Propiedades, estructura y obtención de metales y aceros: ensayos y procesos industriales

Clasificación de los materiales

Clasificación: Naturales, artificiales, sintéticos.

Propiedades de los materiales

Propiedades sensoriales y físicas: sensoriales, ópticas, térmicas, magnéticas, químicas.

Mecánicas

Propiedades mecánicas:

• Elasticidad
• Plasticidad
• Ductilidad
• Maleabilidad
• Dureza
• Fragilidad
• Tenacidad
• Fatiga
• Maquinabilidad
• Acritud
• Colabilidad
• Resiliencia

Esfuerzos a los que están sometidos

• Tracción
• Compresión
• Flexión
• Torsión
• Cortadura
• Pandeo

Ensayos

Tracción

Estirar lentamente la probeta hasta romperse. Se analizan los alargamientos producidos a medida que aumenta la fuerza.

Fatiga

Girar rápidamente la probeta del material a analizar; al mismo tiempo ésta se deforma debido a la fuerza aplicada.

Dureza

Se ejerce una fuerza con un diamante sobre la pieza que vayamos a analizar y se miden las dimensiones de la huella resultante.

Resiliencia

Consiste en conocer la energía necesaria para fracturar una probeta mediante un impacto. Se utiliza un péndulo que lleva una velocidad de 7 m/s. Para calcular la energía se anota la altura tomada.

Estructura interna de los materiales

Estructura cristalina

Estructura cúbica centrada: formada por un átomo del metal en cada uno de los vértices de un cubo y un átomo en el centro.

Estructura cúbica centrada en el cuerpo (BCC)

Los metales que cristalizan en esta estructura son: Mo, V, Cr, Na, K.

Estructura cúbica centrada en las caras (FCC)

Los metales que cristalizan en esta estructura son: Cu, Ag, Au, Pb, Ni.

Estructura hexagonal compacta (HCP)

Cada átomo está rodeado por doce átomos y estos están en contacto según los lados de los hexágonos base del prisma hexagonal.

Solidificación de los metales

Cuando un metal puro y fundido se enfría, se llega a una temperatura de equilibrio en la que se produce un cambio de estado. Este cambio se produce en dos etapas principales:

Nucleación

Los átomos se unen entre sí formando redes cristalinas. Este proceso se inicia alrededor de impurezas o sobre la propia pared del molde. Se extrae el calor y los átomos se unen.

Crecimiento

A velocidad lenta: al extraerse el calor, los átomos se unen a núcleos. Cuando la masa esté en sólido, habrá núcleos de gran tamaño, formando granos unidos entre sí.

A velocidad rápida: los átomos forman nuevos núcleos dando como resultado muchos granos pequeños unidos.

Propiedades según la velocidad de solidificación: a grano más pequeño, mejores propiedades.

Disminución del tamaño del grano: fragmentar núcleos ya formados, enfriamiento rápido, agitar la masa durante la solidificación.

Transformación del hierro puro

• Enfriamiento lento: 1538 °C: Fe δ
• 1394 °C: Fe γ (austenita)
• 910 °C: Fe α (ferrita)

Algunos constituyentes de los aceros

El acero es una aleación: aproximadamente 99% hierro + 1% carbono. Sus propiedades dependen de su composición y de los constituyentes, que son:

• Cementita: duro y frágil.
• Martensita: dura, obtenida por enfriamiento brusco.
• Bainita: propiedades intermedias, obtenida por un enfriamiento no muy lento.
• Perlita: blanda, formada por enfriamiento muy lento.
• Ferrita: propiedades inversamente proporcionales al contenido de carbono.

Metales ferrosos: procesos de obtención

Los metales ferrosos son los que contienen hierro como elemento base; pueden llevar además pequeñas proporciones de otros metales.

Alto horno (producción de hierro)

Proceso:

1. Se introduce en el horno arrabio, chatarra y fundente.
2. Se inyecta oxígeno en el metal fundido; las impurezas se queman.
3. Se extrae la escoria que flota sobre el acero.
4. Al acero se le añaden ferroaleaciones y carbono.

Horno eléctrico (chatarra)

Características: interior revestido con ladrillo refractario; temperatura interior ≈ 3500 °C; carga máxima ≈ 100 t; duración del proceso ≈ 50 min.

Proceso:

1. Se añade la chatarra y el fundente.
2. Se acercan los electrodos para que salte un arco eléctrico y se funda el metal.
3. Al fundirse la chatarra se inyecta oxígeno eliminando impurezas.
4. Se extrae la escoria.
5. Se vierte el acero y se moldea.

Aceros no aleados y aleados

Aceros no aleados: tienen un porcentaje bajo de elementos químicos distintos del hierro y carbono.

Clasificación (ejemplo): extra suave — porcentaje de carbono 0,1–0,2; semi duro — (otros rangos y propiedades según norma).

Aleados: además de hierro y carbono contienen otros elementos que modifican sus propiedades.

Vías de obtención (minerales y cobre)

Vía seca

1. Trituración.
2. Molienda.
3. Separación de la ganga: el mineral en polvo, lleno de agua, se agita.
4. Se oxida el hierro en el horno, separando el hierro del cobre.
5. Fusión.
6. Obtención del material.
7. Refinado electrolítico en la cuba.

Vía húmeda

Se tritura todo el mineral y se le añade ácido sulfúrico. Se realiza la electrólisis, obteniendo el cobre.

Método Kroll (obtención del titanio)

1. Cloración: se calienta el mineral de titanio, se le añade carbón y se hace pasar cloro, obteniendo TiCl4.
2. Transformación: el TiCl4 obtenido se introduce en un horno a ≈ 800 °C; se aporta gas inerte y magnesio, formando titanio esponjoso. Este se introduce en un horno eléctrico y se le añaden fundentes.