MATERIALES METÁLICOS

CLASIFICACIÓN● METALES FERRICOS. (Componente principal el hierro)

– Hierro puro o hierro dulce. (%C < 0,03%)

– Aceros (% C : 0,03 – 1,67 %)

– Fundiciones (%C : 1, 67 – 6,67%)

– Los materiales de hierro con concentraciones de carbono superiores a 6,67% no tienen aplicaciones técnicas.

– Aceros aleados.

● METALES Y ALEACIONES NO FÉRRICAS:

– Pesados: Cobre, Bronce, Latón, Estaño, Plomo,...

– Ligeros: Aluminio, Titanio

METALES FÉRRICOS

HIERRO DULCE● El hierro puro no tiene buenas propiedades mecánicas,

por lo que tiene pocas aplicaciones técnicas.● Características:

– Es un material magnético (ferromagnético).

– Color blanco azulado.

– Muy dúctil y maleable.

– Punto de fusión: aproximadamente 1500 oC

– Densidad alta (7,87 g/cm3.)

– Buen conductor del calor y la electricidad.

– Se corroe y oxida con mucha facilidad.

– Bajas propiedades mecánicas (al corte, limado, conformado, etc).

– Es un metal más bien blando.

● Aplicaciones:– Núcleos de electroimanes.

ACEROS

● Son metales férricos con un contenido de carbono entre un 0,03% y un 1,67%.

● Características:– Son dúctiles y maleables.

– Se oxidan fácilmente.(Se alean con otros metales)

– La dureza aumenta al aumentar el contenido de carbono y también su fragilidad: Se clasifican según su dureza en aceros extradulces, muy dulces, semidulces, semiduros, duros, muy duros y extraduros.

– Tienen propiedades magneticas.● Aplicaciones:

– Son los metales más utilizados, tienen aplicaciones muy diversas. (Construcción, herramientas, partes de máquinas, utensilios de cocina...)

FUNDICIONES

● Son materiales férricos con un contenido de carbono entre un 1,67% y 6,67%. (2,5% - 4,5% en la práctica)

● Características:

– Son fácilmente fusibles y se utilizan para obtener piezas por moldeo.

– No son dúctiles ni maleables.

– Punto de fusión mas bajo que los aceros.

– Mayor resistencia a la oxidación que los aceros.

– Fragilidad que aumenta con el contenido de carbono.

– Más barato que el acero.

● Aplicaciones:

– Piezas obtenidas por moldeo, (bancos, farolas, rejas, tapas de alcantarilla,...)

OBTENCIÓN DEL ACERO

● Mineral de hierro. El hierro es uno de los materiales más abundantes en la corteza terrestre, pero no se encuentra en estado puro sino en forma de óxidos, carbonatos o sulfuros.

● El mineral de hierro se mezcla con carbón y con caliza (material fundente) y se hace arder la mezcla hasta que se obtiene una masa en estado pastoso.

● Esta masa se introduce en el alto horno que es un recipiente metálico, recubierto de ladrillo, donde se reduce el mineral de hierro a muy altas temperaturas, obteniéndose hierro metálico y monóxido de carbono.

● Los fundentes y las impurezas se sitúan en la parte superior dando lugar a la escoria, que se usa para hacer carreteras o cementos.

● El arrabio que es el producto principal que se obtiene de los altos hornos contiene un 95% de Hierro y un 3,5% de Carbono.

OBTENCIÓN DEL ACERO

● Los altos hornos son instalaciones que funcionan de manera continua y que sólo se apagan cuando es necesario efectuar reparaciones.

OBTENCIÓN DEL ACERO

● La proporción de carbono en arrabio extraido del alto horno se encuentra en el intervalo de las fundiciones (material duro y frágil). Es necesario reducir su contenido de carbono para convertirlo en acero.

● Esta transformación se lleva a cabo en un recipiente llamado convertidor y se realiza suministrando oxígeno al arrabio líquido para que haya combustión del exceso de carbono.

● Después en la llamada metalurgia secundaria se modifica la composición del acero para adaptarlo a las necesidades que se tengan.

● Actualmente, gran parte del acero se obtiene del reciclado de la chatarra que se funde en las acererías con un horno eléctrico.

Vídeo sobre el proceso de producción del acero.

TIPOS DE ACEROS● De bajo contenido de carbono

(<0,3%)alambre, perfiles, tornillos, tuercas,● De medio contenido de carbono (0,3

-0,7%)carriles, ejes, engranajes y partes que requieran alta resistencia y dureza moderada.

● De alto contenido de carbono (mas de 0.7%)herramientas de corte: brocas, sierras y herramientas de resistencia a la abrasión

● Acero inoxidable. Acero aleado con cromo (mínimo 12%). Le da al acero un aspecto brillante, resistencia a la oxidación y a la corrosión. También suele llevar niquel.

● Hojalata: Lámina plana de acero recubierta de estaño, que le da resistencia a la corrosión. (Botes metálicos de alimentos)

Animación sobre el ciclo del acero, con cuestionario

METALES NO FÉRRICOS

COBRE

● Es un metal de color rojizo, no magnético, cuya propiedad más significativa es la de ser buen conductor de la electricidad y del calor.

● Se obtiene a paratir de un mineral llamado calcopirita, que contiene azufre y hierro además de cobre.

● Aplicaciones del cobre– Su principal aplicación es como conductor eléctrico, pues su ductilidad le

permite transformarlo en cables de cualquier diámetro.

– Por su alta resistencia a la oxidación se emplea en instalaciones de tuberías y calderas en intercambiadores de calor.

ALEACIONES DEL COBRE: BRONCE

● Aleación de cobre y estaño (del 3 al 20%):– Posee la resistencia a la corrosión de ambos metales.– Mucho más duro y fuerte que cualquiera de los dos

por separado

● Aplicaciones:– Timbres, campanas

– Engranajes, cojinetes– Elementos decorativos, estatuas...

ALEACIONES DEL COBRE: LATÓN

● Aleación de cobre y zinc (del 3 al 20%):– Color amarillo brillante, muy parecido al oro.

– Más duro que el cobre y resistente a la corrosión

● Aplicaciones:– Bisutería, imitaciones de oro

– Engranajes y diversas piezas mecánicas

– Elementos constructivos en barcos, armamento,...

– Elementos decorativos, instrumentos musicales,..

ESTAÑO

● Metal de color blanco plateado. Muy dúctil y maleable.

● Aplicaciones:– Para formar bronces.

– Recubre al acero para formar hojalata.

– Aleado con plomo, tiene un punto de fusión muy bajo. Soldadura blanda.

ALUMINIO

● Metal de color plateado, muy ligero y poco resistente. Se obtiene de la bauxita.

● Buen conductor y muy dúctil y maleable● Resistente a la corrosión.● Aplicaciones:

– En cables eléctricos de mucha longitud como sustituto del cobre, por su poco peso.

– Utensilios de cocina, envolver alimentos, …

– Se alea con otros metales que le dan resistencia

ALEACIONES● Una aleación es una sustancia compuesta por dos o más elementos químicos, al

menos uno de los cuales es un metal, y que cumple dos condiciones:

– Los componentes deben ser totalmente miscibles en estado líquido a fin de tener un sólido homogéneo en cuanto a composición (aunque también se obtienen aleaciones por sinterización, mezclando polvo de ambos materiales y aplicando presión y calor).

– La aleación conserva el carácter metálico.

SOLIDIFICACIÓN DE ALEACIONESSOLIDIFICACIÓN DE ALEACIONES

Los componentes de una aleación rara vez tienen igual punto de fusión, por lo que el metal de temperatura más alta tiende a solidificar antes, y el de punto de fusión menor aguanta más en estado líquido. Esto significa que la solidificación de una aleación no se realiza a temperatura constante, sino en un intervalo de temperaturas.

ALEACIONES, DIAGRAMA DE FASES

Cuando se solidifica un metal puro se obtiene una curva de enfriamiento en la que se produce el cambio de fase a temperatura constante. Sin embargo, en la solidificación de una aleación el cambio de fase se produce entre un margen de temperaturas.

Si se analiza cómo solidifican la mezcla de los dos mismos componentes en distintas proporciones tendremos una serie de gráficas como las siguientes:

Se hace una gráfica en la que el eje x indique composiciones y el eje y sea de temperaturas, y se van colocando los puntos de inicio y de final de solidificación para las distintas proporciones.

ALEACIONES, DIAGRAMA DE FASES

Estos diagramas permiten saber a que temperatura debe calentarse los metales para que se fundan o que porcentaje de cada uno de los componentes tenemos a una determinada temperatura.

ALEACIONES, DIAGRAMAS DE FASES, LEY DE LA PALANCA

En un diagrama de fases, para una determinada concentración y temperatura se puede conocer la cantidad de componente en estado sólido y la cantidad de componente en estado líquido con la llamada ley de la palanca

DIAGRAMA DE FASES PARA COMPONENTES INSOLUBLES EN ESTADO SÓLIDO.

● El diagrama de la diapositiva anterior corresponde a aleaciones cuyos átomos son totalmente compatibles en estado sólido, razón por la cual se llaman soluciones sólidas. Es el caso de aleaciones en que ambos metales tienen la misma red cristalina (átomos ordenados de la misma forma) y además un tamaño atómico similar.

● Otra forma distinta de diagrama se da cuando los componentes son insolubles en estado sólido porque sus átomos tienen tamaños muy distintos. Primero se hace sólido el que tiene mayor temperatura de fusión y después el otro metal.

Lo normal es que las aleaciones que muestran insolubilidad entre sus componentes forman una estructura denominada eutéctica, en la cual los átomos de los dos componentes se colocan en capas. Además, las aleaciones eutécticas solidifican a una temperatura constante (como si fuera una sustancia pura) e inferior a las temperaturas de ambos constituyentes.

Las eutécticas tienen dos fases, pues las láminas alternas son zonas homogéneas diferenciadas entre sí, como puede comprobarse en la micrografía

DIAGRAMA DE FASES PARA COMPONENTES INSOLUBLES EN ESTADO SÓLIDO.

● En los metales puros A y B la solidificación se produce a temperatura constante: linea horizontal en los diagramas de enfriamiento.

● A medida que se aumenta el porcentaje de metal B en A la temperatura a la que se inicia la solidificación,Ti,disminuye.

● Lo mismo puede apreciarse cuando lo que hacemos es agregar metal A al metal puro B

● Habrá una aleación en la que la temperatura de solidificación sea mínima (45%A-55%B en nuestro esquema)

● La linea de Liquidus mostrará un mínimo para esa aleación: ese mínimo es el punto eutéctico.

● La zona plana que presentan los diagramas de enfriamiento de las aleaciones intermedias corresponde con la temperatura del punto eutéctico, TE, se denomina temperatura eutéctica y es constante para todas las concentraciones.

DIAGRAMA DE FASES PARA COMPONENTES INSOLUBLES EN ESTADO SÓLIDO.

DIAGRAMA DE FASES HIERRO-CARBONO

● Representa las diferentes fases que se presentan en la aleación de estos dos compuestos. Sólo se representa hasta que se llega al 6,67% de carbono ya que con esta concentración se forma un compuesto Fe3C, carburo de hierro o cementita, que no tiene propiedades metálicas y que no se utiliza industrialmente.

● El hierro con el carbono forma diferentes estructuras en estado sólido (constituyentes) que son, diferentes formas de combinarse el hierro con el carbono, que es lo que da lugar a las diferentes propiedades mecánicas:.

– Ferrita, o hierro α

– Austinita o hierro γ

– Cementita

● En este diagrama observamos:

– La línea de liquidus, línea AEC.

– La línea de solidus, línea ABEF

DIAGRAMA DE FASES HIERRO-CARBONO

● Representa las diferentes fases que se presentan en la aleación de estos dos compuestos. Sólo se representa hasta que se llega al 6,67% de carbono ya que con esta concentración se forma un compuesto Fe3C, carburo de hierro o cementita, que no tiene propiedades metálicas y que no se utiliza industrialmente.

● El hierro con el carbono forma diferentes estructuras en estado sólido (constituyentes) que son, diferentes formas de combinarse el hierro con el carbono, que es lo que da lugar a las diferentes propiedades mecánicas:.

– Ferrita, o hierro α

– Austinita o hierro γ

– Cementita

● En este diagrama observamos:

– La línea de liquidus, línea AEC.

– La línea de solidus, línea ABEF

DIAGRAMA HIERRO-CARBONOEn la solidificación aparece una solución sólida llamada austenita para proporciones inferiores al 1,76% de carbono, y con un 4,30% se crea un eutéctico llamado ledeburita. Ésto provoca la primera clasificación del sistema hierro-carbono: se habla de aceros si la proporción de carbono es inferior a 1,76%, y de fundiciones para proporciones entre 1,76 y 6,67%.

La austenita también se llama hierro-γ, sus átomos cristalizan de forma que en su interior admite átomos de carbono. Pero cuando se contrae la red al disminuir la temperatura, se expulsa el carbono sobrante en forma de cementita. Cuando la temperatura baja hasta 723° el hierro sufre un cambio alotrópico (en la colocación de sus átomos) de forma que no acepta apenas átomos de carbono en su seno; entonces el hierro se denomina ferrita o hierro-α.

DIAGRAMA HIERRO-CARBONOCOMPLETO Y SIMPLIFICADO

TRASFORMACIONES ESTRUCTURALES EN LOS ACEROS

Si enfriamos muestras de aceros con diferentes concentraciones de carbono, los constituyentes que se obtienen varían y las propiedades mecánicas también.En las microfotografías se puede ver el aspecto.