Características y Aplicaciones del Aluminio y sus Aleaciones

Características del Aluminio

El aluminio es un metal de color blanco, conocido por su baja densidad (2.7 kg/dm³) y su estructura cristalina cúbica centrada en las caras (CCC). Es altamente dúctil y maleable, especialmente entre 100°C y 150°C, lo que permite procesos de forjado, laminado, batido y prensado. Sin embargo, cerca de su punto de fusión, se vuelve quebradizo. El trabajo en frío aumenta su dureza, pero puede generar grietas superficiales; un recocido restaura sus propiedades originales. Aunque el aluminio puro tiene baja resistencia mecánica, esta se puede mejorar significativamente mediante aleaciones. Es notable su resistencia a la corrosión, gracias a la formación de una capa de óxido protectora. Su alta conductividad eléctrica lo hace útil en líneas de conducción, y su buena conductividad térmica permite su uso como aislante.

Aplicaciones del Aluminio

Las propiedades del aluminio determinan sus diversas aplicaciones:

• Ligereza: Ideal para estructuras metálicas en industrias aeronáutica, automotriz y ferroviaria.
• Conductividad eléctrica: Utilizado en líneas de alta tensión.
• Resistencia a la corrosión: En utensilios de cocina y envases de alimentos.
• Reflectividad: En pinturas para depósitos de líquidos inflamables.

Clases de Aleaciones de Aluminio

Las aleaciones de aluminio se clasifican según su uso:

• Aleaciones para moldeo: El aluminio puro es difícil de moldear, por lo que se alea con hasta un 14% de otros metales para mejorar su moldeabilidad.
• Aleaciones para forja: Contienen hasta un 7% de otros metales. Se utilizan en procesos mecánicos como laminado y forjado, que mejoran la homogeneidad y el tamaño de grano. Muchos admiten tratamientos térmicos.

Características y Aleaciones del Cobre

Características del Cobre

El cobre es un metal rojizo con estructura CCC, altamente dúctil y maleable, especialmente en estado puro. Es un excelente conductor térmico y eléctrico. La adición de un 1% de cadmio (Cd) aumenta su resistencia a la tracción. Resiste la corrosión, formando una capa protectora de carbonato básico de cobre (cardenillo). Sin embargo, reacciona con ácidos orgánicos formando sales venenosas. No es adecuado para el moldeo debido a la absorción de gases durante la fusión. Se puede conformar en caliente (laminación, forja) sin superar el rojo sombra, temperatura a la cual se vuelve quebradizo. Es muy deformable en frío, pero se vuelve frágil y duro; el recocido seguido de enfriamiento en agua restaura su maleabilidad.

Clasificación de Aleaciones de Cobre

• Aleaciones para forja: Para obtener piezas mediante forjado.
• Aleaciones para moldeo: Para obtener piezas por moldeo y fundición.
• Aleaciones previas o de adición: Aleaciones binarias utilizadas para introducir los elementos de aleación.

Aleaciones Cobre-Zinc (Latones)

Los latones se clasifican según sus propiedades:

• Latones de primer título: Menos del 33% de Zn. Maleables a temperatura ambiente, requieren recocido después del trabajo en frío.
• Latones de segundo título: Entre 33% y 45% de Zn. Mayor resistencia a la tracción que los de primer título.
• Latones de tercer título: Más del 45% de Zn. Frágiles y con pocas aplicaciones industriales.
• Latones especiales: Contienen elementos adicionales como aluminio o níquel para mayor dureza, resistencia mecánica y resistencia a la corrosión.

Aleaciones Cobre-Estaño (Bronces)

• Bronces de forja: Menos del 8% de Sn. Fáciles de deformar.
• Bronces de moldeo: Más del 8% de Sn. Utilizados en fundición.

Propiedades de los Materiales en Ingeniería: Selección y Criterios

Un proyectista debe considerar diversas propiedades al elegir un material:

• Propiedades económicas: Precio y disponibilidad.
• Propiedades mecánicas generales: Densidad, módulo de elasticidad, límite elástico.
• Propiedades mecánicas específicas: Resistencia a la rotura y a la fatiga.
• Propiedades físicas: Comportamiento térmico, eléctrico, magnético.
• Propiedades superficiales: Resistencia a la oxidación, corrosión, abrasión y cambios climáticos.
• Propiedades de producción: Facilidad de manufactura, fabricación, acabado y unión.
• Propiedades estéticas: Apariencia, textura.

Análisis Estructural Microscópico

El análisis microscópico examina pequeñas zonas del material para determinar:

• Constituyentes estructurales de las aleaciones.
• Tamaño y forma del grano.
• Defectos microscópicos.
• Corrosión intergranular.
• Capas superficiales.

Deformación Elástica y Plástica

En un diagrama de tracción (presión vs. deformación), la zona inicial es lineal, con una pendiente igual al módulo de Young. Superado el límite de deformación proporcional (punto 1), se entra en una zona de deformación elástica, donde el material recupera su forma original al cesar la carga. Más allá del límite de deformación elástica (punto 2), la deformación es plástica (permanente). El punto 4 representa la rotura del material.

Diferencia entre Material Tenaz y Frágil

• Material tenaz: Resistente y dúctil, soporta grandes deformaciones sin romperse.
• Material frágil: Consume poca energía de deformación y ruptura, fracturándose con poca deformación plástica.

Resiliencia y Módulo de Resiliencia

La resiliencia es la capacidad de un material para absorber energía de deformación elástica. El módulo de resiliencia es la energía de deformación elástica por unidad de volumen.

Diferencia entre Deformación Técnica y Real

• Deformación técnica: La más utilizada en ingeniería.
• Deformación real: Considera el cambio constante de las dimensiones del material durante la deformación, ofreciendo una definición más precisa.

Coeficiente de Poisson

El coeficiente de Poisson expresa la relación entre las deformaciones unitarias en dos direcciones perpendiculares (deformación transversal / deformación longitudinal).

Ventajas del Trabajo en Caliente frente al Trabajo en Frío

• Deformación plástica casi ilimitada.
• Reducción o eliminación de defectos de fundición.
• Recomendable para piezas grandes debido a la baja fluencia y alta ductilidad del material a altas temperaturas.
• Desventajas: Acabado superficial deficiente (formación de óxido) y propiedades finales menos uniformes.

Módulo de Elasticidad y Módulo de Rigidez

• Módulo de elasticidad (E): Mide la rigidez del material. Mayor E implica mayor deformación para una misma tensión.
• Módulo de rigidez (G): Relación entre tensión de cortadura y deformación de cizalladura.

Relación: G = E / (2 * (1 + u)), donde ‘u’ es el coeficiente de Poisson.

Recocido

Tratamiento térmico para eliminar los efectos del trabajo en frío y restaurar la ductilidad original. Etapas:

1. Recuperación: Eliminación de tensiones residuales a temperaturas inferiores a la temperatura de recristalización (TR).
2. Recristalización: Calentamiento por encima de TR, generando nuevos granos equiaxiales (baja resistencia, alta ductilidad).
3. Crecimiento del grano: A temperaturas de recocido más altas, la recuperación y recristalización son rápidas, produciendo una estructura de grano fino pero inestable. El crecimiento del grano, generalmente indeseable, reduce la energía.

Fatiga de Materiales

¿Qué es la Fatiga de un Material?

La fatiga es la falla de un material bajo tensiones repetitivas. Es un cambio estructural permanente, localizado y progresivo, que conduce a la rotura.

Etapas de la Fatiga

1. Inicio del agrietamiento.
2. Propagación de grietas.
3. Fractura rápida.

Límite de Fatiga

Tensión por debajo de la cual el material resiste un número de ciclos superior a 10⁷ sin romperse (vida infinita).

Ensayos para Determinar la Vida a Fatiga

• Tracción-compresión con esfuerzo axial.
• Flexión rotativa.
• Flexión plana.
• Torsión.

Factores en un Ensayo a Impacto

• Tamaño de la probeta (estándar).
• Forma y profundidad de la entalla (lisa).
• Distancia entre apoyos (constante).
• Temperatura de ensayo (ligeramente superior a la temperatura de transición).

Propiedades Eléctricas y Magnéticas de los Materiales

Diferencia entre Piezoelectricidad y Electrostricción

• Piezoelectricidad: Generación de un campo eléctrico al imponer un cambio dimensional a un dieléctrico.
• Electrostricción: Modificación de las dimensiones de un material debido a la polarización.

Limitaciones de los Superconductores

Los superconductores oponen resistencia nula al paso de corriente eléctrica por debajo de su temperatura crítica, densidad crítica de corriente y campo magnético crítico. Limitaciones:

• Necesidad de enfriamiento a temperaturas muy bajas.
• No son adecuados para corriente alterna.

Clasificación de Materiales según sus Propiedades Magnéticas

• Diamagnéticos: Campo magnético inducido opuesto al campo inductor.
• Paramagnéticos: Campo inducido en el mismo sentido y proporcional al campo inductor.
• Ferromagnéticos: Campo magnético inducido intenso por debajo de la temperatura de Curie. Por encima, se comportan como paramagnéticos. Incluyen:
  • Ferrimagnéticos: Materiales cerámicos con momentos magnéticos distintos.
  • Antiferromagnéticos: Momentos magnéticos inducidos iguales y opuestos (magnetización nula).

Aleaciones Hierro-Carbono (Fe-C)

Clasificación de las Aleaciones Fe-C según el % de Carbono

• Aceros: Menos del 2% de C.
  • Hipoeutectoides: C < 0.8%.
  • Eutectoides: C = 0.8%.
  • Hipereutectoides: 0.8% < C < 2%.
• Fundiciones: Más del 2% de C.
  • Hipoeutécticas: 2% < C < 4.3%.
  • Eutécticas: C = 4.3%.
  • Hipereutécticas: C > 4.3%.

Constituyentes Estructurales de las Aleaciones Fe-C

• Austenita (Feγ): Principal constituyente a altas temperaturas. Estable a 723°C; a menor temperatura, se transforma en ferrita y cementita. Puede ser estable a temperatura ambiente con altos porcentajes de elementos de aleación. Deformable, poco dura, resistente al desgaste, no magnética, y el constituyente más denso de los aceros.
• Ferrita (Feα): Solución intersticial. Puede contener elementos de aleación en solución. Es el constituyente más blando y maleable.
• Cementita (Fe3C): Carburo de hierro. Frágil y dura, ferromagnética a bajas temperaturas. Termodinámicamente inestable a temperaturas inferiores a 1200°C.
• Perlita: Mezcla eutectoide de ferrita y cementita. Apariencia laminar con bandas alternadas de ferrita (88%) y cementita (12%). Propiedades mecánicas intermedias.

Elementos que Alteran las Propiedades de la Aleación Fe-C

Si, P, S, Mn, Ni, Cr, Mo, W, Co, V, Cu, Al, Ti, B.

Mejoras con el Tratamiento en Frío

Aumenta la dureza, el límite elástico y el límite de fluencia. No se pueden soldar cavidades internas y el efecto de homogeneización es nulo.

Clasificación de los Aceros según los Constituyentes Estructurales

• Aceros perlíticos: Bajos porcentajes de elementos de aleación. Estructura y tratamientos térmicos similares a los aceros al carbono.
• Aceros martensíticos o de autotemple: Porcentajes medios de elementos de aleación. Elevada templabilidad.
• Aceros austeníticos: Dúctiles y resistentes a la corrosión y desgaste, difíciles de mecanizar. Pueden ser estables (insensibles a tratamientos térmicos) o inestables (menores porcentajes de elementos gammágenos).
• Aceros ferríticos: Elevado porcentaje de elementos alfágenos. No se pueden tratar térmicamente.
• Aceros ledeburíticos: Porcentaje de elementos de aleación que impide disolver más del 2% de C. Se comportan como fundiciones blancas.

Aceros con Porcentajes Altos de Aleación

Aceros inoxidables Cr-Ni, aceros refractarios, aceros maraging y aceros de corte rápido.

Curvas TTT (Transformación Isotérmica)

Describen la transformación metaestable de la austenita. Se obtienen experimentalmente:

1. Calentar probetas a temperatura de austenización.
2. Enfriar a una temperatura determinada y mantener en un baño de sales.
3. Extraer muestras periódicamente y enfriar a temperatura ambiente.
4. Inspeccionar microscópicamente.

Las curvas TTT definen tres secciones:

1. Izquierda: Austenita inestable, aún no transformada.
2. Entre las curvas: Austenita en transformación.
3. Derecha: Austenita totalmente transformada.

Tratamientos Térmicos

Objetivos de los Tratamientos Térmicos

• Reducir dureza o mejorar maquinabilidad.
• Eliminar acritud del trabajo en frío.
• Eliminar tensiones internas.
• Homogeneizar la estructura.
• Aumentar dureza y resistencia.
• Modificar características físicas.
• Aumentar la resistencia a agentes químicos.

Tipos de Recocido

Recocido de homogeneización, regeneración, ablandamiento, globular, estabilización, recristalización (contra acritud) e isotérmico.

Factores que Influyen en el Temple

Composición, temperatura de temple, tiempo de calentamiento, velocidad de enfriamiento.

Defectos del Temple

Oxidaciones y descarburaciones, exceso de fragilidad, falta de dureza, deformaciones, grietas y roturas.

Métodos para Medir la Templabilidad

• Método de determinación directa a partir de las curvas de dureza: Se templan barras de diámetros crecientes y se mide la dureza transversalmente.
• Método de Jominy: Se templa una probeta estandarizada y se mide la dureza a lo largo de su longitud.

Cementación

Aumenta la concentración de carbono en la superficie de un acero. Factores:

• Composición del acero: Aceros con bajo contenido de carbono, débilmente aleados o de alta aleación.
• Agentes cementantes: Sustancias que suministran carbono.
• Temperatura de cementación: El hierro debe estar en estado austenítico (no superar los 1000°C).
• Tiempo de cementación: El espesor de la capa cementada aumenta con el tiempo (ley parabólica: x = x₀ * √t).

Austempering y Martempering

Austempering

Tratamiento isotérmico para aumentar la ductilidad y resistencia al impacto, manteniendo alta dureza. El acero se austeniza, se templa en un baño de sales (270°C – 400°C) y se enfría. Aplicaciones: resortes, palas, flejes.

Martempering

Similar al austempering, pero el enfriamiento se realiza por encima de la temperatura de transformación martensítica (200°C – 220°C) durante un tiempo más corto (1-2 horas). Produce martensita (alta resistencia al desgaste). Requiere revenido posterior. Aplicaciones: engranajes, troqueles, cuchillas.

Grafeno: Propiedades y Aplicaciones

El grafeno es un material bidimensional de carbono puro, con átomos en una malla hexagonal. Propiedades:

• Resistencia a la rotura 100 veces superior al acero.
• Densidad muy baja (0.77 mg/m²).

Aplicaciones potenciales en energía, electrónica, medicina, construcción, aeronáutica y automoción.

Materiales Cerámicos

Fases de Fabricación de Materiales Cerámicos

1. Preparación: Trituración, separación por tamaño de grano y mezcla de ingredientes.
2. Conformación: Dar forma.
3. Desecación: Eliminar agua.
4. Cocción: En hornos, para dar propiedades específicas.

Cermetos

Materiales compuestos de cerámicos y metales. Buena conductividad calorífica, alta resistencia al choque térmico y elevadas características mecánicas. Aplicaciones: bombas para líquidos criogénicos, cámaras de combustión, cojinetes.

Polímeros

Diferencia entre Monómero y Polímero

• Monómero: Compuesto químico estable que, bajo ciertas condiciones (calor, presión, catalizador), rompe sus dobles enlaces y se une a otros monómeros.
• Polímero: Cadena formada por la unión de muchos monómeros.

Fases de la Polimerización

1. Iniciación: Reacción lenta.
2. Propagación: Velocidad aumenta rápidamente.
3. Terminación: Velocidad disminuye y se anula.

Influencia de la Temperatura en el Comportamiento de los Polímeros

Al aumentar la temperatura, los polímeros experimentan cambios:

• Movimiento vibratorio de segmentos de cadena.
• Comportamiento viscoelástico.
• Deslizamiento de partículas (temperatura de fluidificación o fusión).
• Comportamiento como líquido viscoso (por encima de la temperatura de fusión).
• Descomposición (temperatura de descomposición).

Clasificación de los Plásticos por su Constitución Química

• Productos naturales transformados (derivados de celulosa, caseína, caucho).
• Policondensados (condensados en equilibrio reversible e irreversible).
• Polimerizados (polivinílicos, polialdehídos, poliamidas).
• Productos de condensación hidrolizante (siliconas).

Aditivos

Productos añadidos a los plásticos para modificar sus propiedades. Clasificación:

• Catalizadores: Modifican la velocidad de reacción.
• Rellenos: Mejoran la resistencia a la carga y al desgaste.
• Plastificantes: Mejoran la conformación.
• Estabilizadores: Impiden el deterioro.
• Disolventes: Plastificantes de efecto pasajero.
• Refuerzos: Filamentos para mejorar resistencia y rigidez.
• Retardadores de la combustión: Reducen la inflamabilidad.

Elastómeros

Polímeros con alta elasticidad. Características:

• Cadenas largas enrolladas.
• Temperatura de trabajo superior a Tv.
• Posibilidad de establecer enlaces cruzados.

Materiales Compuestos

Clasificación de las Fibras según su Composición

• Fibras no metálicas (vidrio, carbono, aramida).
• Fibras metálicas (zunchos en hormigón, refuerzo radial en llantas, alambres).
• Whiskers (monocristales de boro, grafito, silicio, acero).

Materiales para Matrices

Materiales con baja densidad, alta resistencia y buenas propiedades elásticas y plásticas: polímeros, metales y cerámicas.

Procesos de Fabricación de Materiales Compuestos con Matriz Polimérica

Moldeo por contacto manual, moldeo por vacío, moldeo por inyección, estampación en frío, procesos de molde abierto, proceso de molde cerrado, método en húmedo, método en seco.