Ciencia de Materiales · tema 07
Aleaciones metálicas
Aceros al carbono, de baja aleación e inoxidables, las fundiciones, y las aleaciones de cobre, aluminio, magnesio y titanio. Qué se elige y por qué.
este tema trae un simuladorLos temas anteriores explican por qué un metal tiene las propiedades que tiene: su red, sus defectos, sus fases y los tratamientos que se le hacen. Este tema es el catálogo que sale de todo eso. Las aleaciones se reparten en dos familias, las férreas, con base de hierro, y las no férreas, y la pregunta que ordena el tema es siempre la misma: qué ofrece cada una que las demás no ofrecen.
En la evaluación continua este tema entra en el test de las presentaciones de los alumnos, no en el examen escrito; en la evaluación final, con renuncia, el examen sí lo incluye. Lo que aquí se cuenta es el mapa; el detalle de cada aleación es el de las presentaciones.
Por qué el acero, y por qué a veces no
El acero es la aleación más usada con mucha diferencia, y por tres motivos: el hierro es abundante y barato de extraer, y con muy poco carbono y los tratamientos de los temas 5 y 6 se consigue casi cualquier combinación de resistencia y ductilidad. Un mismo acero puede salir blando para doblarlo y duro para cortar, según cómo se enfríe.
Tiene tres inconvenientes, y son los que abren la puerta a las demás aleaciones: pesa mucho, se oxida y conduce el calor y la electricidad bastante peor que el cobre o el aluminio.
Un centímetro cúbico de cada metal, en gramos, a escala. El hierro, en otro color, es la referencia: el aluminio pesa algo más de un tercio que él y el magnesio menos de la cuarta parte. El titanio queda en medio, y el cobre y el níquel pesan más que el propio hierro. Al lado de cada nombre, su red cristalina a temperatura ambiente (tema 3).
Los aceros al carbono
Un acero al carbono es hierro con carbono y poco más. Lo que decide su comportamiento es cuánto carbono lleva, porque eso fija, con el diagrama del tema 4, cuánta perlita tiene y si se puede templar:
- Bajo carbono, hasta alrededor de un 0,25 %: casi todo ferrita, con algo de perlita. Blandos, dúctiles, fáciles de conformar y de soldar, y no se templan bien. Chapa, perfiles, alambre.
- Medio carbono, de alrededor de 0,25 a 0,60 %: se templan y se revienen, y así se consigue un buen equilibrio entre resistencia y tenacidad. Ejes, engranajes, piezas de máquinas.
- Alto carbono, por encima: los más duros y los menos dúctiles, casi siempre templados y revenidos. Herramientas, muelles, cuchillas.
El código de cuatro cifras
Los aceros de los problemas de los temas 5 y 6 se nombran con el sistema AISI/SAE: cuatro cifras, donde las dos primeras dicen la familia de aleación y las dos últimas, el carbono en centésimas de punto. Un 1040 es un acero al carbono —la familia 10— con un 0,40 % de C. Un 4340 es de la familia 43, que lleva níquel, cromo y molibdeno, y también un 0,40 % de C. Un 5140 lleva cromo y un 8640, níquel, cromo y molibdeno; los dos, otra vez con un 0,40 % de C.
Las dos últimas cifras son el carbono, no la aleación
En un 4340, el «40» no es un 40 % de nada, y el «43» tampoco es un porcentaje: es el número de una familia de aleación. Las dos últimas cifras son centésimas de punto de carbono, así que el 4340, el 5140 y el 8640 tienen todos el mismo carbono, un 0,40 %, y se distinguen solo por los elementos de aleación. Por eso sirven para comparar la templabilidad en el tema 6: la diferencia entre sus curvas la ponen los aleantes, no el carbono.
Los aceros de baja aleación
Añadiendo a un acero pequeñas cantidades de cromo, níquel, molibdeno o manganeso se gana, sobre todo, templabilidad: los aleantes retrasan las transformaciones de la austenita en perlita y en bainita, las narices del diagrama se van a la derecha y la velocidad crítica baja. Es exactamente lo que se vio con el 4340 en el tema 5. Una pieza gruesa, o una templada en aceite en vez de en agua, llega entera a martensita.
Además los aleantes endurecen la ferrita por disolución sólida (tema 3) y algunos, como el cromo o el molibdeno, forman carburos muy duros.
Los aceros inoxidables
Un acero se vuelve inoxidable a partir de más o menos un 11 % de cromo. El cromo de la superficie forma una capa finísima de óxido que no deja pasar el oxígeno, y esa capa protege al resto; si se raya, se vuelve a formar sola.
Según su red y su microestructura hay tres familias principales:
- Ferríticos: red BCC, magnéticos, baratos. No se templan.
- Austeníticos: con níquel, que estabiliza la austenita FCC a temperatura ambiente. No son magnéticos, son muy dúctiles y los que mejor resisten la corrosión. Son los más comunes: cubiertos, fregaderos, industria alimentaria.
- Martensíticos: con más carbono, se templan y se revienen. Cuchillería e instrumental.
Inoxidable no quiere decir que no se oxide
El acero inoxidable se oxida, y además enseguida: lo que pasa es que su óxido, el de cromo, es impermeable y se queda pegado a la superficie, y a partir de ahí el oxígeno ya no llega al metal. Es la misma idea que protege al aluminio. El óxido de hierro, en cambio, es poroso y se desprende, y la oxidación sigue hacia dentro. Por eso un acero inoxidable puede corroerse si algo le impide rehacer la capa, como una grieta estrecha o un medio con cloruros.
Las fundiciones
Por encima de un 2,14 % de carbono ya no son aceros sino fundiciones, que funden a menos temperatura y se cuelan fácilmente en moldes con formas complicadas. Sus tipos se vieron en el tema 4 y se distinguen por cómo está el carbono: en láminas de grafito la gris, en esferas la dúctil, como cementita la blanca y en rosetas la maleable. Bancadas de máquinas, bloques de motor, tuberías y piezas que se funden en lugar de mecanizarse.
Las aleaciones no férreas
Cuando pesar poco, no oxidarse o conducir bien importa más que el precio, se sale del hierro. Las cuatro familias que más se usan:
Cobre
El cobre puro es el mejor conductor eléctrico de uso corriente después de la plata, y es muy dúctil. Con estaño da los bronces y con cinc, los latones: los de uso corriente son de fase alfa, con hasta cerca de un 39 % de cinc según el diagrama del tema 4. Con níquel da los cuproníqueles, un sistema isomorfo, y con berilio, una aleación que se endurece por precipitación (tema 6).
Aluminio
Pesa algo más de un tercio que el acero, conduce bien, es FCC y por tanto muy dúctil, y se protege solo con una capa de alúmina. Las aleaciones con cobre, magnesio, silicio o cinc llegan a resistencias altas, y muchas se endurecen por precipitación, que es el tratamiento del tema 6. Su límite es la temperatura: funde a 660 °C y pierde resistencia mucho antes. Aviones, envases, carpintería, automoción.
Magnesio
El metal estructural más ligero, menos de la cuarta parte que el acero. Es HC, así que se deforma mal en frío (tema 3: pocos sistemas de deslizamiento), y se corroe con facilidad. Se usa donde cada gramo cuenta: carcasas, componentes de automoción y de aeronáutica.
Titanio
Algo más de la mitad de la densidad del acero, con resistencias comparables y una resistencia a la corrosión excelente, también en el cuerpo humano. Funde muy alto, a 1668 °C. Su inconveniente es el precio, por lo difícil que es de extraer y de trabajar. Aeronáutica, implantes, industria química.
Cómo se elige
Resumido en una tabla, con valores de tabla a temperatura ambiente:
| metal | densidad (g/cm³) | red | funde a (°C) | por qué se elige |
|---|---|---|---|---|
| hierro (acero) | 7,87 | BCC | 1538 | barato, templable, resistente |
| cobre | 8,96 | FCC | 1085 | conduce, dúctil |
| níquel | 8,90 | FCC | 1453 | corrosión y temperatura alta |
| titanio | 4,51 | HC | 1668 | resistencia por kilo, corrosión |
| aluminio | 2,70 | FCC | 660 | ligero, conduce, no se oxida |
| magnesio | 1,74 | HC | 650 | el más ligero |
La columna que suele decidir no es ninguna de estas por separado, sino una división: la resistencia por unidad de masa. Un aluminio que resiste la mitad que un acero pero pesa un tercio lleva la misma carga con menos masa, y por eso vuela.
Practica lo que acabas de leer
Lo que dice el nombre de un acero 1045
Ejemplo introductorio, para entrar de cero. Cada paso equivocado recibe su diagnóstico, no un «incorrecto».
Hacer el ejercicio →Lo que dice el nombre de un acero 1045
1.er intento a pelo · al 2.º aparece la pista, al 3.º el desarrollo — la solución nunca se da al fallar: se te dice en qué te has ido y por qué.
Enunciado
Un acero se designa como AISI 1045. ¿Cuánto carbono tiene? Enfriado despacio desde la austenita hasta justo por debajo de 727 °C, ¿qué fracción de su masa es perlita? Usa los valores del diagrama hierro-carburo de hierro del tema 4: 0,022 % de C en la ferrita y 0,76 % en el eutectoide.
El carbono del acero y su fracción de perlita.
- 01
Reconocer el camino
COMP1¿Qué dicen las cuatro cifras de un AISI 1045?
Ninguna cifra es un porcentaje de aleación: el 10 es el número de la familia, la de los aceros al carbono. Y un acero es casi todo hierro, más del 98 %.
Solo las dos últimas cifras son el carbono. Con más del 0,76 % sería además un acero hipereutectoide, y el 1045 no lo es.
Eso es. Las dos últimas cifras son centésimas de punto de carbono, así que el 1045 lleva un 0,45 % de C y ningún elemento de aleación añadido.
- 02
El carbono del acero
COMP2¿Qué porcentaje de carbono tiene el acero?
el porcentaje de C, sin el símbolo — vale la forma exacta: pi/4, sqrt(3)/2, (e^2-1)/2…Son centésimas de punto: «45» es 0,45 %, no 45 %. Un acero con un 45 % de carbono no existe; la cementita, que es el máximo del diagrama, tiene un 6,70 %.
Las dos últimas cifras, en centésimas.
Desarrollo
de C.
- 03
La fracción de perlita
COMP2¿Qué fracción en masa del acero es perlita, justo por debajo de 727 °C?
una fracción entre 0 y 1 — vale la forma exacta: pi/4, sqrt(3)/2, (e^2-1)/2…Esa es la ferrita proeutectoide. Has puesto el brazo del lado de la perlita; la perlita es el brazo del otro lado, de 0,022 a 0,45.
Has hecho la palanca hasta la cementita, 6,70. Esa palanca da las fases; la perlita es un microconstituyente y su palanca acaba en el eutectoide, 0,76.
.
Desarrollo
- 04
Justificar el argumento
COMP4Ordena el razonamiento. Una pieza es falsa.
- Ve eligiendo las piezas en orden.
Lo que cuenta son las dos últimas cifras como número: 45 frente a 80. El 1080 tiene un 0,80 % de C, pasa del eutectoide y es casi todo perlita; el 1045 tiene bastante menos.
El razonamiento, en orden
El 1045 es un acero al carbono con un 0,45 % de C: hipoeutectoide.
Antes de 727 °C sale ferrita proeutectoide, y la austenita que queda da perlita.
La palanca de los microconstituyentes, de 0,022 a 0,76, da un 58 % de perlita.
Resolución completa
El nombre da el carbono. En AISI 1045, el 10 es la familia de los aceros al carbono y el 45, el carbono en centésimas: .
El diagrama del tema 4 da la microestructura. Con menos de 0,76 % es hipoeutectoide: ferrita proeutectoide y perlita. La palanca de los microconstituyentes va de la ferrita al eutectoide:
Algo más de la mitad es perlita. Por eso un acero de medio carbono como este es más resistente que uno de bajo carbono, y a la vez se puede templar: tiene carbono de sobra para que salga martensita.
¿Esto está mal? Dilo →La resolución es nuestra y puede tener fallos. El enunciado es el original.
La masa que se ahorra cambiando acero por aluminio
1.er intento a pelo · al 2.º aparece la pista, al 3.º el desarrollo — la solución nunca se da al fallar: se te dice en qué te has ido y por qué.
Enunciado
Una pieza de acero de 12 kg se rediseña en aluminio con exactamente la misma forma y el mismo volumen. Con densidades de 7,87 g/cm³ para el acero y 2,70 g/cm³ para el aluminio, ¿cuánto pesa la pieza nueva?
La masa de la pieza de aluminio.
- 01
Reconocer el camino
COMP1¿Qué se conserva al cambiar de material?
Exacto. Misma forma, mismo volumen: , y con fijo la masa es proporcional a la densidad.
Para eso haría falta un rediseño, y el enunciado dice que la forma no cambia. Aquí solo interviene la densidad.
Lo que se ha mantenido es la forma. Con la misma masa, una pieza de aluminio sería casi tres veces más voluminosa.
- 02
La masa de la pieza de aluminio
COMP2¿Cuánto pesa la pieza de aluminio?
una masa, con su unidad — con su unidad; vale cualquiera de la misma magnitudHas dividido al revés, como si el aluminio pesara más. El aluminio es más ligero: la pieza nueva tiene que pesar menos que la de acero.
Eso es lo que se ahorra, no lo que pesa la pieza nueva.
.
Desarrollo
- 03
Justificar el argumento
COMP4Ordena el razonamiento. Una pieza es falsa.
- Ve eligiendo las piezas en orden.
La densidad no dice nada de la resistencia: son propiedades distintas. Una aleación de aluminio puede resistir bastante más que un tercio de lo que resiste un acero corriente, y por eso la cuenta que decide es la resistencia por unidad de masa.
El razonamiento, en orden
Con la misma forma, el volumen es el mismo y la masa es proporcional a la densidad.
El aluminio pesa 2,70/7,87 = 0,343 veces lo que el acero: la pieza pasa de 12 a 4,12 kg.
Si además debe aguantar la misma carga, habrá que engordarla, porque el aluminio resiste menos.
Resolución completa
Con la misma forma, el volumen no cambia, y la masa va en la proporción de las densidades:
Se ahorran casi 8 kg, dos tercios de la pieza. Pero la cuenta no dice si la pieza nueva aguanta: eso depende de la resistencia de la aleación de aluminio, y si no llega, hay que darle más sección. La comparación honesta no es de densidades sino de resistencia por unidad de masa.
¿Esto está mal? Dilo →La resolución es nuestra y puede tener fallos. El enunciado es el original.