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metodologia y algunos tratamientos termicos para los aceros
Tipo: Apuntes
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- INTRODUCCIÓN Pág. - CAPITULO El estudio de los aceros es importante debido a que ellos representan por mucho los materiales metálicos más ampliamente usados, primeramente por el hecho de que pueden ser manufacturados en grandes cantidades en especificaciones muy precisas, a un costo relativamente bajo. También proporcionan un rango extenso de propiedades mecánicas, desde niveles de resistencia moderada con excelente ductilidad y tenacidad hasta muy altas resistencias con una ductilidad adecuada. Por esto, no debe de sorprender que los hierros y los aceros comprenden hoy en día,, sobre el 80 % en peso de las aleaciones de uso industrial.
Los aceros forman quizás el grupo más complejo de aleaciones de uso común. Por esto, al estudiarlos es útil considerar en primer término el comportamiento del hierro puro, a continuación las aleaciones hierro-carbono y posteriormente examinar una serie de conocimientos que surgen cuando se agregan elementos de aleación. El hierro puro no es un material fácil de producir, lográndose en la actualidad hierros de gran pureza (impurezas en el orden de unos cientos de partes por millón); sin embargo, el hierro de esta pureza es extremadamente bajo en resistencia mecánica motivo por el cual es necesario alearlo a fin de elevar ésta y hacer de dichas aleaciones (los aceros) el grupo de materiales de uso tan extenso hoy en día. Considerando que el gran número de propiedades mecánicas que pueden imprimirse a los aceros, son en su gran mayoría el resultado de los tratamientos térmicos a los que pueden sujetarse estos materiales metálicos, es necesario entender la gran importancia que tienen estos en sus procesos de conformado.
Los Tratamientos Térmicos en verdad son una ciencia y además una ciencia exacta, es decir, no son procesos en los que el azar o el destino proporcionan la mejor solución. Mucha gente de la industria piensa que los tratamientos térmicos son procesos que no necesitan el grado de Competencia o de Conocimientos Teóricos que algunos otros procesos industriales requieren; sin embargo, los conocimientos teóricos en los que se basan estos, solamente los llegan a adquirir aquellos Ingenieros cuya visión va más haya de la concepción de que los tratamientos térmicos son “meras recetas” que ya se tienen bien definidas a nivel industrial y que por ello no requieren de conocimientos teóricos profundos, es decir, no cabe otra solución que la de conocer el comportamiento de los metales científicamente por el conocimiento de su naturaleza íntima y de las leyes que ésta les impone, pues con ello, aunque no nos sea conocida concretamente una propiedad determinada, se conocerá la trama que liga a todos ellos y por tanto, el ingeniero que posea tales conocimientos fundamentales estará en condiciones de estudiar utilitariamente las diversas aleaciones industriales y desarrollar científicamente su labor, pues el mecanismo íntimo de los diversos fenómenos metálicos le será conocido y ello le permitirá ir con paso seguro del terreno, y generar todas las tareas que le sean exigidas dentro de su ámbito de desarrollo profesional.
Este libro ayuda a comprender porque los aceros han tomado esta posición preeminente y examina con detalle los fenómenos cuyo entendimiento permite que se logren las propiedades deseadas, con base en los aspectos teóricos y prácticos y su conexión permitiendo un mejor conocimiento de los aceros y sus tratamientos térmicos
los átomos suelen formar grupos llamados moléculas. Cada molécula de agua, por ejemplo, está formada por un único átomo de oxígeno (O) y dos átomos de hidrógeno (H) unidos por una fuerza eléctrica denominada enlace químico, por lo que el agua se simboliza como HOH o H2O, figura 1.2.
Figura 1.2.- Una molécula de agua está formada por un átomo de oxígeno y dos de hidrógeno, que forman un ángulo de 105°.
Todos los átomos de un determinado elemento tienen las mismas propiedades químicas. Por lo tanto, desde un punto de vista químico, el átomo es la entidad más pequeña que hay que considerar. Las propiedades químicas de los elementos son muy distintas entre sí; sus átomos se combinan de formas muy variadas para formar numerosísimos compuestos químicos diferentes. Algunos elementos, como los gases nobles helio y argón, son inertes; es decir, no reaccionan con otros elementos salvo en condiciones especiales. Al contrario que el oxígeno, cuyas moléculas son diatómicas (formadas por dos átomos), el helio y otros gases inertes son elementos monoatómicos, con un único átomo por molécula.
1.3.- EL ÁTOMO NUCLEAR DE RUTHERFORD
El descubrimiento de la naturaleza de las emisiones radiactivas permitió a los físicos profundizar en el átomo, que según se vio consistía principalmente en espacio vacío. En el centro de ese espacio se encuentra el núcleo, que sólo mide, aproximadamente, una diezmilésima parte del diámetro del átomo. Rutherford dedujo que la masa del átomo está concentrada en su núcleo, figura 1.3. También postuló que los electrones, de los que ya se sabía que formaban parte del átomo, viajaban en órbitas alrededor del núcleo. El núcleo tiene una carga eléctrica positiva; los electrones tienen carga negativa. La suma de las cargas de
los electrones es igual en magnitud a la carga del núcleo, por lo que el estado eléctrico normal del átomo es neutro.
Figura 1.3.- Modelo atómico de Rutherford
1.4.-EL ÁTOMO DE BOHR
Para explicar la estructura del átomo, el físico danés Niels Bohr desarrolló en 1913 una hipótesis conocida como teoría atómica de Bohr. Bohr supuso que los electrones están dispuestos en capas definidas, o niveles cuánticos, a una distancia considerable del núcleo, figura 1.4. La disposición de los electrones se denomina configuración electrónica. El número de electrones es igual al número atómico del átomo: el hidrógeno tiene un único electrón orbital, el helio dos y el uranio 92. Las capas electrónicas se superponen de forma regular hasta un máximo de siete, y cada una de ellas puede albergar un determinado número de electrones. La primera capa está completa cuando contiene dos electrones, en la segunda caben un máximo de ocho, y las capas sucesivas pueden contener cantidades cada vez mayores. Ningún átomo existente en la naturaleza tiene la séptima capa llena. Los “últimos” electrones, los más externos o los últimos en añadirse a la estructura del átomo, determinan el comportamiento químico del átomo.
Todos los gases inertes o nobles (helio, neón, argón, criptón, xenón y radón) tienen llena su capa electrónica externa. No se combinan químicamente en la naturaleza, aunque los tres gases nobles más pesados (criptón, xenón y radón) pueden formar compuestos químicos en el laboratorio. Por otra parte, las capas exteriores de los elementos como litio, sodio o potasio sólo contienen un electrón. Estos elementos se combinan con facilidad con otros elementos (transfiriéndoles su electrón más externo) para formar numerosos compuestos químicos.
En nuestro caso estamos interesados en los metales, motivo por el cual es de gran interés el conocer como son los arreglos atómicos tridimensionales que se presentan en los metales de mayor uso en ingeniería.
1.5.1.- Enlace iónico El enlace iónico, llamado también enlace heteropolar, puede considerarse como el enlace o unión química más simple de visualizarse debido a su naturaleza casi totalmente electrostática. Este enlace se lleva a cabo entre elementos electropositivos (metales, esto es, aquellos elementos a la izquierda de la tabla periódica) y elementos electronegativos (no metales, esto es, aquellos elementos a la derecha de la tabla periódica). El NaCl y el MgO son ejemplo de sólidos en los
cuales domina el enlace de tipo iónico. La formación del NaCl involucra la transferencia de electrones de valencia desde los átomos de Na hacia los átomos de Cl. Como resultado de esta
transferencia de electrones se forman cationes de una sola carga, Na +^ y aniones Cl −^ también con una sola carga, ambos con una configuración de gas noble, neón y argón, respectivamente. La formación de cationes y aniones hace surgir una fuerza electrostática la cual mantendrá unidos a ambos iones. El producto final será la aparición de un gran número de cristalitos de sal.
1.5.2.-Enlace Covalente El enlace covalente, a diferencia del enlace iónico, se caracteriza por una compartición de electrones (electrones de valencia) entre pares de átomos, más que una cedencia de electrones de un átomo a otro, con lo cual ambos átomos involucrados completarán (en la mayoría de los casos) el octeto, es decir, van a adquirir una configuración de gas noble. Cabe mencionar que en este enlace ninguno de los átomos involucrados obtiene una posesión completa de los electrones que forman la unión.
El caso más simple de unión covalente tiene lugar en la formación de la molécula de hidrógeno. Cuando dos átomos de hidrógeno se combinan para formar una molécula, comparten su electrón de valencia, lo cual se puede representar de la siguiente forma:
H °^ + H ° → H H:
Esta molécula se caracteriza por una densidad electrónica alta (concentración de carga negativa) entre los núcleos (protones) debido a que los electrones compartidos pasan más tiempo en ese lugar. La compartición de electrones, característica de la unión covalente o unión homopolar, también se da en moléculas como: N 2 , O 2 , F 2 , etc., en esos casos los electrones
involucrados son los que se localizan en los suborbitales p. Por la forma del suborbital p, la compartición de estos electrones le confiere un carácter direccional al enlace covalente.
1.5.3.- Enlace Metálico Otro tipo de unión química, la cual está confinada a los metales, es el enlace metálico. En la unión metálica ideal los electrones de valencia no se encuentran unidos a ningún par particular de átomos sino que se mueven libremente a través del metal. Las propiedades conocidas de los metales, tales como la alta conductividad eléctrica y térmica, soportan la visión conceptual de que los electrones de valencia nunca permanecen cerca de algún átomo en particular por mucho tiempo sino que ellos se mueven de una manera al azar a través de todo el metal. De esta manera se puede visualizar el arreglo ordenado de iones en un metal, como partículas que son mantenidas juntas por un gas de electrones libres.
Esta situación se presenta por el hecho de que el número de electrones de valencia es demasiado pequeño, como para proporcionar capas completas para todos los átomos que forman el metal. Debido a la formación del gas de electrones libres, la unión metálica es no direccional. Actuando con igual fuerza en todas direcciones. Esto nos lleva a tener en muchos de los metales, estructuras cristalinas de una alta coordinación de empaquetamiento, lo que explica las propiedades únicas de los metales, así como su habilidad para formar aleaciones.
En general, se dice que los enlaces en los que existe unión de átomo a átomo son “enlaces de primer orden”. Por ello, los enlaces iónico, covalente y metálico pertenecen a este grupo. Por otra parte, existen enlaces de “segundo orden”, llamados “Enlaces de Van der Waals”, los cuales son debidos a una débil fuerza de atracción, resultante de la polarización eléctrica de los átomos o moléculas.
Tabla 1.1.- Sistemas cristalinos. Sistema cristalino Tipos de celda unitaria
Ejes Ángulos axiales
Cúbico CS, FCC, BCC^ a = b =c^ α^ =^ β^ =^ γ=^ 90º Tetragonal TS, BCT a = b ≠c α = β = γ= 90º Ortorrómbico OS. bCO, BCO, FCO
a ≠ b ≠c α = β = γ= 90º
Romboedral (trigonal)
RS (^) a = b =c α = β = γ≠ 90º
Hexagonal HS, HC^ a = b ≠c α β γ
Monoclínico MS, bCM a ≠ b ≠c α = γ= 90º≠ β Triclínico TS^ a ≠ b ≠c α ≠ β ≠γ
La geometría de una red espacial o sistema cristalino, está completamente definida por las constantes de la red (longitud de los lados) a, b y c, y los ángulos interaxiales α , β ,γ. Del total
de las catorce celdas unitarias existentes, sólo algunas poseen importancia para el estudio de los metales.
La figura 1.5 muestra seis de las celdas unitarias que se presentan con mayor frecuencia en los metales y aleaciones. En los cristales cúbicos el parámetro de la red tiene el mismo valor en las tres direcciones del cristal y suele denotarse por la letra “a”. Sin embargo, en otros cristales el parámetro de la red puede tener tres valores diferentes.
Figura 1.5.- Representación esquemática de las seis celdas unitarias más importantes en los metales: a) Cúbica a cuerpo centrado, b) Cúbica a caras centradas, c) Tetragonal a cuerpo centrado, d) Ortorrómbica a caras centradas, e) Hexagonal simple y f) Romboédrica. La Celda Hexagonal compacta, característica del magnesio y algunos otros metales puros, puede considerarse formada por tres celdas unitarias de la celda Hexagonal simple como se muestra en la figura 1.6 (a)
En la figura 1.6 (b) y (c) se muestra la celda hexagonal compacta, en la que se ve la secuencia de apilamiento de ”planos compactos” que la constituyen y que es: AB, AB, AB…., cabe mencionar que dentro del sistema cristalino cúbico, únicamente la estructura cristalina cúbica a caras centradas (FCC), figura 1.6 (d), está formada por planos compactos, pero siguiendo una secuencia de apilamiento dada por: ABC, ABC, ABC…, por lo que esta estructura posee la celda unitaria más compacta del sistema cúbico.
Figura 1.6.- Celda Hexagonal Compacta. a) Celda hexagonal compacta con una celda simple mostrada por la línea de trazo continuo; b) Empaquetamiento de esferas de las dos primeras capas; c) Arreglo hexagonal compacto mostrando la secuencia de apilamiento ABA; d) Secuencia de apilamiento ABCA para una estructura FCC.
temperatura. El ejemplo más conocido es el que presenta el hierro: a temperaturas por debajo de los 908 ºC, los átomos de hierro se encuentran formando una red espacial cúbica a cuerpo centrado, (BCC). Al calentar el hierro por arriba de los 908 ºC y hasta los 1401 ºC los átomos de hierro se encuentran formando una red cúbica a caras centradas, (FCC). Al calentar el hierro por encima de los 1401 ºC y hasta los 1538 0 C se produce un segundo cambio alotrópico, formándose nuevamente una estructura cúbica a cuerpo centrado, (BCC), como se muestra en la figura 1.8. Estos cambios alotrópicos son el resultado de un cambio en la temperatura, lo que se refleja en un “reacomodo” de los átomos para formar distintas estructuras cristalinas; la alotropía es un fenómeno que resalta la importancia de los cambios de temperatura en los metales, a continuación se analizan otros fenómenos dependientes de la temperatura.
Figura 1.8.- Diagrama de enfriamiento mostrando la alotropía del hierro puro.
En el párrafo anterior se mencionó la importancia de la temperatura sobre la estructura cristalina de algunos metales y aleaciones. Además del fenómeno de alotropía, existen otros fenómenos dependientes de la temperatura, entre los que destacan:
Cada uno de estos fenómenos afecta las propiedades del material, algunas veces en forma benéfica y otras no. En el caso de los tratamientos térmicos el primero y el tercero son los de mayor importancia, motivo por el cual se analizan a continuación.
1.7.1.- Difusión La difusión se puede definir como el movimiento o transporte de átomos a través de la estructura cristalina que forma el metal. Este movimiento de átomos se lleva a cabo de una posición reticular a otra o de una posición intersticial a otra.
El movimiento de los átomos de un metal puro o del elemento base o solvente se conoce como “difusión propia”, mientras que la difusión de un metal como elemento de aleación en otro metal (base), se conoce como “difusión sustitucional” (si la solución que forman ambos elementos es del tipo sustitucional) o “difusión intersticial” (si la solución formada es del tipo intersticial).
El movimiento de los átomos dentro de un sólido metálico, en el caso de difusión propia y difusión sustitucional, depende de la existencia de “sitios vacantes o vacancias”, las cuales son un tipo de defecto que posee todo metal y el cual es dependiente de la temperatura, su dependencia es de forma exponencial, por lo que a mayor temperatura mayor concentración de sitios vacantes, con el consecuente aumento en la difusión atómica, además de que a mayor temperatura mayor energía poseen los átomos, aumentando por tanto la frecuencia de salto de los mismos de un sitio vacante a otro.
Cuantitativamente el fenómeno de la difusión puede evaluarse por medio de las dos “leyes de Fick”. La primera ley de Fick, aplicable para aquellos fenómenos de difusión que pueden considerarse independientes del tiempo, se expresa matemáticamente como:
J = −D (^) dxdc …………………….. (1.1) Donde: J = Flujo de átomos dado en átomos/(cm^2 segundo) D = Coeficiente de difusión en cm^2 /segundo C = Concentración de átomos en átomos/cm^3
expresar en términos de una energía de activación para la difusión y está expresado por medio de la siguiente ecuación:
D D eo
Q = RT^ D
− …………………….. (1.5) Donde: Do = Cte. [cm^2 /s] QD = Energía de activación para la difusión [Kcal/mol] R = 1.987 [cal/mol ºK] T = Temperatura [ºK]
Las transformaciones alotrópicas del hierro y otros metales, la formación de constituyentes como la ferrita y la formación de distintas fases que aparecen en sistemas de aleación según los distintos diagramas de equilibrio, están asociados a fenómenos de transporte en estado sólido, que requieren del movimiento de los átomos a través de la estructura cristalina del sólido, es decir, requieren del fenómeno de difusión para llevarse a cabo.
Tomando en consideración la importancia que tienen las aleaciones Hierro - Carbono dentro de la industria metal - mecánica, es de esperarse que la temperatura jugará un papel de suma importancia en el estudio de las transformaciones en el acero, ya que es el primer parámetro de influencia sobre la difusión (ver la Ec. (1.5)).
1.7.2.- Termofluencia La termofluencia es una deformación de tipo plástico, se puede definir como la deformación lenta y progresiva de un material conforme transcurre el tiempo, bajo un esfuerzo constante y en presencia de una cierta temperatura. El fenómeno de la termofluencia se observa en metales, cristales iónicos y covalentes y en materiales amorfos tales como vidrios y polímeros superiores.
Los metales exhiben termofluencia a una temperatura T ≥ 0 4. Tmdonde Tm es la temperatura de
fusión del metal en grados absolutos. Los materiales amorfos son muy sensibles a la temperatura para la termofluencia.
El problema de la termofluencia se presenta principalmente en los aceros llamados refractarios, los cuales se utilizan a temperaturas elevadas y por lo tanto deben de resistir el ataque de gases corrosivos (oxidación) y no deben deformase demasiado bajo la influencia de cargas mecánicas. El fenómeno de la termofluencia tiene relación directa con fenómenos de difusión, por lo tanto a mayor temperatura mayor tendencia a la termofluencia.
El método usual de realizar una prueba de termofluencia consiste en sujetar la probeta a un esfuerzo tensil constante, mientras se mantiene una temperatura constante y se mide la deformación producida conforme el tiempo transcurre. La termofluencia también se determina para compresión, corte y flexión. El método general para pruebas de termofluencia está cubierto por la ASTM norma E-22-41, los datos se representan en una curva de termofluencia graficando la deformación contra el tiempo transcurrido a temperatura y esfuerzo constantes, figura 1.9.
Figura 1.9. – Curva de termofluencia a temperatura y esfuerzo constantes.
De la figura 1.9 se puede ver que cuando se aplica una carga al inicio de la prueba de termofluencia, la deformación instantánea AB, es seguida por la termofluencia primaria BC; en éste primer periodo de la termofluencia la razón o velocidad de termofluencia disminuye debido al proceso de endurecimiento por trabajo, dando por resultado una deformación de la probeta. El segundo período de la curva de termofluencia es considerado como una termofluencia de estado estacionario, dado por CD. Éste período llamado “de velocidad mínima de termofluencia” se considera como un resultado del equilibrio logrado entre el proceso de endurecimiento y los efectos de la temperatura, lo que se refleja como un recocido del material. Finalmente, el tercer periodo de termofluencia, conocido como período de termofluencia