INGENIERIA_CIVIL (11)

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INGENIERÍA CIVIL 
 
PROFA. M. C. Q. JANETT CECILIA SÁNCHEZ ARANA 
 
JOSÉ ALBERTO CORONEL MÁRQUEZ 
HORACIO SALVADOR HERNÁNDEZ PANTOJA 
JORGE ALFONSO IBARRA LABRA 
OSCAR ROBERTO DE LOERA AGUILAR 
 
VIERNES 6 DE JUNIO DE 2014 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
QUÍMICA 
 
 
El Hierro y sus aleaciones 
 
Clasificación del hierro 
El hierro puro apenas tiene aplicaciones industriales, pero formando aleaciones con el 
carbono (además de otros elementos), es el metal más utilizado en la industria moderna. 
A la temperatura ambiente, salvo una pequeña parte disuelta en la ferrita, todo el 
carbono que contienen las aleaciones Fe-C está en forma de carburo de hierro (CFe3). Por 
eso, las aleaciones Fe-C se denominan también aleaciones hierro-carburo de hierro. 
 
FERRITA 
Aunque la ferrita es en realidad una solución sólida de carbono en hierro alfa, su 
solubilidad a la temperatura ambiente es tan pequeña que no llega a disolver ni un 
0.008% de C. Es por esto que prácticamente se considera la ferrita como hierro alfa puro. 
La ferrita es el más blando y dúctil constituyente de los aceros. 
 
CEMENTITA 
Es carburo de hierro y por tanto su composición es de 6.67% de C y 93.33% de Fe en peso. 
Es el constituyente más duro y frágil de los aceros, alcanzando una dureza de 960 Vickers. 
Es magnética hasta los 210ºC, temperatura a partir de la cual pierde sus propiedades 
magnéticas 
 
PERLITA 
Es un constituyente compuesto por el 86.5% de ferrita y el 13.5% de cementita, es decir, 
hay 6.4 partes de ferrita y 1 de cementita. La perlita tiene una dureza de 
aproximadamente 200 Vickers, con una resistencia a la rotura de 80 Kg/mm2 y un 
alargamiento del 15%. Cada grano de perlita está formado por láminas o placas alternadas 
de cementita y ferrita. 
 
AUSTENITA 
Este es el constituyente más denso de los aceros, y está formado por la solución sólida, 
por inserción, de carbono en hierro gamma. La proporción de C disuelto varía desde el 0 al 
1.76%, correspondiendo este último porcentaje de máxima solubilidad a la temperatura 
de 1130 ºC. La austenita en los aceros al carbono, es decir, si ningún otro elemento 
aleado, empieza a formarse a la temperatura de 723ºC. También puede obtenerse una 
estructura austenítica en los aceros a temperatura ambiente, enfriando muy rápidamente 
una probeta de acero de alto contenido de C a partir de una temperatura por encima de la 
crítica, pero este tipo de austenita no es estable, y con el tiempo se transforma en ferrita y 
perlita o bien cementita y perlita. 
 
MARTENSITA 
Bajo velocidades de enfriamiento bajas o moderadas, los átomos de C pueden difundirse 
hacia afuera de la estructura austenítica. De este modo, los átomos de Fe se mueven 
ligeramente para convertir su estructura en una tipo BCC. 
 
BAINITA 
Se forma la bainita en la transformación isoterma de la austenita, en un rango de 
temperaturas de 250 a 550ºC. El proceso consiste en enfriar rápidamente la austenita 
hasta una temperatura constante, manteniéndose dicha temperatura hasta la 
transformación total de la austenita en bainita. 
 
LEDEBURITA 
La ledeburita no es un constituyente de los aceros, sino de las fundiciones. Se encuentra 
en las aleaciones Fe-C cuando el porcentaje de carbono en hierro aleado es superior al 
25%, es decir, un contenido total de 1.76% de carbono. 
 
ACERO 
El término acero sirve para denominar a una aleación de hierro con una cantidad 
de carbono variable entre el 0,03 % y el 1,075 % en peso de su composición, dependiendo 
del grado. Si la aleación posee una concentración de carbono mayor al 2,0 % se 
producen fundiciones que, en oposición al acero, son mucho más frágiles y no es 
posible forjarlas sino que deben ser moldeadas. 
El acero conserva las características metálicas del hierro en estado puro, pero la adición 
de carbono y de otros elementos tanto metálicos como no metálicos mejora 
sus propiedades físico-químicas. 
 
 
COMPOSICIÓN DEL ACERO 
Usualmente estas aleaciones de hierro se engloban bajo la denominación genérica 
de aceros especiales, razón por la que aquí se ha adoptado la definición de los comunes o 
"al carbono" que además de ser los primeros fabricados y los más empleados, sirvieron de 
base para los demás. Esta gran variedad de aceros llevó a Siemens a definir el acero como 
«un compuesto de hierro y otra sustancia que incrementa su resistencia». 
Históricamente un 90% de la producción total producida mundialmente corresponde a 
aceros al carbono y el 10% restante son aceros aleados. Sin embargo, la tendencia es hacia 
un crecimiento de la proporción de los aceros aleados en desmedro de los aceros al 
carbono. En esta tendencia tiene importancia la necesidad de aligerar pesos. 
 
Aceros aleados 
Se da el nombre de aceros aleados a los aceros que además de los cinco elementos: 
carbono, silicio, manganeso, fósforo y azufre, contienen también cantidades 
relativamente importantes de otros elementos como el cromo, níquel, molibdeno, etc., 
que sirven para mejorar alguna de sus características fundamentales. También puede 
considerarse aceros aleados los que contienen alguno de los cuatro elementos diferentes 
del carbono que antes hemos citado, en mayor cantidad que los porcentajes que 
normalmente suelen contener los aceros al carbono, y cuyos límites superiores suelen ser 
generalmente los siguientes: si=0.50%; mn=0.90%; p=0.100% y s=0.100%. 
Los elementos de aleación que más frecuentemente suelen utilizarse para la fabricación 
de aceros aleados son: níquel, manganeso, cromo, vanadio, wolframio, molibdeno, 
cobalto, silicio, cobre, titanio, circonio, plomo, Selenio, aluminio, boro y Niobio. 
 
Acero al carbón 
El acero al carbono es una aleación de composición química compleja. Además de hierro, 
cuyo contenido puede oscilar entre 97,0-99,5%-, hay en él muchos elementos cuya 
presencia se debe a los procesos de su producción (manganeso y silicio), a la dificultad de 
excluirlos totalmente del metal (azufre, fósforo, oxígeno, nitrógeno e hidrógeno) o a 
circunstancias casuales (cromo, níquel, cobre y otros). 
El aumento del contenido de carbono en el acero eleva su resistencia a la tracción, 
incrementa el índice de fragilidad en frío y hace que disminuya la tenacidad y la ductilidad. 
 
 
 
Las aleaciones de Níquel-Hierro (conocidas como INVAR o NILO) 
Forman una familia de materiales de expansión controlada. Son un componente esencial 
en la fabricación de termostatos bimetálicos, ampliamente usados en planchas, 
tostadoras, interruptores de seguridad, calefactores, termómetros, etc. El Invar también 
se utiliza en la fabricación de monitores y televisores y tubos de rayos catódicos. 
Se caracterizan por su bajo coeficiente de dilatación lineal en un amplio rango de 
temperaturas. El Invar 36 tiene 36% de Níquel (el resto es Hierro) y posee la menor 
expansión térmica entre todos los metales y aleaciones en el rango desde temperatura 
ambiente hasta 230°C. Es una aleación dúctil y soldable, y puede maquinarse en forma 
similar a los aceros inoxidables auténticos. 
 
Influencia del Silicio 
El silicio incrementa la fluidez y desplaza la composición eutéctica hacia la izquierda, lo 
cual baja la temperatura de solidificación. Al aumentar el Silicio decrece el área de la 
austenita y el contenido de carbono eutectoide. 
Al ser un enérgico grafitizador, si no es balanceado por otros elementos formadores de 
carburo, el carbono primario precipita como hojuelas de grafito. Una vez que se 
constituye el carbono primario como grafito su forma ya no puede alterarse. Estas 
hojuelas rompen la continuidad de la matriz y generan un efecto concentrador de 
esfuerzos como verdaderas entallas, lo cual explica la baja resistencia y ductilidad de la 
fundición gris. 
 
Influencia del azufre 
Tiene el efecto contrario del silicio, ya que tiende a estabilizar los carburos. Además tiende 
a formar FeS,un compuesto intermetálico de bajo punto de fusión que al formar redes 
interdendríticas, provoca fisuras y fragilidad en caliente. Reduce la fluidez y provoca 
rechupes y cavidades en piezas fundidas. 
En general el azufre se controla con el manganeso ya que forma MnS, unas partículas muy 
duras y pequeñas que no perjudican demasiado a la matriz. 
 
Influencia del manganeso 
Es un estabilizador de carburos, pero menos potente que el azufre. En la proporción 
correcta (3 a 1 con el azufre) forma MnS, reduciendo el carbono combinado y el efecto del 
azufre. El exceso retarda un poco la grafitización primaria y estabiliza la cementita 
eutectoide. 
 
Influencia del fósforo 
La mayor parte proviene del mineral de hierro y del carbón mineral. Se combina con el 
hierro para formar Fe3P, que constituye un eutéctico ternario con la cementita y la perlita 
llamado esteadita. La esteadita es frágil y con alto contenido de fósforo, tiende a formar 
redes interdendríticas alrededor de la austenita primaria y por lo tanto le confiere 
fragilidad a la fundición. Su contenido debe controlarse cuidadosamente. 
Su efecto aumenta la fluidez y favorece la grafitización primaria junto al silicio. Es útil para 
piezas muy delgadas. 
 
Características mecánicas y tecnológicas del acero 
• Su densidad media es de 7850 kg/m³. 
• En función de la temperatura el acero se puede contraer, dilatar o fundir. 
• el acero presenta frecuentemente temperaturas de fusión de alrededor de 
1.375 °C 
• Su punto de ebullición es de alrededor de 3.000 °C. 
• Es un material tenaz, dúctil y maleable 
• Permite una buena mecanización en. 
• Tiene gran dureza 
• Se puede soldar con facilidad. 
• Los aceros se oxidan con suma facilidad 
• Posee una alta conductividad eléctrica. 
• Se utiliza para la fabricación de imanes permanentes artificiales. 
 
Aplicaciones del acero 
Las aleaciones ferrosas están presente de forma abrumadora en nuestra vida cotidiana, 
tienen al hierro como su principal metal de aleación. Los aceros que son aleaciones 
ferrosas, son las más importantes principalmente por su costo relativamente bajo y la 
variedad de aplicaciones por sus propiedades mecánicas. Los elementos de aleación tales 
como el níquel, cromo y molibdeno se añaden a los aceros al carbono para producir 
aceros de baja aleación. Los aceros de baja aleación presentan buena combinación de alta 
resistencia y tenacidad. 
• Está en forma de herramientas, utensilios, equipos mecánicos y formando parte 
de electrodomésticos, en general la mayoría de piezas que ocupan una gran 
resistencia mecánica. 
• También es parte de las estructuras de las viviendas que habitamos y en la gran 
mayoría de los edificios modernos como armaduras de las grandes estructuras 
sobre las que se soportan. 
• Uno de los grandes consumidores del acero son los grandes astilleros 
constructores de barcos, especialmente petroleros, y gasistas u otros buques 
cisternas.