Clasificación General de los Materiales
Para su estudio, los materiales se agrupan en:
- Metales
- Cerámicos
- Polímeros
- Compuestos
Cada uno de estos grupos presenta propiedades físicas y químicas generales que los distinguen entre sí y los hacen más o menos apropiados para las diferentes aplicaciones específicas de la ingeniería.
Propiedades Físicas y Mecánicas de los Materiales para Ingeniería
Propiedades Físicas
Las principales propiedades físicas son:
- Peso (Fuerza efecto de la gravedad)
- Masa (Cantidad de materia dentro del volumen)
- Volumen (Cantidad de espacio ocupado por el cuerpo)
- Densidad (Masa por unidad de volumen)
- Peso Específico (Peso por unidad de volumen)
- Temperaturas de: Fusión, Licuación, Ebullición (Cambios de estados: Sólido, Líquido, Gaseoso)
- Calor específico (Cantidad de calor por unidad de temperatura)
- Etc.
Propiedades Mecánicas
Las principales propiedades mecánicas (o tecnológicas) son:
- Dureza (Resistencia a la penetración)
- Tenacidad (Resistencia a la ruptura)
- Ductilidad (Propiedad para reducirse a hilos)
- Maleabilidad (Propiedad para formar láminas)
- Elasticidad (Capacidad para recuperarse de deformaciones)
- Fragilidad (Propiedad de romperse por golpes)
- Deformabilidad (Propiedad de plasticidad. Fluencia)
- Conductividad Térmica (Conducción de flujo calórico)
- Conductividad Eléctrica (Conducción de flujo eléctrico)
- Conductividad Acústica (Conducción del sonido)
- Conductividad Magnética (Conducción de líneas de fuerzas magnéticas)
- Templabilidad (Endurecimientos por tratamientos térmicos)
- Soldabilidad (Capacidad para hacer uniones con arco eléctrico)
- Etc.
Las propiedades mecánicas dependen fundamentalmente de la organización interna de la materia (amorfa, cristalina o granular) y cualquier cambio o modificación de la estructura interna produce obligadamente algún cambio en una u otra de las propiedades del material.
Mezclas y Combinaciones
Los elementos naturales pertenecientes a la Tabla Periódica de los elementos se combinan químicamente (Q) o se mezclan entre sí para formar las diferentes moléculas de sustancias o materiales.
En una combinación (Q), las moléculas se forman conservando siempre la misma proporción y tipos de átomos en ella. Por ejemplo: Molécula de Agua = 2 átomos de H + 1 átomo de O. Su fórmula (Q) es (H2O). Sal de mesa = Cloruro de Sodio = 1 átomo de Cl + 1 átomo de Na. Su fórmula (Q) es: (ClNa). En las combinaciones (Q) se cumple “La ley de las proporciones constantes”.
En una mezcla, sus componentes pueden estar en cualquier proporción. Ejemplo: Mezcla de Hormigón = Arena + Cemento + Ripio + Agua, en distintas proporciones. La mayor o menor cantidad de un elemento específico de la mezcla determina su característica de “mezcla rica” o mezcla “pobre”.
Aleaciones Metálicas
En el caso particular de las mezclas de metales, ellas se denominan aleaciones metálicas.
Ejemplos:
- Aleaciones de Bronce: Cobre (Cu) (50-85%) + Estaño (Sn) (15-50%)
- Latones: Cobre (Cu) + Zinc (Zn)
- Aceros: Hierro (Fe) + Carbono (C) (0.01-2.0%)
- Duraluminio: Aluminio (Al) + Magnesio (Mg)
Clasificación de Metales en la Industria
Los metales se clasifican en:
- Ferrosos
- No Ferrosos
Metales Ferrosos
Están formados por el hierro y sus aleaciones. El hierro forma combinaciones químicas tales como:
- Óxido de Hierro (Fe2O3) (Hematita)
- Sulfuro de Hierro (FeS2) (Pirita)
- Carburo de Hierro (Fe3C) (Cementita)
El hierro forma aleaciones metálicas con el carbono, dando origen al acero, el metal más empleado en la industria moderna.
Aleaciones Hierro-Carbono
Corresponden a:
- Aceros
- Fundiciones
- Arrabios
El Arrabio
El arrabio, producto de salida de un alto horno, con un contenido de 4.5 a 6.7% de C, no tiene aplicaciones directas en la industria manufacturera debido a sus propiedades limitadas. Es extremadamente duro, no dúctil ni maleable, no es forjable ni soldable, y no es mecanizable. Se emplea como materia prima para la elaboración del acero.
En Chile, la Siderúrgica Huachipato produce más de 1.000.000 de toneladas anuales de arrabio, que se transforman mayoritariamente en aceros de bajo contenido de carbono.
Un alto horno está construido con un casco cilíndrico de planchas de acero recubierto interiormente con ladrillos refractarios y bloques de carbono. Se carga por su parte superior con capas sucesivas de carbón coque, minerales de óxidos de hierro, y mineral de caliza. La combustión del coque genera calor que funde el mineral de hierro y la piedra caliza.
En el interior del alto horno se producen fenómenos físicos y químicos que permiten la separación del hierro de sus óxidos y su posterior combinación con el carbono para generar las aleaciones hierro-carbono.
En la parte inferior del alto horno se encuentra el crisol, donde se acumula el arrabio líquido y la escoria. Periódicamente, se vacía el arrabio y la escoria separadamente. El arrabio se destina a los convertidores al oxígeno de la acería, y la escoria se utiliza en la fabricación de cementos de construcción.
Fundiciones
Las fundiciones tienen entre un 2 a 4.5% de carbono. Existen:
- Fundición Blanca (Duras, frágiles, difícil mecanizado)
- Fundición Gris (Fácil de mecanizar, no elásticas, no maleables)
- Fundición Maleable (Mecanizables, deformables, difícil soldabilidad)
Las fundiciones se obtienen en hornos de cubilotes.
Fundiciones Blancas
Tienen de 2 a 3.5% de C y un mayor contenido de Manganeso (Mn). No son dúctiles ni maleables y su soldabilidad es mala. Se emplean como materia prima para hacer fundiciones maleables.
Fundiciones Grises
(3 a 4.5% C) tienen mayores aplicaciones industriales debido a su rigidez y fácil mecanizado. No son dúctiles ni maleables. Se utiliza el método de moldeo y vaciado para su fabricación. Contienen silicio, que propende a la formación de carbono libre (grafito) en forma laminar.
La composición química típica de una fundición gris es:
- C = 3 a 4.2%
- Si = 1 a 3%
- Mn = 0.3 a 1%
- P = 0.15 a 0.8%
- S = 0.08 a 0.15%
El fósforo (P) favorece la fluidez en caliente, y el azufre (S) genera defectos por llenados incompletos.
Aceros
Los aceros contienen entre un 0.02 a un 2% de carbono máximo. Se dividen en:
- Aceros al Carbono
- Aceros de Aleación
Aceros al Carbono
Sus propiedades varían y dependen fundamentalmente del porcentaje de carbono. Contienen otros elementos químicos en cantidades menores.
Aceros de Aleación
Se les adiciona otros elementos como Cromo, Níquel, Molibdeno, Manganeso, Silicio, Titanio, Aluminio, etc., para mejorar sus propiedades.
Cuadro Resumen de Aleaciones Hierro-Carbono
Producción del Acero al Carbono
El acero se obtiene por refinación del arrabio en convertidores al oxígeno, donde el alto contenido de carbono del arrabio es reducido por su oxidación con oxígeno y la adición de chatarra de acero.
Convertidores al Oxígeno
En la actualidad se emplean los convertidores al oxígeno, de mayor capacidad y rapidez de producción. El proceso de conversión se basa en la reducción por oxidación del carbono del arrabio inyectando oxígeno líquido y puro.
La reacción de oxidación es exotérmica y genera calor. Para controlar la temperatura, se introduce chatarra de acero fría. El convertidor se carga con arrabio líquido y chatarra, y se inyecta oxígeno puro. Al término del proceso, se vacía en ollas térmicas para la colada continua.
La acción del oxígeno es muy rápida y transforma el arrabio en aceros de bajo contenido de carbono.
Los convertidores al oxígeno se emplean para la obtención de aceros al carbono de baja aleación. Los aceros especiales y de aleación se fabrican en hornos eléctricos.
Propiedades de los Aceros al Carbono de Convertidores
En los aceros al carbono, las propiedades que dependen del % de carbono son:
- Maleabilidad: Aumenta al disminuir el %C.
- Ductilidad: Aumenta al disminuir el %C.
- Dureza: Aumenta al aumentar el %C.
- Tenacidad: Aumenta al aumentar el %C.
- Templabilidad: Aumenta al aumentar el %C.
- Soldabilidad: Mejora al disminuir el %C.
Los aceros con bajo contenido de carbono tienen buena soldabilidad y mínima templabilidad.
Se define como aceros de soldabilidad garantizada a aquellos que permiten hacer uniones por soldadura con arco eléctrico que resisten pruebas y ensayos mecánicos.
Especificaciones de los Aceros al Carbono
Las especificaciones para la identificación y selección de materiales están reguladas por organismos nacionales e internacionales. En Chile, el Instituto Nacional de Normalización (INN) desarrolla las Normas Oficiales Chilenas (NCh).
Las normas sobre aceros se agrupan en dos tipos:
- Propiedades físicas y mecánicas del material y sus aplicaciones.
- Contenido (%) de los elementos químicos que conforman el acero.
En el primer caso están las normas ASTM y NCh. En el segundo caso están las normas SAE y AISI.
Las normas SAE indican el % de los componentes químicos más importantes del acero. El primer dígito indica el grupo general del tipo de acero (al carbono o de aleación). El dígito inicial 1 corresponde a los aceros al carbono.
Cristalografía de los Aceros al Carbono
El hierro (Fe) puro es un metal blando y susceptible a la oxidación. Su aleación con el carbono (C) forma el acero, un metal con excelentes propiedades industriales.
Ferrita
Al hierro (Fe) químicamente puro se le denomina ferrita. Su estructura cristalina básica es cúbica.
- Entre 0°C y 910°C: Ferrita o Hierro Alfa (α), estructura cúbica de cuerpo centrado, no absorbe carbono, es magnética.
- Sobre 910°C: Hierro Gamma (γ), estructura cúbica de caras centradas, absorbe carbono, no es magnética.
- Sobre 1400°C: Ferrita o Hierro Delta, estructura cúbica de cuerpo centrado.
- A 1538°C: Se transforma en un líquido amorfo.
El cambio de ferrita alfa a ferrita gamma es el más importante en la metalurgia del acero.
Diagrama Hierro-Carbono del Acero
Si a la ferrita se le agrega carbono, se forma la aleación metálica llamada acero.
Efectos del Carbono en la Ferrita
El carbono agregado reduce la temperatura de transformación alfa-gamma de la ferrita. El punto más bajo de transformación se llama punto eutéctico (710°C con 0.85% de C).
Componentes Estructurales Cristalinos del Acero al Carbono
Al agregar carbono a la ferrita, se forma el carburo de hierro (Fe3C) o cementita, un cristal muy duro. Si el carbono es menor de 0.85%, se forma perlita, un agrupamiento de capas de ferrita y cementita.
- Aceros Hipoeutectoides (menos de 0.85%C): Perlita + Ferrita.
- Aceros Eutécticos (0.85%C): Perlita.
- Aceros Hipereutectoides (más de 0.85%C): Perlita + Cementita.
Temple del Acero al Carbono
La perlita es un material heterogéneo. Al calentarse a 710°C, su ferrita cambia a gamma y absorbe el carbono de la cementita, formando austenita, un componente homogéneo que mejora las propiedades del acero.
El proceso de cambio de perlita a austenita es reversible. Si la austenita se enfría lentamente, se restituye la perlita. Si se enfría rápidamente, se forma martensita, un componente típico de los aceros templados, que les confiere dureza, tenacidad y fragilidad.
El temple genera tensiones internas que pueden romper la pieza. Para reducirlas, se reduce la velocidad de enfriamiento o se aplica el tratamiento térmico de revenido.
El temple produce deformaciones y micro grietas que deben ser eliminadas para mejorar la resistencia a la fatiga.