Estructura interna materiales

MATERIALES
INDUSTRIALES
- ESTRUCTURA INTERNA DE
LOS MATERIALES -
TECNOLOGÍA INDUSTRIAL II – 2º BACHILLERATO

Luis Miguel GARCÍA GARCÍA-ROLDÁN

Dpto. de Tecnología
IES CAP DE LLEVANT - MAÓ

Maó - 2010

Contenido

 Descripción de la estructura atómica de la materia y de los diferentes tipos de
enlaces atómicos. Representación gráfica de diferentes estructuras cristalinas.
 Propiedades de los materiales. Elaboración de una lista de propiedades de
materiales usuales.
 Interpretación de diagramas de equilibrio (hierro/carbono, níquel/cromo,
estaño/plomo) y cálculo del número de fases presente, composición de las fases
y la cantidad de cada una.
 Técnicas de modificación de las propiedades.
 Apreciación de la necesidad de desarrollar nuevos materiales.
 Actitud crítica para relacionar la estructura de la materia y sus propiedades.
 Oxidación y corrosión. Planificación práctica de oxidaciones y corrosiones de
algún material.
 Reconocimiento de la necesidad de reducir el gasto que suponen los fenómenos
de oxidación y corrosión.
 Comparación de los diferentes tipos de tratamiento superficial.
 Reconocimiento del esfuerzo e inversión necesarios para investigar nuevos
sistemas de protección y tratamiento superficial y los beneficios que se pueden
obtener.

2
CONTENIDO LA MATERIA PROP. MATERIALES DIAGR. EQUILIBRIO OXIDACIÓN Y CORROSIÓN

Molécula

 MOLÉCULA es la mínima porción de la materia que conserva
las propiedades de un material.

3

El átomo

 ÁTOMO es una estructura eléctrica formada por la agrupación
de partículas elementales. Es la unidad elemental básica que
puede experimentar cambio químico. Diferenciamos dos partes
fundamentales: núcleo y corteza

 Los átomos son neutros, tienen el
mismo número de protones que
de electrones. Un ión es un átomo
cargado por exceso o defecto de
electrones.

EL ÁTOMO
4

El átomo. Variantes

 ISÓTOPOS son átomos con el mismo número de protones y
distinto de neutrones

 ISÓTONOS son átomos con el mismo número de neutrones y
distinto de protones

 ISÓBAROS son átomos con el mismo número másico

5

El átomo. Modelos atómicos

6

El átomo. Niveles energéticos

 La corteza del átomo está formada por niveles energéticos y los
electrones son entes corpusculares que pueden ocuparlos. Se
producen saltos electrónicos de un nivel inferior a uno superior
o viceversa cuando se absorbe o emite
energía, respectivamente.

7

Sistema periódico de elementos

 SISTEMA PERIÓDICO DE ELEMENTOS es la ordenación
sistemática de los elementos según su configuración
electrónica

8

Iteracción entre átomos (I)

 Dos átomos de igual signo se repelen y
de distinto signo se atraen. La fuerza con
la que lo hacen es de origen
electroestático, pues despreciamos las de
origen magnético o gravitatorio.

 Dos átomos iguales en contacto sufren fuerzas de atracción
debido a la naturaleza del enlace y a las atracciones
electrostáticas entre el núcleo de uno y la nube electrónica del
otro, y fuerzas de repulsión entre núcleos y entre nubes.

9

Iteracción entre átomos (II)

 ENERGÍA DE ENLACE es la necesaria para separarlos
átomos o moléculas que lo forman una distancia infinita; es
decir, para destruir el enlace.

 Se define distancia de equilibrio
aquella a la que dos átomos igualan
las fuerzas de repulsión y atracción. Es
el punto de mínima energía de enlace.
Es del orden de unos 3A.

 La naturaleza de las fuerzas y energías
de penden del tipo de enlace atómico.

10

Reactividad química

 Los gases nobles son los elementos más estables y menos
reactivos ya que tienen completa su última capa electrónica s2
p6, que es la que posee los electrones reactivos.

 Los elementos electropositivos (metales) tienen pocos
electrones en la última capa y los ceden para producir iones
positivos (cationes). El número de electrones cedidos es el
número de oxidación positivo.

 Los elementos electronegativos (no metales) tienen muchos
electrones en la última capa y aceptan electrones para
producir iones negativos (aniones). El número de electrones
aceptados es el número de oxidación negativo.

 Los elementos de los grupos centrales de la tabla pueden
comportarse como electronegativos o electropositivos.

11

Electronegatividad

 Electronegatividad es la capacidad de un átomo de atraer
electrones.

12

Enlaces moleculares

 Dipolo permanente. Se forman entre moléculas que poseen
dipolos permanentes. Son relativamente débiles

 Dipolo inducido. Se forman entre moléculas que poseen dipolos
cuya densidad electrónica va cambiando en el tiempo por
efectos de dispersión o movimientos de carga. Son muy débiles

13

Enlaces atómicos (I)

 Dos átomos enlazados son más estables porque tienen menor
energía potencial que de forma separada. Se forman entre
moléculas que poseen dipolos permanentes. Son relativamente
débiles

 Enlaces fuertes o primarios. Pueden ser enlaces iónicos (se
ceden electrones), covalentes (se comparten electrones) o
metálicos (se comparten electrones deslocalizados).

 Enlaces débiles o secundarios. Pueden ser fuerzas de Van der
Waals o puentes de hidrógeno

14

Enlaces atómicos (II)

15

Enlace iónico (I)

 Se da entre un átomo electropositivo (metal) y un átomo
electronegativo (no metal).
 El electropositivo cede electrones al electronegativo hasta que
ambos adquieren la configuración de gas noble en el último
nivel.
 Se producen un catión y un
anión.
 Se generan materiales duros y
frágiles, con elevados puntos de
fusión y ebullición, buenos
aislantes térmicos y
eléctricos, aunque buenos
conductores en disolución.

16

Enlace iónico (II)

ENLACE IÓNICO

17

Enlace covalente (I)

 Se da entre dos átomos con electronegatividad similar.
 Los dos átomos comparten electrones hasta que ambos
adquieren la configuración de gas noble en el último nivel.
 Las energías de los dos átomos asociados son menores que
las de los átomos por separado (más estables).
 Pueden ser enlaces sencillos o múltiples.

18

Enlace covalente (II)

ENLACE COVALENTE

19

Enlace covalente para el carbono

 La configuración de la última capa del carbono es 1s2 2s2
2p2, por lo que debería hacer dos enlaces covalentes con los
orbitales 2p semillenos. En realidad, muchas veces hace cuatro
enlaces covalentes de igual fuerza

 Esto se produce debido a un fenómeno de hibridación, por el
que un orbital 2s se separa formando 4 orbitales sp3.

20

Enlace metálico

 Se forman estructuras cristalinas ordenadas sistemáticamente
formadas por núcleos de iones positivos y electrones de
valencia dispersos en forma de nube electrónica que pueden
moverse fácilmente dentro de la red cristalina ya que las
fuerzas que los unen a los núcleos son muy débiles.

 Esta configuración hace de los metales materiales muy
conductores del calor y de la electricidad, son fácilmente
deformables y tienen energías de enlace y puntos de fusión muy
diversos.

21

Fuerzas de Van der Waals

 Unen los átomos de los gases nobles.
 Se deben a la aparición de dipolos variables originados en el
movimiento de los electrones dentro de los átomos.
 Existen dos efectos fundamentales:

 Polarización: se produce cuando uno
de los átomos de la molécula tiene
más afinidad por los electrones. Se
produce un dipolo eléctrico.

 Efectos de dispersión: producidos
por el movimiento de los electrones
dentro de los átomos.

22

Puentes de hidrógeno

 Se producen en moléculas
bipolares como el agua.

 Se deben a la atracción entre el
núcleo del hidrógeno de una
molécula y los electrones no
compartidos de los otros átomos
de otra molécula

23

Estructura cristalina

 La estructura física de los sólidos es consecuencia de la
disposición en la que se encuentran átomos y moléculas y de
las fuerzas que los unen. Si esta estructura se repite en el
espacio el sólido tiene estructura cristalina.

 El elemento que se repite en la red espacial es la celda
unitaria, que se caracteriza por tres vectores que convergen en
un vértice y tres ángulos.

24

Sistemas cristalinos

 Dependiendo de cómo sea la celda unitaria, existen 7 sistemas
cristalinos y 14 retículos espaciales diferentes.

25

Propiedades de los materiales
industriales

 Propiedades químicas
 Propiedades físicas
 Propiedades mecánicas
 Propiedades estéticas y
económicas
 Propiedades de
fabricación

26

Propiedades químicas

Las propiedades químicas de los materiales son consecuencia
directa de su estructura química. Existen dos procesos naturales
que pueden alterar la composición química de un material:
 Oxidación
 Es la combinación de un material con el oxígeno para formar
óxidos más o menos complejos
 Corrosión
 Es una oxidación que se produce en ambientes húmedos o
en presencia de otras sustancias agresivas.

La resistencia que ofrezca un material a la oxidación y a la
corrosión son dos de sus principales propiedades químicas

27

Propiedades físicas (I)

Son consecuencia del ordenamiento en el espacio de los átomos. Las
principales son:

 Densidad
 Es la relación entre la masa de una determinada cantidad de material y el
volumen que ocupa. (Kg/m3)
 Peso específico
 Es la relación entre el peso de una determinada cantidad de material y el
volumen que ocupa. (N/m3)
 Propiedades eléctricas
 Resistividad es la resistencia que ofrece un material al paso de corriente
eléctrica. (m). Según sea la resistividad los materiales son conductores,
aislantes o semiconductores. Superconductores.
 Rigidez dieléctrica es la máxima tensión que puede soportar por unidad
de longitud un aislante sin que se produzca en él una chispa o descarga
(kV/cm)
28

Propiedades físicas (II)

 Propiedades térmicas

 Dilatación térmica es el aumento de tamaño de un material al
aumentar la Tª. Se debe a la mayor vibración de las partículas.
 Calor específico es la cantidad de calor que hay que aportar a la
unidad de masa de una sustancia para elevar un grado su Tª. (
J/(Kg K) )
 Tª de fusión es la Tª a la que una sustancia empiece a fundirse.
 Calor latente de fusión es el calor que hay que dar a la unidad de
masa de una sustancia que está a la Tª de fusión para que pase
de sólido a líquido. (kJ/mol)
 Difusión es el desplazamiento de los átomos de un cuerpo desde
su posición de equilibrio debido a la agitación térmica.
 Conductividad térmica es la capacidad de un cuerpo para
transmitir calor. (K)

29

Propiedades físicas (III)

 Propiedades magnéticas
 Según cual sea el comportamiento frente a los campos
magnéticos, los cuerpos pueden ser diamagnéticos (se
oponen al campo magnético debilitándolo. Ej: oro,
plata,…), paramagnéticos (aumentan ligeramente un
campo magnético aplicado. Ej: oxígeno, aluminio,…) o
ferromagnéticos (amplifican un campo magnético aplicado.
Ej: hierro, cobalto, níquel,…).

 Propiedades ópticas
 Según sea el comportamiento de un cuerpo al recibir luz
(ésta sufre reflexión, difusión y refracción), éste será
opaco, transparente o translúcido.

30

Propiedades mecánicas (I)

 Elasticidad
Es la capacidad para recuperar la forma primitiva cuando

cesa la carga que deforma a un material. Cuando se rebasa
el límite elástico la deformación será permanente.
 Plasticidad
 Es la capacidad de un material para adquirir deformaciones
permanentes sin llegar a la rotura. (maleabilidad y
ductilidad).
 Cohesión
 Es la resistencia que ofrecen los átomos a separarse.
 Dureza
 Es la resistencia que ofrecen los cuerpos a ser rayados o
penetrados. Depende de la cohesión atómica.

31

Propiedades mecánicas (II)

 Tenacidad
Es la resistencia a la rotura por acción de fuerzas externas.

 Fragilidad
 Es la propiedad opuesta a la tenacidad. Intervalo plástico
muy corto y límites elástico y de rotura muy próximos.
 Resistencia a la fatiga
 Es la resistencia que ofrecen un material a los esfuerzos
repetitivos.
 Resiliencia
 Es la energía absorbida en una rotura por impacto.

32

Propiedades estéticas y
económicas
 Propiedades estéticas
 Aspecto. (Ej: ropa)
 Textura. (Ej: madera)
 Color. (Ej: ropa)
 Olor. (Ej: madera)

 Propiedades económicas
 Precio del material.
 Coste del transporte desde el lugar de producción hasta el
de consumo.
 Disponibilidad del material.

33

Propiedades de fabricación

Las propiedades de fabricación dan idea de la posibilidad de
someter a un material a determinados procesos industriales.

 Maleabilidad
 Es la capacidad de un material para ser laminado.

 Ductilidad
 Es la capacidad de un material para ser convertido en hilos.

 Forjabilidad
 Es la capacidad de un material para ser forjado.

 Maquinabilidad
 Es la capacidad de un material para ser sometido a procesos de
arranque de viruta.

34

Selección de materiales

No existe ningún material perfecto que sea utilizable en cualquier
aplicación. Por este motivo, cuando se va a elegir un material con una
finalidad determinada, es preciso sopesar sus cualidades y defectos y
actuar en consecuencia

PROPIEDADES

ATRIBUTOS INTRÍNSECAS

Precio y Disponibilidad Propiedades Mecánicas

Propiedades de Fabricación
DISEÑO Propiedades Físicas

Propiedades Estéticas Propiedades Químicas

35

Diagramas de equilibrio.
Aleaciones
 Aleación (disoluciones sólidas)
Es una disolución sólida entre dos o más elementos, uno de ellos de carácter
metálico. Los átomos que se introducen del segundo elemento pasan a formar
parte de la estructura cristalina del metal mejorando así propiedades como la
dureza, tenacidad y conductividad.

Para que el producto resultante de la disolución sea una aleación tiene que
cumplirse:

 Los elementos a mezclar tienen que ser miscibles en estado líquido de
manera que al solidificar resulte un producto homogéneo.

 El producto resultante tiene que tener carácter metálico. Se mantienen los
enlaces metálicos.

36

Componentes de una aleación (I)

En una aleación el disolvente es el elemento que conserva la red
cristalina y el soluto el otro elemento, independientemente de cual esté
en mayor proporción.

Se define concentración como la relación entre la cantidad de masa de
soluto y la masa total de la aleación, expresada en términos
porcentuales.

ms
C  100
ms  m D

37

Diagramas de equilibrio. Componentes
de una aleación (II)

___EJERCICIOS___

 Se disuelven 85 Kg de Co en 1 tm de acero. ¿Cuál es la concentración
de Co en masa de la solución?
ms 85
C  100   100  7.8% de Co
ms  m D 85  1000

 ¿Qué cantidad de Co se debe añadir a 1.5 tm de acero para tener una
aleación al 8% de Co?

m Co m Co
C 100  8 100  m Co  130.4 Kg
m Co  m Acero m Co  1500


Diagramas de equilibrio. Tipos de
aleaciones
 Tipos de aleaciones según la deformación de la red cristalina:

 Solución por sustitución: Los átomos de disolvente y soluto
tienen estructura cristalina similar y ambos forman parte de la
estructura cristalina al reemplazarse átomos del disolvente por
átomos del soluto.

 Solución por inserción: Los átomos del soluto son muy
pequeños comparados con los del disolvente y se colocan en el
interior, en los huecos, de la red cristalina del disolvente.

Cuando los átomos del soluto son de tamaño superior o inferior a los
que sustituyen del disolvente o a los huecos en los que se insertan de
éste, la estructura cristalina original se deforma provocando tensiones
internas semejantes a las producidas en ensayos de tracción o
deformaciones en frío, provocando un aumento del límite elástico. El
material aumenta la carga de rotura pero también su fragilidad.

39

Diagramas de equilibrio. Energía en
las aleaciones (I)
 Normalmente los metales no están en estado líquido, pero es necesario
licuarlos para poder realizar una aleación. Para ello es necesario dar energía al
metal en forma de calor para elevar su Tª desde 25ºC hasta la Tª de fusión:

donde
 Q es la energía que se debe aportar Q  m Ce t
 m es la masa a fundir
 Ce es el calor específico del metal a fundir
 ∆t es la variación de Tª hasta alcanzar la de fusión

 Mientras que la energía necesaria para el cambio de estado se calculará:

donde
 Q es la energía que se debe aportar para el cambio de estado
 m es la masa a fundir

Q  mC
 C es el calor latente de fusión del metal a fundir

40

Diagramas de equilibrio. Energía en
las aleaciones (II)
___EJERCICIO___
 Calcular la energía precisa para fundir 1 tm de Al.
Q  m Ce Δt  1000Kg  0.215Kcal/Kgº C  (660  25)º C  136525 Kcal
Mientras que la energía necesaria para el cambio de estado será:
Q  m C  1000Kg  92.7Kcal/Kg  92700 Kcal

La energía total necesaria será la suma de las dos

Q  136525 Kcal  92700 Kcal  229225 Kcal
expresada en Kwh (1Kwh = 861.24Kcal) será Q = 226 Kwh

Normalmente hace falta mucha más energía para conseguir la fusión
completa ya que gran parte de la energía invertida se pierde en las paredes del
horno y, además, hay que elevar la Tª muy por encima del punto de fusión para
que el metal no comience a solidificar hasta que sea utilizado el metal líquido.

41

Cristalización (I)

 La cristalización de los metales puros y de las aleaciones tiene lugar
mediante un proceso de solidificación. En los metales puros este
proceso se produce a Tª constante (siempre que no se de el proceso
de subfusión que se produce a una Tª inferior a la de fusión), mientras
que en las aleaciones la Tª no permanece constante durante la
solidificación.

42

Cristalización (II)
En el proceso de solidificación se dan las siguientes etapas:

 1) Nucleación es la formación de núcleos estables en
la masa fundida.
 2) Cristalización o crecimiento de los núcleos en las 3
dimensiones del espacio. Se forman las dentritas para
dar origen a cristales.
 3) Formación del grano a partir de los cristales
anteriores. Interesa que el tamaño del grano sea
pequeño para obtener mejores propiedades mecánicas.

Cuando los metales solidifican en un molde, el proceso de cristalización es más rápido en los
bordes que en el centro del molde debido a que el enfriamiento en las paredes del molde es
más rápido y a que el metal se adhiere a las paredes del mismo. Esto provoca que se creen
más cristales y se formen granos de menor tamaño; en el interior los granos que se forman
son más grandes y, por consiguiente, se forman columnas en dirección perpendicular a la
pared.

Además, al enfriarse el metal se contrae por lo que pueden aparecer defectos.

43

Diagramas de equilibrio. Regla de las
fases de Gibbs (I)
 Componente (C) es cada una de las
sustancias o elementos químicos que
forman un material. Ej: acero es hierro +
carburo de hierro.
 Fase (F) es cada una de las partes
homogéneas de un sistema que se diferencia
físicamente del resto; los sistemas pueden
ser elementos puros, compuestos químicos,
aleaciones o disoluciones. En el caso de un
elemento puro las fases son cada uno de los
estados en los que puede estar. Ej: cada uno
de los tres estados del agua es una fase.
 Grados de libertad (N) es el número de
variables de un sistema que podemos variar
libremente: Tª, presión, concentración, etc.

Gibbs desarrolló una ecuación que permite
calcular el número de fases que pueden
coexistir en equilibrio dentro de un sistema
material. Es la regla de las fases de Gibbs:

F+N=C+2
44

Diagramas de equilibrio. Regla de las
fases de Gibbs (II)
En la figura vemos el diagrama de fases del agua pura regulado
por las variables presión y Tª.

 En el punto triple coexisten tres fases (sólido, líquido y vapor)
y solo hay un componente. Por lo que el número de grados de
libertad será:

F + N = C + 2 => 3 + N = 1 + 2 => N = 0

Por tanto, ninguna de las variables P-T se puede modificar. El
punto triple es invariante.

 En un punto cualquiera de la curva de solidificación (roja)
coexisten 2 estados o fases y por tanto

F + N = C + 2 => 2 + N = 1 + 2 => N = 1
una de las variables P-T se puede modificar manteniendo un sistema con dos fases. A una P
determinada sólo existe una T determinada a la que las dos fases sólido-líquido coexistan.

F + N = C + 2 => 1 + N = 1 + 2 => N = 2
por lo que se pueden modificar dos variables y el sistema permanece en una fase única.

45

Diagramas de Equilibrio de Fases.

 Contienen toda la información sobre la estructura de
fases de una aleación. Son la representación de la
relación entre la estructura, la composición y el número
de fases presentes en el equilibrio, así como las
transformaciones que se producen al cambiar de una
fase a otra.

 Mediante estos diagramas podemos predecir las
transformaciones y la microestructuras resultantes de
los cambios de fase que se originan al modificar la Tª,
presión y/o concentraciones de la aleación (se pueden
modificar otras variables pero estas son las usuales). En
estos casos, las fases pueden aparecer, desaparecer o
cambiar de una a otra, generándose transformaciones y
microestructuras que pueden estar o no en equilibrio.

 Cada fase se nombra con una letra griega y al material
fundido se le llama líquido.

 Normalmente se representan diagramas de dos
componentes y a presión atmosférica, con lo que solo
quedan dos variables: Tª (eje ordenadas) y
concentración en % (eje abscisas).

 El diagrama nos indicará la composición o porcentaje de cada fase para una Tª y una concentración de
los materiales implicados dada. Por ejemplo, para 40% del material A, existirán dos fases posibles α y ß.
Al disminuir la Tª la fase α va convirtiéndose en la fase ß, pero hasta lograrlo pueden convivir las dos
fases en la aleación (zona verde).

46

Regla de la Palanca (I)
 P1: en esta zona el 100% de la aleación está en fase α
hasta llegar a la línea de fase α.

 P2: es la zona de la línea de fase α, a partir de aquí
empieza a generarse la fase ß.

 P3: en esta zona conviven las dos fases. Para averiguar
en qué porcentaje lo hacen se usa la regla de la palanca.

 A la T3 se traza la isoterma, segmento horizontal
hasta cortar las líneas de fase, generando los puntos
de corte con éstas Cα y Cß cuyas concentraciones
correspondientes de componente B son 60% y 25%.

 La fracción de una fase es la relación entre el
segmento formado por el punto de estudio P3 y el
punto de corte con la otra fase y la isoterma (o recta
de reparto). Así:

P3 C 40  25
Fracción de    100   100  42.86%
C C 60  25
P3 C 60  40
Fracción de    100   100  57.14%
C C 60  25
 Estas son los porcentajes de cada fase en el punto
P3, ; es decir, a la T3 y con una concentración del 40%
del componente B.
47

Regla de la Palanca (II)

 P4: es la zona de la línea de fase ß, a partir de aquí empieza solamente la fase ß.

 P5: en esta zona el 100% de la aleación esta en fase ß.

48

Diagramas Isomórficos Binarios. Solubilidad total
en estado líquido y sólido (I)

Un sistema isomórfico binario es una aleación que está formada por dos
componentes A y B que son ambos totalmente solubles en estado líquido
y sólido.

Para obtener el diagrama de equilibrio de una aleación se toman un
número de aleaciones con distintos porcentajes de A y B primero se
obtienen las diferentes curvas de enfriamiento. Para ello, se funde cada
una de ellas y se deja enfriar lentamente, representando una gráfica Tª- t
y anotando en ellas los puntos críticos: Tª de licuefacción (cuando
empiezan a formarse cristales) y Tª de solidificación (cuando se forma el
último cristal).

Después se trasladan estos puntos a una gráfica Tª-concentración y se
unen todos los puntos de Tª de licuefacción formando la línea de liquidus
y todos los puntos de Tª de solidificación formando la línea de solidus.

Se puede determinar la Tª a la que empieza a fundirse una aleación (Tª de
licuefacción) y la Tª a la que estará totalmente fundida (Tª de
solidificación) para una concentración determinada trazando una vertical
sobre dicha concentración y evaluando los puntos de corte de ésta con
las líneas de liquidus y solidus.
49

en estado líquido y sólido (II)

50

en estado líquido y sólido (III)

 Número de fases presente: Las líneas de solidus y liquidus dividen el diagrama en tres
zonas dentro de las cuales toda la aleación estará formada por las mismas fases.
Aplicando la regla de las fases de Gibbs, se puede apreciar que:

 Cualquier punto de la zona L representa una fase líquida única. Cuanto más
alejado se esté de la línea de liquidus, más líquida será la aleación.
 En la zona α existe una única fase, sólida.
 En la zona α+L estarán presentes las dos fases, líquido y sólido, en equilibrio. La
composición y porcentajes de cada fase dependerá de la Tª para una composición de
la aleación dada.

51

en estado líquido y sólido (IV)

 Determinación de las Tª de solidificación y licuefacción para una concentración dada:
Trazamos una vertical sobre la concentración de estudio y evaluamos los puntos de
corte de ésta con las líneas de liquidus y solidus.
En la concentración 70-30, la Tª de licuefacción será la correspondiente al punto dL
mientras que la Tª de solidificación será la correspondiente al punto bS.

52

en estado líquido y sólido (V)

 Determinación de la composición de las fases: En la zona bifásica, la composición de cada
fase para una concentración dada la determinan los puntos de corte de la recta de reparto
trazada a la Tª de estudio y las líneas de solidus y liquidus. Para el caso del punto C, la
composición de líquido será CL(42% de A y 58% de B) mientras que la composición de
sólido será CS (80% de A y 20% de B).

En una zona monofásica, la composición de la fase será la concentración de la aleación en
ese punto de estudio.

 Determinación de los porcentajes de cada
fase: La cantidad de masa de aleación
relativa a cada fase para una concentración
y Tª dadas se calcula aplicando la regla de
la palanca en el punto de estudio.

CS C 80  70
WL   100   100  26.32%
CS C L 80  42

C CL 70  42
WS   100   100  73.68%
CS C L 80  42

53

en estado líquido y sólido (VI)

___EJERCICIO___
 Interpretar el diagrama de fases Cu-Ni

En estado líquido es una solución homogénea compuesta por
Cu y Ni. La fase α es una solución sólida por sustitución de
átomos de Cu y de Ni, de estructura FCC. A temperaturas
inferiores a 1080ºC el Cu y el Ni son mutuamente solubles en
estado sólido a cualquier composición, ya que tienen la
misma estructura cristalina, y similares radios atómicos,
electronegatividades y valencias. El sistema resultante es
isomorfo.

 Indica los puntos de fusión de los componentes puros.
 Analiza las temperaturas de licuefacción y solidificación
para una composición del 50% de cada componente.
 Calcula el número de fases presentes en los puntos A, B
y C, indicando la Tª y las concentraciones de Ni y Cu en
cada punto.
 Calcula la composición de fases en los puntos
anteriores.
 Calcula el porcentaje de cada fase en los puntos
anteriores (utiliza el gráfico ampliado)

54

Diagramas de Equilibrio de aleaciones totalmente
solubles en estado líquido e insolubles en estado
sólido (I).

55

sólido (III).

CONCENTRACIÓN 70% A / 30% B ALEACIÓN HIPOEUTÉCTICA
 a: toda la aleación es de fase líquida y su concentración es la de la aleación 70% de A y
30% de B.

 bL: comienzan a formarse los primeros cristales de A. La concentración de la fase líquida
es bL (70-30) y la de la fase sólida es bS (100-0).

 n: en esta zona conviven las dos fases. La concentración de la fase líquida es nL (55-45) y
la de la fase sólida es bS (100-0). Para averiguar en qué porcentaje lo hacen se usa la regla
de la palanca.
nS n 100  70 n nL 70  55
WL   100   100  66.70% WS   100   100  33.30%
nS nL 100  55 nS nL 100  55

 d: existen cristales puros de A de concentración dS (100-0) y el resto será líquido de
concentración la de la aleación eutéctica. Los porcentajes:

dS d 100  70 d dL 70  40
WL   100   100  50% WS   100   100  50%
dS dL 100  40 dS dL 100  40

 A partir del punto d hacia abajo, las aleaciones están formadas por los cristales de A
formados entre bL y d (cristales primarios de A) y cristales mixtos de A+B (cristales
secundarios de A). Las concentraciones serán las de la aleación, 30% de B y 70% de A,
formado por 50% de A primario y 70-50 = 20% de A secundario.
56

sólido (IV).

CONCENTRACIÓN 40% A / 60% B. ALEACIÓN EUTÉCTICA

 e: toda la aleación es de fase líquida y su concentración es la de la aleación
40% de A y 60% de B.

 c: comienzan a formarse los primeros cristales de A y de B de igual manera e
íntimamente mezclados, formando cristales mixtos de composición total la
de la aleación eutéctica.

 A partir del punto c hacia abajo, y hasta la Tª ambiente, no hay cambio
alguno.

Las aleaciones eutécticas tienen el menor punto de fusión y por ello son
idóneas para fabricar piezas fundidas mediante moldes. Rellenan mejor los
moldes y son más homogéneas.

57

sólido (V).

CONCENTRACIÓN 25% A / 75% B ALEACIÓN HIPEREUTÉCTICA
 k: toda la aleación es de fase líquida y su concentración es la de la aleación 25% de A y 75%
de B.

 d: comienzan a formarse los primeros cristales de B. La concentración de la fase líquida es
dL (25-75) y la de la fase sólida es dS (0-100).

 p: en esta zona conviven las dos fases. La concentración de la fase líquida es pL (32.5-67.5)
y la de la fase sólida de cristales de B es pS (0-100). Para averiguar en qué porcentaje lo
hacen se usa la regla de la palanca.

p pS 25  0 WS  100  77  23 %
WL   100   100  77%
p L pS 32.5  0
 q: existen cristales puros de B de concentración qS (0-100) y el resto será líquido de
concentración la de la aleación eutéctica. Los porcentajes

q qS 25  0 WS  100  62 .5  37 .5%
WL   100   100  62.5%
q L qS 40  0
 A partir del punto q hacia abajo, las aleaciones están formadas por los cristales de B
formados entre d y q (cristales primarios de B) y cristales mixtos de A+B (cristales
secundarios de B). Las concentraciones serán las de la aleación, 25% de A y 75% de B,
formado por 37.5% de B primario y 75-37.5 = 37.5% de B secundario.
58

Aleaciones hierro-carbono:
En industria el hierro puro no tiene prácticamente aplicaciones, pero es muy utilizado en
forma de aleaciones con el carbono y otros elementos.

Mediante la variación de la velocidad en los calentamientos y enfriamientos del acero se
pueden obtener determinadas estructuras y con ello variar considerablemente las
propiedades de los aceros y las piezas fabricadas con este material.

Los objetivos que se logran con los tratamientos térmicos son:

 Lograr una estructura de menor dureza y mayor maquinabilidad.
 Eliminar tensiones internas para evitar deformaciones después del mecanizado.
 Eliminar la acritud originada por el trabajo en frío. (hierro quebradizo)
 Conseguir una estructura más homogénea.
 Obtener máxima dureza y resistencia.
 Variar alguna de las propiedades físicas.

No todos los objetivos se logran con el mismo tratamiento térmico, sino que existen
diferentes tratamientos a aplicar a los materiales en función del objetivo u objetivos a
conseguir. Como tratamientos térmicos más destacados se pueden citar el temple,
recocido, normalizado y el revenido.

En todos los tratamientos la primera fase es un calentamiento del material.

59

estados alotrópicos del Fe
El hierro es un metal alotrópico, es decir, cambia de estructura de cristalización en
función de la Tª, como podemos ver en las curvas de enfriamiento y calentamiento.

60

composición (I)
El carbono se puede encontrar en el hierro de las siguientes formas:

 Disuelto en hierro α (ferrita) en muy pequeñas proporciones. (a Tª
ambiente)
 Disuelto en hierro γ, formando una solución sólida denominada
austenita. (al aumentar la Tª)
 Combinado con el hierro, formando un compuesto denominado
cementita (Fe3C)
 Libre formando láminas o nódulos de grafito.

Los cambios de estado del hierro y el acero se verifican cuando los
cambios de temperatura son lentos, según se representa en el diagrama
hierro-carbono.

61

composición (II)
Las aleaciones con contenidos de
carbono comprendidos entre 0.10% y
1.76% reciben el nombre de aceros
(que a su vez pueden alearse con
otros elementos) mientras que si el
porcentaje de carbono sobrepasa el
1.76% reciben el nombre de
fundiciones, que no se pueden
forjar.

La máxima proporción de carbono que
una aleación puede disolver es
6.67%, compuesto denominado
cementita (Fe3C puro).

Tanto los aceros como las fundiciones
presentan impurezas de elementos
como el azufre o el fósforo que
despreciaremos a la hora de analizar
el diagrama de equilibrio.

62

constitución (I).
Las aleaciones están formadas por constituyentes, cuya naturaleza varía en función de la
concentración de sus componentes químicos y de la Tª. Los principales constituyentes son:

 Ferrita: solución sólida de carbono en hierro α. Su baja solubilidad a Tª ambiente (0.008%
de C como máximo) hace que se la considere hierro α puro. Es el más blando y dúctil de los
aceros. Cristaliza en red cúbica centrada en el cuerpo (BCC). Tiene una dureza de 90HB
(dureza en grados Brinell) y una resistencia a la rotura de 28 Kg/mm2; puede sufrir
alargamientos del 30 al 40%. Posee propiedades magnéticas.

 Cementita (Fe3C): Es el constituyente más duro (hasta 800HB) y frágil de los aceros.
Posee propiedades magnéticas hasta los 210ºC. Cristaliza en redes ortorrómbicas.

 Perlita: solución formada por un 86.5% de ferrita y un 13.5% de cementita. Tiene una
dureza de 200HB, una resistencia a la rotura de 80 Kg/mm2 y un alargamiento del 15%. Si el
enfriamiento ha sido lento posee una estructura laminar (perlita laminar) y si no presenta
una estructura más borrosa (perlita sorbítica). A una Tª de 723ºC en la perlita laminar la
cementita adquiere forma de glóbulos incrustados en la masa de la ferrita (perlita globular).

ferrita cementita perlita
63

constitución (II).
 Austenita: está formada por una solución sólida por inserción de carbono en hierro γ. La
proporción del carbono varía desde 0 a 1.76%. Es el constituyente más denso de los aceros
y está formada por cristales cúbicos de hierro γ, donde los átomos de carbono están
intercalados en las aristas y en el centro. Tiene una dureza de hasta 300HB, una resistencia
a la rotura de 100 Kg/mm2 y un alargamiento del 30%. No es magnética.
 Martensita: después de la cementita es el más duro de los constituyentes. Es una solución
sólida sobresaturada de carbono en hierro α que se obtiene por enfriamiento rápido de la
austenita de los aceros, después de haber sido calentada para conseguir una constitución
austenítica. Se presenta en forma de agujas y cristaliza en el sistema tetragonal. La
proporción de C varía hasta el 0.89%, aumentando según sea esta su dureza (de 50 a 68HB),
su resistencia a la rotura (de 175 a 250 Kg/mm2) y su alargamiento (de 2.5 a 5%). Posee
propiedades magnéticas.

 Troostita: Intermedio de la martensita y la sorbita, se produce mediante una
transformación isotérmica de la austenita que se enfría rápidamente hasta el intervalo de
temperaturas de 600ºC a 650ºC y se mantiene la Tª para que toda la austenita se convierta
en troostita. Se presenta en forma de nódulos de láminas radiales de cementita sobre
ferrita. Su dureza es de 450HB y su resistencia a la rotura de 250 Kg/mm2.

austenita martensita troostita
64

constitución (III).

 Sorbita: se produce mediante una transformación isotérmica de la austenita que se enfría
rápidamente hasta el intervalo de temperaturas de 500 a 600ºC en un procedimiento similar
al anterior. Se presenta en forma de láminas más finas que las de troostita y similares a las
de perlita. Su dureza es de 350HB y su resistencia a la rotura de 100 Kg/mm2.

 Bainita: también se produce mediante una transformación isotérmica de la austenita en un
intervalo de temperaturas de 200ºC a 250ºC en un temple defectuoso llamado isotérmico o
bainítico.

sorbita bainita

65

Aleaciones hierro-carbono: estructuras

Hay tres tipos de estructuras:

 Estructura cristalina: no es uniforme, varía según los constituyentes de
la aleación, y éstos cambian con la composición y la Tª.

 Estructura micrográfica: es típica de los aceros y está formada por
granos, el tamaño de los cuales determinará las propiedades físicas y
mecánicas de los diferentes aceros. En general estas propiedades son
peores cuanto mayor es el grano, salvo la capacidad de trabajar con
máquinas, que aumenta.

 Estructura macrográfica: depende de las impurezas que contenga el
acero y de la forja a la que puede ser sometido.

66

Diagrama de equilibrio con
transformaciones en estado sólido (I)

La aleación hierro-carbono, en realidad, es
una aleación hierro-carburo de hierro (Fe3C)
donde tenemos el 6,67% de C y el 93,33% de
Fe. En esta parte del diagrama vamos a elegir
tres aleaciones tipo, identificadas con las
cifras ll, III y IV.

 Aleación III (0,89% de C): En a toda la
aleación esta en estado líquido. En b
comienzan a formarse cristales de austenita.
En c coexisten dos fases: fase líquida y fase
sólida. En d se solidifica el último resto del
líquido.

Entre d y A13 los cristales son todos de
austenita, solución sólida de cementita en
hierro γ.

En A13 el hierro γ (CCC) se transforma en
hierro α (CC), que no es capaz de mantener
disuelta a la cementita. Los cristales de
austenita se transforman en otros de hierro α
(ferrita) y carburo de hierro (cementita),
denominados perlita.

67

transformaciones en estado sólido (II)

 Aleación II (C < 0,89%): Sucede lo mismo
que en la anterior, hasta llegar al punto A3.
En este momento empiezan a transformarse
los cristales de hierro γ en hierro α o ferrita.
En n (0,45% de C) ya se han transformado
una serie de cristales de hierro γ en hierro α.
La concentración y cantidad relativa de cada
fase se calcula como en casos anteriores:

 Los cristales de ferrita son hierro puro.
 Los cristales de austenita tienen la
concentración correspondiente al punto
nγ (aproximadamente 0,75% de C):

n n 0.30
W   100   100  40% de ferrita
n n 0.75

W  100  40  60 % de austenita

 Al alcanzar A1 se tendrán cristales de
hierro α y cristales de austenita (0,89%
de C), y las cantidades serán:

68

transformaciones en estado sólido (III)
0.89  0.45
W   100  49% de ferrita
0.89
W  100  49  51 % de austenita
 Del punto A1 hacia abajo, la ferrita
primaria sigue invariable y la austenita
de concentracion 0,89% de carbono se
transforma en perlita.

 Aleación IV (C > 0,89%): Sucede lo
mismo que en los otros casos hasta llegar al
punto Acm, donde comienzan a formarse
cristales de cementita. A partir de ese punto
va empobreciéndose la austenita en
contenido de carbono, y al llegar al punto A1
alcanza la concentración A13 (0,89% de C).
En los puntos intermedios entre Acm y A1 se
puede saber la concentración de la austenita
y de la cantidad de ella y de la cementita
segregada.
Para m se tendrá que la concentración de
austenita es la correspondiente al punto m
(aproximadamente 1,1% de C). Las
cantidades serán:
69

transformaciones en estado sólido (IV)

mm 1.3  1.1
WFe3C   100   100  3.57% cementita
m6, 7 m 6.7  1.1

W  100  3.57  96 .43 % de austenita

Por debajo de A1 se la austenita se transforma
en perlita, y la cementita permanece.
Esta parte del diagrama Fe-C es similar al de
los diagramas de aleaciones eutécticas en
cuanto a formas y comportamiento, pero el
diagrama Fe-C se parte de una aleación en
estado sólido y las transformaciones se logran
siempre en este estado.
Debido a esta similitud, a la aleación de 0,89%
de C se Ie llama eutectoide. El constituyente
eutectoide es la perlita, formada por cristales
mixtos de los dos componentes, hierro (ferrita)
y carburo de hierro (cementita). Las aleaciones
de menos de 0,89% de C se llaman
hipoeutectoides y las de mas de 0,89%
hipereutectoides.
70

Diagrama de equilibrio de fases Fe-C (I)

71

Diagrama de equilibrio de fases Fe-C (II)

Conocidos los componentes y constituyentes que
podemos encontrar en las aleaciones hierro-
carbono, se puede determinar cuales de ellos las
forman, según sean las proporciones de hierro y
carbono, así como la Tª a que se encuentran.

En la se ha representado un diagrama de hierro-
carbono; de su observación y análisis se puede
deducir:
 1.- La línea ABCD es la línea de liquidus, a
partir de la cual comienzan a solidificar las
aleaciones del sistema. La línea AECF o línea
de solidus indica las temperaturas
pertenecientes al final de la solidificación.

 2.- El punto A coincide con la Tª de
solidificación del hierro en estado puro.

 3.- El punto C representa la aleación eutéctica
con una proporción de carbono del 4.3%,
compuesta por austenita y cementita formando
la ledeburita.

72

Diagrama de equilibrio de fases Fe-C (III)

 4.- El punto E es el de máxima solubilidad del
C en hierro , que corresponde a una
proporción de carbono del 1,76% .

 5.- El punto D está en el limite del diagrama
6,67% de carbono, que corresponde a la
cementita pura.

 6.- En el punto S o eutectoide, la austenita se
transforma en perlita. Esta aleación tiene el
0,89% de carbono.

73

Diagrama de equilibrio de fases Fe-C (IV)

Para la mejor comprensión del diagrama, estudiaremos el proceso de solidificación de seis
aleaciones de los siguientes porcentajes de carbono: 0.5%; 0.89%; 1.2%; 3.2%; 4.3% y 5.4%.

 Aleación I (0.5% de C). Por encima del punto 1
existe solamente la fase líquida. Comienza la
formación de austenita hasta que en 2 solidifica
totalmente. En el punto 3 el hierro γ se
transforma progresivamente en ferrita o hierro
α. Mientras dura la transformación anterior, la
austenita residual se enriquece en carbono
hasta que en el punto 4, con una proporción de
0,89 de C, se convierte en perlita.

 Aleación II (0.89% de C). Comportamiento
idéntico al anterior, con una sensible diferencia,
y es que no existe el punto 3, porque toda la
austenita se transforma bruscamente en perlita.
Es la llamada eutectoide.

 Aleación III (1.2% de C). En el punto 5
comienzan a separarse cristales de cementita,
empobreciéndose progresivamente en carbono
la austenita restante, hasta que en el punto 6 a
la temperatura de 723ºC el porcentaje es de
0.89%, y se transforma bruscamente en perlita.

74

Diagrama de equilibrio de fases Fe-C (IV)

 Aleación IV (3.2% de C). En el punto 7 comienza
la solidificación y se forma austenita. Cuando el
Iíquido residual llega a la línea eutéctica, todo
el se transforma en ledeburita, punto 8.
Conforme desciende la temperatura, la
austenita va segregando cementita
preeutéctica, hasta que en el punto 9 se
convierte en perlita. Como la ledeburita está
formada por el 52% de cementita primaria y el
48% de austenita, también se transforma en
perlita (ledeburita transformada).

 Aleación V (4.3% de C). Idéntica a la anterior,
aunque en el punto C presenta un paso brusco
de solidificación en ledeburita (aleación
eutéctica).

 Aleación VI (5.4% de C). En el punto 10
comienzan a formarse cristales de cementita,
mientras que la fase líquida va perdiendo
carbono hasta que a la temperatura de 1130ºC
solidifica en ledeburita con un porcentaje de
carbono de 4.3%.

75

Técnicas de modificación de las
propiedades de los materiales industriales

Controlando el enfriamiento de las aleaciones es posible alterar la estructura
y, en consecuencia, las propiedades de los materiales.

 Tratamientos térmicos
 Temple
 Recocido
 Revenido
 Normalizado
 Tratamientos termoquímicos
 Cementación
 Cianurización
 Nitruración
 Sulfinización
 Tratamientos Mecánicos
 En frío
 En caliente
 Tratamientos superficiales
 Metalización
 Cromado duro

76

Tratamientos Térmicos: Temple (I)

Consiste en someter a los metales o aleaciones a un proceso de calentamiento
y enfriamiento rápido y continuo en un medio adecuado: agua, aceite o aire.
Tras el tratamiento se consigue un metal cuya superficie es muy dura, debido a
que el enfriamiento tan rápido impide a los cristales de la superficie adquirir un
equilibrio estable.

Es el tratamiento típico de los aceros martensíticos. Un acero templado tendrá
mejores propiedades cuanta mayor sea la cantidad de martensita que se haya
generado en el proceso de enfriamiento. Se define la templabilidad como la
aptitud de la aleación para endurecerse por la formación de martensita como
consecuencia de un tratamiento térmico.

77

Tratamientos Térmicos: Temple (II)

 Factores que influyen en el temple
 Composición del acero: cuanta mayor sea la cantidad de carbono mejores
propiedades tendrá el temple. La presencia de otros elementos que puedan formar
carburos también favorecerán la templabilidad, es decir la formación de martensita a
velocidades de enfriamiento menores.
 Temperatura de calentamiento: Variará en función del contenido de carbono y de otros
elementos.
 Tiempo de calentamiento: Dependerá de la masa de la pieza.
 Velocidad de enfriamiento: Es el factor más importante y depende del medio de
temple.
 Características del medio de temple: Condiciona la velocidad de enfriamiento.
 Tamaño y geometría de la muestra: Condiciona el tiempo de enfriamiento y la
homogeneidad del la pieza resultante.

 Medios de temple
 Agua: Es el medio más rápido de enfriamiento, se consiguen temples muy fuertes y se
utiliza para templar aceros al carbono. Nunca debe llegar a los 30ºC. Es conveniente
agitar el agua para evitar la formación de burbujas de vapor y para aumentar la
velocidad de enfriamiento y, por tanto, la efectividad del temple.
 Aceite: Al ser más viscosos se enfrían más lentamente y por tanto se consiguen
temples más suaves. Se emplean para aceros aleados, pues cuanta mayor sea la
cantidad de carbono el temple en el agua puede ser muy severo y provocar
deformaciones y grietas. Conviene agitarlo.
 Aire: Es el medio más lento. Provoca microestructuras totalmente perlíticas.

78

Tratamientos Térmicos: Temple (III)

 Tipos de Temple
 Temple continuo de austenización completa: se aplica a
aceros hipoeutectoides. Su principal componente
estructural es la martensita.
 Temple continuo de austenización incompleta : se aplica a
aceros hipereutectoides. La estructura resultante será
martensita y cementita.
 Temple martensítico o martempering: Se enfría la austenita
en un baño de sales a Tª constante. La martensita obtenida
es muy dura, resistente al rozamiento y frágil.
 Temple austenpering: Es similar al anterior pero con mayor
tiempo de permanencia en las sales para que el resultado
final sea bainita.
 Temple superficial: Consiste en calentar rápida y
superficialmente un material de forma que solo la
superficie se transforme en austenita. Luego se produce el
enfriado rápido de manera que el núcleo de la pieza
permanece blando, tenaz, resilente y resistente al
desgaste, mientras que la superficie de la pieza es dura y
resistente al rozamiento como un temple martensítico. El
calentamiento de la pieza puede hacerse con soplete
oxiacetilénico o por inducción eléctrica.

79

Tratamientos Térmicos: Recocido

Consiste en calentar el material hasta una temperatura determinada durante un tiempo
previsto para posteriormente enfriarlo lentamente hasta la Tª ambiente. Se consigue así
eliminar los defectos estructurales introducidos por el temple para disminuir la dureza y
favorecer el mecanizado de la pieza. Los objetivos que se buscan con el recocido son:

 Eliminar tensiones del temple.
 Aumentar la plasticidad, ductilidad y tenacidad.
 Conseguir una microestructura específica.

En función del tamaño y geometría de la pieza, es
imprescindible controlar perfectamente los tiempos de
calentamiento y enfriamiento así como las velocidades de
variación de la Tª para evitar deformaciones y agrietamiento
internos en las piezas. Según los resultados esperados hay
tres tipos de recocidos:

 Homogeneización: Se aplica en metales con soldaduras defectuosas.
 Regeneración: Se aplica en aleaciones demasiado duras por haber enfriado demasiado
rápido.
 Estabilización: Consigue eliminar tensiones internas en metales y aleaciones sometidas
a forjado o laminado.
80

Tratamientos Térmicos: Revenido

Es un proceso posterior al temple para eliminar la fragilidad y mejorar la
tenacidad a costa de disminuir la dureza. Consiste en calentar el material hasta
una temperatura inferior a la de temple para lograr que la martensita se
transforme en una estructura más estable para posteriormente enfriarlo
rápidamente.

Los factores que más influyen son la Tª y el tiempo de calentamiento: cuanto
más se acerque a la Tª de temple y mayor sea el tiempo, mayor será el
ablandamiento y mayor la tenacidad. Si bien se destruye parte del temple, el
acero resultante es más blando pero menos frágil.

81

Tratamientos Térmicos: Normalizado

Es un tratamiento térmico similar al recocido pero con una velocidad de
enfriamiento más elevada. Se calienta el material para convertir la ferrita en
austenita y se enfría al aire libre.

Mediante este proceso se afinan los aceros, consiguiendo disminuir el tamaño
de grano medio.

82

Tratamientos Termoquímicos

Son procesos de calentamiento y enfriamiento de metales y aleaciones que además varían la
composición química superficial de éstos, añadiendo otros elementos. La finalidad es
mejorar determinadas propiedades en la superficie como la dureza y resistencia a la
corrosión. Los principales tratamientos termoquímicos son:
 Cementación: Se aumenta la cantidad de
carbono en superficie para aumentar la
dureza y la resiliencia. El material será más
resistente a la fricción y a los golpes.

 Nitruración: Se aumenta la cantidad de
nitrógeno en superficie para aumentar la
dureza. Se aplica a cigüeñales, brocas,
sierras, etc donde la dureza es muy
importante.

 Cianurización: Se aumenta la cantidad de
carbono y de nitrógeno. Es la combinación
de los tratamientos anteriores.

 Sulfinización: Se incorpora azufre,
nitrógeno y carbono a la superficie del
material. Se mejora la resistencia al
desgaste y a la corrosión.
83

Tratamientos Mecánicos

Son operaciones de deformación permanente de los metales y aleaciones mediante un
esfuerzo mecánico. Mejoran la estructura interna al eliminar posibles fisuras y/o cavidades
internas y homogeneizar el material. Se pueden llevar a cabo en frío o en caliente.

 En frío: Los más conocidos son el
laminado en frío, la estampación en frío,
el estirado y el hilado. Se utilizan para
obtener chapas, hilos y cables
 En caliente: Los más conocidos son la
forja, el laminado en caliente, la
estampación en caliente y la extrusión.
Se utilizan para fabricar herramientas y
en artesanía.

84

Tratamientos Superficiales

Son tratamientos que consisten en la mejora de las calidades superficiales de
los metales y aleaciones. Los más conocidos son la metalización y el cromado
duro.
 Metalización: Se proyecta un metal
fundido sobre la superficie de otro
para conseguir que la superficie del
segundo adquiera las propiedades del
primero. Se usa para aumentar la
resistencia al desgaste o a la
corrosión.

 Cromado duro: Se efectúa mediante
un proceso electrolítico especial para
conseguir que la capa de cromo sea
más gruesa de lo habitual, de manera
que el metal presente menor
coeficiente de fricción y mayor
resistencia al desgaste.

85

Oxidación y Corrosión

Los dos componentes básicos del aire atmosférico son el nitrógeno (79%) y el
oxígeno (21%). El nitrógeno es un gas muy poco activo mientras que el oxígeno
es el responsable de la mayoría de los procesos químicos que se producen en
los materiales expuestos a la intemperie.

■ En ambiente seco y cálido el oxígeno provoca la oxidación de muchos
materiales.
■ En ambiente húmedo se produce corrosión.

La mayor parte de los materiales se oxidan en contacto con el oxígeno, pero
analizaremos sólo la oxidación y la corrosión de los metales.

86

Oxidación

Desde el punto de vista químico, la oxidación es una reacción en la que el elemento que
se oxida cede electrones al elemento oxidante. Aunque el más común de los oxidantes es
el oxígeno (O2), la oxidación de los metales puede ser provocada por otros agentes como el
cloro (Cl2), el bromo (Br2), el azufre (S), el hidrógeno (H), el iodo (l2), los óxidos de azufre
(SO2 y SO3) y los de carbono (CO y CO2).
En algunos metales como el cobre, el níquel, el estaño, el aluminio, el cromo, el proceso de
oxidación depende de la Tª:
■ A Tª ambiente la capa de óxido que los recubre se compacta impidiendo el contacto
del metal con el agente corrosivo y evitando que continúe la oxidación.
■ Si la Tª se eleva se puede producir una rotura de la capa de óxido y una difusión del
oxígeno a través de esta capa, con lo que la oxidación llega al interior del metal.

87

Corrosión
Es la destrucción lenta y progresiva de un material producida por el oxígeno del aire
combinado con la humedad. Los procesos de corrosión son procesos electroquímicos, ya
que en la superficie del metal se generan micropilas galvánicas en las que la humedad
actúa como electrolito. Por tanto, se producen dos reacciones químicas simultaneas: una
reacción anódica y una reacción catódica.
■ La reacción anódica se produce en la superficie del metal, que actúa como ánodo y
cede electrones formándose el óxido correspondiente.
■ La reacción catódica consiste en la captura de los electrones por los radicales OH- y
el posterior desprendimiento de hidrógeno gas (H2).
Los agentes corrosivos más habituales son el cloruro de sodio presente en el agua de mar
y el dióxido de azufre que se produce en las combustiones.

88

Corrosión. Tipos (I)
Se suelen distinguir unos ocho tipos de corrosión: uniforme, galvánica, por aireación
diferencial, picaduras, intergranular, erosión y corrosión bajo tensiones.

■ Corrosión uniforme: Cuando se coloca un metal en un electrolito (puede ser aire
húmedo), puede verse al microscopio que unas zonas actúan como cátodo y otras
como ánodo, repartiéndose al azar y cambiando, lo que da lugar a una corrosión
uniforme incluso sin contacto con otro material. Es el caso de la herrumbre en el acero
o la capa que recubre algunos objetos decorativos. Es la forma más común y
predecible de corrosión, por lo que se puede prevenir con recubrimientos o barnices
protectores.

■ Corrosión galvánica: Tiene lugar al poner próximos dos metales
o aleaciones distintas que están expuestos a un electrolito
(agua, aire húmedo etc.). El metal menos noble o más activo en el
ambiente del electrolito es el que se corroe.
Se debe tener especial cuidado de no poner juntos metales o
aleaciones con electronegatividades muy diferentes y, si no
queda más remedio, se debe utilizar un área anódica lo mas
grande posible o aislar los metales con aislantes eléctricos
(caucho, pintura, plástico) antes de juntarlos. También se puede
realizar una protección catódica si se conecta eléctricamente un
tercer metal anódico a los otros dos.
89

Corrosión. Tipos (II)
■ Corrosión por aireación diferencial: Ocurre en objetos formados
por un mismo metal en los que pueden existir grietas y rendijas,
en las cuales penetra la suciedad y la humedad, con lo que las
zonas exteriores están más aireadas y las interiores quedan
empobrecidas de oxígeno, al gastarse en la oxidación y no
poder ser renovado. Si en lugar de uniones remachadas,
atornilladas o por plegado se emplean soldadas, el efecto se
puede reducir. También hay que procurar que no existan zonas
estancas sin aireación y que tengan un buen drenaje.
■ Picaduras: Es una forma localizada de corrosión que penetra
desde la superficie al interior. El fenómeno es parecido al del
caso anterior, pues una pequeña grieta donde se inicie una
oxidación hará que la superficie bajo ella se quede sin oxígeno.
Las superficies pulidas presentan mayor resistencia a este tipo
de corrosión.
■ Corrosión intergranular: Sucede cuando en los limites de grano
ha precipitado una segunda fase, con lo que se produce una
celda galvánica (dos componentes que tienen distinta
electronegatividad). En el acero la ferrita es anódica respecto
de la cementita, con lo que se produce una circulación de
electrones.
90

Corrosión. Tipos (III)

■ Corrosión por erosión: Más que una corrosión es la eliminación
de la capa protectora de óxido que se forma en los metales.
Esta eliminación se produce por la acción mecánica (desgaste)
de un fluido que va por una conducción. (tuberías, codos,
válvulas, bombas y, en general, cualquier elemento que
conduzca un fluido. La presencia de burbujas o partículas en
suspensión empeora la situación.

■ Corrosión por tensiones: Un esfuerzo externo o una tensión
interna (por ejemplo, tras una deformación en frío) hace que
puedan existir pequeñas grietas. Estas fisuras provocan que las
zonas con menor concentración de oxígeno que el exterior
hagan de ánodo y comience la corrosión.

91

Protección contra la corrosión (I)

Los tratamientos superficiales no modifican las propiedades mecánicas del metal base, por
ello se recurre a técnicas de recubrimiento para proteger metales contra la corrosión.

La primera precaución es realizar un buen diseño:

■ Seleccionar el material adecuado para el ambiente en que se va a trabajar, siempre
que el coste lo permita.
■ Evitar la formación de células galvánicas en las uniones de diferentes metales
(hierro y latón p.e.).
■ Procurar que la superficie del ánodo sea mayor que la del cátodo. Por ejemplo, una
arandela de cobre sobre una chapa de acero tiene poca superficie comparada con la
de la chapa de acero, con lo que el cobre toma pocos electrones del acero y la
corrosión de este último es más lenta. Pero, si la arandela es de acero y la chapa de
cobre el proceso se invierte y acelera.
■ Los recipientes para contener Iíquidos deben ser cerrados y se hay que procurar en
su vaciado que no se estanque. Los fondos cónicos facilitan el desagüe.
■ Evitar hendiduras y grietas en las construcciones metálicas mediante el uso de
soldaduras, así se protege de la corrosión por aireación diferencial

92

Protección contra la corrosión (II)

93

Protección contra la corrosión (III)

■ Inhibidores: Cuando los recipientes que contienen fluidos han de
ser totalmente cerrados, como en el caso de un radiador de
automóvil, se utilizan sustancias que reaccionan con el oxígeno y
lo eliminan o bien atacan la superficie que se desea preservar
formando un recubrimiento protector. Las sales de cromo pueden
realizar esta función, pero, si se añaden en poca cantidad, quedan
zonas sin recubrir y se acelera la corrosión.

■ Protección catódica: Es un medio efectivo, aunque caro, se trata
de hacer que el metal que se va a proteger deje de ser ánodo para
forzarlo a ser cátodo. Para ello hay dos variantes, el ánodo de
sacrificio (se usa un material con potencial de electrodo menor al
que se desea proteger y éste se corroerá) y el voltaje impuesto
(poner una fuente de alimentación externa que invierta la polaridad
de los componentes: el elemento a proteger al polo negativo).

■ Protección anódica o pasivación: Es un caso de recubrimiento
con reacción superficial. Se forma una película de óxido o de
hidróxido, adherente e impermeable (como sucede en el
aluminio, en cuyo caso se denomina anonizado), evitando así la
formación de celdas galvánicas.

94

Protección contra la corrosión (IV)

 Recubrimientos protectores: Tratan de aislar el ánodo y el cátodo. Los hay, como el aceite
o la grasa, que son temporales. Los recubrimientos mas usuales son los metálicos, las
cerámicas y los polímeros. En todos los casos debe realizarse una escrupulosa limpieza de
la superficie que se quiere cubrir.

 Metálicos: Al exponer dos metales a la humedad, se acelera la corrosión de uno de
ellos. Así, si se recubre acero con Mg, Al, Zn o Cd, se acelera la corrosión de estos.
Pero si se recubre con Sn, Cu, Ni u Au sucede lo contrario; con lo que en este último
caso el recubrimiento debe quedar bien adherido para evitar puntos de corrosión.

 Orgánicos: Son las pinturas, barnices, esmaltes y cerámicas. La pintura es una
suspensión que se aplica en capas finas sobre la superficie del metal, la evaporación
del disolvente y el endurecimiento al reaccionar con el aire la convierten en una capa
más o menos impermeable a acciones externas.

La pintura tiene varios componentes principales, el vehículo (compuesto a su vez por
el diluyente o disolvente), el aglutinante (se polimeriza al secarse, formando la capa
dura) y los pigmentos, que tienen distintas funciones. La pintura sin pigmento es el
barniz o laca.

Los pigmentos tienen diferentes misiones; por ejemplo, los pigmentos inertes tienen el
papel de relleno para evitar el paso de los reactivos exteriores. Los coloreados facilitan
el color. Los anticorrosivos, como el minio (Pb3O4) actúan de inhibidor o polvo de cine,
que facilita una protección catódica. Los ignífugos trabajan consumiendo el oxígeno
ambiente al calentarse, por lo que disminuyen la presencia de este elemento en un
fuego. Los plastificantes aumentan la plasticidad, elasticidad y tenacidad de la pintura,
a la vez que mejoran su adherencia.
95

Estructura interna materiales

Más contenido relacionado

La actualidad más candente (20)

Destacado (20)

Similar a Estructura interna materiales (20)

Más de Luis Miguel García (20)

Último (20)

Estructura interna materiales