Solubilidad del Carbono, Aceros y Fundiciones: Propiedades, Tratamientos Térmicos y Materiales Magnéticos

Solubilidad del carbono en el hierro

La solubilidad del C en austenita es unas 100 veces mayor que en la ferrita. La austenita (Feγ, FCC) presenta una estructura más compacta que la ferrita (Feα, BCC), por lo que tiene menos espacio para alojar átomos intersticiales. El tamaño de los intersticios en el Feα es menor que en el Feγ. Además, la difusividad es menor en el Feγ que en el Feα, debido a diferencias en el empaquetamiento atómico.

La ferrita presenta un comportamiento ferromagnético hasta 768 ºC (temperatura de Curie del Fe). Por encima de esa temperatura pierde dicho comportamiento y pasa a Feβ; hacia 912 ºC se transforma en Feγ, que por encima de la temperatura de Curie es paramagnético.

Aleaciones de cromo y níquel

• El níquel se disuelve en la ferrita y forma compuestos intermetálicos muy duros. Además, reduce la temperatura del eutectoide.
• El cromo se reparte entre la formación de carburos y la matriz; su distribución depende del contenido de C. El cromo eleva la temperatura del eutectoide.

Efectos de los elementos de aleación sobre la templabilidad de los aceros

Los elementos de aleación (E.A.) desplazan la curva de transformación S hacia la derecha, de manera que aumentan la templabilidad. Así se consigue una estructura martensítica con medios de enfriamiento menos severos, lo que evita la aparición de grietas. En definitiva, los E.A. mejoran el temple.

Fundiciones blancas, grises y dúctiles

Fundición gris

El C precipita en forma de hojuelas de grafito que aparecen dentro de la matriz de ferrita o perlita, en función de la velocidad de enfriamiento. Contiene un mayor contenido de C y Si. Son económicas, presentan excelente facilidad de mecanizado, son resistentes al desgaste y a la compresión, y amortiguan las vibraciones.

Fundición blanca

El C se presenta en forma de cementita, muy dura y frágil. Es difícil de mecanizar y tiene menor contenido de C y Si. Se enfría muy rápidamente para evitar la formación de grafito, obteniendo una microestructura de perlita + cementita.

Fundición dúctil

Combina las ventajas de la fundición gris con las propiedades de los aceros. Se forman nódulos de grafito que permiten la deformación sin fractura. Sus propiedades dependen de la velocidad de enfriamiento: lento aporta tenacidad; rápido aporta ductilidad.

Aleaciones de aluminio y cobre de alta resistencia

Las aleaciones de aluminio de alta resistencia son las aleaciones para forja. Las aleaciones de cobre-berilio presentan grandes valores de resistencia. Se consigue mediante tratamientos de precipitación de una segunda fase: aparecen en el seno de la matriz precipitados de pequeño tamaño, redondeados y uniformemente distribuidos, que actúan como obstáculos para las dislocaciones y endurecen el material.

Efectos de los elementos de aleación en los aceros

• Proporcionan un endurecimiento por solución sólida de la ferrita.
• Favorecen la precipitación de carburos en lugar de la formación de Fe3C.
• Aumentan la resistencia a la corrosión por formación de capas superficiales.
• Mejoran la templabilidad.

Factores que influyen en la maquinabilidad del acero

• Composición del acero: los aceros con mayor contenido de ferrita y perlita tienen mejor maquinabilidad.
• Tamaño de grano: un tamaño de grano mayor mejora la maquinabilidad.
• Dureza: a mayor dureza, menor maquinabilidad.
• Contenido de inclusiones.

Efecto del silicio en la fundición: favorece la grafitización del carbono, originando transformaciones que se apartan de las que aparecen en el diagrama Fe-Fe3C.

Tratamientos térmicos

Temple

Se calienta el acero por encima de la temperatura de austenización y se enfría rápidamente, obteniendo martensita con gran dureza y resistencia mecánica máxima, aunque excesivamente frágil.

Revenido

Se calienta a unos 200-300-400 ºC y se enfría. Elimina tensiones y aumenta la tenacidad a costa de disminuir la dureza y la resistencia.

Normalizado

Se calienta unos 20 ºC por encima de la temperatura crítica y se enfría al aire libre. Se produce una microestructura de perlita fina, obteniendo un acero más duro y resistente.

Movimiento de portadores de carga en un diodo p-n con baja polarización

Los electrones son repelidos desde el terminal negativo de la batería hacia la unión, y los huecos (h⁺) desde el positivo. Con la aplicación de una tensión externa se estrecha la zona de carga espacial y se reduce la barrera de potencial. Esto favorece la difusión de portadores mayoritarios a través de la unión mientras está polarizada.

Por cada electrón de la zona n que pasa a la zona p para recombinarse con un hueco, otro electrón entra desde la batería. De igual forma, por cada hueco de la zona p que cruza y se recombina con un electrón en la zona n, se forma un nuevo hueco en la zona p, siempre que un electrón abandone el material tipo p y fluya hacia el terminal positivo de la batería.

Dureza magnética de un imán

La dureza magnética de un imán se relaciona con la facilidad de desplazamiento de las paredes de sus dominios ferromagnéticos. Un imán blando se magnetiza y desmagnetiza fácilmente, por lo que es muy fácil desplazar las paredes de dominio. Lo contrario ocurre en un imán duro, que se somete a distintos tratamientos con el fin de provocar cambios estructurales que dificultan dicho desplazamiento.

Vidrio metálico magnético

Son materiales magnéticos blandos que no presentan estructura cristalina. Están basados en materiales magnéticos metálicos y presentan propiedades magnéticas. Se obtienen mediante un proceso de solidificación rápida, de manera que los átomos no tienen tiempo de ordenarse en red. Se producen en cintas continuas y delgadas que se utilizan para fabricar imanes blandos.

Banda de energía de un diodo p-n en equilibrio

La barrera de potencial (θ) que aparece en la zona de carga espacial (ZCE) se traduce en una barrera de energía de valor eθ para el flujo de portadores mayoritarios. En condiciones de equilibrio no existe flujo neto de corriente a través de la superficie de contacto. Los portadores mayoritarios (h⁺) del semiconductor tipo p tenderían a fluir hacia la zona n, y los mayoritarios de la zona n tenderían a fluir hacia la zona p, pero la barrera de energía lo impide.