Estructuras hechas principalmente o en gran parte del material conocido como acero podrían ser las adiciones más destacadas de la humanidad al paisaje de la Tierra.
Si toda la vida en la Tierra se teletransportara a otro lugar, y un grupo de extraterrestres investigara, los objetos más duraderos e imponentes que encontrarían que claramente no tenían surgido de procesos geológicos naturales contendría acero: rascacielos, puentes, maquinaria pesada y esencialmente cualquier cosa requerida para resistir fuertes fuerzas sobre hora.
Quizás tenga algún conocimiento de de dónde "viene" el acero y qué "es". Si nada más, ciertamente sabe cómo se ve, se siente y quizás incluso suena en ciertos casos.
Si piensa en el acero como un metal, eso es natural, pero el acero de hecho se clasifica como un aleación o una mezcla de diferentes metales. En este caso, casi todo el metal primario es hierro sin importar la receta específica, pero como verá, incluso pequeñas cantidades de carbono pueden cambiar las propiedades del acero de manera significativa.
Prepárese para aprender mucho sobre lo que legítimamente se puede llamar el material más importante en la historia de la construcción y la ingeniería.
Propiedades físicas y químicas del acero
Como sin duda sabrá por haber visto, oído y estado en contacto con su parte del material, el acero es conocido principalmente por su durabilidad, dureza y tenacidad. En algunos casos, también es famoso por su brillo.
Lo que estas cualidades se traducen en términos físicos cuantificables es un punto de fusión muy alto (aproximadamente 1.510 ° C, más alto que la mayoría de los metales; el cobre, por ejemplo, es casi 500 grados más frío) y un muy alta densidad (7,9 g / cm3, casi ocho veces mayor que el del agua).
El acero es más duro y resistente en general que su elemento principal, el hierro. Sin embargo es extremadamente flexible y conocido por su alta resistencia a la tracción (es decir, su capacidad para soportar cargas o fuerzas aplicadas sin perder su forma).
La resistencia a la tracción de todos los tipos de acero es alta en comparación con otros materiales, pero varía significativamente entre los tipos de acero. En el extremo inferior, los valores son aproximadamente 290 N / mm2; en el extremo superior, la resistencia a la tracción es de hasta 870 N / mm2.
- Un milímetro cuadrado (mm2) es solo una millonésima parte de un metro cuadrado. Esto significa que el acero puede tener una resistencia a la tracción de 870 millones de newtons por metro cuadrado, lo que equivale a una masa de 88,8 millones de kilogramos, o 195,7 millones de libras (97.831 toneladas), en la Tierra.
Si alguna vez ha usado un sartén de hierro fundido, es posible que haya notado lo notablemente robusto (o al menos pesado) que parecía. Cuando el hierro es el único o casi único componente de algo como una sartén, es más frágil que el acero.
Pero para la mayoría de las temperaturas de cocción diarias (que parecen "calientes", pero que no se parecen en nada a las de un horno de fundición), La diferencia funcional entre el hierro y el acero puede no ser evidente, incluso si por lo general se ven algo diferente.
Tipos de acero
La mayor parte del acero que se produce hoy en día se llama simplemente acero carbono, o acero de carbón liso, aunque puede contener metales además de hierro y carbono, como silicio y manganeso.
La cantidad de variación del acero puede no parecer significativa en la superficie, porque el carbono nunca constituye más del 1,5 por ciento del acero. Sin embargo, cuando considera que esta pequeña fracción puede variar en un factor de 10 (0,15 por ciento a 1,5 por ciento), comienza a apreciar el impacto físico que esto puede tener.
El acero se puede dividir en diferentes categorías utilizando varios criterios. Los utilizados por los científicos (que a menudo se preocupan más por las propiedades de las cosas que por las utilizarlos) son a menudo diferentes de aquellos cuya principal preocupación son los tipos de productos finales elaborados a partir de acero.
Mecánico: Como se señaló, la resistencia a la tracción del acero puede oscilar entre 290 N / m2 y 870 N / m2. Agregar carbono al acero lo hace más difícil debido a la forma en que los átomos de carbono se dispersan. ellos mismos entre los átomos de hierro de una manera que hace que las dislocaciones de material sean muy difíciles, formando "granos" de Fe3C. Esto también hace que el acero sea más frágil que el hierro, por lo que convertir el hierro en acero, a pesar de las ventajas manifiestas de este último, no tiene un costo práctico cero.
El acero que se clasifica sobre la base de sus propiedades mecánicas comienza con "Fe", y lo que sigue es 1) E y el valor mínimo del límite elástico es que el acero se clasifica principalmente sobre esta base_, o 2) solo el valor de la resistencia a la tracción si este es el rasgo de clasificación principal. (_Estrés de rendimiento es una medida de resistencia a la deformación mecánica.)
- Por ejemplo, "Fe 290" es acero con una resistencia a la tracción de 290 N / mm2. mientras que "Fe E 220" es acero con un límite elástico de 220 N / mm2.
Químico: Los aceros al carbono simples que varían de un 0,06 por ciento de carbono a un 1,5 por ciento de carbono se dividen en los siguientes tipos según su contenido específico de carbono.
-
Acero dulce muerto: hasta 0,15
por ciento
carbono 2. Acero bajo en carbono o dulce - 0.15
por ciento
hasta 0.45
por ciento
carbono 3. Acero al carbono medio - 0.45
por ciento
hasta 0.8
por ciento
carbono 4. Acero con alto contenido de carbono - 0.8
por ciento
a 1,5
por ciento
carbón
Acero inoxidable es un tipo de acero que recibe su nombre de su resistencia a oxidación (oxidación) así como a corrosión, como lo que podría ocurrir por la aplicación de un ácido fuerte. Fue inventado en 1913 por el metalúrgico británico. Harry Brearley, quien descubrió que agregando el metal cromo al acero en grandes cantidades (13 por ciento), el cromo reaccionaría con el oxígeno en el aire para formar una película protectora autorrenovable alrededor del objeto.
Actualmente se utilizan varios tipos de acero inoxidable:
-
Aceros inoxidables martensíticos contener 12 a 14
por ciento
cromo y 0,12 a 0,35
por ciento
carbono y fueron el primer acero inoxidable desarrollado. Estos aceros son magnético y se puede endurecer tratándolos con calor. Estos se utilizan en bombas hidráulicas, bombas de vapor, bombas de aceite y válvulas, entre otros equipos de ingeniería.
* Aceros inoxidables ferríticos tienen una mayor cantidad de cromo (16 a 18por ciento) y alrededor de 0,12
por ciento
carbón. Estos aceros son más resistentes a la corrosión que los aceros inoxidables martensíticos, pero tienen poca capacidad para endurecerse con el uso de calor. Estos aceros inoxidables se utilizan principalmente en operaciones de conformado y prensado debido a su alta resistencia a la corrosión.
* Aceros inoxidables austeníticos contienen una gran cantidad de cromo y níquel; Existen muchas variaciones en la composición química precisa, pero las más utilizadas consisten en 18por ciento
cromo y 8
por ciento
níquel, con el carbono reducido al mínimo. Resisten muy bien la corrosión a costa de no ser tratables térmicamente en un grado apreciable. Estos aceros se utilizan en ejes de bombas, bastidores, revestimientos y componentes cotidianos como tornillos, tuercas y pernos.
Los propósitos de las aleaciones
Ya ha visto cómo las aleaciones pueden hacer que un material ya útil sea mejor, o quizás más al grano, más especializado. ¿Cómo funciona este proceso a nivel molecular?
La mayoría de los metales puros, aunque muchos parecen duros, en realidad son demasiado blandos por sí mismos para ser utilizados en la fabricación pesada. (Una excepción notable es la industria automotriz, donde el acero se deja en su mayor parte sin alear y contiene hierro casi puro). Pero la mezcla de otros metales puede producir resultados sobresalientes.
Por ejemplo, níquel y cromo son resistentes a la corrosión y son conocidos por su inclusión en instrumentos quirúrgicos de acero inoxidable. Si se desea una aleación con una mayor permeabilidad magnética para su uso en imanes de acero, cobalto es una excelente elección.
Manganeso se utiliza en proyectos de mayor envergadura, como los cruces ferroviarios de servicio pesado, debido a su considerable resistencia y dureza. Finalmente, molibdeno es capaz de mantener su resistencia a temperaturas inusualmente altas incluso para los estándares de los metales y se utiliza en aplicaciones de precisión como puntas de brocas de alta velocidad.
- Cuando se agregan iones más grandes a la celosía de acero existente, esto interrumpe la celosía de tal manera que hace que sea más difícil que las "capas" contiguas se deslicen una sobre la otra, lo que aumenta la dureza. La adición de átomos más pequeños puede tener el mismo efecto a través de una forma diferente de alteración mecánica de la estructura de la red cristalina de hierro.
Ventajas del acero
Entre las muchas propiedades deseables del acero se encuentra que es ecológico. Puede que no siempre se vea de esa manera con grandes estructuras de acero que salpican el paisaje celeste en lugares a menudo desagradables, pero es genial durabilidad significa que, por ejemplo, no se degradará a algo tóxico y se filtrará sin ser visto en el agua subterránea y otros áreas. Las fuentes de energía renovable (por ejemplo, energía solar, eólica e hidráulica) hacen un amplio uso del acero inoxidable.
- El acero es ahora el material más reciclado de la Tierra; aunque es pesado, sus propiedades magnéticas facilitan la recuperación de arroyos y otros lugares que otras formas de desechos. Puede reducir el CO2 emisiones.
En comparación con otros materiales, el acero requiere una baja cantidad de energía al construir elementos de acero relativamente livianos y se puede moldear en varias formas. Da mejor forma y filo que el hierro que se usa para fabricar armas.
Diversos usos y funciones del acero
El acero, como se señaló, se utiliza en la industria del automóvil. Piense en la cantidad de automóviles en las carreteras de su propia ciudad durante las horas pico, todos con carrocerías, puertas, motores, suspensiones e interiores que consisten principalmente en acero.
- En promedio, el 50 por ciento de un automóvil está hecho de acero.
Además de su papel en los vehículos de pasajeros, el acero se utiliza en la producción de vehículos y máquinas agrícolas.
La mayoría de los electrodomésticos de los hogares modernos, como refrigeradores, televisores, fregaderos, hornos, etc., están hechos de acero "simple". Además, aquellos con un yen por pasar tiempo en la cocina son muy conscientes del papel del acero inoxidable en la cubertería fina. Los aceros inoxidables se prestan notablemente al fácil mantenimiento de un entorno estéril, que es una de las cualidades que los convierte en una buena elección para implantes e instrumentos quirúrgicos.
Porque se presta a la fácil formación de soldaduras, acero, más que simplemente hacer lo invisible marco de las estructuras modernas, ha aparecido por derecho propio en ejemplos de arquitectura. El llamado acero "dulce" se utiliza para la construcción de edificios cotidiana, especialmente en áreas donde los fuertes vientos son una característica del clima local.
Fórmulas y reacciones químicas del acero
El acero en sí es una aleación y, por definición, no tiene una fórmula química o molecular, independientemente del tipo. No obstante, es útil examinar algunas de las reacciones importantes que tienen lugar en el proceso de fabricación de acero.
La combustión de hierro más chatarra de acero, o en algunos casos chatarra de acero sola, implica una serie de reacciones diferentes. Algunos de los importantes son:
2 C + O2 → 2 CO
Si + O2 → SiO2
4P + 5 O2 → 4 P5O2
2 Mn + O2 → 2 MnO
El co (dióxido de carbono) es un producto de desecho, pero el resto se agrega a la cal para continuar el proceso de fabricación de acero formando escoria.