BLOQUE 1: MATERIALES

1. Estructura interna. ................................................................................................... 2

1.1. Tipos de enlaces. .................................................................................................... 2

1.1.1. Enlace iónico.............................................................................................. 2

1.1.2. Enlace covalente ........................................................................................ 3

1.1.3. Enlace metálico .......................................................................................... 4

2. Propiedades de los materiales. Ensayos. ................................................................. 4

2.1. Dureza..................................................................................................................... 5

2.1.1. Ensayos de dureza ...................................................................................... 5

2.2. Tenacidad ............................................................................................................... 6

2.2.1. Ensayo de resiliencia ................................................................................. 7

2.3. Elasticidad y Plasticidad. ....................................................................................... 7

2.3.1. Ensayo de tracción ..................................................................................... 8

2.4. Propiedades químicas. Oxidación y corrosión...................................................... 9

2.4.1. Tratamientos de protección contra la corrosión de los metales. .............. 9

3. Diagrama hierro-carbono. Tratamientos de los metales..................................... 12

3.1. Tratamientos térmicos.......................................................................................... 14

3.1.1. Recocido. .................................................................................................. 17

3.1.2. Temple. ..................................................................................................... 18

3.1.3. Revenido. .................................................................................................. 22

3.1.4. Normalizado. ............................................................................................ 22

3.2. Tratamientos en frío............................................................................................. 22

3.3. Tratamientos termoquímicos. .............................................................................. 22

4. Materiales compuestos o composites ..................................................................... 24

4.1. Fabricación de composites................................................................................... 24

4.2. Kevlar.................................................................................................................... 24

4.3. Fibra de carbono .................................................................................................. 25

1. Estructura interna.

1.1. Tipos de enlaces. 1.1.1. Enlace iónico

Un enlace iónico o electrovalente es la unión de átomos que resulta de la presencia de

atracción electrostática entre los iones de distinto signo, es decir, uno

fuertemente electropositivo (baja energía de ionización) y otro

fuertemente electronegativo (alta afinidad electrónica). Eso se da cuando en el enlace,

uno de los átomos capta electrones del otro. La atracción electrostática entre los iones de

carga opuesta causa que se unan y formen un compuesto químico simple, aquí no se

fusionan; sino que uno da y otro recibe.

Dado que los elementos implicados tienen elevadas diferencias de electronegatividad,

este enlace suele darse entre un compuesto metálico y uno no metálico. Se produce una

transferencia electrónica total de un átomo a otro formándose iones de diferente signo.

El metal dona uno o más electrones formando iones con carga positiva o cationes con una

configuración electrónica estable. Estos electrones ingresan en el no metal, originando un

ion cargado negativamente o anión, que también tiene configuración electrónica estable.

Son estables pues ambos, según la regla del octeto o por la estructura de Lewis, adquieren

8 electrones en su capa más exterior (capa de valencia)

Los compuestos iónicos forman redes cristalinas constituidas por N. iones de carga

opuesta, unidos por fuerzas electrostáticas. Este tipo de atracción determina las

propiedades observadas. Si la atracción electrostática es fuerte, se forman sólidos

cristalinos de elevado punto de fusión e insolubles en agua; si la atracción es menor,

como en el caso del NaCl, el punto de fusión también es menor y, en general, son

solubles en agua e insolubles en líquidos apolares, como el benceno o el disulfuro de

carbono.

Algunas características de este tipo de enlace son:

• Sus enlaces son muy fuertes (depende fuertemente de la naturaleza de los iones)

• Son sólidos a temperatura ambiente y poseen una estructura cristalina en el

sistema cúbico (hay compuestos iónicos que son líquidos a temperatura ambiente

denominados "líquidos iónicos" o "Sales Derretidas", con un campo de aplicación

gigantesco).

• Altos puntos de fusión (entre 300 °C y 1000 °C) y ebullición (Si el enlace tiene

un carácter covalente alto, puede ser que estos valores disminuyan abruptamente)

• Son enlaces resultantes de la interacción entre los metales de los grupos I y II y

los no metales de los grupos VI y VII.

• Son solubles en agua y otras disoluciones acuosas debido al dipolo eléctrico que

presentan las moléculas de agua.

• Una vez en disolución acuosa son excelentes conductores de electricidad, ya que

entonces los iones quedan libres.

• En estado sólido no conducen la electricidad, ya que los iones ocupan posiciones

muy fijas en la red. Si utilizamos un bloque de sal como parte de un circuito en lugar

del cable, el circuito no funcionará. Así tampoco funcionará una bombilla si

utilizamos como parte de un circuito un cubo de agua, pero si disolvemos sal en

abundancia en dicho cubo, la bombilla del circuito se encenderá. Esto se debe a que

los iones disueltos de la sal son capaces de acudir al polo opuesto (a su signo) de

la pila del circuito y, por ello, este funciona.

1.1.2. Enlace covalente

Un enlace covalente entre dos átomos se produce cuando estos átomos se unen, para

alcanzar el octeto estable, compartiendo electrones del último nivel1(excepto

el Hidrógeno que alcanza la estabilidad cuando tiene 2 electrones). La diferencia de

electronegatividad entre los átomos no es lo suficientemente grande como para que se

produzca una unión de tipo iónica.

De esta forma, los dos átomos comparten uno o más pares electrónicos en un nuevo tipo

de orbital, denominado orbital molecular. Los enlaces covalentes se producen entre

átomos de un mismo elemento no metal y entre distintos elementos no metales.

Cuando átomos distintos de no metales se unen una forma covalente, uno de ellos

resultará más electronegativo que el otro, por lo que tenderá a atraer la nube

electrónica del enlace hacia su núcleo, generando un dipolo eléctrico. Esta polarización

permite que las moléculas del mismo compuesto se atraigan entre sí por fuerzas

electrostáticas de distinta intensidad.

Por el contrario, cuando átomos de un mismo elemento no metálico se unen

covalentemente, su diferencia de electronegatividad es cero y no se crean dipolos. Las

moléculas poseen prácticamente una atracción nula entre sí.

Entre los dos átomos pueden compartirse uno, dos o tres pares de electrones, lo cual dará

lugar a la formación de un enlace simple, doble o triple respectivamente.

Existen dos tipos de sustancias covalentes:

Sustancias covalentes moleculares: los enlaces covalentes forman moléculas que tienen

las siguientes propiedades:

• Temperaturas de fusión y ebullición bajas.

• En condiciones normales de presión y temperatura (25 °C aprox.) pueden ser

sólidos, líquidos o gaseosos.

• Son blandos en estado sólido.

• Son aislantes de la corriente eléctrica y el calor.

• Solubilidad: las moléculas polares son solubles en disolventes polares y las

apolares son solubles en disolventes apolares (lo semejante disuelve a lo semejante).

• Ejemplos: dióxido de carbono, benceno, oxígeno, nitrógeno.

Redes o sustancias covalentes reticulares: Además, las sustancias covalentes

forman redes cristalinas de un número indefinido de átomos, semejantes a los compuestos

iónicos, que tienen estas propiedades:

• Elevadas temperaturas de fusión y ebullición.

• Son sólidos en Condiciones Normales.

• Son sustancias muy duras.

• Son aislantes (excepto el grafito).

• Son insolubles.

• Ejemplos: cuarzo, diamante.

1.1.3. Enlace metálico Un enlace metálico es un enlace químico que mantiene unidos los átomos (unión entre

núcleos atómicos y los electrones de valencia, que se juntan alrededor de éstos como una

nube) de los metales entre sí.

Además, debido a la baja electronegatividad que poseen los metales, los electrones de

valencia son extraídos de sus orbitales. Este enlace sólo puede estar

en sustancias en estado sólido.

Los metales poseen algunas propiedades características que los diferencian de los demás

materiales. Suelen ser sólidos a temperatura ambiente, excepto el mercurio, y tienen

un punto de fusión alto.

El enlace metálico es característico de los elementos metálicos. Es un enlace fuerte que se

forma entre elementos de la misma especie. Al estar los átomos tan cercanos unos de

otros, interaccionan sus núcleos junto con sus nubes electrónicas, empaquetándose en las

tres dimensiones, por lo que quedan los núcleos rodeados de tales nubes. Estos electrones

libres son los responsables de que los metales presenten una elevada conductividad

eléctrica y térmica, ya que estos se pueden mover con facilidad si se ponen en contacto

con una fuente eléctrica. Los metales generalmente presentan brillo y son maleables. Los

elementos con un enlace metálico están compartiendo un gran número de electrones de

valencia, formando un mar de electrones rodeando un enrejado gigante de cationes.

El enlace metálico explica muchas características físicas de metales, tales

como maleabilidad, ductilidad, buenos en la conducción de calor y electricidad, y

con brillo o lustre (devuelven la mayor parte de la energía lumínica que reciben).

2. Propiedades de los materiales. Ensayos. Distinguimos principalmente entre propiedades físicas, químicas y tecnológicas.

Consideramos propiedades físicas a las características de los materiales que afectan

directamente o indirectamente a la apreciación de nuestros sentidos (color, peso,

volumen, etc) o que definen el comportamiento del material ante fenómenos físicos tales

como los eléctricos, magnéticos, ópticos o térmicos.

Por tanto, dentro de las propiedades físicas distinguimos: térmicas (conductividad

térmica, calor específico, dilatación, temperatura de fusión, calor latente), magnéticas,

eléctricas, ópticas y mecánicas (resistencia mecánica, elasticidad, dureza, tenacidad,

fatiga, maleabilidad o ductilidad).

Alguna de ellas, por ejemplo las conductividades térmicas y eléctricas y la densidad,

pueden ser de primera importancia, junto con las mecánicas, al elegir un material para

determinadas aplicaciones.

Debido a su gran extensión, se desarrollarán solamente las más significativas.

Asimismo, veremos en algunas las técnicas de ensayo para su medición. Los ensayos

pueden clasificarse según multitud de formas, siendo las más signifivativas:

• Según la utilidad de la pieza después de ser sometida al ensayo

o Ensayos no destructivos

o Ensayos destructivos

• Según la velocidad de aplicación de las fuerzas

o Ensayos estáticos

o Ensayos dinámicos

Así, un ensayo de tracción es un ejemplo de ensayo destructivo. Un ensayo de dureza es

estático y un ensayo de resiliencia es dinámico. Ejemplos de ensayos no destructivos

serían:

• Pruebas no destructivas superficiales. Estas pruebas proporcionan información

acerca de la sanidad superficial de los materiales inspeccionados:

o Líquidos Penetrantes

o Partículas Magnéticas

• Pruebas no destructivas volumétricas. Estas pruebas proporcionan información

acerca de la sanidad interna de los materiales inspeccionados:

o Radiografía Industrial

o Ultrasonido Industrial

2.1. Dureza La dureza es la oposición que ofrecen los materiales a alteraciones como la penetración,

la abrasión, el rayado, la cortadura, las deformaciones permanentes, entre otras. Por

ejemplo: la madera puede rayarse con facilidad, esto significa que no tiene mucha dureza,

mientras que el vidrio es mucho más difícil de rayar.

2.1.1. Ensayos de dureza

La dureza Rockwell o ensayo de dureza Rockwell es un método para determinar

la dureza, es decir, la resistencia de un material a ser penetrado. El ensayo de dureza

Rockwell constituye el método más usado para medir la dureza debido a que es muy

simple de llevar a cabo y no requiere conocimientos especiales. Se pueden utilizar

diferentes escalas que provienen de la utilización de distintas combinaciones de

penetradores y cargas, lo cual permite ensayar prácticamente cualquier metal oaleación.

Hay dos tipos de penetradores: unas bolas esféricas de acero endurecido (templado y

pulido) de 1/16, 1/8, ¼ y ½ pulgada, y un penetrador cónico de diamante con un ángulo

de 120º +/- 30' y vértice redondeado formando un casquete esférico de radio 0,20 mm, el

cual se utiliza para los materiales más duros.

El ensayo consiste en disponer un material con una superficie plana en la base de la

máquina. Se le aplica una precarga menor de 10 kg, básicamente para eliminar la

deformación elástica y obtener un resultado mucho más preciso. Luego se le aplica

durante unos 15 segundos una fuerza que varía desde 60 a 150 kg a compresión. Se

desaplica la carga y mediante un durómetro Rockwell se obtiene el valor de la dureza

directamente en la pantalla, el cual varía de forma proporcional con el tipo de material

que se utilice. También se puede encontrar la profundidad de la penetración con los

valores obtenidos del durómetro si se conoce el material.

La dureza Rockwell viene dada por la siguiente fórmula:

nHRLetra

Donde:

• n es la carga aplicada en kg

• HR es el identificador del ensayo Rockwell

• Letra corresponde al tipo de ensayo Rockwell realizado y por tanto a la escala

empleada:

o Para materiales muy duros, se emplea un cono con punta de diamante

de 120° y una carga de 60 kg, y se simboliza HRA

o Para aceros de baja resistencia se emplea una bola de acero extraduro

de 1/16" y una carga de 100 kg, se simboliza HRB

o Para aceros de alta resistencia se emplea un cono con punta de

diamante de 120 ° y una carga de 150 kg, y se simboliza HRC

Un ejemplo para un material que se le ha aplicado un esfuerzo de 60 kg y se ha usado

la escala B sería: 60HRB

Dureza Brinell

Se denomina dureza Brinell a una escala de medición de la dureza de un material

mediante la medición de la penetración de un objeto en el material a estudiar.

Este ensayo se utiliza en materiales blandos (de baja dureza). El penetrador usado es

una bola de acero templado de diferentes diámetros. Para los materiales más duros se

usan bolas de carburo de tungsteno. En el ensayo típico se suele utilizar una bola de

acero de 10 a 12 milímetros de diámetro, con una fuerza de 3.000 kg. El valor medido

es el diámetro del casquete en la superficie del material.

La carga que se debe utilizar en el ensayo se puede obtener con la siguiente expresión:

P=KD2

Donde:

P: carga a utilizar medida en kg.

K: constante para cada material, que puede valer 1 (Madera), 5 (aluminio, cobre y

sus aleaciones), 10 (magnesio y sus aleaciones), y 30 (aceros).

D: diámetro de la bola medida en mm.

Este ensayo sólo es válido para valores menores de 600 HB en el caso de utilizar la bola

de acero, pues para valores superiores la bola se deforma y el ensayo no es válido. Se

pasa entonces al ensayo de dureza Vickers.

Dureza Vickers El ensayo de dureza Vickers, llamado el ensayo universal, es un método para medir

la dureza de los materiales, es decir, la resistencia de un material a ser penetrado. Sus

cargas van de 5 a 125 kilopondios (de cinco en cinco). Su penetrador es una pirámide

de diamante con un ángulo base de 136°.

Este tipo de ensayo es recomendado para durezas superiores a 500 HB (en caso de ser

inferior, se suele usar el ensayo de dureza Brinell).

Ejemplo: 315 HV 30

2.2. Tenacidad La tenacidad es la resistencia de un material al cambio de forma y a la rotura por la

acción de un impacto, es decir, de fuerzas dinámicas. Si las fuerzas exteriores son

capaces de vencer a las fuerzas de cohesión, sobreviene la rotura. La propiedad contraria

a la tenacidad es la fragilidad.

Al trabajo que absorbe el material en su proceso de deformación y rotura se le denomina

resiliencia.

2.2.1. Ensayo de resiliencia Se ensaya el comportamiento a la rotura que muestra un material al ser sometido a

flexión por golpe en un punto entallado, no se trata por tanto de un ensayo estático, sino

dinámico.

El ensayo se realiza en un dispositivo de péndulo (péndulo charpy) que consiste en

golpear con un martillo a modo de péndulo en el centro de una probeta apoyada en dos

puntos. Después de la percusión, el trabajo realizado se marca en un indicador.

Los ensayos de resiliencia por flexión se realizan para determinar la tenacidad y controlar

los procesos de tratamiento térmico. Los materiales tenaces exigen un elevado trabajo de

resiliencia y los frágiles uno pequeño.

2.3. Elasticidad y Plasticidad. Elasticidad es la capacidad que presentan determinados materiales de recobrar su

forma original después de haber sido deformados y una vez que cesa la acción exterior

que los deformó.

Límite elástico es aquel punto a partir del cual las fuerzas exteriores comienzan a

producir deformaciones permanentes en el material (subsisten al cesar la acción que las

produjo). Debido a la dificultad para localizarlo exactamente y con total fidelidad, ya que

en los gráficos experimentales la recta es difícil de determinar y existe una banda donde

podría situarse el límite elástico, en ingeniería se adopta un criterio convencional y se

considera como límite elástico la tensión a la cual el material tiene una deformación

plástica del 0,2%.

Los cuerpos que no recuperan su forma inicial se llaman plásticos y permiten

definir la plasticidad como la capacidad de sufrir deformaciones permanentes sin llegar a

romperse (presentar fisuras).

Si la deformación es debida a un esfuerzo de tracción, recibe el nombre de

ductilidad, y si obedece a una compresión (aplastamiento), el de maleabilidad,

propiedades de gran importancia para diversos procesos tecnológicos (trefilado y

laminado respectivamente).

2.3.1. Ensayo de tracción Este ensayo permite determinar la resistencia a la tracción de un material. Nos

proporciona su límite elástico, límite de fluencia, tensión de rotura, alargamiento,

estricción y módulo de Young.

Consiste en someter a unas probetas del material que queremos estudiar a un esfuerzo de

tracción, progresivamente creciente, hasta su rotura.

Las probetas, que están normalizadas, pueden tener sección circular o rectangular y

constan de un cuerpo central y dos cabezas laterales cilíndricas o rectangulares. Pueden

disponer de roscas que las sujetan a las mordazas de la máquina de ensayo, normalmente

hidráulica.

Diagrama esfuerzos-deformaciones.

La curva de tracción presenta dos zonas característicos. El primero (oe) representa el

periodo de las deformaciones elásticas y la ordenada correspondiente al punto e, señala el

límite elástico (σe). Hasta el punto p las deformaciones cumplen la ley de Hooke, es

decir, son proporcionales al esfuerzo que las provoca. A partir del punto e, las

deformaciones son plásticas.

La pendiente de la recta op se denomina módulo de elasticidad o de Young (E).

Representa la relación entre esfuerzo y deformación en la zona proporcional.

Otros puntos característicos del diagrama son el mencionado límite proporcional

(σp) y el límite de fluencia (σf), pudiendo distinguirse incluso entre un límite de fluencia

superior y otro inferior. También se define la tensión máxima de rotura como la máxima

que es capaz de soportar el material sin romperse.

En la zona de deformación plástica, los alargamientos crecen más rápidamente

que las cargas y se produce una disminución de sección en la parte media de la longitud

de la probeta, variación que se conoce por estricción. A partir de r el alargamiento

aumenta a pesar de disminuir la carga, y también aumenta la estricción hasta llegar a la

separación material de la probeta.

El alargamiento (ε) es el aumento de longitud permanente que experimenta la

probeta desde sus dimensiones iniciales hasta su rotura. Puede expresarse en tanto por

ciento en relación a la longitud inicial y sirve para darnos idea de la ductilidad del

material:

100´

×−

=L

LLε

Análogamente, puede definirse la estricción.

2.4. Propiedades químicas. Oxidación y corrosión. Las propiedades químicas comprenden fundamentalmente el comportamiento ante

medios agresivos. Los materiales están expuestos continuamente a los más diversos

ambientes. La interacción material-ambiente provoca en muchos casos la pérdida o

deterioro de las propiedades físicas del material. Así, en materiales metálicos, al proceso

de deterioro se le denomina oxidación y corrosión, mientras que en los plásticos se llama

degradación.

Estudiaremos los dos primeros fenómenos por ser más importantes económicamente. Se

estima que pueden representar hasta el 5% del producto interior bruto (PIB).

Oxidación directa.

Resulta de la combinación de los átomos metálicos con los de la sustancia agresiva.

FeSSFeFeOOFe →+→+ 22 2

Toda la superficie metálica es afectada prácticamente por igual.

Corrosión electroquímica.

La corrosión se define como el deterioro de un material a consecuencia de un ataque

electroquímico por su entorno. Se origina por la presencia de pilas electroquímicas en las

que el metal actúa como ánodo y se corroe. Exige la presencia de ambientes acuosos con

conductividad electrolítica.

eMeMe 2+→++

Es la corrosión habitual a bajas temperaturas.

Si la primera capa formada es compacta e impermeable, forma una envoltura protectora

que aísla al resto del metal del medio agresivo (no hay deterioro luego no podemos hablar

de corrosión). De esta forma se impide la propagación del fenómeno (estaño, aluminio,

cromo, entre otros). Si por el contrario se trata de una capa porosa, la corrosión se

extiende a todo el material como sucede en el hierro.

2.4.1. Tratamientos de protección contra la corrosión de los metales.

Recubrimientos no metálicos, Impiden el contacto de la superficie de las piezas con los agentes que pudieran

atacarlas. Los recubrimientos más empleados son:

- Aceitado o engrasado.- Muchas piezas de acero y hierro tienen que permanecer

brillantes con vistas a su utilización (aparatos de medición, superficies de

desplazamiento, roscas, pernos,...), protegiéndose durante el almacenaje con aceites y

grasas exentas de ácidos. Esta protección únicamente abarca el tiempo de almacenaje

antes de la puesta en uso de la pieza.

- Pinturas a brocha o a pistola.- Se distingue entre la pintura de fondo (o de base)

y la de cubrimiento, pudiendo ser ambas de varias capas. La de fondo (imprimación)

tiene que comportarse como químicamente neutra respecto a la pieza, debe adherirse

bien y ser un buen fondo adhesivo para las demás capas. La capa de recubrimiento

debe ser impermeable al agua, resistente a la luz, dura, pero al mismo tiempo elástica

y en algunos casos resistentes al calor.

La superficie a proteger debe estar antes de la aplicación de la pintura totalmente

libre de capas de corrosión y de suciedad y generalmente habrá que desengrasarla.

Con frecuencia se aplica el minio, óxido de plomo, que forma una capa

impermeable sobre la que se aplica el barniz.

- Esmaltado.- La masa de esmalte consta de polvo de vidrio (cuarzo, feldespato y

arcilla) y sustancias colorantes. Los esmaltes se hacen por pulverización o inmersión

y se somete la pieza en el horno de esmaltar a temperaturas entre 600 y 1000ºC. La

fundición vítrea obtenida es muy dura, resistente al calor y capaz de resistir ataques

químicos, pero muy frágil. El esmalte se ha de aplicar tan fino como sea posible.

- Recubrimientos plásticos.- Se obtienen por inmersión en plástico líquido o bien

por lacado. Sirven para proteger contra la corrosión y aíslan eléctricamente.

Recubrimientos metálicos Para obtener una buena protección contra la corrosión mediante recubrimientos

metálicos, es necesario conocer el comportamiento electroquímico del metal de

protección respecto al metal de la base. Los principales procedimientos de aplicación se

metales son:

- Procedimiento de inmersión en baño fundido.- Las piezas, una vez limpias y

desengrasadas en un baño de ácido, se sumergen en el metal fundido. Posteriormente

se sacan y se deja escurrir el metal sobrante, quedando una capa delgada que es

calentada para que se adhiera bien (galvanizado en caliente, pieza de acero en un

baño de cinc).

Aunque se produzca una interrupción del cinc, éste sigue protegido pues es

anódico respecto al acero.

- Metalizado galvánico (cincado, niquelado, cromado, cobreado).- La pieza

limpia se sumerge en una solución de sal metálica y se une por el polo positivo a una

fuente de corriente continua. En el polo negativo se fija el metal de recubrimiento.

Por acción de la corriente eléctrica los iones metálicos cargados positivamente

emigran de la solución de sal, depositándose en la superficie de la pieza.

- Pulverizado del metal.- El metal de recubrimiento se introduce, en forma de

alambre, en la pistola de pulverizar y se licua mediante una llama de gas o por vía

eléctrica. El metal líquido se aplica sobre la superficie con aire a presión.

- Chapeado.- Consiste en el laminado de capas metálicas finas sobre el metal

base. Caso del estaño sobre el acero. Si se produce una discontinuidad no protege

pues el acero es anódico respecto al estaño.

Recubrimientos químicos. - Pavonado.- Es la aplicación de una capa superficial de oxido abrillantado,

normalmente oxido férrico, sobre una superficie metálica, para mejorar su aspecto

visual y evitar la corrosión. El ejemplo típico es el pavonado de las armas de fuego.

- Fosfatado (bonderizado).- Por rociado o inmersión se aplica una solución

acuosa de fosfatos de magnesio o de cinc (sales de ácido fosfórico) a la superficie

metálica, previamente desoxidada y desengrasada. De este modo se forma una capa

protectora de fosfato de hierro.

- Anodizado.- Este proceso se aplica sobre piezas de aluminio y sus aleaciones.

En un baño de ácido sulfúrico empleado como electrolito se pone una placa de plomo

(polo negativo) y la pieza de aluminio (polo positivo). Si se hace pasar una corriente

continua de forma que en la pieza se forma una capa de óxido (anodizado o capa

eloxal) debido al oxígeno liberado. Esta capa posee una gran dureza, es muy

resistente a influencias químicas y no es conductora de electricidad.

En determinados metales se forma una superficie que detiene la corrosión apenas

iniciada. Se dice que estos materiales tienen pasividad natural como ocurre con el

aluminio. Este efecto también se puede conseguir de forma técnica.

Los aceros inoxidables adquieren esta propiedad al estar aleados con el cromo.

Este forma una capa superficial de cromita que impide la progresión de la corrosión.

- Protección catódica.- Se puede proteger un metal forzándolo a comportarse

como un cátodo al suministrarle electrones. Para ello se utiliza un ánodo de sacrificio

que se corroe y acaba destruyéndose al aportar electrones al metal y evita de esta

manera una reacción anódica en el mismo. El ánodo de sacrificio suele ser de cinc,

magnesio o aluminio, ya que el hierro presente en el acero resulta ser más

electronegativo que estos elementos. Este método se emplea principalmente para la

protección de tuberías enterradas y barcos. Se puede conseguir el mismo efecto

mediante un ánodo de sacrificio de composición similar a la pieza a proteger, siendo

necesario en este caso una alimentación auxiliar.

3. Diagrama hierro-carbono. Tratamientos de los metales.

Para comprender y aplicar los tratamientos térmicos en aceros, la región superior

izquierda no tiene gran interés práctico. Por este motivo, el diagrama se representa en

muchas ocasiones simplificado:

Veamos estos ejemplos de enfriamientos.

Enfriamiento aleación I. Por encima del punto 1, solo existe fase líquida de

composición 0,52% de carbono. A partir del punto 1 comienza la solidificación de

austenita (Feγ) que cristaliza inicialmente con un contenido de 0,23% de carbono. Entre 1

y 2, la austenita va siendo cada vez más rica en carbono hasta solidificar completamente

en 2 adquiriendo su composición final (0,52% de carbono). A partir del punto 3

comienzan a segregarse cristales de ferrita (Feα), cuyo contenido en carbono es ínfimo

(alrededor del 0,01% y que en el diagrama simplificado se aproxima a cero). Por tanto, al

separarse hierro prácticamente puro, la austenita restante va siendo cada vez más rica en

carbono hasta que al llegar al punto 4 alcanza la composición del eutectoide, la perlita

(0,8% de carbono). En ese punto 4, la austenita se transforma en perlita (eutectoide

formado por ferrita y cementita).

Enfriamiento aleación II. Por encima del punto1, solo existe fase líquida de

composición 0,8% de carbono. A partir del punto 1 comienza la solidificación de

austenita (Feγ) que cristaliza inicialmente con un contenido de 0,38% de carbono. Entre 1

y 2, la austenita va siendo cada vez más rica en carbono hasta solidificar completamente

en 2 adquiriendo su composición final (0,8% de carbono). En el punto 3 tiene lugar a

temperatura constante (723ºC) la transformación de austenita a perlita (eutectoide

formado por ferrita y cementita con 0,8% de carbono).

Enfriamiento aleación III. Por encima del punto 1, solo existe fase líquida de

composición 1,2% de carbono. A partir del punto 1 comienza la solidificación de

austenita (Feγ) que cristaliza inicialmente con un contenido de 0,52% de carbono. Entre 1

y 2, la austenita va siendo cada vez más rica en carbono hasta solidificar completamente

en 2 adquiriendo su composición final (1,2% de carbono). A partir del punto 3 comienzan

a segregarse cristales de cementita (carburo de hierro Fe3C), cuyo contenido en carbono

es alto (6,67%). Por tanto, al separarse cementita que tiene gran contenido en carbono, la

austenita restante va siendo cada vez más pobre en carbono hasta que al llegar al punto 4

alcanza la composición del eutectoide, la perlita (0,8% de carbono). En ese punto 4, la

austenita se transforma en perlita (eutectoide formado por ferrita y cementita).

Enfriamiento de aleación con un 4% de carbono. A unos 1225ºC comienza la

solidificación de austenita de composición 1,6% de carbono. En este intervalo de

solidificación entre la línea de líquidus y la de sólidus, la austenita va siendo cada vez

más rica en carbono (de 1,6% hasta 2%). Como la austenita contiene mucho menos del

4% que contiene el total de la aleación, el líquido va siendo también cada vez más rico en

carbono, pasando del 4% inicial al 4,3% de carbono (composición eutéctica). A 1130ºC, a

temperatura constante, tiene lugar la solidificación del eutéctico (ledeburita). Justo por

debajo de esa temperatura nos encontraremos pues una matriz de ledeburita (austenita y

cementita) con inserciones de austenita. Por debajo de 1130ºC, la austenita va perdiendo

carbono en disolución y con ese carbono se va formando cementita en sus bordes. A

723ºC la austenita pasa a ser perlita. También aquella que se encuentra como parte de la

ledeburita, por lo que por debajo de 723ºC hablaremos de “ledeburita transformada” ya

que no contiene la austenita original de cuando se formó al haber pasado a perlita.

Enfriamiento de aleación con un 5% de carbono. Al atravesar la línea de líquidus

comienza la solidificación de cementita de composición 6,67% de carbono. En este

intervalo de solidificación, líquido va siendo cada vez más pobre en carbono hasta llegar

al 4,3%. A 1130ºC, a temperatura constante, tiene lugar la solidificación del eutéctico

(ledeburita). Justo por debajo de esa temperatura nos encontraremos pues una matriz de

ledeburita (austenita y cementita) con inserciones de cementita. Por debajo de 1130ºC, la

austenita que forma parte de la ledeburita va perdiendo carbono en disolución y con ese

carbono se va formando más cementita dentro de la ledeburita. A 723ºC la austenita de

dentro de la ledeburita pasa a ser perlita, por lo que por debajo de 723ºC hablaremos de

“ledeburita transformada” ya que no contiene la austenita original de cuando se formó el

eutéctico.

Enfriamiento de aleación con un 4,3% de carbono. A 1130ºC solidifica el eutéctico

(ledeburita=austenita+cementita) a temperatura constante. Por debajo de 1130ºC, la

austenita que forma parte de la ledeburita va perdiendo carbono en disolución y con ese

carbono se va formando más cementita dentro de la ledeburita. A 723ºC la austenita de

dentro de la ledeburita pasa a ser perlita, por lo que por debajo de 723ºC hablaremos de

“ledeburita transformada” ya que no contiene la austenita original de cuando se formó el

eutéctico.

3.1. Tratamientos térmicos Los tratamientos térmicos tienen por objeto modificar la estructura de los materiales

metálicos mediante el ciclo de calentamiento y enfriamiento. Esto permite modificar

ciertas propiedades, sobre todo mecánicas, relacionadas con la estructura de los metales.

Sólo son susceptibles se tratamientos térmicos las aleaciones que experimentas

transformaciones en estado sólido (alotropía).

Estos tratamientos térmicos se aplican principalmente a los aceros, aunque también se

utilizan para metales no ferrosos como el cobre. Es preciso, para comprender las

transformaciones de la estructura de un acero, conocer sus componentes estructurales.

Las variaciones de las propiedades vienen dadas en función del contenido de carbono,

según éste, se distinguen 3 tipos de aceros:

• Eutectoide (del griego: igualado, nivelado): acero con un 0,8% de carbono que

tiene una cantidad equilibrada de ferrita y carburo de hierro (cementita) para formar

el eutectoide, formando cristales homogéneos e uniformes denominados perlita.

• Hipoeutectoide: acero con menos del 0,8% de carbono, contiene poco carbono

para formar perlita, por lo que queda ferrita sobrante, formando una estructura de

ferrita + perlita.

• Hipereutectoide: acero con mas de 0,8% de carbono, todos los cristales de

hierro se emplean en formar perlita quedando carburo de hierro (cementita) sobrante,

dando una estructura no equilibrada de perlita + cementita.

� Ferrita: solución sólida de inserción de carbono en Feα bajísima a

temperatura ambiente (0,008%). Cristaliza en el sistema cúbico: estructura

centrada en el cuerpo que tiene un átomo de hierro en los 8 vértices del cubo

y un átomo de hierro en el centro, c.c.

� Perlita: eutectoide formado por láminas de ferrita y cementita

� Cementita: Carburo de hierro, Fe3C. Muy frágil y duro.

Los diferentes estados de la estructura son dependientes del contenido de carbono y de

la temperatura, y aparecen representados en el diagrama hierro-carbono de la siguiente

figura.

Al calentar el acero eutectoide la transformación de la estructura se realiza a

temperatura constante al llegar a los 723ºC. En este punto se descompone la perlita y el

carbono se disuelve completamente en el hierro. La nueva estructura formada se llama

austenita (estructura cúbica centrada en las caras, c.c.c., pues tiene los átomos de hierro

distribuidos en los vértices del cubo y en el centro de las caras, dejando en el interior del

cubo mayor hueco para la inserción del carbono.

Al calentar los aceros hipoeutectoides por encima de los 723ºC (línea P-S):

• Toda la perlita se transforma en austenita a temperatura constante.

• La ferrita no eutectoide se transforma gradualmente en austenita en el campo de

temperaturas comprendidas entre la línea P-S y G-S.

Los aceros hipereutectoides cambian su estructura en la línea S-K.

• Toda la perlita se transforma en austenita a temperatura constante.

• La cementita restante se transforma en austenita en el campo de temperaturas

comprendido entre las líneas S-K y E-S.

En el enfriamiento lento la austenita vuelve a transformarse en ferrita y cementita,

liberando los átomos de carbono de la red de hierro. Pero si la austenita se enfría

Ac1

Acm

Ac3

bruscamente desde temperaturas por encima de la línea GSK, se formará una red

cristalina de la que los átomos de carbono no llegarán a escapar. La coexistencia del

átomo de hierro y del carbono en el interior refuerza la red cristalina proporcionando al

acero una mayor dureza. Esta estructura recibe el nombre de martensita.

La primera fase de todo tratamiento térmico consiste en calentar la pieza de acero

desde la temperatura ambiente hasta la temperatura deseada. Según la composición del

acero (hipoeutectoide o hipereutectoide) y el tratamiento a aplicar, ésta temperatura será

la correspondiente a una austenización incompleta (723ºC, Acm en lo sucesivo) o a una

austenización total (Ac3 en el caso de los hipoeutectoides y Ac1 para los

hipereutectoides).

El calentamiento hasta la temperatura de austenización debe conducirse de forma que

no se establezcan elevadas diferencias de temperatura entre la periferia y el núcleo de la

pieza, pues de lo contrario, como consecuencia de la desigual dilatación en ambas zonas,

pueden originarse elevadas tensiones que den lugar a deformaciones o grietas. Por tanto,

se debe aumentar la temperatura con una velocidad de calentamiento que es función del

espesor máximo de la pieza a calentar.

La homogeneidad en la estructura austenítica se obtiene permaneciendo un tiempo por

encima de la temperatura de austenización. Ese tiempo es función del espesor de la pieza

y de su composición.

Temperatura de calentamiento y

tiempo de permanencia son factores

a tener en consideración en la fase de

calentamiento, pues un exceso de

ambos puede producir estructuras de

acero no deseadas, como por

ejemplo el acero sobrecalentado

(debido al aumento de uno de los dos

factores, se produce un aumento en el tamaño del grano austenítico) o el acero quemado

(por exceso de temperatura de calentamiento se produce una fusión en los bordes de los

granos que facilita la oxidación intergranular).

El acero contiene gran cantidad de impurezas (sulfuros, óxidos, silicatos) que son

insolubles y precipitan en el borde de grano. Como tienen temperaturas de fusión bajas, al

fundirse reaccionan con el oxigeno (se oxidan). Esto provoca el quemado del acero.

Para realizar el calentamiento se precisan hornos en que el metal no esté en contacto

con la llama ni con los gases. Los hornos para calentar piezas pequeñas que se desea

templar, son cajas metálicas que en su interior van recubiertas de material refractario

(mufla) para evitar pérdidas de calor, éstas cajas llevan incorporadas varias resistencias

eléctricas que producen el calentamiento de las piezas a la temperatura requerida y llevan

incorporado un reloj programador para el control del tiempo de calentamiento y un

pirómetro que facilita el conocimiento de la temperatura que hay en el interior del horno.

La segunda fase del tratamiento térmico es el enfriamiento de la pieza. Dependiendo

de cómo se lleva a cabo se obtendrán diferentes estructuras. Los enfriamientos se suelen

representar en los diagramas TTT (transformación tiempo-temperatura) o curva de la ese.

Las líneas nos marcan el comienzo y el final de la transformación de la austenita a cada

temperatura.

Podemos obtener diferentes estructuras mediante transformaciones isotermas:

-Entre 723 y 650ºC se obtiene perlita, tanto más fina cuanto menor es la temperatura.

-Entre 650 y 600ºC se obtiene sorbita. este constituyente está formado por laminillas

muy finas de cementita y ferrita. En tratamientos no isotermos, se forma con velocidades

de enfriamiento inferiores a 50ºC por segundo.

-Entre 600 y 500ºC se obtiene troostita. También puede obtenerse con velocidades de

enfriamiento entre 50 y 200ºC por segundo. Este constituyente está formado por una fina

dispersión de cementita en hierro α.

-Entre 500 y 225ºC bainita superior e inferior (mezcla difusa de ferrita y cementita).

-Por debajo de 225ºC se obtendrá martensita si el enfriamiento es suficientemente

rápido (superior a 600ºC por segundo), esto es, si la transformación de la austenita hacia

otras estructuras no ha comenzado.

La curva tiene esta forma, porque a altas temperaturas la curva es estable ya que está

próxima a la temperatura de transformación (tiempo amplio). Al disminuir ésta, se hace

inestable y hay mayor tendencia al cambio. Sin embargo, a bajas temperaturas, la falta de

movilidad vuelve a condicionar la velocidad de las transformaciones.

La zona de la nariz de la ese viene a ser de manera aproximada la frontera por debajo

de la cual se obtiene bainita.

3.1.1. Recocido.

Tratamiento térmico en el que la austenita, enfriada lentamente, se transforma en los

constituyentes más estables. Se emplea para: homogeneizar la estructura, afinar el grano,

facilitar el mecanizado, eliminar la acritud que produce el trabajo en frío, las tensiones

internas y modificar las propiedades físicas y químicas.

Con el recocido se aumenta el alargamiento y la resistencia, pero disminuye la dureza,

límite elástico y resistencia a la tracción.

El enfriamiento lento se consigue dejando la pieza en el interior del horno y regulando

automáticamente la disminución de la temperatura, o bien apagándolo y dejando enfriar a

la temperatura ambiente. También puede hacerse sacando la pieza del horno e

introduciéndola en baños fundidos (sales o metales) donde se regula el enfriamiento, o

recubriéndolas con arenas o cenizas calientes.

Según el fin que nos propongamos, se distinguen los siguientes tipos de recocido:

• Recocido de homogenización: Para destruir las heterogeneidades químicas de

los lingotes de acero (segregaciones de carbono, azufre y fósforo) que se originan

durante la solidificación. En este caso la temperatura de calentamiento será 3cA + 200

sin acercarse a la línea de sólidus, lo que produce acero sobrecalentado que hay que

regenerar.

• Recocido de regeneración: Se da a los aceros sobrecalentados para afinar el

tamaño de grano y cuando se desee destruir el efecto de un tratamiento térmico mal

efectuado. 503 +cA .

• Recocido de ablandamiento: Se efectúa cuando hay necesidad de mecanizar

piezas de acero templadas, con objeto de quitarles dureza y facilitar la operación de

mecanizado.

• Recocido de estabilización: Se da después de los trabajos de forja, laminado y

mecanizado, así como a las piezas fundidas, para eliminar tensiones internas, pero sin

llegar a ablandarse demasiado.

• Recocido de isotérmico: Consiste en enfriar las piezas en estado austenítico, en

un baño de sales, dejándolas allí hasta que la austenita pasa a perlita. Conseguido

esto, se enfría al aire. Es más rápido que los de enfriamiento continuo.

• Recocido contra acritud: Devuelve al acero su plasticidad después del trabajo

en frío.

• Recocido globular: Los aceros hipereutectoides tienen en ocasiones una

estructura de perlita gruesa difícil de mecanizar. Adoptan formas esféricas o

globulares.

3.1.2. Temple.

Tratamiento térmico en el que la austenita enfriada rápidamente se transforma en

martensita.

Con estos tratamientos se pretende modificar las propiedades físicas (magnetismo

remanente y resistencia eléctrica) y químicas (los aceros templados resisten mejor que los

aceros recocidos, la acción de ciertos ácidos).

Las piezas se enfrían cediendo calor al medio de enfriamiento, a través de su

superficie, con tanta mayor velocidad cuanto mayor es la diferencia de temperaturas entre

ambas. Esta velocidad de enfriamiento depende de una constante, M, denominada

coeficiente de película o conductividad térmica de la entrecara (su valor es función del

estado de la superficie de la pieza, de la naturaleza de la capa de la entrecara, temperatura

inicial del medio, de su volumen, viscosidad, densidad, calor latente de vaporización,

temperatura de ebullición y conductibilidad calorífica) y de la temperatura, dimensiones y

conductividad térmica de la pieza, K.

La eficacia del medio se mide por su severidad de temple, definida por la expresión

H=M/2K, que regula la velocidad de enfriamiento en la superficie de la pieza

La distribución de temperaturas (o velocidad de enfriamiento) en el interior de la pieza

depende del producto HD, donde D es el diámetro de redondo equivalente (suponemos la

pieza de forma cilíndrica y de longitud muy superior al diámetro D, cuyo núcleo o eje se

enfría con la misma velocidad que el punto de la pieza que lo hace con menor velocidad

de enfriamiento).

Los medios de enfriamientos más usuales son:

a) Aire en calma o a presión.- La pieza se enfría por radiación, convección y

conducción. Se consigue la menor severidad de temple. Sólo es aplicable a aceros con

baja velocidad crítica de temple (velocidad mínima de enfriamiento que se necesita

para evitar la regresión de la estructura).

b) Aceites minerales.- Los mejores aceites para templar son los obtenidos por la

destilación fraccionada del petróleo. No tienen elevada severidad de temple y se

emplean para templar aceros altos en carbono y de pequeña sección y también en

aceros aleados, cuya velocidad crítica de temple sea relativamente baja, aún cuando la

sección sea algo elevada. En este último caso se reduce el peligro de grietas y

deformaciones.

c) Agua y agua con sales disueltas.- El agua es el medio de enfriamiento más

usado en el temple. Se emplea sola o con sales disueltas (10% de cloruro sódico), en

reposo o con agitación y suministra la mayor severidad de temple. Tiene el

inconveniente de su baja temperatura de ebullición que hace que se forme una capa de

vapor alrededor de la pieza, dificultando el enfriamiento, lo que se evita por agitación.

d) Sales y metales fundidos.- Tanto los metales fundidos (mercurio, plomo,

plomo-estaño) como ciertas sales, se emplean como medios de refrigeración en los

tratamientos isotérmicos. Su comportamiento respecto a la severidad de temple es

muy parecido al de los aceites, sin embargo, por agitación se logra aumentarla

considerablemente.

Los factores que influyen en el temple son: la composición del acero, pues la

capacidad de temple de un acero se mide por la mayor o menor dureza que se puede

conseguir y es función del tanto por ciento de carbono; la temperatura de temple, que será

diferente según el tipo de acero empleado; la velocidad de enfriamiento, ya que no es la

misma para todos los puntos de la pieza. Para que ésta quede totalmente templada

(estructura martensítica), se precisa que la menor de las velocidades de enfriamiento (en

el núcleo de la pieza) sea superior a la velocidad crítica de temple. Las velocidades más

elevadas pueden originar grietas y deformaciones.

Los principales defectos en el temple son:

- Oxidaciones y descarburación.- Se debe al calentamiento en atmósferas

inadecuadas.

- Exceso de fragilidad.- Se produce por calentamiento a temperaturas

excesivamente altas, que provocan el crecimiento del grano.

- Falta de dureza.- Puede ser debida: a un calentamiento a temperatura demasiado

baja, a una descarburación superficial o a velocidades de enfriamiento inferiores a la

crítica.

- Deformaciones.- Son debidas a un calentamiento o enfriamiento desigual de la

pieza y también a un apoyo inadecuado durante el calentamiento en el horno. Para

evitar las deformaciones en el enfriamiento, las piezas largas se introducen en el baño

de enfriamiento verticalmente y en dirección a su eje, y las delgadas, de canto.

- Grietas y roturas.- Pueden ser debidas a los cambios de volumen que se originan

durante el temple, como consecuencia de la desigual velocidad de enfriamiento entre

el núcleo y la periferia de la pieza. También pueden originarse por el aumento de

volumen que acompaña a la formación de martensita, puesto que al formarse la del

núcleo, ejerce una fuerte presión sobre la capa periférica, ya transformada, dura y

frágil.

Además del temple de enfriamiento continuo que hemos descrito, se emplea el temple

escalonado martensítico o “martempering”, una vez obtenida la estructura austenítica la

pieza se enfría rápidamente, en un baño de sales fundidas, hasta la temperatura próxima

(superior) a la de comienzo de la transformación de austenita en martensita, donde se

mantiene el tiempo necesario para que toda la masa de la pieza adquiera esta temperatura,

sin dar lugar a que la austenita experimente transformación alguna. Una vez conseguida

la homogeneidad de temperatura, se extrae la pieza del baño y se enfría rápidamente a

temperatura ambiente. Otro tratamiento sería el temple escalonado bainítico o

“austempering”. Se obtiene una estructura bainítica que es menos dura que la

martensítica pero que a veces es suficiente y puede evitar el revenido posterior.

Templabilidad. Al estudiar los factores que influyen en la velocidad de enfriamiento, hemos visto que

las dimensiones de la pieza desempeñan un papel fundamental, de forma que en las de

bastante sección, a medida que penetra hacia el núcleo, la velocidad de enfriamiento va

disminuyendo. Esto puede ser el origen de que en una misma sección se formen distintos

constituyentes estructurales durante el temple. Pues bien, a la mayor o menor aptitud de

un acero para que se forme una estructura martensítica en todos los puntos de su sección

cuando se enfría en unas condiciones determinadas a partir del estado austenítico, se le

denomina templabilidad. Esto depende de la velocidad de enfriamiento que, a su vez,

depende del valor del producto HD. Según su valor tendremos:

a) Si HD es pequeño, (lo que sucede cuando la severidad de temple es baja y las

dimensiones de la pieza pequeñas) se puede considerar que la velocidad de

enfriamiento es la misma en todos los puntos de la sección.

b) Si HD es grande, (bien porque la severidad de temple sea elevada, bien porque

lo sean las dimensiones de la pieza) entonces la diferencia de velocidad entre la

periferia y el núcleo es elevada. Por tanto:

1) Si el acero es de muy baja templabilidad, sólo quedará templada una

pequeña zona periférica de la pieza.

2) Si la templabilidad es muy elevada, la pieza puede quedar totalmente

templada.

Para determinar la templabilidad de un acero se emplea el ensayo Jominy, que consiste

en templar una probeta (25mm de diámetro y 100mm de longitud) en un dispositivo

normalizado, de forma que un chorro de agua a 20-25ºC enfríe sólo la base inferior de la

misma, previamente calentada a la temperatura de temple durante 30min. Después se

rectifican dos generatrices opuestas, se mide la dureza a intervalos de 10mm a partir de la

base templada y se construye la curva Jominy correspondiente. La templabilidad es tanto

mayor cuanto menos desciende la curva.

Llamaremos diámetro crítico, dado un medio de enfriamiento con una severidad de

temple H, al diámetro máximo en que toda la estructura es martensítica. Este hecho no se

contrasta mediante ensayo metalográfico, sino que se toma aquel que arroja un resultado

de 50 HRC (dureza Rockwell C).

Temple superficial. Consiste en realizar un calentamiento muy rápido de la superficie para que sólo una

fina capa pueda alcanzar la temperatura de austenización, seguido de un enfriamiento

también rápido. Así se logra una capa superficial de martensita sin que el núcleo se haya

transformado.

Según el modo de calentamiento se distinguen dos tipos de temple superficial:

1) A la llama o “flameado”.- La superficie a tratar se calienta con una llama muy

concentrada se un soplete oxiacetilénico, enfriándola muy rápidamente con un chorro

de agua a presión. Hoy en día está en desuso a favor de la inducción.

2) Por inducción.- El calentamiento superficial se consigue mediante corriente

alterna (de alta frecuencia, sólo se propagan por la capa superficial), introduciendo la

pieza en un solenoide con una o varias espiras por el que circula la corriente a alta

frecuencia. La pieza, una vez calentada, se enfría rápidamente con un chorro de agua

a presión.

3.1.3. Revenido. Tratamiento térmico que se da a los aceros después del temple para quitarles la

fragilidad y las tensiones internas. Consiste en calentar las piezas, después de templadas,

para provocar cambios en la martensita, seguido de un enfriamiento más bien rápido. Su

efecto depende de la temperatura de calentamiento y del tiempo de permanencia en ella.

Se elevan con ello la tenacidad del acero, pero también disminuirá correlativamente su

dureza según sea la temperatura del revenido.

Existen ciertos intervalos de temperatura, donde el revenido, en vez de aumentar la

resiliencia, la disminuye (en los aceros ordinarios se da en el intervalo 250-400ºC).

3.1.4. Normalizado. En el normalizado se hace necesaria una austenización total tanto para aceros

hipereutectoides como hipoeutectoides. El calentamiento debe ser rápido y el tiempo de

permanencia el mínimo que garantice austenización total de la pieza.

El enfriamiento se realiza al aire sin agitación. Con esto se consigue una estructura de

perlita con el grano más fino y más uniforme que la estructura previa al tratamiento,

consiguiendo un acero más tenaz, blando y dúctil.

La finalidad del normalizado es afinar el grano, eliminar tensiones debidas a

tratamientos defectuosos y homogeneizar el material.

3.2. Tratamientos en frío. Se emplean para mejorar ciertas características mecánicas, como dureza, límite

elástico y fluencia. No existe la posibilidad de que se suelden cavidades internas, no hay

homogeneización por ausencia de difusión. Por tanto su influencia sobre la

macroestructura es muy limitada. Tan sólo aumentan la cohesión interna del grano, tas lo

que se dice que el material adquiere cierta acritud. Se aplican mediante deformación

plástica en frío (laminación, por ejemplo). Como consecuencia de estos tratamientos

quedan unas tensiones internas que pueden originar posteriormente diferentes problemas,

por lo que si resultan excesivas hacen necesario un posterior tratamiento de recocido.

3.3. Tratamientos termoquímicos. Existen piezas (engranajes, coronas, levas, válvulas...) que en servicio están sometidas

a choques, vibraciones y rozamiento superficial intenso. Para soportar estas condiciones

de trabajo se requiere elevada tenacidad (aptitud para resistir esfuerzos de choque) y

resiliencia (energía que absorbe en su deformación y rotura), junto con una gran dureza

superficial para resistir el desgaste. Como estas características no pueden obtenerse por

los procedimientos corrientes de temple (de hecho pueden considerarse antagónicas en

cierto modo), debe emplearse el temple superficial ya expuesto o los tratamientos

termoquímicos que a continuación explicaremos.

Con estos tratamientos termoquímicos se modifica la composición química de la

superficie de la pieza, introduciéndole ciertos elementos mediante proceso de difusión

(fundado en el movimiento de los átomos en estado sólido y su aumento con la

temperatura).

Con ello se trata de conseguir algunos de los fines siguientes:

a) Aumentar la dureza superficial, sin alterar la ductilidad y resiliencia del núcleo.

b) Favorecer las cualidades de lubricación y rozamiento.

c) Aumentar la resistencia al desgaste.

d) Aumentar la resistencia a los esfuerzos de fatiga.

e) Mejorar la resistencia a la corrosión

Según la naturaleza del agente cementante, se distinguen los siguientes tratamientos

termoquímicos:

- Cementación - Consiste en aumentar la concentración de carbono en la

superficie de la pieza de acero (ya que la dureza es proporcional al contenido de éste),

calentándola hasta los 800-900ºC en presencia de un medio cementante capaz de

ceder carbono atómico (puede ser cementación sólida, líquida o gaseosa en función

del medio cementante). Por temple posterior se consigue la dureza superficial y

resistencia al desgaste junto a elevadas características de ductilidad y resiliencia del

conjunto de la pieza.

- Nitruración.- Consiste en cementar superficialmente los aceros con nitrógeno,

calentándolo a 500-525ºC, en una corriente de gas amoníaco, que en la superficie de

la pieza se disocia según la reacción:

23 322 HNNH +↔

El nitrógeno atómico se difunde en el hierro con facilidad, formando nitruros con

el hierro y con otros elementos de aleación (aluminio y cromo) consiguiéndose

elevadas durezas. Los aceros de nitruración suelen ir aleados con aluminio, cromo y

molibdeno. Se templan y revienen antes de ser sometidos a este proceso y no

necesitan ningún otro tratamiento posterior. Se consiguen mayores durezas

superficiales y mayor resistencia al desgaste que con la cementación.

- Cianuración.- Consiste en crear en las piezas de acero una capa superficial rica

en carbono y nitrógeno, introduciéndolas en un baño líquido (mezcla de cloruro,

cianuro y carbonato sódico). A la temperatura de proceso (800 – 900ºC), en presencia

de oxigeno del aire, tiene lugar las reacciones:

NCONaCOOCNONa

CNONaOCNNa

22

22

232

2

++↔+

→+

que suministran el monóxido de carbono y el nitrógeno atómico necesario.

Después de enfriar, se realiza un revenido.

Se obtienen piezas con propiedades intermedias entre la cementación y la

nitruración.

- Carbonitruración.- Al igual que en anterior, tiene por objeto obtener una capa

rica en carbono y nitrógeno. Se diferencia en que los agentes del proceso, son ahora

una mezcla de hidrocarburos gaseosos, amoniaco y óxido carbónico.

- Sulfinización.- Consiste en crear una capa superficial rica en azufre, nitrógeno y

carbono. La pieza se introduce a 560-570ºC en un baño de sales formado por una

mezcla de cianuro, sulfito o hiposulfito sódico anhídrico, carbonato sódico y cloruro

potásico; que reaccionan dando el cianato y sulfocianuro necesarios para proporcionar

el azufre y nitrógeno atómicos y el monóxido de carbono que se utilizan en el proceso

de contacto de la pieza.

La capa sulfinizada, sin aumento de dureza con respecto al metal base, favorece la

lubricación, mejora las características de resistencia al desgaste, evita el

agarrotamiento y se autopropaga hacia el interior.

4. Materiales compuestos o composites

Los materiales de composite o composites son materiales formados por varios

componentes sintéticos mezclados heterogéneamente y que forman un compuesto. Estos

componentes pueden ser de dos tipos: los de cohesión y los de refuerzo. Los

componentes de cohesión envuelven y unen los componentes de refuerzo (o simplemente

refuerzos) manteniendo la rigidez y la posición de éstos. Los refuerzos confieren unas

propiedades físicas al conjunto tal que mejoran las propiedades de cohesión y rigidez.

Así, esta combinación de materiales le da al compuesto unas propiedades mecánicas

notablemente superiores a las materias primas del que procede.

El adobe, formado por arcilla y paja, es el composite más antiguo que conocemos y que

hasta hace poco era utilizado en la construcción de viviendas. Macroscópicamente la

arcilla (cohesión) se distingue de la paja (refuerzo) pero la mezcla heterogénea tienen

unas propiedades mecánicas mejores de sus respectivos componentes individuales. Otro

ejemplo claro lo podemos encontrar en los cimientos de los edificios: hormigón reforzado

con una matriz de acero corrugado (red de alambre), los innovadores cimientos de goma

y muelles de Japón para amortiguar los terremotos (aislamiento sísmico). Los composites

se utilizan en la industria aeroespacial y aeronáutica para aligerar el peso de la estructura

y revestimiento de satélites, transbordadores y aviones.

4.1. Fabricación de composites

Existe un amplio abanico de industrias que se dedican a la fabricación de composites:

• Hay composites que se usan para el empastado y remodelación de dientes.

• Los tubos de lanzagranadas y de mortero en el ámbito militar o los mástiles de

regatas están hecho de fibras de hilo urdido en diagonal embebidas en una resina

termoestable.

• La cubierta de las ruedas de cualquier vehículo, los maguitos (o tubos) del circuito

de agua de un motor de combustión interna refrigerado por agua, están hechos de

caucho reforzado de fibras.

• La carpenta y revestimiento de aviones, helicópteros, cohetes espaciales están

formados por cajones y paneles de fibra de vidrio o fibra de carbono.

• La fabricación de grandes recipientes de plástico en los que se envuelven con

fibra.

• Materiales de construcción: agregados de áridos, asfalto, cerámicas y cementos.

4.2. Kevlar

El Kevlar® o poliparafenileno tereftalamida es una poliamida sintetizada por primera

vez por la química Stephanie Kwolek en 1965, quien trabajaba para DuPont. La

obtención de las fibras de Kevlar fue complicada, destacando el aporte de Herbert Blades,

que solucionó el problema de qué disolvente emplear para el procesado. Finalmente,

DuPont empezó a comercializarlo en 1972.

Esencialmente hay dos tipos de fibras de Kevlar: Kevlar 29 y Kevlar 49. El Kevlar 29 es

la fibra tal y como se obtiene de su fabricación, y se usa típicamente como refuerzo en

tiras por sus buenas propiedades mecánicas, o para tejidos. Entre sus aplicaciones está la

fabricación de cables, ropa resistente (de protección) o chalecos antibalas. El Kevlar 49

se emplea cuando las fibras se van a embeber en una resina para formar un material

compuesto. Las fibras de Kevlar 49 están tratadas superficialmente para favorecer la

unión con la resina. El Kevlar 49 se emplea como equipamiento para deportes extremos,

para altavoces y para la industria aeronáutica.

4.3. Fibra de carbono

Se denomina fibra de carbono a un material compuesto no metálico de tipo polimérico.

Está compuesto por una matriz -parte del material llamada fase dispersante que da forma

a la pieza, también llamada resina- que contiene un refuerzo -o fase dispersa- a base de

fibras, en este caso de carbono -cuya materia prima es el polietilnitrilio-. Es un material

muy caro, de propiedades mecánicas elevadas y ligero. Al igual que la fibra de vidrio, es

un caso común de metonímia, en el cual se le da al todo el nombre de una parte, en este

caso el nombre de las fibras que lo refuerzan.

Al tratarse de un material compuesto en la mayoría de los casos -aproximadamente un

75%- se utilizan polímeros termoestables. El polímero es habitualmente resina epoxy, de

tipo termoestable.

Las propiedades principales de este material compuesto son:

• Elevada resistencia mecánica, con un módulo de elasticidad elevado.

• Baja densidad, en comparación con otros elementos como por ejemplo el acero.

• Elevado precio de producción.

• Resistencia a agentes externos.

• Gran capacidad de aislamiento.

• Resistencia a las variaciones de temperatura, conservando su forma.

• Buenas propiedades ignífugas.

Las razones del elevado precio de los materiales realizados en fibra de carbono se debe a:

• El refuerzo, fibra, es un polímero sintético que requiere un caro y largo proceso de

producción.

• El uso de materiales termoestables dificulta el proceso de creación de la pieza

final, ya que se requiere de un complejo utillaje especializado, como el horno

autoclave.

Tiene muchas aplicaciones en la industria aeronáutica y automovilística, al igual que en

barcos y en bicicletas, dónde sus propiedades mecánicas y ligereza son muy importantes.

También se está haciendo cada vez más común en otros artículos de consumo como

patínes en línea, ordenadores portátiles, trípodes y cañas de pesca.

Estructura y propiedades

La estructura atómica de la fibra de carbono es similar a la del grafito, consistene en

láminas de átomos de carbono arreglados en un patrón regular hexagonal. La diferenci

recae en la manera en que esas hojas se intercruzan. El grafito es un material cristalino en

donde las hojas se sitúan paralelamente unas a otras regularmente. Las uniones químicas

entre las hojas es relativamente débil, dándoles al grafito su blandura y brillo

característicos. La fibra de carbono es un material amorfo: las hojas de átomos de

carbono están azarosamente foliadas, o apretadas, juntas. Esto integra a las hojas,

previniendo su corrimeinto entre capas e incrementando grandemente su resistencia.

La densidad de la fibra de carbono es de 1.750 kg/m3. Es dieléctrico y de baja

conductividad térmica. Al calentarse, un filamento de carbono se hace más grueso y

corto.

Naturalmente, las fibras de carbono son negras, pero recientemente hay disponible fibra

coloreada.