Tratamientos Térmicos

1. Modificación de la Microestructura de Materiales

En aquellos materiales que disponen de más de una fase, podremos modificar su microestructura (variar las cantidades relativas de las fases, el tamaño de grano de cada fase o la forma y distribución de las mismas) a través de una serie de procedimientos de calentamiento y enfriamiento conocidos como Tratamientos Térmicos. Estos pueden ser másicos (recocido, normalizado, temple, revenido…); si se aplican a toda la pieza, o superficiales (por transformación estructural o por difusión); si se aplican únicamente a la parte exterior de la misma. Los tratamientos másicos permiten cambiar las propiedades del material a través de cambios en su microestructura por métodos como: provocar el movimiento de los átomos, con transformaciones después de la solidificación y variando la velocidad de transformación. Los tratamientos superficiales se caracterizan por dotar al material de una alta dureza superficial (con núcleo dúctil), de aumentar la resistencia a la fatiga y al desgaste del mismo y por mejorar la lubricación y los rozamientos (aplicados a engranajes).

2. Características de la Troostita, Sorbita y Bainita

La Troostita: es un fino agregado de cementita y ferrita que se puede producir de diferentes maneras, como por el enfriamiento de la austenita con velocidad de enfriamiento ligeramente inferior a la crítica de temple. Sus propiedades físicas son intermedias entre la martensita y la sorbita, siendo ejemplos de ello su dureza de entre 42 y 50 HRC y su alargamiento del 5 al 10%. Cabe destacar que la misma está formada por laminillas parecidas a las de la perlita pero más finas.

La Sorbita: es un fino agregado de cementita y ferrita que se obtiene de diversas maneras, como por ejemplo a través de una transformación isotérmica de la austenita en la zona de 600 a 650 Cº. Se puede considerar que es perlita de grado muy fino vista a través de un microscopio, y algunas de sus propiedades físicas son: una dureza de entre 24 a 42 HRC y un alargamiento del 10 al 20%.

La Bainita: es un constituyente que se obtiene en la transformación isotérmica de la austenita cuando la temperatura del baño de enfriamiento es de 250 a 550 Cº. Existe la bainita superior; compuesta por una matriz ferrítica conteniendo cementita, y la bainita inferior; formada a menor temperatura y constituida por agujas alargadas de ferrita que contienen delgadas placas de cementita.

3. Estructuras Obtenidas en Acero Eutectoide Mediante Diagrama TTT

El diagrama TTT es una curva, empleada para el estudio de los tratamientos térmicos de los aceros, que nos permite predecir la estructura final que tendremos. Para un acero eutectoide, en función de la velocidad de enfriamiento podremos encontrar 4 tipos diferentes de estructuras:

• Ante un enfriamiento lento, con el que se alcanzan condiciones cercanas a las del equilibrio, obtendremos una estructura de perlita gruesa (láminas gruesas de ferrita y cementita).
• Ante un enfriamiento rápido, se obtendrá una mezcla de microestructuras de perlita, bainita y martensita.
• Ante una velocidad crítica de temple, se obtendrá una microestructura de martensita.
• Y por último, ante una velocidad superior a esta última crítica de temple, se obtendrá una microestructura donde la austenita pasa a transformarse en martensita.

4. El Recocido: Concepto y Tipos Principales

El recocido es un nombre que abarca a una serie de tratamientos cuyo objetivo principal es ablandar el acero para facilitar su mecanizado o trabajo posterior. No obstante, esta serie de tratamientos también se utiliza en otras ocasiones para regenerar el grano y eliminar tensiones internas generadas en las diversas operaciones realizadas sobre la pieza (laminación, forja, soldadura…). El tratamiento se basa en calentar el metal a la temperatura requerida durante un tiempo determinado, para luego enfriar de forma controlada, generalmente a velocidad muy lenta. Y se pueden encontrar distintos tipos de recocido, siendo dos de ellos:

• El recocido total, que nos permite afinar el tamaño de grano y refinar la estructura, ya que a medida que aumenta la temperatura de austenización, mayor es el tamaño de grano.
• El recocido de homogeneización, nos permite eliminar las segregaciones y las diferencias de composición que pueden aparecer en el enfriamiento de las aleaciones (eliminar la estructura de bandas). Este presenta la peculiaridad de que tras su aplicación es necesario aplicar un normalizado (aumento del tamaño de grano).

5. El Normalizado: Restauración de Propiedades y Estructura

El normalizado es un tratamiento térmico cuyo objetivo es devolver al acero las propiedades y la estructura que generalmente se consideran “normales” y características de su composición. Por esto mismo, este tratamiento se emplea en piezas que han sufrido un tratamiento térmico defectuoso. Con este tratamiento, además, se consigue la eliminación de las tensiones internas que se producen en los procesos de conformado y se homogeneiza y afina la estructura del material. Este tratamiento se realiza calentando el material a unos 30-50 ºC por encima de la temperatura de austenización del acero correspondiente, el cual, tras adquirir la austenización total, se deja enfriar al aire a temperatura ambiente. Este proceso se puede aplicar a aceros hipoeutectoides; dando lugar a una mezcla de constituyentes, pero no a aceros hipereutectoides, ya que templan a temperatura ambiente y aparecería martensita en la microestructura.

6. El Patentado: Obtención de Perlita Fina para Conformado en Frío

El patentado (patenting) es un tratamiento isotérmico de aplicación en aceros con alto contenido en carbono. Su objetivo es el de lograr en el acero estructuras laminares de perlita muy fina, la cual se presta extraordinariamente a las operaciones de conformado en frío. Se suele aplicar en alambres y flejes.

7. El Temple: Proceso y Objetivos de Endurecimiento

El temple, tratamiento térmico por excelencia, tiene por objetivo endurecer y aumentar la resistencia de los aceros a los que se les aplica, aunque en este proceso se reduce la ductilidad y la resiliencia del mismo. El proceso se basa en calentar el material a una temperatura ligeramente mayor a la temperatura crítica, y pasado un tiempo de austenización, se realiza un enérgico enfriamiento de manera que la austenita se convierta en martensita (estructura que se busca para conseguir mayor dureza y resistencia del material). El temple puede conllevar algunos defectos, como son: oxidaciones, exceso de fragilidad, falta de dureza, deformaciones y grietas o roturas.

8. Aspectos Clave en la Realización del Temple

A la hora de realizar este tratamiento, tendremos que tener en cuenta:

• La temperatura máxima que debe alcanzar la pieza, que en función del tipo de acero, hará falta sobrepasar la temperatura de austenización (hipoeutectoides) para alcanzar la austenización completa, o será suficiente con alcanzar y sobrepasar la temperatura eutectoide (hipereutectoide).
• El tiempo de calentamiento, que deberá ser el mínimo para evitar el sobrecrecimiento del grano.
• La capacidad de temple del acero, que será la máxima dureza que se podrá alcanzar al templar ese acero.
• El conseguir una velocidad de enfriamiento mayor (o igual) que la velocidad crítica de temple, lo cual dependerá del tamaño de grano de la microestructura, la presencia de aleantes, el medio de enfriamiento y la masa y forma de la pieza.

9. Temperaturas de Temple para Aceros Hipoeutectoides e Hipereutectoides

A la hora de templar aceros, hay que tener en cuenta una serie de variables, siendo ejemplos de estas el tiempo de calentamiento, la capacidad de temple del acero o la temperatura máxima que debe alcanzar la pieza durante la aplicación del tratamiento térmico.

En el caso de tener un acero hipereutectoide, será suficiente con sobrepasar la temperatura eutectoide, ya que en esta zona la austenita irá acompañada de cementita, y no habrá ferrita (material que no queremos). Tras el enfriamiento la cementita seguirá como está, mientras que la austenita pasará a transformarse en martensita.

En el caso del acero hipoeutectoide, se necesitará una temperatura diferente para lograr así la austenización completa (evitando la existencia de ferrita en la microestructura). Esta temperatura deberá sobrepasar la temperatura de austenización, de esta manera, el enfriamiento rápido permitirá que todo se convierta en martensita.

10. Capacidad de Temple y Templabilidad: Definición y Ensayo Jominy

La capacidad de temple se define como la capacidad que tiene un acero para adquirir mayor o menor dureza mediante temple. La templabilidad, por otra parte, es la aptitud de los aceros para dejarse penetrar por el temple. Para determinar estos conceptos se emplea el llamado ensayo Jominy, el cual se basa en, tras austenizar por completo una probeta de forma homogénea, se templa uno de los extremos de la misma a través de un chorro de agua a presión y se mide la dureza del material cuando este alcanza la temperatura ambiente.

11. El Revenido: Mejora de Tenacidad y Ajuste de Propiedades

El revenido es un tratamiento complementario al temple que permite pasar de un material muy duro y frágil, a uno con mayor tenacidad pero menor dureza. Mediante este tratamiento se consigue además eliminar las tensiones internas, y básicamente permite ajustar las características mecánicas de un material a los valores de uso. Consiste en calentar un acero, ya templado, a una temperatura inferior a la crítica y enfriarlo después al aire (aunque en algunos casos es aconsejable que se enfríen en agua o aceite), obteniendo así una estructura de martensita.

12. Tratamientos de Patentado y Austempering

El patentado (patenting) es un tratamiento isotérmico de aplicación en aceros con alto contenido en carbono. Su objetivo es el de lograr en el acero estructuras laminares de perlita muy fina, la cual se presta extraordinariamente a las operaciones de conformado en frío. Se suele aplicar en alambres y flejes.

El austempering, por otra parte, consiste en calentar la pieza a temperatura de austenización para realizar posteriormente un enfriamiento rápido hasta la zona de dominio bainítico. En este momento se estabiliza la temperatura durante un tiempo de modo que la austenita se transforma completamente a bainita, de esta forma, se consigue una estructura muy dura. Se suele aplicar en pequeñas piezas de muy buena calidad, como en relojería.

13. Tratamientos de Martempering y Temple Interrumpido

El martempering es un tratamiento isotérmico empleado cuando se desea una estructura de elevada dureza con distorsiones mínimas. Este tratamiento consiste en, tras austenizar el material, darle un enfriamiento rápido a la pieza para igualar así las temperaturas del núcleo y la periferia, evitando que se produzcan grietas. Una vez estas temperaturas se igualan, se deja enfriar al aire la pieza, de modo que la austenita inestable pase a martensita.

El temple interrumpido, por su parte, es un tipo de tratamiento isotérmico que se basa en un enfriamiento rápido y luego en un enfriamiento al aire, evitando así la aparición de deformaciones y agrietamientos.

14. Métodos de Temple Superficial: Características Principales

El temple superficial, que es un tipo de tratamiento superficial, tiene como objetivo modificar la estructura superficial de las piezas mediante calentamientos casi instantáneos, locales y selectivos, seguidos de un enfriamiento rápido. Consiguiendo así una superficie dura de estructura martensítica, pero sin alterar el núcleo de la pieza. Existen dos tipos de temple superficial en función del método de calentamiento:

• Temple a la llama o flameado: se calienta la capa superficial de la pieza con un soplete de llama oxiacetilénica y, tras alcanzar la temperatura de temple, se enfría la misma con un chorro de agua fría.
• Temple por inducción: se calienta la capa superficial del metal con una bobina (efecto Joule), por la que circula corriente alterna, colocando el mismo en el interior de la bobina.

15. La Cementación: Proceso, Factores y Métodos

La cementación es el tratamiento termoquímico mediante el cual se aumenta por difusión el contenido de carbono en la superficie de las piezas. Para este proceso se tienen que tener en cuenta factores como la temperatura (más efectivo el proceso a mayor temperatura), el tiempo, la presencia de agentes de cementación o si el acero sobre el que se aplica el tratamiento es bajo en carbono (favoreciendo así a la difusión). Por añadido, existen diferentes tipos de cementación en función del cementante empleado:

• La cementación sólida o en cajas, si el cementante utilizado es una mezcla de sustancias en forma de polvo (carbón vegetal, carbonato de bario…). En este caso las piezas se colocan en cajas, se cubren con los gránulos de cementante, y se introducen en el horno, donde se calentarán de forma lenta hasta la temperatura de cementación (900-930ºC).
• El método de cementación líquida, donde el calentamiento y cementación de las piezas tiene lugar en un baño a base de sales de cianuro (de sodio o de potasio).
• Y el más empleado en la actualidad, por el control que ofrece sobre las condiciones de cementación, ajustando únicamente la composición de la mezcla de hidrocarburos, el método de cementación gaseosa.

16. La Nitruración: Proceso, Ventajas y Métodos

La nitruración es un tratamiento termoquímico que consiste en enriquecer la superficie de las piezas en nitrógeno, bien sea mediante un baño de sales a temperaturas entre 500-580 ºC o bien calentándolas en una atmósfera de gas amoníaco (NH3). Algunas ventajas que tiene este tratamiento son:

1. Obtener una mayor resistencia a la corrosión y una dureza mayores que con la cementación.
2. Ya que no es necesaria la aplicación de ningún tratamiento térmico posterior, las piezas no sufrirán deformaciones.
3. No aumentará el tamaño de grano debido a que en todo momento nos encontramos por debajo de la temperatura de austenización.
4. Se pueden aislar zonas de la pieza de forma que estas no se nitruren.
5. Puede aparecer la fragilidad de Krupp, lo que sería una desventaja, pero esto se puede prevenir empleando aceros aleados con Mo.

17. Tratamientos Mecánicos: Diferencias entre Trabajo en Frío y en Caliente

Los tratamientos mecánicos son aquellos procesos en los que mediante la acción conjunta de energía mecánica y térmica se producen deformaciones permanentes en el metal por encima del límite de fluencia.

Estos tratamientos pueden hacerse en frío, obteniendo así un material con una mejora en dureza y en los límites elásticos y de fluencia. No obstante, cabe destacar que en aquellas piezas sobre las que se emplea este tratamiento, pueden quedar tensiones internas que pueden producir deformaciones, y además este tratamiento no posibilita que se suelden las cavidades internas existentes en la pieza.

Por el contrario, existen también los tratamientos mecánicos en caliente, que permiten realizar las mismas deformaciones que trabajando en frío pero con menos esfuerzo. Además, los materiales tratados de esta manera presentan un grano más fino y tienden a ser más dúctiles y blandos. Por añadido, se crea una película de óxido en la superficie del material haciendo que puedan quedar malos acabados.

Aleaciones Férreas: Clasificación y Características

1. Clasificación General de las Aleaciones Férreas

El primer grupo, así como el segundo, según se vio en el diagrama Fe–Cementita, son los productos que poseen menos del 2% de carbono y también se pueden describir, como aquellas aleaciones según el diagrama Fe–C que a alta temperatura están constituidas por una sola fase (Austenita γ).

• Las estructuras del primer grupo están constituidas por ferrita (α), cementita (Fe3C) y perlita (eutectoide); estos últimos constituyentes aumentan según lo hace el contenido en carbono.
• Los aceros aleados contienen además del carbono y elementos latentes como el Mn y Si e impurezas como S y P, algunos elementos en cantidades variables, que se adicionan intencionadamente para modificar y aumentar algunas propiedades de los aceros. Lógicamente, estos aceros son más caros que los aceros sin alear.
• Las fundiciones tienen un contenido en carbono superior al 2 %. El carbono se puede encontrar en estado de grafito. Las fundiciones se pueden considerar estructuralmente como hipereutectoides más cementita o grafito, según el carbono esté combinado con el hierro o libre en forma de láminas de grafito.

2. Clasificación de Aceros: Normativa y Criterios

Existen miles de aceros, con diferentes composiciones y tratamientos térmicos que pueden clasificarse atendiendo a múltiples criterios:

• Según el proceso de elaboración.
• Porcentaje en carbono.
• Situación respecto al eutectoide.
• Número de elementos de aleación.
• Su contenido en elementos aleantes.

3. Elementos de Aleación en Aceros: Tipos y Formas

Tipos de Elementos de Aleación:

• Elementos ordinarios: Están siempre presentes en razón del proceso de obtención. Son el fósforo, el azufre y los desoxidantes manganeso y silicio, y a veces cabe también considerar al aluminio y al titanio. Los elementos desoxidantes están en mayor proporción en los aceros calmados que en los efervescentes.
• Elementos latentes: Presentes en muy pequeñas cantidades, y cuya presencia es prácticamente inevitable, salvo cuando se desgasifica intensamente el acero. Son el oxígeno, el nitrógeno y el hidrógeno.
• Elementos accidentales: Aquellos cuya presencia tiene que ver con la materia prima utilizada, con el tipo de ganga que acompaña al mineral reducido en horno alto, o bien al tipo de chatarra usada. Son el arsénico, el estaño o el antimonio entre otros.
• Elementos de aleación: Aquellos añadidos intencionadamente, de cara a mejorar algún comportamiento específico de los aceros. Influyen pues variando la estructura y propiedades del acero. Son entre otros el Mn, Ni, Al, Si, W, Mo, V, Ti, Cr, Co, Ta, Cu, etc.

Formas en que se pueden encontrar:

• Formando solución sólida.
• En estado libre.
• Formando carburos.
• En forma de inclusiones no metálicas.
• Formando compuestos intermetálicos.

4. Elementos Gammágenos y Alfágenos: Diferencias

• Hay elementos que aumentan la diferencia entre los puntos A3 y A4 (puntos críticos), consiguiendo la amplitud del campo austenítico (elementos gammágenos). Ej.: Ni, Mn, Cu, N.
• Elementos que acercan los puntos A3 y A4 (puntos críticos), aumentando el campo de la ferrita (elementos alfágenos). Ej.: Mo, V, Cr, Ti, etc.

5. Efectos de C, Si, S y P como Elementos de Aleación en Aceros

• Influencia del C:
  • Tiene una acción gammágena.
  • Aumenta la resistencia hasta un máximo del 0,9%.
  • Baja el punto de fusión del Fe.
  • Cada 0,1 % de C aumenta ≅ 10 Kg/mm² la resistencia.
  • Aumenta la dureza.
  • Aumenta la capacidad de temple y la templabilidad.
  • Disminuye el alargamiento, la resiliencia y la estricción.
• Influencia del Si:
  • Se emplea como desoxidante.
  • Aumenta la templabilidad y fuertemente el límite elástico.
  • Es grafitizante (en fundiciones es básico).
  • No forma carburos.
  • Fragiliza la ferrita.
  • Siempre aparece en los aceros en cantidades entre el 0,20 y el 0,35%.
  • Es el elemento más barato junto con el Mn.
• Influencia del S:
  • Impureza perjudicial. Forma inclusiones no metálicas (sulfuros).
  • Debe fijarse como sulfuro de manganeso (5 partes de Mn por una de S).
  • Provoca agrietamiento en caliente en forja y laminación.
  • Disminuye el alargamiento y la resiliencia.
  • Se emplea para facilitar la mecanización de unos aceros determinados.
• Influencia del P:
  • Aumenta fuertemente la dureza, la resistencia y el límite elástico.
  • Disminuye la tenacidad y la plasticidad y alargamiento.
  • No forma carburos.
  • Aumenta ligeramente la templabilidad.
  • Elemento muy pernicioso, pues provoca una fuerte fragilidad en frío. Se limita en aceros de calidad a 0,03%.
  • Excepcionalmente se adiciona ≈ 0,2% en los aceros de fácil mecanización.

6. Aceros al Carbono: Propiedades y Características

Son aceros hipoeutectoides (< 0,8% C), cuyo elemento de aleación principal es el C, del que dependen las propiedades mecánicas y cuyo contenido hay que controlar (no sobrepasarlo). Además del hierro y el carbono que generalmente no supera el 1%, hay en la aleación otros elementos necesarios para su producción, tales como silicio y manganeso, y hay otros que se consideran impurezas por la dificultad de excluirlos totalmente –azufre, fósforo, oxígeno, hidrógeno. El aumento del contenido de carbono en el acero eleva su resistencia a la tracción, incrementa el índice de fragilidad en frío y hace que disminuya la tenacidad y la ductilidad. Su microestructura está formada por ferrita y perlita. Son aceros baratos, relativamente blandos y poco resistentes, pero dúctiles y tenaces, por lo que son fáciles de mecanizar y soldables. Estos aceros se pueden templar y revenir a partir de 0,3% C mejorando su resistencia a la tracción y dureza, aunque resulten menos dúctiles y tenaces.

7. Aceros Aleados de Gran Resistencia: Propiedades y Aplicaciones

Los elementos de aleación que los caracterizan son: B, Mn, Ni, Cr, Mo y V. Estos aceros presentan gran resistencia a la tracción, elevada dureza, alto límite elástico, alta tenacidad y cierta ductilidad, ya que es preferible que deformen algo antes de que rompan. Se utilizan en piezas de responsabilidad sometidas a fatiga, vida de ciclos largos y deslizamientos que pueden sufrir desgaste, tales como en engranajes, rodamientos y ruedas dentadas. También se utilizan para la fabricación de herramientas de alta calidad, motores…

8. Aceros de Gran Elasticidad: Propiedades y Usos

Los principales elementos de aleación son el Mn y Si, aunque también pueden llevar Cr y V. Estos aceros presentan un límite elástico próximo a la carga de rotura, de manera que se aplican en resortes (muelles, flejes, ballestas, etc.).

9. Aceros de Fácil Mecanización: Características y Factores de Maquinabilidad

Son aceros a los que se añaden ciertos elementos con el fin de facilitar el arranque de la viruta para obtener la forma, el tamaño y el acabado superficial deseado en los procesos de mecanizado. Con estos aceros que facilitan la maquinabilidad se pueden realizar grandes producciones. Se dividen en Aceros de fácil mecanización y Aceros de maquinabilidad mejorada.

Entre los factores que afectan a la maquinabilidad, cabe destacar:

• La composición del acero.
• El tamaño de grano.
• Las características mecánicas.
• Los contenidos en inclusiones.

10. Aceros Inoxidables: Definición, Microestructuras y Características

Por definición, un acero inoxidable es una aleación Fe-C con contenidos en Cr > al 12% y otros elementos de aleación (Ni, Ti y Mo) y lo que es crítico, con contenidos en C < 0,4% para evitar la formación de carburos de Cr (Cr23C6) que sensibilizan al acero y lo hacen susceptible a la corrosión intergranular. El Ni estabiliza la capa protectora de óxido de cromo formada.

Dependiendo de la microestructura pueden ser ferríticos, austeníticos, martensíticos y austenoferríticos:

• Los ferríticos pueden contener hasta un 30% Cr en una solución sólida con la estructura BCC del hierro α (estructura ferrítica).
• Si el contenido en Ni > 8% sólo tendremos estructura austenítica. Estos aceros inoxidables austeníticos son aleaciones ternarias Fe-Cr (18-25%)-Ni (8-20%) con la estructura FCC del hierro γ (amagnético).
• Los aceros inoxidables martensíticos son aleaciones Fe-Cr (13-17%) con suficiente contenido en carbono para que pueda darse la transformación martensítica de la austenita mediante el temple.
• En los aceros austenoferríticos, la combinación de estructuras austeníticas y ferríticas proporcionan un crecimiento mucho más lento de las grietas inducidas por tensiones.

11. Fundiciones de Hierro: Definición, Ventajas y Desventajas

Las fundiciones son una familia de aleaciones férreas con contenidos en carbono superiores a los aceros (2-5%) y con una gran variedad de propiedades. El segundo elemento de aleación en importancia de las fundiciones es el silicio cuyo efecto es el de grafitizar el carbono. También son elementos grafitizantes, aunque en menor intensidad, el Ni, Cu, P, Bi. Por el contrario, son elementos que estabilizan la cementita todos los formadores de carburos, entre ellos el Cr y Mo, así como el S y Mn. El alto contenido en carbono de estas aleaciones da lugar a la aparición de la cementita (Fe3C). La proporción relativa de cementita y grafito determina las propiedades mecánicas de estas aleaciones.

Funden a temperaturas más bajas que los aceros (1150-1300ºC) lo que unido a su gran fluidez en estado líquido y su pequeña contracción al solidificarse, hace que sean unos materiales especialmente buenos para el moldeo. Son fáciles de mecanizar, y variando su composición puede controlarse su dureza y su resistencia a la erosión y corrosión. Sin embargo, presentan baja ductilidad y también bajas resistencias al impacto. Presentan una elevada absorción de vibraciones y bajos coeficientes de rozamiento.

12. Fundición Blanca: Características y Propiedades

La fundición blanca (white cast iron) es aquella en la que la mayor parte del carbono se encuentra presente como cementita, por lo que es muy dura y frágil, y por tanto muy difícil de mecanizar (prácticamente imposible). Son fundiciones con bajo contenido en carbono (entre un 2,5 a un 3%) y, sobre todo en Si (<1%) que se han enfriado muy rápidamente para evitar la formación de placas de grafito. La microestructura está formada por perlita y cementita.

13. Fundición Gris: Características y Propiedades

La fundición gris (gray cast iron) se forma cuando el carbono de la aleación se encuentra en una cantidad superior a la que puede disolverse en la austenita, y precipita como hojuelas de grafito, por lo que cuando se fractura la superficie presenta una coloración gris mate característica. Presentan mayores contenidos en carbono (3-4%) y silicio (1-3%) que la fundición blanca. Este alto contenido en Si favorece la formación de grafito, que aparece en forma de hojas interconectadas dentro de la matriz de ferrita α o de perlita. La velocidad de enfriamiento juega un papel importante, tanto sobre la cantidad de grafito cristalizado como sobre la estructura de la matriz. Velocidades lentas de enfriamiento favorecen tanto la grafitización como la formación de ferrita frente a la perlita. Evidentemente, las características mecánicas, principalmente la dureza de la fundición, dependerán del contenido en perlita de la matriz.

14. Fundición Dúctil: Características y Propiedades

La fundición dúctil, combina las ventajas del hierro fundido con las del acero, ya que en esta familia el grafito no actúa como entallas internas fragilizadoras del material, al tener una forma esférica y una distribución mucho más uniforme que en la fundición gris. Se obtiene añadiendo pequeñas cantidades de magnesio y/o cerio a la fundición gris en estado líquido. Este tipo de fundición combina las ventajas de la fundición gris (excelente maquinabilidad, moldeabilidad y excelente resistencia al desgaste) con propiedades de los aceros (alta resistencia, tenacidad, ductilidad y templabilidad). Estas excepcionales propiedades de la fundición esferoidal son debidas a la formación de nódulos esféricos de grafito, que permiten deformaciones sin fractura. Las composiciones de este tipo de fundiciones son similares a las fundiciones grises con la salvedad de que los niveles de azufre y fósforo deben mantenerse en proporciones muy bajas, inferiores al 0,03%, de igual forma y por los mismos motivos que se requerían estos niveles para los aceros de calidad. Las propiedades y microestructura de la matriz dependerán en gran medida de la velocidad de enfriamiento.

15. Fundición Maleable: Características y Propiedades

La fundición maleable resulta de una modificación mediante tratamiento térmico de la fundición blanca, descomponiendo la cementita al calentarla a altas temperaturas durante periodos largos de tiempo en distintas atmósferas. Existen dos tipos: fundición maleable europea y americana. Sus propiedades y aplicaciones son similares a las de la fundición dúctil (su microestructura es muy parecida) con la ventaja de que sus temperaturas de fusión son menores y la desventaja de que sus resistencias son ligeramente inferiores.

Aleaciones No Férreas

1. Aleaciones de Aluminio: Características y Clasificación

El aluminio es un metal ligero con una densidad de 2,70 g/cm³, y por ello, aunque las aleaciones de aluminio tienen características mecánicas relativamente bajas comparadas con las del acero, su relación resistencia-peso es excelente. Además, el aluminio es barato, presenta elevada conductividad eléctrica y térmica, es resistente a la corrosión ya que se recubre superficialmente de una fina capa protectora de Al2O3 (5 µm), es fácil de reciclar y como presenta una estructura FCC es muy dúctil y maleable.

Las aleaciones de aluminio se clasifican en:

• Aleaciones para forja: Son las coladas en fundición en forma de placas que a continuación se transforman en semiproductos por laminación o extrusión. Estas a su vez se clasifican en:
  • Aleaciones Forjadas NO Tratables Térmicamente: Mediante la dispersión de segundas fases o elementos en solución sólida y trabajados en frío.
  • Aleaciones de Forja Tratables Térmicamente: Mediante disolución de aleantes en forma de solución sólida y posterior precipitación de éstos en pequeños precipitados coherentes o semicoherentes.
• Aleaciones para moldeo: Se utilizan en fundición para la fabricación de piezas obtenidas por colada del metal líquido en moldes de arena, moldes de acero o de fundición o por inyección.

2. Tratamientos Mecánicos en Aleaciones de Aluminio

Podemos encontrar diversos tipos de tratamientos mecánicos como:

• Deformación plástica en frío: cuando se somete un material al efecto de estirado en frío el trabajo molecular efectuado origina un aumento de la resistencia mecánica y del límite elástico en detrimento del alargamiento y de la estricción a la rotura, pero la influencia del tratamiento sobre la resistencia a la corrosión es escasa y las características mecánicas obtenidas son inestables y sujetas a variaciones bajo la influencia de la temperatura y el tiempo.
• Deformación plástica en caliente: Este tratamiento consigue mejorar la tenacidad, aumentar la carga de rotura, afinar el grano y orientarlo en el sentido de la deformación. Hay que tomar las siguientes precauciones:
  1. No debe reducirse la sección rápidamente o mediante choques muy violentos.
  2. Necesita de una potencia capaz de producir deformación permanente, pero que sea inferior a la rotura.
  3. La temperatura que ha de observarse en el momento de deformación en caliente debe estar comprendida entre 380 y 430ºC dependiendo de la aleación.
  Una vez acabada la deformación en caliente, no deben omitirse los tratamientos térmicos de endurecimiento, ya que el metal debe estar inevitablemente recocido a causa del trabajo en caliente.

3. El Proceso de Bonificado en Aleaciones de Aluminio

El objeto del tratamiento es crear, en una aleación tratada térmicamente, una dispersión densa y fina de partículas precipitadas en una matriz deformable. Las partículas precipitadas actúan como obstáculos del movimiento de las dislocaciones y, de ese modo, refuerzan la aleación. De manera general, el proceso de bonificado puede explicarse a partir del sistema de aleaciones Al-Cu.

4. Tipos de Maduración en el Bonificado de Aleaciones de Aluminio

La maduración es la tercera etapa del tratamiento de bonificado que consiste en una evolución estructural consecutiva al temple y que se denomina maduración o envejecimiento. Muchas de las aleaciones de aluminio bonificables responden favorablemente al tratamiento de maduración natural y, desde luego, todas pueden ser maduradas artificialmente.

• Maduración natural: La mayoría de las aleaciones de aluminio bonificables presentan un cambio espontáneo en sus propiedades por permanencia a la temperatura ambiente después del temple. La velocidad de maduración depende en gran medida de la temperatura. Para temperaturas inferiores a los 50ºC se observan tres etapas sucesivas. La primera presenta una pendiente extremadamente débil y corresponde al denominado período de incubación. Posteriormente la maduración acelera su velocidad y por último la velocidad decrece y la carga de rotura tiene un comportamiento asintótico en un determinado nivel.
• Maduración artificial: Consiste en un tratamiento térmico voluntario después del temple y a temperaturas netamente superiores al ambiente. Los efectos del proceso de precipitación sobre las propiedades mecánicas son enormemente acelerados y usualmente acentuados por calentamiento de la aleación después del temple a temperaturas comprendidas entre 100ºC y 200ºC. La maduración artificial permite obtener una amplia variedad de características mecánicas para cada tipo de aleación, características que son función de la temperatura y tiempo del tratamiento. En general aumenta la carga de rotura y límite elástico y dureza, y disminuye el alargamiento, siendo característico el hecho de que el incremento del límite elástico es más pronunciado que el aumento de la carga de rotura correspondiente.

5. Recocidos Específicos para Aleaciones de Aluminio

El recocido consiste en operaciones de calentamiento seguido de un enfriamiento lento para ablandar el material y aumentar así su ductilidad. De esta manera se consiguen los constituyentes estructurales más estables a temperatura ambiente y destruir por lo tanto cualquier anomalía estructural que posea el material debido a tratamientos mecánicos o térmicos anteriores. Podemos distinguir varios tipos de recocidos específicos para las aleaciones de aluminio:

• Recocido de estabilización: tiene por objeto eliminar tensiones residuales que puedan producirse en el calentamiento o en la conformación en frío o en caliente. Consiste en calentar a temperaturas inferiores a la de recristalización con el fin de no alterar su estructura metalográfica.
• Recocido contra acritud: Tiene como objeto eliminar la acritud adquirida al deformarse en frío o a temperaturas inferiores a la de recristalización. Con este tratamiento no sólo se recobran la forma de los granos poliédricos, sino que también, si la deformación ha sido muy intensa, se rompen los granos constituyéndose los fragmentos en núcleos de recristalización, con lo cual se consigue una estructura granular más fina.
• Recocido de homogeneización: Tiene por objeto uniformar la composición química y el grano de las aleaciones que son propensas a heterogeneidades químicas y estructurales. Las temperaturas a las que hay que llegar son muy próximas a las de fusión del eutéctico en períodos cortos. El enfriamiento debe ser lo más lento posible para evitar un endurecimiento indeseable. Con este tratamiento se consigue regenerar las aleaciones endurecidas con el temple.

6. Diferencias y Aplicaciones de Aleaciones de Aluminio Series 5000 y 6000

Las aleaciones de la serie 5000 contienen principalmente Mg que se adiciona en cantidades del orden del 3%, con el fin de producir endurecimiento por solución sólida al formarse el intermetálico Al2Mg3. La baja densidad del magnesio hace que estas aleaciones resulten más ligeras que el aluminio puro y bastante más duras y resistentes a la tracción. La presencia de Mg también mejora la resistencia a la corrosión de manera que se utilizan en forma de chapas para la industria del transporte naval y terrestre.

Las aleaciones de la serie 6000 tienen como principales elementos de aleación el Mg y Si, que al combinarse entre sí forman el compuesto intermetálico Mg2Si, que junto a otros compuestos complejos del tipo FeCrAlSi endurecen fuertemente el material. La aleación más ampliamente utilizada de esta serie, la 6061, presenta contenidos de 1,0% de Mg y 0,6% de Si, junto a otros elementos como un 0,2% de Cr y hasta un 0,3% de Cu, que en condiciones de T6 alcanza resistencias de 290 MPa, utilizándose para fines estructurales de carácter general.

7. Elementos de Aleación en Aleaciones de Aluminio para Moldeo

El aluminio puro es un material de fundición poco utilizado y se limita a la fundición de rotores de motores eléctricos donde la alta conductividad eléctrica es una ventaja. Casi todas las piezas fundidas de aluminio se fabrican de una aleación de aluminio. Se han desarrollado por sus buenas cualidades de colabilidad, fluidez y capacidad de alimentación de los moldes, así como por la optimización de las propiedades de resistencia y tenacidad o resistencia a la corrosión de estas aleaciones.

• El silicio, en cantidades del 5 al 12%, es el elemento de aleación más importante dentro de estas aleaciones, al aumentar sobre todo la colabilidad de las mismas.
• La adición de magnesio, en porcentajes del 0,3 al 1%, facilita el endurecimiento por precipitación con lo que aumenta las características resistentes.
• Adiciones de cobre entre el 1 y el 4% aumentan en gran medida la resistencia, sobre todo a temperaturas elevadas.

8. Elementos de Aleación en Aleaciones de Titanio: Clasificación y Ejemplos

Al igual que en los aceros, algunos elementos estabilizan la fase α (Al, O, N, C), mientras que otros estabilizan la fase β (Ni, Fe, Mo, V, Cr). Los elementos que estabilizan la fase α se caracterizan por tener menos de 4 electrones de valencia, mientras que los que estabilizan la fase β tienen más de cuatro electrones y suelen ser metales de transición.

Los distintos tipos de diagramas de equilibrio encontrados en aleaciones de titanio:

• I-A que corresponde a elementos como N y O que se disuelven en titanio en cualquier proporción, ampliando el campo de existencia de fase α.
• I-B que corresponde a elementos como Al y C entre otros, elevan la temperatura de transformación α β, tienen baja solubilidad en el Ti y tienden a formar titanuros.
• II-A que corresponde a elementos solubles en Ti como V y Mo, que amplían el campo de existencia de β.
• II-B que corresponden a elementos como Ni, Fe y Cr que hacen que se descomponga la fase β en fase α y en otra fase rica en el elemento de aleación.

9. Aleaciones de Titanio: Tipos y Características Estructurales

Las aleaciones de titanio según su estructura se clasifican en:

• Aleaciones de Ti α: Este tipo de aleaciones se caracterizan por no ser forjables debido a su escasa plasticidad, aunque son muy resistentes a la oxidación en caliente. Se endurecen por solución sólida. Una composición típica de este tipo de aleaciones es 5% de aluminio y 2,5% de estaño.
• Aleaciones de Ti β: Este tipo de aleaciones pueden deformarse en frío fácilmente como consecuencia de su estructura cristalina BCC, alcanzándose un endurecimiento mayor, aunque resultan más caras. Sueldan mal y se fragilizan con el calentamiento por precipitación de titanuros. A pesar de ello, son las aleaciones que más se están desarrollando en los últimos años, por su buen compromiso entre las diferentes propiedades mecánicas y la gran versatilidad de uso, tanto en chapas como en piezas de gran espesor.
• Aleaciones de Ti α + β: Su composición se encuentra en la región de las dos fases y se desarrollaron para eliminar los problemas que presentan las de tipo α en cuanto a su baja resistencia en frío y su fragilidad derivada del gran número de aleantes que se utilizan para aumentar su resistencia mecánica. Estas aleaciones pueden tratarse térmicamente para obtener altas resistencias. Los componentes para estructuras aeroespaciales, motores a reacción y trenes de aterrizaje son algunas aplicaciones típicas de estas aleaciones α + β tratadas térmicamente. Por ejemplo, la aleación con 6 % de aluminio y 4 % de vanadio, es la más utilizada, sobre todo, en el campo de la aeronáutica, en el de la biomedicina o la estomatología.

10. Latones de Uso Práctico: Tipos y Características

Existen distintos latones de uso práctico:

• Latones α que pueden contener hasta un 39 % de cinc y que, normalmente, están constituidos por fase α, aunque la fase β puede estar presente en pequeñas proporciones. Tienen una estructura cristalina FCC. La fase α es relativamente blanda, dúctil y fácil de deformar plásticamente en frío. La conductividad térmica y eléctrica disminuye al aumentar el contenido de cinc, al tiempo que aumenta la resistencia mecánica y empeora la resistencia a la corrosión.
• Latones α + β que comienzan a formarse a partir de un 37,5 % de cinc hasta contenidos de casi un 46 % de cinc. A temperatura ambiente son más frágiles que los latones α debido a la presencia de la fase β’.
• Latones β a partir de un 46 % y hasta el 50 % de cinc. A medida que se incrementa el contenido en cinc puede aparecer fase γ, que confiere fragilidad y limita la aplicación del material para usos estructurales. Se caracterizan por formar a baja temperatura la fase ordenada, dura y frágil, denominada β’, aunque a alta temperatura se transforma en fase β que es desordenada y muy deformable.

11. Bronces: Características Principales y Tipos

En los bronces el principal elemento de aleación es el estaño, si bien frecuentemente se adicionan otros elementos como cinc, fósforo y plomo. Los contenidos de estaño varían generalmente entre el 1 y el 20 %. Contenidos de estaño superiores, del orden del 20 al 25 %, se encuentran únicamente en bronces especiales, tales como los que se emplean para la fabricación de campanas. Aunque los bronces son más caros que los latones, tienen resistencias mecánicas y a la corrosión más elevadas. Es frecuente añadir terceros elementos de aleación a los bronces, dando lugar a las siguientes familias:

• Bronces con fósforo: El fósforo se considera aleante cuando su contenido es superior al 0,1 %. Este aleante no sólo aumenta la resistencia mecánica sino también mejora la fluidez y el comportamiento frente a la corrosión.
• Bronces con cinc: El cinc abarata el bronce, mejora la fluidez y proporciona una alta resistencia a la corrosión.
• Bronces con plomo: Se puede añadir hasta un 2 % de plomo para mejorar la maquinabilidad de los bronces. En estos materiales es importante obtener una buena distribución de la fase de plomo insoluble. La acción del plomo es también de tipo antifricción, por lo que esta clase de bronces se usan en cojinetes.

12. Cuproaluminios: Ventajas y Aplicaciones

Los cuproaluminios poseen una resistencia mecánica más alta que los bronces y su precio es inferior. Los aceros con contenidos medios en carbono pueden ser sustituidos por cuproaluminios, pues para la misma resistencia mecánica presentan una resistencia a la corrosión mucho más elevada, así como resistencias superiores a la fatiga y al desgaste. Por su amagnetismo, reemplazan a los aceros en aquellos casos en los que la ausencia de magnetismo es imprescindible. Algunas de sus posibles aplicaciones son para fabricar engranajes y tornillos sin fin sometidos a grandes cargas, a choques, a abrasión y con engrase insuficiente, también debido a que no producen chispas por roce o choque, se utilizan muchas herramientas de cuproaluminio en industrias que trabajan con materias explosivas o inflamables.

13. Diagrama de Fases Cobre-Níquel y sus Implicaciones

Un cuproníquel es una aleación con menos del 50 % de níquel y que normalmente contiene entre un 5 y un 44 % de níquel. El diagrama de fases del sistema cobre-níquel presenta solubilidad completa, por lo que los cuproníqueles binarios constan de una sola fase α. Debido a este carácter monofásico, presentan una elevada resistencia a la corrosión y no son susceptibles de tratamientos térmicos. Sin embargo, son aleaciones muy dúctiles y sus propiedades pueden alterarse por deformación en frío.

14. Aleaciones Base Níquel: Propiedades y Aplicaciones

Estas aleaciones ocupan un lugar muy importante entre las aleaciones para altas temperaturas. Para muchas industrias, los materiales que operan a elevadas temperaturas son esenciales porque la eficiencia en la conversión energética de un combustible crece a medida que aumenta la temperatura de operación, como sucede en turbinas y motores a reacción. El desarrollo de estas aleaciones viene dado por los objetivos de mejorar la resistencia a la corrosión y a la oxidación y aumentar la resistencia mecánica y la temperatura de trabajo. Hay dos tipos: homogéneas, resistentes a la corrosión o no envejecibles y las resistentes a la fluencia o envejecibles. Ejemplos de estos materiales y de algunas de sus aplicaciones son:

• Resistentes a la corrosión: aleación Monel (Ni-Cu), en aplicaciones marinas; Inconeles (Ni-Cr), para tubos de protección de termopares; Hastelloys (Ni-Mo), álabes de turbinas; Nicromes (Ni-Cr), resistencias eléctricas.
• Resistentes a la fluencia: Nimonic (77 % Ni, 20 % Cr, 2 % Ti, 1 % Al), para álabes de turbinas.

15. Superaleaciones: Tipos y Descripción

Dependiendo del metal que se encuentre en mayor proporción, estos materiales se clasifican en tres grupos:

• Superaleaciones de base hierro: Fueron las primeras obtenidas y derivan de los aceros inoxidables austeníticos a los que se añaden elementos tales como molibdeno, wolframio, vanadio, niobio, tántalo, aluminio, titanio, cobre, cobalto, etc. Con estos materiales se consiguen temperaturas de trabajo entre 600 y 800ºC. Ejemplos de estas aleaciones son las hierro cromo-níquel y las hierro-cromo-níquel cobalto.
• Superaleaciones de base níquel: Contienen entre un 50 y un 80 % de níquel, y ofrecen una elevada resistencia a la oxidación y a la corrosión hasta 1200ºC.
• Superaleaciones de base cobalto: Resisten bien hasta 1150ºC, manteniendo su resistencia a la tracción, oxidación y corrosión. Tienen buena resistencia al choque, aunque poseen menos resistencia mecánica que las de níquel.

Polímeros

1. Polímeros: Definición y Materiales Asociados

Los polímeros son materiales que se ven seriamente afectados por la temperatura, ya que pequeños cambios (50ºC) hacen que sus propiedades cambien de manera considerable. Por esta razón, hay que controlar la temperatura a la hora de procesarlos y durante su comportamiento en servicio. Algunos materiales que están formados por polímeros, pueden ser los plásticos, resinas, recubrimientos, adhesivos y pegamentos…

2. Criterios de Clasificación de los Polímeros

• Atendiendo al átomo principal, pueden ser polímeros orgánicos o polímeros inorgánicos.
• Atendiendo a su origen, pueden ser naturales o sintéticos.
• Atendiendo a su comportamiento mecánico o frente a la temperatura, pueden ser termoplásticos, termoestables y elastómeros.
• Atendiendo a su uso y/o propiedades, pueden ser de uso común, polímeros técnicos o plásticos de ingeniería, y polímeros especiales.

3. Configuraciones de Cadenas Poliméricas y Tipos de Materiales Resultantes

Existen 3 tipos de configuraciones moleculares: isotáctico, sindiotáctico y atáctico.

• Configuración isotáctica: Estos polímeros son fuertemente cristalinos ya que los grupos están orientados.
• En la configuración sindiotáctica los grupos alternan las posiciones, de manera que son semicristalinos.
• Si las posiciones son completamente aleatorias tendremos una configuración atáctica (polímeros amorfos).

4. Homopolímeros y Copolímeros: Diferencias y Tipos

Un polímero se denomina homopolímero si todas las unidades monoméricas de la cadena son del mismo tipo y copolímero si la cadena está formada por dos o más unidades monoméricas distintas.

Tipos de copolímeros:

• Copolímeros al azar.
• Copolímeros alternados.
• Copolímeros en bloques.
• Copolímeros de injerto.

5. Clasificación de Polímeros por Grado de Entrecruzamiento

Según el grado de entrecruzamiento, se pueden clasificar en termoplásticos, termoestables y elastómeros.

• En los termoplásticos tenemos cadenas lineales independientes, esto es, los enlaces entre cadenas son secundarios (muy débiles).
• En el otro extremo (en los termoestables), las cadenas están unidas mediante fuertes enlaces covalentes, lo que origina una estructura reticulada (tridimensional).
• En los elastómeros tenemos una situación intermedia. Las cadenas son muy largas y además tienen enlaces dobles C=C, lo que nos permite a discreción enlazar estas cadenas con otras.

6. Comportamiento Mecánico de Termoplásticos, Termoestables y Elastómeros

• Los termoplásticos: al aplicarles un esfuerzo las cadenas plegadas empezarán a desenrollarse y a orientarse en la dirección del esfuerzo. Si cesa el esfuerzo el material recupera y vuelve a su posición de equilibrio (comportamiento elástico). Cuando aumentamos el esfuerzo y sobrepasamos el límite elástico, las cadenas se desplazan, de manera que cuando cesa el esfuerzo, las cadenas se vuelven a enrollar pero quedan desplazadas (comportamiento plástico).
• Los termoestables: Al aplicarles un esfuerzo las cadenas plegadas empezarán a desenrollarse y a orientarse en la dirección del esfuerzo, sólo que en este caso, al ser las estructuras más grandes (más rígidos) se va a requerir de un mayor esfuerzo, de ahí que los módulos elásticos en estos sean mayores que los de los termoplásticos.
• Los elastómeros: tienen las cadenas tan largas que posibilita que ante un esfuerzo aplicado la zona elástica sea enorme. Presentan módulos de elasticidad muy bajos, es decir, se deforman muy fácilmente, son los de mayor capacidad de deformación elástica (1000%) y apenas muestran deformación plástica antes de romper.

7. Efecto de la Temperatura en las Propiedades de Polímeros Amorfos

Un polímero amorfo se comporta como un vidrio a baja temperatura, como un sólido gomoelástico a temperaturas intermedias (por encima de su Tg) y como un líquido viscoso a temperaturas elevadas.

8. Temperaturas Críticas en Polímeros: Transición Vítrea, Fusión y Degradación

• Temperatura de transición vítrea (Tg): temperatura por debajo de la cual un polímero amorfo adquiere una estructura vítrea rígida.
• Temperatura de fusión (Tf): temperatura por encima de la cual las moléculas pasan de un estado ordenado a otro desordenado.
• Temperatura de degradación (Td): temperatura por encima de la cual el polímero se descompone y finalmente se quema.

9. Viscoelasticidad en Polímeros: Modelos y Ensayos

Los modelos que se introducen en la viscoelasticidad son el del modelo muelle y el del modelo mecánico del amortiguador o émbolo.

• En un ensayo de relajación se mide la tensión que se debe aplicar en el tiempo para mantener un valor de deformación constante.
• En un ensayo de fluencia (creep) se mide la deformación que se produce con el tiempo para mantener un valor de tensión constante.

10. Aditivos Comunes en la Formulación de Plásticos

Los principales aditivos que se añaden en la formulación de los plásticos son:

• Cargas y refuerzos.
• Plastificantes.
• Colorantes.
• Estabilizadores.
• Retardantes de llama (aditivos ignífugos).

11. Moldeo de Polímeros: Compresión, Inyección y Extrusión

• El proceso de extrusión es simplemente el moldeo por inyección de un termoplástico viscoso mediante una matriz abierta, similar a la extrusión de los metales.
• El moldeo por inyección de polímeros, análogo al moldeo por inyección de metales, es una técnica muy utilizada para conformar material termoplástico.
• En el moldeo por compresión, una cantidad adecuada de mezcla de polímeros y aditivos se coloca entre las piezas superior e inferior del molde. Ambas piezas del molde se calientan pero sólo una se desplaza. El molde se cierra y el calor y la presión aplicados hacen que el material plástico se convierta en viscoso y adquiera la forma del molde.

Materiales Compuestos

1. Materiales Compuestos: Definición y Clasificación

Los materiales compuestos o “composites” surgen como respuesta a la demanda de nuevos sistemas con propiedades que son imposibles de reunir en un solo tipo de material. Así por ejemplo, para la industria aeronáutica se solicitan materiales que sean resistentes y rígidos (como los metales), a la vez que ligeros (como los polímeros) y que resistan las altas temperaturas y la corrosión (como los cerámicos). Los composites son materiales multifásicos que conservan, al menos parcialmente, las propiedades de sus sistemas constituyentes, y diseñados para que presenten la combinación de propiedades más favorable. Se clasifican en reforzados con partículas, reforzados con fibras y estructurales.

2. Composites Reforzados por Dispersión y Partículas Grandes

En los materiales reforzados por partículas grandes, la interacción de estas partículas con la matriz no tiene lugar a nivel atómico o molecular, y sus efectos se producen a nivel macroscópico, de manera que no dificultan de manera efectiva el movimiento de dislocaciones. Los composites reforzados por dispersión, presentan partículas de tamaño muy pequeño (<100nm), homogéneamente distribuidas por toda la matriz. Estas partículas impiden la propagación de las dislocaciones y por tanto, mejoran la dureza y resistencia del material.

3. Efecto de la Orientación de Fibras en la Resistencia de Composites

Las fibras cortas se introducen habitualmente al azar (caso de la fibra de vidrio), lo cual proporciona un comportamiento isotrópico y facilita mucho la preparación. Por el contrario, las fibras largas y continuas se colocan habitualmente alineadas en una determinada dirección, lo que proporciona una excelente resistencia a la tracción en esa dirección. Sin embargo, su capacidad de soportar cargas en la dirección transversal es muy pequeña.

4. Longitud Crítica de una Fibra en Composites

Para cada material, existe una longitud de fibra crítica, lc, a partir de la cual se produce un importante aumento en la resistencia. Esa longitud crítica depende del diámetro de la fibra (d), de su resistencia a la tracción (σf) y de la resistencia de la unión matriz-fibra (τc).

5. Componentes que Resisten Esfuerzos en Composites (Partículas y Fibras)

En los materiales compuestos reforzados con fibras, las fibras son el componente principal que se encarga de resistir mayoritariamente los esfuerzos mecánicos, especialmente si son largas y alineadas. En los materiales reforzados con partículas, la matriz suele ser la que soporta la mayor parte de la carga, mientras que las partículas contribuyen a la rigidez y dureza.

6. Refuerzos para Isotropía en Materiales Compuestos

Para que un material compuesto presente un comportamiento isotrópico, debe tener fibras cortas y dispuestas al azar, como es el caso de la fibra de vidrio.

7. Propiedades de las Matrices y Mejora de Adhesión en Composites

La matriz debe ejercer diferentes funciones: mantener las fibras en su posición más adecuada, protegerlas de daños durante el procesado y la utilización del composite, transmitir a las fibras las cargas que soporta el material, evitar que la fractura de una fibra se propague a las demás, etc.

La adhesión entre la matriz y las fibras se puede mejorar utilizando recubrimientos para las fibras que favorecen sus enlaces con la matriz. Las fibras de vidrio y carbono suelen recubrirse de algún material orgánico (silanos, generalmente) para mejorar sus enlaces con los polímeros.

8. Comparativa de Fibras: Vidrio, Carbono y Kevlar

• El material comúnmente conocido como fibra de vidrio es un composite formado por fibras, continuas y discontinuas, embebidas en una matriz plástica. Son materiales con una buena relación resistencia/peso, buena estabilidad dimensional y buena resistencia al calor, frío, humedad y corrosión. Además son baratas y fáciles de fabricar.
• Los materiales de fibra de carbono son más resistentes y tenaces, pesan menos, resisten mejor la corrosión y pueden aplicarse a temperaturas más elevadas. Por el contrario son mucho más caros y normalmente sólo se preparan materiales de fibra corta.
• Se conocen como fibras de aramida a las fibras de poliamida aromática, cuyo ejemplo más conocido es el Kevlar. Son materiales muy ligeros que presentan una alta resistencia a la tensión y rigidez.

9. Composites Laminados: Propiedades y Características

Los composites laminares se caracterizan por su elevada resistencia en todas las direcciones, siendo además ligeros y de bajo coste. Pueden tener también propiedades térmicas interesantes, y generalmente se diseñan para que su resistencia a la abrasión y a la corrosión sea buena.