Fundamentos de los Metales y su Aplicación

Los metales son elementos fundamentales que definen características distintivas como el brillo, la resistencia, una elevada conductividad térmica y eléctrica, y una notable deformabilidad y plasticidad.

Metales Comunes en la Construcción

  • Hierro: Ampliamente utilizado por su resistencia y versatilidad.
  • Aluminio: Ligero y resistente a la corrosión.
  • Plomo: (Tóxico) Usado históricamente en ciertas aplicaciones, pero su uso ha disminuido debido a su toxicidad.
  • Cobre: Excelente conductor eléctrico y térmico, resistente a la corrosión.

Conceptos Clave en Metalurgia

  • Aleaciones: Mezcla de un metal con otro u otros elementos, que resulta en un material con propiedades metálicas mejoradas respecto al metal inicial para ciertas aplicaciones. Por ejemplo, el acero es una aleación de hierro y carbono.
  • Afinos Metalúrgicos: Proceso para llevar un material a su máxima pureza.
  • Afinos Siderúrgicos: Proceso específico para obtener un producto con las características deseadas, especialmente en la producción de hierro y acero.

Para conseguir un metal amorfo, es necesario enfriarlo muy rápidamente.

Propiedades de los Metales

Propiedades Mecánicas

Resistencia Mecánica

Capacidad de un material para oponerse a la ruptura o deformación bajo la acción de fuerzas externas.

  • Tracción: Resistencia a la ruptura que opone un material sometido a un esfuerzo de tracción. La tensión de rotura es aquella en la que se produce la fragmentación de los cristales.
  • Compresión: Resistencia a la ruptura por compresión. Los metales son isorresistentes, lo que significa que sus resistencias a tracción y compresión tienen valores similares.
  • Cortadura: Resistencia muy elevada, del orden del 60% de la resistencia a tracción.
  • Fatiga: Resistencia que mantiene un material frente a un esfuerzo prolongado en el tiempo, especialmente si es cíclico.

Deformabilidad

Aptitud de los metales para cambiar de forma bajo carga.

  • Elasticidad: Aptitud del metal para deformarse sin que se rompan los enlaces atómicos, volviendo a su estado inicial cuando cesan las cargas. La elasticidad de los metales es alta comparada con la de los materiales pétreos, pero muy baja comparada con los elastómeros.
  • Plasticidad: Aptitud de los metales para sufrir deformaciones permanentes al cesar las cargas. Se distingue la ductilidad, que es la capacidad de transformarse en alambre mediante estirado, y la maleabilidad, que es la capacidad de transformarse en láminas.
  • Acritud: Capacidad del metal de endurecerse y aumentar su resistencia a medida que es deformado plásticamente.
  • Fragilidad: Un material es muy frágil cuando su deformación antes de la rotura es muy pequeña.

Tenacidad

Oposición del metal, sometido a una carga intermitente, a deformarse o romperse. El ensayo típico para determinar la tenacidad es el ensayo del péndulo Charpy.

Dureza

Propiedad que expresa la capacidad de un metal para resistir la deformación superficial. Mayor dureza significa mayor resistencia a la deformación plástica o a la rotura por compresión, y mejor resistencia al desgaste.

  • Rayado: Resistencia que opone un metal a ser rayado por otro.
  • Penetración: Oposición de un metal a que otro cuerpo pueda hacer mella en él.
  • Elástica: Reacción de la superficie de un metal al ser sometido al impacto de un elemento.
  • Corte: Oposición de un metal a la acción de corte ejercida por otro.

Soldabilidad

Propiedad por la cual dos piezas en contacto pueden unirse formando un conjunto rígido y continuo.

Propiedades Eléctricas

  • Conductividad Eléctrica: Facilidad que posee el metal para el paso de un flujo eléctrico a través suyo.
  • Resistividad Eléctrica: Resistencia que opone el metal a ser traspasado por un flujo eléctrico. Depende de la naturaleza del metal y de la temperatura.

Propiedades Térmicas

  • Conductividad Térmica: Facilidad que presenta un metal para conducir calor.
  • Coeficiente de Dilatación Lineal: Mide la variación de una unidad de longitud de un cuerpo cuando su temperatura aumenta un grado.

Corrosión y Protección de Metales

La acción del oxígeno sobre los metales se ve frenada por el porcentaje de oxígeno atómico y por el hecho de que los metales se recubren con una capa de óxido, impidiendo una mayor profundización de la oxidación.

  • Corrosión: Destrucción lenta y progresiva de un metal causada por un agente no mecánico. Se produce por fenómenos electrolíticos en la superficie de un metal, generalmente en presencia de una sustancia en estado líquido (normalmente agua). Se necesita H2O para que la oxidación se convierta en corrosión.

Principios Básicos de la Corrosión Electroquímica

La corrosión es un proceso electroquímico donde una corriente eléctrica circula entre determinadas zonas de la superficie del metal, implicando reacciones de reducción y oxidación.

  • Polarización y Pasivado: Formación de una capa muy fina de óxido, densa y resistente a la corrosión, que protege al metal de ser atacado.
  • Pares Galvánicos: Corrosión producida por dos metales sumergidos en un electrolito y puestos en contacto externamente por medio de un conductor.
  • Aireación Diferencial: El electrolito está más expuesto a ciertas partes (como grietas), lo que activa la corrosión en esas zonas.

Tipos de Corrosión

  • Generalizada o Uniforme: Tiene lugar cuando el metal es atacado uniformemente en toda la superficie que está en contacto con el medio agresivo.
  • Localizada: Tiene lugar en zonas limitadas. Su acción es muy peligrosa porque puede pasar desapercibida hasta que sus efectos rompen la pieza. Se origina por discontinuidades en las capas protectoras.

Protección contra la Corrosión

  • Selección del Material: Uso de aleaciones anticorrosivas, materiales homogéneos en zonas susceptibles a la corrosión, y evitar la posible formación de pares galvánicos.
  • Otros Procedimientos: Inhibidores de corrosión (sustancias químicas que reaccionan con el agente causante de la corrosión para evitarla), recubrimientos protectores, protección catódica, etc.

Procesamiento y Conformado de Metales

Laminación

Proceso de hacer pasar el metal en estado plástico por unos rodillos para obtener láminas, planchas, perfiles y tubos.

  • Perfil Cerrado: Chapa doblada y soldada al final, comúnmente usada en cubiertas.
  • Laminados en Caliente: A través de un lingote se obtiene el perfil deseado. Se usa en estructuras. Ejemplos incluyen perfiles en Y, L, U, I (IPN, IPE, HEB), pletinas, y barras redondas, cuadradas y rectangulares.
  • Conformación en Frío: Chapa realizada por laminado que posteriormente se dobla para obtener la forma deseada. El espesor es constante.

Otros Procesos de Conformado

  • Fusión (Fundición): Se crea un molde y se rellena con metal fundido para obtener piezas con formas complejas, como radiadores o piezas de motor.
  • Extrusión: Consiste en presionar el metal a través de una boquilla con la forma deseada para que salga con esa configuración. El metal debe estar suficientemente frío para no deformarse y debe tener un comportamiento plástico adecuado.

Tratamientos de Metales

Tratamientos Térmicos

Procesos de calentar y enfriar un metal sin cambiar su composición, modificando únicamente sus constituyentes y propiedades.

  • Normalizado: Calentar a 50ºC por encima de la temperatura crítica, mantenerlo a esa temperatura el tiempo suficiente para lograr la total austenización y enfriarlo al aire libre. Elimina las tensiones internas y logra una estructura homogénea, obteniendo un producto blando y dúctil. El temple, por otro lado, aumenta la dureza, el límite elástico y la resistencia a la tracción, pero disminuye la tenacidad y el alargamiento.
  • Recocido: Tiene como objetivo ablandar el acero y eliminar las tensiones internas. Se pueden realizar recocidos a temperaturas inferiores a la crítica, como el de ablandamiento y el de contra acritud, que confiere ductilidad a los aceros estirados en frío. La velocidad de enfriamiento debe ser inferior a la velocidad crítica de temple.

Tratamientos Termoquímicos

Mediante calor y frío, se cambia la constitución y ligeramente la composición del metal. Se calienta la pieza a una temperatura superior a la crítica, se enfría rápidamente a la temperatura del tratamiento, y después de un tiempo se enfría al aire.

Tratamientos Mecánicos

Deformar mecánicamente el metal, consiguiendo acritud (endurecimiento por deformación).

Tratamientos Superficiales

Recubrir el metal con otro metal o sustancia para dotarlo de mayor dureza, mayor resistencia a la corrosión y al desgaste. A menudo, con un torno se rebaja la pieza para dejarla en su forma original tras el tratamiento.

  • Electrolítico (Cromado): El cromado aumenta la dureza del metal, lo hace más resistente al desgaste y a la corrosión.
  • Inmersión: (Generalmente se refiere a galvanizado, estañado, etc.)
  • Cementación: Se introduce la pieza en un metal fundido o en un medio rico en carbono, y luego se somete a un horno para que la pieza adquiera las propiedades del metal o del carbono. Se aumenta el contenido de carbono en la superficie para permitir el temple posterior.

Minerales de Hierro y Constituyentes del Acero

Se realiza una trituración para reducir el tamaño del mineral para su transporte, y una molienda para adaptar la mena a los procesos de fabricación.

Afino: Consiste en reducir la cantidad de impurezas en el metal obtenido.

Los minerales de hierro usados como materias primas para la obtención de este son: óxidos, carbonatos, sulfuros y silicatos de hierro.

Formas Alotrópicas del Hierro (Fe)

  • Hierro Alfa (α-Fe): Es muy magnético y disuelve carbono en proporciones muy pequeñas. Es estable por debajo de los 768ºC.
  • Hierro Beta (β-Fe): No es magnético y tiene la propiedad de disolver carbono en bajas cantidades. Es estable entre 768 y 910ºC.
  • Hierro Gamma (γ-Fe) (Austenita): No es magnético y puede disolver carbono hasta el 2%. Es estable a temperaturas superiores a los 910ºC. Acepta tratamientos térmicos; aquí se obtiene el acero.
  • Hierro Delta (δ-Fe): Es débilmente magnético y cristaliza de forma similar al hierro beta. Es estable por encima de los 1400ºC.

Constituyentes Microestructurales del Acero y Fundiciones

Un metal puro está formado por granos de un solo constituyente, por eso los granos son de diferente forma y tamaño pero del mismo aspecto. Es dúctil y forjable.

  • Cementita: Se trata de carburo de hierro (Fe3C), compuesta por un 6,67% de C y un 93,33% de Fe. No tiene alargamiento ni forja, y es magnética hasta los 210ºC.
  • Perlita: Compuesta por un 86,5% de ferrita y un 13,5% de cementita. Se produce a los 650 – 723 ºC.
  • Austenita: Solución sólida, por inserción, de carbono en hierro gamma (γ-Fe). Es el constituyente más denso de los aceros, es estable a partir de 723ºC, su estructura es blanca y no es magnética.
  • Martensita: Después de la cementita, es el constituyente más duro del acero. Es una solución sólida sobresaturada de carbono en hierro alfa (α-Fe). Se produce entre los 300ºC y la temperatura ambiente.
  • Troostita: Se produce por transformación isotérmica y lenta de la austenita entre 500 y 600ºC.
  • Sorbita: Se produce por transformación isotérmica y lenta de la austenita entre 600 y 650ºC.
  • Bainita: Se produce por transformación isotérmica y lenta de la austenita entre 250 y 550ºC.
  • Steadita: Constituyente de las fundiciones, muy dura y muy frágil.

Aleaciones del Acero con Otros Elementos

  • Manganeso: Mejora la tenacidad, maleabilidad y resistencia a la corrosión.
  • Silicio: Similar al manganeso, se emplea como desoxidante.
  • Azufre: Merma sus propiedades mecánicas y su soldabilidad, aumentando la fragilidad.
  • Fósforo: Es el más pernicioso, ya que causa fragilidad y baja el punto de fusión.
  • Cromo: En bajos porcentajes, aumenta la resistencia, la dureza y la ductilidad.
  • Estaño: Lo hace insoldable y aumenta su fragilidad.
  • Aluminio: Facilita su moldeo.

Procesos de Obtención y Afino del Hierro

Partes de un Alto Horno (para obtención de arrabio)

  • Tragante: Parte superior donde se introducen las materias primas.
  • Vientre: Parte más ancha del horno, formada por una franja cilíndrica. Entre los 1000 y 1300ºC, se realiza la reducción intensa y se forma el hierro metal. Entre los 1300 y 2000ºC, se funde la ganga.

Afino del Acero

Para realizar el afino del acero se usan el horno eléctrico o los convertidores con inyección de oxígeno.

  • Convertidor Thomas: Realiza el afino por vía básica, logrando eliminar el fósforo.

Afino en Horno Eléctrico

Constan de un recipiente metálico, la solera, de chapa gruesa, recubierta de material refractario y refrigerada por agua; y la bóveda, que es la cubierta del horno, la cual es desplazable para poder cargar el material.