Materiales metálicosLos metales son un grupo de elementosquímicos con unas características que loshacen muy útiles para el hombre, entrelas que destacan la conductividad ( casodel cobre ), la resistencia mecánica( hierro y acero ), la resistencia a las altastemperaturas ( wolframio ), etc.O sea, tenemos un metal o aleación paracada necesidad de la técnica.

Todos ellos son sólidos a temperatura ambiente, excepto el mercurio.

Los metales no suelen presentarse en lanaturaleza en forma pura, sino formandoóxidos que se encuentran en los minerales. Porejemplo, la Hematita es un mineral quecontiene óxido férrico ( Fe2O3 ) con algunastrazas de otros minerales como aluminio,magnesio, etc. Otro mineral usado paraobtener el hierro es la magnetita.Hay otros metales que se presentan en formapura, como las pepitas de oroEn general, se puede decir que los metales tiene las siguientes propiedades:•Maleabilidad: Podemos hacer láminas de muchos de ellos al pasar por rodillos especiales o con otras técnicas donde se le somete a esfuerzos de compresión.•Ductilidad: Con técnicas apropiadas, formamos hilos al someterlo a esfuerzos de tracción.•Tenacidad: Esto sería lo contrario de la fragilidad, o sea, los metales presentan gran resistencia a romperse cuando reciben golpes.•Resistencia mecánica: Cuando los sometemos a las diferentes fuerzas ( tracción, torsión , comprensión..) suele comportarse muy bien.•Dureza . La dureza de los metales es muy variable. Tenemos el acero con una gran dureza o el aluminio , que es considerado un metal blando. La dureza se define como la resistencia que presenta un material a ser rayado.Además de las anteriores, también son opacos, con alta densidad, alto punto de fusión y muy buenos conductores del calor y la electricidad.Podemos clasificar los metales en base al color, la densidad, los resistente que sea.. Sin embargo, dado que el hierro ha sido el metal mas usado con mucha

diferencia, los metales se suelen clasificaren ferrosos ( si tienen hierro ) y no ferrosos ( no tienen hierro ).

Metales ferrososLos materiales férricos son aquellos que en su composición tienen principalmente

hierro, como el acero ( mezcla de hierro con un poco de carbono ) o el hierro puro.En la imagen podemos observar bobinas de acero empleadas para la chapa de los automóviles. Sólo con este uso, ya nos podemos imaginar la demanda tan elevada que hay de este material. Si además tenemos en cuenta que el motor del coche está fabricado básicamente por hierro, sumamos y sumamos.

La gran ventaja de este material es su precio relativamente bajo y la capacidad de unirse con otros elementos para mejorar sustancialmente sus propiedades. Veremos el caso del acero.Hemos representado un tipo de acero ( la estructura cristalina, o sea, como se colocan los átomos en el material )Las bolas grises representan los átomos de hierro y lasazules los de carbono.Al formarse la estructura ( hierro en el horno ) los átomos de hierro está moviéndose libremente. Cuando

baja la temperatura es como la diana de los metales ( hay que formar filas ) y los átomos de hierro se agrupan de forma que generan ese cubo de la imagen. Como hemos añadido un poquito de carbono ( sobre el 1% ), los átomos de este no metal se “cuelan” en la formación del cubo ( red cristalina ) creando una aleación con unas propiedades mecánicas mejores.Según el porcentaje de carbono que tiene, los materiales férricos se clasifican en:

Metales no férricosVeremos los metales que pos su uso son masimportantes

Hierro Dulce, con carbono <0.1%. Se oxida muy fácilmente, en cuestión de horas se forma una capa marrón que va destruyendo el material. Es un material blando y magnético, por ello se suele emplear en piezas de electroimanes Aceros donde 0,1% < C < 2%. Tenemos un material donde el carbono es menor al 2%. También se oxidan, son mas duros al tener mas carbono, tenaces, dúctiles y maleables. Se pueden soldar sin problemas y su uso va desde los vehículos de todo tipo, herramientas de corte como la broca y hojas, etc. Si le añadimos un 12% de cromo tenemos el acero inoxidable Fundiciones, cuando el carbono es mayor del 2% y menor del 5%. A mayor carbono, mayor dureza, pero la ductilidad y tenacidad empeoran. Funden a temperaturas menores y son apropiados para fabricar piezas complicadas (se adaptan muy bien al molde ). Su uso va desde los motores a las rejillas de alcantarillas.

Cobre . Debido a su gran conductividad térmica y eléctrica, su uso queda casi exclusivamente para estos cometidos ( cables, tubos de calderas .. ) ya que no es un material barato. Se suelda con facilidad , es muy dúctil y maleable y cuando se oxida, forma una capa verdosa que le protege .

Aluminio. También es un excelente conductor de la electricidad y del calor. Es muy blando con baja densidad. Como en el caso del cobre ( aunque mejor aún), al oxidarse forma una fina capa de óxido de aluminio que le hace enormemente resistente a la oxidación.Se usa mucho en la industria de la alimentación debido a su nula toxicidad, así como en marcos de ventanas y aplicaciones del estilo, ya que son resistentes a la humedad, radiaciones solares, etc.Estaño

Muy blando e inoxidable. Se emplea fundamentalmente enla soldadura de cobre ( cables eléctricos y tubos decalefacción ) debido a a su bajo punto de fusión.Otro uso es el recubrimiento de láminas de acero parafabricar la hojalata.

Cinc: Se suele emplear juntocon otros metales. Muyresistente a la corrosión, seemplea mucho en el proceso de galvanizado por el cual se añade este elemento a la capa externa del metal ( generalmente un acero ) para crear un material muy resistente en la intemperie.Los quita-miedos de las carreteras son otro ejemploentre otros. La gran ventaja es que te olvidas de su mantenimiento ya que no necesita pinturas protectoras.Existen otros metales como el titanio ( caro, muy duro, resistente a la corrosión ) que se emplea en prótesis médicas , el wolframio … ¿ Sabes de algún

otro metal usado en nuestra sociedad que sea interesante ?Aleaciones

La mezcla de varios elementos químicos, ( uno de ellos debe se metal ) da lugar a un nuevo material mejorando alguna de las propiedades. A este nuevo material, le llamamos aleación. Veremos algunos de ellos.Latón . Con una base de cobre, se le añade entre el5 y 40 % de cinc. En este caso mejoramos al doble laresistencia a la tracción de sus componentes base. Sesuele emplear como herrajes, material de fontanería y accesorios en general.

Bronce. Empleamos de nuevo una base de cobre a la que añadimos un 10 % de estaño. El resultado es un material mas resistente a la tracción que los latones, resiste a la corrosión y cuando está fundido es muy fluido, por lo que es apropiado para hacer figuras usando moldes. Susaplicaciones van desde cojinetes o engranajes hasta estatuas.

Representamos en este apartado un rodamiento general ( las bolas suelen ser de acero ) para que se vea como funciona. Se suele poner en los ejes de las lavadoras, por ejemplo. La siguiente imagen muestra otro tipo de

rodamiento donde la jaula es de bronce.Existen otras muchas aleaciones para dar respuesta a las demanda de la industria. En el caso de la aviación comercial, como el pesoes un elemento determinante, las estructuras suelenhacerse de una aleación de aluminio, cobre ymagnesio, mejorando las propiedades mecánicas dealuminio considerablemente con un peso muy inferior alhierro.

Actividad 1. Para hacer en grupo de 2:1.Crear un documento en Open Office writer y guardarloscon el nombre de metales.2.Crear una tabla de 8 filas y una 5 columnas3.Cada fila es para cada uno de los metales objeto de estudio donde en las columnas tenemos que poner los términos Obtención, aspecto del metal, propiedades mecánicas, densidad, punto de fusión, aleaciones..4.Utiliza los colores de celda apropiado para dar un buen aspecto5.Puedes incorporar alguna foto en alguna de las celdas

Métodos para obtener los metalesLa naturaleza ( excepto algunos casos ) no nos ofrece los metales en su forma pura, y por tanto, a partir de un mineral donde le encontraremos en forma de óxido, hacemos un tratamiento para extraerlo. Veremos dos sistemas. El alto horno y el sistema de electrólisisAlto Horno. 1º Parte.

En alto horno vamos a obtener el mineral de hierro provocando la fundición del mineral junto a piedra caliza y coque ( carbón ).La piedra caliza se emplea como fuente adicional de monóxido de carbono y como sustancia fundente y

el carbón como material combustible

El alto horno tiene, normalmente, una altura de unos 30 metros y para evitar la pérdida de calor, las paredes suelen estar hechas con ladrillos refractarios con aislantes especiales.La mezcla de las 3 sustancias es introducida por la parte superior donde también se encuentra unos respiraderos para la salida de los gases de la combustión. Además tenemos la entrada del aire ( necesario para que se produzca la combustión del coque ) y salidas para la escoria y el arrabio.El esquema básico se muestra en la imagen superior y consiste en1.Se añade alternativamente capas de carbón, piedra caliza y mineral de hierro ( punto A).2.En el punto B y por medio de unos fuelles, se fuerza la entrada de aire para que haya una buena combustión de la mezcla3.Parte del carbón quemado pasa al hierro y otro se combina con el oxígeno para formar gases4.La parte que nos interesa y que contiene el material de hierro desciende a la parte mas baja del horno (C) de donde obtenemos el arrabio5.Las sustancias de desecho ( escoria ) flotan sobre el hierro fundido y son evacuadas por el D.Gracias a este horno tenemos la reacción química

Fe2O3 + 3 CO => 3 CO2 + 2 Fe

Lo veremos por pasos:

Coque (Carbono)

2C

+

Oxígeno del aire

O2

Calor horno

Calor

+Monóxido de Carbono en gas

2CO

Oxido de Hierro

Fe2O3

+Monóxido de Carbono

3CO

Hierro líquido

2Fe Hierro

+

Dióxido de Carbono

3CO2

Impurezas del material Derretido + Piedra Caliza ESCORIA

2º Parte. AfinoCuando tenemos el material de hierro dentro del arrabio, el porcentaje decarbono que contiene es demasiado alto y por tanto, hay que reducirlo hastadeterminados porcentajes, según queramos aceros, fundiciones ..

Para ello usamos un horno convertidor.Es muy sencillo. Con el arrabio cargado en una grancubeta, se introduce una lanza por la que entramosel oxígeno. El oxígeno en contacto con el carbonoque sobra produce una reacción por la que aportamas calor y se produce CO2.Se suele añadir chatarra a la mezcla para reutilizar elmaterial de nuevo.El tiempo que esté la lanza dentro del convertidor, determinará cuanto carbono quedará en la cubeta yde esa manera obtenemos el hierro o la fundición ”a la carta”.Obtención de otros metales porelectrólisis

Para el cobre o el aluminio, entre otros, es necesario emplear otros sistemaspara sacar el metal puro del mineral que lo contiene. Veremos como se hacepara el aluminio,siendo el resto muysimilar.Para la obtencióndel aluminioprimario se realizapor electrólisis dela alúmina ( óxidode aluminio (Al2O3)) en criolitafundida.

Una de las funciones de la criolita (Na3AlF6) es bajar el punto defusión desde los 2054ºC a los 950ºC. Además se añade otros compuestosmenos importantes.De manera simplificada, el proceso es el siguiente:Entre el ánodo ( tensión positiva ) y el cátodo ( tensión negativa )hacemos pasar una corriente eléctrica con alta intensidad y voltajereducido. Al pasar los electrones de un grafito al otro, el aluminiometálico se queda en el cátodo y el oxígeno se queda en el ánodo,reaccionando con carbono y produciendo CO2.Es un proceso caro dado el coste energético del proceso, por ello , aunque elaluminio es muy abundante en la naturaleza ( en forma de óxidos ) el procesolo encarece mucho.

EstructurasSe puede decir que una estructura es un conjunto de elementos dispuestos de tal formaque pueden soportar una carga conestabilidad. Esto es importante,porque ¿ de qué nos vale hacer unrascacielos si al llegar un golpe deaire , se nos cae ?Ejemplos de estructuras son, apartedel edificio, una silla, un puente, lastorres de electricidad e incluso elcaparazón de la tortuga.Las estructuras tienen que estardiseñadas para soportar las cargasque va a contener, esto es supropio peso mas el peso variable. En el caso del puente, el propio peso es el peso de los elementos que lo componen y el variable son los vehículos que circulan por el mismo.Hay veces que aparecen fuerzas repentinas como vientos o movimientos de tierra. Un buen arquitecto tiene que tener en cuenta estos factores a la hora desu diseño.

Tipos de esfuerzosLas fuerzas que pueden aparecer en una estructura pueden ser:Tracción. Ocurre cuando aparecen fuerzas que tienen a alargar a un elemento de laestructura. Un ejemplo claro es el cable que soporta el pesode un puente. Por un lado está la viga que soporta lacarretera y por el otro el pilar al que está amarrado

Compresión. En este caso, la fuerza tiene a disminuir la longitud del elemento. Ejemplo, la pata de una silla

Flexión. La fuerza aparece perpendicular al elemento de la estructura. En la carretera del puente, al pasar un camión, se ejerce una fuerza hacia abajo,

intentando doblarle.

Torsión. En este caso, la fuerza que aparece es circular y tiende a retorcer el material. Un ejemplo lo tenemos en la llave de una cerradura o un

destornilladorCizalla. Las fuerzas son paralelas, de sentido contrario y perpendiculares al

elemento

Ejercicio. Nombrar 2 ejemplos donde aparecen cada uno de los esfuerzos estudiados. Ejemplo, tracción en la cadena del ancla de un barco.

Elementos de una estructuraDesde un puente a un rascacielos encontramos que toda estructura tiene una serie de elementos que casi siempre se repiten en todos ellos. Pasaremos a comentarlos

1.Cimientos. Donde recae todo el peso. Suelen estar formados por un entramado de hierros y hormigón y sirve de base para soportar todo el peso dela estructura. La forma y el tamaño dependen de qué va a soportar. No es lo mismo para un puente sobre el mar que para una casa.

2.Columnas. Elementos verticales que partiendo de los cimientos elevan la estructura. En un edificio, las de abajo son mas anchas que las de arriba, debido a que a medida que subimos plantas, el peso que soporta es menor3.Vigas. Parecida a las columnas, pero en este caso se colocan horizontalmente. Las vigas que hay entre dos vigas se llama vigueta

4.Arcos. Elemento muy usado en laantigüedad, permite soportar un peso de la estructura“descargándolo” sobre los extremos. Vemos un ejemplo denuestro puente de Alcantara

5.Tirantes. Son cables de acero especial que soportan ungran esfuerzo de tracción. Se suele emplear mucho en lospuentes

Arcos. Como vimos antes, el arco se emplea para soportar un elemento horizontal “descargando” este peso sobre los dos pilares laterales. Hasta aquí todo bien, el misterio está en que cada piedra que compone el arco está suelta. Entonces, ¿ porqué no se cae ?.La respuesta está en la forma de las piedras, que no son bloques rectangulares, sino que tiene los lados de diferente tamaño y de esta forma al posicionarse sobre el arco, el lado mayor se coloca en la parte superior y el menor en la parte de abajo del arco.A la piedra superior se le llama piedra clave. Veremos en la siguiente ilustración este

detalle.La “clave ” de esta piedra clave radica en cómo transmite la fuerza vertical a otras horizontales. Lo podemos ver en este detalle

Estructuras Estables eInestables.

Decimos que una estructura es estable cuando ante cualquier esfuerzo repentino ( empuje ) recobra su posición original. al empujarlo no se cae. Es muy estable y su estabilidad se debe a dos cosas1. La base permite recuperar su estado inicial2.El centro de gravedad lo tiene muy bajoEl centro de gravedad es un punto virtual ( imaginario ) donde se supone que esta toda

la masa del cuerpo. Esto es, desde el punto de vista de la gravedad, es como sitirase de ese punto.Si un coche que tiene motor se cae al agua, el punto de entrada es por el capó,ya que la mayor parte del peso esta en la parte delantera ( motor ).Si encontramos el centro de gravedad y lo “sujetamos” con un boli, entonces, el objeto no se cae ( ver imagen )

PerfilesAlgunos de los elementos de las estructuras como las vigas tienen formas muycaracterísticas. A esta forma se le denomina Perfil.Podemos hacer este perfil como un cuadrado macizo de hierro para que soporte el peso, pero, ¿ No habrá otra manera de usar menos material y que soporte el mismo peso ?.Los ingenieros mecánicos ya se plantearon este asunto y descubrieron que la Forma del perfil es determinante, o sea que a esa barra maciza le quitamosel hierro del interior y tenemos una barra cuadrada hueca con resultados fabulosos.Mostramos algunos de los perfiles mas usados en la construcción

La primera de ellas es la cuadrada hueca, la segunda la doble T ( también llamada H) , la tercera la T y la cuarta la L. Hay muchas otras, pero quizás estas son las mas usadas de todas.Fuerzas.Para terminar este tema vamos a estudiar un poco cómo actúan las fuerzas en los elementos mas sencillos, como una viga, para determinar como se reparte el esfuerzo en el mismo. Ponemos un ejemplo.Si tenemos soportar un peso en el centro de un puente de 1000 Kg, y el puenteestá apoyado por dos pilares, ¿ Qué esfuerzo soporta cada pilar ?.Respuesta: Como el peso dista lo mismo de cada pilar y como hay dos, el esfuerzo en cada uno es 500 kg.Veremos otras situaciones un ” pelín ” mas complicadas.

Ejercicio. Calcular que esfuerzo soporta el apoyo X y el apoyo Y si la fuerza de 1000 Nw está a 1 metros de X.Solución:a) Se cumple que las fuerzas hacia arriba son iguales que las fuerzas hacia abajo y por tanto, 1000 = Fx + Fyb) Si quitamos el punto de apoyo X, entonces la barra se caería por la izquierda. Tenemos que sujetarla para que no se caiga. Si la sujetamos justo debajo dela fuerza de 1000 Nw, la fuerza necesaria

para evitar que se caiga sería también de 1000 Nw. Si nos alejamos del punto ala izquierda vemos que la fuerza que tenemos que emplear decrece. Esto es , amas lejos, menos fuerza para evitar que se caiga. Por tanto, y aplicando la ley de la palanca, tenemos que:

Pero como nos hemos desplazado 1 metro a la izquierda, el punto Y también vaa trabajar, y por tanto tenemos que hacer de nuevo los cálculos para este punto. Bueno, como dijimos al principio que la suma de las fuerzas es 1000 tenemos que Fy va a ser 200 Nw, pero sería bueno que hagáis los cálculos para comprobarlo.

Ejercicio 2.Calcular como se reparten elpeso los puntos verde y rojo de la imagen.Solución:Fuerza en el punto Rojo (derecha ) = 2500 KgFuerza en el punto verde = 500 Kg

Ejercicio 3. Calcular el peso que recae sobre los apoyos si las fuerzas que actúan sobre la barra son 100 y 200 Kg.Solución:

Fuerza en el apoyo de la derecha:120+ 30 = 150 KGEn el otro punto de apoyo recae el resto de la carga, o sea, 300 – 150 Kg = 150 kg.

Ejercicio 4. Hemos fabricado dos soportes con dos tiposde plástico diferente. Uno de los soportes aguanta un peso de 200 Kg y el otro de 100Kg. La longitud de la barra es 10metros. Resolver los siguientessupuestos.a) Calcular la distanciaal soporte del izquierdo si el lafuerza es 400 kg) Calcular la fuerzamáxima que puede soportar en elcaso de que la distancia sea 2metros.

Haciendo estructuras mejores. Viva el Triángulo ¿ Como hacer resistentes a las estructuras ?Bueno, mejor sería hacerse la pregunta ¿ Cómo hacer estructuras resistentes al menor precio ?.Todos podemos hacer un edificio resistente incorporando unas

columnas enormes con unos cimientos muy profundos, pero el precio sería muyalto. La idea es hacer la estructura para que con el menor material posible, soporte el peso para el que han sido diseñados. Aquí interviene de forma determinante, la forma de la estructura. Veremos una de ellas, el triángulo.Si hacemos un cuadrado con barras de metal y las unimos unas a otras con tornillos, podemos hacer el experimento de aplicar fuerzas en los vértices. Resultado-> Los lados ceden.Si hacemos lo mismo con un triángulo ( usamos menos barras y menos material ) el resultado es bien distinto. Tenemos una forma geométrica que soporta muy bien los esfuerzos que tienen a deformarlo.

En esta imagen se muestra un detalle del puente colgante de portugalete ( Vizcaya ) donde aparte de varios tirantes, podemos observar que la estructura está muy triangularizada, o sea, existen muchas formas triangulares en el mismo. Podemos hacer la misma observación en la torre Eiffel, edificios y otras estructuras y veremos lo mismo. Triángulos. ¿ Porqué no cuadrados ?.Veremos la razón. Lo veremos mejor en este ejemplo.

En los dos ejemplos hemos aplicado una fuerza , primero a un cuadrado y luego a un pentágono. Tenemos el mismo resultado, una deformación de la forma original. Si pasamos a triangulizar y ponemos el elemento verde, el resultado son dos triángulos donde había un cuadrado y lo mismo del 2º ejemplo ( en este caso 3 triángulos). Si aplicamos de nuevo la fuerza externa, la nueva estructura soportará el esfuerzo mucho mejor.Ejercicios. En los siguientes elementos, comenta si es estable y como se puede hacer