Fundamentos de Materiales: Propiedades, Esfuerzos y Producción de Acero

Clasificación de Materiales

Materiales Naturales

Se encuentran en la naturaleza.

Materiales Artificiales

Se obtienen a partir de materiales naturales sin haber sufrido transformación.

Materiales Sintéticos

Fabricados por el hombre a partir de materiales artificiales.

Propiedades de los Materiales

Los materiales poseen diversas propiedades que determinan su comportamiento y aplicaciones:

• Sensoriales: Aquellas que se perciben con los sentidos (color, brillo, textura, etc.).
• Ópticas: Relacionadas con la interacción con la luz (opacos, translúcidos, transparentes).
• Térmicas: Capacidad de conducir o aislar el calor (aislantes o conductores).
• Magnéticas: Capacidad de ser atraído por un imán o de generar campos magnéticos.
• Químicas: Resistencia a la oxidación, corrosión o reacción con otras sustancias.
• Mecánicas: Resistencia a fuerzas externas y deformaciones. Incluyen:

  Elasticidad:

  Capacidad de un material para recuperar su forma original después de ser deformado.

  Plasticidad:

  Capacidad de un material para conservar una nueva forma después de ser deformado permanentemente.

  Ductilidad:

  Capacidad de un material para ser estirado y formar hilos sin romperse.

  Maleabilidad:

  Capacidad de un material para ser extendido y formar láminas sin romperse.

  Dureza:

  Capacidad de un material para resistir ser rayado o penetrado por otro.

  Fragilidad:

  Tendencia de un material a romperse con un impacto fuerte sin deformación previa significativa.

  Tenacidad:

  Resistencia de un material a la rotura por un esfuerzo lento de deformación.

  Fatiga:

  Deformación o rotura de un material tras ser sometido a cargas variables o cíclicas repetidas.

  Maquinabilidad:

  Facilidad de un material para ser cortado o mecanizado, produciendo virutas.

  Acritud:

  Aumento de la dureza, fragilidad y resistencia de un material por deformación en frío.

  Colabilidad:

  Capacidad de un material, al estar fundido, para llenar completamente un molde.

  Resiliencia:

  Capacidad de un material para absorber energía cuando es deformado elásticamente y liberarla al cesar el esfuerzo, o resistencia a choques o esfuerzos bruscos.

Tipos de Esfuerzos Mecánicos

Los materiales pueden ser sometidos a diferentes tipos de esfuerzos:

Tracción:

Fuerza que tiende a alargar un objeto.

Compresión:

Fuerza que tiende a acortar un objeto.

Flexión:

Fuerza que tiende a curvar un objeto.

Torsión:

Fuerza que tiende a retorcer un objeto.

Pandeo:

Deformación lateral que sufren objetos esbeltos (con poca sección y gran longitud) bajo compresión.

Obtención del Acero

El proceso de obtención del acero a partir de sus materias primas principales se realiza en varias etapas:

1. Proceso en el Alto Horno

La materia prima (mineral de hierro, carbón de coque y fundente) se introduce en el alto horno por la parte superior. A medida que desciende, la temperatura aumenta progresivamente hasta alcanzar la zona de fusión (etalaje), donde la temperatura ronda los 1650ºC. En esta etapa, el mineral de hierro se transforma en gotas de hierro fundido que se depositan en el crisol.

El fundente reacciona químicamente con la ganga (impurezas del mineral) formando escoria, que, al ser menos densa, flota sobre el hierro fundido y sale por la bigotera.

Periódicamente, se abre la piquera de arrabio y se extrae el hierro líquido del crisol, conocido como arrabio, el cual contiene muchas impurezas.

Rodeando el alto horno se encuentra un anillo del cual se extrae aire caliente que se introduce en el horno a través de las toberas, facilitando la combustión y el proceso de reducción.

2. Conversión del Arrabio en Acero

Casi la totalidad del arrabio se convierte en acero a través del convertidor. El proceso es el siguiente:

1. Se inclina el horno y se añade el arrabio, el fundente y chatarra.
2. Se coloca el horno en posición vertical y se baja una lanza para inyectar oxígeno en el metal fundido. El oxígeno reacciona con las impurezas (carbono, silicio, manganeso, etc.), quemándolas y reduciendo su contenido.
3. Se inclina nuevamente el horno para sacar la escoria que flota sobre el acero purificado.
4. Finalmente, el acero líquido se vierte sobre una cuchara de colada, donde se añaden ferroaleaciones y carbono en las proporciones adecuadas para obtener el tipo de acero deseado.

Métodos de Colada del Acero

Una vez obtenido el acero líquido, este se solidifica mediante diferentes métodos de colada para darle una forma inicial:

Colada Convencional

Consiste en verter el acero líquido sobre moldes con la forma de la pieza que se desea obtener. Es un método más tradicional y adecuado para piezas específicas o de menor volumen.

Colada Continua

Es el método más económico y eficiente para la producción en masa. Consiste en verter acero líquido sobre un molde sin fondo ni tapadera, con forma de cubeta y una sección transversal que define la forma geométrica del producto a obtener (por ejemplo, palanquillas, tochos o losas). El acero se solidifica a medida que avanza, extrayéndose continuamente.

Colada sobre Lingoteras

Si el producto ferroso tiene una baja demanda inmediata, se opta por colarlo en el interior de lingoteras. Se deja enfriar, se extraen los lingotes y se almacenan hasta que la demanda aumente, momento en el cual pueden ser reprocesados o laminados.