Propiedades de los metales.

Propiedades de los Metales

Definición y Clasificación

Los metales son elementos químicos que exhiben propiedades metálicas, como el brillo, alta conductividad térmica y eléctrica, y la capacidad de ser moldeados o deformados permanentemente a temperatura ambiente. Los elementos que carecen de estas propiedades se clasifican como no metales, mientras que los metaloides presentan características de ambos grupos. Ejemplos comunes de metaloides incluyen el carbono, el fósforo, el silicio y el azufre.

Aunque los trabajadores del acero rara vez manipulan metales puros, comprender sus propiedades es esencial, ya que las aleaciones—combinaciones de dos o más elementos—se utilizan ampliamente en la fabricación. Los metales base de muchas aleaciones incluyen hierro, aluminio y magnesio, mientras que los elementos de aleación, como el cromo, molibdeno, titanio y manganeso, mejoran características específicas.

Una aleación se define como una sustancia con propiedades metálicas compuesta por múltiples elementos. La combinación de metales y metaloides permite a los fabricantes desarrollar materiales adaptados a aplicaciones específicas, mejorando la resistencia, la durabilidad y la resistencia a la corrosión.

Los metales y aleaciones se caracterizan por cuatro tipos principales de propiedades:

• Propiedades físicas: Color, densidad, peso y conductividad térmica.
• Propiedades químicas: Reactividad con el medio ambiente, incluyendo resistencia a la oxidación y corrosión.
• Propiedades eléctricas: Conductividad, resistencia y propiedades magnéticas.
• Propiedades mecánicas: Resistencia, dureza, elasticidad y resistencia al desgaste.

Al seleccionar materiales para construcción o fabricación, las propiedades mecánicas suelen ser la principal consideración.

Las propiedades de los metales y aleaciones se establecen mediante pruebas de laboratorio realizadas por sociedades metalúrgicas y fabricantes. Los gráficos que detallan puntos de fusión, resistencia a la tracción, conductividad eléctrica y otras características se encuentran en materiales de referencia de ingeniería. Se pueden realizar pruebas de campo simples para identificar propiedades metálicas, pero normalmente se utilizan solo como ayuda para la identificación.

Los metales deben soportar diversas fuerzas o tensiones, incluyendo:

• Compresión: Fuerzas que presionan o aplastan un material.
• Tensión: Fuerzas que tiran de un material en direcciones opuestas.
• Cizalladura: Fuerzas que causan el deslizamiento de capas de material entre sí.
• Torsión: Fuerzas de torsión aplicadas a un material.
• Impacto: Fuerzas súbitas que ponen a prueba la resistencia de un material a los golpes.
• Fatiga: Ciclos repetidos de tensión que pueden provocar fallos con el tiempo.

Cada material tiene diferentes niveles de resistencia en compresión, tensión y cizalladura. Por ejemplo, el concreto curado tiene una alta resistencia a la compresión pero baja resistencia a la tensión, mientras que el acero al carbono tiene una resistencia equilibrada en múltiples tipos de tensión.

Propiedades Mecánicas Clave

1.—Stress applied to a material ----- Esfuerzos aplicados a un material

Resistencia

La resistencia determina la capacidad de un metal para soportar la deformación bajo carga. La resistencia a la tracción mide la capacidad de un material para resistir ser estirado, mientras que la resistencia a la fatiga indica su durabilidad bajo estrés repetitivo. La resistencia al impacto evalúa la capacidad de un metal para soportar cargas repentinas.

La dureza es la resistencia de un metal a la indentación. Las pruebas comunes de dureza incluyen Rockwell, Vickers y Brinell. La dureza Rockwell se clasifica en:

• Rockwell C (RC) para metales duros como el acero.
• Rockwell B (RB) para metales más blandos como el aluminio.

La tenacidad es la capacidad de un metal para resistir impactos sin fracturarse. Combina resistencia y plasticidad, lo que la hace crucial en aplicaciones estructurales.

• Elasticidad: Capacidad de recuperar su forma original después de la deformación.
• Plasticidad: Capacidad de deformarse permanentemente sin romperse. Se usa en la conformación de materiales para construcción.

Los metales frágiles se rompen en lugar de deformarse bajo tensión. Ejemplos incluyen el hierro fundido y el vidrio.

• Ductilidad: Capacidad de estirarse en hilos sin romperse.
• Maleabilidad: Capacidad de ser martillado o laminado en láminas sin agrietarse.

La resistencia a la corrosión no es una propiedad mecánica, pero es crucial en la selección de materiales. La corrosión ocurre debido a reacciones atmosféricas, químicas o electroquímicas, como la oxidación del hierro cuando se expone al oxígeno y la humedad.

Los metales se clasifican en dos categorías:

• Metales ferrosos: Contienen hierro como elemento principal (ejemplo: acero, hierro fundido y hierro forjado).
• Metales no ferrosos: No contienen cantidades significativas de hierro (ejemplo: aluminio, cobre y titanio).

Los metales ferrosos se utilizan ampliamente debido a su resistencia y durabilidad. Tipos comunes incluyen:

Producido en altos hornos, el hierro de arrabio contiene aproximadamente un 93% de hierro y entre un 3% y un 5% de carbono. Es frágil y se refina principalmente para producir acero.

Una forma casi pura de hierro con algo de escoria mezclada. Tiene excelente resistencia a la corrosión y se usa en trabajos decorativos en metal.

Contiene más del 2% de carbono, lo que lo hace fuerte en compresión pero frágil. Los elementos de aleación mejoran su tenacidad y resistencia.

Una forma comercialmente pura de hierro (99.85%) utilizada en productos galvanizados y esmaltados.

El acero se produce refinando el hierro de arrabio, reduciendo su contenido de carbono y agregando elementos de aleación para mejorar sus propiedades. La American Society for Testing and Materials (ASTM), la American Society of Mechanical Engineers (ASME), la Society of Automotive Engineers (SAE) y el American Iron and Steel Institute (AISI) establecen los estándares de composición del acero.

El acero se clasifica según su contenido de carbono:

• Acero de bajo carbono (0.05% - 0.30%): Dúctil y fácil de soldar.
• Acero de carbono medio (0.30% - 0.45%): Más resistente con ductilidad moderada.
• Acero de alto carbono (0.45% - 0.75%): Más duro y resistente al desgaste.
• Acero de muy alto carbono (0.75% - 1.70%): Usado en herramientas de corte y aplicaciones de alta resistencia.

Términos destacados :

Comprender las propiedades de los metales es fundamental en la ingeniería y la fabricación. Al seleccionar aleaciones apropiadas y considerar sus propiedades mecánicas, químicas y físicas, los ingenieros optimizan el rendimiento de los materiales en diversas aplicaciones, desde la construcción hasta la industria aeroespacial.

Metal. Metales no ferrosos.

Metales no ferrosos

Los metales no ferrosos son aquellos que no contienen hierro en su composición o lo incluyen en cantidades mínimas dentro de aleaciones específicas. Estos metales tienen una amplia gama de aplicaciones en la industria debido a sus propiedades mecánicas, eléctricas, térmicas y de resistencia a la corrosión.

Entre los metales no ferrosos más comunes con los que trabajan los metalúrgicos se encuentran:

Cobre, latón, bronce, aleaciones de cobre y níquel, plomo, zinc, estaño, aluminio, duraluminio, Monel, K-Monel e Inconel.

Nota: Estos metales son no magnéticos, lo que los hace ideales para aplicaciones donde se requiere evitar interferencias electromagnéticas.

El cobre es uno de los metales más utilizados en la industria debido a sus numerosas propiedades favorables, entre las que destacan:

• Alta conductividad térmica y eléctrica, lo que lo hace esencial en la fabricación de cables eléctricos.
• Ductilidad y maleabilidad, permitiendo que se deforme sin romperse.
• Resistencia a la corrosión, especialmente en ambientes húmedos.
• Fácil soldabilidad, permitiendo su unión mediante remachado, soldadura con plata, soldadura al bronce, soldadura blanda, soldadura a gas y soldadura por arco eléctrico.

A pesar de su facilidad de trabajo, el cobre puede endurecerse por acritud durante el procesamiento. Para restaurar su maleabilidad, se somete a recocido, un proceso que consiste en calentarlo a temperatura de rojo cereza y permitir que se enfríe lentamente.

Se emplea en tuberías, sistemas eléctricos, intercambiadores de calor, recubrimientos protectores en láminas y rodillos, fabricación de contenedores industriales y en la industria de la soldadura.

El latón es una aleación de cobre y zinc, en la que pueden agregarse otros elementos como aluminio, plomo, estaño, manganeso o fósforo para otorgarle propiedades específicas.

• Resistencia a la corrosión, lo que lo hace adecuado para ambientes marinos.
• Alta maquinabilidad, permitiendo su procesamiento en piezas complejas.
• Dureza variable, dependiendo de su contenido de zinc y del proceso de laminado en frío.

Un ejemplo de aleación de latón es el latón naval (latón Tobin), que contiene 60% de cobre, 39% de zinc y 0,75% de estaño, lo que le proporciona altísima resistencia a la corrosión.

El latón puede ser ablandado mediante recocido a temperaturas de 550°C a 600°C. Sin embargo, el sobrecalentamiento puede provocar la evaporación del zinc, alterando sus propiedades.

El bronce es una aleación de cobre y estaño (aproximadamente 84% cobre y 16% estaño). Antes del desarrollo del acero, era el metal más resistente y ampliamente utilizado en la fabricación de herramientas y armas.

Actualmente, el término "bronce" se aplica a diversas aleaciones basadas en cobre que pueden incluir zinc, plomo, hierro, aluminio, silicio y fósforo.

Nota: No siempre hay una diferencia clara entre latón y bronce, ya que ambas aleaciones contienen cobre y zinc en distintas proporciones.

Se emplea en cojinetes, engranajes, válvulas, instrumentos musicales, componentes eléctricos y ornamentales, gracias a su resistencia a la fricción y la corrosión.

Las aleaciones de cobre y níquel combinan las propiedades de ambos metales, ofreciendo:

• Alta resistencia a la corrosión, especialmente en entornos marinos.
• Mayor dureza y resistencia mecánica que el cobre puro.

Las combinaciones más comunes incluyen:

• 70% cobre – 30% níquel
• 90% cobre – 10% níquel

Se utilizan en sistemas de tuberías de agua salada, tanques de almacenamiento y reservorios de agua caliente. Pueden unirse mediante soldadura por arco de metal o soldadura al bronce.

El plomo es un metal pesado, blando y maleable, con una densidad aproximada de 11,34 g/cm³. Su color es grisáceo, pero al rayarlo o cortarlo, se observa su color blanco metálico.

• Material de protección contra radiación (rayos X).
• Tuberías para sistemas químicos corrosivos.
• Revestimientos de tanques y sumideros en laboratorios químicos.

Precaución: El plomo es altamente tóxico. Se deben tomar precauciones al trabajar con él, evitando la inhalación de vapores o el contacto prolongado.

El zinc es utilizado principalmente como recubrimiento protector contra la corrosión en acero y hierro, a través del proceso de galvanizado. También se emplea en la fabricación de latón, bronce, aleaciones de fundición y compuestos químicos.

El estaño es un metal maleable y resistente a la corrosión, utilizado en:

• Fabricación de aleaciones (soldaduras blandas, bronces, etc.).
• Recubrimientos en envases de alimentos para evitar la oxidación.

A temperaturas extremadamente bajas, el estaño puede volverse quebradizo y descomponerse.

El aluminio es un metal ligero, fácil de trabajar y con buena resistencia mecánica. Aunque su resistencia a la tracción es inferior a la del acero, sus aleaciones pueden alcanzar propiedades mecánicas similares.

Las aleaciones de aluminio contienen al menos 90% de aluminio, con adiciones de silicio, magnesio, cobre, níquel o manganeso para mejorar su resistencia.

Nota: Las roscas en aluminio deben ser protegidas con compuestos antiaferrantes para evitar el agarrotamiento por corrosión.

Una de las primeras aleaciones de aluminio estructural, originalmente llamada Duraluminio, se clasifica actualmente como 2017-T, con tratamiento térmico para mejorar su resistencia mecánica.

Es un recubrimiento protector de aluminio puro sobre una aleación de aluminio, utilizado para prevenir la corrosión.

Aleación compuesta por 64%-68% de níquel, 30% de cobre, hierro, manganeso y cobalto. Tiene alta resistencia mecánica y a la corrosión, siendo ideal para:

• Sistemas marinos (tuercas, bulones, tornillos).
• Industria química y aeronáutica.

Variante del Monel con mayor resistencia mecánica, comparable a aceros tratados térmicamente.

Aleación con alto contenido de níquel (78,5% níquel, 14% cromo, 6,5% hierro), diseñada para resistir altas temperaturas y ambientes corrosivos. Se emplea en sistemas de escape de aeronaves y aplicaciones de alta temperatura.

Términos destacados :

Los metales no ferrosos abarcan un grupo diverso de materiales con aplicaciones industriales, mecánicas y químicas. Su resistencia a la corrosión, conductividad y maleabilidad los hacen indispensables en numerosas áreas, desde la construcción hasta la aeronáutica.