preguntas de repaso 4,5,6.docx

Preguntas de repaso capítulo 4 4.1 Describa la diferencia entre un soluto y un solvente. Dos términos son fundamentales para describir las aleaciones: soluto y solvente. El soluto es el elemento menor (como la sal o el azúcar) que se agrega al solvente, el cual es el elemento base (como el agua).

4.2 ¿Qué es una solución sólida? En términos de los elementos comprendidos en la estructura cristalina, el soluto (compuesto por átomos de soluto ) es el elemento que se agregar solvente (compuesto por los átomos base). Cuando la estructura cristalina particular del solvente se mantiene durante la aleación, a ésta se le llama solución sólida.

4.3 ¿Cuáles son las condiciones substitucionales e (b) intersticiales?

para

obtener

soluciones

sólidas

(a)

Soluciones sólidas substitucionales:  1. Los dos metales deben tener estructuras cristalinas similares. 2. La diferencia de sus radios atómicos debe ser menor a 15%. Soluciones sólidas intersticiales: 1. El átomo solvente debe tener más de una valencia. 2. El radio atómico del átomo de soluto debe ser menor que 59% del radio atómico del átomo solvente.

4.4 ¿Cuál es la diferencia entre un sistema de una sola fase y uno de dos fases? Sistema de dos fases: Una solución sólida es aquella en la cual dos o más elementos en estado sólido forman una

sola fase sólida homogénea cuyos elementos se distribuyen de manera uniforme porto da la masa sólida. Este tipo de sistemas está limitado por una concentración máxima de átomos de soluto en la red de átomos solventes, al igual que existe un límite de solubilidad del azúcar en el agua. La mayoría de las aleaciones consta en dos o más fases sólidas y se les puede considerar mezclas mezclas mecánicas. A estos sistemas con dos fases sólidas se les conoce como sistemas de dos fases. Sistema de una sola fase:   Una fase se define como una porción físicamente distinta y homogénea en un material; cada fase es una parte homogénea homogénea de la masa total y tiene tiene sus propias características y propiedades.

4.5 Explique qué significa “partícula de segunda fase”. Considérese una mezcla de arena y agua como ejemplo de un sistema de dos fases: ambos componentes tienen sus  propias estructuras, características y propiedades, por lo que existe un límite claro entre el agua (una fase) y las  partículas de arena (una segunda fase).

4.6 Describa las características de un diagrama de fases. Un diagrama de fases, también llamado diagrama de equilibrio o constitucional, muestra las relaciones entre la temperatura, la composición y las fases presentes en un sistema de aleación particular en condiciones de equilibro.

4.7 ¿Qué indican los términos “equilibrio” y “constitucional”, aplicados a los diagramas de fase?  Equilibrio significa que un sistema permanece constante por un periodo indefinido. La palabra constitucional indica

las relaciones entre la estructura, la composición y la integración física de la aleación.

4.8 ¿Cuál es la diferencia entre “eutéctico” y “eutectoide”? Eutécticas, como los hierros fundidos; eutectoides, como los aceros.

4.9 ¿Qué es el revenido? ¿Por qué se hace? Revenido. Si los aceros se endurecen mediante tratamiento térmico, entonces se utiliza el revenido para reducir la

fragilidad y los esfuerzos residuales y aumentar la ductilidad y la tenacidad.

4.10 Explique lo que significa “severidad al temple”. El fluido utilizado para templar la aleación calentada también tiene un efecto en la templabilidad. Por lo común, el temple se puede efectuar en agua, salmuera (agua salada), aceites, sales fundidas o aire. También se utilizan soluciones cáusticas, soluciones poliméricas y gases. Debido a las diferencias de conductividades

térmicas, calores específicos y calores de vaporización de estos medios, también es diferente la velocidad de enfriamiento de la aleación ( severidad al temple).

4.11 ¿Qué son los precipitados? ¿Por qué son importantes para el endurecimiento por precipitación? Este tratamiento térmico es una técnica en la que pequeñas partículas (de una fase diferente y llamados precipitados) se dispersan de manera uniforme en la matriz de la fase original en este proceso, el precipitado se forma porque se excede la solubilidad solidad en un elemento (un componente de la aleación) en el otro.

4.12 ¿Cuál es la diferencia entre el envejecimiento natural y el artificial? Si se efectúa por encima de la temperatura ambiente, al proceso se le llama envejecimiento artificial. Sin embargo, varias aleaciones de aluminio se endurecen y se vuelven más fuertes a través del tiempo a la temperatura ambiente; a este proceso se le llama envejecimiento natural.

4.13 Describa las características de la ferrita, la austenita y la cementita. Ferrita. La ferrita alfa, o simplemente ferrita, es una solución sólida de hierro cúbico centrado en el cuerpo; tiene

una máxima solubilidad sólida de 0.022% de C a una temperatura de 727 °C (1341 °F). La ferrita delta es estable sólo a temperaturas muy altas y no tiene importancia práctica en la ingeniería. Al igual que existe un límite de solubilidad para la sal en el agua (cualquier cantidad adicional se precipita en el fondo del recipiente como sal sólida), hay un límite de solubilidad sólida para el carbono en el hierro. La ferrita es relativamente suave y dúctil; es magnética desde la temperatura ambiente hasta 768 °C (1414 °F), la temperatura de Curie (llamada así en honor de M. Curie, 1867-1934). Austenita. Como se muestra en la figura 4.8, dentro de cierto margen de temperatura, el hierro sufre una transformación polimórfica de la estructura bcc a una estructura fcc para convertirse en hierro gama o (más comúnmente) austenita (bautizada así en honor de W. R. Austen, 1843-1902). Ésta tiene una solubilidad sólida de

hasta 2.11% de Ca 1148 °C (2098 °F). Debido a que la estructura fcc tiene más posiciones intersticiales, la solubilidad sólida de la austenita es casi dos órdenes de magnitud mayor que la de la ferrita, ocupando el carbono las posiciones intersticiales (fig. 4.9a). Cementita. El extremo derecho de la figura 4.8 representa la cementita, que es 100% de carburo de hierro (Fe 3C) y tiene un contenido de carbono de 6.67%. La cementita (del latín caementum, que significa “astilla de piedra”), también se llama carburo. No debe confundirse este carburo de hierro con otros carburos utilizados como matrices,

herramientas de corte y abrasivos (como el carburo de tungsteno, de titanio y de silicio, descritos en los capítulos 8 y 22). La cementita es un compuesto intermetálico muy duro y frágil que tiene una influencia significativa en las  propiedades de los aceros. Puede incluir otros elementos de aleación, como cromo, molibdeno y manganeso.

4.14 ¿Cuál es el propósito del recocido? es un término general utilizado para describir la restauración de una aleación trabajada en frío o tratada térmicamente en sus propiedades originales. Por ejemplo, el recocido se puede utilizar para aumentar la ductilidad (y de ahí su formalidad) y reducir la dureza y la resistencia, o para modificar su microestructura. El proceso de recocido también se utiliza para relevar esfuerzos residuales en una parte manufacturada, así como para mejorar la maquinabilidad y la estabilidad dimensional. El término recocido también se aplica al tratamiento térmico de vidrios y productos similares, fundiciones y piezas soldadas. Recocido

Preguntas de repaso capítulo 5 5.1 ¿Cuáles son las categorías más importantes de las aleaciones ferrosas? • Lámina de acero para automóviles, artículos domésticos y contenedores. • Placas para calderas, embarcaciones y pu entes. • Miembros estructurales como vigas I, varillas, ejes, cigüeñales y rieles para ferrocarril. • Engranes, herramientas, matrices y moldes. • Alambre musical. • Sujetadores, como pernos, remaches y tuercas.

5.2 Liste las materias primas básicas utilizadas para fabricar hierro y acero, y explique sus funciones. Los tres materiales básicos que se utilizan en la fabricación de hierro y acero son el mineral de hierro, la piedra caliza y el coque. Los principales minerales de hierro son la taconita (una roca negra similar al sílex), la hemetita (un mineral de óxido de hierro) y la limonita (un óxido de hierro que contiene agua). Una vez que se extrae de la mina, el mineral se tritura en finas partículas, se le retiran las impurezas por diversos medios (como la separación magnética) y se le da forma de pellets, bolas o briquetas, mediante agua y diferentes aglutinantes. Los pellets son aproximadamente 65% hierro puro y tienen un diámetro de unos 25 mm (1 pulgada). Al mineral de hierro concentrado se le conoce como beneficiado (al igual que otros minerales concentrados). Algunos minerales ricos en hierro se utilizan directamente, sin aglutinar. El coque se obtiene de grados especiales de carbón bituminoso (un carbón suave rico en hidrocarburos volátiles y en materia alquitranada), que se calienta en hornos verticales a temperaturas de hasta 1150 °C (2100 °F) y después se enfrían con agua en torres de enfriamiento. Tiene varias funciones en la fabricación del acero, incluyendo (a) generar el nivel de calor requerido para que ocurran las reacciones químicas necesarias en la  producción del hierro, y (b) producir el monóxido de carbono (un gas reductor, lo que significa que retira oxígeno) que se utiliza así para reducir el óxido de hierro a hierro. Los productos químicos derivados del coque se emplean  para elaborar plásticos y compuestos químicos. Los gases emitidos durante la conversión del carbón en coque se utilizan como combustible en las operaciones de la planta. La función de la piedra caliza (carbonato de calcio) es retirar impurezas del hierro fundido, pues reacciona químicamente con ellas y actúa como fundente (esto es, fluye como un fluido), lo cual hace que se fundan a baja temperatura. La piedra caliza se combina con las impurezas y forma una escoria (ligera), que flota sobre el metal fundido y se retira después. También se utiliza como fundente la dolomita (un mineral de carbonato de magnesio y calcio). La escoria se utiliza en la fabricación de cemento, fertilizantes, vidrio, materiales de construcción, aislamiento de lana mineral y para relleno de caminos.

5.3 Liste los tipos de hornos más utilizados en el proceso de aceración y describa sus características. Las tres materias primas descritas antes se transportan hasta la parte superior de un alto horno (fig. 5.1) y se depositan dentro de él (a lo que se denomina cargar el horno). Éste es básicamente un gran cilindro de acero revestido con ladrillo refractario (resistente al calor); tiene la altura de un edificio de 10 pisos. El  principio de este horno se desarrolló en Europa central. El primer alto horno se construyó en Estados Unidos y comenzó a operar en 1621. La mezcla de carga se funde en una reacción a 1650 °C (3000 °F) con el aire precalentado a unos 1100 °C (2000 °F) e inyectado dentro del horno (de ahí el término “ horno de inyección” también utilizado para este reactor) mediante boquillas (llamadas toberas). Aunque pueden ocurrir muchas reacciones, la reacción básica es la del oxígeno con el carbono para producir monóxido de carbono, que a su vez reacciona con el óxido de hierro y lo reduce a hierro. Es necesario precalentar el aire de entrada porque el quemado exclusivo del coque no produce temperaturas lo suficientemente altas para que ocurran estas reacciones.

Horno eléctrico. (a) La fuente de calor de este horno es un arco eléctrico continuo que se forma entre los

electrodos y el metal cargado en el horno (figs. 5.2a y b). En este tipo de aparatos se generan temperaturas tan altas como 1925 °C (3500 °F). Horno de vacío. (b) También se puede fundir acero en hornos de inducción de los que se ha retirado el aire, similares al mostrado en la figura 5.2c. Debido a que el proceso retira las impurezas gaseosas del metal fundido, la fundición al vacío produce aceros de alta calidad. Convertidor básico de oxígeno. (c) El convertidor básico de oxígeno (BOF, por sus siglas en inglés) es el  proceso de fabricación de acero más rápido

5.4 Liste y explique las características de los tipos de lingotes de acero. 1. Acero calmado. Éste es un acero totalmente desoxidado; esto es, se retira el oxígeno eliminando así la  porosidad. En el proceso de desoxidación, el oxígeno disuelto en el metal fundido se hace reaccionar con elementos como aluminio, silicio, manganeso y vanadio, que deben agregarse al metal fundido. Estos elementos tienen afinidad con el oxígeno y forman óxidos metálicos. Si se utiliza aluminio, al producto se le llama acero calmado en aluminio (ver tabla 16.4). El término calmado se refiere a que el acero queda quieto después de colarse en el molde. Las inclusiones de óxido en el baño fundido (si son lo suficientemente grandes) flotan y se adhieren a (o se disuelven en) la escoria. Por lo tanto, un acero calmado por completo carece de cualquier porosidad provocada por gases; tampoco tiene sopladuras (agujeros esféricos grandes cerca de las superficies del lingote). En consecuencia, las propiedades químicas y mecánicas de un lingote de acero calmado son relativamente uniformes en toda la masa. Sin embargo, debido a la contracción durante la solidificación, un lingote de este tipo desarrolla un rechupe en la  parte superior (también denominada cavidad por contracción). Tiene la apariencia de un embudo y puede consumir un volumen sustancial del lingote, ya que debe cortarse y manejarse como chatarra.

El acero semicalmado es un acero parcialmente desoxidado . Contiene alguna porosidad (por lo general en la sección central superior del lingote), aunque muy poco, o ningún, rechupe. El resultado es que se reduce el desperdicio. Aunque el rechupe en el acero semicalmado es menor, esta ventaja se ve superada por la  presencia de porosidad en esa región. La producción de los aceros semicalmados es económica. 2. Acero semicalmado.

En un acero efervescente, que en general tiene un contenido bajo de carbono (menos de 0.15%), los gases desarrollados se calman (o controlan) parcialmente mediante la adición de otros elementos, como el aluminio. Los gases producen sopladuras a lo largo del anillo exterior del lingote, de aquí el término efervescente. Los aceros efervescentes tienen poco o ningún rechupe y poseen una superficie dúctil con un buen acabado superficial. Además, las impurezas y las inclusiones tienden a segregarse hacia el centro del lingote. Por lo tanto, los productos fabricados con este acero pueden resultar defectuosos y debe inspeccionarse. 3. Acero efervescente.

5.5 ¿Qué significa refinación? ¿Cómo se realiza? Refinación. Las propiedades y características de manufactura de las aleaciones ferrosas se ven afectadas

adversamente por la cantidad de impurezas, inclusiones y otros elementos presentes (ver sección 2.10). A la remoción de impurezas se le conoce como refinación. La mayor parte de la refinación se efectúa en hornos de fusión o en ollas por medio de la adición de diversos elementos. Existe una demanda creciente por aceros más limpios, que tienen mejores y más uniformes propiedades y una composición con mayor consistencia. La refinación es importante, sobre todo al producir aceros y aleaciones de alto grado para aplicaciones críticas y de alto desempeño, como los componentes para aeronaves. Además, los periodos de garantía de flechas, árboles de levas, cigüeñales para camiones a diésel y partes similares se pueden incrementar de modo significativo utilizando aceros de mayor calidad. Estos aceros se someten a una refinación secundaria en ollas ( metalurgia de olla) y a la refinación en ollas ( refinación por inyección), que por lo general consiste en fundir y procesar el acero en vacío.

Se han desarrollado varios procesos mediante atmósferas controladas (como la fusión por haz de electrones, la refusión por arco al vacío, la descarburación argón-oxígeno y la refusión de d oble electrodo por arco al vacío).

5.6 ¿Qué ventajas tiene la colada continua sobre la fundición en lingote? Las ineficiencias y los problemas implícitos en la fabricación tradicional de acero en lingotes se remedian mediante  procesos de colada continua, que producen metal de mejor calidad a costos reducidos.

5.7 Nombre los cuatro elementos de aleación que tienen el mayor efecto en las propiedades de los aceros. Azufre:

mejora la maquinabilidad cuando se combina con manganeso; reduce la resistencia al impacto y la ductilidad, además de dañar la calidad de la superficie y la soldabilidad. Boro: mejora la templabilidad con pérdida (o incluso con alguna mejora) en la maquinabilidad y la formalidad. Calcio: desoxida los aceros, mejora la tenacidad y puede mejorar la formalidad y la maquinabilidad. Carbono: mejora la templabilidad, resistencia, dureza y resistencia al desgaste; reduce la ductilidad, la soldabilidad y la tenacidad.

5.8 ¿Qué son los elementos residuales o traza? Durante la producción, refinación y el procesamiento del acero, suelen quedar algunos elementos residuales (trazas de elementos). Aunque los de la lista anterior también se pueden considerar residuales, por lo general los elementos residuales indeseables son los que se indican a continuación: Antimonio y arsénico: provocan fragilizarían por revenido. Estaño: provoca fragilizarían en caliente y por revenido. Hidrógeno: fragiliza severamente los aceros; sin embargo, el calentamiento durante el proceso expele la mayoría del hidrógeno. Nitrógeno: mejora la resistencia, dureza y maquinabilidad; en los aceros desoxidados con aluminio, controla el tamaño de las inclusiones, mejora la resistencia y la tenacidad y disminuye la ductilidad y la tenacidad. Oxígeno: aumenta ligeramente la resistencia de los aceros efervescentes; reduce de modo severo la tenacidad.

5.9 ¿Cuáles son los porcentajes de contenido de carbono de los aceros de bajo carbono, medio carbono y alto carbono? • Acero al bajo carbono, también llamado acero dulce, tiene menos de 0.30% de C. • Acero al medio carbono, tiene de 0.30% a 0.60% de C. • Acero al alto carbono, tiene más de 0.60% de C.

5.10 ¿Cómo se vuelve inoxidable el acero? los aceros inoxidables se fabrican mediante hornos eléctricos o por el proceso básico de oxígeno y se procesan mediante técnicas similares a las utilizadas en otros tipos de producción de acero.

5.11 ¿Cuáles son los principales elementos de aleación en los aceros para herramentales y matrices y en los aceros de alta velocidad? Además del cromo, otros elementos de aleación típicos de los aceros inoxidables son el níquel, molibdeno, cobre, titanio, silicio, manganeso, columbino, aluminio, nitrógeno y azufre.

5.12 ¿Cómo afecta el cromo las características de la superficie de los aceros inoxidables? A mayor contenido de carbono, menor será la resistencia a la corrosión de los aceros inoxidables, debido a que el carbono se combina con el cromo en el acero y forma carburo de cromo; la reducida disponibilidad de cromo reduce la pasividad del acero.

5.13 ¿Qué tipo de hornos se utilizan para refinar aceros? 5.14 ¿Qué es el acero de alta velocidad? Los aceros de alta velocidad (HSS, por sus siglas en inglés) son los aceros para herramentales y matrices con mayores aleaciones.

5.15 ¿De dónde proviene el término “hierro cochino”? El metal fundido en esta etapa se llama arrabio o hierro cochino, o simplemente metal caliente.

Preguntas de repaso capítulo 6 6.1 Dada la abundancia de aluminio en la corteza terrestre, explique por qué es más caro que el acero. Los metales y aleaciones no ferrosas tienen aplicaciones importantes debido a propiedades como la resistencia a la corrosión, alta conductividad térmica y eléctrica, baja densidad y f acilidad de fabricación.

6.2 ¿Por qué el magnesio se utiliza con frecuencia como material estructural en las herramientas manuales de potencia?, ¿Por qué se usan sus aleaciones en lugar de magnesio puro? 6.3 ¿Cuáles son los usos más importantes del cobre? Los fuselajes de los aviones, el alambre de cobre empleado en electricidad, la tubería de cobre para suministro de agua residencial.

6.4 ¿Qué son las superaleaciones? ¿Por qué se llaman así? Las superaleaciones son importantes en las aplicaciones de alta temperatura, de ahí que también se les conozca como aleaciones resistentes al calor o de alta temperatura. En general, las superaleaciones tienen buena resistencia a la corrosión, a la fatiga mecánica y térmica, al impacto mecánico y térmico, al termo fluencia y a la erosión a temperaturas elevadas.

6.5 ¿Qué propiedades del titanio lo hacen atractivo para usarlo en componentes de autos de carreras y en motores de propulsión? ¿Por qué no se utiliza ampliamente en motores de automóviles? Lo hace atractivo para muchas aplicaciones, como aeronaves, motores de propulsión, autos de carreras, palos de golf, componentes químicos, petroquímicos y marinos, cascos de submarinos, placas de blindaje y biomateriales, como implantes ortopédicos.

6.6 ¿Cuáles son las propiedades de cada uno de los principales metales refractarios que definen sus aplicaciones más útiles? 6.7 ¿Qué son los vidrios metálicos? ¿Por qué se utiliza la palabra “vidrio” para estos materiales? Las aleaciones metálicas que, a diferencia de los metales, no tienen una estructura cristalina de largo alcance se llaman aleaciones amorfas; no tienen límites de granos y los átomos se empacan apretadamente y al azar. La estructura amorfa se obtuvo a finales de la década de 1960 mediante la solidificación extremadamente rápida de la aleación fundida. Debido a que su estructura se parece a la de los vidrios, a estas aleaciones también se les llama vidrios metálicos .

6.8 ¿Cuál es la composición de (a) los babbitts, (b) el pewter, y (c) la plata Stirling? 6.9 ¿Qué materiales descritos en este capítulo tienen mayor (a) densidad, (b) conductividad eléctrica, (c) conductividad térmica, (d) resistencia y (e) costo?

6.10 ¿Cuáles son los usos más importantes del oro, distintos de la joyería? El oro (Au, de aurum) es blando y dúctil, además de tener buena resistencia a la corrosión a cualquier temperatura. Las aplicaciones típicas incluyen joyería, acuñado, reflectores, láminas para decoración, trabajo dental, electrodeposición, contactos y terminales eléctricas.

6.11 ¿Cuáles son las ventajas de usar el zinc como recubrimiento para el acero? En el galvanizado, el zinc sirve como ánodo y protege el acero (cátodo) de ataques corrosivos en caso de que el recubrimiento se raye o agujere.

6.12 ¿Qué son los nano materiales? Existen desarrollos importantes que comprenden la producción de materiales con granos, fibras, películas y compósitos que tienen partículas de 1 a 100 nm de tamaño.

6.13 ¿Por qué las cubiertas de los aviones se fabrican con aleaciones de aluminio, si el magnesio es el metal más ligero? 6.14 ¿Cuáles son los usos principales del plomo?