Ingeniería de Materiales
Puntos críticos en el diagrama Hierro-Carbono
Punto Eutéctico: (4,3% C, 1148°C)
Punto Peritéctico: (0,5% C, 1495°C)
Punto Eutectoide: (0,77% C, 727°C)
Clasificación de los materiales ferrosos
Hierro puro: %C < 0,008
Aceros: 0,008 < %C < 2,11
Fundiciones: 2,11 < %C < 6,7 (aceros hipoeutectoides, hipereutectoides)
Aceros al carbono
Aceros bajo carbono
Menos del 0,25% C. Son blandos pero dúctiles. Se usan en vehículos, tuberías, clavos (A36-A516 grado 70). Endurecibles por deformación plástica. Microestructura: ferrita y perlita.
Aceros medio carbono
0,25 < %C < 0,6. Se tratan térmicamente. Más resistentes pero menos dúctiles. Se usan en piezas de ingeniería, cinceles, martillos (1040-1080). Se tratan por temple y revenido a baja temperatura. Templabilidad: velocidad de temple muy alta. Estructura: martensita revenida.
Aceros alto carbono
0,6 < %C < 1,4. Aún más resistentes pero menos dúctiles. Se usan en herramientas, hojas de corte, cortatubos (T72301-T41901). Se usan en condición templada y revenida.
Aleaciones base
Aleaciones base níquel
Inconel (76% Ni). Se usa en tuberías de aviación. Buena resistencia a la corrosión y a altas temperaturas. Densidad: 8,19 g/cm³.
Aleaciones base cobre
Latón (Cu + Zn). Más duro que el Cu, dúctil, se forja en planchas frías. Se usa en joyería, alambres.
Aleaciones base aluminio
Baja densidad, muy livianos pero no tan resistentes a la corrosión. Objetivo: mejorar la dureza y resistencia. Aleación 5056 (Al-Mg).
Aleaciones base magnesio
ZR5. Se usa en equipos de aeronaves militares, cajas de cambios de helicópteros. Proporcionan una adecuada resistencia mecánica para aplicaciones donde el peso de la pieza es fundamental.
Aceros inoxidables
Aceros + Cromo. Muy resistentes a la corrosión. Se usan en tubos de escape, grandes electrodomésticos, instrumentos quirúrgicos (SAE 316). Los aceros martensíticos y ferríticos son magnéticos, los austeníticos no.
Aceros estabilizadores de ferrita
Aumentan la dureza y la resistencia a la corrosión. Aceros de construcción, herramientas inoxidables (5140).
Aceros estabilizadores de austenita
Manganeso. Disminuye la tenacidad. Herramientas de construcción (1340).
Tipos de aceros según su estructura
Aceros ferríticos: Estructura estable a temperatura ambiente y normales para tratamientos térmicos. No sufren endurecimiento sensible por temple.
Aceros austeníticos: A 25°C siguen siendo austeníticos, no son templables (0.04 y 0.08% C).
Aceros martensíticos: Toman temple, obtienen gran dureza y elevada resistencia a ataques químicos.
Fundiciones
Fundición gris
2,5 < %C < 4. El grafito aparece como escamas o láminas dentro de una matriz de ferrita o perlita. Superficie gris. Frágiles y poco resistentes a la tracción. Resistencia a la compresión y ductilidad muy superior. Baratos. Efectivos contra vibraciones.
Fundición dúctil o esferoidal
Se forma a partir de la fundición gris agregando elementos de aleación al estado líquido, formando esferoides rodeados de ferrita o perlita. Si es moldeada: perlita. Si se calienta a 700°C: ferrita. Más resistente y dúctil que la gris. Propiedades mecánicas parecidas al acero.
Fundición blanca
Mayoría del carbono en forma de cementita. Se forma a bajo carbono y a velocidades grandes de enfriamiento. Superficie blanca. Muy dura y frágil. Se usa en rodillos de laminación.
Fundición maleable
Se obtiene de la fundición blanca calentándola entre 800 y 900°C durante largo tiempo y en baja atmósfera neutra. La cementita se descompone en grafito en forma de roseta dentro de matriz perlítica o ferrítica. Resistencia muy alta y maleable. Se usa en engranajes de transmisión.
Tratamientos térmicos
Recocido
Elimina los efectos del trabajo en frío. Se prefiere terminar con un tamaño de grano fino. Se aplica a aceros con bajo y medio carbono. Se enfría lentamente. Elimina tensiones, incrementa la plasticidad y ductilidad. Produce una estructura específica. Se austeniza calentando de 15 a 40°C sobre A3 o A1. Se deja enfriar lentamente. Resulta perlita gruesa (blanda y dúctil).
Normalizado
Produce granos más pequeños e uniformemente distribuidos. Se usa en aceros sometidos a deformación plástica con granos grandes de forma irregular y tamaño variable. Se realiza calentando 55-85°C sobre TcS. Después del tiempo suficiente para conseguir la transformación de austenita, se enfría al aire (enfriamiento moderado).
Temple
Produce aceros martensíticos con enfriamientos rápidos de una muestra austenizada en un medio de temple. La capacidad del acero para transformarse en martensita depende de la composición química y se relaciona con la templabilidad (aptitud de una aleación para endurecerse). Temperatura de austenización sobre 900°C (depende de la composición, tipo y carácter del medio del temple, tamaño y forma de la muestra).
Revenido
Controla las propiedades finales del acero. Se efectúa después de un temple. Se usa a temperaturas donde las fases estables son ferrita y carburos. Resultado: cambio estructural del acero y alivio de tensiones residuales, mejorando la ductilidad. (Martensita BCT) -> (Martensita Revenida Bifásica: α + Fe₃C). Se usa entre 250 y 650°C.
Martempering
Se lleva el acero hasta la temperatura de austenización y se enfría en un medio como sales a temperatura encima de la temperatura de transformación martensítica. Una vez homogenizada la temperatura, se enfría en un medio de menor velocidad de enfriamiento. Objetivo: mejorar las propiedades del acero y obtener martensita.
Austempering
Se lleva el acero hasta la temperatura de austenización y se enfría en un medio sobre la temperatura de transformación martensítica por mucho tiempo para conseguir la transformación bainítica. Acero con excelente tenacidad.
Severidad de temple
Indica la velocidad de enfriamiento. A mayor velocidad de enfriamiento, aumenta la efectividad del temple. Los aceites son adecuados para tratamientos térmicos de la mayoría de aceros aleados. Para aceros alto carbono, el temple en agua puede ser muy severo (produce deformaciones y grietas). El enfriamiento al aire produce una estructura casi totalmente perlítica.
Endurecimiento por precipitación
Resulta por el desarrollo de partículas de una nueva fase. Se debe cumplir que la solubilidad máxima de un componente en otro sea considerable y que el límite de solubilidad del componente principal disminuya rápidamente al descender la temperatura. Estas condiciones las cumple el acero hipoeutectoide.
Microestructuras
Enfriamiento lento: Perlita
Enfriamiento moderado: Bainita (fases α + Fe₃C)
Enfriamiento rápido: Martensita (BTC). Vuelto a calentar: Martensita revenida (α + Fe₃C)
A temperaturas próximas a la eutectoide, la difusión de carbono es alta y se forma perlita gruesa. A temperaturas lejanas, se forma perlita fina.
Perlita
La cementita es más frágil y dura que la ferrita. Al aumentar la fracción de cementita, el material resulta más duro y resistente, pero disminuye la ductilidad y tenacidad.
Perlita fina: Más dura y resistente debido a la mayor superficie de límites de fases por unidad de volumen. Estos se transforman en barreras para las dislocaciones, provocando endurecimiento.
Perlita gruesa: Más dúctil por la mayor restricción de la perlita fina.
Bainita
En la transformación de la austenita se forma, además de la perlita, bainita. Consta de las fases ferrita y cementita. En su formación intervienen la difusión. La bainita forma agujas o placas dependiendo de la temperatura.
Aceros bainíticos
Más duros y resistentes que los perlíticos porque tienen estructura más fina a base de partículas diminutas de Fe₃C en una matriz ferrítica. Exhiben una gran combinación de resistencia y ductilidad.
Esferoidita
Si un acero con microestructura perlítica se calienta a temperatura inferior a la eutectoide durante mucho tiempo, la cementita aparece como esferas incrustadas en una matriz de fase α.
Martensita
El enfriamiento rápido del temple hasta temperatura próxima a la ambiental del acero austenizado origina martensita, que resulta de la transformación sin difusión de la austenita. Si hubiera difusión, se formaría ferrita y cementita. La austenita FCC pasa a BCT.