Estructura de los Materiales

Polimorfismo

El polimorfismo es la propiedad de un material de existir en más de un tipo de red cristalina en estado sólido, pudiendo transformar una estructura en otra. La alotropía se refiere al polimorfismo reversible, donde un elemento puede existir en más de un tipo de red dependiendo de la temperatura.

Cristalización

La cristalización ocurre durante el enfriamiento de un líquido a sólido, creando granos o dendritas. Un enfriamiento rápido produce un grano fino, mientras que un enfriamiento lento genera un grano grueso.

Defectos

Microdefectos

Incluyen vacancias, átomos intersticiales y dislocaciones.

Macrodefectos

• Rechupe: Cavidad de compresión que se compensa aumentando el volumen de líquido.
• Sopladura: Gases atrapados por la reacción del metal líquido con sustancias.
• Fisuras externas.

Tamaño del Grano

Las fundiciones con grano fino tienen mayor dureza, resistencia y elasticidad, pero menor ductilidad. Un grano fino se nuclea rápidamente y crece lentamente, mientras que un grano grueso se nuclea lentamente y crece rápidamente.

Deformación y Fractura

Deformación Plástica

Ocurre cuando un material se tensa por encima de su límite elástico.

Por Deslizamiento

Se produce por esfuerzos cortantes y normales, y fundamenta el clivaje (división en capas).

Por Maclaje

Implica el movimiento de planos de átomos en la red cristalina, produciendo un desplazamiento fraccionario.

En el deslizamiento, los átomos se mueven en números enteros, mientras que en el maclaje el movimiento es fraccionario. El deslizamiento produce líneas delgadas, mientras que el maclaje genera líneas gruesas. En el deslizamiento hay poco cambio en la orientación reticular y los escalones se eliminan al pulir, mientras que en el maclaje hay una orientación reticular diferente y los escalones no se eliminan al pulir.

Fractura

Frágil

Se caracteriza por una rápida propagación de la grieta, mínima absorción de energía y deformación plástica.

Dúctil

Ocurre después de una deformación plástica previa a la falla.

Aleaciones

• Refuerzo externo: Dos tipos de granos.
• Refuerzo interno: Estructuras precipitadas de cristal.

Recuperación y Forja

Recuperación

Ocurre a baja temperatura y alivia los esfuerzos internos debidos al trabajo en frío. Puede causar un aumento de la dureza, resistencia y conductividad.

Forja

Se realiza por encima de la temperatura de recristalización. Evita la segregación dendrítica, aumenta la compacidad y produce fibras diferentes. El quemado ocurre cuando un metal de grano fino llega a la fusión.

Fases

• Metal puro: Separados.
• Compuesto: Mezclados. Intermetálicos, intersticiales (C, B, N, H, O con Fe, W, Ti, Sc, Ta), compuestos electroquímicos (Fe, Cu, Au, Ag, Ni con Al, Zn, Sn, Mg, Cd).
• Soluciones sólidas: Sustitucionales, intersticiales. Homogéneas – Mezclas.

Diagramas de Fase y Procesos de Enfriamiento

Los diagramas de fase muestran procesos de enfriamiento o calentamiento lento.

Procesos de Enfriamiento

Difusión

Puede producirse por la falta de un átomo en la estructura, situación intersticial o movimiento en flujo.

Segregación Dendrítica

Ocurre si se enfría bruscamente, sin homogeneización.

Homogeneización

Se utiliza para solucionar la segregación dendrítica. Consiste en igualar la proporción de los metales. A mayor temperatura, mayor rapidez. La desventaja es la dificultad para predecir sus propiedades. Solución: Se calienta la aleación.

Tratamientos Térmicos

Un tratamiento térmico implica:

• Calentamiento: Temperatura por encima del intervalo crítico para formar austenita.
• Mantenimiento: Se mantiene la temperatura durante un tiempo determinado.
• Enfriamiento: El metal retorna a su temperatura inicial.

Recocido Globular

Permite obtener cementita a partir de perlita, quedando atrás la ferrita. Reduce la resistencia y la maquinabilidad. Se puede realizar una austenización (incompleta, subcrítica y oscilante).

Normalizado

Se lleva a cabo en aceros de construcción al calentar por encima de la temperatura crítica superior (TCS), produciendo una austenización completa. Su objetivo es producir un acero más duro y fuerte que el del recocido.

Revenido

Proceso aplicado a las piezas templadas después del temple. Consiste en calentar el acero por debajo de la temperatura crítica inferior (TCI). Permite eliminar la ductilidad y la tenacidad del acero. Si se aplica el revenido a una aleación martensita-austenita se obtiene bainita.

Austenizado

Es un tipo de tratamiento térmico completo cuyo objetivo es conseguir bainita. Se logra calentando la pieza a la temperatura de austenización. El austenizado reduce el área de tensión y mejora la resistencia al impacto, la ductilidad, la tenacidad y la dureza.

Temple

La aleación se enfría rápidamente hasta temperatura ambiente, evitando la precipitación de los metales. El temple permite obtener alta dureza (aumenta el límite elástico, la carga de rotura y la fragilidad, disminuye el alargamiento y la ductilidad). El enfriamiento se puede realizar con agua (velocidad de enfriamiento mayor) o en aceite (velocidad de enfriamiento menor). La base del temple es obtener martensita.

Otras Estructuras

• Austenita: Hierro f.c.c. con carbono disuelto. Se calienta el material a una temperatura dentro o por encima del intervalo crítico para formar austenita.
• Ferrita: Hierro b.c.c.
• Cementita (Fe3C): Carburo de hierro.
• Ledeburita: Producto de la reacción eutéctica.
• Perlita: Producto de la reacción eutectoide.
• Bainita: Zona de la bainita, que es una mezcla de ferrita y cementita.

Recocido Total

El proceso de recocido total o de regeneración permite obtener piezas blandas. Consiste en calentar el acero a una temperatura adecuada y enfriar lentamente en el horno. La temperatura durante el calentamiento debe sobrepasar la TCS. Se puede aplicar en aceros hipoeutectoides. El objetivo del recocido es refinar el grano, proporcionar suavidad, mejorar las propiedades eléctricas y magnéticas, y mejorar el maquinado. Este proceso pretende ablandar el acero, haciendo que se forme una estructura interna más blanda, normalmente de ferrita y perlita.