CLASIFICACIÓN DE LOS MATERIALES
1- Metálicos
● Ferrosos
Su principal componente es el fierro. Gran resistencia a la tracción y dureza. Sus principales aleaciones son con estaño, plata, platino, manganeso, vanadio y titanio. Uno de sus principales problemas es la corrosión. Los más importantes son el hierro maleable, aceros, fundición de hierro gris y fundición de hierro blanco.
● No ferrosos
Menor resistencia a la tracción y dureza pero mayor resistencia a la corrosión. Suelen ser utilizados como materiales complementarios de los ferrosos, pero también como materiales puros y aleados por sus propiedades físicas y de ingeniería.
Pesados:
- Estaño (Sn): En estado puro tiene un color brillante pero, a temperatura ambiente se oxida y lo pierde. Es muy maleable y blanco a temperatura ambiente, pero en caliente es frágil y quebradizo. A bajas temperaturas se descompone en polvo gris. Las aleaciones más importantes son el bronce (cobre+estaño) y las soldaduras blandas ( plomo+estaño). Se usa para la fabricación de hojalata y la protección del acero contra la oxidación.


- Cinc (Zn): Muy resistente a la corrosión y a la oxidación en el aire y en el agua pero poco resistente al ataque de ácidos y sales. Tiene el mayor coeficiente de dilatación térmica de los metales; a temperatura ambiente es muy quebradizo.


- Cobre (Cu): Es muy dúctil, maleable y una alta conductividad eléctrica y térmica.


- Plomo (Pb): Muy maleable y blando; color grisáceo-blanco muy brillante, se oxida facil, formando una capa de carbonato básico que lo protege; resiste a los acidos clorhidrico y sulfurico, pero es atacado por el nítrico y el vapor de azufre.


- Cromo (Cr): Color grisáceo acerado, muy duro y gran acritud; buena resistencia a la oxidación y a la corrosión.


- Níquel (Ni): Color plateado brillante, fácil de pulir; magnético; muy resistente a la oxidación y corrosión.


- Wolframio (W)

- Cobalto (Co): Propiedades análogas al níquel pero no es magnético.


Ligeros:
- Aluminio (Al): Se obtiene de la bauxita; muy ligero e inoxidable; buen conductor de la electricidad y del calor; pesa poco, es muy maleable y dúctil.


- Titanio (Ti): Color blanco plateado; resiste mejor la corrosión y la oxidación que el acero.


Ultraligeros:
- Magnesio (Mg): es estado líquido o polvo es muy inflamable; es maleable y poco dúctil; más resistente que el aluminio.


2- No metálicos
● Orgánicos
● Inorgánicos


ESTRUCTURA DE LOS METALES
● Materiales amorfos: sus átomos se encuentran desordenados hasta en estado sólido. Por ej el vidrio.
● Material polimorfo o alotrópico: los metales en estado sólido se alinean formando mallas tridimensionales, cada malla tiene distintas propiedades.
- Malla cúbica de cuerpo centrado: estructura del hierro a temperatura ambiente (Hierro alfa).
- Malla cúbica de cara centrada: estructura del hierro a 900°c (Hierro gamma).
- Malla hexagonal compacta: no permite la maleabilidad y la ductilidad, es frágil.


MÉTODOS DE TRANSFORMACIÓN DE MATERIALES METÁLICOS


SIN ARRANQUE DE VIRUTA
1- Laminación
Proceso de forja continuo que consiste en pasar el material entre dos rodillos superpuestos, que girar en sentido inverso
● En caliente: deformación plástica; el material sufre un alargamiento en sentido longitudinal, así como un ensanchamiento y con ello una disminución de la sección; el material de partida son lingotes fundidos de sección cuadrangular redonda u oval ( semiproductos y productos

terminados), así como desbastes de sección rectangular (chapas y bandas pasando por llantones).
● En frío: Para pequeños tamaños especiales y para la laminación en planchas de aceros aleados, así como para aceros especiales.


2- Trefilado
Se reduce la sección de una barra previamente laminada , haciéndola pasar forzosamente y en frío a través de una trefila o hilera de embocadura cónica; El alambre obtenido tiene una elevada acritud. Para mejorar su tenacidad se lo somete a un recocido; Con frecuencia recibe un acabado superficial por revestimiento.


3- Fundición
Piezas de forma complicada, licuando la masa metálica y colocándola en moldes adecuados
● En arena
● En coquilla
● Inyectada
● Microfusión


4- Forja
Golpear en caliente con martillo un tocho o lingote, que se coloca al rojo, a ritmo constante.


5. Estampado en caliente
Mediante estampas que actúan por una fuerza exterior, se imprime al tocho en sucesivas etapas; piezas de formas complicadas y que vayan a estar sometidas a grandes esfuerzos, aun pudiendo crear por arranque de viruta, requieren elevada resistencia mecánica, lo que obliga a este procedimiento que orienta las fibras en direcciones deseadas, mejorando la homogeneidad del material.


6- Estampado en frío
A partir de una chapa y estampas, se obtienen formas definidas. Se clasifica en distintas etapas:
● Corte-punzonado: se separa una parte del material de otra.
● Doblado-plegado: perfil de chapa doblada, si es de una longitud apreciable se obtiene el doblado mediante máquinas plegadoras, pero a los relativamente cortos, con curvas y contracurvas se doblan mediante estampas montadas en prensas.
● Estampado y embutido: Para las piezas estampadas predomina la superficie sobre las diferencias de alturas en el doblado de la chapa y en el embutido predominan las alturas sobre la superficie; para el estampado se pueden utilizar espesores de chapa mayores que en el embutido.

● Repujado o embutido al torno: embutir chapa de bajo espesor y se utiliza en la fabricación de recipiente de aluminio ya que este es dúctil; consiste en girar un solido de revolucion, fijado en la cabeza de un torno y mediante la presión ejercida sobre la chapa, este vaya tomando forma.


8- Extrusión en caliente o frío
se obliga a una porción del material, colocada en el fondo de la matriz, a deformarse plásticamente, extendiéndose por las paredes de esta y las del punzón que las comprime; el material debe ser dúctil; el material adquiere acritud, traduciéndose en un aumento de dureza y resistencia a la tracción.


9- Sinterización
Comprimir polvo metálico en estampas a fin de obtener piezas de mucha precisión; no es apto para piezas que trabajan a golpes o requieran cierta resistencia mecánica; luego se lo debe pasar por un proceso de sinterización para evitar la oxidación.


CON ARRANQUE DE VIRUTA


1- Torneado
perfilar alrededor de un eje un sólido de revolución. La herramienta es fija y la pieza móvil.


2- Taladro o agujereado
hueco cilíndrico utilizando una broca


3- Mandrinado y escariado
El primero sirve para agrandar un agujero cilíndrico previamente hecho con la herramienta anterior, con el objetivo de obtener un diámetro determinado. Los escariadores hacen agujeros de pequeño diámetro.


4- Limado
arrancar viruta horizontalmente, a fin de obtener una superficie plana o perfilada de un cuerpo.


5- Cepillado o planeado
parecido al anterior pero para piezas grandes, el movimiento de ida y vuelta lo ejecuta la pieza.


6- Brochado
Se hace pasar la broca por un agujero o una superficie exterior para transformar gradualmente el perfil.


7- Fresado
arrancar viruta con herramientas circulares de cortes múltiples.


8- Rectificado
corregir una superficie, sea plana, cilíndrica exterior o interior, de forma acanalada o roscada. Muela de granos de material abrasivo.


9- Bruñido o lapidado
repasar con abrasivo grano fino y aceite lubricante una superficie templada y después rectificada.


PROPIEDADES DE LOS MATERIALES


-Ductilidad: propiedad que permite que un material sea deformado a una longitud considerable sin que se rompa. (ciertos aceros para alambres y el cobre).
-Elasticidad: habilidad de volver a su estado y tamaño original luego de una deformación.
-Maleabilidad: capacidad de deformación por compresión; para un proceso de laminado; aumenta si está caliente.
-Plasticidad: adoptar una nueva forma bajo presión sin llegar a la rotura.
-Tenacidad: absorber simultáneamente esfuerzos y deformaciones sin llegar a la fractura.
-Fragilidad: es lo opuesto a la ductilidad. En los aceros a medida que aumenta el contenido de carbono, pierde ductilidad y gana fragilidad.
-Conductibilidad: transmitir calor o electricidad.
-Densidad: la razón de su masa a su volumen.
-Dureza: propiedad de resistir el desgaste o corte.


ESFUERZOS
-Normales: producidos por cargas que tienden a trasladar las secciones transversales en un determinado sentido.

● Tracción: Fuerzas exteriores, de igual magnitud, dirección y sentido contrario tienden a estirar el material en el eje.
● Compresión: Fuerzas exteriores, de igual magnitud, dirección y sentido contrario tienden a aplastar el material en el eje.
● Flexión: Pares de fuerzas perpendiculares al eje, que provocan el giro de las secciones transversales.


-Tangenciales: pares de cargas que actúan en el plano de las secciones transversales y tienden a producir giros o desplazamientos.
● Torsión: Pares que actúan sobre los ejes de las secciones transversales produciendo el giro de las mismas en sus planos.
● Corte: Las fuerzas actúan normales al eje del cuerpo, desplazando entre sí las secciones.


ENSAYO DE RESISTENCIA A LA TRACCIÓN
Ninguna construcción debe estar sometida a cargas que sobrepasen el límite de elasticidad del material de cualquiera de sus partes, más aún se debe permanecer por debajo de ese límite para contar con un margen de seguridad que permita afrontar cualquier contingencia prevista.
-Diagrama de rotura por tracción


Se muestra el diagrama esfuerzo-deformación representativo de los materiales dúctiles.
Desde O hasta A, el esfuerzo y la deformación son directamente proporcionales, el comportamiento del material es lineal.
Después del punto A ya no es una relación lineal, se denomina límite de proporcionalidad, conocida como ley de hooke.
Luego del límite de proporcionalidad, la deformación aumenta cada vez más.
En el punto B se produce un alargamiento considerable, denominado esfuerzo de fluencia.

Desde el B hasta el C, el material se vuelve perfectamente plástico. Luego, el material comienza a mostrar un endurecimiento por deformación. Sufre cambios en su estructura cristalina y atómica, lo que origina un incremento en la resistencia en futuras deformaciones.
En el punto E se fractura.
Límite de proporcionalidad: cuando las cargas no son demasiado grandes, las tensiones son proporcionales a las deformaciones.
Ley de hooke:
1- Todo esfuerzo ejercido sobre un cuerpo lo deforma.
2- La deformación es proporcional al esfuerzo mientras persiste la deformación.
3- Recíprocamente, todo cuerpo deformado ejerce un esfuerzo mientras persiste la deformación, siendo el esfuerzo proporcional a esta.
Tensión admisible o Coeficiente de seguridad: se utiliza para evaluar la capacidad de un material o estructura para resistir fuerzas de tracción sin experimentar fallas o deformaciones permanentes. Se calcula dividiendo la carga de ruptura o la carga máxima que puede soportar un material entre la carga de trabajo o la carga aplicada durante la operación normal. La fórmula general es:
coeficiente de seguridad = carga de ruptura/carga de trabajo


ENSAYO DE RESISTENCIA A LA COMPRESIÓN
Pandeo: si a una barra de eje recto y sección pequeña respecto a su longitud la colocamos en posición vertical y le aplicamos una carga en el eje, la pieza en vez de sufrir un acortamiento y romperse por compresión, tomará una curvatura lateral y se rompe por flexión.


ENSAYOS NO DESTRUCTIVOS
-Ensayo de polvo magnético: determinar grietas, inclusiones de cuerpos extraños y poros en la superficie o en sus proximidades. Se espolvorea el polvo encima de la pieza y en donde hay grietas o poros se distorsionan las líneas de fuerza y el polvo de hierro se acumula.
-Ensayo con rayos x:
- Ensayos ultrasónicos: ondas ultrasónicas se propagan sobre el material, encuentran una grieta y se produce una reflexión.


METALES FERROSOS
Los metales ferrosos son aleaciones del hierro con el carbono y otros elementos, tales como el silicio, manganeso, fósforo, azufre y otros.
Según el contenido de carbono, las aleaciones de hierro y carbono se dividen en acero y hierro fundido. El acero rara vez sobrepasa el 1,4% de carbono y el hierro fundido se encuentra entre 2,5 a 4,5%.

El hierro fundido se obtiene en los altos hornos y el acero a base del arrabio.


1. Materias primas para obtener hierro fundido
Minerales de hierro: contienen óxido de hierro y ganga (esta contiene sílice, alúmina, óxido de calcio y óxido de magnesio). Su utilidad se determina por el contenido de hierro, por la composición de la ganga y la presencia de impurezas perjudiciales, como el azufre, fósforo, arsénico y otras.
Entre los minerales de hierro industriales están: la magnetita, la hematites, la limonita y la siderita.
El proceso de fusión en los altos hornos, el gasto de combustible y la calidad del hierro colado que se obtiene, dependen de la calidad de preparación del mineral: la trituración, clasificación, calcinación, lavado, separación electromagnética y tostación.
Combustible: materia orgánica compuesta de una parte inflamable y otra no (lastre). Las inflamables son el carbono e hidrógeno y al lastre pertenecen el agua, la ceniza y el azufre (el azufre produce calor pero es indeseable ya que penetra el metal y empeora sus propiedades).
En altos hornos se utiliza principalmente el coque y con menos frecuencia el carbón vegetal.
El coque posee alto poder calorífico, porosidad, resistencia considerable al aplastamiento y desgaste y bajo costo.
El carbón vegetal tiene como ventaja la ausencia de azufre y el bajo porcentaje de ceniza, su desventaja es la baja resistencia y el alto costo. Se utiliza para hierro fundido de alta calidad.
Fundentes: Sustancias minerales que al fundirse con las gangas de los minerales y con la ceniza del combustible, producen escorias fácilmente fusibles. Cuando los minerales tienen impurezas de arena y arcilla, se utiliza como fundente la caliza; cuando la composición de la ganga es calcárea, se pueden emplear fundentes que contengan sílice, cuarzo, arenisca y cuarcitas.


PROCESO DE ALTOS HORNOS

1- Carga del horno: El proceso comienza con la carga del horno, donde se introducen materias primas como mineral de hierro, coque (un derivado del carbón), y piedra caliza (o dolomita). Estos materiales se cargan en capas alternas.

2- Combustión del coque: Se inyecta aire caliente en la parte inferior del horno para iniciar la combustión del coque. Este proceso proporciona la energía necesaria para fundir el mineral de hierro.

3- Reducción del mineral: A medida que el coque se quema, libera monóxido de carbono, que reacciona con el mineral de hierro (óxido de hierro) para producir hierro metálico.

4- Fusión del hierro: El hierro resultante, conocido como arrabio, se acumula en la parte inferior del horno debido a su mayor densidad. La temperatura dentro del horno es lo suficientemente alta (alrededor de 1,500-2,000 grados Celsius) para mantener el hierro en estado líquido.

5- Separación de impurezas: La piedra caliza (carbonato de calcio) se descompone durante el proceso y se combina con las impurezas presentes en el mineral para formar escoria líquida. La escoria flota sobre el hierro fundido y se retira por la parte superior del horno.

6- Producción de gas de alto horno: Durante el proceso, también se genera gas de alto horno, que contiene monóxido de carbono y otros gases. Este gas se puede utilizar como combustible en otras partes de la planta.

7- Extracción del arrabio: Finalmente, el hierro fundido (arrabio) se extrae del fondo del horno a intervalos regulares.



PRODUCTOS DE ALTOS HORNOS
1- Hierro fundido: con relación a su composición química y a su destino, se dividen en:
● Fundición gris: para moldear objetos y piezas en los talleres de fundición.
● Arrabio: para la obtención de acero. Según el método de transformación se llama fundición blanca de Martin, Bessemer o Thomas.
● Ferroaleaciones: hierros fundidos con alto contenido de silicio o manganeso. Se utilizan como adiciones especiales para producir acero y piezas de hierro fundido.
● Escorias: se utilizan en la producción de ladrillos, bloques y hormigón.
● Gas: como combustible en los recuperadores.


PRODUCCIÓN DEL ACERO

La materia prima es el arrabio y la chatarra de metales ferrosos.

1- Método de convertidores: soplar aire comprimido a arrabio vertido en una reforma especial llamada convertidor. Este es un gran recipiente en forma de pera hecho con chapas de acero remachadas. La cavidad interior está revestida con un material refractario. Según la composición química del arrabio a transformar se realiza la conversión ácida o básica.

● La conversión ácida, llamada método Bessemer:

- Preparación del Convertidor: Se utiliza un convertidor Bessemer, que es un recipiente grande y cilíndrico revestido con sílice ácida o ladrillos refractarios. Este revestimiento ayuda a resistir la corrosión causada por los productos ácidos resultantes del proceso.

-Carga del Convertidor: El convertidor se carga con hierro fundido, que suele contener impurezas como carbono y silicio.

-Inyección de Aire: El convertidor se inclina hacia un ángulo específico, y se inyecta aire a alta presión a través de toberas en la parte inferior del convertidor. Este aire enriquecido con oxígeno oxida el carbono y el silicio presentes en el hierro fundido.

-Oxidación de Impurezas: Durante el proceso de soplado de oxígeno, el carbono y el silicio se oxidan para formar dióxido de carbono y sílice respectivamente. Estas impurezas oxidadas flotan en la superficie del metal fundido y forman una escoria que se retira fácilmente.

-Control de la composición Química: El operador del convertidor debe monitorear cuidadosamente el proceso para asegurarse de que se haya eliminado la cantidad adecuada de impurezas y para controlar la composición química final del acero.

-Adición de Aleantes (Opcional): Si es necesario, se pueden agregar aleantes específicos al acero durante el proceso para ajustar sus propiedades finales.

-Colada del Acero: Una vez que se ha logrado la composición deseada, el convertidor se inclina nuevamente, y el acero refinado se vierte en moldes para formar lingotes.

La conversión ácida en el proceso Bessemer es un método rápido y eficiente para producir acero a gran escala. Sin embargo, tiene limitaciones, ya que elimina tanto las impurezas deseadas como las no deseadas, y puede requerir ajustes adicionales para obtener las propiedades específicas del acero deseado.

● La conversión básica, llamada método Thomas:
-Carga del Convertidor: El convertidor utilizado en el método Thomas es similar al convertidor Bessemer básico, pero tiene un revestimiento especial que contiene óxido de hierro y óxido de manganeso. Este revestimiento básico es esencial para reducir el contenido de fósforo.

-Inyección de Aire: Al igual que en el proceso Bessemer básico, se inclina el convertidor y se inyecta aire a alta presión a través de toberas en la parte inferior. El aire enriquecido con oxígeno oxida las impurezas presentes en el hierro fundido, incluido el fósforo.

-Oxidación de fósforo: La adición de óxido de hierro y óxido de manganeso al revestimiento ayuda a formar escoria que contiene fosfato de manganeso. Esta escoria básica captura el fósforo en el hierro fundido y lo convierte en un compuesto que se elimina durante el proceso.

-Formación de Escoria: La escoria básica formada durante la oxidación se elimina, llevando consigo el fósforo y otras impurezas. La escoria es esencial en este proceso para evitar la reincorporación del fósforo en el acero refinado.

-Colada del acero: Una vez que se ha logrado la composición deseada y se ha formado la escoria, el acero refinado se vierte en moldes para formar lingotes.

2- Metodo Martin

-Carga del Convertidor: El convertidor es un recipiente giratorio con un revestimiento refractario. Se carga con hierro fundido y chatarra de acero reciclada.

-Inyección de Aire: A diferencia del proceso Bessemer, el gas combustible (generalmente gas natural o gas de coque) se quema en el convertidor para elevar la temperatura. El oxígeno necesario para la oxidación se introduce mediante la inyección de aire.

-Oxidación y Refinado: El oxígeno del aire se combina con impurezas como carbono, manganeso y silicio presentes en el hierro fundido y la chatarra. La oxidación resultante ayuda a refinar el acero al eliminar estas impurezas.

-Control de la composición: El operador puede ajustar la composición del acero mediante la adición de chatarra con diferentes aleaciones o mediante la inyección de ciertos aditivos para controlar las propiedades finales del acero.

-Formación de Escoria: La oxidación de impurezas forma escoria, que se retira del convertidor.

-Colada del Acero: Una vez que se ha logrado la composición deseada, el acero refinado se vierte en moldes para formar lingotes.



3- Fundición en hornos eléctricos

Tiene como ventajas la posibilidad de obtener en el espacio de fusión una temperatura alta, lo cual permite tener escorias muy calcáreas que aseguran la eliminación casi completa del fósforo y del azufre.

● Hornos eléctricos de inducción: Debido a la alta velocidad del proceso, el metal no puede oxidarse mucho. Al final de la fusión se introduce una pequeña cantidad de adiciones y desoxidantes.
● Hornos de arco eléctrico:Los hornos de arco eléctrico funcionan mediante la creación de un arco eléctrico entre dos electrodos o entre un electrodo y el metal. Este arco eléctrico genera calor intenso, que se utiliza para fundir el metal.



4- BOF

Logran la refinación del arrabio empleando la misma idea de Bessemer para eliminar las impurezas y el exceso de carbono por oxidación, además de aprovechar el calor de la oxidación como fuente de energía para la fusión. La oxidación se hace directamente con oxígeno (Bessemer usaba parte de oxígeno y parte de nitrógeno).

Consiste en una olla de acero recubierta en su interior con material refractario. Se inyecta el oxígeno por una lanza que entra en la parte superior. La carga y la descarga de la olla se hace también por la parte superior y por eso está montada con chumaceras que le permiten girar.

El oxígeno con polvo de piedra caliza convierten el arrabio en acero. El oxígeno reacciona con el carbono del arrabio y lo elimina en forma de dióxido de carbono. La caliza elimina las impurezas (fósforo).

Acepta hasta un 20% de chatarra junto con la carga de arrabio líquido.



ACEROS Y FUNDICIONES

-Hierro pudelado: acero muy bajo en carbono. Se produce a través del proceso que implica la oxidación del hierro líquido en un horno pudelador. Durante este proceso, se eliminan las impurezas y se obtiene un hierro más puro y maleable.

-Fundición gris: Tiene un contenido en carbono entre 2,5 y 4% y de silicio entre 1 y 3%. Es frágil y poco resistente a la tracción. La resistencia y ductilidad a los esfuerzos de compresión son superiores.

-Fundición dúctil o esferoidal también llamada nodular: Es fundición gris con magnesio y/o cerio. No es frágil y tiene propiedades mecánicas similares a los aceros. Mayor resistencia a la tracción que la fundición gris.

-Fundición blanca: contiene poco carbono y silicio y se obtienen por enfriamiento rápido. Es extremadamente dura y frágil por lo que es inmecanizable.

-Fundición maleable: se obtiene a partir de la fundición blanca por calentamiento prolongado en atmósfera inerte.



ACEROS

-Influencia en sus componentes

● Carbono: Con el aumento del carbono aumenta la dureza, el límite de rotura, el límite de fluencia y disminuye el alargamiento relativo.

● Silicio: Pasa al acero en el proceso de desoxidación durante la fusión. El silicio aumenta el límite de fluencia entonces disminuye la capacidad de estirado del acero y sobre todo el recalcado en frio, por eso para estampado en frio los valores deben ser bajos.
● Azufre: Impureza nociva, crea desgarros y grietas.
● Manganeso: ayuda a eliminar lo que causa el azufre.
● Fósforo: Aumenta el límite de rotura, de fluencia, la fragilidad y disminuye la plasticidad.