afinar los granos, obtener alta dureza, resistencia de desgaste y lmite de fatiga en la superficie, conservando la tenacidad del ncleo. Para ello se incorpora carbono en la capa superficial del acero, el que se difunde en la red cristalina del hierro hasta alcanzar una composicin del 0,8% de carbono en la superficie.


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PRODUCCIN Y CONFORMADO DE ACERO. Proceso Siderrgico. Proceso de transformacin del mineral de hierro en hierro base y posteriormente en acero. 1. Proceso de reduccin (arrabio hierro de primera fundicin, hierro esponja y escoria) 2. Afino de la composicin qumica (Acero de distintas calidades) 3. Conformacin en formas tiles (lingotes, chapas, barras, perfiles)

Minerales de Hierro. Hierro: muy comn en la superficie de la Tierra, (aproximadamente 5 %), principalmente en forma de xidos. Explotacin rentable con leyes (contenido de xido de hierro respecto a otros componentes) superiores al 65 %. 1. Magnetita (mx. 72 %) 2. Hematita (mx. 68 %) 3. Limonita (mx. 58 %) 4. Siderita (mx. 48 %) En nuestro pas, Zapla (Jujuy) y Sierra Grande (Ro Negro) e importacin de Brasil, Chile y Per. Tratamientos previos: trituracin, lavado, concentracin y clasificacin. En la mina, bajas leyes y granulometra fina concentracin con bentonitapellets En la siderurgia, aprovechamiento de finos (cascarilla), residuos de coque, fundentes y mineralessinter

Esquema de alto horno. Ingresan coque, mena y piedra caliza por el puente de carga a la cuba donde hay aire caliente. All se produce una reaccin exotrmica que elimina el O2 del hierro. Debido a esta reaccin se generan gases que suben por una tubera hacia una planta de limpieza para luego ingresar nuevamente al inyector (nunca modifican su temperatura durante el proceso). Tiene dos salidas a distintas alturas que permite descargar el arrabio o la escoria. El hierro fundido sale por abajo por ser ms pesado y la escoria por arriba.

Reduccin directa (Midrex). Otra forma de producir mineral hierro es a travs de la reduccin directa.

La misma produce menos acero pero consume menos energa y ocupa

menos lugar. Produce hierro esponja (virulana).


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Proceso de Afino. Los productos obtenidos en los dos procesos anteriores (arrabio del alto horno o hierro esponja de la reduccin directa) tienen un elevado contenido de carbono e impurezas Afino: Retirar buena parte de stas y transformarlo en acero. Correccin de la composicin qumica Adicin de otros elementos aleantes Los procesos para obtener acero se pueden clasificar en:

Conformado de productos de acero. La forma de la pieza de metal es cambiada por deformacin plstica: Forjado, Laminacin, Extrusin, Trefilacin, Embutido, rolado, doblado, etc. Consiste en una deformacin impuesta por una tensin exterior (presiones, golpes, tensiones) Trabajo en fro Producido a bajas temperaturas (ambiente) Reducen ductilidad por acritud, mejor calidad superficial y mejor control dimensional) Trabajo en caliente Grandes deformaciones, material en estado plstico y blando Oxidacin y pobre terminacin superficial.

Forjado. Deformacin mecnica en caliente de una pieza simple por aplicacin de una fuerza o sucesivos golpes por los que el metal es obligado a escurrir. Se usan martinetes o prensas hidrulicas. Puede ser abierto (formas simples) o cerrado.

Laminado. El metal en fro o en caliente es pasado entre dos rodillos que giran en sentido contrario. De esta manera se produce una reduccin de espesor por la presin ejercida por los rodillos. Los mismos pueden ser progresivos formando un tren de laminacin sucesiva. Chapas, lminas, perfiles, rieles y barras son conformados de esta manera con rodillos preformados.

Extrusin. El metal en caliente es obligado a pasar por una matriz perforada por una presin ejercida por un pistn. La barra emerge con la forma y dimensiones que le da la matriz. Puede ser usada para fabricar tubos sin costura.


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Trefilado. El metal en fro es obligado a pasar por una matriz perforada por una fuerza de traccin de tal manera que la barra es obligada a adoptar la forma y dimensiones que le da la matriz e incrementar su longitud. Pueden ser secuenciales operando en forma progresiva. Barras trefiladas y alambres son comnmente elaborados de esta forma.

Doblado y rolado. Grandes tanques de almacenamiento y recipientes a presin, barras y chapas, perfiles estructurales, rieles de ferrocarril y tubos

Embutido. Se presiona una lmina de metal entre un punzn y una matriz constituida por un dado y un anillo de presin que disminuye la formacin de arrugas.

Documents

Resumen Final de Materiales (1)