El documento trata sobre los metales acero y aluminio. Resume sus propiedades, procesos de fabricación, aplicaciones y comparación. El acero es una aleación de hierro y carbono utilizada comúnmente en construcción. El aluminio es más ligero pero menos resistente, se obtiene de la bauxita y se usa en aviación. Ambos metales pueden sufrir corrosión y desgaste si no reciben tratamientos de protección superficial.

1. Módulo IV – Metales: : Clases,
Propiedades, Desempeño y
Aplicaciones
UA: Comportamiento y Ensaye de Materiales
Profr: Ing. Francisco D. Anguiano Perez
fdap@live.com.mx

2. Metales – Propiedades
• A pesar de que muchos metales puros son dúctiles, algunos incluso
blandos, y susceptibles a daños por corrosión, se pueden utilizar como
aleaciones, mejorando en gran medida sus propiedades.
• Buena ductilidad y maleabilidad, maquinabilidad.
• Buena conductividad térmica y eléctrica.
• Altas densidades.
• Buena resistencia.
• Débiles a la corrosión, es necesario tratamientos de prevención.
• Metal más utilizado en la construcción – Acero (aleación de hierro y
carbono) y sus aleaciones (galvanizados, inoxidables, etc.).
• A menudo aprovechados por su dureza, y tenacidad

4. Introducción
¿Qué es el acero?
El acero es la aleación de hierro (metal) y carbono (no metal), donde el
carbono no supera el 2,1% en peso de la composición de la aleación,
alcanzando normalmente porcentajes entre el 0,2% y el 0,3%.
Porcentajes mayores que el 2% de carbono dan lugar a las fundiciones,
aleaciones que al ser quebradizas y no poderse forjar —a diferencia de
los aceros—, se moldean.

5. Históricamente el acero fue utilizado en la construcción para las altas
edificaciones, ya que permitía el obtener secciones esbeltas, con un mayor
aprovechamiento del espacio interno de las estructuras, sin embargo, la
construcción con acero era susceptible a los daños de corrosión, por lo que
actualmente la tecnología de metales está enfocada a producir aceros más
durable y de un mayor desempeño, que puedan trabajar solos o como
materiales compuestos, como el concreto reforzado.
El aluminio por otro lado, se utiliza desde hace 100 años, obtenido de un
mineral llamado bauxita que están formadas por un 62-65% de alúmina
(Al2O3), hasta un 28% de óxido de hierro (Fe2O3), 12-30% de agua de
hidratación (H2O) y hasta un 8% de sílice (SiO2). Es mucho más ligero, dúctil,
resistente a la corrosión y blando que el acero, sin embargo tiene una menor
resistencia.

6. Aluminio
• La propiedad química mas destacada del aluminio es su gran
afinidad con el oxigeno, durante su oxidación se desprende
una gran cantidad de calor (1,670,000 J/mol o 400,000
cal/mol), teniendo una oxidación casi instantánea en
contacto con el ambiente.
• Al calentarse el aluminio finamente triturado se inflama y se
quema en el aire que al combinarse con el oxigeno con ello
se forma una capa delgada (cerca de 0.0002 mm) de oxido
de aluminio que lo protege contra la oxidación .

7. Metales – Propiedades
• La estructura de los metales está formada por una red cristalina, en la cual, con
el enfriamiento y conformación, se forman estructuras mayores llamadas
granos. El tamaño y composición de estos granos dicta sus propiedades
mecánicas.
• Los metales se reblandecen con la temperatura y modifica el tamaño de grano.
• En general, a menor tamaño de grano mayor resistencia del metal, mayor
tenacidad y dureza, menor ductilidad y menor conductividad.
Menor Mayor
Resistencia Resistencia
Ejemplos de estructuras con distintos tamaños de grano

8. Tratamientospara mejorarpropiedades
(reducirel tamañode grano)
Templado: Consiste en calentar
y enfriar súbitamente un metal,
puede incluir el adicionar un
elemento como aleante.
Rolado/Laminado: Consiste en pasar el metal a través de
rodillos para adquirir una determinada forma. Esto le
produce una deformación plástica que aumenta sus
propiedades. Puede hacerse en frío o en caliente
(calentando previamente el metal).
Extruido: Consiste en pasar un
metal a través de un dado de
menor sección, formando delgados
cables. (Metal en celeste)
Aleación: consiste en incluir un elemento como
modificador de la red, dentro de la estructura
cristalina del metal. El acero es una aleación de
hierro y carbono.

9. Diagrama de fases Hierro carbono para los aceros

10. Proceso de fabricación Acero
Proceso de Producción del Acero en AHMSA (muy recomendable):
https://www.youtube.com/watch?v=nooD-OsAG-Q

11. Blast Oxygen Furnace
Coquización: https://www.youtube.com/watch?v=asDhcv7f7xw

12. Proceso de fabricación Acero

13. Producción de la alúmina:
Proceso Bayer
El objetivo del procedimiento BAYER es separar los hidróxidos
de aluminio de la bauxita, de los óxidos de hierro y de la sílice
que la impurifican.
La reacción fundamental es la disolución de los hidróxidos por el
Na OH.
Introducción.

14. Introducción.
Handbook of
aluminium
Volume 1

15. Obtención del aluminio:
Proceso Hall-Heroult
La obtención del aluminio se hace a partir de la
alúmina (Al2 O3) y por electrolisis pero no de
una disolución de alúmina sino de una mezcla
fundida de criolita (5 Na F. 3 Al F3) y alúmina.
Introducción.

16. Introducción.
Handbook of
aluminium
Volume 1

17. Para obtener una tonelada
de aluminio son necesarias 4
T de bauxita, 80 kgs. de
criolita, 600 kgs. de
electrodos de carbón y
22.000kw-hora.
Introducción.
Handbook of
aluminium
Volume 1

18. Refinación del aluminio:
Proceso Hoopes
El aluminio obtenido por el proceso
electrolítico Hall-Heroult, tiene una pureza
de un 99.7%, teniendo como impurezas Si
y Fe. Para muchas aplicaciones es suficiente
con este grado de pureza, pera para otras
mas especiales, se necesita un afino que se
hace por electrolisis en tres capas, y que se
denomina proceso Hoopes.
Introducción.

19. Clases de Aceros
Según el modo de trabajarlo
• Acero moldeado
• Acero laminado
• Acero rolado
• Acero extruido
Según la composición y la estructura
• Aceros ordinarios
• Aceros aleados o especiales
Aceros Estructurales – según su resistencia a la tensión
De acuerdo a especificaciones, en la NMX-C-047-ONNCCE-2001:
• Grado 30
• Grado 42
• Grado 52

20. Propiedades modificadas por las aleaciones:
• Mayor dureza.
• Menor crecimiento del tamaño de grano.
• Mayor o menor templabilidad.
• Mayor resistencia a la Corrosión u Oxidación.
• Mayor o menor temperaturas críticas de transformación de fase.
• Ejemplos:
• Acero: Es aleación de hierro con una cantidad de carbono variable.
• Acero inoxidable: El acero inoxidable se define como una aleación de
acero con un mínimo del 10 % al 12 % de cromo contenido en masa
• Bronce: Es toda aleación metálica de cobre y estaño en la que el
primero constituye su base y el segundo aparece en una proporción del
3 al 20 %.
• Latón: Es una aleación de cobre con zinc.

21. Características mecánicas y tecnológicas
del acero
Es difícil establecer las propiedades físicas y mecánicas del acero debido a
que estas varían con los ajustes en su composición y los diversos tratamientos
térmicos, químicos o mecánicos.
El acero estructural es la aleación de hierro, carbono y pequeñas cantidades
de otros elementos como silicio, fósforo, azufre y oxígeno, que le aportan
características específicas.
• Su densidad media es de 7850 kg/m³.
• En función de la temperatura el acero se puede contraer, dilatar o fundir.
• El punto de fusión del acero depende del tipo de aleación y los
porcentajes de elementos aleantes. El de su componente principal, el
hierro es de alrededor de 1.510 °C en estado puro (sin alear), sin embargo
el acero presenta frecuentemente temperaturas de fusión de alrededor
de 1.375 °C, y en general la temperatura necesaria para la fusión aumenta
a medida que se aumenta el porcentaje de carbono y de otros aleantes.
(excepto las aleaciones eutécticas que funden de golpe). Por otra parte el
acero rápido funde a 1.650 °C.

22. • Su punto de ebullición es de alrededor de 3.000 °C.
• Es un material muy tenaz, especialmente en alguna de las aleaciones
usadas para fabricar herramientas.
• Relativamente dúctil. Con él se obtienen hilos delgados
llamados alambres. A mayor resistencia, menor ductilidad.
• Es maleable. Se pueden obtener láminas delgadas llamadas hojalata. La
hojalata es una lámina de acero, de entre 0,5 y 0,12 mm de espesor,
recubierta, generalmente de forma electrolítica, por estaño.
• Permite una buena mecanización en máquinas herramientas antes de
recibir un tratamiento térmico.
• Conductividad eléctrica y térmica
• Algunas composiciones y formas del acero mantienen mayor memoria, y
se deforman al sobrepasar su límite elástico.

23. • La dureza de los aceros varía entre la del hierro y la que se puede
lograr mediante su aleación u otros procedimientos térmicos o
químicos.
Aceros típicos con un alto grado de dureza superficial son los que se
emplean en las herramientas de mecanizado, denominados aceros
rápidos que contienen cantidades significativas
de cromo, wolframio, molibdeno y vanadio.
• Se puede soldar con facilidad.

24. Aleaciones de aluminio:
El aluminio puro es un material blando y
poco resistente a la tracción. Para mejorar
estas propiedades mecánicas se alea con
otros elementos,
principalmente magnesio, manganeso,
cobre, zinc y silicio, a veces se añade
también titanio y cromo.
Introducción.

25. Introducción.
1. El aluminio aspectos generals. Curso
introductorio-Tecnologia del aluminio. Dr.
Rudy Castillo M. 2007

26. •Serie 1000: realmente no se trata de aleaciones
sino de aluminio con presencia de impurezas de
hierro o aluminio, o también pequeñas cantidades
de cobre, que se utiliza para laminación en frío.
•Serie 2000: el principal aleante de esta serie es el
cobre, como el duraluminio o el avional. Con un
tratamiento T6 adquieren una resistencia a la
tracción de 442 MPa, que lo hace apto para su uso
en estructuras de aviones.
•Serie 3000: el principal aleante es el manganeso,
que refuerza el aluminio y le da una resistencia a la
la tracción de 110 MPa. Se utiliza para fabricar
componentes con buena mecanibilidad, es decir, con
con un buen comportamiento frente al mecanizado.
Introducción.

27. •Serie 4000: el principal aleante es el silicio.
•Serie 5000: el principal aleante es el magnesio que
alcanza una resistencia de 193 MPa después del
recocido.
•Serie 6000: se utilizan el silicio y el magnesio. Con
un tratamiento T6 alcanza una resistencia de 290
MPa, apta para perfiles y estructuras.
•Serie 7000: el principal aleante es el zinc.
a un tratamiento T6 adquiere una resistencia de
504 MPa, apto para la fabricación de aviones.
Introducción.

28. 28
Usos del Aluminio
1. http://www.world-aluminium.org/

29. Acero vs. Aluminio
ACERO:
• Mayor resistencia. (fy desde
490 Mpa para el acero de
grado 42, y hasta 706 Mpa
para el grado 52)
• Mayor disponibilidad y menor
energía de producción
• Más pesado (densidad = 7.8
gr/cm3) y en general más duro.
• Susceptible a la corrosión,
requiere protección superficial.
ALUMINIO:
• Menor resistencia. (De 160 a
200 MPa en estado puro y
hasta alrededor de 500 Mpa en
algunas aleaciones).
• Menor disponibilidad y mucho
mayor energía de producción
• Más ligero (densidad = 2.7
gr/cm3), además algunas
aleaciones de baja resistencia
pueden aserrarse y cortarse
con facilidad.
• Resistente a la corrosión, no
requiere protección superficial.

30. Tabla comparativa
1. El aluminio aspectos generals. Curso
introductorio-Tecnologia del aluminio. Dr.
Rudy Castillo M. 2007

31. Ejemplos de geometrías de perfiles metálicos

32. DESGASTE
• Daño superficial por los materiales después de determinadas
condiciones de trabajo a los que son sometidos.
El resultado del desgaste, es la pérdida de material y la subsiguiente
disminución de las dimensiones.
DETERIORO DE METALES

33. • Ocurre cuando partículas duras se deslizan o ruedan bajo presión a
través de una superficie, o cuando una superficie dura se frota a
través de otra. Las partículas arrancadas por rozamiento del objeto
mas duro tienden a rasguñar o acanalar al material mas suave.
DESGASTE ABRASIVO

34. • Este tipo de desgaste ocurre cuando piezas son
sometidas a elevados esfuerzos cíclicos, los cuales
provocan la aparición y propagación de gritas bajo
la acción repetitiva de estos. La superficie de falla
es típica como “marcas de playa”. ----->
• El picado originado a partir de grietas, es una de
las fallas por fatiga de contacto superficial típica de
elementos de maquinas, los cuales trabajan bajo
régimen de lubricación elastohidrodinamica y
elevadas cargas superficiales.
DESGASTE POR FATIGA

35. CORROSION
• Que es corrosión?
Es una reacción química o electroquímica de un metal o aleación con su
medio circundante, con el siguiente deterioro de sus propiedades.
Para que ocurra debe haber lo siguiente:
• Presencia de oxígeno.
• Una solución acuosa que actúe como electrolito.
• Una corriente eléctrica debido a una diferencia de potencial
eléctrico.
Cada metal tiene una carga eléctrica diferente, y cuando dos metales de
distinta carga eléctrica están en contacto, se producirá la corrosión,
donde uno de los dos actúa como ánodo, cediendo electrones y
perdiendo masa (deteriorándose), y el otro actúa como cátodo,
recibiendo electrones (acelerando el deterioro).

37. Se puede hacer una clasificación de acuerdo a la manera en la que se produce la
corrosión.
Entre los tipos más comunes se puede encontrar:
 galvánica o bimetálica
 uniforme
 localizada
 por picaduras
 en grietas o hendiduras
 Intergranular
 Por Aireación Diferencial
 por línea de floculación
 bajo esfuerzo
 fatiga
 erosión
 bacteriológica
Corrosión
CLASIFICACIÓN DE LOS TIPOS DE CORROSIÓN

38. • La corrosión electroquímica o galvánica es la que se produce cuando dos
metales de diferente electronegatividad se encuentran en contacto.
• El metal con mayor electronegatividad se oxida (ánodo), dando lugar a su
progresivo deterioro y desprendimiento desde la superficie metálica, en
presencia del segundo (cátodo).
• Sin embargo, este proceso puede darse por pequeñas discontinuidades en
el acero, como deformaciones plásticas, fisuras, soldadura, y la misma
presencia de material oxidado, como en el caso del acero.
CORROSIÓN GALVÁNICA O BIMETÁLICA

39. • Los metales más anódicos
tienden más a corroerse y los
metales más catódicos tienden
más a causar corrosión.
• En el caso del aluminio y el cinc,
son muy susceptibles a la
oxidación, pero su producto
oxidado es estable y no se
desprende de la superficie, por lo
que estos metales se recubren de
una capa de su propio óxido de
algunos micrómetros de espesor
que lo protege de la corrosión. A
esto se le denomina capa pasiva.

40. Problema de la corrosión del
acero de refuerzo
No siempre es mala la oxidación de los metales, el problema radica cuando los
productos oxidados de la corrosión del metal no son estables y se desprenden
de la superficie del metal.
En el caso del acero, al oxidarse el hierro incrementa su volumen y se desprende,
lo que puede causar expansiones dañinas si se usa en el concreto reforzado, y en
general pérdida de su capacidad mecánica al reducirse las dimensiones de los
elementos.

41. • La corrosión uniforme es cuando
el metal es homogéneo y el
proceso de corrosión se produce
de manera uniforme sobre su
superficie. Cuando la corrosión
localizada se extiende a todo el
elemento también se habla de
corrosión uniforme.
CORROSIÓN UNIFORME
• La corrosión localizada es
cuando el material presenta una
discontinuidad y esto acelera la
corrosión en esa zona, o por un
impacto o deformación que le
retiró su capa de protección
superficial.
CORROSIÓN LOCALIZADA / POR PICADURAS

42. • Este tipo de corrosión es más común en las aleaciones, por la
presencia del material aleante en los granos de la estructura cristalina.
• Las áreas anódicas están localizadas a lo largo del los bordes de los
granos, mientras que los planos cristalinos están actuando como
catódicos.
• El ataque se presenta cuando se forma una pequeña área anódica
frente a una extensa área catódica (similar a los efectos de área de la
corrosión galvánica).
CORROSIÓNINTERGRANULAR

43. • Al aplicar un esfuerzo mecánico a un metal, este se deformará, y en su
superficie pueden generarse microagrietamientos que actuarán como
discontinuidades, favoreciendo la corrosión en esas áreas. Esto puede
deberse a cargas de tensión, flexión, impacto, abrasión/fricción, fatiga del
material, etc.
CORROSIÓN POR ESFUERZOS

44. CORROSIÓN POR CAVITACIÓN
• Producida por la formación y colapso de burbujas en la superficie del
metal. Es un fenómeno semejante al que le ocurre a las caras
posteriores de las hélices de los barcos. Genera una serie de
picaduras en forma de panal.
• Ocurre a altas velocidades de flujo y cambio brusco en la dirección
del mismo.

45. CORROSIÓN MARINA/SOLUCIONES
QUÍMICAS AGRESIVAS
El agua de mar constituye un electrolito
especialmente agresivo, sobre todo debido a las
siguientes características: alta conductividad,
mayor nivel de solubilidad de O2, el Cl- disuelto
puede romper películas pasivas, entre otras.
Otras soluciones químicas que pueden acelerar la
corrosión son ácidos, bases y sales. (estos últimos,
particularmente las soluciones básicas como el
hidróxido de sodio y potasio son muy perjudiciales
para el aluminio y el zinc.
45

46. MÉTODOSPREVENTIVOSPARALACORROSION
• La tendencia de los metales a corroerse es un hecho natural y permanente. El
problema radica en controlar este efecto destructivo con la mayor economía
posible, en la forma técnicamente adecuada, optimizando los recursos existentes.
• Los métodos de protección se basan en los siguientes principios:
1. Eliminación de los elementos corrosivos.
2. Mejores materiales de construcción, resistente a la corrosión. (Acero Inoxidable,
aleación de acero con cromo o níquel)
3. Protección eléctrica.
4. Colocar una barrera entre el material y el ambiente
5. Sobre−dimensionamiento de las estructuras.
• Cada uno de estos métodos tiene sus ventajas y desventajas, y cierta área de uso
en la cual es el más económico.

47. Métodos de protección / prevención
de la corrosión del acero
Recubrimientos superficiales, a
base de resinas epóxicas
(superior) o zinc (galvanizado,
imagen inferior), crea una capa
inerte que impide la oxidación del
acero subyacente.
Ánodos de sacrificio: consiste en poner en
contacto con el metal a proteger, un metal con
un comportamiento más anódico (a menudo
zinc o magnesio), de esta manera, el metal está
protegido mientras el ánodo se siga corroyendo.
Deben reemplazarse periódicamente. En la
imagen se muestran ánodos de zinc en la
cubierta de un barco de acero.

48. Protección catódica con electricidad
-Polarización-
Si se le aplica cierta
corriente al elemento
metálico, polarizándolo,
y lo que cambia su
potencial eléctrico y
adecuadamente
utilizado lo vuelve un
material catódico,
resistente a la corrosión.