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Como actúa la física en la metalúrgica esmeralda Lizbeth Chambi Vilca resumen


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Universidad Nacional de San Agustín

Ingeniería de Procesos

Ingeniería Metalúrgica

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COMO ACTÚA LA FÍSICA EN LA METALÚRGICA
Esmeralda Lizbeth Chambi Vilca
RESUMEN:
La investigación del departamento de Metalurgia Física está centrada principalmente en el procesamiento y estudio de materiales metálicos estructurales, de los que se requieren buenas propiedades mecánicas en condiciones de servicio. Destaca la actividad en aleaciones ligeras, materiales compuestos, intermetálicos, aceros superbainíticos, aceros microaleados, aleaciones ODS, biomateriales, etc... Sus aplicaciones son numerosas en transporte, energía y salud.Uno de los principales objetivos de la investigación es relacionar la microestructura con las propiedades mecánicas de dichos materiales. Además de la composición química, la microestructura depende de los métodos y parámetros de síntesis.

En cuanto a los primeros, una adecuada elección de los parámatros permite producir un material de partida, por ejemplo, de grano fino, distribución homogénea de precipitados y/refuerzos, aparición de fases metaestables (cuasicristales, amorfas). En cuanto a los tratamientos termomecánicos, estos permiten conseguir cambios en la microestructura de partida, que optimicen sus propiedades mediante la modificación del tamaño de grano, de su orientación, precipitación de nuevas fases o su disolución.
PALABRAS CLAVE: física, investigación, metalurgia, procesamiento.
Abstract: Research Physical Metallurgy department is focused mainly in the processing and study of structural metallic materials, of which good mechanical properties in service are required. Stresses the activity in light alloys, composite materials, intermetallic, superbainíticos steels, microalloyed steels, ODS alloys, biomaterials, etc ... Its applications are numerous in transport, energy and salud.Uno of the main objectives of the research it is to relate the microstructure with the mechanical properties of such materials. Besides the chemical composition, the microstructure depends on the methods and synthesis parameter.

As to the first, a suitable choice of the parámatros can produce a starting material, for example, fine-grained, homogeneous distribution of precipitates and / reinforcements, occurrence of metastable phases (quasicrystals, amorphous). As for thermomechanical treatments, they allow changes in the microstructure get starting optimize their properties by changing the grain size, its orientation, precipitation of new phases or dissolution.

Key Word: physics, research, metallurgy, processing.





INTRODUCCIÓN

Metalurgia es el arte y la ciencia de obtener los metales a partir de sus minerales y adaptarlos a las necesidades del hombre. Hay, pues, por lo menos (Valencia, 1987) modo más restringido se considera como metalurgia física a la parte de la metalurgia adaptiva que estudia las propiedades de los metales en relación con su estructura. Se entiende por estructura todo tipo de ordenamiento interno, que va desde las dimensiones atómicas (picoestructura), pasa por la estructura cristalina (nanoestructura), la distribución de las fases y cristales (microestructura) hasta la macroestructura, producto de los procesos de fabricación. Así pues, controlando la estructura se pueden determinar las propiedades de los metales y aleaciones; se puede ejercer control sobre la estructura por medio de procesos como la solidificación, la aleación, la deformación plástica, los tratamientos térmicos y la irradiación. Sin embargo, debe recordarse que a pesar de sus fines prácticos últimos, la metalurgia física aislada es de gran contenido teórico, es la base científica de la metalurgia adaptiva y va de la mano de la física y la ciencia de los materiales, pues estudia el metal como una sustancia, sin tener en cuenta su tamaño y su forma (características esenciales de los procesos industriales). La metalurgia física como disciplina reconocida apenas se inició con Sorby en 1864, pero sus orígenes se remontan mucho más atrás en el tiempo. Sorby aplicó los métodos petrográficos al acero, obtuvo fotos de la microestructura, reconoció constituyentes y creó una revolución en la metalurgia física (o metalografía como se le llamaba entonces)


A partir de 1950 el desarrollo ha sido tan vertiginoso que es imposible seguirle el paso en esta corta introducción. Se descubrieron materiales, procesos, instrumentos, tratamientos y técnicas, tantos y tan variados como el electrovacío, la electrónica de semiconductores y la producción de energía atómica. Todo ello ha llevado a la presente revolución de la robótica y la informática, en que la metalurgia y los materiales son esenciales. Actualmente la metalurgia física sigue desarrollándose y en este resumen se pretende presentar los principales temas en que se trabaja en este campo a principios del siglo XXI.



LOS PRINCIPALES CAMPOS DE LA METALURGIA FÍSICA


Vista la amplia variación dimensional de la estructura de los metales, desde los picometros hasta los metros, se entiende el espacioso alcance de la metalurgia física, la cual elucida no sólo la estructura sino también las transformaciones de ésta, y las propiedades de los materiales metálicos, por medio de la física del estado sólido y la termodinámica química. Objeto central de su estudio son los métodos experimentales. (Mehl, 1965)s áreas temáticas con que trata la metalurgia física son:

.Métodos experimentales para examinar los metales

• La teoría electrónica de los metales

• Cristalografía de los metales: Defectos puntuales, dislocaciones, granos, intercaras

• Difusión

•Termodinámica de sólidos: Nucleación y crecimiento, diagramas de fase, aleaciones

• Deformación plástica y fractura

• Metales líquidos y solidificación

• Sistemas de aleación

• Microestructura y fases, granos y límites de grano

• Estructura y teoría de las fases metálicas

• Transformaciones de fase difusivas en estado sólido: precipitación, eutectoides, masivas, orden-desorden, celular.

• Transformaciones de fase no difusivas: martensítica y masiva

• Endurecimiento por precipitación



Los ferroimanes tienden a permanecer magnetizados en cierta medida después de ser sometido a un campo magnético externo. Esta tendencia a "recordar su historia magnética" se llama histéresis. La fracción de la magnetización de saturación que es retenida cuando se elimina el campo de generación, se llama remanencia del material, y es un factor importante en los imanes permanentes.
Todos los ferroimanes tienen una temperatura máxima, donde desaparecen las propiedades ferromagnéticas como resultado de la agitación térmica. Esta temperatura se llama temperatura de Curie.
Los materiales ferromagnéticos responden mecánicamente al campo magnético impuesto, cambiando ligeramente su longitud en la dirección del campo aplicado. Esta propiedad, llamada magnetostricción, origina el zumbido familiar de los transformadores, que es la respuesta mecánica a los voltajes de corriente alterna de 60 Hz.

Por la razón anterior mucha de la investigación actual se está concentrando en la comprensión de la superficie de los metales líquidos, ya que ésta presenta una oportunidad relativamente única para estudiar la diferencia entre un metal líquido y un dieléctrico puesto que las interacciones atómicas dependen fuertemente del cambio de densidad en la intercara líquido vapor solamente en el caso del metal. En efecto, la transición de la fase líquida a la de vapor corresponde a una transición desde el estado metálico (electrones cuasi libres) a un estado no metálico (electrones localizados) en el caso de los metales líquidos. En cambio en un líquido dieléctrico, el tipo de interacciones es el mismo durante la transición líquido-vapor (interacciones de van der Waals con electrones bien localizados en un solo átomo o molécula)


MATERIAL Y METODOS



El estudio realizado hasta ahora se fundamenta en la utilización y desarrollo de modelos teóricos y el uso de fenómenos metalúrgicos para optimizar las propiedades mecánicas de aleaciones base cobre de alto rendimiento. Además, se ha logrado adaptar y desarrollar modelos cinéticos y fenomenológicos, haciendo uso de resultados obtenidos por calorimetría diferencial de barrido (DSC), análisis térmico diferencial (DTA) y microscopía electrónica de transmisión (TEM). Estos modelos incorporan parámetros metalúrgicos (Spretnak, 1977)ensayos de tracción y microdureza Vickers.

Variados son los métodos utilizados para mejorar sus propiedades mecánicas, como por ejemplo endurecimiento por deformación plástica, endurecimiento por solución sólida, endurecimiento por precipitación, ordenamiento o dispersión, endurecimiento por refinamiento de grano, etc. Sin embargo, desde que se descubrió que en las aleaciones diluidas base cobre se produce un efecto de endurecimiento por recocido a bajas temperaturas, se ha suscitado un gran interés por el estudio y aplicación de estas aleaciones.


Los materiales ferromagnéticos se caracterizan por unos valores de la susceptibilidad magnéticapositivos y muy altos, y que además dependen de la historia magnética del material, de los camposmagnéticos a que haya sido sometido. Sustancias ferromagnéticas son el hierro, cobalto, níquel yalgunas aleaciones. El motivo de este comportamiento singular está relacionado con las fuertesinteracciones entre espines de pares de electrones. Sin embargo, no podemos profundizar muchomás, pues la explicación de este comportamiento no es simple, y (Sullivan, 1960)magnéticos paralelos. A estas regiones se les denomina

Dominios magnéticos

.

El tamaño de estos dominios es microscópico (del orden de 10-6m),aunque pueden crecer o decrecer, y su orientación espacial depende de la disposición espacial delos átomos en la red cristalina



Cuando un material ferromagnético es sometido a un campo magnético, experimenta una imantaciónque crece con el campo aplicado

BapSi se representa la imantación M , frente a

Bap, se obtiene lacurva de primera imantación (1) como muestra la Figura 0-37. La imantación no creceindefinidamente: aunque se aumente mucho

Bap, la imantación no puede aumentar más allá decierto límite denominado imantación de saturación

Los fenómenos que se tratarán en este capítulo son debidos a interacciones de naturaleza cuántica entre iones magnéticos. Estas interacciones son lo suficientemente fuertes como para producir el alineamiento mutuo de los momentos magnéticos. La interacción alineadora entre iones magnéticos sólo será importante si es grande comparada con los mecanismos que pueden alterar la ordenación, especialmente la energía térmica vibracional que naturalmente tenderá a desordenar el material.
 

La imantación de un material ferromagnético puede explicarse con ayuda del modelo de losdominios magnéticos. Un material no imantado parte de la situación a) de la Figura 0-40: losdominios magnéticos están orientados al azar en ausencia de campo externo. Al aumentar éste enuna dirección determinada en b), estamos haciendo que aquellos dominios que tengan unacomponente de su vector imantación en el mismo sentido que Bap crezcan en detrimento de otros.De esta manera, crecen unos dominios (los de imantación favorable) y se reducen otros. Lasituación continúa en c) con el aumento de

B ap (Charles, 1990)el campo aplicado, la imantación no aumentará. Esta última etapa deorientación de momentos fuera de las direcciones de orientación de los dominios es reversible, ydesaparece al eliminar el campo, mientras que el crecimiento de los dominios favorecidos aexpensas de los no favorecidos se mantendrá y será responsable de la imantación remanente delmaterial



RESULTADOS



La ordenación de largo alcance que crea los dominios magnéticos en los materiales ferromagnéticos surge de la interacción mecánica cuántica a nivel atómico. Esta interacción es notable, ya que bloquea los momentos magnéticos de los átomos vecinos en un orden rígido paralelo, sobre un gran número de átomos a pesar de la agitación térmica que tiende a desordenar cualquier conjunto a nivel atómico. Los tamaños de los dominios pueden variar de un 0,1 mm a unos pocos milímetros. Cuando se aplica un campo magnético externo, los dominios ya alineados en la dirección de este campo crecen a expensas de (Brener, 2001)del material. La temperatura de Curie del hierro es de aproximadamente

La principal implicación de los dominios es que con él, ya hay un alto grado de magnetización en los materiales ferromagnéticos dentro de los dominios individuales, pero en ausencia de campos magnéticos externos, esos dominios están orientados de forma aleatoria. Un modesto campo magnético aplicado, puede originar un mayor grado de alineamiento de los momentos magnéticos con el campo externo, dando una gran multiplicación del campo aplicado. En los materiales ferromagnéticos un campo magnético externo produce una alineación de los momentos dipolares magnéticos, que puede persistir aunque no haya campo magnético externo. La causa es debida a la fuerte interacción entre momentos dipolares magnéticos de átomos vecinos, llegando a crear grandes regiones de tamaño microscópico llamados dominios magnéticos.

Estos dominios magnéticos pueden crecer de tamaño cuando el campo magnético externo aumenta, y aunque éste desaparezca, los dominios magnéticos persisten. El ciclo completo de magnetización de un material ferromagnético se denomina ciclo de histéresis. A cierta temperatura, denominada temperatura de Curie, la agitación térmica destruye la alineación de los dipolos y los materiales ferromagnéticos se transforman en paramagnéticos.

DISCUSION

Los dominios se pueden ver con el uso de suspensiones coloidales magnéticas, que se concentran a lo largo de los contornos de los dominios. Los contornos de los dominios se puede visualizar por luz polarizada, y tambien con el uso de la difracción del electrón. La observación de movimientos de contornos de dominios bajo la influencia de campos magnéticos aplicados, han ayudado al desarrollo del tratamiento teórico. Se ha demostrado que la formación de dominios, minimiza la contribución magnética a la energía libre.

Aparte de esta consideración fundamental, se ha observado macroscópicamente que la tensión superficial de los metales líquidos es muchas veces un orden de magnitud mayor que la de los líquidos dieléctricos a temperaturas similares, con todas las implicaciones prácticas que esto tiene. Pero acá lo que interesa es el hecho de que una mayor tensión superficial suprime las fluctuaciones térmicas de la superficie y permite la medida de su estructura microscópica. Investigaciones como las anteriores están a la orden del día, un buen ejemplo es el proyecto Surface Structure of Liquid Metal and Liquid Metal Alloy Surfaces liderado por la Universidad de Harvard, con la colaboración de los laboratoriso nacionales Brookhaven y la Universidad Bar Ilan de Israel. Para ello están experimentando con el Advanced Photon Source (APS) en el Laboratorio Nacional Argonne de los Estados Unidos

La metalurgia computacional es la utilización de modelos matemáticos y las herramientas informáticas para el estudio de los fenómenos metalúrgicos. Estos modelos tratan de predecir la estabilidad y equilibrio de las fases, las tasas de las reacciones o transformaciones y las relaciones estructura – propiedades. En la actualidad es un extenso campo de investigación en metalurgia física. Un (Gusak, 2003)ha sido una de las actividades más empíricas. Durante cientos de años se han creado y mejorado las aleaciones desde el bronce hasta el acero inoxidable explotando, en la mayoría de los casos, descubrimientos casuales hechos al mezclar metales. En las últimas décadas esta búsqueda ha sido más sistemática y con el advenimiento de la metalurgia computacional se ha desarrollado el entendimiento de cómo se cambian las propiedades de un metal aleándolo con otro


Los métodos de la metalurgia computacional se pueden dividir en dos clases: aquellos que no usan ninguna cantidad obtenida empírica o experimentalmente y los que lo hacen. Los primeros se llaman métodos ab initio o métodos de los primeros principios, mientras que los otros se denominan métodos empíricos o semiempíricos. Los métodos ab initio son particularmente útiles en la predicción de las propiedades de nuevos materiales o de nuevas estructuras complejas, y para predecir las

tendencias en un amplio espectro de materiales. Los métodos semiempíricos son excelentes para interpolar y extrapolar a partir de propiedades conocidas

Una de los principios en que se basan los métodos ab initio es la teoría de la densidad funcional, la cual prueba que la energía base de un sistema electrónico estable M es función solamente de la densidad electrónica ρ(r). Con base en esto se plantean ecuaciones tipo Schrödinger y se predicen constantes de red, posiciones atómicas, propiedades elásticas y frecuencias de los fonones

En metalurgia, sin embargo, el desarrollo de una nueva aleación con atributos particulares es todavía un reto muy grande: las candidatas son, casi siempre, demasiado numerosas para ensayarlas individualmente. Hay varias docenas de metales diferentes, y aún si las aleaciones fueran binarias, hay demasiadas combinaciones, sin olvidar que las proporciones de cada metal se pueden variar. Por medio de la metalurgia computacional esto se puede simplificar, por ejemplo, Johannesson y sus colegas buscaron las aleaciones que mejor pudieran resistir las temperaturas elevadas y la corrosión entre las posibles combinaciones de 32 metales, con hasta cuatro metales diferentes en cada aleación. En total resultaron 192 016 aleaciones posibles. Calculando las propiedades logradas a partir de los primeros principios, combinaron las aleaciones promisorias para generar otras nuevas más complejas y seleccionaron la mejor de cada generación. También afinaron la búsqueda con consideraciones prácticas, por ejemplo excluyendo los metales más costosos

Esta aproximación identificó varias superaleaciones que ya se utilizan (encontradas por el costoso método del ensayo y el error). También sugirió nuevas aleaciones promisorias, las cuales se pueden experimentar en vez de ensayar con toda la gama entera de posibilidades. Es decir que la metalurgia computaciones puede “reducir grandemente el número de experimentos necesarios para el desarrollo de nuevas aleaciones”. Usando métodos semiempíricos los ingenieros del Marshall Space Flight Center han desarrollado una nueva aleación de altaresistencia, de aluminio-silicio, que promete ayudar a reducir las emisiones de los motores y a mejorar el kilometraje conseguido con la misma cantidad de gasolina, tanto en automóviles y barcos, como en vehículos recreativos. La aleación ha sido inventada por Jonathan Lee y es muy resistente al desgaste, y que exhibe una gran resistencia a temperaturas de entre 260 y 370º C. Comparativamente, cuando es probada a 315º C, es entre tres y cuatro veces más resistente que las aleaciones de aluminio convencionales y se puede producir a un precio de medio dólar por kilogramo, aproximadamente

REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS
Brener. (2001). FISICA EN LA METALURGIA.

Charles, J. a. (1990). Physical Metallurgy,.

Gusak, A. (2003). “Theory of Normal.

Mehl, F. (1965). Physical Metallurgy.

Spretnak. (1977). Chronology of Metals and.

Sullivan, W. (1960). The Story of Metals.



Valencia, A. (1987). FISICA EN LA METALURGIA.








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