Nick Connor

Los cuproníquel son aleaciones de cobre-níquel que contienen típicamente de 60 a 90 por ciento de cobre y níquel como principal elemento de aleación. Las dos aleaciones principales son 90/10 y 70/30. También pueden contener otros elementos de refuerzo, como manganeso y hierro. Los cuproníquel tienen una excelente resistencia a la corrosión provocada por el agua de mar. A pesar de su alto contenido de cobre, el cuproníquel es de color plateado. La adición de níquel al cobre también mejora la fuerza y ​​la resistencia a la corrosión, pero se conserva una buena ductilidad.

Los cuproníquel se pueden utilizar en muchas aplicaciones marinas, como las hélices y los ejes de las hélices. Dado que son de color plateado, también se pueden utilizar para la producción de monedas de color plateado. Dado que las aleaciones de cuproníquel tienen una resistencia inherente al macrofouling, buena resistencia a la tracción, excelente ductilidad cuando se recocen, alta conductividad térmica y características de expansión, se pueden usar para intercambiadores de calor, como en los condensadores de turbinas de vapor, enfriadores de aceite, sistemas de enfriamiento auxiliares y pre -calentadores en centrales nucleares y de combustibles fósiles.

Propiedades del cuproníquel

Las propiedades de los materiales son propiedades intensivas, lo que significa que son independientes de la cantidad de masa y pueden variar de un lugar a otro dentro del sistema en cualquier momento. La base de la ciencia de los materiales consiste en estudiar la estructura de los materiales y relacionarlos con sus propiedades (mecánicas, eléctricas, etc.). Una vez que un científico de materiales conoce esta correlación estructura-propiedad, puede pasar a estudiar el rendimiento relativo de un material en una aplicación determinada. Los principales determinantes de la estructura de un material y, por tanto, de sus propiedades son sus elementos químicos constituyentes y la forma en que se ha procesado hasta su forma final.

Propiedades mecánicas del cuproníquel

Los materiales se eligen con frecuencia para diversas aplicaciones porque tienen combinaciones deseables de características mecánicas. Para aplicaciones estructurales, las propiedades de los materiales son cruciales y los ingenieros deben tenerlas en cuenta.

Resistencia del cuproníquel

En mecánica de materiales, la resistencia de un material es su capacidad para soportar una carga aplicada sin fallas ni deformaciones plásticas. La resistencia de los materiales básicamente considera la relación entre las cargas externas aplicadas a un material y la deformación resultante o cambio en las dimensiones del material. La resistencia de un material es su capacidad para soportar esta carga aplicada sin fallas ni deformaciones plásticas.

Resistencia a la tracción

La máxima resistencia a la tracción del cuproníquel – UNS C70600 es de aproximadamente 275 MPa.

La máxima resistencia a la tracción es la máxima en la curva de ingeniería de tensión-deformación. Esto corresponde a la tensión máxima que puede ser sostenido por una estructura en tensión. La resistencia máxima a la tracción a menudo se reduce a «resistencia a la tracción» o incluso a «máxima». Si se aplica y se mantiene esta tensión, se producirá una fractura. A menudo, este valor es significativamente mayor que el límite elástico (entre un 50 y un 60 por ciento más que el rendimiento para algunos tipos de metales). Cuando un material dúctil alcanza su máxima resistencia, experimenta un estrechamiento donde el área de la sección transversal se reduce localmente. La curva tensión-deformación no contiene una tensión mayor que la resistencia máxima. Aunque las deformaciones pueden seguir aumentando, la tensión suele disminuir después de que se ha alcanzado la resistencia máxima. Es una propiedad intensiva; por lo tanto, su valor no depende del tamaño de la muestra de prueba. Sin embargo, depende de otros factores, como la preparación de la muestra, temperatura del entorno de prueba y del material. Las resistencias a la tracción máxima varían desde 50 MPa para un aluminio hasta 3000 MPa para aceros de muy alta resistencia.

Límite de elasticidad

El límite elástico del cuproníquel – UNS C70600 es de aproximadamente 105 MPa.

El punto de fluencia es el punto en una curva de tensión-deformación que indica el límite del comportamiento elástico y el comportamiento plástico inicial.Límite de elasticidad es la propiedad del material definida como el esfuerzo en el que un material comienza a deformarse plásticamente, mientras que el límite elástico es el punto donde comienza la deformación no lineal (elástica + plástica). Antes del límite elástico, el material se deformará elásticamente y volverá a su forma original cuando se elimine la tensión aplicada. Una vez superado el límite elástico, una parte de la deformación será permanente e irreversible. Algunos aceros y otros materiales exhiben un comportamiento denominado fenómeno de límite elástico. Los límites de elasticidad varían de 35 MPa para un aluminio de baja resistencia a más de 1400 MPa para aceros de muy alta resistencia.

Módulo de Young

El módulo de Young del cuproníquel – UNS C70600 es de aproximadamente 135 GPa.

El módulo de Young es el módulo elástico para esfuerzos de tracción y compresión en el régimen de elasticidad lineal de una deformación uniaxial y generalmente se evalúa mediante ensayos de tracción. Hasta una tensión límite, un cuerpo podrá recuperar sus dimensiones al retirar la carga. Las tensiones aplicadas hacen que los átomos de un cristal se muevan desde su posición de equilibrio. Todos los átomos se desplazan en la misma cantidad y aún mantienen su geometría relativa. Cuando se eliminan las tensiones, todos los átomos vuelven a sus posiciones originales y no se produce ninguna deformación permanente. Según la ley de Hooke, la tensión es proporcional a la deformación (en la región elástica) y la pendiente es el módulo de Young. El módulo de Young es igual a la tensión longitudinal dividida por la deformación.

Dureza del cuproníquel

La dureza Brinell del cuproníquel – UNS C70600 es aproximadamente HB 100.

La prueba de dureza Rockwell  es una de las pruebas de dureza por indentación más comunes, que se ha desarrollado para las pruebas de dureza. A diferencia de la prueba de Brinell, el probador Rockwell mide la profundidad de penetración de un penetrador bajo una carga grande (carga mayor) en comparación con la penetración realizada por una precarga (carga menor). La carga menor establece la posición cero. Se aplica la carga principal y luego se retira mientras se mantiene la carga menor. La diferencia entre la profundidad de penetración antes y después de la aplicación de la carga principal se utiliza para calcular el  número de dureza Rockwell. Es decir, la profundidad de penetración y la dureza son inversamente proporcionales. La principal ventaja de la dureza Rockwell es su capacidad para  mostrar los valores de dureza directamente. El resultado es un número adimensional anotado como  HRA, HRB, HRC, etc., donde la última letra es la escala de Rockwell respectiva.

La prueba Rockwell C se realiza con un penetrador Brale (cono de diamante de 120°) y una carga mayor de 150 kg.

Ver arriba:
Cuproníquel

El magnesio puro es un sólido gris brillante que tiene un gran parecido físico con los otros cinco elementos de la segunda columna (grupo 2, o metales alcalinotérreos) de la tabla periódica.

Las aleaciones de magnesio son mezclas de magnesio y otros metales de aleación, generalmente aluminio, zinc, silicio, manganeso, cobre y circonio. Dado que la característica más destacada del magnesio es su densidad, 1,7 g/cm³, sus aleaciones se utilizan donde el peso ligero es una consideración importante (por ejemplo, en componentes de aeronaves). El magnesio tiene el punto de fusión más bajo (923 K (1202°F)) de todos los metales alcalinotérreos. El magnesio puro tiene una estructura cristalina HCP, es relativamente blando y tiene un módulo de elasticidad bajo: 45 GPa. Las aleaciones de magnesio también tienen una estructura de celosía hexagonal, lo que afecta las propiedades fundamentales de estas aleaciones. A temperatura ambiente, el magnesio y sus aleaciones son difíciles de realizar un trabajo en frío debido al hecho de que la deformación plástica de la red hexagonal es más complicada que en metales enrejados cúbicos como el aluminio, el cobre y el acero. Por lo tanto, las aleaciones de magnesio se utilizan típicamente como aleaciones de fundición. A pesar de la naturaleza reactiva del polvo de magnesio puro, el magnesio metálico y sus aleaciones tienen buena resistencia a la corrosión.

El aluminio es el elemento de aleación más común. El aluminio, zinc, circonio y torio promueven el endurecimiento por precipitación: el manganeso mejora la resistencia a la corrosión; y el estaño mejora la moldeabilidad.

Debemos agregar que el magnesio puro es altamente inflamable, especialmente cuando se pulveriza o se raspa en tiras delgadas, aunque es difícil de encender en masa o a granel. Produce una luz blanca intensa, brillante cuando arde. Las temperaturas de la llama del magnesio y algunas aleaciones de magnesio pueden alcanzar los 3100°C. El magnesio quemado o fundido reacciona violentamente con el agua. Una vez encendidos, estos incendios son difíciles de extinguir, porque la combustión continúa en nitrógeno (formando nitruro de magnesio), dióxido de carbono (formando óxido de magnesio y carbono) y agua. La quema de magnesio se puede apagar usando un extintor de incendios químico seco de Clase D. Su inflamabilidad se reduce en gran medida por una pequeña cantidad de calcio en la aleación.

Usos de las aleaciones de magnesio – Aplicación

Las aleaciones de magnesio se utilizan en una amplia variedad de aplicaciones estructurales y no estructurales. Las aplicaciones estructurales incluyen equipos automotrices, industriales, de manipulación de materiales, comerciales y aeroespaciales. Las aleaciones de magnesio se utilizan para piezas que operan a altas velocidades y, por lo tanto, deben ser livianas para minimizar las fuerzas de inercia. Las aplicaciones comerciales incluyen herramientas de mano, computadoras portátiles, equipaje y escaleras, automóviles (por ejemplo, volantes y columnas, armazones de asientos, cajas de transmisión). Magnox (aleación), cuyo nombre es una abreviatura de «magnesio no oxidante», es 99% magnesio y 1% aluminio, y se utiliza en el revestimiento de barras de combustible en reactores de energía nuclear magnox.

Tipos de aleaciones de magnesio

Los nombres de las aleaciones de magnesio a menudo se dan con dos letras seguidas de dos números. Las letras indican los principales elementos de aleación (A = aluminio, Z = zinc, M = manganeso, S = silicio). Los números indican las respectivas composiciones nominales de los principales elementos de aleación. Por ejemplo, la aleación AZ81 es una aleación de magnesio con aproximadamente un 8% de aluminio y un 1% de zinc.

Aleación Magnox – AL80

Magnox, cuyo nombre es una abreviatura de » magnesio no oxidante «, es una aleación con alto contenido de magnesio principalmente de magnesio con pequeñas cantidades de aluminio y otros metales. Esta aleación, designada como aleación AL80, se utiliza como revestimiento para el combustible nuclear empleado en los reactores de centrales eléctricas moderados por grafito y refrigerados por gas del Reino Unido del mismo nombre. Los revestimientos de aleaciones de magnesio de tipo Magnox son bien compatibles con el uranio metálico a temperaturas de hasta 500°C y son muy resistentes a la oxidación.

Este material tiene la ventaja de una sección transversal de captura de neutrones baja, pero tiene dos desventajas principales:

• Limita la temperatura máxima (a unos 415°C) y, por tanto, la eficiencia térmica de la planta.
• La desventaja de estas aleaciones es una alta tendencia al crecimiento de granos, pérdida de propiedades de resistencia, oxidación en presencia de vapor de agua.

La aleación magnox Al80 tiene una composición de 0,8% de aluminio y 0,004% de berilio.

Como se escribió, la aleación magnox AL80 se utilizó principalmente como revestimiento de combustible en reactores de tipo Magnox. El 30 de diciembre de 2015, la Unidad 1 de Wylfa, se cerró el último reactor Magnox en funcionamiento del mundo. A medida que se implementaba el diseño de Magnox, ya se estaba trabajando en el reactor avanzado refrigerado por gas (AGR) con la intención explícita de hacer que el sistema sea más económico. El diseño AGR retuvo el moderador de grafito y el refrigerante de dióxido de carbono del Magnox, pero aumentó la temperatura de funcionamiento del gas de enfriamiento para mejorar las condiciones del vapor. Este aumento de temperatura (alrededor de 650°C (1202°F)) mejoraría en gran medida la eficiencia térmica de la planta de energía. Pero esto estaba demasiado caliente para la aleación magnox, y el AGR originalmente tenía la intención de usar un nuevo revestimiento a base de berilio, pero resultó demasiado frágil. Este fue reemplazado por un revestimiento de acero inoxidable. Sin embargo, el acero tiene una sección transversal de neutrones más alta y este cambio requirió el uso de combustible de uranio ligeramente enriquecido para compensar las secciones transversales de absorción más altas.

Elektron 21 – UNS M12310

En general, Elektron es la marca registrada de una amplia gama de aleaciones de magnesio fabricadas por una empresa británica Magnesium Elektron Limited. Elektron 21, designado por UNS M12310, es una de las aleaciones con excelente resistencia a la corrosión y moldeabilidad. Los productos fundidos poseen una microestructura de grano fino y una hermeticidad a la presión. Esta aleación se puede mecanizar fácilmente. La aplicación incluye deportes de motor y aeroespacial, ya que posee alta resistencia, peso ligero y excelentes características de amortiguación de vibraciones.

Propiedades de las aleaciones de magnesio

Las propiedades de los materiales son propiedades intensivas , lo que significa que son independientes de la cantidad de masa y pueden variar de un lugar a otro dentro del sistema en cualquier momento. La base de la ciencia de los materiales consiste en estudiar la estructura de los materiales y relacionarlos con sus propiedades (mecánicas, eléctricas, etc.). Una vez que un científico de materiales conoce esta correlación estructura-propiedad, puede pasar a estudiar el rendimiento relativo de un material en una aplicación determinada. Los principales determinantes de la estructura de un material y, por tanto, de sus propiedades son sus elementos químicos constituyentes y la forma en que se ha procesado hasta su forma final.

Propiedades mecánicas de las aleaciones de magnesio

Los materiales se eligen con frecuencia para diversas aplicaciones porque tienen combinaciones deseables de características mecánicas. Para aplicaciones estructurales, las propiedades de los materiales son cruciales y los ingenieros deben tenerlas en cuenta.

Resistencia de las aleaciones de magnesio

En mecánica de materiales, la resistencia de un material es su capacidad para soportar una carga aplicada sin fallas ni deformaciones plásticas. La resistencia de los materiales básicamente considera la relación entre las cargas externas aplicadas a un material y la deformación resultante o cambio en las dimensiones del material. La resistencia de un material es su capacidad para soportar esta carga aplicada sin fallas ni deformaciones plásticas.

Resistencia a la tracción

La resistencia máxima a la tracción de Elektron 21 – UNS M12310 es de aproximadamente 280 MPa.

La máxima resistencia a la tracción es la máxima en la curva de ingeniería de tensión-deformación. Esto corresponde a la tensión máximaque puede ser sostenido por una estructura en tensión. La resistencia máxima a la tracción a menudo se reduce a «resistencia a la tracción» o incluso a «máxima». Si se aplica y se mantiene esta tensión, se producirá una fractura. A menudo, este valor es significativamente mayor que el límite elástico (entre un 50 y un 60 por ciento más que el rendimiento para algunos tipos de metales). Cuando un material dúctil alcanza su máxima resistencia, experimenta un estrechamiento donde el área de la sección transversal se reduce localmente. La curva de tensión-deformación no contiene una tensión mayor que la resistencia máxima. Aunque las deformaciones pueden seguir aumentando, la tensión suele disminuir después de que se ha alcanzado la resistencia máxima. Es una propiedad intensiva; por lo tanto, su valor no depende del tamaño de la muestra de prueba. Sin embargo, depende de otros factores, como la preparación de la muestra,temperatura del entorno de prueba y del material. Las resistencias a la tracción máxima varían desde 50 MPa para un aluminio hasta 3000 MPa para aceros de muy alta resistencia.

Límite de elasticidad

El límite elástico de Elektron 21 – UNS M12310 es de aproximadamente 145 MPa.

El punto de fluencia es el punto en una curva de tensión-deformación que indica el límite del comportamiento elástico y el comportamiento plástico inicial. Límite de elasticidad es la propiedad del material definida como el esfuerzo en el que un material comienza a deformarse plásticamente, mientras que el límite elástico es el punto donde comienza la deformación no lineal (elástica + plástica). Antes del límite elástico, el material se deformará elásticamente y volverá a su forma original cuando se elimine la tensión aplicada. Una vez que se supera el límite de fluencia, una fracción de la deformación será permanente e irreversible. Algunos aceros y otros materiales exhiben un comportamiento denominado fenómeno de límite elástico. Los límites de elasticidad varían de 35 MPa para un aluminio de baja resistencia a más de 1400 MPa para aceros de muy alta resistencia.

Módulo de Young

El módulo de Young de Elektron 21 – UNS M12310 es de aproximadamente 45 GPa.

El módulo de Young es el módulo elástico para esfuerzos de tracción y compresión en el régimen de elasticidad lineal de una deformación uniaxial y generalmente se evalúa mediante ensayos de tracción. Hasta un esfuerzo limitante, un cuerpo podrá recuperar sus dimensiones al retirar la carga. Las tensiones aplicadas hacen que los átomos de un cristal se muevan desde su posición de equilibrio. Todos los átomos se desplazan en la misma cantidad y aún mantienen su geometría relativa. Cuando se eliminan las tensiones, todos los átomos vuelven a sus posiciones originales y no se produce ninguna deformación permanente. Según la ley de Hooke, la tensión es proporcional a la deformación (en la región elástica) y la pendiente es el módulo de Young. El módulo de Young es igual a la tensión longitudinal dividida por la deformación.

Dureza de las aleaciones de magnesio

La dureza Brinell de Elektron 21 – UNS M12310 es de aproximadamente 70 HB.

La prueba de dureza Rockwell  es una de las pruebas de dureza por indentación más comunes, que se ha desarrollado para las pruebas de dureza. A diferencia de la prueba de Brinell, el probador Rockwell mide la profundidad de penetración de un penetrador bajo una carga grande (carga mayor) en comparación con la penetración realizada por una precarga (carga menor). La carga menor establece la posición cero. Se aplica la carga principal y luego se retira mientras se mantiene la carga menor. La diferencia entre la profundidad de penetración antes y después de la aplicación de la carga principal se utiliza para calcular el  número de dureza Rockwell. Es decir, la profundidad de penetración y la dureza son inversamente proporcionales. La principal ventaja de la dureza Rockwell es su capacidad para  mostrar los valores de dureza directamente. El resultado es un número adimensional anotado como  HRA, HRB, HRC, etc., donde la última letra es la escala de Rockwell respectiva.

La prueba Rockwell C se realiza con un penetrador Brale (cono de diamante de 120°) y una carga mayor de 150 kg.

Propiedades térmicas de las aleaciones de magnesio

Las propiedades térmicas  de los materiales se refieren a la respuesta de los materiales a los cambios de  thermodynamics/thermodynamic-properties/what-is-temperature-physics/»>temperatura y a la aplicación de calor. A medida que un sólido absorbe thermodynamics/what-is-energy-physics/»>energía en forma de calor, su temperatura aumenta y sus dimensiones aumentan. Pero los diferentes materiales reaccionan a la aplicación de calor de manera diferente.

La capacidad calorífica, la expansión térmica y la conductividad térmica son propiedades que a menudo son críticas en el uso práctico de sólidos.

Punto de fusión de las aleaciones de magnesio

El punto de fusión de Elektron 21 – UNS M12310 es de alrededor de 550 – 640°C.

En general, la  fusión  es un  cambio  de fase de una sustancia de la fase sólida a la líquida. El  punto  de fusión de una sustancia es la temperatura a la que se produce este cambio de fase. El  punto de fusión  también define una condición en la que el sólido y el líquido pueden existir en equilibrio.

Conductividad térmica de las aleaciones de magnesio

La conductividad térmica de Elektron 21 – UNS M12310 es 116 W/(mK).

Las características de transferencia de calor de un material sólido se miden mediante una propiedad llamada  conductividad térmica, k (o λ), medida en  W/mK. Es una medida de la capacidad de una sustancia para transferir calor a través de un material por  conducción. Tenga en cuenta que  la ley de Fourier se  aplica a toda la materia, independientemente de su estado (sólido, líquido o gas), por lo tanto, también se define para líquidos y gases.

La  conductividad térmica  de la mayoría de los líquidos y sólidos varía con la temperatura. Para los vapores, también depende de la presión. En general:

La mayoría de los materiales son casi homogéneos, por lo que normalmente podemos escribir  k = k (T). Se asocian definiciones similares con conductividades térmicas en las direcciones y y z (ky, kz), pero para un material isótropo, la conductividad térmica es independiente de la dirección de transferencia, kx = ky = kz = k.

Ver arriba:
Aleaciones

Constantan es una aleación de cobre-níquel que consta generalmente de 55% de cobre y 45% de níquel y cantidades menores específicas de elementos adicionales para lograr valores precisos (casi constantes) para el coeficiente de temperatura de resistividad. Es decir, su principal característica es la baja variación térmica de su resistividad, que es constante en un amplio rango de temperaturas. Se conocen otras aleaciones con coeficientes de temperatura igualmente bajos, como la manganina.

Esta aleación tiene una alta resistividad eléctrica (4,9×10⁻⁷Ω·m), lo suficientemente alta como para lograr valores de resistencia adecuados incluso en rejillas muy pequeñas, el coeficiente de resistencia de temperatura más bajo y el EMF térmico más alto (también conocido como el efecto Seebeck) contra el platino de cualquiera de las aleaciones de cobre-níquel. Debido a las dos primeras de estas propiedades, se utiliza para resistencias eléctricas y, debido a la última propiedad, para termopares. Los termopares son dispositivos eléctricos que constan de dos conductores eléctricos diferentes que forman una unión eléctrica. Un termopar produce un voltaje dependiente de la temperatura como resultado del efecto termoeléctrico, y este voltaje se puede interpretar para medir la temperatura.

Por ejemplo, el constantan es el elemento negativo del termopar tipo J, siendo el hierro el positivo. Los termopares tipo J se utilizan en aplicaciones de tratamiento térmico. Además, Constantan es el elemento negativo del termopar tipo T con cobre el positivo. Estos termopares se utilizan a temperaturas criogénicas.

Coeficiente de temperatura de resistencia de Constantan

El coeficiente de temperatura de resistencia (TCR), que describe cuánto cambia su valor a medida que cambia la temperatura, de constantan – 45Ni-55Cu es ±30ppm/°C. Por lo general, se expresa en unidades de ppm/°C (partes por millón por grado centígrado).

Coeficiente de expansión térmica de Constantan

El coeficiente lineal de expansión térmica de constantan entre 25 y 105°C es 14,9×10^-6K^-1.

La expansión térmica  es generalmente la tendencia de la materia a cambiar sus dimensiones en respuesta a un cambio de temperatura. Por lo general, se expresa como un cambio fraccionario en longitud o volumen por cambio de temperatura unitario. La expansión térmica es común para sólidos, líquidos y gases. A diferencia de los gases o líquidos, los materiales sólidos tienden a mantener su forma cuando experimentan expansión térmica. Un  coeficiente de expansión lineal  se emplea generalmente en la descripción de la expansión de un sólido, mientras que un coeficiente de expansión de volumen es más útil para un líquido o un gas.

El  coeficiente de expansión térmica lineal  se define como:

donde  L  es una medida de longitud particular y  dL/dT  es la tasa de cambio de esa dimensión lineal por unidad de cambio de temperatura.

Resistencia eléctrica de constantan

La resistividad eléctrica de constantan – 45Ni-55Cu es 4,9×10⁻⁷Ω·m, lo suficientemente alta para lograr valores de resistencia adecuados incluso en redes muy pequeñas.

La resistividad eléctrica  y su inversa,  la conductividad eléctrica, es una propiedad fundamental de un material que cuantifica la fuerza con la que resiste o conduce el flujo de corriente eléctrica. Una resistividad baja indica un material que permite fácilmente el flujo de corriente eléctrica. El símbolo de resistividad suele ser la letra griega ρ (rho). La unidad SI de resistividad eléctrica es el ohmímetro (Ω⋅m). Tenga en cuenta que la resistividad eléctrica no es lo mismo que la resistencia eléctrica. La resistencia eléctrica se expresa en ohmios. Mientras que la resistividad es una propiedad material, la resistencia es propiedad de un objeto.

Conductividad térmica de Constantan – 45Ni-55Cu

La conductividad térmica de constantan – 45Ni-55Cu es 21 W/(mK).

Las características de transferencia de calor de un material sólido se miden mediante una propiedad llamada  conductividad térmica, k (o λ), medida en  W/mK. Es una medida de la capacidad de una sustancia para transferir calor a través de un material por  conducción. Tenga en cuenta que  la ley de Fourier se  aplica a toda la materia, independientemente de su estado (sólido, líquido o gas), por lo tanto, también se define para líquidos y gases.

La  conductividad térmica  de la mayoría de los líquidos y sólidos varía con la temperatura. Para los vapores, también depende de la presión. En general:

La mayoría de los materiales son casi homogéneos, por lo que normalmente podemos escribir  k = k (T) . Se asocian definiciones similares con conductividades térmicas en las direcciones y y z (ky, kz), pero para un material isótropo, la conductividad térmica es independiente de la dirección de transferencia, kx = ky = kz = k.

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Aleaciones de níquel

El estaño es un metal de post-transición en el grupo 14 de la tabla periódica. Se obtiene principalmente del mineral casiterita, que contiene dióxido de estaño. La primera aleación utilizada a gran escala fue el bronce, hecho de estaño y cobre, desde 3000 a. C. El estaño es uno de los primeros metales conocidos por los seres humanos, no es tóxico, es blando y maleable, y es adecuado para la laminación en frío. El estaño resiste la corrosión, lo que lo convierte en un recubrimiento ideal para otros metales. El estaño tiene un bajo coeficiente de fricción y la adición de elementos de aleación como cobre, antimonio, bismuto, cadmio y plata aumentan su dureza. El estaño se ha utilizado durante mucho tiempo en aleaciones con plomo como soldadura. El estaño en sí tiene un punto de fusión muy bajo, el estaño aleado con plomo forma una mezcla eutéctica en la proporción en peso de 61,9% de estaño y 38,1% de plomo con una temperatura de fusión de 183°C (361,4°F). Estas soldaduras se utilizan principalmente para unir tuberías o circuitos eléctricos.

Hojalata – Estañado – Inmersión en caliente – Galvanoplastia

La mayor aplicación individual del estaño es la fabricación de hojalata (chapa de acero recubierta de estaño), que representa aproximadamente el 40% del consumo mundial total de estaño. El estaño se adhiere fácilmente al hierro y al acero para evitar la corrosión. Los envases de acero estañado se utilizan ampliamente para la conservación de alimentos, y esto constituye una gran parte del mercado del estaño metálico.

El estañado es el proceso de recubrimiento fino de láminas de hierro forjado o acero con estaño, y el producto resultante se conoce como hojalata. El término también se usa ampliamente para los diferentes procesos de recubrimiento de un metal con soldadura antes de soldar. Hay dos procesos para el estañado de placas negras: inmersión en caliente y galvanoplastia.

• Inmersión en caliente. La hojalata fabricada con estaño en caliente se fabrica mediante laminación en frío de acero o hierro, que luego se recubre con una fina capa de estaño.
• Galvanoplastia. La galvanoplastia es un proceso que utiliza una corriente eléctrica para reducir los cationes metálicos disueltos de modo que formen una fina capa metálica coherente en un electrodo. El método tradicional de inmersión en caliente para fabricar hojalata ha sido reemplazado en gran medida por la electrodeposición de estaño en tiras continuas de acero laminado.

Soldadura – Aleación eutéctica de estaño – plomo

La soldadura es una técnica para unir metales utilizando una aleación de metal de relleno que tiene una temperatura de fusión inferior a aproximadamente 425°C (800°F). Debido a esta temperatura más baja y a las diferentes aleaciones que se utilizan como cargas, la reacción metalúrgica entre la carga y la pieza de trabajo es mínima, lo que da como resultado una unión más débil. En el montaje de componentes electrónicos, la aleación eutéctica con 63% de estaño y 37% de plomo (o 60/40, que es casi idéntico en punto de fusión) ha sido la aleación elegida. Esta aleación eutéctica tiene un punto de fusión más bajo que los del estaño o el plomo.

El estaño es un componente importante en las soldaduras porque humedece y se adhiere a muchos metales básicos comunes a temperaturas considerablemente por debajo de sus puntos de fusión. Se agregan pequeñas cantidades de varios metales, en particular antimonio y plata, a las soldaduras de estaño-plomo para aumentar su resistencia. La soldadura 60-40 proporciona uniones fuertes y confiables en una variedad de condiciones ambientales. También hay soldaduras con alto contenido de estaño, que se utilizan para unir partes de aparatos eléctricos porque su conductividad eléctrica es más alta que la de las soldaduras con alto contenido de plomo. Estas soldaduras también se utilizan cuando el plomo puede ser un peligro, por ejemplo, en contacto con agua potable o alimentos.

Resumen

60%

40%

Ver arriba:
Aleaciones

El circonio puro es un metal de transición fuerte, de color blanco grisáceo, brillante que se asemeja al hafnio y, en menor medida, al titanio. El circonio se utiliza principalmente como refractario y opacificante, aunque se utilizan pequeñas cantidades como agente de aleación por su fuerte resistencia a la corrosión. El circonio y sus aleaciones se utilizan ampliamente como revestimiento para combustibles de reactores nucleares. El circonio aleado con niobio o estaño tiene excelentes propiedades anticorrosivas. La alta resistencia a la corrosión de las aleaciones de circonio resulta de la formación natural de un óxido estable denso en la superficie del metal. Esta película es autocurativa, continúa creciendo lentamente a temperaturas de hasta aproximadamente 550°C (1020°F) y permanece firmemente adherida. La propiedad deseada de estas aleaciones también es unasección transversal de captura de neutrones baja. Las desventajas del circonio son las propiedades de baja resistencia y la baja resistencia al calor, que se pueden eliminar, por ejemplo, mediante una aleación con niobio.

• Circonio – Aleaciones de niobio. Las aleaciones de circonio con niobio se utilizan como revestimientos de elementos combustibles de reactores VVER y RBMK. Estas aleaciones son el material base del canal de montaje del reactor RBMK. La aleación Zr + 1% Nb de tipo N-1 E-110 se utiliza para revestimientos de elementos combustibles, la aleación Zr + 2,5% Nb de tipo E-125 se aplica para tubos de canales de montaje.
• Circonio – Aleaciones de estaño. Las aleaciones de circonio, en las que el estaño es el elemento de aleación básico, proporciona una mejora de sus propiedades mecánicas, tienen una amplia distribución en los USA. Un subgrupo común tiene la marca comercial Zircaloy. En el caso de las aleaciones de circonio-estaño, se produce la disminución de la resistencia a la corrosión en el agua y el vapor, lo que resulta en la necesidad de una aleación adicional.

El material de revestimiento para los nuevos diseños de combustible 17×17 se basa también en las aleaciones de circonio-niobio (por ejemplo, el material Optimized ZIRLO), que ha demostrado tener una resistencia a la corrosión mejorada en comparación con los materiales de revestimiento de combustible anteriores. El nivel de estaño optimizado proporciona una tasa de corrosión reducida al tiempo que mantiene los beneficios de la fuerza mecánica y la resistencia a la corrosión acelerada por condiciones químicas anormales.

Costos del circonio

En términos de costo, estas aleaciones también son a menudo los materiales de elección para los intercambiadores de calor y los sistemas de tuberías para las industrias de procesamiento químico y nuclear. El circonio es un subproducto de la extracción y procesamiento de minerales de titanio, así como de la extracción de estaño. De 2003 a 2007, mientras que los precios del circón mineral aumentaron constantemente de $360 a $840 por tonelada, el precio del circonio en bruto disminuyó de $39900 a $22700 por tonelada. El circonio metálico es mucho más caro que el circonio porque los procesos de reducción son costosos. Todos los costos varían significativamente con cierta pureza.

Producción de circonio

La producción de circonio metálico requiere técnicas especiales debido a las propiedades químicas particulares del circonio. La mayor parte del metal Zr se produce a partir de circón (ZrSiO₄) mediante la reducción del cloruro de circonio con magnesio metálico en el proceso Kroll. La característica clave del proceso Kroll es la reducción del cloruro de circonio a circonio metálico por magnesio. El circonio comercial de grado no nuclear contiene típicamente 1 a 5% de hafnio, cuya sección transversal de absorción de neutrones es 600 veces mayor que la del circonio. Por lo tanto, el hafnio debe eliminarse casi por completo (reducirse a <0,02% de la aleación) para aplicaciones de reactores.

Aleaciones de circonio en la industria nuclear

El revestimiento de combustible es la capa exterior de las barras de combustible, que se encuentra entre el refrigerante del reactor y el combustible nuclear (es decir, pastillas de combustible). Está hecho de un material resistente a la corrosión con una sección transversal de baja absorción para los neutrones térmicos (~0,18×10^–24 cm²), generalmente una aleación de circonio. La vaina de combustible tiene típicamente un radio interior de  r_Zr,2 = 0,408 cm  y un radio exterior  r_Zr,1 = 0,465 cm. En comparación con los pellets de combustible, casi no hay generación de calor en la vaina del combustible (la vaina se  calienta ligeramente por la radiación). Todo el calor generado en el combustible debe transferirse por  conducción a  través del revestimiento y, por lo tanto, la superficie interior está más caliente que la superficie exterior.

Una composición típica de las aleaciones de circonio de grado nuclear es más del 95 por ciento en peso de circonio y menos del 2% de estaño, niobio, hierro, cromo, níquel y otros metales, que se agregan para mejorar las propiedades mecánicas y la resistencia a la corrosión. La aleación más utilizada, hasta la fecha, en PWR, ha sido Zircaloy 4, sin embargo, actualmente está siendo reemplazada por nuevas aleaciones a base de circonio-niobio, que exhiben una mejor resistencia a la corrosión. La temperatura máxima a la que se pueden utilizar las aleaciones de circonio en los reactores refrigerados por agua depende de su resistencia a la corrosión. Las aleaciones de circonio más comunes, Zircaloy-2 y Zircaloy-4, contienen los fuertes estabilizadores α estaño y oxígeno, además de los estabilizadores β hierro, cromo y níquel. Aleaciones de tipo Zircalloy, en las que el estaño es el elemento de aleación básico que proporciona una mejora de sus propiedades mecánicas, tener una amplia distribución en el mundo. Sin embargo, en este caso, se produce la disminución de la resistencia a la corrosión en el agua y el vapor que dio lugar a la necesidad de una aleación adicional. La mejora provocada por el aditivo niobio probablemente implica un mecanismo diferente. La alta resistencia a la corrosión de los metales aleados con niobio en agua y vapor a temperaturas de 400 a 550°C se debe a su capacidad de pasivación con formación de películas protectoras.

Oxidación de aleaciones de circonio

La oxidación de las aleaciones de circonio es uno de los procesos más estudiados en toda la industria nuclear. La reacción oxidativa del circonio con agua libera gas hidrógeno, que se difunde parcialmente en la aleación y forma hidruros de circonio. Los hidruros son menos densos y mecánicamente más débiles que la aleación; su formación da como resultado la formación de ampollas y el agrietamiento del revestimiento, un fenómeno conocido como fragilización por hidrógeno. Si bien muchos de estos informes están escritos para abordar la reacción del combustible y el vapor con las aleaciones de circonio en el caso de un accidente nuclear, todavía hay un número sustancial de informes que tratan de la oxidación de las aleaciones de circonio a temperaturas moderadas de aproximadamente 800 K e inferiores.

Zr + 2H₂O → ZrO₂ + 2H₂

A altas temperaturas, la reacción exotérmica de las aleaciones a base de Zr con el vapor es mucho más intensa y peligrosa para la seguridad de las centrales nucleares durante accidentes como un accidente por pérdida de refrigerante (LOCA). El principal problema de la oxidación a alta temperatura es que el revestimiento de circonio reacciona rápidamente con el vapor de agua a alta temperatura. La cinética de oxidación de las aleaciones de circonio relevantes parece ser parabólica en el rango de temperatura de 1000-1500°C para muchas aleaciones basadas en Zr.

Aleación de circonio y estaño

Zircaloy-4 (UNS R60804) es una variación de Zircaloy-2, pero no contiene níquel y tiene un contenido de hierro más alto y más controlado. Las propiedades mecánicas son similares al circonio puro, más fuerte y menos dúctil, con una excelente resistencia a la corrosión. Esta aleación también se utiliza en servicios nucleares; absorbe menos hidrógeno que Zircaloy-2 cuando se expone a la corrosión en agua y vapor.

Las aleaciones de circonio, en las que el estaño es el elemento de aleación básico, proporciona una mejora de sus propiedades mecánicas, tienen una amplia distribución en los EE. UU. Un subgrupo común tiene la marca comercial Zircaloy. En el caso de las aleaciones de circonio-estaño, se produce la disminución de la resistencia a la corrosión en el agua y el vapor, lo que resulta en la necesidad de una aleación adicional.

Resumen

Zircaloy-4 se desarrolló a partir de Zircaloy-2 con el objetivo principal de reducir la tendencia a absorber hidrógeno. Así, se aplican las mismas especificaciones de composición, excepto para el níquel, que está limitado a un máximo de 0,007%, y el hierro, cuyo rango se reduce al 0,18%.

95%

2%

0,2%

97%

1%

0,2%

Ver arriba:
Aleaciones

Las aleaciones resistentes a la corrosión, como su nombre lo indica, son aleaciones con mayor resistencia a la corrosión. Algunos metales y aleaciones ferrosos y muchos no ferrosos se utilizan ampliamente en entornos corrosivos. En todos los casos, depende en gran medida de cierto entorno y otras condiciones. Las aleaciones resistentes a la corrosión se utilizan para tuberías de agua y muchas aplicaciones químicas e industriales. En el caso de las aleaciones ferrosas, hablamos de aceros inoxidables y, en cierta medida, de fundiciones. Pero algunas aleaciones no ferrosas resistentes a la corrosión exhiben una notable resistencia a la corrosión y, por lo tanto, pueden usarse para muchos propósitos especiales. Hay dos razones principales por las que se prefieren los materiales no ferrosos a los aceros y aceros inoxidables para muchas de estas aplicaciones. Por ejemplo, muchos de losLos metales y aleaciones no ferrosos poseen una resistencia a la corrosión mucho mayor que los aceros aleados y los grados de acero inoxidable disponibles. En segundo lugar, una alta relación resistencia-peso o una alta conductividad térmica y eléctrica pueden proporcionar una clara ventaja sobre una aleación ferrosa.

Tipos de aleaciones resistentes a la corrosión

Cuatro metales no ferrosos comunes que se utilizan por sus propiedades de resistencia a la corrosión bien documentadas son:

• 

  Cobre. El cobre no reacciona con el agua, pero reacciona lentamente con el oxígeno atmosférico para formar una capa de óxido de cobre marrón-negro que, a diferencia del óxido que se forma en el hierro en el aire húmedo, protege el metal subyacente de una mayor corrosión (pasivación). Las aleaciones de cobre-níquel y el  bronce de aluminio  demuestran una resistencia superior a la corrosión del agua salada. Por ejemplo, los cuproníquel son aleaciones de cobre y níquel que contienen típicamente de 60 a 90 por ciento de cobre y níquel como principal elemento de aleación. Las dos aleaciones principales son 90/10 y 70/30. También pueden contener otros elementos de refuerzo, como manganeso y hierro. Cuproníquel tienen una excelente resistencia a la corrosión causada por el agua de mar. A pesar de su alto contenido de cobre, el cuproníquel es de color plateado. La adición de níquel al cobre también mejora la fuerza y ​​la resistencia a la corrosión, pero se conserva una buena ductilidad. Los cuproníquel se pueden utilizar en muchas aplicaciones marinas, como las hélices y los ejes de las hélices. Dado que las aleaciones de cuproníquel tienen una resistencia inherente al macrofouling, buena resistencia a la tracción, excelente ductilidad cuando se recocen, alta conductividad térmica y características de expansión, pueden usarse para intercambiadores de calor, como en los condensadores de turbinas de vapor, enfriadores de aceite, sistemas de enfriamiento auxiliares y pre-alta presión. -calentadores en centrales nucleares y de combustibles fósiles. Otro material resistente a la corrosión muy común es un bronce de aluminio, que tiene una excelente resistencia a la corrosión, especialmente en agua de mar y entornos similares, donde las aleaciones a menudo superan a muchos aceros inoxidables. Su excelente resistencia a la corrosión se debe al aluminio de las aleaciones, que reacciona con el oxígeno atmosférico para formar una capa superficial delgada y resistente de alúmina (óxido de aluminio) que actúa como barrera a la corrosión de la aleación rica en cobre. Se encuentran en forma forjada y fundida. Los bronces de aluminio suelen ser de color dorado. Los bronces de aluminio se utilizan en aplicaciones de agua de mar que incluyen:

  • Servicios generales relacionados con el agua de mar
  • Aspectos
  • Accesorios de tuberia
  • Bombas y componentes de válvulas
  • Intercambiadores de calor
• Níquel. El níquel es un metal brillante de color blanco plateado con un ligero tinte dorado. El níquel es uno de los elementos de aleación más comunes. Aproximadamente el 65% de la producción de níquel se utiliza en aceros inoxidables. Debido a que el níquel no forma ningún compuesto de carburo en el acero, permanece en solución en la ferrita, fortaleciendo y endureciendo la fase de ferrita. Los aceros al níquel se tratan térmicamente fácilmente porque el níquel reduce la velocidad de enfriamiento crítica. Aleaciones a base de níquel (por ejemplo, aleaciones de Fe-Cr-Ni (Mo)) exhiben una excelente ductilidad y tenacidad, incluso a altos niveles de resistencia y estas propiedades se conservan hasta bajas temperaturas. El níquel y sus aleaciones son altamente resistentes a la corrosión en muchos ambientes, especialmente aquellos que son básicos (alcalinos). El níquel también reduce la expansión térmica para una mejor estabilidad dimensional. El níquel es el elemento base de las superaleaciones. Estos metales tienen una excelente resistencia a la deformación por fluencia térmica y conservan su rigidez, resistencia, tenacidad y estabilidad dimensional a temperaturas mucho más altas que los otros materiales estructurales aeroespaciales. Por ejemplo, Inconel es una marca registrada de Special Metals para una familia de superaleaciones austeníticas a base de níquel-cromo. Inconel 718 es unsuperaleación a base de níquel que posee propiedades de alta resistencia y resistencia a temperaturas elevadas. También demuestra una protección notable contra la corrosión y la oxidación. Inicialmente se desarrollaron para su uso en turbocompresores de motores de pistón de aviones. Hoy en día, la aplicación más común es en componentes de turbinas de aviones, que deben resistir la exposición a entornos muy oxidantes y altas temperaturas durante períodos de tiempo razonables.
• El titanio. El titanio puro es más resistente que los aceros comunes con bajo contenido de carbono, pero un 45% más ligero. También es dos veces más fuerte que las aleaciones de aluminio débiles, pero solo un 60% más pesado. Las dos propiedades más útiles del metal son la resistencia a la corrosión y la relación fuerza-densidad, el más alto de cualquier elemento metálico. La resistencia a la corrosión de las aleaciones de titanio a temperaturas normales es inusualmente alta. La resistencia a la corrosión del titanio se basa en la formación de una capa de óxido protectora estable. Aunque el titanio «comercialmente puro» tiene propiedades mecánicas aceptables y se ha utilizado para implantes ortopédicos y dentales, para la mayoría de las aplicaciones el titanio se alea con pequeñas cantidades de aluminio y vanadio, típicamente 6% y 4% respectivamente, en peso. Esta mezcla tiene una solubilidad sólida que varía drásticamente con la temperatura, lo que le permite experimentar un fortalecimiento por precipitación. Aleaciones de titanio son metales que contienen una mezcla de titanio y otros elementos químicos. Estas aleaciones tienen una resistencia a la tracción y una tenacidad muy altas (incluso a temperaturas extremas). Son livianos, tienen una extraordinaria resistencia a la corrosión y la capacidad de soportar temperaturas extremas. Por ejemplo, el titanio comercialmente puro de grado 2 es muy similar al grado 1, pero tiene mayor resistencia que el grado 1 y excelentes propiedades de conformado en frío. Proporciona excelentes propiedades de soldadura y tiene una excelente resistencia a la oxidación y la corrosión. Este grado de titanio es el grado más común de la industria del titanio comercialmente puro. Es la mejor opción para muchos campos de aplicaciones:
  • Aeroespacial
  • Automotor
  • Procesamiento químico y fabricación de clorato
  • Desalinización
  • Generación de energía
• Aluminio. En general, las aleaciones de aluminio se caracterizan por una densidad relativamente baja (2,7 g/cm³ en comparación con 7,9 g/cm³ del acero), conductividades eléctricas y térmicas elevadas y resistencia a la corrosión en algunos entornos habituales, incluida la atmósfera ambiental. . Su resistencia a la corrosión depende en gran medida de cierta aleación. Por ejemplo, el duraluminio se debe a la presencia de cobre susceptible a la corrosión, mientras que la aleación 6061 permanece resistente a la corrosión incluso cuando la superficie está desgastada. A temperaturas más altas y en entornos agresivos, las aleaciones de aluminio tienen poca resistencia a la corrosión y también sufren de agrietamiento por corrosión bajo tensión.

Aceros inoxidables: aleaciones ferrosas resistentes a la corrosión

Aunque estamos hablando principalmente de aleaciones resistentes a la corrosión no ferrosas, debemos mencionar los aceros inoxidables. Los aceros inoxidables se definen como aceros con bajo contenido de carbono con al menos un 10,5% de cromo con o sin otros elementos de aleación y un máximo de 1,2% de carbono en masa. Los aceros inoxidables, también conocidos como aceros inox o inox de francés inoxidables (inoxidables), son aleaciones de acero muy conocidas por su resistencia a la corrosión, que aumenta al aumentar el contenido de cromo. La resistencia a la corrosión también se puede mejorar mediante la adición de níquel y molibdeno.

Los aceros inoxidables austeníticos tienen la mejor resistencia a la corrosión de todos los aceros inoxidables y tienen excelentes propiedades criogénicas y buena resistencia a altas temperaturas. Poseen una microestructura cúbica centrada en la cara (fcc) que no es magnética y se pueden soldar fácilmente. Esta estructura cristalina de austenita se logra mediante adiciones suficientes de los elementos estabilizadores de austenita níquel, manganeso y nitrógeno. El acero inoxidable austenítico es la familia más grande de aceros inoxidables y representa aproximadamente dos tercios de toda la producción de acero inoxidable.

La resistencia de estas aleaciones metálicas a los efectos químicos de los agentes corrosivos se basa en la pasivación. Para que se produzca la pasivación y permanezca estable, la aleación Fe-Cr debe tener un contenido mínimo de cromo de aproximadamente 10,5% en peso, por encima del cual puede producirse pasividad y por debajo del cual es imposible. La fuerza y ​​la resistencia a la corrosión del acero inoxidable a menudo lo convierten en el material de elección en equipos de transporte y procesamiento, piezas de motores y armas de fuego. La mayoría de las aplicaciones estructurales se producen en las industrias de la ingeniería química y energética, que representan más de la tercera parte del mercado de productos de acero inoxidable. La amplia variedad de aplicaciones incluye recipientes de reactores nucleares, intercambiadores de calor.

Corrosión bajo tensión

Uno de los problemas metalúrgicos más graves y uno de los principales problemas de la industria nuclear es el agrietamiento por corrosión bajo tensión (SCC). El agrietamiento por corrosión por tensión resulta de la acción combinada de una tensión de tracción aplicada y un entorno corrosivo, ambas influencias son necesarias. El SCC es un tipo de corrosión por ataque intergranular que se produce en los límites del grano bajo tensión de tracción. Los aceros de baja aleación son menos susceptibles que los aceros de alta aleación, pero están sujetos a SCC en agua que contiene iones de cloruro. Sin embargo, las aleaciones a base de níquel no se ven afectadas por los iones cloruro o hidróxido. Un ejemplo de una aleación a base de níquel que es resistente al agrietamiento por corrosión bajo tensión es Inconel.

Propiedades de las aleaciones resistentes a la corrosión

Las propiedades de los materiales son propiedades intensivas, lo que significa que son independientes de la cantidad de masa y pueden variar de un lugar a otro dentro del sistema en cualquier momento. La base de la ciencia de los materiales consiste en estudiar la estructura de los materiales y relacionarlos con sus propiedades (mecánicas, eléctricas, etc.). Una vez que un científico de materiales conoce esta correlación estructura-propiedad, puede pasar a estudiar el rendimiento relativo de un material en una aplicación determinada. Los principales determinantes de la estructura de un material y, por tanto, de sus propiedades son sus elementos químicos constituyentes y la forma en que se ha procesado hasta su forma final.

Densidad de aleaciones resistentes a la corrosión

La densidad del bronce de aluminio típico es de 7,45 g/cm³ (UNS C95400).

La densidad de una superaleación típica es de 8,22 g/cm³ (Inconel 718).

La densidad de una aleación de titanio típica es de 4,51 g/cm³ (Grado 2).

La densidad de una aleación de aluminio típica es de 2,7 g/cm³ (aleación 6061).

La densidad del acero inoxidable típico es de 8,0 g/cm³ (acero 304).

La densidad  se define como la  masa por unidad de volumen. Es una  propiedad intensiva, que se define matemáticamente como masa dividida por volumen:

ρ = m / V

En palabras, la densidad (ρ) de una sustancia es la masa total (m) de esa sustancia dividida por el volumen total (V) ocupado por esa sustancia. La unidad estándar del SI es  kilogramos por metro cúbico (kg/m³). La unidad de inglés estándar es  libras de masa por pie cúbico (lbm/ft³).

Dado que la densidad (ρ) de una sustancia es la masa total (m) de esa sustancia dividida por el volumen total (V) ocupado por esa sustancia, es obvio que la densidad de una sustancia depende en gran medida de su masa atómica y también de  la densidad del número atómico  (N; átomos/cm³),

• Peso atómico. La masa atómica es transportada por el núcleo atómico, que ocupa sólo alrededor de ^10-12  del volumen total del átomo o menos, pero contiene toda la carga positiva y al menos el 99,95% de la masa total del átomo. Por lo tanto, está determinado por el número de masa (número de protones y neutrones).
• Densidad del número atómico. La  densidad del número atómico  (N; átomos/cm³), que está asociada con los radios atómicos, es el número de átomos de un tipo dado por unidad de volumen (V; cm³) del material. La densidad del número atómico (N; átomos/cm³) de un material puro que tiene  un peso atómico o molecular  (M; gramos/mol) y la densidad del  material  (⍴; gramos/cm³) se calcula fácilmente a partir de la siguiente ecuación utilizando el número de Avogadro (N_A = 6,022×10²³  átomos o moléculas por mol):
• Estructura cristalina. La densidad de la sustancia cristalina se ve afectada significativamente por su estructura cristalina. La estructura de FCC, junto con su relativo hexagonal (hcp), tiene el factor de empaque más eficiente (74%). Los metales que contienen estructuras de FCC incluyen austenita, aluminio, cobre, plomo, plata, oro, níquel, platino y torio.

Propiedades mecánicas de las aleaciones resistentes a la corrosión

Los materiales se eligen con frecuencia para diversas aplicaciones porque tienen combinaciones deseables de características mecánicas. Para aplicaciones estructurales, las propiedades de los materiales son cruciales y los ingenieros deben tenerlas en cuenta.

Resistencia de las aleaciones resistentes a la corrosión

En mecánica de materiales, la resistencia de un material es su capacidad para soportar una carga aplicada sin fallas ni deformaciones plásticas. La resistencia de los materiales básicamente considera la relación entre las cargas externas aplicadas a un material y la deformación resultante o cambio en las dimensiones del material. La resistencia de un material es su capacidad para soportar esta carga aplicada sin fallas ni deformaciones plásticas.

Resistencia a la tracción

La máxima resistencia a la tracción del bronce de aluminio: UNS C95400 es de aproximadamente 550 MPa.

Resistencia máxima a la tracción de la superaleación: Inconel 718 depende del proceso de tratamiento térmico, pero es de aproximadamente 1200 MPa.

La máxima resistencia a la tracción del titanio comercialmente puro – Grado 2 es de aproximadamente 340 MPa.

La resistencia máxima a la tracción de la aleación de aluminio 6061 depende en gran medida del temple del material, pero para el temple T6 es de aproximadamente 290 MPa.

La resistencia máxima a la tracción del acero inoxidable – tipo 304 es de 515 MPa.

La máxima resistencia a la tracción es la máxima en la curva de ingeniería de tensión-deformación. Esto corresponde a la tensión máxima que puede ser sostenido por una estructura en tensión. La resistencia máxima a la tracción a menudo se reduce a «resistencia a la tracción» o incluso a «máxima». Si se aplica y se mantiene esta tensión, se producirá una fractura. A menudo, este valor es significativamente mayor que el límite elástico (entre un 50 y un 60 por ciento más que el rendimiento para algunos tipos de metales). Cuando un material dúctil alcanza su máxima resistencia, experimenta un estrechamiento donde el área de la sección transversal se reduce localmente. La curva tensión-deformación no contiene una tensión mayor que la resistencia máxima. Aunque las deformaciones pueden seguir aumentando, la tensión suele disminuir después de que se ha alcanzado la resistencia máxima. Es una propiedad intensiva; por lo tanto, su valor no depende del tamaño de la muestra de prueba. Sin embargo, depende de otros factores, como la preparación de la muestra, temperatura del entorno de prueba y del material. Las resistencias a la tracción máxima varían desde 50 MPa para un aluminio hasta 3000 MPa para aceros de muy alta resistencia.

Límite de elasticidad

El límite elástico del bronce de aluminio – UNS C95400 es de aproximadamente 250 MPa.

Límite elástico de la superaleación: Inconel 718 depende del proceso de tratamiento térmico, pero es de aproximadamente 1030 MPa.

El límite elástico del titanio comercialmente puro – Grado 2 es de aproximadamente 300 MPa.

El límite elástico de la aleación de aluminio 6061 depende en gran medida del temple del material, pero para el temple T6 es de unos 240 MPa.

El límite elástico del acero inoxidable – tipo 304 es 205 MPa.

El  punto de fluencia  es el punto en una  curva de tensión-deformación  que indica el límite del comportamiento elástico y el comportamiento plástico inicial. Límite de elasticidad es la propiedad del material definida como el esfuerzo en el que un material comienza a deformarse plásticamente, mientras que el límite elástico es el punto donde comienza la deformación no lineal (elástica + plástica). Antes del límite elástico, el material se deformará elásticamente y volverá a su forma original cuando se elimine la tensión aplicada. Una vez que se supera el límite de fluencia, una fracción de la deformación será permanente e irreversible. Algunos aceros y otros materiales exhiben un comportamiento denominado fenómeno de límite elástico. Los límites de elasticidad varían de 35 MPa para un aluminio de baja resistencia a más de 1400 MPa para aceros de muy alta resistencia.

Módulo de Young

El módulo de Young del bronce de aluminio – UNS C95400 es de aproximadamente 110 GPa.

El módulo de Young de la superaleación: Inconel 718 es 200 GPa.

El módulo de Young del titanio comercialmente puro – Grado 2 es de aproximadamente 105 GPa.

El módulo de Young de la aleación de aluminio 6061 es de aproximadamente 69 GPa.

El módulo de Young del acero inoxidable – tipo 304 y 304L es 193 GPa.

El módulo de Young es el módulo elástico para es fuerzos de tracción y compresión en el régimen de elasticidad lineal de una deformación uniaxial y generalmente se evalúa mediante ensayos de tracción. Hasta una tensión límite, un cuerpo podrá recuperar sus dimensiones al retirar la carga. Las tensiones aplicadas hacen que los átomos de un cristal se muevan desde su posición de equilibrio. Todos los átomos se desplazan en la misma cantidad y aún mantienen su geometría relativa. Cuando se eliminan las tensiones, todos los átomos vuelven a sus posiciones originales y no se produce ninguna deformación permanente. Según la ley de Hooke, la tensión es proporcional a la deformación (en la región elástica) y la pendiente es el módulo de Young. El módulo de Young es igual a la tensión longitudinal dividida por la deformación.

Dureza de las aleaciones resistentes a la corrosión

La dureza Brinell del bronce de aluminio – UNS C95400 es de aproximadamente 170 MPa.

La dureza Brinell de la superaleación: Inconel 718 depende del proceso de tratamiento térmico, pero es de aproximadamente 330 MPa.

La dureza Rockwell del titanio comercialmente puro – Grado 2 es de aproximadamente 80 HRB.

La dureza Brinell de la aleación de aluminio 6061 depende en gran medida del temple del material, pero para el temple T6 es de aproximadamente 95 MPa.

La dureza Brinell del acero inoxidable – tipo 304 es de aproximadamente 201 MPa.

La prueba de dureza Rockwell  es una de las pruebas de dureza por indentación más comunes, que se ha desarrollado para las pruebas de dureza. A diferencia de la prueba de Brinell, el probador Rockwell mide la profundidad de penetración de un penetrador bajo una carga grande (carga mayor) en comparación con la penetración realizada por una precarga (carga menor). La carga menor establece la posición cero. Se aplica la carga principal y luego se retira mientras se mantiene la carga menor. La diferencia entre la profundidad de penetración antes y después de la aplicación de la carga principal se utiliza para calcular el  número de dureza Rockwell. Es decir, la profundidad de penetración y la dureza son inversamente proporcionales. La principal ventaja de la dureza Rockwell es su capacidad para  mostrar los valores de dureza directamente. El resultado es un número adimensional anotado como  HRA, HRB, HRC, etc., donde la última letra es la escala de Rockwell respectiva.

La prueba Rockwell C se realiza con un penetrador Brale (cono de diamante de 120°) y una carga mayor de 150 kg.

Propiedades térmicas de las aleaciones resistentes a la corrosión

Las propiedades térmicas  de los materiales se refieren a la respuesta de los materiales a los cambios de  thermodynamics/thermodynamic-properties/what-is-temperature-physics/»>temperatura y a la aplicación de calor. A medida que un sólido absorbe thermodynamics/what-is-energy-physics/»>energía en forma de calor, su temperatura aumenta y sus dimensiones aumentan. Pero los diferentes materiales reaccionan a la aplicación de calor de manera diferente.

La capacidad calorífica, la expansión térmica y la conductividad térmica son propiedades que a menudo son críticas en el uso práctico de sólidos.

Punto de fusión de las aleaciones resistentes a la corrosión

El punto de fusión del bronce de aluminio – UNS C95400 es de alrededor de 1030°C.

Punto de fusión de la superaleación: el acero Inconel 718 es de alrededor de 1400°C.

El punto de fusión del titanio comercialmente puro – Grado 2 es de alrededor de 1660°C.

El punto de fusión de la aleación de aluminio 6061 es de alrededor de 600°C.

El punto de fusión del acero inoxidable – acero tipo 304 es de alrededor de 1450°C.

En general, la  fusión  es un  cambio  de fase de una sustancia de la fase sólida a la líquida. El  punto  de fusión de una sustancia es la temperatura a la que se produce este cambio de fase. El  punto de fusión  también define una condición en la que el sólido y el líquido pueden existir en equilibrio.

Conductividad térmica de aleaciones resistentes a la corrosión

La conductividad térmica del bronce de aluminio – UNS C95400 es 59 W/(mK).

La conductividad térmica de la superaleación – Inconel 718 es 6,5 W/(mK).

La conductividad térmica del titanio comercialmente puro – Grado 2 es de 16 W/(mK).

La conductividad térmica de la aleación de aluminio 6061 es de 150 W/(mK).

La conductividad térmica del acero inoxidable – tipo 304 es de 20 W/(mK).

Las características de transferencia de calor de un material sólido se miden mediante una propiedad llamada  conductividad térmica, k (o λ), medida en  W/mK. Es una medida de la capacidad de una sustancia para transferir calor a través de un material por  conducción. Tenga en cuenta que  la ley de Fourier se  aplica a toda la materia, independientemente de su estado (sólido, líquido o gas), por lo tanto, también se define para líquidos y gases.

La  conductividad térmica  de la mayoría de los líquidos y sólidos varía con la temperatura. Para los vapores, también depende de la presión. En general:

La mayoría de los materiales son casi homogéneos, por lo que normalmente podemos escribir  k = k (T). Se asocian definiciones similares con las conductividades térmicas en las direcciones y y z (ky, kz), pero para un material isótropo, la conductividad térmica es independiente de la dirección de transferencia, kx = ky = kz = k.

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Aleaciones

Aceros

Los aceros  son aleaciones de hierro y carbono que pueden contener concentraciones apreciables de otros elementos de aleación. Agregar una pequeña cantidad de carbono no metálico  al  hierro  cambia su gran  ductilidad  por una  mayor  ductilidad. Debido a su muy alta resistencia, pero aún una dureza sustancial, y su capacidad para ser alterada en gran medida por el tratamiento térmico, el acero es una de las aleaciones ferrosas más útiles y comunes en el uso moderno. Existen miles de aleaciones que tienen diferentes composiciones y / o tratamientos térmicos. Las propiedades mecánicas son sensibles al contenido de carbono, que normalmente es inferior al 1,0% en peso. Según la clasificación AISI, el acero al carbono se divide en cuatro clases según el contenido de carbono.

Tipos de aceros: clasificación basada en la composición

• Aceros bajos en carbono. El acero con bajo contenido de carbono, también conocido como acero dulce, es ahora la forma más común de acero porque su precio es relativamente bajo y proporciona propiedades materiales que son aceptables para muchas aplicaciones. El acero con bajo contenido de carbono contiene aproximadamente entre un 0,05 y un 0,25% de carbono, lo que lo hace maleable y dúctil. El acero dulce tiene una resistencia a la tracción relativamente baja, pero es barato y fácil de formar; la dureza de la superficie se puede aumentar mediante la carburación. Las aplicaciones típicas incluyen componentes de carrocería de automóviles, formas estructurales (p. Ej., Vigas en I, canales y ángulos de hierro) y láminas que se utilizan en tuberías y edificios. Por ejemplo,  acero A36 es un acero estructural común en los Estados Unidos. Las láminas de acero con bajo contenido de carbono utilizadas para aplicaciones de carrocería de automóviles, por ejemplo, se someten a una variedad de operaciones de conformado, incluida la embutición profunda. Las microestructuras constan de componentes de ferrita y perlita. Como consecuencia, estas aleaciones son relativamente blandas y débiles, pero tienen una ductilidad y tenacidad sobresalientes. Además, son mecanizables, soldables y, de todos los aceros, son los menos costosos de producir. La densidad de este metal es 7861,093 kg/m³ (0,284 lb/in³) y la resistencia a la tracción es un máximo de 500 MPa (72500 psi).
• Aceros Medio Carbono. El acero  con contenido medio de carbono tiene aproximadamente un 0,3–0,6% de contenido de carbono. Estas aleaciones pueden tratarse térmicamente mediante austenización, temple y luego revenido para mejorar sus propiedades mecánicas. Se utilizan con mayor frecuencia en estado templado, con microestructuras de martensita templada. El acero de carbono medio  equilibra la ductilidad y la resistencia y tiene una buena resistencia al desgaste. Este grado de acero se utiliza principalmente en la producción de componentes de máquinas, ejes, ejes, engranajes, cigüeñales, acoplamientos y forjas, también podría utilizarse en rieles y ruedas de ferrocarril y otras piezas de máquinas y componentes estructurales de alta resistencia que requieran una combinación de alta  resistencia, resistencia al desgaste y  tenacidad. Por ejemplo, un El acero 1040  es un acero al carbono simple que contiene 0,40% en peso C. Los usos típicos de este tipo de acero incluyen pernos de máquina, arado y carruaje, alambre de amarre, espárragos de culata y piezas mecanizadas, pernos en U, varillas de refuerzo de hormigón, forjas.
• Aceros con alto contenido de carbono . El acero  con alto contenido de carbono tiene aproximadamente un  0,60 a un 1,00%  de contenido de carbono. La dureza  es más alta que los otros grados pero la ductilidad disminuye. Casi siempre se utilizan en un estado endurecido y revenido y, como tales, son especialmente resistentes al desgaste y capaces de sostener un filo afilado. Por lo tanto,  los aceros con alto contenido de carbono  podrían usarse para resortes, cables de alambre, martillos, destornilladores, llaves inglesas y cuchillos. La serie 10xx (por ejemplo, acero 1095) es la opción más popular para el acero al carbono utilizado en cuchillos y katanas. Acero al carbono AISI 1095 es frágil y tiene una gran dureza y resistencia. El acero 1095, cuando se usa en cuchillos, tiene un gran filo y es muy fácil de afilar. Sin embargo, las propiedades de este tipo de acero le dan una tendencia a oxidarse fácilmente si no se aceita y se cuida deliberadamente.
• Aceros con alto contenido de carbono. El acero con alto contenido de carbono tiene aproximadamente un 1,25% a un 2,0% de contenido de carbono. Aceros templables hasta gran dureza. Este grado de acero podría usarse para productos de acero duro, como resortes de camiones, herramientas de corte de metal y otros propósitos especiales como cuchillos, ejes o punzones (de uso no industrial). La mayoría de los aceros con más del 2,5% de contenido de carbono se fabrican mediante pulvimetalurgia.

Propiedades del acero dulce frente al acero medio frente al alto contenido de carbono

Las propiedades de los materiales son propiedades intensivas, lo que significa que son independientes de la cantidad de masa y pueden variar de un lugar a otro dentro del sistema en cualquier momento. La base de la ciencia de los materiales consiste en estudiar la estructura de los materiales y relacionarlos con sus propiedades (mecánicas, eléctricas, etc.). Una vez que un científico de materiales conoce esta correlación estructura-propiedad, puede pasar a estudiar el rendimiento relativo de un material en una aplicación determinada. Los principales determinantes de la estructura de un material y, por tanto, de sus propiedades son sus elementos químicos constituyentes y la forma en que se ha procesado hasta su forma final.

Densidad de acero dulce frente a acero medio frente a acero con alto contenido de carbono

La densidad del acero típico es de 8,05 g/cm³.

La densidad  se define como la  masa por unidad de volumen. Es una  propiedad intensiva, que se define matemáticamente como masa dividida por volumen:

ρ = m / V

En palabras, la densidad (ρ) de una sustancia es la masa total (m) de esa sustancia dividida por el volumen total (V) ocupado por esa sustancia. La unidad estándar del SI es  kilogramos por metro cúbico  (kg/m³). La unidad de inglés estándar es  libras de masa por pie cúbico  (lbm/ft³).

Dado que la densidad (ρ) de una sustancia es la masa total (m) de esa sustancia dividida por el volumen total (V) ocupado por esa sustancia, es obvio que la densidad de una sustancia depende en gran medida de su masa atómica y también de  la densidad del número atómico  (N; átomos/cm³),

• Peso atómico. La masa atómica es transportada por el núcleo atómico, que ocupa sólo alrededor de ^10-12  del volumen total del átomo o menos, pero contiene toda la carga positiva y al menos el 99,95% de la masa total del átomo. Por lo tanto, está determinado por el número de masa (número de protones y neutrones).
• Densidad del número atómico. La  densidad del número atómico  (N; átomos/cm³), que está asociada con los radios atómicos, es el número de átomos de un tipo dado por unidad de volumen (V; cm³) del material. La densidad del número atómico (N; átomos/cm³) de un material puro que tiene  un peso atómico o molecular  (M; gramos/mol) y la densidad del  material  (⍴; gramos/cm³) se calcula fácilmente a partir de la siguiente ecuación utilizando el número de Avogadro (N_A = 6,022×10²³  átomos o moléculas por mol):
• Estructura cristalina. La densidad de la sustancia cristalina se ve afectada significativamente por su estructura cristalina. La estructura de FCC, junto con su relativo hexagonal (hcp), tiene el factor de empaque más eficiente (74%). Los metales que contienen estructuras de FCC incluyen austenita, aluminio, cobre, plomo, plata, oro, níquel, platino y torio.

Propiedades mecánicas del acero dulce frente a acero medio frente a acero con alto contenido de carbono

Los materiales se eligen con frecuencia para diversas aplicaciones porque tienen combinaciones deseables de características mecánicas. Para aplicaciones estructurales, las propiedades de los materiales son cruciales y los ingenieros deben tenerlas en cuenta.

Resistencia del acero dulce frente al medio frente al acero con alto contenido de carbono

En mecánica de materiales, la resistencia de un material es su capacidad para soportar una carga aplicada sin fallas ni deformaciones plásticas. La resistencia de los materiales básicamente considera la relación entre las cargas externas aplicadas a un material y la deformación resultante o cambio en las dimensiones del material. La resistencia de un material es su capacidad para soportar esta carga aplicada sin fallas ni deformaciones plásticas.

Resistencia a la tracción

La resistencia máxima a la tracción del acero con bajo contenido de carbono se encuentra entre 400 y 550 MPa.

La máxima resistencia a la tracción del acero con alto contenido de carbono es de 1100 MPa.

La máxima resistencia a la tracción es la máxima en la curva de ingeniería de tensión-deformación. Esto corresponde a la tensión máxima que puede ser sostenido por una estructura en tensión. La resistencia máxima a la tracción a menudo se reduce a «resistencia a la tracción» o incluso a «máxima». Si se aplica y se mantiene esta tensión, se producirá una fractura. A menudo, este valor es significativamente mayor que el límite elástico (entre un 50 y un 60 por ciento más que el rendimiento para algunos tipos de metales). Cuando un material dúctil alcanza su máxima resistencia, experimenta un estrechamiento donde el área de la sección transversal se reduce localmente. La curva tensión-deformación no contiene una tensión mayor que la resistencia máxima. Aunque las deformaciones pueden seguir aumentando, la tensión suele disminuir después de que se ha alcanzado la resistencia máxima. Es una propiedad intensiva; por lo tanto, su valor no depende del tamaño de la muestra de prueba. Sin embargo, depende de otros factores, como la preparación de la muestra, temperatura del entorno de prueba y del material. Las resistencias a la tracción máxima varían desde 50 MPa para un aluminio hasta 3000 MPa para aceros de muy alta resistencia.

Límite de elasticidad

El límite elástico del acero con bajo contenido de carbono es de 250 MPa.

El límite elástico del acero con alto contenido de carbono es de 800 MPa.

El  punto de fluencia  es el punto en una  curva de tensión-deformación  que indica el límite del comportamiento elástico y el comportamiento plástico inicial. Límite de elasticidad es la propiedad del material definida como el esfuerzo en el que un material comienza a deformarse plásticamente, mientras que el límite elástico es el punto donde comienza la deformación no lineal (elástica + plástica). Antes del límite elástico, el material se deformará elásticamente y volverá a su forma original cuando se elimine la tensión aplicada. Una vez superado el límite elástico, una parte de la deformación será permanente e irreversible. Algunos aceros y otros materiales exhiben un comportamiento denominado fenómeno de límite elástico. Los límites de elasticidad varían de 35 MPa para un aluminio de baja resistencia a más de 1400 MPa para aceros de muy alta resistencia.

Módulo de Young

El módulo de Young del  acero con bajo contenido de carbono es de 200 GPa.

El módulo de Young es el módulo elástico para esfuerzos de tracción y compresión en el régimen de elasticidad lineal de una deformación uniaxial y generalmente se evalúa mediante ensayos de tracción. Hasta una tensión límite, un cuerpo podrá recuperar sus dimensiones al retirar la carga. Las tensiones aplicadas hacen que los átomos de un cristal se muevan desde su posición de equilibrio. Todos los átomos se desplazan en la misma cantidad y aún mantienen su geometría relativa. Cuando se eliminan las tensiones, todos los átomos vuelven a sus posiciones originales y no se produce ninguna deformación permanente. Según la ley de Hooke, la tensión es proporcional a la deformación (en la región elástica) y la pendiente es el módulo de Young. El módulo de Young es igual a la tensión longitudinal dividida por la deformación.

Dureza del acero dulce frente al medio frente al acero con alto contenido de carbono

La dureza Brinell del acero con bajo contenido de carbono es de aproximadamente 120 MPa.

La dureza Brinell del acero con alto contenido de carbono es de aproximadamente 200 MPa.

La prueba de dureza Rockwell  es una de las pruebas de dureza por indentación más comunes, que se ha desarrollado para las pruebas de dureza. A diferencia de la prueba de Brinell, el probador Rockwell mide la profundidad de penetración de un penetrador bajo una carga grande (carga mayor) en comparación con la penetración realizada por una precarga (carga menor). La carga menor establece la posición cero. Se aplica la carga principal y luego se retira mientras se mantiene la carga menor. La diferencia entre la profundidad de penetración antes y después de la aplicación de la carga principal se utiliza para calcular el  número de dureza Rockwell. Es decir, la profundidad de penetración y la dureza son inversamente proporcionales. La principal ventaja de la dureza Rockwell es su capacidad para  mostrar los valores de dureza directamente. El resultado es un número adimensional anotado como  HRA, HRB, HRC, etc., donde la última letra es la escala de Rockwell respectiva.

La prueba Rockwell C se realiza con un penetrador Brale (cono de diamante de 120°) y una carga mayor de 150 kg.

Propiedades térmicas del acero dulce frente a acero medio frente a acero con alto contenido de carbono

Las propiedades térmicas  de los materiales se refieren a la respuesta de los materiales a los cambios de  thermodynamics/thermodynamic-properties/what-is-temperature-physics/»>temperatura y a la aplicación de calor. A medida que un sólido absorbe thermodynamics/what-is-energy-physics/»>energía en forma de calor, su temperatura aumenta y sus dimensiones aumentan. Pero los diferentes materiales reaccionan a la aplicación de calor de manera diferente.

La capacidad calorífica, la expansión térmica y la conductividad térmica son propiedades que a menudo son críticas en el uso práctico de sólidos.

Punto de fusión del acero dulce frente al medio frente al acero con alto contenido de carbono

El punto de fusión del  acero con bajo contenido de carbono  es de alrededor de 1450°C.

En general, la  fusión  es un  cambio  de fase de una sustancia de la fase sólida a la líquida. El  punto  de fusión de una sustancia es la temperatura a la que se produce este cambio de fase. El  punto de fusión  también define una condición en la que el sólido y el líquido pueden existir en equilibrio.

Conductividad térmica del acero dulce frente al medio frente al acero con alto contenido de carbono

La conductividad térmica del acero típico  es de 20 W/(mK).

Las características de transferencia de calor de un material sólido se miden mediante una propiedad llamada  conductividad térmica, k (o λ), medida en  W/mK. Es una medida de la capacidad de una sustancia para transferir calor a través de un material por  conducción. Tenga en cuenta que  la ley de Fourier se  aplica a toda la materia, independientemente de su estado (sólido, líquido o gas), por lo tanto, también se define para líquidos y gases.

La  conductividad térmica  de la mayoría de los líquidos y sólidos varía con la temperatura. Para los vapores, también depende de la presión. En general:

La mayoría de los materiales son casi homogéneos, por lo que normalmente podemos escribir  k = k (T). Se asocian definiciones similares con las conductividades térmicas en las direcciones y y z (ky, kz), pero para un material isótropo, la conductividad térmica es independiente de la dirección de transferencia, kx = ky = kz = k.

Ver arriba:
Aleaciones

Acero carbono

Los aceros al carbono  son aleaciones de hierro-carbono que pueden contener concentraciones apreciables de otros elementos de aleación. Los aceros al carbono simples  son aleaciones de hierro y carbono cuyas propiedades se derivan principalmente de la presencia de carbono. Algunos elementos incidentales como el manganeso, el silicio, el azufre y el fósforo están presentes en pequeñas cantidades debido al método de fabricación de los aceros y, sin modificar las propiedades mecánicas. Agregar una pequeña cantidad de carbono no metálico al hierro cambia su  gran ductilidad  por una  mayor resistencia. Debido a su muy alta resistencia, pero aún sustancial dureza, y su capacidad de ser alterada en gran medida por  el tratamiento térmico, el acero es una de las aleaciones ferrosas más útiles y comunes en el uso moderno. Existen miles de aleaciones que tienen diferentes composiciones y / o tratamientos térmicos. Las propiedades mecánicas son sensibles al contenido de carbono, que normalmente es inferior al 1,0% en peso. Según la clasificación AISI, el acero al carbono se divide en cuatro clases según el contenido de carbono:

• Aceros bajos en carbono. El acero con bajo contenido de carbono, también conocido como acero dulce, es ahora la forma más común de acero porque su precio es relativamente bajo y proporciona propiedades de material que son aceptables para muchas aplicaciones. El acero con bajo contenido de carbono contiene aproximadamente entre un 0,05 y un 0,25% de carbono, lo que lo hace maleable y dúctil. El acero dulce tiene una resistencia a la tracción relativamente baja, pero es barato y fácil de formar; la dureza de la superficie se puede aumentar mediante la carburación.
• Aceros Medio Carbono. El acero con contenido medio de carbono tiene aproximadamente un 0,3–0,6% de contenido de carbono. Equilibra la ductilidad y la fuerza y ​​tiene buena resistencia al desgaste. Este grado de acero se utiliza principalmente en la producción de componentes de máquinas, ejes, ejes, engranajes, cigüeñales, acoplamientos y forjas, y también podría utilizarse en rieles y ruedas de ferrocarril.
• Aceros con alto contenido de carbono. El acero con alto contenido de carbono tiene aproximadamente un 0,60 a un 1,00% de contenido de carbono. La dureza es más alta que los otros grados pero la ductilidad disminuye. Los aceros con alto contenido de carbono se pueden utilizar para resortes, cables, martillos, destornilladores y llaves.
• Acero con alto contenido de carbono. El acero con alto contenido de carbono tiene aproximadamente un 1,25% a un 2,0% de contenido de carbono. Aceros que pueden templarse a gran dureza. Este grado de acero podría usarse para productos de acero duro, como resortes de camiones, herramientas de corte de metal y otros propósitos especiales como cuchillos, ejes o punzones (de uso no industrial). La mayoría de los aceros con más del 2,5% de contenido de carbono se fabrican mediante pulvimetalurgia.

Aceros Aleados

El acero  es una aleación de hierro y carbono, pero el término  acero de aleación  generalmente solo se refiere a aceros que contienen otros elementos, como vanadio, molibdeno o cobalto, en cantidades suficientes para alterar las propiedades del acero base. En general, el  acero aleado  es acero que se alea con una variedad de elementos en cantidades totales  entre 1,0% y 50%  en peso para mejorar sus propiedades mecánicas. Los aceros inoxidables son un grupo específico de aceros de alta aleación, que contienen un mínimo de 11% de contenido de cromo en masa y un máximo de 1,2% de carbono en masa. Los aceros aleados se dividen en dos grupos:

• Aceros de baja aleación. Los aceros de baja aleación constituyen una categoría de materiales ferrosos que exhiben propiedades mecánicas superiores a los aceros al carbono simples como resultado de la adición de elementos de aleación tales como níquel, cromo y molibdeno, manganeso y silicio. La función de los elementos de aleación es  aumentar la templabilidad  para optimizar las propiedades mecánicas y la  tenacidad  después del tratamiento térmico. En algunos casos, sin embargo, las adiciones de aleación se utilizan para reducir la degradación ambiental bajo ciertas condiciones de servicio específicas.
• Aceros de alta aleación. Los aceros con aleaciones superiores al 5% en peso se clasifican típicamente como aceros de alta aleación. Los aceros inoxidables  son los principales tipos de aceros de alta aleación, pero otros dos tipos son  de ultra alta resistencia de aceros de níquel-cobalto  y  aceros maraging . Los aceros inoxidables se definen como aceros de alta aleación con bajo contenido de carbono con al menos un 10,5% de cromo con o sin otros elementos de aleación.

Acero 41xx – Acero cromado – Aceros de carbono medio de ultra alta resistencia

El acero cromoly  es un acero de baja aleación de resistencia ultra alta de carbono medio que recibe su nombre de una combinación de las palabras «cromo» y «molibdeno», dos de los principales elementos de aleación. El acero cromado se usa a menudo cuando  se requiere más  resistencia que la del acero al carbono dulce, aunque a menudo tiene un costo mayor. Chromoly se encuentra bajo las   designaciones de acero AISI 41xx (ASTM A519). Ejemplos de aplicaciones para 4130, 4140 y 4145 incluyen tubos estructurales, cuadros de bicicletas, cigüeñales, eslabones de cadena, collares de perforación, botellas de gas para el transporte de gases presurizados, piezas de armas de fuego, componentes de embrague y volante, y jaulas antivuelco.

Propiedades del acero al carbono frente al acero aleado

Las propiedades de los materiales son propiedades intensivas, lo que significa que son independientes de la cantidad de masa y pueden variar de un lugar a otro dentro del sistema en cualquier momento. La base de la ciencia de los materiales consiste en estudiar la estructura de los materiales y relacionarlos con sus propiedades (mecánicas, eléctricas, etc.). Una vez que un científico de materiales conoce esta correlación estructura-propiedad, puede pasar a estudiar el rendimiento relativo de un material en una aplicación determinada. Los principales determinantes de la estructura de un material y, por tanto, de sus propiedades son sus elementos químicos constituyentes y la forma en que se ha procesado hasta su forma final.

Densidad del acero al carbono frente al acero aleado

La densidad del acero típico es de 8,05 g/cm³.

La densidad del acero de aleación típico es de 7,85 g/cm³. (Cromolio 4150)

La densidad  se define como la  masa por unidad de volumen. Es una  propiedad intensiva, que se define matemáticamente como masa dividida por volumen:

ρ = m / V

En palabras, la densidad (ρ) de una sustancia es la masa total (m) de esa sustancia dividida por el volumen total (V) ocupado por esa sustancia. La unidad estándar del SI es  kilogramos por metro cúbico  (kg/m³). La unidad de inglés estándar es  libras de masa por pie cúbico  (lbm/ft³).

Dado que la densidad (ρ) de una sustancia es la masa total (m) de esa sustancia dividida por el volumen total (V) ocupado por esa sustancia, es obvio que la densidad de una sustancia depende en gran medida de su masa atómica y también de  la densidad del número atómico  (N; átomos/cm³),

• Peso atómico. La masa atómica es transportada por el núcleo atómico, que ocupa sólo alrededor de ^10-12  del volumen total del átomo o menos, pero contiene toda la carga positiva y al menos el 99,95% de la masa total del átomo. Por lo tanto, está determinado por el número de masa (número de protones y neutrones).
• Densidad del número atómico. La  densidad del número atómico  (N; átomos/cm³), que está asociada con los radios atómicos, es el número de átomos de un tipo dado por unidad de volumen (V; cm³) del material. La densidad del número atómico (N; átomos/cm³) de un material puro que tiene  un peso atómico o molecular  (M; gramos/mol) y la densidad del  material  (⍴; gramos/cm³) se calcula fácilmente a partir de la siguiente ecuación utilizando el número de Avogadro (N_A = 6,022×10²³  átomos o moléculas por mol):
• Estructura cristalina. La densidad de la sustancia cristalina se ve afectada significativamente por su estructura cristalina. La estructura de FCC, junto con su relativo hexagonal (hcp), tiene el factor de empaque más eficiente (74%). Los metales que contienen estructuras de FCC incluyen austenita, aluminio, cobre, plomo, plata, oro, níquel, platino y torio.

Propiedades mecánicas del acero al carbono frente al acero aleado

Los materiales se eligen con frecuencia para diversas aplicaciones porque tienen combinaciones deseables de características mecánicas. Para aplicaciones estructurales, las propiedades de los materiales son cruciales y los ingenieros deben tenerlas en cuenta.

Resistencia del acero al carbono frente al acero aleado

En mecánica de materiales, la resistencia de un material es su capacidad para soportar una carga aplicada sin fallas ni deformaciones plásticas. La resistencia de los materiales básicamente considera la relación entre las cargas externas aplicadas a un material y la deformación resultante o cambio en las dimensiones del material. La resistencia de un material es su capacidad para soportar esta carga aplicada sin fallas ni deformaciones plásticas.

Resistencia a la tracción

La resistencia máxima a la tracción del acero con bajo contenido de carbono se encuentra entre 400 y 550 MPa.

La máxima resistencia a la tracción del acero con alto contenido de carbono es de 1100 MPa.

La resistencia máxima a la tracción del acero 41xx: el acero cromado depende de cierto grado, pero es de aproximadamente 700 MPa.

La máxima resistencia a la tracción es la máxima en la curva de ingeniería de tensión-deformación. Esto corresponde a la tensión máxima que puede ser sostenido por una estructura en tensión. La resistencia máxima a la tracción a menudo se reduce a «resistencia a la tracción» o incluso a «máxima». Si se aplica y se mantiene esta tensión, se producirá una fractura. A menudo, este valor es significativamente mayor que el límite elástico (entre un 50 y un 60 por ciento más que el rendimiento para algunos tipos de metales). Cuando un material dúctil alcanza su máxima resistencia, experimenta un estrechamiento donde el área de la sección transversal se reduce localmente. La curva tensión-deformación no contiene una tensión mayor que la resistencia máxima. Aunque las deformaciones pueden seguir aumentando, la tensión suele disminuir después de que se ha alcanzado la resistencia máxima. Es una propiedad intensiva; por lo tanto, su valor no depende del tamaño de la muestra de prueba. Sin embargo, depende de otros factores, como la preparación de la muestra, temperatura del entorno de prueba y del material. Las resistencias a la tracción máxima varían desde 50 MPa para un aluminio hasta 3000 MPa para aceros de muy alta resistencia.

Límite de elasticidad

El límite elástico del acero con bajo contenido de carbono es de 250 MPa.

El límite elástico del acero con alto contenido de carbono es de 800 MPa.

El límite elástico del acero 41xx: el acero cromado depende de cierto grado, pero es de aproximadamente 500 MPa.

El  punto de fluencia  es el punto en una  curva de tensión-deformación  que indica el límite del comportamiento elástico y el comportamiento plástico inicial. Límite de elasticidad es la propiedad del material definida como el esfuerzo en el que un material comienza a deformarse plásticamente, mientras que el límite elástico es el punto donde comienza la deformación no lineal (elástica + plástica). Antes del límite elástico, el material se deformará elásticamente y volverá a su forma original cuando se elimine la tensión aplicada. Una vez que se supera el límite de fluencia, una fracción de la deformación será permanente e irreversible. Algunos aceros y otros materiales exhiben un comportamiento denominado fenómeno de límite elástico. Los límites de elasticidad varían de 35 MPa para un aluminio de baja resistencia a más de 1400 MPa para aceros de muy alta resistencia.

Módulo de Young

El módulo de Young del  acero con bajo contenido de carbono  es de 200 GPa.

Módulo de Young acero 41xx – acero cromoly es 205 GPa.

El módulo de Young es el módulo elástico para esfuerzos de tracción y compresión en el régimen de elasticidad lineal de una deformación uniaxial y generalmente se evalúa mediante ensayos de tracción. Hasta una tensión límite, un cuerpo podrá recuperar sus dimensiones al retirar la carga. Las tensiones aplicadas hacen que los átomos de un cristal se muevan desde su posición de equilibrio. Todos los átomos se desplazan en la misma cantidad y aún mantienen su geometría relativa. Cuando se eliminan las tensiones, todos los átomos vuelven a sus posiciones originales y no se produce ninguna deformación permanente. Según la ley de Hooke, la tensión es proporcional a la deformación (en la región elástica) y la pendiente es el módulo de Young. El módulo de Young es igual a la tensión longitudinal dividida por la deformación.

Dureza del acero al carbono frente al acero aleado

La dureza Brinell del  acero con bajo contenido de carbono  es de aproximadamente 120 MPa.

La dureza Brinell del acero con alto contenido de carbono es de aproximadamente 200 MPa.

La dureza Brinell del acero 41xx – acero cromado es de aproximadamente 200 MPa.

La prueba de dureza Rockwell  es una de las pruebas de dureza por indentación más comunes, que se ha desarrollado para las pruebas de dureza. A diferencia de la prueba de Brinell, el probador Rockwell mide la profundidad de penetración de un penetrador bajo una carga grande (carga mayor) en comparación con la penetración realizada por una precarga (carga menor). La carga menor establece la posición cero. Se aplica la carga principal y luego se retira mientras se mantiene la carga menor. La diferencia entre la profundidad de penetración antes y después de la aplicación de la carga principal se utiliza para calcular el  número de dureza Rockwell. Es decir, la profundidad de penetración y la dureza son inversamente proporcionales. La principal ventaja de la dureza Rockwell es su capacidad para  mostrar los valores de dureza directamente. El resultado es un número adimensional anotado como  HRA, HRB, HRC, etc., donde la última letra es la escala de Rockwell respectiva.

La prueba Rockwell C se realiza con un penetrador Brale (cono de diamante de 120°) y una carga mayor de 150 kg.

Propiedades térmicas del acero al carbono frente al acero aleado

Las propiedades térmicas  de los materiales se refieren a la respuesta de los materiales a los cambios de thermodynamics/thermodynamic-properties/what-is-temperature-physics/»>temperatura y a la aplicación de calor. A medida que un sólido absorbe thermodynamics/what-is-energy-physics/»>energía en forma de calor, su temperatura aumenta y sus dimensiones aumentan. Pero los diferentes materiales reaccionan a la aplicación de calor de manera diferente.

La capacidad calorífica, la expansión térmica y la conductividad térmica son propiedades que a menudo son críticas en el uso práctico de sólidos.

Punto de fusión del acero al carbono frente al acero aleado

El punto de fusión del  acero con bajo contenido de carbono  es de alrededor de 1450°C.

El punto de fusión del acero 41xx – acero cromado es de alrededor de 1427°C.

En general, la  fusión  es un  cambio  de fase de una sustancia de la fase sólida a la líquida. El  punto  de fusión de una sustancia es la temperatura a la que se produce este cambio de fase. El  punto de fusión  también define una condición en la que el sólido y el líquido pueden existir en equilibrio.

Conductividad térmica del acero al carbono frente al acero aleado

La conductividad térmica del acero típico  es de 20 W/(mK).

La conductividad térmica del acero 41xx – acero cromado es de alrededor de 41 W/(mK).

Las características de transferencia de calor de un material sólido se miden mediante una propiedad llamada  conductividad térmica, k (o λ), medida en  W/mK. Es una medida de la capacidad de una sustancia para transferir calor a través de un material por  conducción. Tenga en cuenta que  la ley de Fourier se  aplica a toda la materia, independientemente de su estado (sólido, líquido o gas), por lo tanto, también se define para líquidos y gases.

La  conductividad térmica  de la mayoría de los líquidos y sólidos varía con la temperatura. Para los vapores, también depende de la presión. En general:

La mayoría de los materiales son casi homogéneos, por lo que normalmente podemos escribir  k = k (T) . Se asocian definiciones similares con las conductividades térmicas en las direcciones y y z (ky, kz), pero para un material isótropo, la conductividad térmica es independiente de la dirección de transferencia, kx = ky = kz = k.

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Aleaciones

Endurecimiento de metales

En la ciencia de los materiales, la dureza es la capacidad de resistir la hendidura de la superficie ( deformación plástica localizada ) y el rayado . La dureza es probablemente la propiedad del material menos definida porque puede indicar resistencia al rayado, resistencia a la abrasión, resistencia a la indentación o incluso resistencia a la deformación o deformación plástica localizada. La dureza es importante desde el punto de vista de la ingeniería porque la resistencia al desgaste por fricción o erosión por vapor, aceite y agua generalmente aumenta con la dureza.

El endurecimiento es un proceso de trabajo metalúrgico utilizado para aumentar la dureza de un metal. La dureza de un metal es directamente proporcional al límite elástico uniaxial en el lugar de la deformación impuesta. Para mejorar la dureza de un metal puro, podemos utilizar diferentes formas, que incluyen:

• Método Hall-Petch
• Endurecimiento en solución sólida (aleación)
• Endurecimiento del trabajo (trabajo en frío)
• Endurecimiento por precipitación
• Endurecimiento de la transformación
• Endurecimiento por dispersión
• Endurecimiento de la superficie

Endurecimiento de la transformación

El endurecimiento por transformación , también conocido como endurecimiento por transformación martensítica , es uno de los métodos más comunes de endurecimiento, que se utiliza principalmente para aceros (es decir, aceros al carbono y aceros inoxidables). Sin embargo, la transformación martensítica no es exclusiva de las aleaciones de hierro y carbono. Se encuentra en otros sistemas y se caracteriza, en parte, por la transformación sin difusión.

Los aceros martensíticos utilizan predominantemente niveles más altos de C y Mn junto con tratamiento térmico para aumentar la resistencia. El producto terminado tendrá una microestructura dúplex de ferrita con niveles variables de martensita degenerada. Esto permite diferentes niveles de fuerza. En metalurgia, el temple se usa más comúnmente para endurecer el acero mediante la introducción de martensita. Existe un equilibrio entre dureza y tenacidad en cualquier acero; cuanto más duro es el acero, menos tenaz o resistente a los impactos es, y cuanto más resistente a los impactos, menos duro es.

La martensita se produce a partir de austenitacomo resultado del enfriamiento rápido u otra forma de enfriamiento rápido. La austenita en las aleaciones de hierro y carbono generalmente solo está presente por encima de la temperatura eutectoide crítica (723°C) y por debajo de 1500°C, dependiendo del contenido de carbono. En el caso de velocidades de enfriamiento normales, a medida que la austenita se enfría, el carbono se difunde fuera de la austenita y forma carburo de hierro rico en carbono (cementita) y deja ferrita pobre en carbono. Dependiendo de la composición de la aleación, se puede formar una capa de ferrita y cementita, llamada perlita. Pero en caso de enfriamiento rápido, el carbono no tiene tiempo suficiente para difundirse y se transforma en una forma tetragonal centrada en el cuerpo muy tensa llamada martensita que está sobresaturada con carbono. Todos los átomos de carbono permanecen como impurezas intersticiales en la martensita. La velocidad de enfriamiento determina las proporciones relativas de martensita, ferrita,

Martensita templada

La capacidad relativa de una aleación ferrosa para formar martensita se denomina templabilidad. La templabilidad se mide comúnmente como la distancia debajo de una superficie templada a la que el metal exhibe una dureza específica de 50 HRC, por ejemplo, o un porcentaje específico de martensita en la microestructura. La dureza más alta de un acero perlítico es de 43 HRC, mientras que la martensita puede alcanzar 72 HRC. La martensita fresca es muy frágil si el contenido de carbono es superior a aproximadamente 0,2 a 0,3%. Es tan frágil que no se puede utilizar para la mayoría de las aplicaciones. Esta fragilidad se puede eliminar (con cierta pérdida de dureza) si el acero templado se calienta ligeramente en un proceso conocido como templado.

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Metalurgia

Endurecimiento de metales
En la ciencia de los materiales, la dureza es la capacidad de resistir la hendidura de la superficie ( deformación plástica localizada ) y el rayado . La dureza es probablemente la propiedad del material menos definida porque puede indicar resistencia al rayado, resistencia a la abrasión, resistencia a la indentación o incluso resistencia a la deformación o deformación plástica localizada. La dureza es importante desde el punto de vista de la ingeniería porque la resistencia al desgaste por fricción o erosión por vapor, aceite y agua generalmente aumenta con la dureza.

El endurecimiento es un proceso de trabajo metalúrgico utilizado para aumentar la dureza de un metal. La dureza de un metal es directamente proporcional al límite elástico uniaxial en el lugar de la deformación impuesta. Para mejorar la dureza de un metal puro, podemos utilizar diferentes formas, que incluyen:

Método Hall-Petch
Endurecimiento en solución sólida (aleación)
Endurecimiento del trabajo (trabajo en frío)
Endurecimiento por precipitación
Endurecimiento de la transformación
Endurecimiento por dispersión
Endurecimiento de la superficie
Endurecimiento de la transformación
endurecimiento por transformación martensíticaEl endurecimiento por transformación , también conocido como endurecimiento por transformación martensítica , es uno de los métodos más comunes de endurecimiento, que se utiliza principalmente para aceros (es decir, aceros al carbono y aceros inoxidables). Sin embargo, la transformación martensítica no es exclusiva de las aleaciones de hierro y carbono. Se encuentra en otros sistemas y se caracteriza, en parte, por la transformación sin difusión.

Los aceros martensíticos utilizan predominantemente niveles más altos de C y Mn junto con tratamiento térmico para aumentar la resistencia. El producto terminado tendrá una microestructura dúplex de ferrita con niveles variables de martensita degenerada. Esto permite diferentes niveles de fuerza. En metalurgia, el temple se usa más comúnmente para endurecer el acero mediante la introducción de martensita. Existe un equilibrio entre dureza y tenacidad en cualquier acero; cuanto más duro es el acero, menos tenaz o resistente a los impactos es, y cuanto más resistente a los impactos, menos duro es.

La martensita se produce a partir de austenitacomo resultado del enfriamiento rápido u otra forma de enfriamiento rápido. La austenita en las aleaciones de hierro y carbono generalmente solo está presente por encima de la temperatura eutectoide crítica (723 ° C) y por debajo de 1500 ° C, dependiendo del contenido de carbono. En el caso de velocidades de enfriamiento normales, a medida que la austenita se enfría, el carbono se difunde fuera de la austenita y forma carburo de hierro rico en carbono (cementita) y deja ferrita pobre en carbono. Dependiendo de la composición de la aleación, se puede formar una capa de ferrita y cementita, llamada perlita. Pero en caso de enfriamiento rápido, el carbono no tiene tiempo suficiente para difundirse y se transforma en una forma tetragonal centrada en el cuerpo muy tensa llamada martensita que está sobresaturada con carbono. Todos los átomos de carbono permanecen como impurezas intersticiales en la martensita. La velocidad de enfriamiento determina las proporciones relativas de martensita, ferrita,

Martensita templada
La capacidad relativa de una aleación ferrosa para formar martensita se denomina templabilidad. La templabilidad se mide comúnmente como la distancia debajo de una superficie templada a la que el metal exhibe una dureza específica de 50 HRC, por ejemplo, o un porcentaje específico de martensita en la microestructura. La dureza más alta de un acero perlítico es de 43 HRC, mientras que la martensita puede alcanzar 72 HRC. La martensita fresca es muy frágil si el contenido de carbono es superior a aproximadamente 0,2 a 0,3%. Es tan frágil que no se puede utilizar para la mayoría de las aplicaciones. Esta fragilidad se puede eliminar (con cierta pérdida de dureza) si el acero templado se calienta ligeramente en un proceso conocido como templado.

La sinterización es el proceso de formar y compactar un material mediante presión y calor. La sinterización es un paso importante en el procesamiento de la cerámica y la pulvimetalurgia. La fuerza impulsora de la sinterización es la reducción del área de superficie total de las partículas. Las energías superficiales son de mayor magnitud que las energías de los límites de los granos.

La sinterización se lleva a cabo normalmente por debajo de la temperatura de fusión, por lo que normalmente no está presente una fase líquida. La sinterización se elige a menudo como proceso de conformación para materiales con puntos de fusión extremadamente altos, como las cerámicas de tungsteno, molibdeno o dióxido de uranio. Por ejemplo, el carburo de tungsteno (WC), que se utiliza ampliamente en la minería en brocas para perforación de roca con martillo en cabeza, martillos de fondo de pozo y muchas más aplicaciones, se fabrica mediante pulvimetalurgia, por lo que se puede sinterizar en la etapa final de producción. Un ejemplo muy familiar de sinterización es la formación de una bola de nieve dura presionando la nieve suelta.

Durante la sinterización, los polvos metálicos compactados se unen o sinterizan mediante calentamiento en un horno a una temperatura que suele estar por debajo del punto de fusión del constituyente principal. La sinterización de metales en polvo es un proceso en el que las partículas bajo presión se unen químicamente a sí mismas para formar una forma coherente cuando se exponen a altas temperaturas. Este proceso se conoce como sinterización en estado sólido. Si la temperatura está por encima del punto de fusión de un componente en la pieza de metal en polvo, el líquido de las partículas fundidas llena los poros. Este tipo de sinterización se conoce como sinterización en estado líquido.

El tiempo y la temperatura de sinterización son los factores más importantes desde una perspectiva práctica, siendo la temperatura la variable más importante. Durante este proceso, se incrementan una serie de características que incluyen la resistencia, ductilidad, tenacidad y conductividad eléctrica y térmica del material. Si diferentes polvos elementales son compactos y sinterizados, el material se formaría en aleaciones y fases intermetálicas.

UO2 sinterizado

La mayoría de los PWR utilizan el combustible de uranio , que se encuentra en forma de dióxido de uranio . El dióxido de uranio es un sólido semiconductor negro con una conductividad térmica muy baja . Por otro lado, el dióxido de uranio tiene un punto de fusión muy alto y un comportamiento bien conocido . El UO₂ se introduce en matrices y se prensa biaxialmente en forma de gránulos cilíndricos con una carga de varios cientos de MPa; esto se hace en máquinas de prensado que funcionan a alta velocidad. Estos gránulos «verdes» se sinterizan luego en el cilindro sólido (con una altura y un diámetro de aproximadamente 1 centímetro, siendo la altura mayor que el diámetro) calentando en un horno a aproximadamente 1750°C bajo una atmósfera reductora controlada con precisión (generalmente argón-hidrógeno) para consolidarlos. Esto también tiene el efecto de densificación de los gránulos. Las dimensiones de los pellets de combustible y otros componentes del conjunto de combustible se controlan con precisión para garantizar la coherencia en las características del combustible. Luego, estos gránulos se cargan y encapsulan dentro de una barra de combustible (un tubo de revestimiento metálico), que está hecho de aleaciones de circonio.

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