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Módulo IV – Metales: : Clases, Propiedades, Desempeño y
AplicacionesUA: Comportamiento y Ensaye de Materiales
Profr: Ing. Francisco D. Anguiano [email protected]
Metales – Propiedades
• A pesar de que muchos metales puros son dúctiles, algunos incluso blandos, y susceptibles a daños por corrosión, se pueden utilizar como aleaciones, mejorando en gran medida sus propiedades.
• Buena ductilidad y maleabilidad, maquinabilidad.• Buena conductividad térmica y eléctrica.• Altas densidades.• Buena resistencia.• Débiles a la corrosión, es necesario tratamientos de prevención.• Metal más utilizado en la construcción – Acero (aleación de hierro y
carbono) y sus aleaciones (galvanizados, inoxidables, etc.).• A menudo aprovechados por su dureza, y tenacidad
Acero Aluminio
Introducción
¿Qué es el acero?El acero es la aleación de hierro (metal) y carbono (no metal), donde el carbono no supera el 2,1% en peso de la composición de la aleación, alcanzando normalmente porcentajes entre el 0,2% y el 0,3%. Porcentajes mayores que el 2% de carbono dan lugar a las fundiciones, aleaciones que al ser quebradizas y no poderse forjar —a diferencia de los aceros—, se moldean.
Históricamente el acero fue utilizado en la construcción para las altas edificaciones, ya que permitía el obtener secciones esbeltas, con un mayor aprovechamiento del espacio interno de las estructuras, sin embargo, la construcción con acero era susceptible a los daños de corrosión, por lo que actualmente la tecnología de metales está enfocada a producir aceros más durable y de un mayor desempeño, que puedan trabajar solos o como materiales compuestos, como el concreto reforzado.El aluminio por otro lado, se utiliza desde hace 100 años, obtenido de un mineral llamado bauxita que están formadas por un 62-65% de alúmina (Al2O3), hasta un 28% de óxido de hierro (Fe2O3), 12-30% de agua de hidratación (H2O) y hasta un 8% de sílice (SiO2). Es mucho más ligero, dúctil, resistente a la corrosión y blando que el acero, sin embargo tiene una menor resistencia.
Aluminio• La propiedad química mas destacada del aluminio es su gran
afinidad con el oxigeno, durante su oxidación se desprende una gran cantidad de calor (1,670,000 J/mol o 400,000 cal/mol), teniendo una oxidación casi instantánea en contacto con el ambiente.• Al calentarse el aluminio finamente triturado se inflama y se
quema en el aire que al combinarse con el oxigeno con ello se forma una capa delgada (cerca de 0.0002 mm) de oxido de aluminio que lo protege contra la oxidación .
Metales – Propiedades• La estructura de los metales está formada por una red cristalina, en la cual, con
el enfriamiento y conformación, se forman estructuras mayores llamadas granos. El tamaño y composición de estos granos dicta sus propiedades mecánicas.
• Los metales se reblandecen con la temperatura y modifica el tamaño de grano.• En general, a menor tamaño de grano mayor resistencia del metal, mayor
tenacidad y dureza, menor ductilidad y menor conductividad.
Menor MayorResistencia Resistencia
Ejemplos de estructuras con distintos tamaños de grano
Tratamientos para mejorar propiedades (reducir el tamaño de grano)
Templado: Consiste en calentar y enfriar súbitamente un metal, puede incluir el adicionar un elemento como aleante.
Rolado/Laminado: Consiste en pasar el metal a través de rodillos para adquirir una determinada forma. Esto le produce una deformación plástica que aumenta sus propiedades. Puede hacerse en frío o en caliente (calentando previamente el metal).
Extruido: Consiste en pasar un metal a través de un dado de menor sección, formando delgados cables. (Metal en celeste)
Aleación: consiste en incluir un elemento como modificador de la red, dentro de la estructura cristalina del metal. El acero es una aleación de hierro y carbono.
Diagrama de fases Hierro carbono para los aceros
Proceso de fabricación Acero
Proceso de Producción del Acero en AHMSA (muy recomendable):https://www.youtube.com/watch?v=nooD-OsAG-Q
Blast Oxygen Furnace
Coquización: https://www.youtube.com/watch?v=asDhcv7f7xw
Proceso de fabricación Acero
Producción de la alúmina:
Proceso Bayer
El objetivo del procedimiento BAYER es separar los hidróxidos de aluminio de la bauxita, de los óxidos de hierro y de la sílice que la impurifican.
La reacción fundamental es la disolución de los hidróxidos por el Na OH.
Introducción.
Introducción.
Handbook of aluminium Volume 1
Obtención del aluminio:
Proceso Hall-Heroult
La obtención del aluminio se hace a partir de la alúmina (Al2 O3) y por electrolisis pero no de una disolución de alúmina sino de una mezcla fundida de criolita (5 Na F. 3 Al F3) y alúmina.
Introducción.
Introducción.
Handbook of aluminium Volume 1
Para obtener una tonelada de aluminio son necesarias 4 T de bauxita, 80 kgs. de criolita, 600 kgs. de electrodos de carbón y 22.000kw-hora.
Introducción.
Handbook of aluminium Volume 1
Refinación del aluminio:
Proceso Hoopes
El aluminio obtenido por el proceso electrolítico Hall-Heroult, tiene una pureza de un 99.7%, teniendo como impurezas Si y Fe. Para muchas aplicaciones es suficiente con este grado de pureza, pera para otras mas especiales, se necesita un afino que se hace por electrolisis en tres capas, y que se denomina proceso Hoopes.
Introducción.
Clases de AcerosSegún el modo de trabajarlo• Acero moldeado• Acero laminado• Acero rolado• Acero extruido
Según la composición y la estructura• Aceros ordinarios• Aceros aleados o especiales
Aceros Estructurales – según su resistencia a la tensiónDe acuerdo a especificaciones, en la NMX-C-047-ONNCCE-2001:• Grado 30• Grado 42• Grado 52
Propiedades modificadas por las aleaciones:
• Mayor dureza.• Menor crecimiento del tamaño de grano.• Mayor o menor templabilidad.• Mayor resistencia a la Corrosión u Oxidación.• Mayor o menor temperaturas críticas de transformación de fase.
• Ejemplos:• Acero: Es aleación de hierro con una cantidad de carbono variable.• Acero inoxidable: El acero inoxidable se define como una aleación de
acero con un mínimo del 10 % al 12 % de cromo contenido en masa• Bronce: Es toda aleación metálica de cobre y estaño en la que el
primero constituye su base y el segundo aparece en una proporción del 3 al 20 %.
• Latón: Es una aleación de cobre con zinc.
Características mecánicas y tecnológicas del acero
Es difícil establecer las propiedades físicas y mecánicas del acero debido a que estas varían con los ajustes en su composición y los diversos tratamientos térmicos, químicos o mecánicos.El acero estructural es la aleación de hierro, carbono y pequeñas cantidades de otros elementos como silicio, fósforo, azufre y oxígeno, que le aportan características específicas.
• Su densidad media es de 7850 kg/m³.
• En función de la temperatura el acero se puede contraer, dilatar o fundir.
• El punto de fusión del acero depende del tipo de aleación y los porcentajes de elementos aleantes. El de su componente principal, el hierro es de alrededor de 1.510 °C en estado puro (sin alear), sin embargo el acero presenta frecuentemente temperaturas de fusión de alrededor de 1.375 °C, y en general la temperatura necesaria para la fusión aumenta a medida que se aumenta el porcentaje de carbono y de otros aleantes. (excepto las aleaciones eutécticas que funden de golpe). Por otra parte el acero rápido funde a 1.650 °C.
• Su punto de ebullición es de alrededor de 3.000 °C.
• Es un material muy tenaz, especialmente en alguna de las aleaciones usadas para fabricar herramientas.
• Relativamente dúctil. Con él se obtienen hilos delgados llamados alambres. A mayor resistencia, menor ductilidad.
• Es maleable. Se pueden obtener láminas delgadas llamadas hojalata. La hojalata es una lámina de acero, de entre 0,5 y 0,12 mm de espesor, recubierta, generalmente de forma electrolítica, por estaño.
• Permite una buena mecanización en máquinas herramientas antes de recibir un tratamiento térmico.
• Conductividad eléctrica y térmica
• Algunas composiciones y formas del acero mantienen mayor memoria, y se deforman al sobrepasar su límite elástico.
• La dureza de los aceros varía entre la del hierro y la que se puede lograr mediante su aleación u otros procedimientos térmicos o químicos.
Aceros típicos con un alto grado de dureza superficial son los que se emplean en las herramientas de mecanizado, denominados aceros rápidos que contienen cantidades significativas de cromo, wolframio, molibdeno y vanadio.
• Se puede soldar con facilidad.
Aleaciones de aluminio:
El aluminio puro es un material blando y poco resistente a la tracción. Para mejorar estas propiedades mecánicas se alea con otros elementos, principalmente magnesio, manganeso, cobre, zinc y silicio, a veces se añade también titanio y cromo.
Introducción.
Introducción.
1. El aluminio aspectos generals. Curso introductorio-Tecnologia del aluminio. Dr. Rudy Castillo M. 2007
•Serie 1000: realmente no se trata de aleaciones sino de aluminio con presencia de impurezas de hierro o aluminio, o también pequeñas cantidades de cobre, que se utiliza para laminación en frío.
•Serie 2000: el principal aleante de esta serie es el cobre, como el duraluminio o el avional. Con un tratamiento T6 adquieren una resistencia a la tracción de 442 MPa, que lo hace apto para su uso en estructuras de aviones.
•Serie 3000: el principal aleante es el manganeso, que refuerza el aluminio y le da una resistencia a la tracción de 110 MPa. Se utiliza para fabricar componentes con buena mecanibilidad, es decir, con un buen comportamiento frente al mecanizado.
Introducción.
•Serie 4000: el principal aleante es el silicio.
•Serie 5000: el principal aleante es el magnesio que alcanza una resistencia de 193 MPa después del recocido.
•Serie 6000: se utilizan el silicio y el magnesio. Con un tratamiento T6 alcanza una resistencia de 290 MPa, apta para perfiles y estructuras.
•Serie 7000: el principal aleante es el zinc. Sometido a un tratamiento T6 adquiere una resistencia de 504 MPa, apto para la fabricación de aviones.
Introducción.
Acero vs. Aluminio
ACERO:
• Mayor resistencia. (fy desde 490 Mpa para el acero de grado 42, y hasta 706 Mpa para el grado 52)
• Mayor disponibilidad y menor energía de producción
• Más pesado (densidad = 7.8 gr/cm3) y en general más duro.
• Susceptible a la corrosión, requiere protección superficial.
ALUMINIO:
• Menor resistencia. (De 160 a 200 MPa en estado puro y hasta alrededor de 500 Mpa en algunas aleaciones).
• Menor disponibilidad y mucho mayor energía de producción
• Más ligero (densidad = 2.7 gr/cm3), además algunas aleaciones de baja resistencia pueden aserrarse y cortarse con facilidad.
• Resistente a la corrosión, no requiere protección superficial.
Tabla comparativa
1. El aluminio aspectos generals. Curso introductorio-Tecnologia del aluminio. Dr. Rudy Castillo M. 2007
Ejemplos de geometrías de perfiles metálicos
DESGASTE
• Daño superficial por los materiales después de determinadas condiciones de trabajo a los que son sometidos.
El resultado del desgaste, es la pérdida de material y la subsiguiente disminución de las dimensiones.
DETERIORO DE METALES
• Ocurre cuando partículas duras se deslizan o ruedan bajo presión a través de una superficie, o cuando una superficie dura se frota a través de otra. Las partículas arrancadas por rozamiento del objeto mas duro tienden a rasguñar o acanalar al material mas suave.
DESGASTE ABRASIVO
• Este tipo de desgaste ocurre cuando piezas son sometidas a elevados esfuerzos cíclicos, los cuales provocan la aparición y propagación de gritas bajo la acción repetitiva de estos. La superficie de falla es típica como “marcas de playa”. ----->
• El picado originado a partir de grietas, es una de las fallas por fatiga de contacto superficial típica de elementos de maquinas, los cuales trabajan bajo régimen de lubricación elastohidrodinamica y elevadas cargas superficiales.
DESGASTE POR FATIGA
CORROSION
• Que es corrosión?Es una reacción química o electroquímica de un metal o aleación con su medio circundante, con el siguiente deterioro de sus propiedades.Para que ocurra debe haber lo siguiente:• Presencia de oxígeno.• Una solución acuosa que actúe como electrolito.• Una corriente eléctrica debido a una diferencia de potencial
eléctrico.
Cada metal tiene una carga eléctrica diferente, y cuando dos metales de distinta carga eléctrica están en contacto, se producirá la corrosión, donde uno de los dos actúa como ánodo, cediendo electrones y perdiendo masa (deteriorándose), y el otro actúa como cátodo, recibiendo electrones (acelerando el deterioro).
Se puede hacer una clasificación de acuerdo a la manera en la que se produce la
corrosión.
Entre los tipos más comunes se puede encontrar:
galvánica o bimetálica uniforme localizada por picaduras en grietas o hendiduras Intergranular Por Aireación Diferencial por línea de floculación bajo esfuerzo fatiga erosión bacteriológica
Corrosión
CLASIFICACIÓN DE LOS TIPOS DE CORROSIÓN
• La corrosión electroquímica o galvánica es la que se produce cuando dos metales de diferente electronegatividad se encuentran en contacto.
• El metal con mayor electronegatividad se oxida (ánodo), dando lugar a su progresivo deterioro y desprendimiento desde la superficie metálica, en presencia del segundo (cátodo).
• Sin embargo, este proceso puede darse por pequeñas discontinuidades en el acero, como deformaciones plásticas, fisuras, soldadura, y la misma presencia de material oxidado, como en el caso del acero.
CORROSIÓN GALVÁNICA O BIMETÁLICA
• Los metales más anódicos tienden más a corroerse y los metales más catódicos tienden más a causar corrosión.
• En el caso del aluminio y el cinc, son muy susceptibles a la oxidación, pero su producto oxidado es estable y no se desprende de la superficie, por lo que estos metales se recubren de una capa de su propio óxido de algunos micrómetros de espesor que lo protege de la corrosión. A esto se le denomina capa pasiva.
Problema de la corrosión del acero de refuerzo
No siempre es mala la oxidación de los metales, el problema radica cuando los productos oxidados de la corrosión del metal no son estables y se desprenden de la superficie del metal.En el caso del acero, al oxidarse el hierro incrementa su volumen y se desprende, lo que puede causar expansiones dañinas si se usa en el concreto reforzado, y en general pérdida de su capacidad mecánica al reducirse las dimensiones de los elementos.
• La corrosión uniforme es cuando el metal es homogéneo y el proceso de corrosión se produce de manera uniforme sobre su superficie. Cuando la corrosión localizada se extiende a todo el elemento también se habla de corrosión uniforme.
CORROSIÓN UNIFORME
• La corrosión localizada es cuando el material presenta una discontinuidad y esto acelera la corrosión en esa zona, o por un impacto o deformación que le retiró su capa de protección superficial.
CORROSIÓN LOCALIZADA / POR PICADURAS
• Este tipo de corrosión es más común en las aleaciones, por la presencia del material aleante en los granos de la estructura cristalina.
• Las áreas anódicas están localizadas a lo largo del los bordes de los granos, mientras que los planos cristalinos están actuando como catódicos.
• El ataque se presenta cuando se forma una pequeña área anódica frente a una extensa área catódica (similar a los efectos de área de la corrosión galvánica).
CORROSIÓN INTERGRANULAR
• Al aplicar un esfuerzo mecánico a un metal, este se deformará, y en su superficie pueden generarse microagrietamientos que actuarán como discontinuidades, favoreciendo la corrosión en esas áreas. Esto puede deberse a cargas de tensión, flexión, impacto, abrasión/fricción, fatiga del material, etc.
CORROSIÓN POR ESFUERZOS
CORROSIÓN POR CAVITACIÓN
• Producida por la formación y colapso de burbujas en la superficie del metal. Es un fenómeno semejante al que le ocurre a las caras posteriores de las hélices de los barcos. Genera una serie de picaduras en forma de panal.
• Ocurre a altas velocidades de flujo y cambio brusco en la dirección del mismo.
CORROSIÓN MARINA/SOLUCIONES QUÍMICAS AGRESIVAS
El agua de mar constituye un electrolito especialmente agresivo, sobre todo debido a las siguientes características: alta conductividad, mayor nivel de solubilidad de O2, el Cl- disuelto puede romper películas pasivas, entre otras.Otras soluciones químicas que pueden acelerar la corrosión son ácidos, bases y sales. (estos últimos, particularmente las soluciones básicas como el hidróxido de sodio y potasio son muy perjudiciales para el aluminio y el zinc.
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MÉTODOS PREVENTIVOS PARA LA CORROSION
• La tendencia de los metales a corroerse es un hecho natural y permanente. El
problema radica en controlar este efecto destructivo con la mayor economía
posible, en la forma técnicamente adecuada, optimizando los recursos existentes.
• Los métodos de protección se basan en los siguientes principios:
1. Eliminación de los elementos corrosivos.
2. Mejores materiales de construcción, resistente a la corrosión. (Acero Inoxidable,
aleación de acero con cromo o níquel)
3. Protección eléctrica.
4. Colocar una barrera entre el material y el ambiente
5. Sobre−dimensionamiento de las estructuras.
• Cada uno de estos métodos tiene sus ventajas y desventajas, y cierta área de uso
en la cual es el más económico.
Métodos de protección / prevención de la corrosión del acero
Recubrimientos superficiales, a base de resinas epóxicas (superior) o zinc (galvanizado, imagen inferior), crea una capa inerte que impide la oxidación del acero subyacente.
Ánodos de sacrificio: consiste en poner en contacto con el metal a proteger, un metal con un comportamiento más anódico (a menudo zinc o magnesio), de esta manera, el metal está protegido mientras el ánodo se siga corroyendo. Deben reemplazarse periódicamente. En la imagen se muestran ánodos de zinc en la cubierta de un barco de acero.
Protección catódica con electricidad -Polarización-
Si se le aplica cierta corriente al elemento metálico, polarizándolo, y lo que cambia su potencial eléctrico y adecuadamente utilizado lo vuelve un material catódico, resistente a la corrosión.
