METALES

Muchas de las propiedades físicas se basan en la masa del núcleo del átomo. En el último orbital tienen como máximo ocho electrones, que es la mayor estabilidad (gases nobles). Tienen carga negativa (peso 0), por la que se mantienen atraídos por el núcleo (neutrones, de peso 1 y carga nula, y protones, de peso 0 y carga positiva).

Los metales, de forma genérica y resumida, pueden tener de 1 a 3 electrones, por lo que la fuerza de atracción es muy débil, pudiendo llegar a perderlos. Así se forma el óxido OH-, que del agua pasa a formar parte del hierro Fe++.

Los electrones de la última capa de los metales son compartidos, formando una nube de electrones, con la cualidad de que se mueven a la velocidad de la luz.

Cuando una barra de hierro recibe luz solar o fuego se transmite mucha energía, mediante el movimiento de electrones de la última capa, por esto se dilata de una forma muy distinta, por ejemplo, a la del ladrillo.

La estructura de muchos compuestos varía por su estado: sólido, líquido o gaseoso. De los tipos de estructura (simple, cubo centrado o de caras centradas) interesa la cúbica, que es la que se forma con los metales en estado líquido (forma simple). Esto explica la posibilidad de unir metales con otros compuestos, las aleaciones. Los metales pasan a estado líquido, forma simple, de menor densidad, para hacer la aleación. En la estructura de cubo simple se pueden incluir más átomos hasta formar otras estructuras más complicadas, como la de caras centradas.

Una imagen virtual de un metal es la de una estructura de cubos. El hierro funde a 1500ºC. No se solidifica instantáneamente, sino que se produce un proceso de

cristalización en distintos núcleos, con redes que se superponen en distintas direcciones. Las líneas que separan redes no estarán ordenadas, por lo que serán débiles, generando roturas anormales y ataques a los aceros. Ejemplo: se explican roturas anormales como la del desprendimiento del motor del Boeing por una corrosión de estas líneas, que no se apreciaba. PROPIEDADES Introducción - Influencia de la forma del elemento y de las solicitaciones: La forma influye en la resistencia en cuanto a las solicitaciones. La forma cambia su comportamiento mecánico (más pronunciado que el hormigón). - Antecedentes de las acciones sufridas: Si al pedir un acero de 5500kg/cm2 a la rotura ofrecen uno de 9000 es debido a tratamientos térmicos como el temple (calentamiento al rojo y enfriamiento brusco) que tiene el inconveniente de la rotura frágil, o tratamientos mecánicos como los aceros trefilados, prohibidos en construcción, se trata de un estiramiento en frío.

- Control y ensayos: Cuando se dan valores anómalos de resistencia hay que sospechar de uno de estos tratamientos para rechazar el metal. Físicas - Densidades muy variables: Se considerará la densidad real, que es la misma que la aparente, ya que no tienen poros.

Plomo >12 Hierro / acero 7’75 Aluminio / cinc 2 - Térmicas: Conductividad elevada, transmite la temperatura con facilidad, como consecuencia aparece la dilatación, por eso es muy importante dejar las juntas de dilatación en edificios (cada 25m). El problema aparece en construcciones confinadas (ejemplo: lucernarios), donde la estructura puede llegar a romper los muros a los que se ancla (se generan toneladas de carga), por los saltos térmicos. Por eso se deja un apoyo fijo (rígido) y otro que permite el movimiento. En las estructuras corridas rematadas en un edificio también hay que tener en cuenta que los apoyos se rigidizan al resumir los anclajes de las cerchas en un pilar, por lo que puede empujar el empotramiento en el edificio, rompiéndolo. - Eléctrica: Lo mismo que para la anterior. El mejor conductor es el platinio, aunque el que mejor calidad – precio tiene es el cobre o el aluminio.

Mecánicas - Dureza: Oposición de un material a ser rayado o penetrado por otro. En el caso de la penetración aparecen tres tipos: Brillell (por cono), Rockwell (cono con punta redondeada) o Vickers (pirámide). A partir de la dureza a la penetración se obtienen las tablas de la resistencia. Sirve para medir la resistencia de una estructura para rehabilitarla, sin necesidad de tomar muestras (imposible), usando una máquina Rockwell, que es la más usual. - Compresión: Menos usual que la tracción. - Tracción: Es la más usual. En el diagrama tensión deformación se pueden apreciar algunos estados característicos de los metales. t def El Fl Pl

Zona elástica: En esta fase, la estructura recupera su forma inicial, cuando cesa la tensión que provocó la deformación. Hook – la tensión y la deformación son proporcionales.

Zona de fluencia: Se ha llegado a una tensión en la que ya no se recupera la forma inicial. La tensión y la deformación no son proporcionales.

Zona plástica: Las deformaciones se acumulan produciendo una gran flecha, no interesa en construcción. Valores fundamentales que se deben dar en un metal: · Límite elástico: Tensión hasta la cual el comportamiento del metal es elástico. Paso este límite las deformaciones son remanentes (se acumulan) pero queda margen hasta la rotura.

· Carga de rotura: Carga máxima que produce la rotura. · Alargamiento: %

En la zona plástica aparecen dos propiedades: - Ductilidad: Se pueden estirar.

- Maleabilidad: Se pueden formar chapas, porque se deforman. Los perfiles se producen en la zona plástica, donde se les puede dar forma. El metal que

apenas tiene zona plástica rompe enseguida, sin avisar (sin deformaciones previas), por lo que recibe el nombre de frágil, son inservibles (ejemplo: Puente de Triana, pasada una determinada carga rompe sin avisar, por eso se le puso un nuevo tablero).

Los materiales estirados en frío tienen zona plástica, que era en la que se produce la deformación, estando más cerca de la rotura. Es peligroso porque rompen sin avisar, debido a que la deformación ya se ha producido.

- Choque: Resistencia que ofrece un material hasta romperse. - Resiliencia / tenacidad: La tenacidad es el área que ocupa la gráfica en la zona plástica (la energía del choque se absorbe sin deformarse), mientras que la residencia es el área de la zona elástica, hasta la rotura. - Soldabilidad - Fatiga: Siempre se ha estado hablando de rotura instantánea, pero en la industria se estudia principalmente la fatiga, cuando los esfuerzos son continuados, de los siguientes tipos:

· Alternativa: De tipo sinusoide, centrado en el eje x. Se alternan tracción + con compresión -.

· Intermitente: Solo se produce un esfuerzo, que desaparece temporalmente (la gráfica llega a 0). De tipo sinusoide + o – apoyado en el eje x.

· Pulsatorio: Se produce un solo esfuerzo, que nunca desaparece completamente. De tipo sinusoide + o -, separado del eje x. Es el más normal en construcción porque la estructura siempre soporta su peso.

Límite de fatiga: Así se explica que cuando se producen tensiones altas se reduce la vida del metal, alargándose con las bajas. El límite de fatiga es una tensión por debajo de la cual el número de ciclos que se puede repetir un esfuerzo tiende a infinito (una asíntota en la gráfica tensión / número de ciclos).

- Doblado / redoblado: Es la posibilidad de doblar un metal (zona plástica) sin producir daños. Cuando se producen pequeñas fisuras se debe a metales frágiles o por el mandril (diferente sección). El acero, por ejemplo, se puede doblar y desdoblar, lo contrario del cobre (tuberías), que no se puede doblar, por eso hay piezas en ángulo. METALURGIA La extracción de los metales se hace a partir de los minerales, en los que se distinguen dos partes:

- Mena: Parte de metal Fe2SO3. - Ganga: No sirve para nada. La riqueza del material vendrá dada por su proporción de mena, que dará el coste. El proceso

preliminar consiste en conseguir separar la mena de la ganga. Proceso de afino

El material se obtiene con impurezas, por eso se somete a varios tratamientos de tipo electrostático, según el tipo de impureza:

MO Óxido: Reacciona con el carbono produciendo CO2 + M (metal) CO3M Carbonato: Igual que la caliza, se calienta formando CO2 + MO (tipo anterior). SM Sulfato: El metal se obtiene calentando el compuesto, se forma M + SO2 (para hacer

ácido sulfúrico). Si no se purifican, las impurezas pueden llegar a dañar el metal. Por ejemplo: en las tuberías de

cobre o en el aluminio la presencia de impurezas produce fragilidad, rotura y mal trabajo del material (debe ser completamente puro). Moldeo Para dar forma a un metal, puesto que se obtiene en cubilotes, tenemos las siguientes técnicas: - Forja: Puede ser:

· En caliente: Es la tradicional de la región andaluza y extremeña, a partir del siglo XVI. Es una técnica artesanal que consiste en calentar el metal y mediante golpeo de martillo se le da forma (se ve porque los bordes no son rectilíneos).

· En frío: Tiene que ver con el trabajo de producción de coches, electrodomésticos y chapas de puertas. Consiste en pasar una bobina de metal por una prensa con la forma deseada, pistones de 50T para el aplastamiento de la chapa. Si fuese necesario, se calienta la chapa con la forma dada para que los cubos de la estructura recuperen la forma y por tanto su resistencia.

- Laminación: Se basa en dos rulos o rodillos que giran en la misma dirección, permitiendo el avance del metal que debe estar al rojo. El material sale con un espesor menor al que entró, pero no se cambia de forma bruscamente, para no alterar la estructura, sino que se hace pasar la masa del metal por una gran cantidad de rulos consecutivos que le dan forma progresivamente y así evitar las tensiones que producen las deformaciones instantáneas. En los trenes de laminado puede haber rodillos perpendiculares a los anteriores que le dan forma al metal (ejemplo: tuberías), pudiendo tener rugosidades o dibujos. Las tuberías se cortan a la longitud deseada, después de haberse soldado la lámina doblada. - Trefilado: Se refiere al estirado en frío de una barra. Surgen estructuras aplastadas y alargadas, apareciendo la frágil. No está permitido. - Fundición / fusión: Se usa para hacer calentadores, columnas metálicas, tapas de alcantarillas, etc. Se trata de moldes en los que se inyecta el metal líquido. El material se funde en hornos de cubilotes, para grandes cantidades, si son materiales preciosos se usan pequeños crisoles. Se incluyen correctores de afino y otros materiales que mejoran su calidad. La escoria queda en la parte superior, mientras que le metal se saca por la piquera, en la parte inferior.

· Primera: Se introduce directamente en un molde. No es recomendable porque aparecen poros por gases e impurezas.

· Segunda: Se somete a una segunda fusión antes de introducirlo en el molde, para que sea de gran calidad.

Mecanizado

Una vez terminado el proceso (normalmente laminado) hay que mecanizar las piezas. Antes, cuando había que unir piezas se soldaban, pero ahora se atornillan, unión de mejor calidad. Por esto, las piezas deben de traer de fábrica aperturas para introducir los tornillos. A esto es lo que se llama mecanizado, aunque también afecta a la forma de las piezas.

Los taladros se recogen en la norma por su tamaño, para que no haya holgura y evitar que el tornillo gire. HIERRO Es un metal de tonalidad blanca brillante, muy blando. Nunca se utiliza solo. Punto de fusión

Se caracteriza porque funde a 1537º. Estructura

Se puede presentar de forma cúbica de cuerpo centrado o por la halotropía con átomos centrados en las caras del cubo. La estructura parece según la temperatura, siempre que el enfriamiento se produzca de forma lenta (como los cristales). > 1537º Estado líquido 1537-1401º Hierro delta: Cúbica de cuerpo centrado. 1491-907º Hierro gamma: Cúbica de caras centradas. < 907º Hierro alfa: Cúbica de cuerpo centrado.

Ejemplo: En un incendio de una nave industrial de estructura metálica los bomberos dicen que se han alcanzado los 1000º y se ha enfriado lentamente, por lo que recupera su forma inicial, no hace falta tirar la estructura. Si se ha enfriado rápidamente no recupera la forma inicial, habrá que tirar la estructura porque es frágil.

Las estructuras son versátiles, se pueden volver a calentar y enfriar lentamente para que puedan recuperar la estructura.

Cuando se hacen chapas se calientan a 500-600º y se enfrían lentamente para que se recupere la estructura, que se deformó en el prensado. A esto se llama normalizado de la estructura. La calidad del acero se fundamenta en tratamientos térmicos. Aleaciones Incorporación de otro compuesto al metal de origen para cambiar o mejorar sus propiedades. - Acero: El hierro es un metal blando, por eso se mezcla con carbono. Se llama acero cuando tiene de 0’05 a 2% de carbono. El acero usado en construcción tiene una proporción <0’25% de carbono. Cuanto mayor sea el contenido de carbono, más resistencia tiene, pero se hace más frágil, por eso se limita a ese porcentaje en construcción porque son resistentes y suaves, muy trabajables. · Ordinarios: Solo se mezcla el hierro con el carbono. · Especiales: Cuando se incorporan otros materiales para:

- Mejorar su resistencia Manganeso, banatio, titanio, molideno, tucteno (wolframio).

- Para que sea acero inoxidable Cromo o níquel. Los mejores son la mezcla de 18% de cromo y 8% de níquel.

- Fundición: Se llama así cuando el porcentaje de carbono es superior al 2% e inferior a 6’67%, la máxima permitida. Las fundiciones son muy duras, resistentes y frágiles. Cuando se golpea no se deforma, se rompe sin avisar (piezas de fundición). Ejemplo: Puente de Triana. · Ordinario: Solo carbono. · Especiales: Otros. - Compuestos: En las aleaciones hierro – carbono hay compuestos de base.

· Ferrita: Estructura de hierro alfa cuyo máximo contenido en carbono es inferior a 0’1%. Tendrá resistencia baja y será muy trabajable.

· Austenita: Hierro gamma de hasta 2% de carbono. No es estable a temperatura ambiente, por lo que la estructura se ha congelado. Son para la industria, con hierros transformados. Será resistente y frágil.

· Cementita: Compuesto que tiene hasta 6’67% de carbono. Es muy resistente y frágil. · Perlita: Mezcla de ferrita y cementita hasta 0’8% de carbono. Será resistente y de cierta fragilidad.

· Lederburita: Mezcla de austenita y cementita alrededor del 4% de carbono. Ejemplos: El acero normal de construcción tiene 0’25% de carbono, por lo que estará compuesto por un 14% de perlita y el resto de ferrita gasta completar el 0’25% de carbono Es un acero resistente y trabajable.

Para el acero de 1% se usa perlita, pero como solo llega al 0’8% se compensa hasta el 1% con cementita. La ferrita va incluida en la perlita. Mayor resistencia y fragilidad.

Para un acero del 3% hay que decir que es una aleación por fundición que tiene mayor proporción de cementita que de perlita.

Afinado

El hierro se obtiene en altos hornos, de hasta 40m de altura y 8m de diámetro. Se cargan por arriba mediante carretillas, abriendo un pistón con su peso. El metal atraviesa capas de caliza y carbón hasta llegar a la zona del crisol (hasta 2000º).

En la parte de arriba se queda la escoria, que sale por la bigotera que se enfría y sirve para la industria del cemento (escorias siderúrgica), mientras que el hierro o arrabio sale por la piquera con un porcentaje de carbono del 2’5 y 3’5% de carbono. Para obtener hierro para construcción (0’25%) hay que afinarlos mediante varios procedimientos:

- Convertidores / hornos de afino: Están prohibidos los antiguos de Bessemer o los Thomas. Se permiten convertidores de oxígeno (L-D), que están recubiertos de ladrillos refractarios y chapas metálicas. En ellos se carga el metal fundido, se sopla con el oxígeno y se vuelca. El oxígeno puro reacciona con el carbono formando CO2 (sale una llama). Se controla la pureza y se añaden otros materiales para hacer aceros especiales. El proceso dura media hora.

- Procedimiento Martin – Siemens (americano): Es el de mejor calidad. Se usa una cuba de 2000T en la que se introduce el metal fundido. Se pueden incorporar otros materiales, como la chatarra. Dura horas, tiempo en el que se puede controlar la calidad. - Horno eléctrico (España, Fundición de Alcalá, que funciona con chatarra): Tiene dos partes. Se abre la superior y se introduce la chatarra troceada por cuchillas. Se añaden compuestos para compensar lo que le falta a la chatarra. En la parte superior hay tres nodos por los que pasa la corriente eléctrica, fundiendo el metal. El acero sale en lingotes, que se calientan al rojo para laminarlos según varios métodos:

- Desbastes planos: chapas - Desbastes: perfiles de construcción - Trenes de palanquilla: barras

APLICACIONES DEL ACERO Tipos - Barras corrugadas: Para el hormigón armado. Los resaltes o corrugas mejoran la adherencia al hormigón. - Mallas electrosoldadas: Barras formando una malla reticular de cuadrados o rectángulos con soldaduras en los puntos de unión. - Armaduras básicas electrosoldadas en celosía Diámetros nominales Barras corrugadas 6-8 (estribos) 10-12-14-16 (estructura) 20-25-32 y 40mm Alambres corrugados 5-5’5-6-6’5-7-7’5-8-8’5-9-9’5-10-10’5-11-11’5-12 y 14mm Armaduras en celosía 5-6-7-8-9-10-12mm Empleo de 4 y 4’5mm están prohibidos. Mejor que en obra no haya variaciones de barras porque puede haber confusión. Si hay de 12mm y 14, ésta última pasa a ser de 16mm para diferenciarlas. Si se pide Ø16mm y solamente queda Ø14mm se usan dos barras atadas con alambres, pero solo como casos excepcionales.