UNIVERSIDAD_DE_SANTIAGO_DE_CHILE_FACULTA.pdf

UNI VERSI DAD DE SANTI AGO DE CHI LE
FACULTAD DE I NGENI ERÍ A
I NTRODUCCI ÓN
A LA
METALURGI A
2 0 0 3
DEPARTAMENTO
DE
I NGENI ERÍ A
METALÚRGI CA

I N D I C E
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A DEL EDIT
O R 3
C APÍT
ULO 1. ¿ Q UE ES LA MET
ALURG IA? 5
C APÍT
ULO 2. LA MET
ALURG IA O LA C IENC IA Y EL ART
E DE LO S MET
ALES 13
C APÍT
ULO 3. RESEÑA Y EVO LUC IÓ N HIST
Ó RIC A 21
C APÍT
ULO 4. PRO C EDENC IA DE LO S MET
ALES (SERGIO RIVAS) 28
C APÍT
ULO 5. ELEC T
RO NES, AT
O MO S, MET
ALES Y ALEAC IO NES 35
C APÍT
ULO 6. ALEAC IO NES A BASE DE FIERRO Y C ARBO NO 47
C APÍT
ULO 7. SIDERURG IA (re visa d o p o r JO RG EMANRÍQ UEZ) 53
C APÍT
ULO 8. FABRIC AC IÓ N DE AC ERO (re visa d o p o r JORG EMANRÍQ UEZ) 66
C APÍT
ULO 9. REDUC C IÓ N DIREC T
A DE MINERALES DE FIERRO C O MO ALT
ERNAT
IVA
AL PRO C ESO EN EL ALT
O HO RNO 93
C APÍT
ULO 10. C O MPAÑÍA DE AC ERO S DEL PAC IFIC O 99
C APÍT
ULO 11. SIDERURG IA G ERDAU AZA 122
C APÍT
ULO 12. PRO C ESAMIENT
O DE MINERALES (LUIS MAG NÉ) 125
C APÍT
ULO 13. PIRO MET
ALURG IA DEL C O BRE (RENEBUST
AMANT
E) 140
C APÍT
ULO 14. HIDRO MET
ALURG IA (JAIMESIMPSON) 188
C APÍT
ULO 15. ELEC T
RO MET
ALURG IA (C RIST
IAN VARGAS) 202
C APÍT
ULO 16. ELEC T
RO LISIS DE MAT
A Y MET
AL BLANC O 214
C APÍT
ULO 17. MET
ALURG IA ADAPT
IVA 217
C APÍT
ULO 18. SÓ LIDO S C RIST
ALINO S (RAÚLRAMÍREZ) 221
C APÍT
ULO 19. SO LIDIFIC AC IÓ N (re visa d o p o r OSCAR BUST
OS) 237
C APÍT
ULO 20. DIAG RAMAS DE EQ UILIBRIO (RAÚLRAMÍREZ) 249
C APÍT
ULO 21. FUNDIC IÓ N DE PIEZAS (re visa d o p o r OSCAR BUST
OS) 264
C APÍT
ULO 22. PULVIMET
ALURG IA (re visa d o p o r ST
ELLA ORDÓÑEZ) 277
C APÍT
ULO 23. C O MPO RT
AMIENT
O MEC ÁNIC O DE SÓ LIDO S (re visa d o po r ALBERT
O MONSALVE) 289
C APÍT
ULO 24. C O NFO RMADO PLÁST
IC O (re visa d o p o r ALBERT
O MONSALVE) 306
C APÍT
ULO 25. T
RAT
AMIENT
O S T
ÉRMIC O S (RAÚLRAMÍREZ) 322
C APÍT
ULO 26. SO LDADURA (MAURICIO IBARRA) 340
C APÍT
ULO 27. C O RRO SIÓ N DE MET
ALES (re visa d o p o r G ERARDO CIFUENT
ES) 359

3
NOTA DEL EDITOR
Este CD contiene la versión digitalizada de un apunte que es una recopilación y
sistematización de material didáctico que cubre lo esencial y básico del campo de la
Ingeniería Metalúrgica.
Nació como consecuencia de la experiencia que tuvo como profesor en las primeras
veces que se dictó la asignatura “Introducción a la Metalurgia” el que suscribe. Se
diseñó con el objetivo de dar un conocimiento elemental y descriptivo de las áreas del
conocimiento que corresponden hoy en día a la Ingeniería Metalúrgica.
La primera edición de este apunte no fue más que la recopilación de un compendio que
se entregaba de clase en clase al comienzo de la década del “70”. Eran hojas
mimeografiadas y dibujos en hojas stencils. Los apuntes se fueron mejorando gracias a
las correcciones propuestas por cada uno de los profesores especialistas en los
distintos temas. Así en 1980 surgió una nueva versión bastante corregida y mejorada en
la presentación de los dibujos y fotografías gracias a la fotocopia y la reproducción off-
set en la central de reproducciones gráficas de la Facultad de Ingeniería, versión que se
había venido copiando sin mayor revisión hasta 1990.
La presente edición es consecuencia de una revisión más profunda, especialmente en
cuanto a los avances de los procesos en uso hoy en día en la Metalurgia Extractiva del
Cobre y del Hierro. Especial impacto ha tenido en ello la demanda por una mayor
conservación del medio ambiente. A nadie escapa que las faenas mineras y
metalúrgicas están entre las que potencialmente pueden modificar más el ambiente.
Solamente en Chile, se estima que para producir una tonelada de cobre metálico como
producto final, se producen alrededor de 350 toneladas de estéril, 150 toneladas de
mineral de demasiada baja ley, 66 toneladas de colas, 57 toneladas de residuos de
lixiviación y 0.8 toneladas de escoria y para que hablar de los posibles residuos
gaseosos tóxicos y contaminación de aguas residuales.
Esto ha llevado al concepto de desarrollo sustentable que implica minimizar el uso de
la energía, materiales y del impacto ambiental y maximizar la satisfacción social.
Ello significa definir claramente las fuentes energéticas a utilizar, teniendo en cuenta su
impacto ambiental, su uso y distribución. Planificar en forma adecuada la extracción,
procesamiento y manufactura de los materiales, recuperar los subproductos, reciclar
cuando sea factible y diseñar sistemas alternativos de sustitución de materiales. No
debemos olvidar que toda producción industrial tiene un impacto ambiental y por de
pronto éste es inherente al ser humano. Sin embargo la sociedad necesita asegurarse
una producción de minerales y metales para la industria minero-metalúrgica, el desafío
es entonces mayor al incrementar los niveles de producción de estos materiales.
Hacemos corrientemente una diferencia entre Tecnologías Limpias y Tecnologías de
Limpieza. La última ataca fundamentalmente los efluentes para disminuir los efectos

4
finales (tecnología “end-of-pipe”), mientras que la primera ataca las causas y es por ello
una tecnología innovadora que significa muchas veces repensar completamente un
proceso de producción.
El editor quiere dejar constancia de sus especiales agradecimientos a los colegas Raúl
Ramírez, René Bustamante; Jorge Manríquez, Luis Magné, Gerardo Cifuentes, Mauricio
Ibarra, Jaime Simpson, Oscar Bustos, Stella Ordóñez y Alberto Monsalve por la
colaboración en esta versión y la confección de los capítulos de su especialización en la
presente versión.
Se agradece además la colaboración de Álvaro Parada, Marcela Díaz y Paulina
Guajardo sin cuyo concurso la primera versión electrónica computacional habría sido un
drama mayor para este editor.
Quiero dejar constancia en forma especial la valiosa contribución desinteresada
efectuada por la colega y profesora Stella Ordóñez al revisar, corregir y mejorar con
tanta paciencia y esmero esta nueva versión electrónica computacional del apunte.
Prof. Bernd Schulz E.
Editor
2003

Departamento de Ingeniería Metalúrgica – Universidad de Santiago de Chile
Capítulo1: ¿Qué es la Metalurgia? 5
CAPÍTULO 1: ¿QUE ES LA METALURGIA?
¡La Metalurgia es una Ciencia Nueva!
¿Quien lo habría creído unos años atrás?
Desde siempre la Metalurgia había sido
considerada como una simple técnica
peligrosa y sucia, indigna de los
intelectuales y de las refinadas
elegancias. Sin embargo, Vulcano, tuerto,
cojo, deforme y repulsivo, era el esposo
de Venus; los griegos rendían un gran
homenaje al dios artesano del fuego y del
metal.
La época moderna ha puesto a la
Metalurgia en el sitial que le corresponde
entre las demás ciencias. Hoy en día
Vulcano vestiría bata blanca.*
*(Traducción del prólogo de "An Introduction to
Metallurgy", A.H. Cottrell, St. Martin´s Press 1967).
1.1 EL ARTE Y LA CIENCIA DE LOS METALES
La Metalurgia es el Arte y la Ciencia de producir metales y aleaciones con formas y
propiedades adecuadas para el uso. La mayoría de la gente la conoce sólo como un arte
antiguo y misterioso. Es cierto que tuvo su importancia en la historia antigua, sacándonos
de la edad de piedra hacia la edad del bronce y luego a la edad del hierro. La conversión,
aparentemente milagrosa, de tierras opacas a metales brillantes era la esencia del misterio
alquímico; no había ciencia de los metales para racionalizar e iluminar el mundo medieval
de la fórmula secreta para templar los metales y combinar las aleaciones.
Algo de este aire de misterio aún cubre la Metalurgia hoy en día. Ninguna nave espacial en
ciencia ficción es respetable sin su propio secreto "Metal Maravilloso". Este misterio puede
ser un legado del pasado, pero también es un reconocimiento inconsciente de los muchos
logros del metalurgista moderno en la producción de nuevos metales y aleaciones para
turbinas a propulsión a chorro, reactores nucleares, circuitos electrónicos y otras partes de
avanzada de Ingeniería. Estos éxitos no son productos de una vieja magia negra, sino que
la aplicación lógica de principios científicos. La Metalurgia es ahora una ciencia aplicada,
disciplina basada en un entendimiento claro de la estructura y propiedades de metales y
aleaciones. El misterio de los modernos "Metales Míticos", es consecuencia del simple
hecho que esta ciencia es demasiado nueva como para haberse filtrado hacia los niveles
más elementales de la educación científica.

1.2 METALURGIA QUÍMICA
La parte más conocida de esta materia es la Metalurgia Química. Ella trata de todas las
propiedades químicas de los metales, incluyendo la unificación de los diferentes metales
entre sí, para formar aleaciones, pero una parte muy grande de ella concierne a las
reacciones oxidación-reducción de metales por dos razones prácticas. Primero, la mayoría
de los metales en la naturaleza se encuentran como óxidos, sulfuros, cloruros, carbonatos,
etc., y el paso crítico en convertir estos minerales en metales, i.e. en Metalurgia
Extractiva es un proceso de reducción química. Las reacciones químicas básicas del
caso son a menudo simples; el desafío científico en esta parte de la materia es lograr que
estas reacciones se produzcan económicamente en escala masiva. Segundo, cuando el
pedazo de metal terminado va a ser puesto en servicio y es expuesto al medio ambiente,
estas mismas reacciones químicas tienden a ocurrir espontáneamente a la inversa. El
metal se invierte del estado metálico al estado oxidado, en otras palabras, se oxida o
corroe. La labor principal del Metalurgista Químico es así llevar los metales a su estado
metálico y luego mantenerlos ahí.
Los orígenes de la Metalurgia Extractiva se remontan hacia la pre-historia. Los primeros
descubrimientos deben haberse hecho accidentalmente en los fuegos de campamentos y
fogones donde piedras de minerales metálicos fácilmente reducibles pudieron ser
convertidos a metal por el calor y las llamas reductoras. El cobre, plomo y estaño estaban
entre los primeros metales por esos procesos de fusión, más de 5.000 años atrás. No
mucho después se hizo la aleación bronce, usualmente 10 partes de cobre a una de
estaño, por fusión de una mezcla de minerales de ambos metales y fue muy preciada por
su gran dureza y porque cuando se licuaba podía ser fundida fácilmente en formas
complicadas por solidificación en cavidades pre-formadas en arcilla o moldes de arena.
Los primeros latones también fueron desarrollados por fusión de mezclas de minerales de
cobre y zinc. El método moderno de hacer aleaciones se desarrolló posteriormente.
Los minerales de fierro también son fácilmente reducidos pero el alto punto de fusión de
este metal no permitió producirlo en forma líquida. En vez de esto se produjo una mezcla
pastosa, porosa de hierro-esponja mezclado con escoria, ésta se compactaba mientras
estaba caliente y blanda, mediante golpes o forjado con martillo, haciendo algo así como
hierro forjado. La necesidad de obtener más altas temperaturas para lograr una mayor
producción condujo de la evolución del fogón hacia el alto horno, con un chiflón de aire
dirigido hacia la zona caliente, encima del fogón y sobre el cual hay una especie de
chimenea cerrada, por la cual desciende el mineral y el combustible carbón vegetal.
Un gran avance ocurrió en el siglo XIX. Se alcanzaron temperaturas suficientemente altas
como para producir hierro líquido. El alto horno pudo entonces ser operado en forma
continua, siendo "sangrado" periódicamente para dejar escurrir la cantidad de hierro líquido
que se había juntado sobre el piso del horno, esto aumentó enormemente la producción.
El arrabio líquido (pig iron) producido de este modo contenía aproximadamente 4% en
peso de carbono disuelto, que provenía del combustible del horno, este carbono disminuye
enormemente el punto de fusión del hierro y permite que el metal sea fácilmente vuelto a

licuar y colado en moldes. Este hierro fundido, sin embargo, era muy frágil, debido al
carbono, que forma láminas de grafito y un carburo de fierro, y otras impurezas, y así no
puede ser usado para lo mismo que el hierro esponja forjado. El problema de convertir
arrabio a una forma dúctil por eliminación del carbono fue resuelto por CORT en el siglo
XVIII con el "Proceso de Pudelado" para hacer hierro forjado. Estas dos formas de hierro,
forjado y fundido, fueron los materiales ferrosos de construcción por excelencia hasta fines
del siglo XIX.
El delicado control del carbono necesario para producir "Hierro Dulce" (aprox. 0,25% de
carbono) estaba más allá de los alcances de la Metalurgia de aquellos días. Pero, también
se hacía un tipo de "acero de herramientas" para espadas y utensilios de corte, que
contenía alrededor de 1% de carbono y que podía ser endurecido por "templado",
enfriándolo bruscamente en agua después de calentado al rojo, y era hecho en aquellos
tiempos por el proceso de "cementación" en el cual el hierro esponja forjado se calentaba
en carbón vegetal, en 1740, Huntsmsn hizo acero de herramientas fundiendo fierros de
diferente contenido de carbono en un crisol, lo que fundó la industria de cuchillería de
Sheffield. Pero el descubrimiento del acero barato de bajo carbono que puede hacerse en
gran escala para propósitos de construcción, no llegó hasta mediados del siglo XIX,
cuando Bessemer inventó el proceso de convertidor. A esto siguió en un par de años el
proceso de fabricación de acero Siemens-Martin que permitía fabricar aceros a partir de
chatarra, así se había iniciado la era moderna del acero.
La electricidad juega un papel importante en muchos procesos modernos de extracción. El
paso decisivo fue el proceso Hall-Héroult para la producción comercial de aluminio,
anunciado en 1886. Muchos otros metales tales como magnesio, sodio y calcio, también
son ahora usados para producir los metales "modernos" tales como titanio, zirconio, uranio
y niobio.
La ciencia de la Metalurgia Extractiva se desarrolla rápidamente en los años recientes, con
la aplicación de la termodinámica y la teoría de cinética de reacción a sus problemas. La
termodinámica de las reacciones metalúrgicas está ahora bien establecida, pero hay aún
muchas oportunidades para más avances, tanto científicos como tecnológicos, en el
estudio y control de la cinética de reacción.
Muchos de los procesos más nuevos de extracción tales como el proceso de fabricación
de acero al oxígeno, tostación flash, refinación spray y el proceso de alto horno del zinc,
dependen críticamente de la cinética de reacción.
1.3. METALURGIA MECÁNICA
La Metalurgia es una rama de una materia más amplia, conocida como "Ciencia de los
Materiales e Ingeniería", que se preocupa de todos los materiales como ser metales,
cerámica, vidrios, plásticos orgánicos y polímeros, madera y piedra.
La razón porque la Metalurgia se destaca por sí sola como una materia tan amplia y de
contenido autosuficiente es, obviamente, debido a la importancia extraordinaria de los

metales como materiales de construcción. Nuestra sociedad como la conocemos seria
totalmente imposible sin metales. La producción de metales y bienes metálicos representa
más o menos un quinto de la producción bruta nacional en un país industrial moderno.
Los metales deben su importancia a sus propiedades mecánicas únicas, la combinación
de alta resistencia con posibilidad de cambiar su forma plásticamente (ductibilidad y
maleabilidad). Esta plasticidad permite conformarlos, por ejemplo, a barras, latas de
conservas, carrocería de automóviles, etc., por procesos de elaboración plástica de
materiales tales como prensado, embutidos, laminado y forja. Aún más importante, esta
misma plasticidad le da a los metales resistentes la extraordinaria tenacidad que es la
habilidad para resistir todos los golpes y choques del largo y duro servicio sin que se
quiebren o desmoronen. Metalurgia Mecánica trata de todos estos aspectos, en particular
con la elaboración plástica de metales, el ensayo de propiedades mecánicas, las
relaciones entre estas propiedades y el diseño de Ingeniería, las relaciones de materiales y
el comportamiento de metales en servicio. Es la parte más antigua de la Metalurgia. Los
primeros metales conocidos, cobre, plata, oro se encontraron en forma nativa, como
pepitas metálicas. Los meteoritos fueron una fuente de aleaciones hierro-níquel. Todos
estos metales encontrados en forma natural son maleables y desde los primeros tiempos
fueron conformados a ornamentos, herramientas y armas por martillado. La forja de
metales se estableció ampliamente una vez que la Metalurgia Extractiva empezó a proveer
cobre, bronce, hierro esponja y otros metales en mayor cantidad. Los romanos hicieron
uso extenso de láminas y cañerías de plomo en los sistemas de suministro de agua. El
acuñado marcado de un relieve en una superficie metálica con un punzón y un dado, fue
desarrollado tempranamente. Las ventajas de la elaboración plásticas de metales a varias
temperaturas también fue reconocido, el trabajo en frío, debido a que aumentó la dureza
y resistencia de los metales tales como el cobre y el hierro; trabajo en caliente,
particularmente del hierro esponja, debido a que los metales resultaban ser mucho más
blandos y maleables a altas temperaturas y también porque podrían ser unidos por
soldadura a presión al ser martillados uno sobre el otro en caliente.
El trabajo mecánico de metales permaneció por varios siglos en gran parte, como una
industria artesanal, tipificada por la forja del herrero. La necesidad por partes forjadas más
grandes y el uso de la potencia del vapor condujo al martinete y a la prensa de forja. Un
desarrollo de importancia fue el laminador, cuyo uso se extendió en el siglo XVIII. Otros
procesos, tales como trefilación, maquinado, y extrusión, también se desarrollaron y
muchos procesos nuevos, incluyendo la forja en frío de acero usando lubricantes a alta
presión y el conformado explosivo en el cual el metal es proyectado contra la matriz por la
fuerza de una explosión. El conformado hidrostático en el cual se trabaja mientras está
sometido a una gran presión hidrostática para evitar fractura, parece abrir una fase
totalmente nueva en Metalurgia Mecánica permitiendo el trabajo de metales y aleaciones
más frágiles.
La ciencia de la Metalurgia Mecánica consiste de tres partes principales y relacionadas.
Primero, las propiedades mecánicas básicas tienen que ser explicadas desde una teoría
atómica de metales, análogas a la teoría cinética de los gases. Aquí se le une la Metalurgia
Mecánica con la Metalurgia Física. Luego, partiendo de estas propiedades básicas, el

comportamiento de los metales tiene que ser entendido y controlado. El ataque de este
problema ha dado lugar a una nueva rama de la mecánica aplicada, la teoría de la
elasticidad. Tercero, nuevamente en términos de propiedades básicas, el comportamiento
mecánico de los metales en el servicio tiene que ser entendido y mejorado para evitar
fallas, debido a deformación plástica, fractura frágil, fatiga, etc., y proveer una base racional
para el diseño de Ingeniería y el eficiente y seguro uso de los materiales. Este es ahora un
campo de mucha actividad.
1.4. METALURGIA FÍSICA
Pocas cosas de la naturaleza parecen más inanimadas que un pedazo de metal. El
observador solo ve su propio reflejo en la superficie brillante y quieta y nada del mundo
interno. Este mundo interno, sin embargo, es un lugar de actividad incesante. Los
electrones disparan de un lado al otro a inmensa velocidad. Los átomos mismos también
se mueven e intercambian lugares, aún cuando el metal está completamente sólido. Los
cambios de temperatura pueden hacer que los átomos se reubiquen de improviso,
tomando una forma radicalmente diferente de organización. En un acero templado esto
puede ocurrir en un par de microsegundos, aún a temperaturas muy por debajo de la
ambiente. Deformación plástica ocurre por el paso de defectos cristalinos, llamados
dislocaciones, que se mueven a alta velocidad a través del metal y ocasionan
deslizamientos visibles entre masas enormes de átomos. El tráfico de dislocaciones puede
llegar a ser muy denso. Se forman inmensos tacos de tráfico, que hacen que las
dislocaciones no puedan moverse y el metal se endurece. Cuando este metal "endurecido
por trabajo" es calentado (recocido) se libera de estas dislocaciones en una ola de
reorganización del ordenamiento atómico (recristalización). Ordenamientos atómicos
completamente nuevos pueden ser producidos por aleación y estos a su vez pueden ser
cambiados por tratamientos térmicos. Por ejemplo, cuando una aleación de aluminio se
mantiene a temperatura ambiente, después de templada, sus átomos de aleación se
mueven a través del sólido para agruparse en pequeños aglomerados, como gotitas de
agua en la neblina, estos aglomerados endurecen el metal para dificultar el paso de las
dislocaciones (endurecimiento por precipitación).
El estudio de todos estos efectos pertenece a la Metalurgia Física, la parte que trata de la
estructura de los metales y aleaciones, con el objeto de diseñar y producir aquellas
estructuras que dan las mejores propiedades. La Metalurgia Física tiene conexiones obvias
con Metalurgia Mecánica, pero también tiene conexiones estrechas con Metalurgia
Química, particularmente en conexión con la fundición de metales, la preparación de
aleaciones, corrosión y los muchos efectos de las impurezas sobre las estructuras y
propiedades de metales y aleaciones.
Es la parte más nueva de Metalurgia, aunque los procesos de templado y revenido,
endurecimiento por trabajo, recocido y aleación, ya se descubrieron y usaron de un modo
completamente empírico, en los tiempos antiguos. Intentos llenos de imaginación para
construir una teoría de metales, incluyendo las ideas esenciales que los sólidos pueden ser
cristalinos, o sea, que tienen sus átomos tomando una configuración ordenada, fueron

hechas en el siglo XVII y XVIII. Sin embargo, no había modo de probar estas ideas
experimentalmente en aquellos tiempos y la mayoría de los científicos preferían trabajar en
campos tales como mecánica, astronomía, electricidad y química donde el progreso era
más fácil. Así se desarrolló la ciencia en la forma clásica como la conocemos por la
historia.
Un descubrimiento trascendental para la Metalurgia Física, fue desarrollado por Sorby, en
la segunda parte del siglo XIX, la técnica metalográfica para la observación de estructuras
de metales y aleaciones con un microscopio óptico de reflexión. La gran barrera del brillo
superficial fue penetrada finalmente, por un proceso de pulido y ataque químico para
revelar la estructura interna. Se vio entonces la estructura granular de los metales, un
ensamble de cristales diminutos entrelazados. Se observaron grandes cambios en la
microestructura debido a aleación, trabajo y tratamiento térmico. Las ideas acerca de la
naturaleza de estos cambios se agudizaron rápidamente una vez que fue posible
interpretar estas observaciones. Aproximadamente en el mismo tiempo, la teoría de la
termodinámica fue clarificando lo que sucedía cuando se mezclan diferentes sustancias y
esto permitió estudiar las aleaciones científicamente. La combinación de la investigación
sistemática en aleaciones mediante microscopia óptica abrieron muchas de las puertas
hacia la Metalurgia Física. Los efectos del carbono en el acero pueden ser entendidos en
buena medida, tanto como los procesos de endurecimiento por temple y revenido, las
estructuras y propiedades de las primeras aleaciones, tales como bronce y latones,
pudieron ser racionalizadas, y por fin se tenía un método para el desarrollo sistemático de
aleaciones diseñadas deliberadamente para tener ciertas propiedades.
El microscopio metalúrgico aún es el mismo instrumento más útil de uso general con que
cuenta el metalurgista físico. No se pudo por cierto, dar prueba directa del ordenamiento
atómico cristalino en los metales, aunque dejó poco lugar para dudas. La prueba directa
tuvo que aguardar hasta el descubrimiento del método de Difracción de Rayos X, cuya
aplicación introdujo la segunda fase de importancia de Metalurgia Física en 1920. También
se prepararon monocristales de metales, en ese tiempo, y sus propiedades mecánicas
explicaron buena parte de los procesos de deformación plástica.
Los próximos grandes avances fueron teóricos. A principios de 1930 la teoría cuántica de
electrones y átomos había llegado a ser suficientemente poderosa como para prever una
teoría real del estado metálico, que podía explicar en que consiste realmente un metal y
como conduce la electricidad. Las fuerzas que mantiene juntos a los átomos pudieron
entonces ser entendidas y se inició la teoría de las aleaciones.
Se vio que la corrosión es (y demostrada experimentalmente) tanto un proceso eléctrico
como químico y la movilidad de átomos en metales fue explicada en término de ciertos
defectos bien definidos en la estructura cristalina (dislocaciones y vacancias). La
metalurgia teórica fue forzada aún más lejos en los años inmediatamente después de la
segunda guerra mundial por la necesidad de desarrollar metales y aleaciones que pudieran
resistir altas temperaturas para turbinas a reacción, o aquellas que pudieran resistir
radiación nuclear dañina en reactores nucleares y la demanda de materiales especiales a
usarse en la industria eléctrica. Aún más recientemente, los experimentos han vuelto a
tomar delantera debido al desarrollo del extremadamente poderoso microscopio

electrónico y técnicas de microscopia de campo iónico, que permite observar la estructura
de los metales a escala atómica. El estudio de dislocaciones y estructuras atómicas en
metales ha llegado a ser principalmente una ciencia experimental.
Los innumerables avances que han ocurrido en el campo de la ciencia básica de los
metales en los años recientes han dejado el considerable problema de dirigirlos todos y
convertirlos en un avance correspondiente en las ciencias aplicadas. No obstante, ahora
podemos ver claramente como diseñar las microestructuras de metales y aleaciones de
modo de desarrollar las propiedades básicas para los mejores efectos. Algunas de las
nuevas micro-estructuras propuestas son muy diferentes de las tradicionales y hay un gran
desafío tecnológico para llevarlos a cabo en gran escala comercialmente. En cuanto a la
ciencia básica hay aún muchas áreas en las que quedan problemas fundamentales que
tienen particularmente que ver con la teoría de aleaciones, con metales líquidos y con las
propiedades mecánicas más complejas tales como fatiga de metales.
1.5. CIENCIA METALÚRGICA E INDUSTRIA
Hoy en día la Metalurgia es una ciencia aplicada. Su fascinación reside en el desafío de
usar la ciencia para dar a la humanidad los mejores materiales de Ingeniería que permitan
las leyes de la naturaleza y los recursos naturales a disposición del hombre.
A menudo, este simple hecho no es considerado o es olvidado. Esto se debe en parte al
hecho que por miles de años la Metalurgia Industrial fue un acto empírico en el cual la
"manera correcta" de hacer las cosas se aprendía por la dura experiencia. Sin embargo,
esto es historia y la ciencia está ahora con nosotros. Pero durante el proceso de desarrollo
de esta ciencia, la Metalurgia Académica a veces parecía una ciencia pura, sin relación
alguna con la industria. En realidad, la explicación de las propiedades de los metales en
términos de la microestructura y el desarrollo de la teoría de aleaciones puede existir por sí
misma como contribución a la ciencia pura. El objetivo a largo plazo de este trabajo ha sido
el de proveer una base científica para mayores avances prácticos. Un buen ejemplo es
proveído por la historia de la superconductividad.
La superconductividad, por años una rama de la física pura, inmediatamente llegó a ser
materia de intenso interés metalúrgico, una vez que la posibilidad de hacer componentes
superconductores útiles fue claramente visualizada.
La ciencia aplicada de esta materia conecta la ciencia de los metales. Esta conexión solo
se mantiene y refuerza por el cuidado y la atención deliberada, porque siempre hay una
tendencia de separación entre la parte científica y la industrial. Es tan natural para el
investigador dedicarse totalmente a su problema científico como lo es para el industrial
dedicarse totalmente a sus problemas de producción, pero esto tiene demasiado a
menudo el resultado que cada uno no tiene suficiente tiempo para el otro. Esta tendencia
debe, sin embargo, ser resistida a toda costa; ya que sin un propósito práctico la ciencia
llegará a ser irrelevante, trivial y sin el científico la industria se estanca técnicamente y
sobrevive sólo gracias a la mano de obra barata y la viveza en la contabilidad.

La dificultad de este problema no debe ser subestimada. Las cualidades que ayudan a ser
un buen investigador, habilidad de fijar la atención en un sólo problema científico con
exclusión de todo lo otro y de suspender todo juicio hasta que los hechos están bien claros,
no son muy recomendables para el miembro de un grupo de diseño o de producción
donde la amplitud de conocimientos, rápida respuesta y buen juicio intuitivo son
indispensables. Muy pocas personas serán capaces de contribuir completamente en
ambos lados de la materia, el científico y práctico, por lo menos no en la misma etapa de
su carrera. Aún más, las cualidades que hacen un buen experimento, selección de
condiciones especiales y materiales experimentales, a desplegar los efectos críticos tan
claramente y simplemente como sea posible, control riguroso de todas las variables no
deseables a menudo conducen al experimento lejos del problema industrial que se
pensaba analizar.
Por esta razón, el investigador metalúrgico no puede resistir de llegar a separarse de sus
colegas más prácticos. Pero él nunca debe dejar de responder al desafío de hacer que su
trabajo, sea lo más directamente relevante al de ellos, sin sacrificar los principios de la
buena ciencia. El investigador metalurgista debe buscar y extractar sus problemas
precisamente del corazón de la misma industria, pero deben ser científicamente buenos
problemas. La habilidad de hacer esto, y el placer de hacerlo es a veces bastante remoto
al corazón de la investigación científica pura, y el inculcar esta habilidad y actitud es quizás
la principal justificación para la enseñanza de la metalurgia como una disciplina académica
separada. El metalurgista industrial también tiene sus desafíos. El debe permanecer atento
a la ciencia y aún debe resolver sus urgentes problemas por la ruta más rápida, que a
veces puede ser en gran medida empírico porque no hay tiempo para parar y llenar la
base científica que falta. Juicio intuitivo, una habilidad de concebir y ensayar soluciones
rápidas adhoc y seguir sin mayores preocupaciones, si fueron exitosos, son esenciales
aquí.
Sin embargo, una buena base de ciencia analítica es igualmente importante para disminuir
la selección de posibles rutas empíricas, para coordinar todos los innumerables pedazos
de información hasta obtener un cuadro coherente y para asignar valores y poner énfasis
sobre las varias partes del programa, para demostrar donde el camino puede ser recorrido
rápidamente y donde se debe hilar más fino. Este tipo de Metalurgia también es ciencia
aplicada y requiere gran poder analítico.
En los capítulos que siguen, trataremos de desarrollar una visión unificada de ambos
aspectos lo científico y lo industrial. Aún en un curso introductorio hay una gran cantidad de
ciencia y aún un gran número de datos que aprender. La ciencia no puede tomar vuelo sin
los hechos o datos pero un largo recital preliminar de los datos de la Metalurgia Industrial
sin la ciencia, solo es estupificador. Para sobrellevar este problema trabajaremos a través
de la ciencia, partiendo por el núcleo atómico y llegando gradualmente a las estructuras
más complejas de los metales industriales, para proveer una línea continua al tema entre
manos, pero por el camino haremos hincapié en todos los puntos adecuados para mostrar
como esta ciencia está relacionada a las formas características de la Metalurgia Industrial.
Por el camino de cruce de la ida y vuelta entre la ciencia de los metales y lo práctico
industrial. Trataremos de visualizar la Metalurgia como una ciencia aplicada que conecta
estos dos lados.

Capítulo 2: La Metalurgia o la Ciencia y el Arte de los Metales 13
CAPÍTULO 2: LA METALURGIA O LA CIENCIA Y EL ARTE DE LOS METALES
2.1. INTRODUCCIÓN
La Metalurgia es la ciencia y el arte de extraer metales a partir de sus minerales,
refinándolos y preparándolos para su uso. La obtención de los metales se realiza a través
de una secuencia de pasos o etapas que pueden ser de carácter físico o químico.
Los metales se encuentran en la naturaleza en forma de minerales o mezclas de
minerales, los cuales contienen usualmente grandes proporciones de minerales de
desecho junto a los minerales de los metales valiosos. Una vez extraída la mezcla mineral
de la mina, el primer paso a seguir es, en general, extraer físicamente los minerales
valiosos separándolos en gran parte de la ganga. Esto se realiza triturando y moliendo los
minerales para separarlos entre sí y luego concentrando aquellos minerales valiosos por
procedimientos tales como la concentración por gravedad, flotación por espuma o
separación magnética, en los cuales se aprovechan las diferencias de las propiedades
físicas de los diferentes minerales. Estas operaciones se caracterizan por no modificar las
características químicas de los minerales que han sido separados. Los siguientes pasos
en la extracción de los metales a partir de los concentrados y su refinación posterior son
necesariamente de naturaleza química, el metal valioso debe ser separado químicamente
del compuesto que lo contiene; para esto se requiere la ejecución de una amplia variedad
de reacciones químicas en gran escala.
La mayor parte de estos procesos químicos se realizan en hornos de alta temperatura,
aunque en algunos casos se utiliza electricidad para producir los cambios químicos tanto
a bajas como a altas temperaturas. En general, la obtención de un metal en particular
involucra una serie de tales pasos químicos.
Una vez que el metal ha sido extraído y refinado, debe sufrir un tratamiento posterior para
adaptarlo al uso que le ha sido asignado. Por medio de las adiciones de otros elementos,
las deformaciones mecánicas, los tratamientos térmicos, etc. se le entregan al metal las
propiedades que determinan su utilidad posterior.
Este es a grandes rasgos el panorama de la Metalurgia; es por lo tanto, en primera
instancia, un conjunto de actividades humanas reunidas con un fin común, la obtención de
artículos metálicos. La importancia de unificar estas actividades en una sola cosa objeto
de estudio, no es del todo clara y su justificación es más bien histórica; sin embargo, cabe
tener presente que en la naturaleza existen alrededor de un 80% de elementos que
presentan características metálicas. Si bien el conjunto de operaciones involucradas en la
fabricación de un objeto metálico presenta una unidad evidente, de acuerdo con la
secuencia de las etapas necesarias para la obtención de un producto metálico, no es
igualmente evidente la existencia de una unidad científica, que conteniendo métodos o
conocimientos básicos particulares, pueda llamarse “Ciencia Metalúrgica”.
Sólo en los últimos años se ha hecho claridad en el sentido de que al nombre Metalurgia
responden dos unidades del conocimiento: la Ingeniería Metalúrgica y la Ciencia

Metalúrgica. Al hablar aquí de la Metalurgia como una ciencia básica que tenga algún
método particular o sus propias leyes independientes del resto, queremos decir que ese
conocimiento básico no está contemplado en general en otras ciencias o es comprendido
en términos diferentes en ellas. La Ingeniería Metalúrgica es una de las profesiones más
antiguas del hombre, ha jugado un papel preponderante en el desarrollo de las
sociedades humanas llevándolas desde la tenebrosa Edad de Piedra a la Edad de Bronce
y posteriormente a la Edad del Hierro; actualmente gran parte del progreso humano se
sustenta en el gran desarrollo alcanzado en la elaboración de los metales. Este es un
hecho indiscutible. La Ciencia Metalúrgica es relativamente nueva y está en una etapa
más bien primitiva de su desarrollo. A continuación se establecen más detalladamente
estos conceptos y se muestran las divisiones internas de la Metalurgia así como los
nombres usualmente empleados.
2.2. INGENIERÍA METALÚRGICA
La Ingeniería Metalúrgica es el conjunto de operaciones y procesos por medio de los
cuales un mineral es reducido a un metal, el cual a su vez es modificado en las formas y
con las propiedades requeridas para ser utilizadas por el hombre.
La Ingeniería Metalúrgica se divide en cuatro grandes áreas de acuerdo con la secuencia
lógica de los procesos: preparación de minerales, metalurgia de procesos, procesamiento
de metales y metalurgia de aplicación. Los dos primeros caen en lo que comúnmente se
denomina Metalurgia Extractiva que abarca hasta la obtención de los metales, y los dos
últimos en Metalurgia Adaptiva a la cual le competen las modificaciones y el control de las
propiedades de los metales y las aleaciones.
La siguiente tabla ilustra la división de la Ingeniería Metalúrgica donde se incluyen los
tópicos más comunes que conforman cada campo. Los nombres que aparecen
corresponden a procesos unitarios y operaciones unitarias que son comunes para todos
los metales; los metales no se distinguen entre si más que por sus propiedades y por tal
razón no aparecen términos clásicos como ferroso y no ferroso, estos términos pueden
ser utilizados industrialmente, pero la división de la ciencia o la Ingeniería en virtud de
tales líneas no es conveniente, como tampoco es conveniente dividirla de acuerdo con el
metal tratado.
En esta tabla aparecen las actividades típicas de un Ingeniero Metalúrgico en cada uno de
sus campos de especialización. Esta es una división natural basada en la realidad
industrial de todos los países del mundo y no una definición basada en los conocimientos
básicos. Este es el amplio objetivo que debe tenerse en cuenta en la formación de un
Ingeniero Metalúrgico, ya que es el tipo de labores que desarrolla en el desempeño de su
profesión.
A continuación se verá con un poco más de detalle cada campo de la Ingeniería
Metalúrgica.

Metalurgia Extractiva Metalurgia Adaptiva
1- Preparación de Minerales
a.- Conminución
b. Concentración
c.- Lixiviación
3- Procesamiento de Metales
a.- Conformado de Metales
b.- Fundición
c.- Soldadura
d.- Tratamiento de superficies
e.- Metalurgia de Polvos
f.- Tratamientos Térmicos
2. - Metalurgia de Procesos
a.- Tostación
b.- Reducción
c.- Refinación
d.- Electrorefinación
e.- Lingoteado
4- Metalurgia de Aplicación
a.- Control de Calidad
b.- Selección y especificación
c.- Diseño de Aleaciones
* Modificado de John Chipman; “What is Metallurgy”.

2.4. PREPARACIÓN DE MINERALES
La Ingeniería Metalúrgica comienza con el mineral metálico y las primeras operaciones
son las relacionadas con la preparación de minerales. La mayor parte de las actividades
involucradas en este campo se caracterizan por no modificar la estructura química de las
especies mineralógicas, son "operaciones físicas" cuyo objetivo es separar una especie de
otras. Solamente la lixiviación, dentro de este campo, involucra una reacción química y por
lo tanto cae dentro del grupo de "procesos químicos". En general, cada elemento metálico
se extrae por procedimientos diferentes, sin embargo, todos los procedimientos consisten
en pasos que son comunes, es decir, están formados por un número relativamente
pequeño de pasos que se combinan en grupos y secuencias definidas. Estos pasos
individuales de denominan operaciones unitarias o procesos unitarios, según el caso; la
combinación de ellos se conoce con el nombre de "flow sheet".
La siguiente tabla muestra los principales pasos unitarios involucrados en la preparación
de minerales.
Existe una marcada semejanza entre las operaciones unitarias contenidas en el
tratamiento de minerales metálicos contenidas en el tratamiento de minerales metálicos y
aquellas relacionadas con los minerales no metálico, cerámicos y de combustibles sólidos,
todos ellos relacionados íntimamente con la geología económica y la minería. Se ha dicho
que este primer segmento de la Ingeniería Metalúrgica constituye también una parte de un
campo más amplio denominado Ingeniería Mineral.
OPERACIONES Y PROCESOS UNITARIOS DE LA PREPARACIÓN DE MINERALES*
Operaciones Unitarias Procesos Unitarios
Chancado
Molienda
Cribado
Clasificación
Separación por Gravedad
Jigging
Flotación
Separación Magnética
Separación Electrostática
Agitación
Filtrado
Manejo de Materiales
Lixiviación
Precipitación
* Obtenida de R.Schuhmann, Jr. “The Unit Processes of Chemical Metallurgy”
La fundamentación científica de las operaciones unitarias, involucradas en la preparación
de minerales que configura el área denominada "Mineralurgia", está basada en tópicos
tales como: Cristaloquímica, termodinámica de superficies, Mineralogía, Mecánica de
fluidos y otros de aplicaciones no tan generales, pero si importantes para una operación
específica, tales como Química Orgánica, Electricidad y Magnetismo y otras ramas de la

física. Los fundamentos de los procesos químicos de la preparación de minerales, esto es,
la lixiviación y la precipitación, son similares a los de otros procesos, contenidos en la
Metalurgia de procesos y serán consideradas después.
La importancia de la preparación de minerales en la Ingeniería Metalúrgica es obvia, si se
piensa, que ella determina, según su estado de desarrollo, el que un depósito mineral sea
explotable o no. La gran parte de nuestro cobre se obtiene a partir de minerales que no
tenían ningún valor hace 50 o 60 años atrás. Esto se debe exclusivamente al desarrollo
de la flotación que convirtió rocas sin importancia en fuentes naturales. Así, en el futuro,
muchos de nuestros metales provendrán de minerales que hoy en día no son
convenientes de tratar. Esta es una de las grandes tareas de la Ingeniería Metalúrgica.
2.5. METALURGIA DE PROCESOS
La Metalurgia de procesos es la sucesión de pasos o procesos por medio de los cuales un
mineral impuro se reduce a un metal, refinado, aleado y lingoteado en las formas
apropiadas como metal primario dispuesto para un procesamiento posterior. Todos los
pasos involucrados en este campo, sin excepción, se caracterizan por modificar las
propiedades químicas o los estados de agregación de las especies químicas que en ellas
participan, son por lo tanto procesos químicos.
La Metalurgia de procesos es muy afín con la Ingeniería Química con la cual tiene muchas
ideas y problemas en común; aunque la mayor parte de los procesos unitarios son
distintos a los de la Ingeniería Química los principios básicos en que se sostienen son muy
semejantes.
En la práctica es muy común encontrar a Ingenieros Químicos que se han especializado
en Metalurgia de Procesos y que cubren este campo ocupacional al igual que los
Ingenieros Metalúrgicos. Esta práctica es discutible ya que para ser un eficiente
metalurgista de procesos, no sólo es necesario contar con un amplio respaldo en los
aspectos básicos, lo cual si es común, sino que también debe tenerse una gran
familiaridad con los sistemas estudiados. Los metales fundidos, las escorias, la electrólisis
de sales fundidas, la solidificación de lingotes, etc., no son conceptos familiares para los
Ingenieros Químicos, quienes se desenvuelven siempre con sistemas a temperaturas
mucho menores. Sin embargo, hay que destacar que las diferencias entre ambos campos
deben buscarse en los tipos de sistemas estudiados y no en los conocimientos básicos
utilizados.
Antiguamente era costumbre enseñar la Metalurgia de procesos en términos del metal
estudiado, de ahí aparecieron términos tales como, metalurgia del cobre, metalurgia
ferrosa, metalurgia del níquel, etc. actualmente tal práctica es anacrónica, en cambio el
estudio se lleva a cabo con el concepto de proceso unitario incorporado por Schuhmann;
según esto, al igual que en la preparación de minerales, todas las especies minerales
sufren una secuencia de procesos comunes para ser convertidos en metales primarios.
La siguiente tabla muestra los principales procesos que sufren los minerales y que
conforman la Metalurgia de Procesos.

PROCESOS UNITARIOS DE LA METALURGIA DE PROCESOS
Secado Metalotermia
Calcinación Carbotermia
Tostación Destilación y Sublimación
Sinterización Fusión de Retortas
Fusión simple Reducción gaseosa
Fusión en alto horno Refinación a Fuego
Conversión Electrorefinación
Reducción líquida Electrorecuperación
Combustión Electrólisis de sales fundidas
Lingoteado Procesos Hidrometalúrgicos
Es conveniente aclarar aquí la significación de ciertos términos muy utilizados en el
lenguaje de la Ingeniería Metalúrgica como son los de: Piro, Hidro y Electrometalurgia.
Este término son generalizados de un conjunto de procesos que no tienen una
característica particular, pero que no implican ningún fundamento básico; así la
Pirometalurgia es el conjunto de procesos unitarios de la Metalurgia de procesos que
implican altas temperaturas, pero que puede ser en sistemas gas-sólido, líquido-líquido,
etc. La Hidrometalurgia implica soluciones acuosas y la Electrometalurgia el uso del
principio de la electrólisis sea en soluciones acuosas, soluciones metálicas o iónicas. Su
uso, por lo tanto, es limitado y no debe formar parte en la definición de la Metalurgia.
Los procesos unitarios de la Ingeniería están, en general, relacionados con reacciones
químicas y cambios de estado; las bases fundamentales con que se apoya son, por cierto,
la Termodinámica, la Cinética de reacciones, la Electroquímica y la Química Inorgánica,
pero aplicada, en ciertos casos, a sistemas muy particulares como son los de sales
fundidas, soluciones iónicas, soluciones metálicas y en casos menos frecuentes en
sistemas acuosos y gaseosos. Es decir, que en general, la Metalurgia de procesos trata
con sistemas heterogéneos y por lo tanto, se apoya en una gran medida en la ciencia de
los Fenómenos de Transporte.
La aplicación de estos principios a la Ingeniería Metalúrgica ha permitido mejorar
enormemente los procesos introduciendo nuevos métodos tecnológicos, desarrollando
nuevos sistemas y mejorando sustancialmente la calidad de los productos con más
eficiencia y mayor economía de los procesos.
2.6. PROCESAMIENTO DE METALES
Bajo el nombre de procesamiento de metales están contenidos los procedimientos por
medios de los cuales los metales se transforman en objetos útiles. En general, en estos
procesos, aunque aquí esta palabra carece del sentido indicado antes, se modifican las
propiedades físicas y mecánicas de los metales y sólo raramente sus propiedades
químicas.

Una parte de este campo, el conformado de metales junto con el estudio de las
propiedades mecánicas de los materiales, lo cual se denomina a veces como Metalurgia
Mecánica, ha sido hasta ahora un dominio de la Ingeniería Mecánica; debido al estado de
desarrollo de esta área, los problemas relacionados con las fuerzas aplicadas y las
respuestas del sistema como medio continuo. La Ingeniería Metalúrgica se preocupa
fundamentalmente del comportamiento de los metales bajo diversas solicitaciones desde
el punto de vista de la microestructura, solo recientemente el conformado de metales ha
alcanzado un estado de desarrollo en el cual es conveniente estudiar estos problemas.
El proceso que sigue un metal para ser convertido a la forma y con las propiedades
deseadas, depende del metal en cuestión y del objetivo perseguido, sin embargo existe un
cierto número de pasos únicos a los cuales un metal puede ser sometido. Los más
importantes muestran en la siguiente tabla.
PASOS UNITARIOS EN EL PROCESAMIENTO DE METALES
Laminación Temple y Revenido
Forja Recocido
Trefilación Normalizado
Extrusión Carburización o Cementación
Fusión y Colada Nitruración
Soldadura Compactación
Galvanizado Sinterización
Zincado Metalurgia de Polvos
Los fundamentos científicos en que se basan los procesamientos de los metales son
muchos y muy variados, en ciertas partes son los mismos que en metalurgia de procesos,
pero además existe una ancha gama de materias como son la metalografía, cristalografía,
física del estado sólido, la teoría de dislocaciones, difusión en el estado sólido,
solidificación, reacciones martensíticas, transformaciones de fases, elasticidad,
plasticidad, etc. que forman parte de la ciencia básica en que se apoya toda la Metalurgia
Adaptiva.
Durante mucho tiempo, la gran mayoría de estos procesos fueron relegados por los
Ingenieros Metalúrgicos a un control puramente empírico. Sólo en este último tiempo y en
forma parcial se han logrado adelantos al aplicar los conocimientos científicos a ellos,
especialmente en la industria de la fundición y en los tratamientos térmicos. Así, "nosotros
hemos visto en años recientes doblar la resistencia de las fundiciones grises persuadiendo
al grafito a formar nódulos en vez de escamas o láminas".
2.7. METALURGIA DE APLICACION
El saber elegir el metal justo y colocarlo en el sitio justo con las mejores condiciones de
costo y de servicios es la última rama de la Ingeniería Metalúrgica. La selección y
especificación de los metales y de su tratamiento (térmico, superficial, etc.) es

generalmente una tarea de grandes proporciones que obliga al Ingeniero a utilizar al
máximo de su ingenio y su experiencia. Para realizar esto debe tener en cuenta, la
complejidad de la estructura, los diversos tipos de metales, la calidad adecuada, los
aspectos económicos, etc.
En este campo, las ciencias mencionadas anteriormente, encuentran mejor su aplicación
práctica, y además aquí la Metalurgia se sirve de toda la Ingeniería; aquí el Ingeniero
Metalúrgico esta constantemente trabajando con otros ingenieros, por lo tanto debe
conocer su lenguaje, debe comprender los rendimientos del diseño, la fabricación,
inspección y el ensamblado.
Si ningún metal o material conocido es satisfactorio para la tarea dada, una nueva
aleación o nuevo material debe ser diseñado para cumplir el objetivo, un programa de
investigación y desarrollo será requerido. A medida que se obtengan aleaciones que
cumplan con las necesidades, los requisitos aumentan, aún mejores aleaciones son
requeridas y el proceso debe continuar. Estamos constantemente en medio de tales
desarrollos. Rápido progreso se hace en este momento en el desarrollo de metales útiles
a altas temperaturas. El diseño de una aleación nueva para un propósito dado puede ser
una tarea muy simple o extremadamente difícil, dependiendo de la disponibilidad de los
datos científicos básicos.
Como muchos requisitos no han podido satisfacerse con aleaciones metálicas se ha
buscado y encontrado soluciones con materiales no metálicos como son las cerámicas y
los polímeros (comúnmente conocidos como plástico) o sus combinaciones – dando lugar
a los materiales compuestos o compósitos, que son el interés de una nueva disciplina, la
Ciencia de los Materiales. La Ciencia de los Materiales se nutre de todo el conocimiento
metalúrgico básico para aplicarlo a todos los materiales y al enriquecerse con la química y
física del estado sólido dando nacimiento así a la Ingeniería de Materiales, la natural
expansión de la Metalurgia Física.

Capítulo 3: Reseña y Evolución Histórica 21
CAPÍTULO 3: RESEÑA DE LA EVOLUCIÓN HISTÓRICA
3.1. INTRODUCCIÓN
El descubrimiento de los metales y el conocimiento de sus propiedades especiales
ocurrieron a muy diferentes tiempos en las diferentes regiones del mundo.
Con la excepción de pequeñas cantidades de cobre nativo, algunos depósitos de oro y
plata y meteoritos de hierro y níquel, los metales generalmente no se encuentran en
estado libre, sino que se encuentran como mezclas de minerales.
Como usualmente los minerales no se parecen en nada a los metales que contienen, nos
maravillamos como el hombre primitivo llegó a extraer el metal de ellos. Quizás el color
brillante y llamativo de muchos minerales hizo que fueran coleccionados con propósitos
ornamentales o mágicos. La malaquita, el mineral más común de cobre, CuCO3 Cu (OH)2,
por ejemplo es de color verde-azulado brillante. Si tal mineral cae accidentalmente dentro
del fuego se obtienen brillantes perlitas de metal. Donde sea que esto ocurrió el hombre
primitivo debe haber estado asombrado de descubrir que algunas piedras pudieran ser
calentadas hasta ceder algo con consistencia como agua y al ser enfriados nuevamente
se endurecían como piedras.
El primer metal usado por el hombre fue el oro que se obtenía en forma de pepitas de los
lechos en los ríos. Llamó la atención especialmente porque era brillante y no perdía su
lustre con el tiempo. Por ser un material muy maleable, podía cambiársele su forma a
golpes sin que se resquebrajara, usándolo como adorno.
Esto significa que la Metalurgia Mecánica con la operación de forja, es la rama más
antigua de nuestra especialidad. El cobre que también se encontraba en forma nativa
(estado metálico, no-combinado químicamente), fue usado posteriormente. El forjado de
este metal permitió cambiarlo de forma con lo cual se endurecía hasta seguramente
ponerse quebradizo, con lo que perdía la propiedad más importante que lo distinguía de
las piedras. Quizás alguien calentó el metal deformado y observó que nuevamente se
ablandaba, así se hizo el primer "recocido". En alguna oportunidad se calentó demasiado
excediendo la temperatura de fusión y el metal de fundió. Este hecho debidamente
aprovechado, vertiendo el líquido en un molde, que al solidificar permite obtener formas
más complicadas que las posibles por forja, ocurrió por primera vez 4000 años (Rusia),
desde donde se extendió a Mesopotamia. Se utilizó para fabricar armas permitiendo que
sus habitantes obtuvieran victorias más fáciles en las batallas.
El cobre fue el primer metal cuyo uso se extendió, probablemente porque sus minerales
ceden el metal fácilmente en un fuego de carbón vegetal. Se descubrió más adelante que
al calentar minerales de cobre mezclados con minerales de estaño, la dureza del cobre
aumentaba enormemente. Esta adición también baja la temperatura requerida para
fundirlo. La aleación resultante, conocida como bronce, eventualmente reemplazó al cobre
puro en la fabricación de herramientas y armas (espadas, arados y campanas). Aunque
los minerales de hierro eran abundantes, los fuegos primitivos no eran suficientemente

calientes, aún cuando se usaban "fuelles" (de piel de cabra), para tratar de obtener hierro
líquido. Luego en vez de poder juntarse convenientemente en un baño líquido, cuando se
calentaba el mineral con carbón vegetal, el hierro permanecía como una masa pastosa y
esponjosa mezclada con escoria. Como el hierro no podía ser vertido, no podía colocarse
en moldes. Al calentarse al rojo era golpeado o forjado a la forma deseada. (Punto de
fusión del Cobre 1083ºC mientras que el hierro funde a 1538ºC).
Los productos de hierro eran superiores en resistencia y duración a los de bronce pero las
técnicas metalúrgicas más complicadas hicieron que la producción de hierro apareciera
más tarde en la escena histórica. Los Hititas de Asia Menor fueron los primeros en forjar
armas de hierro en cantidades, en gran medida gracias a ellas tuvieron éxito en su
invasión en el siglo XIV antes de Cristo al imperio Egipcio, la última gran civilización de la
edad del bronce.
Los metales conocidos en la antigüedad además del cobre y estaño fueron el oro utilizado
en ornamentos, la plata también en ornamentos además de monedas. El hierro
principalmente para herramientas y armas. El plomo en partes de las instalaciones de
acueductos (romanos) y otras aplicaciones de gasfiterías. El Mercurio para la extracción
del oro por amalgamación.
3.2. LA MAGIA DEL CRISOL
Los rituales mágicos y conceptos que se relacionaban con el arte de la metalurgia en
tiempos medioevales están ilustrados en la Tabla I. Los primeros alquimistas y astrólogos
veían una asociación oculta entre los metales y los cuerpos celestes.
La ambición del alquimista en extraer o sintetizar oro a partir de metales menos nobles los
incentivó a ensayar. Aunque nunca obtuvieron el oro en sus crisoles, el esfuerzo de los
alquimistas no fue en vano. Ellos desarrollaron técnicas de laboratorio tales como
destilación y los elementos arsénico, bismuto, cinc, antimonio y fósforo fueron aislados e
identificados.

Tabla 1. METALES DE LA ANTIGUEDAD
3.3. METALURGIA LLEGA A SER UNA CIENCIA
Pero no fue hasta el siglo XVI que aparecieron las primeras publicaciones que recopilaron
las técnicas y conocimientos de la época permitiendo así traspasar las experiencias
acumuladas en forma sistemática de una generación de metalurgistas a otra.
Así tenemos:
"De la Pirotécnica". 1540 por Vanuccio Biringuccio (1480 - 1539) director de la Fundición
Papal, recibió el nombre de padre de la Industria de la Fundición. Publicado en Italiano.
El contenido es poco útil debido a su lenguaje abstruso e impreciso.
"De Re-Metallica". 1556 por Georgius Agrícola (o Georg Bauer). Publicado en latín,
Primera publicación escrita usando el equivalente al método científico para la época. Fue
traducido al inglés en 1912 por Herbert Hoover (ex-presidente de E.E.U.U. de profesión
Ingeniero Metalúrgico).
Los avances en el campo de la Química hicieron posible expresar los fenómenos
metalúrgicos en términos de reacciones químicas. De esto nació la metalurgia extractiva,
Oro
Plata
Mercurio
Cobre
Hierro
Estaño
Plomo
Antimonio
Platino
Sol
Luna
Venus
Marte
Jupiter
Saturno
Mercurio

que incluye la reducción científicamente controlada de minerales metálicos para extraer el
metal y lograr la purificación del metal en bruto además de la adición de elementos de
aleación. Esta área mostró un gran progreso durante la última parte del siglo XIX. (Ver
tabla II)
Tabla II. Fechas Históricas de interés Metalúrgico.
antes de 4000 A.C Uso del oro y cobre nativo. Martillado para
endurecer y calentado sin llegar a fundir.
4000 a 3000 A.C Reducción de minerales oxidados de cobre y
plomo. Aleaciones de cobre y arsénico por fusión
de minerales. Bronce. Fundición del cobre casi
puro. Soldadura de cobre-oro-plata.
3000 a 2000 A.C Tostación de minerales sulfurados de cobre.
Ensayos de obtención de hierro esponja.
Técnicas de fabricación de joyas. Alambres por
cortadura de planchas.
2000 a 1000 A.C Hierro forjado. Bronce a partir del cobre y estaño
puros. Latón Aceros cementados y endurecidos
por temple.
1000 a 1 A.C Hierro fundido (solo en China). Producción de
hierro, cobre y plata. Estampado de monedas.
1 a 1000 Extracción del cinc. en China e India. Acero
desde hierro forjado y fierro fundido (China).
Acero por soldadura y forja repetida. Control del
carbono o por fundentes. Espada de Damasco.
En Europa espadas por forjado y cementación
en fraguas. (Francos y Vikingos)
1000 a 1500 Fundición del primer cañón de bronce por un
monje en Ghent (1509). Horno para reducción de
mineral de hierro a fierro fundido (arrabio).
Refinación de fierro fundido a hierro forjado.
1500 a 1600 Primer cañón de fierro fundido (1509).
Laminador para planchas delgadas para
confeccionar monedas. Extensa aplicación de la
fuerza hidráulica para trabajar los metales.
1600 a 1700 Horno reverbero a carbón para plomo y cobre.
Perdigones de plomo por caída libre. Aleación de
bajo punto de fusión de Newton.

1700 a 1800 Uso del cobre para obtención del hierro. (Darby-
1709-Inglaterra). Fundición Maleable. (Reaumur
1722, Francia). Acero en crisol redescubierto por
Benjamín Huntsman (relojero Inglés-1740).
Metalurgia del polvo para platino. Extrusión de
tubos de plomo. Invención del cubilote por John
Wilkinson, Inglaterra (1794). Reducción
electroquímica de cobre y plata.
Siglo XIX Cañones de Acero fundido (Krupp-1847 -
Alemania).
Fabricación de Acero en gran escala con el
convertidor por William Kelly y Sir Henry
Bessemer en Inglaterra (1851).
Horno de fusión de chatarra de acero Siemens -
Martin a gas con aire pre-calentado. (1857).
Estufas Cowper para precalentamiento de aire
para el alto horno. Refinación electrolítica de
obtención de Aluminio (Hall, Heroult 1886).
Laminador trío para acero (1856). Acero al
manganeso Hadfield (1882). Tubos de acero sin
costura (Mannesmann 1885).
Los avances en el campo de la Química hicieron posible expresar los fenómenos
metalúrgicos en reacciones químicas. De esto nació la metalurgia extractiva, que incluye
la reducción científica controlada de minerales metálicos para extraer el metal y lograr la
purificación del metal en bruto, además de la adición de elementos de aleación. Esta área
mostró un gran progreso durante la última parte del siglo 19. (Ver tabla II).
Al comienzo del siglo 20, nuevas herramientas estuvieron disponibles. Microscopios
ópticos de alta calidad y equipos de difracción de Rayos-X permitieron a los científicos
explorar la estructura de la materia a nivel microscópico y atómico. La Metalurgia se siguió
desarrollando ahora a lo largo del campo de la física. El conformado de metales para
obtener las propiedades físicas y químicas y la solidificación de metales, son usualmente
consideradas como pertenecientes al campo de la metalurgia física.
Más aún, cada vez mayor cantidad de conocimientos obtenidos por el estudio científico de
los metales también es aplicado a muchos otros tipos de materiales. Hay una tendencia
creciente de hablar de ciencia de los materiales como un campo profesional de
actividad separado.
Físicos, Químicos, Ceramistas y Metalurgistas han desarrollado la Ciencia básica que se
aplica al campo general de los materiales, mientras que el ingeniero se ha preocupado en
usar este conocimiento básico para resolver problemas tecnológicos particulares.

La gran similitud en el método de investigación para los diferentes materiales se puede
apreciar fácilmente en la literatura científica. Si por ejemplo, uno suprime los nombres
específicos de los materiales, a menudo sería imposible decidir el título del artículo y a
veces del artículo mismo de si debe aparecer en una publicación de metalurgia o de
cerámicas.
3.4. CIENCIA DE LOS MATERIALES
En general la ciencia de los materiales puede ser dividida convenientemente en dos
áreas: La primera trata de materiales estructurales incluyendo los metales refractarios,
cerámicas, metales muy puros para aplicaciones especiales, plásticos, vidrios, polímeros
y materiales diferentes. La segunda área está relacionada con materiales electrónicos,
tales como semiconductores, aisladores y superconductores.
¿Cuál es el rol de la metalurgia en el campo de los materiales? Los metales son
versátiles, abundantes, relativamente de bajo costo y tienen muchas propiedades físicas
deseables.
Los metalurgistas han desarrollado un amplio conocimiento que les permite llegar a la
combinación de metales con no-metales. Los requerimientos para reactores nucleares,
vuelos espaciales, en que a veces los requisitos exigidos a los materiales son tan
inflexibles que deben ser construidos átomo por átomo para lograr la combinación de
propiedades deseadas. Las técnicas empleadas en la ingeniería molecular en su mayoría
son metalúrgicas, desarrolladas por metalurgista mucho antes que hubiera una necesidad
para ellas en otros materiales.
3.5. LOS METALES COMUNES
Las características físicas más notables de los metales estriban en el hecho que son
buenos conductores de la electricidad, reflejan la luz y se deforman plásticamente, sin
quebrarse.
El metal más importante y más usado es el fierro. El tonelaje producido en el mundo es
aproximadamente cincuenta veces más que el de cualquier otro metal y es
probablemente diez o veinte veces más que el de todos los no ferrosos juntos. El hierro
es el segundo más abundante en la corteza terrestre (el primero es el aluminio) y sus
depósitos comerciales son mayores que los de cualquier otro metal.
Los factores que lo llevan a esa posición relevante son:
1. Existencia de enormes depósitos de mineral de fierro de alta ley
2. Minerales de fierro son comparativamente fáciles de reducir
3. Por consiguiente, el hierro es barato de producir
4. El hierro se combina con el carbono dando lugar a una serie de aleaciones útiles
5. El hierro posee propiedades magnéticas únicas.

Para la mayoría de los usos de ingeniería una aleación de hierro (acero, fundición, acero
especial) es la primera opción, y a menudo es el único material lógico de usar. Una gran
cantidad de metales no-ferrosos se consumen en la industria del hierro y el acero como
ser: manganeso, aluminio y silicio como desoxidante; cromo, níquel, tungsteno, vanadio,
molibdeno y muchos otros como elementos de aleación, cinc, cadmio, cromo, estaño, y
otros en capas protectoras. Claro que el hierro no es totalmente el metal universal y hay
algunas aplicaciones donde el metal más caro no-ferroso y sus aleaciones deben ser
usados. Algunas de las desventajas son:
1. El hierro tiene una densidad de 7.87gr/cm3
y sus aleaciones son aproximadamente
tan pesadas como el hierro puro; para muchos casos donde el peso es importante
es desplazado por el aluminio, titanio y magnesio.
2. El hierro y sus aleaciones se enmohecen o corroen cuando son expuestas a la
atmósfera. Muchos otros metales tales como el aluminio y titanio son mucho más
reactivos y se oxidan más fácilmente que el hierro, pero forman una capa de óxido
compacta que protege al metal de ataque posterior.
Los productos de la corrosión del hierro se forman como un depósito suelto y
escamoso que no solo no protege al metal que hay debajo, sino que aún sirve para
acelerar la corrosión. No hay duda que éste es uno de los inconvenientes mayores
del hierro. Claro que el hierro altamente aleado como acero inoxidable (18%
Cromo y 8% Níquel) tienen una resistencia a la corrosión mucho mayor, con el
consiguiente mayor costo.
3. A veces al ser magnético es un inconveniente.
4. El hierro es relativamente mal conductor del calor y electricidad y para tales
propósitos se prefiere aluminio o cobre.
Tabla comparativa de algunas propiedades de los Metales Comunes
Fe Cu Al Ti Mg Mo Ni
Punto Fusión ºC. 1538 1083 660 1668 650 2610 1455
Densidad gr/cm3
7.7 8.96 2.7 4.51 1.74 10.2 8.9
Conductividad eléct. 0.10 0.593 0.382 0.024 0.224 0.19 0.145
Conductividad.Térm. 0.18 0.94 0.50 - 0.38 0.35 0.22
Costo US$ / lb 0.10 1.00 0.60 6.0. 0.70 5.0 7.0
Dureza máx. BHN 650 250 150 400 100 - -

Capítulo 4: Procedencia de los Metales 28
CAPÍTULO 4: PROCEDENCIA DE LOS METALES
4.1. INTRODUCCIÓN
Cuando el hombre descubre los metales observa que los puede usar en su beneficio en
ese instante comienza el desarrollo intelectual de la humanidad.
Posteriormente, cuando los metales son convertidos en herramientas y en máquinas
nace el desarrollo de la tecnología y de las ciencias las que, con vertiginosa velocidad,
colocan al hombre en relevante situación frente a la naturaleza.
La metalurgia, arte de extraer, concentrar, purificar, transformar y adaptar los metales,
tiene su trasfondo enclavado en la prehistoria y el hombre se hizo metalurgista primero,
antes que cualquier otro profesional. Con ella nace el progreso y el bienestar de la
humanidad toda, creando un presente de libertadores y un futuro de amplios horizontes
para las generaciones venideras.
4.2. PROCEDENCIA DE LOS METALES
Los metales proceden de:
a) Yacimientos Metalíferos
b) Desechos artificiales, Chatarra
c) Meteorito
a) Metales procedentes de Minerales
Los metales y demás elementos (incluyendo algunos gases), proceden de los minerales
que forman la corteza terrestre. Estos metales están en combinaciones binarias,
ternarias, etc., como ocurre con el hierro, cobre, zinc, plomo, mercurio, estaño, entre los
más comunes y metales no reactivos al estado elemental y en aleaciones, tales como el
Au, Ag, Pt, Cu, electrum (Ag – Au).
Los minerales forman yacimientos que pueden ser de origen primario o secundario y
dentro de ellos en una diversidad de formas que la geología ha descrito con mucha
exactitud. Dichos minerales yacen en las rocas, que forman la parte sólida del globo
terrestre y que se denomina corteza terrestre.
Estas rocas se denominan: ígneas, metamórficas y sedimentarias dependiendo cual
haya sido el origen de ellas.
Dentro de los minerales metalíferos más comunes que se encuentran formando menas
importantes, tenemos:

Metal y Minerales Fórmula Química
Aluminio Al
Coridón Al2O3
Bauxita Al2O32H2O
Calcio Ca
Fluorita CaF2
Calcita Ca CO3
Dolomita Ca CO3 Mg CO3
Cromo Cr
Cromita FeO Cr2 O3
Cobre Cu
Cobre nativo Cu
Chalcocita (Calcosita) Cu2 S
Calcopirita CuFeS2 (Cu2S FeS2)
Bornita (pecho de paloma) Cu5 Fe S4
Atacamita Cu CI2 3 Cu (OH)2
Cuprita Cu2 O
Malaquita Cu CO3 Cu (OH)2
Azurita 2 Cu CO3 Cu (OH)2
Crisocola Cu Si O3 n H2O
Chalcantita Cu SO4 5 H2O
Brochantita Cu SO4 3 Cu (OH)2
Hierro Fe
Hierro nativo Fe
Hematita (más explotado en Chile) Fe203 70% Fe
Magnetita Fe3O4 72% Fe
Siderita Fe CO3 48% Fe
Limonita Fe OH nH2O
Pirita FeS2 32% Fe
Plomo Pb
Galena PbS
Manganeso Mn
Pirolusita Mn O2
Mercurio Hg
Cinabrio Hg S
Molibdeno Mo
Molibdenita Mo S2

Plata Ag
Argentita Ag2 S
Estaño Sn
Casiterita Sn O2
Titanio Ti
Rutilo Ti O2
Ilmenita Fe Ti O3
Uranio U
Uranita U O2
Zinc Zn
Blenda Zn S
Zirconio Zr
Circonita Zr O2
Entre las gangas comunes que acompañan los minerales, tenemos: Cuarzo: SiO2;
Calcita: Ca CO3; Yeso: Ca SO4 5 H2O; arcillas y rocas, en general, y que en otras
oportunidades estas gangas o materiales estériles pueden constituir el mineral a
explotar. Ejemplo: el cuarzo es un mineral de ganga para el cobre, pero es la base para
la fabricación del vidrio.
Por otra parte, los minerales se encuentran formando yacimientos, por concentraciones
naturales de ellos, y que la minería ha definido de acuerdo a como sea su forma.
Ejemplos de tipos de yacimientos tenemos:
1. Yacimientos Porfíricos
2. Yacimientos Magmáticas
3. Vetiformes
4. Lenticulares
5. Manteados o Mantos
6. Relleno de cavidades
7. Placeres
Y varios otros tipos más, que sería largo de enumerar.
El hombre posee varios métodos para prospectar y “catear” yacimientos minerales y
para ello se sirve de:
1. Observación directa en el terreno (aérea y terrestre)
2. Sondajes
3. Magnetometría
4. Sismología
5. Geoquímica

6. Sensores remotos (fotografía infrarroja)
7. Contadores
Y varios otros sistemas, hasta los más sofisticados, como los “busca tesoros”, que
tienen un fundamento científico.
La búsqueda de yacimientos implica una empresa de gran envergadura, ya que se
debe aportar grandes capitales, así como de personal especializado: Geólogos,
Ingenieros de Minas, Ingenieros Metalúrgicos, Ingenieros Eléctricos, Ingenieros
Mecánicos, Calculistas, Geodestas, Geoquímicos, etc., y personal de servicio,
especializado en maquinarias de todo tipo.
Cada tipo de yacimiento tiene características únicas y particulares, sin embargo, para
una determinada sustancia, digamos cobre, las características son similares.
Observemos el siguiente esquema de un yacimiento de cobre (Figura 1) y veamos lo
que ocurre cuando éste sufre los efectos transformantes del medio exterior terrestre.
Figura 1: Esquema de un yacimiento de cobre
b) Desechos artificiales o chatarra
Todos los metales que el hombre ya ha utilizado en el conformado de piezas,
fundiciones, etc., pasan a constituir desechos o chatarra, los que son comercializados y
vueltos a refundir, para fabricar u obtener de ellos nuevas piezas, repuestos, etc.
Todos los países del mundo utilizan, en gran medida, los metales procedentes de
chatarra, lo que constituye una fuente importante de metales.

c) Meteoritos
En el pasado, el hombre primitivo debió haber extraído metales de meteoritos que halló
en la superficie de la corteza. Sin embargo, nunca en el presente siglo, por lo menos,
los meteoritos han sido fuente de metales explotados por el hombre. Constituyen, eso
sí, fuentes de gran curiosidad científica.
A continuación se dan algunos datos y estadísticas importantes de tipo general.
Tabla de los Elementos más abundantes en la corteza terrestre:
Elemento Porcentaje en Peso Porcentaje Atómico Porcentaje en Volumen
O 46.40 62.19 94.04
Si 28.15 21.49 0.88
Al 8.23 6.54 0.48
Fe 5.63 2.16 0.49
Mg 2.33 2.05 0.33
Ca 4.15 2.22 1.18
K 2.36 2.20 1.11
H 2.09 1.15 1.49
Ti 0.87
CI 0.58
P 0.19
Mn 0.11
C 0.08
4.3. COMPOSICIÓN DE LA CORTEZA TERRESTRE
El 8% del total de la corteza, está compuesta de aluminio
Tabla 1: Abundancia de elementos en el universo
(se usa como referencia el Silicio Si = I)
Elemento Elemento
H 12.000 Mg 0.89
He 2.800 S 0.33
O 16 Ni 0.21
N 8 Al 0.09
C 3 Ca 0.07
Fe 2.6 Na 0.45
Si 1 CI 0.025
En comparación todos los demás elementos son bastantes raros, por ejemplo el Cu
sería 7.10-4
y el Au 1.5.10-6
.
Se ve que el hidrógeno es lejos el más abundante de todos los elementos en el
universo. Es bastante probable que todos los otros elementos se formaron a partir del

hidrógeno por fusión nuclear en las estrellas y la energía liberada así, es la principal
causa de mantener la temperatura de las estrellas.
Figura 1: Esquema de la distribución de elementos en la corteza terrestre
La distribución de los elementos en la corteza terrestre es bastante diferente a la del
universo (compárese ambas tablas). Casi no hay Helio y poco hidrógeno, el campo
gravitacional de la tierra es demasiado débil como para sujetar estos elementos livianos
como gases químicamente no-combinados. Las otras diferencias son debido a efectos
químicos y de densidad. La mayoría del hierro de la tierra permanece químicamente no
combinado y como es bastante pesado se ha hundido hacia el centro dejando solo una
cantidad relativamente pequeño en la corteza como óxido de hierro. Por otro lado, los
elementos aluminio, magnesio, calcio y silicio, siendo livianos y químicamente activos
se combinaron con el oxígeno para formar silicatos (arena, granito) y silicato-aluminoso
(arcilla). Ellos componen la mayoría de la corteza terrestre.
4.4. IMPORTANCIA DEL METAL FIERRO
El tonelaje de fierro producido es 50 veces mayor que el de cualquier otro metal y 20
veces mayor que todos los no-ferrosos juntos.
La importancia se debe:
1. Enormes depósitos de mineral de Fe de alta ley.
2. Su relativa facilidad para reducirlos.
3. Por las dos razones anteriores es más barato
4. A la gran cantidad de aleaciones de utilidad comercial que sirva como base.
5. Propiedades magnéticas únicas.

La producción del hierro requiere del concurso de metales no-ferrosos; tales como Mn,
Al y Ti como desoxidante: Zn, Cd, Cr, Sn como elementos para cubrir el fierro de una
capa protectora y el Cr, Ni, W, V, Mo, etc., como elementos de aleación.
Las desventajas son:
1. La elevada densidad o peso específico del fierro y sus aleaciones.
2. Su alta propensión a la oxidación y corrosión es catastrófica.
3. A veces el ser magnético es un inconveniente.
4. Mal conductor del calor y la electricidad

Capítulo 5: Electrones, Átomos, Metales y Aleaciones 35
CAPÍTULO 5: ELECTRONES, ÁTOMOS, METALES Y ALEACIONES
5.1. INTRODUCCIÓN
Una de las fascinaciones de la Metalurgia es su rango o campo de acción. De los 106
elementos químicos conocidos, 65 son metales. La combinación de uno con los otros
forma Aleaciones.
Nº de Aleaciones binarias 0
8
0
2
2
64
65
=
•
=
pero en la práctica el número de aleaciones toma cifras astronómicas, ya que las
aleaciones usualmente son de más de dos elementos. 3, 4, 5 o más y cada uno con
diferentes concentraciones o porcentajes. Los metales son ensayados o usados a cargas
equivalentes a 100.000 veces la presión atmosférica o vacíos de 10-13
atm. de presión.
Temperaturas solo una fracción del cero absoluto, -273º C, hasta tan altas como 3500ºC.
5.2. EL ESTADO METÁLICO
¿Qué es un Metal?
Podemos definirlo en base a una serie de sus características físicas tales como su
habilidad superior de conducir el calor y la electricidad, de reflejar la luz, de ser opacos a la
luz y de deformar plásticamente sin quebrarse acompañado de una buena resistencia
mecánica. Pero muchos elementos que se llaman metales corrientemente no tienen las
propiedades arriba mencionadas. Tales como la plata que es transparente a la luz
ultravioleta, el manganeso es mal conductor, indio no resiste ni su propio peso, el bismuto
es frágil como el vidrio, por otro lado el silicio puede ser pulido hasta adquirir un lustre
"metálico", aunque no es considerado un metal. Para mayor confusión un elemento tal
como el estaño, es metálico por encima de los 18ºC y deja de serlo por debajo.
No hay una sola propiedad que sea común a todos los metales y que no sea compartida
por una sustancia no-metálica. La explicación de esta confusión es la palabra "metal". Y
para entender el estado metálico, debemos investigar más allá de las propiedades
macroscópicas más obvias de los metales.
Debemos preguntarnos cómo se forman los sólidos metálicos a partir de los átomos,
explorar la estructura microscópica y atómica y cómo se comportan con el cambio de
temperatura y la aplicación de esfuerzos.
Al explorar los conceptos básicos de la metalurgia, es importante acordarse que los
científicos en la busca de nuevos conocimientos a menudo encuentran respuestas a
preguntas que no se plantearon específicamente. Consideren el descubrimiento de los
rayos X, en 1895. Fueron descubiertos accidentalmente, pero luego fueron usados por los

médicos para las quebraduras de huesos. Si los científicos hubieran explícitamente
buscado un método así, quizás todavía estarían buscándolo. A veces, en la búsqueda de
nuevos conocimientos los resultados secundarios son más importantes que los
originalmente buscados. Así en metalurgia, muchos procesos eran conocidos desde
mucho tiempo entre los artesanos. Pero un conocimiento científico de ellos aún no se
tenía, y sólo ha sido intentado seriamente en las últimas décadas. Empecemos entonces
por la unidad fundamental a partir de la cual se construyen los elementos, que es el
átomo.
5.3. ÁTOMO
Está constituido por un núcleo y un sistema de electrones planetarios que circulan a gran
velocidad. El núcleo consta de varias partículas, entre las que destacaremos los protones
de carga positiva y los neutrones de carga neutra (se puede interpretar como la conjunción
íntima de un electrón de carga negativa neutralizada por un protón de igual carga pero
positiva).
El número atómico Z representa la carga total positiva del núcleo, + Ze. Los electrones son
de carga negativa -e. Cada átomo aislado es eléctricamente neutro, tiene el mismo
número de electrones planetarios que protones en el núcleo. El elemento más liviano es el
hidrógeno con 1 protón y un electrón. La masa del átomo está prácticamente concentrada
en el núcleo porque un protón es 1835 veces más pesado que un electrón. La
individualidad física de los elementos se debe al número atómico o número de protones o
electrones. Así el Cu: 29, y Fe 26, mientras que el peso atómico se debe principalmente al
número de protones + neutrones que contiene el núcleo. Como el peso atómico del cobre
es 63, el núcleo tiene P.A.- Z = N 63-29 = 34 neutrones. La tabla periódica es la
clasificación de los elementos en orden de su número atómico, entre otras cosas.
El diámetro atómico del núcleo de hidrógeno es de 10-13
cm. Los electrones planetarios se
agrupan en capas designadas por letras K, L, M, N, O, P, Q, que corresponden a niveles
de energía de los electrones, cada vez más elevados a medida que va haciéndose mayor
la distancia con respecto al núcleo. Cada capa permite un cierto número de electrones.
K L
M
K = 2 electrones
L = 8 electrones
M = 18 electrones
Figura 2: Esquema de los niveles de energía de los electrones

Luego no existen más de dos elementos con electrones en la capa K, el H y el He. Las
capas se van saturando desde el núcleo hacia afuera. Los electrones de la última capa,
reciben el nombre de electrones de valencia y son los electrones que están enlazados con
más soltura con el núcleo y juegan un rol muy importante en el enlazamiento interatómico
para formar sólidos. Como el sodio tiene un solo electrón en la última capa es
"monovalente" y el magnesio es "bivalente" por tener dos.
Ahora a nosotros no nos interesa solo la descripción del átomo aislado, sino formando
sólidos. Luego, estamos interesados en saber cómo los átomos se mantienen juntos, cual
es la causa de la cohesión, este es el problema de los "enlaces".
5.4. ENLACE ATÓMICO
De todos los enlaces atómicos solo veremos los tres más importantes que se encuentran
preferentemente en los sólidos, como ser:
1.-Enlace iónico
2.-Enlace Covalente
3.-Enlace Metálico
1.- Enlace Iónico:
Es el resultado de la atracción mutua de cargas positivas y negativas. (Solo permite
explicar el caso de átomo diferentes). Por ejemplo consideremos los átomos Na y Cl.
El sodio cede su último electrón al cloro que con ello completa su capa electrónica. Con
ello ambos quedan cargados eléctricamente y se atraen entre ellos, aún más, cada ión
atrae a todos los otros iones de carga contraria.
b)
Figura 3: Enlace iónico del NaCl
(a)
Na Cl
Na+
Cl-

2.- Enlace Covalente
Se obtiene al compartir los electrones de valencias para completar la capa. O puede
interpretarse como la atracción de ambos núcleos por los electrones compartidos entre
ellos. (Solo posible para átomos en que falten pocos electrones para completar la capa).
Figura 4: Ejemplos de enlaces covalentes
3.- Enlace Metálico
Es el más difícil de explicar. Pero un concepto simplificado puede tenerse si, se piensa
que los metales por tener muy pocos electrones en la última capa electrónica los ceden
para formar una nube electrónica que une los núcleos atómicos de carga positiva, este
modelo se llama también el del pan de pascua, en que las frutas confitadas son los
núcleos. Es evidente en este tipo de enlace que no hay restricción de direccionalidad ni
otro límite al número de vecinos que no sea el debido a los tamaños de los núcleos, que
no pueden interpenetrarse.
Figura 5: Enlace Metálico
5.5. ESTRUCTURAS MOLECULARES
Es la unión de dos o más átomos mediante un enlace primario preferentemente del tipo
covalente, formando un conglomerado de enlaces saturados.

AGUA ETANO BUTANO
Figura 6: Estructuras moleculares
5.6. ESTRUCTURA CRISTALINA
Una molécula tiene una regularidad estructural por el enlace covalente, tiene un cierto
número de vecinos y una cierta orientación entre los átomos. Si esta regularidad u orden
se repite en tres dimensiones tenemos una estructura llamada cristal. Se detectó
experimentalmente por la técnica de Difracción de Rayos X. Por ejemplo volvamos al caso
de la sal común de mesa NaCl.
1. Cada Na+
y cada CI-
tiene seis vecinos más cercanos.
2. Hay igual número de ines Na+
y CI-
3. Se forma un pequeño cubo cuyas aristas son: 2 RNa + 2 RCI
4. Este pequeño cubo se llama celda unitaria, que al repetirse en las tres
dimensiones genera el cristal.
5. Los enlaces Na-Na y CI-CI están separados el doble de la distancia que los
enlaces Na-CI, esto le da la estabilidad a la estructura, ya que las fuerzas de
atracción son más importantes que la de repulsión de cargas iguales.
5.7. ESTRUCTURA CRISTALINA DE METALES PUROS
1.- Todos los átomos son iguales, tienen el mismo tamaño y las mismas propiedades.
2.- La fuerza de cohesión es debida al enlace metálico.

La cristalografía (especialmente mediante Difracción de Rayos - X), nos enseña que los
átomos de un metal están amontonados como bolas unas encima de otras. El sólido se
genera por simple empaquetamiento en el espacio. Específicamente por ese
empaquetamiento lo más compacto posible se reduce al máximo la energía de enlace. El
sólido es cristalino si este amontonamiento de átomos se produce en forma ordenada en
las tres direcciones del espacio.
5.7.1. EMPAQUETAMIENTO COMPACTO LINEAL
Se obtiene colocando las esferitas una al lado de las otras tocándose una a la otra.
5.7.2. EMPAQUETAMIENTO EN EL PLANO
Se obtiene colocando líneas de esferas una al lado de las otros tocándose entre ellos.
Había dos posibilidades. Abierto (se tocan en un punto) y más compacto (cada átomo de
la línea agregada se toca con dos átomos de la primera línea).
5.7.3. EMPAQUETAMIENTO EN EL ESPACIO (TRES DIMENSIONES)
Se toman planos de átomos y se apilan unos sobre el otro para formar los sólidos
cristalinos. Habría varias posibilidades, solo considerando que se apilen planos abiertos
o planos compactos. Incluso hay varios modos en la secuencia de apilamiento con cada
uno de los tipos de planos. Así a partir de planos compactos se generan las estructuras
Hexagonales compactas y Cubo de caras centradas.
Figura 7: Estructuras cristalinas: (a) hexagonal compacta HCP y (b) cúbica centrada en
las caras FCC
(a)
(b)

y a partir de planos abiertos se genera el cubo simple y el cubo de cuerpo centrado.
(a) (b)
Figura 8: Estructuras cristalinas: (a) cúbica simple y (b) cúbica centrada en el cuerpo BCC
5.8. ESTRUCTURAS CRISTALINAS DE ALGUNOS METALES
Cubo Simple : Polonio < 10º C
Cubo de cuerpo centrado (BCC) : Fierro variedad alfa, estable, bajo 910º
y sobre 1395º C variedad delta Titanio
sobre 880º C.
Cubo de caras centradas (FCC) : Fe variedad gama, estable entre 910º y
1395º C. Cu, Al, Ag, Au, Pt, todo rango de
temperatura hasta el punto de fusión.
Hexagonal Compacto (HCP) : Cd, Zn, Ti bajo 880º C.
5.9. DEFECTOS CRISTALINOS
A veces es muy difícil que los átomos se ordenen para formar un sólido cristalino,
especialmente si los átomos tienen diferentes propiedades, ya sea solo de tamaño. Los
sólidos no-cristalinos también se llaman amorfos. Especialmente es difícil el formar
cristales de hidrocarburo por lo complejo que resulta el ordenamiento de las diferentes
moléculas. Algunos sólidos no pueden cristalizar por no darles tiempo, por enfriarlos
bruscamente. Un sólido amorfo es el vidrio de ventana. Mientras que enfriándolo
lentamente es posible que los átomos de Na, Si y 0 se ordenen y se forme un cristal. Lo
mismo puede ser el caso con los minerales por su mayor complejidad de diferentes
átomos y la direccionalidad del enlace covalente que los cohesiona.

Luego no es difícil imaginarse que un cristal metálico no esté perfectamente cristalino si no
que contenga defectos, estos pueden ser puntuales, lineales y de superficie o planares.
Puntuales: Vacancia: ausencia de un átomo en la red. Muy importante ya
que sirven para explicar el movimiento de traslación de los
átomos (Difusión) en la red cristalina.
Aleantes e Impurezas Sustitución de un átomo de la red por otro diferente (así se
Forman las aleaciones) impurezas sustitucionales o por
Inserción de un átomo más pequeño en los intersticios de la
red.
Cu-Zn (radio atómico Cu 1.28 Aº, Zn 1.38 Aº) forman
Aleaciones susstitucionales (1 Aº = 10-8
cm.)
Fe-C (Fe : 1.26 Aº ; C : 0,8 Aº) aleaciones intersticiales.
Lineales: Dislocaciones: ausencia de una parte de un plano de
Átomos.
Superficies: Externas: los átomos en la superficie no tienen el mismo
Número de vecinos más cercanos que los que están más al
interior del cristal.
Internas: bodes de granos, es la región en la cual limitan los
pequeños cristales (granos) que tienen orientaciones
cristalinas diferentes. Los materiales formados por muchos
granos se llaman policristalinos y en este estado como se
encuentran todos los metales y aleaciones usadas en
ingeniería.
Fallas de Apilamiento: Son errores en la secuencia de apilamiento de planos
cristalinos
Figura 9: Plano compacto de átomos
C
C
C
B
B B
A
A
A
A A
A
A

APILAMIENTO DE PLANOS
Genera: FCC HCP Secuencia con falla
de apilamiento
A A A
B B B
C A C
A B A
B A C
C B A
A A B
B B C
5.10. EXPLICACIÓN DE ALGUNAS PROPIEDADES DE LOS ELEMENTOS
Conducción Eléctrica: metales buenos conductores por tener
Electrones libres. Disminuye a mayor
temperatura por la agitación térmica de los
iones que interfiere con el paso de
electrones.
Polímeros y cerámicas: malos conductores
por tener todos los electrones fijos por el
enlace covalente o el iónico. A veces
pueden conducir algo de electricidad por
movimiento de iones (Difusión, movilidad de
iones), esta se acentúa al aumentar la
movilidad de los iones a más alta
temperatura.
Deformación Permanente Plástica: Por la no-direccionalidad del enlace metálico
y lo compacto de los planos permite el fácil
deslizamiento de los planos uno sobre el otro
sin que se rompan enlaces.
Bibliografía: Materiales de Ingeniería, Van Vlack Ed.
CECSA. o cualquier libro de Metalurgia
Física o Metalurgia General.

Departamento
de
Ingeniería
Metalúrgica
–
Universidad
de
Santiago
de
Chile
Capítulo
5:
Electrones,
Átomos,
Metales
y
Aleaciones
44
Enlace de Van Der
Waals
Análogo al Metálico
Débil, cristales blandos
Bajo punto de fusión.
Coeficiente de
expansión grande.
Aisladores.
Propiedades
características de las
moléculas individuales,
similarmente en
solución o gases.
Enlace Metálico
No direccional,
determina
estructuras de alta
coordinación y
alta densidad
Resistencia
variable,
plasticidad es
común
Punto de fusión
variable. Gran
intervalo de
temperaturas al
estado líquido.
Conducción por
transporte
electrónico.
Opacos.
Propiedades
similares en el
estado líquido.
Enlace Covalente
Especialmente dirigido
y numéricamente
limitado, determina
estructuras de baja
coordinación y baja
densidad.
Análogo al iónico
Alto punto de fusión.
Bajo coeficiente de
expansión, moléculas
al estado líquido.
Aisladores en el estado
sólido y líquido.
Alto índice de
refracción, absorción
totalmente diferente en
soluciones y/o gases
Enlace iónico
No direccional, determina
estructuras de alta
coordinación
Resistente, cristales de gran
dureza
Medianamente alto punto de
fusión, bajo coeficiente de
expansión, iones al estado
líquido.
Aisladores moderados.
Conducción por transporte
iónico en el estado líquido. A
veces soluble en líquidos de
alta constante dieléctrica
Absorción y otras
propiedades son
características de los iones
individuales, similarmente en
soluciones
Propiedades
Estructurales
Mecánicas
Térmicas
Eléctricas
Ópticas y
Magnéticas
PROPIEDADES FÍSICAS Y ESTRUCTURALES DE LOS MATERIALES
ASOCIADOS CON EL TIPO DE ENLACE ATÓMICO

Capítulo 6: Aleaciones Hierro – Carbono 47
CAPÍTULO 6: ALEACIONES HIERRO - CARBONO (Diagrama Hierro - Carbono)
6.1. INTRODUCCIÓN
Todas las posibles aleaciones Hierro - Carbono y sus “formas” con la temperatura están
representadas en lo que se llama el “Diagrama de Equilibrio de Fases Sistema “Hierro
Carbono”. (ver gráfico). Con la porción del Diagrama hasta 5% en peso del carbono.
En este diagrama vemos lo siguiente. El punto de fusión del hierro puro (0% C) es
1538º C y luego que se agrega carbono disminuye el punto de fusión de la aleación
hasta llegar a 1154º C cuando contiene 4.3% Carbono (ó 4.26%C) y luego con mayor
cantidad de carbono vuelve a subir el punto de fusión. Por esa razón ese punto mínimo
se llama “eutéctico” del griego “fácil fusión” y es muy importante para poder licuar el
metal y verterlo en moldes.
Otro aspecto importante es el que se refiere a la máxima solubilidad de carbono en la
red de hierro (sólido) que se produce a 1148º C y es de 2.11% C. Nótese que el hierro
entre la temperatura 1394º y 912º C, se llama hierro gama y corresponde a la forma
cristalina de cubo de caras centradas. El hierro en esa forma cristalina tiene los huecos
más grandes en la red, pudiendo así acomodar los átomos de carbono con distorsión no
tan pronunciada como es el caso de la forma cristalina cubo de cuerpo centrado
llamada hierro alfa, razón por la cual el Feγ disuelve mayor cantidad de carbono que el
Feα. Esta disolución se refiere a aceptar el carbono en su red y formar una fase
totalmente homogénea, tal como la disolución de la sal en el agua. Se puede introducir
más carbono en el hierro líquido pero al enfriar, éste expulsa el exceso de carbono de la
red ya sea en forma de carbono puro (forma cristalina compleja llamada grafito) u otras
veces en forma de un compuesto de hierro rico en carbono, un carburo muy duro
llamado cementita con la siguiente fórmula química Fe3C. Esto es igual que al enfriar
una solución de agua con sal, ésta alcanza el límite de solubilidad de la sal con el agua,
ya que ésta disminuye con la temperatura, y la sal precipita al ser expulsada de la
solución.
Aquí vemos que el exceso de carbono puede precipitar en dos formas, y esto es lo que
está representado en el diagrama, la línea de segmentos se refiere a cuando precipita
grafito y la línea sólida a cuando precipita Fe3C. El sistema Fe-Fe3C es muy importante,
porque cuando hay menos cantidad de carbono, menos de 2% las aleaciones contienen
el carbono en forma de cementita y reciben el nombre de ACEROS y son posibles de
deformar sin quebrarse. Cuando tienen mayor cantidad de carbono reciben el nombre
de FUNDICIONES, en ellas el carbono en exceso precipita como grafito y aún más
como láminas o escamas de grafito que interrumpen la red de hierro, tornándolos
quebradizos.

Figura 1: Diagrama Hierro-Carbono
%CARBONO
AUSTENITA
sol. sólida γ
sol. sól. α + Fe3C
sol. sólida α

Micrografía a 1000X Fe + 0,8% C. con transformación total de Austenita a Perlita (ferrita
y cementita laminar)
Micrografía a 1000X Fe + 0.8% C ferrita + cementita Globular
Figura 2: Microestructura de distintos aceros

UNIVERSIDAD_DE_SANTIAGO_DE_CHILE_FACULTA.pdf

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