ALEACIONES NO FERROSAS

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1 ALEACIONES NO FERROSAS Aunque las aleaciones ferrosas son las que ocupan el mayor volumen en los materiales utilizados en la ingeniería y presentan excelentes propiedades mecánicas, también presentan limitaciones por la alta densidad, baja conductividad eléctrica y baja resistencia a la corrosión. Es por ello que se hace necesario utilizar las aleaciones no ferrosas que combinan propiedades tales como la resistencia mecánica, densidad, conductividad y resistencia a la corrosión. Algunas aleaciones no ferrosas que incluyen elementos tales como cobre, aluminio, magnesio, titanio, plomo, estaño y cinc y que cumplen con estas propiedades son descritas a continuación. ALUMINIO Y SUS ALEACIONES De los elementos metálicos, el aluminio es el elemento más abundante sobre la tierra, él y sus aleaciones son caracterizados por una relativamente baja densidad (2,7 g/cm 3 ), comparada con 7,9 g/cm 3 del acero), alta conductividad eléctrica y térmica y una resistencia a la corrosión en algunos ambientes, incluyendo el ambiente atmosférico, otorgada por la formación de una capa pasiva de alúmina (Al 2 O 3 ) que se forma en la superficie. Muchas de estas aleaciones son fácilmente conformadas hasta lograr finas hojas de lámina. El aluminio tiene una estructura cúbica centrada en las caras (fcc), y su temperatura de fusión es de 660ºC, que restringe la temperatura máxima en la cual puede ser usado. No es magnético, no genera chispas al contacto con otros elementos y presenta un abaja resistencia al desgaste. La resistencia mecánica del aluminio puede ser mejorada por trabajo en frio o por adición de elementos aleantes como cobre, magnesio, silicio, manganeso y cinc, aunque ello disminuye la resistencia a la corrosión. La composición para ambos tipos es designada por un número de 4 dígitos que indica la impureza principal y en algunos casos el nivel de pureza, además dan idea de la cantidad de fases presentes en la microestructura, ya que pueden ser monofásicas (presentan fase α) como las designadas con 1, 2 y 3 o bifásicas (presentan fase α+ Mg 2 Al 3 ó α+β) como las designadas con 4 y 5. Las aleaciones de aluminio son clasificadas como aleaciones fundidas o como aleaciones forjadas. Dependiendo de la forma de procesamiento, se obtiene diferentes microestructuras y composiciones como se observa en la figura: A continuación se presenta la clasificación para algunas aleaciones de aluminio:

2 Aleaciones fundidas Aleaciones forjadas Cifras Elementos aleantes Cifras Elementos aleantes 1XXX Ninguno (99.0 %Al) 1XXX Ninguno (99.0 %Al) 2XXX Cu 2XXX Cu o Cu-Li 3XXX Si-Cu o Mg-Si 3XXX Mn 4XXX Si 4XXX Si o Mn-Si 5XXX Mg 5XXX Mg 6XXX Mg-Si 7XXX Sn 7XXX Mg-Zn 8XXX 8XXX Otros (Lu, Sn, Zr, B) Algunas microestructuras de aleaciones de aluminio se muestran a continuación: Aleación 1000 fundida Aleación 5457 fundida Aleación 7079-T6 forjada El grado de endurecimiento es definido mediante la designación del tratamiento térmico realizado que se describe a continuación: F O H Designación del tratamiento térmico realizado Como se fabricó Recocido, recristalizado (sólo las forjadas) Endurecidas por deformación en frío H1 Endurecida sólo por deformación enfrío H2 Endurecida por deformación enfrío y luego recocida parcialmente H3 Endurecida por deformación enfrío y luego estabilizada W T T1 T2 T3 T4 T5 T6 T7 T8 Tratada por solución Endurecida por envejecimiento Envejecida naturalmente Trabajada en frio y envejecida naturalmente Tratada por solución, trabajada en frio y envejecida naturalmente Tratada por solución y envejecida naturalmente Envejecida artificialmente Tratada por solución y envejecida artificialmente Tratada por solución y estabilizada por sobre envejecimiento Tratada por solución, trabajada en frio y envejecida artificialmente

3 COBRE Y SUS ALEACIONES De los elementos metálicos, el cobre es el elemento más antiguamente utilizado, él y sus aleaciones son caracterizados por tener una densidad de 8,96 g/cm 3, mayor que la del acero, alta conductividad eléctrica y térmica, una elevada resistencia a la corrosión y una elevada ductilidad. El cobre tiene estructura cúbica centrada en las caras (fcc), y su temperatura de fusión es de 1083ºC, no es magnético, presenta una baja resistencia al desgaste, es de fácil mecanizado, su maleabilidad permite obtener láminas delgadas y su ductilidad permite la obtención de cables eléctricos muy finos. La resistencia mecánica del cobre puede ser mejorada por trabajo en frio o por adición de elementos aleantes, aunque ello disminuya la resistencia a la corrosión. Donde los principales elementos de aleación son estaño, cinc, níquel, silicio, cromo, hierro y cobalto. Los bronces (Cu-Sn) y latones (Cu-Zn) son las aleaciones más importantes y fuertes y generalmente se utilizan cuando además de una alta resistencia a la corrosión se requieren buenas propiedades a la tensión. La composición para ambos tipos es designada por el sistema de la Asociación y Desarrollo del Cobre con un número de 5 dígitos que indica la impureza principal y en algunos casos el nivel de pureza. Aleaciones fundidas Aleaciones forjadas Cifras Elementos aleantes Cifras Elementos aleantes C8XXX Ninguno (99.0 %Cu) C1XXX Ninguno (99.0 %Cu) C9XXX Sn-Pb o Sn-Ni C2XXX Zn C3XXX Zn-Pb C4XXX Zn-Sn C5XXX Sn C6XXX Al C7XXX Ni Generalmente, las aleaciones de cobre son clasificadas como aleaciones fundidas y aleaciones forjadas. Dependiendo del procesamiento, se obtienen diferentes microestructuras y composiciones como se observa en la figura: Aleación Aleación Aleación 51000

4 TITANIO Y SUS ALEACIONES El titanio puro tiene una baja densidad (4,5 g/cm 3 ), alto punto de fusión (1668ºC) y alto modulo elástico. Es un material poco resistente y extremadamente dúctil, sin embargo, con la adecuada adición de otros elementos aleantes puede convertirse en un material con características únicas como alta resistencia, rigidez, ductilidad apropiada, una excelente resistencia a la corrosión y una menor densidad que la mayoría de los metales estructurales. La principal limitación del titanio es su reactividad química con otros materiales a elevadas temperaturas. Presenta una elevada resistencia a la corrosión por la formación de una capa pasiva de óxido de titanio (TiO 2 ) que lo cataloga como el mejor material bioinerte para aplicaciones en implantes. El titanio presenta alotropía, exhibiendo una estructura cristalográfica HCP conocida como fase alfa (α) a bajas temperaturas y una estructura BCC o fase beta (β ) a temperaturas superiores a 883 ºC. Ambas fases son estabilizadas con elementos como Al, O ó H para la fase α y Mo, Ta, Nb y V para la fase β Esas dos estructuras exhibidas por la transformación alotrópica se convierten en la base para fabricar los tres tipos de aleaciones de titanio existentes: las aleaciones fase α, las aleaciones fase β y las aleaciones fase α-β, las cuales son descritas a continuación: Aleaciones fase alfa: Estas aleaciones contienen Al, O y Sn, encargados de estabilizar la fase, aunque también pueden contener Mo, Zr N, Va, Ta y Si., En la figura se presentan las microestructuras después de realizar el tratamiento térmico de recocido y templado. Aleación alfa recocida Aleación alfa templada

5 Aleaciones fase beta: Es el grupo más pequeño de aleaciones del titanio, contienen elementos como Nb, Mo y Ta encargados de estabilizar dicha fase, pero también pueden contener Cr, Fe y V. Presentan una buena ductilidad y buena conformabilidad en frío cuando se tratan en solución y una alta resistencia cuando son envejecidos. Estas aleaciones son ricas en elementos estabilizadores de la fase β, por lo que un enfriamiento rápido produce una estructura meta estable compuesta en su totalidad de fase β. En la figura se presenta la microestructura después de realizar el tratamiento térmico. Aleaciones alfa-beta: Estas aleaciones combinan cantidades balanceadas de ambas fases, lo cual les proporciona propiedades tales como elevada resistencia tensil, tenacidad a la fractura, resistencia a la fatiga. Debido a la presencia de las dos fases, este tipo de aleaciones responde a tratamientos térmicos para controlar tanto la microestructura como las propiedades mecánicas. Los tratamientos de temple y recocido proporcionan estructuras bastante útiles para las diversas aplicaciones que se requieren en el campo de la bioingeniería. Los tratamientos térmicos son fundamentales para obtener estructuras metalográficas. Así, al calentar por debajo de la temperatura de transición y enfriar lentamente (recocido), se forman granos α equiaxiales que dan ductilidad y formabilidad, mientras que en un enfriamiento rápido (templado), se produce una fase α acicular que le da mayor resistencia mecánica y mayor dureza. En la figura se presentan las microestructuras correspondientes a los tratamientos térmicos mencionados. Aleación recocida Aleación templada

6 MAGNESIO Y SUS ALEACIONES Debido a que la característica más importante del magnesio es la densidad (1.7 g/cm 3 ), la cual es la más baja de los metales estructurales, sus aleaciones se usan donde el bajo peso es una consideración importante, por ejemplo en componentes de aviones. Para este tipo de aplicaciones entra en competencia con el aluminio que presenta densidad muy baja y una excelente resistencia a la corrosión. El magnesio tiene bajo punto de fusión (651ºC) y presenta una estructura hexagonal compacta, es un elemento relativamente blando y tiene un modulo elástico bajo. A temperatura ambiente el magnesio y sus aleaciones son difíciles de deformar, de hecho, solo se pueden lograr pequeños grados de trabajo en frío sin tratamientos de temple. Las aleaciones de magnesio tienen muchas desventajas que han limitado las aplicaciones, entre ellas se encuentran: una resistencia relativamente baja y pobre resistencia a la termofluencia, fatiga y desgaste, además el moldeo es difícil porque en estado fundido arde en el aire, haciéndose precisa la utilización de cubiertas para los fundentes durante la fundición. Consecuentemente, la mayoría de su fabricación se produce por colado o trabajo en caliente entre 200 y 350ºC. Químicamente el magnesio es relativamente inestable y especialmente susceptible a la corrosión en ambientes marinos, pero a atmósfera normal presenta buena resistencia a la corrosión. En la figura se presentan las microestructuras correspondientes a las aleaciones fundidas y forjadas. Aleación fundida Aleación forjada

7 REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS Shackelford, James F. Introducción a la ciencia de materiales para ingenieros 6ed. Pearson. Prentice-Hall, España Askeland, Donald y Phulé, Pradeep. Ciencia e ingeniería de los materiales 4ed. Thomson. México Mitchell, Brian, An introduction to materials engineering and science: for chemical and materials engineers. John Wiley & Sons. New Jersey Soboyejo, Wolé. Mechanical Properties of Engineered Materials. Marcel Dekker, Inc Ashby, Michael F and Jones, David. Engineering Materials: An Introduction to their Properties and Applications. 2 ed. Elsevier Science. Oxford Callister, William D. Introducción a la ciencia e ingeniería de los materiales 2ed. Editorial Reverté. Barcelona 2002 Smith, William F. Fundamentos de la ciencia e ingeniería de materiales 3ed. McGraw-Hill. Madrid Finn Richard. Materiales de ingeniería y sus aplicaciones. 3ed. Mc Graw Hill. México Thornton, Peter y Colangelo Vito. Ciencia de materiales para ingeniería 1ed. Prentice-Hall Hispanoamericana S.A