Propiedades mecanicas

METALES

Se definen como metales, las sustancias que poseen las siguientes propiedades:

• Buena conductividad térmica y eléctrica

• Molécula monoatómica

• Brillo característico llamado metálico

• Muy poco reactivo con el hidrógeno

• Se combina con el oxígeno para formar los óxidos

• Son dúctiles o deformables

• Son sólidos a temperatura normal excepto el mercurio que es líquido.

De acuerdo con su peso específico ( Pe), pueden ser metales pesados (Pe >4) o metales ligeros ( Pe < 4).

Los metales ligeros tienen gran afinidad por el oxígeno y muchos de ellos descomponen el agua a temperatura normal por reaccionar con el oxígeno.

Los metales pesados son más resistentes a la oxidación; los metales nobles como el oro, plata y el platino no se oxidan aún en caliente.

La mayor parte de los metales se obtienen por extracción de los minerales que los contienen como óxidos, sulfuros, carbonatos y silicatos

Los metales están constituidos por un agregado compacto de cristales (estructura cristalina) que se forma durante la solidificación.

En la estructura cristalina de los metales, los átomos toman posiciones regulares recurrentes en tres dimensiones, determinadas por el número de átomos y su posición en la retícula cristalina, visualizadas como celdas unitarias que constituyen el agrupamiento geométrico básico de los átomos que se repiten indefinidamente.

Las aleaciones de ingeniería pueden dividirse en dos tipos: ferrosas y no ferrosas. La aleaciones ferrosas tienen al hierro como su principal metal de aleación, mientras que las aleaciones no ferrosas tienen un metal distinto del hierro. Los aceros que son aleaciones ferrosas, son las más importantes principalmente por su costo relativamente bajo y la variedad de aplicaciones por sus propiedades mecánicas. Las propiedades mecánicas de los aceros al carbono pueden variar considerablemente por trabajo en frío y recocido. Cuando el contenido de carbono de los aceros se incrementa por encima de 0.3% , pueden ser tratados térmicamente por temple y revenido para conseguir resistencia con una razonable ductilidad. Los elementos de aleación tales como el níquel, cromo y molibdeno se añaden a los aceros al carbono para producir aceros de baja aleación. Los aceros de baja aleación presentan buena combinación de alta resistencia y tenacidad, y son de aplicación común en la industria de automóviles para usos como engranajes y ejes.

Las aleaciones de aluminio son las más importantes entre las no ferrosas principalmente por su ligereza, endurecibilidad por deformación, resistencia a la corrosión y su precio relativamente bajo. El cobre no aleado se usa en abundancia por su conductividad eléctrica, resistencia a la corrosión, buen procesado y costo relativamente bajo, el cobre se alea con el cinc para formar unas serie de latones que tienen mayor resistencia que el cobre sin alear.

Los aceros inoxidables son las aleaciones ferrosas más importantes a causa de su alta resistencia a la corrosión en medios oxidantes, para ser un acero inoxidable debe contener al menos 12% de cromo.

Los hierros para fundición son otra familia industrialmente importante de las aleaciones ferrosas. Son de bajo costo y tienen propiedades especiales tales como un buena moldeabilidad, resistencia a la corrosión, al choque térmico, al desgaste y durabilidad. La fundición gris tiene un alta maquinabilidad y capacidad de amortiguamiento de vibraciones, debido a las hojuelas de grafito en su estructura.

Otras aleaciones no ferrosas son las de magnesio, titanio y níquel . Las de magnesio son excepcionalmente ligeras y tienen aplicaciones aeroespaciales.

Las aleaciones de titanio son caras, pero tienen una combinación de resistencia y ligereza que no es asequible para cualquier otro sistema de aleación y por esta razón se usan ampliamente en las piezas estructurales de los aviones. Las aleaciones de níquel presentan una gran resistencia a la corrosión y oxidación y son por tanto son usadas comunmente en los procesos industriales químicos y de petróleos. Con la mezcla de níquel, cobalto y cromo se forma la base para las superaleaciones de níquel, necesarias para las turbinas de gas de aviones de propulsión a chorro y algunas baterías eléctricas.

ALEACIONES METALICAS

Las aleaciones metálicas están formadas por un agregado cristalino de dos o más metales o de metales con metaloides.

Las aleaciones se obtienen fundiendo los diversos metales en un mismo crisol y dejando luego solidificar la solución líquida formando una estructura granular cristalina apreciable a simple vista o con el microscopio óptico.

La estructura queda conformada por diferentes microconstituyentes o fases como son:

-Cristales simples o de componentes puros, cristalizados separadamente donde cada cristal contiene un solo componente. En este caso la aleación llamada eutéctica es una mezcla íntima de cristales formada cada uno de ellos de un solo componente puro. Estas aleaciones son de poca aplicación práctica debido a sus bajas propiedades mecánicas.

Por su baja temperatura de fusión, se emplean casi exclusivamente para la soldadura dulce. El ejemplo típico lo constituye la aleación plomo estaño empleada en la soldadura de láminas de cinc, cobre y latón.

-Cristales de elementos compuestos. Estos cristales están formados por compuestos químicos de los componentes donde no es posible distinguir separadamente los componentes originales como en el carburo de hierro que le aporta dureza a los aceros que lo contienen.

-Cristales de solución sólida. Llamada así por semejanza con las soluciones líquidas. Están formados por una solución sólida de los componentes puros o por uno de ellos y un compuesto químico de ambos. Se forman debido a la solubilidad de los componentes en el estado sólido.

Cuando los cristales de solución sólida se forman con enfriamiento muy lento, tienen estructuras muy homogéneas y de buenas propiedades mecánicas para emplearlos en la construcción de partes de máquinas.

Las propiedades de las aleaciones dependen de su composición y del tamaño, forma y distribución de sus fases o microconstituyentes. La adición de un componente aunque sea en muy pequeñas proporciones, incluso menos de 1% pueden modificar intensamente las propiedades de dicha aleación.

En comparación con los metales puros, las aleaciones presentan algunas ventajas:

• Mayor dureza y resistencia a la tracción.

• Menor temperatura de fusión por lo menos de uno de sus componentes.

Pero son menores la ductilidad, la tenacidad y la conductividad térmica y eléctrica.

Para la preparación de las aleaciones se emplean diferentes tipos de hornos:

• Hornos de crisol

• Hornos eléctricos de arco o inducción

• Hornos de reverbero

RESUMEN

Los diagramas de fases son representaciones gráficas de las fases que están presentes en un sistema de aleación a diversas temperaturas, presiones y composiciones. Estos diagramas indican las fases que están presentes a diferentes composiciones y temperaturas para condiciones de enfriamiento o calentamiento lento, cercanas al equilibrio termodinámico. En las regiones bifásicas de estos diagramas, las composiciones químicas de cada una de las fases se indica mediante la intersección de la isoterma con los límites de fase. La fracción en peso de cada fase en una región bifásica puede determinarse utilizando la regla de la palanca a lo largo de una isoterma a una temperatura determinada.

En los diagramas de fase isomorfos binarios en equilibrio, los dos componentes son completamente solubles entre sí en estado sólido y por tanto solo hay una fase sólida.

Diagrama de equilibrio de fases isomorfo o de solubilidad total

En los diagramas de fase binarios en equilibrio de aleaciones se producen frecuentemente reacciones invariantes que involucran tres fases en equilibrio. Las reacciones más comunes de tres fases son:

L = S1 + S2 (eutéctica)

L + S1 = S2 (peritéctica)

S1 = S2 + S3 (eutectoide)

S1 + S2 = S3 (peritectoide)

L1 = L2 + S1 (monotéctica)

L1 líquido 1, L2 líquido 2, S1 sólido 1, S2 sólido 2, S3 sólido 3, L líquido.

Diagrama de solubilidad parcial con punto eutéctico

En muchos diagramas de fases binarios en equilibrio se encuentran fases que pueden ser metales puros, soluciones sólidas o compuestos intermedios. Las fases intermedias pueden ser de composición fija (estequiométricas) o abarcar un rango de composiciones (no estequiométricas).

Durante la solidificación rápida de muchas aleaciones, se crean gradientes de composición y se producen estructuras segregadas. Una estructura segregada puede suprimirse por homogenización de la aleación fundida durante largo tiempo y a la temperatura, justo por debajo del punto de fusión de la fase que funde a menor temperatura. Si se recalienta ligeramente la aleación fundida de tal modo que la fusión tenga lugar an los bordes de grano se produce una estructura licuada. Este tipo de estructura es indeseable por que la aleación pierde resistencia y puede que se rompa durante trabajos posteriores.

PROPIEDADES

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Las propiedades de los metales se clasifican en físicas, mecánicas y tecnológicas.

Las propiedades físicas dependen del tipo de aleación y las más importantes

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