Metales

CARACTERÍSTICAS Y CLASIFICACIÓN DE LOS METALES

Los Materiales Metálicos son aquellos que están compuestos básicamente por uno o más metales. También pueden contener otros materiales como el carbono.
Los materiales metálicos cuyo componente principal es el hierro son llamados materiales férricos.
Los materiales metálicos obtenidos a partir de otros metales son llamados materiales no férricos.

MATERIALES FÉRRICOS

El Hierro

El metal más empleado en la actualidad es el hierro en cualquiera de sus presentaciones, ya que tanto las técnicas de extracción del mineral como los procesos de obtención del metal son relativamente económicos.Los minerales que contienen mucho hierro: la magnetita, la hematites, la limonita y la siderita.
El hierro puro es un metal de color blanco grisáceo y tiene una concentración de un 99,9 % o más.Tiene pocas aplicaciones industriales y resulta muy difícil de obtener.
También se llama hierro forjado por que es muy dúctil y maleable.Se emplea en trabajos de forja y para construir electroimanes y transformadores eléctricos.

Los aceros

son aleaciones de hierro y de carbono (entre el 0,03 y el 1,76 %) a las que se añaden otros materiales (manganeso, níquel, titanio, etc.) según las propiedades del tipo de acero que se desee lograr.Se aplican en muchos campos industriales.
Hay dos tipos de aceros:
Aceros Comunes.
Aceros Aleados.

Aceros comunes

Hechos sólo con hierro y carbono. Son muy fáciles de soldar y poco resistentes a la corrosión. Se emplean en estructuras, clavos, tornillos, herramientas, etc.

Aceros Aleados

Hechos con hierro, carbono y otros elementos. Muy resistentes a la corrosión, al desgaste y a las altas temperaturas. Se emplean para fabricar instrumentos y piezas especiales.

Las fundiciones

Las fundiciones son aleaciones de hierro y carbono (entre el 1,76 y el 6,67 %) .
Al tener más carbono resisten mejor la corrosión y los cambios de temperatura.
Son fáciles de moldear y se emplean en la fabricación de piezas de gran tamaño.
Se clasifican en:
Fundiciones Ordinarias.
Fundiciones aleadas

Fundiciones Ordinarias

Hechos sólo con hierro y carbono y alguna pequeña parte de otro material. No se pueden trabajar en la forja.

Fundiciones Aleadas

Hechos con hierro, carbono y otros elementos con los cuales mejoran sus propiedades.

MATERIALES NO FÉRRICOS

Los materiales no férricos son más caros y difíciles de obtener que los férricos, sin embargo presentan algunas propiedades que los hacen necesarios: son más difíciles de oxidar, conducen mejor la electricidad y el calor, funden a temperaturas más bajas, son más fáciles de mecanizar, etc.
Se clasifican en:
Metales Pesados.
Metales Ligeros.
Metales Ultraligeros.

Metales Pesados.
Su densidad es igual o mayor a 5 Kg./dm3. Entre ellos están el cobre, el plomo, el zinc, el estaño, el níquel, el mercurio, el wolframio, etc.

Metales Ligeros
Su densidad es entre 2 y 5 Kg./dm3. Son ejemplos el aluminio y el titanio.

Metales Ultraligeros
Con densidad menor de 2 Kg./dm3. El magnesio es el más utilizado en la industria.

El Cobre

El cobre es un metal de color rojo brillante, muy resistente a la corrosión, conduce bien el calor y la electricidad, es muy dúctil y maleable. Se obtiene de minerales como la cuprita, la calcopirita y la malaquita.
Seha usado desde la antigüedad para hacer armas, adornos, monedas, etc. Hoy se usa en conductores eléctricos, alambiques, y conducciones de gas y agua, así como otros usos en construcción. Sus aleaciones principales son:

Los Bronces: Aleaciones de cobre y estaño, tanto más duras cuanto más estaño contienen.

Los Latones: Aleaciones de cobre y zinc usadas para hacer canalizaciones, tornillos, válvulas de gas y agua, bisagras, etc..

EL Zinc

El zinc es un metal blando de color blanco azulado, resistente a la intemperie. Se obtiene de la blenda.
Se emplea en la fabricación de recipientes, canalones y planchas para cubiertas. También para recubrir planchas de hierro por dos procedimientos:

Cincado: Introduciendo las piezas de hierro en un baño de zinc fundido.

Galvanizado: Recubriendo las piezas de hierro por electrolisis.

EL Estaño

El estaño es un metal de aspecto blanco brillante, muy resistente al aire, fácil de fundir y de trabajar. Es muy maleable en frío y en caliente se torna quebradizo. Se obtiene de la casiterita.
Se emplea, aleado con plomo o con plata, para soldadura blanda. También para recubrir el hierro, obteniendo hojalata, y para recubrir el cobre, pues al no ser tóxico puede usarse en instrumentos de alimentación.

EL Aluminio

El aluminio es un metal de color plateado claro, es muy resistente a la oxidación, ligero, buen conductor del calor y la electricidad y fácil de mecanizar. Se obtiene de la bauxita.
Se emplea en aleaciones ligeras, tan resistentes como el acero y mucho menos pesadas. Con ellas se fabrican productos muy variados, desde latas de refrescos como fuselajes de aviones, ventanas, maquinaria, etc.

El Titanio

Este metal se extrae de dos minerales, el rutilio y la ilemita.
Es de color blanco plateado, brillante, ligero, muy duro y resistente.
Se emplea en varias industrias como la aeroespacial, automotriz, militar, energética, naval, decorativa, etc.

El Mercurio

Es un metal pesado plateado que a temperatura ambiente es un líquido inodoro (no tiene olor). Es un mal conductor del calor comparado con otros metales, aunque no es mal conductor de la electricidad.
Se emplean en instrumentos de medición principalmente termómetros y tensiómetros, enchufes, rectificadores eléctricos, interruptores, lámparas fluorescentes y como catalizador.

El Magnesio

El magnesio se extrae de diferentes minerales, como el olivino, el talco, el asbesto y la magnesita.
Es un metal de color blanco brillante similar a la plata, muy ligero, blando, maleable y poco dúctil.
El uso principal del metal es como elemento de aleación del aluminio, empleándose en envases de bebidas, en componentes de automóviles y en maquinaria diversa.

PROCESO DE EXTRACCIÓN Y OBTENCIÓN DE LOS METALES

Los pasos que se siguen para este proceso son los siguientes:

Extracción del mineral: se extraen de los yacimientos (minas) que pueden ser a cielo abierto o subterráneos.

Tratamiento del mineral: se separa el mineral útil (mena) del mineral inservible (ganga). Para ello se tritura, se lava y se criba.

Transformación: en la industria metalúrgica, la mena se transforma en metal en bruto o en sus formas comerciales.

PROPRIEDADES FÍSICO QUÍMICAS, MECÁNICAS Y TECNOLOGICAS

PROPIEDADES FISICOQUÍMICAS

Las propiedades físicas de los metales son aquellas que logran cambiar la materia sin alterar su

composición; como ocurre cuando moldeas un trozo de plastilina, sus átomos no se ven alterados de

ninguna manera, pero exteriormente cambia su forma.

Los metales suelen ser duros y resistentes. Aunque existen ciertas variaciones de uno a otro, en

general las principales propiedades de los metales son: dureza o resistencia a ser rayados; resistencia

longitudinal o resistencia a la rotura; elasticidad o capacidad de volver a su forma original después de

sufrir deformación; maleabilidad o posibilidad de cambiar de forma por la acción del martillo; resistencia

a la fatiga o capacidad de soportar una fuerza o presión continuadas y ductilidad o posibilidad de

deformarse sin sufrir roturas.

Las propiedades químicas de los metales son aquellas propiedades que se hace evidente durante

una reacción química (que existe un cambio); es decir, cualquier cualidad que puede ser establecida

solamente al cambiar la identidad química de una sustancia.

Los átomos de los métales tienen 1, 2 o 3 electrones en su último nivel de energía. Los elementos

que forman los grupos IA, IIA, IIIA son metálicos, por lo tanto los elementos del grupo IA tienen en su

último nivel de energía un electrón, los del grupo IIA tienen dos electrones y los del IIIA tienen tres

electrones. Sus átomos pueden perder los electrones de su último nivel de energía y, al quedar con más

cargas positivas forman iones positivos llamados cationes. Sus moléculas son monoatómicas; es decir, sus

moléculas están formadas por un solo átomo (Al, Cu, Ca, Mg, Au).

Podemos distinguir las siguientes propiedades fisicoquímicas de los metales:

• Peso específico.

• Punto de fusión.

• Calor específico.

• Calor latente de fusión.

• Dilatación y contracción.

• Extensión.

• Impenetrabilidad.

• Divisibilidad.

• Inercia.

• Resistencia a la oxidación .

• Resistencia a la corrosión.

• Aleabilidad.

• Pesantez.

• Fluencia.

• Magnetismo.

• Conductividad eléctrica.

• Conductividad térmica.

Peso específico

El peso específico de un metal se define como su peso por unidad de volumen. Esta definición es

considerada hoy día como obsoleta, siendo su denominación correcta la densidad de peso. Se calcula

dividiendo el peso de un cuerpo entre el volumen que éste ocupa.

Punto de fusión

El punto de fusión de un metal es la temperatura a la cual un material pasa del estado sólido al

estado líquido (se funde). Esta transformación se produce por absorción de calor. El punto de

solidificación es la temperatura a la cual un líquido pasa al estado sólido, durante la transformación hay

cesión de calor. Casi siempre coinciden los puntos de fusión y de solidificación.

Calor específico

El calor específico de un metal es la cantidad de calor necesaria para aumentar la temperatura de

la unidad de masa de un cuerpo de 0 hasta 1°C. En general depende de la temperatura inicial. Se expresa

en calorías gramos y se representa con la letra c minúscula, siendo muy elevado en los metales. Su valor

es muy importante ya que permite conocer la cantidad de calor necesaria para suministrar a una masa de

metal para elevar su temperatura hasta la transformación o fusión.

Calor latente de fusión

El calor latente de fusión es la cantidad de calor que absorbe la unidad de masa de un metal al

pasar del estado sólido al líquido. Se expresa en calorías gramo. Cuanto más baja es la temperatura de

fusión de un metal, menor es su calor específico, menor su calor latente de fusión y más económico su

empleo para la fusión y el moldeado.

Dilatación y contracción

La dilatación es un aumento de volumen que experimentan los cuerpos al elevar su temperatura.

Esta propiedad se suele expresar por el aumento unitario de longitud que sufre el metal al elevarse en un

grado su temperatura, llamado coeficiente de dilatación lineal. La contracción es lo contrario de la dilatación

Extensión

La extensión de un metal es la propiedad de ocupar un lugar en el espacio. Es una propiedad

medible para las porciones de materia (cuerpos). El nombre de la medida puede ser: superficie, volumen y longitud

Impenetrabilidad

La impenetrabilidad de un metal es la resistencia que opone un cuerpo a que otro ocupe

simultáneamente su lugar (ningún cuerpo puede ocupar al mismo tiempo el lugar de otro). A las partes de

un cuerpo no se le pueden asignar las mismas coordenadas que a las partes de otro cuerpo en el espacio.

Así mismo la impenetrabilidad es la resistencia que opone un cuerpo a ser traspasado.

Divisibilidad

La divisibilidad de un metal es la propiedad que les permite de poder fraccionarse en partículas más pequeñas

Inercia

La inercia de un metal es la propiedad que hace resistirse al cambio del movimiento, es decir, es

la resistencia al efecto de una fuerza que se ejerce sobre ellos. Como consecuencia, un cuerpo conserva su

estado de reposo o movimiento uniforme en línea recta si no hay una fuerza actuando sobre él.

Resistencia a la oxidación

La oxidación de un metal es la reacción electroquímica al entrar en contacto con un oxidante

como el oxígeno. La formación de un óxido de hierro debido a la oxidación de los átomos de hierro en

solución sólida es un ejemplo bien conocido de la corrosión electroquímica, comúnmente conocido como

oxidación. Este tipo de daño típicamente produce óxido y/o sal del metal origina

Resistencia a la corrosión

La corrosión de un metal es la desintegración de un material en sus átomos constitutivos,

debido a reacciones de productos químicas. La corrosión puede también referirse a otros materiales

distintos del hierro, tales como la cerámica o polímeros, aunque en este contexto, el término degradación

es más común. En otras palabras, la corrosión es el desgaste de los metales debido a una reacción

química, producida por agentes químicos.

La Aleabilidad

La aleabilidad de un metal es la propiedad que tienen para formar aleaciones que dan lugar a

nuevos materiales mejorando sus prestaciones. En todas las aleaciones un componente como mínimo

tiene que ser un metal

La Pesantez

La pesantez de un metal es la presión que ejercen los cuerpos sobre los que se apoya o tensión sobre los que prende

Fluencia

La fluencia de algunos metales es la propiedad de deformarse lenta y espontáneamente bajo la acción de su propio peso o de cargas muy pequeñas (plomo, estaño). Esta deformación lenta, se denomina

también creep.

Magnetismo

El magnetismo de un metal es la propiedad que tienen para ejercer fuerzas de atracción o

repulsión sobre otros metales. Los metales conocidos que han presentado propiedades magnéticas detectables fácilmente como el níquel, el hierro, el cobalto y sus aleaciones, que comúnmente se llaman imanes. Sin embargo todos los materiales son influidos, de mayor o menor forma, por la presencia de

un campo magnético. También se pueden producir electroimanes.

La Conductividad eléctrica

La conductividad eléctrica de un metal es la capacidad de un cuerpo para permitir el paso de los electrones, los mismos que forman a su paso una corriente eléctrica (es lo contrario de resistencia eléctrica). Según ésta condición, los materiales se clasifican en: conductores, aislantes y semiconductores.

Los metales más conductores son: la plata, el cobre, el oro, el aluminio, el tungsteno y el hierro. La unidad de medición utilizada comúnmente es el Siemens/cm (S/cm), en millonésimas (10-6) de unidades, es decir, microSiemens/cm (µS/cm), o en milésimas (10-3), es decir, miliSiemens/cm (mS/cm)

Conductividad térmica

La conductividad térmica de un metal es la capacidad de una sustancia de transferir la energía cinética de sus moléculas a otras moléculas adyacentes o a substancias con las que está en contacto. Es una propiedad física de los materiales que mide la capacidad de conducción de calor. En el Sistema Internacional de Unidades la conductividad térmica se mide en W/(K·m). También se lo expresa en J/(s·°C·m). Es una magnitud intensiva y su magnitud inversa es la resistividad térmica, que es la capacidad de los materiales para oponerse al paso del calor.

PROPIEDADES MECÁNICAS

Las propiedades mecánicas de los metales, son las características inherentes (propias de cada

metal), que permiten diferenciar un metal de otro. Desde el punto de vista del comportamiento mecánico de los metales en ingeniería, también hay que tener en cuenta el comportamiento que puede tener un metal en los diferentes procesos de mecanizados que pueda tener. Podemos distinguir las siguientes

propiedades mecánicas de los metales:

• Dureza.

• Tenacidad.

• Fragilidad.

• Acritud.

• Resistencia.

• Resiliencia.

• Fatiga.

• Elasticidad.

• Plasticidad.

Dureza

La dureza es la propiedad que expresa el grado de deformación permanente que sufre un metal bajo la acción directa de una carga determinada. Es decir, la resistencia que opone un cuerpo a ser rayado o penetrado por un cuerpo más duro. Los ensayos más importantes para designar la dureza de los metales, son los de penetración, en que se aplica un penetrador (de bola, cono o diamante) sobre la superficie del metal, con una presión y un tiempo determinados, a fin de dejar una huella que depende de de la dureza del metal, los métodos más utilizados son los de Brinell, Rockwell, Vickers, etc.

Tenacidad

La tenacidad de un metal es la resistencia que opone éste u otro material a ser roto, molido, doblado o desgarrado, siendo una medida de su cohesión. El acero es un material muy tenaz, especialmente alguna de sus aleaciones. La tenacidad requiere la existencia de resistencia y plasticidad

Fragilidad

La fragilidad es la propiedad de algunos metales de no poder experimentar deformaciones plásticas, de forma que al superar su límite elástico se rompen bruscamente.

Acritud

La acritud es la propiedad de un metal para aumentar su dureza y su resistencia por el efecto de las deformaciones.

Resistencia

La resistencia es la capacidad de algunos metales de soportar una carga externa sin romperse. Se denomina carga de rotura y puede producirse por tracción, compresión, torsión o cizallamiento, habrá una resistencia a la rotura para cada uno de estos esfuerzos. Se expresa en kg/mm².

Resiliencia

La resiliencia de un metal es una magnitud que cuantifica la cantidad de energía por unidad de volumen, que almacena un material al deformarse elásticamente debido a una tensión aplicada, antes de que comience la deformación irreversible. Es decir, la capacidad de memoria de un material para

recuperarse de una deformación, producto de una presión externa. Resistencia de un metal a su rotura por choque, se determina en el ensayo Charpy.

Fatiga

La fatiga de un metal se refiere al fenómeno por el cual se produce una rotura de éste, bajo

cargas dinámicas cíclicas (fuerzas repetidas aplicadas sobre el material) se produce ante cargas inferiores a las cargas estáticas que producirían la rotura. La fatiga es una forma de rotura que ocurre en estructuras sometidas a tensiones dinámicas y fluctuantes (motores, puentes, automóviles, aviones, etc.). Un ejemplo de ello se tiene en un alambre: flexionándolo repetidamente se rompe con facilidad, pero la fuerza que hay que hacer para romperlo en una sola flexión es muy grande.

Elasticidad

La elasticidad es la propiedad mecánica que tienen algunos metales para poder sufrir deformaciones reversibles cuando se encuentran sujetos a la acción de fuerzas exteriores y de recuperar la forma original si estas fuerzas exteriores se eliminan.

Plasticidad

La plasticidad es la propiedad mecánica que tienen algunos metales para poder deformarse permanentemente e irreversiblemente cuando se encuentra sometido a tensiones por encima de su rango elástico. Es decir, la capacidad de deformación permanente de un metal sin que llegue a romperse.

PROPIEDADES TECNOLÓGICAS

Las propiedades tecnológicas de los metales, es el comportamiento que tienen estos cuando son trabajados y estudiados por los seres humanos. Estas propiedades nos permiten diferenciar un metal de otro y saber si el metal utilizado es el apropiado o no para el fin que va a desempeñar. Podemos distinguir las siguientes propiedades tecnológicas de los metales:

• Ductilidad.

• Maleabilidad.

• Templabilidad.

• Forjabilidad.

Ductilidad

La ductilidad es la propiedad que tienen los metales y aleaciones, que bajo la acción de una fuerza, pueden estirarse sin romperse permitiendo obtener alambres o hilos. A los metales que presentan esta propiedad se les denomina dúctiles. Los metales más dúctiles son el platino, oro y cobre. El cobre se utiliza principalmente para fabricar cables eléctricos, porque a su buena ductilidad añade el hecho de que sea muy buen conductor de la electricidad.

Maleabilidad

La maleabilidad es la propiedad que tienen los metales para formar láminas muy finas, sin

rotura, por la acción de presiones. El oro es un metal de una extraordinaria maleabilidad permitiendo láminas de solo unas milésimas de milímetros. La plata , el cobre, el estaño y el aluminio también son muy maleables, así como la hojalata, que es una aleación de hierro y estaño.

La templabilidad

La templabilidad es la propiedad de algunos metales para sufrir transformaciones en su

estructura cristalina producto del calentamiento y enfriamiento sucesivo y brusco. Depende de la composición química del acero. Todos los aceros aleados tienen una relación específica entre las propiedades mecánicas y la velocidad de enfriamiento. Un acero aleado de alta templabilidad es aquel que endurece, no sólo en la superficie sino también en su interior. Así que podemos decir, que la templabilidad es una medida de la profundidad a la cual una aleación específica puede endurecerse. Los aceros se templan fácilmente debido a la formación de una estructura cristalina característica denominada martensita.

Forjabilidad

La forjabilidad es la capacidad de los metales para sufrir deformación plástica sin romperse ni desarrollar defectos, pudiendo ser ésta en frio o en caliente. Para medir la forjabilidad se han desarrollado numerosas técnicas que buscan someter probetas a diferentes ensayos para medir y observar su comportamiento ante la deformación plástica.