Fundamentos de Metalurgia: Aleaciones, Propiedades y Tratamientos

Martensita

Estructura tetragonal centrada en el cuerpo (BCT). Es el resultado de una transformación sin difusión, dependiente solo de la temperatura (T), que implica un aumento de volumen de aproximadamente el 3%.

Fundiciones

Se denomina fundiciones a las aleaciones de hierro (Fe) y carbono (C) con un contenido en este último comprendido entre 2.1% y aproximadamente 4% (aunque técnicamente puede llegar hasta el 6.67%).

Aleaciones y Metales No Férreos

Características Generales

Presentan una amplia gama de propiedades, entre las que destacan:

• Ligeras (especialmente Al, Mg, Ti).
• Alta resistencia a la corrosión (variable, alta en Cu, Ni, Ti, Al).
• Alta resistencia al calor (algunas aleaciones específicas).
• Buenas propiedades a alta temperatura (superaleaciones base Ni, Ti).
• Alta conductividad eléctrica y térmica (especialmente Cu, Al).

Ventajas e Inconvenientes Comparativos

• Metales Férreos (aceros, fundiciones): Generalmente son baratos y tienen buenas propiedades mecánicas. Sus principales inconvenientes son su mayor peso (densidad) y, sin alear, su baja resistencia a la corrosión.
• Metales No Férreos: Sus ventajas e inconvenientes varían mucho. Por ejemplo, el Aluminio (Al), Magnesio (Mg) y Titanio (Ti) son ligeros. El Cobre (Cu) y Níquel (Ni) ofrecen buena resistencia a la corrosión. Sin embargo, muchos metales no férreos son más caros que los aceros comunes.

Endurecimiento de las Aleaciones

Mecanismos comunes para aumentar la dureza y resistencia de aleaciones metálicas (aplicables a muchas, incluyendo las de cobre, aluminio, magnesio, titanio y níquel):

1. Deformación plástica en frío (Acritud).
2. Afino de grano (Reducción del tamaño de grano).
3. Endurecimiento por solución sólida.
4. Endurecimiento por precipitación de segundas fases (requiere tratamientos como temple y maduración/envejecimiento).
5. Transformación martensítica (principalmente en aceros, pero también en algunas aleaciones no férreas como las de titanio o con memoria de forma).

Propiedades de Metales No Férreos Específicos

Cobre (Cu)

• Alta conductividad eléctrica y térmica.
• Alta conformabilidad (ductilidad y maleabilidad).
• Alta resistencia a la corrosión.

Aluminio (Al)

• Baja densidad (aprox. 2.7 g/cm³).
• Alta conductividad eléctrica y térmica (menor que Cu).
• Alta resistencia a la corrosión (por pasivación).
• Metal relativamente blando y dúctil.

Magnesio (Mg)

• Muy baja densidad (aprox. 1.74 g/cm³).
• Estructura HCP (hexagonal compacta): baja ductilidad a temperatura ambiente.
• Alta afinidad por el oxígeno (reactivo).
• Alto coste relativo.

Titanio (Ti)

• Alto punto de fusión (aprox. 1670 °C).
• Baja densidad (aprox. 4.5 g/cm³), intermedio entre Al y acero.
• Alta resistencia mecánica (especialmente aleado).
• Excelente resistencia a la corrosión.
• Muy caro.

Níquel (Ni)

• Estructura FCC (cúbica centrada en las caras).
• Alta resistencia mecánica.
• Alta ductilidad.
• Buena resistencia a la corrosión y a altas temperaturas (base de superaleaciones).

Influencia de Elementos de Aleación en Aceros

Elementos Gammágenos

Son aquellos elementos de aleación que aumentan el campo de estabilidad de la austenita (hierro gamma, γ-Fe). Los más importantes son el Carbono (C), Manganeso (Mn) y Níquel (Ni). Otros elementos gammágenos incluyen Nitrógeno (N), Cobalto (Co), Zinc (Zn) y Cobre (Cu). Estos elementos tienden a bajar las temperaturas críticas A3 y A1, al tiempo que pueden aumentar las temperaturas de transformación de la austenita en hierro delta (δ-Fe). El punto eutectoide se desplaza hacia temperaturas y/o composiciones inferiores.

Elementos Alfágenos

Son aquellos que aumentan el campo de estabilidad de la ferrita (hierro alfa, α-Fe). Incluyen Cromo (Cr), Molibdeno (Mo), Wolframio (W), Vanadio (V), Titanio (Ti) (que además son formadores de carburos). Otros alfágenos (no carburígenos) son Silicio (Si), Aluminio (Al) y Fósforo (P). Estos elementos tienden a elevar las temperaturas críticas A3 y A1 y disminuyen las temperaturas de transformación del hierro delta en austenita. Al entrar en solución sólida en la austenita, distorsionan su red y disminuyen la máxima solubilidad del carbono en ella. La curva Acm (límite de solubilidad del C en austenita) se desplaza hacia la izquierda y el contenido en carbono del punto eutectoide disminuye. El Aluminio (Al) y el Vanadio (V) son elementos con un carácter alfágeno muy fuerte.

Tratamientos Térmicos

Revenido

Consiste en calentar el acero (previamente templado) hasta una temperatura inferior a la crítica A1, con el propósito de obtener una estructura que, aunque tendrá una dureza y resistencia menores que la martensita original, será más tenaz y dúctil. Se realiza siempre después del temple.

• Revenido a bajas temperaturas (inferiores a ~250°C): Se utiliza cuando se precisan estructuras muy duras y resistentes, aliviando tensiones internas pero manteniendo alta dureza.
• Revenido a altas temperaturas (superiores a ~400°C): Se emplea cuando se requiere mayor tenacidad y ductilidad, a costa de una mayor reducción de dureza y resistencia.

El tratamiento completo de temple + revenido (generalmente a altas temperaturas) se conoce comúnmente como bonificado.

Templabilidad

Se denomina así a la facilidad que tiene un acero para transformarse en martensita durante el enfriamiento (temple). Todos los elementos de aleación (excepto el Cobalto) desplazan las curvas TTT (Tiempo-Temperatura-Transformación) hacia la derecha, lo que significa que la transformación de la austenita en otros constituyentes (perlita, bainita) es más lenta. Esto facilita la obtención de martensita con velocidades de enfriamiento menores. Por tanto, los elementos de aleación, en general, aumentan la templabilidad de los aceros.

Ensayos Mecánicos

Ensayo de Dureza Rockwell

El ensayo Rockwell mide la dureza de un material evaluando la resistencia que opone a la penetración de un indentador (de bola o cónico) bajo la aplicación de cargas específicas. Se mide la profundidad de la penetración remanente.

Ensayo de Tracción

Permite determinar varias propiedades mecánicas fundamentales de un material sometido a un esfuerzo axial creciente hasta la fractura. Los parámetros más comunes obtenidos son:

• Módulo de elasticidad (Módulo de Young, E): Rigidez del material.
• Límite elástico (convencional al 0.2% de deformación permanente, σ_e o R_p0.2): Tensión a partir de la cual comienza la deformación plástica apreciable.
• Resistencia máxima a la tensión (Resistencia a la tracción, σ_m o R_m): Máxima tensión que el material puede soportar.
• Porcentaje de elongación a la fractura (Alargamiento porcentual, A%): Medida de la ductilidad global.
• Porcentaje de reducción de área a la fractura (Estricción, Z%): Medida de la ductilidad en la zona de fractura.

Ensayo de Resiliencia (Ensayo Charpy)

El ensayo Charpy mide la tenacidad dinámica (resistencia al choque) de los materiales, es decir, la energía necesaria para producir su rotura bajo un impacto rápido. Se emplea una probeta normalizada (generalmente de sección cuadrada con una entalla específica, como la tipo V o U). La probeta, sujeta por sus extremos, se golpea en el lado opuesto a la entalla con un péndulo que cae libremente desde una altura determinada. Una aguja solidaria con el péndulo indica la energía absorbida (W) durante la fractura de la probeta, calculada a partir de la diferencia de altura (o ángulo) inicial y final del péndulo.

Cálculo de la Resiliencia (Valor Charpy)

El valor de la resiliencia (KCV o KCU, según la entalla) se calcula como:

KCV (o KCU) = W / S₀

Donde:

• KCV / KCU: Valor de la resiliencia (expresado típicamente en J/cm²).
• W: Energía absorbida necesaria para romper la probeta (medida por el péndulo, en Julios, J).
• S₀: Área de la sección transversal de la probeta en la zona de la entalla (en cm²).