Escrito por Martin Ahner
¿Le gustaría saber de qué se componen realmente los metales y qué factores son importantes durante la fabricación de hierro?
Aquí puede averiguar qué son realmente los materiales y por qué es importante la ingeniería de materiales. Estudiará la estructura de los metales paso a paso y verá cómo la combinación de átomos forma la red cristalina y cómo se crea la microestructura a partir de esta. Además, aprenderá las propiedades de los metales. Por último, estudiará el proceso de obtención de hierro y de fabricación de acero, así como los aspectos que deben tenerse en cuenta.
Conocimientos impartidos
¿Qué son los materiales y por qué es importante la ingeniería de materiales?
¿De qué se componen los metales? Átomos - Red cristalina - Microestructura
¿Cuáles son las propiedades de los metales?
¿Cómo se obtiene el arrabio?
¿Qué hay que tener en cuenta durante la fabricación de acero?
¿De qué se componen los metales? Átomos - Red cristalina - Microestructura
¿Cuáles son las propiedades de los metales?
¿Cómo se obtiene el arrabio?
¿Qué hay que tener en cuenta durante la fabricación de acero?
Historia de los materiales
Desde el principio de los tiempos, los seres humanos hemos necesitado materiales para distintos fines en nuestra vida cotidiana. Los materiales caracterizan diferentes culturas y dan nombre a distintas épocas.
Subdivisión de los materiales
Los materiales se clasifican en metales y no metales. El acero y el hierro fundido se encuentran entre los materiales más utilizados del mundo.
La tecnología de los materiales y su importancia
El uso que se le da a un material depende de sus propiedades. Estas pueden clasificarse en varias categorías.
Para poder clasificar los materiales en distintas categorías y propiedades, se utilizan varios métodos científicos de la ingeniería de materiales.
La tecnología de materiales se ocupa de la obtención y del uso de los materiales, y analiza sus propiedades. De este modo, permite utilizar los materiales correctamente, desarrollar materiales nuevos y mejorar los existentes.
El conocimiento de la estructura interna de los materiales es un requisito previo para analizar sus propiedades. Solo conociendo cuáles son los componentes de un material y cómo funcionan, se pueden obtener nuevos conocimientos para seguir desarrollándolos.
Estructura de los metales
El acero y el hierro fundido poseen muchas propiedades que hacen que se encuentren entre los materiales más utilizados del mundo. Durante el mecanizado, trabajamos principalmente con el componente terminado. Pero ¿de qué componentes consta realmente el metal?
Hay muchas cosas que no son visibles a simple vista. Pero con este microscopio se pueden reconocer hasta los componentes más pequeños.
Metales bajo el microscopio
Las cargas positivas de los átomos de metal siempre están dispuestas a distancias fijas unas de otras formando la red cristalina. Al hacerlo, liberan los electrones negativos, que rodean la red cristalina formando la llamada nube de electrones. Los electrones pueden moverse libremente dentro de la nube, pero no pueden salir de ella.
La atracción de las cargas positivas y negativas crea un fuerte enlace metálico. Este provoca a su vez una fuerte cohesión de los átomos de metal en la red cristalina y, con ello, la resistencia del metal.
Resumen de materiales
Ahora sabe que los materiales han desempeñado un papel importante desde el principio de los tiempos y han caracterizado muchas épocas y culturas. Ha aprendido que los materiales se clasifican, de forma general, en metales y no metales, y pueden tener distintas propiedades.
También ha aprendido que la tecnología de materiales se encarga de analizar las propiedades de los materiales para seguir desarrollando nuevos materiales y mejorando los existentes. Por último, hemos visto que los metales constan de microestructura, redes cristalinas y átomos de metal, cuya composición influye en las propiedades metálicas.
LO QUE HA APRENDIDO
Los materiales han sido fundamentales para la humanidad desde el principio de los tiempos y han caracterizado muchas épocas y culturas.
Los materiales se clasifican en metales y no metales.
La ingeniería de materiales analiza las distintas propiedades de los materiales para desarrollar materiales nuevos y mejorar los existentes.
Los metales constan de microestructura, redes cristalinas y átomos de metal.
Los componentes influyen en las propiedades metálicas.
Los materiales se clasifican en metales y no metales.
La ingeniería de materiales analiza las distintas propiedades de los materiales para desarrollar materiales nuevos y mejorar los existentes.
Los metales constan de microestructura, redes cristalinas y átomos de metal.
Los componentes influyen en las propiedades metálicas.
Metales: estructura y propiedades
¿Cómo funciona la conductividad de los metales y cómo se deforman?
¿Qué tipos de redes cristalinas existen?
¿Qué defectos pueden producirse en la estructura reticular?
¿De qué se compone la microestructura?
¿Qué son las aleaciones y qué tipos existen?
¿Qué son los diagramas de fases de las aleaciones?
¿Qué tipos de redes cristalinas existen?
¿Qué defectos pueden producirse en la estructura reticular?
¿De qué se compone la microestructura?
¿Qué son las aleaciones y qué tipos existen?
¿Qué son los diagramas de fases de las aleaciones?
Estructura de los metales
Veamos ahora detenidamente la estructura de los metales y sus propiedades. En primer lugar, aprenderá cómo funciona la conductividad de los metales y cómo se deforman. Conocerá distintos tipos de redes cristalinas y verá qué defectos puede haber en su estructura. A continuación, echaremos un vistazo a la microestructura de los metales y veremos qué ocurre exactamente durante una aleación. Por último, conocerá los tipos de aleaciones que existen y aprenderá a interpretar los correspondientes diagramas de fases.
Conductividad de los metales
Los metales son conductivos y, por tanto, se utilizan en la vida diaria con distintos fines. La estructura de la red cristalina facilita la comprensión de la conductividad eléctrica.
Deformación de metales
Además de la conductividad eléctrica, los metales también son deformables. En el proceso, se deforman elástica o plásticamente.
Echemos otro vistazo al nivel atómico de la red cristalina. Al aplicar fuerza sobre la chapa, los átomos de metal se desplazan ligeramente del lugar reticular, pero después vuelven a su lugar inicial. Sin embargo, en el caso de una varilla de plomo, la posición desplazada en la red cristalina permanece tras la aplicación de la fuerza y forma así una deformación permanente.
Red cristalina de los metales
Ya ha aprendido que los átomos de metal tiene una cosa en común: se disponen en redes cristalinas. Sin embargo, las redes cristalinas no siempre tienen el mismo aspecto. Dependiendo del tipo de metal, la disposición geométrica de los átomos dentro de la red cristalina también varía.
Aquí puede ver de nuevo los tres tipos más importantes de red cristalina con sus líneas de enlace. Estas parten siempre del centro del átomo formando de este modo una disposición individual.
Los tres tipos más importantes de red cristalina
CÚBICA CENTRADA EN EL INTERIOR (CCI)
El cubo tiene un átomo de metal en el centro, que está encerrado. Puesto que está empaquetado de forma poco compacta, no hay secuencia de apilamiento.
Cuando hay relativamente mucho espacio entre los átomos, se pueden insertar en la red átomos externos adicionales.
CÚBICA CENTRADA EN LAS CARAS (CCC)
El cubo tiene un total de 8 átomos en los vértices y un átomo en el centro de cada cara.
Los átomos se disponen en tres pilas (ABC) y forman así el empaquetamiento esférico más denso.
Una secuencia de apilamiento alterada provoca defectos de apilamiento en los que pueden depositarse elementos de aleación. Esto se traduce en otras propiedades.
HEXAGONAL MUY COMPACTA (HMC)
Los átomos de metal están dispuestos en un prisma hexagonal con un átomo en el centro de cada base. En el interior del prisma se encuentran 3 átomos.
La secuencia de apilamiento es ABA y, por tanto, forma el empaquetamiento esférico más denso.
Los huecos grandes de la red ofrecen espacio para átomos externos.
Menor conformabilidad en frío que los metales con red CCC.
Defectos en la estructura reticular
Los metales no son cristales perfectos, sino que presentan defectos reticulares. En función del tipo y del tamaño, los defectos reticulares se pueden clasificar en tres dimensiones. La primera dimensión son los defectos puntuales o de dimensión cero. Corresponden a un punto de red y pueden subdividirse.
Por lo general, los defectos puntuales no tienen consecuencias negativas en las propiedades de los materiales metálicos, sino que permiten incluso la aplicación de importantes tratamientos térmicos.
Defectos unidimensionales
A esta clase de defectos se suman los defectos lineales, también llamados unidimensionales. Si se inserta un semiplano en la red cristalina regular, se produce un defecto en la línea y se forma una dislocación. Las dislocaciones son móviles y son la causa de la deformabilidad plástica de los metales.
Defectos bidimensionales
En los defectos de superficie o bidimensionales, se producen errores de apilamiento en la secuencia normal de las capas. Los errores de apilamiento se deben a la cristalización o al colapso de un cúmulo de huecos. Los defectos bidimensionales de la red influyen en la resistencia a la tracción de los metales.
Microestrutura
Você já viu que os metais são formados por muitos grãos de formato regular, que em conjunto constituem a microestrutura. A microestrutura não pode ser identificada a olho nu. Mas, com uma imagem metalográfica de corte, a microestrutura pode ser visualizada em um microscópio metalográfico.
A imagem de corte mostra a granulação e os contornos de grão de um metal. A granulação varia de fina a grossa e pode ser ajustada por meio de tratamento específico. Os contornos de grão representam interrupções no arranjo atômico dos grãos e são considerados defeitos de rede bidimensionais mencionados anteriormente. Esses defeitos, por exemplo, surgem durante a cristalização.
Metais de granulação fina apresentam melhores propriedades mecânicas em comparação aos de granulação grossa, pois possuem mais contornos de grão. A extensão dos contornos de grão melhora a tenacidade. No entanto, em temperaturas elevadas ocorrem processos indesejados de fluência.
Formas de grão
Além da semelhança quanto à granulação e aos contornos de grão, existem diferentes formas de grão dependendo do metal e do tipo de rede cristalina.
GRÃOS GLOBULARES Grãos arredondados, por exemplo, ferro puro | GRÃOS POLIÉDRICOS Grãos em forma de polígono, por exemplo, ferro com microestrutura de austenita |
GRÃOS DENDRÍTICOS | MICROESTRUTURA EM FORMA DE LAMELA |
Grãos em forma de agulha, por exemplo, aço endurecido 
Cristais em forma de lamela, por exemplo, grafita lamelar do ferro fundido cinzento Ligas metálicas
Você já viu que os metais não são cristais ideais, mas apresentam defeitos cristalinos intencionais. De todos os metais da tabela periódica, apenas o metal nobre ouro ocorre em forma pura. Todos os demais materiais metálicos são misturas de metais e são chamados de ligas metálicas.
No processo de liga, um ou mais elementos metálicos são intencionalmente inseridos na rede cristalina de um metal para obter as alterações de propriedades desejadas.
Quando a temperatura é reduzida após o processo de liga, a fusão começa a esfriar e, ao solidificar, forma uma nova mistura metálica com o elemento de liga.
Tipos de ligas metálicas
Os elementos de liga podem se incorporar ao metal base de diferentes maneiras e, no estado sólido, formam dois tipos distintos de microestruturas.
Liga de solução sólida
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Liga de mistura cristalina
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As ligas de solução sólida são totalmente solúveis entre si no estado líquido. Durante a solidificação, os metais se distribuem de forma uniforme. Elas são mais resistentes do que os metais base puros, mas ainda assim apresentam boa maleabilidade. Misturas cristalinas também são solúveis entre si no estado líquido; no estado sólido, porém, os metais se agrupam separadamente.
Diagramas de fases de ligas
Para pesquisar e aprimorar as propriedades das ligas, seus diagramas de fases são analisados. De modo geral, os diagramas de fases representam os estados físicos dos metais puros. Para isso, utiliza-se o ponto de inflexão na curva de resfriamento ou de aquecimento.
Nas ligas, também é considerada a temperatura do segundo metal, assim como a proporção de mistura na liga. Ao transferir todos os pontos de inflexão e conectar os pontos de temperatura, obtém-se o diagrama de fases da liga.
Soluções sólidas e misturas cristalinas possuem diagramas de fases diferentes. Soluções sólidas como cobre e níquel se caracterizam por uma solubilidade total tanto no estado líquido quanto no estado sólido.
O diagrama de fases para misturas cristalinas como chumbo e estanho é diferente. Ele se caracteriza por uma solubilidade total no estado líquido e insolubilidade no estado sólido.
VOCÊ APRENDEU
Corrente elétrica é o fluxo de elétrons.
Os metais podem ser deformados elasticamente (reversível) ou plasticamente (irreversível).
Os três principais tipos de redes cristalinas são: cúbica de face centrada (CFC), cúbica de corpo centrado (CCC), hexagonal compacta (HC)
Os metais não são cristais ideais, mas apresentam defeitos de rede: defeitos zerodimensionais, defeitos unidimensionais, defeitos bidimensionais
A microestrutura é composta por uma grande quantidade de grãos com formato regular.
Em ligas, elementos metálicos são intencionalmente inseridos na rede cristalina. Assim, formam-se soluções sólidas e misturas cristalinas.
Diagramas de fases representam os estados físicos das ligas.
Os metais podem ser deformados elasticamente (reversível) ou plasticamente (irreversível).
Os três principais tipos de redes cristalinas são: cúbica de face centrada (CFC), cúbica de corpo centrado (CCC), hexagonal compacta (HC)
Os metais não são cristais ideais, mas apresentam defeitos de rede: defeitos zerodimensionais, defeitos unidimensionais, defeitos bidimensionais
A microestrutura é composta por uma grande quantidade de grãos com formato regular.
Em ligas, elementos metálicos são intencionalmente inseridos na rede cristalina. Assim, formam-se soluções sólidas e misturas cristalinas.
Diagramas de fases representam os estados físicos das ligas.
Obtenção do ferro-gusa
Na última seção, vamos primeiro analisar como o ferro-gusa é realmente obtido e quais passos são importantes nesse processo de obtenção. Em seguida, você vai conhecer mais sobre os diferentes processos para produzir aço a partir do ferro-gusa. Por fim, você verá os diferentes métodos de pós-tratamento e de vazamento do aço.
Como você aprendeu, o aço é um dos materiais mais utilizados no mundo. O principal componente dele é o ferro. O ferro é encontrado na natureza como minério de ferro, um composto de ferro e oxigênio. Para produzir aço, o ferro precisa primeiro ser obtido por meio de processos de redução.
Dois processos de redução são utilizados na obtenção do ferro-gusa. Aqui você vê uma visão geral de ambos os processos.
Producción de acero
Una vez que se ha obtenido el arrabio o la esponja de hierro sólida, se aplican los llamados «métodos de afino» para generar el acero. ¿Adivina qué ocurre durante el afino?
El método de soplado de oxígeno consiste en introducir en un convertidor el arrabio líquido junto con chatarra de acero y fundentes. A través de un tubo refrigerado por agua, se introduce oxígeno por soplado en el recipiente y se produce una reacción química con las sustancias acompañantes del hierro. El carbono contenido en el arrabio se quema y la cal fija las sustancias acompañantes del hierro. A continuación, el acero y la escoria se funden.
El método de horno de arco eléctrico sirve para producir aceros de alta aleación. Para ello, se introducen el arrabio y otros componentes en un horno de fusión. Se bajan electrodos de carbono hasta el relleno y se enciende un arco eléctrico. En el tiempo de fusión, el carbono restante y las sustancias acompañantes se queman. A continuación, el acero y la escoria se funden.
Tras la producción de acero, a menudo quedan componentes indeseados. Para producir aceros de calidad, estos componentes se eliminan mediante tratamientos posteriores. Ahora veremos cómo se llaman y en qué consisten los métodos más importantes. Active los métodos para obtener más detalles.
Tratamento secundário do vazamento
| DESOXIDAÇÃO Elementos ligam o oxigênio liberado durante a solidificação da liga fundida. Dessa forma, evitam-se cavidades de bolhas de gás. |  |
Dessulfuração a vácuo A transferência do aço líquido auxilia na eliminação dos gases residuais. |  |
Processo de refusão O bloco de aço inoxidável é conectado como eletrodo em uma forma de aço (coquilha). Um arco elétrico funde o bloco de aço em um banho de escória. |  |
Tratamento com gás de purga O gás de purga remove as impurezas. |  |
Quando o tratamento secundário é concluído, o aço líquido é vazado e assim adquire a forma inicial para o processamento posterior. Dois processos são utilizados para isso. No processo de fundição contínua, o aço flui continuamente para um molde de passagem resfriado a água. No final, forma-se uma cinta de aço, que só precisa ser laminada.
Para blocos de aço maiores, é utilizado o processo de fundição em bloco com molde. Nesse processo, o aço líquido flui para moldes de aço. Após a solidificação, os moldes ainda são removidos ao rubro. Assim que os blocos de aço estiverem resfriados, eles podem ser utilizados como peças forjadas ou perfis laminados.
Resumo
Agora você sabe que o ferro precisa ser extraído primeiro do minério de ferro e que isso pode ser feito em alto-forno ou por redução direta. Além disso, você aprendeu que, na fabricação do aço, são utilizados diferentes processos de refino para reduzir o teor de carbono e remover impurezas.
Por fim, você conheceu diferentes processos de tratamento do aço. Eles são utilizados para eliminar os componentes indesejados restantes. Além disso, agora você conhece dois processos de vazamento que preparam o aço para o processamento posterior.
VOCÊ APRENDEU
O ferro é obtido a partir do minério de ferro (em alto-forno ou por redução direta).
Processos de refino são utilizados para reduzir o carbono residual e eliminar impurezas.
O tratamento secundário do aço tem como objetivo eliminar os componentes indesejados restantes.
O processo de vazamento do aço serve para preparar o aço para o processamento posterior.
Processos de refino são utilizados para reduzir o carbono residual e eliminar impurezas.
O tratamento secundário do aço tem como objetivo eliminar os componentes indesejados restantes.
O processo de vazamento do aço serve para preparar o aço para o processamento posterior.