Tamaño de grano y aleaciones en Ingeniería de Materiales

Tamaño de grano

Factores que influyen durante la cristalización

Temperatura de fusión (Tf): a mayor Tf, menor es el tamaño de grano que presenta en estado sólido.
Velocidad de crecimiento (v_c): es el aumento del tamaño de los núcleos por unidad de tiempo. A menor v_c, menor tamaño de grano.
Velocidad de nucleación (v_n): es el aumento de núcleos por unidad de tiempo en la masa del metal. A mayor v_n, menor tamaño de grano.

Grados de subenfriamiento grandes, proporcionan tamaño de grano pequeño y viceversa. A mayor v_n/v_c, menor tamaño de grano.

Cuando se desea tamaño de grano pequeño, se debe buscar que v_n/v_c sea lo mayor posible. Solo se puede actuar sobre la v_n:

Por adición de impurezas insolubles de mayor punto de fusión que el metal.
Agitando la mezcla durante la cristalización.
Aumentando el grado de subenfriamiento.

Macroestructura (menos de 20 aumentos)

Generalmente 10 aumentos. Se observan: color, brillo, tacto, forma geométrica…

Microestructura (+ de 20 aumentos)

Generalmente 500 aumentos. Para referirse a la estructura poligonal de los granos, a la disposición atómica, tipos de redes, parámetros reticulares…

Propiedades de los metales

Resistencia a compresión.
Resistencia a flexión.
Resistencia a torsión.
Resistencia a cortadura.
Resistencia a tracción: diagrama tensión-deformación.
Deformaciones permanentes (dp) o deformaciones plásticas: son las que no se recuperan después de ceder la carga que provocó la deformación. Tienen lugar cuando se supera el límite elástico.
Deformación elástica (de): es la que se recupera al ceder el esfuerzo que la provoca.
Deformación total (dt): dt=dp+de.
Dureza: es la facilidad que tienen los cuerpos para aguantar el desgaste por rozamiento o rayado. Brinell (HB), Vickers (HV) y Rockwell (HRB/HRC/HRA). Dureza=F/Área de la marca.
Tenacidad: es la cantidad de trabajo que es capaz de absorber un material antes de romperse, bajo la acción progresiva de esfuerzos. En Kpm/mm³.
Resiliencia: es la cantidad de trabajo que es capaz de absorber un material antes de romperse bajo la acción de un choque brusco. En J/m³.
Fragilidad: es la facilidad para romperse bajo la acción de un choque.
Plasticidad: es la facilidad que tienen los materiales para deformarse de forma permanente.
Maleabilidad: es la facilidad de una sustancia para transformarse en láminas, mediante la acción de compresión.
Ductilidad: es la facilidad que tienen los materiales para transformarse en hilos, mediante la acción de tracción.
Fatiga: es el fenómeno de pérdida de propiedades mecánicas debido a la repetición de sucesivas cargas y descargas inferiores.

Naturaleza y constituyentes de las aleaciones

Metales químicamente puros 100% casi no se emplean.

Aleación: metal formado por átomos de varios elementos.

Solubilidad: dos o más elementos se consideran solubles cuando todos sus átomos pueden formar parte del mismo edificio cristalino.

Soluto: elemento que se encuentra en menor cantidad. Es el elemento que pierde su red cristalina.

Disolvente: elemento que se encuentra en mayor cantidad. Es el elemento que prevalece su red cristalina.

Insolubilidad: dentro de una aleación, dos o más elementos se consideran insolubles cuando cada uno de ellos cristaliza separado del otro.

Soluciones sólidas

Fase: toda parte homogénea de un sistema diferenciable físicamente de las demás. Toda parte visible al microscopio y que físicamente sea distinta de las demás se considera una fase.

Solución sólida por sustitución

Los átomos de soluto se ubican en las posiciones atómicas de la red del disolvente. Si no hay criterio de orden se denominan desordenadas frente a las ordenadas o superredes (redes conseguidas con enfriamientos muy lentos solo estables a bajas temperaturas).

Factores que influyen en la formación de soluciones sólidas de sustitución:

Tamaño: se requiere que la diferencia de tamaños entre los átomos del disolvente y del soluto sea inferior al 15%. |(R-r)/R|<0,15 -> r/R>0,85.
Se requiere que las estructuras cristalinas sean iguales.
Electronegatividad: deben tener electronegatividades muy similares.
Valencia: cuanto más similares sean las valencias mayor posibilidad de formar solución sólida de sustitución.
Concentración electrónica (Ce): Ce<=1,4. Número medio de electrones de la última capa menor o igual que 1,4. Ce=V_B·x+V_A·(1-x)<=1,4 -> x<=(1,4-V_A/V_B-V_A). x=concentración del elemento B (en %). V_A=valencia del elemento A. V_B=valencia de B. Uno de los elementos debe tener valencia 1. Ej: x<=1,4-1/2-1<=0,4 -> Cumple hasta 40%. Si todos los factores son favorables (5)-solubilidad total. 4-solubilidad parcial extensa. 3-solubilidad parcial media. 2-solubilidad parcial escasa. 1-compuestos. 0-insolubilidad total.

Solución sólida por inserción

Son fácilmente saturables, porque los huecos que quedan son muy pequeños en todas las redes. Suelen dar lugar a fases de estrecho rango de concentración y a compuestos intersticiales.

Factores que influyen en la formación de soluciones sólidas de inserción:

Tamaño del mayor de los huecos: son deseables huecos grandes.
Tamaño del átomo de soluto: la mayor solubilidad se consigue con las menores relaciones entre los átomos del soluto y del disolvente.
Factor de empaquetamiento del disolvente: a mayor factor de empaquetamiento, menor es el volumen ocupable por átomos de soluto. Para determinar la solubilidad se utiliza el factor de saturación (fs): fs=(r_max/R)/f. r_max=radio máximo del átomo del soluto. R=radio del átomo de disolvente. f=factor de empaquetamiento del disolvente. A mayor fs, mayor será la saturación por inserción.