Materiales de Ingeniería: Aluminio, Cobre, Vidrio y Más

1. Características del Aluminio Puro

El aluminio puro presenta las siguientes propiedades:

• Densidad: 2,700 kg/m³
• Buena resistencia a la corrosión (Alúmina)
• Baja resistencia mecánica en estado puro: 9,1 kg/mm²
• Aumento de resistencia mediante trabajo en frío o aleaciones (tratado hasta 70,3 Kg/mm²=690MPa)
• Buena maleabilidad y formabilidad
• Gran conductividad eléctrica (62% CU) y térmica
• Gran reflectividad a la luz
• No es tóxico
• Amagnético
• No produce chispa
• Maquinabilidad y facilidad de trabajado: fácil de fundir (660 °C), forjado, laminado, extruido, estampado, etc.
• Precio: relativamente bajo

Su producción:

• Es el metal más abundante en la corteza terrestre, combinado con Fe, O, Si, etc.
• Bauxita: Al₂O₃ hidratado con otros compuestos
• Por el proceso Bayer se obtiene la Al₂O₃
• Por electrólisis se obtiene Al (99,5-99,9%), en el fondo cubas con impurezas Fe y Si
• Se refina posteriormente y se obtienen lingotes

1.1. Aleaciones de Aluminio para Forja

• Se obtienen los lingotes por colada semicontinua.
• Se procede al decapado (12 mm) para garantizar una superficie limpia y tersa.
• Se homogeneizan.
• Se laminan en caliente, normalmente en tres etapas, cada una reduce el espesor hasta lo deseable (chapas de 2,5 mm), con recocidos intermedios.
• Pueden obtenerse: Lámina, placas, extrusiones, varilla y alambre.
• Designación: según CENIM y UNE: L-
• Aleaciones no tratables térmicamente: Aluminio 99%, Mn, Mg (aumentan la resistencia por solución)
• Aleaciones tratables térmicamente: Cu (duraluminio 4,5%Cu, 442 MPa), Mg-Si (Mg₂Si), Mg-Zn (Mg₂Zn, 504 MPa)

2. Envejecimiento o Maduración Natural de una Aleación

El envejecimiento es el tercer paso básico del proceso de endurecimiento por precipitación. Es necesario envejecer la solución tratada térmicamente y templada de la muestra de aleación para que se forme un precipitado finamente disperso. La formación de dicho precipitado en la aleación es el objetivo del proceso de endurecimiento por precipitación. El precipitado fino dentro de la aleación impide el movimiento de las dislocaciones durante la deformación, porque las dislocaciones son obligadas a cruzar transversalmente las partículas precipitadas o a rodearlas. Al restringir el movimiento de las dislocaciones durante la deformación, la aleación se refuerza.

Cuando la aleación se deja envejecer a temperatura ambiente, el proceso se llama envejecimiento natural.

3. Corrosión por Pares Galvánicos entre Dos Metales

Celda microscópica de electrodos de cinc y cobre, cuando se cierra el interruptor y fluyen los electrones, la diferencia de voltaje entre los electrodos de cinc y cobre es de -1,10 v.

3.1. Celdas Galvánicas de Concentración

• Películas protectoras según sus propiedades:

Relación volumen óxido-metal (1:1)

Buena adherencia

Temperatura de fusión óxido alto

Óxido baja presión de vapor

Coef. Expansión próximo al metal

Óxido plasticidad para evitar fracturas

Baja difusión de iones metálicos y oxígeno

3.2. Control de la Corrosión

• Selección de materiales:

Metálicos

No metálicos.

• Recubrimientos:

Metálicos: galvanizados, cromados,…

Inorgánicos (cerámicas y vidrio)

Orgánicos: pinturas, lacas, barnices, materiales poliméricos

• Diseño:

Considerar velocidad de corrosión

Soldar mejor que remachas.

Evitar pares galvánicos.

Evitar grietas por corrosión por esfuerzos

Evitar curvas en tuberías: erosión

En resumen: evitar heterogeneidades

• Alteración del ambiente:

Disminuir la temperatura

Disminuir la velocidad flujos corrosivos

Eliminar oxígeno de las soluciones (si es material que puede pasivar es indeseable)

A veces disminuir concentración iones

Usar inhibidores

• Protección anódica y catódica

Catódica con corrientes

Catódica con ánodo de sacrificio

4. Proceso de Rotura por Fatiga

La fatiga es un proceso de un localizado, permanente y progresivo cambio estructural sufrido por un material sujeto a condiciones que le producen tensiones y deformaciones en uno o varios puntos y que puede conducir a producción de grietas o a la rotura después de un número suficiente de fluctuaciones.

El origen de rotura por fatiga es una fisura minúscula que va extinguiéndose progresivamente hasta el instante en el que no existe suficiente metal no sano en la sección para soportar el esfuerzo aplicado, se produce entonces la rotura instantánea por deformación plástica o por fragilidad, de acuerdo con las propiedades del metal y su sensibilidad al efecto de la entalla una vez formada la fisura.

5. Curva de Volumen Específico Frente a la Temperatura de un Vidrio

Solidificación y enfriamiento de termoplásticos no cristalinos y parcialmente cristalinos mostrando un cambio en el volumen específico con respecto a la temperatura (esquemático). T_g es la temperatura de transición vítrea y T_m es la temperatura de fusión.

Un termoplástico no cristalino se enfría a lo largo de la línea ABCD, donde A = líquido, B = líquido altamente viscoso, C = líquido superenfriado (caucho) y D = sólido vítreo (duro y frágil). El termoplástico parcialmente cristalino se enfría a lo largo de la línea ABEF, donde E = regiones de sólido cristalino en matriz de líquido superenfriado y F = regiones de sólido cristalino en matriz vítrea.

Características del Cobre Puro

Sus propiedades:

• Alta conductividad eléctrica y térmica
• Temperatura de fusión: 1,082 °C
• Densidad: 8,200 Kg/m³
• Alta resistencia a la corrosión
• Facilidad de fabricación
• Resistencia media a la tracción, se aumenta con las aleaciones
• Amagnético
• Color atractivo
• Fácil de soldar
• Fácil de revestir

Su producción:

• Producción: de minerales oxidados y sulfuros, con impurezas
• Se funden en un horno para producir la mata, que se separa de las impurezas (escoria)
• Soplando aire se convierte la mata en blister
• El blister se refina y se obtiene el cobre ordinario.
• El cobre ordinario se refina electrolíticamente para obtener el cobre ordinario electrolítico de 99,95% Cu

Sus aleaciones:

• Existen aleaciones para moldeo y para forja
• Cobre no aleado: Se utiliza el cobre comercial electrolítico (con 0,04% de O₂)

Influencia de la Temperatura y la Carga en la Fluencia (Térmica) de los Metales

Curva típica de fluencia de un metal. La curva representa la deformación del metal o aleación en función del tiempo bajo carga y temperatura constantes. La segunda etapa de fluencia (comportamiento lineal) es la de mayor interés para el ingeniero de diseño debido a que en esas condiciones la fluencia es extensa.

En la curva de fluencia ideal de la figura 7.25, hay primero una elongación instantánea y rápida del espécimen ε0. Después de ello, el espécimen exhibe fluencia primaria durante la cual la velocidad de deformación disminuye con el tiempo. La pendiente de la curva de fluencia (dε/dt o ε̇) se denomina velocidad de fluencia. Por tanto, durante la fluencia primaria la velocidad de fluencia disminuye progresivamente con el tiempo. Después tiene lugar una segunda etapa de fluencia en la cual la velocidad de fluencia es esencialmente constante y se conoce como fluencia en estado estacionario. Finalmente, en la tercera etapa la velocidad de fluencia aumenta rápidamente con el tiempo hasta alcanzar la fractura. La forma de la curva de fluencia depende de la carga aplicada (esfuerzo) y de la temperatura. A mayores esfuerzos y temperaturas la velocidad de la fluencia aumenta.

El oxígeno produce fragilidad al calentar el cobre por lo que se fabrica cobre libre de oxígeno de alta conductividad (OFHC)

• Latones (Cu-Zn): entre 5 y 40% ZN

latones α (f.c.c.) y β (b.c.c).

α +β, metal Muntz 40%Zn

cambian color, aumenta resistencia y disminuye resistencia a corrosión al aumentar el Zn

latones rojos (hasta 20%), latones amarillos (20 a 36% Zn)

latones amarillos son susceptibles a fisuras por esfuerzos de corrosión, por tensiones aparecidas en el trabajado en frío

Envejecimiento o Maduración Artificial de una Aleación

El envejecimiento es el tercer paso básico del proceso de endurecimiento por precipitación. Es necesario envejecer la solución tratada térmicamente y templada de la muestra de aleación para que se forme un precipitado finamente disperso. La formación de dicho precipitado en la aleación es el objetivo del proceso de endurecimiento por precipitación. El precipitado fino dentro de la aleación impide el movimiento de las dislocaciones durante la deformación, porque las dislocaciones son obligadas a cruzar transversalmente las partículas precipitadas o a rodearlas. Al restringir el movimiento de las dislocaciones durante la deformación, la aleación se refuerza.

Cuando dicho proceso se realiza a altas temperaturas se denomina envejecimiento artificial. La mayoría de las aleaciones requieren un envejecimiento artificial, y la temperatura de envejecimiento suele oscilar entre 15 y 25 por ciento de la diferencia de temperatura entre la temperatura ambiente y la del tratamiento térmico de la solución.

Reacciones de Oxidación y Reducción en la Corrosión de los Metales (Corrosión Electroquímica)

En las reacciones de oxidación los metales forman iones que se incorporan a una solución acuosa que se denomina reacción anódica. Los electrones permanecen en el metal. Los iones metálicos se llaman cationes.

En las reacciones de reducción, denominada reacción catódica, un metal o no metal se reduce en la carga de valencia. Hay un consumo de electrones.

Las reacciones de corrosión implican oxidación y corrosión, que deben ocurrir al mismo tiempo y a la misma velocidad para evitar la acumulación de carga eléctrica en el metal.

Las Vitrocerámicas

Son materiales parcialmente cristalinos y parcialmente vítreos. Son vidrios a los que se le ha dado forma y después se les ha aplicado un tratamiento secundario a altas temperaturas para conseguir el efecto y propiedades óptimas.

Procesado

Por técnicas de conformado de vidrio:

• moldeo a presión.
• soplado.
• laminado, etc.

Tratamiento secundario (DESVITRIFICACIÓN)

• Nucleación: bajas temperaturas ⇒ “Semillas (TiO2) cerca del punto de recocido de la matriz vítrea huésped.
• Crecimiento de núcleos: altas temperaturas.
• Para dar lugar a la formación de la estructura policristalina.
• Obtenemos cerámicas:
• totalmente densificadas.
• Libres de porosidad⇒ prop. mecánicas.
• microestructura uniforme.
• Viscosidad grande
• Coeficiente de dilatación bajo ⇒ adecuado comp. térmico
• Problemas:

1. limitados a composiciones que puedan formar vidrios y cuya ceramización se pueda controlar.

Otros tratamientos secundarios:

1. Recocido: calentamos el vidrio hasta el punto de recocido.

1. Templado: calentar el vidrio (620-640º C) y enfriar rápidamente.
2. Intercambio de iones (templado químico).

Propiedades vitrocerámicas:

1. Coeficiente de dilatación térmica bajo

1. Excelente resistencia al choque térmico.
2. Buenas conductividades térmicas.
3. Elevada durabilidad química.
4. Gran resistencia mecánica.
5. Alta tenacidad y dureza.
6. Mayor resistencia mecánica que el vidrio.

Aleaciones de Níquel

• Estructura cristalina: f.c.c.
• Temperatura fusión: 1,450 °C
• Densidad: 8,900 Kg/m³
• Caro
• Muy moldeable
• Excepcional resistencia a corrosión y oxidación

Buen conductor eléctrico

• Aleaciones con: Cu (solubilidad completa), Monel (32%), Al y Ti
• Superaleaciones: 50-60% Ni, 15-20% Cr, 15-20% Co, resisten altas temperaturas y la termofluencia, se fabrican partes de turbinas de gas. Se endurecen por precipitación

Tipos de Corrosión

Corrosión uniforme o general: es aquella que se produce con el adelgazamiento uniforme producto de la perdida regular del metal superficial.

Corrosión de dos metales o galvánica: es una de las más comunes. Es una forma de corrosión acelerada que puede ocurrir cuando metales distintos se unen eléctricamente en presencia de un electrolito (solución conductiva).

Corrosión por picadura: es altamente localizada, se produce en zonas de baja corrosión generalizada y el proceso (reacción) anódico produce pequeñas «picaduras» en el cuerpo que afectan.

Corrosión por cavitación: es la producida por la formación y colapso de burbujas en la superficie del metal (en contacto con un líquido) genera una serie de picaduras en forma de panal.

Corrosión selectiva: actúa solo sobre metales nobles como la plata-cobre o cobre-oro. La corrosión del metal involucrado genera una capa que cubre las picaduras y hace parecer al metal corroído como si no lo estuviera, por lo que se pueden producir daños al someterlo a una fuerza.

Corrosión en herraduras: se presenta en espacios confiados o hendiduras que se forman cuando los componentes están en contacto estrecho. Otras áreas en las cuales se ha tapado por acción de los sólidos (pintura, caucho…) Para que se presente este tipo de corrosión, la hendidura debe ser muy pequeña, menor a 1mm. Las dos superficies no tienen que ser metálicas, puede darse con varios metales no metálicos en contacto con superficies metálicas.

Corrosión Intergranular: es la que se encuentra localizada en los límites del grano, esta origina en la resistencia que desintegran los bordes de los granos.

Corrosión por erosión: es una aceleración en la velocidad de ataque corrosivo, debido al movimiento relativo entre un fluido y una superficie metálica. Ocurre cuando el metal es sometido en un medio corrosivo y un proceso de desgaste mecánico.

Corrosión por esfuerzos: Las grietas debidas a la corrosión por esfuerzo de los metales se refieren a las grietas provocadas por los esfuerzos combinados de esfuerzos por tensión y un ambiente de corrosión específico que actúa sobre el metal.

Corrosión por desgaste: ocurre con interfaces entre metales bajo carga expuestos a vibración y deslizamiento. La corrosión por desgaste aparece como huecos o picaduras rodeados por productos de corrosión. En el caso de los metales, los fragmentos metálicos. Los fragmentos metálicos entre las superficies en frotamiento se oxidan y algunas películas de oxido se desprenden por la acción del desgaste.

Daño por hidrógeno: el daño por hidrógeno se refiere a aquellas situaciones en las que la capacidad de carga de un componente metálico se reduce debido a la interacción con el hidrógeno atómico (H) o el molecular (H₂), casi siempre junto con esfuerzos por tensión residuales o aplicados externamente.

Aleaciones de Magnesio

• Temperatura de fusión: 651°C
• Densidad: 1,740 Kg/m3
• Estructura: c.p.h.
• No es fácil de deformar
• Más caro que el aluminio
• Fundido se quema en el aire, se utilizan protectores durante la fusión.
• Difícil de trabajar en frio, generalmente en caliente.
• Aleaciones: de moldeo y de forja, con versiones tratables y no
• La mayoría son ternarias basadas en los siguientes sistemas binarios: Mg-Al, Mg-Zn, Mg-Tierras raras, Mg-To

Aleaciones de Titanio

• Densidad: 4,540 Kg/m³
• Temperatura de fusión: 1,668 °C
• Buena resistencia a corrosión en ambientes químicos
• Es caro
• Estructura c.p.h. a temperatura ambiente y B.C.C. por encima de 883°C
• Aleación Ti-Al, envejecido alcanza 1,173 MPa