Resúmenes de Fundamentos de Ciencias Materiales

Resúmenes de Fundamentos de Ciencias Materiales

Maialen Ezkurra y Javier Barandiaran

Resúmenes de Fundamentos de Ciencias Materiales - Maialen Ezkurra y Javier Barandiaran

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Tema 2. Estructura atómica y enlaces

Conceptos básicos

Átomo: Menor unidad de un elemento químico que mantiene su identidad o propiedades y no es

posible dividir mediante procesos químicos.

Número atómico (Z): Indica el número total de protones en el núcleo.

Masa atómica (A): Suma de las masas de los protones (constante) y los neutrones (variable) en el

núcleo.

Peso atómico: Promedio en peso de todos los isótopos naturales propios de un átomo.

Modelos atómicos

Bohr (modelo cuántico)

Los electrones se consideran partículas que orbitan alrededor del núcleo en orbitales discretos.

La posición del electrón está definida por su orbital.

Las energías de los electrones alrededor del núcleo están cuantizadas.

El electrón puede cambiar de energía entre niveles discretos a través de saltos cuánticos hacia

valores superiores o inferiores.

Schrödinger (mecánica ondulatoria)

Los electrones muestran la dualidad onda-partícula.

La posición del electrón se define como la probabilidad de encontrarlo en una zona alrededor del

núcleo.

Números cuánticos


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Configuración electrónica

Los electrones se posicionan en los niveles de menor energía (orbitales cercanos al núcleo).

Principio de exclusión de Pauli: Cada estado electrónico no puede contener más de dos electrones y

no puede haber dos electrones con los mismos números cuánticos.

Electrones de valencia: Son aquellos electrones en las subcapas s y p del último nivel de energía. Son

de gran importancia ya que participan en los enlaces entre átomos para formar moléculas y

determinan las propiedades físicas y químicas de los sólidos.

S2p6: Configuración electrónica estable. Inertes.

Algunos átomos con subcapas incompletas adquieren configuraciones estables donando o

aceptando electrones, formando iones, o compartiendo con otros átomos. Esta es la base de las

reacciones químicas y los enlaces atómicos en los sólidos.

Tabla periódica

Organizada en número atómico creciente en 7 filas (periodos).

Cada columna (grupo) está compuesta por elementos tienen similar estructura en cuanto a

electrones de valencia por lo que presentan características físicas y químicas similares.

Electronegatividad:

Tendencia de un átomo a aceptar electrones. Aquellos elementos con capas externas casi llenas

tienen tendencia a aceptar electrones.

Elementos con alto número atómico presentan baja electronegatividad ya que sus electrones están

alejados del núcleo.

Energía de enlace y distancia interatómica

Los átomos y moléculas pueden interaccionar entre sí sin modificar su estructura química.

Muchas propiedades físicas están basadas en el conocimiento de las fuerzas interatómicas que

enlazan los átomos.

Al aproximar dos átomos aislados, cada uno de ellos ejerce fuerzas sobre el otro, hasta llegar al

equilibrio (distancia interatómica).

Energía de enlace: Es la energía necesaria para romper un enlace.

Enlaces atómicos

Primarios

Iónicos

o Se encuentra en compuestos formados por un elemento metálico (electropositivo) y no

metálico (electronegativo).

o El elemento metálico dona electrones (se convierte en un catión) mientras que el elemento

no metálico adquiere electrones (se convierte en un anión).

o Son enlaces no direccionales por lo que la magnitud del enlace es igual en todas las

direcciones.

o Forman redes cristalinas muy estables.

o Presentan energías de enlace elevadas por lo que altas temperaturas de fusión y ebullición.

o Tienen valores de dureza elevada pero son frágiles.

o Buenos aislantes térmicos y eléctricos.

o Enlace principal en los elementos cerámicos.


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Covalentes

o Se establece por compartición de electrones entre dos o más átomos de

electronegatividad semejante.

o Es un enlace direccional.

o Puede ser fuerte o débil.

o Es el enlace característico de los polímeros.

o Son materiales duros y resistentes.

o Son malos conductores del calor y la electricidad.

o Por lo general, presentan elevados puntos de fusión.

o Insolubles en solventes comunes.

Metálicos

o Se da en elementos electropositivos que donan sus electrones, formando un “mar de

electrones”.

o Es un enlace no direccional.

o Son buenos conductores de la electricidad y el calor.

o Son dúctiles y maleables.

o Resisten grandes tensiones sin romperse.

o Presentan elevadas densidades.

o Tienen un brillo metálico característico.

Secundarios (Van der Vaals)

Dipolo-dipolo

o Se da entre moléculas polares (distribución asimétrica de la carga).

o Los dipolos se orientan espontáneamente debido a las fuerzas de atracción/repulsión

entre las partes positivas y negativas de cada dipolo.

o Energía de enlace pequeña

Fuerzas de dispersión o de London

o Se da entre moléculas apolares.

o Los dipolos se pueden inducir bien por moléculas polares o bien por la redistribución

espontánea de la carga eléctrica en la molécula.

o Energía de enlace muy pequeña (la única que se da en gases nobles).

Puentes de hidrógeno

o Se da entre el hidrógeno y moléculas polares (importante diferencia de

electronegatividad).

o Dipolos permanentes de elevada energía de enlace.

Mixtos

Materiales cerámicos

o Muchos materiales cerámicos y semiconductores, compuestos por elementos metálicos

y no metálicos, presentan un enlace mixto iónico-covalente.

o El porcentaje de cada tipo de enlace viene determinado por la diferencia de

electronegatividades de los átomos que lo forman y se puede calcular con la ecuación de

Pauling.

Materiales poliméricos

o En los materiales poliméricos, las cadenas poliméricas están constituidas de átomos de

carbono unidos mediante enlaces covalentes.

o Existen interacciones secundarias entre las cadenas que determinan las propiedades de los

materiales poliméricos.


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Tema 3. Estructura cristalina de los materiales

1. Conceptos básicos

Ordenamiento de la materia:

o Sin ordenamiento

Se da en gases monoatómicos (Ar) o plasma.

Los átomos o iones no presentan ningún tipo de ordenamiento.

o Ordenamiento de corto alcance

El ordenamiento se extiende únicamente hasta los átomos, moléculas, etc. más

próximas.

Da lugar a los materiales amorfos:

El proceso cinético no permite el ordenamiento de los átomos, iones,

moléculas.

Muchos polímeros y algunas cerámicas (vidrio inorgánicos) presentan

estructuras amorfas

El proceso de cristalización se puede controlar (tratamientos térmicos,

mecánicos, etc.) para dar lugar a propiedades mejoradas.

o Ordenamiento de largo alcance

Se da en todos los metales y algunos cerámicos y polímeros

El ordenamiento se extiende en escalas más grandes (>100 nm).

Los átomos/iones/moléculas forman una red tridimensional, regula y repetitiva.

Da lugar a los materiales cristalinos:

Si están compuestos por un único cristal -> monocristal:

o - Amplio uso en aplicaciones electrónicas (chips de sillico) y ópticas

(láser).

o Se pueden dar de forma natural o sintéticamente.

Si está compuesto por muchos pequeños cristales con diversas

orientaciones -> policristal:

o Cada cristal pequeño se conoce como grano.

o Los bordes entre los cristales se conocen como bordes de grano que

tienen gran importancia en las propiedades finales de los materiales

Los materiales cristalinos está formados por celdas unidad:

o Celda unidad: Unidad estructural más simple que permite definir la

estructura cristalina mediante su repetición y traslación

o Parámetros de red: dimensiones de la celda unidad (a, b, c) y

ángulos interaxiales (α, β, γ). Contienen toda la información

necesaria de la estructura cristalina.

o Solo existen 7 formas de celda unidad que permiten “llenar” un

espacio tridimensional

o La disposición de los átomos/iones/moléculas dentro de las redes

cristalinas también está limitada (puntos de red con idéntico

entorno en el espacio tridimensional) -> 14 redes de Bravais.


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2. Estructura cristalina de los metales

Sistema cúbico de cuerpo centrado (BCC).

o Número de átomos/celda unidad= 2

o Número de coordinación= 8

(Número de átomos adyacentes a

un átomo particular)

o Factor de empaquetamiento

atómico (APF= (número de

átomos/celda)x(volumen de cada

átomo)/volumen de celda unidad) =

0.68

o 𝑎 = (4 √3⁄ )𝑟

o Ejemplos: α-Fe, Cr, M, W.

Sistema cúbico de caras centradas (FCC)



o Factor de empaquetamiento atómico (APF) = 0.74

o 𝑎 = 2√2𝑟 o Ejemplos: γ-Fe, Al, Ni, Cu, Ag, Pt, Au.

Sistema hexagonal compacto (HCP)



o Factor de empaquetamiento atómico (APF) = 0.74

o 𝑎 = 2𝑟

o c/a = 1.633

o Ejemplos: Be, Mg, Ti, Zn, Zr.

Las estructuras FCC y HCP presentan el mismo factor de

empaquetamiento atómico (0,74), que es el máximo posible.

Ambas estructuras pueden ser generadas por apilamiento de planos

compactos.

El FCC y HCP se diferencian en la secuencia de apilamiento:

o FCC: ABCABCABCABC…

o HCP: ABABABABABAB…


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3. Puntos, direcciones y planos cristalográficos

Coordenadas de puntos

o La posición de cualquier punto queda especificada por sus coordenadas.

Índices de Miller

o Muchas de las propiedades y procesos en los materiales varían según planos y direcciones

de los cristales -> necesidad de identificar estos planos y direcciones.

o Los planos y direcciones en redes cristalinas se describen un sistema de notación

cristalográfica: Índices de Miller:

Direcciones:

Procedimiento:

o Definir las coordinadas de los dos puntos que forman el vector.

o Restar las coordenadas de la “cola” del vector a las coordenadas de

la “cabeza” del vector.

o Eliminar las fracciones multiplicando por el factor necesario para

obtener los números enteros más bajos posibles.

o Los índices se escriben [u v w]. Los signos negativos se sitúan encima

de los números.

En algunas estructuras cristalinas, varias direcciones no paralelas con

diferentes índices son equivalentes -> la distancia entre átomos es la misma.

En estos casos se habla de “familias” de direcciones y se anotan entre

paréntesis angulares: <u v w>. Es esperable que el material presente las

mismas propiedades en cada una de estas direcciones equivalentes.

Plano cristalográfico:

Procedimiento:

o Determinar los puntos de intersección del plano con cada uno de los

ejes:

Si es paralelo a un eje el punto de corte es ∞.

Si el plano pasa por el origen, se traslada el origen del

sistema de coordenadas.

o Obtener los valores recíprocos de las intersecciones (1 𝑛⁄ ).

o Eliminar las fracciones multiplicando por el factor necesario para

obtener los números enteros más bajos posibles.

o Los índices de Miller se escriben en la forma (h k l). Los signos

negativos se sitúan encima de los números.

Una familia de planos contiene todos aquellos planos que son

cristalográficamente equivalentes.

En una familia de planos, todos los planos tienen la misma densidad

atómica. Los índices se anotan entre llaves {h k l}.


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o Densidad lineal y densidad planar/superficial:

La densidad lineal y densidad planar son importantes ya que cumplen un papel

fundamental en el proceso de deslizamiento, el mecanismo por el que los metales se

deforman plásticamente.

El deslizamiento se da en los planos cristalográficos más empaquetados y, dentro de

estos planos, en las direcciones con mayor densidad lineal.

Densidad lineal: Relación entre el número de átomos completos contenidos

en un cierta dirección y la longitud de la dirección.

𝑁º 𝑑𝑒 á𝑡𝑜𝑚𝑜𝑠 𝑒𝑛 𝑢𝑛𝑎 𝑑𝑖𝑟𝑒𝑐𝑐𝑖ó𝑛 𝑐𝑟𝑖𝑠𝑡𝑎𝑙𝑖𝑛𝑎

𝐿𝑜𝑛𝑔𝑖𝑡𝑢𝑑 𝑑𝑒 𝑙𝑎 𝑑𝑖𝑟𝑒𝑐𝑐𝑖ó𝑛 𝑐𝑟𝑖𝑠𝑡𝑎𝑙𝑖𝑛𝑎

Densidad planar: Relación entre el número de átomos completos

contenidos en un plano y el área del plano.

Nº de átomos en un plano cristalino

Área del plano cristalino

Los planos y direcciones más importantes en los sistemas FCC y BCC son los

siguientes:

4. Intersticios en estructuras cristalinas

En las estructuras cristalinas existen espacios vacíos, llamados intersticios o huecos, donde pueden

alojarse átomos de pequeño tamaño. Existen tres tipos:

o Cúbicos: Se da en la estructura SC en la posición centrada en el cuerpo. NC = 8

o Octaédricos: Los átomos que están en contacto con el átomo intersticial forman un

octaedro. NC = 6

o Tetraédricos: Los átomos que están en contacto con el átomo intersticial forman un

tetraedro. NC = 4.

Ejemplos de intersticios octaédricos en estructuras FCC y BCC:

o En BCC: localizado en las caras del cubo -> el átomo intersticial está en contacto con los

cuatro átomos de las esquinas de la celda, el átomo en el centro de la celda y el átomo en el

centro de la celda adyacente.

o En FCC: localizado en el centro de cada arista de la celda y en el centro de la celda.


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5. Estructura cristalina de materiales cerámicos

Los materiales cerámicos están formados por metales (cationes) y no metales (aniones)

En los materiales cerámicos cristalinos los cationes y aniones se disponen ordenadamente,

formando una red cristalina

Estructura cristalina -> el empaquetamiento de aniones y cationes en posiciones de red e

intersticios.

Factores que determinan la estructura cristalina:

o Tamaño relativos de los iones (𝑅𝑐𝑎𝑡𝑖ó𝑛 𝑅𝑎𝑛𝑖ó𝑛⁄ ).

o Electroneutralidad -> El material tiene que ser eléctricamente neutro (suma de cargas = 0).

o Índice de coordinación -> cuanto mayor es su valor, más estable es la estructura.

Los cationes (metales) presentan cargas positivas y, por lo general, son más pequeños que los

aniones.

Los aniones (normalmente O, C, N) presentan cargas negativas y, por lo general, son más grandes

que los cationes.

Para que las estructuras sean estables, cada catión debe agrupar a su alrededor (preferiblemente en

contacto) el máximo número posible de aniones.

La coordinación se indica mediante dos números: 𝑁𝑐𝑎𝑡𝑖ó𝑛 𝑁𝑎𝑛𝑖ó𝑛⁄

Cuanto mayor es el índice de coordinación, mayor es el radio del catión.

Los cationes tienden a colocarse en posiciones intersticiales.

6. Estructura cristalina de materiales poliméricos

A diferencia de los metales y los materiales cerámicos, los polímeros no pueden ser totalmente

cristalinos -> son semicristalinos con un determinado grado de cristalinidad.

Muchos polímeros no son capaces de presentar un ordenamiento de largo alcance y se consideran

polímeros amorfos.

La cristalinidad en un polímero aporta:

o Mayor densidad y prestaciones mecánicas más elevadas.

o Mejor resistencia térmica.

o Mejor resistencia química.

o Pérdida de transparencia.

La cristalinidad en polímeros implica la ordenación de largas moléculas (cadenas poliméricas)

-> proceso complejo.

La cristalinidad polimérica puede considerarse como el empaquetamiento de largas cadenas

moleculares para producir una disposición atómica ordenada, dando lugar a un cristal tridimensional

que puede ser clasificado en uno de los sistemas cristalinos.

Solo una pequeña parte de la cadena polimérica entra a formar parte de la celdilla unidad.

Dependiendo de su estructura molecular, algunos polímeros pueden cristalizar cuando el proceso de

solidificación se lleva a cabo por debajo de la temperatura de fusión.

Los cristales individuales en los polímeros se denominan lamelas.

En las lamelas, las cadenas poliméricas se pliegan.

Algunos polímeros pueden cristalizar desde el fundido. En este caso, se requieren velocidades de

enfriamiento bajas para que las cadenas poliméricas tengan tiempo a ordenarse.

Esta cristalización da lugar a esferulitas -> agregados policristalinos formados por lamelas que crecen

en dirección radial.


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7. Polimorfismo y alotropía

Aquellos materiales que pueden existir en más de una estructura cristalina se llaman alotrópicos o

polimórficos. El término alotrópico se suele emplear cuando este comportamiento se observa en

elementos puros.

Las transformaciones de los materiales entre sus diversas estructuras cristalinas puede ir

acompañada de un cambio en su densidad (volumen).

8. Comportamiento isotrópico y anisotrópico

Debido al diferente ordenamiento atómico en distintas direcciones y planos, algunas propiedades

(módulo elástico, conductividad, índice de refracción, etc.) pueden cambiar con la dirección.

o Material anisotrópico: Sus propiedades dependen de la dirección cristalográfica a la que se

mide.

o Material isotrópico: Sus propiedades son independientes de la dirección cristalográfica a la

que se mide.

Debido al diferente ordenamiento atómico en distintas direcciones y planos, algunas propiedades

(módulo elástico, conductividad, índice de refracción, etc.) pueden cambiar con la dirección.

9. Difracción de rayos X (XRD)

La difracción ocurre cuando una onda electromagnética encuentra una serie de obstáculos

regularmente espaciados con espacios similares a la longitud de onda de la radiación.

Dos ondas pueden tener una interferencia constructiva o destructiva:

o Cuando la diferencia de camino óptico es un múltiplo entero de la longitud de onda -> la

onda sigue en fase -> las amplitudes se suman.

o Cuando la diferencia de camino óptico no es un múltiplo entero de la longitud de onda -> la

onda se desfasa -> las amplitudes se contrarestan.

Para que la interferencia sea constructiva y haya difracción:

o 𝑛𝜆 = 𝑆𝑄 + 𝑄𝑇

o 𝑛𝜆 = 𝑑ℎ𝑘𝑙 ∙ 𝑠𝑒𝑛𝜃 + 𝑑ℎ𝑘𝑙 ∙ 𝑠𝑒𝑛𝜃

o 𝑛𝜆 = 2 ∙ 𝑑ℎ𝑘𝑙 ∙ 𝑠𝑒𝑛𝜃

o Donde n = número de reflexiones, λ = longitud de onda del haz incidente, θ =

ángulo de incidencia del haz, dhlk = la distancia interplanar, dhlk =a

√h2+k2+l2 donde h, k, l son los índices de Miller y a el parámetro de red.

Cada sistema cristalino posee su familia de planos de difracción:

o Sistema cúbico

SC -> todos los planos con índices h, k, l iguales a (0, 1).

BCC -> planos h + k + l = suma par. Ejemplos: (110), (411), (222)…

FCC -> planos de índices h, k, l todos pares o impares. Ejemplos: (111), (222), (400),

(311)…

Difractómetro -> Equipo empleado para realizar difracción de rayos

X.

o T: fuente de rayos X: Debe ser monocromática (se utilizan

filtros) de longitud de onda conocida. Se utilizan colimadores

para conseguir un haz enfocado y bien definido.

o S: muestra: Suele estar en forma de superficie plana o

material pulverulento.

o C: detector: Rota para captar el haz difractado.


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Tema 5 El estado sólido real. Difusión en estado sólido.

1. INTRODUCCION

Hasta ahora hemos descrito el sólido cristalino mediante la aproximación del cristal ideal

que se toma como modelo de perfección cristalina.

o Cristal perfecto → Únicamente posible en el cero absoluto.

Los sólidos cristalinos reales siempre presentan imperfecciones con respecto a ese modelo

de referencia del sólido cristalino ideal.

Imperfección cristalina → Irregularidad de la red en la cual una o más de sus dimensiones

son del orden del diámetro atómico.

Estas imperfecciones afectan a muchas de las propiedades físicas y mecánicas de los

materiales, algunas veces de forma negativa y otras veces de forma beneficiosa.

o Se pueden introducir intencionadamente para buscar o mejorar determinadas

propiedades.

Clasificación de las imperfecciones en los sólidos:

TIPO DE IMPERFECCION NOMBRE DEL DEFECTO

Defectos puntuales o Vacantes o lagunas o Átomos intersticiales o Átomos de sustitución

Defectos lineales o Dislocaciones

Defectos superficiales o Límites o juntas de grano o Límites de macla

Los defectos puntuales:

o Aumentan la resistencia de los materiales.

o Disminuyen la conductividad eléctrica y térmica.

Los defectos lineales:

o Aumentan la ductilidad y la plasticidad.

Los defectos superficiales:

o Influyen en la adherencia, corrosión, dureza, etc.

2. DEFECTOS PUNTUALES

Su extensión se limita a un desorden local

Alteraciones o discontinuidades puntuales de la red cristalina provocadas por uno o varios

átomos.

Origen:

o Colocación incorrecta de los átomos durante la solidificación.

o Movimiento de átomos a temperaturas elevadas.

o Tratamientos térmicos (temple)

o Grandes deformaciones (laminación, forja, extrusión).

o Bombardeo con partículas atómicas.

Clasificación:

VACANTES O LAGUNAS

o Ausencia de un átomo en uno o varios nudos de la red

o Aparecen durante la solidificación o por reordenación atómica a consecuencia de la movilidad

atómica.


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o En equilibrio, el número de vacantes presentes es función de la temperatura:

o En la mayoría de los metales, la concentración de vacantes

(NV/N) es del orden de 104 a temperatura cercana a la de

fusión → Una vacante por cada 10.000 posiciones

reticulares.

o El número de vacantes se incrementa

exponencialmente con la temperatura.

o Es necesario un tiempo para alcanzar la

concentración de equilibrio.

o Las vacantes pueden trasladarse dentro del sólido,

intercambiando sus posiciones con los átomos vecinos.

o Influencia en la densidad:

𝜌 = (1 −𝑁𝑉𝑁) ∙ 𝜌0

donde ρ0 es la densidad sin vacantes

ÁTOMOS AUTOINTERSTICIALES

o Autointersticial → Átomo del metal ocupando una posición intersticial, habitualmente vacía.

o Aparecen únicamente en metales puros

o Estos defectos no se encuentran de forma espontánea → Esto es

debido a que introducen distorsiones relativamente grandes

en la red circundante porque los átomos suelen ser mucho

mayores que las posiciones intersticiales donde se sitúan.

o Por consiguiente, la formación de este defecto es poco probable y

se le ve en muy pequeñas concentraciones,

significativamente menores que para las vacantes.

ÁTOMO SUSTITUCIONAL E INTERSTICIAL

o Átomos de sustitución → Presencia de átomos extraños

(impurezas o aleantes) en puntos reticulares de la estructura cristalina.

o Si sustituimos un átomo de la red hablamos de una impureza sustitucional, mientras que si la mezcla

de dos o más clases de átomos es homogénea, da lugar a las soluciones sólidas de sustitución.

o Si el átomo de sustitución es de mayor tamaño que los átomos reticulares → la red se comprime. Si

el átomo de sustitución es de menor tamaño → la red se expande

o Átomos intersticiales → Presencia de átomos extraños (impurezas o aleantes) en huecos de la

estructura cristalina.


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o Si el átomo insertado es diferente de los átomos que forman la

red cristalina, constituye una impureza intersticial.

Pero si son varios los átomos insertados constituyen las

soluciones sólidas de inserción o soluciones sólidas

intersticiales.

o Átomos intersticiales → Átomos de pequeños tamaños.

o Soluciones sólidas → Aleaciones metálicas de gran interés en

ingeniería.

o Efectos de la adición de átomos → Notable influencia en

las propiedades mecánicas (resistencia mecánica),

físicas, químicas y eléctricas (conductividad eléctrica) de los materiales.

DEFECTOS PUNTUALES EN MATERIALES CERAMICOS

o Defectos de Schottky

Conjunto de laguna aniónica más laguna catiónica.

Aparece en cristales de empaquetamiento denso en los que la

formación de átomos intersticiales es difícil.

Se elimina un catión y un anión del interior del cristal.

o Defectos de Frenkel

Conjunto de laguna aniónica o catiónica más catión o anión

intersticial.

Aparecen en cristales en los cuales existe una diferencia

importante entre los tamaños de los aniones y de los

cationes.

Aparece en estructura abiertas, con grandes espacios para

acomodar los intersticiales.

3. DEFECTOS LINEALES O DISLOCACIONES

Se llama dislocación a una discontinuidad lineal en la ordenación atómica.

Producen una notable distorsión en la red cristalina

Se mueven o se desplazan por efecto de un esfuerzo exterior → Dan lugar a la deformación

plástica.

Su presencia → explica discrepancia entre el valor de la resistencia teórica y de la resistencia

mecánica real.

Tres tipos:

Dislocaciones de cuña o de borde.

o Semiplano adicional de átomos dentro de la red cristalina: Línea de dislocación →

borde del semiplano en exceso.

o La presencia de una dislocación de borde provoca una distorsión de la red → variación

del parámetro cristalino:

Átomos contiguos al plano adicional, por encima de la línea de dislocación →

compresión.

Átomos en la parte inferior a la línea de dislocación → tracción.

Vector de Burgers → perpendicular a la línea de dislocación


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Vector de Burgers y línea de dislocación definen el plano de deslizamiento por

el que se mueve la dislocación.

Dislocaciones helicoidales o de tornillo

o Se forman aplicando esfuerzos cortantes paralelos pero de sentido contrario

(cizalladura) en el cristal y dan lugar a un curvado local de algunas hileras atómicas.

o El término helicoidal deriva del camino o espiral que los planos atómicos trazan

alrededor de la línea de dislocación: la línea de dislocación es el eje de una helicoide

(línea AB en la figura).

o Dislocaciones positivas si giran en el sentido de las agujas del reloj y negativas si giran

en sentido contrario.

o Dislocaciones positivas si giran en el sentido de las agujas del reloj y negativas si giran

en sentido contrario.

o Vector de Burgers → paralelo a la línea de dislocación

DISLOCACIONES MIXTAS


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o La mayor parte de las dislocaciones que se encuentran en los cristales son de este

tipo.

o Formas intermedias entre las de borde y las helicoidales.

o Diferentes ángulos entre el vector de Burgers y la línea de dislocación: La magnitud

del vector de Burgers a lo largo de la línea de dislocación es exactamente la misma en

todos los puntos.

o Se pueden obtener todas las geometrías posibles, capaces de deslizar sobre un plano.

MOVIMIENTO DE LAS DISLOCACIONES

Las tensiones de corte aplicadas sobre el plano de deslizamiento de las dislocaciones provocan el

movimiento de las mismas → clave de la deformación plástica de los metales.

La aplicación continuada del esfuerzo causa que la dislocación se desplace, paso a paso, hasta llegar a

la superficie del cristal.

o La dislocación va rompiendo los enlaces atómicos de los planos contiguos.

o Los planos con enlaces rotos se desplazan en sentido contrario para reestablecer sus enlaces

atómicos con otros planos.

En la superficie se produce un escalón de valor igual a la magnitud del vector de Burgers de la

dislocación → material queda deformado.

LEY DE

SCHMID

Permite calcular el valor del esfuerzo cortante para que se mueva una dislocación en un plano.


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Sobre el material se aplica un esfuerzo que forma un ángulo λ respecto de la dirección de

deslizamiento.

o El esfuerzo cortante resultante en la dirección de deslizamiento se debe solo a la componente:

FR= F.cos λ.

o La sección real de la muestra sobre la que actúa es AR=A/cosφ.

4. DEFECTOS SUPERFICIALES

Son defectos de tipo bidimensional que separan un material en regiones de la misma

estructura cristalina pero con distintas orientaciones cristalográficas.

Los más interesantes importantes son:

o Los límites de grano

o Los límites de macla.

o Las superficies exteriores.

Las superficies exteriores son claramente los límites del material:

o Discontinuidad abrupta de la estructura regular cristalina.

o Los átomos que las conforman no están enlazados con el máximo de átomos vecinos

más próximos.

o Zona de alteración del número de coordinación y del enlace atómico.

LÍMITES O JUNTAS DE GRANO

Son regiones de emparejamiento atómico deficiente.

Los últimos residuos de líquido se

solidifican a lo largo de los límites de

grano → Mayor concentración de

impurezas.

Límite de grano → Límite que separa dos

granos que tienen diferentes

orientaciones cristalográficas:

o Si la diferencia de orientación es

pequeña → Límite de grano de

ángulo pequeño.

o Si la diferencia de orientación es

grande → Límite de grano de

ángulo grande.

Ancho de la zona del orden de unos pocos

diámetros atómicos.


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En los materiales metálicos y cerámicos, los bordes de

grano se identifican como líneas oscuras mediante la

observación microscópica de muestras adecuadamente

preparadas → Metalografía.

o Los metales se pulen hasta obtener una superficie

especular y luego son sometidas a la acción de un

reactivo químico.

o Los bordes de grano se atacan más rápidamente

que el resto del grano.

o Cuando se examina la muestra con un microscopio

óptico, la luz no se refleja tan intensamente en los

bordes de grano y éstos aparecen como líneas

oscuras.

TAMAÑO DE GRANO

La mayoría de los sólidos cristalinos están

constituidos por un conjunto de muchos

cristales pequeños o granos (materiales

policristalinos).

El tamaño de grano tiene gran importancia en el

comportamiento mecánico:

o Tamaño de grano fino → Mejor

tenacidad o resistencia al impacto, mayor

dureza.

o Tamaño de grano grosero → Mejor

ductilidad.

Existen diferentes métodos para su

determinación. El método más utilizado es el

ASTM.

o Micrografías a 100 aumentos

o El índice de tamaño de grano de

designa como:

𝑁 = 2(𝑛−1)

donde n es el tamaño de grano y N es el número medio de grano por pulgada al cuadrado a 100 aumentos

.

Endurecimiento por reducción de tamaño de grano

En los materiales policristalinos, el límite elástico (σy) depende el tamaño medio de los granos (d).

Esta dependencia se expresa mediante la ley de Hall-Petch:


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Idea básica → los límites de grano actúan como obstáculos (peajes de energía) al movimiento de las

dislocaciones.

Cuanto más fino es el tamaño de grano más difícil es mover las dislocaciones.

LIMITES DE MACLA

Una macla es un cambio abrupto en la orientación del cristal en torno a un plano de maclado.

Aparecen en forma de bandas de lados paralelos y no se destruyen durante el pulido.

o El movimiento de cualquier átomo es proporcional a la distancia al plano de macla.

o Cada plano se mueve en una proporción inferior a la distancia atómica.

Dos tipos de maclas:

o Maclas mecánicas por deformación mecánica → En materiales BCC y HC.

o Maclas de recocido → En materiales FCC.

El plano de macla y la dirección de macla vienen especificadas por la estructura cristalina.

5. LA DIFUSION EN ESTADO SÓLIDO

Los átomos y moléculas se mueven cuando tenemos la temperatura suficiente.

Movilidad tanto en gases, como en líquidos y sólidos.

Difusión a escala molecular.

Difusión a temperatura ambiente → Movimiento de moléculas en líquido → Ejemplo el agua

(autodifusión).

Difusión en estado sólido → Menor velocidad.

Difusión en estado sólido

Desplazamiento de todo tipo de partículas debido a un gradiente de concentración.

Ejemplo:

o Par difusor → Placas de Cu y Ni puestas en contacto sin soldadura

o Calentar el par difusor → Temperatura inferior a la temperatura de fusión

o Enfriamiento posterior

o Evolución de la concentración → Existe una mezcla progresiva → Tendencia a la

formación de solución sólida.

o Homogeneización tanto más rápida cuanto mayor es la temperatura de difusión

Mecanismos de difusión

Mecanismo básico → Interdifusión : se da cuando un material se difunde en otro, se aprecia por los

cambios de concentración con el tiempo → Existe una transferencia neta de átomos de las regiones

de mayor concentración a las de menor.


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¿Por qué es importante la difusión?

o Porque muchos de los procesos y reacciones en el tratamiento de los materiales están

directamente relacionados con la transferencia de masa (difusión).

o Ejemplos: tratamientos térmicos de los metales, manufactura de materiales cerámicos,

solidificación de materiales, fabricación de transistores, conductividad eléctrica de las

cerámicas, etc.

Mecanismos elementales de difusión en metales:

o Mecanismo lagunar o por vacantes Propia de los solutos sustitucionales.

o Mecanismo intersticial Mucho más rápida y se produce con solutos de pequeño tamaño: H,

C, N y O.

MECANISMO LAGUNAR MECANISMO INTERSTICIAL

Mecanismo más simple

El átomo más próximo a una laguna pasa a ocupar dicha posición.

Se conserva el número de lagunas

Mecanismo más verosímil para los materiales FCC.

El átomo salta de una posición intersticial a otra posición intersticial vecina.

Mecanismo de difusión de las soluciones sólidas intersticiales.

o Difusión de C en Fe. o Difusión de N en Fe.

Diferencia muy grande de tamaños entre los átomos.

Energía de activación para la difusión

El calor proporciona la energía suficiente para vencer la barrera de la energía de activación.

Es menor la energía necesaria para una difusión intersticial que para una difusión por vacantes.

Cuanto menor es la energía de activación más fácil es la difusión.

1ª LEY DE FICK: REGIMEN ESTACIONARIO

La difusión es una función de tiempo y necesitamos conocer la velocidad de difusión. Para ello

utilizamos el concepto de flujo de difusión (J):

o Flujo de difusión es la cantidad de masa (número de átomos) que difunden

perpendicularmente a través de un área de un sólido por unidad de tiempo.


21

Estado estacionario → el flujo de difusión (J) es constante ya que no cambia la concentración de

átomos de soluto en un punto con el tiempo.

La pendiente de la gráfica en un punto determinado es el gradiente de concentración.

∆𝐶

∆𝑥= 𝐶𝐴 − 𝐶𝐵𝑥𝐴 − 𝑥𝐵

La expresión matemática de la difusión en una dirección “x” se corresponde con la 1ª ley de Fick que

nos dice que el flujo es proporcional al gradiente de concentración:

𝐽 = −𝐷 ∙𝑑𝐶

𝑑𝑥

donde “J” es el flujo de difusión (kg

m2s)

“D” coeficiente de difusión o difusividad (m2

s)

“dc

dx” gradiente de concentración (

kg

𝑚4)

El gradiente de concentración indica como varía la composición del material con la distancia.

Difusión en estado no estacionario: 2ª ley de Fick

En nuestro contexto, la mayoría de situaciones prácticas de difusión son en estado no estacionario.

La concentración del soluto en un determinado punto cambia con el tiempo. Como consecuencia, el

flujo de difusión cambia con el tiempo.

Hay una acumulación o agotamiento de las especies que difunden.

Expresión matemática de la 2ª Ley de Fick: 𝐶𝑆 − 𝐶𝑥𝐶𝑠 − 𝐶0

= 𝑒𝑟𝑓 (𝑥

2 ∙ √𝐷 ∙ 𝑡)

Factores que afectan a la difusión

Especies que difunden (par: especie que difunde/especie en la que se difunde):

o El C difunde mucho mejor en el α-Fe (interdifusión) que el propio α-Fe en α-Fe (autodifusión).

La autodifusión ocurre por el mecanismo de vacantes mientra que, en este caso, la

interdifusión ocurre por el mecanismo de intersticios.

o El C difunde mejor en α-Fe (BCC) que en γ-Fe (FCC) debido a un menor factor de

empaquetamiento en la estructura BCC.

Temperatura:


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o La magnitud del coeficiente de difusión aumenta exponencialmente con la temperatura.

𝐷 = 𝐷0 ∙ 𝐸𝑋𝑃 (−𝑄

𝑅𝑇⁄ )

D0: factor preexponencial independiente de la temperatura (m2/s)

Q: energía de activación (J/mol)

R: constante de los gases (8.31 J/mol·K)

T: temperatura absoluta (K)

6. CORTOCIRCUITOS DE DIFUSIÓN

La presencia de imperfecciones o defectos en el cristal permiten una difusión más rápida →

cortocircuitos de difusión → están caracterizados por una energía de activación de menor

valor.

Difusión volumétrica (1)

o Átomos se mueven a través del cristal de un nudo a otro o de un intersticio a otro.

Difusión por límites de grano (2)

o Escaso empaquetamiento atómico en los límites de grano → difusión más fácil →

menor energía de activación

Difusión superficial (3)

o Presencia de obstáculos al movimiento muy escasa → muy baja energía de activación.

7. EJEMPLOS

Cementación

o Para algunas aplicaciones es necesario endurecer la superficie de una pieza sin

modificar su núcleo → engranajes

o De este modo se consigue un núcleo tenaz y resistente a la fatiga + una superficie de

elevada dureza.

o La pieza se mantiene en una atmósfera rica en carbono (p .ej . metano) durante varias

horas a altas temperaturas para que el carbono penetre por difusión.

Nitruración

o Mismo objetivo que la cementación → endurecer la superficie de una pieza.

o La pieza se mantiene en una atmósfera rica en nitrógeno (p .ej. amoniaco) durante

varias horas a altas temperaturas para que el nitrógeno penetre por difusión.


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o Además de al acero, también se suele aplicar al titanio y al aluminio.

Oxidación en caliente

o Formación de una capa de óxido por efecto de la temperatura.

o Existencia de una diferencia de concentración entre las caras opuestas de la capa de

óxido.

Soldadura por difusión

o Es un método utilizado para unir materiales y ocurre en tres etapas:

1. En el primer paso (b) las dos superficies se ponen en íntimo contacto a alta

temperatura y presión lo que mejora el área de contacto entre los átomos.

2. En el segundo paso (c), los átomos difunden a través de los bordes de grano,

reduciendo el tamaño de huecos entre ambas superficies. Este paso es rápido

debido a que la difusión se da a través del borde de grano

3. En el último paso (d) se da la difusión volumétrica y se reducen aún más los

huecos.

o Se utiliza para unir metales muy reactivos (titanio), metales muy diferentes y

materiales cerámicos.

Sinterización

o Tratamiento a elevada temperatura en materiales pulverulentos con el objetivo de

obtener una mayor compacidad.

o Las partículas se ponen en contacto unas con otras tras una compactación.

o Por efecto del calor, comienza una difusión atómica por las superficies de las

partículas apareciendo zonas de contacto que van creciendo.

o Crecimiento de los puentes haciendo disminuir los poros presentes.

o La velocidad de sinterizado depende de la temperatura, energía de activación y

tamaño de

o Se utiliza principalmente para la fabricación de piezas cerámicas y también para piezas

metálicas (p.ej. Impresión en 3D)


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Tema 6. Soluciones sólidas y diagramas de fases 1) Introducción

Los metales puros se utilizan muy esporádicamente en la industria debido a su limitada gama de propiedades.

Aleación: Es un material compuesto de varios elementos y que presenta propiedades metálicas.

Componente: se consideran metales puros y/o compuestos que forman la aleación. Por ejemplo, en el latón, los componentes son Cu y Zn.

Sistema: Conjunto de posibles aleaciones compuestas por los mismos componentes, independientemente de la composición de la misma (ejemplo: sistema Fe-C).

Solución sólida: fase cristalina homogénea compuesta por al menos dos átomos diferentes. Los átomos del soluto ocupan posiciones sustitucionales o intersticiales dentro de la red del solvente, el cual mantiene su estructura cristalina.

Solvente: Componente de la solución sólida mayoritario. Mantiene su estructura cristalina.

Soluto: Componente de la solución sólida minoritario. Se disuelve en el solvente. 2) Solución sólida intersticial: Los átomos del soluto se sitúan en los intersticios o huecos de la red

del solvente.

Los átomos del soluto ocupan los huecos o intersticios entre los átomos del solvente.

Condiciones para la formación de soluciones sólidas intersticiales:

La relación entre los átomos del soluto y del solvente debe ser menor a 0,59 (Ri/Rs ≤ 0,59).

El solvente (componente principal) debe ser un elemento de transición de la tabla periódica: V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Mo, Pd, Os, Ir and Pt.

Característica esencial → los átomos del soluto son pequeños con respecto a los átomos del solvente.

Los únicos átomos que lo cumplen: H, O, C, N y B.

La inserción se puede dar de dos maneras:

Inserción octaédrica.

Inserción tetraédrica.

La magnitud del hueco interatómico en que puede insertarse el átomo de soluto depende, en gran media, de la estructura cristalina del metal disolvente.

Solución sólida sustitucional: Los átomos del soluto se sitúan en los nodos de la red del solvente, ocupando posiciones previamente ocupadas por átomos del solvente.

La mayor parte de soluciones sólidas son de este tipo.

Los átomos de soluto ocupan algunas de las posiciones de la red cristalina del solvente.

La red del disolvente no cambia pero el parámetro reticular varía:

Aumenta cuando los átomos del soluto son mayores a los del solvente.


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Disminuye cuando los átomos del soluto son menores que los del solvente.

Tipos:

Una misma

solución sólida puede

aparecer ordenada

a bajas

temperaturas y desordenada a altas temperaturas → Las soluciones sólidas ordenadas únicamente son estables a baja temperatura.

La tendencia al apiñamiento que aparece cuando los átomos semejantes ejercen entre sí una atracción mutua, puede dar lugar a la precipitación.

Factores de Hume-Rothery:

Estructura cristalina: La estructura cristalina de los elementos de la solución sólida debe ser la misma.

Factor de tamaño relativo: El tamaño de los átomos de cada uno de los elementos no debe diferir más de un 15%.

Electronegatividad: Los elementos deben presentar valores de electronegatividad similar que favorezcan la solución frente a la formación de compuestos químicos.

Valencia: Los elementos deben tener la misma valencia electrónica. 3) Diagramas de fases: Representación gráfica de las fases presentes en un sistema de materiales a

varias temperaturas, presiones y composiciones → Definen las condiciones bajo las cuales coexisten las fases en equilibrio.

Fase: Porción homogénea de un sistema que presenta propiedades físicas y químicas uniformes.

Cualquier material puro se considera una fase.

Cualquier solución sólida, líquida o gaseosa se considera una fase.

Cuando dos fases coexisten en un sistema, no es necesario que exista una diferencia física y química. Basta con que exista una diferencia en una de ellas (ejemplo: en un vaso de agua con hielos existen dos fases: i) agua líquida y ii) agua sólida. Químicamente son iguales pero presentan propiedades físicas diferentes.)

Cuando una sustancia existe en dos o más formas polimórficas (por ejemplo, presenta estructuras FCC y BCC), cada una de las estructuras es una fase separada porque presenta propiedades físicas diferentes.


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Límite de solubilidad: Máxima concentración de soluto que se puede añadir al solvente a una determinada temperatura, sin llegar a formar una nueva fase.

Microestructura: En muchas ocasiones, las propiedades físicas (en particular, las propiedades mecánicas), dependen de la microestructura. En aleaciones metálicas, las microestructuras vienen determinadas por el número de fases presentes, sus proporciones y la forma en la que se encuentran distribuidas. De este modo, la microestructura en una aleación dependerá de los componentes de la aleación, sus concentraciones y el tratamiento térmico que ha sufrido la aleación.

Existen tres parámetros que se pueden controlar externamente y que afectan en las fases: temperatura, presión y composición → los diagramas de fases se construyen cuando se representa la combinación de alguno de estos parámetros con respecto a otro.

Tipo de información nos proporciona un diagrama de fases:

Las fases presentes a una determinada temperatura y composición.

La composición de las fases.

El porcentaje o fracción de cada fase.

La solubilidad de los elementos en estado sólido.

La temperatura de inicio y final de la solidificación.

La temperatura de inicio y final de la fusión.

Diagrama composición-temperatura (Presión constante)

Representa la relación entre la temperatura y la composición y las cantidades de fases en equilibrio, lo cual determina la microestructura de una aleación.

Se obtiene a partir de una serie de curvas de enfriamiento, que indican la evolución de la temperatura del material con el tiempo, desde el estado líquido hasta el estado sólido a temperatura ambiente.

Cuando se varía la temperatura y la composición, ocurre una transición entre una fase y otra, o puede ocurrir la aparición o desaparición de una fase → muchas microestructuras se forman a partir de transformaciones de fases.

Diagrama de fases binarios isomorfos: constituidos por dos componentes completamente solubles en estado sólido y líquido.

Desarrollo de microestructuras en aleaciones isomorfas:


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En el punto “a”, la aleación es totalmente líquida:

T=1300ºC

Composición de la fase líquida: 35 wt% Ni–65 wt% Cu

Porcentaje de las fases: 100% L

En el punto “b”, comienza a formarse la fase sólida α:

T=1260ºC

Composición de la fase α: 46 wt% Ni– 54 wt% Cu

Composición de la fase líquida: 35 wt% Ni–65 wt% Cu

En el punto “c”, la composición y porcentaje relativo de cada fase va cambiando:

T=1250ºC

Composición de la fase α : 43 wt% Ni– 57 wt% Cu

Composición de la fase líquida : 32 wt% Ni–68 wt% Cu

En el punto “d”, la solidificación se ha completado:

T=1220ºC


Composición de la fase líquida : 24 wt% Ni–76 wt% Cu

En el punto “e”, tras cruzar la línea solidus, el líquido remanente solidifica; el producto final es una solución sólida α policristalina:


Importante: la composición general de la aleación se mantiene constante (35 wt% Ni–65 wt% Cu) durante el enfriamiento a pesar de que existe una redistribución del Cu y Ni entre las fases.

Desarrollo de microestructuras en aleaciones isomorfas en enfriamiento fuera de equilibrio:

Las condiciones de equilibrio solo se alcanzan a velocidades de enfriamiento muy lentas.

En la industria, las velocidades de enfriamiento son muy superiores a las de equilibrio → la distribución de los dos elementos en los granos no es uniforme → segregación.


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El centro de cada grano, que es la primera región en formarse, es rica en el elemento de mayor temperatura de fusión (en este sistema, el níquel), mientras que la concentración del elemento de menor temperatura de fusión aumenta desde esta región hasta el borde de grano.

Este fenómeno se puede eliminar mediante un tratamiento de homogeneización térmico posterior a una temperatura inferior a la línea solidus para una determinada composición de la aleación → este tratamiento favorece la difusión atómica, obteniendo granos de composición más homogénea.

Ejemplo: diagrama Cu-Ag

Fase líquida: Fase líquida homogénea compuesta por Cu y Ag.

Fase α: Solución sólida rica en Cu. La Ag es el soluto y cristaliza en FCC. El límite de solubilidad de Ag en Cu viene definido por la línea CBA. La línea CB se denomina solvus. La línea BA se denomina solidus.

Fase β: Solución sólida rica en Ag. El Cu es el soluto. El límite de solubilidad de Cu en Ag viene definido por la línea HGF. La línea HG se denomina solvus. La línea GF se denomina solidus.

A medida que se añade Ag al Cu la temperatura a la que la aleación funde, decrece a lo largo de la línea liquidus (AE). Esta situación es equivalente a lo largo de la línea FE, cuando el Cu se añade a la Ag.

Estas dos líneas liquidus (AE y FE) se encuentran en el punto E. Este punto E se denomina punto invariante o punto eutéctico (de fácil fusión).


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La temperatura a la que se da la isoterma BEG se denomina temperatura eutéctica. Al atravesar esta isoterma, se produce la reacción eutéctica en la que (al enfriar) una fase líquida se transforma de forma reversible en dos soluciones sólidas:

L(CE)

cooling

↔

heating

α(CαE) + 𝛽(CβE)


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REGLA DE LA FASES DE GIBBS Permite obtener los grados de libertad (F) posibles para mantener una situación de equilibrio en un sistema material en base al número de sus componentes (C) y fases presentes (P), teniendo en cuenta la existencia de dos variables termodinámicas independientes (presión y temperatura).

F + P = C + 2 que a presión constante se transforma en

F + P = C + 1 Ejemplo:


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P: solución sólida α C: Pb y Sn. 1+F=2+1 F=2 Para describir la aleación, es necesario especificar dos parámetros: la temperatura y la composición.

P: solución sólida α y β + L C: Pb y Sn. 3+F=2+1 F=0

P: solución sólida β + L C: Pb y Sn. Para describir la aleación, basta con definir uno de los parámetros: temperatura o composición. Por ejemplo, al definir la temperatura, automáticamente fijas la composición de cada fase.

CURVAS DE ENFRIAMIENTO: Es un gráfico lineal que representa el cambio de las fases con la temperatura. Representa la temperatura frente al tiempo.


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FASES INTERMEDIAS Y COMPUESTOS INTERMETÁLICOS Los diagramas binarios considerados hasta ahora son relativamente simples. Por ejemplo, en el sistema Pb-Sn considerado, sólo existen dos fases sólidas (α y β). Éstas se suelen denominar soluciones sólidas terminales ya que existen en unos rangos de composición cercanos a las extremidades del diagrama de fases. Sin embargo, para muchas aleaciones, pueden existir otras soluciones sólidas intermedias En otros sistemas, se pueden encontrar compuestos intermedios con distinta formulación química en el diagrama de fases. En el caso de los sistemas metal-metal, se denominan compuestos intermetálicos.


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4) Reacciones invariantes

Reacciones Eutécticas Al enfriar, la fase líquida se transforma isotermamente y reversiblemente en dos soluciones sólidas.

Reacciones Eutectoides Al enfriar, una fase sólida se transforma isotermamente y reversiblemente en dos fases sólidas.

Reacciones Peritécticas Al enfriar, una fase sólida y una fase líquida se transforman isotermamente y reversiblemente a una fase sólida de diferente composición.


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Las reacciones eutécticas, peritécticas y monotécticas son parte del proceso de solidificación: Al enfriarse, la fase líquida se transforma en una (o varias) fases sólidas. Las reacciones eutectoides y peritectoides se dan en estado sólido:

Reacciones eutectoides: basadas en tratamientos térmicos.

Reacciones peritectoides: muy lentas y producen estructuras no deseadas

5) Sistema Fe-C (Fe-Fe3C)


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Tema 7 Fundamentos de la corrosión

1. INTRODUCCIÓN

Deterioro de un material por interacción química con su entorno.

La mayoría de los materiales (metálicos, cerámicos, poliméricos) experimentan algún tipo de

interacción con el medio que les rodea.

Agentes agresivos que producen corrosión son : la atmósfera, el agua de mar, el aire húmedo,

los vapores ácidos, etc.

La corrosión es un problema económico y de seguridad: o Entre un 20 a 25% de las pérdidas por corrosión pueden ser evitadas si se aplicaran

todos los conocimientos que existen. o Entre el 20 y 30% de la producción mundial de acero se emplea en reponer el material

deteriorado.

Los costes directos de la corrosión en países industrializados se estiman entre el 1,5% y el 3,5%

del P.I.B.

Las pérdidas producidas por la corrosión se engloban en: Pérdidas directas:

o Reposición de estructuras. o Materiales protectores. o Mano de obra para reposición y mantenimiento. o Diseño de prevención.

Pérdidas indirectas:

o Interrupciones en la producción. o Pérdidas de producto. o Contaminación de un producto.

Dos tipos de deterioro químico: o Oxidación → reacción del material con el oxígeno atmosférico → corrosión seca. o Corrosión → proceso electroquímico que se verifica en soluciones acuosas →

corrosión húmeda.

Reacciones electroquímicas exigen presencia de un electrolito conductor.

Presencia de cargas mecánicas pueden agravar el deterioro.

Materiales no metálicos (cerámicas y polímeros) no sufren ataque electroquímico pero

pueden ser deteriorados por ataques químicos directos: o Polímeros → ataque químico de disolventes orgánicos. o Cerámicos → ataque químico, a altas temperaturas, de sales fundidas.


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2. OXIDACION

Oxidación aparece al ceder electrones el elemento que se oxida al elemento oxidante: Material + Oxígeno → Óxido de material + Energía de formación del óxido

Energía de formación del óxido: o Positiva (E>0) → Material estable. o Negativa (E<0) → Material oxidable.

Oxidación de aleaciones metálicas → atmósferas gaseosas (ej. oxígeno del aire) → formación

de capas o películas de óxido en la superficie → M + 1/2O2 → MO.

Reacción: consta de una oxidación + una reducción. o Oxidación → ocurre en la intercara metal-óxido: M → M2+ + 2e- o Reducción → ocurre en la intercara óxido-gas: 1/2O2 + 2e- → O2-

La oxidación forma una capa de óxido que aumenta de espesor recubriendo el metal.

Existen tres comportamientos dependiendo de los volúmenes relativos de óxido y metal →

relación de Pilling-Bedworth (P-B).

𝑅𝑒𝑙𝑎𝑐𝑖ó𝑛 𝑃 − 𝐵 =𝐴0 ∙ 𝜌𝑀𝐴𝑀𝜌𝑂

Donde A0 es el peso molecular del óxido, AM es el peso atómico del metal, y ρO y ρM las

densidades del óxido y del metal.

o P.B. < 1 → Óxido poroso y poco protector.

o P.B. > 2 → Exceso óxido provoca agrietamiento

o 1 < P.B. < 2 → Óxido protector.

PROTECCIÓN FRENTE A LA OXIDACIÓN

Acción del propio óxido (salvo los óxidos no protectores o muy frágiles).

Adición de ciertos elementos de aleación como por ejemplo, el Ni, Cr y Co al hierro mejoran sus

características a la corrosión.

Recubrimientos con capas protectoras (pinturas, plásticos, cerámicas,…….)

o Recubrimientos metálicos: galvanización, hojalata,…..

o Recubrimientos inorgánicos: acero vidriado, pavonado,…..

o Recubrimientos orgánicos: pinturas, imprimaciones, barnices,….

3. LA CORROSIÓN

¿Por qué se corroe un metal?

Características propias del enlace metálico → facilidad para ceder electrones.

En los procesos de transformación y conformación → aportamos energía que los aleja de

estado natural → tendencia a alcanzar la estabilidad, volviendo a su estado natural.

CONSIDERACIONES ELECTROQUIMICAS


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La mayor parte de la corrosión se produce por ataque químico → proceso electroquímico →

reacción química en la que existe una transferencia de electrones entre sustancias. Los

metales poseen electrones libres que son capaces de constituir celdas electroquímicas en su

interior.

Reacciones de corrosión electroquímica involucran:

o Reacciones de oxidación → se produce electrones.

o Reacciones de reducción → consumen electrones.

o Ambas reacciones tienen que suceder al mismo tiempo e igual velocidad para evitar

una acumulación de carga eléctrica en el metal.

Átomos metálicos son capaces de ceder o ganar electrones → en todo proceso de corrosión

se producirá:

o Una reacción anódica (oxidación) → ánodo → corrosión

o Una reacción catódica (reducción) → cátodo → no hay corrosión.

Reacciones de oxidación o reacciones anódicas

o Se desprenden electrones procedentes del metal formándose cationes metálicos →

se produce una disolución del material afectado.

Reacciones de reducción o reacciones catódicas

o Dependen del medio y se producen cuando los cationes captan electrones →

consumo de electrones.

o Las reacciones electroquímicas totales se obtienen por combinación de las

semirreacciones de oxidación y reducción.

SERIE ELECTROQUÍMICA

Cada metal tiene una diferente tendencia a la corrosión que viene dadp por la tabla de potenciales estándares

de reducción. Para la creación de esta tabla se toma por referencia al electrodo de hidrógeno, que consiste

en Electrodo de platino sumergido en una disolución 1M de iones hidrógeno donde se barbotea gas hidrógeno.

𝐻2 → 2𝐻+ + 𝑒− (𝐸0 = 0)

Todos los potenciales se miden en condiciones estándares, es decir, concentración 1M, presión 1 atmósfera y

25 grados centígrados.

SERIE GALVÁNICA


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Serie electroquímica realizada en

condiciones ideales → no es

totalmente real.

Más práctica y realista → Serie

galvánica:

o Reactividades relativas de

parejas de metales en un

medio determinado y bajo

condiciones específicas

como por ejemplo, una

solución de ClNa al 3% en

agua (similar al agua

marina).

o Electrodo de calomelano.

El orden representa potenciales de

disolución de los metales frente al

del calomelano tomado como valor

cero.

Parte superior de la serie → metales

poco reactivos → metales catódicos

Parte inferior de la serie → metales

más reactivos → metales anódicos.

4. PASIVACION

Consiste en la formación de una película relativamente inerte sobre la superficie de un material

(frecuentemente un metal) que lo protege de la acción de los agentes externos.

Aunque la reacción entre el metal y el agente externo sea termodinámicamente factible a nivel

macroscópico, la capa o película pasivante no permite que éstos puedan interactuar.

o La película pasiva es siempre una capa que actúa como barrera a la difusión de productos de

reacción → separa el metal de su entorno → disminuye la velocidad de reacción

o Ejemplos: cromo, níquel, aluminio, titanio, acero inoxidable, …

Pasivación e inmunidad son dos conceptos diferentes. En la inmunidad el metal base es por si mismo

resistente a la acción de los medios corrosivos, como por ejemplo, el oro y el platino, denominados

metales nobles.

5. FORMAS DE CORROSIÓN

Gran variedad de formas de ataques por corrosión.

Consecuencia → rápida inutilización de un material o componente en servicio o producir una rotura

catastrófica.

Modo de ataque → característica a conocer en interacción materialmedio → minimizar y controlar

efectos de la corrosión.


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1) CORROSION UNIFORME O GENERALIZADA

Disolución o deterioro gradual de un material

por la acción de un medio agresivo.

Reacción electroquímica actúa con igual

intensidad en toda la superficie expuesta.

Forma más común de corrosión.

Importante en términos de pérdidas

económicas.

2) CORROSIÓN GALVÁNIVA O BIMETÁLICA

Se produce cuando dos metales o aleaciones con potenciales electroquímicos diferentes se

ponen en contacto en presencia de un electrolito.

Fácilmente predecible y evitable. En ocasiones puede ser utilizada de forma provechosa como

en el acero galvanizado o el caso de la hojalata.

3) CORROSIÓN EN RESQUICIOS

Se produce en espacios confinados como grietas, hendiduras o huecos entre piezas, en los

que pueden existir soluciones estancadas (por ejemplo agua) con empobrecimiento localizado

del oxígeno disuelto → aireación diferencial.

Aparece en juntas, remaches, válvulas y sus asientos,…

4) CORROSIÓN POR PICADURAS


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Ataque localizado concentrado en áreas muy

reducidas → da lugar a pequeños agujeros

(picaduras) en la superficie del metal.

Las picaduras se inician en puntos de

discontinuidad superficial → difíciles de

detectar.

Proceso de corrosión muy rápido → cantidad

de material atacado pequeña → daños

producidos considerables → puede llegar a

rotura catastrófica.

5) CORROSIÓN INTERGRANULAR

Deterioro por corrosión localizada y/o

adyacente a los bordes de grano de una

aleación.

i. Si los componentes presentes

en el borde de grano son

anódicos respecto al resto del

material → corrosión por

disolución de esas zonas.

ii. Si los componentes son

catódicos → el ataque se localiza

en zona próxima al límite de

grano.

Puede originar destrucción de la

estructura.

6) CORROSIÓN SELECTIVA

Eliminación preferencial de un elemento de una aleación sólida → se disuelve en la estructura

de la aleación → debilitamiento de la estructura.

Aparece en aleaciones en las que sus componentes difieren bastante en sus valores de

potenciales electroquímicos.

i. El elemento más electronegativo (activo) se disuelve → queda estructura esponjosa

de malas propiedades.

ii. Ejemplos: Descincado del latón, grafitización de las fundiciones grises, etc.

7) CORROSIÓN POR EROSIÓN

Deterioro causado por líquidos en movimiento laminar o turbulento sobre superficies metálicas.

Velocidad de corrosión depende de la velocidad del líquido y de su composición.

i. Puede aparecer en cualquier aleación metálica.

ii. Tuberías (codos), cambios bruscos de diámetros, hélices, álabes de turbinas, válvulas y bombas.

8) CORROSIÓN POR DESGASTE


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Ocurre cuando piezas de metal deslizan una sobre la otra, causando daño a una o ambas piezas.

Mecanismos: i. Calor de fricción oxida el metal y éste se desgasta.

ii. Eliminación de películas protectoras → exposición de metal al medio agresivo → aceleración de la corrosión.

9) CORROSIÓN POR CAVITACIÓN

Está causada por la formación e implosión de burbujas de aire o cavidades llenas de vapor en un líquido que se encuentra en contacto con una superficie metálica → impulsores de bombas, propulsores de barcos, etc.

10) CORROSIÓN BAJO TENSIÓN

Se produce bajo la acción combinada de un esfuerzo mecánico y un medio ambiente agresivo, siendo necesaria la presencia de ambos factores.

Muy peligrosa y difícil de controlar → los materiales fallan con esfuerzos muy inferiores al límite elástico.

11) CORROSIÓN – FATIGA

Interacción entre una carga cíclica y presencia de un medio agresivo → corrosión → aceleración del proceso de rotura.

Se presenta en cualquier medio agresivo y en cualquier material.

Para su prevención → elegir materiales con elevada resistencia a la fatiga y mecánica más un buen diseño.

12) CORROSIÓN EN EL HORMIGÓN


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Las sales y otros agentes químicos penetran en el hormigón a través de su red de poros y causan la corrosión de las armaduras.

La corrosión del metal genera fuerzas expansivas que provocan la fisuración de la estructura de hormigón.

13) CORROSIÓN MICROBIANA

Causada por la presencia y actividades de organismos vivos (microbios, bacterias, etc.).

6. PROTECCIÓN CONTRA LA CORROSIÓN

Cada problema → estudiarlo de forma particular.

SELECCIÓN DEL MATERIAL: Seleccionar adecuadamente el material en función del ambiente corrosivo en que vaya a trabajar → Factores económicos.

DISEÑO: Evitar en lo posible las juntas, resquicios y heterogeneidades, facilitando las operaciones de limpieza y la extracción de aire.

INHIBIDORES: Sustancias que adicionadas al medio en bajas concentraciones, disminuyen su agresividad al eliminar las especies químicamente activas o pasivar las superficie metálicas. Se utilizan en sistemas cerrados como intercambiadores de calor o radiadores de automóvil.

RECUBRIMIENTOS PROTECTORES: Aplicación de barreras físicas en forma de películas y recubrimientos superficiales que impiden el acceso directo del medio agresivo al metal que se quiere proteger.

o Recubrimientos por inmersión como el galvanizado en caliente. o Recubrimientos por electrodeposición. o Recubrimientos por metalización.


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PROTECCIÓN CATÓDICA: La pieza a proteger actúa como cátodo → al crear un circuito el flujo de electrones va hacia el metal y se detiene la corrosión.

7. DEGRADACIÓN DE POLÍMEROS

Deterioro por interacción con el medio ambiente → implica diversos fenómenos físicos y químicos:

o Ciertos polímeros expuestos a líquidos se degradan por hinchamiento o por disolución.

o Otros se degradan por escisión → separación o rotura de enlaces de las cadenas moleculares → exposición a la radiación ultravioleta o al calor, acción del oxígeno, ozono, etc.

o Muchos polímeros → degradación por exposición a la intemperie → radiación ultravioleta del sol.

8. DEGRADACIÓN DE CERÁMICAS

Materiales cerámicos → constituyen la familia de materiales que posee la mayor estabilidad química → su susceptibilidad a la corrosión es menor que en el caso de los metales, o su degradación química es menos frecuente que en los polímeros.

Entre los materiales cerámicos de ingeniería, los casos de corrosión o degradación son más frecuentes en la familia de las cerámicas refractarias, de uso a alta temperatura. Cuando están en servicio, son susceptibles de ataque por parte del ambiente químico que las rodea, que incluye el alto nivel térmico.

La interacción con el agua de algunos materiales cerámicos sometidos a esfuerzos de tracción pueden dar lugar a fenómenos de agrietamiento que pueden dar lugar a una rotura.


47

PROPIEDADES MECÁNICAS

Las propiedades mecánicas indican el comportamiento de los materiales ante esfuerzos exteriores que

tienden a alterar su equilibrio.

Para un ingeniero, las propiedades mecánicas más interesantes son:

-Resistencia: Máximo esfuerzo que puede soportar un material sin romperse.

-Dureza: Medida de la resistencia de un material a la deformación por indentación superficial o por abrasión

→indica la cohesión del cuerpo.

-Alargamiento: Aumento de longitud de un material por efecto de una deformación.

-Estricción: Disminución de la sección de un material por efecto de una deformación.

-Deformabilidad o ductilidad: (El alargamiento + la estricción) Es la aptitud para variar la forma de un material

sin romperse o cambiar de estado.

Las propiedades mecánicas de los materiales se determinan realizando cuidadosos ensayos de laboratorio que

reproducen las condiciones de servicio hasta donde sea posible.

Su estudio tiene por finalidad determinar cuál será el comportamiento del material ante las acciones o

solicitaciones externas a las que será sometido.

Factores a considerar: 1. Naturaleza de la carga aplicada. 2. Duración. 3. Condiciones del medio.

Ensayos mecánicos: 1. Resistencia y ductilidad → Ensayo de tracción. 2. Dureza → Ensayos de dureza.

TENSIÓN

Cociente entre la fuerza actuante y la superficie de la sección inicial sobre la que actúa → Esfuerzo o fuerza

por unidad de área → libras/pulgada2 (psi) o Newton/mm2 (MPa) → dos componentes independientes.


48

DEFORMACIÓN

La variación de longitud que sufre un

material por efecto de un esfuerzo.

Deformación ingenieril ( ε ) → Relación

entre la variación de la distancia

establecida entre dos puntos del

sistema antes y después de la

actuación de las solicitaciones y dicha

distancia inicial.

Deformación elástica. Deformación no permanente que se recupera al retirarla carga que la provoca.

Elasticidad → propiedad que presentan algunos materiales de recuperar la forma y las dimensiones al cesar

los esfuerzos externos que lo deforman.

Deformación en régimen elástico:

Recuperable o no permanente.

Pequeñas en los metales, grandes en los elastómeros.

Asociada directamente a las fuerzas de enlace.

El módulo elástico (E) es función de la fuerza de enlace.

Si la fuerza de enlace es elevada → alta solidez de enlace → módulo elástico elevado.

Metales → comportamiento elástico lineal con valores pequeños de deformación elástica (~ 0,1%) →

proporcionalidad directa entre las tensiones aplicadas y las deformaciones producidas.

En el caso de tensiones normales (tracción y compresión) sobre

el sólido:

σ = E.ε LEY DE HOOKE

E = módulo de elasticidad longitudinal o módulo de Young →

mide la resistencia de un material a la deformación elástica.

Tensión de cizalladura: τ = G.γ LEY DE HOOKE

G = módulo de rigidez transversal o módulo de cizalladura.

La Ley de HOOKE, expresa la ecuación de una recta de pendiente el valor del módulo elástico, que pasa por el

origen de coordenadas.

Ecerámicos > Emetálicos > Epolímeros

Módulos de elasticidad bajos →FLEXIBILIDAD.

Módulos de elasticidad elevados →RIGIDEZ.


49

ELASTICIDAD NO LINEAL: La porción elástica de la curva tensión-deformación no es lineal → no hay un único

módulo de elasticidad:

Módulo elástico secante.

Módulo elástico tangente.

Se produce en materiales como los hormigones y las

fundiciones grises.

Módulo elástico secante → Pendiente de una secante trazada

desde el origen hasta un punto determinado de la curva

tensión deformación.

Módulo elástico tangente → Pendiente de la curva tensión

deformación para un determinado valor de la tensión.

COEFICIENTE DE POISSON (ν)

Nos define la relación entre las deformaciones laterales y axiales o longitudinales.

Es adimensional.

Alargamiento longitudinal (+) en la dirección del eje “Z”.

Contracciones laterales (-) en las direcciones de los ejes “X” e “Y”.

El signo negativo se introduce en la expresión para que el coeficiente sea positivo.

MÓDULO ELÁSTICO VOLUMÉTRICO (K)

Caracteriza el cambio de volumen en un sólido cuando está sometido a presiones en todas las direcciones.

Deformación plástica.

Deformación permanente que no se recupera al retirarla carga que la provoca.

Plasticidad → Capacidad que presenta un material para deformarse de forma progresiva por la acción de una

carga externa sin llegar a la rotura.

Todos los materiales presentan un valor característico → límite elástico

Por debajo de dicho valor los materiales se comportan de forma elástica (al retirar la carga vuelven a su forma

primitiva).


50

La mayoría de los materiales, al sobrepasar esta carga, se deforman plásticamente (no recuperan la forma al

retirar la carga).

Los materiales frágiles, como cerámicas y vidrio, rompen, muchas veces, por debajo de dicho valor, sin llegar

a una deformación permanente.

El límite elástico de un material representa la tensión máxima que soporta el material sin sufrir deformaciones

permanentes (deformaciones plásticas).

Co

estructuras que puedan soportar cargas sin quedar dañadas.

Para diseñar sistemas capaces de introducir deformaciones permanentes.

A veces la deformación plástica ayuda a prevenir catástrofes, pero demasiada deformación no es buena. Otras

veces, necesitamos de la deformación plástica para dar forma a los materiales.

ENSAYO DE TRACCIÓN

Es el ensayo más utilizado para medir la capacidad que tiene un determinado material para soportar cargas→

caracterización mecánica

Consiste en aplicar sobre una probeta o muestra del material, una carga en el sentido del eje de la probeta. A

medida que la probeta se deforma, se registra la carga, continuando el ensayo hasta la fractura final,

obteniéndose una curva carga-alargamiento.

La información obtenida del ensayo es muy completa siendo posible determinar:

Parámetros elásticos como el módulo de Young.

Parámetros resistentes como el límite elástico y la resistencia mecánica.

Parámetros de ductilidad como la deformación bajo carga máxima, el alargamiento en rotura y la

reducción de área o estricción.

La máquina:

La célula de carga que está conectada a la mordaza fija, registra de forma continua la carga(F) aplicada sobre

el material.

La máquina está conectada a un ordenador que registra el desplazamiento y la carga.

El extensómetro registra de forma continua el alargamiento (∆L) en la parte recta de la probeta(fuste).

Las mordazas mantienen firme la probeta durante el ensayo, mientras se aplica la carga, impidiendo el

deslizamiento

Las probetas siempre que sea posible es recomendable ajustarse a geometrías normalizadas (norma UNE) y

pueden ser cilíndricas o planas.


51

PROCEDIMIENTO:

1. Establecer una longitud de referencia (L0) para posteriormente poder determinar el alargamiento en rotura

(ej.: L0 = 5.d →marcascada5 diámetros)

2. Determinar la sección inicial(A0) de la probeta para posteriormente calcular la reducción de área o estricción

tras el ensayo.

3. Colocar la probeta en las mordazas y a continuación, el extensómetro en el fuste de la probeta

4. Aplicación progresiva de la carga hasta la rotura de la probeta. Para que el ensayo sea válido la rotura debe

ocurrir dentro de la longitud calibrada (L0), en la parte central de la probeta.

Antes de la rotura final se observa la formación de un cuello de estricción o una reducción de la sección de la

probeta.

Aspecto de la probeta tras la rotura → Rotura dúctil o frágil.

5. Medición de la longitud final (Lf) de la probeta tras la rotura.

6. Medición de la sección final (Af) de la probeta tras la rotura.

Zona elástica → Región de bajas deformaciones donde se

cumple la ley de Hooke → Desde el origen hasta el punto “P”

denominado límite elástico.

Zona plástica → A partir del punto P → Se pierde el

comportamiento lineal

Tras iniciarse la zona plástica → la tensión necesaria para

continuar la deformación aumenta hasta un máximo →

Punto “M” que nos proporciona dos valores:

--La resistencia mecánica o resistencia atracción (SR)

--La deformación bajo carga máxima (e max)

En esta región (desde el origen hasta el punto M), la deformación es uniforme a lo largo de toda la probeta.

Cuando se alcanza el punto máximo (M) → Empieza una disminución localizada en el área transversal de la

probeta→ Estricción.

A partir del punto “M” → la deformación de la probeta queda confinada a la zona de estricción.

La probeta rompe (punto F) →deformación en rotura (eR).

La máquina de tracción está diseñada para alargar la probeta a una velocidad constante y para medir de forma

continua y simultánea:

La carga instantánea “F” aplicada, mediante la célula de carga. El alargamiento resultante “∆L”, mediante el

extensómetro.


52

Estos valores se pueden convertir de forma inmediata en valores de tensión deformación (s – e) → Variables

nominales o ingenieriles.

En muchos metales → transición entre zona elástica y zona plástica de forma gradual → límite de

proporcionalidad o límite proporcional (punto P), difícil de calcular.

Límite elástico práctico (yield strength) (σ y) → tensión que produce una deformación plástica (permanente)

igual al 0,2%. Se determina trazando por la abscisa de 0,2% una paralela a la pendiente inicial de la zona

elástica.

En otros metales → transición entre la zona elástica y plástica bien definida → límite de cedencia o de fluencia

→ Su valor de tensión se toma como valor del límite elástico (σ y), ya que está bien definido.

Se obtiene al final:

Parámetros resistentes (módulo elástico, límite elástico, resistencia mecánica o resistencia a tracción)

Parámetros de ductilidad (deformación bajo carga máxima, deformación en rotura, reducción de área o

estricción, alargamiento de rotura)

TENSIONES Y DEFORMACIONES REALES O VERDADERAS

A partir del ensayo de tracción → Obtenemos valores de tensión (s) y deformación (e) nominales o ingenieriles,

suponiendo que la sección de la probeta es constante. Pero, durante el ensayo de tracción, la sección de la

probeta varía en función de la deformación→ variables reales o verdaderas. Si tenemos en cuenta la variación

de la sección de la probeta en función de la deformación, es necesario definir:

Tensión real o verdadera→

Deformación real o verdadera→

La curva (σ, ε) es siempre creciente y está por encima y a la

izquierda de la curva (s,e). La deformación verdadera (ε) es

siempre menor que la deformación nominal (ε <e). La tensión

real (σ) es siempre mayor que la tensión nominal (σ >s)

El valor del límite elástico (sy o σy) es igual en variables reales

y en variables nominales. La tensión verdadera (σ) y la tensión

nominal (s) coinciden en la zona elástica pero no en la zona

plástica. Lo mismo ocurre con la deformación verdadera (ε) y

la deformación nominal (e).

RELACIÓN ENTRE LAS VARIABLES NOMINALES Y LAS VARIABES REALES

TENSIÓN Y DEFORMACIÓN NOMINAL O INGENIERIL

TENSIÓN Y DEFORMACIÓN REAL O VERDADERA

RELACIÓN ENTRE VARIABLES

MODELIZACIÓN DEL COMPORTAMIENTO PLÁSTICO

La mayoría de los materiales endurecen al deformarlos plásticamente → se denomina endurecimiento por

deformación.


53

J.H. HOLLOMON propuso en 1945, una ecuación de ajuste para el endurecimiento por deformación:

Tanto la tensión como la deformación son variables reales.

El coeficiente “n” se denomina coeficiente de endurecimiento por deformación y es igual al valor de la

deformación real bajo carga máxima (εmax).

“K” se denomina coeficiente de resistencia y es un valor que depende del tipo de material.

EFECTOS DE LA TEMPERATURA Y DE LA VELOCIDAD DE DEFORMACIÓN EN EL ENSAYO DE TRACCIÓN

AUMENTO DE LA TEMPERATURA

Disminuyen los parámetros resistentes

Aumentan los parámetros de ductilidad

AUMENTO DE LA VELOCIDAD DE DEFORAMCIÓN

Aumentan los parámetros resistentes

Disminuyen los parámetros de ductilidad

ENSAYOS DE DUREZA

DUREZA: Resistencia que presenta un material a ser deformado superficialmente por un cuerpo más duro.

Propiedad que da idea de la capacidad resistente del material, proporcionando una indicación de su resistencia

al rayado, al desgaste o a la abrasión.

Estos ensayos son útiles para todo tipo de materiales (metales, maderas, polímeros, cerámios, , etc.) en la

industria para controles de calidad de procesos ya que son sencillos, rápidos y baratos, y además tienen un

carácter no destructivo.

TIPOS:

POR RAYADO

ESCALA DE MOHS:

-Se basa en que un cuerpo puede ser rayado por otro más duro.

-Diez minerales estándar siguiendo un orden de incremento de dureza de forma que cada uno de ellos es

rayado por el que le sigue.

-Fundición gris: 8-9; Aceros: 6-8; Hierro: 5.

ENSAYO MARTENS:

-Indentador = Pirámide de diamante 90º.

-Carga constante –Arrastre lateral – Rayado.

-Se mide la anchura de la raya “a” bajo carga constante →HM = 10000/a2.

-Plomo: 16,8; Cobre: 37; Aceros: 73-145.


54

POR REBOTE

Medida de dureza por distancia de rebote de un cuerpo duro que impacta sobre la superficie de un material.

Usual en materiales pétreos (naturales y artificiales), metálicos en obra o en servicio, etc. Aparato →

Esclerómetro (SHORE) que consta de un muelle, de un vástago, de una bola y de una escala de medida.

VENTAJAS: Transportable, utilidad alta pero de menor precisión, rápido.

POR INDENTACIÓN

Sistemas de determinación de dureza más utilizados → evalúan la oposición que ofrece un material a que otro

más duro pueda hacer una huella en su superficie por efecto de una presión → huella superficial evaluable

según la carga aplicada.

Cálculo de la dureza → correlación entre medidas de la huella y las diferentes escalas de dureza.

Cuanto más blando sea el material, más marca dejará.

ENSAYO DE DUREZA BRINELL -> Mide la huella del casquete esférico que deja un indentador (bola de acero

endurecido) al ser comprimido sobre una superficie plana y lisa del material a ensayar hasta alcanzar la carga

prevista y tras ser mantenida durante un cierto tiempo.

ENSAYO DE DUREZA VICKERS -> Indentador: Pirámide de diamante de base cuadrada con ángulo de 136º entre las

caras opuestas.

ENSAYO DE DUREZA ROCKWELL -> Expresa la dureza en función de la alcanza la huella.

-Rockwell B: Indentador bola de acero de 1/16 de pulgada y 100 kg de carga → Materiales blandos (dureza

menor que la lima).

-Rockwell C: Indentador cónico de 120º de ángulo con punta de diamante y 150 kg de carga → Todo tipo de

materiales.

ENSAYO DE MICRODUREZAS (Cargas entre 1 y 1000 gramos, para piezas muy pequeñas y regiones pequeñas)

-Microdureza Vickers: igual que la dureza Vickers variando solo la carga.

-Microdureza Knoop: Indentador → Pirámide de diamante con base rómbica y relación entre diagonales d1/d2

= 7. Adecuado para probetas pequeñas o delgadas, para materiales frágiles como cerámicas y vidrios e incluso

en granos y fases de aleaciones.

FRACTURA DE MATERIALES

Las causas de rotura y el comportamiento de los metales en servicio son conocidas. Así tenemos que podemos

clasificar las causas de rotura en tres grandes grupos: Selección y conformación inadecuada de los materiales.

Diseño inadecuado del componente. Mala utilización en servicio.

Fractura simple: separación de un cuerpo en 2 o más partes tras una solicitación mecánica.

Dos etapas: Formación de la fisura y la propagación de la fisura.

Frágil: Sin de formación plástica. Súbita y catastrófica. Propagación rápida de la fisura. (Sin absorber energía)

Dúctil: Con deformación plástica previa a la rotura. Propagación lenta de la fisura.


55

Materiales dúctiles

Existencia de mucha deformación plástica en la proximidad de la grieta que

avanza.

Propia de materiales dúctiles como metales y aleaciones.

Etapas: estricción inicial, formación de pequeñas cavidades, coalescencia de

las cavidades para formar una grieta, propagación de la grieta (perpendicular

a la grieta), fractura final.

Aspectos físicos de la rotura dúctil (fractografía).

Macroscópicos: Fractura copa-cono, la región central de la superficie presenta aspecto fibroso, irregular y

mate. Presencia de numerosos hoyuelos.

Microscópicos: formación y crecimiento de microhuecos.

Materiales frágiles

Ocurre sin apreciable deformación plástica y por propagación rápida de una

grieta.

Aparece a lo largo de planos cristalográficos perpendiculares a la tensión

aplicada → clivaje.

Propia de materiales frágiles como cerámicos y vidrios.

Puede aparecer en materiales dúctiles debido a bajas temperatura,

velocidad de deformación elevada, triaxialidad de las tensiones.

Aspectos físicos de la rotura frágil (fractografía)

Macroscópicos: Muy pequeña o nula deformación plástica. Superficie de fractura lisa y brillante.

Microscópicos: Fractura por descohesión de planos cristalinos (clivajes). Grieta transgranular (atraviesa todos

los bordes de grano) o grieta intergranular (no los atraviesa, los bordea).

MECÁNICA DE LA FRACTURA

La rotura de los materiales es un hecho no deseado por varias razones:

Posibles pérdidas de vidas humanas. Pérdidas materiales. Incidencias en el suministro de productos y servicios

Numerosas investigaciones han conducido al análisis de las posibles causas de rotura:

Roturas locales asociadas a determinados elementos. Defectos producidos durante la fabricación.

Solicitaciones que sobrepasan los límites de diseño.


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DEF.

Disciplina que estudia el comportamiento del material en presencia de defectos: Relación entre las

propiedades de los materiales, niveles de tensión, presencia de defectos y mecanismos de propagación de

grietas.

Modos de fractura:

MODO I o Modo de tracción → El esfuerzo es perpendicular al plano de la fisura (modo de abertura).

MODO II o Modo cortadura → El esfuerzo es paralelo al plano de la fisura y perpendicular a su frente (modo

deslizamiento).

MODO III o Modo torsión → El esfuerzo es paralelo al plano de la fisura y paralelo a su frente (modo desgarro).

TENACIDAD A FRACTURA

El FACTOR DEINTENSIDAD DETENSIONES (KI) → Determina la magnitud de la distribución de las tensiones

alrededor de una grieta.

La fractura de un elemento estructural ocurre cuando el factor de intensidad de tensiones (KI) alcanza un valor

crítico denominado tenacidad a fractura del material (KIC).

TENACIDAD A FRACTURA (KIC) → Es una propiedad característica de cada material y es una medida de la

resistencia del material a la fractura frágil cuando está presente una grieta.

RESISTENCIA O TENACIDAD AL IMPACTO

Se define como la capacidad de un material para resistir cargas dinámicas de impacto.

Método de evaluación de la tenacidad más antiguo y más utilizado → Completa la caracterización en tracción

de los metales.

La resistencia al impacto se mide a través de la energía absorbida o consumida en la rotura por impacto o

choque de otro cuerpo → Ensayo Charpy.

Condiciones del ensayo: Probeta con entalla normalizada (estado tensional fijo y espesor fijo) → Estado triaxial

de tensiones. Velocidad de impacto fija y elevada (altura caída de la maza). Temperatura del ensayo variable.

Las máquinas utilizadas constan de un péndulo provisto de una maza de peso “P”, que parte de una altura

“h0”, cae describiendo un arco, golpea y rompe la probeta, alcanzado una elevación menor al final “h1”. Con

estos valores se calcula la diferencia de energía potencial, que es la energía de impacto absorbida por la

probeta durante su rotura.

Resultados del ensayo:

Curvas de resiliencia-temperatura con zonas dúctil y frágil y temperatura de transición: A bajas temperaturas

el comportamiento es frágil → energía absorbida pequeña. A altas temperaturas el comportamiento será

dúctil →alta energía absorbida. Zona de transición →temperatura de transición →cambio brusco pendiente.


57

FATIGA

Aparece en elementos sometidos a tensiones dinámicas y fluctuantes.

La fractura puede ocurrir a un nivel de tensión sensiblemente menor que el límite elástico correspondiente a

una carga estática → suele ocurrir súbitamente y ser catastrófica.

La fatiga es la primera causa de rotura de los materiales → Se estima que es la causa de aproximadamente el

90%de las roturas metálicas.

El fallo por fatiga comienza a partir de un defecto

inicial microscópico (microgrietas, bordes de

grano irregulares, inclusiones de impurezas,

defectos superficiales) → la propagación de la

grieta es perpendicular a la tensión aplicada.

La superficie se caracteriza por dos aspectos:

Aspecto macroscópico: marcas

de playa → cada marca

representa un periodo de

tiempo en el cual ocurrió la

propagación de la grieta.

Aparecen en trabajos con períodos de reposo.

Aspecto microscópico: estrías → cada estría representa la distancia de avance de

la grieta durante un ciclo de carga. Dentro de cada marca de playa pueden existir

miles de estrías.

ENSAYOS DE FATIGA

Para analizar el comportamiento a fatiga → ensayos en máquina de flexión rotativa.

Los resultados → diagrama de tensión (S) frente al logaritmo del número de ciclos (N)→ curvas S-N o curvas

de Wöhler.

Estas curvas muestran la tensión “S” necesaria para producir un fallo por

fatiga al cabo de un número de ciclos “N”.

Los ensayos se llevan a cabo hasta la rotura final de la probeta.

Dependiendo del tipo de material se obtienen dos tipos de curvas S-N:

Límite de fatiga o endurancia → Mayor valor de la tensión fluctuante que

no producirá la rotura en un número infinito de ciclos. En algunas

aleaciones férreas y en aleaciones de titanio.

Resistencia a la fatiga → Nivel de tensión que produce la rotura después

de un determinado número de ciclos. Muchas aleaciones no férreas:

aluminio, cobre, magnesio…


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FACTORES QUE AFECTAN A LA VIDA EN FATIGA

Cuanto mayor sea el valor de la tensión media, menor será la vida a fatiga del componente. Cualquier entalla

o discontinuidad geométrica puede dar lugar a la aparición de una grieta de fatiga. Cuanto más aguda sea la

discontinuidad mayor será la probabilidad. Cualquier proceso de endurecimiento superficial, aumenta la

resistencia a fatiga del material.

FLUENCIA

Deformación permanente y dependiente del tiempo, cuando los materiales son sometidos a una tensión

constante y a una temperatura elevada.

La resistencia a fluencia se calcula mediante ensayos → Someter una probeta cilíndrica a una carga constante

mientras es mantenida en un horno a una temperatura constante.

El ensayo se lleva hasta la rotura final. Se mide la deformación y se representa gráficamente en función del

tiempo → Curvas de fluencia.

Al aplicar la carga → deformación instantánea.

Fluencia primaria o transitoria → Velocidad de fluencia decreciente.

Fluencia secundaria o estacionaria → Velocidad de fluencia constante.

Fluencia terciaria o acelerada → Velocidad de fluencia se acelera hasta

la rotura.

Pendiente de la zona de fluencia estacionaria → Velocidad mínima de

fluencia o velocidad de fluencia estacionaria → Parámetro de diseño

utilizado en aplicaciones de vida larga donde no es aceptable la rotura o

una deformación.

Zona de fluencia terciaria → Tiempo de rotura “tr” → parámetro de diseño para fluencia de vida corta.

La temperatura y el nivel de tensión aplicada influyen en las características del comportamiento bajo fluencia

en caliente.

Las deformaciones dependen de la temperatura(T):

Al aumentar la tensión o la temperatura se observa que: La deformación instantánea en el momento de

aplicación de la carga aumenta. La velocidad de fluencia estacionaria aumenta. El tiempo de rotura disminuye.

A temperaturas inferiores a “0,4. Tm” y después de la deformación inicial, la deformación se vuelve

independiente del tiempo.

FACTORES DE DISEÑO/SEGURIDAD

Las variaciones en las propiedades son inevitables debido

a las diferencias en las composiciones, en las condiciones

de procesado, etc. Por otra parte, la carga en servicio

puede superarse bajo ciertas condiciones. Todo esto hace

que deban tomarse medidas para prevenir el fallo

inesperado.


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TEMA 10: LOS MATERIALES METÁLICOS

10.1 LOS ACEROS

El acero es uno de los materiales más importantes en los sistemas ingenieriles.

En la actualidad es la más importante de las aleaciones metálicas de empleo en ingeniería.

El motivo se debe a:

o Existencia de numerosos yacimientos de minerales de Fe ricos y fáciles de explotar.

o Procedimientos de fabricación bastante económicos.

o Conformabilidad por deformación plástica.

o Colabilidad.

o Maquinabilidad.

o Gran variabilidad de propiedades.

o Inconveniente → Elevada susceptibilidad a la corrosión.

10.2 FABRICACIÓN DEL HIERRO Y DEL ACERO

El acero se obtiene a partir de dos materias primas fundamentales:

o El arrabio obtenido a partir de mineral de hierro.

o La chatarra de acero.

Estas dos materias primas condicionan el proceso de fabricación.

La producción del acero se realiza, mediante dos vías principales:

o Mineral de hierro → La vía de la siderurgia integral.

o Chatarra → La vía de la acería eléctrica

FABRICACIÓN A PARTIR DE MINERAL: PROCESO SIDERÚRGICO

o El proceso siderúrgico, vía horno alto y convertidor L.D., se basa en la fusión del

mineral de hierro hasta obtener un caldo líquido a partir del cual obtendremos el

acero.

o Proceso siderúrgico:

Mineral de hierro + Coque

Alto Horno

Arrabio o fundición líquida.

Convertidor → Acero líquido.

Metalurgia secundaria.

Colada en lingotes o Colada continua.

Laminación.

FABRICACIÓN A PARTIR DE CHATARRA: ACERÍA ELÉCTRICA

o La acería eléctrica está basada en la fusión de chatarra de acero mediante un horno

eléctrico de arco (H.E.A) para obtener acero líquido → supera a la producción de la

vía integral.

o ACERIA ELÉCTRICA

Chatarra de acero.

Ferroaleaciones.

Horno eléctrico de arco.

Metalurgia secundaria.

Colada en lingotes o colada continua.

Laminación.


60

10.3 PROPIEDADES Y ESTRUCTURA DEL HIERRO

El hierro puro apenas tiene aplicaciones industriales pero, formando aleaciones con carbono

y otros posibles elementos, es el metal más utilizado.

Es un metal de densidad 7,87g/cm3 , dúctil y maleable que funde a una temperatura de

1539ºC.

Una de las características más importantes del hierro puro es que experimenta una serie de

transformaciones alotrópicas al enfriarse desde la temperatura de solidificación hasta la

temperatura ambiente.

10.4 DIAGRAMA HIERRO-CARBONO

Muestra los constituyentes de las aleaciones Fe-C (aceros y fundiciones) según el contenido

en carbono y la temperatura a que se encuentran, en condiciones de equilibrio.

Presenta tres puntos característicos:

o Eutéctico: L → γ + Fe3C (4,3%C, 1130ºC) (γ + Fe3C) se denomina LEDEBURITA.

o Peritéctico: δ + L → γ (0,08%C, 1495ºC)

o Eutectoide: γ → α + Fe3C (0,76%C, 723ºC) (α + Fe3C) se denomina PERLITA

En los aceros (C < 2,14%) distinguimos:

o Zona hipoeutectoide → Contenido en carbono menor que el eutectoide (C < 0,76%).

o Zona hipereutectoide → Contenido en carbono mayor que el eutectoide (C > 0,76%).


61

ACERO EUTECTOIDE (C = 0,76%)

ACERO HIPOEUTECTOIDE (C < 0,76%)

ACERO HIPEREUTECTOIDE (C > 0,76%)


62

Constituyentes microscópicos de los aceros:

Ferrita

Fe casi puro (0,02%C)

Cristaliza en el sistema BCC

Magnética hasta 768ºC

Resistencia mecánica = 300 MPa

Alargamiento = 35%

Dureza = 90 HB Austenita

Fe con C (hasta 2% a 1135ºC)

Cristaliza en el sistema FCC

No magnética

Resistencia mecánica = 900 - 1000 MPa

Dureza = 300 HB

Alargamiento = 30 - 60%

Cementita

Compuesto químico Fe3C con 6,67% de C

Gran paralelepípedo ortorrómbico

Magnética hasta 218ºC

Dureza = 68 HRC Perlita

Agregado policristalino Fe + Fe3C

Cristaliza en forma de BCC + gran paralelepípedo ortorrómbico.

Microconstituyente de forma laminar

Dureza depende de la velocidad de enfriamiento (Gruesa 200HB – Fina 300HB)


63

10.5 ACEROS: CARACTERÍSTICAS Y APLICACIONES

La norma UNE-EN 10020:2001, define al acero como un material en el que el hierro es el

elemento predominante, con un contenido en carbono generalmente inferior al 2% y que

contiene además otros elementos de aleación.

En la práctica no existen aceros cuya composición sea exclusivamente hierro y carbono sino

que llevan elementos de aleación, en mayor o menor proporción, para mejorar sus

propiedades.

o Elementos de aleación de uso ordinario: Mn, Si, Cr, Ni,, Al, Ti, Ca, N….

o Elementos de aleación de uso específico: S, Pb, Se, Te, Nb, Cu, W....

Las aplicaciones de los aceros son numerosas ya que es posible obtener aceros con muy

variadas propiedades, dependiendo del contenido en carbono, de los elementos de aleación

que contenga y del tratamiento térmico o mecánico al que se le someta.

5.1. ACEROS BAJOS EN CARBONO (%C < 0,25)

1.- ACEROS DE CONSTRUCCIÓN METÁLICA

Características

Representan el 80% de los aceros usados en aplicaciones ingenieriles.

No son templables.

Son endurecibles por deformación en frío (acritud)

Microestructura: ferrita + perlita.

Son blandos, poco resistentes (σy =275MPa, σr =415-550MPa) pero muy dúctiles (A =

25%) y tenaces.

Son de fácil mecanización, soldables y baratos.

Aplicaciones

Carrocerías de automóviles.

Vigas.

Tuberías, edificios y puentes.

Barcos e Ingeniería civil.

2.- ACEROS DE ALTA RESISTENCIA Y BAJA ALEACIÓN (HSLA)

Características

Suma de elementos de aleación (Nb, V, Ti, Al,...) en torno al 10% en peso → precipitan

en forma de carburos dispersos en la matriz ferrítica → controlan la resistencia

mecánica y otras propiedades.

Alta resistencia (σy > 480MPa) → secciones resistentes más esbeltas.

Son dúctiles, hechurables y mecanizables.

En ambientes atmosféricos son más resistentes a la corrosión.

Aplicaciones


64

Puentes, torres, recipientes a presión, columnas de edificios altos.

5.2. ACEROS MEDIOS EN CARBONO (0,25 < %C < 0,60)

1.- ACEROS DE CONSTRUCCION MECANICA

Características

Admiten tratamientos térmicos (temple y revenido).

Microestructura de martensita revenida.

Diseñados para solicitaciones de fatiga, fractura, creep, etc.

Son más resistentes (σy =430-830MPa, σR=600-1300MPa) pero menos dúctiles (A=10-

25%) y menos tenaces.

Aplicaciones

Ruedas y carriles para trenes.

Engranajes y cigüeñales.

Pernos, ejes, pistones.

5.3. ACEROS ALTOS EN CARBONO (0,60 < %C < 1,40)

1.- ACEROS DE HERRAMIENTAS

Características

Permiten mejorar tiempos de fabricación → mejores rendimientos en la producción

→ mayor productividad industrial.

Alto contenido en carbono, con importantes cantidades de elementos de aleación.

Templados y revenidos → elevada dureza → elevada resistencia al desgaste y a la

abrasión.

Indeformabilidad → importante para herramientas cuyas dimensiones y formas

deben permanecer inalterables.

Aplicaciones

Herramientas de corte.

Brocas, matrices y troqueles.

Martillos, aperos agrícolas, navajas.

5.4. ACEROS INOXIDABLES

La definición de acero inoxidable viene dada por el porcentaje de cromo, que tiene que ser superior

al 12%.


65

El aumento de este porcentaje y la combinación con el níquel, determina la naturaleza y la proporción

de las fases presentes y, en consecuencia, define el tipo de acero inoxidable.

Adición de 12% de Cromo:

o Pasivado del acero → Formación capa de Cr2O3

o Aceptación universal → Acero Inoxidable.

Adición de Níquel:

o Mayor resistencia a la corrosión.

o Factor de coste.

o Ductilidad y capacidad de deformación.

Usualmente %C < 2 y 11 < %Cr < 20

1. - ACEROS INOXIDABLES MARTENSITICOS

Los más baratos de los inoxidables al ser los menos aleados.

Acero básico → 12% Cr y 0,1% de C

Microestructura martensítica.

Son aceros magnéticos.

Propiedades mecánicas:

o Límite elástico: 275 – 1650 MPa.

o Resistencia mecánica: 500 -1800 MPa.

o Deformación en rotura: 5 – 25%.

Aplicaciones: Industria del petróleo, cojinetes, aplicaciones de uso doméstico, moldes para la

industria del plástico, grifería, cuchillas de afeitar, bases de planchas, almas de fusil,…..

2. - ACEROS INOXIDABLES FERRITICOS

Microestructura ferrítica.

Acero básico →17% Cr y 0,1% C (max.)

Solo endurecen por deformación en frío.

Son aceros magnéticos.


o Límite elástico: 250 - 350 MPa.

o Resistencia mecánica: 450 – 550 MPa

o Deformación en rotura: 20 – 25%.

Aplicaciones: Elementos decorativos en edificios, cocinas y aseos de hospitales, cuchillos,

cuberterías, menajes, automóvil (parachoques, retrovisores, faros, llantas), tambor y cubetas de

lavadoras,…..

3. - ACEROS INOXIDABLES AUSTENITICOS

Microestructura austenítica

Acero básico 18% Cr y 8% Ni.

Endurecen por acritud.

Aceros no magnéticos.


o Límite elástico: 180 - 300 MPa.

o Resistencia mecánica: 550 - 600 MPa.

o Deformación en rotura: 50 - 55%.

Aplicaciones: Industria química, aeronáutica, naval, nuclear, instalaciones de tratamiento de leche

y vino, cisternas para transporte de gases licuados, cirugía (implantes, prótesis)…..


66

4. - ACEROS INOXIDABLES DUPLEX (AUSTENOFERRITICOS)

Intermedios entre ferríticos y austeníticos.

Cr = 22- 25%; Ni = 5 – 6%; Mo = 2 – 3%.

Aceros que presentan dos fases → Microestructura: Austenita + Ferrita.


o Resistencia mecánica: 500 – 800 MPa.

o Límite elástico: 400 - 500 MPa

Aplicaciones: Moldería (cuerpos de válvulas), piezas forjadas (papeleras, ejes de cola), tubos

extruídos para la industria del petróleo, fabricación de electrodos de soldadura.

10.6 - FUNDICIONES FERREAS

Son aleaciones Fe, C y Si que contienen también Mn, P, S y en ocasiones, elementos de aleación

(fundiciones aleadas).

Su contenido en C = 2 – 4,5%, es superior al de los aceros y este es el punto característico de

diferenciación en composición.

Las piezas de fundición toman su forma definitiva directamente por moldeo y colada, no siendo

en la práctica industrial sometidas a procesos de deformación plástica en frío o en caliente.

Propiedades generales: Baja ductilidad y poco tenaces, alta dureza y resistencia al desgaste,

amortiguan las vibraciones y, en general, no son soldables.

Las fundiciones se fabrican en Cubilote o en Hornos Eléctricos de Arco o de Inducción, que funden

a temperaturas más bajas que los aceros (1150 – 1300ºC).

La materia prima para su fabricación es el arrabio del Horno Alto y pequeñas cantidades de

chatarra férrica.

La mayoría de las fundiciones, presentan grafito en su estructura, debido a que la cementita (Fe3C)

en presencia de Si, tiende a descomponerse en hierro y grafito.

Tipos:

1. FUNDICIONES BLANCAS

Bajos contenidos en C (2,0-3,6%) y Si (< 1%) con una velocidad de enfriamiento elevada.

Presentan una estructura característica: Ausencia de grafito → todo el carbono está combinado

en forma de cementita (CFe3).

Propiedades:

Extremadamente duras a elevadas temperaturas, lo que les hace muy resistentes al

desgaste.

Muy frágiles, con baja tenacidad y baja resistencia al impacto

Elevada resistencia a la compresión.

Nula deformabilidad.

Muy difíciles de mecanizar.

Aplicaciones: Equipos de minería y fabricación de cementos (bolas de trituración), boquillas

inyectoras, rodillos trituradores, cribas, lavaderos, revestimientos de tolvas, bocas de

descarga,……


67

2. FUNDICIONES GRISES

Fundiciones que contienen entre un 2,5 y un 4% de Carbono y un 2% de Silicio.

La estructura presenta carbono libre en forma de láminas de grafito en una matriz ferrítica o

perlítica.

Propiedades:

De fácil mecanización y alta resistencia a la corrosión.

Buena resistencia al desgaste y capacidad de amortiguación de

vibraciones.

Son frágiles y no responden a la ley de Hooke.

Las propiedades mecánicas dependen del tipo de matriz.

Aplicaciones: Automoción (bloques de motor, tambores y discos de freno, colectores de admisión,

discos de embrague), construcción (radiadores, bañeras, mobiliario urbano, ornamentación

artística), electrodomésticos (piezas de cocina, de lavadoras, de frigoríficos), industria en general

(bancadas y columnas de máquinas, carcasas de motores,…..).

3. FUNDICIONES MALEABLES

Las fundiciones maleables se fabrican por tratamiento térmico aplicado sobre fundiciones blancas:

Calentar la fundición blanca entre 800 y 900ºC durante largo tiempo.

La descomposición de la cementita da lugar a carbono en forma de grafito.

El grafito aparece en forma de racimos o rosetas (grafito nodular) en una matriz ferrítica o

perlítica.

Tipos de fundiciones maleables:

Maleable europea o de corazón blanco → 3% de C y 0,75% de Si → estructura ferrítica.

Maleable americana o de corazón negro → 2,5% de C y 1% de Si → estructura ferrítica o

estructura perlítica muy fina.

Propiedades: Buena resistencia a la corrosión, maquinabilidad y soldadura.

Aplicaciones: Tubos de dirección, engranajes de transmisión, cajas de diferencial, herramientas,

orugas,….

4. FUNDICIONES NODULARES

Objetivo → Alcanzar nódulos de grafito sin tratamiento térmico, directamente en la fase líquida

de la fundición.

Se desarrollan en 1948:

Morrough BCIRA → usando Ce.

International Nickel → utilizando Mg. Es la que más se utiliza.

Se forman esferoides de grafito con aureolas de ferrita.

Propiedades:

Varían según sea la matriz.

Son más resistentes que las fundiciones grises: σR = 150 – 825 MPa.

Son más dúctiles que las fundiciones grises: A (%) = 2 – 18%.

Aplicaciones: Automoción (piezas del motor, piezas de la suspensión, piezas de la transmisión,

piezas de la dirección, piezas del freno), ferrocarril (piezas de vías, piezas de locomotoras diesel y

eléctricas,..), obras públicas y minería, construcción,…


68

10.7 MATERIALES METALICOS NO FERREOS

Inconvenientes de las aleaciones férreas:

Densidad relativamente elevada

Conductividad eléctrica comparativamente baja.

Susceptibilidad a la corrosión en medios muy comunes.

En general, los metales no férreos son blandos y tienen poca resistencia mecánica y para mejorar

sus propiedades se alean con otros metales.

Atendiendo a su densidad los podemos clasificar en:

Pesados → densidad igual o mayor de 5 kg/dm3 → Ej.: Cobre, Níquel

Ligeros → densidad comprendida entre 2 y 5 kg/dm3 → Ej.: Aluminio, Titanio.

Ultraligeros → densidad menor de 2 kg/dm3 → Ej.: Magnesio, Berilio.

- EL ALUMINIO Y SUS ALEACIONES:

Después del acero es el material metálico más utilizado.

Razones de su consumo: buenas propiedades físicas, químicas y mecánicas, abundante en

la naturaleza, precio estable, múltiples aplicaciones y es fácil de reciclar.

Cristaliza en el sistema FCC → fácilmente deformable.

Densidad de 2,7 kg/dm3 → aplicaciones donde se necesite ahorro de peso.

Baja temperatura de fusión (660ºC) y es un buen conductor eléctrico.


Baja resistencia mecánica pero gran ductilidad y maleabilidad.

Bajo módulo de elasticidad (66218 MPa).

Baja dureza → mala resistencia al desgaste.

Evolucionan favorablemente hasta los -200ºC → aplicaciones criogénicas.

Propiedades químicas:

Afinidad por el oxígeno que forma película de óxido (Al2O3) muy compacta y que

se adhiere con firmeza → pasivación natural.

Anodizado → Oxidación superficial artificial con objeto de conseguir una película

estable de 15 a 25 micras.

El espesor dependerá del tiempo que dure la oxidación: a mayor tiempo mayor

espesor.

Aleaciones del aluminio:

Aluminio → 1000 Aluminio-Magnesio→5000

Aluminio-Cobre → 2000 Aluminio-Magnesio-Silicio→6000

Aluminio-Manganeso→3000 Aluminio-Zinc→7000

Aluminio-Silicio→4000 Aluminio-Estaño y otros→8000

Aplicaciones: Construcciones aeronáuticas, piezas de motores, marcos,

ventanales, latas de bebida, carrocerías de automóvil y de autobuses, usos no

estructurales tales como papel, tejados y cubiertas en la edificación, envases y

aerosoles para la industria química, conductores eléctricos, reflectores, etc.

- EL COBRE Y SUS ALEACIONES

El cobre es uno de los primeros metales utilizados por el hombre.


69

Sus minerales son pobres, de baja ley, lo que le hace ser considerado un metal estratégico

sometido a fuerte especulación. Se encuentran en la corteza terrestre en forma de bolsas que

afloran a la superficie → minería a cielo abierto.

Fácilmente aleable.

Aplicaciones generales: industria eléctrica, construcción, ingeniería, transporte.

Punto de fusión de 1083ºC con una densidad de 8,9 Kg/dm3.

Cristaliza en el sistema FCC → fácilmente deformable (Se presta de forma notable a todas las

operaciones de conformación en frío y en particular, la embutición.)

Conductividad eléctrica es importante (El mejor conductor del calor y la electricidad después de

la plata.)

Es tenaz, dúctil y maleable con alargamientos de hasta el 50%.

Buena resistencia a la corrosión.

Aleaciones:

LATONES

Aleaciones Cu – Zn, con porcentajes variables de Zn de 3% al 50% que presentan

buenas características mecánicas y buena resistencia a la oxidación.+

Propiedades análogas al cobre pero con menor conductividad y de menor precio.

Aplicaciones: bisutería, monedas, municiones, industria química, maquinaria

marina, instrumentos musicales, etc.

BRONCES:

Aleaciones Cu-Sn → La adición de Sn aumenta la dureza y resistencia hasta ciertos

valores: Sn > 16% → fase “δ”, dura y frágil → responsable del sonido argentino de

las campanas.

Combinación de conductividad eléctrica elevada y pequeño módulo de

elasticidad.

Su resistencia a la corrosión es buena y son amagnéticos.

Aplicaciones: campanas, bombas, electrónica, instrumentos de música, etc.

CUPROALUMINIOS:

Aleaciones con 4 a 8% de aluminio para forja y 9 a 13% de aluminio para

aleaciones de moldeo.

Resistencia mecánica similar a la de los aceros al carbono de tipo medio.

Excepcional resistencia a la corrosión.

Aplicaciones: Orfebrería, aquellas que exigen resistencia al agua de mar como es

la fabricación de hélices de barco, oleoductos, etc.

CUPRONIQUELES

Aleaciones con Ni < 50%. Al aumentar el porcentaje de níquel, disminuyen las

conductibilidades eléctrica y térmica, mejoran las características mecánicas y

mejora la resistencia a la corrosión.

Facilidad de conformación y moldeo.

Buenas características mecánicas a bajas y altas temperaturas.

Buena resistencia a la corrosión y a la corrosión-erosión.

Aplicaciones: Tubos de condensador de frigoríficos, aparatos de medidas

eléctricas, acuñación de monedas y medallas.


70

ALPACAS

Aleaciones cobre-níquel-cinc:

o Monofásicas → fáciles de transformar por laminación,

embutición, entallado, etc.

o Bifásicas → Fáciles de trabajar en caliente, de mejor

maquinabilidad y presentan dificultades para su conformación en

frío.

Fenómeno de “fire cracking” → objeto forjado sometido de forma brusca a

temperatura elevada → aparición de una fisuración espontánea.

Aplicaciones: Materiales criogénicos, aplicaciones de orfebrería, piezas para

equipos de telecomunicaciones, piezas ornamentales.

-EL TITANIO Y SUS ALEACIONES

El titanio se obtiene a partir del TiO2 → Minerales: Rutilo (TiO2) y la ilmenita (TiO2.FeO).

Película adherente de TiO2 que le protege hasta los 550ºC → excelente resistencia a la corrosión en

medios industriales y marinos.

Estructura:

T < 882ºC → estructura α (HC).

T > 882ºC → estructura β (BCC) hasta temperatura de fusión.

Propiedades:

o Bajo peso específico: 4,5 gr/cm3.

o Alto punto de fusión → Temperatura de fusión: 1668ºC.

o Resiste altas temperaturas y tiene alta ductilidad (20 a 40%) siendo fácilmente mecanizable y

forjable.

o Alta resistencia mecánica (σR = 1400 MPa a temperatura ambiente) y módulo elástico de 105

GPa.

o Superconductividad (aleado con niobio).

o Memoria de forma (aleado con níquel).

Aleaciones más importantes:

o Ti - Al +S ó Zn ó Zr

o Ti - Al + V ó Nb ó Mo.

Aplicaciones: Componentes estructurales y motores a reacción, industria de procesado químico,

industria del papel, aplicaciones marinas y producción y almacenamiento de energía, fabricación de

implantes quirúrgicos, industria del automóvil, joyería, equipamiento deportivo, instrumentos

musicales, etc.

-EL NÍQUEL Y SUS ALEACIONES

Presenta estructura FCC → alta deformabilidad, pero es un material pesado debido a su elevada

densidad (8,9 g/cm3).

Buena resistencia a la corrosión y a altas temperaturas (TF = 1453ºC).

Buenas propiedades mecánica con alta resistencia al desgaste.

Es esencial en la fabricación de acero inoxidable y aleaciones resistentes a la corrosión y de

superaleaciones.

Mayor limitación a su empleo → su elevado precio


71

Aplicaciones: Alabes de turbinas, intercambiadores de calor, reactores químicos.

-METALES ULTRALIGEROS

1. MAGNESIO

o Se obtiene por extracción electrolítica del ClMg en el agua de mar o de la dolomía.

o PROPIEDADES:

Densidad: 1,74 g/cm3 con estructura HCP.

Temperatura de fusión: 650ºC.

Resistencia a la corrosión como el Al

Bajo módulo de elasticidad: 45 GPa.

Baja resistencia a fatiga, creep y desgaste.

o Problemas de fabricación → Oxidaciones y explosiones.

o Aplicaciones: Aerospacial, hélices y rotores de helicópteros, cajas de brújula, telefonía móvil,

bengalas,…

2. BERILIO

o Propiedades:

Densidad: 1,85 gr/cm3.

Temperatura de fusión: 1287ºC.

Cristaliza en el sistema HC → Ductilidad limitada → Fragilidad.

Módulo de elasticidad: 289 GPa

Altas resistencias específicas.

o Inconvenientes:

Muy caro

Reactivo → forma BeO → carcinógeno.

Producción muy complicada → Fusión y forja en vacío.

o Aplicaciones: Aeroespacial, equipamientos de rayos X e ingeniería nuclear, joyería

(esmeraldas),..

10.8 - TRATAMIENTOS DE LOS METALES Y DE LAS ALEACIONES METALICAS

Las aleaciones metálicas, una vez acabados o durante su proceso de fabricación, se someten a diversos

tratamientos para mejorar sus propiedades.

1. TRATAMIENTOS TÉRMICOS

Ciclos de calentamiento y enfriamiento que se dan a metales y aleaciones para modificar su

estructura micrográfica (grano) y su contitución, permaneciendo inalterada la composición

química.

Fases de los tratamientos térmicos:

o Calentamiento → la temperatura depende del tratamiento.

o Homogeneización de la temperatura → permanencia hasta que todo el material adquiere

la estructura y temperatura deseada.

o Enfriamiento más o menos rápido → la velocidad depende del tratamiento a realizar.

TEMPLE:

o Tratamiento muy importante de los aceros a los que confiere una estructura muy dura

denominada martensita.

o Se calienta hasta temperatura de austenización (T > Ac3), seguido de un enfriamiento

rápido para transformar la austenita en martensita.


72

o Tratamiento traumático → junto con el rápido enfriamiento, dos efectos contrarios:

Contracción del material y dilatación al pasar de austenita (FCC) a martensita (BCT).

Factores que influyen en el temple:

o Composición del acero → cuanto mayor sea el contenido en carbono mayor será la dureza

alcanzada.

o Temperatura de calentamiento → función de la composición.

o Tiempo de calentamiento → debe ser el suficiente para que toda la masa alcance la

temperatura de austenización → estructura homogénea.

o Velocidad de enfriamiento → depende de los medios de temple.

o Tamaño y geometría de la pieza → cuanto más gruesa sea la pieza más difícil es de

templarla

Templabilidad → capacidad de un acero para endurecerse por formación de martensita.

Medios de temple:

o Agua → temples muy severos, es decir, enfriamiento muy rápido.

o Aceite → temples intermedios.

o Baños de sales o aire → temples más lentos.

o Normalmente se elige el medio de temple según la composición del acero.

REVENIDO

o La martensita resultante del

temple es dura y frágil y posee

tensiones internas → Revenido.

o Calentamiento de un acero recién

templado a temperatura inferior a

la crítica AC1, mantenimiento

durante un cierto tiempo y

enfriamiento final generalmente al

aire.

o Objetivos:

Aumentar la ductilidad y la

tenacidad.

Disminuir la dureza y las

tensiones internas


73

o Durante el revenido → formación de martensita revenida: Martensita (monofásica BCT)

→ Martensita revenida (Bifásica α + Fe3C)

RECOCIDOS

o Consta de tres etapas: calentamiento a la temperatura adecuada, mantenimiento térmico

durante el tiempo preciso y enfriamiento lento hasta temperatura ambiente.

o Tipos:

Recocido de homogeneización (T = 1000 - 1100ºC) → permite eliminar

heterogeneidades o segregaciones químicas → homogeneidad estructural.

Recocido de recristalización (T = AC3 + 25ºC) → regenera la estructura y elimina

la dureza tras una deformación plástica en frío.

Recocido de ablandamiento (T = 600 - 700ºC) → elimina tensiones en piezas que

han sido forjadas o laminadas.

Recocido de estabilización (T = 100 - 200ºC) → reduce las tensiones internas

creadas por mecanización o moldeo complicado.

Recocido de globulización (T variable por encima o por debajo de AC1) → mejora

la maquinabilidad de los aceros eutectoides e hipereutectoides.

NORMALIZADO

o Se aplica a aceros deformados en caliente (forja o laminación) que presentan una

estructura perlítica de tamaño de grano grosero y distribución irregular.


74

o Objetivo: Afinar y uniformizar el tamaño de grano

perlítico.

o Proceso:

Calentamiento de austenización completa

(T > AC3).

La velocidad de enfriamiento es más lenta

que en el temple pero más rápida que en

los recocidos.

ENDURECIMIENTO POR PRECIPITACION

o Aumento de la resistencia y dureza de aleaciones no férreas (principalmente) por

formación de partículas muy pequeñas y dispersas (precipitados) de una segunda fase en

la matriz.

o Consiste en un tratamiento de solución (aparición de la solución sólida α) seguido de un

tratamiento de temple (solución sobresaturada) y a continuación un calentamiento

(maduración o envejecimiento) para favorecer la precipitación.

o En la mayoría de los casos, la resistencia mecánica, el límite elástico y la dureza de una

aleación aumentan con el tiempo de maduración o envejecimiento, para alcanzar un

máximo.

o A partir del máximo aparece el sobreenvejecimiento → indica que la aleación tiene un

ablandamiento en relación a la etapa de endurecimiento debido a un engrosamiento de

los precipitados.

2. TRATAMIENTOS TERMOQUIMICOS

Procesos en los cuales además de realizar un tratamiento térmico se modifica la composición

química superficial de los aceros.

Objetivo mejorar las propiedades originando materiales con un núcleo tenaz y una superficie dura.

A. CEMENTACIÓN

Endurecimiento superficial de los aceros por aumento del contenido en carbono.


75

El carbono se difunde hacia el interior procedente de una atmósfera gaseosa a

temperaturas elevadas.

Posteriormente se someten las piezas a tratamiento térmico → lo que da lugar al

endurecimiento superficial.

B. NITRURACION

Endurecimiento superficial por absorción de nitrógeno.

La pieza se somete a una atmósfera de NH3.

No necesita tratamientos térmicos posteriores.

Objetivo → mejorar la resistencia a la corrosión y aumentar la dureza por

formación de nitruros.

C. CARBONITRURACION

Se añade carbono y nitrógeno a partir de una atmósfera gaseosa.

Formación de nitruros de hierro muy duros.

Objetivo → mejorar la resistencia y dureza superficial.

D. SULFONITRURACION

Se incorpora carbono, nitrógeno y sobre todo, azufre.

Para su realización se introducen las piezas en un baño con sales de los anteriores

elementos.

Objetivo → mejorar la resistencia al desgaste.

3. TRATAMIENTOS SUPERFICIALES

Se incluyen todos los procedimientos de mejora de las propiedades superficiales sin alterar su

composición química.

Recubrimientos metálicos → Deposición de un metal sobre otro mediante distintas técnicas.

A. METALIZACION

Proyección de metal fundido y finamente pulverizado mediante una pistola.

Permite recubrir objetos de grandes dimensiones.

Capa depositada es rugosa lo que permite un buen anclaje entre metal y

recubrimiento.

B. TECNICAS DE DEPOSICION EN FASE VAPOR

B. Deposición química de vapor (CVD): Se parte de gases cuya reacción a alta

temperatura da lugar a un producto nuevo que se condensa en forma de película

delgada sobre el sustrato (cualquier material).

Deposición física de vapor (PVD): Se parte de un material sólido que se convierte

en vapor mediante calentamiento o bombardeo iónico, el cual se deposita en

forma de película delgada sobre el sustrato (cualquier material).

C. ELECTRODEPOSICION

Proceso electroquímico que permite depositar una capa de determinado metal

sobre una superficie para mejorar la dureza y la resistencia al desgaste.

Se pueden depositar muchos metales con esta técnica:

o Cromado duro → mejora determinadas características en piezas para la

industria del automóvil.

o Niquelado → protección frente a la corrosión ya que proporciona capas

no porosas.

o Dorado, plateado, etc → recubrimiento decorativos que implican

depósitos de mucho menor espesor.


76

TEMA 11: MATERIALES POLIMÉRICOS Y COMPUESTOS

1. INTRODUCCION

El plástico es el primer material sintético creado por el ser humano.

El desarrollo de los polímeros sintéticos comienza en el S. XX.

1) 1907: baquelita

2) I G.M.: caucho sintético

3) 1928: nylon

4) Década de 1930: se desarrollan los polímeros más importantes: PE, PVC, PS,

PMMA…

5) A partir de la II GM crece la industria de los polímeros.

Los plásticos sintéticos se obtienen a partir de compuestos derivados del petróleo, el gas

natural o el carbón.

2. OBTENCIÓN DE LOS PLÁSTICOS

No se pueden obtener los plásticos directamente del petróleo sino que son necesarias una serie

de etapas.

Las primeras etapas se produce en las refinerías donde por destilación y cracking se

obtienen los diferentes productos que se van a utilizar para la obtención de los

polímeros.

Las reacciones químicas se llevan a cabo en reactores industriales o reactores de

polimerización donde tienen lugar las reacciones de polimerización, pudiéndose obtener

los polímeros con distinta textura (granulada, pulverulenta, pastosa, líquida).

1) POLIMERIZACIÓN POR ETAPAS O POLICONDENSACIÓN

Aplicables a monómeros con grupos funcionales tales como: -COOH, -

COOR, -COOOC, -COCl, -OH, -NH2, -CHO,…

Se produce la reacción de dos grupos activos que dan lugar a un

tercero que se repite en la cadena polimérica, liberando en la reacción

una molécula pequeña (por ejemplo, H2O).

Proceso que requiere un largo tiempo → para unir 200-300 unidades se

necesitan varias horas.

Se obtiene un polímero de elevado peso molecular.


77

2) POLIMERIZACION EN CADENA

Aplicable a monómeros con doble enlace o estructura de anillo.

Tiene lugar por apertura de un doble enlace formando un centro activo y

adición sucesiva de moléculas de monómero.

Etapas:

o Iniciación → se forma un centro activo por reacción de un

catalizador con la unidad monomérica.

o Propagación → crecimiento lineal de la molécula por repetición

del monómero.

o Terminación → se interrumpe el proceso de propagación y la

cadena deja de crecer.

Tiempo de proceso muy corto → 0,1 a 10 segundos se obtienen

macromoléculas entre 1000 y 10000 unidades constitutivas.

Polimerización termina al azar → se genera gran variedad de longitudes

de cadena → distribución de pesos moleculares.

Mezclado: Distribuir aditivos por el polímero de la manera más homogénea posible sin

dañarlo en exceso → mezcladores. Tipos:

1. Mezcladores de tambor.

2. Mezcladores


78

3. Mezclador de rodillo o mezclador abierto

4. Mezclador interno o mezclador Bambury

→ amplían el campo de utilización de los plásticos y proporcionan una variación de las

propiedades:

1. Pigmentos → Dar color al polímero.

2. Refuerzos → Mejoran las prestaciones mecánicas: su resistencia y su

dureza → materiales compuestos.

3. Estabilizadores → Contra el deterioro por acción de agentes

ambientales. Antioxidantes y estabilizadores ultravioleta.

4. Antiestáticos → Atraen la humedad del aire y mejoran la conductividad

eléctrica superficial de los polímeros reduciendo la electricidad estática y

evitando descargas.

5. Plastificantes → Confieren flexibilidad, aumento de la ductilidad y la

tenacidad.

6. Retardadores de llama → Para reducir la velocidad de combustión

(ropas, mobiliario, juguetes, etc).

7. Lubricantes → Mejoran la procesabilidad de los polímeros.

Los polímeros mezclados con los aditivos dan lugar a los plásticos de uso comercial.

3. PROCESADO DE LOS PLÁSTICOS

El proceso utilizado depende, en cierta medida, de si el polímero es un termoplástico o un

termoendurecible.

PROCESADO DE LOS TERMOPLASTICOS

A. EXTRUSIÓN

Proceso mediante el cual se fuerza un material a fluir a través de una boquilla para generar

un producto largo y continuo, cuya forma de la sección transversal queda determinada por la

forma de la boquilla.

Equipo → Extrusora.

Materiales a transformar por extrusión → Viscosidad elevada que garantiza que el material a

la salida de la boquilla, mantiene la consistencia deseada.

EXTRUSIÓN DE PELÍCULA SOPLADA

El plástico que emerge de la boquilla se expande por soplado de aire por el centro del

mandril hasta alcanzar el grosor de película deseado (es como inflar un globo).

Las películas sopladas se expanden a medida que se expande el tubo por presión.

B. - MOLDEO POR SOPLADO


79

Soplado de productos huecos obtenidos por extrusión mediante la acción de aire a presión

contra un molde.

Depósitos de combustibles, tablas de surf, bidones, depósitos de aceite, botellas, juguetes,

etc.

Se extruye de forma continua un macarrón o parisón (tubo de plástico hueco) caliente.

Se cierra el molde obturando herméticamente la abertura del macarrón.

Se inyecta aire y se expande el macarrón caliente contra las paredes del molde.

C. - MOLDEO POR INYECCION

Uno de los métodos de procesado más importante.

Proceso:

o Se introduce el plástico granulado en el interior del

cilindro, sobre la superficie de un tornillo sinfín, donde se

calienta.

o Cuando el plástico se reblandece lo suficiente, el

tornillo sinfín lo inyecta a alta presión en el interior del

molde de acero para darle forma.

o El molde y el plástico inyectado se enfrían hasta su

solidificación y se expulsa la pieza, comenzando el ciclo

de nuevo.

D. – CALANDRADO

Consiste en hacer pasar el material a través de unos rodillos

calientes que producen, mediante presión, láminas de plástico

flexibles para fabricar hules, impermeables o planchas de

plástico de poco grosor.

La lámina se enfría en el último rodillo que está frío.

E. TERMOCONFORMADO

Se emplea para dar forma a láminas de plástico mediante

aplicación de calor y presión hasta adaptarlas a un molde.

o Termoconformado al vacío. Se efectúa el vacío

absorbiendo el aire que hay entre la lámina caliente y el molde de manera que ésta

se adapte a la forma del molde.

o Termoconformado mecánico. Se aplica presión contra la lámina de plástico caliente

hasta adaptarla al molde.


80

o Aplicaciones: Fabricación de envases (por ejemplo, vasos de yogur), piscinas,…..

PROCESADO DE FIBRAS

Las fibras sintéticas actuales (nylon, poliéster, rayón, etc.) se obtienen por medio de un

proceso denominado hilado.

Proceso:

o Extrusión del material a través de una hilera que contiene diversos agujeros de

pequeño diámetro.

o Se imparte orientación al material por medio de un proceso de estiramiento →

rigidez y resistencia del material aumentan.

Existen tres métodos básicos de manufactura de fibras:

o Hilado en fundido

o Hilado en seco.

o Hilado húmedo.

PROCESADO DE TERMOENDURECIBLES

A. MOLDEO POR COMPRESIÓN

Se utiliza para el conformado de muchas resinas termoestables.

Proceso:

o Carga de la resina plástica en un molde caliente que contiene una o más

cavidades

o Se fuerza a la parte superior del molde a descender sobre la resina plástica que

funde y fluye llenando la cavidad o cavidades del molde.

o Calor continuo (durante un minuto o dos) para completar el entrecruzamiento

de la resina y la pieza es expulsada del molde.


81

B. MOLDEO POR TRANSFERENCIA

La resina no es introducida directamente en la cavidad del molde.

Cuando se cierra el molde, un percutor fuerza a la resina de la cámara exterior hasta la

cavidad del molde, donde se procede a la reacción de entrecruzamiento. Acabado el

proceso de curado se expulsa la pieza.

C. MOLDEO POR INYECCION

Mediante uso de una tecnología moderna, algunos compuestos termoendurecibles

pueden ser moldeados por inyección

Se añaden cubiertas especiales para el calentado y enfriado a las máquinas estándar de

moldeo por inyección, de forma que la resina pueda curarse en el proceso.

Se necesita una buena ventilación de las cavidades del molde para, caso de que sea

necesario, se permita la evacuación de los subproductos de la reacción de reticulación.

4. PROPIEDADES MECANICAS

Comportamiento mecánico de los poliméricos → función de la temperatura:

o Amorfos → presentan únicamente una temperatura “Tg”.

o Semicristalinos → presentan ambas temperaturas “Tg” y “Tm”.

o Cristalinos → no existen polímeros 100% cristalinos.

Temperatura de transición vítrea “Tg”:


82

o T < Tg → libre rotación alrededor de los enlaces simples C-C no permitida →

cadenas totalmente inmóviles.

o T < Tg → polímero se presentan en estado sólido análogo al del vidrio → duros y

quebradizos → orden de corto alcance.

o T > Tg → polímero se transforma en líquido muy viscoso cuya viscosidad

disminuye progresivamente, fluyendo más fácilmente.

A. COMPORTAMIENTO TENSIÓN-DEFORMACIÓN

Las propiedades mecánicas de los polímeros se especifican con los mismos parámetros

utilizados para los metales → ensayo de tracción.

Presentan tres tipos de comportamiento a tracción, a temperatura ambiente.

Curva A.-

Comportamiento frágil →

Polímeros

termoendurecibles

(temperaturas muy por

debajo de Tg)

Curva B.-

Comportamiento dúctil

→ Polímeros

termoplásticos

(temperaturas cercanas a

Tg)

Curva C.-

Comportamiento elástico

no lineal → Elastómeros

Un incremento de la temperatura produce:

o Disminución del módulo elástico.

o Disminución de la resistencia a la tracción

o Aumento de la ductilidad: el polímero es totalmente frágil a 4ºC mientras que a

50ºC y 60ºC experimenta considerable deformación plástica → material en

estado caucho y se comporta como un elastómero.

Un incremento en la velocidad de deformación impuesta al ensayo → da lugar a que las

propiedades resistentes del material aumenten y su deformabilidad disminuya.

B. COMPORTAMIENTO VISCOELÁSTICO

Los polímeros presentan distintos tipos de comportamientos mecánicos.

A temperaturas elevadas → polímero se comporta como un líquido viscoso → FLUJO

VISCOSO.

A bajas temperaturas → polímero se comporta de forma similar a un cristal sólido →

ELASTICO IDEAL.


83

Materiales poliméricos → comportamiento mezcla de los anteriores →

COMPORTAMIENTO VISCOELASTICO O VISCOELASTICIDAD.

Materiales poliméricos → materiales viscoelásticos por excelencia → comportamiento

observable a temperaturas y niveles de carga menores que en otros materiales.

Para analizar el comportamiento viscoelástico vamos a relacionar el módulo elástico (E)

con la temperatura (T) → curvas en las cuales se pueden distinguir cinco regiones.

Zona 1 → Zona vítrea.

o T < “Tg”.

o El polímero en estado

vítreo → moléculas

congeladas y

enmarañadas → rigidez

elevada y baja

deformabilidad → Ley

de Hooke.

Zona 2 → Zona de transición

vítrea

o T ≈ “Tg” → módulo de

rigidez cae del orden de

103 veces en un

intervalo de 20 a 30ºC.

o Aumenta movilidad de

las cadenas y material

pierde rigidez.

Zona 3 → Meseta elastomérica.

o T > “Tg” → módulo de

elasticidad

prácticamente constante a lo largo de un intervalo de temperatura.

o En este intervalo de temperatura, el material posee propiedades asociadas al

comportamiento del caucho.

o Cuanto mayor sea el peso molecular → mayor intervalo de temperatura donde

el módulo elástico es constante → meseta elastomérica más amplia.

o Polímeros semicristalinos → meseta elastomérica se extiende hasta un punto en

que el material comienza a degradarse.

o Polímeros amorfos → caída del módulo elástico con la temperatura es cada vez

más acusada → el material no mantiene la forma y deja de ser un sólido para

parecerse cada vez más a un líquido.

Zona 4 → Zona de flujo gomoso.

o T > “Tg”

o Si la temperatura no es todavía muy superior a la de transición vítrea, se alcanza

la región de flujo gomoelástico.

o El comportamiento del polímero está marcado por el comportamiento tipo

caucho de la región 3 y el comportamiento viscoso de la región 5 → Silly Putty.

Zona 5 → Zona de flujo líquido.


84

o T >>> “Tg”.

o Se alcanza el estado líquido modelizado mediante la ley de Newton.

5. FRACTURA DE LOS POLÍMEROS

A. FRACTURA DUCTIL

Se caracteriza, por la existencia de un punto de cedencia con estricción, en un ensayo a

tracción.

Se produce tras deformaciones permanentes (deformación plástica).

Curva de tracción:

o Elasticidad lineal a bajas deformaciones.

o Límite de cedencia (punto1) → la tensión decrece hasta un valor mínimo (punto

2).

o Tensión vuelve a crecer → cold drawing o estiramiento en frío, hasta que se

produce la rotura final (punto 3).

COLD DRAWING O ESTIRADO EN FRÍO

o El estirado en frío orienta las cadenas en la dirección del esfuerzo aplicado y

produce un endurecimiento del material.

o Aumento de propiedades resistentes → se debe a que ya no se tienen fuerzas

intermoleculares débiles a vencer para deformar el material, sino enlaces

covalentes C-C de alta energía dentro de las cadenas macromoleculares.

o Mecanismo de endurecimiento especialmente interesante para polímeros

semicristalinos dúctiles cuyas características son aprovechables para la

obtención de fibras por el método del hilado.


85

o Este mecanismo de deformación en un polímero semicristalino, implica tanto a

las cadenas de la parte amorfa como a las cadenas orientadas de la parte

cristalina.

B. FRACTURA FRÁGIL

Se produce para valores de deformación poco significativos → facetas de rotura lisas:

o Termoplásticos amorfos como PMMA y PS.

o Mayoría de las resinas termoendurecibles como las epoxi o las resinas de

poliester.

Comportamiento mecánico de estos polímeros frágiles → básicamente elástico-lineal.

Fractura frágil de polímeros → aparición de crazes (crazing) que precede a la nucleación

de grietas o cracks (cracking) que llevará al material a la rotura de tipo frágil final.

6. FATIGA DE LOS POLIMEROS

Los estudios de fatiga en polímeros siguen las metodologías existentes para

metales→curvas SN.

Algunos polímeros (PS, PMMA, PP, PE, PTFE,…), presentan a partir de los 107 a 108 ciclos

un límite de fatiga o endurancia.

Otros polímeros como el PET, Nylon, etc., → se requiere definir la resistencia a la fatiga.

Mecanismos de rotura por fatiga en polímeros:

o Reblandecimiento térmico → Debido a la baja conductividad térmica de los

polímeros, la velocidad de transmisión de calor al entorno es inferior al calor

generado durante los ciclos de fatiga → temperatura del material aumenta y las

propiedades resistentes del material disminuyen → rotura.

o Propagación de grietas convencional.

Clasificación de los polímeros en función del mecanismo de rotura por fatiga:

o Grupo 1 → Polímeros que rompen por fatiga térmica: PP, PE, Nylon,

fluoroplásticos (PTFE,…).

o Grupo 2 → Polímeros que rompen por la acción de los dos mecanismos

combinados: PMMA, PET, acetal, PC.

o Grupo 3 → Polímeros que rompen por medio del mecanismo convencional de

nucleación y crecimiento de grietas: PVC, polifenilenóxido (PPO), polisulfona

(PSU), resinas de urea, resinas fenólicas, resinas epoxi.

7. CLASIFICACIÓN DE LOS PLASTICOS

TERMOPLASTICOS

A. POLIETILENO (PE)

Plástico de mayor consumo: Económico y de bajo coste

Flexibilidad → a menudo se fabrica en películas delgadas.

Resistencia a la corrosión.

Aislante eléctrico

Inodoro e insípido.

Aplicaciones: Contenedores, aislantes eléctricos, tuberías, utensilios domésticos,

botellas, láminas para empaquetado, cubiertas, conducción de agua,….

B. POLIPROPILENO (PP)

Bajo precio.

Resistente.


86

Buen acabado superficial y brillante

Rígido pero elástico.

Buena resistencia química

Buena resistencia a fatiga.

Buena dureza superficial y estabilidad dimensional.

Aplicaciones: Sacos, bolsas, embalaje (film para precintado de cajas), como relleno en el

tapizado del automóvil, componentes resistentes (reforzados con fibras cortas), cuerdas

sintéticas.

C. POLIVINILCLORURO (PVC)

Problemas de medioambiente → tóxico

Buena resistencia ambiental.

Excelente aislante eléctrico

Propiedades superficiales

Autoextinguible o ignífugo.

Grado no plastificado (duro, tenaz y resistente).

Aplicaciones:

o PVC flexible: recubrimientos de alambre, juguetes, guantes, impermeables…

o PVC no plastificado: empleo en construcción (tubos, marcos de ventana)…

D. POLIESTIRENO (PS)

Rígido a temperatura ambiente.

Perfecto acabado superficial y brillo

Fácil transformación

Mala resistencia al ambiente y ante disolventes orgánicos y aceites que lo disuelven.

Relativamente frágil.

Aplicaciones: Vasos desechables, envases espacialmente de un solo uso…

E. POLIACRILONITRILO (PAN)

Obtención de fibras.

Aplicaciones:

o Jerseys y mantas, embalaje de alimentos.

o Fabricación de otros polímeros como la fibra PAN y el ABS.

o Fabricación de fibras de carbono.

F. POLIMETILMETACRILATO (PMMA)

Alta transparencia y brillo superficial.

Aplicaciones: Acristalamiento de vehículos (aviones, barcos), iluminación exterior y

anuncios luminosos, gafas protectoras, lunas traseras de automóviles, pantallas de

seguridad, aparatos de laboratorio y medicina.

G. POLITETRAFLUORETILENO (PTFE) (teflón)

Excelente aislante eléctrico.

Aplicaciones: Tubos resistentes a ambientes químicos agresivos y piezas de bombas,

aislante de cable para alta temperatura, cinta y revestimiento antiadherente.

H. POLIETILENTEREFTALATO (PET)


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Buena estabilidad y comportamiento frente a esfuerzos permanentes.

Aplicaciones: Componentes moldeados para el automóvil, botellas de agua, encordelado

de neumáticos, cintas de audio, película fotográfica, piezas mecánicas de elevadas

exigencias.

I. POLICARBONATO (PC)

Buena resistencia térmica y eléctrica → Ignífugo

Aplicaciones: Biberones, cubiertas de lámparas, carcasas, cascos, terminales de

ordenador, cajas de semáforos, material médico y sanitario.

J. POLIAMIDAS (NYLON 6,6; NYLON 6,…)

Alta resistencia mecánica, rigidez y tenacidad.

Aplicaciones: Engranajes, rodamientos, conductos de combustible, componentes

eléctricos, pinzas, montajes de antenas, fibras textiles

K. ACRILONITRILO-BUTADIENOESTIRENO (ABS)

Rigidez, tenacidad, dureza superficial y buena estabilidad térmica.

Aplicaciones: Cajas de TV, carcasas de ordenadores y electrodomésticos, juguetes,

interior de transportes.

L. POLIETERETERCETONA (PEEK)

Elevadas propiedades mecánicas, con una elevada resistencia mecánica y rigidez.

Aplicaciones: Composites para automoción y aeroespacial, recubrimiento de cables,

conectores eléctricos,….

TERMOESTABLES

A. FENOLICOS

Se utilizan, a menudo, con cargas de relleno → aumenta su resistencia al impacto.

Buenas propiedades mecánicas → alta dureza y tenacidad.

Buenos aislantes tanto térmicos como eléctricos.

Buena resistencia química.

Aplicaciones: Dispositivos de instalación e interruptores eléctricos, conectores, sistemas

de relés, en forma líquida se utiliza como lacas y barnices.

B. POLIESTERES INSATURADOS

Dobles enlaces C=C en su estructura

Presentan bajas viscosidades

Susceptibles de mezclarse con grandes cantidades de materiales de relleno y reforzantes

(hasta un 80% de fibra de vidrio).

Reforzados con fibra de vidrio → buena resistencia a la corrosión

Aplicaciones: Paneles de automóviles y piezas de carrocería, cascos de barcos pequeños,

aerogeneradores, tuberías, tanques y conductos, prótesis, planchas para tejados, etc.

C. RESINAS EPOXI

Mejor tenacidad y menor absorción de agua que los poliésteres insaturados

Buena adherencia a otros materiales.

Buen comportamiento como aislante eléctrico.

Aplicaciones: Revestimientos protectores, bases de circuitos impresos, componentes

electrónicos, sector eléctrico (encapsulado de transistores, aisladores de alto voltaje,

etc.), laminados reforzados de fibra de carbono (industria aerospacial, deporte, etc.),

ingeniería civil (reparación de estructuras de hormigón, morteros resistentes especiales,

etc.), adhesivos.

D. AMINICOS


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Dos tipos básicos:

o Urea-formaldehído → Alta dureza y tenacidad, con buen brillo y son sensibles al

agua hirviendo.

o Melamina-formaldehído → más caros, mejor resistencia térmica y características

mecánicas (dureza superficial, tenacidad y rigidez), también es sensible al agua

hirviendo.

Aplicaciones: Placas eléctricas de pared, mangos, botones, adhesivos y resinas de unión

(tablas de madera y contrachapado, cascos de barcos, suelos y uniones de muebles).

ELASTOMEROS

Vulcanización: proceso que permite a través de la adición de azufre, obtener un material que

resiste a temperaturas elevadas sin ablandarse y que conserva la misma elasticidad y flexibilidad

al disminuir la temperatura.

A. CAUCHO NATURAL

Unidad monomérica es el isopreno (Cis1,4-poliisopreno).

Cadenas largas flexibles, enmarañadas y enrolladas → flexibilidad.

Se extrae a partir del látex del “Hevea Brasiliensis”.

Ha sido utilizado durante siglos

o A bajas temperaturas es duro y quebradizo.

o A altas temperaturas es blando y pegajoso.

1823 → Charles Goodyear trata con azufre en caliente al caucho en un proceso

denominado vulcanización.

B. CAUCHOS SINTETICOS

Polímeros artificiales que poseen, en mayor o menor grado, las propiedades del caucho

natural

1) ESTIRENO-BUTADIENO (SBR)

Copolímero de estireno y butadieno (20- 30% de estireno)

Butadieno → proporciona flexibilidad

Estireno → proporciona rigidez

Más barato que el caucho natural

Resistencia baja a los disolventes inorgánicos como la gasolina → los absorben y

se hinchan.

Aplicaciones → Neumáticos

2) CAUCHOS DE NITRILO

Copolímeros de butadieno (55-82%) y acrilonitrilo (45-18%): A mayor cantidad

de acrilonitrilo → mayor resistencia a la abrasión y dureza, mayor estabilidad a

alta temperatura pero peores propiedades elásticas.

Resistencia los aceites y disolventes.

Resistencia a la abrasión

Más caros que los cauchos ordinarios.

Aplicaciones: Mangueras de combustible, juntas de culata.

3) Policloropreno (neopreno)

Resistencia al oxígeno, ozono, calor, luz y ambiente, por la presencia de átomos

de Cl.


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Buena resistencia a los combustibles y aceites

Alta resistencia mecánica (pero menos flexible).

Aplicaciones: Recubrimientos de cable e hilo, mangueras y correas industriales,

apoyos de raíles del tren, apoyos de puentes de hormigón.

4) Cauchos de silicona

Enlaces Si-O en unidad repetitiva.

Polidimetil siloxano: curado a T ambiente (a partir de peróxidos) o a T más

elevadas.

Amplio rango de temperatura de utilización: desde -100ºC hasta +250ºC.

Compatibles con el cuerpo humano.

Aplicaciones: Sellado, juntas de culata, aislantes eléctricos, implantes, artículos

de cocina.

8. MATERIALES COMPUESTOS

Se desarrollan para llenar la necesidad de materiales artificiales con propiedades muy

específicas o inusuales.

Definición → Materiales formados por dos o más materiales distintos sin que se

produzca reacción química entre ellos.

En todo material compuesto se distinguen dos fases:

1) Una fase continua o MATRIZ que actúa como ligante y suele ser de un

material dúctil o tenaz

2) Una fase discontinua o REFUERZO que es el elemento resistente y suele ser

de un material resistente y de baja densidad.

Funciones que debe cumplir una matriz:

1) Su función principal es soportar la carga aplicada y transmitirla al refuerzo a

través de la interfase → matriz debe ser deformable.

2) Proteger el refuerzo del daño mecánico y del medio ambiente → requiere

buena compatibilidad entre refuerzo y matriz.

3) Separar las fibras impidiendo la propagación de grietas de unas fibras a otras

4) Determinan la temperatura de servicio del material compuesto.

CLASIFICACIÓN DE LOS MATERIALES COMPUESTOS (Atendiendo al tipo de matriz)

Materiales compuestos de matriz metálica

Matrices de Ti, Al y Mg, pero aleados para optimizar propiedades.

Sus propiedades dependen mucho del tratamiento térmico realizado durante la producción.

Son dúctiles e isótropos pero presentan elevada afinidad con el oxígeno → reacciones químicas en las intercaras.

Desarrollados para componentes aerospaciales y de automoción. Materiales compuestos de matriz cerámica.

Matrices vítreas como borosilicatos y aluminosilicatos → gran facilidad de fabricación.

Matrices convencionales como SiC, Al2O3, Si3N4 o ZrO2 → fabricación por ruta de polvos (pulvimetalurgia).

Mejora de las propiedades de resistencia y tenacidad de las cerámicas.

Son los de más reciente desarrollo → Aplicaciones para altas temperaturas. Materiales compuestos de matriz polimérica

Los más utilizados

Matrices de resinas termoestables: epoxy, poliester o vinilester: Sus propiedades varían en función de la molécula inicial y de los enlaces intermoleculares (longitud y densidad).


90

Matrices de resinas termoplásticas: Sus propiedades dependen de las unidades monoméricas (peso molecular).

Buen conjunto de propiedades mecánicas y químicas.

Moldeables con absoluta libertad de formas.

FIBRAS DE REFUERZO

Material de sección transversal circular (diámetro de 0,0025mm a 0,13mm) → A menor diámetro → menor probabilidad de defectos → mayor resistencia mecánica.

Whiskers o Monocristales muy finos con relación longitud-diámetro elevada o Alto grado de perfección → resistencias muy elevadas. o Difícil incorporación a la matriz y muy caros.

Fibras o Diámetros pequeños. o Materiales poliméricos y cerámicos. o Las más utilizadas.

Alambres o Diámetros relativamente grandes o Aceros, molibdeno y wolframio. o Aplicaciones muy específicas

Funciones y propiedades de las fibras:

Han de ser fuertes, resistentes, rígidas, ligeras y con elevada temperatura de fusión.

Transmitir las cargas a la matriz → Aportan resistencia mecánica, rigidez (elevado módulo elástico) y

dureza a baja densidad.

Propiedades específicas:

o Alto valor de módulo elástico específico.

o Alto valor de resistencia específica.

Cuanto mayor sea el porcentaje de fibras → mayor será la resistencia y rigidez del material

compuesto → como máximo un 80% para asegurar que toda la superficie de la fibra quede cubierta

por la matriz

Cuanto más orientada esté la fibra → estructuras más resistentes.

1) Fibra de vidrio

La más utilizada debido a sus buenas características

o Resistencia mecánica específica superior a la de los aceros.

o Baja densidad e incombustibilidad.

o Estabilidad dimensional.

o Estabilidad dimensional.

o Buena resistencia térmica y a agentes químicos.

o Excelente relación características/precio

2) Fibra de Carbono

Ventajas de estas fibras:

o Propiedades específicas elevadas.

o Bajo peso.

o Alta resistencia química.

o Coeficiente de dilatación muy bajo → gran estabilidad dimensional.


91

o Conductividad térmica elevada.

Limitaciones de estas fibras:

o Alto precio.

o Baja resistencia al choque.

o Corrosiones de tipo galvánico en contacto con metales.

3) Fibras cerámicas

Surgen de la necesidad del sector aerospacial de refuerzos para altas temperaturas →

whiskers.

Alto módulo elástico y gran estabilidad química.

Las más interesantes: boro, carburo de silicio y alúmina.

4) Fibras metálicas

Propiedades mecánicas de alta resistencia y módulo elástico.

Desventaja: densidad y coste

Las más interesantes: acero → reforzar hormigón.

COMPORTAMIENTO MECÁNICO DE LOS MATERIALES COMPUESTOS

Efecto de la longitud de la fibra

o Las propiedades mecánicas del material compuesto dependen de la transmisión del esfuerzo

de la matriz a la fibra que ocurre en la interfase.

o Para un valor de longitud de fibra crítica (LC) dado:

Longitud de fibra < longitud crítica → no se transmite el esfuerzo → efecto de

refuerzo de la fibra es insignificante.

Longitud de fibra > longitud crítica → transferencia de la carga aumenta → efecto de

refuerzo de la fibra importante.

Fibras con L >>> LC → Fibras continuas.

Fibras con L <<< LC → Fibras cortas o discontinuas

Conclusión: Para que el efecto reforzante sea significativo, las fibras deben ser

continuas.

Efecto de la orientación y concentración de las fibras

o La orientación, concentración y distribución de las fibras → influencia notable en las

características mecánicas.

o Orientación → dos situaciones extremas: alineación paralela a los ejes y orientación al azar.

PROCESADO DE LOS MATERIALES COMPUESTOS

A. - MOLDEO POR CONTACTO

Método más sencillo y antiguo → proceso totalmente manual.

Aplicación de sucesivas capas de resina y refuerzo en un molde abierto:

i. Molde con la forma final del producto.

ii. Aplicación de capa de gel → superficie externa del producto.

iii. Adición del refuerzo de fibra y vertido de la resina.

iv. Paso del rodillo para que fibras se impregnen con la resina y se densifique el

producto.

v. Repetición sucesiva hasta obtener espesor adecuado


92

B. MOLDEO POR PROYECCION

Similar al manual.

Herramienta: pistola pulverizadora.

Proyección simultánea de resina y fibras

Antes de que endurezca se pasa un rodillo para que el conjunto quede compacto.

Ventajas:

i. Realizar formas más complejas.

ii. Automatización del proceso.

Se puede realizar de forma manual o por máquina automatizada.

C. MOLDEO POR TRANSFERENCIA DE RESINA (RTM)

Utiliza un molde cerrado → Buen acabado en todas las superficies.

Automatizado.

Proceso:

i. Se coloca fibras en interior del molde y se cierra.

ii. Inyección de la resina.

iii. Apertura del molde y extracción de la pieza.

Mejor orientación de fibras → Mejor propiedades mecánicas.

Piezas con formas complicadas en tiempos relativamente cortos.

D. BOBINADO DE FILAMENTOS

Producir cilindros huecos de alta resistencia.

Las fibras continuas de refuerzo se colocan

según modelo predeterminado, normalmente

en forma de cilindro hueco.

Proceso :

i. Las fibras circulan por un baño de

resina líquida y después se bobinan

de forma continua sobre un mandril.

ii. Tras aplicar el número apropiado de

capas se cura en un horno y se saca el

mandril.

E. PULTRUSION

Fabricación de modo continuo → formas alargadas de sección constante.

Las fibras se impregnan con resina y luego se les hace pasar, por tracción, a través de un

moldematriz de curado.

Estirado en dirección longitudinal → formas con elevadas resistencias.


93

F. PRODUCCION DE PREIMPREGNADOS

Fibras continuas preimpregnadas con resina polimérica parcialmente curada → Material

compuesto utilizado para aplicaciones estructurales.

Proceso:

i. Alineación paralela de una serie de fibras continúas.

ii. Las fibras se colocan entre dos hojas de papel (desechable y soporte) → prensado

por calandrado.

iii. Recubrimiento de la hoja desechable

con resina caliente hasta formar

película de espesor uniforme →

producto final → delgada cinta de

fibras continuas y alineadas en resina

→ bobinado en núcleo de cartón.

Fabricación de elementos estructurales

comienza con la aplicación de la cinta de

preimpregnado sobre las superficies del

molde. El número de capas a aplicar una vez

eliminado el papel soporte → depende del

espesor deseado.

Aplicación de capas:

i. Manual → operario corta cintas de longitudes adecuadas y las coloca en la superficie

de la matriz en la orientación deseada.

ii. Automática → las cintas se cortan con máquinas que las trasladan y colocan en la

matriz.

MATERIALES COMPUESTOS ESTRUCTURALES

A. COMPUESTOS LAMINARES

Las propiedades dependen de la geometría del diseño de los elementos estructurales.

Formados por láminas con una dirección preferente con elevada resistencia → esta

orientación de varía en cada una de las capas.

Las capas se apilan y se pegan entre sí.

B. PANELES SANDWICH

Estructura → láminas externas fuertes (caras) separadas por un núcleo de material menos

denso.

Caras:

i. Resisten la mayor parte de las cargas y cualquier esfuerzo de flexión transversal.

ii. Aleaciones de aluminio, plásticos reforzados con fibras, titanio, acero,…

Núcleo:

i. Separa las caras y resiste la deformación perpendicular al plano de la cara

ii. Aporta cierto grado de resistencia a la cizalladura

iii. Polímeros espumosos, cauchos sintéticos,…..

Núcleos con estructura en panal → paneles sandwich.


94

Tema 12 Materiales cerámicos y vidrios

1. INTRODUCCIÓN

Definición → Materiales inorgánicos no metálicos, constituidos por elementos metálicos y no

metálicos, enlazados principalmente mediante enlaces iónicos y/o covalentes.

Presentan composiciones químicas variables → Compuestos sencillos a mezclas de muchas fases

complejas enlazadas.

Razones para justificar la creciente importancia de estos materiales:

o Razones puramente estratégicas: No es necesario la presencia de metales estratégicos como

el Cu, Cr, Ni, Mo, Nb,…

o Razones puramente económicas: El consumo energético es la mitad del que se necesita para

producir un metal o un componente metálico, además de una disponibilidad prácticamente

ilimitada de materia prima.

o Razones puramente tecnológicas: Conjunto de propiedades y temperaturas de trabajo por

encima de los 1000ºC.

Oxígeno, Silicio y Aluminio → los componentes más representativos de los materiales cerámicos y son

los elementos más abundantes de la corteza terrestre

2. CLASIFICACION DE LAS CERAMICAS

Cerámicas tradicionales → productos de arcilla como materia prima → usos tradicionales.

o Cerámicas porosas: ladrillos, tejas, loza, alfarería.

o Cerámicas compactas: porcelana, gres.

o Cerámicas refractarias: magnesitas, cromitas

Cerámicas técnicas→ materias primas sintéticas → diseñadas para propiedades específicas.

o Cerámicas oxídicas: alúmina (Al2O3) y zirconia (ZrO2)

o Cerámicas no oxídicas: carburo de silicio (SiC) y nitruro de silicio (Si3N4)

o Cerámicas superconductoras (YBa2Cu3O7)

o Cerámicas biocompatibles: hidroxiapatita.

Vidrios: Basados en SiO2 más aditivos para disminuir la temperatura de fusión.

Constituidas por tres componentes básicos:

o Arcilla→ Elemento básico.

o Sílice (SiO2) → Otorga propiedades refractarias.

o Feldespato→ Trabaja como aglutinante

Importancia comercial y tecnológica:

o Construcción: ladrillos, tejas, baldosas.

o Cerámicas refractarias → hornos industriales

o Loza, gres, porcelana → aplicaciones domésticas, sanitarias, decorativas,…

o Productos de vidrio: botellas, vasos, vidrios de ventana,…

o Aislantes eléctricos → porcelanas.

o Esmaltes y fritas para recubrir y proteger las chapas de acero.

Constituidas por compuestos sintéticos: óxido de aluminio (Al2O3), carburo de silicio (SiC), nitruro de

silicio (Si3N4), etc

Materiales con propiedades más allá de las convencionales:

o Duros, rígidos y de altas prestaciones.


95

o Muy frágiles a tracción pero muy resistentes a compresión.

o Resistentes al desgaste.

o Soportan las más elevadas temperaturas.

Aplicaciones muy diversas:

o Productos refractarios.

o Productos abrasivos

o Productos eléctricos y magnéticos.

o Productos nucleares

o Productos biológicos.

o Productos estructurales.

Limitaciones al uso de las cerámicas técnicas:

o Fragilidad inherente → Ligada a una débil resistencia a los choques térmicos → escasa

fiabilidad mecánica.

o Coste elevado → Sobre todo en aplicaciones estructurales → características muy exigentes

desde el punto de vista de propiedades a alta temperatura.

o Diseño condicionado → Dificultades de fabricación → exigencia de precisión dimensional y

microestructuras controladas con tamaños de defectos lo más pequeños posibles.

o Reproducibilidad en la producción → Se están desarrollando nuevos métodos de producción

y es difícil asegurar que todos los productos obtenidos presenten las mismas propiedades.

o Fiabilidad en el servicio → Debido al poco tiempo de vida de estos productos no se asegura

cual será su comportamiento con el paso de los años.

3. - PROPIEDADES DE LOS MATERIALES CERAMICOS

Cerámicos → enlaces iónico-covalentes → estructuras más complejas → propiedades especiales y

características.

Muchas de sus aplicaciones se basan en sus propiedades físicas, mecánicas y térmicas únicas.

o Densidad y temperatura de fusión son propiedades físicas importantes.

o Conducción del calor es una característica térmica.

o Resistencia al choque térmico → combinación de propiedad térmica y mecánica.

PROPIEDADES FISICAS

A) DENSIDAD

Los materiales cerámicos → Presentan bajas densidades:

i. Superiores a la de los materiales poliméricos

ii. Comprendidas entre los valores del Ti (4,5 g/cm3) y Al (2,7 g/cm3)

La circonia parcialmente estabilizada es una de las cerámicas más densas (5,8 g/cm3).

La densidad depende del empaquetamiento atómico → A mayor compacidad mayor será el

valor de la densidad.

i. Las cerámicas iónicas tienen un mayor factor de empaquetamiento que las cerámicas

covalentes → Cerámicas iónicas más densas que las cerámicas covalentes.

B) TEMPERATURA DE FUSION

Materiales cerámicos → altos puntos de fusión → fundamento de su aplicación a elevadas

temperaturas → punto de fusión más elevado que los metales:

i. B2O3 → TF = 460ºC


96

ii. Wolframio → TF = 3370ºC

Cuanto mayor energía de enlace → mayor temperatura de fusión: Las cerámicas covalente

presentan mayor energía de enlace y por lo tanto, mayor temperatura de fusión presentan.

Ventaja de estos materiales → Mantienen propiedades mecánicas a temperatura elevada →

atractivo para aplicaciones a alta temperatura:

i. Ladrillos, morteros refractarios y recubrimientos de hornos.

ii. Aislamientos térmicos y recubrimientos resistentes al calor

PROPIEDADES MECANICAS

Propiedades mecánicas de los materiales cerámicos → importantes para fabricación y aplicaciones.

Gran inconveniente → fragilidad → estudios teóricos → cerámicas más resistentes a la deformación y

a la rotura

Carácter del enlace → condiciones posibilidad de deformación:

o Cerámicas covalentes → frágiles tanto mono como policristalinas

o Cerámicas iónicas monocristalinas → deformación plástica bajo fuerzas de compresión.

o Cerámicas iónicas policristalinas → frágiles.

Propiedades:

o Módulo elástico.

o Dureza.

o Resistencia mecánica.

El módulo elástico de los cerámicos es más elevado que el de los materiales metálicos.

Depende de manera importante de la temperatura → disminuye en forma no lineal al ir aumentando

la temperatura.

Su valor también disminuye con la fracción de volumen de porosidad:

Dureza → Los materiales cerámicos presentan los mayores valores → susceptibles de ser utilizados

como abrasivos para cortar, afilar y pulir otros materiales.

Ensayos de dureza:

o Vickers → Penetrador pirámide de diamante con ángulo de 136º entre sus caras.

o Knoop → penetrador pirámide de diamante cuya base es un rombo muy alargado con ángulo

de 172º.

Resistencia mecánica

Materiales cerámicos → presentan una resistencia intrínseca al movimiento de las dislocaciones →

muy duras, con limitados cambios de forma y aparición de grietas.

Presentan mejor resistencia mecánica a compresión que a tracción:

o Compresión → las grietas tienden a cerrarse

o Tracción → las superficies de las grietas tienden a separarse


97

Materiales cerámicos → presentan resistencia mecánica a compresión relativamente elevada tanto a

temperatura ambiente como a altas temperaturas (1400-1500ºC).

Comportamiento a tracción y a compresión de una alúmina policristalina

Comportamiento tensión-deformación → curvas parecidas a las de los materiales metálicos.

No se utiliza ensayos de tracción:

o Es difícil preparar probetas de tracción con la geometría requerida → difícil mecanización.

o Es difícil ensayar probetas de tracción debido a que no se pueden colocar en las mordazas →

fragilidad inherente.

o Grandes diferencias entre los resultados obtenidos a partir de ensayos realizados a tracción o

a compresión.

o Gran dispersión de resultados debido a la naturaleza de la materia prima (forma pulverulenta)

→ mala reproducibilidad de los ensayos.

Se utiliza el ensayo de flexión: Probeta de sección rectangular o circular, flexión en 3 o 4 puntos de

aplicación de carga

Tensión máxima o tensión a la fractura en este ensayo se denomina módulo de rotura (MOR) o

resistencia a flexión (σ) que es un parámetro mecánico importante ya que describe la resistencia

mecánica del material.

PROPIEDADES TERMICAS

Mayoría de los cerámicos → baja conductividad térmica debido a los fuertes enlaces iónico-covalentes

→ Buenos aislantes térmicos.

La conductividad térmica disminuye al aumentar la temperatura hasta alcanzar un valor mínimo a

partir del cual el valor de la conductividad térmica aumenta al aumentar la temperatura.


98

Excepción → materiales cerámicos refractarios, la conductividad térmica aumenta al aumentar la

temperatura

Forma, tamaño, orientación y reparto de poros tiene influencia sobre la conductividad térmica →

Cuanto mayor sea la cantidad de poros, menor es la conductividad térmica.

Muchas cerámicas aislantes son porosas.

La transferencia de calor a través de los poros es lenta e ineficaz puesto que los poros contienen aire,

el cual tiene una conductividad térmica extremadamente baja.

Las losetas de la lanzadera espacial están formadas por fibras que dejan gran cantidad de huecos →

Excelente aislante térmico.

El interés de las cerámicas se basa en su buena resistencia en caliente lo que permite su utilización en

una gama de temperaturas superior a la de los metales.

Las cerámicas que trabajan a temperaturas elevadas:

o Pueden estar sometidas a tensiones térmicas.

o Pueden permanecer largo tiempo a dicha temperatura, sometidas a una carga constante o no,

con gradiente térmico.

Los materiales cerámicos tienden a conservar su resistencia incluso por encima de los 1000ºC.

Presentan sensibilidad a tensiones térmicas → choque térmico → limitan su utilización.

4. PROCESADO DE LAS CERAMICAS CLASICAS

Se obtienen a partir de minerales que se encuentran en la naturaleza → basados en la arcilla (alúmina

Al2O3 y sílice SiO2).

o Ingrediente barato que se encuentra de forma natural en gran abundancia → A menudo se

utiliza tal y como se extrae

o Gran facilidad de conformado → al mezclar con agua en cantidades adecuadas → masa

plástica a la que se puede dar forma → Hidroplasticidad.

Proceso de fabricación:

o Preparación de la pasta cerámica

o Preparación de la pasta cerámica

o Secado y Cocción en hornos adecuados


99

CONFORMADO DE LAS PIEZAS CERÁMICAS

Objetivo → Dar forma a las piezas.

La pieza obtenida debe tener el grado de humedad adecuado con la resistencia mecánica suficiente

para permanecer intacta durante el transporte, secado y cocción.

Sistemas de conformado

o Procesos manuales

Se aplica a piezas muy especiales y de baja producción.

Torno de amasado.

Productos de alfarería y cerámica artística.

o Procesos mecánicos

Mayor producción con menor coste unitario.

Mejora de la uniformidad del producto.

No es necesario gran cantidad de agua de amasado

Conformación hidroplástica (extrusión y prensado) y moldeo en barbotina.

A) EXTRUSIÓN

Se utiliza para la fabricación de productos de sección constante.

Forzar el paso, mediante la aplicación de una presión, a través de

una matriz.

Similar a la extrusión de metales.

Aplicaciones: ladrillos, tuberías, bloques cerámicos,…

B) PRENSADO

Se utiliza para fabricar piezas con relieves y superficies curvas.

Fabricación de platos y baldosas.

Proceso → Estampación de la pasta cerámica en un molde de bronce o acero con una estampa que la

comprime fuertemente.

C) MOLDEO EN BARBOTINA

Si se dispersan en agua los materiales arcillosos, dan lugar a suspensiones coloidales o barbotinas

Se utiliza un molde poroso (yeso).

Procedimientos

o Colada hueca o slip casting → Sirve para formar piezas delgadas y uniformes

o Colada maciza o sólida (solid casting) → Sirve para formar piezas con paredes gruesas o piezas

totalmente sólidas.

Aplicaciones: cerámica sanitaria, piezas de laboratorio, piezas de decoración,…..

SECADO DE LAS PIEZAS CERÁMICAS

Tras el conformado la pieza cerámica retiene mucha porosidad → su resistencia es insuficiente para

cualquier aplicación.

Objetivos → aumento de la densidad y de la resistencia mecánica.


100

Cuando se seca una arcilla → contracción: Proceso de secado gradual para evitar el agrietamiento →

Si velocidad de evaporación del agua de la superficie es mayor que la velocidad de difusión del agua

desde el interior a la superficie → contracción no uniforme → grietas, distorsiones,….

COCCIÓN DE LAS PIEZAS CERÁMICAS

Un cuerpo cerámico es cocido usualmente a temperaturas entre 900 y 1400ºC → depende de la

composición y de las propiedades deseadas.

Objetivos:

o Obtener una pieza consistente e inalterable.

o Disminuir la porosidad → Aumento de la densidad, dureza y resistencia mecánica.

o Hacer la pieza resistente al agua y a productos químicos.

Altas temperaturas → Vitrificación → formación de vidrio líquido que fluye hacia los poros y los

rellena: Mayor grado de vitrificación → Mayor resistencia, durabilidad y densidad.

5. PROCESADO DE CERÁMICAS ESTRUCTURALES

Principal característica → elevada temperatura de fusión → no elaboración en fase líquida → Procesos de

sinterización.

Etapas del proceso:

Preparación de la materia prima + aditivos + grado de humedad + granulometría.

Conformado → Obtener la forma definitiva de la pieza → Pieza en verde.

Sinterizado → Temperatura elevada favorece difusión y consigue máxima densidad → propiedades

resistentes.

Acondicionamiento final → Procesos de mecanizado, procesos de acabado superficial (metalización,

pavonado, etc.).

SÍNTESIS Y PREPARACION DE POLVOS CERÁMICOS

La síntesis de los polvos cerámicos se realiza mediante diferentes procesos químicos de laboratorio:

Métodos de disolución → Se basan en la variación de solubilidad con la temperatura.

Métodos en fase vapor → Las partículas se condensan a partir de un vapor.

Métodos de descomposición → Descomposición térmica de un precursor químico proporciona los polvos deseados.

Necesidad de mezclar polvos de la misma o diferente composición química, con diferentes tamaños de partículas.

Preparación → obtener forma y tamaño de partícula adecuado, es decir, granulometría correcta.

CONFORMADO DE LOS POLVOS CERÁMICOS

Producir una pieza que se pueda manipular mediante la aplicación de una presión suficiente → dar forma y

consistencia a la masa de polvos → mayor compacidad y la máxima densidad en verde


101

Procesos de conformado sin aplicación de temperatura:

Prensado uniaxial.

Prensado isostático en frío.

Slip Casting.

Moldeo por inyección.

PRENSADO UNIAXIAL

Rápido, fácilmente automatizable y produce compactos de

tolerancias muy ajustadas → Fabricación de grandes series de piezas

con formas simples.

Aplicación de presión unidireccional al polvo cerámico, mediante

uno o dos pistones:

Presión: 60 a 900MPa.

Ciclo de prensado: 400 a 5000 veces por hora.

La pieza conformada toma la forma de la matriz y de las superficies.

Secuencia de compactación: Llenado de la matriz y

posicionamiento de los punzones o pistones. Entrada del punzón

superior y compactación. Cese de la aplicación de la presión y

extracción del compacto en verde.

PRENSADO ISOSTATICO EN FRIO

Aplicación del teorema de Pascal: “Una presión aplicada sobre un líquido se propaga por igual y ejerce sobre

las paredes que los contienen fuerzas proporcionales a las superficies”.

Permite compactar de forma uniforme, en todas las direcciones, utilizando un líquido o un gas.

Tipos básicos:

Prensado con bolsa húmeda → Molde elastómero se remueve y rellena

después de cada ciclo de prensado.

Prensado con bolsa seca → Molde parte esencial de la cámara.

Molde → molde de goma que se introduce en una cámara de presión → molde

y cámara se cierran herméticamente.

SLIP CASTING

Método de compactado antiguo y versátil + económico → no

requiere utillaje costoso → permite obtener piezas de poco

espesor aunque con problemas de precisión.

Etapas:


102

Preparar mezcla de polvo y líquido → Suspensión estable (slip). Vertido de la suspensión en el molde

poroso (yeso) que absorbe el líquido. Consolidado de la película. Extracción de la pieza

MOLDEO POR INYECCIÓN

Objetivo → Fabricación de piezas con secciones transversales

sencillas y formas huecas → similar a la inyección de plásticos.

Características: Relativamente bajo coste. Altamente

automatizado → Producción elevada. Formas complejas.

Mezclado previo de los polvos con aditivos para darle fluidez.

Ciclos cortos → ciclo de inyección 10 segundos → Producción

elevada.

SINTERIZACIÓN

Masa compactada frágil debido al débil enlace que se forma entre las partículas → Sinterización.

Calentamiento de la pieza conformada a una temperatura elevada (TS < 0,8TF) durante un periodo suficiente

→ Las partículas se sueldan y la pieza adquiere resistencia mecánica → Unión por difusión de partículas a

elevada temperatura.

Etapas de la sinterización

1. Tras el conformado las partículas de polvo se tocan unas con otras. 2. Formación de puentes o cuellos de enlace a lo largo de las regiones en contacto. Comienza a formarse

el límite de grano. 3. Crecimiento de los puentes o cuellos y conversión de los intersticios entre partículas en poros. 4. Disminución del tamaño y eliminación de los poros. Se obtiene la máxima densidad y la estructura

final.

CONFORMADO POR PRESION Y TEMPERATURA

Métodos en los que se aplica de forma simultánea presión y temperatura → Menores temperaturas y tiempos

de procesado.

Ventajas:

Menor necesidad de aditivos → ahorro de materias primas y menores efectos de contaminación.

Microestructuras más homogéneas → densificación total.

Procesos:

Prensado uniaxial en caliente (HP).

Prensado isostático en caliente (HIP).


103

PRENSADO UNIAXIAL EN CALIENTE (HP)

Aplicación de una temperatura y de una presión uniaxial de forma simultánea sobre un compacto en verde

contenido en una matriz rígida.

Pieza obtenida dura, resistente, fuerte y bien dimensionada.

Ventajas: Obtención de piezas cerámicas totalmente densas y de grano fino. Temperaturas de procesado

relativamente bajas Pequeños ciclos de tiempo.

Limitaciones: Hornos y equipamientos auxiliares costosos → Vacío o atmósfera inerte.

PRENSADO ISOSTATICO EN CALIENTE (HIP)

Aplicación de temperatura y presión isostática (hidrostática) elevada mediante un gas (Argón) sobre un

material encapsulado en una bolsa cerrada que transmite la presión de forma uniforme.

Etapas del proceso: Encapsulado de polvos en molde y compactación en frío. Aplicación de vacío.

Introducción del encapsulado en la cámara de prensado isostático.

CERAMICAS CLASICAS

Cerámicas clásicas → Cocción de materias arcillosas previamente moldeadas.

Clasificación general:

Tejería → elabora materiales de construcción: ladrillos, tejas, tubos,…

Alfarería → fabrica la cerámica fina: loza, porcelana, gres.

Propiedades:

-Color y aspecto → Elementos visibles y ornamentales.

-Densidad y porosidad → aproximadamente 2gr/cm3.

-Duras, no flexibles y frágiles.

-Resistentes al fuego, agua o sustancias químicas habituales → resistencia a la heladicidad → duraderas frente a la acción del agua o del viento.

-No absorben el calor → buena capacidad para reflejar rayos incidentes.

-Fácil limpieza y mantenimiento

LADRILLOS

Primer elemento artificial constructivo creado por el Hombre.

Productos cerámicos en forma de prisma rectangular que por sus dimensiones permiten ser manejados con

una mano.

Ladrillos macizos (M): Sin perforaciones o con perforaciones paralelas a una arista.

Ladrillos perforados (P): Perforaciones paralelas a una cualquiera de las aristas.


104

Ladrillos huecos (H): Perforaciones en canto o testa de un volumen > al 33% del volumen de la pieza.

Ladrillos prensados: Macizos con anchos y largos especiales → Ladrillo cara vista (V)

TEJAS

Placa de arcilla cocida, de forma y dimensiones variables, destinadas a realizar las cubiertas de las

edificaciones.

Finalidad → cortar el paso del agua → ser impermeables.

Teja curva o árabe: Buena protección frente a la acción del agua de lluvia y del viento. Colocación → hilera

con concavidad hacia arriba (teja canal) e hilera con concavidad hacia abajo (teja cobija).

Teja plana: Llamada también alicantina o marsellesa. Sistema de encaje permite un ensamblaje estanco de

las piezas. Son más pesadas que las curvas.

Teja mixta: Llamada también mediterránea. Asociación de una curva y una plana en una misma pieza o

formato → ventajas de ambos tipos en cuanto a acoplamiento y resultado.

Tejas especiales: Diversos tipos y morfologías. Resolver puntos de discontinuidad o singulares de las

cubiertas.

LOZA

Producto cerámico compacto de fractura blanquecina, poroso y absorbente → Se recubre con esmaltes para

hacerla impermeable y dura.

Materia prima → Arcillas ricas en alúmina y pobres en hierro + caolín, cuarzo, etc,.

Clasificación: Loza calcárea, loza sanitaria, azulejos.

PORCELANA

Producto cerámico fino de color blanco → Compacta, translúcida, vitrificada, sonido metálico → No es rayada

por el acero ni atacada por los ácidos.

Materias primas → Caolín, cuarzo y feldespato → Cocción a altas temperaturas → Gran dureza y gran

compacidad.

Tipos de porcelanas: Duras y blandas o tiernas.

GRES

Obtención → Cocción hasta vitrificación de pastas cerámicas.

Vitrificación → Temperatura relativamente baja → Rellenar los poros de la arcilla base → Gran compacidad,

impermeable a los líquidos y gases.

Aplicaciones: Ladrillos y baldosas vitrificadas. Tubos de gres → Desagües de aguas residuales, fábricas de

productos químicos y alcantarillado (buena resistencia a los ácidos y a las bases).


105

CERAMICAS ESTRUCTURALES

Cerámicas técnicas o estructurales: Propiedades únicas. Materiales para tecnologías de último desarrollo.

Materias primas → Desarrolladas en laboratorio o empresas de alta tecnología. Conformación con

equipos sofisticados → Alta temperatura y presión. Microestructura de grano fino → Microscopía

electrónica. Densidad del orden del 99 o 100% de la teórica. Nivel de defectos del orden de la micra.

Cerámicas más relevantes:

Cerámicas oxídicas: Alúmina (Al2O3), Circonia (ZrO2).

Cerámicas no oxídicas: Carburo de silicio (SiC), Nitruro de silicio (Si3N4).

Sialones.

Propiedades de las cerámicas estructurales:

-Excelentes propiedades mecánicas bajo condiciones de extrema tensión → Resistencia mecánica y rigidez.

Bajos valores de tenacidad → Fragilidad.

-Altas durezas → Elevadas resistencias al desgaste.

-Estabilidad a altas temperaturas → recubrimientos, elementos de motor, etc.

-Baja densidad → Aplicaciones aeronáuticas.

-Excelente resistencia a la corrosión → componentes de válvulas y bombas, sensores…

-Baja conducción térmica y eléctrica → cables, cabezas de grabación, substratos electrónicos.

-Bajo coeficiente de dilatación → electrodos de hornos, termopares, etc.

-Biocompatibilidad → aplicaciones médicas.

-Alta refractariedad → hornos industriales, aislantes térmicos y calentadores.

ALUMINA

Propiedades: Densidad: 3,97 g/cm3. Temperatura de fusión: 2050 ºC. Módulo de Young: 400 MPa.

A 1000ºC preserva 50% del valor de la resistencia. Gran resistencia ambiental. Mala resistencia a los

choques térmicos.

Aplicaciones: aislantes eléctricos, enchufes, interruptores, aislantes de bujías…

ZIRCONIA

Se utiliza la circonia parcialmente estabilizada (PSZ) para evitar problemas de transformación alotrópica.


106

Propiedades: Muy densas: 5,8 a 6,05 g/cm3. Temperatura de fusión: 2880 ºC. Módulo de elasticidad:

200 GPa. Tenacidad a fractura para PSZ: 5 – 18 MPa.m1/2. Buena resistencia a los choques térmicos

Aplicaciones: Joyería, revestimientos y refractarios, crisoles, realización de barreras térmicas…

CARBURO DE SILICIO

Dos formas polimórficas con propiedades mecánicas casi idénticas → Estructura cúbica (T < 2000ºC) la más

utilizada.

Propiedades: Se descomponen a: 2300 – 2500 ºC. Buena resistencia al choque térmico. Baja densidad:

3,21 g/cm3. Módulo elástico: 390 – 460 GPa. Baja resistencia al impacto.

Aplicaciones: Sellos mecánicos, rodamientos y bombas, toberas, válvulas…

NITRURO DE SILICIO

Propiedades similares al SiC aunque su resistencia a la oxidación y a la alta temperatura es algo menor.

Propiedades: Buena resistencia al choque térmico. Baja densidad: 3,19 g/cm3. Módulo elástico: 300 –

330 GPa. Tenacidad de fractura media: 3,4 MPa.m1/2. Difícil de fabricar.

Aplicaciones: Herramientas de corte, rotores, cojinetes de bolas…

SIALONES

Propiedades: Excelente resistencia al desgaste por encima de los 800ºC. Excelente resistencia al choque

térmico. Densidad: 3,30g/cm3. Módulo de elasticidad: 290 GPa. Tenacidad a fractura: 6,2 MPa.m1/2.

Aplicaciones: Herramientas de corte, tubos de protección de termopares…

Coste muy elevado.

8. LOS VIDRIOS Vidrios → Producto inorgánico fundido que se ha enfriado hasta un estado rígido sin experimentar

cristalización.

Sustancias no cristalinas → ausencia de orden a larga distancia.

Principal particularidad → Carecen de punto o temperatura de fusión → Pasan de líquido a sólido

mediante aumento lento de la viscosidad del líquido al descender la temperatura.

Propiedades especiales:

o Transparencia.

o Dureza.

o Resistencia a la corrosión

Aplicaciones: construcción, automoción, industria química, laboratorios, equipos ópticos.

ELABORACIÓN DEL VIDRIO

Proceso largo y complejo → Comienza con la entrada en el horno de la mezcla y acaba con la salida

del producto final.


107

Proceso se puede considerar dividido en varias etapas:

o Fusión de las materias primas → hornos continuos.

o Conformación en caliente del vidrio:

Procesos de estirado y laminado → proceso de flotado.

Prensado → piezas de espesores gruesos

Moldeado → proceso de soplado.

o Tratamientos posteriores: Enfriamiento controlado o recocido para eliminar tensiones.

FUSION DE LAS MATERIA PRIMAS

Se produce aproximadamente entre los 700 y 1100ºC → Hornos continuos.

Conjunto de transformaciones físicas y reacciones químicas de las materias primas que se convierten en

una masa vítrea.

Durante este proceso → transformaciones lentas de la materia prima hasta que se alcanza la temperatura

de formación de la fase líquida.

CONFORMACIÓN EN CALIENTE DEL VIDRIO

A altas temperaturas el vidrio presenta un comportamiento plástico-viscoso → permite su moldeo en un

intervalo térmico más o menos amplio por diversos procedimientos → colado, soplado, estirado,

laminado, prensado, etc.

En cada caso → acondicionado térmico del vidrio en la zona de trabajo para estabilizar su viscosidad.

Viscosidad → condiciona la utilización de los distintos procedimientos de moldeo y la cadencia y

rendimiento de fabricación de los sistemas automáticos.

A) CONFORMACIÓN POR SOPLADO

Reservado a piezas de artesanía o fabricación de series cortas.

Herramienta → caña de soplado.

Proceso:

o Levantado del vidrio → se introduce la caña en el interior del vidrio fundido y se toma una pequeña

porción (posta).

o Se da la forma mediante soplado de pequeñas cantidades de aire para obtener la forma preliminar

de la pieza.

o Por efecto de la gravedad, de calentamientos sucesivos y de soplados sucesivos se llega a la forma

final de la pieza.

B) CONFORMACIÓN POR PRENSADO

Proceso ampliamente utilizado para la fabricación de platos, vasos, difusores para faros de automóvil,

objetos de decoración, etc.

Proceso: Un alimentador de vidrio deposita la cantidad correcta de vidrio fundido en la cavidad del molde

→ Un pistón o émbolo comprime el material para darle la forma → Cuando el pistón o émbolo se retrae,

se libera el producto terminado.

C) CONFORMACIÓN POR ESTIRADO

El estirado se utiliza para obtener piezas largas y de espesores constantes (láminas y tubos) → vidrio

plano.


108

Proceso de flotado → el vidrio fundido se desplaza flotando sobre una superficie de un baño de estaño

fundido de 30cm de profundidad → flotando sobre él se extiende y avanza horizontalmente.

Se obtienen láminas de vidrio pulidas por ambas caras, con espesores de 2 a 20mm y con anchuras

superiores a 4 metros.

PROPIEDADES DE LOS VIDRIOS

Dependen de forma importante de la temperatura → viscosidad.

Propiedades físicas:

o Alta densidad: 2 a 4 g/cm3.

o Impermeables.

o Transparentes.

o Baja reacción al fuego.

o Resistencia al choque térmico.

Propiedades químicas: Estables e inertes salvo frente a ácidos fuertes y álcalis.


o Duros y frágiles → fractura frágil por propagación de defectos (quebradizos).

o Baja resistencia mecánica y muy poca resistencia al impacto.

VISCOSIDAD

Definición → Rozamiento interno o resistencia al deslizamiento entre las moléculas de un fluido (1

Pa.s = 1 kg.m-1.s-1 = 10 Poises)

Determina el comportamiento de los vidrios dentro de un amplio margen de temperatura.

Importante desde el punto de vista industrial → condiciona aspectos de la elaboración del vidrio

(fusión, conformación, etc.)

Factores que influyen en su valor:

o Temperatura → A mayor temperatura disminuye la viscosidad

o Tiempo → A temperatura constante, la viscosidad disminuye con el tiempo.

o Composición → pequeños cambios dan lugar a variaciones apreciables de la viscosidad.


109

Punto inferior de recocido (strain point) o punto de deformación → η = 3.1013 Pa.s → Temperatura

por debajo de la cual la fractura ocurre

sin deformación plástica previa.

Punto superior de recocido

(annealing point) o punto de

recocido → Tª a la cual η = 1012 Pa.s →

difusión elimina posibles tensiones

residuales en 15 minutos.

Punto de ablandamiento

(softening point) → Tª a la cual η = 4.106

Pa.s → se puede manipular un vidrio

sin causar alteraciones

dimensionales significativas.

Punto de trabajo (working point) → Tª a

la cual η = 103 Pa.s → el vidrio es

fácilmente deformable

Punto de fusión (melting point) → Tª a la

cual η = 10 Pa.s → el vidrio es

considerado líquido.

RESISTENCIA MECÁNICA

Resistencia mecánica teórica de los vidrios, en la práctica, no supera los 5 kg/mm2

Causas de la disminución de la resistencia mecánica: o Presencia de tensiones ya sea permanentes o temporales → deficiente recocido, montajes,

cierres, etc. o Irregularidades dimensionales → variaciones bruscas de espesor o Heterogeneidades en la masa del vidrio → burbujas, inclusiones,…. o Estado superficial (marcas, fisuras,…) → concentraciones de tensiones → tendencia a

propagarse en forma de fractura catastrófica.

Comportamiento mecánico del vidrio → importante limitación para algunas aplicaciones → necesidad de procedimientos para aumentar el valor de resistencia.

Objetivo → introducir de forma intencionada, tensiones residuales superficiales de compresión → temple térmico y temple químico.

Temple térmico: o Calentamiento a temperatura ligeramente inferior a 700ºC y enfriamiento brusco por medio

de aire soplado. o Superficies exteriores se contraen, solicitándolas a compresión.

Temple químico: o Generación de tensiones de compresión producidas por modificación superficial de la

composición química del vidrio.

Poca profundidad afectada por lo que se recomienda su utilización en piezas delgadas.

9. MATERIALES VITROCERAMICOS

Muchos vidrios orgánicos → transformación de estado no cristalino a estado cristalino por tratamiento a

temperatura elevada → desvitrificación

Hace no transparente al vidrio.


110

Se originan tensiones como resultado de cambios de volumen que acompañan a la transformación →

producto débil.

Algunos vidrios → control de la desvitrificación → produce un material cristalino de grano muy fino (0,1 – 1,0

mm) libre de tensiones residuales → vitrocerámica.

Características más deseables de estos productos:

Bajo coeficiente de dilatación térmica → se elimina el choque térmico.

Resistencia mecánica y conductividad térmica relativamente elevadas.

Facilidad de fabricación → piezas prácticamente libres de poros.

PROPIEDADES DE LAS VITROCERAMICAS

Dependen de la composición química del vidrio de base y de las fases cristalinas.

1. Densidad (Variable según la composición química del vidrio de base.)

2. Estabilidad química

Elevada durabilidad química.

Resistencia al ataque químico condicionada por cantidad y composición de la fase vítrea residual.

Algunas vitrocerámicas → particularmente resistentes al ataque químico de gases corrosivos hasta una

temperatura de 800ºC.

3. Propiedades eléctricas. Basadas en el hecho de que son aislantes eléctricos caracterizados por valores

excepcionalmente bajos de factor de pérdida dieléctrica.

4. Propiedades térmicas

Bajos valores de coeficiente de dilatación térmica → se dilata 90 veces menos que el vidrio y 190 veces

menos que el acero inoxidable.

Excelente resistencia al choque térmico → capaces de soportar diferencias de temperaturas de hasta 650ºC

entre dos zonas.

Buenas conductividades térmicas.

5. Propiedades mecánicas

Gran resistencia mecánica.

A baja temperatura → vitrocerámicas se comportan como sólidos perfectamente elásticos hasta rotura.

Valores de resistencia mecánica superiores a la de los vidrios y a la mayor parte de las cerámicas

tradicionales debido a:

La completa ausencia de porosidad.

Efecto de los contornos de los granos cristalinos que se oponen a la propagación de la fisura.

Las pequeñas dimensiones de los cristales.


111

APLICACIONES

Utensilios de cocina, gracias a sus pequeños coeficientes de expansión térmica.

Tubos o intercambiadores de calor para la industria química y el refino del petróleo, gracias a su estabilidad

química.

Espejos de grandes dimensiones para telescopios.

En general, para productos que requieran buena estabilidad dimensional ante cambios de temperatura.


112

PREGUNTAS EXAMEN

√

1.- Cuál de estas propiedades tiene relación con la energía de enlace

a) Temperatura de fusión y conductividad térmica.

b) Temperatura de fusión y coeficiente de dilatación. √

c) Módulo elástico y conductividad térmica.

d) Conductividad térmica y eléctrica.

2.- Señale, entre las siguientes características, la que no corresponde a materiales cuyos enlaces son iónicos.

a) Los enlaces son direccionales √

b) Los enlaces son primarios

c) Son poco deformables

d) Tienen una baja conductividad en estado sólido.

3.- El número de coordinación presentado por metales que tienen un factor de empaquetamiento de 0.74 es:

a) 6 b) 8 c) 10 d) 12 √

4.- En relación a las estructuras cristalinas metálicas:

a) Los materiales más deformables son aquellos que presentan menos planos de deslizamiento.

b) Los materiales con estructura cristalina HCP suelen ser muy deformables

c) Los materiales con estructura FCC son más deformables que los de estructura BCC. √

d) Los materiales con estructura BCC son más deformables que los de estructura FCC.

5.- En relación a los defectos cristalinos, señale la opción correcta:

a) No existen en los materiales cerámicos.

b) Cuanto mayor sea el número ASTM mayor es el tamaño de grano.

c) El movimiento de las dislocaciones permite la deformación plástica. √

d) Las vacantes aumentan la densidad del material.

6.- En relación a la difusión, señale la opción correcta:

a) En el estado estacionario las condiciones de difusión varían con el tiempo


113

b) La constante de difusión (D0) depende de la temperatura.

c) El coeficiente de difusión (D) se expresa en metros por segundo

d) El coeficiente de difusión (D) depende de la temperatura. √

7.- La fase proeutectoide en un acero hipereutectoide es la siguiente:

a) Ferrita b) Cementita √ c) Perlita d) Austenita

8.- Respecto a las propiedades mecánicas cuál de las siguientes afirmaciones es la correcta.

a) A mayor módulo elástico mayor es la resistencia mecánica.

b) A mayor módulo elástico menor es la resistencia mecánica.

c) A mayor módulo elástico mayor es la rigidez. √

d) A mayor módulo elástico menor es la rigidez.

9.- Los ensayos de dureza Brinell, Vickers y Rockwell se basan en una de las siguientes medidas:

a) Absorción de energía.

b) Resistencia a la abrasión

c) Resistencia a la penetración. √

d) Resistencia a la deformación elástica.

10.- Señale la afirmación correcta respecto a la conductividad eléctrica:

a) La resistividad eléctrica de un conductor metálico disminuye al aumentar la temperatura.

b) Los metales que se emplean con fines eléctricos son el cobre y el aluminio. √

c) Los materiales polímeros son conductores.

d) Al alear el Cobre con Zinc se aumenta su conductividad eléctrica.

11.- Cuál de las siguientes afirmaciones sobre la corrosión es la incorrecta.

a) Todos los tipos de capas de óxidos protegen a los metales de la oxidación. √

b) Los metales que presentan un potencial bajo tienden a corroerse.


114

c) La corrosión galvánica ocurre cuando dos metales con potenciales muy dispares se ponen en contacto.

d) La metalización es un proceso industrial utilizado para prevenir la corrosión.

12.- Los elastómeros se caracterizan por:

a) Presentar únicamente altas deformaciones elásticas. √

b) No tener enlaces covalentes.

c) Mostrar altas deformaciones plásticas.

d) Ser muy frágiles.

13.- Referente a los materiales poliméricos termoplásticos, señale la opción correcta:

a) Son generalmente conductores eléctricos.

b) Pueden ser lineales o ramificados. √

c) En general, los termoplásticos amorfos son más rígidos y menos trasparentes.

d) Una vez conformados, no es posible su reciclaje.

14.-Respecto a los materiales compuestos, señale la opción correcta:

a) son más densos debido a que están constituidos por una matriz y refuerzo.

b) no existen en la naturaleza, son sintéticos.

c) presentan propiedades mecánicas específicas altas. √

d) se fabrican siempre con una matriz polimérica.

15.- Una de las siguientes características no atañe a los materiales cerámicos:

a) Presentan mejor resistencia mecánica a compresión que a tracción.

b) Mantienen sus propiedades mecánicas a temperatura elevada.

c) Son frágiles.

d) Presentan alta conductividad térmica. √

16.- Señale la opción incorrecta:

a) Los metales presentan generalmente estructuras ordenadas con buena conductividad eléctrica y térmica.

b) Los materiales cerámicos, en general, presentan elevada dureza y fragilidad

c) Los materiales poliméricos presentan alta resistencia mecánica y son conductores. √


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d) Los materiales compuestos de matriz polimérica presentan alta resistencia especifica.

17.- Cuál de estas propiedades tiene relación con la energía de enlace

a) Temperatura de fusión y dureza.

b) Temperatura de fusión y rigidez. c) Módulo elástico y conductividad térmica. √

d) Conductividad térmica y eléctrica.

18.- Cuál de estas propiedades tiene relación con la configuración electrónica.

a) La rigidez y conductividad térmica.

b) La conductividad eléctrica y coeficiente de expansión.

c) Reactividad química y conductividad eléctrica. √

d) Reactividad química y temperatura de fusión.

19.- En relación a los Rayos X, señale la opción correcta:

a) Todos los metales difractan. √

b) Ningún polímero difracta.

c) Los vidrios metálicos difractan.

d) Todos los cerámicos difractan.

20.- Cuál de estas propiedades tiene relación con la configuración electrónica.

a) La rigidez y conductividad térmica.

b) La conductividad eléctrica y coeficiente de expansión.

c) Reactividad química y conductividad eléctrica. √

d) Reactividad química y temperatura de fusión.

21.- En relación a los defectos cristalinos puntuales, señale la opción correcta:

a) No existen en los materiales cerámicos.

b) Las vacantes aumentan la densidad del material.

c) El número de vacantes aumenta con la temperatura. √

d) Aumentan la conductividad eléctrica.


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22.- En relación a la difusión, señale la opción correcta:

a) En el estado estacionario las condiciones de difusión varían con el tiempo

b) La 2. Ley de Fick describe una difusión en estado estacionario.

c) El coeficiente de difusión (D) es independe de la temperatura.

d) El coeficiente de difusión (D) es característica de cada elemento. √

23.- La fase proeutectoide en un acero hipoeutectoide es la siguiente:

a) Ferrita √ b) Cementita c) Perlita d) Austenita

24.- Referente a los materiales poliméricos, señale la opción correcta:

a) Son generalmente conductores eléctricos.

b) Los polímeros no pueden ser 100% cristalinos. √

c) Los polímeros amorfos presentan punto de fusión.

d) Todos los polímeros son reciclables.

1.- ¿Qué diferencias hay entre un polímero termoplástico y un polímero termoestable en cuanto a estructura,

propiedades y procesado?

2.- ¿Se puede mejorar la resistencia mecánica de los metales y sus aleaciones? ¿Cómo?

3.- ¿Porque los metales que cristalizan en FCC (como el Cu o Al) tienden a ser más dúctiles que los metales que

cristalizan en BCC o HCP?

4.- (a) Diferencia entre un acero hipoeutectoide, eutectoide e hipereutectoide. (b) Indica en base al diagrama

de fases Fe-C sus microconstituyentes (c) ¿Cuál de ellos será el más duro? ¿Y el más dúctil?

5.- Se pretende aumentar la dureza de una varilla de acero sin modificar su composición química. ¿Qué

proceso aconsejarías seguir? Y, ¿variando su composición química?

6.- Clasifica las imperfecciones cristalinas y menciona brevemente la importancia de cada una. 7.- Hay dos

tipos de enlace importantes en polímeros. ¿Cuáles son? Describe las características de estos tipos de enlace y

su influencia en las propiedades de los polímeros.

8.- El director de una empresa fabricante de transformadores de epoxi quiere crear una nueva empresa

asociada en base a reciclar los transformadores y volverlos a fundir para moldearlos y obtener piezas nuevas.

La ingeniera de I+D dice que esto no es posible. ¿Por qué?

9.- ¿Por qué aumenta la resistencia del cobre cuando se deforma en frío? ¿cómo se denomina este fenómeno?

¿qué otras alternativas propondrías para aumentar la resistencia mecánica del cobre puro? 10.- Teniendo en

cuenta la siguiente gráfica, explica brevemente la relación existente entre la temperatura de fusión y el

módulo elástico de los materiales.


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También suele entrar:

- Micrografías de aceros para determinar los microconstituyentes.

- Fotografías de superficies de rotura.

- Selección de materiales.

- Corrosión.

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