Ciencia de Materiales: Tratamientos Térmicos, Aleaciones y Defectos en Metales y Vidrios

Tratamientos Térmicos Isótermicos: Austempering y Martempering

Los procesos de Austempering y Martempering son tratamientos térmicos isotérmicos que buscan optimizar las propiedades mecánicas de los aceros. Ambos dan lugar a una estructura más uniforme.

Austempering

El Austempering se basa en transformar toda la austenita en bainita sin formar perlita. Para ello, el enfriamiento de la primera etapa debe ser rápido, seguido de un mantenimiento de la temperatura hasta que toda la austenita se transforma en bainita. Finalmente, se realiza un enfriamiento al aire. Este proceso confiere una buena ductilidad a expensas de la resistencia.

Martempering

El Martempering busca obtener martensita sin la formación de otros constituyentes indeseados. Este control del proceso ayuda a prevenir la formación de grietas, un problema común en el temple convencional.

Fundición Maleable: Proceso y Microestructuras

La fundición maleable es un tipo de fundición que requiere un tratamiento térmico específico para modificar su microestructura y mejorar sus propiedades. Se parte de una fundición blanca, y el objetivo es formar austenita y grafito a partir de la cementita.

Proceso de Obtención

El tratamiento consiste en calentar la fundición a temperaturas entre 900-950ºC durante un tiempo considerable. Posteriormente, el enfriamiento se realiza a una velocidad controlada, lo que permite obtener dos microestructuras diferentes:

• Fundición Maleable Perlítica: Se obtiene con una velocidad de enfriamiento moderada, resultando en una mayor resistencia.
• Fundición Maleable Ferrítica o Esferoidal: Se logra con una velocidad de enfriamiento lenta, ofreciendo una mayor ductilidad.

Es importante destacar que la fundición nodular (o dúctil) tiene el grafito en forma de glóbulos. Aunque la fundición maleable y la nodular pueden dar lugar a estructuras similares en cuanto a propiedades, la fundición maleable es generalmente más costosa y lenta de obtener.

Aceros Inoxidables Austeníticos: Propiedades y Aplicaciones

Los aceros inoxidables austeníticos son una clase importante de aleaciones metálicas conocidas por su excelente resistencia a la corrosión y sus propiedades mecánicas a altas temperaturas.

Composición y Estabilidad

Estos aceros se caracterizan por su composición, que incluye más de 7% de Níquel (Ni), 16-28% de Cromo (Cr), y a menudo 1.5-6% de Molibdeno (Mo). La austenita no es estable a temperatura ambiente, excepto en aceros fuertemente aleados como los aceros inoxidables. Un acero inoxidable austenítico típico contiene alrededor de 0.03% de Carbono (C) y mantiene su estructura austenítica a temperatura ambiente.

Ventajas e Inconvenientes

• Ventajas:
  • Buena resistencia a agentes atmosféricos y a la corrosión por ácidos.
  • Mantenimiento de sus propiedades a altas temperaturas.
  • Estabilidad de la austenita a temperatura ambiente.
• Aplicaciones: Hornos, calderas, equipos químicos, utensilios de cocina.
• Inconvenientes: Son susceptibles a la corrosión intergranular en ciertas condiciones.

Vidrios: Estructura y Modificadores de Red

Los vidrios son materiales amorfos con una estructura única que puede ser modificada para alterar sus propiedades y facilitar su procesamiento.

Modificadores de Red y Propiedades

Los modificadores de red son aditivos que rompen la estructura del vidrio para favorecer su formación a temperaturas más bajas. En los vidrios sodocálcicos, por ejemplo, la adición de óxidos como el sodio (Na₂O) y el calcio (CaO) reduce el punto de fusión y la viscosidad de la sílice, permitiendo la obtención de vidrio a menores temperaturas.

Sin embargo, la sílice pura posee propiedades mecánicas extraordinarias que se ven reducidas al mezclarse con otros componentes.

Estructura Fundamental del Vidrio

La estructura fundamental de los vidrios se basa en tetraedros de SiO₄. Los enlaces se forman compartiendo átomos de oxígeno. Cuando un átomo de oxígeno queda libre para otros enlaces, pueden aparecer otras uniones. Un aumento en la relación O/Si produce un efecto contrario al que se obtiene al añadir Na₂O, afectando la red polimérica y, por ende, las propiedades del vidrio.

Procedimientos de Endurecimiento de Metales

El endurecimiento de metales es un conjunto de técnicas que buscan aumentar la resistencia mecánica de los materiales.

Endurecimiento por Precipitación

Ocurre cuando las dislocaciones, al moverse, interaccionan con partículas de precipitado. Si estas partículas son demasiado grandes para ser cortadas, actúan como barreras al movimiento, forzando a las dislocaciones a curvarse y formar lazos. La máxima resistencia se alcanza cuando la distancia entre las barreras es óptima y las dislocaciones son suficientemente rígidas.

Endurecimiento por Deformación (Acritud)

En materiales con estructura cúbica, el aumento de resistencia es mayor que en los hexagonales. Los campos de tensión generados por las dislocaciones interaccionan, ejerciendo fuerzas unos sobre otros y dificultando su movimiento, lo que resulta en un aumento de la dureza y resistencia.

Endurecimiento por Límite de Grano

La diferente orientación de los granos dificulta la deformación. Un tamaño de grano pequeño es preferible, ya que crea más barreras al movimiento de las dislocaciones y reduce la concentración de tensiones en el frente de la línea de deslizamiento, aumentando significativamente la resistencia del material.

Conceptos Clave en Ciencia de Materiales

Para comprender el comportamiento de los materiales, es fundamental conocer las soluciones sólidas, las fases intermedias y los defectos cristalinos.

Solución Sólida

Es una mezcla de distintas fases en la que se conserva la estructura cristalina de uno de los componentes base. El componente con mayor composición y que mantiene su estructura se denomina disolvente.

Fase Intermedia

También involucra diferentes fases, pero su estructura cristalina no es igual a la de ninguno de los componentes que la forman, presentando una nueva estructura propia.

Factores que Favorecen la Solubilidad Sólida

• Alta temperatura.
• Diferencia de tamaño atómico entre soluto y disolvente inferior al 15%.
• Misma estructura cristalina.
• Valencia similar.

La solubilidad es total solo si ambos componentes tienen la misma estructura cristalina.

Segregación

Es una diferencia en la composición química de una aleación que ocurre durante el proceso de solidificación, cuando no hay tiempo suficiente para homogeneizar la pieza. La segregación en la primera capa solidificada no es la misma que en la última gota de líquido que solidifica. Existen dos tipos principales:

• Segregación Principal: Se produce a gran escala en la pieza.
• Segregación Dendrítica: Se produce a nivel de grano y se manifiesta microscópicamente por la visualización de dendritas.

Defectos Cristalinos

Los defectos en la red cristalina influyen significativamente en las propiedades de los materiales.

• Vacante: Ausencia de un átomo en la red cristalina. Un aumento en la concentración de vacantes favorece la difusión atómica.
• Dislocación: Imperfección cristalina lineal. Puede ser de borde, helicoidal o mixta (implica la presencia de planos atómicos extra). Son fundamentales para entender la deformación plástica.
• Defectos de Apilamiento: Alteración de la secuencia normal de ordenación de planos atómicos (ejemplo: de una secuencia ABCABC... a ABCABBA...).