Tema 7 Materiales Metálicos 2021 PDF

TEMA 7 MATERIALES METÁLICOS CIENCIA Y TECNOLOGÍA DE LOS MATERIALES  ÍNDICE Mecanismos de endurecimiento Aleaciones férreas...

TEMA 7 MATERIALES METÁLICOS CIENCIA Y TECNOLOGÍA DE LOS MATERIALES  ÍNDICE Mecanismos de endurecimiento Aleaciones férreas – Sistema Fe-C: Aceros – Tratamientos térmicos de los aceros – Clasificación de los aceros – Diagrama de equilibrio estable Fe-grafito: Fundiciones Aleaciones ligeras: aluminio, magnesio y titanio Aleaciones base cobre Tema 5. Materiales metálicos Aleaciones base níquel y cobalto Metales refractarios Otros materiales metálicos Procesado de Metales – Moldeo/colada – Forja – Pulvimetalurgia 2  1. MECANISMOS DE ENDURECIMIENTO Mecanismos de refuerzo requieren conocer la relación entre el movimiento de las dislocaciones y el comportamiento mecánico de los metales. La capacidad de un metal para deformarse plásticamente depende de la capacidad de las dislocaciones para moverse ↑Dureza y Resistencia ↓Movilidad de las dislocaciones (mayores fuerzas para iniciar la deformación plástica) Tema 7. Materiales metálicos 3  1.1. Endurecimiento por reducción de tamaño de grano Los límites de grano actúan como una barrera la movimiento de las dislocaciones: - Los granos tienen diferentes orientaciones, por lo que las dislocaciones tienen que cambiar la dirección de su movimiento. ↑dificultad al ↑diferencia de orientación - El desorden atómico dentro del límite de grano producirá una discontinuidad de los planos de deslizamiento de un grano a otro. Materiales de grano fino ↑ ↑ Dureza y Resistencia Tema 5. Materiales metálicos Ec. Hall Petch 𝜎𝑦 = 𝜎0 + 𝑘𝑑 −1/2 4  1.2. Endurecimiento por solución sólida Los átomos de impurezas producen deformación de red en los átomos vecinos. Estos campos de deformación dificultan el movimiento de las dislocaciones: Tema 5. Materiales metálicos Aleaciones ↑↑ dureza y resistencia ▪ ↑ Endurecimiento: - ↑ cantidad de átomos de impurezas - ↑ diferencia de r atómico de la impureza respecto a la solvente. 5  1.3. Endurecimiento por deformación Deformación en frío Endurecimiento por deformación: Fenómeno por el cuál un metal dúctil se hace más duro y resistente a medida que se deforma plásticamente. También llamado acritud o endurecimiento por trabajo en frío. Si se aplica una tensión a un material s< sy ⇒ no presenta deformación plástica permanente, la deformación elástica desaparecerá. Si se fabrica una pieza mediante deformación, s > sy ⇒ deforma permanentemente. Si se vuelve a deformar ⇒ ↑sy, ↑ resistencia a la tracción y ↓ ductilidad. Tema 5. Materiales metálicos 6  1.3. Endurecimiento por deformación Deformación en frío La respuesta del material al trabajado en frío = coeficiente de deformación o exponente de endurecimiento n. Metales con ↓ n ⇒ mala respuesta al trabajado en frío st = k etn K= coeficiente de resistencia n: ↓HCP n: ↑BCC n:↑↑ FCC Tema 5. Materiales metálicos 7  1.3. Endurecimiento por deformación Deformación en frío Porcentaje de trabajado en frío A0 = sección transversal inicial 𝐴0 − 𝐴𝑑 %𝐶𝑊 = × 100 Af = sección transversal final 𝐴0 Efecto del trabajado en frío sobre las propiedades mecánicas: Tema 5. Materiales metálicos 8  1.3. Endurecimiento por deformación Deformación en frío Porcentaje de trabajado en frío A0 = sección transversal inicial 𝐴0 − 𝐴𝑑 %𝐶𝑊 = × 100 Af = sección transversal final 𝐴0 Efecto del trabajado en frío sobre las propiedades mecánicas: Tema 5. Materiales metálicos Límite elástico Alargamiento 9  1.3. Endurecimiento por deformación Deformación en frío Microestructura: alargamiento de sus granos ⇒ comportamiento anisotrópico (orientación prefente o textura) Tema 5. Materiales metálicos Multiplicación de dislocaciones: Metal sin deformar: densidad de dislocaciones (líneas de dislocaciones por cm2) ≃ 106-108 Metal deformado ≃ 1012 Endurecimiento debido a la interacción de los campos de deformación de las dislocaciones. Movimiento de las dislocaciones limitado por la presencia de otras dislocaciones 10  1.3. Endurecimiento por deformación Recocido Elimina los efectos del trabajado en frío y restablece la ductilidad original del metal. Etapas del recocido: 1) Recuperación: a Tª bajas, se eliminan las tensiones residuales, reordenación de las dislocaciones 2) Recristalización: altas Tª, nucleación y crecimiento de granos. Pocas dislocaciones, < tamaño de grano que el de partida, granos equiaxiales. Trecristalización = 0,4. TF (0,3-0,7) Tema 5. Materiales metálicos 3) Crecimiento de grano: Tª > Trecristalización. Los límites de grano ↑ E. ⇒ sistema tiende a reducir el área total. Migración de BG. No deseable. (a) Metal trabajado en frío (b) Después de la recuperación (c) Después de la recristalización (d) Después del crecimiento de grano 11  1.3. Endurecimiento por deformación Recocido Tema 5. Materiales metálicos 12  1.3. Endurecimiento por deformación RECOCIDO (Definición general) TT a elevada Temperatura largo tiempo, enfriamiento lento - Eliminar o reducir tensiones internas - Conferir un ablandamiento al material - Formar estructuras favorables a la deformación en frío - Eliminar particularidades estructurales de procesos de fabricación y tratamientos térmicos - Disminuir heterogeneidades de la composición química Tema 5. Materiales metálicos Estructura de Engrosamiento de grano colada, Homogeneización Recocido segregación dendritica 13  1.3. Endurecimiento por deformación Deformación en caliente vs en frío Ventajas frente al conformado en frío: - Al no producirse endurecimiento por deformación, la cantidad de deformación plástica es ilimitada. (Placa gruesa ⇒ fina, operando de forma continua). - Aconsejable para el conformado de piezas grandes, ↓ limite elástico y ↑ductilidad. - Se eliminan defectos (porosidad), y se homogeneiza la composición del metal. - A Tª↑ los metales HCP, más sistemas de deslizamiento activos ⇒ Tema 5. Materiales metálicos ductilidad. Desventajas: - Propiedades finales menos homogéneas (grano superficie < grano centro). - Peor acabado superficial peor. O2 reacciona con el metal en la superficie formando óxidos. - Precisión dimensional más difícil ⇒ el metal se contrae al enfriar. Se requiere un control muy preciso de la Tª. 14  1.3. Endurecimiento por precipitación El endurecimiento por precipitación o envejecimiento ⇒ dispersión uniforme de un precipitado fino y duro en una matriz más blanda y dúctil. Etapa 1. Tratamiento de solubilización Calentamiento a Tª > Tªsolvus hasta obtener solución sólida homogénea. Se disuelve el precipitado β y se reduce cualquier segregación presente en la aleación. Te > Tsolubilización >Tsolvus sin fundir ningún microconstituyente. Etapa 2. Temple Enfriamiento rápido de la ss (generalmente en agua). Los átomos Tema 5. Materiales metálicos disueltos no tienen tiempo a difundir para formar la fase β, permaneciendo en ss. (La ss estará sobresaturada, no siendo una estructura de equilibrio). Etapa 3. Envejecimiento La ss sobresaturada se calienta a T < Tsolvus. Se favorece la difusión, se forman precipitados β dispersos en la matriz. Envejecimiento natural a temperatura ambiente o Envejecimiento artificial a T> Tamb. 15  1.4. Endurecimiento por precipitación Típico de aleaciones de aluminio (Al-Cu, Al-Cu-Mg, Al-Mg-Si, Al-Zn-Mg, Al-Li…) aleaciones ligeras (Mg-Al, Mg-Zn, Mg-Nb, Ti-Cu…) Ej. Al-1%Si-1%Mg (6xxx) La precipitación de la fase de equilibrio (β Mg2Si) no es directa. La secuencia de precipitación es: α0 → α1 + zonas G.P. → α2 + β’’ → α3 + β’ → α3 + β 16  1.4. Endurecimiento por precipitación Efecto del envejecimiento en el endurecimiento: Curvas de envejecimiento Tema 5. Materiales metálicos La resistencia máxima corresponde a un tamaño y distribución óptima de los precipitados. Asociada con la formación de uno o varios precipitados metaestables intermedios. Si el envejecimiento continúa, evolución hasta la fase de equilibrio. Menor deformación de red de la matriz y el aumento de la distancia entre precipitados. ↓dureza y resistencia. “sobreenvejecimiento”. 17  1.4. Endurecimiento por precipitación Efecto de la temperatura y del tiempo de envejecimiento Tema 5. Materiales metálicos Resistencia frente a tiempo de envejecimiento una aleación Al-Mg-Si envejecidas a diferentes temperaturas. 18  2. ALEACIONES FERREAS 2. 1. Sistema Fe-C: Aceros Transformación eutectoide: Sólido 1 ⇄ Sólido 2 + Sólido 3 Típica de aceros al carbono (727 ºC): g0,77%C ⇄ a0,0218%C + Fe3C6,67%C Equibrio metaestable Fe-Fe3C Fase α o ferrita a temperatura ambiente con estructura BCC Fase γ o austenita con estructura Tema 5. Materiales metálicos FCC Compuesto intermedio, cementita (Fe3C) Fase δ o ferrita δ a elevadas temperaturas con estructura BCC Los aceros %C tenacidad que martensita) Tema 5. Materiales metálicos Aplicaciones de los aceros martensíticos: usos que requieran altas durezas (corte, abrasión). 32  2.2. Tratamiento térmicos de los aceros DIAGRAMAS DE TRANSFORMACION ISOTÉRMICA (Transformación-tiempo-Tª, T-T-T) Diagrama de transformación isotérmica completo para una aleación Fe-C de composición eutectoide A: austenita B: bainita M: martensita P: perlita Tema 5. Materiales metálicos 33  2.2. Tratamiento térmicos de los aceros DIAGRAMAS DE TRANSFORMACION NO ISOTÉRMICA (Transformación-tiempo-Tª, T-T-T) Recocido: Perlita gruesa Normalizado: Perlita fina Tema 5. Materiales metálicos * Bainita * Temple: Martensita 34  2.2. Tratamiento térmicos de los aceros HOMOGENEIZACIÓN/AUSTENIZACIÓN: Calentamiento a 850 ºC → Austenita (FCC) RECOCIDO Enfriamiento lento (en horno) → perlita gruesa. Poco resistente. NORMALIZADO Enfriamiento más rápido (aire) →perlita fina Mayor resistencia mecánica. TEMPLE Enfriamiento rápido→ Martensita. Elevada dureza y resistencia. Tema 5. Materiales metálicos Total o parcialmente (hasta una cierta profundidad) REVENIDO (Temple+revenido) Variar propiedades mecánicas de acero templado →Martensita Revenida Reducir la dureza y aumentar la ductilidad (250-650ºC) GLOBULIZACIÓN Sobrerevenido. TT a T próxima al T eutéctica (650ºC) t prolongado (12-24h)→ Esferoidita. Baja dureza y resistencia  2.3. Clasificación Aleaciones férras: componente principal es el hierro. Abundancia en la corteza terrestre Fabricación mediante técnicas económicas Gran versatilidad. Múltiples aplicaciones ACEROS FUNDICIONES Tema 5. Materiales metálicos ACEROS AL CARBONO ACEROS BAJA ALEACIÓN ACEROS ALTA ALEACIÓN 36  2.3. Clasificación CLASIFICACION DE LOS ACEROS ACEROS AL CARBONO Cuando los únicos elementos de aleación son: C, Mn, Si , P y S C Mn Si S P < 2% (1%) 5 g/cm3) Cu, Sn, Zn, Pb, Ni, Cr, Co, W… – Metales ligeros (densidad 2-5 g/cm3)  Al y Ti – Metales ultraligeros (densidad < 2 g/cm3)  Mg y Be 55  Aleaciones no férreas Aleaciones no ferrosas  grandes diferencias – Tª de fusión (Tª ambiente para el Ga, 3000ºC para W) – Resistencia mecánica – Densidad – Resistencia mecánica específica Relación Resistencia mecánica-peso (Resistencia/densidad) – Coste Resistencia Resistencia Densidad Coste Metal tracción específica (g/cm3) ($/kg) Tema 5. Materiales metálicos (MPa) (MPa / g/cm3) Aluminio 2.70 575 213 1.32 Berilio 1.85 380 205 660 Cobre 8.93 1035 116 2.40 Plomo 11.36 69 6 0.77 Magnesio 1.74 380 218 3.10 Niquel 8.90 1240 139 9.00 Titanio 4.50 1105 245 12.10 Wolframio 19.25 1035 54 22.00 Zinc 7.13 520 73 1.20 Hierro 7.87 1380 175 0.22  3. ALEACIONES LIGERAS ALEACIONES DE ALUMINIO Muy abundante en la Tierra Aplicaciones: - Embalajes, ej. botes de bebida - Aplicaciones domésticas - Equipos para procesos químicos - Equipos de transmisión de energía eléctrica -Intercambiadores térmicos, Instalaciones de refrigeración - Automoción -Aeronática Tema 5. Materiales metálicos Se suele utilizar cuando las aplicaciones requieren bajo peso (aunque sus propiedades a la tracción son bajas comparadas con el acero, al ser su densidad baja, 2,7g/cm3, su resistencia específica es muy alta) Responde muy bien al endurecimiento por envejecimiento, SS, Acritud. Alta conductividad eléctrica y térmica, no magnético Alta resistencia a la corrosión, formación de capa de Al2O3 Mal comportamiento a alta Tª (↓Tª fusión 660ºC) 57  3.1 Aleaciones de Aluminio Efecto de los mecanismos de endurecimiento Tema 5. Materiales metálicos 58  3.1 Aleaciones de Aluminio Sistema de clasificación Tema 5. Materiales metálicos 59  3.1 Aleaciones de Aluminio Clasificación en función del tratamiento Tema 5. Materiales metálicos 60  3.1 Aleaciones de Aluminio Propiedades mecánicas de las aleaciones de aluminio Tema 5. Materiales metálicos 61  3.1 Aleaciones de Aluminio ALEACIONES DE ALUMINIO A380 B787 Tema 5. Materiales metálicos 62  3.1 Aleaciones de Magnesio ALEACIONES DE MAGNESIO Más ligero que el Al, r = 1,74 g/cm3 Resistencia < que las de Al, pero su resistencia específica es comparable ↓ módulo de elasticidad (45GPa), ↓ resistencia a fatiga, a fluencia y a desgaste Baja respuesta a los mecanismos de endurecimiento (HCP). Susceptibles de envejecer (poco estudiados) Mal comportamiento frente a corrosión. Se forma sobre ellas una película de MgO que puede mejorar la resistencia a la corrosión Tema 5. Materiales metálicos Aplicaciones: aeroespaciales, maquinaria de alta velocidad, equipos de transporte… 63  3.1 Aleaciones de Magnesio Propiedades: Tema 5. Materiales metálicos WE54 5%Y, 4 RE, 0,5Zr 300 MPa (300ºC) 64  3.1 Aleaciones de Titanio ALEACIONES DE TITANIO Excelente resistencia a la corrosión (película de TiO2) Alta resistencia específica Buenas propiedades a alta temperatura Resistencia hasta 1400 MPa y densidad de 4,505 g/cm3 ⇒ excelentes propiedades mecánicas Aplicaciones: equipos de procesamiento químico, componentes marinos, implantes biomédicos, aplicaciones aerospaciales (bastidor aéreo, motor de un turborreactor…) Tema 5. Materiales metálicos Alotrópico: bajas Tª, HCP (a), Tª> 882 ºC BCC (b) Los elementos aleantes le proporcionan endurecimiento por solución sólida y cambian su temperatura de transformación alotrópica: Ti + Ni: aleaciones con memoria de forma Ti + Nb: compuesto intermetálico superconductor Ti + Al: aleaciones intermetálicas 65  3.1 Aleaciones de Titanio ALEACIONES DE TITANIO Porcentaje en peso de Sn Porcentaje en peso de Al Tema 5. Materiales metálicos Sn, Zr: endurecimiento por ss, no varian Tª T alotrópica Al, O, H: a estabilizadores V, Ta, Mo, Nb: b estabilizadores Mn, Cr, Fe: reacción eutectoide Porcentaje en peso de Mo Porcentaje en peso de Mn 66 Tema 5. Materiales metálicos 3.1 Aleaciones de Titanio 67  4. Aleaciones de cobre ALEACIONES DE Cu Más pesadas que el Fe Baja dureza y Resistencia. Excelente ductilidad, resistencia a la corrosión y conductividad térmica y eléctrica Endurecimiento por SS y trabajo en frío. Fácil de soldar y fabricar en formas útiles Aplicaciones: cables, bombas, válvulas, componentes de fontanería, decorativo (se les varía el color aleándolo…) Tema 5. Materiales metálicos Cu con concentración de impurezas < 1%: aplicaciones eléctricas Latón: aleación Cu-Zn, Endurece por solución sólida. Las propiedades mecánicas aumentan al aumentar el contenido en Zn (α < 35%, α + β’ > 35%). Bronce: aleación Cu-Sn (hasta 10%). Bronces + Al + Si ⇒ buen conformado y excelente resistencia y tenacidad, resistencia a corrosión. Cu-Be (1-2,5%). Aleaciones de alta resistencia, resistencia a corrosión, buenas propiedades eléctricas. Rodamiento en tren de aterrizaje 68  5. Aleaciones de níquel y cobalto ALEACIONES DE Ni y Co Excelente resistencia a la corrosión y resistencia a temperaturas elevadas (Termofluencia) Superaleaciones: contienen gran cantidad de elementos de aleación ⇒ alta resistencia a temperaturas elevadas y resistencia a la corrosión. Aplicaciones: turbinas de aeronaves (grandes requisitos de carga y temperatura). Reactores nucleares, industria petroquímica, etc. … Base Ni (T 1000ºC y cargas ), Ni-Fe (T< 800ºC), Co (↓ cargas, resistencia a oxidación). Tema 5. Materiales metálicos Los elementos de aleación deben producir una microestructura resistente y estable aT. Mecanismos de endurecimiento : - Precipitación de g´ (Ni3Al o Ni3Ti) - Solución sólida (Cr, Al, Mo, W, Co, Fe, Ti, Al), - Dispersión de carburos (TiC, BC, ZrC, TaC, Cr7C3, Cr23C6, Mo6C, W6C) 69  5. Aleaciones de níquel y cobalto ALEACIONES DE Ni y Co Tema 5. Materiales metálicos 70  6. Otros materiales metálicos W, Mo, Ta, Nb, temperaturas de fusión excepcionalmente altas (>1925 ºC) ⇒ buenos para servir a altas temperaturas -Tienen alta densidad ⇒ ↓resistencia específica - Aplicaciones: filamentos para iluminación, toberas para cohetes, generadores de energía nuclear, condensadores eléctricos, equipos para procesos químicos. Plomo. - ↑Densidad (11,3 g/cm3), ↓Resistencia mecánica, ↑Maleabilidad,- ↓Punto fusión Aplicaciones: acumuladores eléctricos (baterías), Aleaciones: Pb-Sn y Pb-Sb que forman eutécticos → soldadura Estaño: ↑Densidad (7,29 g/cm3), - ↑Resistencia a la corrosión, ↓Punto fusión Tema 5. Materiales metálicos Aplicaciones: recubrimiento para otros metales (acero contra corrosión, hojalata), Aleaciones de bajo punto de fusión → soldadura Zinc: ↓Resistencia mecánica, ↓Resistencia a la corrosión Aplicaciones: recubrimiento del acero, galvanizado Aleaciones: Zn-(4-5%)Al, fácil de fundir y barato: piezas de coche, candados Metales preciosos: Ag, Au, Pt, Ir, Pa, Os, … Au-Ag: electrónica Pt: crisoles, termopares, electrodos Ro: alta resistencia a la corrosión → aleante de Ag y W 71  7. Procesado de Metales La fabricación consiste en la transformación de materiales para ser incorporados en productos útiles. La idoneidad de un material para una determinada aplicación suele venir de la mano de la capacidad de fabricación que se tenga y de las propiedades finales que se obtengan. Tema 5. Materiales metálicos Técnicas de fabricación/procesado de metales. 72  7.1 Moldeo Moldeo Consiste en verter un metal completamente fundido en la cavidad de un molde que tiene la forma prevista. Se usa cuando la geometría es excesivamente compleja, cuando el conformado no es posible o simplemente por motivos económicos. Tema 5. Materiales metálicos ▪ a) molde abierto, simplemente un recipiente con la forma de la parte de fundición. Y b) molde cerrado ▪ De diversos materiales: arena, yeso, cerámica y metal. ▪ Dos tipos: moldes desechables (arena, yeso..) y moldes permanentes (metal, cerámico..) Aspectos a considerar: Contracción (necesidad o no de mazarota y su diseño), Retirada del aire y vapores. Vaciado del metal fundido, Solidificación. Retirada de la pieza 73  7.1 Moldeo Moldeo en arena: Se emplea arena ordinaria como molde. Se incorpora un sistema de mazarotas, pensado para asegurar el flujo en el moldeo y minimizar defectos. - Enfriamiento lento. - Puede alcanzar elevadas temperaturas - Molde barato - Inconvenientes: Mal acabado superficial Grandes bloques y cilindros de automóviles. Moldeo a la cera/espuma perdida: Se construye el modelo en cera o espuma y se recubre con arena o cerámico. Se Tema 5. Materiales metálicos calienta el molde, fundiéndose la cera se rellena con el metal. En el caso de la espuma, el metal fundido directamente la vaporiza. Alto acabado superficial. Proceso con poliestireno expandido 74 Fundición a la cera perdida  7.1 Moldeo Moldeo en coquilla: Se introduce el metal en estado líquido (por gravedad) en molde metálico permanente. Altas velocidad de enfriamiento. Piezas pequeñas y de bajo punto de fusión como Al o Mg. Moldeo por inyección a alta presión o fundición en dados (Die casting): Se Tema 5. Materiales metálicos inyecta el metal en estado líquido a presión en molde metálico permanente. Altas velocidad de proceso. Piezas complejas. Bajo punto de fusión 75  7.2 Hechurado o deformación Cambian la forma del metal por deformación plástica. Esa deformación se produce por la aplicación de una tensión externa superior al límite elástico. Si se produce a temperaturas superiores a la de recristalización se llama hechurado en caliente (oxidación), si no, se llama hechurado en frío. T< 0,3 Tf Tema 5. Materiales metálicos T > 0,5 Tf 76  7.2 Hechurado o deformación Métodos de trabajado volumétricos Forja: Deformación plástica generalmente en caliente. En matriz cerrada o abierta, golpes o Presión continua Llaves para tuercas, cigüeñales o pistones de automóviles. Laminación: Más empleado. Consiste en hacer pasar entre dos rodillos una pieza metálica reduciendo su espesor. Útil para láminas o films de buen acabado superficial. Tema 5. Materiales metálicos Extrusión: Se fuerza el paso de una barra metálica a través de un orificio mediante una fuerza de compresión que se aplica con un émbolo. Sección constante. Varillas, tubos con geometrías complejas, etc. Trefilado: Consiste en pasar una varilla o alambre a través de una matriz cónica, por medio de una fuerza de tracción. Reducción de sección y alargamiento. Tubos y 77 alambres.  7.2 Hechurado o deformación Métodos de trabajado de láminas (frío) Embutición: Tema 5. Materiales metálicos Doblado: 78  7.3 Pulvimetarlurgia Pulvimetalurgia La fabricación de objetos sólidos a partir de polvos, sin pasar por la fase líquida, ha sido usa: - Alto punto de fusión (tungsteno, molibdeno), o gran diferencia entre los puntos de fusión de los elementos de aleación. - Fácil contaminación del metal fundido por la atmósfera o por el crisol o material del molde. - Obtención de un tamaño de grano demasiado grande y/o estructuras segregadas durante la solidificación que dificulta la laminación o extrusión posterior del Tema 5. Materiales metálicos material. Estructuras de grano fino, homogénea composicionalmente, sin textura. 79  7.3 Pulvimetarlurgía Las etapas del proceso pulvimetalúrgico son: 1 Producción de polvo/mezcla molienda/granulado Tema 5. Materiales metálicos 3 Sinterizado de las piezas. Tratamiento Térmico para producir una pieza densa. 0,65-0,9 Tf 2 Conformado de las piezas (compactación prensado) pieza en verde - Unidireccional - Isostático 80