6.1 materiales metalicos de ciencia e ingenieria

De las asignatura cim

1. Tema 6
MATERIALES METÁLICOS

2. 6.1. ALEACIONES FÉRREAS
6.1.1. El diagrama hierro-carbono
6.1.2. Tratamientos Térmicos de los aceros
6.1.3. Aceros al carbono
6.1.4. Aceros aleados
6.1.5. Fundiciones
6.2. ALEACIONES NO FÉRREAS
6.2.1 Aleaciones ligeras
6.2.1.1. Aleaciones de aluminio
6.2.1.2. Aleaciones de titanio
6.2.1.3. Aleaciones de magnesio
6.2.2. OTRAS ALEACIONES
6.2.2.1. Aleaciones de cobre
6.2.2.2. Superaleaciones
6.2.2.3. Metales refractarios
6.2.2.4. Metales nobles
6.2.2.5. Otros metales
ÍNDICE
Tema 6: Materiales Metálicos 2

3. 33
6.1. ALEACIONES FÉRREAS
Tema 6: Materiales Metálicos
El principal componente es el Hierro.
Representan aproximadamente el 90% en peso de los
materiales metálicos empleados por el hombre.
Su uso generalizado se debe fundamentalmente a:
1)Gran abundancia de mineral rico en Fe
2)Fabricación relativamente económica
3) Alta versatilidad de propiedades de las aleaciones
de Fe
➢ Producción de acero
Alto Horno:
https://www.youtube.com/watch?
v=UsZA22f0daw
Afino:
https://www.youtube.com/watch?
v=dC1uY_-dobo

4. 44
FASES
Ferrita (): BCC
Austenita (): FCC
Ferrita : BCC
Cementita: Fe
3C (6,70%C)
A 727ºC  Reacción eutectoide
 (0,77%C)   (0,022%C) + Fe
3C (6,67 %C)
6.1. ALEACIONES FÉRREAS
6.1.1. EL DIAGRAMA HIERRO -CARBONO
Tema 6: Materiales Metálicos

5. 55
Austenita ()
La austenita es una fase dúctil y blanda
compuesta por hierro gamma (FCC) que tiene
disuelto carbono intersticial. La solubilidad
máxima del carbono en la austenita es del
2,11% a 1129C. La austenita al microscopio
presenta una estructura de granos poligonales
con unas bandas típicas en algunos granos
(maclas).
Ferrita ()
Solución sólida intersticial de carbono en hierro alfa
(BCC). La máxima solubilidad del carbono es del
0,0218% y la presenta a 727C, disminuyendo
hasta el 0,008% a temperatura ambiente. Esta
estructura es la más blanda de todas las que
aparecen en el diagrama.
Cementita (Fe
3C)
Contiene un 6,67% de C. Es un
compuesto intermetálico intersticial de
red ortorrómbica. Es duro y frágil, cuya
resistencia a la tracción es pequeña,
pero presenta una resistencia a la
compresión elevada. De todas las
estructuras que aparecen en el
diagrama Fe-C es la que presenta mayor
dureza.
6.1. ALEACIONES FÉRREAS
Tema 6: Materiales Metálicos

6. 66
➢ Microconstituyentes en equilibrio formados durante la trasformación eutectoide
A 727ºC   (0,77% C)  Perlita [ (0,022%C) + Fe
3C (6,67 %C)]
Compuesto laminar, formado por láminas alternadas de ferrita y de cementita, que tiene
propiedades mecánicas intermedias entre las dos fases que las constituyen. Es más
blanda y más dúctil que la cementita, pero más dura y resistente que la ferrita.
6.1. ALEACIONES FÉRREAS
Tema 6: Materiales Metálicos

7. 77
6.1. ALEACIONES FÉRREAS
Tema 6: Materiales Metálicos
Acero eutectoide  %C = 0,77
Perlita: Ferrita () + Cementita (Fe
3C)

8. 88
Acero hipoeutectoide  %C < 0,77
Ferrita proeutectoide o primaria () +
perlita (+Fe
3C)
6.1. ALEACIONES FÉRREAS
0,38%C
Tema 6: Materiales Metálicos

9. 99
• Microestructura de un acero hipoeutectoide (% C < 0,77)
0,15% C 0,25% C 0,35% C 0,55% C
6.1. ALEACIONES FÉRREAS
Tema 6: Materiales Metálicos

10. 1010
6.1. ALEACIONES FÉRREAS
Acero hipereutectoide  %C > 0,77
Cementita proeutectoide o primaria (Fe
3C) +
perlita (+ Fe
3C)
1,4 %C
Tema 6: Materiales Metálicos

11. 11
6.1. ALEACIONES FÉRREAS
Tema 6: Materiales Metálicos
Resumen de las microestructuras de los aceros en función de su composición
1,2 %C0,4 %C

12. 1212
• Las propiedades del acero pueden controlarse modificando la composición:
6.1. ALEACIONES FÉRREAS
Tema 6: Materiales Metálicos
Resistencia (ksi) Porcentaje
Temperatura (ºC)
Resistencia a
la tracción
Esfuerzo de fluencia
Perlita (%)
Fe
3C (%)
% en peso de C
Resistencia, % de Fe
3C y % de
perlita frente al contenido de
carbono en aceros enfriados
lentamente

13. 1313
• Las propiedades del acero pueden controlarse modificando la composición:
6.1. ALEACIONES FÉRREAS
Tema 6: Materiales Metálicos

14. 1414
6.1.2. TRATAMIENTOS TÉRMICOS DE LOS ACEROS
Homogeneización/Austenización
Calentamiento a 850 ºC 
Austenita (monofásica, FCC)
Normalizado
Enfriamiento lento al aire 
Perlita fina (bifásica laminar +Fe
3C)
Recocido
Enfriamiento muy lento en horno 
Perlita gruesa (bifásica laminar +Fe
3C)
6.1. ALEACIONES FÉRREAS
Tema 6: Materiales Metálicos
Acero eutectoide
recocido
Acero eutectoide
normalizado

15. 1515
6.1. ALEACIONES FÉRREAS
Tema 6: Materiales Metálicos
Revenido:
Calentamiento moderado de la martensita a
250-650 ºC  Martensita revenida ( por
encima de 400º C  bifásica con +esferas
de Fe
3C)
Temple:
Enfriamiento muy rápido (en agua-hielo)
desde campo   Martensita
(monofásica, tetragonal)
✓La transformación martensítica ocurre en
estado sólido sin difusión.
✓ Fase metaestable.
Martensita
Solución sólida intersticial
sobresaturada en carbono de
estructura tetragonal centrada.
Extremadamente dura y frágil
al no poseer planos compactos
que puedan deslizar fácilmente.
Martensita a 500x
Martensita Revenida 500x

16. 1616
6.1. ALEACIONES FÉRREAS
Tema 6: Materiales Metálicos
•Para una misma composición se puede variar las propiedades en función de la
velocidad de enfriamiento:
↑ velocidad desde campo austenítico ⇒ ↑ resistencia, debido a que se reduce las distancia
que los átomos pueden difundir ⇒ láminas del eutectoide más finas

17. 1717
➢ La dureza de la martensita aumenta con
el contenido en carbono del acero.
➢ Aplicaciones de los aceros martensíticos:
usos que requieran altas durezas (corte,
abrasión).
6.1. ALEACIONES FÉRREAS
Tema 6: Materiales Metálicos
• Para ↑ %C el acero es extremadamente frágil
Solución
Revenido: calentamiento moderado para precipitar
parte del carbono retenido en la red saturada de
martensita ⇒ martensita revenida (- dureza y +
tenacidad que martensita)

18. 1818
6.1. ALEACIONES FÉRREAS
Tema 6: Materiales Metálicos
ACEROS AL CARBONO ACEROS BAJA ALEACIÓN ACEROS ALTA ALEACIÓN
FUNDICIONES
ACEROS
ACEROS AL CARBONO
ACEROS BAJA ALEACIÓN
Ordinario (sin otros
aleantes), puede tener
bajo, medio o alto
contenido en C.
Bajo contenido en
aleantes, puede tener
bajo, medio o alta
contenido en C.
Alto contenido en
aleantes: aceros
inoxidables, y aceros de
herramientas con alto
contenido en C.
ACEROS ALTA ALEACIÓN

19. 1919
6.1.3. ACEROS AL CARBONO
Cuando los únicos elementos de aleación son: C, Mn, Si , P y S.
C< 2% Mn <1% Si< 0,8% S <0,09% P<0,09
6.1. ALEACIONES FÉRREAS
Tema 6: Materiales Metálicos
Influencia de los aleantes en los
aceros:
C: Si  %C   ductilidad,
soldabilidad, tenacidad y
maquinabilidad
Si  %C   dureza, resistencia
mecánica, templabilidad, resistencia
al desgaste
Mn:  el límite elástico, resistencia,
templabilidad, la resistencia al
desgaste.
 ductilidad
Si: Desoxidante. Mejora la resistencia a
la corrosión.
S y P:  Ductilidad, resistencia al
impacto, soldabilidad

20. 2020
➢Aceros medios en C (0,25-0,6 % C)
Son más resistentes y menos dúctiles, se
emplean para ejes y engranajes.
➢ Aceros altos en C (0,6-1.4 % C)
Los aceros de alto contenido en C se
pueden utilizar cuando la R y los
requerimientos mecánicos no son
demasiado severos.
Su coste es bajo pero presentan las
siguientes limitaciones:
- Su σ
TS no puede ser superior a 690MPa
sin producir pérdidas significativas de
ductilidad y tenacidad.
- Poca resistencia a la corrosión y
oxidación.
6.1. ALEACIONES FÉRREAS
Tema 6: Materiales Metálicos
➢ Aceros bajos en C
La mayor parte del acero fabricado. Contiene menos del 0,25% en carbono, no responde al tratamiento
térmico para formar martensita y es endurecible por acritud.
Son relativamente blandos y poco resistentes, pero con extraordinaria ductilidad y tenacidad, además
son fácilmente mecanizables, soldables y presenta un bajo coste.
Se utilizan para fabricar carrocerías de automóviles, vigas y planchas para tubería, hojalata, etc.

21. 2121
6.1.4. ACEROS ALEADOS
Para superar las deficiencias de los aceros al C, se desarrollaron los aleados, que según los tipos de
aleantes pueden mejorar enormemente sus propiedades.
Principales aleantes: Mn, Ni, Cr, Mo y W.
Otros aleantes: V, Co, B, Cu, Al, Pb, Ti y Nb
⇒ Aceros aleados de alto límite elástico (baja aleación)
0.003-1.4wt.%C, 0.25-1wt.% Mn <5%wt. Elementos de aleación
⇒ Aceros fuertemente aleados
0.003-1.4wt.%C, 0.25-1wt.% Mn >5%wt. Elementos de aleación
• Aceros aleados de alto límite elástico
➢Aceros al C-Mn
Contenidos de Mn entre el 1 y 3 %.
Aumenta σ
y y Rm sin perder mucha ductilidad. Se obtienen aceros de grano fino. Tiende a formar MnS
con el S.
Empleado en ejes, engranajes.
6.1. ALEACIONES FÉRREAS
Tema 6: Materiales Metálicos

22. 2222
➢Aceros templados y revenidos- Aceros HTLA (aceros alta templabilidad y baja aleación)
<0.5wt.%C, 1.4-1.8 wt.%Mn <5wt.%elementos de aleación
Aceros con contenidos de Cr, Ni, Mo, V, Mn
Tiene una alta templabilidad, Propiedades resistentes↑↑, buena soldabilidad, resistencia a la
corrosión
Utilizados en recipientes a presión, ejes de automóviles, engranajes, pernos
➢ Aceros de fácil mecanización
Contenidos entre el 0,1 y el 0,3 % de S o con 0,2 % de Pb
El azufre reacciona con el Mn dando sulfuros de manganeso
El plomo al ser insoluble permanece en forma de pequeñas partículas
➢ Aceros al molibdeno Mo (0,5 - 5 %)
Trabajo a elevadas temperaturas
Evita la rotura por fluencia y la grafitización
➢ Aceros al silicio Si (1 - 4,5 %)
Utilizados en industria eléctrica
Alta permeabilidad magnética
➢ Aceros microaleados – Aceros HSLA (aceros alta resistencia y baja aleación)
Son aceros con pequeñas adiciones de elementos: <0.2wt.%C, 1.4-1.8 wt.% Mn, <1wt.% otros
Al < 0,1 %, Ti, V, Nb < 0,7%,B aumenta la templabilidad (0,001% a 0,006%),Cu mejorar la
resistencia a la corrosión marina.
Elevado s
y (2-3 veces acero al carbono), s
UTS, buena resistencia a corrosión.
6.1. ALEACIONES FÉRREAS
Tema 6: Materiales Metálicos

23. 2323
• Aceros fuertemente aleados
Se clasifican de esta forma aquellos que tienen, más del 5% de cualquier elemento de aleación.
➢ Aceros al Níquel (usos criogénicos)  Ni entre 3 – 9 %
Alta tenacidad a bajas temperaturas hasta – 180ºC (usos criogénicos).
➢ Aceros rápidos
Contienen elementos que les confieren unas características adecuadas para su utilización: elevada
dureza y resistencia en caliente, tenacidad, resistencia choque térmico (Mecanizado alta
velocidad)
El Mo da resistencia trabajo en caliente
El W tiende a formar carburos que elevan la dureza y resistencia
El V afina el grano
➢ Aceros inoxidables (Cr > 12%)
>12 wt.% Cr: Resistencia a la corrosión en muchos ambientes, especialmente a la atmosférica.
Al oxidarse forman una capa de óxido de Cr protectora.
- La resistencia a la corrosión aumenta con adiciones de níquel y molibdeno.
- Elementos de aleación producen cambios en el diagrama Fe-C.
6.1. ALEACIONES FÉRREAS
Tema 6: Materiales Metálicos

24. 2424
6.1. ALEACIONES FÉRREAS
Tema 6: Materiales Metálicos
Austeníticos: AISI Serie 300 (Cr, Ni) y 200 (Cr, Ni, N) (16-20 % Cr y 7 – 13% Ni)
-Excelente comportamiento a corrosión. AISI 304 (Cr, Ni)y 316 (Cr, Ni y Mo)
-Muy tenaces, resistentes al impacto, buen comportamiento a bajas temperaturas, no
magnéticos, No endurecibles por T.T.
- Industria química, petroquímica, plataformas marinas, etc.
Ferríticos: AISI Serie 400 ( 14-25 % Cr)
- Buena resistencia a la corrosión (inferior a los austeníticos)
- No endurecibles por T.T., Magnéticos
Dúplex: AISI 2XXX (Cr (18-20wt%), Ni (4.5-6.5 wt%) y Mo)
- Estructura auteno-ferrítica, Buena combinación dureza-tenacidad
- Mejora resistencia a corrosión bajo tensión en ambientes de Cl-, por picadura
Martensíticos: AISI Serie 400 (12-18 % Cr y 0,1 – 1% C)
- Endurecibles por T.T. (alta resistencia)
- Buena resistencia a la corrosión
- cuchilleria, herramientas de corte, herramientas quirúrgicas, etc.
Los aceros inoxidables se clasifican en:
➢ Aceros inoxidables (Cr > 12%)

25. 2525
6.1. ALEACIONES FÉRREAS
Tema 6: Materiales Metálicos
0.4 %wt.C
Porcentaje en
peso de C
10xx sin aleantes (además de C y trazas de Mn): acero al carbono u ordinario
0.95 %wt.C
↑Resisntencia
↓ductilidad

26. 2626
6.1. ALEACIONES FÉRREAS
Tema 6: Materiales Metálicos
Alta resistencia
y alta ductilidad
(alta tenacidad)
Alta resistencia
y menor
ductilidad

27. 2727
6.1. ALEACIONES FÉRREAS
•Aleaciones férreas con un contenido en C de 2-4% y hasta un 3% de Si
6.2.4. FUNDICIONES
Tema 6: Materiales Metálicos
Características
➢Bajas T de fusión y
viscosidad
➢No forman capas
superficiales durante el
vertido
➢Baja contracción durante
la solidificación
➢Amplio rango de
propiedades
➢Bajas ductilidad y
resistencia al impacto
FUNDICIONES
Líquido
Austenita
 + Fe
3C

+ L
+ 
L + Fe
3C
727˚C
912˚C
0% 0.8% ~2%

+ Fe
3C
Fundiciones
Acero
al carbono
~4%

28. 28
➢Fe-Fe
3C  Diagrama metaestable
(línea continua)
➢Fe-C (Grafito)  Diagrama estable
(línea punteada)
Fe
3C  3 Fe (α) + C (grafito)

✓El Si desestabiliza al Fe
3C
favoreciendo la grafitización
✓La tendencia a la grafitización se
controla con la composición y la
velocidad de enfriamiento
6.1. ALEACIONES FÉRREAS
Tema 6: Materiales Metálicos
Porcentaje en peso de C
Temperatura, ºC
Presencia de Grafito. Laminar, Nodular,
Esferoidal

29. 29
6.1. ALEACIONES FÉRREAS
Tema 6: Materiales Metálicos
En teoría son aleaciones férreas de cualquier %C, con la condición de que la solidificación
se produzca por el diagrama estable (que aparezca grafito).
Es muy complicado que aparezca grafito con menos del 2 %C. Por tanto, tendrán una
composición entre el 2 y 6,67 %C. En la práctica la mayoría de las fundiciones contienen
entre el 2 y 4,5 %.
Las fundiciones funden a temperaturas entre los 1150ºC y los 1250ºC, mucho más bajas
que los aceros, se moldean con mayor facilidad.
En la solidificación presentan mucha menor contracción que los aceros, con lo que se
pueden obtener piezas con gran precisión de formas y medidas. Esta característica, unida
a las anteriores, hacen que el moldeo sea la técnica de conformación más adecuada.
Las fundiciones tienen peor resistencia a la tracción que los aceros y son más frágiles
(por el grafito), pero en cambio tienen unas excelentes propiedades en cuanto a
resistencia a compresión, resistencia al desgaste, buena respuesta a la fricción y a
vibraciones (amortiguamiento) y facilidad de mecanizado.

30. 3030
Tipos de fundiciones
Elemento F. gris F. blanca F. maleable
F. esferoidal
(dúctil)
Carbono 2,5-4,0 1,8-2,6 2,0-2,6 3,0-4,0
Silicio 1,0-3,0 0,5-1,9 1,1-1,6 1,8-2,8
Manganeso 0,25-1,0 0,25-0,8 0,2-1,0 0,1-1,0
Azufre 0,02-0,25 0,06-0,2 0,04-0,18 0,03 max
Fósforo 0,05-1,0 0,06-0,18 0,18 max 0,1 max
6.1. ALEACIONES FÉRREAS
Tema 6: Materiales Metálicos

31. 3131
6.1. ALEACIONES FÉRREAS
➢ Fundición gris:
COMPOSICIÓN: 2.5%<C> 4%; 1%< Si >3%
MICROESTRUCTURA: Matriz ferrita o perlita con
escamas de grafito
PROPIEDADES: Frágiles y poco resistentes a la
tracción. Alta resistencia y ductilidad a esfuerzos de
compresión. Amortiguamiento de vibraciones. Alta
resistencia al desgaste. Fácil fabricación y baratas.
APLICACIONES: Amortiguación de maquinaria que
vibre, bloque motor
Tema 6: Materiales Metálicos
➢ Fundición dúctil:
COMPOSICIÓN: 2.5%<C>4%; 1%<Si>3%;
pequeñas cantidades de Mg/Ce
MICROESTRUCTURA: Matriz ferrita o perlita con
esferoides de grafito
PROPIEDADES: Mayor resistencia y ductilidad
que las fundiciones grises. (500 MPa-20%). Aleadas
800MPa
APLICACIONES: Válvulas, cuerpos de bombas,
cigüeñales, pistones y otros componentes del
automóvil y maquinaria.
https://www.youtube.com/watch?v=xpEl7sV5RqE

32. 3232
6.1. ALEACIONES FÉRREAS
➢ Fundición maleable:
COMPOSICIÓN: Bajo contenido de C; Si < 1 %
Se obtiene por tratamiento térmico de la F. blanca.
MICROESTRUCTURA: Matriz ferrita o perlita grafito
en forma de rosetas
PROPIEDADES: Similares a la dúctil
APLICACIONES: tubos de dirección, engranajes de
transmisión, cajas de diferencial, …
Tema 6: Materiales Metálicos
➢ Fundición blanca:
COMPOSICIÓN: Bajo contenido de C; Si < 1 %
MICROESTRUCTURA: Matriz ferrita o perlita con
cementita (no grafito)
PROPIEDADES: Extremadamente dura y muy frágil.
No mecanizable.
APLICACIONES: Cilindros de trenes de laminación,
bolas de molinos

33. 3333
6.1. ALEACIONES FÉRREAS
Tema 6: Materiales Metálicos
➢ Fundición de grafito compacto:
3,1%<C>4%; 1,7%<Si>3%, Mg/Ce,Ti
- Forma de “gusano” con pequeña proporción de esferoides.
- ↑ esferoidización → ↑resistencia y ductilidad.
-Conductividad térmica y amortiguamiento de vibraciones (gris),
↑ resistente y ductilidad por no tener grafito interconectado.
-↑resistencia al choque térmico y ↓ menor oxidación a altas T
-Bloque de motor, colectores de escape, caja de cambios, discos de freno trenes alta
velocidad

34. 3434
6.1. ALEACIONES FÉRREAS
Tema 6: Materiales Metálicos
FUNDICIONES
Microestructuras que resultan de
distintos tratamientos térmicos
G
f  Escamas de grafito
G
r  Rosetas de grafito
G
n  Esferoides de grafito
P  Perlita
α  Ferrita
FUNDICIÓN BLANCAFUNDICIÓN MALEABLE FUNDICIÓN GRIS
FUNDICIÓN
ESFEROIDAL

35. 3535
6.1. ALEACIONES FÉRREAS
Tema 6: Materiales Metálicos
➢ Fundición gris ➢ Fundición dúctil ➢ Fundición blanca➢ Fundición maleable

36. 3636
6.1. ALEACIONES FÉRREAS
Tema 6: Materiales Metálicos