Conceptos de Metalurgia General

Conceptos de Metalurgia General (04)
Introducción:
Metalurgia:
La metalurgia puede ser definida como la ciencia, tecnología y arte de trabajar los
metales, desde su obtención a partir de los minerales hasta la fabricación de los
productos finales. También estudia la producción de aleaciones, el control de calidad de
los procesos vinculados así como el estudio de procesos de control de la corrosión. El
campo de estudio de la metalurgia es muy amplio y tiene diferentes áreas de
especialización, citemos alguna de ellas tales como:
Metalurgia física: Esta ciencia estudia las propiedades, estructura, comportamiento y
composición de los metales, así como su transformación orientada a la producción de
productos finales.
Metalurgia mecánica: Es una disciplina que se dedica al estudio y comprensión de los
fenómenos de esfuerzo y deformación de los cuerpos metálicos sólidos. Sus principios
y teorías son empleados para el diseño, procesamiento y evaluación de metales.
Metalurgia adaptativa: En esta disciplina se realizan pruebas físicas sobre especimenes,
que permiten determinar el desempeño o falla del elemento en análisis. La
caracterización microestructural de los metales y sus aleaciones, permitirán definir sus
posibles usos y aplicaciones.
Metalurgia Extractiva: Es la tecnología de la extracción de metales a partir de sus menas y
la refinación de los mismos para su posterior tratamiento (se dice que un mineral es
mena de un metal cuando mediante minería es posible extraer ese mineral de
unyacimiento y luego mediante metalurgia obtenerlo).
Conceptos Metalúrgicos Básicos, Cristalografía
Las propiedades de los metales y sus aleaciones dependen de sus estructuras
metalúrgicas (las que pueden examinarse por medio del microscopio) y de aspectos
submicroscopicos, tales como los patrones geométricos en que los átomos están
dispuestos en los metales; Por tanto el estudio de la metalurgia comienza
necesariamente con la descripción de estos patrones.
Estados de agregación de la materia
La materia ordinaria existe en tres estados de agregación: gas, líquido, y sólido. La
diferencia entre estos estados radica principalmente en la movilidad de los átomos, la
separación entre ellos y el orden (o desorden) con que se encuentran dispuestos en
cada uno de los casos.
En los gases existe gran movilidad debido a que la separación entre los átomos es
relativamente grande, de manera que estos interactúan con gran desorden,
moviéndose libremente.
En el estado sólido, en cambio, los átomos están dispuestos de manera ordenada,
ocupando posiciones fijas, conformando estructuras definidas. La distancia entre un
átomo y el otro es más reducida (con respecto a los otros estados) y su movilidad es
muy limitada.
En el estado líquido las moléculas (grupos de más de un átomo) se mueven más
lentamente que en
los gases, las fuerzas de atracción moleculares son capaces de mantenerlas juntas
dentro de un volumen definido. Sin embargo, el movimiento molecular es lo bastante
rápido como para provocan que estas moléculas no puedan fijarse dentro de posiciones
definidas como sucede en los sólidos.
Si un sólido se forma rápidamente (por ejemplo, cuando un líquido se enfría muy
rápido), sus átomos o moléculas no tienen tiempo de alinearse por sí mismos y pueden
quedar fijos en posiciones distintas a las de un cristal ordenado. El sólido así formado
se llama amorfo.
Los sólidos amorfos, como el vidrio, carecen de una distribución tridimensional regular
de átomos.
La diferencia principal entre los otros estados y el sólido consiste en que en los sólidos
los átomos están dispuestos ordenadamente según modelos geométricos
tridimensionales bien definidos. A esta configuración se le llama estructura cristalina o
cristal.
Un cristal se define como un sólido en el cual las unidades estructurales
están ordenadas en un patrón que se repite en tres dimensiones. La
forma externa de un cristal es el resultado del arreglo espacial de las
partículas que lo forman. Este arreglo tridimensional de partículas se
denomina red cristalina o red espacial.
Las redes espaciales pueden ser visualizadas como un gran conjunto de puntos
ordenados en el espacio, de tal forma que cada uno de ellos presenta una posición
idéntica con respecto de los otros puntos colocados a su alrededor. Si cada uno de
estos puntos estuviera unido con líneas imaginarias a los puntos más cercanos, se
obtendría una configuración geométrica, como por ejemplo la de un cubo que se
repetiría en todas la direcciones. La red quedaría definida por el modelo geométrico
individual formado al unir con líneas la cantidad mínima de los puntos mas cercanos
entre si. Este modelo geométrico individual recibe el nombre de celda unitaria. Una
celda unitaria es la unidad estructural repetida de un sólido cristalino. En la siguiente
figura se ilustra la red espacial más simple, la cubica.
Las posiciones que ocupan los átomos en las estructuras cristalinas de los sólidos
siguen uno de los modelos geométricos de una red espacial, en la que un átomo o
grupo de átomos ocupan las posiciones indicadas por los puntos de la red. Aunque
existe un número ilimitado de estructuras cristalinas posibles y 14 redes espaciales
simples, las estructuras cristalinas más comúnmente encontradas en los metales son:
la cúbica centrada en el cuerpo, la cúbica centrada en las caras y la hexagonal
compacta.
Las siguientes figuras muestran los esquemas de las redes espaciales y las posiciones
de los átomos (representados con esferas) en las estructuras cristalinas mencionadas.
Estructura Cristalina Cúbica
Centrada en el cuerpo (BCC)
Estructura Cristalina Cúbica
Centrada en las Caras (FCC)
Ya que muchas propiedades de los metales están determinadas por la estructura
cristalina, es conveniente hacer algunas consideraciones adicionales acerca de esta. )
Imperfecciones en las redes cristalinas:
Las estructuras cristalinas perfectamente regulares antes descritas son cristales
ideales, muy útiles para comprender como están dispuestos los átomos, pero las
piezas metálicas están compuestas por cristales reales más o menos perfectos que
presentan imperfecciones o discontinuidades. Las imperfecciones se encuentran dentro
de la zona de ordenamiento de largo alcance (grano).
Vemos como ocurre el proceso de solidificación en la formación de un metal al cambiar
de estado, de líquido a sólido; esto nos permitirá comprender que son los llamados
“granos”, los cuales serán visibles realizando una metalografía sobre el material, y
tendrán un rol muy importante en la determinación de las propiedades finales de los
mismos, y en muchos de los problemas asociados a las operaciones de soldadura.
Solidificación
Es el fenómeno por el cual un sólido cristalino se genera en el seno de un líquido y
crece a expensas del mismo.
Mayoritariamente las piezas metálicas están elaboradas con materiales que por lo
menos en una oportunidad han sufrido la transformación Líquido-Sólido. las distintas
etapas del proceso de solidificación son:
La solidificación comienza con la aparición de los primeros núcleos, nucleación, lo que
implica la formación de una nueva fase sólida en el seno del líquido, con una
separación clara de la estructura en formación del resto del material líquido. Los
puntos donde aparecen los primeros núcleos pueden ocurrir sobre la superficie de
impurezas presentes en el líquido (lo que es corriente en la mayoría de los metales)
dado lugar a una "nucleación heterogénea".
El proceso continúa con el crecimiento del cristal donde los átomos del líquido se asocian a
la superficie sólida del núcleo recién formado. Este crecimiento se da en forma de
ramales con forma dendrítica. El proceso de formación y crecimiento de núcleos se da
simultáneamente en muchos puntos, por tanto en determinado momento varias
columnas de solidificación chocan entre si dando
lugar a la formación de una zona donde las estructuras cristalinas tienen una
orientación espacial diferente. Esta frontera se la conoce como borde de grano.
Comienza la nucleación
Crecimiento de los núcleos
Crecimiento de los nucleos
conformación de los bordes de grano
El número de núcleos individuales que se formen originalmente determinarán el
tamaño de los granos del material. Esto es un factor importante a tener en cuenta ya
que parte de las propiedades del material quedarán determinadas por el tamaño que
adquieran los granos del mismo.
Tendremos materiales de grano fino y de grano grueso con propiedades diferentes.
Defectos puntuales en las redes cristalinas:
Son discontinuidades de la red que involucran uno o quizá varios átomos. Estos
defectos o imperfecciones pueden ser generados en el material mediante el
movimiento de los átomos al ganar energía por calentamiento; durante el
procesamiento del material; mediante la introducción de impurezas; o
intencionalmente a través de las aleaciones.
Vacancia (huecos): se producen cuando falta un átomo en un sitio normal de la red.
Las vacancias se crean en el cristal durante la solidificación a altas temperaturas o
como consecuencia de daños por radiación. A temperatura ambiente aparecen muy
pocas vacancias, pero éstas se incrementan de manera exponencial conforme aumenta
la temperatura.
Átomo intersticial: Se forma un defecto intersticial cuando se inserta un átomo
adicional en una posición normalmente desocupada dentro de la estructura cristalina.
Los átomos intersticiales, pueden ser mucho más pequeños que los átomos localizados
en los puntos de la red, o mayores que los sitios intersticiales que ocupan; como
consecuencia la red circundante aparece comprimida y distorsionada. Los átomos
intersticiales como el hidrógeno, a menudo están presentes en forma de
impurezas.
Como caso particular los átomos de carbono se agregan al hierro para producir acero.
Una vez dentro del material, el número de átomos intersticiales en la estructura se
mantiene casi constante, incluso al cambiar la temperatura.
Defectos sustitucionales: Se crea un defecto sustitucional cuando se remplaza un
átomo por otro de un tipo distinto. El átomo sustitucional permanece en la posición
original. Cuando estos átomos son mayores que los normales de la red, los átomos
circundantes se comprimen; si son más pequeños, los átomos circundantes quedan en
tensión. En cualquier caso, el defecto sustitucional distorsiona la red circundante.
Igualmente, se puede encontrar el defecto sustitucional como una impureza o como un
elemento aleante agregado deliberadamente.
Los defectos puntuales alteran el arreglo perfecto de los átomos circundantes,
distorsionando la red a lo largo de quizás cientos de espaciamientos atómicos, a partir
del defecto. Una dislocación que se
mueva a través de las cercanías generales de un defecto puntual encuentra una red en
la cual los
átomos no están en sus posiciones de equilibrio. Esta alteración requiere que se
aplique un esfuerzo más alto para obligar a que la dislocación venza al defecto,
incrementándose así la resistencia del material. En las siguientes figuras se
representan estas discontinuidades.
Vacancia (falta de un átomo
en la red)
Átomo intersticial
(exceso de un átomo
en la red)
Átomo de impureza que distorsiona la
perfección de la red.
Defectos lineales en las redes cristalinas (dislocaciones)
Son imperfecciones lineales en una red que de otra forma sería perfecta.
Generalmente se introducen en la red durante el proceso de solidificación del material
o al deformarlo. Aunque en todos los materiales hay dislocaciones presentes, son de
particular utilidad para explicar la deformación y el endurecimiento de los metales.
Podemos identificar dos tipos de dislocaciones: la dislocación de tornillo y la dislocación
de borde.
Dislocación de tornillo: La dislocación de tornillo se puede ilustrar haciendo un corte
parcial a través de un cristal perfecto, torciéndolo y desplazando un lado del corte
sobre el otro la distancia de un átomo.
Dislocaciones de borde: Una dislocación de borde se puede ilustrar haciendo un corte
parcial a través de un cristal perfecto, separándolo y rellenando parcialmente el corte
con un plano de átomos adicional. El borde inferior de este plano adicional representa
la dislocación de borde.
Dislocación de tornillo
Dislocación de borde
a) El proceso de deslizamiento es de particular utilidad para entender el
comportamiento mecánico
de los metales. En primer término, el deslizamiento explica por qué la resistencia de
los metales es
mucho menor que el valor predecible a partir del enlace metálico. Si ocurre el
deslizamiento, sólo es
necesario que se rompa en algún momento una pequeña fracción de todas las uniones
metálicas a
través de la interfase, por lo que la fuerza requerida para deformar el metal resulta
pequeña.
b) El deslizamiento le da ductilidad a los metales. Si no hay dislocaciones presentes,
una barra de
hierro sería frágil; los metales no podrían ser conformados utilizando los diversos
procesos, que
involucran la deformación para obtener formas útiles, como la forja.
c) Es posible controlar las propiedades mecánicas de un metal o aleación al interferir el
movimiento
de las dislocaciones. Un obstáculo introducido en el cristal impedirá que una
dislocación se deslice, a
menos que apliquemos mayor fuerza. Si es necesario aplicar una fuerza superior,
entonces el metal
resulta ser más resistente. Estos obstáculos pueden ser defectos puntuales o borde de
grano.
d) Se puede prevenir el deslizamiento de las dislocaciones achicando el tamaño de
grano o
introduciendo átomos de diferente tamaño, a través de una aleación.
Aleaciones
Debido a que los metales puros presentan propiedades mecánicas pobres, rara vez
tienen
aplicaciones industriales, pero se han desarrollado una gama muy amplia de aleaciones
con
propiedades específicas adecuadas para aplicaciones industriales particulares. En
términos
generales, las aleaciones son mezclas de un metal base (presente en mayor
proporción) con otro u
otros elementos, metálicos o no, los que influyen significativamente en las propiedades
de las
aleaciones (por ejemplo, sobre la dureza o la resistencia a la corrosión). El metal base
(matriz o
solvente) de las aleaciones puede formar aleaciones con mezcla (formadas por varias
fases) o
aleaciones homogéneas (formadas por una sola fase).
Se denomina fase a cada parte homogénea de un sistema físicamente diferenciable de
los demás al microscopio, no a escala atómica.