Conocimiento de materiales
Conocimiento de materiales
Indice
1. Metales
2. Definiciones básicas
3. Siderurgia
4. Acero
Definiciones:
Los metales son electropositivos (tienden a perder electrones), conducen fácilmente
el calor y la electricidad.
En estado sólido los metales tienen estructura cristalina (los átomos están
situados en los nudos de una red regular y definida)
Los metales son isotrópicos (tienen iguales propiedades en todas las
direcciones)
Los defectos de la red, que provocan una disminución de la resistencia son:
Vacancia: falta de átomos dentro de su distribución normal
Dislocaciones: se produce la falta o discontinuidad en la línea de átomos
(alteraciones en el paralelismo de la estructura)
Atomos intersticiales: aparecen átomos de elementos de aleaciones con distinta
estructura interna
Elasticidad: las deformaciones desaparecen cuando se anula el esfuerzo que
las provoca
Plasticidad: permite que el material tenga deformación permanente sin llegar a
la rotura
Tenacidad: energía requerida para producir la rotura
Resiliencia: energía absorbida por el material en un régimen elástico
Ductilidad: propiedad que permite que el material se deforme antes de llegar a
la rotura
Fragilidad: opuesta a la ductilidad, el material se rompe con deformación nula
o despreciable
Maleabilidad: propiedad que permite, por procesos mecánicos, formar láminas
delgadas sin fracturas
Tensión: relación entre fuerza y superficie
Solidificación de metales:
Si el metal está fundido y lo enfriamos lentamente, este enfriamiento es
continuo y uniforme, hasta el momento donde la temperatura se estabiliza y
entonces comienza la solidificación. Cuando ésta termina continúa con la
misma uniformidad, el período de enfriamiento, hasta la temperatura ambiente
Soluciones sólidas:
Sustancia cuyos iones constituyentes forman una única red cristalina, de forma
que los iones del soluto se encuentran ocupando posiciones al azar en la celda
del solvente. La diferencia de tamaño entre los iones del soluto y los del
metal base provoca un endurecimiento de la aleación.
Solución sólida sustitucional: el aleante sustituye las posiciones de los
iones del metal base
Solución sólida intersticial: el aleante se ubica entre los espacios interiónicos
del metal base
Aleación:
Disolución (maleables): las moléculas de los diferentes componentes se mezclan
en la masa (no cambian de naturaleza).
Combinación (frágiles): formación de nuevas moléculas, diferentes de las de
los componentes
Solidificación de aleaciones metálicas:
Las curvas de enfriamiento de las soluciones sólidas presentan un intervalo de
solidificación. Entonces existe una temperatura de comienzo y una de culminación
de la solidificación.
Diagramas de equilibrio:
- Sirven para conocer en todo momento el estado de la aleación partiendo de la
temperatura y la composición
- Se construye a partir de las curvas de enfriamiento
- Nos suministran:
Fases presentes a una determinada temperatura
Composición de cada fase (sólido o líquido)
Cantidad relativa de fases existentes en el campo bifásico (sólido + líquido)
3. Siderurgia
Es la parte de la metalurgia que estudia lo referente a Hierros, Aceros y
Fundiciones.
Los principales minerales de hierro son:
Magnetita: 65% de hierro
Óxido férrico: 50 % de hierro
Óxidos férricos hidratados: son fáciles de reducir
4. Acero
Pueden ser considerados como aleaciones Hierro-Carbono con agregados e
impurezas naturales como fósforo o azufre
El acero está compuesto por Hierro y carburo de hierro (Cementita)
El acero es hierro descarburado, con una proporción de carbono inferior a 1.8 %
que puede adquirir otras propiedades mediante
tratamientos térmicos o mecánicos.
Procesos de conformación del acero:
El hierro colado o arrabio contiene no solamente un exceso de carbono
(procedente del carbón que ha servido para reducir el mineral), sino también
azufre, fósforo y otras impurezas.
Su conversión en acero se obtiene mediante afino, líquido o sólido, o
pudelado, que eliminan el exceso de carbono y las impurezas indeseables.
El afino es una oxidación que se efectúa en los convertidores de Bessemer
(para arrabio silíceo y pobre en fósforo) o de thomas (hierros fosforosos), en
los hornos de reverbero (martin), en hornos eléctricos o en crisoles, según
sea la composición del hierro colado y la clase de acero que se desea elaborar.
Consiste en inyectar aire u oxígeno, o una mezcla de ambos, en el seno del
hierro fundido (al cual se le agrega a veces chatarra), con lo que se consuma la
combustión del carbono y otras impurezas presentes en la masa. El uso del oxígeno
atmosférico (aire) como reductor presenta inconvenientes debidos al elevado
contenido de nitrógeno (78 %). Calentar inútilmente toda esa masa representa
un enorme consumo, limita el volumen de los convertidores y afecta la calidad
del acero. Además limita la proporción de chatarra que se puede agregar pues
limita también la capacidad de oxidación. Por todo esto se implementan
modernas técnicas de producción de acero al oxígeno.
En el procedimiento LD , el oxígeno puro (con menos del 2 % de impurezas) es
inyectado por una lanza tubular en la superficie del metal fundido y se obtiene
así acero de calidad superior al acero martin y más barato. Para el afino de
fundiciones fosforosas se aplican los procedimientos LDP y OLP, derivados del
anterior, del cual difieren por la adición de cal al metal fundido. Si el
contenido en fósforo supera el 0.5 %, se recurre al procedimiento Kaldo, que
requiere un convertidor, no solamente basculante, sino también rotativo. El
chorro de oxígeno inyectado por la boquilla incide oblicuamente en la
superficie del metal fundido. El convertidor oscila y gira apropiadamente para
que el proceso de descarburación sea prolongado y dé tiempo a que se ultime al
de la desfosforación, que es más lento.
El afino sólido da aceros muy puros y se practica mediante pudelado en hornos o
crisoles donde el hierro pastoso (y no líquido) es descarburado por las
escorias que absorben constantemente el oxígeno exterior y lo llevan en
contacto con el carbono de la masa gracias a un batido constante de la misma. El
crisol y el horno eléctrico dan aceros de alta calidad, por hallarse su
composición perfectamente dosificada, aunque resultan caros. El acero martin o
siemens, que permite aprovechar la chatarra, se sitúa, por su calidad y su
costo de elaboración entre los anteriores y el de convertidor. Éste resulta
muy barato porque no requiere ningún manantial de calor y se elabora rápidamente.
El acero ordinario contiene 5 % de cuerpos aleados con el hierro: carbono,
silicio y manganeso a razón de 1 % como máximo; azufre, fósforo y oxígeno a
razón de 1 por mil. Unos son necesarios (por ejemplo un acero con más de 0.15
% de carbono no puede ser soldado si no contiene manganeso), mientras que otros
son perjudiciales (el fósforo hace frágil al acero y el azufre disminuye su
maleabilidad)
Los aceros pueden adquirir propiedades muy diferentes mediante tratamientos térmicos
(templado, recocido), fisicoquímicos (cementación, nitruración) y mecánicos
(forjado, laminado, estirado, embutido).
Principales aceros y sus aplicaciones:
Aceros al carbono, aceros ordinarios, cuya composición, es modificada
ligeramente (sobre todo la proporción de carbono) para obtener:
Acero extradulce (clavos, tornillos, chapa para embutido, piezas de forja)
Acero dulce (armazones metálicos, barras perfiladas, pernos, alambres)
Acero semidulce (vaciado, maquinaria, forja)
Acero semiduro (vaciado, árboles de transmisión, herramientas)
Aceros duros (vaciado, armas, herramientas, rieles, resortes, cuchillos)
Aceros extraduros (cables, cuerdas de piano, resortes, herramientas para
trabajar materiales)
Los aceros aleados o aceros especiales, modificados por adición de un solo
elemento especial se denominan aceros binarios. Se llaman ternarios,
cuaternarios o complejos, cuando los elementos son varios.
Los aceros especiales más empleados son los que contienen níquel y cromo
(aceros al cromoníquel). Llámanse aceros perlíticos cuando predomina el níquel
y aceros austeníticos cuando éste entra en menores proporciones que el cromo.
Los primeros se utilizan mucho en construcciones mecánicas mientras que los
segundos constituyen los aceros inoxidables.
Ventajas del acero:
- Bajo costo de elaboración
- Elevadas propiedades mecánicas
- Gran resistencia estática, dinámica, rigidez y duración
- Posibilidad de modificar las propiedades mecánicas con:
- Tratamientos térmicos
- Termoquímicos
- Agregado de aleantes
Por el % de carbono se clasifican en:
Aceros Hipoeutectoides: % <
0.8
Aceros hipereutectoides: % >
0.8
De bajo carbono: % <
0.3
De medio carbono: 0.3 <
% <
0.7
De alto carbono: 0.7 <
% <
1.7
Con el aumento de carbono se verifica:
Disminuye la temperatura de fusión del acero
Aumentan las características mecánicas
Aumenta la fragilidad
Mayor resistencia al desgaste
Menor solubilidad
Dificultad de mecanizado
Facilidad para aplicación de tratamientos térmicos
Trabajo enviado por:
Guillermo Contarino
gcontarino@uole.com