Guía del ingeniero sobre metales: Selección y aplicación

Acero al carbono y acero aleado

Acero al carbono

(1) Clasificación del acero al carbono

1) El acero al carbono puede clasificarse en dos tipos principales en función de su aplicación: acero estructural al carbono y acero para herramientas al carbono.

El acero estructural al carbono se utiliza para fabricar diversas estructuras de ingeniería y piezas de maquinaria. El acero al carbono utilizado para estructuras de ingeniería suele ser acero con bajo contenido en carbono, que presenta una excelente soldabilidad y, por lo general, no se trata térmicamente, sino que se utiliza en su estado laminado en caliente.

El acero al carbono para piezas de máquinas suele contener menos de 0,6% de carbono en peso y tiene buenas propiedades mecánicas, por lo que requiere tratamiento térmico antes de su uso.

El acero al carbono para herramientas se utiliza para fabricar diversas herramientas de corte, medición y moldes. Tiene un mayor contenido de carbono y, tras un tratamiento térmico adecuado, presenta una gran resistencia, dureza y resistencia al desgaste.

2) En función del contenido de carbono, el acero al carbono puede dividirse en tres categorías:

• Acero bajo en carbono: C<0.25%;
• Acero de medio carbono: C=0,25% a 0,60%;
• Acero de alto contenido en carbono: C>0.60%.

3) Según los distintos porcentajes de calidad de azufre (S) y fósforo (P), el acero al carbono puede clasificarse en cuatro grados:

• Acero ordinario: S≤0.050%, P≤0.045%;
• Acero de calidad: S≤0.035%, P≤0.035%;
• Acero de alta calidad: S≤0.020%, P≤0.030%;
• Acero de primera calidad: S≤0.015%, P≤0.025%.

4) Clasificación por método de fundición.

Según el tipo de horno utilizado para la fundición, el acero al carbono puede dividirse en acero de horno abierto, acero de convertidor y acero de horno eléctrico. En función del proceso de desoxidación durante la fundición, el acero al carbono también puede clasificarse en acero muerto, acero semimuerto, acero con borde y acero muerto especial.

Calidades, propiedades y aplicaciones del acero al carbono

1) Acero estructural al carbono general. También conocido como acero estructural al carbono, su grado se compone de la letra que representa el límite elástico (Q), el valor numérico del límite elástico, los símbolos del grado de calidad y los símbolos del método de desoxidación, en ese orden, como Q235AF. En la Tabla 1-5 se pueden encontrar ejemplos de los grados, composiciones químicas, propiedades mecánicas y aplicaciones del acero estructural al carbono en general.

2) Acero estructural al carbono de calidad. El grado del acero estructural al carbono de calidad se indica mediante dos dígitos, que representan el contenido medio de carbono del acero en porcentaje por diez milésimas.

Por ejemplo, el acero 45 indica un acero estructural al carbono de calidad con un contenido medio de carbono de 0,45%. En la Tabla 1-6 figuran ejemplos de calidades, composiciones químicas, propiedades mecánicas y aplicaciones del acero estructural al carbono de calidad.

Tabla 1-5: Calidades, composición química, propiedades mecánicas y ejemplos de aplicación del acero estructural al carbono general

Nota:

1. Símbolos de la tabla: A, B, C, D representan grados de calidad; F representa acero en ebullición; Z representa acero matado; TZ representa acero matado especial.

2. δ₅ indica que la longitud de calibre de la probeta de tracción es cinco veces su diámetro, es decir, L₀=5d₀.

Tabla 1-6: Calidades, composición química, propiedades mecánicas y ejemplos de aplicación del acero estructural al carbono de alta calidad

3) Aceros al carbono para herramientas.

Las calidades de los aceros al carbono para herramientas se indican con la letra T seguida de un número. La letra T significa acero al carbono para herramientas, mientras que el número indica el contenido medio de carbono del acero, expresado en milésimas.

Por ejemplo, T10 representa un acero al carbono para herramientas con un contenido medio de carbono de 1,0%. Los aceros al carbono para herramientas de alta calidad se designan con una "A" después del número de calidad, como T10A. Para más detalles sobre las calidades, composición química, propiedades mecánicas y aplicaciones de los aceros al carbono para herramientas, véase la Tabla 1-7.

Tabla 1-7: Calidades, composición química, propiedades mecánicas y aplicaciones de los aceros al carbono para herramientas

Acero aleado

El acero aleado, una forma avanzada de acero al carbono, se mejora mediante la adición de determinados elementos de aleación, mejorando así su utilidad y procesabilidad.

Entre los elementos de aleación que suelen añadirse figuran el manganeso, el silicio, el cromo, el níquel, el molibdeno, el wolframio, el vanadio, el titanio, el boro y los elementos de tierras raras. Estos elementos pueden mejorar las propiedades mecánicas generales, la templabilidad, la estabilidad térmica y la resistencia a la corrosión del acero.

(1) El papel de los elementos de aleación en el acero

1) Fortalecimiento por disolución sólida: La mayoría de los elementos de aleación pueden disolverse en la ferrita en diversos grados, lo que aumenta la resistencia y la dureza del acero al tiempo que reduce su plasticidad y tenacidad.

Algunos elementos de aleación, como el Mn, el Cr y el Ni, cuando se dosifican adecuadamente, no sólo pueden reforzar la ferrita, sino también aumentar la tenacidad del acero, dotándolo así de excelentes propiedades mecánicas generales.

2) Fortalecimiento de la fase secundaria: Cuando la afinidad del elemento de aleación con el carbono es mayor que la del hierro con el carbono, no sólo puede disolverse en la ferrita, sino también formar carburos de aleación y carburos. Todos estos componentes tienen una gran resistencia y estabilidad, por lo que mejoran la resistencia, la dureza y la resistencia al desgaste del acero.

3) Refuerzo del refinamiento del grano: Elementos como V, Ti, Nb, Zr que forman carburos fuertes y Al, que forma nitruros fuertes, pueden crear partículas estables de carburo y nitruro. Estas partículas inhiben el crecimiento de los granos de austenita y refinan los granos de ferrita. El acero de grano fino tiene propiedades mecánicas superiores, especialmente en lo que respecta a la mejora significativa de la tenacidad del acero.

4) Aumento de la templabilidad del acero: Excepto el Co, todos los elementos de aleación que se disuelven en la austenita pueden aumentar la estabilidad de la austenita sobreenfriada, desplazando la curva de transformación isotérmica hacia la derecha y reduciendo la velocidad crítica de enfriamiento del acero.

Por lo tanto, se puede conseguir una mayor profundidad de capa endurecida cuando se enfría en el mismo medio de temple, o cuando se desea la misma profundidad de capa endurecida, se puede utilizar un medio de temple con menor capacidad de enfriamiento para reducir la tensión de temple en la pieza, minimizando la deformación y el agrietamiento.

5) Mejora de la resistencia al revenido del acero: Los elementos de aleación influyen significativamente en el proceso de templado del acero.

En general, los elementos de aleación hacen que la martensita sea menos propensa a descomponerse durante el revenido, dificultan el crecimiento de carburos y aumentan la temperatura a la que se producen estas transformaciones. Esto ralentiza la reducción de dureza del acero a medida que aumenta la temperatura de revenido, aumentando así su resistencia al revenido.

6) Dotar al acero de ciertas propiedades especiales: Cuando se añade al acero una cierta cantidad de elementos de aleación específicos, la estructura y las propiedades del acero experimentan cambios únicos, dando lugar a aceros aleados con propiedades especiales, como el acero inoxidable, el acero resistente al calor y el acero resistente al desgaste.

(2) Tipos de acero aleado

Los aceros aleados pueden clasificarse en: aceros aleados estructurales, aceros aleados para herramientas y aceros de prestaciones especiales, en función de su uso. Según el contenido de elementos de aleación, el acero aleado puede clasificarse en acero de baja aleación (w_M<5%), acero de aleación media (w_M=5%~10%), y acero de alta aleación (w_M>10%).

(3) Designaciones, propiedades mecánicas y aplicaciones de los aceros aleados estructurales

El acero aleado estructural incluye el acero para estructuras de ingeniería y fabricación de maquinaria. Las denominaciones de los aceros aleados estructurales suelen estar compuestas por la fracción másica media del carbono (expresada en diezmilésimas) + símbolo del elemento de aleación + fracción másica del elemento de aleación (expresada en porcentajes), aunque hay excepciones.

En la Tabla 1-8 se pueden ver ejemplos de designaciones de aceros aleados estructurales de uso común, sus propiedades mecánicas y sus aplicaciones.

Tabla 1-8: Ejemplos de designaciones, propiedades mecánicas y aplicaciones de aceros aleados estructurales de uso común

1) Acero estructural de baja aleación y alta resistencia. Este tipo de acero se obtiene a partir de acero de bajo contenido en carbono con la adición de una pequeña cantidad de elementos de aleación (wM <5%). Generalmente utilizado en estructuras de ingeniería, mantiene una resistencia relativamente baja, pero posee una excelente plasticidad, tenacidad y soldabilidad. Es asequible y se suele utilizar laminado en caliente, aunque se somete a un tratamiento de normalización cuando es necesario para aumentar su resistencia.

El acero estructural de baja aleación y alta resistencia se utiliza principalmente en la fabricación de puentes, barcos, calderas, recipientes de alta presión, oleoductos y grandes estructuras de acero.

2) Acero aleado carburizado. El acero aleado carburizado se refiere al acero aleado utilizado después del tratamiento de carburación. Este tipo de acero tiene una menor fracción de masa de carbono (0,15%~0,25%) para garantizar que el núcleo de la pieza de trabajo tenga una alta resistencia y tenacidad, mientras que la superficie, después de la carburación y el revenido a baja temperatura, presenta una alta dureza (58~64HRC) y resistencia a la abrasión.

El acero aleado carburizado se utiliza principalmente en la fabricación de piezas que requieren una gran resistencia al desgaste y un soporte de carga dinámico, como los engranajes de las transmisiones de automóviles y tractores, los árboles de levas de los motores de combustión interna, etc. Los aceros aleados carburizados más utilizados son el 15Cr, 20Cr, 20CrMnTi y otros.

3) Acero aleado templado. Este tipo de acero suele tener un contenido de carbono de 0,25%~0,45%. Tras el temple y revenido a alta temperatura (revenido), desarrolla una estructura de sorbita revenida, proporcionando al acero una buena combinación de alta resistencia y tenacidad.

Se utiliza principalmente para fabricar piezas que soportan importantes cargas alternas y diversas tensiones complejas, como bielas, ejes de transmisión, husillos de máquinas herramienta, engranajes, levas, etc., en automóviles y tractores. Los aceros aleados templados más utilizados son el 40Cr, el 35CrMo, el 40CrNiMo y otros.

4) Acero aleado para muelles. El acero aleado para muelles se refiere al tipo de acero aleado utilizado en la fabricación de diversos muelles y componentes elásticos. Este tipo de acero suele tener una fracción másica de carbono de 0,50%-0,65% y contiene elementos de aleación como Mn, Si, Cr y V.

Tras el enfriamiento y el revenido a media temperatura, desarrolla una estructura troostita revenida, que presenta un límite elástico y un límite de elasticidad elevados. Los aceros aleados para muelles más utilizados son el 65Mn y el 50CrV, entre otros.

(4) Calidades, propiedades mecánicas y aplicaciones de los aceros aleados para herramientas

El acero aleado para herramientas, que incluye el acero para herramientas de corte, el acero para matrices y el acero para herramientas de medición, se forma añadiendo elementos de aleación al acero al carbono para herramientas. Las calidades del acero aleado para herramientas se componen generalmente de la fracción másica media de carbono en el acero (expresada en permilaje) + el símbolo del elemento de aleación + el contenido del elemento de aleación.

Si la fracción másica de carbono es superior a 1,0%, no se indica en el grado. Consulte la Tabla 1-9 para ver ejemplos de los grados, el estado del tratamiento térmico y las aplicaciones de los aceros aleados para herramientas de uso común.

1) Acero aleado para herramientas de corte. Los aceros aleados para herramientas de corte se utilizan para fabricar diversas herramientas de corte, como herramientas de torno, fresas, brocas, machos, matrices, etc. Los aceros aleados para herramientas de corte más utilizados son el acero de baja aleación para herramientas de corte y el acero rápido para herramientas.

El acero para herramientas de corte de baja aleación suele tener una fracción másica de carbono (w_C) de 0,75% a 1,45%. Su proceso de tratamiento térmico consiste en el temple y revenido a baja temperatura. La temperatura máxima de trabajo de este tipo de acero no supera los 300°C.

Sólo se utiliza para fabricar herramientas de corte de baja velocidad o herramientas con elevados requisitos de resistencia al desgaste, como cepillos, machos, matrices, brocas, etc. Los grados más comunes de acero de baja aleación para herramientas de corte incluyen 9SiCr, CrWMn, etc.

El acero rápido para herramientas es un tipo de acero de alta aleación y alto contenido en carbono, con una fracción másica de carbono (w_C) de 0,7% a 1,6%, y contiene una gran cantidad de W, Cr, Mo, V y otros elementos de aleación. El tratamiento térmico del acero rápido para herramientas consiste en un temple seguido de múltiples revenidos a alta temperatura, lo que da lugar a una estructura de martensita + carburo.

Tras un revenido normal, la dureza suele ser de 63~66HRC, lo que demuestra una buena resistencia al calor. Las herramientas fabricadas con acero para herramientas de alta velocidad siguen manteniendo una dureza elevada de unos 60HRC a una temperatura de corte de 600°C, por lo que son adecuadas para el corte de alta velocidad. Los grados comunes incluyen W18Cr4V, W6Cr5Mo4V2, y más.

Tabla 1-9: Ejemplos de calidades de aceros aleados para herramientas, condiciones de tratamiento térmico y aplicaciones comunes

2) Acero aleado para troqueles. Los aceros aleados para matrices se dividen en aceros para matrices en caliente y aceros para matrices en frío.

El acero para matrices en caliente se utiliza para fabricar diversas matrices de forja en caliente, matrices de extrusión en caliente y matrices de fundición a presión, etc., con una temperatura de la superficie de la cavidad superior a 600℃ durante el funcionamiento; el acero para matrices en frío se utiliza para fabricar diversas matrices de punzonado en frío, matrices de estampado en frío, matrices de extrusión en frío y matrices de trefilado, etc., con una temperatura de trabajo no superior a 300℃.

El acero para matrices en frío tiene una fracción másica de carbono w_c ≥1.0% y los elementos de aleación añadidos pueden reforzar la matriz, formar carburos y mejorar la dureza y la resistencia al desgaste del acero. Tras el enfriamiento y el revenido a baja temperatura, el acero para estampación en frío adquiere una estructura de martensita revenida y carburos granulares. Los aceros para estampación en frío más utilizados son Cr12, Cr12MoV, etc.

La fracción de masa de carbono del acero para matrices en caliente suele ser de 0,3%~0,6%, y los elementos de aleación añadidos pueden mejorar la templabilidad, la resistencia al calor y la resistencia a la fatiga por calor del acero.

Tras el enfriamiento y el revenido a alta temperatura o a media temperatura, el acero para estampación en caliente adquiere una estructura de sorbita revenida o troostita revenida. Entre los aceros para estampación en caliente más utilizados se encuentran el 5CrNiMo, el 3Cr2W8V, etc.

(5) Aceros especiales

Los aceros de prestaciones especiales se refieren a aceros con propiedades de uso únicas. Existen muchos tipos de aceros de prestaciones especiales, pero en esta sección solo se presentarán los más utilizados en la industria mecánica: el acero inoxidable, el acero resistente al calor y el acero resistente al desgaste.

1) Acero inoxidable.

El acero inoxidable es un acero capaz de resistir los medios atmosféricos o corrosivos. Los tipos más comunes son el acero inoxidable martensítico 12Cr13, el acero inoxidable ferrítico 10Cr17 y el acero inoxidable austenítico 18-8 al cromo-níquel.

El acero inoxidable martensítico se utiliza a menudo para productos que requieren altas propiedades mecánicas y una resistencia a la corrosión relativamente baja; el acero inoxidable ferrítico se utiliza ampliamente en las industrias del ácido nítrico, los fertilizantes nitrogenados y el ácido fosfórico, y también como material resistente a la oxidación a altas temperaturas; el acero inoxidable austenítico es el tipo de acero inoxidable más utilizado en la industria, pero debe evitarse la corrosión intergranular.

2) Acero resistente al calor.

El acero resistente al calor se refiere al acero que mantiene una alta estabilidad química y resistencia térmica a altas temperaturas. La estabilidad química se refiere a la capacidad del acero para resistir diversas corrosiones químicas a altas temperaturas, mientras que la resistencia térmica se refiere al rendimiento de resistencia del acero a altas temperaturas.

Entre los aceros termorresistentes más utilizados se encuentran el acero termorresistente perlítico, el acero termorresistente martensítico y el acero termorresistente austenítico.

El acero perlítico resistente al calor funciona a temperaturas de 450-550°C y se utiliza principalmente para fabricar piezas con cargas pequeñas en dispositivos de potencia, como tubos de acero para calderas; el acero martensítico resistente al calor funciona a temperaturas de 550-600°C y se utiliza principalmente para fabricar álabes de turbinas, válvulas de escape de motores diésel, etc.; el acero austenítico resistente al calor funciona a temperaturas de 600-700°C, y puede alcanzar hasta 850°C, y se utiliza principalmente para fabricar turbinas de motores a reacción y tubos de escape. Los aceros resistentes al calor más comunes son el 12Cr1MoV, el 42Cr9Si2 y el 4Cr13Ni8Mn8MoVNb.

3) Acero resistente al desgaste.

El acero resistente al desgaste se refiere generalmente al acero de alto manganeso que sufre endurecimiento por impacto bajo cargas de impacto. Sus principales componentes son: w_c=1,0%-1,3%, w_Mn=11%-14%. Se moldea y, tras el tratamiento térmico, adquiere una estructura totalmente austenítica, que presenta buena tenacidad y resistencia al desgaste.

Los aceros de alto manganeso más comunes son ZGMn13, ZGMn13Cr2, etc. El acero de alto manganeso se utiliza ampliamente en la fabricación de piezas que soportan grandes impactos o presiones, como cucharas de excavadoras, orugas de tanques, etc. Además, el acero de alto manganeso no es quebradizo en climas fríos, por lo que es adecuado para su uso en regiones frígidas.

Metales no férreos y aleaciones

Aluminio y aleaciones de aluminio

El aluminio puro tiene un color blanco plateado, una estructura cristalina cúbica centrada en la cara y ninguna transformación alotrópica. Se caracteriza por un bajo punto de fusión (660℃), baja densidad (2,7g/cm³), baja resistencia (σ_b=80MPa), alta plasticidad (ψ=80%) y excelente conductividad eléctrica y térmica.

Como tal, el aluminio puro no es adecuado para estructuras portantes. Se utiliza principalmente para fabricar alambres, cables, utensilios con requisitos de baja resistencia y diversas aleaciones de aluminio. El aluminio puro es químicamente activo y tiende a formar una película de óxido resistente y densa en su superficie, lo que le confiere una buena resistencia a la corrosión en el aire y el agua dulce.

Las aleaciones de aluminio pueden dividirse en aleaciones de aluminio deformado y aleaciones de aluminio fundido en función de sus características de procesamiento. La Figura 1-41 muestra un diagrama de clasificación de las aleaciones de aluminio. Las aleaciones a la izquierda del punto D, cuando se calientan, existen como soluciones sólidas monofásicas con buena plasticidad, adecuadas para el procesamiento a presión.

Se denominan aleaciones de aluminio deformadas. Las aleaciones situadas a la derecha del punto D, que contienen una mayor fracción másica de elementos de aleación y tienen estructuras eutécticas, presentan temperaturas de fusión más bajas y una buena fluidez, lo que las hace adecuadas para la fundición. Se denominan aluminio fundido aleaciones.

Las aleaciones de aluminio deformadas suelen transformarse en diversos productos semiacabados, como chapas, barras, tubos, alambres, perfiles y piezas forjadas. Entre las aleaciones de aluminio deformado, las aleaciones de las series Al-Mg y Al-Mn tienen principalmente una estructura monofásica y no pueden reforzarse mediante tratamiento térmico. Se caracterizan por una buena resistencia a la corrosión, soldabilidad y plasticidad, así como por un excelente comportamiento a bajas temperaturas.

Estas propiedades las hacen prometedoras en campos como el aeroespacial. Las aleaciones de las series Al-Cu-Mg y Al-Cu-Mn tienen una gran capacidad de endurecimiento por envejecimiento y una alta resistencia, pero su resistencia a la corrosión y soldabilidad son inferiores. Se utilizan principalmente como componentes estructurales. Las aleaciones de la serie Al-Mg-Cu-Zn tienen la mayor resistencia a temperatura ambiente entre las aleaciones de aluminio, pero se ablandan rápidamente a altas temperaturas y tienen poca resistencia a la corrosión.

Se utilizan principalmente para estructuras y piezas importantes sometidas a cargas pesadas. Las aleaciones de las series Al-Mg-Si-Cu y Al-Cu-Mg-Fe-Ni tienen buena termoplasticidad, colabilidad y propiedades mecánicas relativamente altas. Se utilizan principalmente para piezas complejas aeroespaciales y de instrumentación, y también pueden emplearse como aleaciones resistentes al calor.

Las aleaciones de aluminio de las series Al-Cu-Mg, Al-Cu-Mn, Al-Mg-Cu-Zn, Al-Mg-Si-Cu y Al-Cu-Mg-Fe-Ni pueden reforzarse mediante tratamiento térmico. En la Tabla 1-10 se dan ejemplos de aleaciones de aluminio deformadas de uso común, su composición química, propiedades mecánicas y usos.

Tabla 1-10: Ejemplos de Aleaciones de Aluminio Deformado Comúnmente Utilizadas, Incluyendo sus Designaciones, Composiciones Químicas, Propiedades Mecánicas y Aplicaciones.

Nota: M-Annealing; CZ-Quenching + Natural aging; CS-Quenching + Artificial aging.

Cobre y aleaciones de cobre

El cobre puro tiene una densidad de 8,94 g/cm³ y un punto de fusión de 1083℃. Tiene una estructura cristalina cúbica centrada en la cara y no presenta alotropía. El cobre puro presenta buena conductividad eléctrica, conductividad térmica y resistencia a la corrosión. Aunque el cobre puro tiene buena ductilidad, su resistencia y dureza son bajas, lo que lo hace inadecuado para su uso directo como material estructural.

A menudo se utiliza para fabricar materiales conductores y termoconductores, dispositivos resistentes a la corrosión, y también puede servir como materia prima para fabricar aleaciones de cobre. El cobre puro no puede reforzarse mediante tratamiento térmico. En función de las distintas composiciones químicas, las aleaciones de cobre pueden dividirse en tres categorías: latón, bronce y cobre blanco.

(1) Latón

Las aleaciones de cobre con zinc como principal elemento de aleación se denominan latón. Según su composición química, el latón puede dividirse en latón simple y latón especial. El latón simple es una aleación binaria de cobre y zinc. Cuando la fracción másica de zinc se sitúa entre 30% y 32%, su estructura es una solución sólida cúbica α centrada en la cara, conocida como latón monofásico.

Este tipo de latón tiene una excelente forjabilidad, soldabilidad y buena capacidad de estañado. Cuando la fracción másica de zinc supera 32% (pero no más de 45%), su estructura es una estructura de fase dual α+β, conocida como latón de fase dual.

Este latón presenta una buena ductilidad a altas temperaturas, apta para el tratamiento en caliente. La designación del latón ordinario consiste en "H+número", donde H significa latón y el número indica la fracción másica de cobre. Por ejemplo, H80 es latón ordinario que contiene 80% de cobre y 20% de zinc.

El latón especial se forma añadiendo otros elementos de aleación a la aleación de cobre y zinc. Además del zinc, los elementos de aleación más comunes son el plomo, el aluminio, el manganeso, el estaño, el hierro, el níquel, el silicio, etc. La adición de estos elementos de aleación mejora la solidez, la resistencia a la corrosión y la resistencia al desgaste del latón.

En función de los elementos de aleación primaria añadidos, el latón especial puede dividirse en latón con plomo, latón con aluminio, latón con manganeso, etc. La designación del latón especial consiste en "H+ símbolo del elemento de aleación primaria + fracción másica de cobre + fracción másica del elemento de aleación primaria".

Por ejemplo, HPb59-1 representa el latón especial con una fracción másica de 59% de cobre y 1% de plomo, siendo el resto zinc. Las designaciones, composiciones químicas, propiedades mecánicas y ejemplos de aplicaciones del latón de uso común se muestran en la Tabla 1-11.

(2) Bronce

El bronce se refiere a las aleaciones de cobre con elementos de aleación principales distintos del Zn y el Ni. Su designación se compone de "Q+ símbolo del elemento de aleación principal + fracción másica del elemento de aleación principal". Si se trata de bronce fundido, se añade una "Z" antes de la designación. El bronce puede dividirse en bronce ordinario y bronce especial.

Tabla 1-11: Designaciones representativas, composiciones químicas, propiedades mecánicas y ejemplos de aplicación de aleaciones de aluminio deformadas de uso común.

El bronce ordinario se refiere al bronce al estaño, con estaño (Sn) como elemento de aleación principal. La fracción másica de Sn es clave para el rendimiento del bronce al estaño. El bronce al estaño con una fracción másica de Sn de 5% a 7% tiene la mejor plasticidad, adecuada para el procesamiento por deformación en frío y en caliente. El estaño-bronce con una fracción másica de Sn superior a 10% tiene una resistencia elevada pero una plasticidad deficiente, adecuada únicamente para la fundición.

El bronce al estaño presenta una excelente resistencia a la corrosión en la atmósfera, el agua de mar y las soluciones salinas inorgánicas, pero muestra una menor resistencia a la corrosión en el amoníaco, el ácido clorhídrico y el ácido sulfúrico.

El bronce especial se refiere al bronce que no contiene Sn. Según el elemento de aleación primario, puede dividirse en bronce al aluminio, bronce al berilio, bronce al silicio, etc. El bronce de aluminio tiene una fracción másica de aluminio de 5% a 10%, alta estabilidad química, buena resistencia a la corrosión y al desgaste, mayor resistencia y plasticidad, y buena trabajabilidad.

Se utiliza principalmente para piezas de alta resistencia al desgaste que trabajan en agua de mar o a altas temperaturas. El bronce al berilio tiene una fracción másica de berilio de 1,7% a 2,5%. Puede someterse al fortalecimiento por disolución y al endurecimiento por envejecimiento, y posee una gran resistencia, resistencia al desgaste, resistencia a la corrosión y conductividad eléctrica y térmica.

También tiene propiedades especiales, como el antimagnetismo y la no generación de chispas en caso de impacto, y se utiliza principalmente para elementos elásticos en instrumentos de precisión y piezas antideflagrantes en motores. El bronce al silicio tiene una fracción másica de silicio de 3% a 4,6%, con propiedades mecánicas superiores a las del bronce al estaño y buenas prestaciones de fundición y procesado en frío/caliente.

La adición de níquel al bronce al silicio puede mejorar significativamente su fuerza y resistencia al desgaste, utilizándose principalmente en la industria aeronáutica y en líneas telefónicas aéreas de larga distancia, líneas eléctricas, etc. El número de marca, la composición química, las propiedades mecánicas y los ejemplos de aplicación del bronce más utilizado pueden verse en la Tabla 1-12.

(3) Plata níquel

La alpaca, también conocida como cobre blanco, es una categoría de aleaciones de cobre compuestas principalmente por níquel. Se divide en dos tipos: alpaca ordinaria y alpaca especial.

Tabla 1-12: Ejemplos de calidades comunes de bronce, composiciones químicas, propiedades mecánicas y usos

La alpaca ordinaria, que sólo contiene cobre y níquel, posee una buena resistencia y una excelente plasticidad. Puede someterse a tratamientos de presión en frío y en caliente. Su resistencia a la corrosión es excelente, y tiene una alta resistividad eléctrica con un pequeño coeficiente de resistencia a la temperatura.

Se utiliza principalmente para fabricar piezas de instrumentos navales, piezas de maquinaria química y equipos médicos, entre otros. El grado de la alpaca se compone de "B + fracción de masa media de Ni". Por ejemplo, B19 representa la alpaca ordinaria con un contenido de níquel de 19%.

La alpaca especial se obtiene añadiendo otros elementos de aleación a la alpaca. Las propiedades y usos de la alpaca varían en función del tipo de elemento de aleación añadido. Por ejemplo, la alpaca al manganeso con una elevada fracción másica de manganeso puede utilizarse para fabricar alambres de termopar, instrumentos de medición, etc. Por ejemplo, BZn15-20 representa una alpaca especial con un contenido de silicio de 15% y un contenido de zinc de 20%.

Titanio y aleaciones de titanio

El titanio puro tiene una densidad de 4,5 g/cm³ y un punto de fusión de 1667°C, experimentando alotropía. Por debajo de 882,5°C, el titanio puro tiene una estructura cristalina hexagonal compacta, conocida como α-Ti. Por encima de 882,5°C, tiene una estructura cristalina cúbica centrada en el cuerpo, denominada β-Ti.

El titanio puro (α-Ti) tiene un módulo de elasticidad relativamente bajo, buena resistencia al impacto, alta resistencia específica y excelente plasticidad, pero sus propiedades mecánicas son extremadamente sensibles a las impurezas.

Las principales características de las aleaciones de titanio son su alta resistencia, baja densidad, buena resistencia al calor y resistencia a la corrosión. Sin embargo, son poco mecanizables, sensibles al desgaste y relativamente caras. Las aleaciones de titanio se clasifican en tipo α (TA), tipo β (TB) y tipo α+β (TC) en función de sus estructuras recocidas.

En la Tabla 1-13 se muestran ejemplos de grados, composiciones químicas, propiedades mecánicas y usos de las aleaciones de titanio más utilizadas.

(1) Aleaciones de titanio tipo α

La estructura recocida de las aleaciones de titanio de tipo α es una solución sólida α monofásica, y no pueden reforzarse mediante tratamiento térmico. Estas aleaciones tienen estructuras estables, excelente resistencia a la corrosión, buena plasticidad y conformabilidad. También presentan un excelente rendimiento de soldadura y propiedades a baja temperatura.

Se utilizan habitualmente para fabricar revestimientos de aviones, armazones, discos y álabes de compresores de motores, carcasas de turbinas y contenedores para temperaturas ultrabajas.

Tabla 1-13: Ejemplos de aleaciones de titanio de uso común, sus composiciones químicas, propiedades mecánicas y aplicaciones.

^{①持久强度表示材料在给定温度下经过100h后，试样发生断裂时的应力值。}

(2) Aleaciones de titanio Beta

Las aleaciones de titanio beta tienen una estructura recocida de fase beta. Mediante temple, pueden obtenerse aleaciones de titanio de fase beta metaestable. Estas aleaciones pueden tratarse térmicamente para aumentar su resistencia, tienen una elevada resistencia a temperatura ambiente y buenas propiedades de conformado en frío. Sin embargo, estas aleaciones tienen una alta densidad, su estructura no es lo suficientemente estable y tienen una pobre resistencia al calor. Las aleaciones de titanio beta se utilizan principalmente para fabricar componentes aeronáuticos que no requieren altas temperaturas pero sí una gran resistencia, como muelles, elementos de fijación y componentes de sección gruesa.

(3) Aleaciones de titanio Alfa + Beta

La estructura recocida de las aleaciones de titanio alfa + beta es la fase (alfa + beta), que combina las características de las aleaciones de titanio alfa y beta. Tienen excelentes propiedades mecánicas integrales y son las aleaciones de titanio más utilizadas. Por ejemplo, la TC4 (Ti-6Al-4V) se utiliza ampliamente en el sector aeroespacial y otros sectores industriales.