Propiedades de los metales
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1.- PROPIEDADES GENERALES DE LOS METALES.
Si hemos definido las propiedades generales de los materiales de construcción como la forma de reaccionar de los mismos ante acciones externas, que pretenden modificar su comportamiento (tanto físico como químico) al hablar de las propiedades de los metales, lo correcto será decir en que grado poseen tal o cual propiedad.
Todos los materiales, en general, tienen las mismas propiedades, si el hierro es conductor del calor, también lo es la madera. Sin embargo en la práctica a la madera no se le considera tal propiedad.
Existen lo que entendemos por propiedades intrínsecas del material, independiente de los agentes externos: su peso, volumen atómico, densidad, constitución de sus átomos... También hay propiedades que se manifiestan al actuar sobre el metal agentes físicos exteriores: conductividad térmica o eléctrica, calor específico...
Otras dependen del propio material y del agente externo que la pone de manifiesto: la resistencia, la durabilidad....
Las propiedades más interesantes de los materiales metálicos en la construcción son:
Propiedades mecánicas: resistencia a la rotura, deformabilidad, tenacidad, dureza y soldabilidad.
Propiedades eléctricas: resistencia eléctrica.
Propiedades térmicas: conductividad térmica, dilatación.
Propiedades químicas: oxidación y corrosión.
Todas estas propiedades se estiman sometiendo a los metales a ensayos.
1.1.- PROPIEDADES MECÁNICAS.
Son en general las que caracterizan la calidad de un metal para ser utilizado en construcción.
En la mayoría de los casos los metales se emplean para soportar esfuerzos mecánicos.
En las propiedades mecánicas de los metales influyen:
a) Las características intrínsecas del metal: átomos, estructura cristalina
b) Las del ambiente en que se encuentra.
Estas últimas pueden haber variar notablemente sus propiedades, ya sea inmediatamente o en el transcurso del tiempo.
1.1.1.- RESISTENCIA MECÁNICA.
a) Resistencia a la tracción.
Los materiales se caracterizan por tener una excelente resistencia a la tracción muy superior a la de los materiales pétreos, cerámicos, hormigones ..
La resistencia a tracción se determina por el ensayo de tracción. En este ensayo una barra metálica (probeta) se somete en sus extremos a dos fuerzas iguales y de sentido contrario.
b) Resistencia a compresión.
En los metales, en general, la resistencia a la rotura por compresión, alcanza valores elevados. Salvo excepciones, los metales son isorresistentes, es decir que su resistencia a tracción es similar a la resistencia a compresión.
c) Resistencia a cortadura. La resistencia al esfuerzo cortante, es tal que salvo chavetas, tornillos, remaches... nos es fácil que las piezas metálicas utilizadas en construcción puedan romperse por cortante.
d) Fatiga.
Comportamiento de un metal a esfuerzos exteriores que se repiten un gran número de veces.
1.1.2.- DEFORMABILIDAD
a) Elasticidad. Aptitud de un metal para deformarse sin romperse, volviendo a su estado inicial tan pronto como cesan las cargas que originan la deformación. La elasticidad de los metales es alta si la comparamos con los materiales pétreos.
b) Plasticidad. Expresa la aptitud de los metales para sufrir deformaciones que permanecen.
Dentro de la plasticidad tenemos:
La ductilidad, aptitud de un metal para ser transformado en alambre mediante esfuerzos de tracción.
La maleabilidad, capacidad de un metal para transformarse en láminas por esfuerzos a compresión.
d) Fragilidad. Un material es frágil, cuando es muy pequeña su deformación antes de la rotura. La fragilidad en los metales es muy variable, no ya si se comparan entre si (acero y plomo) sino, aún dentro de un mismo metal, dependiendo de los tratamientos térmicos.
1.1.3.- TENACIDAD. Combina los conceptos de resistencia y deformación.
1.1.4.- DUREZA.
Expresa la capacidad de un metal a ser deformado superficialmente.
Existen diversos tipos de dureza:
Dureza al rayado
Dureza a la penetración
Dureza elástica: reacción de la superficie de un material al ser sometido a un impacto de un elemento que choca contra él.
Dureza al corte.
El de dureza a la penetración es el concepto más utilizado para los metales empleados en construcción.
Para determinar la dureza a la penetración de los metales se utiliza la prueba o dureza Brinell.
1.2.- SOLDABILIDAD.
Propiedad que tienen algunos metales por la que dos piezas de los mismos, en contacto pueden unirse íntimamente formando un conjunto rígido.
La soldadura de los metales puede definirse como una recristalización de unión
Esto se puede conseguir:
a) Por presión. Cuando se comprime fuertemente las dos partes que se van a soldar y se calienta la unión (provocar los procesos de recristalización).
Sistemas: forja y soldadura eléctrica.
b) Por fusión. (El más utilizado). Puestos en contacto las dos partes a soldar, se calientas hasta provocar un estado de fusión que permita la unión íntima entre ambas.
Sistema cómodo, rápido y económico.
Soldadura por soplete:
Autógena, cuando no interviene ningún otro metal.
Con metal de aportación, a través de un tercer metal.
1.3.- PROPIEDADES ELÉCTRICAS.
Se define como la facilidad con que un metal deja pasar a través de él la corriente eléctrica.
Los materiales metálicos son excelentes conductores eléctricos, aunque la conductibilidad tiene valores muy variables para los distintos metales.
En la práctica los metales empleados como conductores son el cobre y el aluminio.
1.4.- PROPIEDADES TÉRMICAS.
Dos son las propiedades derivadas de fenómenos térmicos:
1) La conductividad térmica. Expresa la facilidad que expresa un material para el paso del calor.
En general los metales son buenos conductores térmicos, mucho más que otros materiales.
2) Coeficiente de dilatación lineal. Mide la variación de la unidad de longitud de un cuerpo cuando su temperatura aumenta un grado. En los metales las dilataciones son mucho más rápidas que en otros materiales.
1.5.- PROPIEDADES QUÍMICAS.
Los metales, en general, en estado puro son muy poco estables, siendo más corriente que aparezcan combinados con otros elementos.
La actividad química depende de una serie de factores:
a) La temperatura.
b) De la superficie que el metal ofrece al agente que reacciona con él.
c) De las impurezas que tiene en su masa.
Por la importancia que tiene para los metales utilizados en la construcción, trataremos: la oxidación y la corrosión.
1.5.1.- La oxidación.
La oxidación de los metales es la combinación directa de estos con el medio que les rodea, mediante una reacción de oxidación. La oxidación, llamada también corrosión seca, tiene lugar sin intervención del agua.
El oxígeno atmosférico, recubre los metales de una película de óxido, que en algunos casos evita la progresión del ataque.
Para que esta película desempeñe la acción protectora debe cumplir:
a) Tener adherencia y continuidad sobre el metal.
b) La permeabilidad al oxígeno. Será un factor preponderante que regulará la marcha de la corrosión.
Normalmente la marcha de la corrosión se realiza hacia el interior y hacia el exterior del metal.
Metales con capa de óxido porosa: acero, hierro.
Metales con capa de óxido protectora: aluminio, cobre, cinc.
1.5.2.- La corrosión.
La corrosión húmeda se produce cuando el metal está en contacto con el agua, soluciones salinas, ácidos, bases...
La intensidad o velocidad del ataque, depende de varios factores:
a) Concentración de iones negativos (aniones) en el electrólito (agua).
b) De las posibles capas protectoras que se formen en los ánodos.
El ataque de los metales por el agua, no se produciría o sería prácticamente nulo, si no hubiese en disolución elementos como el oxígeno u otros compuestos que aumentan la concentración de aniones.
El ataque a los metales por contaminación ambiental, debida a la presencia de gases, no tendría lugar, o sería despreciable, si no fuese por la presencia en la superficie del metal, de agua que al disolver los gases contaminantes, se convierten en un agente muy activo.
1.5.3.- Tipos de corrosión. La corrosión puede afectar a los metales de distintas formas, atendiendo a su localización puede ser:
a) Corrosión generalizada. Es la que tiene lugar cuando un metal es atacado uniformemente en toda la superficie que está en contacto con el medio agresivo. Como consecuencia, el metal experimenta una pérdida de peso y disminución de sus dimensiones.
b) Corrosión intercristalina. Se produce en el interior de un metal a causa de las impurezas que rodean los cristales del metal con origen en el proceso de cristalización, pudiendo generar un par galvánico. Los metales afectados por esta corrosión se fracturan como un metal frágil, esto es, sin sufrir deformación plástica.
c) Corrosión localizada. Corrosión en zonas de extensión limitada.
Su acción es muy peligrosa, porque es más activa que la corrosión general y puede localizarse en sitios poco visibles (pasa desapercibida).
Lasa causas pueden serla existencia de impurezas superficiales o que el metal tenga composición heterogénea, o por discontinuidades en las capas protectoras.
Este tipo de corrosión puede generar picaduras u orificios cuyo tamaño va creciendo si el proceso continua, llegando a perforar el metal con el consiguiente peligro de rotura.
d) Pares galvánicos. Cuando se pone en contacto dos metales diferentes en presencia de un electrólito, como el agua ligeramente ácida, se produce entre ellos un par galvánico que produce la destrucción del más electronegativo.
En la construcción es habitual la unión de metales de distinta naturaleza. Si en su unión hay agua (lluvia, filtraciones, condensaciones...) se dan las condiciones necesarias para que esta corrosión se produzca.
Experimentalmente se ha establecido una clasificación electroquímica de los metales, que para los más corrientes es la siguiente:
Aluminio
Zinc
Hierro, acero.
Níquel
Estaño
Plomo
Cobre.
Cuando dos metales de esta lista están en contacto, en presencia de una solución salina o de aire húmedo, el metal de índice más bajo se corroe. Esta corrosión es tanto más rápida cuanto más alejados se hallen los metales en la escala electroquímica, siendo muy ligera si los metales son contiguos en la serie, sobre todo si el electrólito es agua de lluvia.
1.5.4.-Protección contra la corrosión.
La protección contra la corrosión puede hacerse:
a) Aprovechando las posibilidades que para ello ofrezca el metal.
b) O bien, aislándolo de la atmósfera o del ambiente corrosivo.
En cada caso habrá que tener en cuenta lo siguiente:
Las soluciones constructivas.
El ambiente en que el material está ubicado.
Condiciones económicas.
Para evitar la acción corrosiva aplicar las siguientes soluciones:
a) Selección de materiales.
Empleando aleaciones anticorrosivas.
Evitando la posible formación de pares galvánicos.
b) Tratamientos superficiales.
Puliendo la superficie de los metales.
Procurando evitar los efectos mecánicos (golpes, roces..) Que pueden perjudicar la débil capa protectora.
c) Grasas anticorrosivas.
Empleadas para la protección de máquinas y mecanismos. Deben ser neutras.
d) Las pinturas.
Es de los procedimientos más usados. Consiste en el recubrimiento de los materiales metálicos con objeto de protegerlos contra la corrosión.
A la pintura debe exigirle las características necesarias para que proporcione un aislamiento eficaz, entre el metal y el agente corrosivo.
Deben formar una capa impermeable, continua, adherente y de durabilidad adecuada.
Suele aplicarse en dos capas:
Pintura de imprimación (protección).
Pintura de acabado (estética y durabilidad).
e) Oxidación anódica.
Consiste en provocar, por medios de electrólisis, una capa de óxido alrededor de la pieza metálica para proteger el resto del metal.
f) Con capas de otros metales.
Consiste en crear una capa autoprotectora o que produzca el fenómeno del pasivado: cromo, níquel, cadmio, zinc, estaño…
g) Por inmersión de la pieza en baño de metal.
El elemento protector está fundido.
Si hemos definido las propiedades generales de los materiales de construcción como la forma de reaccionar de los mismos ante acciones externas, que pretenden modificar su comportamiento (tanto físico como químico) al hablar de las propiedades de los metales, lo correcto será decir en que grado poseen tal o cual propiedad.
Todos los materiales, en general, tienen las mismas propiedades, si el hierro es conductor del calor, también lo es la madera. Sin embargo en la práctica a la madera no se le considera tal propiedad.
Existen lo que entendemos por propiedades intrínsecas del material, independiente de los agentes externos: su peso, volumen atómico, densidad, constitución de sus átomos... También hay propiedades que se manifiestan al actuar sobre el metal agentes físicos exteriores: conductividad térmica o eléctrica, calor específico...
Otras dependen del propio material y del agente externo que la pone de manifiesto: la resistencia, la durabilidad....
Las propiedades más interesantes de los materiales metálicos en la construcción son:
Propiedades mecánicas: resistencia a la rotura, deformabilidad, tenacidad, dureza y soldabilidad.
Propiedades eléctricas: resistencia eléctrica.
Propiedades térmicas: conductividad térmica, dilatación.
Propiedades químicas: oxidación y corrosión.
Todas estas propiedades se estiman sometiendo a los metales a ensayos.
1.1.- PROPIEDADES MECÁNICAS.
Son en general las que caracterizan la calidad de un metal para ser utilizado en construcción.
En la mayoría de los casos los metales se emplean para soportar esfuerzos mecánicos.
En las propiedades mecánicas de los metales influyen:
a) Las características intrínsecas del metal: átomos, estructura cristalina
b) Las del ambiente en que se encuentra.
Estas últimas pueden haber variar notablemente sus propiedades, ya sea inmediatamente o en el transcurso del tiempo.
1.1.1.- RESISTENCIA MECÁNICA.
a) Resistencia a la tracción.
Los materiales se caracterizan por tener una excelente resistencia a la tracción muy superior a la de los materiales pétreos, cerámicos, hormigones ..
La resistencia a tracción se determina por el ensayo de tracción. En este ensayo una barra metálica (probeta) se somete en sus extremos a dos fuerzas iguales y de sentido contrario.
b) Resistencia a compresión.
En los metales, en general, la resistencia a la rotura por compresión, alcanza valores elevados. Salvo excepciones, los metales son isorresistentes, es decir que su resistencia a tracción es similar a la resistencia a compresión.
c) Resistencia a cortadura. La resistencia al esfuerzo cortante, es tal que salvo chavetas, tornillos, remaches... nos es fácil que las piezas metálicas utilizadas en construcción puedan romperse por cortante.
d) Fatiga.
Comportamiento de un metal a esfuerzos exteriores que se repiten un gran número de veces.
1.1.2.- DEFORMABILIDAD
a) Elasticidad. Aptitud de un metal para deformarse sin romperse, volviendo a su estado inicial tan pronto como cesan las cargas que originan la deformación. La elasticidad de los metales es alta si la comparamos con los materiales pétreos.
b) Plasticidad. Expresa la aptitud de los metales para sufrir deformaciones que permanecen.
Dentro de la plasticidad tenemos:
La ductilidad, aptitud de un metal para ser transformado en alambre mediante esfuerzos de tracción.
La maleabilidad, capacidad de un metal para transformarse en láminas por esfuerzos a compresión.
d) Fragilidad. Un material es frágil, cuando es muy pequeña su deformación antes de la rotura. La fragilidad en los metales es muy variable, no ya si se comparan entre si (acero y plomo) sino, aún dentro de un mismo metal, dependiendo de los tratamientos térmicos.
1.1.3.- TENACIDAD. Combina los conceptos de resistencia y deformación.
1.1.4.- DUREZA.
Expresa la capacidad de un metal a ser deformado superficialmente.
Existen diversos tipos de dureza:
Dureza al rayado
Dureza a la penetración
Dureza elástica: reacción de la superficie de un material al ser sometido a un impacto de un elemento que choca contra él.
Dureza al corte.
El de dureza a la penetración es el concepto más utilizado para los metales empleados en construcción.
Para determinar la dureza a la penetración de los metales se utiliza la prueba o dureza Brinell.
1.2.- SOLDABILIDAD.
Propiedad que tienen algunos metales por la que dos piezas de los mismos, en contacto pueden unirse íntimamente formando un conjunto rígido.
La soldadura de los metales puede definirse como una recristalización de unión
Esto se puede conseguir:
a) Por presión. Cuando se comprime fuertemente las dos partes que se van a soldar y se calienta la unión (provocar los procesos de recristalización).
Sistemas: forja y soldadura eléctrica.
b) Por fusión. (El más utilizado). Puestos en contacto las dos partes a soldar, se calientas hasta provocar un estado de fusión que permita la unión íntima entre ambas.
Sistema cómodo, rápido y económico.
Soldadura por soplete:
Autógena, cuando no interviene ningún otro metal.
Con metal de aportación, a través de un tercer metal.
1.3.- PROPIEDADES ELÉCTRICAS.
Se define como la facilidad con que un metal deja pasar a través de él la corriente eléctrica.
Los materiales metálicos son excelentes conductores eléctricos, aunque la conductibilidad tiene valores muy variables para los distintos metales.
En la práctica los metales empleados como conductores son el cobre y el aluminio.
1.4.- PROPIEDADES TÉRMICAS.
Dos son las propiedades derivadas de fenómenos térmicos:
1) La conductividad térmica. Expresa la facilidad que expresa un material para el paso del calor.
En general los metales son buenos conductores térmicos, mucho más que otros materiales.
2) Coeficiente de dilatación lineal. Mide la variación de la unidad de longitud de un cuerpo cuando su temperatura aumenta un grado. En los metales las dilataciones son mucho más rápidas que en otros materiales.
1.5.- PROPIEDADES QUÍMICAS.
Los metales, en general, en estado puro son muy poco estables, siendo más corriente que aparezcan combinados con otros elementos.
La actividad química depende de una serie de factores:
a) La temperatura.
b) De la superficie que el metal ofrece al agente que reacciona con él.
c) De las impurezas que tiene en su masa.
Por la importancia que tiene para los metales utilizados en la construcción, trataremos: la oxidación y la corrosión.
1.5.1.- La oxidación.
La oxidación de los metales es la combinación directa de estos con el medio que les rodea, mediante una reacción de oxidación. La oxidación, llamada también corrosión seca, tiene lugar sin intervención del agua.
El oxígeno atmosférico, recubre los metales de una película de óxido, que en algunos casos evita la progresión del ataque.
Para que esta película desempeñe la acción protectora debe cumplir:
a) Tener adherencia y continuidad sobre el metal.
b) La permeabilidad al oxígeno. Será un factor preponderante que regulará la marcha de la corrosión.
Normalmente la marcha de la corrosión se realiza hacia el interior y hacia el exterior del metal.
Metales con capa de óxido porosa: acero, hierro.
Metales con capa de óxido protectora: aluminio, cobre, cinc.
1.5.2.- La corrosión.
La corrosión húmeda se produce cuando el metal está en contacto con el agua, soluciones salinas, ácidos, bases...
La intensidad o velocidad del ataque, depende de varios factores:
a) Concentración de iones negativos (aniones) en el electrólito (agua).
b) De las posibles capas protectoras que se formen en los ánodos.
El ataque de los metales por el agua, no se produciría o sería prácticamente nulo, si no hubiese en disolución elementos como el oxígeno u otros compuestos que aumentan la concentración de aniones.
El ataque a los metales por contaminación ambiental, debida a la presencia de gases, no tendría lugar, o sería despreciable, si no fuese por la presencia en la superficie del metal, de agua que al disolver los gases contaminantes, se convierten en un agente muy activo.
1.5.3.- Tipos de corrosión. La corrosión puede afectar a los metales de distintas formas, atendiendo a su localización puede ser:
a) Corrosión generalizada. Es la que tiene lugar cuando un metal es atacado uniformemente en toda la superficie que está en contacto con el medio agresivo. Como consecuencia, el metal experimenta una pérdida de peso y disminución de sus dimensiones.
b) Corrosión intercristalina. Se produce en el interior de un metal a causa de las impurezas que rodean los cristales del metal con origen en el proceso de cristalización, pudiendo generar un par galvánico. Los metales afectados por esta corrosión se fracturan como un metal frágil, esto es, sin sufrir deformación plástica.
c) Corrosión localizada. Corrosión en zonas de extensión limitada.
Su acción es muy peligrosa, porque es más activa que la corrosión general y puede localizarse en sitios poco visibles (pasa desapercibida).
Lasa causas pueden serla existencia de impurezas superficiales o que el metal tenga composición heterogénea, o por discontinuidades en las capas protectoras.
Este tipo de corrosión puede generar picaduras u orificios cuyo tamaño va creciendo si el proceso continua, llegando a perforar el metal con el consiguiente peligro de rotura.
d) Pares galvánicos. Cuando se pone en contacto dos metales diferentes en presencia de un electrólito, como el agua ligeramente ácida, se produce entre ellos un par galvánico que produce la destrucción del más electronegativo.
En la construcción es habitual la unión de metales de distinta naturaleza. Si en su unión hay agua (lluvia, filtraciones, condensaciones...) se dan las condiciones necesarias para que esta corrosión se produzca.
Experimentalmente se ha establecido una clasificación electroquímica de los metales, que para los más corrientes es la siguiente:
Aluminio
Zinc
Hierro, acero.
Níquel
Estaño
Plomo
Cobre.
Cuando dos metales de esta lista están en contacto, en presencia de una solución salina o de aire húmedo, el metal de índice más bajo se corroe. Esta corrosión es tanto más rápida cuanto más alejados se hallen los metales en la escala electroquímica, siendo muy ligera si los metales son contiguos en la serie, sobre todo si el electrólito es agua de lluvia.
1.5.4.-Protección contra la corrosión.
La protección contra la corrosión puede hacerse:
a) Aprovechando las posibilidades que para ello ofrezca el metal.
b) O bien, aislándolo de la atmósfera o del ambiente corrosivo.
En cada caso habrá que tener en cuenta lo siguiente:
Las soluciones constructivas.
El ambiente en que el material está ubicado.
Condiciones económicas.
Para evitar la acción corrosiva aplicar las siguientes soluciones:
a) Selección de materiales.
Empleando aleaciones anticorrosivas.
Evitando la posible formación de pares galvánicos.
b) Tratamientos superficiales.
Puliendo la superficie de los metales.
Procurando evitar los efectos mecánicos (golpes, roces..) Que pueden perjudicar la débil capa protectora.
c) Grasas anticorrosivas.
Empleadas para la protección de máquinas y mecanismos. Deben ser neutras.
d) Las pinturas.
Es de los procedimientos más usados. Consiste en el recubrimiento de los materiales metálicos con objeto de protegerlos contra la corrosión.
A la pintura debe exigirle las características necesarias para que proporcione un aislamiento eficaz, entre el metal y el agente corrosivo.
Deben formar una capa impermeable, continua, adherente y de durabilidad adecuada.
Suele aplicarse en dos capas:
Pintura de imprimación (protección).
Pintura de acabado (estética y durabilidad).
e) Oxidación anódica.
Consiste en provocar, por medios de electrólisis, una capa de óxido alrededor de la pieza metálica para proteger el resto del metal.
f) Con capas de otros metales.
Consiste en crear una capa autoprotectora o que produzca el fenómeno del pasivado: cromo, níquel, cadmio, zinc, estaño…
g) Por inmersión de la pieza en baño de metal.
El elemento protector está fundido.