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Propiedad de los Materiales




Enviado por jjjimeneza



    Indice.
    1.
    Introducción.

    2. Historia de los materiales y su
    clasificación.


    4. Enlaces existentes para su
    configuración.

    5. Estructuras
    cristalinas.

    6.
    Aceros.

    7.
    Microestructura de los
    aceros
    .
    8. Cementita y otros
    (microfotografias)

    9. Tipos de
    hornos.

    10.
    Conclusiones

    11. Bibliografía.

    1. Introducción.

    En el presente trabajo vamos a ver a grandes rasgos
    algunos conceptos que intregran la materia de
    Tecnología
    de los Materiales,
    los cuales nos serviran para poder tener en
    claro algunas ideas que nos serviran para tener una
    comprensión mas clara de dicha materia, asi
    mismo nos permitira familiarizarnos con la industria del
    acero sus
    tratamientos y aplicaciones a la industria y a
    la vida diaria, algunos de los conceptos que trataremos sera:
    Historia de los
    materiales y su evolucion a travez de loa años, veremos
    que esto ha ejercido cierta influencia en las sociedades de
    todo el mundo, veremos la clasificacion de los materiales como
    son los metales,
    cerámicos y los plásticos,
    asi tambien veremos las propiedades físicas y
    químicas de dichos materiales y el como conocerlas nos
    permite trabajar de una manera mas eficiente con ellos tambien
    veremos las estructuras
    cristalinas, el como conocer la estructura
    interna de los materiales nos permite darles un mejor uso y que
    puedan se de mejor aprovechamiento, asi tambien los tratamientos
    termicos que dichos materiales pueden recibir con el objeto de
    darles una mayor durabilidad y mejor aplicaciones a la industria,
    otro aspecto que trataremos sera los aceros y como su uso y
    aplicaciones a lo largo del tiempo ha
    evolucionado y mejorado, algo que no podria faltar son los
    enlaces
    químicos y como conocerlos nos da ideas sobre el uso y
    aplicación de los materiales, anexaremos tambien un
    pequeño laboratorio de
    maquinas que su uso es las famosas pruebas de
    tensión, dureza, fatiga e impacto, las cuales nos permiten
    checar la calidad de los
    materiales de una manera cualitativa y cuantitativa veremos la
    grafica de Hierro Carburo
    de Hierro, la
    cual es usada en los procesos de
    fundición del acero, dicha
    grafica es de singular uso, ya que en ella se pueden observar
    todos los procesos de
    fundición del acero y de cómo este se trabaja,
    agregaremos tambien algunas microfotografias de las estructuras de
    la austenita, ferrita y otras, en ellas se puede observar los
    granos y tambien que distingue a una de la otra, es decir la
    micro estructura de
    los aceros, a lo largo de de este curso se prodran ver muchos
    conceptos que en su totalidad nos permiten asimilar como la
    industria de los materiales ha progresado y que aun los
    ingenieros hoy en dia trabajan con el unico fin de descubrir
    nuevos materiales y reinvantar los ya conocidos con el fin de
    mejorar la economia y poder
    aprovechar de manera optima los recursos que se
    tienen a la mano, a lo largo de las ultimas decadas este ha sido
    el queacer de la industria, no tan solo en los materiales sino en
    todas sus ramas, la evolucio de la industria y los nuevos tiempos
    traenmayores necesidades y es responsabilidad nuesra la optimizacion de los
    procesos industriales. Todas las industrias hoy
    buscan mejorar los procesod y poder reusar als mermas, todo como
    una cultura de
    reciclaje y
    mejora de la industria, la economia y el bienestar de la comunidad en
    conjunto; este trabajo tratara de darnos esas ideas para ser mas
    concientes y ademas para mejorar nuestro conocimiento
    de la ciencia y
    la tecnología de los materiales, debido a que no podemos
    quedarnos ausentes de los cambios que en nuestra industria se
    generan momento a momento, es de gran importancia el
    conocimiento de dichas tecnologías, aunque estas no
    esten presentes en nuestra vida de manera constante; esperamos
    que este material sea de provecho y utilidad para de
    uno u otro modo mejorar nuestra cultura de la
    industria y del uso adecuado y conciente de la materia prima,
    que de uno u otro modo debemos de ser cuidadosos en el uso que
    pretendamos darle a este recurso, los cambios dia con dia son
    irremediables y somos victimas de ellos y tenemos que caminar de
    la mano y a la par con ellos para poder sobrevivir
    económicamente, como economia nacional y vomo una economia
    individual, vera en este trabajo cada uno de los conceptos
    básicos que ayudan a saber y conocer mas de los
    materiales, ojala a medida que lo lea pueda disfrutar de el y
    hacer un uso correcto, el material es introductorio y no pretende
    ser un estudio detallado de los conceptos. Antes bien proporciona
    ideas y conceptos claros de esta ciencia y
    tecnología de los materiales, para el aprendis nuevo y
    deseoso de buscar.

    2. Historia de los materiales y
    su clasificación

    Los materiales son las sustancias que componen cualquier
    cosa o producto
    .Desde el comienzo de la civilización , los materiales
    junto con la energía han sido utilizados por el hombre para
    mejorar su nivel de vida. Como los productos
    están fabricados a base de materiales , estos se
    encuentran en cualquier parte alrededor nuestro .Los mas
    comúnmente encontrados son madera ,
    hormigón , ladrillo , acero , plástico ,
    vidrio , caucho ,
    aluminio ,
    cobre y
    papel .
    Existen muchos mas tipos de materiales y uno solo tiene que mirar
    a su alrededor para darse cuenta de ello . Debido al progreso de
    los
    programas de
    investigación y desarrollo ,
    se están creando continuamente nuevos materiales.
    La producción de nuevos materiales y el
    procesado de estos hasta convertirlos en productos
    acabados , constituyen una parte importante de nuestra economía actual. Los
    ingenieros diseñan la mayoría de los productos
    facturados y los procesos necesarios para su fabricación .
    Puesto que la producción necesita materiales , los
    ingenieros deben conocer de la estructura interna y propiedad de
    los materiales , de modo que sean capaces de seleccionar el mas
    adecuado para cada aplicación y también capaces de
    desarrollar los mejores métodos de
    procesado.

    Los ingenieros especializados en investigación trabajan para crear nuevos
    materiales o para modificar las propiedades de los ya existentes
    . Los ingenieros de diseño
    usan los materiales ya existentes , los modificados o los nuevos
    para diseñar o crear nuevos productos y sistemas .
    Algunas veces el problema surge de modo inverso : los ingenieros
    de diseño
    tienen dificultades en un diseño y requieren que sea
    creado un nuevo material por parte de los científicos
    investigadores e ingenieros.
    La búsqueda de nuevos materiales progresa continuamente .
    Por ejemplo los ingenieros mecánicos buscan materiales
    para altas temperaturas , de modo que los motores de
    reacción puedan funcionar mas eficientemente . Los
    ingenieros eléctricos procuran encontrar nuevos materiales
    para conseguir que los dispositivos electrónicos puedan
    operar a mayores velocidades y temperaturas .

    3. Tipos de
    materiales

    Por conveniencia la mayoria de los materiales de la
    ingenieria estan divididos en tres grupos
    principales materiales metálicos , poliméricos , y
    cerámicos

    Materiales metálicos .
    Estos materiales son sustancias inorgánicas que
    están compuestas de uno o mas elementos metálicos ,
    pudiendo contener también algunos elementos no
    metálicos , ejemplo de elementos metalicos son hierro
    cobre ,
    aluminio ,
    niquel y titanio mientras que como elementos no metalicos
    podriamos mencionar al carbono.
    Los materiales de cerámica , como los ladrillos , el vidrio la loza ,
    los ailantes y los abrasivos , tienen escasas conductividad tanto
    electrica como termica y aunque pueden tener buena resistencia y
    dureza son deficientes en ductilidad , conformabilidad y resistencia al
    impacto..
    Polimeros , en
    estos se incluyen el caucho (el hule) , los plásticos
    y muchos tipos de adhesivos . Se producen creando grandes
    estructuras moleculares apartir de moléculas
    orgánicas obtenidas del petroleo o productos
    agrícolas .

    Fases componentes de un sólido desde su
    estructura intermolecular
    Una sustancia pura como el agua puede
    existir en las fases sólido, liquido y gas, dependiendo
    de las condiciones de temperatura y
    presión. Un ejemplo familiar para todos de
    dos fases de una sustancia pura en equilibrio es
    un vaso de agua con cubos
    de hielo. En este caso el agua,
    sólida y liquida, da lugar a dos fases distintas separadas
    por una fase limite, la superficie de los cubos de hielo. Durante
    la ebullición del agua, el agua
    líquida y el agua vapor son dos fases en equilibrio.
    Una representación de las fases acuosas que existen bajo
    diferentes condiciones de presión y
    temperatura se
    muestra en
    la
    En el diagrama de
    fases presión-temperatura (PT} del agua existe un punto
    triple a baja presión (4579 torr) y baja temperatura
    (0,0098 0C) donde las fases sólida, liquida y
    gaseosa coexisten. Las fases liquida y gaseosa existen a lo largo
    de la línea de vaporización y las fases
    líquida y sólida a lo largo de la línea de
    congelación, como se muestra en la
    Figura 8.1. Estas lineas son lineas de equilibrio entre dos
    fases.
    El díagrama de fases en equilibrio (PT) se puede construir
    también para otras sustancias puras. Por ejemplo, el
    diagrama de
    fases de equilibrio PT del hierro puro se muestra en la Figura
    8.2. Una diferencia fundamental de este diagrama de fases es que
    tiene tres fases sólidas distintas y separadas: Fe alfa
    (~, Fe gamma (y) y Fe delta (~).
    El hierro ~ y <5 tiene estructuras cristalinas BBC, mientras
    el hierro y tiene una estructura FCC. Las fases limite en
    el estado
    sólido tienen las mismas propiedades que entre liquido y
    sólido. Por ejemplo, bajo condiciones de equilibrio, el
    hierro ~ y y puede existir a una temperatura de 910 0C
    y una atmósfera de presión. Por encima de
    910 0C sólo existe la fase y, y por debajo de
    910 0C sólo existe la fase ~ Hay también
    tres puntos triple en el díagrama PT del hierro donde las
    tres fases diferentes coexisten: (1) líquido, vapor Fe
    <5; (2) vapor, Fe <5 y Fe y; y (3) vapor, Fe y y Fe
    ~.enlaces existente para su configuración

    4. Enlaces existentes para
    su configuración.

    Enlaces metálicos
    En metales en
    estado
    sólido , los átomos se encuentran empaquetados
    relativamente muy juntos en una ordenación
    sistemática o estructura cristalina . Por ejemplo la
    disposición de los átomos de cobre en el cobre
    cristalino consiste que los átomos están tan juntos
    que sus electrones externos de valencia son atraídos por
    los núcleos de sus numeroso vecinos . En el caso del cobre
    sólido cada átomo
    está rodeado por otros 12 átomos más
    próximos . Los electrones de valencia no están por
    lo tanto asociados férreamente a un núcleo en
    particular y así es posible que se extiendan entre los
    átomos en forma de una nube electrónica de carga de baja densidad o
    gas
    electrónico. Los átomos en un enlace
    metálico sólido se mantienen juntos por enlace
    metálico para lograr un estado de
    más baja energía ( o más estable) . Para el
    enlace metálico no hay restricciones sobre pares
    electrónicos como en el enlace covalente o sobre la
    neutralidad de carga como en el enlace iónico . En el
    enlace metálico los electrones de valencia más
    externos de los átomos son compartidos por muchos
    átomos circundantes y de este modo , en general , el
    enlace metálico no resulta direccional Fuerzas de van der
    Waals
    Excepto en un gas muy dispersado las moléculas ejercen
    atracciones y repulsiones entre sí . Estas proceden
    fundamentalmente de interacciones dipolo-dipolo . Las
    moléculas no polares se atraen entre sí mediante
    interacciones débiles dipolo-dipolo llamadas fuerzas de
    London que surgen como consecuencia de dipolos inducidos en una
    molécula por otra. En este caso los electrones de una
    molecula son debilmente atraídos hacia el nucleo de otra
    pero entonces los electrones de esta son repelidos por los
    electrones de la primera. El resultado es una distribución desigual de la densidad electrónica y , en consecuencia , un dipolo
    incluido . Las diferentes interacciones dipolo-dipolo (atractivas
    y repulsivas) se denominan conjuntamente fuerzas de van der Waals
    . La distancia entre las moléculas juega un importante
    papel en la
    intensidad de dichas fuerzas . Se llama radio de van der
    Waals a la distancia a la que la fuerza
    atractiva es máxima .Cuando dos átomos se aproxima
    a distancias mas cortas que el radio de van der
    Waals , se desarrollan fuerzas repulsivas entre los
    núcleos y las capas electrónicas . Cuando la
    distancia entre dos moléculas es mayor al radio de van der
    Waals las fuerzas atractivas entre las moléculas
    disminuyen.

    Enlace iónico
    Los enlaces iónicos se pueden formar entre elementos muy
    electropositivos (metálicos) y elementos muy
    electronegativos (no metales) . En el proceso de
    ionización los electrones son transferidos desde los
    átomos de los elementos electropositivos a los
    átomos de los elementos electronegativos , produciendo
    cationes cargados positivamente y aniones cargados negativamente
    . Las fuerzas de enlace son debidas a la fuerza de
    atracción electrostática o culombiana entre iones con
    carga opuesta . Los enlaces ionicos se forman entre iones
    opuestamente cargados por que se produce una disminución
    neta de la energía potencial para los iones
    enlazados

    Enlace covalente
    Un segundo tipo de enlace atómico primario es el enlace
    covalente . Mientras el enlace iónico involucra
    átomos muy electropositivos y electronegativos , el enlace
    covalente se forma entre átomos con pequeñas
    diferencias de electronegatividad y ubicados muy próximos
    en la tabla
    periódica . En el enlace covalnete los átomos
    generalmente comparten sus electrones externos s y p como otros
    átomos , de modo que cada átomo
    alcanza la configuración de gas noble. En un enlace
    covalente sencillo cada uno de los átomos contribuye con
    un electrón a la formación del par de electrones de
    enlace , y las energías de los dos átomos asociadas
    con el enlace covalente son menores (mas estables) como
    consecuencia de la interacción de los electrones . En el
    enlace covalente , se pueden formar enlaces mútiples de
    pares de eletrones por un átomo consigo mismo o con otros
    átomos.

    Redes cristalograficas existentes
    Sistemas
    cristalográficos
    Los cristalógrafos han
    demostrado que son necesarias solo siete tipos diferentes de
    celda unidad para crear todas las redes puntuales . La mayor
    parte de etos siete sistemas cristalinos presentan variaciones de
    la celda unida básica . A. J. Bravais mostró que
    catorce celdas unidad estándar podian describir todas las
    estructuras reticulares posibles .Hay cuatro tipos de celdas
    unidad :

    • Sencilla
    • Centrada en el cuerpo
    • Centrada en las caras
    • Centrada en la base

    En el sistema
    cúbico hay tres tipos de celdas unidad : cúbica
    sencilla , cúbica centrada en el cuerpo y cúbica
    centrada en las caras. En el sistema
    ortorrómbico están representados los cuatro tipos .
    En el sistema tetragonal hay solo dos: sencilla y centrada en el
    cuerpo. En el sistema monoclínico tiene celdas unidad
    sencilla y centrada en la base , y los sistemas
    romboedríco hexagonal y triclínico, tienen solo una
    celda unidad .

    Estructuras cristalográficas
    La mayoría de los metales elementales alrededor del 90 %
    cristalizan en tres estructuras cristalinas densamente
    enpaquetadas : cúbica centrada en el cuerpo (BCC) ,
    cúbica centrada en las caras (FCC) y hexagonal compacta
    (HCP) . La estructura HCP es una modificación más
    densa de la estructura cristalina hexagonal sencilla . La mayor
    parte de los metales cristalizadas en esas estructuras densamente
    enpaquetadas debido a que se libera energía a medida que
    los átomos se apróximan y se enlazan cada vez
    más estrechamente entre sí . De este modo , dichas
    estructuras densamente enpaquetadas se encuentran es
    disposiciones u ordenamientos de energía cada vez
    más baja y estable Examinemos ahora detalladamente la
    disposición de los átomos en las celdas unidad de
    las tres principales estructuras cristalinas . Aunque solo sea
    una aproximación consideremos a los átomos de estas
    estructuras como esferas rígidas. La distancia entre los
    átomos en las estructuras cristalinas puede ser
    determinado experimentalmente por análisis de rayos X. Por
    ejemplo , la distancia interatómica entre dos
    átomos de aluminio en un fragmento de aluminio puro a 20
    0 C es 0.2862 nm.
    Se considera que el radio del aluminio en el aluminio metal es la
    mitad de la distancia interatómica , o 0.143
    nm.

    Planos cristalinos
    Dirección en la celda
    A menudo , es necesario referirnos a posiciones
    específicas en las redes cristalinas . Esto es
    especialmente importante para metales y aleaciones con
    propiedades que varían con la orientación
    cristalográfica . Para cristales cúbicos los
    indices de las direcciones cristalográficas son los
    componentes vectoriales de las direcciones resueltos a lo largo
    de cada eje coordenado y reducido a los enteros mas
    pequeños .
    Para indicar en un diagrama la dirección en una celda cúbica
    unitaria dibujamos un vector de dirección desde el origen
    (que es normalmente una esquina de la celda cúbica) hasta
    que sale la superficie del cubo .Las coordenadas de
    posición de la celda unidad donde el vector de
    posición sale de la superficie del cubo despues de ser
    convertidas a enteros son los indices de dirección .Los
    indices de dirección se encierran entre corchetes sin
    separación por comas.

    Planos en una celda unitaria
    Las superficise cristalinas en celdillas unidad HCP pueden ser
    identificadas comúnmente utilizando cuatro indices en
    lugar de tres. Los indices para los planos cristalinos HCP
    ,llamados indices Miller-Bravais, son designados por las letras h
    , k , i , l y encerrados entre parentesis ( hkil ) . estos
    indices hexagonales de 4indices estan basados en un sistema
    coordenado de 4 ejes .
    Existen 3 ejes basicos , a1 , a2 ,
    a3, que forman 1200 entre si. El cuarto eje
    o eje c es el eje vertical y esta localizado en el centro de la
    celdilla unidad . La unidad a de medida a lo largo de los ejes
    a1 a2 a3 es la distancia entre
    los átomos a lo largo de estos ejes .la unidad de medida a
    lo largo del eje es la altura de la celdilla unidad . Los
    recíprocos de las intersecciones que un plano cristalino
    determina con los ejes , a1 , a2 ,
    a3 proporciona los indices h , k e i mientras el
    recíproco de la intersección con el eje c da el
    índice l

    Notación para planos
    Los planos basales de la celdilla unidad HCP son muy importantes
    para esta celdilla unidad puesto que el plano basal de la
    celdilla HCP es pralelo a los ejes , a1 ,
    a2 , a3 las intersecciones de este plano
    con estos ejes serán todas de valor infinito
    . Así , a1 = ¥ , a2 = ¥
    a3 = ¥ El eje c , sin embargo , es unico puesto
    que el plano basal superior intersecciona con el eje c a una
    distancia unidad . Tomando los reciprocos de estas intersecciones
    tenemos los indices de Miller-Bravais para el plano Basal HCP.
    Así , H =0 K=0 I = 0 y L=1. El plano basal es , por tanto
    un plano cero-cero-cero-uno o plano (0001) .

    Importancia del indice de Milller
    A veces es necesario referirnos a planos reticulares
    específicos de átomos dentro de una estructura
    cristalina o puede ser interesante conocer la orientación
    cristalográfica de un plano o grupo de
    planos en una red
    cristalina. Para identificar planos cristalinops es estructuras
    cristalinas cúbicas se usa la notación de Miller .
    Los indices de Miller de un plano cristalino estan definidos como
    los reciprocos de las intersecciones , que el plano determina con
    los ejes x , y , z de los tres lados no paralelos del cubo
    unitario .Las aristas de una celda cúbica unitaria
    presentan longitudes unitarias y las intersecciones de los planos
    de una red se miden
    en base a estas longitudes unitarias .El procedimiento de
    determinación de los indices de Miller para un plano de un
    cristal cúbico es el siguiente:

    • Escoger un plano que no pase por el origen en
      (0,0,0)
    • Determinar las interacciones del plano en base a los
      ejes x,y,z cristalográficos para un cubo unitario ,
      estas interacciones pueden ser fraccionarias
    • Construir los recíprocos de estas
      intersecciones

    Despejar fracciones y determinar el conjunto mas
    pequeño de números esteros que estén en la
    misma razón que las intersecciones. Esos números
    enteros son los índices de Miller de un plano
    cristalográfico y se encierran entre paréntesis sin
    usar comas. La notación (hkl) se usa para indicar
    índices de Miller en sentido general , donde h ,k, y l son
    los indices de Miller para un plano de un cristal cúbico
    de ejes x,y,z respectivamente.

    5. Estructuras
    cristalinas

    La primera clasificación que se puede hacer de
    materiales en estado sólido, es en función de
    cómo es la disposición de los átomos o iones
    que lo forman. Si estos átomos o iones se colocan
    ordenadamente siguiendo un modelo que
    se  repite en las tres direcciones del espacio, se dice que
    el material es cristalino. Si los átomos o iones se
    disponen de un modo totalmente aleatorio, sin seguir
    ningún tipo de secuencia de ordenamiento,
    estaríamos ante un material no cristalino ó amorfo.
    En el siguiente esquema se indican los materiales sólidos
    cristalinos y los no cristalinos.

     En el caso de los materiales cristalinos, existe
    un ordenamiento atómico (o iónico) de largo alcance
    que puede ser estudiado con mayor o menor dificultad. Ahora bien,
    realmente ¿necesitamos estudiar los materiales a nivel
    atómico?.

    Para responder a esta cuestión, podemos estudiar
    las principales propiedades de dos materiales tan conocidos como
    son el grafito (Fig.1) y el diamante (Fig.2). El grafito es uno
    de los materiales más blandos (tiene un índice de
    dureza entre 1y 2 en la escala Mohs), es
    opaco (suele tener color negro), es
    un buen lubricante en estado sólido y conduce bien la
    electricidad.
    Por contra, el diamante es el material más duro que existe
    (10 en la escala Mohs), es
    transparente, muy abrasivo y un buen aislante
    eléctrico. 

    Como vemos, son dos materiales cuyas principales
    propiedades son antagónicas. Pero, si pensamos en sus
    componentes, nos damos cuenta que tanto uno como el otro
    están formados únicamente por carbono.
    Entonces, ¿a que se debe que tengan propiedades tan
    dispares?. La respuesta está en el diferente modo que
    tienen los átomos de carbono de enlazarse y ordenarse
    cuando forman grafito y cuando forman diamante; es decir, el
    grafito y el diamante tienen distintas estructuras
    cristalinas.     
    Ruina Universal de Ensayos
    capacidad máxima de 120kN (12 t), con cuatro escalas, se
    realizan ensayos de
    tensión, compresión, flexión y corte.
    Durómetro Universal Digital:  durezas Rockwell,
    Brinell y Vickers.
    Péndulo de Impacto:  ensayos según métodos
    Charpy e Izod, capacidad máxima 300J.  Para
    metales.
    Péndulo de Impacto para Plásticos:  capacidad
    máxima aproximada 8J.
    Cámara Climática:  ensayos con temperatura y
    humedad variable.
    Máquina de Fatiga por Flexión Rotativa: 
    capacidad máxima de 270kg*cm.

    6. Aceros.

    No se conoce con exactitud la fecha en que se
    descubrió la técnica de fundir mineral de hierro
    para producir el metal para ser utilizado. Los primeros
    utensilios de hierro descubiertos por los arqueólogos en
    Egipto datan
    del año 3.000 a.c., y se sabe que antes de esa
    época se empleaban adornos de hierro; los griegos ya
    conocían hacia el 1.000 a.c, la técnica de cierta
    complejidad para endurecer armas de hierro
    mediante tratamiento térmico.
    Las aleaciones
    producidas por los primeros artesanos del hierro (y, de hecho,
    todas las aleaciones de hierro fabricadas hasta el siglo XIV
    d.c.) se clasifican en la actualidad como hierro forjado. Para
    producir esas aleaciones se calentaba una masa de mineral de
    hierro y carbón vegetal en un horno o forja con tiro
    forzado. Ese tratamiento reducía el mineral a una masa
    esponjosa de hierro metálico lleno de una
    escoria formada por impurezas metálicas y cenizas de
    carbón vegetal. Esta esponja de hierro se retiraba
    mientras permanecía incandescente y se golpeaba con
    pesados martillos para expulsar la escoria y dejar el hierro. El
    hierro producido en esas condiciones solía contener un 3%
    de partículas de escoria y un 0,1% de otras impurezas. En
    ocasiones esta técnica de fabricación
    producía accidentalmente
    auténtico acero en lugar de hierro forjado. Los artesanos
    del hierro aprendieron a fabricar acero calentando hierro forjado
    y carbón vegetal en recipientes de arcilla durante varios
    días, con lo que el hierro absorbía suficiente
    carbono para convertirse en acero.

    Después del siglo XIV se aumentó el
    tamaño de los hornos utilizados para la fundición y
    se incrementó el tiro para forzar el paso de los gases de
    combustión por la carga o mezcla de
    materias primas. En estos hornos de mayor tamaño el
    mineral de hierro de la parte superior del horno se
    reducía a hierro metálico y a continuación
    absorbía más carbono como resultado de los gases que lo
    atravesaban. El producto de
    estos hornos era el llamado arrabio, una aleación que
    funde a una temperatura menor que el acero o el hierro forjado.
    El arrabio se refinaba después para fabricar acero.
    La producción moderna de arrabio emplea altos hornos que
    son modelos
    perfeccionados de los usados antiguamente. El proceso de
    refinado del arrabio para la producción de acero mediante
    chorros de aire se debe al
    inventor británico Henry Bessemer, que en 1855
    desarrolló el horno o convertidor que lleva su nombre.
    Desde la década de 1960 funcionan varios minihornos que
    emplean electricidad para
    producir acero a partir de chatarra.
    Las aleaciones de hierro y carbono -aceros y fundiciones- son las
    aleaciones metálicas más importantes de la
    civilización actual. Por su volumen, la
    producción de fundición y de acero supera en
    más de diez veces la producción de todos los
    demás metales juntos.
    Corrientemente se da el nombre de acero y fundición, a las
    aleaciones hierro – carbono (si tienen más del 2% de C son
    fundiciones y si tienen menos del 2% de C son aceros).
    El hierro forma soluciones con
    muchos elementos: con los metales, soluciones por
    sustitución, con el carbono, nitrógeno e
    hidrógeno, soluciones por inserción.

    La solubilidad del carbono en el hierro depende de la
    forma cristalográfica en que se encuentra el hierro. La
    solubilidad del carbono en el hierro ( cúbica de cuerpo
    centrado) es menor que el 0,02% y en el hierro (cúbica da
    caras centradas) es hasta el 2%.
    Se distinguen tres grupos de aceros
    al carbono: eutectoides, que contienen cerca de un 0,8% de C,
    cuya estructura está constituida únicamente por
    perlita: Hipoeutectoides, que contienen menos del 0,8% de C, con
    estructura formada por ferrita y perlita; e Hipereutectoides, que
    contienen del 0,8 al 2% de C y cuya estructura consta de perlita
    y cementita.

    7. Microestructuras De Los
    Aceros

    Los constituyentes metálicos que pueden
    presentarse en los aceros al carbono son: ferrita, cementita,
    perlita, sorbita, troostita, martensita, bainita, y rara vez
    austenita, aunque nunca como único constituyente.
    También pueden estar presentes constituyentes no
    metálicos como óxidos, silicatos, sulfuros y
    aluminatos.
    El análisis de las microestructuras de los
    aceros al carbono recocidos y fundiciones blancas deben
    realizarse en base al diagrama metaestable Hierro-carburo de
    hierro o Cementita.

    Diagrama Fe-C
    Las microestructuras que presenta el diagrama de equilibrio para
    los aceros al carbono son:
    FERRITA (Hierro a)
    Es una solución sólida de carbono en hierro alfa,
    su solubilidad a la temperatura ambiente es
    del orden de 0.008% de carbono, por esto se considera como hierro
    puro, la máxima solubilidad de carbono en el hierro alfa
    es de 0,02% a 723 °C. 

    Microestructura del acero al carbono, cristales blancos
    de ferrita
    La ferrita es la fase más blanda y dúctil de los
    aceros, cristaliza en la red cúbica centrada
    en el cuerpo, tiene una dureza de 90 Brinell y una resistencia a
    la tracción de 28 kg/mm2, llegando hasta un alargamiento
    del 40%. La ferrita se obsera al microscopio como
    granos poligonales claros.
    En los aceos, la ferrita puede aparecer como cristales mezclados
    con los de perlita, en los aceros de menos de 0.6%C, figura 6;
    formando una red o
    malla que limita los granos de perlita, en los aceros de 0.6 a
    0.85%C en forma de agujas o bandas circulares orientados en la
    dirección de los planos cristalográficos de la
    austenita como en los aceros en bruto de colada o en aceros que
    han sido sobrecalentados. Este tipo de estructura se denomina
    Widmanstatten.
    La ferrita también aparece como elemento eutectoide de la
    perlita formando láminas paralelas separadas por otras
    láminas de cementita, en la estructura globular de los
    aceros de herramientas
    aparece formando la matriz que
    rodea los glóbulos de cementita, figura 9, en los aceros
    hipoeutectoides templados, puede aparecer mezclada con la
    martensita cuando el temple no ha sido bien efectuado.

    8. Cementita

    Es el carburo de hierro de fórmula Fe3C, contiene
    6.67 %C y 93.33 % de hierro, es el microconstituyente más
    duro y frágil de los aceros al carbono, alcanzando una
    dureza Brinell de 700 (68 Rc) y cristaliza en la red
    ortorómbica.

    Microestructura del acero 1%C, red blanca de
    dementita
    En las probetas atacadas con ácidos se
    observa de un blanco brillante y aparece como cementita primaria
    o proeutéctica en los aceros con más de 0.9%C
    formando una red que envuelve los granos de perlita, formando
    parte de la perlita como láminas paralelas separadas por
    otras láminas de ferrita, se presenta en forma de
    glóbulos o granos dispersos en una matriz de
    ferrita, cuando los aceros de alto carbono se han sometido a un
    recocido de globulización, en los aceros hipoeutectoides
    que no han sido bien templados.

    Perlita
    Es el microconstituyente eutectoide formado por capas alternadas
    de ferrita y cementita, compuesta por el 88 % de ferrita y 12 %
    de cementita, contiene el 0.8 %C. Tiene una dureza de 250
    Brinell, resistencia a la tracción de 80 kg/mm2 y un
    alargamiento del 15%; el nombre de perlita se debe a las
    irisaciones que adquiere al iluminarla, parecidas a las perlas.
    La perlita aparece en general en el enfriamiento lento de la
    austenita y por la transformación isotérmica de la
    austenita en el rango de 650 a 723°C.

    Microestructura del acero al carbono, cristales oscuros
    de perlita
    Si el enfriamiento es rápido (100-200°C/seg.), la
    estructura es poco definida y se denomina Sorbita, si la perlita
    laminar se somete a un recocido a temperatura próxima a
    723°C, la cementita adopta la forma de glóbulos
    incrustados en la masa de ferrita, denominándose perlita
    globular.

    Austenita
    Es el constituyente más denso de los aceros y está
    formado por una solución sólida por
    inserción de carbono en hierro gamma. La cantidad de
    carbono disuelto, varía de 0.8 al 2 % C que es la
    máxima solubilidad a la temperatura de 1130 °C. La
    austenita no es estable a la temperatura ambiente pero
    existen algunos aceros al cromo-níquel denominados
    austeníticos cuya estructura es austenita a temperatura
    ambiente.
    La austenita está formada por cristales cúbicos
    centrados en las caras, con una dureza de 300 Brinell, una
    resistencia a la tracción de 100 kg/mm2 y un alargamiento
    del 30 %, no es magnética.

    Microestructura de la austenita
    La austenita no puede atarcarse con nital, se disuelve con agua
    regia en glicerina apareciendo como granos poligonales
    frecuentemente maclados, puede aparecer junto con la martensita
    en los aceros templados.

    Martensita
    Es el constituyente de los aceros templados, está
    conformado por una solución sólida sobresaturada de
    carbono o carburo de hierro en ferrita y se obtiene por
    enfriamiento rápido de los aceros desde su estado
    austenítico a altas temperaturas.
    El contenido de carbono suele variar desde muy poco carbono hasta
    el 1% de carbono, sus propiedades físicas varían
    con su contenido en carbono hasta un máximo de 0.7
    %C.

    Microestructura de la martensita
    La martensita tiene una dureza de 50 a 68 Rc, resistencia a la
    tracción de 170 a 250 kg/mm2 y un alargamiento del 0.5 al
    2.5 %, muy frágil y presenta un aspecto acicular formando
    grupos en zigzag con ángulos de 60 grados.
    Los aceros templados suelen quedar demasiado duros y
    frágiles, inconveniente que se corrige por medio del
    revenido que consiste en calentar el acero a una temperatura
    inferior a la crítica inferior (727°C), dependiendo de
    la dureza que se desee obtener, enfriándolo luego al
    aire o en
    cualquier medio.

    Troostita
    Es un agregado muy fino de cementita y ferrita, se produce por un
    enfriamiento de la austenita con una velocidad de
    enfriamiento ligeramente inferior a la crítica de temple o
    por transformación isotérmica de la austenita en el
    rango de temperatura de 500 a 6000C, o por revenido a 4000C.
    Sus propiedades físicas son intermedias entre la
    martensita y la sorbita, tiene una dureza de 400 a 500 Brinell,
    una resistencia a la tracción de 140 a 175 kg/mm2 y un
    alargamiento del 5 al 10%. Es un constituyente nodular oscuro con
    estructura radial apreciable a unos 1000X y aparece generalmente
    acompañando a la martensita y a la austenita

    Sorbita
    Es también un agregado fino de cementita y ferrita. Se
    obtiene por enfriamiento de la austenita con una velocidad de
    enfriamiento bastante inferior a la crítica de temple o
    por transformación isotérmica de la austenita en la
    zona de 600 a 650%, o por revenido a la temperatura de 600%. Su
    dureza es de 250 a 400 Brinell, su resistencia a la
    tracción es de 88 a 140 kg/mm2 ,con un alargamiento del 10
    al 20%.
    Con pocos aumentos aparece en forma muy difusa como manchas, pero
    con 1000X toma la forma de nódulos blancos muy finos sobre
    fondo oscuro, figura 16; de hecho tanto la troostita como la
    sorbita pueden considerarse como perlita de grano muy fino.

    Bainita
    Es el constituyente que se obtiene en la transformación
    isotérmica de la austenita cuando la temperatura del
    baño de enfriamiento es de 250 a 500°C. Se diferencian
    dos tipos de estructuras: la bainita superior de aspecto
    arborescente formada a 500-580°C, compuesta por una matriz
    ferrítica conteniendo carburos. Bainita inferior, formada
    a 250-4000C tiene un aspecto acicular similar a la martensita y
    constituida por agujas alargadas de ferrita que contienen
    delgadas placas de carburos.
    La bainita tiene una dureza variable de 40 a 60 Rc comprendida
    entre las correspondientes a la perlita y a la martensita.
    Los constituyentes que pueden presentarse en los aceros aleados
    son los mismos de los aceros al carbono, aunque la austenita
    puede ser único contituyente y además pueden
    aparecer otros carburos simples y dobles o complejos.

    La determinación del tamaño de grano
    austenítico o ferrítico, puede hacerse por la norma
    ASTM o por comparación de la microfotografías de la
    probeta a 100X, con las retículas patrón numeradas
    desde el 1 para el grano más grueso hasta el 8 para el
    grano más fino.
    En el sistema ASTM el grosor del grano austenitico se indica con
    un número convencional n, de acuerdo con la formula:
    logG=(n-1)log2
    Donde G es el número de granos por pulgada cuadrada sobre
    una imagen obtenida a
    100 aumentos; este método se
    aplica a metales que han recristalizado completamente, n es el
    número de tamaño de grano de uno a ocho.
    Forma, tamaño y distribución de los cristales o granos en
    la microestructura del acero para comparación a 100X
    Cualquier proceso de producción de acero a partir del
    Arrabio consiste en quemar el exceso de carbono y otras impurezas
    presentes en el hierro.
    Una dificultad para la fabricación del acero es su elevado
    punto de fusión,
    1.400ºC aproximadamente, que impide utilizar combustibles y
    hornos convencionales.
    Para superar esta dificultad, se han desarrollado 3 importantes
    tipos de hornos para el refinamiento del Acero, en cada uno de
    estos procesos el oxígeno
    se combina con las impurezas y el carbono en el metal fundido. El
    oxígeno
    puede introducirse directamente mediante presión dentro o
    sobre la carga a través del oxígeno en el aire, o
    en forma de óxidos de hierro o herrumbre en la chatarra.
    Esto oxidará algunas impurezas, las que se perderán
    como gases, mientras otras impurezas reaccionarán con la
    piedra caliza fundida para formar una escoria que será
    colada posteriormente.

    9. Tipos de
    hornos

    Horno de hogar abierto o crisol
    El horno de hogar abierto semeja un horno enorme, y se le
    denomina de esta manera porque contiene en el hogar (fondo) una
    especie de piscina larga y poco profunda (6m de ancho, por 15 m
    de largo, por 1 m de profundidad, aproximadamente).
    El horno se carga en un 30% a un 40% con chatarra y piedra
    caliza, empleando aire pre-calentado, combustible líquido
    y gas para la combustión, largas lenguas de fuego pasan
    sobre los materiales, fundiéndolos. Al mismo tiempo, se quema
    (o se oxida) el exceso de carbono y otras impurezas como el
    fósforo, silicio y manganeso.
    Este proceso puede acelerarse introduciendo tubos refrigerados
    por agua (lanzas), los que suministran un grueso flujo de
    oxígeno sobre la carga.
    Periódicamente, se revisan muestras de la masa fundida en
    el laboratorio
    para verificar la composición empleando un instrumento
    denominado espectrómetro. También se determinan los
    niveles de carbono.
    Si se está fabricando acero de aleación, se
    agregarán los elementos de aleación deseados.
    Cuando las lecturas de composición son correctas, el horno
    se cuela y el acero fundido se vierte en una olla de colada.
    El proceso completo demora de cinco a ocho horas, mientras que el
    Horno de Oxígeno Básico produce la misma cantidad
    de acero en 45 minutos aproximadamente. Debido a esto, este horno
    ha sido virtualmente reemplazado por el de Oxígeno
    Básico.

    Horno De Oxigeno
    Basico
    Es un horno en forma de pera que puede producir una cantidad
    aproximadamente de 300 toneladas de acero en alrededor de 45
    minutos.

    El horno se inclina desde su posición vertical y
    se carga con chatarra de acero fría (cerca de un 25%) y
    luego con hierro derretido, después de ser devuelto a su
    posición vertical, se hace descender hacia la carga una
    lanza de oxígeno refrigerada por agua y se fuerza sobre
    ella un flujo de oxígeno puro a alta velocidad durante 20
    minutos. Este actúa como fuente de calor y para
    la oxidación de las impurezas.
    Tan pronto como el chorro de oxígeno comienza, se agrega
    la cal y otros materiales fundentes. La reacción química resultante
    desarrolla una temperatura aproximada de 1.650º C. El
    oxígeno se combina con el exceso de carbono acabando como
    gas y se combina también con las impurezas para quemarlas
    rápidamente. Su residuo es absorbido por la capa flotante
    de escoria.
    Después de haberse completado la inyección de
    oxígeno, se analiza el contenido de carbono y la
    composición química de diversas
    muestras de la masa fundida.
    Cuando la composición es correcta, el horno se inclina
    para verter el acero fundido en una olla de colada.
    Aunque se pueden producir algunos aceros de aleación con
    este proceso, el ciclo de tiempo aumenta considerablemente,
    eliminando así su ventaja principal. Consecuentemente, el
    proceso de oxígeno básico, como el del hogar
    abierto, se emplea generalmente para producir altos tonelajes de
    acero con un bajo nivel de carbono, que son los de mayor consumo. Estos
    aceros con bajo nivel de carbono se utilizan para barras,
    perfiles y planchas gruesas y delgadas.

    Horno De Arco Electrico

    Es el más versátil de todos los hornos
    para fabricar acero. No solamente puede proporcionar altas
    temperaturas, hasta 1.930ºC, sino que también puede
    controlarse eléctricamente con un alto grado de
    precisión.
    Debido a que no se emplea combustible alguno, no se introduce
    ningún tipo de impurezas. El resultado es un acero
    más limpio.
    Consecuentemente, puede producir todo tipo de aceros, desde
    aceros con regular contenido de carbono hasta aceros de alta
    aleación, tales como aceros para herramientas,
    aceros inoxidables y aceros especiales para los cuales se emplea
    principalmente. Otras ventaja sobre el Horno de Oxígeno
    Básico es que puede operar con grandes cargas de chatarra
    y sin hierro fundido.
    El Horno de Arco Eléctrico se carga con chatarra de acero
    cuidadosamente seleccionada. El arrabio fundido se emplea
    raramente. Si la carga de chatarra es muy baja en carbono, se
    agrega coque (el cual es casi puro carbono) o electrodos de
    carbono de desecho, para aumentar así su nivel.
    Al aplicarse la corriente
    eléctrica, la formación del arco entre los
    electrodos gigantes produce un calor intenso.
    Cuando la carga se ha derretido completamente, se agregan dentro
    del horno cantidades medidas de los elementos de aleación
    requeridos.
    La masa fundida resultante se calienta, permitiendo que se quemen
    las impurezas y que los elementos de aleación se mezclen
    completamente.
    Para acelerar la remoción del carbono, el oxígeno
    gaseoso se introduce generalmente en forma directa dentro de
    acero fundido por medio de un tubo o lanza. El oxígeno
    quema el exceso de carbono y algunas de las impurezas, mientas
    otras se desprenden como escoria por la acción de varios
    fundentes.
    Cuando la composición química de la masa fundida
    cumple con las especificaciones, el horno se inclina para verter
    el acero fundido dentro de una olla de colada.
    Este horno puede producir una hornada de acero en un
    período de dos a seis horas, dependiendo del horno
    individual.

    Cromado
    Es una técnica de protección contra la corrosión que tiene muchas variantes y se
    puede aplicar al acero, aluminio, magnesio, y zinc. Esto resulta
    en la formación de óxidos metálicos en la
    superficie de la pieza de trabajo que reacciona para formar
    cromatos metálicos. El cromado de aluminio y magnesio
    mejora la resistencia a la corrosión considerablemente. Con el acero
    es mucho menos permanente.

    Galvanizado
    Es una técnica para protección contra la
    corrosión que se aplica solo a aceros suaves, hierro
    fundido y aleaciones de acero en donde las piezas de trabajo son
    sumergidas en zinc liquido a una temperatura de 500ºC. Se
    forma en la superficie de la pieza de trabajo una aleación
    de zinc/hierro dándole a la pieza una capa adherente de
    zinc.
    Antes del galvanizado, la superficie del metal debe encontrarse
    en un estado moderado de limpieza. Esto se cumple generalmente
    por la limpieza ácida o blasteado ligero.
    Las capas galvanizadas son de aproximadamente 0.005 pulgadas de
    grosor y pueden dar una protección por 10 o 20
    años.

    Nitrurizado
    Es un proceso para endurecimiento de superficies utilizado solo
    en ciertos tipos de aceros, que resulta en una de las superficies
    más duras alcanzables por tratamientos con calor. El
    proceso consiste en mantener las piezas de trabajo en una
    atmósfera
    de amoniaco a 500ºC por un máximo de 100 horas. Bajo
    estas condiciones el nitrógeno atómico se combina
    con el hierro en la superficie para formar nitrato de hierro. El
    nitrógeno lentamente se difunde en la superficie siempre y
    cuando se mantenga la temperatura adecuada. Por lo que el grosor
    de la superficie endurecida resultante depende de la
    duración del tratamiento por calor.

    10.
    Conclusiones

    Es sin duda impresionante la manera en la que han
    evolucionado los materiales y lo importante que es conocer sus
    propiedades no tan solo físicas o mecánicas sino
    también a otro nivel como bien podría ser a nivel
    atómico ya que de esto depende en buena parte el
    comprender como habrá de comportarse un material en
    ciertas condiciones y de esa manera conjeturar algunas características como su dureza o su
    resistencia a algunos esfuerzos, la verdad este curso de
    Materiales ha resultado de mucho provecho para cada uno de
    nosotros los alumnos de ingenieria, hemos aprendido como conocer
    a los materiales por sus propiedades asi como por su tipo, sus
    estructuras internas y externas, que nos llevamos del curso?,
    conocimiento
    provechoso y una mayor conciencia de los
    materiales y su aprovechamiento a lo largo de este curso y a lo
    largo de la historia, conocer nuestro entorno es sumamente
    importante y poder aprovecharlo y modificarlo nos dara mayor
    comodidad y tambien una mayor economia en base al aprovechaniento
    que de el obtengamos, podemos sin lugar a dudas decir que los
    materiales forman una parte importante de la sociedad actual,
    a donde usted mire encontrara diversos materiales en sus miles de
    formas y modificaciones que el hombre, el
    ingeniero ha hecho con el unico propósito de sacar mayor
    ventaja y poder adaptar su medio a las circunstancias requeridas
    en su momento, la sociedad cambia y
    con ella sus necesidades de toda indole, la industria evoluciona
    constantemente al igual que la ciencia,
    gracias a estos cambios podemos ir adelantes y no ser victima de
    la estatica, hay cambios, hay dinamica, pero esto exije cambios,
    tan necesarios y grandes como se desen, quizas hasta se requira
    cambios sociales, cambios de actitud y
    quizas hasta cambios de estructuras economicas y gubernamentales.
    La industria a mejorado y progresado a pasos acelerados durante
    las ultimas tres decadas, el uso de los aceros y toda clase de
    metales se ha hecho mucho mas comun en las sociedades, la
    industrialización a exigido el uso de mas y mejores
    materiales para su desarrollo,
    hoy tenemos cubierta la mayoria de esas necesidades, pero falta
    mucho por recorrer, realmente no sabemos hacia donde la sociedad
    con sus industrias, su
    ciencia y su
    tecnología vayan, lo que si sabemos es que tenemos que ser
    concientes de los cambios y prepararnos para ellos, el
    afrontarlos adecuadamente, marcara la diferencia entre las
    economias fuertes, las debiles y las que deben perecer a causa de
    la mediocridad y la falta de actitud
    adecuada, podemos mirar hacia veinte años atrás y
    ver cuantos cambios al dia de hoy se han dado y como las
    industrias exitosas los afrontaron y como otros hoy ni su
    recuerdo queda; una actitud y las acciones
    adecuadas han permitido el desarrollo de tecnologías
    nuevas y en gran manera mucho mejores que las de hace tan solo
    diez o cinco años, el progreso nos arrastra y es mejor
    remar en el sentido que el se desarrolla para ser mejores,
    tambien no podemos estar a expensas de casar tecnologías,
    tenemos la obligación de desarrollarlas y sacar adelante a
    nuestro pais, su economia, no basta saber manejar la
    tecnología, sino ser padres de ella y poder sacarle el
    máximo de provecho, hoy es tiempo de contribuir y de
    mejorar, de lo contrario el resago nos atrapara y pagaremos caro
    una mala actitud, que en mucho pudimos corregir y que no
    estuvimos dispuestos. Ojalaesto sirva para visualizar, que un
    buen salario es bueno,
    pero aportar a este pais alguna idea, algun proyecto, algun
    invento; es todavía mucho mejor, el tiempo cambia,
    nosotros debemos hacerlo para bien de la comunidad y no
    tan solo para provecho personal, ojala
    pronto podamos reconocer la falta de una buena actitud y ser
    protagonistas en la tecnología, ser ser maestros y no
    aprendices.

    11. Bibliografía.

    Fundamentos de la ciencia de
    los materiales
    William F. Smith 2da. Edicion
    Mc-Graw-Hill
    http://www.cmpl.ipn.mx/Area_Tecnica/Glosario.htm

    Apuntes de Tecnologia de los Materiales II.

     

     

    Autor:

    Jose Juan Jiménez Alejandro

    CARRERA: Ingeniero Industrial Administrador.
    MATRICULA: 62430
    Monterrey, N. L. 14 de agosto de 2003

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