Materiales De Construcción- Metales

LOS MATERIALES METÁLICOS

LOS METALES FERROSOS.

Al hierro y al acero se les considera como metales ferrosos por ser materiales derivados del procesamiento industrial de los minerales de fierro. Estos materiales, de los cuales el acero cobra especial importancia por ser el de mayor uso en la construcción, se consideran como muy homogéneos debido a su riguroso control de producción, esto permite determinar sus propiedades mecánicas con mucha confianza, otros materiales como la madera y el concreto generalmente presentan una mayor dispersión en sus propiedades.

El hierro prácticamente no se emplea para edificar estructuras, ya que su composición química (alto contenido de carbono e impurezas) lo hace muy resistente a la compresión pero poco dúctil, por el contrario, el acero al combinar resistencia y ductilidad permite crear estructuras que se deformen antes de fallar, lo cual permite salvar la vida de los usuarios. Cada vez se hace un uso más extensivo del acero, especialmente en zonas sísmicas donde se requieren grandes factores de seguridad en las estructuras, esto se logra gracias a la gran rigidez que se puede lograr con este material. Otra de las grandes ventajas del acero es que se pueden fabricar de antemano todo tipo de formas geométricas que después se ensamblan en el lugar de la obra a base de soldadura o de remaches. Desafortunadamente el material requiere de cuidados en su manejo especialmente a la hora del ensamble y también requiere de protección adecuada contra su enemigo número uno, la corrosión.

PRODUCCIÓN DE LOS METALES FERROSOS

El Hierro

La producción de los metales ferrosos inicia con la obtención del hierro de bajo grado o hierro sucio, esto se logra en un alto horno, la Figura 11.1 muestra un ejemplo del horno. Esta estructura tiene en su interior una cubierta de tabique refractario, indispensable para soportar las altas temperaturas que se requieren en la fundición de los ingredientes básicos. El horno es una estructura muy grande, con un diámetro mayor de unos 15 m y una altura aproximada a los 30 m. Los ingredientes básicos se alimentan al horno por la parte superior, formando series de capas, en cada serie se coloca el coque (carbón quemado, con este tratamiento el carbón pierde impurezas y arde a más altas temperaturas), a continuación se coloca una capa de caliza triturada o dolomita, y al último se coloca una capa del mineral de fierro de que se trate. El mineral de hierro puede ser: hematita (Fe2O3), magnetita (Fe3O4), limonita (Fe2O3 + nH2O), o algún otro disponible en la región. Se quema el coque y se mantiene el calor inyectando aire caliente al sistema, la temperatura que alcanza los 850 °C funde el mineral de fierro, el hierro fundido en su movimiento hacia abajo se mezcla con la caliza fundida y en ella quedan atrapadas impurezas formando lo que se conoce como la escoria, en el proceso se desprende monóxido de carbono, éste gas en su ascenso le imparte al hierro el contenido de carbono que poseerá al final de la etapa de fundición. En la parte inferior del horno, donde las temperaturas alcanzan los 1200 °C, se recoge en el nivel más bajo el hierro en forma líquida y a un nivel ligeramente más alto se recoge la escoria, según se aprecia en la Figura 11.1.

El hierro obtenido del proceso de fundición descrito anteriormente no es puro, de ahí el nombre de hierro de bajo grado, éste metal contiene cantidades altas de carbono por lo que industrialmente es de poca utilidad, también contiene otros minerales como silicón, manganeso y azufre. En estas condiciones el hierro se somete a una nueva fundición mezclándolo con desperdicios de hierro y de acero, y por medio de un proceso de oxidación controlado a base de un chorro de aire se le reduce el porcentaje de carbono hasta lograr de un 2 a un 4 %, el resultado se vacía en moldes de arena o metal, por esta razón se le llama hierro colado.

Figura 11.1. Obtención del Hierro en un Alto Horno.

El hierro colado se emplea muy poco en la construcción, una de sus aplicaciones es el colado de tubería para bajadas de drenaje sanitario. El problema con este tipo de tubería es que por ser pesada, es difícil de manejar y ensamblar, además el material es frágil a los impactos y fácilmente se puede fracturar con un golpe. Por estas razones el hierro colado prácticamente ha sido desplazado por los plásticos, en este caso la mejor alternativa es el cloruro de polivinilo (PVC).

Una variedad del hierro es el hierro forjado este hierro contiene un porcentaje muy bajo de carbón, no mayor del 0.09 %, por esta razón el material es muy maleable y solo se le emplea en la construcción con propósitos de ornato, no tiene ninguna aplicación estructural.

El Acero

La producción del acero consiste en una depuración de la cantidad de carbono contenida en el hierro de bajo grado, esto se logra con una nueva fundición, logrando por medio de procesos

De oxidación controlada, bajar el contenido de carbono a cerca del 0.2 %. Las consideraciones teóricas para llevar esto a cabo son complejas e involucran a la térmica y a la química, pero si supusiéramos que el hierro de bajo grado se representa por Fe3C (carburo de fierro), la pérdida de carbono se puede representar por:

Fe3 C + O ↔ Fe + CO

En la expresión anterior el monóxido de carbono se pierde en la atmósfera, el proceso de refinamiento se aplica tantas veces como sea necesario, en la actualidad el proceso aún no se mejora, pero en el futuro seguramente se hará, y de una misma hornada se podrá obtener tanto acero como hierro.

El acero obtenido de las etapas de refinamiento guarda aún algunas impurezas, sin embargo ya se le puede emplear en la construcción gracias a su resistencia a la corrosión, su ductilidad y su facilidad para darle forma.

Estructura del Acero

Conforme el acero obtenido del proceso de refinamiento se va enfriando, sus átomos se arreglan dé tal manera que de acuerdo a la temperatura toman una posición que obedece a la ley de la menor energía de cristalización. Esto ocurre de tal forma que si se considerara al metal fundido en un recipiente, pasaría lentamente del estado líquido al sólido, en esta secuencia el material se enfría primero en las esquinas, luego en los bordes y posteriormente en el interior, los átomos se entrelazan unos con otros formando una estructura dendrítica como la que se muestra esquemáticamente en la Figura 11.2.

Figura 11.2. Esquema Microscópico de solidificación del acero.

La estructura poli cristalina que se observa en la figura anterior revela que los granos del material sólido varían entre sí, y en cada grano los átomos se arreglan de forma regular en una estructura conocida como estructura atómica. Para el acero existen dos estructuras principales, la estructura cúbica centrada en la cara (face centred cubic structure, fcc) y la estructura cúbica centrada en el cuerpo (body centred cubic structure, bcc). La Figura 11.3 muestra las dos estructuras, donde los átomos se simbolizan por puntos o bolas. En el caso del acero, la estructura atómica fcc se produce arriba de los 910 °C, y la bcc se produce abajo de los 910 °C, estos cambios son fundamentales en la tecnología metalúrgica del acero. Estas estructuras no son las más densas que puede tener un metal, existe la estructura hexagonal compacta (close packed hexagonal structure, hcp), que caracteriza al magnesio, zinc, cobalto y titanio, sin embargo la estructura del acero es lo suficientemente fuerte para resolver un sinfín de problemas

estructurales.

Figura 11.3. Fases de Estructura Atómica del Acero.

Arriba, Estructura Cúbica Centrada en la Cara (fcc). Abajo, Estructura Cúbica Centrada en el

Cuerpo (bcc).

Rara vez se emplea a los metales en su estado puro, generalmente se les alea con otros. La aleación se basa en la disolución del metal base con la aleación, durante la aleación, algunos átomos del metal base pueden ser sustituidos por los de la aleación, o algunos átomos de la aleación pueden ocupar espacios intersticiales entre los átomos del metal base, La Figura 11.4 muestra como encajan los átomos de materiales como el carbono o el nitrógeno con átomos

Mayores.

Figura 11.4. Aleación Intersticial de átomos de Carbono o Nitrógeno.

Propiedades Mecánicas del Acero

Resistencia a la Tensión

Las propiedades mecánicas del acero dependen de la composición química del metal, aunque existe una gran cantidad de aceros, no todos ellos son de uso común en la construcción. La Tabla 11.1 presenta algunos aceros que se emplean en la industria incluyendo el acero de uso estructural.

Tabla 11.1. Diversos Tipos de Acero Según su Contenido de Carbono.

Acer Contenido de Carbono

% en Peso

Acer para calderas 0.10

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