6.2. materiales metalicos de ciencia e ingenieria

de la 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. 3
6.2. ALEACIONES NO FÉRREAS
INTRODUCCIÓN
Tema 6: Materiales Metálicos
▪ALEACIONES FÉRREAS   consumo
–Propiedades mecánicas
–Facilidad de conformado
–Producción ~ económica
▪LIMITACIONES
–Densidades relativamente altas
–Conductividad eléctrica 
–Susceptibilidad a corrosión en medios
comunes
METALES Y ALEACIONES NO FERROSAS
ALEACIONES LIGERAS  Al, Mg, Ti, Be..
ALEACIONES base Cu, Ni...
Materiales refractarios
Metales nobles

4. 4
6.2. ALEACIONES NO FÉRREAS
INTRODUCCIÓN
Tema 6: Materiales Metálicos
▪COMPOSICIÓN
–Metales puros  Al, Cu, Sn, Zn, Pb…
–Metales preciosos  Au, Ag, Pt, Rh, Ir, Os..
–Metales refractarios  Mo, W, Nb, Ta..
–Aleaciones  aleaciones ligeras base Al, Ti, Mg, superaleaciones base Ni,
aleaciones base Cu (latones  Cu-Zn, bronces Cu-Sn…),...
CLASIFICACIÓN
▪DENSIDAD
–Metales pesados (densidad > 5 g/cm
3
) Cu, Sn, Zn, Pb, Ni, Cr, Co, W…
–Metales ligeros (densidad 2-5 g/cm
3
)  Al y Ti
–Metales ultraligeros (densidad < 2 g/cm
3
)  Mg y Be

5. 5
Las aleaciones no férreas tienen diferencias enormes con las férreas.
• Puntos de fusión muy diferentes:
Tª ambiente para el Ga
3000ºC para W
• Resistencia a la tracción:
69 MPa para Pb
1240 MPa para Ni…
• Densidad, costo…
• Relación de la resistencia del material con su peso  R. mecánica específica =
6.2. ALEACIONES NO FÉRREAS
INTRODUCCIÓN
Tema 6: Materiales Metálicos
Resistencia mecánica
DensidadMetal
Densidad
(g/cm
3
)
Resistencia
tracción
(MPa)
Resistencia
específica
(MPa / g/cm
3
)
Coste
($/kg)
Aluminio
Berilio
Cobre
Plomo
Magnesio
Niquel
Titanio
Wolframio
Zinc
Hierro
2.70
1.85
8.93
11.36
1.74
8.90
4.50
19.25
7.13
7.87
575
380
1035
69
380
1240
1105
1035
520
1380
213
205
116
6
218
139
245
54
73
175
1.32
660
2.40
0.77
3.10
9.00
12.10
22.00
1.20
0.22
Metal
Densidad
(g/cm
3
)
Resistencia
tracción
(MPa)
Resistencia
específica
(MPa / g/cm
3
)
Coste
($/kg)
Aluminio
Berilio
Cobre
Plomo
Magnesio
Niquel
Titanio
Wolframio
Zinc
Hierro
2.70
1.85
8.93
11.36
1.74
8.90
4.50
19.25
7.13
7.87
575
380
1035
69
380
1240
1105
1035
520
1380
213
205
116
6
218
139
245
54
73
175
1.32
660
2.40
0.77
3.10
9.00
12.10
22.00
1.20
0.22

6. 6Tema 6: Materiales Metálicos
6.2.1.1. Aleaciones de Aluminio
➢ Muy abundante en la Tierra
➢ Aplicaciones:
- botes de bebida
- aplicaciones domésticas
- equipos para procesos químicos
- equipos de transmisión de energía eléctrica
- componentes automotrices
- partes y ensamblajes aerospaciales
➢ Se suele utilizar cuando las aplicaciones requieren bajo peso (aunque sus
propiedades a la tracción son bajas comparadas con el acero, al ser su densidad
baja, 2,7g/cm
3
, su resistencia específica es muy alta)
➢ Responde muy bien al endurecimiento por envejecimiento, SS, acritud.
➢ Alta conductividad eléctrica y térmica, no magnético
➢ Alta resistencia a la corrosión, formación de capa de Al
2O
3
➢
Mal comportamiento a alta T (↓T fusión 660 ºC)
➢Principales aleantes: Cu, Mg, Si, Mn y Zn.
6.2.1. ALEACIONES LIGERAS. Aleaciones de Aluminio
Towel Ra il (Turk ey )

7. 7
• Sistema de clasificación
Tema 6: Materiales Metálicos
6.2.1. ALEACIONES LIGERAS. Aleaciones de Aluminio

8. 8
Designación de las aleaciones de aluminio
➢ 1 letra + 3-4 dígitos + 1 letra + 1-3 cifras
1 letra: A = aleación de aluminio+ 4 dígitos = composición, principales aleantes e, incluso, pureza (3 dígitos=
aleación moldeada)+ 1 letra + 1-3 cifras = tratamiento térmico/mecánico aplicado
F: sin tratamiento, O: recocida (a la menor velocidad posible), H: trabajada en frío (porcentaje de trabajado,
condiciones)
T: endurecida por envejecimiento (condiciones)
Tema 6: Materiales Metálicos
6.2.1. ALEACIONES LIGERAS. Aleaciones de Aluminio
Las aleaciones de aluminio se clasifican en
-Aleaciones de forja
Se obtienen mediante tratamiento mecánico
(para darles forma final) de lingotes. Se
nombran con 4 números para, que
representan la composición, aleantes e
incluso pureza:
Ej. 1xxx aluminio casi puro
2xxx Aluminio con Cobre (serie 2000) .
6xxx. Aluminio con Magnesio y Silicio.
Aleaciones de moldeo:
Se vierte el metal líquido en el molde, que
tiene la forma final.
Se designan con 3 números

9. 9
Una aleación de aluminio puede endurecer por tratamiento térmico si  uno o más de sus aleantes
disminuyen su solubilidad cuando disminuye la temperatura.
Pasos del Tratamiento Térmico:
1) Solubilización a una T suficientemente alta dentro de la región α
Al
2) Enfriamiento rápido (temple) para obtener una solución sólida sobresaturada (SS) del aleante en
Al  α
Al-ss
3) Calentamiento a una T y t determinados para obtener la descomposición controlada de α
Al-ss
Endurecimiento por precipitación o Envejecimiento
Proceso de endurecimiento por precipitación (envejecimiento)
Tema 6: Materiales Metálicos
6.2.1. ALEACIONES LIGERAS. Aleaciones de Aluminio

10. 10Tema 6: Materiales Metálicos
6.2.1. ALEACIONES LIGERAS. Aleaciones de Aluminio
La resistencia máxima corresponde a un tamaño y distribución óptima de los
precipitados. Asociada con la formación de uno o varios precipitados
metaestables intermedios.
Si el envejecimiento continúa, evolución hasta la fase de equilibrio. Menor
deformación de red de la matriz y el aumento de la distancia entre precipitados.
↓dureza y resistencia. “sobreenvejecimiento”.
Efecto del envejecimiento en el endurecimiento: Curvas de envejecimiento

11. 11
Secuencia de precipitación
Solución sólida α → zonas GP → θ” → θ’ → θ
(Al
2Cu)
Zonas GP  zonas ricas en Cu apilados en los
planos {100}
Al
θ”  placas coherentes con los planos {100}
Al
θ’  semicoherente, nuclea heterogéneamente
en las dislocaciones
θ (Al
2Cu)  incoherente, Tetragonal centrada,
nuclea en la matriz o a partir de θ’
Tema 6: Materiales Metálicos
6.2.1. ALEACIONES LIGERAS. Aleaciones de Aluminio
Aleaciones Al-Cu (serie 2xxx).
Precipitado final β Mg
2Si.
Secuencia de precipitación: α
0 → α
1 + zonas G.P. → α
2 + β’’ → α
3 + β’ → α
3 + β
La precipitación de la fase de equilibrio no es directa. La secuencia de precipitación :

Aleaciones Al-Mg-Si (serie 6xxx).

12. 12Tema 6: Materiales Metálicos
6.2.1. ALEACIONES LIGERAS. Aleaciones de Aluminio
Representación esquemática de las etapas de formación de precipitados de fase θ. a) solución sólida sobresatura α, b)
fase precipitada de transición (θ´´), c) fase de equilibrio (θ).
Aluminio Soluto Vacante
(a) Solución sólida con distribución aleatoria de los átomos de soluto. (b) Agrupación (cluster) de átomos de soluto, coherente
con la matriz desde el punto de vista cristalográfico. (c) Fase metaestable intermedia. (d) Precipitado final incoherente.
(b) (a)
(c)
(d)

13. 13Tema 6: Materiales Metálicos
6.2.1. ALEACIONES LIGERAS. Aleaciones de Aluminio

Resistencia frente a tiempo de envejecimiento una
aleación Al-Mg-Si envejecidas a diferentes temperaturas.
Efecto de la temperatura y del tiempo de envejecimiento
Dureza frente a tiempo de envejecimiento para
aleaciones Al-Cu de distintas composiciones en Cu
envejecidas a: a) 130 ºC y b) 190 ºC.

14. 14
Aleaciones Al-Cu. Microestructura
4 nm
100
010
Precipitados de fase intermedia θ”.
Aleación comercial base Al-Cu (2219): 3h 190ºC
Precipitadosde faseθ´.
Aleación 2219; 150hs a 190ºC
Orientación cercana a [110]
Zonas GP
Tema 6: Materiales Metálicos
6.2.1. ALEACIONES LIGERAS. Aleaciones de Aluminio

15. 15
• Efecto de los mecanismos de endurecimiento
Tema 6: Materiales Metálicos
6.2.1. ALEACIONES LIGERAS. Aleaciones de Aluminio

16. 16
• Clasificación en función del tratamiento
Tema 7: Materiales Metálicos
6.2.1. ALEACIONES LIGERAS. Aleaciones de Aluminio

17. 17
• Propiedades mecánicas de las aleaciones de aluminio
Tema 6: Materiales Metálicos
6.2.1. ALEACIONES LIGERAS. Aleaciones de Aluminio

18. 18Tema 6: Materiales Metálicos
6.2.1. ALEACIONES LIGERAS. Aleaciones de Aluminio
18
A380
B787

19. 19
6.2.1.2. Aleaciones de magnesio
• Más ligero que el Al, ρ = 1,74 g/cm
3
• Resistencia < que las de Al, pero su resistencia específica es comparable
• ↓ Módulo de elasticidad (45 GPa), ↓ Resistencia a fatiga, a fluencia y a desgaste
• Baja respuesta a los mecanismos de endurecimiento (HCP). Las aleaciones se pueden envejecer,
menos estudiadas que Al.
• Bajo puntos de fusión (650ºC). Elevada dilatación térmica. Temperatura de ignición (430ºC)
• Mal comportamiento frente a corrosión. Se forma sobre ellas una película protectora de MgO que
mejora la resistencia a la corrosión. Impurezas de Fe, Ni, Co y Cu aceleran su corrosión.
Tema 6: Materiales Metálicos
6.2.1. ALEACIONES LIGERAS. Aleaciones de magnesio
WE54 5%Y, 4 RE, 0,5Zr 300 MPa (300ºC)
Designación: ASTM
▪ 2 números: Contenido en peso de cada elemento.
▪ Letra mayúscula final→ variante
▪ Término que indica el tipo de trabajo o tratamiento térmico.
AZ63-T4: Aleación de magnesio con valores de aluminio y zinc
próximos al 6% y 3% respectivamente, con tratamiento
térmico de solución-maduración natural.

20. 20
6.2.1.2. Aleaciones de magnesio
Tema 6: Materiales Metálicos
6.2.1. ALEACIONES LIGERAS. Aleaciones de magnesio
AZ63, EZ33, HK31, HZ32, WE43, ZE41, ZE63
- Ruedas aterrizaje
- Techos cabina
- Estructura de parabrisas
- Cajas de engranajes
Satélites: AZ31, AZ61,
Cohetes espaciales: EZ33
Aeronaútica
Automoción
Aeroespacial
✓ Aplicaciones: aeroespaciales, maquinaria de alta velocidad, equipos de
transporte…
Secuencia de precipitación:
SS→zonas GP→MgZn
2 (coherente)
→MgZn
2(semi)→ MgZn
2 (incoherente)

21. 21
6.2.1.2. Aleaciones de magnesio
6.2.1. ALEACIONES LIGERAS. Aleaciones de magnesio

22. 22
6.2.1.3. Aleaciones de titanio
Tema 7: Materiales Metálicos
6.2.1. ALEACIONES LIGERAS. Aleaciones de Titanio
• Excelente resistencia a la corrosión (película de TiO
2)
• Alta resistencia específica
• Buenas propiedades a alta temperatura (Tf 1668ºC)
• Resistencia hasta 1400 MPa y densidad de 4,505 g/cm
3
⇒ excelentes propiedades
mecánicas específicas
• Aplicaciones: equipos de procesamiento químico, componentes marinos, implantes
biomédicos, aplicaciones aerospaciales (bastidor aéreo, motor de un turborreactor…)
• Alotrópico: bajas Tª, HCP (), Tª> 882 ºC BCC ()
• Ti + Ni: aleaciones con memoria de forma
• Ti + Nb: compuesto intermetálico superconductor
• Ti + Al: aleaciones intermetálicas
• Los elementos aleantes le proporcionan
endurecimiento por solución sólida y cambian
su temperatura de transformación alotrópica:

23. 23
Porcentaje en peso de SnPorcentaje en peso de Al
Porcentaje en peso de Mo Porcentaje en peso de Mn
Tema 6: Materiales Metálicos
•Los elementos aleantes le proporcionan
endurecimiento por solución sólida y cambian su
temperatura de transformación alotrópica:
➢ Sn, Zr: Elementos neutros. endurecimiento
por ss, no varian T T alotrópica
➢ Al, O, H, N, C: α estabilizadores.↑ T α → β
% Al eq.
➢β estabilizadores: ↓T β → α. %Mo eq.
- Isomorfos: Mo, V, Nb, Ta, W, Re.
- Mn, Cr, Fe, Si: reacción eutectoide (↓Tª de
transformación α - β). R. lenta, (salvo Si):
Isomorfos
6.2.1. ALEACIONES LIGERAS. Aleaciones de Titanio

24. 24
6.2. ALEACIONES NO FÉRREAS


Tema 6: Materiales Metálicos

25. 25Tema 6: Materiales Metálicos
6.2.1. ALEACIONES LIGERAS. Aleaciones de Titanio
Grado 1 170
soldabilidad-usocriogénico-termofluencia
Resistencia y R. fatiga(Envejecimiento)
Resistencia, R. fatiga-termofluencia

26. 26Tema 7: Materiales Metálicos
6.2.1. ALEACIONES LIGERAS. Aleaciones de Titanio
Motores (turbina de gas): ventilador, LPC, 2/3 de HPC
Alabes ventilador
Ti-6Al-4V
Rotor de helicóptero
Ti-10V-2Fe-3Al
Ti-6Al-4V

27. 27
6.2.2.1. Superaleaciones (Aleaciones de Ni y Co)
Tema 6: Materiales Metálicos
6.2.2. OTRAS ALEACIONES NO FÉRREAS. Superaleaciones

o Monel: Ni + Cu (la máxima resistencia se
consigue para un 60%Ni). Los monel con Al y
Ti endurecen por envejecimiento mediante la
precipitación de la fase ’ (Ni
3Al o Ni
3Ti)
Superaleaciones o aleaciones de alto rendimiento: Excelente resistencia a la corrosión y
resistencia a temperaturas elevadas (Termofluencia). T>0,7-0,8Tf
• Contienen gran cantidad de elementos de aleación ⇒ alta resistencia a temperaturas elevadas
(termofluencia), buen comportamiento a fatiga, elevada tenacidad, resistencia a la oxidación/corrosión,
•Aplicaciones: turbinas de gas generación de energía y aeronáuticas (grandes requisitos de carga y
temperatura). Reactores nucleares, industria petroquímica, etc.
•Base Ni (T 1000ºC y ↑cargas ), Ni-Fe (T< 800ºC), Co (↓ cargas, resistencia a oxidación, fatiga
térmica).
• Los elementos de aleación deben producir una
microestructura resistente y estable a T.
Mecanismos de endurecimiento :
-Precipitación de  ´ (Ni
3Al o Ni
3Ti)
-Solución sólida (Cr, Al, Mo, W, Co, Fe, Ti).
Resistencia a la oxidación superficial
-Dispersión de carburos (TiC, BC, ZrC, TaC,
Cr
7C
3, Cr
23C
6, Mo
6C, W
6C)

28. 28Tema 6: Materiales Metálicos
6.2.2. OTRAS ALEACIONES NO FÉRREAS. Superaleaciones

Estabilidad a alta T (>100ºC)

29. 29
6.2.2. OTRAS ALEACIONES NO FÉRREAS. Superaleaciones

•Compresor:hasta550ºCy550MPa
•Cámaradecombustión:nosoportacargaselevadas;Tgas.1700ºC;conenfriamiento
poraire→1300ºC;Principalesfactoresafectandosuvidaenservicio:corrosiónyfatiga
térmica.
•Discosdelasturbinas:hasta750ºC,fuerzascentrífugasgenerandohasta500MPa;se
requierenelevadoslímiteelásticoyresistenciaafatiga.
•Álabedelaturbina:Elevadascargasyelevadatemperatura(1200ºC);requiereelevado
límiteelásticoyelevadaresistenciaatermofluenciajuntoconbuenaresistenciaala
fatigayalacorrosión.
Requerimientosespecíficosenuna turbina

30. 30
6.2.2. OTRAS ALEACIONES NO FÉRREAS. Superaleaciones

First wrought superalloys-1940
Introduction of
optimized casting
methods
Directional solidification
to avoid transversal grain
boundaries
Single crystalsto fully
eliminate grain
boundaries→
improvement in creep and
fatigue performance
206MPa and 982
º
C

31. 31
• W, Mo, Ta, Nb, temperaturas de fusión excepcionalmente altas (>1927
ºC) ⇒ buenos para servir a altas temperaturas
• Aplicaciones: filamentos para iluminación, toberas para cohetes,
generadores de energía nuclear, condensadores eléctricos, equipos para
procesos químicos.
• Tienen alta densidad ⇒ ↓resistencia específica
6.2.2.2. Aleaciones refractarias
Tema 6: Materiales Metálicos
6.2.2. OTRAS ALEACIONES NO FÉRREAS. Aleaciones refractarias
• Oxidación. Comienzan a oxidarse entre 200 y 425 ºC, contaminándose y fragilizándose ⇒
protegerlos (mediante atmósferas de vacío, recubriéndolos)
• Conformado. Poseen temperatura de transición dúctil-frágil: Nb y Ta (temperatura de transición
es < Tª ambiente) se pueden conformar fácilmente. Mo y W (temperatura de transición es > Tª
ambiente) frágiles, pero trabajados en caliente mejoran sus características de conformado.
• Aleaciones. Mediante aleación se mejoran las propiedades mecánicas hasta altas temperaturas.
W + Hafnio, W + renio…

32. 32
6.2.2.3. Aleaciones de cobre
• Densidad de 8,93 g/cm
3
 Más pesadas que el Fe
• Resistencia a la tracción 210 MPa  Resistencia específica < Al y Mg
• Excelente ductilidad, resistencia a la corrosión y conductividad térmica y eléctrica
• Fácil de soldar y fabricar en formas útiles
•Sus propiedades mecánicas aumentan a baja temperatura  Material criogénico
• Aplicaciones: cables, bombas, válvulas, componentes de fontanería, decorativo (varía el color
aleándolo…)
6.2.2. OTRAS ALEACIONES NO FÉRREAS. Aleaciones de cobre

Tema 6: Materiales Metálicos
Es el mejor conductor (después de la plata)
Con concentración de impurezas < 1% 
aplicaciones eléctricas
Pequeñas concentraciones de Cd, Ag y Al
2O
3
mejoran su dureza sin disminuir significativamente
la conductividad
Conductividad eléctrica
T (ºC) Conductividad térmica (cal/cm s ºC)
100 0,92
25 0,93
-100 1,04
-200 1,36
Conductividad térmica

33. 33Tema 6: Materiales Metálicos
Latón
Aleación Cu-Zn (entre 5 y
40%).
Endurece por solución
sólida. Las propiedades
mecánicas aumentan al
aumentar el contenido
en Zn
➢Alta ductilidad
➢Suficiente resistencia
➢Buena resistencia a la
corrosión
➢Soldabilidad
➢Conductividad térmica
6.2.2. OTRAS ALEACIONES NO FÉRREAS. Aleaciones de cobre

34. 34Tema 6: Materiales Metálicos
Bronce
Aleación Cu-Sn (hasta 10%)  1ª aleación usada por el hombre
Casquillos, cojinetes, campanas y cierres marinos que necesitan resistir el
ataque severo de H
2O de mar
Bronces de Al ⇒ buen conformado y excelente resistencia y tenacidad.
Excelente resistencia a la corrosión  capa pasiva de Al
2O
3
Alta R a la fatiga
Cojinetes, engranajes, asientos de válvulas, etc
Color  usos decorativos  sustituto del Au en imitaciones de joyería
Bronces de Ni ⇒condensadores, intercambiadores de calor, tuberías agua
salada, etc
Aleaciones endurecibles envejecimiento
Cu-Zr, Cu-Cr, Cu-Be
Las aleaciones Cu-Be ( 1-3%) además de tener una alta resistencia y rigidez,
no producen chispa (interesantes para herramientas cerca de gases, fluidos
inflamables…) Ej, Rodamientos tren de aterrizaje
6.2.2. OTRAS ALEACIONES NO FÉRREAS. Aleaciones de cobre

35. 35Tema 6: Materiales Metálicos
6.2.2. OTRAS ALEACIONES NO FÉRREAS. Aleaciones de cobre

Latón de
cartuchería

36. 36
6.2.2.4. Metales nobles
ELEMENTOS: Ag, Au, Pt, Pd, Rh, Ru, Ir y Os.
PROPIEDADES: Alta resistencia a la oxidación y corrosión (nobles)
Alta ductilidad
Elevada resistencia térmica
LIMITACIONES: Elevado precio (metales preciosos)
APLICACIONES: Au, Ag y Pt  Joyería
Aleaciones de Ag-Au  Reparación dental
Electrónica
Au  Contactos eléctricos de circuitos impresos
Pt  Catalizadores
Termopares de medida de alta temperatura
Crisoles
Ag-Cu-Zn  soldadura fuerte
Rh  Alta resistencia a la corrosión → aleante de Ag y W
Tema 6: Materiales Metálicos
6.2.2. OTRAS ALEACIONES NO FÉRREAS. Aleaciones refractarias

37. 37
6.2.2.5. Otros metales
Tema 6: Materiales Metálicos
6.2.2. OTRAS ALEACIONES NO FÉRREAS. Otros metales
• Plomo: - ↑Densidad (11,3 g/cm
3
), ↓Resistencia mecánica, ↑Maleabilidad,-
↓Punto fusión, ↓Conductividad eléctrica, toxicidad
Aplicaciones: acumuladores eléctricos (baterías), Aleaciones: Pb-Sn y Pb-Sb que
forman eutécticos → soldadura
• Estaño: ↑Densidad (7,29 g/cm
3
), - ↑Resistencia a la corrosión, ↓Punto fusión
Aplicaciones: recubrimiento para otros metales (acero contra corrosión,
hojalata), Aleaciones de bajo punto de fusión → soldadura
• Zinc: ↓Resistencia mecánica, ↓Resistencia a la corrosión, ↓Punto fusión
Aplicaciones: recubrimiento del acero, galvanizado
Aleaciones: Zn-(4-5%)Al, fácil de fundir y barato: piezas de coche, candados, vallas,
tornillos