temas 24-26 - Universidad Nebrija

“TEMAS 24-26”
Enero 2006
Belén Molina Sánchez
UNIVERSIDAD ANTONIO DE NEBRIJA
ASIGNATURA: MATERIALES I
1
ALEACIONES FERREAS. ACEROS Y FUNDICIONES
• Los aceros son aleaciones de hierro y carbono que pueden contener
concentraciones apreciables de otros elementos de aleación.
• Las propiedades mecánicas de los aceros son sensibles al contenido
de carbono.
• Los aceros se designan según normas EN. En dichas normas se
consideran dos tipos de designaciones:
• Designación simbólica: según norma EN 10027, que establece las
reglas para la designación simbólica de los aceros mediante símbolos
numéricos y letras que expresan ciertas características básicas, como
mecánicas, químicas, físicas, de aplicación..
•Grupo 1: aceros definidos por su aplicación o por sus características
físicas o mecánicas.
•Grupo 2: aceros definidos en función de su composición química.
•Designación numérica: sistema más adecuado para el tratamiento de
datos. Cada número corresponde a un solo tipo y grado de acero. Según
la norma EN 10027-2:1992 la estructura de los números de los aceros es:
•1: número del grupo de material (1=acero)
•XX: número del grupo de acero
•XX: número de orden
UNIVERSIDAD ANTONIO DE NEBRIJA
ASIGNATURA: MATERIALES I
2
ALEACIONES FERREAS. ACEROS Y FUNDICIONES
• Aceros definidos por su aplicación o por sus características
físicas o mecánicas:
• S = aceros para construcción metálica (norma EN 10025)
• P = aceros para recipientes a presión
• L = aceros para tuberías
• E = aceros para construcción mecánica
• La designación incluirá uno de los símbolos anteriores seguido
del valor mínimo garantizado del límite elástico (σe) en N/mm2
para el menor intervalo de espesor.
• B = aceros para hormigón armado, seguido de σe
• Y = aceros para pretensado, seguido del σm (valor mínimo para la carga de
rotura)
• R = aceros para o con forma de carriles, seguido de σm
• H = productos planos laminados en frío de acero de alta resistencia, seguido del
σe
• D = productos planos para la deformación en frío
• T = productos para embalajes
• M = aceros para aplicaciones eléctricas
• Ejemplo: acero para recipientes a presión con un σe de 435
N/mm2: P435.
• Ejemplo: acero para construcción metálica con un σe de 375
N/mm2: S375.
UNIVERSIDAD ANTONIO DE NEBRIJA
ASIGNATURA: MATERIALES I
3
ALEACIONES FERREAS. ACEROS Y FUNDICIONES
• Aceros definidos por su composición química:
• 1) Aceros no aleados con un contenido en manganeso inferior
al 1%. Designación:
• La letra C
• Un número que indica el céntuplo del contenido medio en carbono expresado en
tanto por ciento.
Ejemplo:
C Mn
0,35 0,7
Si
P
S
0,2 0,03 0,03
Designación: C35
• 2) Aceros no aleados con contenido en manganeso igual o
superior al 1% y aceros aleados en los cuales el contenido en
peso de cada elemento de aleación es inferior al 5%.
Designación:
• Un número que indica el céntuplo del contenido medio de carbono, expresado en
tanto por ciento.
• Los símbolos de elementos químicos que caracterizan al acero. Estos elementos
se citarán en orden decreciente de su contenido. Si para varios elementos se
especifica el mismo contenido se ordenarán por orden alfabético.
• Los números que indican los contenidos de los elementos de aleación. Cada
número representa el contenido medio del elemento multiplicado por el factor
indicado en la tabla siguiente y redondeado a la unidad más próxima. Los números
que corresponden a cada elemento se separarán por un guión.
UNIVERSIDAD ANTONIO DE NEBRIJA
ASIGNATURA: MATERIALES I
4
ALEACIONES FERREAS. ACEROS Y FUNDICIONES
• Aceros definidos por su composición química:
Tabla 1
Elemento
Co, Cr, Mn, Ni, Si, W
Al, Be, Cu, Mo, Nb, Pb, Ta, Ti, V,
N, P, S, Ce
B
Factor
4
10
100
1000
Ejemplo:
C
0,35
Mn
0,7
Si
0,2
P
0,03
Designación:
UNIVERSIDAD ANTONIO DE NEBRIJA
S
0,03
Cr
2
Mo
1
35CrMo8-10
ASIGNATURA: MATERIALES I
5
ALEACIONES FERREAS. ACEROS Y FUNDICIONES
• Aceros definidos por su composición química:
• 3) Aceros aleados en los que el contenido en peso de algún
elemento de aleación es igual o superior al 5%.
• La letra X para aceros aleados.
• Un número que indica el céntuplo del contenido medio en carbono, expresado en
tanto por ciento.
• Símbolos de los elementos químicos que caracterizan al acero. Estos elementos
se citarán en orden decreciente de su contenido. Si para varios elementos se
especifica el mismo contenido, se ordenarán por orden alfabético.
• Los números que indican los contenidos de los elementos de aleación. Cada
número representa, respectivamente, el contenido medio del elemento
correspondiente redondeado a la unidad más próxima. Los número que
corresponden a cada elemento se separarán por un guión.
Ejemplo:
C Mn
0,12 2
Si
1
P
S
0,03 0,03
Designación:
UNIVERSIDAD ANTONIO DE NEBRIJA
Cr
17
Ni
7
X12CrNi17-7
ASIGNATURA: MATERIALES I
6
ALEACIONES FERREAS. ACEROS Y FUNDICIONES
• Aceros definidos por su composición química:
• 4) Aceros rápidos:
• Las letras HS
• Los números que indican los contenidos en tanto por ciento en el orden que se
indica a continuación: W - Mo - V - Co, redondeados a la unidad más próxima de
sus correspondientes elementos.
Ejemplo:
C Mn Si
P
S
Cr
0,30 0,40 0,5 0,025 0,025 2,5
Designación:
UNIVERSIDAD ANTONIO DE NEBRIJA
W
9
V
1
HS 9-0-1
ASIGNATURA: MATERIALES I
7
ALEACIONES FERREAS. ACEROS Y FUNDICIONES
• Aceros al carbono: aceros que tienen como únicos elementos de
aleación carbono, manganeso, silicio y trazas de fósforo y azufre.
C
< 2%
Mn
<1%
• 1) Aceros de bajo carbono:
Si
< 0,8%
S
<0,09%
P
<0,09%
• La mayor parte del acero fabricado es bajo en carbono
• Contiene menos del 0.25% de carbono
• No responde al tratamiento térmico para formar martensita
• Su microestructura consiste en ferrita y perlita
• Es endurecible por acritud
• Aceros blandos y poco resistentes, pero de alta ductilidad y tenacidad
• Fácilmente mecanizables y soldables
• Bajo coste
• Se usan para fabricar carrocerías de automóviles, vigas y planchas para tubería,
edificios, puentes y recipientes
• 2) Aceros de medio carbono:
• Con concentraciones de carbono entre 0.25 y 0.6.
• Pueden ser tratados térmicamente por austenizado, templado y revenido.
Normalmente se usan en estado revenido.
• Tienen mayor resistencia que los aceros de bajo carbono, pero sacrificando
ductilidad y tenacidad.
• Se utilizan en aplicaciones que requieren la combinación de elevada resistencia,
resistencia al desgaste y tenacidad, como ejes y engranajes
UNIVERSIDAD ANTONIO DE NEBRIJA
ASIGNATURA: MATERIALES I
8
ALEACIONES FERREAS. ACEROS Y FUNDICIONES
• 3) Aceros de alto carbono:
• Tienen concentraciones de carbono entre 0.6 y 1.4
• Son los aceros más duros, más resistentes y menos dúctiles de los aceros al
carbono.
• Se suelen utilizar en estado revenido
• Tienen una resistencia al desgaste alta
• Los aceros al carbono se pueden utilizar si la resistencia y
otros requerimientos mecánicos no son demasiado severos.
• Tienen un bajo coste, pero tienen las siguientes limitaciones:
• No se pueden reforzar más allá de los 690 MPa sin que se produzca una pérdida
sustancial de ductilidad y resistencia al impacto.
• Los productos de gran sección y poco espesor no se pueden realizar con
estructura martensítica en toda la extensión de la pieza. No son totalmente
endurecibles.
• Tienen poca resistencia a la corrosión y oxidación.
• Poseen poca resistencia al impacto a bajas temperaturas.
UNIVERSIDAD ANTONIO DE NEBRIJA
ASIGNATURA: MATERIALES I
9
ALEACIONES FERREAS. ACEROS Y FUNDICIONES
• Aceros aleados: para superar las deficiencias de los aceros al
carbono se desarrollaron los aceros aleados, que según los
tipos de aleantes pueden mejorar enormemente sus propiedades
• Principales aleantes: Mn, Ni, Cr, Mo y W
• Otros aleantes: V, Co, B, Cu, Al, Pb, Ti y Nb
• Los aceros aleados son más caros que los aceros al carbono, pero
para algunas aplicaciones son lo únicos materiales que pueden
satisfacer los requerimientos.
• 1) Aceros de alto límite elástico:
• 1.1) Aceros al C-Mn
• Con un contenido en Mn entre el 1 y el 3%
• Aumenta el límite elástico y la resistencia sin perder mucha ductilidad
• Aceros de grano fino
• Empleado en ejes, engranajes...
• 1.2) Aceros microaleados. Aceros HSLA
• Aceros con pequeñas adiciones de elementos Al < 0.1%, Ti, V, Nb < 0.7%, B <
0.006% y Cu
•1.3) Aceros para temple y revenido (bonificados)
• Con aleantes tipo Cr, Ni, Mo, V y Mn
• Tienen una alta templabilidad
• Utilizados en recipientes a presión, ejes de automóviles, engranajes, pernos...
UNIVERSIDAD ANTONIO DE NEBRIJA
ASIGNATURA: MATERIALES I
10
ALEACIONES FERREAS. ACEROS Y FUNDICIONES
• 1.4) Aceros de fácil mecanización
• Contenidos entre el 0.1 y el 0.3% de S o con un 0.2% de Pb.
• El azufre reacciona con el manganeso dando sulfuros de manganeso.
• El plomo al ser insoluble permanece en forma de pequeñas partículas
• 1.5) Aceros al molibdeno (0.5 - 5%)
• Para trabajos a elevadas temperaturas
• Evita el creep y la grafitación
• 1.6) Aceros al silicio (1 - 4.5%)
• Utilizados en la industria eléctrica
• Alta permeabilidad magnética
• 2) Aceros fuertemente aleados: aceros que tienen más del 5%
de cualquier elemento de aleación
• 2.1) Aceros al níquel (3 - 9%)
• Alta tenacidad a bajas temperaturas hasta -180 ºC (usos criogénicos)
• 2.2) Aceros Maraging
• Alta tenacidad y resistencia mecánica
• Contenidos 18 % - 25%. Adiciones de V, Mo, Ti, etc.
UNIVERSIDAD ANTONIO DE NEBRIJA
ASIGNATURA: MATERIALES I
11
ALEACIONES FERREAS. ACEROS Y FUNDICIONES
• 2.3) Aceros inoxidables
• Aceros resistentes a la corrosión en muchos ambientes, especialmente a la
corrosión atmosférica.
• El cromo es el principal elemento de aleación, en una concentración mínima del
12%.
• La resistencia a la corrosión aumenta con adiciones de níquel y molibdeno.
• Estas adiciones de elementos de aleación en cantidades elevadas producen
cambios notables en el diagrama Fe-C
• Se clasifican en:
• Martensíticos
• Austeníticos
• Ferríticos
• Dúplex
• Endurecibles por precipitación
• Los aceros inoxidables austeníticos y ferríticos sólo pueden endurecerse por
trabajo en frío
• Los aceros inoxidables austeníticos son los que tienen mayor resistencia a la
corrosión debido a su contenido elevado de cromo
• Los aceros inoxidables martensíticos y ferríticos son magnéticos.
• Los aceros austeníticos son no magnéticos
UNIVERSIDAD ANTONIO DE NEBRIJA
ASIGNATURA: MATERIALES I
12
ALEACIONES FERREAS. ACEROS Y FUNDICIONES
• 2.3.1) Aceros inoxidables martensíticos
• Contenidos del 12-18% Cr y 0.1-1% C
• Magnéticos
• Se trabajan bien en frío y caliente
• Buena resistencia a la corrosión
• Endurecibles por tratamiento térmico
•2.3.2) Aceros inoxidables austeníticos
• Contenidos del 16-20% Cr y 7-13% Ni
• No magnéticos
• Buen comportamiento a bajas temperaturas
• Muy tenaces
• No endurecibles por tratamiento térmico
• Muy buena resistencia a la corrosión
• 2.3.3) Aceros inoxidables ferríticos
• Contenidos del 11-30% Cr y % C < 0.1
• Magnéticos
• No se suelen endurecer por trabajo en frío
• Buena resistencia a la corrosión
• No endurecibles por tratamiento térmico
UNIVERSIDAD ANTONIO DE NEBRIJA
ASIGNATURA: MATERIALES I
13
ALEACIONES FERREAS. ACEROS Y FUNDICIONES
• 2.3.4) Aceros inoxidables dúplex
• Altos contenidos en Cr (20-30%) y bajo en níquel (5-8%)
• Bajos contenidos en carbono < 0.03%
• Presentan una estructura bifásica de ferrita y austenita
• Características mecánicas superiores a los austeníticos
• Buena resistencia a la corrosión bajo tensión y a la corrosión por picaduras
•2.3.5) Aceros inoxidables endurecidos por precipitación
• Contenidos de cromo 14-18% y Ni 3-29%
• Martensíticos, austeníticos y semiausteníticos
• Excelente resistencia mecánica hasta 1700 MPa
• Moderada resistencia a la corrosión
•2.4) Aceros Hadfield (al manganeso)
• Contenido de 1-1.4% en C y alrededor 12% en Mn
• Estructura austenítica
• Usos en condiciones de funcionamiento muy severas por sus excelentes
propiedades mecánicas y plásticas
• Alta resistencia al desgaste y a la corrosión
• Endurecible por deformación sin agrietarse
• Muy dúctil y tenaz
UNIVERSIDAD ANTONIO DE NEBRIJA
ASIGNATURA: MATERIALES I
14
ALEACIONES FERREAS. ACEROS Y FUNDICIONES
• 2.5) Aceros rápidos
• Contienen elementos que les confieren unas características adecuadas para su
uso:
•El Mo da resistencia
•El W tiende a formar carburos que elevan la dureza y la resistencia
•El V afina el grano
•El Co le confiere propiedades magnéticas
• Existen dos clasificaciones de aceros rápidos: aceros rápidos al molibdeno (M) y
aceros rápidos al tungsteno (T).
• Los aceros tipo M tienen altos contenidos en carbono, con el molibdeno como
aleante principal. Otros elementos de aleación son el cromo, cobalto, vanadio,
tungsteno... Pueden alcanzar elevadas durezas mediante tratamiento térmico y
mantienen estas características incluso a altas temperaturas.
• Los aceros tipo T tienen también altos contenidos en carbono y cantidades
variables de cromo, cobalto y vanadio. Son menos tenaces pero más resistentes a
la temperatura. Presentan una resistencia al desgaste ligeramente mayor que los
aceros M.
Denominación
AISI
T1
T4
T5
T6
T8
T15
Aceros T
Composición porcentual
C
0.73
0.75
0.8
0.8
0.8
1.55
UNIVERSIDAD ANTONIO DE NEBRIJA
Si
0.33
0.33
0.33
0.33
0.33
0.28
Cr
4.13
4.13
4.38
4.38
4.13
4.38
V
1.1
1.0
2.1
1.8
2.1
4.88
W
18.0
18.25
18.25
19.75
14.0
12.38
Mo
…
0.7
0.88
0.7
0.7
1.0
Co
…
5.0
8.25
12.0
5.0
5.0
ASIGNATURA: MATERIALES I
15
ALEACIONES FERREAS. ACEROS Y FUNDICIONES
• 2.5) Aceros rápidos
Denominación
AISI
M1
M2 medio C
M2 alto C
M3 clase1
M3 clase1
M4
M6
M7
M10 medio C
M10 alto C
M15
M30
M33
M34
M35
M36
M41
M42
M46
M48
M50
M52
M62
Aceros M
Composición porcentual
C
0.83
0.83
1.00
1.05
1.2
1.33
0.8
1.01
0.89
1.0
1.5
0.8
0.89
0.89
0.8
0.85
1.1
1.1
1.26
1.5
0.8
0.9
1.3
UNIVERSIDAD ANTONIO DE NEBRIJA
Si
0.35
0.33
0.33
0.33
0.33
0.33
0.33
0.38
0.33
0.33
0.33
0.33
0.33
0.33
0.33
0.33
0.33
0.4
0.53
0.33
0.4
0.4
0.28
Cr
3.75
4.13
4.13
4.13
4.13
4.25
4.13
3.75
4.13
4.13
4.0
4.0
3.75
3.75
4.0
4.13
4.13
3.88
3.95
3.88
4.13
4.0
3.88
V
1.18
1.98
1.98
2.5
3.0
4.13
1.5
2.0
2.0
2.0
5.0
1.25
1.18
2.1
2.0
2.0
2.0
1.15
3.15
3.0
1.0
1.93
2.0
W
1.75
6.13
6.13
5.88
5.88
5.88
4.25
1.75
…
…
6.5
2.0
1.7
1.75
6.0
6.0
6.63
1.5
2.05
10.
…
1.25
6.25
Mo
8.7
5.0
5.0
5.63
5.63
4.88
5.0
8.7
8.13
8.13
3.5
8.0
9.5
8.48
5.0
5.0
3.75
9.5
8.25
5.13
4.25
4.45
10.5
Co
…
…
…
…
…
…
12.0
…
…
…
5.0
5.0
8.25
8.25
5.0
8.25
8.25
8.25
8.3
9.0
…
…
…
ASIGNATURA: MATERIALES I
16
ALEACIONES FERREAS. ACEROS Y FUNDICIONES
• Las fundiciones son aleaciones férreas con contenido en carbono mayor del
2% y menor del 6.67%. La mayoría de las fundiciones posee entre 3 y 4.5%
de C.
• La cementita se descompone, bajo ciertas condiciones, en ferrita y grafito.
• La mayoría de los hierros fundidos poseen grafito en su microestructura.
• La formación de grafito depende de la composición, la rapidez de
enfriamiento y la presencia de silicio en concentraciones mayores al 1%. En
general las fundiciones son aleaciones de Fe-C-Si.
• En este rango de carbono, estas aleaciones pasan al estado líquido entre
1150 y 1300 ºC. Estas temperaturas son más bajas que las de los aceros.
Por esta razón se utilizan en procesos de fundición.
• En la solidificación presentan mucha menor contracción que los aceros, con
lo que se pueden obtener piezas con gran precisión de formas y medidas.
• La mayoría de estas aleaciones son frágiles y el moldeo es la mejor técnica
de fabricación.
• Las fundiciones tienen peor resistencia a la tracción que los aceros y son
más frágiles (por el grafito), pero tienen unas excelentes propiedades en
cuanto a resistencia a compresión, resistencia al desgaste, buena respuesta
a la fricción y a las vibraciones y facilidad de mecanizado.
•Sus propiedades son baja viscosidad en estado líquido, baja contracción,
baja resistencia al impacto, baja tenacidad y ductilidad y bajo coste.
• Las fundiciones más comunes son gris, nodular, blanca y maleable.
UNIVERSIDAD ANTONIO DE NEBRIJA
ASIGNATURA: MATERIALES I
17
ALEACIONES FERREAS. ACEROS Y FUNDICIONES
• Las fundiciones se pueden clasificar según la composición en:
• Hipoeutécticas (%C < 4.3)
• Eutécticas (%C = 4.3)
• Hipereutécticas (%C > 4.3)
•Las fundiciones se pueden clasificar también según su estructura:
• Fundición blanca: está formada sólo por ferrita y cementita. Se forma en
fundiciones con bajos contenidos en silicio y grandes velocidades de
enfriamiento. Por la gran cantidad de cementita es extremadamente dura y
frágil, hasta el punto de ser inmecanizable. Se usa para componentes de gran
dureza y resistencia al desgaste sin ductilidad (ej: rodillos de laminación). Su
nombre se debe a que al fracturarse producen una superficie cristalina
brillante o blanca.
< 4,3 %
UNIVERSIDAD ANTONIO DE NEBRIJA
4,3 %
> 4,3 %
ASIGNATURA: MATERIALES I
18
ALEACIONES FERREAS. ACEROS Y FUNDICIONES
• Fundición gris: aparece grafito en cualquiera de sus formas.
• Fundición gris laminar: el grafito aparece en forma de láminas en una matriz de ferrita o
perlita. Su resistencia mecánica no es buena porque las láminas actúan como grietas,
siendo la tensión mayor en estas zonas. Sin embargo presentan una excelente capacidad
de amortiguación de vibraciones. Se usa para carcasas, bancadas de maquinaria...
• Fundición maleable o nodular: calentando la función blanca entre 800 y 900 ºC durante
prolongados tiempos en atmósfera inerte, la cementita se descompone en grafito en forma
de racimos o resetas dentro de una matriz ferrítica o perlítica. Tienen una resistencia
elevada y una ductilidad apreciable. Se usa en engranajes de transmisión y cajas de
diferencial para la industria automovilística.
UNIVERSIDAD ANTONIO DE NEBRIJA
ASIGNATURA: MATERIALES I
19
ALEACIONES FERREAS. ACEROS Y FUNDICIONES
• Fundición gris: aparece grafito en cualquiera de sus formas.
• Fundición gris dúctil o esferoidal: adiciones de pequeñas cantidades de Mg en estado
líquido producen distintas microestructuras en las que el grafito forma esferoides, que
originan distintas propiedades mecánicas. La matriz que rodea al grafito puede ser
ferrítica, perlítica o ferrítico-perlítica, dependiendo del tratamiento térmico. Es más
resistente y más dúctil. Tiene propiedades mecánicas parecidas a las del acero. Se usa en
válvulas, cuerpos de bombas, cigüeñales, pistones...
• Fundición atruchada: intermedia entre las anteriores.
UNIVERSIDAD ANTONIO DE NEBRIJA
ASIGNATURA: MATERIALES I
20
ALEACIONES NO FERREAS. ALEACIONES LIGERAS
• Aleaciones de aluminio:
• Es el metal más extendido y el tercer elemento más abundante de la corteza
terrestre. No se encuentra en estado puro, pero abunda como constituyente de
numerosos minerales y rocas (bauxita, criolita, arcillas, feldespatos...).
• El aluminio cristaliza en el sistema cúbico centrado en las caras (a = 0.4049 nm).
• Las principales características del aluminio puro (>99%) son:
•
•
•
•
•
•
•
•
Densidad:
2.700 kg/m3 a 20º C.
Calor específico:
0,2241 cal/g a 100º C.
Punto de fusión:
660º C.
Punto de ebullición:
2.476 ± 50º C
Coeficiente de dilatación térmica: 23,10 -6 K -1
Conductividad eléctrica:
2,65.10 -8 Ω.m (65% IACS)
Conductividad térmica:
2,37 W.cm -1 K -1 a 25º C
Potencial normal:
-1,66 V
Pureza (%)
Límite Elástico 0,2%
(MPa)
Carga de Rotura (Mpa)
Alargamiento
(Lo = 50mm (%)
99,99
10
45
50 ÷ 65
99,8
20
60
45 ÷ 55
99,6
30
70
43
UNIVERSIDAD ANTONIO DE NEBRIJA
ASIGNATURA: MATERIALES I
21
ALEACIONES NO FERREAS. ALEACIONES LIGERAS
• Aleaciones de aluminio:
• Ningún elemento posee solubilidad total en aluminio en estado sólido. El más
soluble es el Zn (82.8% máximo). Otros elementos tienen solubilidades
relativamente altas, como Ag y Mg con solubilidades mayores del 10%.
• El Li, Cu, Si, Mn, Ge y Ga tienen solubilidades entre el 1 y el 10%. A causa de su
elevada electronegatividad el aluminio forma gran variedad de fases intermetálicas
tanto binarias como ternarias y cuaternarias como:
• Cu Al2, fase θ, tetragonal centrada en cuerpo
• Mg2Al3, fase β, cúbica centrada en caras
UNIVERSIDAD ANTONIO DE NEBRIJA
ASIGNATURA: MATERIALES I
22
ALEACIONES NO FERREAS. ALEACIONES LIGERAS
• Aleaciones de aluminio:
UNIVERSIDAD ANTONIO DE NEBRIJA
ASIGNATURA: MATERIALES I
23
ALEACIONES NO FERREAS. ALEACIONES LIGERAS
• Aleaciones de aluminio:
UNIVERSIDAD ANTONIO DE NEBRIJA
ASIGNATURA: MATERIALES I
24
ALEACIONES NO FERREAS. ALEACIONES LIGERAS
• Aleaciones de aluminio:
• Se utiliza en la construcción, transportes, envases y envolturas,
eléctricas, maquinaria y equipos.
• Ahorra un 50% en peso en estructuras fabricadas anteriormente con
acero estructural.
• Menor costo de mantenimiento.
• Mayor resistencia a la corrosión atmosférica.
• No tóxico.
• Minimiza el crecimiento de bacterias.
• Bajo costo.
• Alta conductividad eléctrica.
• Adecuada resistencia mecánica.
• Baja densidad.
UNIVERSIDAD ANTONIO DE NEBRIJA
ASIGNATURA: MATERIALES I
25
ALEACIONES NO FERREAS. ALEACIONES LIGERAS
• Tipos de aleaciones de aluminio:
UNIVERSIDAD ANTONIO DE NEBRIJA
ASIGNATURA: MATERIALES I
26
ALEACIONES NO FERREAS. ALEACIONES LIGERAS
• Tipos de aleaciones de aluminio:
• Aleaciones para forja:
• Son productos de aluminio que han sido sujetos a deformación plástica por trabajo en
caliente y procesos de conformado en frío.
• Pueden ser de dos tipos: tratables térmicamente 2xxx, 6xxx y 7xxx y no tratables
térmicamente 1xxx, 3xxx y 5xxx.
•Aleaciones de moldeo:
• Son aleaciones que se caracterizan por una buena fluidez y llenado de secciones
delgadas, bajo punto de fusión, estabilidad química, buen acabado superficial en estado de
colado, pueden ser o no tratables térmicamente y contienen normalmente cantidades
importantes de Si para facilitar la fluidez y reducir la fisuración.
• Las designaciones normalizadas son:
• M – Bruto de elaboración: se aplica a los productos conformados en caliente
que adquieren un estado que cumple unos límites determinados en las
características.
• F – Bruto de fabricación: se aplica a los productos obtenidos por procesos de
conformación sin control especial sobre las condiciones térmicas o de acritud. Los
productos semielaborados en este estado no necesitan cumplir unos límites
determinados en las características mecánicas.
• O – Recocido: se aplica a los productos semielaborados que son recocidos
totalmente para obtener el estado de menor resistencia y a los productos
moldeados que son recocidos para mejorar su ductilidad y estabilidad dimensional.
Tienen elevada ductilidad y conformabilidad.
UNIVERSIDAD ANTONIO DE NEBRIJA
ASIGNATURA: MATERIALES I
27
ALEACIONES NO FERREAS. ALEACIONES LIGERAS
•Las designaciones normalizadas son:
• H – Acritud: se aplica a los productos semielaborados que han sido sometidos a una
deformación plástica en frío, después del recocido (o deformación plástica en caliente),
combinada o no con recocido parcial o estabilizado al objeto de lograr unas propiedades
mecánicas determinadas.
• H1 – Acritud solamente: es el estado de los productos que han sido endurecidos
por deformación plástica en frío únicamente, para alcanzar las características
mecánicas deseadas directamente, esto es, sin tratamiento térmico suplementario.
• H2 – Acritud y recocido parcial: es el estado de los productos que han sido
endurecidos por deformación plástica en frío, hasta una resistencia mecánica superior
a la final deseada, la cual se obtiene posteriormente, mediante un adecuado recocido
parcial. En este estado para un mismo nivel de resistencia que el H1 presenta un
mayor alargamiento.
• H3 – Acritud y estabilizado: es el estado de los productos que han sido
endurecidos por deformación plástica en frío y posteriormente estabilizados mediante
un calentamiento a baja temperatura, que produce una ligera disminución de las
características de resistencia mecánica y generalmente un aumento de la ductilidad.
UNIVERSIDAD ANTONIO DE NEBRIJA
ASIGNATURA: MATERIALES I
28
ALEACIONES NO FERREAS. ALEACIONES LIGERAS
• Las designaciones normalizadas son:
• W – Tratamiento térmico de solución y temple: es un estado inestable
aplicable solamente a las aleaciones que maduran de forma espontánea a la
temperatura ambiente después de un tratamiento de solución y temple. Se designa
con la letra W. Esta designación únicamente se utiliza cuando se indica el período
de maduración natural, por ejemplo W ½ h.
• T – Tratamiento térmico de endurecimiento estructural, para producir
estados diferentes de los M, F, O y H: se aplica a los productos en los que se
incrementa su resistencia mecánica mediante un tratamiento térmico con o sin
acritud suplementaria para producir estados estables. Se designa con la letra T
seguida de uno o varios dígitos según el tipo de proceso recibido.
T 1: Envejecimiento natural
T 2: Recocido
T 3: Solubilizado + trabajado en frío
T 4: Solubilizado + T1
T 5: Envejecimiento artificial
T 6: Solubilizado + T5
T 7: Solubilizado + Estabilizado
T8: Solubilizado + trabajado en frío + T5
UNIVERSIDAD ANTONIO DE NEBRIJA
ASIGNATURA: MATERIALES I
29
ALEACIONES NO FERREAS. ALEACIONES LIGERAS
• Papel de los elementos de aleación en las aleaciones de aluminio:
• Mejoran la maquinabilidad.
• Aumentan la resistencia mecánica.
• Modifican la resistencia a la corrosión.
• Mecanismos para aumentar la resistencia mecánica en las aleaciones
de aluminio (aumento de la resistencia, dureza, resistencia al desgaste,
fluencia y la fatiga):
• Fases secundarias dispersas o aleantes en solución sólida y deformados en frío:
son soluciones no tratables térmicamente:
• Endurecimiento por solución sólida: aleaciones Al – Mg (0.5-6% Mg) de la serie 5xxx
• Endurecimiento por fases secundarias dispersas: contienen elementos como Fe, Ni, Ti,
Mn, Cr... que forman compuestos intermetálicos durante la solidificación.
• Tratamiento térmico de precipitación de partículas submicroscópicas: son
aleaciones tratables térmicamente. Precipitación de partículas microscópicas
coherentes con la matriz. Para lograr esto hay que realizar un tratamiento térmico
de solubilización y luego un tratamiento térmico de envejecimiento. Son aleaciones
ternarias o cuaternarias:
Al-Cu-Si
Al-Mg-Si
Al-Si-Cu
UNIVERSIDAD ANTONIO DE NEBRIJA
Al-Zn-Mg
Al-Zn-Mg-Cu
Al-Si-Mg
ASIGNATURA: MATERIALES I
30
ALEACIONES NO FERREAS. ALEACIONES LIGERAS
• Tratamientos térmicos de las aleaciones de aluminio:
• Maduración artificial (a temperatura mayor que la temperatura
ambiente):
• Generalmente a bajas temperaturas (115 – 190 ºC) y largas permanencias (5 –
48 horas).
• Altas temperaturas y permanencias prolongadas provocan precipitados
gruesos que dan lugar a bajas propiedades mecánicas.
• Se debe conseguir un compromiso entre el tamaño y distribución de
precipitados.
• Maduración natural (a temperatura ambiente): algunas aleaciones, como
las 7xxx son inestables a temperatura ambiente y pueden varias sus
propiedades incluso después de varios años. Se puede evitar el
envejecimiento natural enfriando la aleación a –18 ºC.
• Tratamiento T6: produce una elevada resistencia mecánica. Muy
empleado en aplicaciones de ingeniería.
• Tratamiento T7: estado de sobreenvejecimiento. Menores propiedades
mecánicas pero mejor estabilidad dimensional (servicio a temperaturas
elevadas), menores tensiones residuales y temperaturas de
envejecimiento más altas.
• Tratamiento T73 y T76: tratamientos empleados en aleaciones 7xxx
(>1.25% Cu). Sobreenvejecimiento de la aleación a temperaturas
mayores de 150 ºC. El objetivo es mejorar la resistencia a la corrosión por
exfoliación. Mejoran la tenacidad a la fractura y reducen la velocidad de
propagación de la grieta en fatiga.
UNIVERSIDAD ANTONIO DE NEBRIJA
ASIGNATURA: MATERIALES I
31
ALEACIONES NO FERREAS. ALEACIONES LIGERAS
• Aleaciones de aluminio. Designación (UNE EN 573 – Aleaciones
de aluminio para forja):
• La designación está constituida correlativamente por los siguientes
elementos:
• Prefijo EN
• Letra A
• Letra W
• Cuatro dígitos
Grupos:
1XXX
2XXX
3XXX
4XXX
5XXX
6XXX
7XXX
8XXX
Aluminio en al menos 99%
Cobre
Manganeso
Silicio
Magnesio
Magnesio y Silicio
Zinc
Otros elementos
Ejemplo: EN AW-6082
EN AW-2024
UNIVERSIDAD ANTONIO DE NEBRIJA
ASIGNATURA: MATERIALES I
32
ALEACIONES NO FERREAS. ALEACIONES LIGERAS
• Tipos de aleaciones de aluminio:
• Series 2xxx (Al – Cu):
• Requieren tratamiento térmico de solubilización para alcanzar
propiedades mecánicas óptimas por un posterior tratamiento térmico de
envejecimiento (σ = 300-490 MPa)
• Resistencia a la corrosión inferior a las otras aleaciones de aluminio
(riesgo de corrosión intergranular).
• Limitada soldabilidad.
• Aplicaciones: aros de ruedas de avión, partes de fuselaje y demás
componentes que requieran buena resistencia mecánica hasta 150 ºC.
• Series 3xxx (Al – Mn):
• Emplean Mn (hasta 1.5%).
• No son tratables térmicamente.
• Poseen 20% más de resistencia que la serie 1xxx
• Buena combinación de propiedades mecánicas y conformabilidad.
• Aplicaciónes: latas para bebidas, utensilios de cocina, tanques de
almacenamiento, letreros, tejados...
•Series 4xxx (Al – Si):
• Emplean Si (hasta 12%). El Si reduce sustancialmente el punto de fusión.
• No tratables térmicamente.
• Aplicaciones: pistones forjados.
UNIVERSIDAD ANTONIO DE NEBRIJA
ASIGNATURA: MATERIALES I
33
ALEACIONES NO FERREAS. ALEACIONES LIGERAS
• Tipos de aleaciones de aluminio:
• Series 5xxx (Al – Mg):
• Emplea Mg (hasta 4%).
• Aleaciones no tratables térmicamente.
• Buenas características de soldabilidad.
• Buena resistencia a la corrosión marina.
• Aplicaciones: estructurales, decorativas, ornamentales, botes y pequeñas
embarcaciones, tanques criogénicos, partes de grúas...
• Series 6xxx (Al – Si - Mg):
• Contienen Si y Mg para formar Mg2Si
• Son aleaciones tratables térmicamente
• Buena conformabilidad, soldabilidad, maquinabilidad y resistencia a la
corrosión.
• Resistencia mecánica media (125 – 310 MPa)
• Aplicaciones: estructurales, carpintería, perfilería, bicicletas, equipos de
transporte...
• Series 7xxx (Al – Zn):
• Contienen Zn (1 a 8%) y algo de Mg.
• Aleaciones tratables térmicamente.
• Elevada resistencia mecánica (230 – 570 MPa)
• Aplicaciones: estructuras de aviones, equipos móviles...
UNIVERSIDAD ANTONIO DE NEBRIJA
ASIGNATURA: MATERIALES I
34
ALEACIONES NO FERREAS. ALEACIONES LIGERAS
• Tipos de aleaciones de aluminio:
• Series 8xxx (Al – varios):
• Aleaciones Al – Li (2.4 – 2.8%) para aplicaciones aeroespaciales y criogénicas.
• El Li es el elemento metálico más ligero. Por cada 1% de Li (hasta un 4.2%) la
densidad se reduce en 3% y el módulo elástico se incrementa en 5%
• Son aleaciones tratables térmicamente mediante endurecimiento por precipitación
(Al3Li)
•Sistemas de aleaciones de aleaciones de moldeo:
Al-Cu
Al-Cu-Si
Al-Si
Al-Mg
Al-Zn-Mg
Al-Sn
(serie 2XX.X)
(serie 3XX.X)
(serie 4XX.X)
(serie 5XX.X)
(serie 7XX.X)
(serie 8XX.X)
• Aleaciones Al-Si: buenas cualidades de colabilidad y resistencia a la corrosión.
• Aleaciones Al – Cu – Si:
• Son las aleaciones de aluminio fundidas más empleadas.
• El Cu contribuye a la resistencia mecánica.
• El Si mejora la fluidez.
•Aleaciones Al – Cu – Si:
• Son tratables térmicamente si el porcentaje de Cu está entre 3 y 4%
• Aplicaciones: bloques de automóviles y pistones
UNIVERSIDAD ANTONIO DE NEBRIJA
ASIGNATURA: MATERIALES I
35
ALEACIONES NO FERREAS. ALEACIONES LIGERAS
• Aleaciones de cobre:
• El cobre se obtiene a partir de piritas (CuS + FeS). Por fusión del mineral en
hornos y posterior tratamiento en convertidor, donde el hierro en forma de óxido se
incorpora a la escoria obteniéndose un cobre del 98.5% de pureza llamado Blister.
• El cobre Blister se puede someter a dos tipos de afino: térmico y electrolítico.
• Afino térmico: se realiza en hornos y elimina oxígeno e impurezas obteniéndose
cobres del 99.5% de pureza.
• Afino por electrólisis: el cobre se introduce en el baño electrolítico como ánodo,
disolviéndose y precipitando como cátodo. Estos cátodos de cobre alcanzan
purezas del 99.95% y como subproductos de la electrólisis se obtienen pequeñas
cantidades de oro y plata.
• El oxígeno no afecta en la práctica a la conductividad eléctrica, sin embargo, la
mayoría de los elementos de aleación (con excepción de la plata, cadmio y plomo)
disminuyen la conductividad eléctrica del cobre.
• De todos los elementos de aleación posibles, el fósforo es el más perjudicial ya
que contenidos inferiores al 0.1% hace descender casi en un 50% la conductividad
eléctrica.
• Propiedades:
Módulo elástico
Densidad
Conductividad eléctrica
Resistividad eléctrica
Conductividad térmica
UNIVERSIDAD ANTONIO DE NEBRIJA
115 GPa
8.900 kg/m3
0,58001 µS. cm/cm2 (100% IACS)
1,7241 µΩ. cm2 / cm
391 W/m.K a 20º C
ASIGNATURA: MATERIALES I
36
ALEACIONES NO FERREAS. ALEACIONES LIGERAS
• Aleaciones de cobre:
• Las principales propiedades del cobre son:
• Elevada conductividad eléctrica y térmica.
• Buena resistencia a la corrosión.
• Facilidad de fabricación.
• Color.
• Resistencia mecánica y a la fatiga.
• Buenos acabados superficiales.
• Cobre puro
• Metal comercialmente puro, sin aditivos excepto oxígeno o
elementos desoxidantes, como P, Li, B, Ca... Consiste en el símbolo Cu
seguido de un guión y una serie de letras mayúsculas: Cu-ABCD...
• Para cobre que contenga uno o más elementos aleantes, tal que la
suma de sus cantidades no constituyan más de un 1%. Consiste en el
símbolo químico Cu seguido de los símbolos químicos de los
elementos en orden de contenidos decrecientes. Las cifras relativas al
contenido nominal (contenido medio), se escribirán detrás del símbolo
de cada aleante, excepto del cobre.
UNIVERSIDAD ANTONIO DE NEBRIJA
ASIGNATURA: MATERIALES I
37
ALEACIONES NO FERREAS. ALEACIONES LIGERAS
• Aleaciones de cobre:
• Aleaciones de cobre:
• Consistirán en el símbolo químico Cu seguido del símbolo químico
del aleante de mayor importancia y a continuación los símbolos
químicos de otros aleantes en orden de contenidos decrecientes (en
caso de igualdad de contenidos en orden alfabético).
• Las cifras relativas al contenido nominal (medio) se escribirán detrás
del símbolo de cada aleante, excepto el cobre y aleantes cuyos
contenidos sean inferiores al 1%. Ej: Cu Sn 10 P, corresponde a una
aleación de cobre estaño con un contenido medio de estaño de un 10%
y un contenido medio de fósforo menor que el 1%.
• Las principales familias de aleaciones binarias de cobre son:
Latones (aleaciones Cu – Zn)
• Bronces (aleaciones Cu – Sn)
• Cuproaluminios o bronces de aluminio (aleaciones Cu – Al)
•
• Todos estos grupos de aleaciones pueden llevar en muchos casos
adiciones de uno o más elementos diferentes con objeto de mejorar
determinadas propiedades. Así existen los latones al plomo
(aleaciones Cu – Zn – Pb), latones al aluminio (aleaciones Cu – Zn –
Al), alpacas (aleaciones Cu – Zn – Ni)...
UNIVERSIDAD ANTONIO DE NEBRIJA
ASIGNATURA: MATERIALES I
38
ALEACIONES NO FERREAS. ALEACIONES LIGERAS
• Aleaciones de cobre:
SERIE
C-0XXX
C-1XXX
C-10XX
C-11XX
C-2XXX
C-21XX
C-24XX
C-26XX
C-28XX
C-3XXX
C-31XX
C-32XX
C-33XX
C-35XX
C-38XX
C-4XXX
C-41XX
C-42XX
C-5XXX
C-51XX
C-52XX
C-54XX
COBRE Y SUS ALEACIONES.
GRUPO ALEACIÓN
Aleaciones madre
Cobres
Cobres para moldeo
Cobres para forja
Cu-Zn moldeo (Latones)
Aleaciones Cu-Zn
Aleaciones Cu-Zn-Pb
Aleaciones Cu-Zn alta resistencia
Aleaciones Cu-Zn especiales
Cu-Sn moldeo (Bronces)
Aleaciones Cu-Sn
Aleaciones Cu-Sn-Zn
Aleaciones Cu-Sn-Pb
Aleaciones Cu-Sn-Zn-Pb
Aleaciones Cu-Sn especiales
Cu-Al moldeo (Bronces Al)
Aleaciones Cu-Al
Aleaciones Cu-Al especiales
Otras aleaciones Cu (moldeo)
Aleaciones Cu-Pb
Aleaciones Cu-Ni (Cuproníquel)
Aleaciones especiales de Cu
UNIVERSIDAD ANTONIO DE NEBRIJA
DESIGNACIÓN UNE 37-102
SERIE
GRUPO ALEACIÓN
C-6XXX
Cu-Zn forja (Latones)
C-61XX
Aleaciones Cu-Zn
C-64XX
Aleaciones Cu-Zn-Pb
C-66XX
Aleaciones Cu-Zn alta resistencia
C-68XX
Aleaciones Cu-Zn especiales
C-7XXX
Cu-Sn forja (Bronces)
C-71XX
Aleaciones Cu-Sn
C-72XX
Aleaciones Cu-Sn-Pb
C-73XX
Aleaciones Cu-Sn especiales
C-8XXX
Cu-Al forja (Bronces Al)
C-81XX
Aleaciones Cu-Al
C-82XX
Aleaciones Cu-Al especiales
C-9XXX
Otras aleaciones Cu (forja)
C-921X
Aleaciones Cu-Ni (Cuproníquel)
C-923X
Aleaciones Cu-Ni-Zn (Alpacas)
C-925X
Aleaciones Cu-Ni-Zn-Pb
C-94XX
Aleaciones especiales de Cu
ASIGNATURA: MATERIALES I
39
ALEACIONES NO FERREAS. ALEACIONES LIGERAS
• Aleaciones de cobre:
• Latones:
• Por lo que respecta a su estructura, los latones pueden clasificarse
en tres grupos principales:
Los latones α, formados exclusivamente por dicho constituyente, que es
una solución sólida cuyo contenido en zinc varía aproximadamente del 0
al 36%.
• Los latones α + β, cuya estructura mixta se presenta a partir de un 37.5%
de zinc. A medida que aumenta el porcentaje de zinc, aparece el tercer
grupo de estas aleaciones constituido enteramente por fase β.
• Latones β: con aproximadamente un 46% de zinc.
• Latones γ: si se incrementa el contenido de zinc hasta el 50%. Esta fase
da lugar al comienzo de la fragilidad y no es aplicable en usos
industriales.
•
UNIVERSIDAD ANTONIO DE NEBRIJA
ASIGNATURA: MATERIALES I
40
ALEACIONES NO FERREAS. ALEACIONES LIGERAS
• Aleaciones de cobre:
• Latones:
• Latones α: Zn (0 – 36%), estructura FCC. Materiales tenaces y
dúctiles que pueden trabajarse en frío.
Latones para cápsulas: 2 – 8% Zn
• Latones rojos: 5 – 15% Zn
• Latones de cartuchería: 30% Zn
•
• Latones β: Zn (> 46%), estructura BCC. Son más duros y resistentes
y no pueden trabajarse en frío.
• Latones α + β: Zn (37.5 – 46%). Tienen propiedades intermedias.
• Aleantes: Sn, Pb para mejorar el mecanizado, Ni (alpacas), Al, Si, Fe
y Mn.
• Bronces:
• Aleaciones Cu – Sn, si bien frecuentemente se añaden otros
elementos, como zinc, fósforo, níquel y plomo, siendo el estaño el
elemento de mayor adición al Cu. No obstante, el plomo en algunos
bronces puede entrar en proporciones mayores que el Sn.
• Se obtienen por fusión directa de los dos metales.
• Se dividen en dos grandes grupos:
Aleaciones para forja, de estructura α, empleadas en las formas de
alambres y bandas para muelles, mallas y otros productos.
• Aleaciones para moldeo, de estructura α y compleja. Para cojinetes.
•
UNIVERSIDAD ANTONIO DE NEBRIJA
ASIGNATURA: MATERIALES I
41
ALEACIONES NO FERREAS. ALEACIONES LIGERAS
• Aleaciones de cobre:
• Bronces:
• Los bronces con más de un 32% de estaño son muy frágiles y no
tienen aplicación en la industria, aunque pueden utilizarse para usos
decorativos y orfebrería.
• En la práctica los productos moldeados raramente consisten en
bronces binarios, sino que suelen añadirse otros elementos, siendo los
más corrientes el fósforo, plomo, zinc y níquel.
La fase α es FCC.
La fase β, Cu5 Sn es BCC.
La fase γ es BCC ordenada.
La fase δ, Cu31Sn8 , es una estructura
del tipo de γ del latón, regular.
La fase ε es una estructura
ortorrómbica, Cu3Sn.
UNIVERSIDAD ANTONIO DE NEBRIJA
ASIGNATURA: MATERIALES I
42
ALEACIONES NO FERREAS. ALEACIONES LIGERAS
• Aleaciones de cobre:
• Bronces de aluminio:
• Aleaciones Cu y Al a las que se añaden a veces Fe, Ni y Mn para
mejorar sus características.
• Presentan una elevada resistencia a la corrosión, debido a que el Al
se pasiva.
• Las propiedades mecánicas a alta temperatura son buenas, siendo
las aleaciones que prestan mejor servicio a esas temperaturas.
• Se emplean en sustitución a los aceros suaves al C, ya que presentan
características mecánicas similares, pero mayor resistencia a la
corrosión.
UNIVERSIDAD ANTONIO DE NEBRIJA
ASIGNATURA: MATERIALES I
43
ALEACIONES NO FERREAS. ALEACIONES LIGERAS
• Aleaciones de cobre:
• Cuproníqueles:
• El cobre y el níquel dan lugar a una serie continua de soluciones sólidas.
• Todas las composiciones son maleables tanto en caliente como en frío, obteniéndose
aleaciones industriales en todo el amplio campo.
• Frecuentemente se añaden otros elementos, como el Si, Sn, Fe y Co.
• Adiciones de menos del 1% de Ni y Si al cobre dan lugar a una aleación endurecible
por precipitación, ocurriendo lo mismo que la adición de Al en lugar de Si.
• El Fe y el Co confieren propiedades magnéticas.
• Los cuproníqueles binarios presentan una estructura α en toda la gama de
composiciones.
• La adición de Ni al cobre aumenta su dureza y resistencia a la tracción y disminuye el
alargamiento, especialmente hasta contenidos del 45% de Ni.
UNIVERSIDAD ANTONIO DE NEBRIJA
ASIGNATURA: MATERIALES I
44
ALEACIONES NO FERREAS. ALEACIONES LIGERAS
• Aleaciones de titanio:
• El método más conocido de producción de titanio es el proceso Kroll, que supone
la reducción de TiCl4 mediante magnesio.
• El primer paso es preparar el tetracloruro que se obtiene mediante la cloración de
una mezcla de carbono y rutilo.
• La reacción de reducción Kroll tiene lugar en un recipiente reactor con una
atmósfera inerte, cerrado y calentando.
• El TiCl4 líquido es introducido en magnesio líquido iniciándose la reacción:
TiO2 + 2Cl2 →
TiCl4 + 2Mg →
TiCl4 + O2
2MgCl2 + Ti
• Propiedades del titanio puro:
Densidad : 4,5 Mg/m3 a 20º C
Calor específico : 520 J/Kg.K a 20º C
Conductividad térmica : 16 W/m.K a 20º C
Conductividad eléctrica : 3,6% IACS a 20º C
Punto de fusión : 1670º C
Características mecánicas del titanio comercialmente puro
Forma de producto
Rm
MPa
Rp0,2
MPa
%A
Estricción
(%)
Resiliencia
J
Hechurado y Recocido
550
480
18
33
35
Moldeado
635
510
20
31
26
UNIVERSIDAD ANTONIO DE NEBRIJA
ASIGNATURA: MATERIALES I
45
ALEACIONES NO FERREAS. ALEACIONES LIGERAS
• Aleaciones de titanio:
• El titanio puro sufre una transformación alotrópica desde HCP (α) a BCC (β) en el
momento en que, calentando, se alcanzan los 882.5 ºC.
• Los elementos que producen pequeños cambios en la temperatura de
transformación, como el estaño, o que la incrementan, como el aluminio y el
oxígeno, se conocen como “α estabilizantes”. Se trata de metales simples o
elementos intersticiales que no son, generalmente, elementos de transición.
• Los elementos aleantes que hacen disminuir la temperatura de cambio de fase se
llaman “β estabilizantes” y son generalmente elementos de transición, como Mo y
V.
• Elementos de aleación:
• Alfágenos:
Intersticiales: O, C y N. Fragilizan la aleación.
• Sustitucionales: Al, Sn, Ge y Ga. Mejoran la fluencia en caliente.
•
•Betágenos:
Beta isomorfos: V, Mo, Ta y Nb. Forman soluciones sólidas.
• Beta eutectoides: Fe, Cr, Mn, Ni y Co. Evitan la formación de
intermetálicos.
•
UNIVERSIDAD ANTONIO DE NEBRIJA
ASIGNATURA: MATERIALES I
46
ALEACIONES NO FERREAS. ALEACIONES LIGERAS
• Aleaciones de titanio:
UNIVERSIDAD ANTONIO DE NEBRIJA
ASIGNATURA: MATERIALES I
47
ALEACIONES NO FERREAS. ALEACIONES LIGERAS
• Aleaciones de titanio:
• Aleaciones α: Ti, Ti – 5Al – 2Sn
• Dúctiles
• Soldables
• Gran resistencia a la fluencia y baja resistencia a la tracción
• No conformables
• Aleaciones cuasi – α: Ti – 8Al – 1Mo – 1V, Ti – 6Al – 2Sn – 4Zr – 2Mo:
• Mejor resistencia a la tracción y fluencia que las α.
• Aleaciones α + β: Ti – 6Al – 4V:
• Conformables
• Alta resistencia 1400 MPa
• Tratamientos térmicos de temple y envejecimiento
• Aleaciones β: Ti – 13V – 11Cr - 3Al:
• Conformables en frío y en caliente.
• Tratamientos térmicos de envejecimiento.
UNIVERSIDAD ANTONIO DE NEBRIJA
ASIGNATURA: MATERIALES I
48
ALEACIONES NO FERREAS. ALEACIONES LIGERAS
• Aleaciones de titanio:
UNIVERSIDAD ANTONIO DE NEBRIJA
ASIGNATURA: MATERIALES I
49
ALEACIONES NO FERREAS. ALEACIONES LIGERAS
• Tratamientos térmicos de las aleaciones de titanio:
• Alivio de tensiones: todas las aleaciones.
• Recocido: mejora la maquinabilidad y ductilidad.
• Solubilización y precipitación: aumento de la resistencia mecánica. Sólo para las
aleaciones β y α + β.
• Temple: β en aire, α + β en agua con 5% de NaCl.
• Aplicaciones:
• Aeroespacionales: motores (alabes, compresores, conductos y carcasas),
estructuras aeroespaciales (aviones civiles 7% y militares 20%, paneles,
mamparas, fuselaje, conducciones aire acondicionado).
• Aplicaciones industriales en general: alabes de turbinas de vapor, cigüeñales y
árboles de levas de grandes máquinas, componentes de automóviles y
motocicletas...
• Intercambiadores de calor: condensadores, cuerpos de bombas, tuberías,
válvulas...
• Aplicaciones quirúrgicas: implantes de cadera, elementos de fijación, implantes y
fundas dentales...
UNIVERSIDAD ANTONIO DE NEBRIJA
ASIGNATURA: MATERIALES I
50
ALEACIONES NO FERREAS. ALEACIONES LIGERAS
• Aleaciones de magnesio:
• El magnesio es un metal ligero y compite por eso con el aluminio, sin
embargo el magnesio tiene desventajas frente al aluminio, como es el
precio y la dificultad de moldeo.
• Las aleaciones de magnesio presentan una resistencia relativamente
baja y baja resistencia a la termofluencia, fatiga y desgaste.
• Las aleaciones de magnesio tienen estructura HCP, que dificulta la
deformación a temperatura ambiente ya que sólo dispone de tres
sistemas de deslizamiento principales.
• Las aleaciones de magnesio se clasifican en:
• Aleaciones forjadas.
• Aleaciones de fundición.
• Propiedades de las aleaciones:
• Por tener estructura HCP, el trabajo en frío de las aleaciones de
magnesio sólo puede llevarse a cabo hasta cierto grado.
• Se suelen trabajar en caliente, porque a altas temperaturas se activan
más sistemas de deslizamiento.
• Se suele alear con aluminio y zinc
UNIVERSIDAD ANTONIO DE NEBRIJA
ASIGNATURA: MATERIALES I
51
ALEACIONES NO FERREAS. ALEACIONES LIGERAS
• Aleaciones de níquel:
• El níquel posee una excepcional resistencia a la corrosión y a la
oxidación a alta temperatura.
• Posee una estructura cristalina FCC que lo hace altamente maleable.
• Es caro y tiene una densidad alta.
• El níquel puro se usa para elementos eléctricos y electrónicos debido a
su buena resistencia y conductividad eléctrica.
• Se suele alear con el cobre.
• Se han desarrollado superaleaciones con base níquel para piezas de
turbinas de gas que deben resistir altas temperaturas y altas condiciones
de oxidación, así como ser resistentes a esfuerzos de fluencia.
• Estas superaleaciones tienen entre un 50 y 60% de Ni, 15 a 20% de
Cr y 15 a 20% de Co.
• También se suelen añadir pequeñas cantidades de Al (0.5 a 4%) y Ti
(1 a 4%).
• En los últimos años se han desarrollado superaleaciones con base
níquel monocristalinas que pueden operar a temperaturas aún
mayores en motores de turbinas de gas.
UNIVERSIDAD ANTONIO DE NEBRIJA
ASIGNATURA: MATERIALES I
52
SELECCIÓN DE MATERIALES METALICOS
• En un diseño de ingeniería determinado, la tarea de elegir el
material apropiado puede ser complicada, ya que el número de
materiales comercialmente disponibles es muy grande.
• Pasos a seguir para la selección de materiales:
• Evaluar los requisitos mínimos imprescindibles para la
aplicación:
• Geometría en la que debe inscribirse la pieza cuyo material se
quiere seleccionar.
• Parámetros físicos a los que estará sometida la pieza: temperatura
y tiempo.
• Parámetros químicos a los que estará sometida la pieza: ambiente
• Parámetros mecánicos a los que estará sometida la pieza: fuerzas
externas e internas.
• Elección de una de las categorías de materiales: metal,
cerámico, polímero o material compuesto.
• Elegir la aleación óptima dentro de la categoría seleccionada,
eligiendo siempre la de menor coste que pueda ser fabricado.
• Tener en cuenta los factores de degradación ambiental y
prevención de fallo.
• En general se busca un equilibrio óptimo entre resistencia y
ductilidad para una aplicación determinada.
UNIVERSIDAD ANTONIO DE NEBRIJA
ASIGNATURA: MATERIALES I
53
SELECCIÓN DE MATERIALES METALICOS
• El uso de materiales metálicos en diseño de ingeniería es
importante por sus propiedades:
• Resistencia media y buena ductilidad, procesado y soldabilidad a
bajo coste. Ej: láminas de acero de bajo carbono.
• Resistencias medias a altas con suficiente tenacidad y ductilidad.
Ej: aceros de baja aleación y aceros de bajo a medio carbono.
• Baja densidad, suficiente resistencia y ductilidad, buena
resistencia a la corrosión. Ej: aluminio y sus aleaciones.
• Buena conducción eléctrica y térmica, procesado, facilidad para
la unión y resistencia a la corrosión. Ej: cobre y sus aleaciones.
• Buena colabilidad, suficiente resistencia, buena resistencia al
desgaste y bajo coste. Ej: algunos hierros para fundición.
• Excelente resistencia a la corrosión, buena resistencia y
suficiente ductilidad. Ej: aceros inoxidables.
• Alta resistencia, densidad relativamente baja y buena resistencia
a la corrosión. Ej: titanio y sus aleaciones.
• Buena resistencia, resistencia a la corrosión y oxidación a altas
temperaturas. Ej: aleaciones de níquel.
• Densidad muy baja con suficiente resistencia y ductilidad. Ej:
aleaciones de magnesio.
UNIVERSIDAD ANTONIO DE NEBRIJA
ASIGNATURA: MATERIALES I
54
SELECCIÓN DE MATERIALES METALICOS
• Ejemplos de sustitución de metales por otros materiales:
• Sustitución de un metal por un polímero:
• En la siguiente figura se presenta un plano motriz de motocross
hecho de nylon endurecido por dispersión.
Un plano motriz hecho de
nylon endurecido por
dispersión ha sustituido a las
piezas de aluminio y acero en
muchos diseños de
motocicletas de motocross de
competición
• Este producto de nylon ha llegado a usarse ampliamente debido a
la reducción de las roturas de la transmisión.
• La mejora de características está relacionada con una combinación
de tenacidad y resistencia altas.
• Además se aumenta la resistencia a la corrosión y al ataque de la
mayor parte de los disolventes y lubricantes, además de la
resistencia al desgaste.
• El coste del nylon es comparable al del aluminio, pero
aproximadamente una tercera parte más barato que el acero.
UNIVERSIDAD ANTONIO DE NEBRIJA
ASIGNATURA: MATERIALES I
55
SELECCIÓN DE MATERIALES METALICOS
• Ejemplos de sustitución de metales por otros materiales:
• Sustitución de un metal por un material compuesto:
• Un ejemplo clave del empuje de la sustitución de metales por
materiales compuestos de menor densidad es la industria de
aeronaves comerciales.
• A principios de los 70, los fabricantes desarrollaron piezas de fibra
de vidrio para mejorar la dinámica y reducir costes. A mediados de
los 70, la crisis del petróleo dio lugar a un rápido aumento de los
costes de combustible. Una de las primeras respuestas a la
necesidad de la sustitución de materiales para el ahorro de
combustible fue el uso de más de 1100 kg de materiales compuestos
reforzados con kevlar.
• La figura siguiente muestra un avión Boeing 767 donde el ahorro
de peso resultante de emplear materiales compuestos es de 570 kg.
Ilustración esquemática de
las aplicaciones estructurales
de los materiales compuestos
en la superficie exterior de un
avión Boeing 767
UNIVERSIDAD ANTONIO DE NEBRIJA
ASIGNATURA: MATERIALES I
56
SELECCIÓN DE MATERIALES METALICOS
• Ejemplos de sustitución de metales por otros materiales:
• Metal y polímero para la sustitución de una articulación de
cadera:
• Algunos de los progresos más importantes en la aplicación de
materiales avanzados ha tenido lugar en el campo de la medicina,
siendo uno de los mayores éxitos la prótesis artificial de cadera.
• Se utiliza un vástago y una bola de cobalto – cromo, con una
escápula de polietileno, o bien un vástago de aleación de titanio (en
aplicaciones sin cemento).
• El cirujano extrae la articulación de cadera dañada y taladra una
cavidad en el hueso femoral para acomodar el vástago. El vástago se
ancla al esqueleto, bien con cemento de polimetacrilato de metilo o
bien mediante el crecimiento del hueso dentro de un recubrimiento
superficial poroso.
• La escápula se fija a un apoyo metálico, el cual, a su vez, se fija a la
cadera mediante tornillos metálicos para hueso.
• La interfase metal – polímero proporciona una superficie de
contacto de baja fricción y los dos materiales tienen una buena
resistencia a la degradación por los fluidos corporales altamente
corrosivos.
• Estas aleaciones y polímeros usados son ejemplos de
biomateriales, que son los materiales creados para aplicaciones en
biología y medicina
UNIVERSIDAD ANTONIO DE NEBRIJA
ASIGNATURA: MATERIALES I
57
SELECCIÓN DE MATERIALES METALICOS
• Ejemplos de sustitución de metales por otros materiales:
• Metal y polímero para la sustitución de una articulación de
cadera:
Esquema de la cirugía de sustitución total de cadera. En general el vástago
femoral del implante se ancla al hueso mediante una fina capa de cemento de
polimetacrilato de metilo o mediante un sistema sin cemento que implica una
fijación ajustada del vástago en la caña del fémur.
UNIVERSIDAD ANTONIO DE NEBRIJA
ASIGNATURA: MATERIALES I
58
SELECCIÓN DE MATERIALES METALICOS
• Ejemplos de sustitución de metales por otros materiales:
• Aplicación de un material cerámico donde el metal no cubre
necesidades:
• Una de las aplicaciones con mayores solicitaciones para cualquier
material estructural es el sistema de protección térmica para el
transbordador espacial de la NASA.
• En la reentrada desde el espacio el transbordador experimenta un
enorme calentamiento por rozamiento con la atmósfera de la Tierra.
• La temperatura varía entre -110 ºC y 1500 ºC. La estructura interior
no puede sobrepasar los 175 ºC. Además el sistema de aislamiento
debería ser reutilizable para las 100 misiones con un tiempo máximo
de puesta a punto de 160 h.
• Debería además tener una superficie exterior aerodinámicamente
suave, resistir cargas termomecánicas severas y resistir la humedad
y otros contaminantes atmosféricos entre misiones.
• Este sistema de protección térmica se debe sujetar a una estructura
de aleación de aluminio.
• Para este sistema de protección se usan, en un 70% de la
superficie, losetas cerámicas.
• Las losetas se recubren con una capa de vidrio de borosilicato de
300 µm de espesor.
UNIVERSIDAD ANTONIO DE NEBRIJA
ASIGNATURA: MATERIALES I
59
SELECCIÓN DE MATERIALES METALICOS
• Ejemplos de sustitución de metales por otros materiales:
• Aplicación de un material cerámico donde el metal no cubre
necesidades:
UNIVERSIDAD ANTONIO DE NEBRIJA
ASIGNATURA: MATERIALES I
60