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Página 1 de 53 INTRODUCCIÓN A LA CIENCIA Y TECNOLOGÍA DE LOS MATERIALES LOS PRIMEROS MATERIALES AVANCES RECIENTES MATERIALES E INGENIERÍA TIPOS DE MATERIALES ¿CÓMO ELEGIR UN MATERIAL? COMPETENCIA ENTRE LOS MATERIALES FUTURAS TENDENCIAS EN EL USO DE LOS MATERIALES LOS PRIMEROS MATERIALES El hombre primitivo utilizaba instrumentos naturales tal como los encontraba. Una rama podía ser un excelente garrote y una piedra, un inmejorable proyectil. Con el tiempo, descubrió nuevos materiales y aprendió a tallarlos y a pulirlos. Sin embargo, las piedras y maderas no modificaban su composición. Por otra parte, observando aprendió que en la naturaleza se producían cambios profundos: un rayo era capaz de incendiar un bosque, el jugo de frutas se fermentaba, convirtiéndose en una bebida estimulante. La posibilidad de beneficiarse con estos fenómenos se hizo realidad cuando el hombre fue capaz de producir y mantener el fuego. Así, y sin quererlo, se convirtió en un químico apto para quemar la madera y producir con el calor generado nuevos cambios (cocinar la comida, etc.) Los primeros materiales que usó el hombre eran universales, en el sentido de que se encontraban en cualquier parte: maderas, huesos, pieles, piedras... De todos ellos, la piedra era el más duradero, por eso los instrumentos de piedra tallada son los documentos más claros de que se dispone en la actualidad, para conocer aquel período llamado, precisamente, Edad de la Piedra. Hacia el año 8000 a.C. se produjeron otros cambios: el hombre aprendió a criar animales y a cultivar las plantas, dejó de ser nómade y se hizo sedentario, considerándose este hecho el comienzo de la civilización. El hombre aprendió a preparar cerveza y vino, así como ahumar las carnes para conservarlas. También, atraído por el color o el brillo que tenían y a pesar de que buscarlos y obtenerlos resultaba complicado, el hombre descubrió los primeros metales. Las ventajas de estos materiales fueron aprovechadas con rapidez: el cobre, que fue el primer metal explotado, resultaba un material maleable y resistente. Comprobó también, que al calentarlo con otro metal, el estaño, obtuvo una mezcla sorprendente: el bronce, que le dio nombre a la etapa siguiente: Edad del Bronce. Luego fue descubierto un nuevo metal, el hierro, que aunque escaso resultaba más duro que el bronce. Se inicia así la Edad del Hierro: en esta etapa el desafío fue el perfeccionamiento de las técnicas de fundición, a través de las cuales se pudo extraer hi erro de las “piedras” que lo contenían. Una de las teorías acerca del origen de la palabra Química evoca este momento; vendría a significar “arte de fundir los metales” o “arte de la metalurgia”. Desde el hombre primitivo a nuestros días, se han sucedido numerosos cambios. Los materiales no sólo se obtienen de la naturaleza sino que también se sintetizan de manera artificial. Materiales: a) naturales, b) artificiales (manufacturados)
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INTRODUCCIÓN A LA CIENCIA Y TECNOLOGÍA DE LOS MATERIALES
LOS PRIMEROS MATERIALES
AVANCES RECIENTES
MATERIALES E INGENIERÍA
TIPOS DE MATERIALES
¿CÓMO ELEGIR UN MATERIAL?
COMPETENCIA ENTRE LOS MATERIALES
FUTURAS TENDENCIAS EN EL USO DE LOS MATERIALES
LOS PRIMEROS MATERIALES
El hombre primitivo utilizaba instrumentos naturales tal como los encontraba. Una rama podía
ser un excelente garrote y una piedra, un inmejorable proyectil. Con el tiempo, descubrió
nuevos materiales y aprendió a tallarlos y a pulirlos. Sin embargo, las piedras y maderas no
modificaban su composición.
Por otra parte, observando aprendió que en la naturaleza se producían cambios profundos: un
rayo era capaz de incendiar un bosque, el jugo de frutas se fermentaba, convirtiéndose en una
bebida estimulante. La posibilidad de beneficiarse con estos fenómenos se hizo realidad
cuando el hombre fue capaz de producir y mantener el fuego. Así, y sin quererlo, se convirtió
en un químico apto para quemar la madera y producir con el calor generado nuevos cambios
(cocinar la comida, etc.)
Los primeros materiales que usó el hombre
eran universales, en el sentido de que se
encontraban en cualquier parte: maderas,
huesos, pieles, piedras... De todos ellos, la
piedra era el más duradero, por eso los
instrumentos de piedra tallada son los
documentos más claros de que se dispone
en la actualidad, para conocer aquel
período llamado, precisamente, Edad de la
Piedra.
Hacia el año 8000 a.C. se produjeron otros cambios: el hombre aprendió a criar animales y a
cultivar las plantas, dejó de ser nómade y se hizo sedentario, considerándose este hecho el
comienzo de la civilización. El hombre aprendió a preparar cerveza y vino, así como ahumar las
carnes para conservarlas. También, atraído por el color o el brillo que tenían y a pesar de que
buscarlos y obtenerlos resultaba complicado, el hombre descubrió los primeros metales.
Las ventajas de estos materiales fueron aprovechadas con rapidez: el cobre, que fue el primer
metal explotado, resultaba un material maleable y resistente. Comprobó también, que al
calentarlo con otro metal, el estaño, obtuvo una mezcla sorprendente: el bronce, que le dio
nombre a la etapa siguiente: Edad del Bronce.
Luego fue descubierto un nuevo metal, el hierro, que aunque escaso resultaba más duro que el
bronce. Se inicia así la Edad del Hierro: en esta etapa el desafío fue el perfeccionamiento de
las técnicas de fundición, a través de las cuales se pudo extraer hierro de las “piedras” que lo
contenían.
Una de las teorías acerca del origen de la palabra Química evoca este momento; vendría a
significar “arte de fundir los metales” o “arte de la metalurgia”.
Desde el hombre primitivo a nuestros días, se han sucedido numerosos cambios. Los
materiales no sólo se obtienen de la naturaleza sino que también se sintetizan de manera
artificial. Materiales: a) naturales, b) artificiales (manufacturados)
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Materiales férricos son los que tienen como elemento básico constitutivo el hierro, combinado
con distintos porcentajes de otros elementos que modifican sus propiedades. Se puede afirmar
que el primer pueblo que utilizó masivamente el hierro fueron los hititas, en Asia Menor, hace
3.700 años. A partir de allí y hasta fines de la Edad Media, no hubo grandes avances en la
tecnología siderúrgica. Sólo a partir del siglo XIX se comenzaron a inventar los procesos de
fabricación que permitieron su producción en gran escala y de mejor calidad, hecho que
coincide con la Revolución Industrial (energía).
Los metales no férricos fueron usados por el hombre aún antes de que se descubriera el hierro.
Las aleaciones cobraron mucha importancia en la fabricación de utensilios. El valor que le
otorgaron los aborígenes americanos a los metales fue principalmente ritual y decorativo, y con
ese fin prefirieron trabajar el oro.
AVANCES RECIENTES
El rápido desarrollo de los semiconductores para la industria electrónica, que comenzó a
principios de la década de 1960, dio el primer gran impulso a la ciencia de materiales. Después
de descubrir que se podía conseguir que materiales no metálicos como el silicio condujeran la
electricidad de un modo imposible en los metales, científicos e ingenieros diseñaron métodos
para fabricar miles de minúsculos circuitos integrados en un pequeño chip de silicio. Esto hizo
posible la miniaturización de los componentes de aparatos electrónicos como los ordenadores
o computadoras. A finales de la década de 1980, la ciencia de los materiales tomó un nuevo
auge con el descubrimiento de materiales cerámicos que presentan superconductividad a
temperaturas más elevadas que los metales. Si se consigue encontrar nuevos materiales que
sean superconductores a temperaturas suficientemente altas, serán posibles nuevas
aplicaciones, como trenes de levitación magnética o computadoras ultrarrápidas. Aunque los
últimos avances de la ciencia de materiales se han centrado sobre todo en las propiedades
eléctricas, las propiedades mecánicas siguen teniendo una gran importancia. En la industria
aeronáutica, por ejemplo, los científicos han desarrollado —y los ingenieros han probado—
materiales compuestos no metálicos, más ligeros, resistentes y fáciles de fabricar que las
aleaciones de aluminio y los demás metales actualmente empleados para los fuselajes de los
aviones.
MATERIALES E INGENIERÍA
Los materiales son las sustancias que componen cualquier cosa o producto.
Desde el comienzo de la civilización, los materiales junto con la energía han sido utilizados por
el hombre para mejorar su nivel de vida.
Como los productos están fabricados a base de materiales, éstos se encuentran en todas
partes alrededor nuestro.
Los más comúnmente encontrados son: madera, hormigón, ladrillo, acero, plástico, vidrio,
caucho, aluminio, cobre y papel. Debido a los programas de investigación y desarrollo, se están
creando continuamente nuevos materiales.
La producción de nuevos materiales y el procesado de éstos hasta convertirlos en productos
acabados, constituyen una parte importante de nuestra economía actual. Los ingenieros
diseñan la mayoría de los productos manufacturados y los procesos necesarios para su
fabricación.
Puesto que la producción necesita materiales, los ingenieros deben conocer de la estructura
interna y propiedades de los materiales, de modo que sean capaces de seleccionar el más
adecuado para cada aplicación y también capaces de desarrollar los mejores métodos de
procesado.
La manera en que están ordenadas las moléculas de un material como, por ejemplo, un cristal,
determina sus propiedades. Si un material es sometido a cambios externos, como variaciones
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en la temperatura, la presión o la irradiación, puede modificarse la estructura y, por tanto, se
obtienen nuevas propiedades y nuevas posibles aplicaciones.
El objetivo principal de un científico y un ingeniero en materiales es desarrollar materiales o
dispositivos que tengan la máxima eficiencia para determinada aplicación. En la mayoría de los
casos, la relación desempeño a costo es de suma importancia.
Este tetraedro de la ciencia e ingeniería de los materiales, representa el corazón y el alma de
este campo.
El concepto desempeño/costo se encuentra en el ápice del tetraedro.
Los 3 vértices representan:
(A) la composición
(B) la microestructura
(C) la síntesis y el procesamiento de
los materiales.
Todos ellos están interconectados y en
último término afectan la relación de
desempeño a costo de un material o
dispositivo.
La estructura de los materiales tiene
una influencia profunda en muchas de
sus propiedades, aún cuando no
cambie la composición general.
Aplicación del tetraedro de la ciencia
A) Los superconductores cerámicos (a
base de óxido de itrio, bario y cobre:
YBCO pueden conducir corriente
eléctrica bajo ciertas condiciones
(bajas temperaturas < 150K)
1) Se trata de “mejorarlos” para
a) mantener propiedades a temperaturas mayores
b) transportar gran cantidad de corriente a gran distancia.
2) Se trata de fabricar tramos largos de superconductores que tengan baja fragilidad aplicando
técnicas de procesamiento de materiales.
B) Si se toma un alambre de cobre puro y se dobla en forma repetida, el alambre no sólo se
endurece, sino también se vuelve cada vez más frágil. Al final, el alambre de cobre puro se
vuelve tan duro y frágil, que se rompe. La resistencia eléctrica del alambre también aumenta al
doblarlo en forma repetida. En este ejemplo, no se cambió la composición del material, es
decir, su constitución química.
Los cambios en las propiedades del material se deben a un cambio en su estructura
interna o microestructura.
CIENCIA DE MATERIALES: búsqueda de conocimientos básicos acerca de la estructura
interna, propiedades y procesado de los materiales.
INGENIERÍA DE MATERIALES: uso de los conocimientos fundamentales y aplicados sobre los
materiales, de modo que los materiales puedan ser convertidos en productos necesarios o
requeridos por la sociedad.
No hay una frontera definida entre ambas.
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TIPOS DE MATERIALES
Están divididos en tres grupos principales: materiales metálicos, poliméricos y cerámicos.
Materiales metálicos
Son sustancias inorgánicas que están compuestas de uno o más elementos metálicos,
pudiendo contener también algunos elementos no metálicos. Elementos metálicos: Fe, Cu, Al,
Ni, Ti. Elementos no metálicos: C, N, O.
Los metales tienen una estructura cristalina en la que los átomos están dispuestos de manera
ordenada. Son en general buenos conductores eléctricos y térmicos. Muchos metales son
relativamente resistentes y dúctiles a temperatura ambiente y otros mantienen alta resistencia,
incluso a elevadas temperaturas.
Son particularmente útiles en aplicaciones estructurales o de carga.
Las aleaciones se dividen normalmente en dos clases: aleaciones férreas que contienen un
alto porcentaje de Fe, como el acero y el hierro fundido y aleaciones no férreas, que carecen
de Fe o sólo contienen cantidades relativamente pequeñas. Metales no ferrosos: Al Cu, Zn, Ti,
Ni.
Materiales poliméricos
Están formados por largas cadenas de moléculas orgánicas o redes. Estructuralmente, la
mayoría de los materiales poliméricos no son cristalinos, pero algunos constan de mezclas de
regiones cristalinas y no cristalinas. La rigidez y ductilidad de los materiales poliméricos varía
ostensiblemente.
En éstos se incluyen el caucho (o hule), los plásticos y muchos tipos de adhesivos. Se
producen creando grandes estructuras moleculares a partir de moléculas orgánicas obtenidas
del petróleo o productos agrícolas, en un proceso conocido como polimerización.
Debido a la naturaleza de su estructura interna los polímeros tienen baja conductividad
eléctrica y térmica, escasa resistencia mecánica y no se recomiendan para aplicaciones en
temperaturas elevadas (temperaturas de fluencia o ablandamiento y de descomposición
relativamente bajas). Algunos polímeros (los termoplásticos) presentan excelente ductilidad,
conformabilidad y resistencia al impacto, mientras otros (los termoestables) tienen las
propiedades opuestas.
Los polímeros son ligeros y con frecuencia cuentan con excelente resistencia a la corrosión.
Materiales cerámicos
Son materiales inorgánicos constituidos por elementos metálicos y no metálicos cohesionados
químicamente, como los ladrillos, el vidrio, la loza, los aislantes y los abrasivos, tienen escasa
conductividad tanto eléctrica como térmica, y aunque pueden tener buena resistencia y dureza,
son deficientes en ductilidad, conformabilidad y resistencia al impacto. Por lo anterior son
menos usados que los metales en aplicaciones estructurales. Presentan en su mayoría una
excelente resistencia a las altas temperaturas y a ciertas condiciones de corrosión. Muchos de
ellos tienen propiedades ópticas, eléctricas y térmicas excepcionales.
La ventaja de los materiales cerámicos para su uso en motores son: bajo peso, alta rigidez y
dureza, alta resistencia al calor y al desgaste, poca fricción y propiedades aislantes. Las
propiedades aislantes, junto con la alta resistencia al calor y al desgaste de muchos de los
cerámicos, los hace útiles en revestimientos de hornos para metales líquidos a alta temperatura
como el acero.
Una importante aplicación de los cerámicos son las placas cerámicas del trasbordador
espacial. Estos materiales cerámicos protegen térmicamente la estructura interna de aluminio
del trasbordador durante el lanzamiento y la reentrada a la atmósfera terrestre.
Materiales compuestos
Son mezclas de dos o más materiales que generan propiedades no obtenibles mediante uno
solo (ejemplos típicos aunque burdos: concreto, madera contrachapada y fibra de vidrio)
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Con los compuestos se fabrican materiales ligeros, resistentes, dúctiles, con resistencia a las
altas temperaturas que no pueden obtenerse de otro modo, o bien se elaboran herramientas de
corte muy resistentes al impacto que de otra manera serían quebradizas.
La mayoría de ellos constan de un determinado material reforzante y una resina compatible
aglomerante con objeto de obtener las características específicas y propiedades deseadas.
Normalmente, los componentes no se disuelven recíprocamente y pueden ser identificados
físicamente gracias a la interfase entre los componentes.
Pueden ser de muchos tipos. Algunos de los tipos predominantes son fibrosos (compuestos de
fibras en una matriz). Existen muchas combinaciones diferentes de refuerzos y matrices que se
pueden usar para producirles. Dos destacados tipos de materiales compuestos modernos son
la fibra de vidrio reforzada en matriz de poliéster o de epoxy, y las fibras de carbono en una
matriz epoxídica. Otro ejemplo de materiales compuestos es el sulfuro de polifenilo (PPS)
reforzado con fibra de vidrio para instalaciones en campos petrolíferos. Esta aplicación hace
uso de la excelente resistencia a la corrosión de este material.
EJEMPLOS REPRESENTATIVOS, APLICACIONES Y PROPIEDADES DE CADA
CATEGORÍA DE MATERIALES
METALES PROPIEDADES APLICACIONES
Cobre Alta conductividad eléctrica,
conformabilidad aceptable
Alambre para conductores
eléctricos
Hierro fundido gris Moldeabilidad, maquinabilidad,
absorción de vibraciones
Bloques para motores de
automóviles
Fe-30%Si Excelentes propiedades
ferromagnéticas Motores y generadores
CERÁMICOS
SiO2-Na2O-CaO Propiedades ópticas adecuadas
(transparencia) y aislante térmico Vidrios planos para ventanas
Al2O3, MgO,SiO2
Aislantes térmicos, alto punto de
fusión, relativamente inertes ante
el metal fundido
Refractarios para contener
metal fundido
Titanato de bario
Comportamiento piezoeléctrico
que convierte las vibraciones
(sonido) en electricidad
Transductores para
reproductores de
sonido(tocadiscos)
POLIMEROS
Polietileno
Fácilmente conformable en
delgadas películas flexibles e
impermeables
Empacado de alimentos
Epóxicos Buenos aislantes eléctricos y
resistentes a la humedad
Encapsulado de circuitos
integrados
Fenólicos Resistencia a las cargas y a la
humedad
Adhesivos para madera
contrachapada de uso
marítimo
MATERIALES
COMPUESTOS
Grafito en matriz epóxica Adecuada relación resistencia-
peso Componentes aeronaúticos
Carburo de Tungsteno en
matriz de cobalto
Alta dureza y buena resistencia al
impacto
Herramientas de corte para
maquinado
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Acero revestido de titanio
Bajo costo y alta resistencia del
acero, adecuada resistencia a la
corrosión proporcionada por el
titanio
Alojamientos de reactores
¿CÓMO ELEGIR UN MATERIAL?
Planteo de la relación entre la estructura interna de los materiales, sus propiedades, sus
usos y los métodos de procesado.
El aspecto fundamental que debe tomarse en cuenta cuando se requiere producir un
componente con una geometría y propiedades adecuadas, es el desempeño que éste tendría
durante su vida útil. Para poder hacer la mejor selección y diseño, debemos tomar en cuenta la
compleja relación entre la estructura interna del material, su procesamiento y sus propiedades
finales. Cuando alguno de los tres aspectos de esta relación cambia los otros dos se ven
afectados. Por lo que resulta ventajoso poder determinar la relación que existe entre estos tres
aspectos a fin de obtener el producto requerido.
En los procesos de diseño y construcción de objetos técnicos, nos vemos obligados a elegir
entre varios materiales para el desempeño de una determinada tarea.
Factores a considerar para la selección de un material:
1) Factibilidad de fabricación
2) Estabilidad dimensional
3) Compatibilidad con los demás materiales
4) Reciclabilidad
5) Impacto ambiental durante su fabricación y desecho
6) Costo de fabricación
Durante el proceso de diseño debemos considerar cómo afectará nuestro objeto al medio
ambiente, durante la construcción, la utilización y el desecho. El abuso de materiales no
reciclables puede acabar con los recursos y convertir nuestro entorno en un vertedero. Es por
ello que debemos plantearnos reciclar materiales disponibles para nuestros diseños, siempre
que esto sea posible.
ESTRUCTURA.
La estructura de un material puede considerarse en varios niveles, todos los cuales afectan el
comportamiento final del producto.
En el nivel más fundamental está la estructura de los átomos que componen el material. La
distribución de los electrones alrededor del núcleo atómico afecta de manera significativa los
comportamientos eléctrico, magnético, óptico y aún la resistencia a la corrosión. Además, el
arreglo electrónico influye en cómo se unen los átomos entre sí, lo cual determina que el
material sea un metal, cerámico o un polímero.
En el siguiente nivel se considera la organización de los átomos en el espacio. Los metales,
muchos cerámicos y algunos polímeros tienen una estructura atómica muy regular denominada
estructura cristalina. Tal configuración influye en las propiedades mecánicas de los metales,
como la ductilidad, la resistencia mecánica y la resistencia al impacto. Otros materiales como
los polímeros y ciertos cerámicos, no presentan una estructura atómica ordenada, por lo que
estos materiales amorfos o vítreos se comportan de manera diferente de los materiales
cristalinos. Por ejemplo el polietileno vítreo es transparente, mientras que el polietileno
cristalino es traslúcido.
Existe una estructura granular en la mayoría de los metales, en algunos cerámicos y
ocasionalmente en polímero. Entre los granos, el arreglo atómico cambia su orientación
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influyendo así en las propiedades. El tamaño y la forma de los granos desempeñan una función
primordial en este nivel.
Finalmente, en la mayoría de los materiales se presenta más de una fase, cada una de las
cuales tiene su propio arreglo atómico y propiedades. El control de tipo, tamaño, distribución y
cantidad de estas fases dentro del cuerpo principal del material, proporciona una manera
adicional de controlar las propiedades.
PROCESAMIENTO.
El procesamiento de un material por lo general afecta la estructura de éste. Por ejemplo,
una barra de cobre o acero fabricada por fundición tendrá una microestructura diferente a la de
una barra obtenida por conformado mecánico. La forma, tamaño y orientación de los granos
puede ser diferente. En las fundiciones se pueden observar huecos: (rechupes) debidos a la
contracción del metal durante la solidificación, burbujas de gas; partículas no metálicas
(inclusiones) y granos columnares o estructuras dendríticas desarrolladas en la pared del
molde hacia el centro de la pieza.
En el material
conformado
mecánicamente
las partículas no
metálicas se
deforman en la
dirección del flujo
al igual que los
granos, la
estructura
cristalina sufre
deformaciones
(texturizado).
La estructura y propiedades originales determinan la manera de procesar el material. Las
piezas de fundición que contengan huecos pueden sufrir agrietamiento durante un conformado
mecánico posterior. Las aleaciones que han sido endurecidas por alteraciones de la estructura
cristalina se vuelven "frágiles" y pueden fracturarse durante un conformado posterior.
En el caso de los polímeros, sus propiedades mecánicas están determinadas por su estructura
química y peso molecular. Propiedades como la resistencia a la tensión, módulo de Young, dureza y
facilidad de proceso requieren un valor de peso molecular mínimo para alcanzar el óptimo. Si bien la
resistencia mecánica aumenta con el peso molecular, la facilidad de procesamiento disminuye. Las
variables más importantes que determinan el estado físico de un polímero son la magnitud y
naturaleza de las restricciones al movimiento de sus cadenas moleculares, principalmente en el
estado amorfo; en cambio cuando existe cierto grado de cristalinidad el material se endurece,
aumentando su punto de fusión y propiedades mecánicas.
Las variables más importantes que determinan el
estado físico de un polímero son la magnitud y
naturaleza de las restricciones al movimiento de sus
cadenas moleculares, principalmente en el estado
amorfo; en cambio cuando existe cierto grado de
cristalinidad el material se endurece, aumentando su
punto de fusión y propiedades mecánicas.
Los polímeros clasificados como termoestables o
termofijos no pueden deformarse plásticamente,
mientras que los termoplásticos son fácilmente
deformables
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La viscosidad, que es una de las propiedades
más importantes de los polímeros, se ve
afectada por el grado de ramificación de sus
moléculas.
PROPIEDADES DE LOS MATERIALES.
El primero de los factores a tener en cuenta son las propiedades, en función de la misión que
tiene que desempeñar el objeto que estamos diseñando. Estas propiedades se refieren a
varios aspectos:
• Propiedades físicas.
• Propiedades químicas.
• Propiedades mecánicas.
• Propiedades eléctricas.
• Propiedades magnéticas.
• Propiedades ópticas.
• Propiedades estéticas.
• Propiedades ecológicas.
Propiedades físicas.
Las propiedades físicas se refieren a aspectos relacionadas con los fenómenos físicos que
afectan a los materiales, como el calor, o las dimensiones.
Densidad, conductividad térmica, dilatación térmica, etc.
Propiedades químicas
Las fundamentales son: la estabilidad química y la corrosividad
-Estabilidad química
Con esta propiedad se define si determinada sustancia tiende a reaccionar o a descomponerse
de manera espontánea al entrar en contacto con otra o si, por el contrario, para que reaccione
es necesaria una acción exterior.
-Corrosividad
Es el deterioro de las propiedades de un material como consecuencia de la acción de agentes
externos como el agua, el oxígeno, los ácidos, etc. Puede deberse a reacciones químicas o al
efecto de la solubilidad con el agente externo de alguna de las sustancias que componen el
material (lixiviación).
Propiedades mecánicas
Las propiedades mecánicas tienen que ver con el comportamiento que tienen los materiales
frente a los distintos esfuerzos mecánicos a los que son sometidos. Generalmente el material
se deforma temporal o permanentemente o se rompe; por lo tanto decimos que un material
resiste un determinado esfuerzo, cuando no se deforma excesivamente o no se rompe.
Ante un esfuerzo un material pude tener tres respuestas: deformarse elásticamente
(deformación reversible), deformarse plásticamente (deformación permanente) o romperse.
Estas son: Plasticidad (ductilidad y maleabilidad), resistencia a la tracción, a la compresión, a la
flexión, torsión, cizalladura o cortadura, dureza, tenacidad, fatiga, etc.
Propiedades eléctricas y magnéticas.
Las propiedades eléctricas definen el comportamiento de los materiales frente a la corriente
eléctrica y a los campos magnéticos respectivamente.
(Resistencia eléctrica; Magnetismo)
Propiedades ópticas.
Las propiedades ópticas hacen referencia al comportamiento de los materiales con respecto a
la luz. (Transparencia. Opacidad, Traslucidez, etc)
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Propiedades estéticas.
La estética es muy importante cuando realizamos un diseño, ya que no solo elegimos las cosas
por su funcionalidad, sino que también consideramos su aspecto. Hay artículos en los que el
aspecto es muy importante como en la ropa, y otros en los que es menos importante, como el
motor de un coche. (Textura Color)
Propiedades ecológicas.
Tienen en cuenta, fundamentalmente, el daño ambiental que puede producir tanto el uso como
la obtención de un material y su posterior eliminación: la contaminación atmosférica, la
generación de residuos no aprovechables, la utilización de energías no renovables, etc.
Asimismo, se procura que, una vez terminada la vida útil de un producto, éste pueda ser
recuperado y reciclado.
EFECTOS AMBIENTALES SOBRE LOS MATERIALES.
La mayoría de los materiales se encuentran expuestos a diferentes cambios ambientales y
climáticos como lo son: cambios en la temperatura, y cambios de las condiciones atmosféricas;
pero en algunos caso las mismas condiciones de servicio requieren materiales expuestos a
condiciones extremas como es el caso particular de las álabes de turbinas de avión. Se puede
hablar también de medio circundante para que tengan cabida situaciones en las que un
material está dentro de por ejemplo un reactor, un aparato, etc.
El tipo de fuerza o carga que actúa en el material puede cambiar radicalmente su
comportamiento. Por lo común el esfuerzo de fluencia, por arriba del cual el material
experimenta un cambio permanente en sus dimensiones, es la propiedad más crítica y suele
ser la consideración más importante en el diseño de un componente. De cualquier modo, un
material con alto esfuerzo de fluencia puede fallar fácilmente con cargas menores si la carga es
cíclica (falla por fatiga) o se aplica súbitamente (falla por impacto). El ingeniero debe reconocer
el tipo de carga a la que se somete el material.
Temperatura.
Los cambios en la temperatura pueden causar alteraciones considerables de las propiedades
de los materiales, debidos principalmente a:
• Reblandecimiento
• Degradación
• Transformaciones de fases
• Fragilización
La resistencia de la mayoría de los materiales disminuye conforme la temperatura aumenta.
Además, pueden ocurrir cambios súbitos desastrosos cuando se calientan por encima de sus
temperaturas críticas.
Los metales que han sido endurecidos por
cierto tratamiento térmico o mediante alguna
técnica de conformado, pueden perder
repentinamente su resistencia cuando son
calentados. Las temperaturas muy bajas
pueden causar que el metal falle por fragilidad
aún cuando la carga aplicada sea baja. Las
temperaturas altas también pueden modificar
la estructura de las sustancias cerámicas o
provocar que los polímeros se derritan o
carbonicen.
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Atmósfera.
La mayoría de los polímeros y de los metales reaccionan con el oxígeno y otros gases
particularmente a temperaturas elevadas. Algunos metales y cerámicos pueden desintegrarse
severamente, o ser atacados químicamente, mientras otros se pueden autoproteger. Los
polímeros suelen endurecerse o depolimerizarse, tostarse o quemarse. Los aceros pueden
reaccionar con el hidrógeno y volverse frágiles.
Corrosión.
Los metales son atacados por diversos líquidos corrosivos siendo degradados uniforme o
selectivamente, pudiendo desarrollar grietas o picaduras que conducen a una falla prematura.
Las sustancias cerámicas son atacadas por cerámicos en estado líquido, mientras que los
polímeros pueden ser disueltos por solventes orgánicos.
Radiación.
La radiación de alta energía, como la de los neutrones producidos en un reactor nuclear, puede
atacar la estructura interna de los materiales ocasionando pérdida de resistencia, fragilidad o
alteración crítica de las propiedades físicas. La dilatación producida por cavidades y burbujas
de origen radiactivo, puede ocasionar cambios en las dimensiones externas y aún
agrietamiento.
COMPETICIÓN ENTRE MATERIALES.
Los materiales compiten unos con otros por su existencia y los nuevos mercados. De unos a
otros períodos de tiempo, aparecen muchos factores que hacen posible la sustitución de un
material por otro para ciertas aplicaciones. Evidentemente, el costo es un factor. Si se hace un
descubrimiento importante en el procesado de un cierto tipo de material, de manera que su
costo se abarate sustancialmente, este material puede reemplazar a otro en ciertas
aplicaciones. Otro factor que da lugar al reemplazamiento de los materiales es el desarrollo de
un nuevo material con propiedades especiales para algunas aplicaciones. Como resultado, a la
vuelta de un cierto período de tiempo, encontramos que los materiales han cambiado.
La elección del tipo de material apropiado es a veces obvia y sencilla. Un dispositivo
electrónico de estado sólido requiere un componente semiconductor, y tanto los conductores
como los aislantes son inapropiados para esta aplicación. En la figura se muestra la secuencia
de elecciones necesarias para realizar una selección final siendo el tipo de material adecuado
para la fabricación de una botella convencional de gas comprimido.
Resistencia Ductilidad Costo
Se
lec
ció
n F
ina
l
METALES
CERAMICOS
POLIMEROS
SEMICONDUCTORES
MATERIALES
COMPUESTOS
Al igual que un metal es un sustituto inadecuado para un semiconductor, los materiales
semiconductores no pueden tenerse en cuenta para aplicaciones estructurales corrientes. De
los tres tipos de materiales estructurales más comunes (metales, cerámicos y polímeros), los
polímeros deberán rechazarse inicialmente debido a su resistencia típicamente baja. Aunque
algunos cerámicos estructurales pueden resistir la carga prevista en servicio, en la práctica
carecen de la ductilidad necesaria para soportar el manejo a que se verán sometidos. La
utilización de un material tan frágil en un recipiente a presión puede ser muy peligrosa. Algunos
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metales comunes proporcionan la suficiente resistencia y ductilidad, resultando ser excelentes
candidatos. Debe indicarse también que muchos materiales compuestos reforzados con fibras
pueden satisfacer los requisitos de diseño. Sin embargo, un tercer criterio, el coste, los elimina
de la competición. El coste adicional de fabricar esos materiales más sofisticados sólo está
justificando cuando proporciona una ventaja especial. La reducción del peso es una de las
ventajas que frecuentemente justifica el coste. Sin embargo para la botella de gas comprimido,
el material que se selecciona en la práctica es el metal.
Selección de un metal óptimo
Una vez que se ha deducido la selección a los metales, todavía se tiene una enorme lista de
posibles materiales, incluso haciendo la consideración de que las aleaciones están
comercialmente disponibles y poseen un precio moderado, con propiedades mecánicas
aceptables, la lista de candidatos puede ser grande.
En el siguiente esquema se muestra el proceso sistemático de selección hasta llegar a una
aleación específica (A414-Grado G de ASTM):
Al hacer la selección de la aleación final deben realizarse comparaciones entre las propiedades
en cada paso de la trayectoria. Las mejores propiedades mecánicas pueden dominar en la
selección en determinadas alternativas en la trayectoria, pero más a menudo lo que domina es
el coste. Las características mecánicas generalmente se concentran en una solución de
compromiso entre la resistencia del material y su capacidad de deformación.
Selección de un material sustituto de un metal
Al seleccionar el material para la botella de gas comprimido, el coste determinó la elección de
los metales frente a los materiales compuestos. En muchas aplicaciones aeroespaciales, por
otro lado, la reducción del peso puede ser un factor crítico de diseño. Para recipientes a
presión en algunos aviones y cohetes la selección sería la siguiente:
Resistencia Ductilidad Costo
Se
lec
ció
n F
ina
l
METALES
CERAMICOS
POLIMEROS
SEMICONDUCTORES
MATERIALES
COMPUESTOS
METALES
ALEACIONES
FERREAS
FUNDICIONES
ACEROS
DE BAJA ALEACIÓN
DE ALTA ALEACIÓN
ASTM A414– Grado G
HIERRO +
0,31 % C
1,35 % Mn
0,035 % P
0,04 % S
NO FERROSAS
METAL PURO
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Se ve que el esquema un ejemplo de la sucesión en la elección de alternativas. La baja
densidad, más que el coste, es la que conduce a la selección final. Dentro de la familia de los
materiales compuestos tenemos la siguiente elección:
Aunque en este ejemplo tiene mayor importancia la densidad que el coste, la economía
continúa siendo el factor a considerar en cualquier diseño ingenieril. La reducción de costes es
parte integral del desarrollo actual en los nuevos sistemas de materiales compuestos. Esto es
especialmente cierto en la utilización de materiales compuestos avanzados para aplicaciones
estructurales más generales.
Materiales metálicos.
La producción USA de metales básicos tales como hierro, acero, aluminio, cobre, cinc y
magnesio, se espera siga fielmente la evolución de la economía en ese país. Sin embargo, las
aleaciones existentes pueden ser mejoradas por una química más optimizada y un mayor
control de la composición y técnicas de procesamiento.
Nuevas y mejoradas aleaciones aerospaciales, tales como las superaleaciones de base níquel
a alta temperatura, están siendo constantemente reformadas para aumentar su tenacidad a
altas temperaturas y su resistencia a la corrosión. Estas aleaciones se usan para motores de
aviones y se puede obtener un aumento en la eficiencia del motor operando a temperaturas
más altas. Nuevas técnicas de procesado como la presión isostática en caliente y la forja
isotérmica pueden conducir a mejorar la fatigosa vida de las aleaciones de aviones. Asimismo,
las técnicas de pulvimetalurgia continuarán siendo importantes, ya que se pueden optimizar las
propiedades de ciertas aleaciones con costes más reducidos en los productos elaborados. La
tecnología de solidificación rápida ya puede producir aleaciones metálicas en polvo
susceptibles de enfriamiento rápido, desde la fusión a velocidades tan altas como un millón de
grados centígrados por segundo. Estos polvos son consolidados en barras por varios procesos,
incluyendo la presión isostática en caliente. Por ejemplo, han sido producidas por este nuevo
proceso nuevas super-aleaciones de base de níquel a alta temperatura, aleaciones de aluminio
y de titanio.
Materiales poliméricos (materiales plásticos)
Históricamente, los materiales plásticos han sido el material básico de más rápido crecimiento
en los Estados Unidos durante los pasados años, con un índice de crecimiento del 9% por año
en peso. Teniendo en cuenta los costos competitivos, se espera que, con excepción del acero
laminado en caliente, los plásticos de ingeniería sean el material menos caro. Una importante
tendencia en el desarrollo de los plásticos de ingeniería es mezclar o alear diferentes
materiales poliméricos, así como producir nuevas aleaciones plásticas sinergísticas (sinergismo
MATERIALES COMPUESTOS
REFORZADOS
CON FIBRA
FIBRAS
NATURALES
FIBRAS
SINTETICAS METALICAS CERAMICAS VIDRIO POLIMERICAS
Fibras de araminda* Kevlar 49
devanada en una matriz epoxy
*Poliamida aromática
REFORZADOS
POR PARTICULAS
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significa que la acción cooperativa de agentes discretos es tal, que la suma de los efectos
totales es mayor que la suma de los efectos tomados independientemente).
Por ejemplo, en el período de junio de 1987 a junio de 1988, aproximadamente mil nuevas
resinas termoplásticas, aleaciones y componentes se introdujeron a nivel mundial. Las nuevas
aleaciones y mezclas plásticas supusieron el 10% de estas.
Materiales cerámicos.
El crecimiento histórico de los materiales cerámicos tradicionales tales como el barro, el vidrio y
la piedra en los Estados Unidos ha sido del 3,6% (1966 a 1980). En la pasada década, ha
hecho su aparición una nueva familia de cerámicos de ingeniería a base de nitruros, carburos y
óxidos. Se están encontrando constantemente nuevas aplicaciones para estos materiales,
particularmente para usos a alta temperatura y para cerámicos electrónicos. Los materiales
cerámicos son bajos en coste, pero su procesado hasta productos terminados es normalmente
lento y laborioso. Además, la mayoría de los materiales cerámicos se daña fácilmente por
impacto a causa de su baja o nula ductilidad. Si se pudieran encontrar nuevas técnicas para el
desarrollo de cerámicos de alto impacto, estos materiales podrían mostrar un resurgimiento
para aplicaciones en ingeniería, donde existen altas temperaturas y actuaciones extremas.
Materiales compuestos.
Los plásticos reforzados con fibra son el tipo principal de materiales compuestos usados en la
industria, siendo el vidrio la fibra dominante. La industria de refuerzos de plástico creció desde
2100 millones de fibras en 1981 a 2500 millones de fibras en 1987, a un índice medio anual de
crecimiento del 3% por año.
Los materiales compuestos avanzados, como las combinaciones epoxi de fibra de vidrio y de
grafito, se están haciendo cada vez más importantes en aplicaciones estructurales críticas. Se
ha predicho una ganancia anual media del 5% en el futuro uso de estos materiales.
Asimismo, se espera que los aviones comerciales de nuevo desarrollo se construyan con
materiales compuestos más y más avanzados en el futuro.
FUTURAS TENDENCIAS EN EL USO DE LOS MATERIALES.
El desarrollo de la ciencia y la Tecnología de los Materiales en las próximas décadas se prevé
estará caracterizada por los siguientes aspectos:
• Existe la tendencia a sustituir los materiales metálicos y sus aleaciones por los plásticos
cerámicos y compuestos, debido a su bajo costo y su durabilidad.
• Se propenderá a elevar la resistencia mecánica y las propiedades anticorrosivos de los
aceros en condiciones extremas (altas temperaturas, presiones y medios altamente corrosivos),
variando la micro estructura en base de la sustitución de algunos elementos aleantes
tradicionales, disminución del tamaño de grano y tratamientos termomecánicos.
• Se intensificará el uso de los aceros esferoidizados y colados en forma continua para la
fabricación de elementos de maquinas.
• Se espera un incremento notable del uso de metales y aleaciones ligeras (Especialmente
Aluminio y sus aleaciones Al-Zn-Mg-Cu, Al-Zn-Mg) en la fabricación de elementos de máquinas
especialmente para la industria automotriz y aeronáutica.
• Se intensificará la investigación de las aleaciones superplásticas con una elevada resistencia
a la corrosión.
• Se ampliará y profundizará el conocimiento y la tecnología del tratamiento térmico de
envejecimiento de las aleaciones ligeras.
• La industria ha intensificado el uso de materiales poliméricos y cerámicos en la fabricación de
algunos tipos de elementos de máquinas debido a su menor peso específico y costo con
respecto a los materiales metálicos.
• Se han creado y se continuarán creando nuevos métodos de análisis microscópico y
macroscópico de estos materiales; así como nuevos procesos tecnológicos de conformación y
tratamiento de los mismos.
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• Los tratamientos térmicos se están sofisticando con el uso de microprocesadores que
maximizan la eficiencia de los sistemas y controlan adecuadamente los procesos.
• Los procesos de endurecimiento más utilizados serán por láser, haz de electrones, por
inducción en atmósferas controladas o al vacío.
• Se hará más frecuente el uso de medios refrigerantes poliméricos y compuestos orgánicos
solubles en agua.
• En lo que se refiere a las perspectivas de desarrollo del Conformado Mecánico sin arranque
de viruta, se prevé un repunte del estampado para confeccionar piezas de partes críticas, que
reemplazarán a las forjadas y fundidas y que tendrán menor peso y tamaño.
• Se pondrá mucho énfasis en el conformado de materiales súper plásticos para la fabricación
de piezas de formas complicadas.
• Se dará mucha importancia a la fabricación de alambres multifilamentarios y
superconductores en base de vanadio y germanio.
• La tecnología de soldadura incrementará los procesos automáticos y semiautomáticos. Se
mejorará la composición de los electrodos no sólo para mejorar la calidad de la soldadura, sino
para hacer cada vez más débil su dependencia en las habilidades del operador.
• Dentro de los procesos de soldadura, el láser tendrá cada vez mayores aplicaciones, al igual
que el ultrasonido para el control de calidad de la misma.
• Se investigarán intensamente las propiedades de los materiales compuestos, así como se
crearán nuevos procesos de conformado de los mismos.
• Se incorporará cada vez con mayor intensidad la Computación y la Robótica en el análisis de
los procesos internos de los materiales así como en los procesos de conformado de los
mismos.
• Los tratamientos superficiales tenderán a ser reemplazados por los recubrimientos plásticos.
• Se crearán nuevos procesos de conformado para los materiales plásticos, cerámicos,
compuestos y polvos metálicos.
• Se dará mucha importancia al reciclaje de los materiales debido a que escasean en el
mercado ciertos elementos químicos que juegan un papel preponderante en las aleaciones.
• Se dará mucho énfasis a la investigación de las propiedades útiles de los materiales, dando
una gran preferencia a los materiales altamente puros y a los compuestos.
Nuestro actual entorno tecnológico, cada vez más próximo y cotidiano, está plagado de un
buen número de objetos dotados de propiedades físicas y químicas impensables hace unas
pocas décadas: plásticos que conducen la electricidad, cerámicas capaces de soportar sin
deformarse temperaturas altísimas, pantallas de televisión y ordenador totalmente planas y
delgadas como un libro, y otros muchos aparatos y dispositivos de uso diario. La llamada
ciencia de los materiales es una rama del conocimiento relativamente reciente y
extraordinariamente activa; sus equipos de investigación son esencialmente multidisciplinares:
físicos, químicos, ingenieros, informáticos y, en algunos casos, biólogos e incluso médicos. Sus
elementos de trabajo son relativamente limitados: los elementos de la tabla periódica. Toda la
materia del universo, todos los compuestos químicos, metales, aislantes, cerámicas, plásticos y
materiales orgánicos e inorgánicos que han existido, y todos los que existirán en el futuro,
están hechos de los mismos elementos. La tabla periódica es, para estos científicos, como la
piedra de Rosetta para los descifradores de jeroglíficos.
¿Cómo se diseña un material con propiedades excepcionales? Antaño, descubrir uno de estos
materiales era producto del azar, de la suerte o de la intuición. A modo de ejemplo, podemos
acordarnos del modo en que Charles Goodyear descubrió el proceso de vulcanización del
caucho, a finales del siglo XIX; tras varias décadas de infructuosa investigación sobre un
método para endurecer el caucho, realizados en la cocina de su domicilio, su esposa, harta ya
de soportar el nauseabundo olor de los experimentos del marido, obligó a éste a realizar la
solemne promesa de abandonar sus estudios. Un día en que Mr. Goodyear, contraviniendo su
promesa, estaba amalgamando caucho y azufre, se vio sorprendido por la llegada inesperada
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de su mujer, y se deshizo de lo que tenía entre manos echándolo al fuego. Por fin halló lo que
estaba buscando; su descubrimiento resultó fundamental para construir neumáticos,
impermeables, fundas aislantes de cables y otros muchos objetos, hoy en día, indispensables
en nuestra sociedad.
En la actualidad, gran parte de lo que en tiempos pretéritos se fiaba a la intuición, o a la buena
suerte, se fundamenta en una paciente labor de comprensión de los mecanismos por los que
se unen los átomos, las moléculas, los cristales e incluso la materia viva. Gran parte de los
nuevos materiales no son más que el resultado de aplicar lo que las investigaciones en física y
química básica descubren constantemente. Es sorprendente constatar cuántos de los
descubrimientos galardonados con el premio Nobel son la piedra angular de los inventos
actuales; es fundamental conocer cuáles son los mecanismos por los que los materiales
tradicionales poseen unas determinadas propiedades mecánicas, térmicas, eléctricas,
magnéticas y ópticas para poder desarrollar nuevos materiales que posean estas mismas
propiedades mejoradas, o bien una combinación de varias de ellas.
A; Fotodiodo lector de códigos de barras, construido mediante técnicas de superposición de capas
semiconductoras. B; Aspecto de uno de los equipos utilizados en la medida de las propiedades
mecánicas de los polímeros
Por poner únicamente dos ejemplos, en el año 2000 se concedieron los premios Nobel de
química a Alan J. Heeger, Alan G. MacDiarmid y Hideki Shirakawa por sus investigaciones
sobre polímeros plásticos que conducen la electricidad. Estos plásticos se están utilizando
actualmente en la fabricación de recubrimientos anti-estáticos para películas fotográficas, en
pantallas protectoras de radiación en ordenadores y en ventanas inteligentes que pueden
disminuir la luz solar. Además, han ayudado a desarrollar plásticos con propiedades
semiconductoras, que pueden ser utilizados en las pantallas pequeñas de los teléfonos
móviles, en mini-televisiones y en otros dispositivos análogos. Por su parte, los galardonados
con el Nobel de física ese mismo año fueron Zhores I. Alferov y Herbert Kroemer por el
desarrollo de estructuras de varias capas de materiales semiconductores que posibilitan la
construcción de dispositivos rápidos y de pequeño tamaño que son esenciales, por ejemplo,
para la construcción de transistores de tamaño diminuto con los que funcionan los teléfonos
móviles, los láseres de los lectores de CD, los lectores de códigos de barras y otros aparatos.
Junto a estos científicos, fue galardonado Jack Kilby por la invención del chip, el circuito
integrado, constituyente básico de cualquiera de los aparatos electrónicos de nuestros días,
desde la más modesta lavadora al más sofisticado satélite de telecomunicaciones.
Los diseñadores de nuevos materiales utilizan sistemas de simulación por computadora para
calcular la estructura molecular que tendría cierta combinación de átomos, y deducir de ella sus
propiedades físicas y químicas. Esto les permite elaborar, solamente, los prototipos reales de
aquellos modelos que tienen más posibilidades de poseer las propiedades buscadas, con el
consiguiente ahorro de tiempo y costes.
A B
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Una de las propiedades físicas que produce una buena cantidad de inventos sorprendentes en
el campo de los nuevos materiales es la piezoelectricidad, descubierta hace ya más de un siglo
por Pierre Curie. Consiste en la aparición, en las caras opuestas de un cristal, de cargas
eléctricas de diferente signo cuando son estirados o comprimidos y, a la inversa, expandirse o
contraerse al ser sometidos a cierta diferencia de potencial. Como ejemplo de aplicaciones de
esta propiedad a campos de actividad dispares, pueden citarse dos; por un lado, la última
generación de esquíes que disminuyen el riesgo de caídas cuentan con unas tiras de cerámica
piezoeléctrica embebidas en la tabla, de forma que, durante el deslizamiento por una pendiente
nevada, la vibración mecánica se convierte en una disipación de corriente eléctrica que, a su
vez, se convierte en un incremento de la superficie del esquí en los bordes; al aumentar el
tiempo que pasan los esquíes en contacto con la nieve se controla mejor el deslizamiento. Por
otro lado, el efecto piezoeléctrico se está intentando aprovechar para desarrollar músculos
artificiales, que formen parte de piernas y brazos ortopédicos con capacidad funcional.
No sólo deporte y ortopedia se están beneficiando del uso de los nuevos materiales, también
construcción, electrónica, ingeniería y prácticamente todas las áreas de actividad industrial. En
construcción, los puentes y edificios más avanzados cuentan con sensores, insertos en las
vigas y zonas estructurales, que detectan, en todo momento, el esfuerzo que están realizando,
lo que permite diagnosticar, de manera prematura, cualquier fallo y evitar la consiguiente
catástrofe. En ingeniería, se están diseñando aleaciones que cuentan con un componente que
suelda perfectamente las microfisuras que se producen debido a los esfuerzos, lo que
revolucionará las industrias de construcción de automóviles y aviones, por citar sólo dos
ejemplos. En electrónica, la construcción de transistores orgánicos, basados en materiales que
aúnen las excelentes propiedades de flexibilidad y facilidad de fabricación de los plásticos con
las propiedades semiconductoras del silicio, permitirán la fabricación de pantallas de televisión
de gran tamaño que se podrán enrollar como si de un póster se tratara, y colocarlas en
cualquier parte; o papel electrónico, que podrá conectarse a Internet y almacenar, por ejemplo,
el ejemplar diario del periódico sin necesidad de recurrir al costoso y ecológicamente caro
papel tradicional. El descubrimiento de las cerámicas superconductoras de alta temperatura,
capaces de transmitir la energía eléctrica sin la disipación de energía producida por la
resistencia, ha producido ya los primeros sensores superconductores, en la actualidad
solamente útiles en el ámbito científico, aunque ya se sueña con construir ordenadores
superconductores. También se investiga en la consecución de materiales magnéticos de
propiedades apropiadas para los discos duros y otros soportes de almacenamiento de datos,
más fiables, más pequeños y de mayor capacidad; y en sistemas alternativos de
almacenamiento informático, mediante la utilización de herramientas nanotecnológicas.
Es precisamente esta ciencia, la nanotecnología, la que está avanzando a pasos agigantados
en la búsqueda de nuevos materiales. Se trata de una disciplina muy reciente que busca la
consecución de pequeñas máquinas de tamaño molecular, capaces de construir nuevos
materiales átomo a átomo. Desde el descubrimiento, a finales de la década de los 80, de los
primeros fulerenos -moléculas de carbono puro que tienen la apariencia estructural de un balón
de fútbol-, se han seguido obteniendo estructuras de este tipo, algunas dotadas de propiedades
mecánicas y eléctricas sorprendentes. Actualmente, los nanotubos, pequeñas tuberías
conformadas con átomos de carbono puro, se están utilizando para diseñar todo tipo de
ingenios de tamaño nanoscópico, que funcionan como diminutos robots de construcción de
nuevos materiales.
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Comportamiento de una pieza de material fotocrómico al ser expuesto gradualmente a la luz solar. Estos
compuestos tienen muchas aplicaciones en el campo de la fotónica y la óptica computacional como
sensores luminosos, pues presentan distinta absorción luminosa a distintas longitudes de onda.
Día a día se están descubriendo nuevos materiales, pese a todo, el número de combinaciones
químicas que se pueden realizar con el centenar de elementos de la tabla periódica es tan
enorme que puede considerarse, con toda propiedad, que acabamos de empezar a descubrir
sus secretos. En un futuro próximo, nuestro entorno estará rodeado de objetos construidos con
nuevos materiales, de propiedades maravillosas que actualmente sólo podemos sospechar,
materiales construidos gracias a ciertas dosis de suerte e intuición y muchas horas de diseño
asistido por ordenador.
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METALES Y ALEACIONES
Los metales son los elementos químicos capaces de conducir la electricidad y el calor, que
exhiben un brillo característico y que, con la excepción del mercurio, resultan sólidos a
temperatura normal. El concepto se utiliza para nombrar a elementos puros o a aleaciones con
características metálicas. Entre las diferencias con los no metales, puede mencionarse que los
metales disponen de baja energía de ionización y baja electronegatividad.
Los metales son tenaces (pueden recibir fuerzas bruscas sin romperse), dúctiles (es posible
moldearlos en hilos o alambres), maleables (se convierten en láminas al ser comprimidos) y
cuentan con una buena resistencia mecánica (resisten esfuerzos de tracción, flexión, torsión y
comprensión sin deformarse).
La unión de los átomos de un metal se denomina “unión metálica”. La misma puede explicarse
a partir de dos modelos; Modelo del “mar de electrones” y el modelo de bandas.
a) MODELO DEL “MAR DE ELECTRONES”
En sus primeros esfuerzos para explicar la estructura electrónica de los metales, los científicos
esgrimieron las propiedades de su buena conductividad térmica y eléctrica para apoyar la
teoría de que los metales se componen de átomos ionizados, cuyos electrones libres forman un
“mar” homogéneo de carga negativa (modelo de mar de electrones). En el modelo clásico de
conducción en metales sólidos, se parte del supuesto de que los electrones de valencia más
externos son completamente libres para moverse entre los núcleos de iones positivos (átomos
sin electrones de valencia) de la red metálica. A temperatura ambiente los núcleos de iones
positivos tienen energía cinética y vibran alrededor de sus posiciones en la red. Al aumentar la
temperatura, estos iones vibran con amplitudes crecientes, y se produce un intercambio
continuo de energía entre los núcleos de los iones y sus electrones de valencia.
En ausencia de un potencial eléctrico, el movimiento de los electrones de valencia es aleatorio
y reducido, tal que no se produce flujo alguno de electrones neto en cualesquiera dirección y,
en consecuencia, tampoco flujo de corriente. En presencia de un potencial eléctrico aplicado,
los electrones alcanzan una velocidad directamente proporcional al campo aplicado pero en
sentido contrario.
La atracción electrostática entre los iones positivos del metal y los electrones libres, se
considera la responsable del enlace entre los átomos del metal. Así, se piensa que el libre
movimiento de los electrones es la causa de su alta conductividad eléctrica y térmica. (La
principal objeción a esta teoría es que en tal caso los metales debían tener un calor específico
superior al que realmente tienen; según el modelo la fuerza de los enlaces entre los átomos
metálicos debería aumentar a medida que lo hace el número de electrones de valencia, con el
consecuente incremento en el punto de fusión).
Otra forma de explicar el modelo es que los átomos de los metales tienen pocos electrones en
su última capa, por lo general 1, 2 ó 3. Estos átomos pierden fácilmente esos electrones
(electrones de valencia) y se convierten en iones positivos, por ejemplo Na+, Cu
2+, Mg
2+. Los
iones positivos resultantes se ordenan en el espacio formando la red metálica. Los electrones
de valencia desprendidos de los átomos forman una nube de electrones que puede
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desplazarse a través de toda la red. De este modo todo el conjunto de los iones positivos del
metal queda unido mediante la nube de electrones con carga negativa que los envuelve.
En 1928, el físico alemán Arnold Sommerfeld sugirió que los electrones en los metales se
encuentran en una disposición cuántica en la que los niveles de baja energía disponibles para
los electrones se hallan casi completamente ocupados. En el mismo año, el físico suizo
estadounidense Felix Bloch, y más tarde el físico francés Louis Brillouin, aplicaron esta idea en
la hoy aceptada 'teoría de la banda' para los enlaces en los sólidos metálicos.
De acuerdo con dicha teoría, todo átomo de metal tiene únicamente un número limitado de
electrones de valencia con los que unirse a los átomos vecinos. Por ello se requiere un amplio
reparto de electrones entre los átomos individuales.
El reparto de electrones se consigue por la superposición de orbitales atómicos de energía
equivalente con los átomos adyacentes. Esta superposición da lugar a orbitales moleculares de
energías muy parecidas que pueden ser descritos como niveles energéticos, constituyendo por
su gran número lo que se denomina una banda de niveles energéticos. Cada uno de estos
orbitales tiene un nivel de energía distinto debido a que los orbitales atómicos de los que
proceden, tenían a su vez diferentes niveles de energía. Los orbitales moleculares, cuyo
número es el mismo que el de los orbitales atómicos, tienen dos electrones cada uno y se van
llenando en orden de menor a mayor energía hasta agotar el número de electrones disponibles.
En un metal el número de orbitales atómicos que interactúan o se traslapan es muy grande.
Por tanto, el número de orbitales moleculares también es muy grande.
Si N es el número de átomos que
constituyen el sólido, el recubrimiento
de sus N OA de un nivel determinado
(1s, 2s, etc) permite construir N OM, la
“molécula”
El número N es siempre
extremadamente grande. A cada nivel
de los OA, corresponde, un gran Nº de
OM, cuyas energías están escalonadas
entre 2 valores muy próximos. Su
conjunto constituye una “ banda” ( de “
energía”) Vista la proximidad de los
niveles que constituyen una banda, se
puede considerar que la energía de los
electrones puede variar de forma casi
continua.
La configuración electrónica del átomo de sodio es 1s22s
22p
63s
1; la figura adjunta muestra un
diagrama de niveles de energía para el mismo. Los electrones de átomos aislados están
ligados a sus núcleos y distribuidos en niveles de energía perfectamente definidos tales como
los estados 1s1, 1s
2, 2s
1, 2s
2,... siguiendo el principio de Pauli. De este modo, los 11 electrones
del átomo neutro de sodio ocupan dos estados 1s, dos estados 2s, seis estados 2p y un estado
3s, como se muestra en la figura.
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Los electrones de los niveles más bajos (1s2, 2s
2, 2p
6) están fuertemente ligados y constituyen
los electrones core del átomo de sodio. El electrón exterior 3s1 puede formar enlaces con otros
átomos y se le llama electrón de valencia.
En un bloque metálico sólido los átomos están juntos y contactan unos con otros. Los
electrones de valencia están deslocalizados e interaccionan e interpenetran entre sí, por lo que
sus niveles de energía atómicos originales se ensanchan en amplias regiones llamadas bandas
de energía. Los electrones internos, como están apantallados por los electrones de valencia,
no forman bandas.
En el sodio metálico sólido hay un solo electrón 3s en el átomo de sodio, por lo que la banda 3s
está medio llena. Como resultado se necesita muy poca energía en el sodio para excitar
electrones de los estados llenos más altos a los más bajos vacíos. Por tanto, el sodio es un
buen conductor ya que se necesita muy poca energía para producir un flujo de electrones en él.
El cobre, la plata y el oro tienen también bandas exteriores s semillenas.
En el magnesio metálico ambos estados 3s están ocupados(1s22s
22p
63s
2). No obstante, la
banda 3s solapa a la 3p`y ésta recibe algunos electrones, creando una banda combinada 3sp
parcialmente llena. Por consiguiente, a pesar de que la banda 3s está llena, el magnesio es un
buen conductor. Del mismo modo, el aluminio que tiene ocupados ambos estados 3s y un
estado 3p, es también un buen conductor porque la banda 3p parcialmente llena se superpone
a la banda llena 3s.
Explicación del fenómeno de conductividad. En el caso de metales con 1e en el orbital s,
existiría una banda formada por la combinación de todos los orbitales s de los átomos
metálicos. Estaría semillena, pues contendría la mitad de electrones que caben en ella, será la
banda de valencia Los electrones se situarían en la parte baja de la banda que es donde hay
mayor energía. La aportación de una mínima cantidad de energía a dicha banda provocaría
una fácil y rápida movilidad de sus electrones, lo que explicaría su conducción. En los metales
con orbitales llenos, la banda de valencia también lo está, pero la banda superior formada por
los orbitales p vacíos, llamada banda de conducción, aparece con energía similar por lo que se
solapa con aquella creándose un gran espacio de libre movilidad electrónica con poca energía
que se les comunique.
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En los sólidos cada átomo o ión ocupa una posición fija en el espacio. Esta posición puede
repetirse en las 3 dimensiones en forma regular (sólido cristalino) o no (sólido amorfo).
ESTRUCTURAS CRISTALINAS.
Los sólidos tienden a cristalizar adoptando formas geométricas definidas que, a menudo,
pueden distinguirse a simple vista. En la sal común ordinaria se pueden ver pequeños cristales
cúbicos de Na Cl. En la naturaleza se encuentran cristales grandes y bien formados de
minerales como la fluorita . En muchos metales es posible observar al microscopio diferentes
formas cristalinas.
Los cristales presentan formas geométricas diferentes porque las partículas que los forman
están ordenadas en una estructura tridimensional definida. Estas partículas pueden ser todas
del mismo tipo, como ocurre con los átomos de un metal, o bien de tipos diferentes, como,
cationes y aniones en los compuestos iónicos.
En general, los metales son sólidos a temperatura ambiente (salvo el Hg), conducen la
corriente eléctrica y se caracterizan por la forma en que se disponen sus átomos. Éstos
adquieren estructuras geométricas espaciales, donde cada átomo se ubica en un vértice o en
el centro de un poliedro, las cuales se repiten en tres direcciones y dan forma a los cristales.
Los metales se diferencian entre sí por el ángulo que delimitan sus cristales y por los planos de
las caras de los poliedros, que son distintos en cada caso.
Estos parámetros permiten la identificación rápida de un metal mediante técnicas
cristalográficas.
Fundamentalmente por difracción de rayos X. Ésta técnica utiliza rayos de la misma longitud de
onda que la distancia entre los planos de la red cristalina.
Los átomos que pertenecen a un sólido cristalino se pueden representar situándolos en una red
tridimensional, que se denomina retículo espacial o cristalino. Este retículo espacial se puede
definir como una repetición en el espacio de celdas unitarias. La celda unitaria de la mayoría
de las estructuras cristalinas son paralelepípedos o prismas con tres conjuntos de caras
paralelas Según el tipo de enlace atómico, los cristales pueden ser de tres tipos:
a) Cristales iónicos,
b) Cristales covalentes
c) Cristales metálicos.
En esta etapa del curso nos enfocaremos a los cristales metálicos que se caracterizan por ser
opacos y buenos conductores térmicos y eléctricos como se mencionó previamente. No son tan
duros como los cristales covalentes (diamante), aunque si maleables y dúctiles, ejemplo hierro,
estaño, cobre y aluminio entre otros.
La celdilla unidad, que es la menor unidad que, por repetición indefinida, genera el cristal
En cristalografía se distinguen los siguientes conceptos:
Retículo espacial: sistema de ejes tridimensional que tiene en el origen un átomo.
Celda unitaria: es la unidad que representa la estructura cristalina y está caracterizada por tres
vectores a, b y c que representan las direcciones de las aristas de la celda unidad y los ángulos
α, β y γ de las intersecciones entre planos
Sistemas cristalinos, 7 tipos de poliedros capaces de rellenar, por repetición, todo el espacio,
estos son; triclínico, monoclínico, romboédrico, ortorrómbico, tetragonal, hexagonal y cúbico.
Combinando los 7 sistemas cristalinos con las disposiciones de los puntos en la red 14
configuraciones básicas, estas estructuras se denominan redes de Bravais.
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Para los cristales metálicos las posiciones que ocupan los átomos en los vértices de la celda
unitaria de la red cristalina las mismas pueden clasificarse en:
a) Redes cúbicas sencillas: Los átomos ocupan sólo los vértices de la celda unidad.
b) Redes cúbicas centradas en el cuerpo (BCC): Los átomos, además de ocupar los vértices,
ocupan el centro de la celda. En este caso cristalizan el hierro y el cromo.
c) Redes cúbicas centradas en las caras (FCC): Los átomos, además de ocupar los vértices,
ocupan el centro de cada cara de la celda. Cristalizan en este tipo de redes el oro, cobre,
aluminio, plata,...
d) Redes hexagonales compactas (HC): La celda unitaria es un prisma hexagonal con átomos
en los vértices y cuyas bases tiene un átomo en el centro. En el centro de la celda hay tres
átomos más. En este caso cristalizan metales como cinc, titanio y magnesio.
Las estructuras cristalinas metálicas tienen empaquetamiento denso debido a que
generalmente solo está presente un elemento, por lo que todos los radios atómicos son
iguales. El enlace metálico no es direccional. Las distancias a los primeros vecinos tienden a
ser cortas para reducir la energía del enlace, mientras la nube electrónica cubre a los núcleos.
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Por lo general son las estructuras cristalinas
más simples. Para las estructuras más
comunes en metalurgia se cumple que:
BCC Cúbica Centrada en el Cuerpo ⇒
a =b =c ;α=β =γ = 90º
FCC Cúbica centrada en las Caras ⇒
a =b =c ;α=β =γ = 90º
HCP Hexagonal Compacta ⇒
a =b ≠c ; α=β =90°, γ=120°
Para el estudio de los sistemas BCC, FCC y HC es importante familiarizarse con algunos
conceptos fundamentales como: átomos por celda, número de coordinación y factor de
empaquetamiento.
Los átomos por celda como su nombre lo indica no es más que la cantidad neta de átomos
presentes en la celda unidad.
Número de coordinación, corresponde al valor numérico de los vecinos más próximos de
cada átomo.
El factor de empaquetamiento, representa la relación entre el volumen de los átomos que hay
en la celda unidad y el volumen de la celda unidad. Nos proporciona una idea del volumen
ocupado y libre.
Estructura Cúbica Centrada en el Cuerpo.
Para el estudio de los sistemas se utilizará el modelo de esferas duras, que consiste en
considerar cada átomo como una esfera. Como se observa en la figura los átomos se tocan a
lo largo de las diagonales, por lo cual cada átomo presenta 8 vecinos más próximos,
correspondiendo este valor al número de coordinación. En cada vértice se ubica una esfera, la
cual está compartida entre 8 celdas, por lo cual a una sola celda pertenece solamente 1/8 parte
de átomo por cada vértice.
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Para calcular el factor de empaquetamiento:
El factor de empaquetamiento para una estructura cúbica centrada en el cuerpo BCC es 0,68.
Estructura Cúbica Centrada en el Caras.
Los átomos se tocan entre sí a lo largo de las diagonales de las caras.
El factor de empaquetamiento para una estructura cúbica centrada en el cuerpo FCC es 0,74.
A B
C
A B
C
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Estructura Hexagonal Compacta.
Como se mencionó previamente muchas veces el factor peso puede ser determinante en la
selección de un material, por lo cual es preciso evaluar la densidad de un metal. Recordando
conceptos, la densidad es la relación cuantitativa de la masa de un cuerpo y el volumen en cm3
que ocupa.
Donde n=número de átomos por celda A=masa atómica Vc=volumen celda unidad Na=número de Avogrado 6,023 x 10
23 átom/mol.
OBTENCIÓN INDUSTRIAL DE METALES
La metalurgia es la técnica de la obtención y tratamiento de los metales a partir de minerales
metálicos. También estudia la producción de aleaciones, el control de calidad de los procesos.
La metalúrgica es la rama que aprovecha la ciencia, la tecnología y el arte de obtener metales
y minerales industriales, partiendo de sus menas, de una manera eficiente, económica y con
resguardo del ambiente, a fin de adaptar dichos recursos en beneficio del desarrollo y bienestar
de la humanidad.
Dentro de la metalurgia se pueden identificar diferentes ramas, en este caso se abordaran la
pirometalurgia, hidrometalurgia y la electrometalurgia.
La pirometalurgia es una rama de la metalurgia extractiva en la que se emplean procesos
para obtención y refinado de metales utilizando calor, como en el caso de la fundición.
Es la técnica más antigua para extracción de metales. Permite obtener metales a partir de
sus menas, directamente o después de concentradas, por medio de calor. Se trata
principalmente de extraer –del mineral– el metal, mediante separación –de la ganga– del
mineral y purificación de los metales. El rango de temperaturas suele superar los 950 °C.
La pirometalurgia se emplea mucho porque es más rápida y puede procesar grandes
cantidades de mineral. Los demerita una desventaja ambiental: son altamente contaminantes,
pues emiten SO2 (anhídrido sulfuroso) y CO2 (anhídrido carbónico).
La hidrometalurgia es la rama de la metalurgia que cubre la extracción y recuperación
de metales usando soluciones líquidas, acuosas y orgánicas.
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Se basa en la concentración de soluciones en uno a varios elementos de interés metales,
presentes como iones, que por reacciones reversibles y diferencias físicas de las soluciones
son separados y aislados de forma específica. Como resultado se obtiene una solución rica en
el ion de interés y con características propicias para la próxima etapa productiva.
En general los metales extraídos por esta técnica son provenientes de los minerales
anteriormente lixiviados en medios sulfato, cloruro, amoniacal, etc. Metales
como cobre, níquel, vanadio, cromo y uranio, son extraídos de esta forma. Por ese último metal
se dio comienzo a la Hidrometalurgia durante el auge de la industria nuclear apoyada
económicamente por la segunda guerra y posteriormente guerra fría.
Los procesos hidrometalúrgicos normalmente operan a temperaturas bajas (en el rango de 25
a 250 °C). Las presiones de operación pueden variar de unos pocos kPa (kilopascales) (vacío)
hasta presiones tan altas como 5000 kPa.
El punto fuerte de la hidrometalurgia radica en la gran variedad de técnicas y combinaciones
que pueden ser usadas para separar metales una vez que han sido disueltos a la forma de
iones en solución acuosa.
La electrometalurgia se define como la rama de la metalurgia que usa la energía eléctrica
para la producción y tratamiento de metales, la energía eléctrica es convertida en calor con el
fin de producir la energía necesaria para el proceso o servir para descomponer un compuesto
por electrolisis.
OBTENCIÓN DE HIERRO.
La materia prima empleada para la fabricación de fundiciones, son los minerales de hierro, de
los cuales los principales son: Fe2O3: hematita, Fe2O3.3H2O: limonita, Fe3O4: magnetita, FeCO3:
siderita, FeS2: pirita, mineral muy poco empleado para la extracción de Fe, por su escaso
contenido del metal. Generalmente el mineral de Fe está acompañado de sustancias inertes
como arcilla, arena, etc. que se denomina ganga.
Pirometalurgia del hierro
De los minerales nombrados, la hematita y la magnetita son especialmente útiles para la
extracción del hierro. Antes de su empleo los minerales deben sufrir un proceso de
preparación, consistente en un lavado, trituración y clasificación. Para que puedan ingresar
al reactor en estado de óxido por lo cual la siderita (FeCO3) debe ser calcinada previamente.
Un Horno es un aparato en el que se produce y aprovecha el calor necesario para caldear una
materia que ha de sufrir alguna transformación física o química. Su forma es diversa y se
construyen de metal, ladrillo refractario, ladrillo corriente y hormigón.
El calor se obtiene por combustión de carbón u otros combustibles, o por transformación de
energía eléctrica. Modernamente se trata de aprovechar la energía solar.
Funcionamiento: el rendimiento de un horno (relación entre el consumo útil y la cantidad da
calor administrado) depende de la transmisión de las paredes y del calor arrastrado por los
gases que van a la chimenea. Por eso es conveniente no dejar enfriar el horno, ya que si el
trabajo es continuo, la acumulación del calor se ha de producir una sola vez. Para el mejor
aprovechamiento de las calorías que se pierden con la salida de los gases caliente por la
chimenea, algunos hornos van provistos de regeneradores y recuperadores. Los recuperadores
están formados por canales pareados de pared muy delgada; por uno de los canales circula el
humo caliente antes de ir a la chimenea, y por el otro pasa aire frío que se calienta gracias al
calor que se transmite a través del tabique que los separa Los generadores consisten en
cámaras de ladrillo refractario que se calientan por el paso del humo caliente; los ladrillos
calientan a su vez el aire y el gas del interior del horno. Las temperaturas más elevadas que
consiguen los hornos de combustión oscilan entre 1600 y 1900º.
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La reducción del óxido se realiza en el alto horno.
Un alto horno típico (reactor químico continuo) está formado por una cápsula cilíndrica de acero
forrada con un material no metálico y resistente al calor, como asbesto o ladrillos refractarios.
El diámetro de la cápsula disminuye hacia arriba y hacia abajo, y es máximo en un punto
situado aproximadamente a una cuarta parte de su altura total. La parte inferior del horno está
dotada de varias aberturas tubulares llamadas toberas, por donde se fuerza el paso del aire.
Cerca del fondo se encuentra un orificio por el que fluye el arrabio cuando se sangra (o vacía)
el alto horno. Encima de ese orificio, pero debajo de las toberas, hay otro agujero para retirar la
escoria. La parte superior del horno, cuya altura es de unos 30 m, contiene respiraderos para
los gases de escape, y un par de tolvas redondas, cerradas por válvulas en forma de campana,
por las que se introduce la carga en el horno. Los materiales se llevan hasta las tolvas en
pequeñas vagonetas o cucharas que se suben por un elevador inclinado situado en el exterior
del horno.
El proceso de sangrado consiste en retirar a golpes un tapón de arcilla del orificio del hierro
cercano al fondo del horno y dejar que el metal fundido fluya por un canal cubierto de arcilla y
caiga a un depósito metálico forrado de ladrillo, que puede ser una cuchara o una vagoneta
capaz de contener hasta 100 toneladas de metal. Cualquier escoria o sobrante que salga del
horno junto con el metal se elimina antes de llegar al recipiente. A continuación, el contenedor
lleno de arrabio se transporta a la fábrica siderúrgica.
Los altos hornos modernos funcionan en combinación con hornos básicos de oxígeno, y a
veces con hornos de crisol abierto, más antiguos, como parte de una única planta siderúrgica.
En esas plantas, los hornos siderúrgicos se cargan con arrabio. El metal fundido procedente de
diversos altos hornos puede mezclarse en una gran cuchara antes de convertirlo en acero con
el fin de minimizar el efecto de posibles irregularidades de alguno de los hornos. Los altos
hornos funcionan de forma continua. La materia prima consistente en mena concentrada de
hierro, en capas alternadas con coque y piedra caliza que se va a introducir en el horno se
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divide en un determinado número de pequeñas cargas que se introducen a intervalos de entre
10 y 15 minutos.
El coque se quema como combustible para calentar el horno, y al arder libera monóxido de
carbono, que se combina con los óxidos de hierro del mineral y los reduce a hierro metálico.
La caliza de la carga del horno se emplea como fuente adicional de monóxido de carbono y
como sustancia fundente. Este material se combina con la sílice presente en el mineral (que no
se funde a las temperaturas del horno) para formar silicato de calcio, de menor punto de fusión.
Sin la caliza se formaría silicato de hierro, con lo que se perdería hierro metálico. El silicato de
calcio y otras impurezas forman una escoria que flota sobre el metal fundido en la parte inferior
del horno.
El arrabio producido en los altos hornos tiene la siguiente composición: un 92% de hierro, un 3
o 4% de carbono, entre 0,5 y 3% de silicio, del 0,25% al 2,5% de manganeso, del 0,04 al 2% de
fósforo y algunas partículas de azufre. La escoria que flota sobre el metal fundido se retira una
vez cada dos horas, y el hierro se sangra cinco veces al día (debe quedar siempre escoria
sobre el hierro fundido)
El aire insuflado en el alto horno se precalienta a una temperatura comprendida entre los 550 y
los 900 ºC. Después de la II Guerra Mundial se introdujo un importante avance en la tecnología
de altos hornos: la presurización de los hornos. Estrangulando el flujo de gas de los
respiraderos del horno es posible aumentar la presión del interior del horno hasta 1,7
atmósferas o más. La técnica de presurización permite una mejor combustión del coque y una
mayor producción de hierro. En muchos altos hornos puede lograrse un aumento de la
producción de un 25%. En instalaciones experimentales también se ha demostrado que la
producción se incrementa enriqueciendo el aire con oxígeno.
Reacciones en el alto horno
En la parte inferior se inyecta el aire precalentado para realizar la combustión del carbono y
transformarlo en CO2, según la ecuación:
C(s) + O2 → CO2(g) Exot.
Al ascender en el alto horno, el CO2(g) se reduce por la reacción con más C(s) , según la
reacción:
CO2 (g) + C(s) → 2 CO(g)
El vapor de agua presente en el aire también reacciona con el carbono
C(s) + H2O (g) → CO(g) + H2(g) Endot.
La adición de vapor de agua al aire proporciona un medio para controlar la temperatura del
horno.
El CO(g) reduce al Fe2O3(s) según la ecuación.:
Fe2O3 (s) + 3 CO(g) → 2 Fe (l) + 3 CO2(g)
El Fe líquido va cayendo al crisol, del cual se extrae periódicamente, y se le denomina
“arrabio”.
1 kg de hierro de arrabio
2 kg de mena
1 kg de coque 0,3 kg de
piedra caliza
1,5 kg de aire
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La capa de escoria sobre el hierro fundido ayuda a protegerlo de la reacción con el aire que
entra.
La mencionada escoria se separa del Fe(l) porque sobrenada en él.
La piedra caliza se descompone por acción del calor:
CaCO3(s) → CaO(s) + CO2(g)
El mineral de hierro presenta impurezas de Mn, el cual se reduce a MnO. Los óxidos de calsio
y manganeso reaccionan con la sílice para formar la escoria:
SiO2 + CaO → CaSiO3
SiO2 + MnO → MnSiO3
El producto obtenido del alto horno se llama “arrabio” y tiene un porcentaje de carbono elevado,
de entre 3 y 4,5 %. Otro nombre con el que se lo conoce es fundición de hierro, y se lo emplea
para la fabricación de aceros.
Para obtener aceros el arrabio o fundición debe ser tratada para disminuir su porcentaje de
carbono por debajo del 1% (límite impreciso). Esta operación se denomina “AFINO” y se
produce eliminando gran parte del carbono, en hornos llamados convertidores, que se
caracterizan por poseer inyección de aire (O2) por aberturas en su fondo (convertidor
BESSEMER, actualmente poco usado) o soplando O2 puro por su parte superior (convertidor
LD). Para obtener acero a partir de la chatarra se emplea el horno SIEMENS-MARTIN, con
precalentamiento de aire; de lo contrario hornos eléctricos (método empleado en nuestro país)
En esencia, la disminución del porcentaje de X ocurre de la siguiente manera:
Fe + ½ O2 → FeO
FeO + C → Fe + CO
Mediante toma de muestras y análisis con cromatógrafo de gases, se puede conocer
rápidamente el porcentaje de carbono del acero, así como también los tenores de otros
elementos como asufre y fosforo, etc.
OBTENCIÓN DE ALUMINIO.
Es resistente a la corrosión, buen conductor eléctrico, dúctil y maleable a 100ºC-150ªC, en frío
presenta acritud (dureza y fragilidad que experimentan los metales al deformarse en frío). De
color gris metálico, se recubre de un óxido (alúmina) que lo protege.
Propiedades:
Densidad: 2.6- 2.7 g/cm3
Punto de fusión: 660ºC
Resistencia a la tracción: R= 9-11 K/mm2
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Alargamiento:30%
Hidrometalurgia del aluminio (etapa extractiva)
El aluminio ocupa el 2º lugar después del hierro en cuanto a uso comercial. La mena más útil
del aluminio (Al) es la bauxita, en la cual el Al está presente en forma de óxidos hidratados.
Las impurezas principales que se encuentran en la bauxita son SiO2 y Fe2O3. Es fundamental
separar la alúmina, Al2O3, de estas impurezas antes de recuperar el metal por reducción
electroquímica.
Se usa proceso Bayer: el mineral se tritura y se muele y luego se digiere en una solución
acuosa concentrada de NaOH, a 150 –230ºC. Se mantiene una presión de 30 atm para impedir
la ebullición. El Al2O3 se disuelve en esta solución formando un ión complejo Al(OH)4-
(aluminato). Los óxidos de Fe no se disuelven en la solución fuertemente básica. Por tanto la
solución de aluminato se puede separar de los sólidos que contienen hierro por filtración. A
continuación, se reduce el pH de la solución para precipitar el hidróxido de aluminio.
Después de filtrarlo se calcina como preparativo para la electroreducción del metal. La
solución que se recupera de la filtración se concentra de nuevo para poder usarla otra vez.
Esta tarea se consigue calentando para evaporar agua de la solución, un procedimiento que
requiere mucha energía y es la parte más costosa del proceso Bayer.
2 Al(OH)3 → Al2 O3 + 3 H2 O (g)
Electrometalurgia del Al
Los procedimientos electrometalúrgicos se pueden diferenciar de acuerdo a si comprenden la
electrólisis de una sal fundida o de una solución acuosa. Estos métodos son muy importantes
para obtener los metales más activos. Estos metales no se pueden reducir en solución acuosa
debido a que el agua se reduce con mayor facilidad que los iones de los metales. Para formar
esos metales por reducción electroquímica debemos emplear, la sal fundida en un medio en el
cual el ión metálico deseado sea la especie más fácilmente reducida.
En el proceso Bayer la bauxita se concentra para producir hidróxido de Al. Este concentrado se
calcina encima de 1000ºC y se forma óxido de Al anhidro (Al2O3) Este óxido funde a más de
2000ºC, una temperatura demasiado alta para permitir su uso como medio fundido para la
formación electrolítica de aluminio libre. El proceso electrolítico comercial para la producción de
Al se conoce como proceso Hall.
El óxido de aluminio purificado se disuelve en criolita fundida, cuyo punto de fusión es de
1012ºC y conduce eficientemente la corriente eléctrica.
Ánodo
Se emplean varillas de grafito donde se oxida el oxigeno..
2(O2- - 2e
- ) → O2 (g)
El oxígeno formado ataca las varillas de carbón consumiéndose de a poco, dando CO y CO2.
Las barras anódicas se gastan y periódicamente deben ser repuestas.
C + O → CO (g)
C + 2O → CO2 (g)
C(s) + 2O2- (l) → CO2 (g) + 4e-
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Cátodo
Pared de hierro 3e- + Al3+ → Al(l) ( punto de fusión 660ºC : menor que la temperatura
imperante dentro del horno; se escurre líquido hasta el molde.)
[ 2 (O2-
- 2e-) → O2 ]
[3 e- + Al
3+ → Al (l) ].
OBTENCIÓN DE COBRE.
Después de la plata, es el mejor conductor del calor y la electricidad, de color rojo claro
brillante, se recubre de un óxido(pátina) que lo protege. Se trabaja bien en frío, pero también
adquiere acritud.
Propiedades: Densidad: 8,9 g/cm3
Punto de fusión: 1085ºC
Resistencia a la tracción: R= 20-22 K/mm2
Alargamiento: 50%
Fue uno de los primeros metales empleados por el hombre por encontrarse en estado nativo,
actualmente la producción de cobre se obtiene de minerales en forma de sulfuros calcopirita
(CuFeS2), chalcocita (Cu2S), covelita (CuS) y minerales oxidados, como la cuprita (Cu2O), la
malaquita (CuCO3), etc.
Se usa ampliamente para fabricar conductores eléctricos y en otras aplicaciones que
aprovechan su alta conductividad eléctrica. El cobre crudo, que se obtiene ordinariamente
por métodos pirometalúrgicos, no es adecuado para emplearse en aplicaciones eléctricas
porque las impurezas reducen considerablemente la conductividad del metal.
¿Cómo se obtiene el cobre metálico de los yacimientos de cobre oxidados?
Electrólisis del Cu (puro)
Si se trata de una mena oxidada, como puede ser malaquita CuCO3,Cu(OH)2, azurita 2
CuCO3,Cu(OH)2, calcopirita FeCuS2 o la cuprita (Cu2,O)
1) se le acondiciona en una pila (montículo de mineral) de la cual
2) por lixiviación con solución de ácido sulfúrico, se obtiene una solución rica que consiste
en agua, sulfato de cobre e impurezas. En la siguiente etapa, denominada de
3) purificación, se somete la solución rica, a la acción de solventes orgánicos, dejando en la
solución ácido sulfúrico regenerado e impurezas, los que son retornados a las pilas.
4) El electrolito cargado pasa a las celdas de electrodeposición, en donde el electrolito se
descompone por acción de la corriente eléctrica, depositándose el cobre en el cátodo de la
celda, y obteniéndose un cobre de alta pureza (99,99%). El electrolito estéril vuelve a unirse al
solvente cargado para tomar el cobre y renovar el ciclo.
El cobre se purifica por electrólisis; grandes placas de Cu crudo sirven como ánodos de la
celda, en tanto que los cátodos son láminas delgadas de cobre puro. El electrolito es la
solución ácida de sulfato de cobre. La aplicación de un voltaje adecuado a los electrodos
causa la oxidación del cobre metálico en el ánodo y la reducción del Cu2+
para formar
cobre metálico en el cátodo. Esta estrategia se puede emplear porque el cobre se oxida y se
reducen con más facilidad que el agua. La facilidad relativa de reducción del Cu2+
y del H2O se
aprecia al comparar los potenciales standard de reducción respectivos:
4000 Kg de bauxita (aprox. 50% Al2O3)
1900 kg de Al2O3 1000 kg de Al
450 kg de ánodos de C
70 kg de criolita
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Cu2+
(ac) + 2 e- → Cu(s) Eo= +0.34V
2H2O(l) + 2 e- → H2(g) + 2OH
-(ac) Eo= - 0.83V
Las impurezas presentes en el ánodo de cobre comprenden plomo, cinc, níquel, arsénico,
selenio, telurio y varios metales preciosos, que incluyen oro y plata. Las impurezas
metálicas que son más activas que el cobre se oxidan fácilmente en el ánodo pero no se
depositan en el cátodo porque sus potenciales de reducción respectivos son más negativos
que el del Cu2+
. En cambio, los metales menos activos no se oxidan en el ánodo; en vez de
ello, se acumulan bajo el ánodo en forma de lodos que se recogen y se procesan para
recuperar los metales valiosos. Los lodos anódicos de las celdas de refinación de cobre
suministran una cuarta parte de la producción de plata y alrededor de una octava parte
de las de oro de los estados Unidos.
Ánodo
Oxidación:
Cu(s, impuro)→ Cu2+
(ac)+ 2e-
Cátodo
Reducción:
Cu2+
(ac) + 2e- →Cu (s, puro)
Por lo tanto hay transferencia del metal de Cu de la placa impura a la otra plancha de Cu puro.
ALEACIONES
Los metales y aleaciones poseen muchas propiedades útiles en ingeniería, lo que supone una
extensa gama de aplicaciones en diseños de ingeniería. El hierro y sus aleaciones
(principalmente el acero) representan aproximadamente el 90% de la producción mundial de
metales, fundamentalmente debido a la combinación de su buena resistencia, tenacidad y
ductilidad con su relativo bajo costo. Cada metal tiene propiedades especiales para proyectos
de ingeniería y su utilización se adopta tras un análisis comparativo de costos (entre otros) con
otros metales y materiales.
Son mezclas de metales (y no metales) que han sido sometidas a altas temperaturas y
que al enfriarse pueden formar compuestos químicos (excepciones), soluciones sólidas o
simples mezclas de dos o más elementos.
Su comportamiento depende del porcentaje de los componentes individuales. Las aleaciones,
al igual que los metales poseen brillo y son buenas conductoras del calor y la electricidad.
Generalmente poseen una densidad mayor a la media de los metales que la componen. Las
aleaciones son más duras que los metales que las originan, son menos maleables, más
tenaces y menos atacables por agentes químicos. Por ejemplo, el oro en estado puro es
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demasiado blando para ser usado en joyería, en tanto las aleaciones de oro y cobre son muy
duras. El oro puro se describe como de 24 quilates; la aleación común que se usa en joyería es
de 14 quilates, lo que significa que contienen 58% de oro (14/24x 100%). Una aleación de oro
de esta composición tiene la dureza apropiada para emplearse en joyería. La aleación puede
ser amarilla o blanca, según los elementos agregados.
CLASIFICACIÓN DE ALEACIONES.
Según su estructura.
En solución. A) Intersticial
B) Sustitución
Aleaciones Heterogéneas
Compuestos intermetálicos
Aleaciones en solución: son mezclas homogéneas en las cuales los componentes están
dispersos al azar y de manera uniforme (aleaciones de sustitución: plata y oro; o intersticial:
acero)
Típicamente, un elemento intersticial es un no metal que participa en la formación de enlaces
con átomos vecinos. La presencia de los enlaces adicionales que proporciona el componente
intersticial causa que el retículo metálico sea más duro y resistente y menos dúctil.
Aleaciones intersticiales: átomos del
soluto ocupan posiciones dentro de la red
solvente.
Aleaciones sustitucionales; átomos del
soluto se encuentran en alguno de los
puntos reticulares del solvente, siendo la
distribución al azar.
Aleaciones heterogéneas: Los componentes no se dispersan de manera uniforme: perlita:
una fase acero y otra de Fe3C, están presentes en capas alternas.
Compuestos intermetálicos: son aleaciones homogéneas con propiedades y composición
definidas. Cu y Al forman un compuesto CuAl2: duraluminio. El Ni3Al es un componente
importante en los motores de aviones a reacción a causa de su resistencia y baja densidad.
Según su composición.
Con la finalidad de simplificar el estudio de las aleaciones, estas se pueden clasificar en dos
grandes grupos, en función de que el hierro sea o no el componente fundamental de las
mismas
Aleaciones ferrosas: I) Con Fe entre 15 y 80% :1) ferrosilicio, 2)ferrocromo, 3)ferromanganeso
II) Con Fe mayor 80% : a) fundiciones ,b) aceros, c) aceros especiales
Aleaciones no ferrosas - Aleaciones en base Cu - Aleaciones en base Pb, Sn o Sb –
Aleaciones livianas en base Al o Mg -Aleaciones de metales preciosos Au, Ag o Pt - Aleaciones
con Hg (amalgamas)
Propiedades físicas de una aleación metálica son función de la composición química y
de la microestructura, y esta última se puede establecer (en la mayor parte de los casos)
a partir del diagrama de fases de la aleación.
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El diagrama de fases, resume de forma gráfica los rangos de temperatura y composición en
las fases y/o mezclas de fases existentes en condiciones de equilibrio termodinámico.
Una fase es una porción homogénea de un sistema caracterizado por una estructura y una
organización atómica constante y por tanto con características físicas y químicas uniformes.
Esta región aparece limitada por una superficie a través de la cual las propiedades cambian
bruscamente. Un elemento puro en un estado de agregación determinado (sólido, líquido o
gas) constituye una fase. Cuando el agua y el hielo están juntos en un recipiente, existen dos
fases separadas; son físicamente distintas aunque sean químicamente idénticas. Si una
sustancia puede existir en dos o más formas (por ejemplo el elemento químico hierro, que
puede cristalizar tanto en la estructura fcc como en la bcc) cada una de estas formas es una
fase con diferentes propiedades físicas.
En el diagrama de fase los Componentes son el número mínimo de especies químicas
necesarias para determinar la composición de las fases. Por ejemplo en una aleación de cobre
y cinc (latón) los componentes son el cobre y el cinc.
En un sistema en equilibrio, los grados de libertad (L) son el número de variables intensivas
(presión, temperatura, concentraciones) que se pueden modificar en un amplio intervalo sin
producir la aparición de nuevas fases o la desaparición de las existentes; corresponde por
ello al número de variables, controladas experimentalmente, que se deben especificar
para definir completamente el estado del sistema.
Un sistema está en equilibrio si la energía libre es mínima en condiciones específicas de
temperatura, presión y composición. En sentido macroscópico, esto significa que sus
características no cambian con el tiempo sino que se mantienen indefinidamente; es decir, el
sistema es estable. El término equilibrio de fases se refiere a la situación de equilibrio
termodinámico correspondiente a un sistema que tenga más de una fase. La energía libre y los
diagramas de fases aportan información acerca de las características del equilibrio de un
determinado sistema, pero no informan acerca del tiempo necesario para alcanzar dicho
equilibrio.
Regla de las fases de Gibbs Esta regla fue formulada en el siglo XIX por el físico J. Willard
Gibbs. Se aplica estrictamente en condiciones de equilibrio termodinámico, pero en la práctica
también es muy útil en situaciones de no equilibrio próximas a las de equilibrio. La expresión
para esta regla es:
F es el número de fases coexistentes en el equilibrio
C es el número de componentes
L es el número de grados de libertad o variables independientes.
N es el número de variables no composicionales (por ejemplo, temperatura y
presión). En los diagramas de fases a presión constante N toma el valor 1, mientras que si la
presión es variable N tendrá un valor 2. En los sistemas más interesantes que se analizan en
Ciencia de Materiales, la influencia de la presión es mínima y las variables independientes
prioritarias son la temperatura y la composición en cada fase (N=1)
La determinación de los diagramas de fases o diagramas de equilibrio se realiza por vía teórica
y/o experimental. Ahora bien, la falta de datos termodinámicos es la causa de que la gran
mayoría de los diagramas de fases de los que disponemos, se hayan caracterizado por vía
experimental. El conocimiento de estos diagramas permite a científicos y tecnólogos encontrar
formulaciones y/o elegir a priori las condiciones iniciales y finales de los procesos. Así es
posible establecer:
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1. Los elementos de partida convenientes para una determinada síntesis o proceso, así como
las condiciones necesarias para su realización.
2. La proporción y naturaleza de las fases que componen las eventuales composiciones
intermedias y finales del producto, en función de las variables: temperatura, presión, etc.
3. La temperatura de la primera formación de la fase líquida y su evolución con la temperatura.
4. La solubilidad de una fase en otra, en diferentes tipos de reacciones.
5. Las reacciones que puede sufrir un material en función de la temperatura, presión y entorno.
6. Las previsiones sobre la estructura microscópica, y en consecuencia, algunas de sus
propiedades.
Diagramas de fase para soluciones sólidas
Una solución sólida recordemos, es un tipo de sistema formado por átomos de dos o más
clases diferentes, homogéneamente distribuidos y que por ello constituyen una sola fase.
Cuando un metal sólido se disuelve en un segundo elemento metálico, la fase resultante se
denomina solución sólida. Al constituyente que se encuentra en menor proporción se le
conoce, por analogía con las familiares soluciones acuosas, como soluto, mientras que aquél
que se encuentra en mayor proporción se denomina solvente. En una solución sólida se
mantiene la estructura cristalina original del solvente ejemplo aleación Cu-Ni
En muchas aleaciones que forman soluciones sólidas, y para cada temperatura, existe una
concentración máxima de átomos de soluto que se dispersan en el solvente. Esta
concentración máxima se denomina límite de solubilidad. La adición de una cantidad adicional
de soluto a este límite de solubilidad forma otra solución sólida o compuesto con otra
composición diferente y que por lo tanto constituye una nueva fase.
Estas aleaciones con solubilidades limitadas deben presentar una serie de condiciones,
llamadas Condiciones de Hume-Rothery
1. Los átomos de los constituyentes deben ser de tamaño similar, criterio evidente ya que esta
geometría minimiza la deformación de la red. Se estima que las diferencias no pueden ser
superiores a un 15%.
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2. Los metales iniciales han de tener la misma estructura cristalina.
3. Para evitar la formación de nuevos compuestos los átomos deben tener idéntica valencia y
próxima electronegatividad
El estado de los metales obtenidos industrialmente es microcristalino, es decir, formado por
pequeños cristales cada uno de ellos con una estructura atómica periódica, que por tanto se
puede caracterizar en términos de los conceptos de red y base estructural.
Cuando se centra la observación de un metal
o aleación en tamaños del orden de micras
(cientos de microcristales), se dice que se
está observando la microestructura del
material. En las aleaciones metálicas dicha
microestructura se caracteriza por el número
de fases presentes y por la proporción y
distribución de las mismas Así, la
microestructura de una aleación depende del
número de sustancias aleantes, de la
concentración de cada una de ellas y de su
historia térmica.
Información que se obtiene del diagrama de fases
Fases presentes
Fases presentes Para identificar las fases presentes basta con localizar el punto definido por la
temperatura y la composición, y el diagrama nos suministra, directamente, las fases
A
B
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presentes en dicho punto. Ejemplo, el punto A
representa una aleación de 40% en peso de Ni y
60% en peso de Cu a 1100ºC; puesto que este
punto se encuentra en la región monofásica
α.Cuando se encuentran presentes dos fases,
ejemplo en el punto B se traza una recta horizontal
por el punto que índica la temperatura de la
aleación (línea de reparto) y se lee la composición
de cada una de ellas en las intersecciones de esta
línea con las líneas de liquidus y de solidus (CL y
Cα).
En este caso particular se está en presencia de un sistema isomórfico binario (dos
componentes una sola fase sólida.
Composición. Para determinar la composición de B, que se encuentra en una zona bifásica, se utiliza la regla
de la palanca.
Diagramas en los que existe una solubilidad parcial
Cuando se excede el límite de solubilidad, se produce una aleación en la que coexisten dos
fases en estado sólido
Opción 1: la aleación esté compuesta por una fase continua, que usualmente está presente en
mayor cantidad, y que se denomina matriz, y por una segunda fase, en menor proporción,
denominada precipitado. Da lugar al endurecimiento por dispersión.
Opción 2: Se forman las dos fases simultáneamente; la mezcla íntima de ambas se denomina
entonces microconstituyente.
Endurecimiento por dispersión o precipitación. Reacciones de tres fases más importantes
en diagramas de fases binarios. Las fases α, β y γ son fases sólidas y las fases líquidas se
representan por las letras L, L1 y L2.
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Las reacciones eutéctica, monotéctica y peritéctica son parte del proceso de solidificación (en
las tres aparece la fase líquida). Las reacciones eutectoide y peritectoide son reacciones de
estado sólido, puesto que solo están involucradas fases sólidas.
Sistemas eutécticos binarios: diagramas de fases binarios.
Tres regiones monofásicas: α (solución sólida rica en cobre, fcc y plata como soluto) β(solución
sólida rica en plata, fcc y cobre como soluto) y liquido L.
Existen además tres regiones bifásicas:
α+L, β+L y α+β. La línea que separa las
fases α y α+β se denomina línea solvus o
de solubilidad (CB en la figura). El límite
entre las regiones α y α+L es la línea
solidus (AB en la figura). La separación
entre las fases líquido y α+L corresponde
a la línea liquidus (AE en la figura). En la
fase β también existen las líneas solvus,
solidus y liquidus. La línea horizontal BG,
cuya temperatura es constante e igual a
TE (temperatura eutéctica), se denomina
isoterma eutéctica.
Las dos líneas liquidus se unen en el punto E del diagrama de fases, por donde también pasa
la isoterma eutéctica BEG. El punto E se denomina punto invariante (E) y se caracteriza por los
valores de composición y temperatura CE y TE, que para el caso del sistema cobre plata son
71.9 % de plata y 780ºC respectivamente.
Una aleación de composición CE (denominada aleación eutéctica) experimenta una reacción
eutéctica al cambiar la temperatura a través de TE. Esta reacción se puede escribir:
Aleaciones hipoeutécticas y hypereutécticas.
Si contenido de Sn está entre un 61 y un 97.5% la aleación se denomina hipereutéctica y el tipo
de microconstituyente a partir del que está formada es análogo al de las aleaciones
hipoeutécticas, presentando inclusiones de fase β. Para las aleaciones hipoeutécticas las
inclusiones son de fase α.
Para contenidos muy bajos de Pb o muy bajos de Sn la situación es análoga a la de las
aleaciones isomórficas binarias, formándose una sola fase α o β.
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Aleaciones ferrosas (II). En las aleaciones ferrosas es el Fe el componente principal y mayoritario, pero siempre hay un
componente secundario, en menor porcentaje que el Fe. Además hay otros componentes como
trazas (en 11 muy bajo porcentaje); otros agregados a propósito (como en el caso de los
aceros especiales) o como impurezas como es el caso del S en las fundiciones.
EL HIERRO De símbolo Fe (del latín ferrum, ‘hierro’), es un elemento metálico, magnético,
maleable y de color blanco plateado. Tiene de número atómico 26 y es uno de los elementos
de transición del sistema periódico. El hierro puro tiene una dureza Mohs que oscila entre 4 y 5.
Es blando, maleable y dúctil. Se magnetiza fácilmente a temperatura ordinaria; es difícil
magnetizarlo en caliente, y a unos 790 °C desaparecen las propiedades magnéticas. Tiene un
punto de fusión de unos 1.535 °C, un punto de ebullición de 2.750 °C y una densidad relativa
de 7,86. Su masa atómica es 55,847.
1) Estados alotrópicos.- Son las diferentes estructuras cristalinas que adopta una sustancia
simple
2) Estados alotrópicos del hierro.- Si vamos calentando el hierro, van apareciendo sus tres
estados alotrópicos:
Hierro alfa (α).- Es una estructura cúbica centrada, que se presenta hasta los 910 º
Hierro gamma (γ).- Es una estructura cúbica centrada en las caras, que está en el
hierro en el margen de temperaturas de 910 º a 1400 º.
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Hierro delta (δ).- En el margen de
temperaturas de 1400 º a 1539 ºC,
se vuelve a la red cúbica centrada
en el cuerpo.
El Fe β no presenta un cambio en la
estructura cristalina, sino la pérdida de las
propiedades magnéticas del α (no
representa transformación de fases
diferentes)
A más de 1539 ºC, el hierro está fundido en
estado líquido y, por consiguiente, no hay
estructura cristalina.
EL CARBONO
Es un elemento no metálico, que se presenta en dos estados alotrópicos: el diamante (el
material más duro de la Tierra) y el grafito (negro, muy blando y muy exfoliable).
El carbono se combina químicamente con el hierro, formando carburo de hierro (Fe3C), que se
llama en metalurgia cementita (92,23% Fe + 6,67% C).
A) Fundiciones: Tienen más de un 80% de Fe, 3 a 5% de C y trazas de Mn. El Mn
siempre está presente en la aleaciones ferrosas pues es vecino del Fe y como tienen
propiedades químicas similares y es difícil de aislar, no se lo separa, ya que su
presencia no afecta las propiedades físicas ni mecánicas. Sin embargo, hay otros
elementos químicos como el S, P y Si, cuya presencia sí resulta perjudicial, ya que
disminuyen la resistencia. Al formarse la aleación estos elementos se reúnen y forman
acumulaciones no metálicas, que constituyen zonas débiles del material. En general
son frágiles y duras, resisten mal la tracción pero muy bien la compresión, por lo que
tienen usos limitados.
De acuerdo con sus características, se clasifican en:
Fundición blanca o de
primera fusión
parte del carbono en la
fundición en estado líquido
forma carburo de hierro en
vez de grafito al solidificar.
La microestructura de una
fundición blanca no aleada
contiene grandes cantidades
de carburo de hierro (Fe3C)
con granos de perlita. Para
retener el carbono en la
forma de carburo de hierro
en las fundiciones blancas,
se deben mantener
relativamente bajos los
contenidos de carbono y
silicio ( 2,5-3 % de C y 0,5-
difícilmente mecanizable
con la cual se fabrican por
ejemplo los aros de pistón
de los motores de
combustión interna.
superficie cristalina
brillante o “blanca”.
or su
resistencia al desgaste
(Fe3C) y a la abrasión.
Se usan como material
bruto para el hierro
maleable fundido.
Aros de pistón de los
motores de combustión
interna zapatas de freno de
máquinas pesadas, y
rodillos laminadores
o como materia prima para
otras fundiciones o aceros
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1,5 % Si).
Procede directamente del
alto horno, cuando se
enfría rápidamente desde el
líquido; de la composición
resultante, dependerán las
características mecánicas.
Influye también la
velocidad de enfriamiento.
Fundición gris
carbono de la aleación se
encuentra en una cantidad
superior a la que puede
disolverse en la austenita y
precipita como hojuela de
grafito, en una matriz de
perlita o ferrita dependiendo
de si el enfriamiento desde el
líquido es lento o muy lento;
3-3,5% C. Fusión del
arrabio + chatarra y el
fundente en horno de
cubilote ( +
ferromanganeso +
ferrosilicio)
y Si (2,5%)
de fractura es gris, por el
grafito.
térmicos sencillos que
mejoran ligeramente sus
propiedades
maleable
ni forjar;
capacidad de mecanización
frente a niveles de dureza
que tienen buena resistencia
al desgaste
bajo lubrificación restringida
amorti-
guamiento vibracional , por
las láminas de grafito .
absorción de las vibraciones
Pequeños bloques cilíndricos,
cabezas de cilindro, discos
de embrague
Bloques de cilindros de
camiones y tractores. Cajas
de cambio pesadas.
Fundición de motores diesel
Bancadas de máquinas que
vibran.
Fundición dúctil o nodular
Agregado de Ni o Mg a la
fundición gris para que el
grafito adquiera estructura
nodular que proporciona
características similares a
la fundición maleable pero
con mayor resistencia
mecánica y buena
ductilidad. Con menores
costos de producción,
alcanza propiedades
cercanas a las de los
aceros; por eso es
especialmente apta para
elementos sometidos a
altas presiones, como
carcasas de bombas,
turbinas y conducciones
hidráulicas
moldeabilidad, excelente
mecanización y buena
resistencia al desgaste
propiedades similares a las
del acero, tales como alta
resistencia, tenacidad,
trabajabilidad en caliente y
templabilidad.
Fundiciones de presión como
válvulas y cuerpos de bomba.
Cigüeñales, engranajes y
laminadores.
Piñones, cambios o
engranajes; laminadores y
carros.
Carcasas de bombas,
turbinas y conducciones
hidráulicas
Fundición maleable Son importantes en
ingeniería ya que poseen las
Se usa para piezas
complicadas que no estén
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fundición blanca a la que
se trata térmicamente para
darle cierta ductilidad y
maleabilidad, con lo que
disminuye su fragilidad y
aumenta la posibilidad de
deformación. Son
primeramente fundidas
como fundiciones blancas,
que contienen grandes
cantidades de carburos de
hierro y no contienen
grafito (a temp. bajas).
químicas son las de las
fundiciones blancas (2-
2,6% de C y 1,1 a 1,6 % de
Si)
Las fundiciones blancas se
calientan en un horno de
fundición a fin de disociar el
carburo de hierro blanco en
grafito y hierro. El grafito
está en forma de agregados
nodulares irregulares
llamadas aglomeraciones
de grafito
propiedades adecuadas de
moldeabilidad, resistencia
moderada, tenacidad,
resistencia a la corrosión
para ciertas aplicaciones, y
uniformidad, puesto que
todas estas fundiciones son
tratadas térmicamente
sometidas a fuertes
esfuerzos mecánicos.
Servicios generales de
ingeniería con buena meca -
nización.
Servicios generales de inge-
ng ía con tolerancia
dimensional especificada.
Piezas de alta resistencia:
barras de conexión y juntas
de culata.
Soportes de elementos de
máquinas conexiones
Elementos de hidráulicas
Cajas de rodamientos
B) Aceros: son una aleación ferrosa tipo II, presentan menos contenido de carbono que las
fundiciones, En función del contenido de carbono, los aceros se pueden clasificar en tres
grupos:
1. aceros de bajo contenido de carbono, los que poseen menos de 0.2% de C. Son los más
blandos y se les emplea en la fabricación de chasis y carrocerías de automóviles
2. aceros de mediano contenido de carbono, son los que poseen de 0,2 a 0,6 % de C; se los
utiliza en la fabricación de cigüeñales y vías de ferrocarril
3. aceros de alto contenido de carbono, que poseen de 0,6 a 1,5 % de C. Son los más duros
y se los emplea en la fabricación de resortes y maquinaria agrícola (discos de arado)
Hay una relación directa entre el porcentaje de carbono del acero y su resistencia mecánica,
que es máxima con un contenido de carbono del 0,95%, y luego decrece abruptamente, hasta
que al llegar a las fundiciones se alcanza el mínimo
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• Aceros dulces: contienen menos de 0,2% de C, son maleables y dúctiles y se usan para
fabricar cables, clavos, cadenas.
• Aceros medianos: contienen 0,2 a 0,6%, son más tenaces que los aceros dulces y se usan
para fabricar vigas y rieles.
• Acero al alto horno: 0,6 a 1,5 % de C, se usa en la manufactura de cuchillería, herramientas,
resortes
CONSTITUYENTES DE LOS ACEROS
Son los diferentes tipos de granos que están presentes en los aceros:
1) Ferrita-alfa- solución sólida de C en la red cristalina (bcc) del Fe alfa (Fe casi puro), (% C <
0,008%). El carbono es muy poco soluble en ferrita- alfa, alcanzando la máxima solubilidad
sólida: 0,02% a 723ºC. Puede contener en solución apenas cantidades muy pequeñas de
silicio, fósforo y otras impurezas. Tiene las siguientes características:
-Blando (dureza 90 HB)
-Dúctil (35 – 40% de alargamiento)
-Baja resistencia a la rotura (R = 28 Kg/mm2)
Por lo tanto, los aceros ferríticos- denominados hipoeutectoides (contenido de carbono
inferior al 0,8%)- resultan muy fáciles de trabajar, incluso en frío: (BCC, Dureza: 90 HB,
Resistencia a la rotura:28kg/mm2 , Alargamiento 30 a 40 %. Prop. Magnéticas).
2) Cementita.- Es carburo de hierro (Fe3C), que tiene 6,67% de C. Sus características son:
-Muy duro (dureza: 700-800 HB ó 68 HRc). Hasta 210 ºC prop. magnéticas, después no.
Cristaliza en redes ortorrómbicas.
-Muy frágil y poco tenaz
Los aceros ricos en ella, en consecuencia, son más difíciles de trabajar (hipereutectoides).
3) Perlita.- Tiene un 88% de ferrita y un 12% de cementita. Se obtiene pura si se enfría
lentamente un acero con el 0,8 % de C(constituyente eutectoide) estructura laminar ( si se
calienta globular)..
Sus características son intermedias entre la ferrita y la cementita:
-Dureza: 200 HB
-Ductilidad (15% de alargamiento)
-Resistencia a la rotura: R = 80 Kg/mm2
4) Austenita.- Solución sólida intersticial de C en Feγ. Se obtiene cuando se calienta un acero
hasta que el hierro α se transforma en Fe γ. Es una solución sólida de carbono en hierro γ, en
la que los átomos de carbono ocupan los huecos que aparecen en la red cúbica centrada en
las caras del hierro γ, por esto puede tener hasta un 1,76% de C disuelto en la red (a 1130 ºC)
que disminuye a un 0,8% a 723ºC.
Es muy estable a altas temperaturas y, además, deformable y resistente. Los aceros que
la poseen presentan algunas características mecánicas excepcionales.
Dureza: 300 HB, R: 100 kg/mm2 A: 30%
5) Ferrita- delta- solución sólida intersticial de carbono en hierro- delta. Tiene estructura
cristalina bcc como la ferrita- alfa, pero con una cte. de red mayor. La máxima solubilidad del
carbono en ferrita- delta es de 0,09% a 1465ºC. (sin aplicación siderúrgica)
6) Martensita.- Es una estructura un poco desordenada en forma de agujas y cristalización en
el sistema tetragonal., que se obtiene enfriando rápidamente la austenita, solución sólida
sobresaturada de C en Fe γ.
El más duro después de la cementita,. Sus propiedades son:
–Gran dureza (500-700 HB ó 50-68 HRc)
-Gran resistencia (R = 175-200 Kg/mm2)
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-Poco dúctil y maleable: alargamiento máximo de 0,5-2,5
- presenta propiedades magnéticas
El hierro alfa y el hierro gamma disuelven al carbono y los símbolos α y γ se usan para
representar, tanto al hierro puro, como a las soluciones sólidas de carbono en hierro.
En la tabla, podemos ver resumidas las propiedades de los aceros según su composición y
constituyentes
TABLA DE PROPIEDADES DE LOS ACEROS SEGÚN SU COMPOSICIÓN:
En el DIAGRAMA DE FASE Fe-C se puede destacar:
- La línea ABCD (líquidus) por encima de la cual las aleaciones con cualquier concentración se
hallan en estado líquido.
- La línea (solidus) que indica la temperatura de solidificación de las aleaciones.
- El punto A en la ordenada corresponde a la temperatura de solidificación del hierro puro
(1540º C).
El punto C representa la aleación eutéctica, con una proporción de carbono del 4,3%,
compuesta por austenita y cementita formando la lededurita. Temperatura de transformación
1.130ºC
- El punto E es el de máxima solubilidad del carbono en hierro gamma, que corresponde a una
proporción de carbono de 2% aproximadamente.
- El punto S representa la aleación eutectoide, con una proporción de carbono del 0,8% de C.
En el punto S se verifica la transformación eutectoide similar a la eutéctica, o sea, la austenita
se transforma en una mezcla de ferrita y cementita que se denomina perlita; transformación en
la que hay 3 fases sólidas: hierro gamma (C) + hierro alfa (C) y cementita. Temperatura de
transformación (730ª C)
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El acero eutectoide divide todos los aceros en dos grupos: hipoeutectoides y
hipereutectoides.
Los aceros eutectoides ( 0.8% C) la ferrita se encuentra entre placas de cementita.
Los hipoeutectoides están formados por una matriz de ferrita que contiene zonas de eutéctico
laminar. Son relativamente blandos y se pueden deformar; se emplean cuando interese la
ductilidad (fabricación de alambres, clavos, carrocerías de automóviles, etc.)
Los hipereutectoides contienen cementita proeutectoide, que se forma como una cáscara muy
dura y frágil alrededor de los granos de perlita. Se caracterizan por su dureza y al mismo
tiempo por su fragilidad (fabricación de cuchillos, navajas , hojas de sierra, tijeras, etc.)
Reacción eutéctica: transformación de fases en la cual toda la fase líquida se transforma por
enfriamiento en 2 fases sólidas isotérmicamente.
Temperatura eutéctica: temperatura a la que tiene lugar la Reacción Eutéctica.
Composición eutéctica: composición de la fase líquida que reacciona para formar 2 nuevas
fases sólidas a la temperatura eutéctica.
PUNTO EUTÉCTICO (1130ºC y 4,3% de C)
Tratamientos térmicos y termoquímicos.
Estos procesos se realizan para mejorar las características mecánicas del acero.
• Por tratamiento térmico se entiende una operación o un ciclo de operaciones a las que se
somete una pieza, llevando a temperaturas diferentes de las normales. Se trata, generalmente,
de una serie de calentamientos en hornos especiales, seguidos por enfriamientos más o menos
rápidos. Esas operaciones modifican la estructura de la superficie de las piezas y les confieren
características particulares de dureza y de resistencia. No todos los materiales se prestan para
recibir un tratamiento térmico; el acero es el que más tratamientos térmicos diferentes puede
recibir.
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De todos los tratamientos térmicos, el templado es el más importante.
• Están también los tratamientos por cambio de composición: en los que se toma en cuenta
la atmósfera en la cual se calienta la pieza. Se los usa para conseguir piezas de gran dureza
superficial, capaces de resistir el desgaste, pero dotadas al mismo tiempo de buena tenacidad
en el núcleo. Son: la cementación, cianuración, sulfinización y nitruración.
Tratamientos térmicos.
El templado, consiste en el calentamiento prolongado, a una temperatura que varía entre 50º y
70ºC por encima del punto crítico (línea que separa ferrita+austenita- austenita o línea
horizontal de 723º), mantenerlo un cierto tiempo a esta temperatura y enfriarlo luego
rápidamente en agua, aceite u otros líquidos, por encima de la temperatura de transformación
de la austenita, seguido por un rápido enfriamiento. Aumenta la dureza y resistencia pero
aumenta la fragilidad.
Según la velocidad de enfriamiento se pueden obtener diferentes estructuras y,
correspondientemente, un templado más o menos eficiente. El enfriamiento puede ser hecho
en aceite, en agua o en soluciones salinas; el cambio del agente refrigerante implica una
variación en la velocidad de aquél.
Por ejemplo, un acero conteniendo menos de 0,8% de carbono está constituido por ferrita y
perlita que tienen poca dureza; si se quiere usar este acero para una pieza de fuerte dureza, se
le calienta 30 a 50º por encima del punto crítico (se lleva a la zona austenítica). A esta
temperatura la estructura ferrita+perlita se transforma en austenita. Si la pieza es enfriada
enseguida rápidamente, la austenita se transforma en martensita que es un acero de alta
dureza. Cuando se templa un acero conteniendo más de 0,8% de C ( ej. 1%) a una
temperatura superior a 723º, la estructura cementita + perlita se transforma en austenita+
cementita. El enfriamiento rápido posterior contribuye al pasaje de austenita en martensita.
Influye en esto el espesor de la pieza; por ej.: si tiene más de 10 a 12 mm, la martensita dura
se forma sólo en la superficie, manteniendo en profundidad su antigua estructura.
El acero del proceso anterior se encuentra en un estado contraído, y es frágil.
Ej: se puede construir una pieza con bajo tenor en C para trabajarla fácilmente y luego darle
dureza.
El revenido es similar al templado, pero el material se calienta a 750ºC, por debajo de su
temperatura crítica y enfriarlo progresivamente en aire. De esta manera, se corrigen la excesiva
dureza y la fragilidad de un mal templado.
El revenido es un tratamiento que tiene por objetivo reducir las tensiones internas, y por lo tanto
la fragilidad del acero; reduce la dureza del metal pero aumenta su resiliencia.
El recocido consiste en calentar el acero a 1.100ºC ( encima del punto crítico)y dejarlo enfriar
lentamente, con lo cual pierde su estructura cristalina y se hace más blando y fácil de trabajar.
Se utiliza además para eliminar tensiones residuales en piezas de acero que fueron
deformadas en frío
La normalización consiste en calentar el acero 30 a 50ª por encima de ferrrita + austenita-
austenita y enfriarlo luego al aire. La normalización permite obtener un acero homogéneo, de
grano fino, que posee una gran dureza y una gran resistencia, pero una plasticidad inferior a la
que se obtiene por el revenido
Como hemos visto el hierro alfa y el hierro gamma juegan un rol principal de los tratamientos
mecánicos y térmicos. Si se conocen las modificaciones de estructura sufridas por el acero a
distintas temperaturas, se pueden obtener aceros que tengan propiedades o características
técnicas apropiadas (se obtienen otras estructuras).
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Tratamientos termoquímicos
Hay también otros métodos de tratamiento térmico para endurecer el acero.
En la cementación, las superficies de las piezas de acero terminadas se endurecen al
calentarlas con compuestos de carbono o nitrógeno. Estos compuestos reaccionan con el
acero y aumentan su contenido de carbono o forman nitruros en su capa superficial.
En la carburización la pieza se calienta cuando se mantiene rodeada de carbón vegetal,
coque o de gases de carbono como metano o monóxido de carbono.
La cianurización consiste en endurecer el metal en un baño de sales de cianuro fundidas para
formar carburos y nitruros.
La nitrurización se emplea para endurecer aceros de composición especial mediante su
calentamiento en amoníaco gaseoso para formar nitruros de aleación
C) Aceros especiales.
En determinadas aplicaciones industriales, se requieren aceros con cualidades superiores a los
aceros comunes, con mayor resistencia a la tracción, mayor dureza, mayor resistencia a los
impactos o a la corrosión.
Para satisfacer estas exigencias es necesario el agregado de elementos especiales, cada uno
de los cuales le confiere al acero una propiedad bien definida. Cuando se encuentran varios
elementos aleados en el mismo acero, sus influencias se suman si son del mismo signo o se
restan si son de signo contrario.
Tales elementos pueden ser:
Níquel: aumenta la resistencia a la tracción sin afectar la ductilidad. También aumenta la
resistencia a la corrosión. Los aceros inoxidables suelen contener, como mínimo 10% de Cr y
12% de Ni. Aumenta la dureza, disolviéndose en hierro α. Con un porcentaje de Ni del 35% se
obtiene una aleación llamada INVAR, con un bajísimo coeficiente de dilatación térmica, y que
se utiliza en la fabricación de piezas de relojería.
Cromo: una adición de 1% de dicho metal aumenta la resistencia, la dureza (propiedad que
conservan hasta 500ºC aprox.) y se obtiene un acero resistente a la corrosión. Se emplea para
fabricar cigüeñales, bielas, engranajes, dados de terraja, etc. Juntos, el Ni y el Cr agregados al
acero, forman los aceros al cromo-níquel, caracterizados por su elevada resistencia, dureza y
resistencia a la corrosión. El acero inoxidable es un ejemplo de acero al cromo-níquel, con 18%
de Cr, 8% de Ni (acero 18/8)
Molibdeno: nunca se le adiciona solo al acero, se lo agrega con Ni y Cr, en un porcentaje no
mayor al 0,5% de Mo. Junto con el carbono es el elemento más eficaz para endurecer el acero.
Se lo utiliza para fabricar herramientas de corte de alta velocidad, como hojas de sierras
eléctricas y mechas de taladros eléctricos, por su dureza y resistencia al desgaste. Evita la
fragilidad. Aumenta la resistencia al ataque por gases corrosivos; aumenta la templabilidad.
Manganeso: es un elemento siempre presente en los aceros, pero en muy bajo porcentaje
(menos 0,5%), pero se le puede agregar hasta cifras del 12 al 15%, con lo que se obtiene un
acero duro y resistente al impacto. Contrarresta el efecto pernicioso del O y S; es un agente
desoxidante y desulfatante. Se lo emplea para fabricar rieles, martillos para molinos (en
fábricas de cemento portland por ejemplo), y muchas otras aplicaciones de trabajos pesados.
Wolframio o tungsteno: adicionado al acero en un porcentaje menor al 6% se lo utiliza para
fabricar herramientas de corte, que deben mantener el filo por el máximo tiempo posible, por
ejemplo en hojas de afeitar. Aporta una gran dureza al acero a altas y bajas temperaturas.
Favorece la resistencia a la oxidación.
Azufre: se encuentra en los aceros como impureza. Se toleran porcentajes de hasta 0.055.
Produce una gran fragilidad en los aceros. Muchas veces se añade azufre, en proporciones del
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0,1 al 0,3% y manganeso (mínimo 0,6%), que neutraliza el efecto de la fragilidad, obteniéndose
los denominados aceros de fácil mecanizado, que tienen menor resistencia, pero pueden ser
trabajados con velocidades de corte muy altas ( gran número de revoluciones de la herramienta
o pieza)
Cobalto: aumenta la dureza del acero en caliente. Se emplea para la fabricación de
herramientas de corte. Aumenta las propiedades magnéticas de los aceros. Aumenta las
resistencias a la corrosión, oxidación y abrasión. Disminuye la templabilidad.
Plomo: favorece el mecanizado por arranque de viruta(torneado, calandrado, fresado,etc) ya
que el plomo hace de lubricante de corte. El porcentaje oscila entre 0,15 y 0,30% de Pb. Nunca
debe sobrepasar el 0,5 % del Pb, ya que dificulta la templabilidad del acero y disminuye la
tenacidad en caliente.
Silicio: se emplea como desoxidante, en la obtención de aceros, en forma de ferrosilicios.
Proporciona elasticidad a los aceros. Si la proporción de silicio está entre 1 y 5%, los aceros
tienen buenas propiedades magnéticas. Aumenta la dureza, disolviéndose en hierro.
Vanadio: se utiliza como desoxidante, igual que el silicio. Proporciona a los aceros una
buena resistencia a la fatiga. Aumenta la resistencia a la tracción. Aumenta la velocidad de
corte en aceros para herramientas. Limita el crecimiento del grano de austenita formando
carburos, si el porcentaje de C es suficiente; propiedad que conservan a altas temperaturas
(cercanas a los 500ºC)
Identificación de aceros.
La inmensa variedad de aceros que pueden obtenerse por los distintos porcentajes de carbono
y sus aleaciones con elementos como el cromo, níquel, molibdeno, vanadio, etc. Ha provocado
la necesidad de clasificarlos mediante nomenclaturas especiales, que difieren según la norma o
casa que los produce, para facilitar su conocimiento y designación.
Las Normas Internacionales para el manejo de los aceros son:
S.A.E : SocIedad de Ingenieros Automotores de Estados Unidos
A.I.S.I : Instituto Americano del hierro y del Acero de Estados Unidos
A.S.T.M : Sociedad Americana para el ensayo de materiales de Estados Unidos
D.I.N : Norma Alemana para el manejo de materiales
JIS : Norma japonesa
AFNOR : Norma de Francia
UNE : Norma de España
NOMENCLATURA DE LOS ACEROS GRADO INGENIERIA: SISTEMA S.A.E – A.I.S.I
Como la microestructura del acero determina la mayoría de sus propiedades y aquella está
determinada por el tratamiento y la composición química; uno de los sistemas más
generalizados en la nomenclatura de los aceros es el que está basado en su composición
química. Todos los países y muchas instituciones tienen sistemas para clasificar los aceros.
Entraremos a detallar un poco el sistema S.A.E - A.I.S.I de clasificación de aceros.
En 1912, la sociedad norteamericana de ingenieros automotores (SAE) promovió una reunión
de productores y consumidores de aceros, para establecer una nomenclatura de la
composición de los aceros. Más tarde, el instituto norteamericano del hierro y el acero, AISI,
tomo la nomenclatura de la SAE y la expandió. En el sistema AISI-SAE, los aceros se clasifican
con cuatro dígitos. El primer digito especifica la aleación principal, el segundo modifica al
primero y los dos últimos dígitos, dan la cantidad de carbono en centésimas. En algunos aceros
al cromo de alto carbono hay números de cinco dígitos, los tres últimos dan el porcentaje de
carbono.
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Las convenciones para el primer dígito son:
1 -CARBONO
2 - NIQUEL
3 - NIQUEL-CROMO, principal aleante el cromo
4 - MOLIBDENO
5 - CROMO
6 - CROMO-VANADIO, principal aleante el cromo
8 - NIQUEL-CROMO-MOLIBDENO, principal aleante el molibdeno
9 - NIQUEL-CROMO-MOLIBDENO, principal aleante el níquel
No hay aceros numerados 7xxx porque estos aceros resistentes al calor prácticamente no se
fabrican
En los aceros simples (un solo elemento predominante), las dos últimas cifras establecen el
porcentje medio aproximado de C en centésimo del 1%, cuando el tenor del mismo no alcanza
al 1%. Por último la cifra intermedia indica el porcentaje o, en forma convencional, el contenido
preponderante de la aleación, tal el caso de los aceros al Cr-Ni, en los que la segunda cifra
corresponde al % de Ni.
Se observa entonces que si el primer número es 1 se sabe que es un acero al carbono; si el
dígito siguiente es el 0, o sea que la designación es 10xx, se trata de un acero ordinario al
carbono; así 1030 significa un acero ordinario al carbono con 0.30%C
Para ampliar la gama de aceros posibles de clasificar, la SAE los determina, en algunos casos,
con cinco cifras, de manera que la segunda y la tercera indiquen el porciento del elemento
preponderante; así, por ejemplo: el acero SAE 71660 resulta al tungsteno con 16% de W y
0,60% de C aprox.
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Aleaciones no ferrosas Pueden contener algo de Fe, pero como este no es el componente mayoritario, las propiedades
mecánicas de estas, no son las del hierro.
Dentro de este grupo podemos clasificar las aleaciones no ferrosas en los siguientes grupos.
I. Aleaciones en base cobre:
La importancia histórica de estas aleaciones se hace aparente cuando se lee acerca de la
Edad de Bronce, en la cual las aleaciones cobre-estaño afectaron de manera significativa el
avance de la civilización. Una Edad del Latón pudo haber seguido como resultado del
desarrollo de las aleaciones Cu-Zn, si el hierro no se hubiese desarrollado..
Las aleaciones en base de cobre tienen dos grandes y principales aplicaciones: 1) como
metales resistentes a la corrosión, los bronces han sido importantes tanto para el hombre
moderno como para el hombre antiguo, particularmente en medios marítimos. Recientemente
las aleaciones Cu-Ni han obtenido igual importancia. 2) como materiales para conducción
eléctrica. En este caso el cobre puro es mejor, puesto que, cualquier elemento añadido como
aleación reduce la conductividad eléctrica.
Exceptuando el bronce berilio (Cu + 2 a 6% de Be), las aleaciones simples en base de cobre
raramente son tratadas térmicamente, y el mecanismo de endurecimiento aplicable para los
aceros no se aplica en este caso, por lo tanto las aleaciones en base cobre generalmente se
endurecen por trabajo en frío o por solución. Así la mayoría de las aleaciones en base cobre
son metales que siguen la estructura cristalina similar a la del cobre.
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Poseen un porcentaje de cobre elevado, y dentro de este grupo encontramos:
1.Latones: aleaciones de Cu (60-70%) y Zn (30-40%) y pequeñas cantidades de Pb y Sn.
Usos: fabricación de caños, chapas, alambres, tuercas, tornillos, etc.
2.Bronces: aleaciones compuestas de Cu y Sn. Se obtienen por fusión de la materia prima.
Hay muchos tipos, según el elemento que se le adicione:
Plomo: se logra mayor resistencia a la fricción.
Níquel: aumenta la resistencia mecánica y a la corrosión
Aluminio: mejora la resistencia a las cargas y a las temperaturas elevadas.
Poseen muchas aplicaciones.
3.Cobre: Son prácticamente de cobre puro. Tienen presentes Pb, Sn y Bi hasta un 0,5%
Usos: fabricación de ollas, ornamentos, conductores de electricidad ( con más del 99,95% de
cobre) por su poca resistencia eléctrica y su costo poco elevado.
II. Aleaciones en base Pb, Sn y/o Sb.
1. Soldadura de plomo: 80% de Sn y 20% de Pb. El plomo le confiere rigidez y el Sn
solamente actúa como disolvente del plomo.
2. Metales blancos: estas aleaciones tienen un componente mayoritario, por ejemplo: - plomo:
empleado para cañerías ( 95% de Pb)
- estaño: hasta un 80% ; fue sustituido por el acero inoxidable.
Los metales blancos no sólo tienen color blanco sino que también poseen temperatura de
fusión relativamente bajas. Las soldaduras de plomo-estaño son ejemplos de este grupo y son
especialmente seleccionadas por la existencia de una solución sólida con su correspondiente
eutéctico. Las aleaciones para fundición se seleccionan también en base a su temperatura de
fusión. Son comunes las aleaciones en base de Zn que tienen una mayor resistencia mecánica
que las aleaciones en base de Pb o Sn. También son comunes las aleaciones para fundición
en aluminio.
Todas estas aleaciones no tienen que deformarse plásticamente, para lo cual la estructura
hexagonal del Zn no resulta una desventaja grande.
3. Babbit: 90% de Sn y 10% de Cu y Sb.
4. Hojalata: Si bien posee hierro, se la considera no ferrosa porque sus propiedades,
fundamentalmente químicas, son debidas al Sn. Se la emplea para fabricar envases metálicos.
III. Aleaciones livianas en base Al o Mg.
El Mg resulta muy atractivo para ciertos usos debido a su baja densidad(1,74g/cm3). La
estructura hexagonal del Mg impide la presencia de deformación plástica debido a que carece
de la simetría que aparece en los metales cúbicos. Por esta razón el magnesio se usa más
comúnmente como una aleación fundida.
El Al es algo denso (2,7g/cm3), pero aún es más ligero que los aceros o las aleaciones a base
de cobre, es de estructura cúbica y por esto es muy susceptible a procesos de deformación.
Las hojas y las láminas de aluminio ilustran la deformación tan severa a que pueden
someterse. Tanto el Al como el Mg son relativamente nuevos dentro del repertorio de metales
disponibles para el ingeniero debido a que ofrece resistencia a ser separados de los óxidos
minerales. Fue necesario desarrollar técnicas especiales antes de que su uso fuera
comercialmente factible. Su afinidad al oxígeno se refleja en la tendencia a la oxidación y a la
corrosión de las aleaciones de Mg y Al. El óxido de aluminio (Al2O3) produce una capa
protectora del aluminio. Una capa similar sobre la superficie del Mg no resulta protectora. En
agua salada aún la capa del aluminio puede resultar inestable.
El aluminio puede reforzarse por medio del trabajo en frío pero está sujeto a recocido a
relativamente baja temperatura debido a su baja temperatura de fusión. La formación de
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soluciones sólidas entre los metales ligeros y otros metales comunes es limitada. Es por esto
que el endurecimiento por deformación no es un procedimiento que resulte útil.
1. Aluminio: en este grupo se incluyen las aleaciones que poseen un 95% de Al, además de
Si, Cu, Mg y Zn. Tienen excelente relación resistencia- peso.
Usos: se emplea en aquellas aplicaciones que no requieren gran resistencia química, por
ejemplo en la fabricación de baterías de cocina.
Se utiliza en aplicaciones aeronáuticas y de automotores.
2. Duraluminio: 80% de Al, 12% de Cu, Mg, Si y Mn.
Usos: fabricación de perfiles y cerramientos. Tiene mayor resistencia mecánica que el aluminio.
Es estéticamente agradable y muy resistente a la intemperie.
3. Zamac: compuesto fundamentalmente por Al y Zn, y en menor proporción posee Cu y Mg.
Es de bajo costo, funde a 410ºC y es fácil de moldear.
Usos: fabricación de piezas para lavarropas, carburadores de automóviles, etc.
IV. Aleaciones de metales preciosos Au, Ag o Pt.
1. Oro: el oro puro es muy caro y sumamente blando, por lo que, para aumentar su dureza se
lo utiliza aleado, generalmente con Cu.
Usos: fabricación de joyas ( el oro 18 K está formado por 18 partes de oro y 6 partes de cobre)
Fabricación de contactos eléctricos en electrónica por ser un excelente conductor de la
electricidad, con la limitación del costo.
2.Plata: aleada con cobre se utiliza en la fabricación de joyas ( la plata 900 está formada por
900 partes de plata y 100 de cobre). Fabricación de contactos eléctricos pues es un excelente
conductor de la electricidad.
3.Platino: poco empleado, por ser el más caro de los metales preciosos.
Puro se usa en la fabricación de instrumental de uso científico; aleado con cobre se lo utiliza en
joyería.
V. Aleaciones en base a Titanio
El titanio es un metal liviano (4,5 g/cm3), que pesa un 45% menos que el acero (7,8 g/cm3) y
solo el 60% más que el aluminio (2,7 g/cm3).
Es el cuarto metal estructural más abundante en la corteza terrestre, y el noveno elemento más
común.
Su alta relación resistencia-peso hace que las aleaciones a base de titanio sean superiores a
todos los metales y aleaciones de ingeniería en un rango de temperaturas de -253°C a 594°C.
Esta ventaja va acompañada por una excelente tenacidad, resistencia a la fatiga y resistencia a
la corrosión.
El titanio posee coeficientes de expansión lineal y de conductividad térmica inferiores a los del
aluminio y a los del acero aleado. Es no magnético.
La tecnología moderna se ve atraída por sus propiedades: soporta los más diversos agentes
corrosivos, elevadas presiones, mayores temperaturas que muchos otros metales, y su peso es
reducido (40% menos).
