Metales y Aleaciones

Los metales y aleaciones son materiales de gran importancia en diversas industrias.
El hierro y los aceros son una clase de aleaciones importantes.
Los diagramas de fase de los aceros describen las diferentes fases de los aceros en función de la temperatura.
Los tratamientos térmicos alteran las propiedades de los aceros, como la dureza y la tenacidad.
Los aceros de baja y alta aleación tienen diferentes composiciones y propiedades.
Las fundiciones son otro tipo de aleaciones basadas en el hierro.
Existen otros metales como el magnesio (Mg), titanio (Ti), aluminio (Al) y cobre (Cu), que forman aleaciones no ferrosas.

El enlace metálico se caracteriza por una estructura cristalina ordenada.
La movilidad de los electrones es responsable de la alta conductividad eléctrica y térmica de los metales.
También se caracterizan por su capacidad de plasticidad (deformación permanente) y su brillo al reflejar la luz.
Los metales tienen una gran capacidad de aleación, lo que significa que pueden ser combinados con otros elementos para formar diferentes aleaciones con propiedades mejoradas.

El hierro es un metal de transición.
Su estructura cristalina varía con la temperatura.
A 912°C, se transforma de BCC (estructura cúbica centrada en el cuerpo) a FCC (estructura cúbica centrada en las caras).
A 1394°C, se transforma a otra fase.
A 1538°C, llega a su fase estable.
Las diferentes fases del hierro (α-Fe, γ-Fe, δ-Fe, Fe l) tienen estructuras cristalinas y propiedades diferentes.

El carbono (C) es un soluto intersticial en el hierro (Fe).
La solubilidad del carbono en el hierro alfa (α-Fe) es limitada (máximo 0.022% a 727°C).
Cuando el contenido de carbono excede este límite, se forma la cementita (Fe3C).
La cementita es un compuesto duro y frágil que aumenta la resistencia de algunos aceros.

Los tratamientos térmicos modifican las propiedades de los aceros.
El recocido implica un calentamiento y enfriamiento gradual, lo que reduce la dureza y aumenta la ductilidad, eliminando tensiones.
El normalizado implica un calentamiento y enfriamiento más rápido que el recocido, lo que aumenta la resistencia mecánica del acero.
El temple implica un calentamiento rápido y un enfriamiento rápido en un medio como agua, aceite o gases para formar una estructura martensitica, que resulta en una gran dureza.
La templabilidad es la capacidad de un acero para endurecerse hasta cierta profundidad.

El ensayo Jominy se utiliza para determinar la templabilidad de un acero.
Se calienta una probeta de acero y se enfría rápidamente un extremo, midiendo la dureza del acero en diferentes puntos a lo largo de la probeta.
La curva de templabilidad muestra cómo varía la dureza del material con la distancia a partir del extremo templado.

Las propiedades mecánicas de los materiales, como la resistencia, la ductilidad, la tenacidad, influyen en su uso y aplicaciones prácticas.

La cementación superficial implica enriquecer una capa superficial del acero con un elemento, como el carbono (C), para aumentar su resistencia y dureza.
Se realiza en un ambiente que contiene el elemento adicional.
El nitrógeno (N) también se puede utilizar, proporcionando un efecto de endurecimiento similar.
El aumento del tiempo y la temperatura de tratamiento aumenta el endurecimiento superficial.

Las aleaciones férreas están basadas principalmente en el hierro (Fe).
Los principales inconvenientes son las densidades elevadas y la susceptibilidad a la corrosión.
Los aceros son aleaciones Fe-C (con un porcentaje de carbono menor a 1.4%).

Los aceros se clasifican según su contenido de carbono (C).
Los aceros al carbono contienen solo hierro y carbono.
Los aceros aleados tienen otros elementos además de hierro y carbono.
Se clasifican también en bajos, medios y altos en función del contenido de carbono, lo que afecta sus propiedades mecánicas (dureza, ductilidad, tenacidad).

Los aceros de alta aleación, o aceros inoxidables, contienen altos porcentajes de cromo (Cr), lo que les proporciona una gran resistencia a la corrosión.
También contienen otros elementos como níquel (Ni) y molibdeno (Mo).

Las fundiciones tienen un alto porcentaje de carbono.
Se funden a temperaturas más bajas que los aceros.
Se pueden clasificar en grises, blancas, dúctiles o maleables, con diferentes propiedades y aplicaciones.

Las aleaciones de cobre son buenos conductores térmicos y eléctricos, y son bastante resistentes a la corrosión.
Ejemplos: latón (Cu+Zn), bronce (Cu+Sn) , monel (Cu+Ni), y aleaciones de cobre y berilio (Cu+Be).

Las aleaciones de aluminio tienen altas conductividades térmica y eléctrica, y buena ductilidad, y alta resistencia a la corrosión.
Ejemplos: aleaciones de aluminio con magnesio (Mg), titanio (Ti), o litio (Li).
Bajo peso, pero alta resistencia.

Aleaciones de aluminio y litio, con baja densidad, alta resistencia específica y aplicables en aplicaciones criogénicas, por su alta tenacidad, rigidez y resistencia a la fatiga.

Las superaleaciones tienen propiedades mecánicas excepcionales a temperaturas elevadas.
Son resistentes a la corrosión en ambientes extremos.
Usos principales: turbinas de gas para aviones.

El acero es un material de refuerzo en hormigón debido a sus excelentes propiedades mecánicas.
El aluminio es usado en ventanas, techos, paredes y cubiertas por su eficiencia energética y reciclabilidad.
El cobre es usado en la climatización y electricidad, por su excelente conductividad y resistencia.
El titanio es usado en forma de revestimientos por su bajo coeficiente de dilatación y resistencia.