Propiedades de los Materiales

Propiedades Químicas

Los principales factores que perjudican a un material son la tendencia a la **corrosión** o **erosión**. Cuando un material se oxida, el óxido se deposita en la superficie y el proceso continúa a través de la capa de óxido formada (**difusión**). La **corrosión** ocurre cuando la oxidación de un material se produce en un ambiente húmedo o en presencia de otras sustancias agresivas; el óxido se disuelve y llega un punto en que la superficie se desprende. Este fenómeno no se manifiesta de forma regular, sino que existen diferentes puntos donde el ataque es mayor, lo que da lugar a la formación de fisuras que pueden provocar roturas por fatiga.

Propiedades Físicas

Estas propiedades están relacionadas con el ordenamiento de los átomos en el espacio:

• Densidad: Es la relación entre la masa y el volumen que ocupa.
• Peso específico: Relación entre el peso de una determinada materia y el volumen que ocupa (N/cm³).
• Resistividad: Es la resistencia eléctrica que un material ofrece al paso de la corriente por un elemento de 1 m de longitud y 1 m² de sección.

Propiedades Térmicas

Son aquellas que están íntimamente relacionadas con la dilatación.

Propiedades Magnéticas

Se evalúan cuando los materiales están sometidos a un campo magnético exterior. En función del comportamiento del material, se clasifican en:

• Diamagnéticos: Se oponen al campo magnético exterior, de forma que en su interior el campo magnético es débil (Bi, Au, Ag, Cu, Na, N).
• Paramagnéticos: El campo magnético es ligeramente mayor que el aplicado (Al, Mg, Pt, O).
• Ferromagnéticos: El campo magnético interior es mayor que el exterior (Fe, Co, Ni) y sus aleaciones, óxido de hierro utilizados en circuitos eléctricos.

Propiedades Ópticas

Al incidir la luz sobre la superficie de un cuerpo, una parte se refleja, otra se transmite y otra se difunde. Se clasifican en cuerpos:

• Opacos: Absorben, no reflejan la luz e impiden su paso.
• Transparentes: Transmiten la luz, por lo que permiten ver a través de ellos.
• Traslúcidos: Dejan pasar la luz, pero impiden ver a través de ellos.

Propiedades de Fabricación

Informan acerca de la posibilidad de someter un material a una determinada operación industrial:

• Maleabilidad: Indica si un material se puede estirar en láminas sin romperse.
• Ductilidad: Indica si se puede estirar en hilos.
• Forjabilidad: Da idea de la capacidad que tiene un material para darle forma calentando y golpeándolo.
• Maquinabilidad: Indica si se pueden aplicar procesos de arranque de viruta.
• Soldabilidad: Indica la capacidad de un material para ser soldado (unir dos trozos).

Propiedades Mecánicas

Indican cómo se comporta un material cuando se encuentra sometido a fuerzas exteriores (compresión, tracción, etc.). El **ensayo de tracción** es uno de los más importantes; consiste en estirar una probeta de dimensiones normalizadas en una máquina a velocidad lenta y constante, obteniendo una curva de tensión.

Tensión: Fuerza aplicada a la probeta por unidad de sección.

Tenacidad: Propiedad que tiene un material para almacenar energía en forma de deformación plástica antes de romperse. El método más habitual de medir la tenacidad es mediante el péndulo de Charpy, que consiste en lanzar una bola sujeta a un hilo desde cierta altura contra la probeta por el lado opuesto a la entalla.

Alargamiento unitario o deformación: Es el tanto por uno en el que se ha incrementado la longitud de la probeta.

Zona elástica: En ella, la relación tensión-transformación es lineal y cumple la ley de Hooke.

Zona plástica: En ella, los alargamientos son permanentes. En esta zona, la curva tiene menos pendiente, ya que para conseguir grandes alargamientos no hace falta aplicar una gran fuerza. La fuerza máxima dividida por la sección inicial de la probeta determinará la tracción; en este punto termina la zona elástica, y a partir de ahí se dice que la probeta está rota.

Estricción: A partir de la rotura, la deformación se localiza en una zona determinada de la probeta, la tensión disminuye y la probeta termina por romperse.

Diagrama de Fases

Representaciones de cómo las aleaciones cambian de fase al variar la temperatura.

• Fase: Cada una de las partes de un sistema con características físicas y químicas homogéneas.
• Componente: Son las sustancias químicas que constituyen las fases.
• Grados de libertad: Los grados de libertad de un sistema son el número de variables independientes. El número de valores que se pueden asignar libremente antes de que el resto de las variables tomen un valor automáticamente.

Metales Ferrosos

Los metales ferrosos o férricos son los que contienen el hierro como base. El hierro puro es dúctil, maleable y magnético. Es un buen conductor de calor y electricidad. Es químicamente activo; expuesto al aire, se corroe formando una sustancia llamada orín.

Tipos de Metales Ferrosos

• Hierro industrial: Cuando el contenido en carbono es menor al 0,03%. Posee unas características mecánicas inadecuadas, por lo que no se utiliza.
• Acero: Cuando el contenido en carbono está comprendido entre el 0,03 y el 1,67%. Cuanto mayor es el contenido en carbono, mayor es su dureza y resistencia a la tracción, pero a su vez la ductilidad disminuye y aumenta su fragilidad. Son dúctiles, maleables, su tenacidad va disminuyendo, su resistencia mecánica, dureza y fragilidad se incrementan, la soldabilidad disminuye y se oxidan fácilmente (menos los inoxidables).
• Aceros al carbono: Aquellos cuyo contenido en otros elementos no supera los porcentajes.
• Aceros aleados: Superan algunos de esos límites.

Elementos de Aleación

• Azufre: Confiere una gran fragilidad a los aceros; se contrarresta añadiendo manganeso.
• Cromo: Aumenta la dureza, la resistencia a la corrosión y la tenacidad del acero.
• Níquel: Componente del acero inoxidable, aumenta la resistencia a la tracción.
• Plomo: Favorece el mecanizado del acero en procesos de arranque de viruta.
• Wolframio: Gran dureza a todas las temperaturas; con mayor porcentaje forman los aceros rápidos.
• Cobalto: Aumenta la dureza del acero en caliente, la resistencia a la corrosión, la oxidación y el desgaste.
• Fundición: El porcentaje de carbono está comprendido entre el 1,67 y el 6,67%. Las aleaciones superiores al 5% no tienen uso industrial. Son fácilmente fusibles y se obtienen piezas de moldeo. No son dúctiles ni maleables. Su fabricación es más sencilla que la del acero, y su mecanización es más fácil. Tienen características mecánicas aceptables, y las piezas de fundición son baratas.

Proceso Siderúrgico

Procesos que son precisos para obtener un metal férreo (aleación de hierro) de unas características.

• Siderurgia: A la metalurgia del hierro y sus derivados.
• Metalurgia: Ciencia que estudia las operaciones que han de sufrir las menas (parte inútil del mineral) por extracción de ella los metales que contienen.

Obtención del Hierro

El mineral se extrae de las minas, se tritura el mineral y se separa la mena (la parte útil) de la ganga. Mediante la reducción de los óxidos de hierro, los carbonatos se calcinan y los sulfuros se tuestan, y se obtiene el hierro por reducción.

Obtención del Carbón de Coque

El carbón actúa como combustible y reductor de los óxidos de hierro. Se obtiene industrialmente eliminando la materia volátil del carbón de la hulla y aglutinándolo posteriormente. Se introduce la pasta de carbón en las baterías de hornos de coque, se le somete a un proceso de coquizado, calentando el carbón por encima de 1000 °C. Se obtienen granos de hulla separados de la materia volátil.

Obtención del Arrabio

Se obtiene en un alto horno.

• Aportadores de hierro: Suministrarán la materia prima de la que se obtiene el hierro metálico.
• Fuel: Actúa como combustible calentándolo; se inyecta con el aire caliente.
• Carbón de coque: Sustancia que provoca la reducción del mineral de hierro.
• Escoria: Formada por fundentes, impurezas de los minerales y las cenizas del coque; se utiliza como firme de las carreteras y cementos.
• Gas de horno alto: Se utiliza como combustible después de ser depurado; se utiliza para el calentamiento en laminación en caliente, en hornos de coque, etc.

Colada Convencional

Es trasvasar el acero procedente de la metalurgia secundaria o del convertidor a unos moldes para su solidificación.

• Directa: Se llenan sucesivamente.
• En sifón: Se llenan simultáneamente.
• Cuadrada: Se utilizan los tochos para fabricación de carriles, perfiles y redondos.
• Rectangular: Se utilizan las petacas para obtener chapas.

Colada Continua

Solidificar el acero en productos de sección constante.

• Desbastes planos: Se destinan a la fabricación de chapas.
• Desbastes de sección cuadrada: Se dedican a la fabricación de carriles y perfiles.
• Palanquillas de sección cuadrada: A la sección de redondos.

Metalurgia Secundaria

Modifica la composición del acero para acomodarlo a unas determinadas necesidades.

Tratamientos

• Ajuste de la composición: Se añaden elementos necesarios mientras que se sopla gas inerte con el objetivo de homogeneizar el baño.
• Desgasificación: Se introduce una campana conectada al vacío, facilitando la extracción de los gases del interior del metal.
• Desulfuración: Para eliminar el sulfuro, se inyecta un producto desulfurante mientras se sopla gas.
• Calentamiento: La descarga de un arco eléctrico eleva la temperatura, obteniendo un acero con las características especificadas.

Laminación del Acero en Caliente

Se somete a un proceso de laminación para darle la forma deseada; a los de colada convencional se le debe aplicar un proceso (desbaste). Los desbastes obtenidos en las máquinas de coladas continuas se envían a trenes de laminación:

• Tren de alambrón: Se envía la palanquilla obtenida de la colada continua o convencional.
• Tren de perfiles: Se envían los desbastes cuadrados de la colada continua o convencional. Se obtienen perfiles y carriles.
• Tren de chapa gruesa: Se envían los desbastes planos de la colada continua; se obtiene una chapa para calderería pesada o fabricación naval.

Recubrimientos

• Recubrimiento por inmersión: Se calienta la banda del acero y se pasa por un tanque con material de recubrimiento fundido.
• Recubrimiento por electrólisis: La banda de acero se recubre del metal protector; si el metal de recubrimiento es estaño, se llama hojalata, y si es cinc, se llama galvanizado.

Partes del Horno

• Tragante: Zona superior del horno por la que se introducen los materiales sólidos; tiene un sistema doble de cierre para evitar que salgan los gases. Un mecanismo provisto de dos campanas o bien de dos depósitos con válvulas de entrada y salida.
• Cuba: Es la zona más amplia del horno; los materiales se van secando y calentando, y comienza la reducción.
• Vientre: Zona de mayor diámetro, donde ocurre la mayor parte de la reducción.
• Etalajes: Se encuentran tuberías por las que se inyecta aire caliente y el fuel. Reducción final y formación de escoria.
• Crisol: Parte más baja, donde se extrae el arrabio y la escoria a través de la piquera.

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