Metalurgia Básica Integrada

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UNIVERSIDAD DE SAN CARLOS DE GUATEMALA FACULTAD DE INGENIERÍA ESCUELA DE INGENIERÍA MECÁNICA PROYECTO DE INVESTIGACIONES METALÚRGICAS “INTRODUCCIÓN A LA METALURGIA” CURSO BÁSICO PARA INGENIEROS Roberto Alejandro Aguilar Rivas Guatemala, septiembre de 2012 Roberto Alejandro Aguilar Rivas Ingeniero Mecánico, Universidad de San Carlos de Guatemala. Doctor en Metalurgia, Atlantic International University, Honolulu, Hawaii, USA. Estudios superiores en los niveles académicos de Maestría, Doctorado y Post-Doctorado en Metalurgia de la Transformación, en la Comisión Nacional de Energía Atómica de Argentina (CNEA). Ex Gerente de Operaciones, Tecnólogo y Director de Calidad de Aceros de Guatemala. Ex Catedrático de Metalurgia e Investigador Asociado de la USAC, dentro del Proyecto Multinacional de Metalurgia OEA-CNEA, Argentina. Director de INDESA ─ Ingeniería Investigación y Desarrollo ─. Profesor- Investigador, Escuela de Ingeniería Mecánica USAC. 2 INDICE INTRODUCCIÓN ....................................................................................................................6 CUADERNO I .........................................................................................................................8 CAPÍTULO I ............................................................................................................................9 ASPECTOS GENERALES DE LA METALURGIA EXTRACTIVA ..........................................9 El origen de los metales ..................................................................................................9 Recuperación de los Metales ..........................................................................................9 Preparación Física de los Minerales ...............................................................................9 Tratamientos Químicos ..................................................................................................10 1.-Tratamiento de los óxidos .........................................................................................10 2.- Tratamiento de los sulfuros ......................................................................................11 3.-Tratamiento de los Carbonatos y de los sulfatos .......................................................12 EL HIERRO ..........................................................................................................................12 Estructura cristalina .......................................................................................................12 Minerales de Hierro .......................................................................................................13 El Alto Horno .................................................................................................................14 ALEACIONES HIERRO-CARBONO .....................................................................................18 Fundiciones o Hierro Fundido ........................................................................................19 El Acero .........................................................................................................................22 Los aceros al carbono ...................................................................................................22 Los aceros aleados........................................................................................................23 CAPÍTULO II .........................................................................................................................26 INTRODUCCIÓN A LA METALURGIA FÍSICA ....................................................................26 1. Tipos de Unión Atómica. ............................................................................................26 2. Relación entre las Propiedades Microscópicas y los Tipos de Unión atómica. ........29 3. Estructura Cristalina: ................................................................................................30 4. Planos cristalinos. Índices de Miller: .........................................................................32 5. Defectos de las Redes Cristalinas: ...........................................................................34 6. Aleaciones: ...............................................................................................................35 7. Fases intermedias: ...................................................................................................36 8. Metalografía: .............................................................................................................37 CUADERNO II ......................................................................................................................55 CAPÍTULO III ........................................................................................................................56 COMPORTAMIENTO MECÁNICO Y RECRISTALIZACIÓN ................................................56 1. El Ensayo de Dureza .................................................................................................56 2. El Ensayo de Impacto ................................................................................................58 3. El Ensayo de Tracción: ..............................................................................................61 Comportamiento Elástico ...............................................................................................65 3 Comportamiento Plástico ...............................................................................................69 Recristalización..............................................................................................................74 CAPÍTULO IV .......................................................................................................................94 DIAGRAMAS DE EQUILIBRIO .............................................................................................94 Regla de las Fases de Gibbs .........................................................................................96 Aplicación a sistemas Binarios ......................................................................................99 Soluciones Sólidas Binarias o Sistemas Isomorfos .....................................................100 Regla de la Palanca.....................................................................................................105 El Concepto de Reacción en los Diagramas de Equilibrio ...........................................116 EL SISTEMA HIERRO-CARBONO ....................................................................................132 METALOGRAFÍA DEL ACERO ...................................................................................133 CUADERNO III ...................................................................................................................140 CAPÍTULO V ......................................................................................................................141 LA SOLIDIFICACIÓN DE LOS METALES .........................................................................141 1. Principios Básicos de Solidificación .......................................................................141 2. El Fenómeno de la Nucleación ..............................................................................141 3. El Progreso de la Solidificación. ............................................................................147 4. Solidificación de Soluciones Sólidas......................................................................151 5. La Segregación del Soluto durante la Solidificación. .............................................152 LAS ESTRUCTURAS DE SOLIDIFICACIÓN DE LAS PIEZAS FUNDIDAS .......................155 1. Generalidades. ......................................................................................................155 2. Macroestructura de los Lingotes. ...........................................................................155 CAPÍTULO VI .....................................................................................................................164 TRATAMIENTOS TÉRMICOS DE LOS ACEROS ..............................................................164 1. Las propiedades fisicoquímicas del metal: ..............................................................165 2. La forma y magnitud de la pieza tratada: ................................................................165 3. El concepto de homogeneización ...........................................................................166 4. La forma y velocidad de enfriamiento .....................................................................166 Precipitación: ...............................................................................................................166 Disolución: ...................................................................................................................167 Reacción:.....................................................................................................................167 LAS CURVAS DE TRANSFORMACIÓN ISOTÉRMICA DEL ACERO O “CURVAS TTT” (TEMPERATURA, TIEMPO, TRANSFORMACIÓN) ...........................................................167 EL NORMALIZADO .....................................................................................................170 EL RECOCIDO ............................................................................................................171 El Recocido Total.........................................................................................................172 El Recocido de Proceso ..............................................................................................173 4 El Recocido de Esferoidización ...................................................................................173 EL TEMPLE O ENDURECIDO DEL ACERO ..............................................................174 REVENIDO ..................................................................................................................179 Efecto del Revenido sobre las Propiedades mecánicas. .............................................180 Doble Revenido ...........................................................................................................180 Bibliografía ...................................................................................................................191 5 INTRODUCCIÓN En Guatemala, las universidades que proyectan la educación tecnológica superior, en el ámbito nacional, carecen de una especialización relacionada con el vasto campo de la Metalurgia, en los distintos ramos de la Ingeniería. En este contexto, la necesidad de contar con uno o varios cursos que sirvan para coadyuvar a resolver el problema, y, la realización de proyectos específicos de investigación, se hace imperativa, especialmente dentro de las proyecciones de la Ingeniería Mecánica. En tal sentido, se ha propuesto la realización de un programa orientado al reforzamiento de los conceptos básicos de la Ingeniería Metalúrgica, consistente en dos acciones conjuntas de desarrollo académico, a saber: 1) La elaboración de un texto que sirva como programa orientador de los cursos de Metalurgia y Metalografía de la Escuela de Ingeniería Mecánica, y, 2) El desarrollo de un proyecto de investigaciones metalúrgicas en la misma escuela. En general, este programa podría servir a las universidades que imparten únicamente los cursos de Procesos de Manufactura, de Ciencias de los Materiales y de Metalurgia y Metalografía. De esta manera, con relación a la primera acción, el autor, con fundamento en: a) el curso de Introducción a la Metalurgia, del Programa Multinacional de Metalurgia de la Organización de Estados Americanos –OEA– y La Comisión Nacional de Energía Atómica de Argentina –CNEA–,1969/1980; b) el curso de Metalurgia Básica Para Ensayos No Destructivos, impartido por el suscrito, dentro del Proyecto Regional de Ensayos No Destructivos para América Latina y el Caribe, RLA–82–T01, ONU-CNEA, 1982/1992, basado en el anterior, para lo cual contó con la autorización de la CNEA; c) actualizaciones del suscrito por estudios e investigaciones propias, realizadas durante varios años dentro de la industria metalúrgica nacional y en la cátedra de Metalurgia y Metalografía en la Universidad de San Carlos de Guatemala; y, d) la bibliografía relevante en general y la utilizada como material didáctico dentro de los referidos proyectos, sirva ha reunido, a la manera de texto paralelo, con el objeto de que como una fuente de consulta primaria, los aspectos generales que ha considerado más importantes de la referida ciencia, haciendo énfasis en los conceptos de la Metalurgia de la Transformación, dentro de cuyo campo se ha desenvuelto, y, 6 muy superficialmente, de manera introductoria, de algunos aspectos básicos de la Metalurgia Extractiva. A los efectos de atraer la atención de los practicantes de la ingeniería, hacia el tema, se ha hecho énfasis más en aquellos conceptos que se relacionan de una manera directa con la práctica y no se ha ahondado mucho en los aspectos básicos de la Metalurgia Física. Con base en lo anterior, se presenta el contenido del trabajo, a la manera de cuadernos de estudio, de la siguiente forma: CUADERNO I: Capítulo I: Aspectos Generales de la Metalurgia Extractiva. El Hierro y las Aleaciones Hierro-Carbono. Capítulo II: Introducción a la Metalurgia Física. CUADERNO II: Capítulo III: Comportamiento Mecánico y Recristalización. Capítulo IV: Diagramas de Equilibrio. El Diagrama Hierro-Carbono. CUADERNO III: Capítulo V: Principios Básicos de Solidificación de Metales y Aleaciones. Capítulo VI: Tratamientos Térmicos de los Aceros. 7 “INTRODUCCIÓN A LA METALURGIA” CURSO BÁSICO PARA INGENIEROS CUADERNO I Aspectos Generales de la Metalurgia Extractiva El Hierro y las Aleaciones Hierro-Carbono Introducción a la Metalurgia Física 8 CAPÍTULO I ASPECTOS GENERALES DE LA METALURGIA EXTRACTIVA El origen de los metales ¿Qué es un Metal?: Los metales se describen generalmente como cuerpos sólidos, no transparentes, de lustre característico, reflectores de la luz, buenos conductores del calor y la electricidad. En general, existen otros materiales y cuerpos no metálicos que tienen algunas de estas propiedades, y, una definición más rigurosa debería incluir una propiedad menos evidente pero más característica, a saber: que su coeficiente de conductividad eléctrica disminuye al aumentar la temperatura. Esta definición es una consecuencia del tipo de unión atómica de los metales, como veremos más adelante. Recuperación de los Metales En la naturaleza, la mayor cantidad de los metales, salvo algunas excepciones, como el oro, no existen en forma pura, sino como componentes de algunos minerales. A la vez, los minerales poco reactivos que pueden ser tratados directamente para la obtención del metal en bruto, generalmente se encuentran en forma de óxidos y/o combinados entre sí. La recuperación de estos se lleva a cabo mediante ciertos procesos, que, en su mayoría, consisten de ciertos tratamientos físicos y químicos de concentración que facilitan su obtención en forma metálica. Preparación Física de los Minerales La preparación física que se realiza en los minerales, desde su obtención en las minas, en forma bruta, para poder ser transportados hasta los lugares de procesamiento, se concentra, fundamentalmente, en realizar ciertos procedimientos mecánicos que consisten, entre otros, en separación, trituración y/o molienda, así como su clasificación granulométrica, según sea el caso. La finalidad de este tratamiento es el enriquecimiento del mineral por eliminación de la ganga, que no es más que la cantidad de materiales no deseados como tierras y otros minerales. En el caso de minerales complejos, se trata, al mismo tiempo, de separar los minerales 9 correspondientes a los distintos elementos. Este procedimiento se basa únicamente en las diferencias de las propiedades físicas de las fases presentes, sin empleo de ningún reactivo o agente químico que pudiera modificar la naturaleza de las fases. Las propiedades físicas a tomarse en cuenta en este proceso son principalmente: la masa volumétrica, las propiedades capilares, magnéticas y eléctricas. Tratamientos Químicos En su mayoría, los minerales pueden encontrarse en la naturaleza en forma de óxidos, de sulfuros, de carbonatos y de sulfatos, por lo que se hace necesaria la aplicación de procedimientos químicos para su recuperación, dependiendo de su naturaleza. Bénard e.a., 19731, hacen un análisis específico sobre los tratamientos químicos de los diversos minerales existentes en la corteza terrestre. Algunos de estos tratamientos pueden ser: 1.-Tratamiento de los óxidos 1.1.-Ataque Alcalino Los procedimientos de recuperación de los metales, a partir de su estado natural en forma de óxidos, por medios químicos, es muy diversa, y, en este sentido el procedimiento más generalizado es la formación de sales alcalinas solubles, como el caso del Al, W, Mo, V y Cr, pero pueden reaccionar algunas impurezas como el SiO 2, lo que hace necesario un procedimiento de purificación posterior. El hierro es insoluble en el agua, debido a que la ferrita se hidroliza. El ataque alcalino puede realizarse mediante bases alcalinas en solución, mediante la sosa, o, mediante carbonatos alcalinos en seco, especialmente el carbonato sódico. Ejemplos de estos tratamientos los constituyen la recuperación del Wolframio, la Bauxita, la Cromita, y los minerales oxidados de Hierro y de Uranio, cuando se encuentran en determinado estado. 1.2.- Ataque Ácido El procedimiento por ataque ácido, constituye un método muy generalizado, debido a que una gran cantidad de sales metálicas son solubles. El ataque no es selectivo, las 1 Bérnard-Michel-Philibert-Talbot. Metalurgia General. Ed. Hispano Europea. Barcelona, España. 1973 10 gangas calcáreas son completamente atacadas por los reactivos y la separación de las diferentes sales metálicas se hace muy dificultosa. Como ejemplos pueden citarse el tratamiento de los minerales de tungsteno que pueden ser atacados por el ácido clorhídrico; los minerales de titanio; la arcilla para la extracción de alúmina y los minerales de uranio. 1.3.- Ataque por Halógenos El halógeno más utilizado es el cloro, ya que el flúor sólo se emplea muy ocasionalmente. Dado que los metales de transición pueden alcanzar grados de oxidación elevados, los cloruros son a menudo muy volátiles. Estos procedimientos se utilizan en los casos del mineral de titanio, el cromo, niobio, tántalo y boro. El flúor se ha empleado en el caso de Uranio. 1.4.- Ataque por la Cal La cal reacciona, a temperatura bastante elevada, con los óxidos de carácter ácido o anfótero en particular con la sílice SiO2, para dar un silicato de calcio, al mismo tiempo que deja libre el óxido metálico. A alta temperatura la reacción es rápida, sobre todo si se forma una escoria silicatada fusible. El silicato SiO 2CaO funde a unos 1500ºC; el eutéctico SiO2(20)CaSiO3(80) funde a 1450ºC. Esta temperatura puede ser rebajada por la presencia de Alúmina o de otros óxidos metálicos. A esta reacción va asociada una oxidación que lleva al óxido metálico liberado a un estado de oxidación superior, o, a una reducción que deja libre al metal. A la manera de ejemplo, puede citarse el método que consiste en formar una escoria de fácil separación: la cal se hace reaccionar sobre SiO 2 y Al2O3 para eliminar la ganga siliciosa y liberar los óxidos metálicos de su enlace. Esta técnica se aplica a los óxidos de metales poco reactivos con óxido poco estable, en presencia de un reductor, obteniéndose un metal en bruto que debe luego ser afinado. Este es el principio de la metalurgia del hierro, del cobre y del plomo, y, de la metalurgia mixta plomo-cinc. 2.- Tratamiento de los sulfuros Los minerales sulfurados, en especial los del cobre, de cinc y de plomo, están muy extendidos y hay que tener presente que se pueden enriquecer fácilmente por flotación. Estos sulfuros contienen frecuentemente productos secundarios de gran 11 interés, como la plata y el cadmio. Son menos estables que los óxidos, puesto que el azufre es menos electronegativo que el oxígeno. Algunos sulfuros se disocian por simple elevación de la temperatura, quedando liberado el metal. Habría que analizar los procesos de tostación y oxidación, para formarse una idea más clara. Entre los metales recuperados por estos procesos, se puede mencionar el cobre el cinc, el plomo y el molibdeno. 3.-Tratamiento de los Carbonatos y de los sulfatos Estos compuestos metálicos son generalmente disociados antes del tratamiento de elaboración, debido a que estas disociaciones son endotérmicas y graban el presupuesto de elaboración. Los carbonatos y los sulfatos se disocian dando un sólido y un gas. Por ejemplo: CaCO3 ←→ CaO + CO2 + 42.5 Kcal ZnSO4 ←→ ZnO + SO3 + 45.4 Kcal Algunos carbonatos y sulfatos que se pueden incluir en estos procesos son: El carbonato de hierro, el carbonato de calcio, el carbonato de bario y el sulfato de bario. EL HIERRO Como se ha dicho anteriormente, el hierro es un metal que no existe en forma pura en la naturaleza, si no en estado mineral en forma de óxidos. En estado puro no tiene utilización industrial. Es de color gris, magnético y altamente dúctil. Como muchos de los metales, es buen conductor del calor y la electricidad. Su temperatura de fusión es de aproximadamente 1535/1538ºC; su peso específico es de 7.8 kg/dm3. Su calor latente de fusión es de 69/70 calorías. Su calor específico a 15ºC es de 0.116 calorías y cerca de su punto de fusión es de 0.162 calorías. Estructura cristalina La estructura cristalina del hierro obedece a su naturaleza de unión metálica, como se verá en el capítulo II, todos los electrones son compartidos por todos los átomos. Los electrones de valencia forman una especie de nube o gas electrónico que mantiene unidos a los iones metálicos, ver Fig. II.4. Este “gas electrónico” es, además, la causa 12 de la alta conductividad eléctrica de los metales. Otro hecho importante es que todos los iones metálicos son equivalentes y pueden intercambiarse sin dificultad. De allí la característica de la unión cristalina de los metales en órdenes de corto, mediano y largo alcance. Con base en lo anterior, al hierro puro, le corresponde, a temperatura ambiente, la estructura bcc, cúbica de cuerpo centrado, conocida como ferrita, Fig. II-12, que es la responsable de sus propiedades de alta ductilidad y maleabilidad, y, por sus características alotrópicas, que consisten en la propiedad de los metales de cambiar su estructura cristalina dependiendo de las temperaturas a que se someten, a altas temperaturas, arriba de los 908ºc, le corresponde la estructura ccc, cúbica de caras centradas, conocida como austenita, Fig. II-12 (A) y (B). Las propiedades mecánicas de los metales se asocian directamente a las estructuras cristalinas que presentan. Minerales de Hierro El hierro, como se hizo referencia a los metales en general, se encuentra en la naturaleza en forma de varios minerales, entre los que destacan las diferentes formas de óxidos y de carburos. Estos minerales constituyen la materia prima más importante para la obtención del hierro bruto. La mayor utilización a niveles industriales se concentra en la explotación de los óxidos. Para que el mineral de hierro tenga valor comercial, debe ser relativamente puro y disponible en grandes cantidades. La mayoría de los minerales contienen de 20 a 50% de hierro metálico, pero hay minerales que contienen hasta 60% de hierro puro. Los minerales más importantes para la obtención del hierro son: a. Hematina roja, es un óxido de hierro (Fe2 O3). b. Limonita o hematina parda. Es un óxido hidratado de hierro. c. Magnetita. Consiste en un óxido ferroso-férrico (Fe3 O4). d. Siderita, que es un carbonato de hierro (FeCO3). En Guatemala no existen yacimientos de importancia que justifiquen la inversión para la obtención del preciado metal. En el nororiente del país se han encontrado algunas betas, o menas de hematita, pero se han considerado de poca importancia para su 13 explotación. La disponibilidad de las arenas ferrotitaníferas de la costa del pacífico no ha sido avalada por estudios formalmente planteados, en cuanto a los beneficios socioeconómicos que podrían aportarse, ni mucho menos del impacto ambiental que se produciría sobre las pocas áreas de recreación, empezando por el manejo y destino de las escorias. Existen otra serie de óxidos de hierro que se usan en menor escala y los minerales sulfurados que no se usan en escala industrial por su alto contenido de azufre, como la pirita de hierro y la pirita de cobre, conocidos también como “oro de tontos”, por su color y aspecto brillante. El Alto Horno La infraestructura más importante para la recuperación del hierro metálico en estado bruto, en forma de lingotes, la constituye el “alto horno”. El alto horno es una estructura en forma de torre cilíndrica, vertical, construida de acero, la cual se reviste interiormente con materiales refractarios, en su mayoría ladrillos, escogidos adecuadamente en función de la temperatura y del ataque químico que sufre dependiendo de la zona o sector del mismo. Tiene una altura promedio entre veinticinco y treinticinco metros, y, el hogar, o sea el fondo donde se deposita el metal líquido, tiene un promedio aproximadamente de 8 metros de diámetro. La capacidad de producción de los altos hornos varía en función de sus dimensiones, pero puede considerarse un promedio de aproximadamente 1000 toneladas de hierro bruto por día. La recuperación del metal en el alto horno se lleva a cabo cargando el mineral en forma de capas alternas con coque y piedra caliza, en cantidades proporcionales. Los materiales se cargan por una compuerta ubicada en la parte superior del horno, por medio de transportadores de carga, a través de un plano inclinado. La operación se realiza inyectando aire precalentado, por los mismos gases producidos durante el proceso, por medio de toberas distribuidas geométricamente cerca del fondo, con una presión de aprox. 2.5 m de columna de agua. Este aire procedente de varios intercambiadores de calor, puede alcanzar hasta los 500 ºC. Los precalentadores son también conocidos como estufas Cowper. El aire caliente suministra la cantidad necesaria de oxígeno para producir la combustión del coque y forma gas de óxido de 14 carbono, que, a su vez, reduce los óxidos ferrosos que componen el mineral, dejando el hierro bruto o arrabio en estado líquido. Al realizarse la combustión del coque se genera un calor interno que alcanza temperaturas de aproximadamente 1500 ºC. El hierro fundido se recoge en la solera en el fondo del horno. La función de la piedra caliza, es actuar como fundente, combinándose con la ganga y el resto de impurezas del mineral y del coque, produciéndose una escoria suficientemente fluida. La escoria se extrae también en el fondo del horno, por una serie de vertederos o piqueras diseñados especialmente para el efecto, a intervalos frecuentes, ya que esta flota sobre el hierro por diferencia de densidad. El hierro líquido se vierte en lingoteras, o es trasladado directamente a otros hornos para la obtención de fundiciones o de acero. El hierro obtenido por este proceso se llama hierro bruto o arrabio (en inglés: pig iron; en México: hierro chancho). Este hierro no es puro, sino que contiene porcentajes determinados de silicio (0.5 a 4%); de manganeso (0.1 a 1.5%); fósforo (0.5 a 1.5%); azufre (0.03 a 1%) y otros elementos considerados como impurezas. Además como el hierro en estado líquido posee gran afinidad con el carbono, lo absorbe del coque en una cantidad entre 2 a 4.5%. Los tres elementos: silicio, manganeso y carbono, son necesarios para la obtención de las propiedades deseadas en las piezas fundidas y en el acero, mientras que el azufre y el fósforo constituyen impurezas que pueden ser perjudiciales en función de su concentración. El arrabio, como producto terminado se utiliza en pocas proporciones para piezas fundidas que no requieren mayores exigencias de homogeneidad en sus propiedades, tales como contrapesos, etc. Su destino generalmente es para la fabricación de fundiciones y de acero. De ahí que los productos de la conformación del hierro se dividan en dos grandes grupos de las así llamadas aleaciones hierro-carbono: acero y fundiciones. 15 Representación esquemática de un alto horno, según la USS Corp. Ref. (20) Fig. I-1. 16 El Alto Horno y su equipo complementario. Según la USS Corp., Ref. (20) Fig. I-2 17 ALEACIONES HIERRO-CARBONO Como ya hemos señalado, tanto el hierro puro como el arrabio, no tienen utilización industrial. Para tal efecto, el hierro debe ir acompañado de otros elementos denominados aleantes, que le dan las características fisicoquímicas que lo convierten en el metal de mayor consumo y mayor utilidad en el mundo. El aleante más relevante, que le proporciona al hierro las propiedades mecánicas de resistencia más importantes, es el carbono, que es el elemento responsable de establecer las dos grandes divisiones de estos materiales, debido a su forma de presentarse en combinación con el mismo, dando origen a características cristalográficas que inciden en dichas propiedades. Desde 0.02 hasta el 2% de carbono, la aleación constituye el vasto grupo de los aceros (estas composiciones suelen variar en escasos porcentajes según algunos autores). Del 2 al 6.7% de carbono, se forman los grupos de las fundiciones, también llamadas hierro fundido o hierro colado, aunque las fundiciones con contenidos de carbono arriba de 3.5% son muy escasas. Debido a su origen mineral y a los procesos de recuperación y elaboración, siempre se encuentran presentes en estas aleaciones, además del carbono, el manganeso, el silicio, el azufre y el fósforo; los dos primeros son sus principales aleantes, y, los dos últimos, como se dijo anteriormente, constituyen impurezas. Por otro lado, dependiendo del destino y la utilización de los productos terminados, los principales elementos adicionales que pueden presentarse en conjunto o en forma individual, son el níquel, el cromo, el molibdeno, el vanadio, el tungsteno y el cobre. La división de estos dos grandes grupos, los aceros y las fundiciones, está dada por la solubilidad en estado sólido, a altas temperaturas, del hierro y la cementita, cuyo límite es entre 1.7% y 2% de carbono. De hecho existen aceros comerciales para tratamiento térmico con 2% de carbono, que alcanzan altas propiedades de dureza. Los componentes metalográficos más importantes de estas aleaciones son, en el equilibrio: grafito, ferrita, cementita, perlita y austenita (que se analizarán más adelante). En Guatemala, existe, en los medios comerciales, un concepto muy importante que se menciona a continuación y es el término conocido como “hierro o acero dulce”, que 18 corresponde realmente a los aceros de muy bajo carbono, y, se convierte en un término de comparación relativo: un acero es más dulce que otro cuanto menor es su contenido de carbono. Por ejemplo un acero A1006 es más dulce que un acero A1008. Sin embargo, en los medios populares suele confundirse este término con el de hierro colado o hierro fundido. Fundiciones o Hierro Fundido Como dijimos anteriormente, las fundiciones se encuentran entre el intervalo de 2.0% a 6.67% de carbono, siendo su principal constituyente metalográfico el grafito, que consiste en cristales de carbono separados. La presencia, la forma y la cantidad de grafito separado definen la clasificación de las fundiciones, que se pueden dividir en cuatro grandes grupos, a saber: Fundición Gris: Presenta una considerable cantidad de grafito separado en forma de hojuelas, tiene un contenido de carbono entre 2.6 y 3.8%. Cuanto mayor es la precipitación del grafito tanto más blando es el hierro fundido y esto lo hace más maquinable; su apariencia presenta una superficie porosa. El silicio favorece la formación de grafito, mientras el manganeso la dificulta. El color gris de la fundición es determinado por su contenido de grafito; la superficie de su fractura se caracteriza por la uniformidad de sus granos. Esta es la fundición más empleada en la industria y se utiliza principalmente para la fabricación de maquinaria, columnas, tubería y otros objetos comerciales en general. Fundición Blanca: esta fundición Se caracteriza por la ausencia total, o casi total del grafito, encontrándose el carbono combinado con el hierro como carburo de hierro (Fe3 C). Se obtiene la fundición blanca cuando se evita la trasformación del grafito, ya sea realizando el enfriamiento rápido de las piezas fundidas, por añadidura de una elevada proporción de manganeso, o bien por la disminución del contenido de silicio, o en presencia de varias de estas circunstancias a la vez. La fundición blanca se emplea para la fabricación de piezas de elevada dureza, tales como cilindros de laminación, ruedas de ferrocarril, blindajes, placas para quebrantadores, etc. Su color es blanco metálico y el color de su fractura es bastante blanca. 19 Fundición Maleable: Se obtiene por tratamiento térmico de la fundición blanca, permitiéndose la precipitación del grafito en forma de pequeñas concentraciones equiaxiales, contrario a su precipitación normal en forma de hojuelas. El tratamiento térmico cambia las características mecánicas de las piezas, que muestran cierta ductilidad y comportamiento similar a los aceros. Fundición Nodular: Conocida también como fundición globular o esferoidal, es similar a la fundición maleable con la diferencia en su forma de obtención y a que las concentraciones de grafito son geométricamente más homogéneas, de forma esferoidal. Se obtiene desde el estado líquido, en el momento de la colada, por aplicación de inoculantes como el magnesio y el cerio, en forma de ferroaleaciones, obteniéndose un producto final con nódulos de grafito sobre una estructura generalmente de ferrita y perlita. Ha sido muy difundida en los últimos años por sus propiedades especiales que muestran las características de una fundición con un grado relativamente alto de ductilidad. Su utilización se ha ampliado en la industria automotriz para piezas de alto compromiso como los ejes de levas y de cigüeñales. Fig. I-3. Fundiciones Nodulares, según Howard E.D. Ref. (14) 20 Fundiciones de acero, Blanca, Gris y Maleable, según Howard E. D. Ref. (14) Fig. I-4. Fundición atípica (raar) Fig. I-5 21 El Acero Como se dijo anteriormente, el acero constituye el segundo grupo de las aleaciones hierro-carbono, aunque en importancia por su volumen de utilización, debido a la versatilidad de sus propiedades físico-químicas y mecánicas en general, es el producto de mayor utilización industrial en el mundo. Por otro lado, su composición química está formada por Fe, C, Mn y Si, que son los responsables de sus altas propiedades mecánicas, complementariamente, siempre se presenta acompañado de bajos tenores de P y S, que se analizan como impurezas indeseables y cuyo contenido en peso no debe exceder del 0.03%. Sin embargo, es usual encontrar aceros con contenidos hasta del 0.05% de estos dos últimos elementos. Las propiedades más importantes del acero las constituyen su alta resistencia a las solicitaciones mecánicas, principalmente a la tensión, compresión, ralladura, mellado, impacto, etc. Esto por sus características de ductilidad, elasticidad y tenacidad, en función de su estructura cristalina, acompañadas de su realmente importante alotropía o polimorfismo y su gran susceptibilidad a los tratamientos térmicos. Todo esto se podrá analizar más detenidamente en los capítulos específicos. Para su estudio y análisis puede dividirse en dos grandes grupos, dependiendo de la concentración de sus componentes químicos: a) Aceros al Carbono y, b) Aceros aleados. Los aceros al carbono (plain carbon steels, en inglés), suelen dividirse en tres grandes grupos, aunque el objeto y los límites de esta división no están totalmente definidos: a. Aceros de Bajo Carbono, Cuyas concentraciones en peso van desde 0.02% hasta 0.30% de C. b. Aceros de Mediano Carbono, cuyas concentraciones en peso van desde 0.30% hasta 0.60% de C. c. Aceros de Alto Carbono, cuyas concentraciones en peso van desde el 0.60% hasta el 1.7 (o, 2.0) % de C. La mayor cantidad de los aceros comerciales al carbono casi nunca pasan del 1% en peso de este último elemento y se utilizan en la construcción de elementos estructurales como barras de refuerzo para hormigón armado, perfiles estructurales, 22 chapas de todo tipo, incluyendo las destinadas a la fabricación de barcos, tanques de contención y almacenamiento de agua, etc. También se destinan a la fabricación de elementos de máquinas, principalmente ejes y soportes, además de una gran cantidad que se utiliza para la fabricación de piezas fundidas de acero. La ASM y la AISI Suelen designar a los aceros por un número precedido de la letra A, y, los aceros al carbono se nominan con el número diez. Los dos últimos dígitos representan el contenido porcentual promedio de carbono. Ejemplos: El acero A1015 es un acero al carbono porque se identifica con el número 10 y la cifra 15, indica que su contenido de carbono es de 0.15 % en promedio + 0.02. El Acero 1025, es un acero al carbono conteniendo un promedio de 0.25% de carbono + 0.02. El porcentaje de Mn, Si. P y S se especifican en las tablas correspondientes. Los aceros aleados constituyen el segundo grupo señalado, ya que las propiedades mecánicas de este metal, pueden mejorase agregándole cantidades adicionales de otros elementos, principalmente metálicos, que a la vez suelen dividirse en dos grandes grupos conocidos como: Aceros de baja aleación, en los que puede incluirse los aceros microaleados, cuyo contenido de aleantes no suma más del 8%. Aceros de alta aleación, en los que se incluyen los aceros inoxidables o de alta resistencia a la corrosión, y, cuya suma de elementos aleantes es mayor del 8%. Fabricación: La fabricación del acero se realiza por diversos procedimientos, ya sea a partir directamente del arrabio en estado líquido, o bien del estado sólido, complementándose con el uso de chatarras. Hace varias décadas, se han implementado los procesos de reducción directa que parten directamente de concentrados pre-reducidos del mineral en forma de pellets. Los procesos de fabricación del acero reciben el nombre de los hornos empleados para su producción, siendo los principales los siguientes: 5. El horno Siemens Martin u horno de hogar abierto. 6. Convertidor Bessemer 7. Convertidor Thomas 8. Convertidor de oxígeno 23 9. Hornos eléctricos de arco o de inducción. La fabricación se lleva a cabo a partir del metal en estado líquido, ya sea del arrabio obtenido directamente del alto horno, o, de la fusión de las materias primas realizada en cualquiera de los hornos citados. El común denominador de los procesos de fabricación referidos lo constituye la eliminación de impurezas y el control de las cantidades de los componentes requeridos. A la parte fundamental del proceso se le denomina “afino”, que consiste en tratar de obtener la homogeneidad química del compuesto, por medio del agregado de oxígeno en forma directa, o por medio de insuflamiento de aire del ambiente que lo aporta. Simultáneamente se establece el balance de los componentes necesarios, eliminando todos los elementos no deseados o impurezas a través de la escoria, cuyo control contribuye también a la obtención del producto de alta calidad. Los procesos se realizan en su mayoría por medio del método conocido como de “óxido-reducción”, que consiste en producir óxidos de los elementos indeseados, los cuales sobrenadan en una escoria de alta fluidez, que se cambia durante el proceso por medio de cal o piedra caliza y luego se produce el bloqueo o reducción por medio del agregado de aleantes de más fácil oxidación que el metal base. Este es el caso del agregado de manganeso y silicio que, a la vez de producir el bloqueo o reducción durante la reacción, mejoran las propiedades mecánicas del acero. El proceso empleado en Guatemala, es el de horno eléctrico de arco que utiliza chatarras ferrosas como materia prima, produciendo casi el 40% del acero al bajo y mediano carbono consumido en el país, en forma de alambrón y sus derivados, acero de construcción para refuerzo de hormigón y perfiles estructurales de bajo compromiso. La siguiente tabla proporciona la clasificación de los aceros al carbono más importantes y su composición química. 24 TABLA I-1 ACEROS AL CARBONO Según la USS Corp. Ref. (20) 25 CAPÍTULO II INTRODUCCIÓN A LA METALURGIA FÍSICA (Este capítulo, como el III y el IV se fundamentan en el curso de Introducción a la Metalurgia preparado e Impartido por los Doctores Susana Comas y Daniel Vasallo, con la asistencia del Dr. José Ovejero, en la Comisión Nacional de Energía Atómica de Argentina, para el desarrollo de los Cursos Panamericanos de Metalurgia a nivel de Maestría, dentro del Programa Multinacional de Metalurgia de la OEA). Los conceptos analizados no han perdido vigencia dentro del vasto campo de la Metalurgia, tal como puede verse en un sinnúmero de publicaciones actuales2-3. 1. Tipos de Unión Atómica. Para la conformación de los materiales, los átomos se encuentran organizados de tal manera que su unión característica define el tipo de material en particular, que puede ubicarse en uno de los tres grandes grupos conocidos como sólidos, líquidos y gases. Los átomos en general, están formados por un núcleo y electrones que se desplazan alrededor de ese núcleo. Los electrones se distribuyen siguiendo ciertas reglas cuánticas en diferentes niveles. Los electrones de la capa exterior o electrones de valencia son los responsables del comportamiento químico del elemento. Los gases raros, de gran estabilidad química, tienen ocho electrones en su capa externa (dos en el He). Los átomos que no tienen ocho electrones en su última órbita tienden a adquirirlos mediante los diferentes tipos de unión, que se definen a continuación, para adoptar configuraciones de menor energía. Unión Iónica: Es el caso del ClNa, Fig. II-1; un átomo de Na cede su electrón de valencia a un átomo de Cl. El átomo de Na se transforma en un ión positivo y el de Cl en un ión negativo. Las fuerzas electrónicas originadas por esta cesión de electrones son las responsables de la unión de los átomos. Por otra parte, los iones positivos se rodean de los iones negativos y viceversa, dando origen a cristales que pueden 2 Alicia Sarce. Introducción a la Ciencia de los Materiales. PMM, CNEA, Argentina. 2009. 3 METALS HANDBOOK. American Societe for Metals. USA. 2004 26 considerarse como macromoléculas. Estos cristales presentan débil conductividad eléctrica, por movimiento de los iones dentro de la red. Unión Covalente u Homopolar: Los átomos no ceden electrones como en el caso anterior, sino que los electrones son compartidos por los átomos que forman la molécula. En el H, por ejemplo, Fig. II-2, los átomos comparten su electrón y su configuración electrónica se asemeja a la del He. Otros ejemplos son O 2, N2, F2, y FH. En el caso del FH se ve que los átomos no necesitan ser de la misma especie. Fig. II3. El Si tiene 4 electrones de valencia. Un átomo se puede considerar en el centro de un tetraedro compartiendo electrones con sus cuatro vecinos, Las uniones covalentes pueden formar cristales, como en el caso del diamante o el Si, pero en otros casos (oxígeno, por ejemplo) se produce una saturación que impide la unión de más de dos átomos para formar un cristal. Unión Metálica: Fig. II-4. En este tipo de unión, todos los electrones libres son compartidos por todos los átomos. Los electrones de valencia forman un tipo de gas electrónico que mantiene unidos a los iones metálicos. Este “gas electrónico” es, además, la causa de la alta conductividad eléctrica de los metales. Otro hecho de gran importancia es que todos los iones metálicos son equivalentes, y pueden intercambiarse sin gran dificultad. No ocurre lo mismo con los cristales iónicos ni con los cristales homopolares en que las uniones son polarizadas. Esto explica el comportamiento plástico de los metales. Por otra parte, la alta simetría de unión, hace que los metales pertenezcan a sistemas cristalinos relativamente simples, siendo un gran número de ellos del tipo de empaquetadura compacta. Unión de Van Der Waals: En la unión de Van Der Waals, no hay intercambio de electrones y las sustancias que no tienen electrones libres para compartir, como por ejemplo el metano y los gases raros, cristalizan por efecto de fuerzas electrostáticas surgidas como consecuencia de la polaridad de las moléculas. Las cargas positivas se polarizan y existe atracción entre el polo positivo de una molécula con el negativo de la vecina. Fig. II-5 A los tres primeros tipos de unión referidas, se les conoce como uniones primarias. 27 Combinación de uniones Primarias: Las uniones iónicas, covalentes y metálicas, son llamadas uniones primarias para diferenciarlas de las de Van Der Waals. En realidad las uniones entre átomos no tienen un carácter único, sino que presentan características de uno u otro tipo de unión primaria. En el ClH los electrones pueden formar unión covalente o iónica, existiendo en estado gaseoso una configuración preferentemente covalente. En solución acuosa, por el contrario, predomina la unión iónica. Ver Fig. II-6 En los compuestos químicos pueden existir combinaciones de dos o más tipos de unión. Así, por ejemplo, en el SO4Ca la unión del S con el O es covalente y la unión del SO4-- con el Ca++ es iónica. Distancias Interatómicas: Hasta ahora se han considerado las fuerzas que atraen a los átomos entre sí. Existen, sin embargo, fuerzas que impiden que los núcleos se pongan en contacto. En los sólidos existe una distancia de equilibrio que corresponde a aquella en que ambos tipos de fuerza se igualan. Si consideramos dos iones, la atracción entre ellos estará dada por las fuerzas culombianas según la fórmula (Z1e)(Z2e) Fc ═ --------------a²1-2 siendo a1-2 la distancia entre las dos cargas puntuales y Z1e y Z2e las cargas eléctricas de cada punto. La fuerza repulsiva es producto del rechazo que se produce cuando las capas electrónicas de los átomos comienzan a coincidir. Esta fuerza es función inversa de la distancia pero de potencia superior al cuadrado. n.b F2 = -----------an+1 En la gráfica de la Fig. II-8a, en línea de puntos se indica la suma de ambas fuerzas. Se ve que para una distancia a1 existe equilibrio. En ese punto la energía de unión de 28 ambos átomos es mínima. Fig. II-8b. Por diversos medios es posible modificar la distancia de equilibrio. Si se suministra energía térmica aumenta la vibración de los átomos alrededor de su posición de equilibrio y esto puede llegar a destruir la unión (pasaje a fase gaseosa). Por compresión o tracción se puede también modificar la distancia de separación entre átomos. Radio Atómico y Radio Iónico: Las distancias entre átomos pueden considerarse como la suma de los radios atómicos de cada átomo. Fig. II-9. Se considera radio atómico a la mitad de la distancia que separa los átomos más próximos del elemento puro. Así, por ejemplo, en el Fe los átomos están separados 2.482Å, en consecuencia el radio atómico será 1.241Å. Los iones poseen un defecto o exceso de electrones y ocuparán un volumen mayor o menor que el átomo neutro, y, en consecuencia, su radio será menor o mayor que el radio atómico. ·En la Fig. II-10 se dan los valores de los radios atómicos y iónicos del Fe. Número de Coordinación: Es el número de átomos en contacto con un átomo considerado. El número de coordinación del Mg en el OMg es 6 y el del Si en el SiO2 es 4. Fig. II-11. 2. Relación entre las Propiedades Microscópicas y los Tipos de Unión atómica. Se presentan las siguientes reglas, en las que coinciden varios autores, y, que sumarizan las relaciones entre las propiedades microscópicas y los tipos de unión atómica: 1) La densidad está controlada cualitativamente por el peso atómico, el radio atómico y el número de coordinación. Este último es un factor significativo ya que controla la densidad de empaquetamiento. 2) Las temperaturas de fusión y volatilización o ebullición pueden relacionarse con la profundidad del mínimo de la curva de Energía Vs. Distancia entre átomos. Fig. II8b. 3) La resistencia está correlacionada con la altura de la fuerza total o curva suma de la figura II-8a. Esta fuerza, cuando se relaciona con el área de la sección transversal, da la tensión necesaria para separar los átomos. (Los metales pueden deformar por un proceso diferente al de separación directa de los átomos. Sin 29 embargo la tensión requerida para deformarlos está aún gobernada por las fuerzas interatómicas). Por otra parte, debido a que fuerzas interatómicas muy grandes implican un mínimo de energía más profundo, los materiales con alto punto de fusión son generalmente muy resistentes, por ejemplo diamante, el Al2O3, el TiC, etc. 3. Estructura Cristalina: Generalmente se asocia el concepto cristal al de cuerpo con caras planas y de forma geométrica más o menos simple. Sin embargo, la característica fundamental de un cristal es la de tener sus átomos emplazados según un cierto orden. Los metales son cuerpos cristalinos aunque no poseen generalmente formas facetadas. Sin embargo, bajo ciertas condiciones de crecimiento (condensación de sublimados), es posible obtenerlos de este modo. Se darán algunos conceptos fundamentales de cristalografía necesarios para el desarrollo de los temas siguientes. Para simplificar los dibujos se hará uso frecuente de ordenamientos bidimensionales que permiten por una simple generalización comprender los conceptos para cristales tridimensionales. Consideramos un cristal tridimensional caracterizado por la regularidad con que se hallan dispuestos los átomos representados por puntos. Fig. II-13. En esta figura la existencia de orden se puede comprobar por el hecho que si entre dos átomos hay una distancia d, en la misma dirección y a la distancia n d, siendo n un número entero cualquiera, se encontrará otro átomo. En realidad en lugar de átomos deberá hablarse de “motivos” que se repiten ya que a veces van dos o más átomos de la misma o diferente especie, ordenados de cierta manera los que presentan periodicidad. Fig. II-14. Ciertas direcciones son por conveniencia consideradas ejes del cristal. En la figura II13, según un eje la distancia entre átomos es a, y según el otro eje es b. La regularidad del cristal está dada por el hecho que dado un átomo cualquiera del cristal, como origen de coordenadas en el extremo del vector v = na + mb (siendo n y m números enteros) se encontrará otro átomo de la misma especie. 30 Si se dan a m y n todos los valores posibles, los extremos de los vectores v serán un conjunto infinito de puntos que reciben el nombre de “red cristalina”. Cada punto de la red se llama “nodo”. Para un cristal de tres dimensiones los vectores a, b y c determinan un paralelepípedo que se denomina “celda”. El cristal puede considerarse como formado por la yuxtaposición de un gran número de celdas. Si se conocen las dimensiones y ángulos que forman los vectores a, b, y c, el cristal queda caracterizado. En cristales tridimensionales solo pueden existir 14 tipos de celdas agrupadas en 7 sistemas cristalinos, tabla I. Un conjunto ordenado de motivos debe pertenecer necesariamente a uno de estos tipos de celdas. La mayoría de los metales pertenecen a sistemas cristalinos simples generalmente cúbico o hexagonal, tabla II. Así el Cu, Ag, Au y Pb, son metales cúbicos de caras centradas (ccc o fcc); el Fe, W y Mo, son metales cúbicos de cuerpo centrado (cc o bcc); el Zn, Cd, Zr, Ti, Hf, son metales hexagonales compactos (hcp). Los metales del sistema cúbico están definidos por la longitud de la arista de la celda elemental. Para el Si, por ejemplo, este valor es a = 4.08 Å. mediante geometría simple se puede conocer la distancia entre los diferentes átomos de la celda. La celda de un metal bcc tiene 1 átomo en cada vértice y un átomo en el centro, es decir, 9 átomos. Sin embargo cada átomo del vértice está compartido por 8 celdas y en consecuencia corresponde a la celda 1/8, el átomo del centro le pertenece totalmente. En consecuencia, en realidad una celda bcc tiene 1/8 x 8 (vértices) + 1 = 2 átomos solamente. Otra característica de esta celda es que cada átomo tiene 8 vecinos próximos. Esto es de fácil comprobación si consideramos el átomo del centro de la celda elemental. En el sistema fcc cada celda tiene 4 átomos, de los cuales uno corresponde a los vértices, como el caso de la celda bcc y 3 a las caras ya que hay 6 átomos en las caras, que son compartidos cada uno por dos celdas. El número de vecinos próximos para estos metales es 12. En el sistema hexagonal se necesitan dos datos a y c para poder dibujar la celda elemental. Por ejemplo para el Zn a = 2, 66 Å, y, c = 4, 95 Å. Cada átomo tiene 12 vecinos. Fig. II-17. 31 Los sistemas cúbicos de caras centradas y hexagonales compactos, son sistemas compactos. En efecto, si se apilan esferas de igual diámetro éstas toman posiciones que corresponden a algunas de las dos redes citadas. Esto es debido a que, en el plano sobre el cual se apoyan las esferas se agruparán como se ve en la figura II-18, o círculos (A), en la figura II-18a. La segunda capa se ubicará según un esquema similar en las posiciones marcadas B, o C. No es posible que se ubiquen unas encima de otras, porque ocuparían posiciones inestables. Supongamos que ocupan la posición B, si la tercera capa ocupa posiciones semejantes a la primera tenemos el sistema hexagonal compacto; si ocupa la posición C, tendremos el sistema cúbico de caras centradas. En el sistema hexagonal compacto la sucesión de planos se puede esquematizar AB AB AB… AB. En el sistema cúbico fcc por ABC ABC ABC… ABC. 4. Planos cristalinos. Índices de Miller: Por nodos de la red cristalina podemos hacer pasar planos. El concepto de plano cristalino es muy útil. Así la difracción de rayos x se puede considerar como una reflexión de ciertos planos (Ley de Bragg). El clivaje se produce según ciertos planos cristalográficos. En los procesos de deformación en muy importante el deslizamiento (slip) según ciertos planos cristalinos. En la figura II-19 se han dibujado los átomos que pasan por dichos planos. Los planos 1, 1´ y 1 son paralelos, de la misma manera que 2, 2´ y 2 ; 3, 3´ y 3 ; etc. Pero el plano 1 es diferente del plano 2. La cantidad de átomos por unidad lineal de traza no es la misma (el plano 1 es más denso que el plano 2). Es necesario poder identificar los diferentes planos de un sistema cristalino. Para esto se emplean los índices de Miller. Dado un sistema de planos paralelos igualmente distanciados uno de otro en una red cristalina dada, si se quiere determinar sus índices de Miller se considera el plano que sin pasar por el origen de coordenadas está más próximo al mismo. Supongamos el plano de la figura II-20. Se miden en unidades de vectores de la red las distancias en que el plano corta a cada uno de los ejes. En nuestro caso el plano corta al eje a una distancia 4 a, al eje b a 3 b y al eje c a una distancia 5 c. Se toman las inversas de estos números 1/4; 1/3; 1/5 y se hallan las fracciones con mínimo común denominador 32 15/60; 20/60; 12/60. Los índices de Miller son los numeradores de esas fracciones; 15, 20, 12. Al primer índice se lo llama h, al segundo k y al tercero l es decir que h = 5, k = 20, l = 12 y para indicar que se trata de un plano se los coloca entre paréntesis (15, 20, 12). En general, los planos más importantes tienen como índice de Miller números pequeños, 0, 1, 2, ó 3. En la figura II-21 se muestran algunos planos importantes del sistema cúbico. Se han dibujado los planos en el cuadrante positivo. Si se consideran también los otros cuadrantes, tendremos por ejemplo el de la figura ¯ signo menos va colocado sobre el índice). II-22 que es un plano (110). (el Esto significa que para los planos de este tipo existirán los siguientes posibles: 110) (101) (011) _ (110) _ (101) _ (011) _ (110) _ (101) _ (011) -(110) - (101) -(011) Se puede ver, sin embargo, que el plano __ (110) es paralelo al (110), y, en consecuencia ambos no son más que un único plano. Lo mismo sucede con otros grupos de planos paralelos. Si consideramos los planos no paralelos veremos que sólo hay 6 del tipo (110) que forman la familia de planos {110} (índices de Miller entre llaves). Todos los planos de la misma familia tienen la misma densidad atómica y están separados por distancias iguales. Otro plano importante del sistema cúbico es el (111) llamado octaédrico. Este es el plano más denso en el sistema cúbico de caras centradas. Fig. II-12 B 33 Sistema hexagonal: En todos los sistemas cristalinos se usan los 3 índices de Miller. En el sistema hexagonal es, sin embargo, más cómodo el uso de 4 índices (de MillerBravais) (h, k, i, l) considerando la existencia de 4 ejes, figura II-23, a1, a2, a3, y c. Teniendo en cuenta que con los ejes a1, a2 y c bastará para determinar un plano, el cuarto índice que corresponde al eje a3 no debe ser independiente. En efecto se cumple que i = – (h + k). En la figura II-23 se señalan planos importantes del sistema hexagonal. Los planos _ {0001} son llamados planos basales, los planos {1010} planos paralelepípedos y los _ planos {1011} planos prismáticos. Direcciones: las direcciones en el cristal están determinadas por las coordenadas del extremo del vector medidas en longitudes de celdas unitaria reducidas a sus menores números enteros y denominados en forma general h k l (índices entre corchetes). Para el sistema hexagonal se pueden usar 3 ejes a1, a2 y c, o los 4 ejes. 5. Defectos de las Redes Cristalinas: Impurezas: Si bien la característica de una red cristalina es la repetitividad del motivo, lo que permite prever las posiciones de los átomos en cualquier punto del cristal, en la realidad los cristales tienen imperfecciones, es decir ausencia de un ordenamiento perfecto. Así por ejemplo, en un punto del cristal A donde debería haber un átomo de A puede hallarse un átomo de la especie B. “Esta Impureza” es un defecto. Fig. II-25 a. Vacancias: En un punto donde debiera encontrarse un átomo, éste puede estar ausente. Este defecto se llama Vacancia. Fig. II-25 b. Por otra parte, un trozo de metal ordinario no está formado por un cristal único, sino por una multitud de pequeños cristales los cuales tienen orientaciones diferentes entre sí. Límite de Grano: Las superficies que limitan los cristales, o límites de grano son también defectos ya que los átomos en esa zona no se encuentran en posiciones de equilibrio. Los límites de grano son defectos de dos dimensiones ya que son superficies. Vimos antes defectos puntuales o de dimensión 0. 34 Hay también defectos lineales o de 1 dimensión llamados dislocaciones, de gran interés. 6. Aleaciones: Hasta ahora hemos considerado la estructura de un metal puro. ¿Qué sucede cuando a un metal con otro u otros elementos químicos los dejamos solidificar? ¿Los productos que obtendremos tendrán características metálicas? Si se preparan aleaciones de Cu y Ni con diferentes tenores de Ni se puede comprobar que la estructura cristalina de esas aleaciones es la misma que para el Ni y el Cu, es decir fcc. Solamente hay una variación del parámetro de la red que decrece desde el valor del Cu puro (a = 3, 62 Å) hasta el del Ni puro (a = 3, 52 Å). Se puede decir que los átomos de cobre que ocupan puestos de la red son reemplazados por átomos de Ni sin que el cobre se de cuenta de la sustitución. Estas aleaciones son llamadas soluciones sólidas terminales o primarias (el nombre proviene de su ubicación en los diagramas de equilibrio, como se verá luego). Si se prepara una aleación de Cu con 50% en peso de Zn se obtiene al solidificar, un cuerpo cristalino que no tiene ni la estructura del cobre (fcc) ni la de Zn (hcp) sino que es bcc. Estas fases que no poseen la misma estructura que los metales que la componen son llamadas fases intermedias. La mayoría de las aleaciones industriales están formadas por una solución sólida terminal que puede o no estar acompañada de una o varias fases intermedias en proporción variable (generalmente pequeña). Las fases intermedias como tales no tienen prácticamente empleo. De allí que exista mayor interés en el estudio de las soluciones sólidas terminales, que en el de las fases intermedias. Hume Rothery y su escuela han estudiado las condiciones bajo las cuales se producen estas fases terminales. El hecho de que no haya distinción entre átomos, tal como ocurre en el Cu – Ni, se debe al tipo de unión metálica. “La naturaleza no saturada de la unión metálica hace que cuando se unen estos dos metales cada átomo reacciona en forma casi no específica con respecto al otro ya que ambos están unidos por la nube común de electrones a la cual ambas especies de átomos han contribuido”. (cottrell). 35 Sin embargo, el caso de Cu-Ni es algo especial ya que son pocos los sistemas que presentan solubilidad sólida total. Hume Rothery ha dado las reglas que determinan la posibilidad de obtener solución sólida en un rango extendido de composición. Estas son: Factor tamaño atómico: Si la diferencia de tamaño atómico es mayor de 14% entre solvente y soluto, la solubilidad será pequeña. (Los radios atómicos se miden en el metal puro como ya se indicó). Factor Electroquímico: Si uno de los componentes de la aleación es muy electropositivo y el otro muy electronegativo hay escasa tendencia a formar solución sólida y por el contrario se forman fases intermedias. Así, por ejemplo, metales como Mg y Sb formarán fases intermedias y no solución sólida. Factor de valencia relativa: Además a condiciones iguales, un elemento de mayor valencia es más soluble en uno de menor valencia que la inversa (esta regla es válida principalmente para aleaciones de Cu, Ag y Au). Así por ejemplo el Cu puede disolver Si, ya que este aportará electrones a la nube del solvente, pero el Cu es poco soluble en Si, ya que no aporta los 4 electrones necesarios para la unión covalente. Cuando dos átomos son de diferente tamaño la introducción de uno de ellos en la red del otro produce distorsiones que aumentan la energía del cristal. Este aumento de energía limita la solubilidad. En algunos casos la regla presenta contradicciones debido a que el tamaño atómico se altera cuando los átomos entran en solución. 7. Fases intermedias: Desde un punto de vista termodinámico en una aleación formada por dos metales A y B puede ocurrir que: a) Los átomos de A y B sean atraídos más intensamente por átomos de la misma especie que por átomos de la especie diferente. b) Los átomos se sientan más atraídos por los de especie diferente c) La atracción sea la misma para átomos de igual o diferente especie. El caso (c) corresponde a una solución sólida desordenada. originar, en una solución sólida, El caso (a) puede un cierto agrupamiento de átomos de la misma especie (fenómeno llamado “clustering”); puede también provocar la formación de dos 36 fases diferentes, una rica en el metal A y otra rica en metal B. El caso (b) puede originar en una solución sólida el fenómeno de “ordenamiento”, o llevar a la formación de fases intermedias. Las fases intermedias pueden clasificarse en electroquímicas, de factor tamaño o electrónicas. En el caso de compuestos electroquímicos la proporción en que se encuentran los elementos que los forman sigue las reglas de Valencia de la química: Mg3Sb2, y, Mg2 Si, presentan un rango de solubilidad limitado, estructura cristalina simple, como los cristales iónicos y punto de fusión relativamente elevado y pueden ser considerados como compuestos químicos y recibir el nombre de compuestos intermetálicos. Este nombre de compuesto intermetálico es usado (en forma inapropiada), muy comúnmente para designar las fases intermedias. Sin embargo, las fases intermedias pueden ser consideradas más bien como soluciones sólidas secundarias o intermedias. 8. Metalografía: Un metal ordinario está formado por un gran número de cristales de orientaciones diferentes. El examen al microscopio permite el reconocimiento de la estructura policristalina de los metales atacados convenientemente con los reactivos adecuados. Es de notar que lo que en realidad se observa es la traza de los límites de grano, que son superficies, con la superficie preparada de la muestra. Los puntos de unión de 3 límites de grano corresponden a la línea donde se encuentran las tres superficies. Estos son llamados puntos triples. Mediante técnicas de metalografía óptica o electrónica solo pueden revelarse los defectos lineales y superficiales. No son detectados los defectos puntuales. Mediante el microscopio de ionización de campo si es posible ver las vacancias y átomos individuales. Los límites de grano tienen átomos ubicados en posiciones de no equilibrio de la red y en consecuencia con mayor energía que en el interior de los granos. Para disminuir la energía superficial asociada a límites de grano existe una tendencia a disminuir esta superficie por aumento del tamaño del grano. A temperatura ambiente, sin embargo, la movilidad de los átomos necesaria para producir este crecimiento no es suficiente 37 para que esto sea detectable, pero si el metal es llevado a temperaturas suficientemente elevadas se produce el fenómeno de crecimiento de grano. La existencia de límites de grano tiene gran influencia en el comportamiento de los metales y aleaciones. El magnesio es frágil, si el tamaño del grano no es suficientemente grande, y, en general, todos los metales presentan mayor ductilidad cuando su tamaño de grano es mayor, y, resistencia mecánica mayor, cuando su tamaño de grano es menor. Sin embargo para metales sometidos a esfuerzos a alta temperatura es más conveniente un tamaño de grano grande porque la rotura del material se produce en los límites de grano. Se han llegado a fabricar alabes de turbinas de gas que son monocristalinas. 38 Fig. II-1. Unión Iónica del NaCl Unión Covalente del Hidrógeno Fig. II-2 39 Otras uniones Covalentes Fig. II-3 Unión Metálica. Anderson (3). Fig. II-4 40 Fig. II-5 Unión de Van der Waals. Anderson (3). Fig. II-6 Fig. II-7 41 Fig. II-8. Van Vlack (21). Fig. II-9. Van Vlack (21). 42 Fig. II- 10 Fig. II-11 Van Vlack (21). 43 Fig. II-12 Reed Hill (18). 44 Fig. II- 13 Fig. II-14 45 Fig. II-15 Fig. II-16 46 Fig. II-17 Fig. II-18. Reed-Hill (18). 47 Fig. II-18a Fig.II-19 48 Fig. II-20 49 Fig. II- 21 Fig. II-22 50 Fig. II- 23 Fig. II-24 51 (a) (b) Fig. II- 25 52 TABLA II-1 SISTEMAS CRISTALINOS Según Barret Ref. (5) 53 TABLA II-2 Según Barret Ref. (5) 54 “INTRODUCCIÓN A LA METALURGIA” CURSO BÁSICO PARA INGENIEROS CUADERNO II Comportamiento Mecánico y Recristalización Diagramas de Equilibrio 55 CAPÍTULO III COMPORTAMIENTO MECÁNICO Y RECRISTALIZACIÓN Teniendo en cuenta que los metales se usan sobre todo, como elementos estructurales, se justifica que se le preste especial atención al comportamiento mecánico de los mismos. En realidad el comportamiento de los metales frente a solicitaciones mecánicas es complejo y depende del tipo de solicitación. Así, por ejemplo, una aleación dada puede tener alta resistencia a la fatiga pero poca resistencia a la tracción en caliente. Se puede citar como tipo de solicitaciones: tracción, compresión, impacto, fatiga, creep, indentación, abrasión, etc. En el presente trabajo se verá en especial el comportamiento mecánico de metales sometidos a las pruebas de dureza, impacto y a tensiones uniaxiales a temperatura ambiente. 1. El Ensayo de Dureza4 La prueba de dureza se usa como método rápido y económico para evaluar las propiedades mecánicas de un material. Se determina la dureza de un material oprimiendo un muescador o ranurador contra su superficie y midiendo el tamaño de la impresión. A mayor impresión, mayor la suavidad del material. Aunque la forma más antigua de esta prueba usaba una bola esférica de 10 mm de diámetro, elaborada de acero duro o carburo de tungsteno (conocido como la prueba de dureza Brinell), las formas más recientes de la prueba emplean indentadores piramidales o cónicos que tienen la característica que la impresión permanece geométricamente semejante, sin importar su tamaño. En la prueba de Vickers se usa un diamante cortado en forma de pirámide cuadrada con ángulo de vértice de 136º y se define el número de dureza de Vickers (NDV) como la carga/área superficial de la impresión, que se puede demostrar es: 4 J. C. Anderson e. a. Ciencia de los Materiales. Ed. Limusa. México 1978. 56 NDB 1.854 P / d 2 kgf / mm2 en que P es la carga aplicada en (kgf) y d es la distancia diagonal de la impresión (mm), como se muestra en la figura siguiente. En la prueba de Brinell, se puede encontrar el número de dureza de Brinell (DB) de la expresión 2P BHN D[ D D kgf 2 2 d ] mm 2 en que D es el diámetro de la bola (en mm), y, d el diámetro de la impresión (en mm). Para tener resultados consistentes, el diámetro de d de la indentación debe estar entre 0.3D y 0.6D. Bajo estas condiciones, los materiales relativamente suaves tienen los mismos números de dureza de Brinell y de Vickers, ya que las geometrías de las impresiones no son muy disímiles. La prueba de dureza requiere indentar un material por un proceso de deformación plástica que se ha demostrado corresponde aproximadamente al 8% de deformación del material. Por tanto, la dureza es una función del esfuerzo de cedencia y y la razón de endurecimiento de trabajo del material. A manera de guía gruesa, el NDV está entre 0.2 y 0.3 veces materiales duros y 0.3 y, y en que y está dando en MN/m2 (mega newton/m2), para para los metales. Ver la siguiente tabla. 57 NDV Esfuerzo Cedente (kgf/mm2) (MN/m2) Diamante 8,400 54,100 Aluminio 2,600 11,300 Boro 2,500 13,400 2,100 7,000 Berilio 1,300 7,000 Acero 210 700 Material Carburo-de Tungsteno Cobre recocido Aluminio recocido Plomo No hay un esfuerzo 47 real de cedencia No hay un esfuerzo 22 real de cedencia No hay un esfuerzo 6.2 real de cedencia En la prueba de Rockwell se usa un indentador cónico de diamante con un ángulo de 120º y se mide la profundidad de la indentación. 2. El Ensayo de Impacto5 Se sabe que los materiales pueden fallar en forma frágil o dúctil, y que esta última falla ocurre solamente después de mucho flujo plástico. El flujo plástico ocurre por el movimiento de dislocaciones bajo la acción de un esfuerzo cortante. La fractura frágil involucra la separación tensil con poco o ningún flujo plástico, de manera que los sistemas de esfuerzo que involucran altas razones de esfuerzo tensil al de corte tienen bastante verosimilitud de favorecer la falla frágil. En forma análoga, cualquier composición de material o tratamiento térmico que dé una baja razón de resistencia de tensión a resistencia al corte tiende a favorecer la fractura frágil. 5 J. C. Anderson e. a. Ciencia de los Materiales. Ed. Limusa. México 1978. 58 Normalmente, los materiales como el hierro fundido y el mármol son frágiles aunque se puede hacer que exhiban comportamiento dúctil suponiendo muy alta presión hidrostática en todas direcciones. Aparte del sistema de esfuerzos, otras variables importantes que afectan la propensión de un material a la falla en forma frágil, son la rapidez de deformación y la temperatura. El alquitrán fluye lentamente incluso a temperatura ambiente, aunque se rompe en pedazos si se le golpea con un martillo (mostrando el efecto de la rapidez de deformación). El vidrio fluye y se puede moldear para que tome casi cualquier forma a elevadas temperaturas, aunque ciertamente es frágil a temperatura ambiente (mostrando el efecto de la temperatura). Los materiales que normalmente son dúctiles se comportan en forma frágil si tienen muescas agudas o grietas, especialmente a elevadas razones de deformación, debido a que se inducen altos esfuerzos tensiles locales en el vecindario de la grieta. Adicionalmente, el acero muestra una súbita transición con la temperatura, cosa no típica de otros materiales, de frágil a dúctil conforme se eleva la temperatura. Las secciones gruesas y grandes también son más propensas a la fractura frágil que las pequeñas piezas de prueba debido a que el tamaño absoluto de las fallas y grietas tiende a permanecer igual, haciéndolas relativamente más agudas para las secciones gruesas. Estos efectos influyen mucho en el diseño de las estructuras de ingeniería – durante la segunda guerra mundial muchos barcos de acero totalmente soldados se partieron en dos pedazos por una fractura frágil a bajas temperaturas en aguas frías debido a que en este tiempo no se entendía debidamente este fenómeno. La prueba Charpy común para la fragilidad es la prueba de Charpa, ilustrada en la figura siguiente. 59 En esta prueba se abre una muesca normalizada en una muestra normalizada de prueba, que sufre golpes bajo condiciones de impacto por medio de un peso específico que forma el extremo de un péndulo. La muesca sirve para introducir esfuerzos de tensión triaxiales en la muestra, lo que aumenta la posibilidad de la fractura frágil. La barra del material tiene 55 mm de longitud, sección transversal de 10 mm x 10 mm y una muesca en V de 2 mm de profundidad y ángulo a 45º, con radio de raíz de 0.25 mm. La barra se sujeta en la máquina de la forma ilustrada y se libera el peso desde una altura conocida para que golpee la muestra por el lado opuesto a la muesca para que induzca esfuerzos de tensión en ella. Después de romperla, el péndulo sigue oscilando y se mide la altura a la que se eleva por el otro lado. De esa manera se puede determinar la energía adsorbida para romper la barra, que si es baja, indica que la muestra es frágil. También se puede determinar la fragilidad de la ranura de la muestra examinando la fractura, en que la proporción del área cristalina brillante da una medida gruesa de la fragilidad. Típicamente, un acero fuerte absorbe alrededor de 130 Joules de energía en una prueba de Charpy a temperatura ambiente. En la figura se muestra un resultado típico de pruebas de ranuras para acero suave cubriendo un rango de temperaturas. Se observará que hay un rápido aumento de la energía absorbida a 280ºK conforme se eleva la temperatura. Esta es la transición-dúctil-frágil para muestras ranuradas en V, se toma la temperatura de transición como aquella a la que se absorben 135 Joules de energía. Por encima de esta temperatura ocurre un flujo mucho más plástico en la ranura, de manera que se absorbe mucha más energía. Todo tratamiento metalúrgico que mueva la curva de prueba mostrada en la siguiente figura hacia la izquierda, mejora la utilidad del acero. 60 3. El Ensayo de Tracción6: La elección de esta prueba está justificada en primer lugar porque se trata de un ensayo simple y en segundo lugar, porque brinda valiosa información. De hecho, la mayoría de los cálculos de estructuras se realizan tomando como criterio los valores de resistencia de los materiales obtenidos mediante este ensayo. El ensayo consiste en estirar una probeta de forma y dimensiones generalmente normalizadas por las razones que se verán más adelante (figura III-1), en condiciones de tensión uniaxial y medir los valores de la fuerza aplicada en los extremos de la barra simultáneamente con el alargamiento de la misma. Hay diversos tipos de máquinas de ensayo. Algunos aspectos de los resultados no son independientes del tipo de máquina usada. Para que se cumpla con la condición de uniaxialidad la probeta debe ser 1. Homogénea, es decir no poseer defectos tales como porosidad interior o entallas 6 Daniel Vasallo, CNEA, PMM. Argentina, 1973. 61 2. Isótropa, es decir con iguales propiedades mecánicas en todas las direcciones y, 3. Bien alineada con respecto a las mordazas. Esto último es particularmente importante en materiales frágiles. Los resultados del ensayo se pueden expresar como un gráfico (figura III-2), cuya ordenada es la fuerza aplicada en las mordazas F y cuya abscisa es la deformación expresada como L─ L0 ═ ΔL ; siendo Lo la longitud entre dos puntos de la probeta antes de aplicar la carga F. Sin embargo, para independizar los resultados de las mismas dimensiones de la probeta se grafica en abscisas ordenadas F / Ao ═ ΔL / L0 ═ ε y en σ, siendo Ao el área de la sección trasversal de la probeta sin deformar. Siendo Lo y Ao valores constantes, la forma de la curva vs. será la misma que F vs L difiriendo sólo en las escalas y en las unidades. Sin embargo la tensión verdadera i a que está sometida la probeta en un instante dado no es F/Ao sino F/A siendo A la sección de la probeta al aplicar la carga F, A < Ao debido a que se puede considerar que la deformación se produce a volumen constante y un aumento de longitud trae aparejado una disminución de sección. Por otra parte, el alargamiento instantáneo es εi = ΔL / L, siendo L la longitud en el instante considerado. En consecuencia L > Lo. La forma de la curva corregida para valores instantáneos está representada en la figura III-3. Si bien la curva la curva i - i - i describe el fenómeno más correctamente, por lo general se usa debido a que es mucho más fácil de trazar ya que las diferencias entre ambas no son muy grandes para deformaciones pequeñas. En la curva de ensayos de tracción de la figura III-2 se pueden reconocer tres zonas indicadas I, II, y III. La zona I es una recta, la zona II tiene una pendiente positiva que va disminuyendo hasta llegar a cero en el máximo y la zona III se caracteriza por tener pendiente negativa. En la zona I la deformación que sufre la probeta es elástica. Esto significa que una vez eliminada la carga, la probeta vuelve a la dimensión inicial. 62 Si la probeta es sometida a una tensión dentro de la zona II, por ejemplo una tensión 1 (figura III-4), la probeta sufre una deformación ´1. Al eliminar la carga parte de la deformación desaparece, pero queda una deformación permanente o deformación plástica 1. Si se quiere volver a deformar plásticamente el material se necesita superar el valor de 1. El material no deformado comenzaba a fluir a una tensión deformado comienza a fluir a una tensión 1 > f. f; el material en otras palabras, el material ha aumentado su resistencia a la deformación plástica. Este fenómeno se llama endurecimiento por trabajado. Se observa que el endurecimiento por trabajado, definido como el aumento de la resistencia para una deformación dada, corresponde en el límite a la tangente de la curva - . El efecto de endurecimiento disminuye al progresar la deformación. Pasado el máximo de la curva - se necesita menor carga para deformar la probeta. La razón de esto no se debe a una pérdida de resistencia del material, sino a la aparición de un fenómeno llamado estricción cuyo origen es el siguiente: durante toda la deformación plástica el material aumenta en realidad su resistencia a la tracción debido al endurecimiento por trabajado, pero por otra parte va progresivamente disminuyendo su sección transversal pues la deformación se produce a volumen constante. Hasta llegar al punto máximo el efecto de endurecimiento es mayor que la pérdida de la capacidad de resistir la carga por disminución de la sección. El máximo de la curva coincide con la aparición de una disminución súbita de la sección de la probeta. En este momento el endurecimiento, que como se vio, disminuye con la deformación no puede compensar la disminución de sección localizada. En esa zona se produce un estado complejo de tensiones (el ensayo deja de ser uniaxial) y la deformación de la probeta hasta el momento de la rotura se localiza en esa zona. Del diagrama de tracción se obtiene valiosa información sobre el comportamiento mecánico de materiales. 63 Los datos más importantes que brinda están indicados en la figura II-5 y son Límite elástico, L.E. que es por definición el menor valor de para el cual se detecta deformación plástica. La determinación de este valor es sumamente delicada ya que es necesario realizar ensayos sucesivos con cargas cada vez mayores hasta tener deformación plástica. Por otra parte el valor depende de la sensibilidad del instrumento con que se miden las deformaciones. Todo esto dificulta su determinación normalizada y en consecuencia no tiene uso técnico. La dificultad se salva adoptando un nuevo valor llamado tensión de fluencia define como el valor de f , que se para el cual se produce una deformación plástica dada elegible por convención y fácilmente medible ( = 0.01; 0.01; 0.2% etc.). La primera porción del ensayo es prácticamente una recta y el punto donde ésta termina se llama límite de proporcionalidad. L.P. La tensión que corresponde al máximo de la curva r, y junto con f - se llama Tensión de Rotura, es el valor de tensión más importante para el cálculo de estructuras. La deformación que ha experimentado la probeta durante el ensayo también presenta interés. Es sabido que tecnológicamente no se usan materiales frágiles como elementos estructurales debido a los riesgos de rotura catastrófica que ello implica. El grado de ductilidad o de fragilidad de un material se puede evaluar considerando la elongación porcentual sufrida por la probeta. % Lrotura Linicial x100 Linicial L x100 Linicial o considerando la reducción del área en la zona de la rotura A% Ainicial Afinal x100 Aincial % es más usado que A %. Es necesario tener presente sin embargo que aquel valor depende de la longitud de la probeta. Esto es debido a que L está formado por la 64 deformación homogénea de la probeta estricción L2. L1 y por la de la zona que ha sufrido la L1 es proporcional a la longitud de la probeta, pero L2 no. Como consecuencia de esto, probetas cortas que presentan estricción darán un valor más alto de % que probetas largas del mismo material. Esa es la razón por la que la longitud de las probetas ha sido normalizada. Comportamiento Elástico Ley de Hooke En el rango elástico, los sólidos no sufren deformaciones permanentes; para este tipo de deformación se cumple la relación siguiente: =Ex llamada ley de Hooke en que la E, coeficiente de la ecuación, recibe el nombre de módulo elástico o de Young. Esta ley permite conocer las deformaciones a partir de las tensiones y viceversa y es de capital importancia en el cálculo de elementos resistentes. En el diagrama - que se ha visto anteriormente la pendiente de la parte recta es E. Este valor indica la rigidez de un material. Mecanismo de Deformación Elástica Ciertos compuestos orgánicos como el caucho vulcanizado y los cuerpos cristalinos se comportan elásticamente. Sin embargo en el caucho la deformación elástica puede llegar a valores del orden del 100% mientras que en los metales usuales esta no llega generalmente al 1%. Esta diferencia de comportamiento se debe a que los mecanismos de deformación son diferentes. Para entender el mecanismo en los metales es necesario remitirse a lo referente a uniones atómicas. Los átomos en un cristal metálico ocupan sitios de la red y se encuentran separados entre sí a distancias determinadas por el juego de fuerzas de atracción y de repulsión de corto alcance. La figura III-6 representa esas fuerzas y la energía de la unión de dos átomos en función de la distancia entre los mismos, la distancia de equilibrio, que corresponde a un mínimo en la curva de energía es a’. Si se aplica una fuerza F la distancia entre átomos será a’ + a. Cuando se deja de aplicar la fuerza, los átomos vuelven a su posición de equilibrio y no se introduce 65 ninguna deformación permanente en el cristal. Pero sí se aumenta el valor de la fuerza aplicada se llega a un punto en que, o el cristal se rompe por destrucción de las uniones atómicas o aparece en otro tipo de deformación, la deformación plástica o permanente. En el caucho las cadenas de isopreno no forman una red ordenada tridimensional, sino que están unidas a intervalos irregulares tal como se ve en la figura III-7. Al aplicar una fuerza se produce un estiramiento y deformación de las cadenas hidrocarbonas con la consiguiente deformación elástica. El caucho se estira de un modo semejante al de un tejido de lana. Debido a que la deformación elástica de los cristales depende de la naturaleza de la unión atómica, las propiedades elásticas de los materiales pertenecen al grupo de las llamadas propiedades no sensibles a la estructura. Estas propiedades en las que se encuentran además de la densidad, la dilatación térmica, etc., no son afectadas por factores tales como el tamaño de grano, pureza química, deformación etc. Las propiedades sensibles a la estructura (límite elástico es un ejemplo característico) como su nombre lo indica dependen de la estructura, es decir del contenido de defectos del material. La ley de Hooke no es sino la expresión microscópica de lo que ocurre en la escala atómica. En la figura III-6 la pendiente de la curva para el valor de a = a´ es precisamente E. Sin embargo, en el gráfico - , la representación gráfica de la relación = f ( ) es una recta en el rango elástico, y en la figura III-6 es una curva que eventualmente puede considerarse una función sinusoidal para valores de F > 0 y dF/da > 0. Esta aparente contradicción tiene su explicación. En efecto, para deformaciones muy pequeñas ε = (a – a0) << 0.01 la función sinusoidal difiere muy poco de la función lineal F = E sen E . Las deformaciones elásticas microscópicas corresponden a valores del orden de 0.1%. Estos valores corresponden a desplazamientos atómicos muy pequeños donde se puede entonces considerar válida la igualdad: F a En ensayos de tracción no se puede llegar a valores altos de deformación elástica porque surgen mecanismos de deformación plástica, pero en ensayos de compresión 66 hidrostática donde los materiales no sufren deformación plástica y en donde se consiguen alcanzar deformaciones elásticas considerables (mediante muy altas presiones) se observa una curvatura en la relación tensión deformación tal como se ve en la figura III-8. Es necesario tener en cuenta que en los ejes de coordenadas se indican presión hidrostática por un lado y V/Vo en lugar de y . Se nota que a medida que aumenta la presión es necesaria una mayor fuerza para acercar los átomos de un mismo a. El material se “endurece” al comprimirse elásticamente. En base en lo anterior podemos considerar otros aspectos de la deformación elástica. Anisotropía El análisis realizado anteriormente se puede hacer para átomos situados en otra dirección. Si el de la figura III-6 corresponde a átomos ubicados en una dirección <100>, por ejemplo, para <110> en cristales FCC, se puede realizar otro esquema similar en que las distancias atómicas y curvas de energía de unión variarán y por consiguiente lo hará E. Esta anisotropía tiene importancia en la generación de tensiones internas como se verá luego. Influencia de la Temperatura Una variación de temperatura trae aparejado una modificación de la rigidez de las uniones atómicas y en consecuencia una modificación en el valor de E. En general el valor de E disminuye con la temperatura. En la figura III-9 se pueden observar. Posibilidad de modificar el valor de E De acuerdo a lo expresado, E es una propiedad no sensible a la estructura, en consecuencia, no es posible obtener variaciones notables de E por cambio de estructura. Por aleación con otros metales se pueden obtener modificaciones, pero las cantidades a agregar deben superar el 10%. Tensiones Residuales La anisotropía de E tiene importancia en la deformación de policristales. Para ejemplificar se considerará el caso de una probeta bicristalina, figura III-10. 67 En el grano de A el eje de tracción coincide con el eje [100] y el grano B con el eje [111]. Se supone que las áreas de las secciones transversales son iguales. En la figura III-10, se representan las curvas vs para ambas orientaciones. Si la probeta sufre una elongación L1, el grano B se encontrará en el rango elástico y absorberá una parte de la carga igual a B SB. En el grano A parte de la deformación es elástica y parte plástica el grano A absorbe el resto de la carga F A SA B A SA. SB Es evidente que el grano A soporta una carga mayor que el grano B. Al descargar la probeta no se volverá a alcanzar la longitud inicial debido a la deformación plástica del grano A. La longitud de la probeta descargada será L+ Le. El grano A quedará comprimido y el Be en estado traccionado. Estas tensiones que se han ejemplificado son llamadas Tensiones Residuales y tienen importancia tecnológica. Todo material policristalino deformado presenta tensiones residuales a escala microscópica, pero también pueden producirse por deformaciones mecánicas o térmicas, tensiones residuales a escala macroscópica. Por ejemplo cuando se lamina en frío una chapa (sobre todo si la misma es gruesa), la deformación no es homogénea. Las zonas en contacto con los rodillos se deforman más que las que se encuentran en la parte central. Esto se puede comprobar por las formas de las puntas y las colas de una chapa laminada Fig.III-11. El interior de la chapa se encuentra traccionado y el exterior comprimido. La chapa permanece plana porque hay compensación entre las zonas tensionadas con signos opuestos. Pero si es necesario eliminar parte de la superficie en una de las caras se producirá un desequilibrio que la combará. Las tensiones residuales son, en algunos casos beneficiosas (tensiones de compresión en la superficie de piezas sometidas a fatiga aumentan su resistencia), pero en muchos casos son perjudiciales (por ejemplo tensiones de origen térmico en soldaduras) y deben ser eliminadas porque agregan a las fuerzas externas al sistema tensiones de valor desconocido y no controladas. Las tensiones residuales se pueden eliminar por calentamiento. 68 Comportamiento Plástico El gráfico σε da ciertas características mecánicas del material considerado como homogéneo, isótropo y continuo, pero se ha visto que los granos que forman un metal presentan anisotropía debido a su carácter cristalino. El comportamiento isótropo de los materiales usados habitualmente proviene de la compensación estadística de un gran número de granos orientados al azar. El uso de probetas policristalinas, útil para obtener datos sobre comportamiento mecánico, no permite obtener información sobre los mecanismos de deformación plástica debido a que la multiplicidad de orientaciones complica la interpretación del fenómeno. Para obtener información sobre el problema, conviene simplificar las experiencias usando probetas monocristalinas. La orientación de estas probetas de un solo grano será la misma en todos sus puntos. La técnica de construcción de monocristales es muy utilizada en los laboratorios. Si se preparan, por ejemplo probetas monocristalinas de cadmio, Cd, (hcp), y se los tracciona, se puede observar que las tensiones a las que el material comienza a fluir: a) son mucho menores que para una probeta policristalina del mismo material. La figura III-13 muestra este comportamiento. Si bien corresponde a Zn, los resultados son similares. b) depende de la orientación del monocristal respecto al eje de la probeta. Además, un examen de la superficie pulida del metal antes del ensayo, revela la existencia de líneas que corresponden a la intersección de la superficie con los planos basales (0001). Un examen más detenido de la cristalografía del proceso muestra que la deformación se produce no sólo en planos definidos, sino también según direcciones cristalográficas bien definidas. Estas líneas corresponden en realidad a escalones, figura III-14, que son llamados bandas o líneas de deslizamiento (slip lines). El material se deforma como cuando en un mazo de cartas desliza una carta sobre otra. 69 Sin embargo, cuando se calcula la tensión crítica resuelta, c, que se define como la mínima tensión de corte resuelta sobre el plano de deslizamiento en la dirección de deslizamiento que produce la deformación plástica, figura III-15. c = Se observa que c F/A. cos α. cos λ es constante e independiente de la orientación. Sin embargo, este valor es muy influenciado por el estado estructural del material (es una propiedad sensible a la estructura), (impureza, deformación previa, etc.). Ahora bien, es posible preguntarse: ¿por qué la tensión de fluencia de un monocristal es tan baja comparada con la de un policristal? ¿de qué depende la resistencia a la deformación plástica de un metal? En base a la existencia experimental de las líneas de deslizamiento, se puede imaginar que la deformación plástica de los metales se produce por deslizamiento de un plano sobre otro (como el ya citado modelo del mazo de cartas).Figuras III-16 a y b. Sin embargo, cálculos sobre la fuerza necesaria para deformar por este mecanismo muestran que ésta debería ser mucho mayor que la que se verifica experimentalmente. Esto indica que el mecanismo simple de deslizamiento de un plano sobre otro, sin que se operen modificaciones en la red, es incorrecto. El cálculo se basa en el hecho que para producir deformación hay que llevar todos los átomos simultáneamente a una posición como la dibujada en la figura III-16b con círculos rayados. Para explicar los bajos valores de resistencia mecánica (comparado con los valores teóricos), se propuso un modelo que se basa en la existencia de defectos lineales llamados “dislocaciones” dentro del cristal. En la figura III-17, se ve que la red cristalina dibujada no es perfecta. El plano tercero (llamado extraplano) se interrumpe en la mitad del cristal. El conjunto de átomos en posición A, pertenecientes a planos que se hallan por encima y por debajo del plano de la figura, forman una dislocación llamada de “borde”. Un cristal con una dislocación de borde se deforma de la siguiente manera. El átomo A pasa a la posición B y el átomo B pasa a una posición intermedia entre la nueva posición de A y la posición C, figura III-18. El extraplano se ha desplazado. Un segundo salto produce un escalón 70 (línea de deslizamiento), en el material. A diferencia del modelo anterior, basta mover muy pocos átomos simultáneamente para producir un escalón usando el modelo de dislocaciones. Es necesario advertir que, de acuerdo al modelo propuesto hasta el momento, la deformación debería cesar cuando todos los extraplanos han emergido al exterior. La deformación no cesa, sin embargo, porque durante el proceso se generan nuevos extraplanos. Estos modelos han tenido confirmación experimental, y, en particular, el microscopio electrónico ha permitido conocer en detalle el comportamiento de las dislocaciones. A partir de estos conceptos se ha desarrollado una “Teoría de Dislocaciones” que permite abordar, por lo menos cualitativamente o semicuantitativamente un buen número de problemas antes irresolubles. Otros aspectos de la deformación plástica en metales hexagonales: i) Influencia de la estructura cristalina: Se ha comprobado que en general las direcciones en que se produce el deslizamiento corresponden a direcciones en que la densidad lineal de átomos es máxima. Por otra parte, los planos de deslizamiento también son planos densos. Esto es bastante comprensible si se tiene en cuenta que los planos más densos son los que presentan mayor distancia interplanar. Para los metales hexagonales Zn y Cd, los planos basales son planos densos, y, en general, son los planos en que se produce deslizamiento. Sin embargo, en Zn se puede producir deslizamiento también en planos piramidales. En otros metales hexagonales, el Zr, por ejemplo, la deformación se produce en planos prismáticos. Esto es debido a que en los metales hexagonales la distancia entre planos depende de la relación c/a (ver tablas). ii) El deslizamiento no implica ningún cambio de orientación en la red a ambos lados del plano de deslizamiento y es por esta razón que si los escalones se eliminan por pulido, no queda ningún indicio de la deformación que se ha producido. iii) Maclado. En los metales (y en otros cristales, por ejemplo, calcita, figura III-19) se puede presentar otro mecanismo de deformación llamada maclado. El término macla se usa en cristalografía para designar la relación de orientación entre dos cristales que presentan simetría, generalmente especular respecto a un plano. Si bien para los 71 metales esta simetría no es fácilmente reconocible, el término del mecanismo de deformación está correctamente empleado porque la zona que ha deformado, presenta una relación de macla con respecto a la original. Si se tracciona un monocristal de Zn cuyo plano basal sea casi paralelo a la dirección de tracción, se observará, figura III-20, la aparición de una zona de orientación diferente indicada como M en la figura. Esta zona es una macla. En la figura III-21, se muestra el mecanismo de maclado y se compara con el de deslizamiento. A diferencia del deslizamiento, en un material que ha deformado por maclado quedan evidencias de la deformación que no pueden ser eliminadas por pulido. Como se ve en las figuras III-22 la deformación va acompañada de un cambio de orientación de la red. Ese cambio de orientación puede ser revelado por los reactivos de ataque o mediante el empleo de luz polarizada si el material es ópticamente anisótropo. En los materiales policristalinos las maclas tienen una forma característica de aguja. En algunos casos (uranio o Fe por ejemplo) son muy finas y difíciles de diferenciar de las líneas de deslizamiento. En otros casos son más cortas y anchas (por ejemplo en el Zn). El maclado se diferencia entonces del deslizamiento en que en este último la deformación no va acompañada de cambio de orientación de la red. Por otra parte en el deslizamiento, la zona en que se producen desplazamientos relativos de unos átomos con respecto a los vecinos queda localizada en los dos planos que deslizan (es decir en un volumen muy pequeño) y, el desplazamiento puede llegar a ser de varios miles de espacios atómicos. En el maclado, los átomos que sufren desplazamientos se hallan ocupando un volumen mucho mayor y el desplazamiento de cada átomo respecto al vecino, es una fracción de espaciado atómico. El deslizamiento es más efectivo que el maclado para permitir cambios de forma. Sin embargo, el maclado, al cambiar la orientación de la red en la zona maclada, permite que en ella puedan operar mecanismos de deslizamiento. La deformación por maclado se produce a alta velocidad y va acompañada por un “clic” audible. El “grito del estaño” que se produce cuando se deforma este metal (y que también se produce en Zn) es debido precisamente a la aparición de maclas. 72 Curvatura y Rotación de la Red Cristalina La deformación del monocristal hexagonal discutido anteriormente se consideró realizada en una máquina de tracción que permite el desplazamiento lateral de las mordazas. Esto es necesario, porque durante la deformación, se produce rotación de la red cristalina con respecto al eje longitudinal de la misma, figura III-23. Es decir, que el ángulo θ de la figura III-15 varía. Si se emplea una máquina de mordazas rígidas, para acomodar esta rotación se debe producir una curvatura de la red cristalina, figura III-24. A diferencia de los mecanismos anteriores en que la red no alteraba su geometría, este mecanismo de deformación produce una alteración de la misma, pues curva los planos. Esto se puede detectar mediante rayos X. En efecto, la difracción de rayos X, por los átomos de un cristal, se puede considerar como reflexión de ciertos planos. Deformación Plástica en Otros sistemas Cristalinos Metales Cúbicos de Caras Centradas: En estos sistemas se obtienen diferentes tipos de curvas según la orientación del monocristal. Una curva típica es la que aparece en la figura III-25. En ella se observan tres zonas indicadas con I, II, y III. La zona I, llamada de deslizamiento fácil, no se diferencia de la de los metales hexagonales ya vistos. La deformación se produce según un sistema de deslizamiento que produce, sobre la superficie del cristal, una serie de líneas de deslizamiento paralelas. Para un cierto valor de deformación, zona II, aparece la consolidación del metal que aumenta su resistencia a medida que se deforma. Este aumento de resistencia va acompañado de la aparición de otro sistema de líneas de deslizamiento que se cruza con el anterior. Esto se produce debido a que, como consecuencia de la rotación de la red, luego de una cierta deformación, otro sistema de deslizamiento queda favorablemente orientado para operar. En efecto, los metales cúbicos de caras centradas deforman en planos {111} y direcciones <110>, es decir, en sistemas {111} <110>. Hay doce posibles combinaciones, y, en consecuencia, al deformar comenzará a operar la más 73 favorablemente orientada. Sin embargo, al rotar habrá otro sistema que podrá operar. Un sistema impide el fácil deslizamiento del otro. La etapa III, corresponde a un “ablandamiento” del metal. La razón de esto es la aparición del llamado “Deslizamiento Cruzado”. La tensión aplicada al material es elevada y esto permite que una banda de deslizamiento que ve impedido su desplazamiento, cambie de dirección, deslice en otro plano {111} diferentemente orientado del primero y luego retorne a su dirección original. Es decir que el aumento de densidad de planos de deslizamiento no trae aparejado un aumento de resistencia y esto se ve reflejado en la disminución de la pendiente de la curva. Las curvas como las analizadas aparecen en el caso en que durante un cierto tiempo puede operar un solo sistema de deslizamiento. Si desde el comienzo pueden operar más de un sistema no habrá deslizamiento fácil y la curva será como la figura III-26. En los metales FCC, también se producen rotaciones de la red como las que aparecían cerca de las mordazas de metales hexagonales. Esto da lugar a las llamadas bandas de deformación, figura III-27. Metales Cúbicos de Cuerpo Centrado: Lo que caracteriza a los metales BCC, es la dirección de deslizamiento, que es una dirección compacta <111>. El plano de deslizamiento no aparece tan definido, siendo de todas maneras un plano de índices bajos. Esto hace que las líneas de deslizamiento aparezcan onduladas, o sinuosas. Recristalización La curva - muestra que a medida que un metal se deforma aumenta su resistencia mecánica. Por otra parte el metal deformado pierde ductilidad. Si se quiere obtener un alambre de 1mm 2 de sección, a partir de una barra de 100mm2, es necesario reducir la sección en un 99% (el material debe elongarse 10,000%). Si el material en cuestión se rompe con una elongación de 20% (suponiendo una elongación en la zona de rotura de 100%) es evidente que esto será imposible de realizar, salvo que luego de una cierta deformación, de alguna manera se le puedan restituir las características de deformabilidad originales. Desde antiguo se sabe que los metales trabajados en caliente pueden ser deformados sin límite. Lo mismo puede realizarse calentado el metal luego de deformarse. 74 Este fenómeno por el cual, por efecto del calor, a material deformado se le restituyen las propiedades del mismo material no deformado tiene gran importancia tecnológica ya que permite llegar a formas semiterminadas a bajo costo. Si una probeta metálica se deforma por tracción un cierto %, la dureza del material aumentará según una curva como la que se muestra en de la figura. Si luego esa probeta se calienta y se mide la dureza en función del tiempo de calentamiento, se observa una caída de dureza. Luego de un tiempo dado, el metal llega a tener una dureza similar a la de partida. En esas condiciones el material puede volver a ser deformado. H Aumento de la dureza con la deformación plástica. ¿Por qué el material recupera sus propiedades iniciales? Si se observa con un microscopio un metal no deformado se puede ver una estructura policristalina de granos equiaxiados de la que se habló en el Tema I. El aspecto del mismo material muy deformado es confuso. La estructura policristalina es difícilmente reconocible y esto es debido al gran número de defectos introducidos durante la deformación. En otros casos es posible reconocer en el material deformado granos alargados por el proceso de deformación. El material calentado hasta tener la dureza inicial presenta un aspecto policristalino semejante al original. Esto significa que la restitución de propiedades mecánicas es debida a la transformación de una estructura con baja densidad de defectos generalmente de granos equiaxiados. Este fenómeno se llama recristalización. 75 Si se mide la evolución de la resistencia eléctrica durante el calentamiento de un material deformado, se puede comprobar una progresiva disminución de la misma que se opera antes que se produzca la recristalización. Esto significa que previo a la recristalización y pese a no observarse modificación en el microscopio el material sufre ciertas modificaciones. La etapa en que ocurren esas modificaciones se designa recuperación. Por otra parte en el material recristalizado aparece otro fenómeno que consiste en que ciertos granos crecen a expensas de otros de un modo semejante a como crecen las celdas de una espuma. Este fenómeno se llama crecimiento de grano. Se verá en detalle a continuación cada una de las tres etapas que se producen al calentar un metal deformado. Es necesario aclarar que frecuentemente todo el fenómeno recibe el nombre genérico de Recristalización. Recuperación: Durante la deformación plástica se entrega energía al metal. Gran parte de esta energía se libera como calor en el mismo proceso de deformación, pero parte de ella (que puede llegar al 10%) queda almacenada como energía elástica en la red debido al aumento de defectos lineales y puntuales. Sometiendo el material a temperaturas elevadas se aumenta la movilidad de los átomos en la red lo que posibilita un reordenamiento de los mismos hacia configuraciones estables de menor energía por eliminación de defectos. Esto es general para las tres etapas del proceso. Durante la recuperación en particular se observa la desaparición de defectos puntuales y un reordenamiento ó reubicación de dislocaciones pero no disminución de densidad de dislocaciones. En realidad la desaparición de vacancias e intersticiales se produce ya a temperaturas inferiores a la ambiente. Si se deforma un metal a una temperatura de 70º K y se mide la resistividad a medida que se eleva la temperatura se observará un comienzo de disminución a temperaturas ligeramente superiores a 70º K. Es decir que cuando se deforma a temperatura ambiente se produce ya una recuperación inmediata a continuación de la deformación. 76 Otro fenómeno que ocurre durante la recuperación es la poligonización, que consiste en un reordenamiento de las dislocaciones que se ubican formando paredes. Si se cumplen ciertas condiciones, este fenómeno puede ser observado con el microscopio óptico. Recristalización: Se dijo ya que durante la etapa de recristalización hay un brusco cambio de propiedades. Esto es el resultado del pasaje de una estructura de granos deformados cuya red cristalina ha sufrido profundas modificaciones a una estructura de granos generalmente equiaxiados y que presentan una relativamente baja densidad de defectos. Desde el punto de vista tecnológico lo que más interesa de este proceso es: 1. Como controlar el fenómeno, es decir como provocar o evitar la recristalización de un determinado material. Por ejemplo conocer a qué temperatura y durante cuánto tiempo es necesario recocer una aleación para luego poder seguir laminándola en frío, o, por el contrario, cuánto tiempo una aleación deformada que trabaja a temperatura elevada permanecerá sin recristalizar (este es por ejemplo el caso de los radiadores de motores de combustión interna). Esto obliga a conocer la cinética del fenómeno. 2. Controlar el tamaño de grano final ya que las propiedades mecánicas finales del material recristalizado dependen del tamaño de grano. En general se pretende obtener una estructura de tamaño final pequeño debido que la resistencia mecánica es mayor. estampado Para chapas que luego deben ser deformadas por debe evitarse un tamaño de grano grande debido a que esto provoca un defecto llamado “piel de naranja” que consiste en una superficie rugosa; por otra parte el tamaño tampoco debe ser demasiado pequeño debido a que la ductilidad disminuye. Otros fenómenos que deben ser tenidos en cuenta son por ejemplo las texturas de recristalización, el crecimiento de grano exagerado ó recristalización secundaria, el aspecto superficial del material luego de recocido, etc., pero estos puntos serán dejados de lado en el presente curso. 77 Crecimiento de Grano: Si se continúa calentando una probeta que ha recristalizado y se le examina al microscopio periódicamente se observará, que con tiempos crecientes aumenta el tamaño de grano. Como el volumen de la probeta no ha variado, esto significa que ha disminuido el número de granos por desaparición de algunos de ellos. Se podría decir que unos granos se “comen a otros”. Los límites de grano son superficies a las que está asociada una cierta energía superficial. La disminución de la superficie de límites de grano que ocurre durante el crecimiento de grano trae aparejada una disminución de la energía total del cristal. Esta disminución de energía es la fuerza motriz del fenómeno. 78 Figura III-1 Probeta de tracción normalizada Probeta de tracción normalizada Figura III-2. Curva de ensayo de tracción 79 σ- σi ε - εi Figura III-3 Curvas σ – ε y σi – εi FIG. III-4 Deformación transitoria y permanente 80 σ ε% Figura III-5 Principales valores de la curva de tracción Figura II-5 Principales valores de la FIG. III-6 Curvas de fuerza de atracción y repulsión interatómica 81 Figura III-7 Esquema de Estructura de caucho vulcanizado Fuente: Cottrell “The mechanical properties of matter” Pág. 80. Figura III-8 FIG. III-8 Comportamiento de Zn, Al y Cu en Deformación elástica por comprensión hidrostática 82 Fi Ao g. III-9 Fuente: Guy “Elements of Phisical Mettallurgy” 83 Figura III- 10 Micro-tensiones residuales en un bicristal 84 Figura III-11 Tensiones residuales en una chapa laminada Figura III-12 Fabricación de un monocristal por la técnica de solidificación controlada 85 86 87 88 Fig. III-18 Movimiento de una dislocación por deslizamiento Fig. III-19 Maclado de un cristal de calcita CO3 Ca. Corte con cuchilla. Fig.III-20 Formación de una macla en un monocristal de Zn. 89 90 Fig. III-22 b 91 92 93 CAPÍTULO IV DIAGRAMAS DE EQUILIBRIO7 Si fundimos juntos dos elementos puros y los dejamos solidificar muy lentamente, se forma una aleación, que si la examinamos al microscopio se observa lo siguiente: 1. La aleación presenta una estructura totalmente homogénea, como si fuera un metal puro, formando una estructura policristalina. Fig. IV-1a. Como ejemplo tenemos la aleación Cu- Ni. 2. La aleación presenta una estructura de dos fases con diferencia de composición química y/o estructuras cristalinas separadas por un límite abrupto o interfase. Fig. IV-1b. Ejemplo, el Acero. a b Fig. IV-1 7 Susana Comas y Daniel Vasallo CNEA, PMM. Argentina, 1973. 94 Debe entenderse que un material es monofásico, cuando recorriéndolo punto por punto a lo largo de una línea imaginaria como la figura IV-1a, la composición química y/o estructura cristalina, no varían a lo largo de la misma. Por el contrario, se tiene una estructura polifásica cuando se encuentran cambios abruptos de composición química y/o estructura cristalina. Fig. IV-1b. Fase: Es el conjunto de cada una de las partes del sistema con iguales propiedades físicas y químicas. Se denomina interfase a la superficie de separación de las fases. La diferencia de composición química de las fases hace que la reactividad de las mismas frente a ciertos reactivos de ataque sea distinta, lo que permite poner en evidencia la estructura bifásica. Las fases presentes tienen mucha influencia sobre las propiedades de las aleaciones, lo que hace importante saber cuántas fases y cuales están presentes en una aleación a distintas temperaturas. Las propiedades referidas se representan por medio de los diagramas de equilibrio, que nos proporcionan información sobre cuáles y cuantas fases están presentes en una aleación, para una dada temperatura y composición química específica. La Fig. IV-2 representa el diagrama de equilibrio de la aleación Cu-Ag. Fig. IV-2 95 Este diagrama está dividido en campos que corresponden a zonas en que se encuentran presentes una o dos fases, las cuales se designan con letras griegas. Un punto específico en el diagrama se determina por medio de una temperatura y una composición dadas. Por ejemplo, para la aleación con 10% de Cu (valor de la abscisa), a temperatura ambiente, corresponde una zona en que coexisten las fases α y e (eutéctico). A 800 grados estarán presentes α + líquido, y, a 1000 grados, sólo líquido. De los diagramas de equilibrio se puede obtener información valiosa en metalurgia, tal como puntos de fusión o de transformación de fases en aleaciones, temperaturas de homogeneización, temperaturas de tratamientos térmicos etc. Para poder aprovechar dicha información, es conveniente realizar un estudio sistemático de los diferentes tipos de diagramas a que pueden dar origen las aleaciones de dos componentes y de las propiedades de los mismos, como se verá de aquí en adelante. Regla de las Fases de Gibbs La regla de las fases no sólo permite una mejor interpretación de los diagramas de equilibrio y de las curvas de análisis térmico que se verán más adelante, sino también permite deducir cuál es el máximo número de fases que pueden existir en un sistema dado. En los casos que se estudiarán, un sistema queda termodinámicamente definido, cuando se conocen la presión, la temperatura y la composición química de cada una de las fases. Dicha composición se expresa mediante la concentración de cada componente en cada fase. Mediante consideraciones termodinámicas, Gibbs dedujo la regla de las fases que expresa: “El número de fases, F, que se encuentran en equilibrio en un sistema, sumado al número de grados de libertad o variancia, V, del sistema es igual al número de componentes, C, más dos”. F+V = C + 2 O, expresado de otro modo: “el número mínimo de variables independientes de un sistema, V, con el que se puede definir termodinámicamente el mismo, es igual al número de componentes, C, menos el número de fases más dos. V= C-F+2 96 Siendo: Fase: lo que ya fue definido. C = número de componentes: el número de componentes está dado por el número de elementos presentes; en el caso de un sistema con compuestos estables, cada compuesto será considerado un componente, y, los elementos que lo componen sólo se tendrán en cuenta cuando hay descomposición de los mismos. Por ejemplo, en una mezcla de NaCl+H2O, el número de componentes es 2, a menos que las condiciones de P y T sean tales que se descompongan, en cuyo caso los componentes serán 4: Na, Cl, H y O. V = variancia: o grados de libertad del sistema, es el número de variables externamente controlables (temperatura, presión, composición) que deben ser especificadas para definir termodinámicamente el sistema. En otros términos, es el número de variables que pueden modificarse independientemente sin modificar el número y naturaleza de las fases presentes. Deducción de la regla de las fases: En un sistema de C componentes y F fases, las variables que determinan el sistema son: 1. Presión. 2. Temperatura. 3. C.F. Valores de concentración (de los componentes en las F fases). Por lo tanto, el número total de variables será: C. F + 2 Sin embargo, estas (C.F+2) variables, no son totalmente independientes entre sí ya que el estado de equilibrio impone ciertas restricciones. Se trata en efecto de un equilibrio dinámico en el que a través de las interfases se produce un intercambio de átomos. Así, tal como se ven en la figura IV-3, a través de la interfase, i, del componente A se desplazan de moléculas α a β y moléculas de A se desplazan de β a α en el mismo tiempo, aunque las concentraciones de A en α y β no sean las mismas. 97 Fig. IV-3 Para que esto ocurra los potenciales termodinámicos para el elemento A en ambas fases deben ser iguales. Es decir, que hay una función de la concentración que debe ser la misma para cada elemento en todas las fases en equilibrio. Cada igualdad de esta función equivale a una ecuación que liga las concentraciones de un mismo componente en 2 fases. A su vez, cada ecuación que liga las variables disminuye en 1 (uno) las variables independientes necesarias para definir el sistema. Por ejemplo, en un sistema de F fases, para el componente A el equilibrio implica que: μ (CAα) = μ (CAβ) = μ (CAү) =. . .= μ (CAF) o sea (F – 1) ecuaciones. Como esto se repite para los C componentes, habrá C (F-1) ecuaciones restrictivas. Además, la suma de las concentraciones de los diversos elementos de cada fase debe sumar 1. CAα + CBβ + CCү +…………………= 1 Y como para cada fase se tiene una ecuación como la anterior, habrá otras F ecuaciones que restringen el número de variables independientes. 98 Es decir, que por una parte tenemos (CF+2) variables, y, por otra parte F + C (F – 1) = F + CF–C ecuaciones que restringen el número de variables independientes; entonces: – (F + CF – C) V = CF + 2 Variancia = variables totales ecuaciones restrictivas = C–F+2 variables independientes Esto constituye la regla de las fases. Existen algunas reglas nemotécnicas para la regla de fases. Sin embargo, esto no es necesario si se piensa en la deducción. Cada componente que se agrega al sistema aumenta el número de variables independientes ya que es necesario conocer su concentración en cada fase para definir el sistema (V aumenta en número F). Por el contrario, cada fase disminuye el número de variables ya que impone condiciones de equilibrio (V disminuye en C). De allí se deduce que el número de componentes debe estar precedido del signo más y el número de fases del signo menos. Aplicación a sistemas Binarios Para definir un sistema binario (o sea de dos componentes), cuando existe una sola fase se necesitan tres variables: V=C–F+2 C=2 F=1 De donde V = 3 Una de estas variables es la presión. Para sistemas metálicos en la gran mayoría de los casos se sobreentiende que la presión del sistema es la presión atmosférica y, en consecuencia, al quedar definida una de las variables, el número de variables independientes se reduce en una unidad y tenemos: V=C–F+1 Que se usa en los sistemas metálicos, salvo que se aclare lo contrario. Bajo esta forma, para un sistema binario bifásico, el número de variables independientes es 1. V = 1; C = 2; F = 2 Si se tienen los componentes A, B y las fases α y β, las variables serán cinco: 99 T; CAα; CAβ; CBα y CBβ Pero como la variancia del sistema es 1, cualquiera de ellas que se fije determina el estado del sistema. Es decir, que si se fija la temperatura, las concentraciones de los dos componentes en las dos fases no pueden ser cualquiera, sino que quedan perfectamente definidas. Si se fija la composición de una fase, quedan determinadas la temperatura y la composición de la otra fase. Si hay tres fases, el número de grados de libertad es 0, es decir que quedan definidas la temperatura y la composición de las fases presentes. En un sistema binario, la regla de las fases indica que no pueden existir más de tres fases en equilibrio. En general, para un sistema de C componentes, el número máximo de fases posibles es C+1. Sin embargo, esas C+1 fases coexisten a una única temperatura. Cualquier variación hace desaparecer una de ellas. Los sistemas en equilibrio con los que se está en contacto diario, están afectados por las fluctuaciones de la temperatura circundante y, en consecuencia, existen muy pocas posibilidades que una aleación real presente las C+1 fases. En los casos corrientes, el máximo número de fases posibles iguala al número de componentes. Por ejemplo, para un sistema binario el máximo número de fases habitualmente presente será 2 y para un sistema ternario (tres componentes), será 3. La regla de las fases es el fundamento teórico de los diagramas de equilibrio. Hay que remarcar que prácticamente todas las consideraciones que se hacen en el presente capítulo se refieren a sistemas en equilibrio. Si bien esto ocurre raramente en los sistemas metalúrgicos, ese punto de vista es un buen punto de partida para entender los fenómenos que ocurren en condiciones de no equilibrio, como los que serán tratados en solidificación y transformaciones de fase en estado sólido. Soluciones Sólidas Binarias o Sistemas Isomorfos El diagrama más simple, es el de dos metales que poseen solubilidad total en el estado sólido, formando una solución sólida en todo el rango de composiciones. Es decir, los átomos de los metales están uniformemente distribuidos en la red cristalina. La distribución del soluto en la red cristalina del solvente puede presentarse de dos maneras: introducido en los intersticios o “agujeros” del retículo del solvente o bien reemplazando los átomos de solvente en la red. 100 Sin embargo, en los sistemas que presentan solubilidad total, sólo es posible el segundo tipo de solución, que es la llamada sustitucional, de manera que la solución sólida en todo el todo el rango de composición es isomorfa con ambos metales puros, por lo que este tipo de sistemas se denominan Sistemas Isomorfos. Un diagrama de equilibrio de este tipo se puede observar en la figura IV-4. Como puede observarse, para todo el rango de composiciones, por encima de determinados valores de temperatura (curva de líquidos), el sistema está constituido por una sola fase líquida, y, análogamente, por debajo de las temperaturas dadas por la curva de sólidos, el sistema está constituido por una sola fase sólida (solución sólida). Esta solución sólida observada al microscopio en estado de equilibrio, se verá como una fase homogénea en la que los únicos detalles que se podrán encontrar son límites de grano y/o maclas de recristalización. Fig. IV-4 Si a la temperatura T1 se encuentra una sola fase, de composición C1, con esas dos coordenadas se tendrá el punto L1 en la figura IV-5. A la temperatura T2, se observa que el sistema está compuesto por dos fases, una líquida de composición CL2 y otra sólida de composición CS2. Los puntos L2 y S2 indican cuales son las fases que coexisten a temperatura T2 y en consecuencia son dos puntos del diagrama de equilibrio. 101 Fig. IV-5 El segmento de isoterma que une a puntos tales como L2 y S2 se llama Línea de Unión o Conodal. A temperatura T3, las composiciones de las fases que coexisten son CS3 y CL3. Los puntos L3 y S3 también son puntos del diagrama y determinan otra conodal. Se determina lo mismo para otras temperaturas T4, T5 y se tendrá un diagrama como el de la figura IV-4. La línea L2, L3, L4, L5, es la llamada línea de líquidos o de liquidus. En la zona que se halla por encima de ella, se encuentra únicamente la fase líquida. La línea S3, S4, S5, es la línea de sólidos o de solidus. Por debajo de esta última, el sistema está compuesto por una única fase sólida. La zona comprendida entre las líneas de líquidos y de sólidos es la única parte del diagrama en que coexisten dos fases, una líquida y una sólida, en equilibrio. Hay que notar que en condiciones de equilibrio, en la zona bifásica (α +L), las variaciones de temperatura deben ir acompañadas de cambios de composición, tanto de la fase líquida como de la fase sólida. Así, al pasar de T3 a T4, el líquido y el sólido se enriquecen en el componente A. Las composiciones de la fase sólida y de la fase líquida, a medida que progresa la solidificación variarán como indica la figura IV-6. Es decir, que el proceso de 102 solidificación no es tan simple como para un sólido puro. Esté cambio de composición se hace mediante mecanismos de difusión en el sólido y líquido y en la interfaz sólidolíquido. Una solidificación rápida que no permita actuar estos mecanismos de difusión trae aparejado mecanismos de segregación. Fig. IV-6 Análisis Térmico: Si se coloca una termocupla dentro de un recipiente que tiene un metal puro fundido y se mide periódicamente la temperatura (o se utiliza un registrador adecuado), el gráfico de enfriamiento que se obtiene (Temperatura vs. Tiempo), será semejante al de la figura IV-7. Fig. IV-7 103 Entre A y B se produce una pérdida de temperatura del sistema por radiación o convección, lo que se traduce en una curva de decrecimiento logarítmico. Al llegar a la temperatura de solidificación TF, comienza a aparecer la fase sólida. La solidificación transcurre a temperatura constante. Aplicando la regla de las fases para este sistema, se tiene que F = 2, C = 1, y, siendo la presión la atmosférica, V = 0. La temperatura debe ser invariable. Cuando todo el sistema ha solidificado la temperatura decae con una ley semejante a la del enfriamiento del líquido. Si se pudieran reconocer las fases sólidas y líquidas, mientras el sistema se enfría, como por ejemplo agua y hielo, se observaría durante el enfriamiento un fenómeno como el representado en la figura IV-8. Fig. IV-8 Si durante la solidificación de una aleación de un sistema isomorfo de composición CS5, como en la figura IV-5 se miden las temperaturas, se obtiene una curva como la de la figura IV-9. Los tramos entre T1 y T2 y entre T5 y T6 son semejantes a los vistos para un metal puro, pero entre T2 y T5, el sistema se comporta en forma diferente. Fig. IV-9 104 Al llegar la temperatura a T2 comienzan a aparecer cristales sólidos y, como la solidificación va acompañada de desprendimiento de calor, se produce una disminución de la pendiente de la curva temperatura-tiempo. Al llegar a la temperatura T5, en que todo el metal ha solidificado, la curva de enfriamiento del sólido vuelve a ser semejante a la que presentaba el líquido. Entre las temperaturas T 2 y T5, tal como se ve en el diagrama de equilibrio, coexisten dos fases y la solidificación no ocurre a una temperatura única, como para un metal puro, sino que existe un rango entre las mismas en función de la solidificación. El aspecto del sistema en los puntos A, C y E de la figura IV-9, serán las figuras IV-8a, b y c respectivamente, es decir semejante al de un metal puro, pero teniendo en cuenta que en lugar de metal puro se trata de una solución sólida y que la composición de los cristales α en la figura IV-8b no será la misma que la composición del líquido. El punto B es un punto del diagrama de equilibrio, ya que es un punto de la línea de líquidos, y, el punto D también, ya que es un punto de la línea de sólidos. Debido a la segregación que se produce durante la solidificación, en sistemas reales esto no es totalmente válido. Regla de la Palanca (Valida para la Zona Bifásica) El diagrama de fases no sólo permite conocer la composición de las fases, sino también la proporción en que se encuentran ambas. Esto se puede hallar aplicando la llamada “Regla de la Palanca”. Si en el diagrama de la figura IV-10 a una temperatura T1 tenemos en equilibrio la fase líquida de composición CA y la fase Solida de composición CB, puede establecerse las siguientes proporciones: Cantidad de líquido = Cantidad total de la aleación Cantidad de sólido AB = Cantidad total de la aleación Cantidad de líquido Cantidad de sólido CB AC AB = CB AC 105 Esta regla es general para cualquier campo de dos fases tal como el de la figura IV-11, y, surge de un balance de materia para cada uno de los componentes del sistema. Fig. IV- 10 Fig. IV-11 106 Sean: mT = masa total de la aleación de concentración global C0 mα = masa de la fase α de composición Cα mβ = masa de la fase β de composición Cβ Un balance para el componente B, indica que la cantidad total de B en la aleación es igual a la suma de la masa de B contenida en ambas fases: mT C0 = mα Cα + mβ Cβ (1) como: mT = m α + mβ mβ = mT - mα (2) Reemplazando en la ecuación (1): mT C0 = mα Cα + mT Cβ - mα Cβ Reagrupando: mT (Cβ - C0) = mα (Cβ - Cα) O sea: mα = Cβ – C0 mT Cβ – Cα (3) De la misma manera, reemplazando en la ecuación (1) mα = mT - mβ Se tiene: mβ = C0 mT Cβ – – Cα Cα (4) Las ecuaciones (3) y (4) son las formas generales de la regla de la palanca para cualquier campo bifásico. Algunos sistemas isomorfos presentan diagramas como los de las figuras IV-12/13. En ellos las tangentes de la curva de liquidus y de solidus son comunes en un punto del diagrama que es un mínimo o un máximo de la curva. En la figura IV-14 se ve que si esta condición no se cumple, aparece una incongruencia, ya que para una temperatura T1 existirían en equilibrio dos fases sólidas de composición C α1 y Cα2 en una zona de una sola fase sólida, más una fase líquida (α + L). 107 A la composición correspondiente al mínimo, la aleación funde como un metal puro, a una temperatura única. La composición del líquido y del sólido es la misma; cuando esto ocurre, se dice que la aleación tiene un punto de fusión congruente en esa composición. Estos sistemas pueden dividirse en dos sistemas en los cuales la aleación AB se comporta como un metal puro. Así, en la figura IV-12, el sistema AB puede descomponerse en el A-AB y el AB-B. 108 Sistemas Eutécticos Binarios Los sistemas eutécticos binarios, uno de cuyos ejemplos es el Al-Si, tienen diagramas de equilibrio como los que aparecen en la figura IV-15. Fig. IV-15 Descripción del diagrama: En el diagrama se distinguen tres zonas monofásicas: líquida, solución sólida α, isomorfa con el componente A y sólida β, isomorfa con el componente B. Estas soluciones sólidas α y β que se presentan en un rango de composición que limita con uno de los componentes puros y con el que son isomorfas se denominan soluciones sólidas terminales. Además hay tres zonas bifásicas: (α + L), que representa sistemas en los que están en equilibrio solución sólida α y líquido L. Las composiciones de las fases en equilibrio, para cada temperatura, corresponden a los límites de las conodales que terminan en las líneas se solidus y de liquidus respectivamente. (β + L), que representa sistemas en los que están en equilibrio solución sólida β (cuya composición se encuentra sobre la curva de solidus) y líquido (cuya composición se encuentra sobre la línea de liquidus). (α + β) que representa sistemas formados por solución sólida α y solución sólida β. La composición de las fases en equilibrio corresponde, como antes, a los límites de las conodales que determinan las curvas de sólidos. 109 Solidificación: a) Una solución líquida de composición C1 solidifica como una aleación de las vistas en el caso precedente. Este comportamiento se verificará para composiciones que van desde el metal puro A, hasta la composición C2 y de C4 a B. b) Una aleación de composición CE solidifica como un metal puro, es decir, a una temperatura única llamada “temperatura eutéctica”. A temperaturas superiores a la temperatura eutéctica sólo hay líquido. A temperatura eutéctica hay 3 fases en equilibrio, una fase líquida de composición C E y dos fases sólidas (soluciones sólidas), una α de composición C2 y otra β de composición C4. Como las dos fases sólidas se originan simultáneamente, aparecen íntimamente mezcladas, figura IV-16.a. La estructura final de la aleación puede tener el aspecto de la figura IV-16.b. Toda la aleación consiste en una dispersión fina de fases α y β. El punto E es un punto invariante del sistema ya que la regla de las fases para F = 3 y C = 2 da V = 0. Esto significa que si se modifica una de las variables entra en un campo de menos fases, es decir que desaparece una o dos fases. Por ejemplo, si la temperatura disminuye desaparecerá la fase líquida, si aumenta desaparecen las 2 fases sólidas y solo existirá líquido. A temperaturas inferiores a TE estamos dentro de un campo de 2 fases, figura IV-15, en el cual la regla de la palanca es válida. Cantidad de fase α = Cantidad de fase β ER (α M>–––E–––––