¿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.
Estructura
Ya ha aprendido que los metales constan de muchos granos formados regularmente, que forman la microestructura. Esta no se puede percibir a simple vista. Sin embargo, una micrografía metalográfica nos permite ver la microestructura al microscopio.
La micrografía muestra el tamaño y los bordes del grano de un metal. El tamaño de grano puede ser de fino a grueso y se puede regular mediante un tratamiento específico. Los bordes de grano constituyen interrupciones en la disposición atómica de los granos y pertenecen a los defectos de superficie de la red anteriormente mencionados. Estos se producen, por ejemplo, durante la cristalización.
Los metales de grano fino tienen mejores propiedades mecánicas que los de grano grueso, pues hay más bordes de grano. El aumento del borde de grano mejora la tenacidad. Sin embargo, a temperaturas elevadas se producen procesos de fluencia indeseados.
Formas de grano
Además del tamaño de grano y de los bordes de grano comunes, existen diferentes formas de grano en función del metal y del tipo de red cristalina.
GRANOS GLOBULARES Granos redondos, por ejemplo, hierro puro | GRANOS POLIÉDRICOS Granos de forma poligonal, por ejemplo, hierro con microestructura de austenita |
GRANOS DENDRÍTICOS | MICROESTRUCTURA LAMINAR |
Granos en forma de aguja, por ejemplo, acero templado 
Cristales en forma de lámina, por ejemplo, grafito laminar de fundición gris Aleaciones
Ya ha aprendido que los metales no son cristales perfectos, sino que presentan defectos intencionados en la estructura reticular. De todos los metales de la tabla periódica, el metal noble «oro» es el único que se presenta en su forma pura. Todos los demás materiales metálicos son mezclas de metales y se denominan aleaciones.
En el proceso de aleación, se añaden intencionadamente uno o varios elementos metálicos a la red cristalina de un metal para cambiar sus propiedades.
Si la temperatura vuelve a bajar tras el proceso de aleación, la masa fundida empieza a enfriarse y forma una nueva mezcla de metales al solidificarse con el elemento de aleación.
Tipos de aleaciones
Los elementos de aleación se pueden insertar en el metal base de distinto modo y, en estado sólido, forman dos tipos de microestructura diferentes.
Aleación de cristal mixto
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Aleación de mezcla cristalina
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Las aleaciones de cristal mixto, también llamadas de solución sólida, son completamente solubles entre sí en estado líquido. Al solidificarse, los metales se distribuyen de forma homogénea. Son más resistentes que los metales base puros, pero fáciles de conformar. Las aleaciones de mezcla cristalina también son solubles en estado líquido, pero los metales se combinan por separado al pasar al estado sólido.
Diagramas de fases de las aleaciones
Para la investigación y el desarrollo de las aleaciones, se analizan sus diagramas de fases. Por lo general, los diagramas de fases representan el estado físico de los metales puros. Para ello, se utiliza el punto crítico de separación de la curva de enfriamiento o de calentamiento, también conocido como punto «pinch».
En las aleaciones, también interviene la temperatura del segundo metal, así como la proporción de mezcla existente en la aleación. Si se transfieren todos los puntos críticos de separación y se conectan los puntos de temperatura, se obtiene el diagrama de fases de la aleación.
Los cristales mixtos, también llamados soluciones sólidas, y las mezclas cristalinas tienen distintos diagramas de fases. Los cristales mixtos como el cobre y el níquel se caracterizan por una solubilidad total tanto en estado líquido como en estado sólido.
El diagrama de fases de las mezclas cristalinas como el plomo y el estaño es diferente. Este se caracteriza por su solubilidad total en estado líquido y su insolubilidad en estado sólido.
LO QUE HA APRENDIDO
La corriente eléctrica es un flujo de electrones.
Los metales se pueden deformar de forma elástica (reversible) o plástica (irreversible).
Los tres tipos de redes cristalinas más importantes son los siguientes: Red cúbica centrada en las caras (CCC), red cúbica centrada en el interior (CCI) y red hexagonal muy compacta (HMC)
Los metales no son cristales ideales, sino que tienen defectos reticulares: Defectos puntuales o de dimensión cero, defectos lineales o unidimensionales y defectos de superficie o bidimensionales
La microestructura consta de un gran número de granos formados regularmente.
Las aleaciones consisten en la introducción intencionada de elementos metálicos en la red cristalina. El resultado son cristales mixtos y mezclas cristalinas.
Los diagramas de fases representan el estado físico de las aleaciones.
Los metales se pueden deformar de forma elástica (reversible) o plástica (irreversible).
Los tres tipos de redes cristalinas más importantes son los siguientes: Red cúbica centrada en las caras (CCC), red cúbica centrada en el interior (CCI) y red hexagonal muy compacta (HMC)
Los metales no son cristales ideales, sino que tienen defectos reticulares: Defectos puntuales o de dimensión cero, defectos lineales o unidimensionales y defectos de superficie o bidimensionales
La microestructura consta de un gran número de granos formados regularmente.
Las aleaciones consisten en la introducción intencionada de elementos metálicos en la red cristalina. El resultado son cristales mixtos y mezclas cristalinas.
Los diagramas de fases representan el estado físico de las aleaciones.
Producción de arrabio
En esta última sección, primero veremos cómo se obtiene el arrabio (hierro bruto) y qué pasos del proceso de extracción son importantes para ello. A continuación, le daremos más información sobre los distintos métodos de producción de acero a partir del arrabio. Por último, estudiará distintos métodos de tratamiento posterior y fundición de acero.
Como ya sabe, el acero es uno de los materiales más utilizados del mundo. Su componente principal es el hierro. El hierro se encuentra en la naturaleza en forma de mineral de hierro, un compuesto de hierro y oxígeno. Para la producción de acero, primero es necesario obtener hierro mediante el método de reducción.
Para la obtención de arrabio (hierro bruto), existen dos métodos de reducción. Aquí puede ver un resumen de ambos métodos.
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.
Tratamiento posterior del metal fundido
| DESOXIDACIÓN Los elementos fijan el oxígeno liberado al solidificarse la masa fundida. De este modo, se evitan los huecos que favorecen la formación de burbujas de gas. |  |
Desgasificación al vacío El refundido del acero líquido favorece la purga de los gases residuales. |  |
Proceso de refundición El bloque de acero inoxidable se activa en el molde de acero (coquilla) a modo de electrodo. Un arco eléctrico funde el bloque de acero en un baño de escoria. |  |
Tratamiento con gas de lavado El gas de lavado arrastra las impurezas. . |  |
Una vez que el tratamiento posterior ha finalizado, el acero líquido se vierte en moldes y adquiere la forma final para el mecanizado posterior. Para ello, se utilizan dos métodos. En la colada continua, el acero se vierte de forma ininterrumpida en un molde continuo refrigerado por agua denominado "coquilla". Al final, se forma un cordón de acero que solo tiene que someterse al laminado final.
Para los bloques de acero de gran tamaño, se utiliza la colada en lingotera, que consiste en verter el acero líquido en moldes de acero. Tras la solidificación, las coquillas se desmoldan cuando aún están al rojo vivo. En cuanto los bloques de acero se enfrían, se pueden utilizar como piezas de forja o perfiles laminados.
Resumen
Ahora ya sabe que el hierro debe obtenerse primero a partir del mineral de hierro y que esto se hace en altos hornos o mediante reducción directa. También ha aprendido que en la producción de acero se utilizan varios procesos de refinado para reducir el contenido de carbono y eliminar las sustancias acompañantes.
Por último, ha aprendido los diferentes procesos para tratar el acero. Se utilizan para eliminar cualquier resto de componentes indeseados. Ahora también conoce dos procesos de fundición que preparan el acero para su posterior transformación.
LO QUE HA APRENDIDO
El hierro se obtiene del mineral de hierro (en altos hornos o mediante reducción directa).
Se utilizan distintos métodos de afino para reducir el carbono residual y eliminar las sustancias acompañantes.
El tratamiento posterior del acero sirve para eliminar componentes residuales indeseados.
La fundición del acero sirve para preparar el acero para su posterior transformación.
Se utilizan distintos métodos de afino para reducir el carbono residual y eliminar las sustancias acompañantes.
El tratamiento posterior del acero sirve para eliminar componentes residuales indeseados.
La fundición del acero sirve para preparar el acero para su posterior transformación.