2 UnidadAsignatura: Tecnologa de los Materiales

Profesor: Angelo Uribe F.

ACERO

Obtencin

Los metales son materiales que se obtienen a partir de minerales que forman parte de las rocas. Por ejemplo, el metal hierro se extrae de minerales de hierro como la magnetita.

Los minerales, que se extraen de las minas, se componen de dos partes: -MENA: es la parte til del mineral, de la que se extrae el metal.-GANGA: es la parte no til del mineral. Esta parte se desecha. La ganga debe separarse de la MENA.

La rama de la tcnica que el ser humano ha desarrollado para obtener el metal de los minerales se llama METALURGIA. Existe una rama de la metalurgia que trabaja slo con minerales de hierro que se llama SIDERURGIA.

Los metales y las aleaciones empleados en la industria y en la construccin pueden dividirse en dos grupos principales: Materiales FERROSOS y NO FERROSOS. Qu es el Acero?FERROSOS: Aquellos que contienen hierro como su ingrediente principal; es decir, las numerosas calidades del hierro y el acero. NO FERROSOS: No contienen hierro. Estos incluyen el aluminio, magnesio, zinc, cobre, plomo y otros elementos metlicos. Las aleaciones el latn y el bronce, son una combinacin de algunos de estos metales No Ferrosos y se les denomina Aleaciones No Ferrosas

El Acero es bsicamente una aleacin o combinacin de hierro y carbono (alrededor de 0,05% hasta menos de un 2%). Algunas veces otros elementos de aleacin especficos tales como el Cr (Cromo) o Ni (Nquel) se agregan con propsitos determinados.Ya que el acero es bsicamente hierro altamente refinado (ms de un 98%), su fabricacin comienza con la reduccin de hierro (produccin de arrabio) el cual se convierte ms tarde en acero.

TIPOS DE ACEROS

ACEROSALEADOS

NO ALEADOS

Aceros no aleados : Son aquellos que tienen un porcentaje de elementos qumicos que intervienen en la aleacin por debajo del mximo .

Aceros aleados o especiales: Son aquellos aceros que, adems de los elementos hierro y carbono, contienen algn otro elemento en proporciones superiores a las indicadas.

CLASIFICACIN

Existen 3 tipos de aleaciones de hierro en funcin del porcentaje de carbono que tenga.

Hierro puro: Que apenas es utilizado. La proporcin de carbono oscila entre el 0.008 % y el 0.03%.

Acero: Es una aleacin de hierro y carbono (que no es un metal), de modo que el porcentaje de carbono es de menos de un 1,7%

Fundicin: Es una aleacin de hierro y carbono, de modo que el porcentaje de carbono est entre un 1,7% y un 6,7%.

Los diferentes tipos de acero se clasifican de acuerdo a los elementos de aleacin que producen distintos efectos en el acero:

ALUMINIO Empleado en pequeas cantidades, acta como un desoxidante para el acero fundido y produce un Acero de Grano Fino. BORO Aumenta la templabilidad (la profundidad a la cual un acero puede ser endurecido). CROMO Aumenta la profundidad del endurecimiento y mejora la resistencia al desgaste y corrosin.

COBRE Mejora significativamente la resistencia a la corrosin atmosfrica. MANGANESO Elemento bsico en todos los aceros comerciales. Acta como un desoxidante y tambin neutraliza los efectos nocivos del azufre, facilitando la laminacin, moldeo y otras operaciones de trabajo en caliente. Aumenta tambin la penetracin de temple y contribuye a su resistencia y dureza. MOLIBDENO Mediante el aumento de la penetracin de temple, mejora las propiedades del tratamiento trmico. Aumenta tambin la dureza y resistencia a altas temperaturas.

NIQUEL Mejora las propiedades del tratamiento trmico reduciendo la temperatura de endurecimiento y distorsin al ser templado. Al emplearse conjuntamente con el Cromo, aumenta la dureza y la resistencia al desgaste. SILICIO Se emplea como desoxidante y acta como endurecedor en el acero de aleacin.AZUFRE Normalmente es una impureza y se mantiene a un bajo nivel. Sin embargo, alguna veces se agrega intencionalmente en grandes cantidades (0,06 a 0,30%) para aumentar la maquinabilidad (habilidad para ser trabajado mediante cortes) de los aceros de aleacin y al carbono.

TITANIO Se emplea como un desoxidante y para inhibir el crecimiento granular. Aumenta tambin la resistencia a altas temperaturas. TUNGSTENO Se emplea en muchos aceros de aleacin para herramientas, impartindoles una gran resistencia al desgaste y dureza a altas temperaturas.VANADIO Imparte dureza y ayuda en la formacin de granos de tamao fino. Aumenta la resistencia a los impactos (resistencia a las fracturas por impacto) y tambin la resistencia a la fatiga.

Mayor resistencia y dureza Mayor resistencia a los impactos Aumento de la resistencia al desgaste Aumento de la resistencia a la corrosin Mejoramiento de maquinabilidad Dureza al rojo (altas temperaturas) Aumento de la profundidad a la cual el acero puede ser endurecido (penetracin de temple)

En resumen los efectos de aleacin son:

Impurezas presentes en el acero:

Azufre: forma con el hierro sulfuro, da lugar a un eutctico. Se controla la presencia de sulfuro mediante el agregado de manganeso.

Fsforo: Disminuye la ductilidad. Forma un eutctico frgil con bajo punto de fusin y transmite al acero su fragilidad.

Oxgeno: el contenido de oxigeno es mayor en el acero en estado liquido que en estado slido. Para evitar burbujas de gas atrapadas en el metal, el oxigeno debe eliminarse.

VENTAJAS Y DESVENTAJAS DEL ACERO como material de construccin: Ventajas del acero como material estructural:

Alta resistencia: La alta resistencia del acero por unidad de peso implica que ser poco el peso de las estructuras, esto es de gran importancia en puentes de grandes luces.

2. Uniformidad: Las propiedades del acero no cambian apreciablemente con el tiempo como es el caso de las estructuras de concreto reforzado.

3. Durabilidad: Si el mantenimiento de las estructuras de acero es adecuado duraran indefinidamente.

4. Ductilidad.- La ductilidad es la propiedad que tiene un material de soportar grandes deformaciones sin fallar bajo altos esfuerzos de tensin. La naturaleza dctil de los aceros estructurales comunes les permite fluir localmente, evitando as fallas prematuras.

5. Tenacidad.- Los aceros estructurales son tenaces, es decir, poseen resistencia y ductilidad. La propiedad de un material para absorber energa en grandes cantidades se denomina tenacidad.

Otras ventajas importantes del acero estructural son: A) Gran facilidad para unir diversos miembros por medio de varios tipos de conectores como son la soldadura, los tornillos y los remaches. B) Posibilidad de prefabricar los miembros de una estructura. C) Rapidez de montaje. D) Gran capacidad de laminarse y en gran cantidad de tamaos y formas. E) Resistencia a la fatiga. F) Posible reutilizacin despus de desmontar una estructura.

Desventajas del acero como material estructural: 1. Costo de mantenimiento.- La mayor parte de los aceros son susceptibles a la corrosin al estar expuestos al agua y al aire y, por consiguiente, deben pintarse peridicamente. 2. Costo de la proteccin contra el fuego.- Aunque algunos miembros estructurales son incombustibles, sus resistencias se reducen considerablemente durante los incendios. 3. Susceptibilidad al pandeo.- Entre ms largos y esbeltos sean los miembros a compresin, mayor es el peligro de pandeo. Como se indico previamente, el acero tiene una alta resistencia por unidad de peso, pero al utilizarse como columnas no resulta muy econmico ya que debe usarse bastante material, solo para hacer ms rgidas las columnas contra el posible pandeo.

ACEROS AL CARBONO CLASIFICACIN DEL ACERO Ms del 90% de todos los aceros son aceros al carbono. Estos aceros contienen diversas cantidades de carbono y menos del 1,65% de manganeso, el 0,60% de silicio y el 0,60% de cobre. Entre los productos fabricados con aceros al carbono figuran mquinas, carroceras de automvil, la mayor parte de las estructuras de construccin de acero, cascos de buques, etc.ACEROS ALEADOS Estos aceros contienen un proporcin determinada de vanadio, molibdeno y otros elementos, adems de cantidades mayores de manganeso, silicio y cobre que los aceros al carbono normales. Estos aceros de aleacin se pueden subclasificar en :

EstructuralesSon aquellos aceros que se emplean para diversas partes de mquinas, tales como engranajes, ejes y palancas. Adems se utilizan en las estructuras de edificios, construccin de chasis de automviles, puentes, barcos y semejantes. El contenido de la aleacin vara desde 0,25% a un 6%.Para HerramientasAceros de alta calidad que se emplean en herramientas para cortar y modelar metales y no-metales. Por lo tanto, son materiales empleados para cortar y construir herramientas tales como taladros, escariadores, fresas, etc.EspecialesLos Aceros de Aleacin especiales son los Aceros Inoxidables y aquellos con un contenido de cromo generalmente superior al 12%. Estos aceros de gran dureza y alta resistencia a las altas temperaturas y a la corrosin, se emplean en turbinas de vapor, engranajes, ejes y rodamientos.

ACEROS DE BAJA ALEACION ULTRARRESISTENTES Esta familia es la ms reciente de las cuatro grandes clases de acero. Los aceros de baja aleacin son ms baratos que los aceros aleados convencionales ya que contienen cantidades menores de los costosos elementos de aleacin. Sin embargo, reciben un tratamiento especial que les da una resistencia mucho mayor que la del acero al carbono. En la actualidad se construyen muchos edificios con estructuras de aceros de baja aleacin. Las vigas pueden ser ms delgadas sin disminuir su resistencia, logrando un mayor espacio interior en los edificios.

ACEROS INOXIDABLES Los aceros inoxidables contienen cromo, nquel y otros elementos de aleacin, que los mantienen brillantes y resistentes a la herrumbre y oxidacin a pesar de la accin de la humedad o de cidos y gases corrosivos. Algunos aceros inoxidables son muy duros; otros son muy resistentes y mantienen esa resistencia durante largos periodos a temperaturas extremas. Debido a sus superficies brillantes, en arquitectura se emplean muchas veces con fines decorativos. El acero inoxidable se utiliza para las tuberas y tanques de refineras de petrleo o plantas qumicas, etc. Tambin se usa para fabricar instrumentos y equipos quirrgicos, o para fijar o sustituir huesos rotos, ya que resiste a la accin de los fluidos corporales.

AustenticosLos ms empleados:16-26% de Cr y un mnimo de 7% de Ni. No magnticos, elevada ductilidad y soldabilidad. Aadiendo Mo se aumenta la resistencia qumica.Ferrticos12-17% de Cr. Resistencia a la corrosin aceptable, magnticos.MartensticosCon un 11-13% de Cr. Presentan alta dureza y tenacidad.DuplexAceros austeno-ferrticos: 17-30% de Cr, 6-12% de Ni y 2-5% de Mo. Mejores propiedades mecnicas y anticorrosivas.Clasificacin de los Aceros Inoxidables

Las principales ventajas del acero inoxidable son:

Alta resistencia a la corrosin.Alta resistencia mecnica.Apariencia y propiedades higinicas.Resistencia a altas y bajas temperaturas.Buenas propiedades de soldabilidad, mecanizado, corte, doblado y plegado.Bajo costo de mantenimiento.Reciclable.

PROPIEDADES MECNICAS DEL ACERO La descripcin ms completa de las propiedades mecnicas de los aceros (propiedades utilizadas para el diseo estructural) se realiza mediante sus curvas esfuerzo deformacin bajo cargas de traccin, las mismas que varian dependiendo de la composicin qumica del material y sus procesos de fabricacin.

Algunas de las propiedades presentes en la curva esfuerzo deformacin son:1. RANGO DE COMPORTAMIENTO ELSTICO:

2. ESFUERZO DE FLUENCIA:3. ESFUERZO A LA ROTURA:

4. MDULO DE ELASTICIDAD:5. DUCTILIDAD:

OTRAS PROPIEDADES DEL ACERO:1. DENSIDAD: La densidad del acero slido es de 7850 Kg/m3. Los cables de acero utilizados en hormign preesforzado tienen una densidad menor, por la presencia de espacios vacos; dicha variacin de densidad depende del dimetro exterior de los cables, del nmero de hilos que forman parte del cable y del proceso de fabricacin2. RESISTENCIA A LA CORROSIN: Muchos aceros utilizados en estructuras requieren de una resistencia especifica a la corrosin, cuando van a estar expuestos a ambientes agresivos, para lo que es necesario que en el proceso de fundicin se incluyan componentes adicionales, especialmente Niquel, con una proporcin

entre un 2 y 4% de la aleacin. Este tipo de acero no se consigue en barras.

Existen aceros resistentes al desgaste, que suelen utilizarse en estructuras con elementos mviles como puentes gras metlicos, que utilizan manganeso entre un 10% y un 18% de la aleacin.

La presencia de Niquel y Cromo en la aleacin permite la obtencin de aceros con propiedades combinadas como inoxidables y resistencia a ataques qumicos, o de gran resistencia, dureza y elsticidad.

Proceso de obtencin del acero

Extraer de la mina el mineral de hierroSe Lava y tritura el mineral para separar la mena de la ganga. La mena se aprovechar y la ganga se desecha.3. Se mezcla la mena de hierro con carbn de coque y caliza y se introduce en el llamado alto horno a una temperatura de 1500 C. El carbn de coque hace combustible y la caliza ayuda a fundir la mezcla. El alto horno mide ms de 30 m de altura.

Del fondo del alto horno se obtiene un material lquido llamado arrabio, el cual tiene mucho hierro. Aparte del arrabio sale otra sustancia que se desecha, llamada escoria. El arrabio tiene un alto contenido en carbono que hay que eliminar. Esto se hace en unos recipientes llamados convertidores.5. En los convertidores se introduce el arrabio y se inyecta oxgeno, para salir acero y ms escoria que se desecha.

OBTENCIN DEL ACERO

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