Fatiga de materialesLa fatiga de material consiste en el
desgaste y posterior ruptura de un objeto construido por el ser
humano. La fatiga de material, tiene que ver ms que nada, con
objetos, los cuales, soportan carga. Y nos referimos, a todos los
objetos construidos por el hombre, diseados para soportar peso. La
rama de la fsica que la estudia es conocida como resistencia de
materiales.Por cientos de aos, la fatiga de material, no fue una
preocupacin para los entendidos en la materia. !ebido en gran
parte, a lo lento del desarrollo productivo e industrial. "on lo
cual, las cargas a utili#ar, eran bastante menores. Pero con el
arribo de la $evolucin %ndustrial, aquel paradigma, fue
derrumbndose rpidamente. Los primeros casos de fatiga de material,
que llamaron la atencin, fueron las ruedas de las locomotoras.
"laro, ya que al aumentar el proceso productivo, de las industrias,
su carga era mucho mayor, a lo que acostumbraran transportar. Y es
que hay leyes infalibles, en cuanto a la fatiga de material. &i
uno reali#a una carga esttica, o sea, sin movimiento o contorsin,
el material tender a resistir por ms tiempo. 'hora, si la carga
fuera dinmica, o sea, en movimiento o contorsin, la fatiga de
material, se har presente de manera ms rpida. (eora que fue
revalidada, en el caso de los ferrocarriles. %ncluso se logr crear
un m)todo de calcular el umbral de fatiga, de los distintos
materiales. *l proceso por el cual, se va generando la fatiga de
material, se podra sealar de la siguiente manera. Primero en el
material, se comien#a a gestar una grieta. La cual en su primera
instancia es prcticamente imperceptible. "omo segundo paso, tenemos
que aquella pequea grieta, se va ampliando al resto del material.
*s en diversas ocasiones, que en )ste paso, se logra detectar la
fatiga de material. "on lo cual, se logran salvar diversas vidas.
Ya que de no ser as, ser muy tarde. Por +ltimo y como desenlace
obvio,ms bien, como la crnica de una muerte anunciada, el material
se fatiga y se rompe. *s de esta manera, que muchas vidas se han
perdido. Ya que los ingenieros a cargo del proyecto, o reali#aron
mal los clculos o el personal fiscali#ador, no se percat a tiempo
de la fatiga de material. !os etapas de contencin, que no puede
llegar a fallar.(%P,& !* -%$.('& */ %/0*/%*$1'
%/!.&($%'L 2.P%%"&'3' partir de la apariencia de la viruta
se puede obtener mucha informacin valiosa acercadel proceso de
corte, ya que algunos tipos de viruta indican un corte ms eficiente
que otros. *l tipo de viruta est determinado primordialmente por4a3
Propiedades del material a trabajar.b3 0eometra de la herramienta
de corte. c3 "ondiciones del maquinado 2profundidad de corte,
velocidad de avance y velocidad de corte3.*n general, es posible
diferenciar inicialmente tres tipos de viruta4-iruta discontinua.
*ste caso representa el corte de la mayora de los materiales
frgiles tales como el hierro fundido y el latn fundido5 para estos
casos, los esfuer#os6 que se producen delante del filo de corte de
la herramienta provocan fractura. Lo anterior se debe a que la
deformacin real por esfuer#o cortante e7cede el punto de fractura
en la direccin del plano de corte, de manera que el material se
desprende en segmentos muy pequeos. Por lo com+n se produce un
acabado superficial bastante aceptable en estos materiales frgiles,
puesto que el filo tiende a reducir las irregularidades.Las virutas
discontinuas tambi)n se pueden producir en ciertas condiciones con
materiales ms d+ctiles, causando superficies rugosas. (ales
condiciones pueden ser bajas velocidades de corte o pequeos ngulos
de ataque en el intervalo de 89 a :89 paraavances mayores de 8.;
mm. *l incremento en el ngulo de ataque o en la velocidad de corte
normalmente elimina la produccin de la viruta discontinua.-iruta
"ontinua. *ste tipo de viruta, el cual representa el corte de la
mayora de materiales d+ctiles que permiten al corte tener lugar sin
fractura, es producido por velocidades de corte relativamente
altas, grandes ngulos de ataque 2entre :8< y
=8$%0*$'/(*&3Para mejorar las condiciones durante el proceso de
maquinado, se utili#a un fluido que baa el rea en donde se est
efectuando el corte. Los objetivos principales de )ste fluido
son4a3 'yudar a la disipacin del calor generado.b3 Lubricar los
elementos que intervienen, en el corte para evitar la p)rdida la
herramienta.c3 $educir la energa necesaria para efectuar el corted3
Proteger a la pie#a contra la o7idacin, y la corrosin. e3 'rrastrar
las partculas del material 2medio de limpie#a3.f3 ?ejorar el
acabado superficial. Las propiedades esenciales que los lquidos de
corte deben poseer son los siguientes4:. Poder refrigerante. Para
ser bueno el lquido debe poseer una baja viscosidad, la capacidad
de baar bien el metal 2para obtener el m7imo contacto t)rmico35 un
alto calor especfico y una elevada conductibilidad t)rmica.;. Poder
lubrificante. (iene la funcin de reducir el coeficiente de
ro#amiento en una medida tal que permita el fcil desli#amiento de
la viruta sobre la cara anterior de la herramienta. f6@A!entro de
los fluidos de corte ms utili#ados se citan los siguientes4:.
'ceites minerales. ' esta categora pertenecen el petrleo y otros
productos obtenidosde su destilacin5 en general, estos aceites
tienen un buen poder refrigerante, pero son 6 poco lubrificantes y
poco antiBsoldantes. &e emplean para el maquinado de@ las
aleaciones ligeras y algunas veces por las operaciones de
rectificado. (ienen la ventaja de no o7idarse fcilmente.;. 'ceites
vegetales. ' )stos pertenecen el aceite de col#a y otros obtenidos
de plantas o semillas5 tienen buen poder lubricante y tambi)n
refrigerante, adems de tener un escasopoder antiBsoldante. &e
o7idan con facilidad por ser inestables.,,6.4=. 'ceites animales.
Pertenecen a )stos el aceite de sebo y otros obtenidos de orgasmos
masculinos y de algunos animales5 como los vegetales, tienen un
buen poder lubrificante y refrigerante, pero se o7idan o el riesgo
que se lo coman las mujeres.C. 'ceites mi7tos. &on las me#clas
de aceites vegetales o animales y minerales5 los primeros entran en
la proporcin de :8D a =8D, (iene un buen poder lubrificante y
refrigerante. &on ms econmicos que los vegetales. E. 'ceites al
bisulfuro de molibdeno. ,frecen como caracterstica la lubricacin a
elevadas presiones y la de facilitar el desli#amiento, de la viruta
sobre la cara de la herramienta5 no son adecuados para el maquinado
de metales no ferrosos, ya que originan corrosiones en la
superficie de las pie#as trabajadas, /o obstante, e7isten los
aceites llamados@ inactivos@ obtenidos con me#clas, de bisulfuro de
molibdeno y aceitesvegetales o animales.F. 'ceites emulsionables.
&e obtienen me#clando el aceite mineral con agua en las
siguientes Proporciones4a3 !e = a GD para emulsiones diluidas.
(ienen un escaso poder lubrificante5 se emplean para trabajos
ligeros.b 3 !e G a :E8H8 para emulsione medias. Poseen un discreto
poder lubrificante5 se Bemplean para el maquillado de metales de
mediana dure#a con velocidades medianamente elevadas.c3 !e :E a =8D
para emulsiones densas. Presentan un buen poder lubrificante5 son
adecuados para trabajar los metales duros de la elevada tenacidad.
Protegen efica#mentecontra las o7idaciones las superficies de las
pie#as maquinadas.*L*""%I/ !*L >L.%!, !* ",$(**sta eleccin se
basa en criterios que depender de los siguientes factores4a3 !el
material de la pie#a en fabricar. Para las aleaciones ligeras se
utili#a petrleo5 para la fundicin, en seco. Para el latn, bronce y
cobre, el trabajo se reali#a en seco o con cualquier tipo de aceite
que este e7ento de a#ufre5 para el nquel y sus aleaciones se
emplean las emulsiones. Para los aceros al carbono se emplea
cualquier aceite5 para los aceros ino7idables aut)nticos emplean
los lubrificadores al bisulfuro de molibdeno.b3 !el material que
constituye la herramienta. Para los aceros al carbono dado que
interesa esencialmente el enfriamiento, se emplean las emulsiones5
para los aceros rpidos se orienta la eleccin de acuerdo con el
material a trabajar. Para las aleaciones duras, se trabaja en seco
o se emplean las emulsiones.c3 &eg+n el m)todo de trabajo. Para
los tornos automticos se usan los aceites puros e7entos de
sustancias nocivas, dado que el operario se impregna las manos
durante la puesta a punto de la mquina5 para las operaciones de
rectificado se emplean las emulsiones. Para el taladrado se
utili#an los 6afeites puros de baja viscosidad5 para el fresado se
emplean las emulsiones y para el brochado los aceites para altas
presiones de corte o emulsiones.Arrabio&e denomina arrabio al
material fundido que se obtiene en el alto horno mediante reduccin
del mineral de hierro. &e utili#a como materia prima en la
obtencin del acero.Los materiales bsicos empleados para fabricar
arrabio son mineral de hierro, coque y cali#a. *l coque se quema
como combustible para calentar el horno, y al arder libera mon7ido
de carbono, que se combina con los 7idos de hierro del mineral y
los reduce a hierro metlico. La ecuacin de la reaccin qumica
fundamental de un alto horno es4>e;,= J =", K =",; J ;>eLa
cali#a de la carga del horno se emplea como fuente adicional de
mon7ido de carbono y como sustancia fundente. *ste material se
combina con la slice presente en elmineral 2que no se funde a las
temperaturas del horno3 para formar silicato de calcio, de menor
punto de fusin. &in la cali#a se formara silicato de hierro,
con lo que se perderahierro metlico. *l silicato de calcio y otras
impure#as forman una escoria que flota sobre el metal fundido en la
parte inferior del horno. *l arrabio producido en los altos hornos
tiene la siguiente composicin4 un L;D de hierro, un = o CD de
carbono, entre 8,E y =D de silicio, del 8,;ED al ;,ED de manganeso,
del 8,8C al ;D de fsforo y algunas partculas de a#ufre..n alto
horno tpico est formado por una cpsula cilndrica de acero forrada
con un material no metlico y resistente al calor, como asbesto o
ladrillos refractarios. *l dimetro de la cpsula disminuye hacia
arriba y hacia abajo, y es m7imo en un punto situado
apro7imadamente a una cuarta parte de su altura total. La parte
inferior del horno est dotada de varias aberturas tubulares
llamadas toberas, por donde se fuer#a el paso del aire. "erca del
fondo se encuentra un orificio por el que fluye el arrabio cuandose
sangra 2o vaca3 el alto horno. *ncima de ese orificio, pero debajo
de las toberas, hay otro agujero para retirar la escoria. La parte
superior del horno, cuya altura es de unos =8 m, contiene
respiraderos para los gases de escape, y un par de tolvas redondas,
cerradas por vlvulas en forma de campana, por las que se introduce
la carga en el horno. Los materiales se llevan hasta las tolvas en
pequeas vagonetas o cucharas que se suben por un elevador inclinado
situado en el e7terior del horno.Los altos hornos funcionan de
forma continua. La materia prima que se va a introducir en el horno
se divide en un determinado n+mero de pequeas cargas que se
introducen aintervalos de entre :8 y :E minutos. La escoria que
flota sobre el metal fundido se retira una ve# cada dos horas, y el
hierro se sangra cinco veces al da.*l aire insuflado en el alto
horno se precalienta a una temperatura comprendida entre losEE8 y
los L88 igura :.CB;3. &i una protuberancia slida avan#a,
seencontrar con lquido sobreenfriado y )sta tender a crecer a+n ms
hacia el interior dellquido. Por lo tanto, la interfase &BL
avan#ar con protuberancias puntiagudas llamadas dendritas 2forma de
rbol3, de esto se deduce que la interfase plana es inestable en
este caso.*l crecimiento de las dendritas no es simplemente el
avance de alguna protuberancia en la interfase. Los bra#os de las
dendritas crecen en ciertas direcciones cristalogrficas especficas,
determinadas por la estructura cristalogrfica de cada
metal4*structura "ristalina !ireccin de los bra#os de
dendritas>"" [ :88 ZR"" [ :88 ZW"P [ :8(8 Z(abla :. :.
&,L%!%>%"'"%I/ :.E $edistribucin del soluto en la
solidificacin de aleaciones !ependiendo de la velocidad de
enfriamiento se presentan dos tipos de solidificacin4 &i la
solidificacin es e7traordinariamente lenta, )sta ocurre seg+n el
diagrama de equilibrio de fases. *n la prctica la velocidad de
enfriamiento es mayor a la ideal y por ello se produce
unadistribucin inhomog)nea del soluto en el slido, esto es conocido
como segregacin. Primer caso Para el equilibrio de enfriamiento de
una aleacin de composicin "8, >igura :.EB:, consideraremos que
no hay barreras para la nucleacin de la fase slida, es decir, que
noser necesario un sobreenfriamiento de la fase lquida para que
)sta comience, y que el enfriamiento ser lo suficientemente lento
como para permitir que los gradientes de concentracin cambien
suavemente. ' (: el primer slido que nuclea tiene composicin ":s ,
2cabe sealar que esta es la composicin del slido que se encuentra
en equilibrio con el lquido "8 o ":L a temperatura (: 3. 'l
disminuir la temperatura el lquido contin+a enriqueci)ndose en R y
va aumentando el tamao de los n+cleos, 2crecimiento3, por adicin
sucesiva de nuevas unidades cristalinas que contienen proporciones
mayores del metal disuelto. Por ejemplo a temperatura (; la
composicin del slido es ";s y la del lquido ";L. La solidificacin
prosigue hasta que la +ltima gota del lquido, de composicin "=L,
solidifique a temperatura (= en un slido de composicin "=s. !e este
modo, bajo las condiciones de enfriamiento en equilibrio la
composicin final del slido es uniforme, yes e7actamente igual a la
composicin del lquido del cual se comen#.
&egundo caso .n proceso de enfriamiento normal se reali#a en
unos pocos minutos o a lo ms unas pocas horas, por lo cual las
condiciones de equilibrio no se logran. 'l solidificar el metal se
producen gradientes de concentracin que no logran equilibrarse
debido al insuficiente tiempo del que se dispone.' (: el primer
slido que nuclea tiene composicin ":s, >igura :.EB;. 'l bajar la
temperatura, en los casos reales, la velocidad de enfriamiento es
relativamente rpida y no hay tiempo de homogenei#ar la composicin
del slido, ya que la difusin en este estado es ms lenta que en la
lquida, por consiguiente hay un gradiente de concentracin de soluto
entre las partes que solidificaron primero y las que lo hicieron al
final. !ebido a lo anterior, el promedio de concentracin de soluto
en el slido seguir la lnea de tra#os, y a (= todava quedar lquido
a+n cuando, en equilibrio )ste debera haber desaparecido y la
composicin promedio del slido ser inferior a "8. Portanto la
solidificacin continuar hasta que la composicin promedio del slido
se a igual a "8, esto ocurre a temperatura (E, y el slido formado
tendr concentraciones de soluto mayores que "8, debido a la gran
concentracin de soluto en el lquido hacia el final de )sta. !ebido
a los gradientes de concentracin de soluto, el ataque superficial
de la muestra metalogrfica presenta diferencias de tonalidades,
>igura :.EB=. *specialmente notable es la fuerte acumulacin de
soluto en el slido formado al final del proceso, lo que produce una
coloracin muy destacada de estas #onas.La segregacin de soluto, que
se observa en la >igura :.EB=, genera en las regiones
solidificadas al final, #onas de menor punto de fusin que el
esperado para la aleacin5 esto es peligroso si se hacen
tratamientos t)rmicos posteriores, porque ciertos lugares pueden
llegar a+n al punto de fusin. *sta segregacin puede reducirse
mediante un tratamiento de homogeni#acin, que consiste en calentar
por tiempo prolongado la pie#aslida, para que por difusin se
homogenice el contenido de soluto. "omo este proceso es caro, se
reali#a slo si se justifica. La variacin en la composicin de una
estructura segregada entre los centros y bordes de los granos
depende de la velocidad de enfriamiento, la separacin entre curvas
slidus y lquidus, y la composicin inicial de la aleacin. !e lo
anterior se deduce que el gradiente de concentracin crece con la
velocidad de solidificacin y con el aumento de la separacin entre
curvas slidus y lquidus.:. &,L%!%>%"'"%I/ :.F
&olidificacin de aleaciones. %nestabilidad en la interfase
slidoBlquido Para este anlisis usemos un modelo simplificado de
solidificacin unidireccional, ver >igura :.FB: y >igura
:.FB;. &upongamos una aleacin de composicin "8, el primer slido
que solidifica tiene una composicin "s [ "8 y recha#a soluto a la
interfase, enriqueciendo la fase lquida."onsideremos que la fase
slida avan#a en un molde estrecho con una velocidad de crecimiento
controlada por el la velocidad de e7traccin de calor desde el
e7tremo slido. *l recha#o del soluto hacia el lquido y el gradiente
de temperatura e7istente en la interfase estn e7presados
esquemtiBcamente en la >igura :.FB: 2b3. 'l continuar la
solidificacin, el slido se enriquece en soluto, pero sigue
conteniendo menos soluto que "8, por tanto continua e7pulsando
soluto al lquido. Llega un instante en que el slido alcan#a la
composicin "8 y la solidificacin continua a ( X (i, el e7ceso de
soluto se acumula en la interfase &BL. *l soluto recha#ado
intenta redistribuirse en el lquido por difusin lejos de la
interfase, pero a menos que la velocidad de crecimiento del cristal
sea e7tremadamente lenta lograremos un gradiente de concentracin
bastante pronunciado en la interfase, ver >igura :.FB; 2a3.*n la
interfase &BL coe7isten en equilibrio4 slido de composicin "8 y
lquido de composicin "8HP, siendo P X "& H "L , a medida que
nos alejamos de la interfase, en ladireccin del lquido, la
composicin de )ste disminuye en soluto y por tanto su temperatura
de solidificacin aumenta desde (i hasta (o. La >igura :.FB; 2b3
muestra la variacin de (liquidus con la distancia en el lquido y
muestra tambi)n dos posibles curvas de distribucin de temperaturas
reales en el lquido, 0: y 0;. &i el gradiente de temperatura en
el lquido es grande 20: 3, la interfase avan#a en forma estable sin
protuberancias. por otro lado, si el gradiente de temperatura es
pequeo 20;3, el lquido de la #ona achurada queda sobreenfriado,
)ste se llama sobreenfriamiento constitucional. &i una
protuberancia crece en la interfase &BL, )sta encontrar lquido
sobreenfriado y tender a crecer a+n ms, produci)ndose as un
crecimiento inestable del slido. *l avance m7imo de la
protuberancia corresponde a la longitud de la #ona de
sobreenfriamiento constitucional, la cual normalmente puede variar
entre 8,: y : mm. &i esta #ona es pequea se produce un
crecimiento tipo celular, >igura :.FB=, con los bordes entre
celdas ms ricos en soluto que la regin central, estos bordes
quedarn destacados cuando se ataque con cido una superficie pulida,
>igura :.FBC.&i la #ona sobreenfriada es ms larga, se
produce un crecimiento celularBdendrtico o dendrtico. !ebido a la
mayor concentracin de soluto del lquido que solidifica al final,las
regiones interdendrticas quedarn dibujadas y visibles para la
observacin metalogrfica. *l estado final para un latn A8B=8 fundido
se muestra en la >igura :.FBE, en )sta se observa segregacin de
soluto que dibuja el desarrollo dendrtico de la solidificacin.
.tili#ando el modelo de la barra solidificada unidireccionalmente,
la >igura :.FBF, muestra como la deshomogeneidad de la
distribucin de soluto 2macroBsegregacin3 crece desde la forma de
solidificacin estable con frente plano, siguiendo con el
crecimiento celular hasta el crecimiento dendrtico.La #ona de
&*", es decir, de sobreenfriamiento constitucional, crece con
las siguientes condiciones de solidificacin4"uando 0 disminuye,
>igura :.FB; 2b3 "uando la velocidad de solidificacin $ 2Xlp
HtV3 aumenta "uando el contenido de soluto en la aleacin aumenta.
.na mayor #ona de &*" fomenta la formacin de crecimiento
dendrtico, por tanto, las anteriores variables, 2gradiente en el
lquido, velocidad de solidificacin y contenido de soluto3, se han
relacionado en la >igura :.FBA, para mostrar las combinaciones
que producen crecimiento dendrtico, celular y plano. Los bra#os
secundarios en un crecimiento dendrtico tienden a engrosarse y
disminuir en n+mero al aumentar el tiempo local de solidificacin.
&iendo ls el espaciamiento entre dendritas secundarias, que es
equivalente al tamao de grano en pie#as laminadas, se tiene que4
&i tV aumenta, entonces ls tambi)n aumenta. &i ls
disminuye, la resistencia mecnica aumenta. &i ls aumenta, se
obtendr un material ms blando. *s importante destacar que la
microsegregacin en el slido est determinada por el espaciamiento
entre dendritas secundarias.Por otra parte, los diferentes tipos de
crecimiento tambi)n afectan la macrosegregacin, es decir,
diferencias de concentraciones de soluto en distancias grandes del
slido.:. &,L%!%>%"'"%I/ :.A *structuras caractersticas de
lingotes Los lingotes nunca son usados directamente en aplicaciones
comerciales, es decir, son productos intermedios, destinados a ser
transformados en otros productos, mediante deformacin plstica,
tales como4 barras, tubos, planchas, alambres y perfiles. Los
procesos usuales para obtener estos productos son4 Laminado en
caliente y en fro >orja *7trusin (refilacin. La calidad de un
lingote para su posterior conformado plstico depende de dos
caractersticas principales4 *l tipo de grano, es decir, la forma,
el tamao y la orientacin de )stos. La ubicacin y distribucin de
deshomogeneidades de composicin. *n la estructura del lingote,
>igura :.AB:, pueden distinguirse tres #onas, dependiendo del
tipo de grano que se ha desarrollado durante el enfriamiento y su
ubicacin, como son4\ona "hill \ona "olumnar \ona de 0ranos
*quia7iales \ona "hill "orresponde a una #ona de enfriamiento
rpido. ]sta se forma en la superficie del molde debido al gran
sobreenfriamiento que sufre el metal lquido al entrar en contacto
con el molde fro. !ebido a esto la nucleacin ser heterog)nea y su
velocidad rpida, produciendo una abundante nucleacin de cristales
pequeos ms o menos equia7iales yde crecimiento dendrtico. La
e7tensin de la #ona chill depende de las varias condiciones tales
como4 ?aterial del molde (emperatura del lquido al verterlo en el
molde (emperatura del molde "onductividad t)rmica del molde "uando
el lquido est sobrecalentado y las paredes del molde estn fras, la
#ona chill ser estrecha, pero si el lquido es vaciado al molde a
una temperatura levemente superior a la de solidificacin, habr una
#ona ms amplia de lquido sobreenfriado produci)ndose ms nucleacin,
y por lo tanto, la #ona chill ser ms ancha. !e aqu podemos deducir
que4 la #ona chill decrece con la mayor temperatura del metal
lquido 2sobrecalentamiento3 y con el precalentamiento del molde5 si
estas condiciones de temperatura se e7treman, la #ona chill puede
hacerse imperceptible. \ona "olumnar &e origina en aquellos
granos de la #ona chill, continuando su crecimiento hacia el centro
del lingote, pues estn favorablemente orientados para crecimiento
rpido, como se muestra en la >igura :.AB;. *n metales >"" y
R"" las direcciones de crecimiento rpido de las dendritas son las
dela familia [:88Z5 se desarrollarn ms aquellos granos con
direcciones de crecimiento rpido paralelas a la direccin de
e7traccin de calor. La e7istencia de una #ona columnar produce
orientaciones preferenciales de los cristales en el lingote y por
consiguiente produce anisotropa de las propiedades mecnicas, lo que
hace indispensable la deformacin plstica posterior. *s importante
destacar que el crecimiento de los granos columnares no es slo en
su longitud, sino tambi)n seg+n su dimetro y que los bordes de
grano recogen impure#as. \ona central de granos equia7iales *l
lquido de la regin central puede sobreenfriarse tanto por efectos
t)rmicos as como por sobreenfriamiento constitucional5 de esta
manera se desarrolla una #ona central de granos equia7iales. *n las
aleaciones es importante el &*", pues promueve el desarrollo de
la #ona equia7ial central. *ste sobreenfriamiento se produce cerca
del centro del lingote debido a que4 'lgunos cristales formados en
la #ona chill son barridos desde las paredes del molde
porcorrientes de conveccin hacia el interior del lingote. &i la
temperatura de vaciado del lquido es baja estos cristales no sern
completamente refundidos y servirn como cristalesBsemillas en la
parte central del lingote. *n aleaciones la dendritas celulares de
la #ona columnar crecen con una gradiente de concentracin. Las
desomogeneidades qumicas permiten que algunos bra#os secundarios o
terciarios de las dendritas se separen de la rama principal y sean
barridos hacia el centro del lingote por corrientes de conveccin.
*7iste una tercera posible forma de generacin de la #ona equia7ial,
la cual seala que esta #ona se puede formar por la precipitacin de
pequeos cristales desde la cara superior del lingote donde el
lquido ha sido emfriado por p)rdidas de calor por radiacin. La
>igura :.ABC muestra diferentes lingotes de una aleacin
cobreBaluminio de distinto grado de pure#a, en los cuales se
observa que la proporcin de granos columnares se reduce
considerablemente respecto a los granos equia7iales4 con menor
sobrecalentamiento del lquido y con mayor nivel de soluto de cobre
en el de aluminio, estas condiciones producen un refinamiento de
los granos del lingote. *l menor sobrecalentamiento implica un
gradiente menor de temperatura en el lquido que es enfriado, por
tanto la nucleacin de granos slidos se inicia en todas partes del
lingote, logrndose as un grano final ms fino. "on mayor nivel de
soluto de "u la diferencia entre (8 y (i, >igura :.FB; 2b3, es
mayor y una regin ms amplia queda con sobreenfriamiento
constitucional, esto incrementa la #ona de nucleacin simultnea
produciendo as un refinamiento del grano. Para disminuir o eliminar
la #ona columnar en la colada continua se ha ensayado la aplicacin
de un campo magn)tico que agite el lquido, y que por ende quiebre
los bra#os dendrticos y forme nuevos n+cleos. La segregacin de
soluto puede a+n llevar a la formacin de segundas fases en
aleaciones que en s son monofsicas, ejemplo de esto se ve en la
>igura :.ABE 2a3, en una aleacin "uBEDat &n5 la segunda fase
puede ser eliminada mediante un recocido de homogeni#acin,
>igura :.ABE 2b3, pero este proceso es caro porque se efect+a a
alta temperatura y por tiempo prolongado. :. &,L%!%>%"'"%I/
:.G &olidificacin de eut)cticos La solidificacin, en
enfriamiento lento, sigue las reglas de los diagramas de fases ya
conocidas, que son4 "ompleta miscibilidad en estado lquido y
miscibilidad parcial en estado slido. Las lneas liquidus y solidus
tiene un coeficiente de particin menor a la unidad. Las dos lneas
liquidus se juntan en el punto eut)ctico *, a trav)s de este punto
se dibujauna isoterma que conecta las soluciones slidas terminales.
"uando una aleacin de composicin eut)ctica * comien#a a solidificar
hay tres fases presentes4 una fase lquida, L, y dos soluciones
slidas, a y b . La solidificacin del lquido eut)ctico comien#a con
la deposicin simultnea de las soluciones slidas a y b ,de
composicin " y ! respectivamente, la temperatura permanece
invariante hasta que todo el lquido haya solidificado, lo que se
e7plica mediante la regla de las fases de 0ibbs. Rajo la lnea
eut)ctica se encontrarn dos fases slidas, a y b , teni)ndose
nuevamente un grado de libertad lo que permite que la temperatura
contin+e disminuyendo. *n cambio, una aleacin de composicin >
comien#a a solidificar a (8. Las dendritas dea aumentan desde (8
hasta (*. ' una temperatura levemente superior a (* hay 4 !endritas
de a 4 de composicin ", con D2a 3 X 2*> H "*3 7 :88 Lquido4 de
composicin eut)ctica, con D2liq3 X 2"> H "*3 7 :88Los compuestos
formados en la #ona delimitada por las lneas liquidus y la isoterma
del eut)ctico y las lneas solidus se conocen como compuestos
proeut)cticos.'l enfriar por debajo de (*, todo el lquido
solidifica como eut)ctico, las fases a y b solidifican
estrechamente ligadas entre s. *sto ocurre en diversas formas que
se muestran en la >igura :.GB;. Por otra parte, en una aleacin
de composicin 0, se observa que4 si el enfriamiento es lento, se
obtendr una solucin slida homog)nea5 en cambio, si el enfriamiento
es bajo condiciones normales, i.e. rpido, e7istir material
eut)ctico entre granos de solucin slida b , debido a la segregacin
interdendrtica. *l diagrama temperaturaBtiempo para el enfriamiento
de una aleacin de composicin "a partir del lquido se muestra en la
>igura :.GB=4' la temperatura eut)ctica (*, la reaccin es
isot)rmica porque de acuerdo a la regla de las fases de 0ibbs la
transformacin tiene 8 grados de libertad a presin constante4 L X ;
J : B = X 8 2p X cte.3*ntre (8 y (* la formacin de fase a slida
retarda el enfriamiento por la entrega de calor latente que se
produce con el paso de lquido a slido.
Las >iguras :.GBC, :.GBE, :.GBF, :.GBA y :.GBG muestran
diagramas de fases y microestructuras4 hipoeut)cticas,
hipereut)cticas y eut)cticas de diversos sistemas de
aleaciones.
!e las figuras anteriores se puede concluir que hay diversos
tipos de eut)cticos4 laminar,de barras, globular y acicular. La
forma del eut)ctico depender en gran medida de la energa de
superficie, , entre la fase a y la b 4 &ies independiente de la
orientacin de la interfase, el eut)ctico tiende a ser de barras.
&idepende de la orientacin de la superficie respecto de las
direcciones cristalogrficasde ambas fases, entonces el eut)ctico es
laminar. *l eut)ctico globular minimi#a elcreado, 2mayor volumen de
fase b por menor rea3. *n el eut)ctico acicular la matri# crece
nonBfaceted y la fase acicular en forma faceted, ejemplo de esto es
la aleacin 'lB&i, >igura :.GBL. Los eut)cticos laminar y de
barras se forman cuando ambas fases son del tipo nonBfaceted, su
velocidad de crecimiento es controlada por la difusin del soluto en
el lquido, esto ocurre porque al formarse las dos fases slidas, 2a
y b 3, se produce una fuerte redistribucin de soluto. *l movimiento
de este +ltimo se produce por difusin enel lquido, delante de la
interfase slidoBlquido, como se muestra en la >igura :.GB:8.
'dems es conveniente destacar el hecho que crecen con menor
sobreenfriamiento que el globular, el cual requiere m+ltiples
nucleaciones.
'l aumentar la e7traccin de calor se disminuye el espaciamiento
interlaminar 2l 3, esto permite incrementar la velocidad de
solidificacin del lquido eut)ctico. Lo anterior se e7plica porque
la difusin controla el avance de la interfase &BL, a una
temperatura constante se puede lograr mayor velocidad de
solidificacin acortando la distancia de difusin y
correspondientemente @l @. &e ha encontrado en eut)cticos
solidificados unidireccionalmente que 4*l desarrollo de eut)cticos
sigue las etapas de nucleacin y crecimiento. .sualmente nuclea una
de las fases, por ejemplo a , sobre )sta nuclea la fase b y
adicionalmente mediante un puente de fase a se genera la segunda
capa a , >igura :.GB::. Lo anterior podra hacer innecesaria la
nucleacin, ya que el crecimiento del eut)ctico se puede llevar a
cabo mediante puentes de fases.*l crecimiento de un eut)ctico es
apro7imadamente igual en todas direcciones formndose as colonias
eut)cticas ms o menos esf)ricas como se puede apreciar en la
>igura :.GB:;.>undiciones de fierro Por su importancia
industrial se anali#ar con ms detalle la solidificacin del fierro
fundido y para esto es esencial observar el diagrama de fases
>eB".&e definirn a continuacin los nombres que han asignado
a las estructuras que aparecenen este diagrama4"ementita o carburo
de hierro contiene F,FAD de " en peso y su frmula qumica es
>e=". *s un compuesto tpicamente duro y frgil de baja
resistencia tensil, pero de alta resistencia compresiva. *s la
estructura ms dura que aparece en el diagrama. &u estructura
cristalina es ortorrmbica. 'ustenita es el nombre dado a la solucin
slida g . *s una solucin slida intersticial de carbono disuelto en
hierro g 2>""3. &u m7ima solubilidad es del ;D de ".
0eneralmente no es estable a temperatura ambiente, salvo bajo
ciertas condiciones especiales. Ledeburita es la me#cla eut)ctica
de austenita y cementita. "ontiene C,=D de " y se forma a
temperatura eut)ctica. >errita es el nombre dado a la solucin
slida a . *s una solucin slida intersticial de una pequea cantidad
de carbn disuelta en hierro a 2R""3. La m7ima solubilidad que tiene
es 8,8;ED de ", a temperatura eutectoide, y a temperatura ambiente
disuelve 8,88GD de ". Perlita es el nombre que recibe la me#cla
eutectoide que contiene 8,GD ce " y se forma temperatura eutectoide
en enfriamiento lento. *s una me#cla muy fina tipo laminar de
ferrita y cementita. La base o matri# ferrtica blanca que forma la
mayor parte de la me#cla eutectoide contiene delgadas placas de
cementita. Las fundiciones de fierro son aleaciones de >e con ;
a CD de " y usualmente con :D de&i. .na aleacin de >e =D "
puede solidificar seg+n el diagrama de fases de equilibrio, i.e.
>eBgrafito, o seg+n el diagrama metaestable, >eB >e="
2cementita3. &i la velocidad de e7traccin del calor es grande
producto de un enfriamiento brusco, la solidificacin se completa
con el eut)ctico >eB>e=" llamado ledeburita, el producto
final se denomina fundicin blanca, )sta se caracteri#a por su color
blanco y por ser bastante dura. La ledeburita consiste en lminas
alternadas de austenita y >e=" 2cementita3.&i la composicin
es hipoeut)ctica, por ejemplo =D de", primero se forman dendritas
non faceted de austenita proeut)ctica, al llegar a la temperatura
eut)ctica, 2::=E igura :.GB:F 2a3 y 2b3. &e forma as fundicin
gris. La presencia de silicio, &i, tambi)n promueve la fundicin
gris. &i se ataca fuertemente la superficie pulida de una
fundicingris se observa con microscopio electrnico de barrido
placas de grafito interconectadas entre s >igura :.GB:F 2c35 el
eut)ctico se constituye con las placas de grafito y entre ellas la
austenita5 a su ve# la austenita se transformar en perlita cuando
la temperatura descienda de la eutectoide.La adicin de "esio, 2"e3,
o ?agnesio, 2?g3, a la fundicin gris, i.e. >eBgrafito, altera
fuertemente la morfologa del grafito, en ve# de crecer en placas va
tomando formas cada ve# ms redondeadas5 con 8,:=D en peso de ?g el
grafito forma ndulos por lo cual la fundicin se llama nodular,
>igura :.GB:A. *sta fundicin tiene grandes ventajas sobre la
gris4?ayor tensin de ruptura ?ayor resistencia al impacto La
fundicin nodular es competitiva con aceros fundidos. La forma
esf)rica del grafito evita la concentracin de tensiones en los
bordes o en las aristas agudas. 'leaciones 'luminioB&ilicio,
'lB&i ,tro eut)ctico de importancia tecnolgica es el de la
aleacin 'lB&i. *l &ilicio se desarrolla en forma faceted.
"uando el crecimiento se efect+a a baja velocidad, la fase &i
se desarrolla con formas geom)tricas ms regulares &i se agrega
/a a la aleacin el &ilicio toma forma de fibras ms cortas
aumentando la ductilidad de la aleacin >igura :.GB:G 2a3.:.
&,L%!%>%"'"%I/ :.L &olidificacin de perit)cticos ' una
temperatura levemente superior a (p, una aleacin "8 contiene
apro7imadamente^ ap y _ Lp, a (p se produce la reaccin perit)ctica
y aparece la fase b , por consiguiente habr tres fases presentes. '
una temperatura levemente inferior a (p desaparece a y queda
apro7imadamente E8D b p y E8D Lp.La >igura :.LB; muestra el
diagrama temperaturaBtiempo para la solidificacin de "8, con la
transformacin perit)ctica a temperatura constante, 2regla de las
fases de 0ibbs4 L X ; J : B = X 83.&in embargo, en la prctica,
la solidificacin ocurre en forma algo diferente, la disolucin de la
fase a slida requiere de tiempo, lo que se puede lograr slo con
enfriamientos muy lentos. /ormalmente la solidificacin se efect+a
rpido y no se logran las condiciones de equilibrio. 'l ocurrir la
transformacin perit)ctica, la fase b nuclea y crece en torno a los
dendritas de a proeut)ctica disolviendo algo de la fase a , i.e. no
toda5 para b es ms favorable nuclear heterog)neamente en torno a
las dendritas de a que en el lquido. La fase a queda as rpidamente
aislada del lquido por la fase b que la rodea y se corta la reaccin
perit)ctica. 'l bajar a+n mas la temperatura la +nica solidificacin
que ocurre es ms b . La >igura :.LBC muestra la importante
aleacin FED&nB=ED"u4 la fase gris correspondea dendritas de e 5
)stas estn recubiertas de fase blanca h , el resto que se ve
obscuro es eut)ctico que se produce a ;;A 9".:.
&,L%!%>%"'"%I/ :.:8 $eacciones en los !iagramas de
>ases>igura :. $eaccin *ut)ctica L ` a 2 s3 J b 2 s3>igura
;. $eaccin Perit)ctica L J a 2 s3 ` b 2 s3>igura =. $eaccin
*utectoide g 2 s3 ` a 2 s3 J b 2 s3>igura C. $eaccin
Peritectoide g 2 s3 J a 2 s3 ` b 2 s3Lingote Lingotes de oro
modernos del Ranco de &uecia.n lingote es una masa de material
fundido dentro de un molde que permite su fcil manejo y
estiba.(abla de contenidos aocultarb: (ipos de lingote :.:
?etlico:.; ?aterial semiconductor; *structura cristalina(ipos de
lingote aeditarb?etlico aeditarbLos lingotes metlicos se fabrican
calentando la aleacin por encima de su punto de fusin y volcando el
metal lquido dentro de moldes preparados al efecto. Los lingotes de
metales primarios se utili#an luego en la industria para producir
otras pie#as metlicas, mediante fundicin, e7trusin u otros medios
tecnolgicos.?aterial semiconductor aeditarb*n la industria
electrnica se utli#an lingotes monocristalinos de material
semiconductorfabricados mediante el m)todo "#ochralsPi o el de
Rridgeman.*structura cristalina aeditarbLos lingotes se fabrican en
general con moldes en forma de paraleleppedo o una pirmide truncada
de base rectangular, para facilitar su estibaje. "omo el
enfriamiento se inicia en la superficie, se crea un gradiente de
temperatura donde el centro del lquidopermanece ms caliente que los
bordes. *n consecuencia, la solidificacin comien#a porla superficie
y termina en el centro, generando una estructura cristalina tpica
en tres ccapasd4 una cristali#acin columnar en la superficie,
dendrtica en la capa siguiente, y equia7ial en el centro.'l
solidificarse, el metal disminuye su volumen y la superficie del
lingote en contacto con la atmsfera presenta en general una
concavidad denominada cde retraccind. &i la fundicin ha sido
deficiente, el lingote presentar fisuras en su superficie, y poros
en su interior.*7istren diversas t)cnicas para mejorar y
homogenei#ar la estructura cristalina de un lingote, incluyendo el
estricto control de la velocidad de solidificacin, la aislacin de
determinadas partes de los moldes para producir una solidificacin
dirigida, y el uso de t)cnicas de floculacin.