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 colados 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 .
Ver también: Tipos de hierros fundidos
Fundición dúctil
El hierro dúctil, también conocido como hierro nodular o hierro grafito esferoidal, 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 no es un material único sino parte de un grupo de materiales que pueden producirse con una amplia gama de propiedades mediante el control de su microestructura. La fase de la matriz que rodea a estas partículas es perlita o ferrita, dependiendo del tratamiento térmico. El hierro dúctil es más fuerte y más resistente a los golpes que el hierro gris, por lo que, aunque es más caro debido a las aleaciones, puede ser la opción económica preferida porque una fundición más ligera puede realizar la misma función.
Resumen
| Nombre | Hierro dúctil |
| Fase en STP | N / A |
| Densidad | 7300 kg/m3 |
| Resistencia a la tracción | 414 MPa |
| Límite de elasticidad | 276 MPa |
| Módulo de elasticidad de Young | 170 GPa |
| Dureza Brinell | 180 BHN |
| Punto de fusion | 1150°C |
| Conductividad térmica | 36 W/mK |
| Capacidad calorífica | 460 J/gK |
| Precio | 3 $/kg |
Aunque la mayoría de las versiones de hierro fundido a menudo son frágiles, el hierro fundido dúctil tiene una resistencia a la fatiga y al impacto mucho mayor debido a sus inclusiones de grafito nodular, que es la característica definitoria común de este grupo de materiales. En los hierros dúctiles, el grafito se presenta en forma de nódulos en lugar de escamas como en el hierro gris. La formación de nódulos se logra agregando una pequeña cantidad de magnesio o cerio a la aleación cuando está en la fase líquida, el crecimiento de grafito puede ralentizarse durante el proceso de solidificación. Mientras que las escamas de grafito afiladas crean puntos de concentración de tensión dentro de la matriz de metal, los nódulos redondeados inhiben la creación de grietas, proporcionando así la ductilidad mejorada que da nombre a la aleación. De hecho, el hierro dúctil tiene características mecánicas que se acercan a las del acero,
Las aplicaciones típicas de este material incluyen válvulas, cuerpos de bombas, cigüeñales, engranajes y otros componentes automotrices y de máquinas debido a su buena maquinabilidad, resistencia a la fatiga y mayor módulo de elasticidad (en comparación con el hierro gris), y en engranajes de servicio pesado debido a su alto límite elástico y resistencia al desgaste.
86%
3,5%
2,2%
Propiedades del hierro fundido dúctil – ASTM A536 – 60-40-18
Las propiedades de los materiales son propiedades intensivas, lo que significa que son independientes de la cantidad de masa y pueden variar de un lugar a otro dentro del sistema en cualquier momento. La base de la ciencia de los materiales consiste en estudiar la estructura de los materiales y relacionarlos con sus propiedades (mecánicas, eléctricas, etc.). Una vez que un científico de materiales conoce esta correlación estructura-propiedad, puede pasar a estudiar el rendimiento relativo de un material en una aplicación determinada. Los principales determinantes de la estructura de un material y, por tanto, de sus propiedades son sus elementos químicos constituyentes y la forma en que se ha procesado hasta su forma final.
Propiedades mecánicas del hierro fundido dúctil – ASTM A536 – 60-40-18
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 hierro fundido dúctil – ASTM A536 – 60-40-18
En mecánica de materiales, la resistencia de un material es su capacidad para soportar una carga aplicada sin fallas ni deformaciones plásticas. La resistencia de los materiales básicamente considera la relación entre las cargas externas aplicadas a un material y la deformación resultante o cambio en las dimensiones del material. La resistencia de un material es su capacidad para soportar esta carga aplicada sin fallas ni deformaciones plásticas.
Resistencia a la tracción
La resistencia máxima a la tracción del 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 hierro fundido dúctil – ASTM A536 – 60-40-18 es 276 Mpa (> 40 ksi).
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 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 hierro fundido dúctil – ASTM A536 – 60-40-18
La dureza Brinell del hierro fundido dúctil – ASTM A536 – 60-40-18 es de aproximadamente 150 – 180 MPa.
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 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:
Hay 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.
Propiedades térmicas del hierro fundido dúctil – ASTM A536 – 60-40-18
Las propiedades térmicas de los materiales se refieren a la respuesta de los materiales a los cambios de temperatura y a la aplicación de calor. A medida que un sólido absorbe 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 hierro fundido dúctil – ASTM A536 – 60-40-18
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 hierro fundido dúctil – ASTM A536 – 60-40-18
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.
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