Las aleaciones suelen ser más fuertes que los metales puros, aunque por lo general ofrecen una conductividad térmica y eléctrica 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 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.
A veces es posible que un material esté compuesto por varias fases sólidas. Las fortalezas de estos materiales se mejoran al permitir que una estructura sólida se convierta en una forma compuesta por dos fases intercaladas. Cuando el material en cuestión es una aleación, es posible templar el metal desde un estado fundido para formar las fases intercaladas. El término temple se refiere a un tratamiento térmico en el que un material se enfría rápidamente en agua, aceite o aire para obtener ciertas propiedades del material, especialmente la dureza. En metalurgia, el temple se usa más comúnmente para endurecer el acero mediante la introducción de martensita.
Tipos de aleaciones
Las aleaciones metálicas, en virtud de su composición, a menudo se agrupan en dos clases:
- Aleaciones ferrosas. Las aleaciones ferrosas, en las que el hierro es el componente principal, incluyen el acero, el acero inoxidable, el acero al carbono y el hierro fundido. Las aleaciones ferrosas son conocidas por su resistencia.
- Aleaciones no ferrosas. Aleaciones no ferrosas, aquellas que no contienen hierro (ferrita) en cantidades apreciables, por lo que se basan en metales no ferrosos (es decir, aluminio, cobre, cromo, titanio, oro, níquel, plata, estaño, plomo, zinc, etc.) Otras propiedades comunes de los metales no ferrosos son no magnéticas, maleables y ligeras.
Aleaciones ferrosas
Las aleaciones ferrosas, en las que el hierro es el componente principal, incluyen el acero y el arrabio (con un contenido de carbono de un pequeño porcentaje) y las aleaciones de hierro con otros metales (como el acero inoxidable). Las aleaciones ferrosas son conocidas por su resistencia. Las aleaciones suelen ser más fuertes que los metales puros, aunque generalmente ofrecen una conductividad eléctrica y térmica reducida. Las aleaciones ferrosas más simples se conocen como aceros y consisten en hierro (Fe) aleado con carbono (C) (alrededor del 0,1% al 1%, según el tipo). 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 alterado en gran medida por el tratamiento térmico, el acero es una de las aleaciones ferrosas más útiles y comunes en el uso moderno. Su uso generalizado se explica por los siguientes factores:
- Los compuestos que contienen hierro existen en abundantes cantidades dentro de la corteza terrestre.
- Las aleaciones metálicas de hierro y acero se pueden producir utilizando técnicas de extracción, refinación, aleación y fabricación relativamente económicas.
- Las aleaciones ferrosas son extremadamente versátiles, ya que pueden adaptarse para tener una amplia gama de propiedades mecánicas y físicas.
La principal desventaja de muchas aleaciones ferrosas es su susceptibilidad a la corrosión. Al agregar cromo al acero, se puede mejorar su resistencia a la corrosión, creando acero inoxidable, mientras que agregar silicio alterará sus características eléctricas, produciendo acero al silicio.
Resistencia de las aleaciones metálicas
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 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.
Ejemplo: máxima resistencia a la tracción: acero con bajo contenido de carbono
La resistencia máxima a la tracción del acero con bajo contenido de carbono se encuentra entre 400 y 550 MPa.
Ejemplo: máxima resistencia a la tracción: acero con alto contenido de carbono
La máxima resistencia a la tracción del acero con alto contenido de carbono es de 1100 MPa.
Límite de elasticidad
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.
Ejemplo: límite elástico: acero con bajo contenido de carbono
El límite elástico del acero con bajo contenido de carbono es de 250 MPa.
Ejemplo: límite elástico: acero con alto contenido de carbono
El límite elástico del acero con alto contenido de carbono es de 800 MPa.
Módulo de Young
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.
Ejemplo: Módulo de elasticidad de Young: Acero con bajo contenido de carbono
El módulo de elasticidad de Young del acero con bajo contenido de carbono es de 200 GPa.
Dureza de las aleaciones metálicas
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.
La prueba de dureza Brinell es una de las pruebas de dureza por indentación, que se ha desarrollado para las pruebas de dureza. En las pruebas Brinell, se fuerza un penetrador esférico durobajo una carga específica en la superficie del metal que se va a probar. La prueba típica utiliza una bola de acero endurecido de 10 mm (0,39 pulg.) De diámetro como penetrador con una fuerza de 3000 kgf (29,42 kN; 6,614 lbf). La carga se mantiene constante durante un tiempo determinado (entre 10 y 30 s). Para materiales más blandos, se usa una fuerza menor; para materiales más duros, una bola de carburo de tungsteno se sustituye por la bola de acero.
La prueba proporciona resultados numéricos para cuantificar la dureza de un material, que se expresa mediante el número de dureza Brinell – HB. El número de dureza Brinell está designado por las normas de prueba más comúnmente utilizadas (ASTM E10-14 [2] e ISO 6506-1: 2005) como HBW (H de dureza, B de Brinell y W del material del penetrador, tungsteno (wolfram) carburo). En las normas anteriores se utilizaba HB o HBS para referirse a las medidas realizadas con penetradores de acero.
El número de dureza Brinell (HB) es la carga dividida por el área de la superficie de la muesca. El diámetro de la impresión se mide con un microscopio con una escala superpuesta. El número de dureza Brinell se calcula a partir de la ecuación:
Existe una variedad de métodos de prueba de uso común (por ejemplo, Brinell, Knoop, Vickers y Rockwell). Hay tablas disponibles que correlacionan los números de dureza de los diferentes métodos de prueba donde la correlación es aplicable. En todas las escalas, un número de dureza alto representa un metal duro.
Ejemplo: dureza del acero con bajo contenido de carbono
La dureza Brinell del acero con bajo contenido de carbono es de aproximadamente 120 MPa.
Ejemplo: dureza del acero con alto contenido de carbono
La dureza Brinell del acero con alto contenido de carbono es de aproximadamente 200 MPa.
Ejemplo: dureza del acero de Damasco
La dureza Rockwell del acero de Damasco depende del tipo actual de acero, pero puede ser aproximadamente 62-64 HRC Rockwell.
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