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Metalurgia General: Microestructuras, Tratamientos Térmicos, Aceros, Fundiciones y Aleaciones No Férreas

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1. Microestructuras del Acero y Propiedades Mecánicas

  • Cementita ($ ext{Fe}_3 ext{C}$): Dureza de 68 HRC, comportamiento muy frágil, estructura cristalina ortorrómbica.
  • Perlita: Resistencia a la tracción de 800 MPa, dureza de 200 - 300 HB.
  • Sorbita: Formada a 650 - 600 °C; resistencia de 0,8 - 1,4 GPa (800 - 1400 MPa); dureza de 200 - 400 HB; alargamiento del 10 - 20%.
  • Troostita: Formada a 600 - 500 °C; dureza de 400 - 500 HB; resistencia de 1,4 - 1,7 GPa (1400 - 1700 MPa); alargamiento del 5 - 10%.
  • Bainita (500 - 225 °C):
    • Bainita superior (500 - 450 °C): Morfología arborescente o plumosa.
    • Bainita inferior (450 - 225 °C): Morfología acicular (en forma de agujas).
  • Martensita: Resistencia de 1,7 - 2,0 GPa (1700 - 2000 MPa); dureza muy elevada de 50 - 69 HRC; alargamiento mínimo de 0,5 - 2,5%; morfología de agujas en zig-zag orientadas a 60°.

2. Tratamientos Térmicos de los Aceros

2.1. Recocidos

  • Recocido de austenización completa: Regeneración estructural. Se subdivide en:
    • Homogeneización: Calentamiento a $Ac_3 + 200\text{ }°\text{C}$.
    • Regeneración: Calentamiento a $Ac_3 + 50\text{ }°\text{C}$.
  • Recocido de austenización incompleta: Tratamiento de ablandamiento aplicado en aceros hipereutectoides; produce cementita globular sobre matriz ferrítica ($\alpha$).
  • Recocido subcrítico: Incluye recocido globular (enfriamiento en horno), de ablandamiento, contra acritud y para alivio de tensiones internas.

2.2. Normalizado

Calentamiento a $Ac_3 + 50\text{ }°\text{C}$ seguido de enfriamiento al aire calmado (más rápido que el recocido). Se aplica típicamente a aceros de construcción.

2.3. Temple y Revenido

  • Temple: Calentamiento y enfriamiento rápido para transformar la estructura de toda la pieza en martensita.
  • Revenido: Tratamiento térmico posterior al temple:
    • A 250 - 400 °C: Se produce una disminución de tenacidad (fragilidad de revenido).
    • A 450 - 550 °C: Se produce fragilidad específica en aceros aleados con Cromo-Níquel (enfermedad de Krupp).

2.4. Tratamientos Isotérmicos

  • Recocido isotérmico: Calentamiento superior a $Ac_3$ (hipoeutectoides) o $Ac_1$ (hipereutectoides), enfriamiento rápido a 600 - 700 °C en baño de sales para la formación completa de perlita y posterior enfriamiento al aire; genera un significativo ahorro de tiempo.
  • Austempering: Calentamiento por encima de los puntos críticos ($Ac$), enfriamiento rápido en baño térmico a 450 °C hasta $M_s$ hasta obtener bainita; se logra un material muy tenaz y duro.
  • Martempering: Enfriamiento hasta 200 - 300 °C (ligeramente superior a $M_s$), mantenimiento para homogeneizar la temperatura en toda la pieza y enfriamiento final al aire para formar martensita con mínimas tensiones residuales.

3. Clasificación y Designación de Aceros

3.1. Aceros de Calidad y Aceros Especiales (Normativa Tradicional F-XXXX)

  • Aceros de calidad:
    • Uso general: F-62xx.
    • Calderería: F-63xx.
    • Construcción con alto límite elástico ($\sigma_e$): F-64xx.
  • Aceros finos o especiales:
    • Aceros al carbono: F-11xx.
    • Alta resistencia: F-12xx.
    • Alto límite elástico y resortes: F-14xx.
    • Para cementación: F-15xx.
    • Para nitruración: F-17xx.
    • Aceros inoxidables:
      • Martensíticos: Alta dureza y resistencia mecánica, pero menor resistencia a la corrosión.
      • Ferríticos: Buena resistencia a la corrosión, pero comportamiento frágil.
      • Austeníticos: Máxima resistencia a la corrosión; endurecibles por deformación en frío.
  • Aceros para herramientas:
    • Al carbono: F-51xx.
    • Aleados:
      • Indeformables: F-52xx (alta templabilidad y resistencia al desgaste).
      • Para trabajo en frío: Gran dureza, tenacidad y capacidad de corte.
      • Para trabajo en caliente: Soportan temperaturas de transición de trabajo de hasta 200 °C o más.
      • Rápidos: Elevada velocidad de corte y resistencia a altas temperaturas.

3.2. Clasificación según Normas Europeas (UNE-EN)

  • UNE-EN 10020: Clasificación de los aceros en no aleados, aleados e inoxidables (con un mínimo de 10,5% Cr y un máximo de 1,2% C, clasificándose según su contenido de Níquel sea superior o inferior al 2,5% Ni).
  • UNE-EN 10027: Sistemas de designación del acero:
    • S: Aceros estructurales para construcción.
    • P: Aceros para recipientes a presión.
    • L: Aceros para tuberías de conducción.
    • E: Aceros para construcción mecánica y maquinaria.

4. Fundiciones de Hierro

La presencia y morfología del carbono condicionan el tipo de fundición:

  • Fundiciones grafitizadas: Alto contenido de grafito (Gris, Nodular, Maleable). Su microestructura de matriz depende de la velocidad de enfriamiento:
    • Enfriamiento rápido: Grafito + Martensita.
    • Enfriamiento intermedio: Grafito + Perlita.
    • Enfriamiento lento: Grafito + Ferrita.
  • Fundición blanca: Con bajo contenido de grafito libre (el carbono precipita como carburo de hierro $\text{Fe}_3\text{C}$):
    • Composición: 2,5 - 3% C, 0,5% Si, 0,8 - 1,5% Mn.
    • Propiedades: Muy dura, frágil, excelente resistencia al desgaste y difícil mecanizado.
  • Fundición gris:
    • Composición: 3 - 3,5% C, 1,5 - 2,2% Si, 0,4 - 1% Mn.
    • Propiedades: Más blanda, fácil de moldear y mecanizar; excelente capacidad para amortiguar vibraciones.
    • La carga de rotura aumenta con un mayor control del fósforo (%P) y con un menor espesor de las láminas de grafito.
  • Fundiciones aleadas:
    • Cromo (Cr): Eleva la resistencia a altas temperaturas.
    • Cobre (Cu) y Cromo (Cr): Mejoran notablemente la resistencia a la corrosión.
    • Fósforo (P): Aumenta la colabilidad mediante la formación de steadita (fase dura y frágil).
  • Fundiciones dúctiles o esferoidales: Producidas con adición de Magnesio (Mg) durante la colada, lo que promueve la nucleación del grafito en forma de nódulos o esferas, reduciendo drásticamente el efecto de entalla en la matriz metálica.

5. Aleaciones No Férreas

5.1. Aleaciones de Aluminio

  • Efecto de los elementos de aleación:
    • Magnesio (Mg): Reduce la densidad / peso específico de la aleación.
    • Cinc (Zn) y Manganeso (Mn): Mejoran la conformabilidad plástica.
    • Cobre (Cu): Mejora notablemente las propiedades mecánicas, aunque perjudica la resistencia a la corrosión.
  • Aluminios para moldeo:
    • Al-Cu: Mayor resistencia mecánica y colabilidad, pero menor ductilidad y resistencia a la corrosión.
    • Al-Si: Elevada dureza, bajo coeficiente de dilatación térmica ($\alpha$), resistencia al desgaste y excelente soldabilidad.
    • Otros elementos comúnmente añadidos: Zn, Mg y Mn.
  • Aluminios para forja:
    • Aleación con 1,25% Mn: Incremento de resistencia mecánica, buena resistencia a la corrosión (aplicada comúnmente en menaje y ollas).
    • Aleación con 2 - 7% Mg: Endurecimiento rápido por deformación, aptitud para soldadura y alta resistencia a la corrosión ambiental y marina.

5.2. Aleaciones de Cobre

  • Aleaciones Cobre-Cinc (Latones):
    • Fase $\alpha$: Solución sólida sustitucional de Zn en Cu de red FCC. Carácter metálico, maleable y endurecible por precipitación / deformación.
      • Latones $\alpha$ (hasta 33% Zn): Latón rojo (5 - 20% Zn) y latón amarillo (23 - 35% Zn).
    • Fase $\beta$: Solución sustitucional con red BCC; estructura dura y menos maleable.
      • Latones $\alpha + \beta$ (35 - 45% Zn): Incluye el metal Muntz (60% Cu / 40% Zn).
    • Fase $\gamma$: Fase intermetálica extremadamente dura y frágil.
  • Aleaciones Cobre-Estaño (Bronces Cu-Sn):
    • Fase $\alpha$ susceptible de endurecimiento por precipitación, red FCC maleable.
    • La fase $\beta$ se descompone en fases secundarias duras.
  • Aleaciones Cobre-Aluminio (Cu-Al):
    • Contenido en torno al 10% de Al: Aleaciones ligeras, muy resistentes a la corrosión y tenaces.
    • Por encima del 9,45% de Al pueden experimentar transformaciones martensíticas por enfriamiento rápido.
  • Aleaciones Cobre-Níquel (Cu-Ni):
    • Gran resistencia mecánica, resistencia a la oxidación y a la corrosión; conservan sus propiedades a elevadas temperaturas. Presentan una alta resistividad eléctrica pero tienen un coste elevado.
    • Aleación Monel: Proporción aproximada 30% Cu - 70% Ni.
  • Aleaciones Cobre-Berilio (Cu-Be):
    • Aproximadamente 2% Be; endurecible por precipitación.
    • Resistencia mecánica de 470 a 1400 MPa, excelente resistencia a la corrosión, alta conductividad eléctrica, bajo módulo de elasticidad ($E$), comportamiento amagnético y coste de fabricación elevado.

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