Nick Connor

Aleaciones de Zinc

El zinc  es un metal quebradizo y tiene un  punto  de fusión relativamente bajo de 419°C (787°F), resiste la corrosión, es dúctil y maleable y es altamente soluble en cobre. El zinc y las aleaciones de zinc se utilizan en forma de revestimientos, piezas fundidas, láminas laminadas, alambre trefilado, piezas forjadas y extrusiones. Otros usos del zinc son como componente principal en aleaciones de níquel-plata de bronce, metal para máquinas de escribir, soldaduras blandas y de aluminio y bronce comercial.

Las aleaciones de zinc con pequeñas cantidades de cobre, aluminio y magnesio son útiles en la  fundición a  presión y en la fundición por rotación, especialmente en las industrias automotriz, eléctrica y de ferretería. Las aleaciones de zinc tienen puntos de fusión bajos, requieren un aporte de calor relativamente bajo, no requieren atmósferas fundentes o protectoras. Debido a su  alta fluidez, las aleaciones de zinc se pueden fundir en paredes mucho más delgadas que otras aleaciones de fundición a presión, y se pueden fundir a presión con tolerancias dimensionales más estrictas. Estas  aleaciones de zinc  se comercializan con el nombre de  Zamak. El nombre zamak es un acrónimo de los nombres alemanes de los metales que componen las aleaciones: Zink (zinc), Aluminio, Magnesio y Kupfer (cobre). El bajo punto de fusión junto con la baja viscosidad de la aleación hace posible la producción de formas pequeñas e intrincadas.

Zamak – Zamak 3

Zamak es una familia de aleaciones con un metal base de zinc y elementos de aleación de aluminio, magnesio y cobre. Las aleaciones de zinc con pequeñas cantidades de cobre, aluminio y magnesio son útiles en la fundición a presión y en la fundición por hilado, especialmente en las industrias automotriz, eléctrica y de ferretería. Las aleaciones de zinc tienen puntos de fusión bajos, requieren un aporte de calor relativamente bajo, no requieren atmósferas fundentes o protectoras. Debido a su alta fluidez, las aleaciones de zinc se pueden fundir en paredes mucho más delgadas que otras aleaciones de fundición a presión, y se pueden fundir a presión con tolerancias dimensionales más estrictas. Estas aleaciones de zinc se comercializan con el nombre de Zamak. El nombre zamak es un acrónimo de los nombres alemanes de los metales que componen las aleaciones: Zink (zinc), Aluminio, Magnesio y Kupfer (cobre).

Por ejemplo,  Zamak 3 (ASTM AG40A), o aleación de zinc 3, es la aleación de zinc más utilizada en la industria de fundición a presión de zinc y suele ser la primera opción cuando se considera el zinc para la fundición a presión por varias razones. Proporciona la mejor combinación general de resistencia, moldeabilidad, estabilidad dimensional, facilidad de acabado y costo.

• Excelentes propiedades físicas y mecánicas
• Excelente moldeabilidad y estabilidad dimensional a largo plazo
• Excelentes características de acabado para tratamientos de enchapado, pintura y cromato
• Excelente capacidad de amortiguación y atenuación de vibraciones en comparación con las aleaciones de aluminio fundido a presión

Las aplicaciones típicas incluyen piezas de fundición a presión, como piezas de automóviles, electrodomésticos y accesorios, equipos de oficina y de computación, hardware de construcción.

Latón

Latón  es el término genérico para una variedad de aleaciones de  cobre y zinc. El latón se puede alear con zinc en diferentes proporciones, lo que da como resultado un material de diferentes propiedades mecánicas, anticorrosivas y térmicas. Cantidades mayores de zinc proporcionan al material una resistencia y ductilidad mejoradas. Los latón  con un contenido de cobre superior al 63% son los más dúctiles de cualquier aleación de cobre y se moldean mediante complejas operaciones de conformado en frío. El latón tiene una  mayor maleabilidad  que el bronce o el zinc. El punto de fusión relativamente bajo del latón y su  fluidez lo  convierten en un material relativamente fácil de  fundir. El latón puede variar en el color de la superficie de rojo a amarillo a dorado a plateado, dependiendo del contenido de zinc. Algunos de los usos comunes de las aleaciones de latón incluyen bisutería, cerraduras, bisagras, engranajes, cojinetes, acoplamientos de mangueras, carcasas de municiones, radiadores de automóviles, instrumentos musicales, envases electrónicos y monedas. El latón y el bronce son materiales de ingeniería comunes en la arquitectura moderna y se utilizan principalmente para techos y revestimientos de fachadas debido a su apariencia visual.

Por ejemplo, la  aleación de latón del cartucho UNS C26000  (70/30) es de la serie de latón amarillo, que tiene la mayor ductilidad. Los latones de cartucho se forman en su mayoría en frío y también se pueden mecanizar fácilmente, lo cual es necesario para fabricar cartuchos. Se puede usar para núcleos y tanques de radiadores, carcasas de linternas, accesorios de lámparas, sujetadores, cerraduras, bisagras, componentes de municiones o accesorios de plomería.

Propiedades de la aleación de zinc frente al latón

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 la aleación de zinc frente al latón

La densidad del latón típico – UNS C26000  es 8,53 g/cm³.

Densidad de la aleación de  zinc – Zamak 3  es 6,6 g/cm³  (0,24 lb/in³).

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 la aleación de zinc frente al latón

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 la aleación de zinc frente al latón

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 latón de  cartucho: UNS C26000  es de aproximadamente 315 MPa.

La máxima resistencia a la tracción de la aleación de  zinc – Zamak 3  es de aproximadamente 268 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 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 elastcidad

El límite elástico del latón de  cartucho – UNS C26000  es de aproximadamente 95 MPa.

El límite elástico de la aleación de  zinc – Zamak 3  es de aproximadamente 208 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 latón de  cartucho – UNS C26000  es de aproximadamente 110 GPa.

El módulo de Young de la aleación de  zinc – Zamak 3  es de aproximadamente 96 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 de la aleación de zinc frente al latón

La dureza Brinell del latón de  cartucho – UNS C26000  es de aproximadamente 100 MPa.

La dureza Brinell de la aleación de  zinc – Zamak 3  es de aproximadamente 82 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 la aleación de zinc frente al latón

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 la aleación de zinc frente al latón

El punto de fusión del latón del  cartucho – UNS C26000  es de alrededor de 950°C.

El punto de fusión de la aleación de  zinc – Zamak 3  es de alrededor de 385°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 la aleación de zinc frente al latón

La conductividad térmica del latón de  cartucho – UNS C26000  es de 120 W/(mK).

La conductividad térmica de la aleación de  zinc – Zamak 3  es 113 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

Como puede verse en la figura, el porcentaje de carbono presente y la temperatura definen la fase de la aleación de hierro-carbono y por tanto sus características físicas y propiedades mecánicas. El porcentaje de carbono determina el tipo de aleación ferrosa: hierro, acero al carbono o hierro fundido.

Hierros Fundidos

En la ingeniería de materiales,  los hierros fundidos  son una clase de aleaciones ferrosas con contenidos de carbono  superiores al 2,14% en peso. Normalmente, los hierros fundidos contienen de  2,14% en peso a 4,0% en peso de carbono  y en cualquier lugar de 0,5% en peso a 3% en peso de  silicio. Las aleaciones de hierro con menor contenido de carbono se conocen como  acero. La diferencia es que los hierros fundidos pueden aprovechar la  solidificación eutéctica  en el sistema binario hierro-carbono. El término eutéctico es griego para «fusión fácil o bien«, y el punto eutéctico representa la composición en el diagrama de fases donde   se alcanza la temperatura de fusión más baja. Para el sistema hierro-carbono el  punto eutéctico se produce a una composición de 4,26% en peso de C y una temperatura de  1148°C .

El hierro fundido, por lo tanto, tiene un punto de fusión más bajo (entre aproximadamente 1150°C y 1300°C) que el acero tradicional, lo que lo hace más fácil de fundir que los aceros estándar. Debido a su alta fluidez cuando se funde, el hierro líquido llena fácilmente moldes intrincados y puede formar formas complejas. La mayoría de las aplicaciones requieren muy poco acabado, por lo que los hierros fundidos se utilizan para una amplia variedad de piezas pequeñas y grandes. Es un material ideal para la fundición en arena en formas complejas, como colectores de escape, sin la necesidad de un mecanizado adicional extenso. Además, algunos hierros fundidos son muy frágiles y el  vaciado  es la técnica de fabricación más conveniente. Hierros fundidos se han convertido en un material de ingeniería con una amplia gama de aplicaciones y se utilizan en tuberías, máquinas y piezas de la industria automotriz, como culatas, bloques de cilindros y cajas de engranajes. Es resistente al daño por oxidación.

Tipos de hierro fundido

Los hierros fundidos  también comprenden una gran familia de diferentes tipos de hierro, dependiendo de  cómo se forme la fase rica en carbono durante la solidificación. La microestructura de los hierros fundidos se puede controlar para proporcionar productos que tengan una excelente ductilidad, buena maquinabilidad, excelente amortiguación de vibraciones, excelente resistencia al desgaste y buena conductividad térmica. Con una aleación adecuada, la  resistencia a la corrosión  de los hierros fundidos puede igualar a la de los aceros inoxidables y las aleaciones a base de níquel en muchos servicios. Para la mayoría de los hierros fundidos, el carbono existe como grafito, y tanto la microestructura como el comportamiento mecánico dependen de la composición y el tratamiento térmico. Los tipos de hierro fundido más comunes son:

• Hierro fundido gris. El hierro fundido gris es el tipo de hierro fundido más antiguo y común. La fundición gris se caracteriza por su microestructura grafítica, que provoca que las fracturas del material tengan un aspecto gris. Esto se debe a la presencia de grafito en su composición. En hierro fundido gris, el grafito se forma como escamas, adquiriendo una geometría tridimensional.
• Hierro fundido blanco. Los hierros fundidos blancos son duros, quebradizos e imposibles de mecanizar, mientras que los hierros grises con grafito más blando son razonablemente fuertes y mecanizables. Una superficie de fractura de esta aleación tiene un aspecto blanco y, por lo tanto, se denomina hierro fundido blanco.
• Hierro fundido maleable. El arrabio maleable es arrabio blanco que ha sido recocido. Mediante un tratamiento térmico de recocido, la estructura frágil como primer molde se transforma en la forma maleable. Por tanto, su composición es muy similar a la del hierro fundido blanco, con cantidades ligeramente superiores de carbono y silicio.
• Hierro fundido dúctil. El hierro dúctil, también conocido como hierro nodular, es muy similar en composición al hierro gris, pero durante la solidificación el grafito se nuclea como partículas esféricas (nódulos) en el hierro dúctil, en lugar de como escamas. El hierro dúctil es más fuerte y más resistente a los golpes que el hierro gris. De hecho, el hierro dúctil tiene características mecánicas que se acercan a las del acero, mientras que conserva una gran fluidez cuando se funde y un punto de fusión más bajo.

Bronces

Los  bronces  son una familia de aleaciones a base de cobre tradicionalmente aleadas con estaño, pero pueden referirse a aleaciones de cobre y otros elementos (por ejemplo, aluminio, silicio y níquel). Los bronces  son algo más fuertes que los latones, pero aún tienen un alto grado de resistencia a la corrosión. Generalmente se utilizan cuando, además de la resistencia a la corrosión, se requieren buenas propiedades de tracción. Por ejemplo, el cobre berilio alcanza la mayor resistencia (hasta 1400 MPa) de cualquier aleación a base de cobre.

Tipos de bronces

Como se escribió, los bronces son una familia de aleaciones a base de cobre tradicionalmente aleadas con estaño, pero pueden referirse a aleaciones de cobre y otros elementos (por ejemplo, aluminio, silicio y níquel).

• Bronce de estaño y fósforo. En general, los bronces son una familia de aleaciones a base de cobre tradicionalmente aleadas con estaño, comúnmente con alrededor de 12 a 12,5% de estaño. La adición de pequeñas cantidades (0.01–0.45) de fósforo aumenta aún más la dureza, la resistencia a la fatiga y la resistencia al desgaste. La adición de estas aleaciones conduce a aplicaciones tales como resortes, sujetadores, fijaciones de mampostería, ejes, husillos de válvulas, engranajes y cojinetes. Otras aplicaciones de estas aleaciones son impulsores de bombas, anillos de pistón y accesorios de vapor. Por ejemplo, la aleación de fundición de cobre UNS C90500 es una aleación de fundición de cobre y estaño, que también se conoce como metal de pistola. Originalmente utilizado principalmente para fabricar armas de fuego, ha sido reemplazado en gran medida por acero.
• Bronce de silicio. El bronce de silicio generalmente contiene aproximadamente un 96 por ciento de cobre. El bronce de silicio tiene una composición de Si: 2,80–3,80%, Mn: 0,50–1,30%, Fe: 0,80% máx., Zn: 1,50% máx., Pb: 0,05% máx. Los bronces de silicio tienen una buena combinación de resistencia y ductilidad, buena resistencia a la corrosión y fácil soldabilidad. Los bronces de silicio se desarrollaron originalmente para la industria química debido a su excepcional resistencia a la corrosión en muchos líquidos. Se utilizan en aplicaciones de productos arquitectónicos como:
  • Herrajes para puertas
  • Barandillas
  • Puertas de la iglesia
  • Marcos de ventana
• Bronce de aluminio. Los bronces de aluminio son una familia de aleaciones a base de cobre que ofrecen una combinación de propiedades mecánicas y químicas incomparables con cualquier otra serie de aleaciones. Contienen entre un 5 y un 12% de aluminio. Tienen una resistencia excelente, similar a la de los aceros de baja aleación, y 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
• Bronce de berilio. El berilio de cobre, también conocido como bronce de berilio, es una aleación de cobre con 0,5 a 3% de berilio. El berilio de cobre es el más duro y resistente de todas las aleaciones de cobre (UTS hasta 1400 MPa), en condiciones de tratamiento térmico completo y trabajo en frío. Combina alta resistencia con cualidades no magnéticas y antichispas y es similar en propiedades mecánicas a muchos aceros aleados de alta resistencia pero, en comparación con los aceros, tiene una mejor resistencia a la corrosión.
• Latón rojo (Bronce de alto estaño). En general, los metales de campana se refieren generalmente a bronces con alto contenido de estaño que son una familia de aleaciones a base de cobre tradicionalmente aleadas con estaño, comúnmente con más del 20% de estaño (típicamente, 78% de cobre, 22% de estaño en masa). El metal de campana se utiliza para la fundición de campanas de alta calidad.

Propiedades del bronce frente al hierro fundido

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 bronce vs hierro fundido

La densidad del bronce típico  es de 8,7 g/cm³.

La densidad del hierro fundido típico es de 7,03 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 bronce frente al hierro fundido

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 bronce frente al hierro fundido

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.

La máxima resistencia a la tracción del bronce de  estaño (UNS C90500)  es de aproximadamente 310 MPa.

La resistencia máxima a la tracción del berilio de  cobre  – UNS C17200  es de aproximadamente 1380 MPa.

La resistencia máxima a la tracción del hierro fundido gris (ASTM A48 Clase 40) es 295 MPa.

La resistencia máxima a la tracción del hierro fundido blanco martensítico (ASTM A532 Clase 1 Tipo A) es 350 MPa.

Resistencia máxima a la tracción del hierro fundido maleable – ASTM A220 es 580 MPa.

La resistencia máxima a la tracción del hierro fundido dúctil – ASTM A536 – 60-40-18 es 414 Mpa (> 60 ksi).

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

El límite elástico del bronce de  estaño (UNS C90500)  es de aproximadamente 150 MPa.

El límite elástico del berilio de  cobre – UNS C17200  es de aproximadamente 1100 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 bronce de  aluminio – UNS C95400  es de aproximadamente 110 GPa.

El módulo de Young del bronce de  estaño (UNS C90500)  es de aproximadamente 103 GPa.

El módulo de Young del berilio de  cobre  – UNS C17200  es de aproximadamente 131 GPa.

El módulo de Young del hierro fundido gris (ASTM A48 Clase 40) es 124 GPa.

El módulo de Young del hierro fundido blanco martensítico (ASTM A532 Clase 1 Tipo A) es de 175 GPa.

El módulo de Young del hierro fundido maleable – ASTM A220 es 172 GPa.

El módulo de Young de hierro fundido dúctil – ASTM A536 – 60-40-18 es 170 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 bronce vs hierro fundido

La dureza Brinell del bronce de  aluminio – UNS C95400  es de aproximadamente 170 MPa. La dureza de los bronces de aluminio aumenta con el contenido de aluminio (y otras aleaciones), así como con las tensiones causadas por el trabajo en frío.

La dureza Brinell del bronce de  estaño (UNS C90500)  es de aproximadamente 75 BHN.

La dureza Rockwell del  cobre  berilio – UNS C17200  es de aproximadamente 82 HRB.

La dureza Brinell del hierro fundido gris (ASTM A48 Clase 40) es de aproximadamente 235 MPa.

La dureza Brinell del hierro fundido gris martensítico blanco fundido (ASTM A532 Clase 1 Tipo A) es de aproximadamente 600 MPa.

La dureza Brinell del hierro fundido maleable – ASTM A220 es de aproximadamente 250 MPa.

La dureza Brinell del hierro fundido dúctil – ASTM A536 – 60-40-18 es de aproximadamente 150 – 180 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 bronce frente al hierro fundido

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 bronce frente al hierro fundido

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

El punto de fusión del bronce de  estaño (UNS C90500)  es de alrededor de 1000°C.

El punto de fusión del berilio de  cobre  – UNS C17200  es de alrededor de 866°C.

Punto de fusión del hierro fundido gris: el acero ASTM A48 es de alrededor de 1260°C.

El punto de fusión del hierro fundido blanco martensítico (ASTM A532 Clase 1 Tipo A) es de alrededor de 1260°C.

El punto de fusión del hierro fundido maleable – ASTM A220 es de alrededor de 1260°C.

El punto de fusión del hierro fundido dúctil – ASTM A536 – acero 60-40-18 es de alrededor de 1150°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 bronce frente al hierro fundido

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

La conductividad térmica del bronce de  estaño, UNS C90500,  es de 75 W/(mK).

La conductividad térmica del  cobre  berilio – UNS C17200  es 115 W/(mK).

La conductividad térmica del hierro fundido gris – ASTM A48 es 53 W/(mK).

La conductividad térmica del hierro fundido blanco martensítico (ASTM A532 Clase 1 Tipo A) es de 15 a 30 W/(mK).

La conductividad térmica del hierro fundido maleable es de aproximadamente 40 W/(mK).

La conductividad térmica del hierro fundido dúctil es de 36 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

La resistencia y la dureza son propiedades de los materiales diferentes. La resistencia es la capacidad de un material para resistir la deformación, mientras que la dureza es la capacidad para resistir la indentación y el rayado de la superficie. Estas propiedades no son intercambiables, pero sus mejoras se basan en procedimientos similares pero no iguales.

La alta resistencia de los materiales es útil en muchas aplicaciones. Una aplicación principal de los materiales reforzados es la construcción. Para tener edificios y puentes más fuertes, se debe tener un marco fuerte que pueda soportar cargas de alta tensión o compresión y resistir la deformación plástica. Las herramientas también se basan en materiales de alta resistencia (por ejemplo, acero para herramientas o cobre-berilio).

Se requiere una alta dureza de materiales para otras aplicaciones. Una aplicación principal de los materiales endurecidos es para herramientas de corte de máquinas (brocas, machos de roscar, herramientas de torno), que deben ser mucho más duras que el material en el que están operando para ser efectivas. Estas herramientas de corte suelen estar hechas de acero de alta velocidad. Las hojas de cuchillo también utilizan aceros de alta dureza para mantener un borde afilado de la hoja. Los rodamientos deben tener una superficie muy dura que resista tensiones continuas.

Fortalecimiento de metales

La resistencia de los metales y las aleaciones se puede modificar mediante varias combinaciones de trabajo en frío, aleación y tratamiento térmico. Como se discutió en la sección anterior, la capacidad de un material cristalino para deformarse plásticamente depende en gran medida de la capacidad de la dislocación para moverse dentro de un material. Por lo tanto, impedir el movimiento de las dislocaciones resultará en el fortalecimiento del material. Por ejemplo, una microestructura con granos más finos generalmente da como resultado una resistencia más alta y una tenacidad superior en comparación con la misma aleación con granos físicamente más grandes. En el caso del tamaño de grano, también puede haber una compensación entre la resistencia y las características de fluencia. Otros mecanismos de refuerzo se consiguen a expensas de una menor ductilidad y tenacidad. Existen muchos mecanismos de fortalecimiento, que incluyen:

• Fortalecimiento de la solución sólida (aleación)
• Endurecimiento del trabajo (trabajo en frío)
• Endurecimiento por precipitación
• Refinamiento de granos
• Endurecimiento de la transformación

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

Dureza y resistencia a la tracción

Además de la correlación entre diferentes números de dureza, también existen algunas correlaciones posibles con otras propiedades del material. Por ejemplo, para aceros al carbono simples tratados térmicamente y aceros de aleación media, otra conversión conveniente es la de la dureza Brinell a la máxima resistencia a la tracción. En este caso, la resistencia máxima a la tracción (en psi) es aproximadamente igual al número de dureza Brinell multiplicado por 500. Generalmente, una dureza alta indicará una resistencia relativamente alta y baja ductilidad en el material.

En la industria, las pruebas de dureza de los metales se utilizan principalmente para comprobar la calidad y uniformidad de los metales, especialmente durante las operaciones de tratamiento térmico. Las pruebas generalmente se pueden aplicar al producto terminado sin daños significativos.

Ver arriba:
Metalurgia

Aceros inoxidables

En metalurgia, el  acero inoxidable  es una aleación de acero 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. 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 se mantenga estable, la  aleación Fe-Cr  debe tener un  contenido mínimo de cromo de aproximadamente el 10,5% en peso, por encima del cual puede ocurrir la pasividad y por debajo del cual es imposible. El cromo se puede utilizar como elemento de endurecimiento y se utiliza con frecuencia con un elemento de endurecimiento como el níquel para producir propiedades mecánicas superiores.

Usos de los aceros inoxidables – Aplicaciones

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. El cuerpo de la vasija del reactor está construido con  acero al carbono de baja aleación de alta calidad, pero todas las superficies que entran en contacto con el refrigerante del reactor (altamente corrosivo debido a la presencia de ácido bórico)  están revestidas  con un mínimo de aproximadamente 3 a 10 mm de  acero inoxidable austenítico para minimizar la corrosión.

El acero inoxidable  se puede enrollar en láminas, placas, barras, alambres y tubos. Los aceros inoxidables no necesitan ser pintados ni revestidos, lo que los hace adecuados para su uso en aplicaciones donde se requiere limpieza: en utensilios de cocina, cubiertos e instrumental quirúrgico.

Tipos de aceros inoxidables

El acero inoxidable es un término genérico para una gran familia de aleaciones resistentes a la corrosión que contienen al menos un 10,5% de cromo y pueden contener otros elementos de aleación. Existen numerosos grados de acero inoxidable con diferentes contenidos de cromo y molibdeno y con una estructura cristalográfica variable para adaptarse al medio ambiente que debe soportar la aleación. Los aceros inoxidables se pueden dividir en cinco categorías:

• Aceros inoxidables ferríticos. En los aceros inoxidables ferríticos, el carbono se mantiene en niveles bajos (C <0,08%) y el contenido de cromo puede oscilar entre el 10,50 y el 30,00%. Por lo general, su uso está limitado a secciones relativamente delgadas debido a la falta de tenacidad en las soldaduras. Además, tienen una resistencia a altas temperaturas relativamente pobre. Los aceros ferríticos se eligen por su resistencia al agrietamiento por corrosión bajo tensión, lo que los convierte en una alternativa atractiva a los aceros inoxidables austeníticos en aplicaciones donde prevalece el SCC inducido por cloruros.
• Aceros inoxidables austeníticos. Los aceros inoxidables austeníticos contienen entre 16 y 25% de Cr y también pueden contener nitrógeno en solución, los cuales contribuyen a su relativamente alta resistencia a la corrosión. 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. El grado más conocido es el acero inoxidable AISI 304, que contiene metales de cromo (entre 15% y 20%) y níquel (entre 2% y 10,5%) como principales componentes distintos del hierro. El acero inoxidable 304 tiene una excelente resistencia a una amplia gama de entornos atmosféricos y muchos medios corrosivos. Estas aleaciones generalmente se caracterizan por ser dúctiles, soldables y endurecibles por conformado en frío.
• Aceros inoxidables martensíticos. Los aceros inoxidables martensíticos son similares a los aceros ferríticos en que se basan en cromo, pero tienen niveles de carbono más altos hasta el 1%. A veces se clasifican como aceros inoxidables martensíticos con bajo contenido de carbono y alto contenido de carbono. Tienen una resistencia a la corrosión moderada, pero se consideran duros, fuertes y ligeramente quebradizos. Son magnéticos y pueden probarse de forma no destructiva mediante el método de inspección por partículas magnéticas, a diferencia del acero inoxidable austenítico. Un acero inoxidable martensítico común es el AISI 440C, que contiene del 16 al 18% de cromo y del 0,95 al 1,2% de carbono. El acero inoxidable de grado 440C se utiliza en las siguientes aplicaciones: bloques de calibre, cubiertos, rodamientos de bolas y pistas, moldes y matrices, cuchillos.
• Aceros Inoxidables Dúplex. Los aceros inoxidables dúplex, como su nombre indica, son una combinación de dos de los principales tipos de aleaciones. Tienen una microestructura mixta de austenita y ferrita, el objetivo suele ser producir una mezcla 50/50, aunque en las aleaciones comerciales la proporción puede ser 40/60. Su resistencia a la corrosión es similar a la de sus homólogos austeníticos, pero su resistencia a la corrosión bajo tensión (especialmente al agrietamiento por corrosión bajo tensión por cloruro), resistencia a la tracción y límites elásticos (aproximadamente el doble del límite elástico de los aceros inoxidables austeníticos) son generalmente superiores a los de los aceros inoxidables austeníticos. Los grados. Superdúplex Los aceros tienen una mayor resistencia y resistencia a todas las formas de corrosión en comparación con los aceros austeníticos estándar. Los usos comunes son en aplicaciones marinas, plantas petroquímicas, plantas desalinizadoras, intercambiadores de calor e industria de fabricación de papel. Hoy en día, la industria del petróleo y el gas es el mayor usuario y ha impulsado grados más resistentes a la corrosión, lo que ha llevado al desarrollo de aceros superdúplex.
• Aceros inoxidables PH.  Los aceros inoxidables PH (endurecimiento por precipitación) contienen alrededor de un 17% de cromo y un 4% de níquel. Estos aceros pueden desarrollar una resistencia muy alta mediante la adición de aluminio, titanio, niobio, vanadio y / o nitrógeno, que forman precipitados intermetálicos coherentes durante un proceso de tratamiento térmico denominado envejecimiento por calor. De todos los grados de acero inoxidable disponibles, generalmente ofrecen la mejor combinación de alta resistencia junto con excelente tenacidad y resistencia a la corrosión. Son tan resistentes a la corrosión como los austeníticos. Los usos comunes se encuentran en la industria aeroespacial y en algunas otras industrias de alta tecnología.

Superaleaciones

Las superaleaciones, o  aleaciones de alto rendimiento, son aleaciones no ferrosas que exhiben una resistencia  y estabilidad de superficie sobresalientes  a altas temperaturas . Su capacidad para operar de manera segura a una alta fracción de su punto de fusión (hasta el 85% de sus puntos de fusión (T_m) expresados ​​en grados Kelvin, 0,85) son sus características clave. Las superaleaciones se utilizan generalmente a temperaturas superiores a 540°C (1000°F), ya que a estas temperaturas el acero ordinario y las aleaciones de titanio están perdiendo su resistencia, también la corrosión es común en los aceros a esta temperatura. A altas temperaturas, las superaleaciones conservan la resistencia mecánica, la resistencia a  la fluencia térmica deformación, estabilidad superficial y resistencia a la corrosión u oxidación. Algunas superaleaciones a base de níquel pueden soportar temperaturas superiores a 1200°C, dependiendo de la composición de la aleación. Las superaleaciones a menudo se moldean como un solo cristal, mientras que los límites de grano pueden proporcionar resistencia, disminuyen la resistencia a la fluencia.

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. Las aplicaciones actuales incluyen:

• Turbinas de gas para aeronaves
• Centrales eléctricas de turbinas de vapor
• Aplicaciones médicas
• Vehículos espaciales y motores de cohetes
• Equipo de tratamiento térmico
• Plantas de energía nuclear

El níquel es el elemento base de las superaleaciones, que son un grupo de aleaciones de níquel, hierro-níquel y cobalto que se utilizan en los motores a reacción. 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.

Propiedades de los aceros inoxidables frente a las superaleaciones

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 aceros inoxidables frente a superaleaciones

La densidad de una superaleación típica  es de 8,22 g/cm³ .

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 aceros inoxidables frente a superaleaciones

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 los aceros inoxidables frente a las superaleaciones

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  acero inoxidable – tipo 304L  es de 485 MPa.

Resistencia máxima a la tracción del  acero inoxidable ferrítico  : el grado 430  es de 480 MPa.

La máxima resistencia a la tracción del  acero inoxidable martensítico  : el grado 440C  es de 760 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 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 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 del  acero inoxidable – tipo 304L  es de 170 MPa.

Límite elástico del  acero inoxidable ferrítico – el grado 430  es 310 MPa.

Límite elástico del  acero inoxidable martensítico – el grado 440C  es de 450 MPa.

Límite elástico de la superaleación: Inconel 718 depende del proceso de tratamiento térmico, pero es de aproximadamente 1030 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 inoxidable ferrítico  – Grado 430  es 220 GPa.

El módulo de Young del  acero inoxidable martensítico – Grado 440C  es 200 GPa.

El módulo de Young de los  aceros inoxidables dúplex – SAF 2205  es 200 GPa.

Módulo de Young de la superaleación: Inconel 718 es 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 de aceros inoxidables frente a superaleaciones

La dureza Brinell del  acero inoxidable ferrítico  – Grado 430  es de aproximadamente 180 MPa.

La dureza Brinell del  acero inoxidable martensítico  – Grado 440C  es de aproximadamente 270 MPa.

La dureza Brinell de los  aceros inoxidables dúplex – SAF 2205  es de aproximadamente 217 MPa.

La dureza Brinell de la superaleación: Inconel 718 depende del proceso de tratamiento térmico, pero es de aproximadamente 330 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 aceros inoxidables frente a superaleaciones

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 aceros inoxidables frente a superaleaciones

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

Punto de fusión del  acero inoxidable ferrítico:  el acero de grado 430  es de alrededor de 1450°C.

Punto de fusión del  acero inoxidable martensítico:  el acero de grado 440C  es de alrededor de 1450°C.

Punto de fusión de la superaleación: el acero Inconel 718 es de alrededor de 1400°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 aceros inoxidables frente a superaleaciones

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

La conductividad térmica del  acero inoxidable ferrítico – Grado 430  es 26 W/(mK).

La conductividad térmica del  acero inoxidable martensítico – Grado 440C  es 24 W/(mK).

La conductividad térmica de la superaleación – Inconel 718 es 6,5 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

La resistencia y la dureza son propiedades de los materiales diferentes. La resistencia es la capacidad de un material para resistir la deformación, mientras que la dureza es la capacidad para resistir la indentación y el rayado de la superficie. Estas propiedades no son intercambiables, pero sus mejoras se basan en procedimientos similares pero no iguales.

La alta resistencia de los materiales es útil en muchas aplicaciones. Una aplicación principal de los materiales reforzados es la construcción. Para tener edificios y puentes más fuertes, se debe tener un marco fuerte que pueda soportar cargas de alta tensión o compresión y resistir la deformación plástica. Las herramientas también se basan en materiales de alta resistencia (por ejemplo , acero para herramientas o cobre-berilio ).

Se requiere una alta dureza de materiales para otras aplicaciones. Una aplicación principal de los materiales endurecidos es para herramientas de corte de máquinas (brocas, machos de roscar, herramientas de torno), que deben ser mucho más duras que el material en el que están operando para ser efectivas. Estas herramientas de corte suelen estar hechas de acero de alta velocidad. Las hojas de cuchillo también utilizan aceros de alta dureza para mantener un borde afilado de la hoja. Los rodamientos deben tener una superficie muy dura que resista tensiones continuas.

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

Dureza y resistencia a la tracción

Además de la correlación entre diferentes números de dureza, también existen algunas correlaciones posibles con otras propiedades del material. Por ejemplo, para aceros al carbono simples tratados térmicamente y aceros de aleación media, otra conversión conveniente es la de dureza Brinell a resistencia máxima a la tracción . En este caso, la resistencia máxima a la tracción (en psi) es aproximadamente igual al número de dureza Brinell multiplicado por 500. Generalmente, una dureza alta indicará una resistencia relativamente alta y baja ductilidad en el material.

En la industria, las pruebas de dureza de los metales se utilizan principalmente como control de la calidad y uniformidad de los metales, especialmente durante las operaciones de tratamiento térmico. Las pruebas generalmente se pueden aplicar al producto terminado sin daños significativos.

Ver arriba:
Metalurgia

La resistencia y la dureza son propiedades de los materiales diferentes. La resistencia es la capacidad de un material para resistir la deformación, mientras que la dureza es la capacidad para resistir la indentación y el rayado de la superficie. Estas propiedades no son intercambiables, pero sus mejoras se basan en procedimientos similares pero no iguales.

La alta resistencia de los materiales es útil en muchas aplicaciones. Una aplicación principal de los materiales reforzados es la construcción. Para tener edificios y puentes más fuertes, se debe tener un marco fuerte que pueda soportar cargas de alta tensión o compresión y resistir la deformación plástica. Las herramientas también se basan en materiales de alta resistencia (por ejemplo , acero para herramientas o cobre-berilio ).

Se requiere una alta dureza de materiales para otras aplicaciones. Una aplicación principal de los materiales endurecidos es para herramientas de corte de máquinas (brocas, machos de roscar, herramientas de torno), que deben ser mucho más duras que el material en el que están operando para ser efectivas. Estas herramientas de corte suelen estar hechas de acero de alta velocidad . Las hojas de cuchillo también utilizan aceros de alta dureza para mantener un borde afilado de la hoja. Los rodamientos deben tener una superficie muy dura que resista tensiones continuas.

Fortalecimiento de metales

La resistencia de los metales y las aleaciones se puede modificar mediante varias combinaciones de trabajo en frío, aleación y tratamiento térmico. Como se discutió en la sección anterior, la capacidad de un material cristalino para deformarse plásticamente depende en gran medida de la capacidad de la dislocación para moverse dentro de un material. Por lo tanto, impedir el movimiento de las dislocaciones resultará en el fortalecimiento del material. Por ejemplo, una microestructura con granos más finos generalmente da como resultado una resistencia más alta y una tenacidad superior en comparación con la misma aleación con granos físicamente más grandes. En el caso del tamaño de grano, también puede haber una compensación entre las características de resistencia y fluencia. Otros mecanismos de refuerzo se consiguen a expensas de una menor ductilidad y tenacidad. Existen muchos mecanismos de fortalecimiento, que incluyen:

• Fortalecimiento de la solución sólida (aleación)
• Endurecimiento del trabajo (trabajo en frío)
• Endurecimiento por precipitación
• Refinamiento de granos
• Endurecimiento de la transformación

Dureza y resistencia a la tracción

Además de la correlación entre diferentes números de dureza, también existen algunas correlaciones posibles con otras propiedades del material. Por ejemplo, para aceros al carbono simples tratados térmicamente y aceros de aleación media, otra conversión conveniente es la de la dureza Brinell a la máxima resistencia a la tracción . En este caso, la resistencia máxima a la tracción (en psi) es aproximadamente igual al número de dureza Brinell multiplicado por 500. Generalmente, una dureza alta indicará una resistencia relativamente alta y baja ductilidad en el material.

En la industria, las pruebas de dureza de los metales se utilizan principalmente como control de la calidad y uniformidad de los metales, especialmente durante las operaciones de tratamiento térmico. Las pruebas generalmente se pueden aplicar al producto terminado sin daños significativos.

Ver arriba:
Metalurgia

Fortalecimiento de metales

La resistencia de los metales y las aleaciones se puede modificar mediante varias combinaciones de trabajo en frío, aleación y tratamiento térmico. Como se discutió en la sección anterior, la capacidad de un material cristalino para deformarse plásticamente depende en gran medida de la capacidad de la dislocación para moverse dentro de un material. Por lo tanto, impedir el movimiento de las dislocaciones resultará en el fortalecimiento del material. Por ejemplo, una microestructura con granos más finos generalmente da como resultado una resistencia más alta y una tenacidad superior en comparación con la misma aleación con granos físicamente más grandes. En el caso del tamaño de grano, también puede haber una compensación entre las características de resistencia y fluencia. Otros mecanismos de refuerzo se consiguen a expensas de una menor ductilidad y tenacidad. Existen muchos mecanismos de fortalecimiento, que incluyen:

• Fortalecimiento de la solución sólida (aleación)
• Endurecimiento del trabajo (trabajo en frío)
• Endurecimiento por precipitación
• Refinamiento de granos
• Endurecimiento de la transformación

Endurecimiento del trabajo - Trabajo en frío

El endurecimiento por deformación también se denomina endurecimiento por trabajo o el trabajo en frío es un método de reforzamiento que se utiliza a menudo en materiales cuya resistencia no puede aumentarse mediante tratamiento térmico, por ejemplo, mediante cambios en su composición de fase. El endurecimiento por trabajo puede ser deseable, indeseable o intrascendente, según el contexto. Se llama trabajo en frío porque la deformación plástica debe ocurrir a una temperatura lo suficientemente baja como para que los átomos no puedan reorganizarse. La forma más sencilla de trabajar en frío es golpear una pieza de metal al rojo vivo en el yunque. El trabajo en frío es un proceso de endurecimiento y resistencia del metal mediante la deformación plástica. Cuando un metal se deforma plásticamente, las dislocacionesse mueven y se generan dislocaciones adicionales. Las dislocaciones pueden moverse si los átomos de uno de los planos circundantes rompen sus enlaces y se vuelven a unir con los átomos en el borde de terminación. La densidad de la dislocación en un metal aumenta con la deformación o el trabajo en frío debido a la multiplicación de la dislocación o la formación de nuevas dislocaciones. Cuantas más dislocaciones haya dentro de un material, más interactuarán y se enredarán o enredarán. Esto dará como resultado una disminución de la movilidad de las dislocaciones y un fortalecimiento del material. El trabajo en frío implica la reducción del espesor de un material. La placa y la hoja de diferentes espesores se producen mediante laminación en frío. Los alambres y tubos de diferentes diámetros y espesores de pared se producen por trefilado. Todas las aleaciones de aluminio pueden reforzarse mediante trabajo en frío.

Las aleaciones que no se pueden someter a tratamiento térmico, incluido el acero con bajo contenido de carbono, a menudo se endurecen. Algunos materiales no se pueden endurecer por trabajo a bajas temperaturas, como el indio, sin embargo, otros solo pueden fortalecerse mediante el endurecimiento por trabajo, como el cobre puro y el aluminio.

El endurecimiento por deformación es una de las etapas de la curva tensión-deformación en la región de endurecimiento por deformación . Esta región comienza cuando la deformación supera el límite de fluencia y termina en el punto de resistencia máxima, que es la tensión máxima que se muestra en la curva tensión-deformación. En esta región, la tensión aumenta principalmente a medida que el material se alarga, excepto que hay una región casi plana al principio.

Ver arriba:
Metalurgia

Fortalecimiento de metales

La resistencia de los metales y las aleaciones se puede modificar mediante varias combinaciones de trabajo en frío, aleación y tratamiento térmico. Como se discutió en la sección anterior, la capacidad de un material cristalino para deformarse plásticamente depende en gran medida de la capacidad de la dislocación para moverse dentro de un material. Por lo tanto, impedir el movimiento de las dislocaciones resultará en el fortalecimiento del material. Por ejemplo, una microestructura con granos más finos generalmente da como resultado una resistencia más alta y una tenacidad superior en comparación con la misma aleación con granos físicamente más grandes. En el caso del tamaño de grano, también puede haber una compensación entre las características de resistencia y fluencia. Otros mecanismos de refuerzo se consiguen a expensas de una menor ductilidad y tenacidad. Existen muchos mecanismos de fortalecimiento, que incluyen:

• Fortalecimiento de la solución sólida (aleación)
• Endurecimiento del trabajo (trabajo en frío)
• Endurecimiento por precipitación
• Refinamiento de granos
• Endurecimiento de la transformación

Fortalecimiento de la Solición Sólida – Aleación

Los átomos de diferentes elementos disueltos en la fase de la matriz pueden conducir a su fortalecimiento mediante el fortalecimiento de la solución sólida. Los metales de alta pureza son casi siempre más blandos y débiles que las aleaciones compuestas por el mismo metal base. El aumento de la concentración de la impureza da como resultado un aumento concomitante de las resistencias a la tracción y a la fluencia. El soluto puede incorporarse en la red cristalina del disolvente de forma sustitutiva, sustituyendo una partícula de disolvente en la red, o intersticialmente, encajando en el espacio entre las partículas de disolvente. Esto impone deformaciones reticulares a los átomos circundantes, lo que da como resultado un campo de deformaciones reticulares. Incluso pequeñas cantidades de soluto pueden afectar las propiedades eléctricas y físicas del solvente. Acero, probablemente el metal estructural más común, es un buen ejemplo de aleación. Es una aleación de hierro y carbono, con otros elementos que le confieren ciertas propiedades deseables. Agregar una pequeña cantidad de carbono no metálico al hierro cambia su gran ductilidad por una mayor resistencia . Agregar una pequeña cantidad de carbono no metálico al hierro cambia su gran ductilidad por una mayor resistencia . Para las aleaciones no ferrosas, el manganeso y el magnesio son ejemplos de elementos que se agregan al aluminio con el propósito de fortalecer la solución sólida.

Agentes de aleación

El hierro puro es demasiado blando para ser utilizado con fines de estructura, pero la adición de pequeñas cantidades de otros elementos (carbono, manganeso o silicio, por ejemplo) aumenta en gran medida su resistencia mecánica. Las aleaciones  suelen ser más fuertes que los metales puros, aunque generalmente ofrecen una conductividad eléctrica y térmica reducida. La resistencia  es el criterio más importante por el cual se juzgan muchos materiales estructurales. Por lo tanto, las aleaciones se utilizan para la construcción de ingeniería. El efecto sinérgico de los elementos de aleación y el tratamiento térmico produce una enorme variedad de microestructuras y propiedades.

• Carbono . El carbono es un elemento no metálico, que es un elemento de aleación importante en todos los materiales a base de metales ferrosos. El carbono siempre está presente en las aleaciones metálicas, es decir, en todos los grados de acero inoxidable y aleaciones resistentes al calor. El carbono es un austenitizador muy fuerte y aumenta la resistencia del acero. De hecho, es el principal elemento endurecedor y es esencial para la formación de la cementita, Fe₃C, perlita, esferoidita y martensita de hierro y carbono. Agregar una pequeña cantidad de carbono no metálico al hierro cambia su gran ductilidad por una mayor resistencia. Si se combina con cromo como componente separado (carburo de cromo), puede tener un efecto perjudicial sobre la resistencia a la corrosión al eliminar parte del cromo de la solución sólida en la aleación y, como consecuencia, reducir la cantidad de cromo disponible para asegurar resistencia a la corrosión.
• Cromo. El cromo aumenta la dureza, la fuerza y ​​la resistencia a la corrosión. El efecto reforzador de la formación de carburos metálicos estables en los límites de los granos y el fuerte aumento de la resistencia a la corrosión hicieron del cromo un importante material de aleación para el acero. 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 se mantenga estable, la aleación Fe-Cr debe tener un contenido mínimo de cromo de aproximadamente el 11% en peso, por encima del cual puede producirse pasividad y por debajo del cual es imposible. El cromo se puede utilizar como elemento de endurecimiento y se utiliza con frecuencia con un elemento de endurecimiento como el níquel para producir propiedades mecánicas superiores. A temperaturas más altas, el cromo contribuye a una mayor resistencia. Los aceros para herramientas de alta velocidad contienen entre un 3 y un 5% de cromo.
• Níquel. 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. Las 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 también reduce la expansión térmica para una mejor estabilidad dimensional. El níquel es el elemento base de las superaleaciones, que son un grupo de aleaciones de níquel, hierro-níquel y cobalto que se utilizan en los motores a reacción. Estos metales tienen una excelente resistencia a la deformación por fluencia térmica y conservan su rigidez, resistencia,
• El molibdeno . Encontrado en pequeñas cantidades en aceros inoxidables, el molibdeno aumenta la templabilidad y la resistencia, particularmente a altas temperaturas. El alto punto de fusión del molibdeno lo hace importante para dar resistencia al acero y otras aleaciones metálicas a altas temperaturas. El molibdeno es único en la medida en que aumenta la resistencia a la tracción y a la fluencia a alta temperatura del acero. Retrasa la transformación de austenita en perlita mucho más que la transformación de austenita en bainita; por tanto, la bainita se puede producir mediante el enfriamiento continuo de aceros que contienen molibdeno.
• El vanadio . El vanadio generalmente se agrega al acero para inhibir el crecimiento de granos durante el tratamiento térmico. Al controlar el crecimiento del grano, mejora tanto la resistencia como la tenacidad de los aceros templados y revenido. El tamaño del grano determina las propiedades del metal. Por ejemplo, un tamaño de grano más pequeño aumenta la resistencia a la tracción y tiende a aumentar la ductilidad. Se prefiere un tamaño de grano más grande para mejorar las propiedades de fluencia a alta temperatura. Se agrega vanadio para promover la resistencia a la abrasión y producir carburos duros y estables que, al ser solo parcialmente solubles, liberan poco carbono en la matriz.
• Tungsteno . Produce carburos estables y refina el tamaño de grano para aumentar la dureza, particularmente a altas temperaturas. El tungsteno se utiliza ampliamente en aceros para herramientas de alta velocidad y se ha propuesto como sustituto del molibdeno en aceros ferríticos de activación reducida para aplicaciones nucleares. La adición de aproximadamente un 10% de tungsteno y molibdeno en total maximiza de manera eficiente la dureza y tenacidad de los aceros de alta velocidad y mantiene esas propiedades a las altas temperaturas generadas al cortar metales. El tungsteno y el molibdeno son intercambiables a nivel atómico y ambos promueven la resistencia al templado, lo que brinda un mejor rendimiento de corte de la herramienta a temperaturas más altas.

Ver arriba:
Metalurgia

Ecuación de Hall-Petch – método de Hall-Petch

El refuerzo de los límites de grano (o refuerzo de Hall-Petch ) es un método de refuerzo de materiales mediante el cambio de su tamaño medio de cristalita (grano). El tamaño del grano determina las propiedades del metal. Por ejemplo, un tamaño de grano más pequeño aumenta la resistencia a la tracción y tiende a aumentar la ductilidad. Se prefiere un tamaño de grano más grande para mejorar las propiedades de fluencia a alta temperatura. La disminución del tamaño de grano también es una forma eficaz de aumentar la ductilidad. Cuando se reduce el tamaño de grano, hay más granos con un mayor número de planos de deslizamiento alineados arbitrariamente para las dislocaciones en los granos. Esto brinda más oportunidades para que se produzca algún deslizamiento en un material sometido a tensión. Los límites de grano actúan como un impedimento para el movimiento de dislocación por las siguientes dos razones:

1. La dislocación debe cambiar su dirección de movimiento debido a la diferente orientación de los granos.
2. Discontinuidad de los planos de deslizamiento del grano uno al grano dos.

Por tanto, el refinamiento del grano proporciona un medio importante para mejorar no solo la resistencia, sino también la ductilidad y la tenacidad. Muchos otros mecanismos de fortalecimiento se logran a expensas de la ductilidad y la tenacidad. Para muchos materiales, el límite elástico σ varía con el tamaño de grano de acuerdo con

σ_y = σ_y,0 + k / d^x

En esta expresión, denominada ecuación de Hall-Petch , k es una constante, d es el diámetro promedio del grano y σ_y,0 es el límite elástico original. Tenga en cuenta que esta ecuación no es válida para materiales policristalinos de grano muy grande (es decir, grueso) y de grano extremadamente fino.

El efecto sinérgico de los elementos de aleación y el tratamiento térmico produce una enorme variedad de microestructuras y propiedades de los aceros.

• El vanadio . El vanadio generalmente se agrega al acero para inhibir el crecimiento de granos durante el tratamiento térmico. Al controlar el crecimiento del grano, mejora tanto la resistencia como la tenacidad de los aceros templados y revenido. El tamaño del grano determina las propiedades del metal. Por ejemplo, un tamaño de grano más pequeño aumenta la resistencia a la tracción y tiende a aumentar la ductilidad. Se prefiere un tamaño de grano más grande para mejorar las propiedades de fluencia a alta temperatura.
• Tungsteno . El tungsteno produce carburos estables y refina el tamaño de grano para aumentar la dureza, particularmente a altas temperaturas. El tungsteno se utiliza ampliamente en aceros para herramientas de alta velocidad y se ha propuesto como sustituto del molibdeno en aceros ferríticos de activación reducida para aplicaciones nucleares.

Ver arriba:
Metalurgia

Fortalecimiento de metales

La resistencia de los metales y las aleaciones se puede modificar mediante varias combinaciones de trabajo en frío, aleación y tratamiento térmico. Como se discutió en la sección anterior, la capacidad de un material cristalino para deformarse plásticamente depende en gran medida de la capacidad de la dislocación para moverse dentro de un material. Por lo tanto, impedir el movimiento de las dislocaciones resultará en el fortalecimiento del material. Por ejemplo, una microestructura con granos más finos generalmente da como resultado una resistencia más alta y una tenacidad superior en comparación con la misma aleación con granos físicamente más grandes. En el caso del tamaño de grano, también puede haber una compensación entre las características de resistencia y fluencia. Otros mecanismos de refuerzo se consiguen a expensas de una menor ductilidad y tenacidad. Existen muchos mecanismos de fortalecimiento, que incluyen:

• Fortalecimiento de la solución sólida (aleación)
• Endurecimiento del trabajo (trabajo en frío)
• Endurecimiento por precipitación
• Refinamiento de granos
• Endurecimiento de la transformación

Refinamiento de granos – Fortalecimiento de los límites de granos

El refuerzo de los límites de grano (o refuerzo de Hall-Petch) es un método de refuerzo de materiales mediante el cambio de su tamaño medio de cristalita (grano). El tamaño del grano determina las propiedades del metal. Por ejemplo, un tamaño de grano más pequeño aumenta la resistencia a la tracción y tiende a aumentar la ductilidad. Se prefiere un tamaño de grano más grande para mejorar las propiedades de fluencia a alta temperatura. La disminución del tamaño de grano también es una forma eficaz de aumentar la ductilidad. Cuando se reduce el tamaño de grano, hay más granos con un mayor número de planos de deslizamiento alineados arbitrariamente para las dislocaciones en los granos. Esto brinda más oportunidades para que se produzca algún deslizamiento en un material sometido a tensión. Los límites de grano actúan como un impedimento para el movimiento de dislocación por las siguientes dos razones:

1. La dislocación debe cambiar su dirección de movimiento debido a la diferente orientación de los granos.
2. Discontinuidad de los planos de deslizamiento del grano uno al grano dos.

Por tanto, el refinamiento del grano proporciona un medio importante para mejorar no solo la resistencia, sino también la ductilidad y la tenacidad. Muchos otros mecanismos de fortalecimiento se logran a expensas de la ductilidad y la tenacidad. Para muchos materiales, el límite elástico σ varía con el tamaño de grano de acuerdo con

σ_y = σ_y,0 + k / d^x

En esta expresión, denominada ecuación de Hall-Petch , k es una constante, d es el diámetro promedio del grano y σ _{y, 0} es el límite elástico original. Tenga en cuenta que esta ecuación no es válida para materiales policristalinos de grano muy grande (es decir, grueso) y de grano extremadamente fino.

El efecto sinérgico de los elementos de aleación y el tratamiento térmico produce una enorme variedad de microestructuras y propiedades de los aceros.

• El vanadio . El vanadio generalmente se agrega al acero para inhibir el crecimiento de granos durante el tratamiento térmico. Al controlar el crecimiento del grano, mejora tanto la resistencia como la tenacidad de los aceros templados y revenido. El tamaño del grano determina las propiedades del metal. Por ejemplo, un tamaño de grano más pequeño aumenta la resistencia a la tracción y tiende a aumentar la ductilidad. Se prefiere un tamaño de grano más grande para mejorar las propiedades de fluencia a alta temperatura.
• Tungsteno . El tungsteno produce carburos estables y refina el tamaño de grano para aumentar la dureza, particularmente a altas temperaturas. El tungsteno se utiliza ampliamente en aceros para herramientas de alta velocidad y se ha propuesto como sustituto del molibdeno en aceros ferríticos de activación reducida para aplicaciones nucleares.

Ver arriba:
Metalurgia