Introducción a los Materiales Metálicos

Prácticamente, los metales son materiales muy utilizados en la actualidad.

Propiedades Fundamentales de los Metales

• Resistencia Mecánica: Poseen buena resistencia a los esfuerzos de tracción, compresión y flexión.
• Ductilidad y Maleabilidad: Se pueden extender en hilos y planchas.
• Tenacidad: Ofrecen resistencia a romperse al ser golpeados.
• Plasticidad y Elasticidad: Algunos presentan plasticidad (deformación permanente), mientras que otros son elásticos.
• Conductividad: Son muy buenos conductores eléctricos, térmicos y acústicos.
• Comportamiento Magnético: Algunos presentan un característico comportamiento magnético (capacidad de atraer a otros materiales metálicos).
• Fusibilidad y Soldabilidad: Gracias a su fusibilidad, pueden soldarse con facilidad a otras piezas metálicas.
• Dilatación Térmica: Los metales se dilatan cuando aumenta la temperatura y se contraen si esta disminuye.
• Oxidación y Corrosión: Su alta capacidad de oxidación se suele intentar combatir para evitar la pérdida del característico brillo metálico, así como el tacto de la pieza original, lo que puede llegar a dañar el interior del objeto, provocando un deterioro en sus propiedades mecánicas.
• Sostenibilidad y Toxicidad: La mayoría de metales son reciclables. Otros, como el plomo o el mercurio, son tóxicos para el medio ambiente, por lo que se debe restringir su empleo para limitar al máximo los residuos incontrolados.

Ferromagnetismo y Electroimanes

El Ferromagnetismo es una propiedad del hierro y otros metales que consiste en la capacidad de convertirse en imanes permanentes cuando se colocan en el interior de un campo magnético (zona del espacio donde se manifiestan las propiedades magnéticas).

Esta propiedad se utiliza en los electroimanes, que constan de un núcleo cilíndrico de un material ferromagnético rodeado de una bobina eléctrica de gran tamaño. Se consiguen así imanes muy potentes que tienen numerosos usos industriales.

Obtención y Procesamiento de Materiales Metálicos

Extracción del Mineral

Los metales se obtienen a partir de minerales que forman parte de las rocas. Por ejemplo, el metal de cobre se extrae de minerales como la calcopirita o la malaquita.

La extracción del mineral se realiza en:

• Minas a Cielo Abierto: Si la capa de mineral se halla a poca profundidad.
• Mina Subterránea: Si el mineral es profundo.

En ambos casos, se usan explosivos, excavadoras, taladradoras y otra maquinaria para arrancar el mineral de la roca.

Componentes del Mineral Extraído

• MENA: Materiales utilizables (el mineral que contiene el metal).
• GANGA: Materiales no utilizables.

La mena y la ganga son separados por procesos físicos. Después de separar la mena de la ganga, se procede a extraer el metal de la mena.

Metalurgia y Clasificación de Metales

METALURGIA: Es el conjunto de industrias que se encargan de la extracción y transformación de los minerales metálicos.

SIDERURGIA: Es la rama de la metalurgia que trabaja con los materiales ferrosos. Incluye desde el proceso de extracción del mineral de hierro hasta su presentación comercial para ser utilizado en la fabricación de productos.

Clasificación por Contenido de Hierro

• Materiales Ferrosos: Aquellos cuyo componente principal es el hierro. Entre ellos se encuentran el hierro puro, el acero y las fundiciones. Son los más usados en la actualidad por ser económicos.
• Materiales No Ferrosos: Son materiales metálicos que no contienen hierro o que lo contienen en muy pequeñas cantidades. Ejemplos de este tipo de metales son el cobre, el bronce, el latón y el cinc.

Aleaciones y Derivados del Hierro

Una ALEACIÓN es una mezcla de dos o más elementos químicos, de los cuales al menos uno (el que se encuentre en mayor proporción) es un metal. Para conseguir una aleación de hierro, se añade carbono.

Según el porcentaje de carbono, se clasifican en:

• Hierro Puro: Concentración de carbono entre el 0.008%.
• Acero: Concentración entre el 0.03% y el 1.76%.
• Fundición: Concentración entre el 1.76% y el 6.67%.

Características del Hierro y el Acero

HIERRO: Material blanco grisáceo con buenas propiedades magnéticas. Se corroe con facilidad, tiene un punto de fusión elevado y es de difícil mecanizado. Es frágil y quebradizo, por lo que tiene escasa utilidad estructural. Es usado principalmente en componentes eléctricos y electrónicos.

ACERO: Material de elevada dureza y tenacidad, y gran resistencia mecánica.

Los aceros aleados contienen otros elementos químicos aparte del carbono para conseguir propiedades específicas:

• Manganeso: Aporta dureza y resistencia al desgaste.
• Cromo: Aumenta la dureza y lo hace inoxidable.
• Níquel: Evita la corrosión, mejora la resistencia a la tracción y aumenta la tenacidad.

Proceso de Obtención del Acero

1. Preparación: Lavar, triturar y cribar el mineral para separar la ganga de la mena.
2. Mezcla: Mezclar el mineral de hierro (mena) con carbón y caliza.
3. Fusión: Introducir la mezcla en un horno a más de 1500ºC. Se obtiene el arrabio: mineral de hierro fundido con carbono y otras impurezas.
4. Afinado: Procesos para reducir el carbono, eliminar impurezas y ajustar la composición final del acero.

HIERRO FORJADO: Es hierro puro más silicato de hierro. Posee un contenido de carbono muy bajo, lo que le confiere gran plasticidad y capacidad para ser forjado y soldado.

Metales No Ferrosos: Pesados, Ligeros y Ultraligeros

Metales Pesados

COBRE (Cu): Se encuentra en minerales como la cuprita, calcopirita y malaquita. Posee alta conductividad térmica y eléctrica, notable maleabilidad y ductilidad. Es un metal blando, rojizo y de brillo intenso. Se oxida fácilmente.

Usos: Fabricación de cables eléctricos, hilos de telefonía, bobinas de motores, tuberías, calderas, radiadores, piezas decorativas y artísticas en arquitectura, bisutería y artesanía.

Aleaciones del Cobre

• LATÓN: Aleación de cobre y cinc. Alta resistencia a la corrosión. Se utiliza en ornamentación decorativa, fabricación de tuberías, condensadores y turbinas.
• BRONCE: Aleación de cobre y estaño. Elevada ductilidad y buena resistencia al desgaste y la corrosión. Se usa en hélices de barcos, filtros, campanas, tuercas, obras de arte y engranajes.
• ALPACA: Aleación de cobre, níquel, cinc y estaño. Usada en bisutería.
• CUPRONÍQUEL: Aleación de cobre y níquel. Usada en la fabricación de monedas.

PLOMO (Pb): Proviene de la galena. Es un metal gris plateado, blando y pesado, con notable plasticidad y maleabilidad, y buen conductor de calor. Es muy tóxico por inhalación. Usos: Fabricación de baterías y acumuladores, y algunas gasolinas.

ESTAÑO (Sn): Proviene de la casiterita. Metal blanco brillante, muy blando, poco dúctil, muy maleable y no se oxida a temperatura ambiente. Usos: Fabricación de papel de estaño y la hojalata. Es material de unión en soldaduras blandas.

CINC (Zn): Proviene de la blenda y la calamina. Material gris azulado brillante, frágil en frío y de baja dureza. Usos: Cubiertas de edificios, cañerías. El proceso de galvanizado consiste en recubrir piezas con una ligera capa de cinc para protegerlas de la corrosión.

Metales Ligeros y Ultraligeros

ALUMINIO (Al): Proviene de la bauxita. Metal blanco plateado con alta resistencia a la corrosión, muy blando, baja densidad y alta conductividad eléctrica y térmica. Usos: Líneas eléctricas de alta tensión, fabricación de aviones, automóviles y bicicletas, carpintería metálica, decoración, botes de bebida.

TITANIO (Ti): Proviene del rutilio y la ilmenita. Blanco plateado brillante, ligero, muy duro y resistente. Usos: Industria aeroespacial, prótesis médicas.

MAGNESIO (Mg): Proviene de la magnesita, dolomita, carnalita, epsomita y el olivino. Blanco, brillante, muy ligero, blando, maleable y poco dúctil. Reacciona fuertemente con el oxígeno, por lo que se usa en pirotecnia.

Técnicas de Conformado y Fabricación de Piezas Metálicas

Técnicas de Deformación Plástica

Estas técnicas modifican la forma del metal mediante la aplicación de fuerzas, generalmente en caliente.

• Laminación: Consiste en pasar el metal por rodillos llamados laminadores, que lo comprimen, disminuyendo el grosor y aumentando la longitud. Se suele hacer en caliente y se consiguen planchas, chapas, etc.
• Extrusión: El metal es forzado a pasar por un orificio con la forma deseada. Se consiguen piezas largas con el perfil apropiado. Técnica idónea para barras, tubos, etc.
• Forja: Se somete el metal a esfuerzos de compresión repetidos mediante un martillo, tenaza y yunque. Ha sido reemplazada por la forja industrial o mecánica, donde la pieza se coloca sobre una plataforma que hace las veces de yunque. Con esta técnica se pueden obtener piezas muy diversas.
• Estampación: Se realiza en caliente entre dos matrices (fija y móvil), cuya forma coincide con la que tomará el objeto. Usos: Construcción de carrocerías de automóviles, radiadores.
• Embutición: Se realiza en frío, golpeando una plancha para adaptarla al molde. Se obtienen piezas huecas como cojinetes.
• Doblado: Se somete la plancha a un esfuerzo de flexión para que adopte una forma curva. También se pueden obtener piezas con ángulos.
• Trefilado: Consiste en pasar un alambre por un orificio con la dimensión deseada, aplicando una fuerza de tracción, aumentando su longitud y disminuyendo su sección. Se utiliza para fabricar hilos o cables metálicos.

Metalurgia de Polvos

Esta técnica es ideal para materiales con altos puntos de fusión o para geometrías complejas.

1. El metal es molido hasta convertirlo en polvo.
2. A continuación, se prensa con una matriz de acero.
3. Se calienta en un horno a una temperatura próxima al 70% de la temperatura de fusión del metal (sinterización).
4. Se comprime la pieza para que adquiera el tamaño adecuado.
5. Se deja enfriar.

Moldeo (Fundición)

Consiste en introducir el metal fundido en un recipiente que dispone de una cavidad interior, llamado molde. El molde puede estar fabricado de arena, acero o fundición. Otro tipo de molde se fabrica haciendo uso de un modelo en cera del objeto que se quiere construir.

1. Se calienta el metal en un horno hasta que se funde.
2. El metal líquido se vierte en el interior del molde.
3. Se deja enfriar hasta que el metal se solidifica.
4. Se extrae la pieza del molde.

La técnica de moldeo empleada depende de la aplicación que vaya a tener la pieza:

• Moldeo en Arena: Bloques de motores, bocas de incendio.
• Moldeo en Metal: Piezas pequeñas y aleaciones de bajo punto de fusión.
• Moldeo en Cera Perdida: Objetos decorativos, joyería.

Tipologías de Estructuras Artificiales

Las estructuras son sistemas diseñados para soportar cargas y transmitir fuerzas.

Estructuras Masivas y Adinteladas

Las primeras estructuras se crearon excavando en la roca o acumulando materiales sin dejar apenas hueco, como las pirámides egipcias.

Se utilizaban dinteles (barra horizontal que se coloca sobre dos soportes verticales, también denominada viga, jácena o cargadero) de madera o piedra de poca longitud para ventanas, dejando los pasos libres.

Estructuras Abovedadas

El descubrimiento posterior del arco y la bóveda permitió cubrir espacios mayores y aumentar los huecos en la estructura. Debido a su forma, los arcos y las bóvedas resisten a esfuerzos de compresión y son autoportantes (se sujetan sin necesidad de argamasa o cemento entre sus partes).

Con este tipo de estructuras se crearon basílicas y catedrales. Bóvedas y cúpulas son elementos arquitectónicos que se siguen empleando en la actualidad.

Tipos de arcos: De medio punto, apuntado, de herradura, lobulado.

Una bóveda es el resultado de situar varios arcos uno a continuación del otro o de entrecruzarlos y rellenar los espacios intermedios (ejemplos: bóveda de cañón y de crucería).

Estructuras Entramadas (Esqueletales)

Comunes en edificios de bloques de pisos, consisten en barras de hormigón o acero unidas rígidamente formando un emparrillado.

• Forjado: Estructura bajo el suelo formada por barras y relleno. Las barras se llaman viguetas. Transmite el peso a las vigas.
• Vigas: Elementos horizontales con forma de prisma rectangular, sometidos a un esfuerzo de flexión. Se apoyan sobre los pilares.
• Pilares: Elementos verticales que se encargan de llevar el peso hasta la cimentación. Están sometidos a compresión. Si son circulares, se denominan columnas, y si están pegados a la pared, pilastras.
• Cimentación: Elemento intermedio que funciona como los «zapatos» del edificio, distribuyendo el peso para evitar que los pilares se claven en el suelo. Se puede hacer con zapatas, losas y pilotes.

Estructuras Trianguladas

Son estructuras de barras de metal o madera. Se usan en cubiertas de grandes luces (vigas trianguladas y cerchas). También se pueden aplicar en estructuras verticales (torres). Son muy ligeras, con gran versatilidad y resistencia.

El tetraedro es una figura que, al igual que el triángulo, es indeformable.

Estructuras Colgantes

Utilizan cables de los que cuelga la estructura, denominados tirantes (usados para sujetar carpas, puentes, etc.). Los tensores son tirantes que se pueden regular estirándolos más o menos. Solo resisten esfuerzos de tracción, pero tienen la ventaja de poder adaptar su forma a las cargas que reciben en cada movimiento.

Estructuras Neumáticas

Son desmontables y ligeras (atracciones infantiles hinchables). Fáciles de transportar e instalar.

Estructuras Laminares

Constituidas por láminas finas de metal, plástico o materiales compuestos. Obtienen gran resistencia por su curvatura. Se emplean como carcasa en todo tipo de objetos y en cubiertas onduladas. Para reforzar, se añaden pliegues y dobleces (ejemplo: el borde de un vaso de plástico).

Estructuras Geodésicas

Son estructuras trianguladas tridimensionales que combinan las propiedades de las bóvedas con las de las estructuras de barras. Pueden cubrir grandes luces y crear formas curvas. Están constituidas por barras lineales y nudos que las unen.