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INTRODUCCIN A LAS CONSTRUCCIONES 2013FACULTAD DE ARQUITECTURA, DISEO ARTE Y URBANISMO -UNIVERSIDAD DE MORN

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Los Metales

Elaboracin propia en base a informacin de textos diversos.

Dice el diccionario en su primera acepcin, sobre la palabra METAL:

1. m. Qum. Cada uno de los elementos qumicos buenos conductores del calor y de la electricidad, con un brillocaracterstico, y slidos a temperatura ordinaria, salvo el mercurio.

AleacinLos metales se pueden combinar unos con otros y tambin con otros elementos formando compuestos,disoluciones y mezclas.Una mezcla de dos o ms metales o de un metal y ciertos no metales como el carbono se denomina aleacin.

Propiedades fsicasLos metales muestran un amplio margen en sus propiedades fsicas, y aunque existen ciertas variaciones deuno a otro, en general los metales tienen las siguientes propiedades:- dureza o resistencia a ser rayados;- resistencia longitudinal o resistencia a la rotura;- elasticidad o capacidad de volver a su forma original despus de sufrir deformacin;- maleabilidad o posibilidad de cambiar de forma por la accin del martillo;- resistencia a la fatiga o capacidad de soportar una fuerza o presin continuadas- ductilidad o posibilidad de deformarse sin sufrir roturas.

Todos los metales se expanden con el calor y se contraen al enfriarse. Ciertas aleaciones, como las de platino eiridio, tienen un coeficiente de dilatacin extremadamente bajo, esta es la razn por la cual el famosos metropatrn, que parece estar en un stano en Pars, es de esta aleacin.

MetalurgiaCiencia y tecnologa de los metales, que incluye su extraccin a partir de los minerales metlicos, su preparaciny el estudio de las relaciones entre sus estructuras y propiedades. Desde tiempos muy remotos, el uso de ciertosmetales conocidos, como el cobre, hierro, plata, plomo, mercurio, antimonio y estao, se convirti enindispensable para la evolucin de las distintas civilizaciones. Por ello, la metalurgia es una actividad a la que elser humano ha dedicado grandes esfuerzos.

Los procesos metalrgicos constan de dos operaciones: la concentracin, que consiste en separar el metal ocompuesto metlico del material residual que lo acompaa en el mineral, y el refinado, en el que se trata deproducir el metal en un estado puro o casi puro, adecuado para su empleo. Tanto para la concentracin comopara el refinado se puede emplear tres tipos de procesos: mecnicos, qumicos y elctricos. En la mayora de loscasos se usa una combinacin de los tres.

Veamos alguno de los metales con mayor presencia en el campo de la arquitectura:

HierroPropiedadesEl hierro puro es blando, maleable y dctil. Se magnetiza fcilmente a temperatura ordinaria; es difcilmagnetizarlo en caliente, y a unos 790 C desaparecen las propiedades magnticas. Tiene un punto de fusinde unos 1535 C, un punto de ebullicin de 2750 C y una densidad relativa de 7,86 kg./dm3.

Estado naturalEl hierro slo existe en estado libre en unas pocas localidades, en concreto al oeste de Groenlandia. Tambin seencuentra en los meteoritos, normalmente aleado con nquel. En forma de compuestos qumicos, est distribuido

por todo el mundo, y ocupa el cuarto lugar en abundancia entre los elementos de la corteza terrestre; despusdel aluminio, es el ms abundante de todos los metales. Los principales minerales de hierro son las hematites.


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Aplicaciones y produccinEl hierro puro, tiene un uso limitado. La mayor parte del hierro se utiliza en formas sometidasa un tratamiento especial, como el hierro forjado, el hierro fundido, con el que se realizancaeras para desage, y el acero. Comercialmente, el hierro puro se utiliza para obtenerlminas metlicas galvanizadas y electroimanes.

A principios de la dcada de 1990, la produccin anual de hierro se aproximaba a 920millones de toneladas.

SiderurgiaTecnologa relacionada con la produccin del hierro y sus aleaciones, en especial las que contienen un pequeo

porcentaje de carbono, que constituyen los diferentes tipos de acero.

AceroEn general, el acero es una aleacin de hierro y carbono a la que suelen aadirse otros elementos .

HistoriaNo se conoce con exactitud la fecha en que se descubri la tcnica de fundir mineral de hierro para producir un

metal susceptible de ser utilizado. Los primeros utensilios de hierro descubiertos en Egipto datan del ao3000 a.C. Los griegos ya conocan hacia el 1000 a.C. la tcnica, de cierta complejidad, para endurecer armas dehierro mediante tratamiento trmico.Las aleaciones producidas por los primeros artesanos del hierro (y, de hecho, todas las aleaciones de hierrofabricadas hasta el siglo XIV d.C. se clasificaran en la actualidad como hierro forjado.En ocasiones la tcnica de fabricacin produca accidentalmente autntico acero en lugar de hierro forjado. Losartesanos del hierro aprendieron a fabricar acero calentando hierro forjado y carbn vegetal en recipientes dearcilla durante varios das, con lo que el hierro absorba suficiente carbono para convertirse en acero autntico.

Despus del siglo XIV se aument el tamao de los hornos utilizados para la fundicin.En estos hornos de mayor tamao el mineral de hierro de la parte superior del horno se reduca a hierro metlicoy a continuacin absorba ms carbono como resultado de los gases que lo atravesaban. El producto de estoshornos era el llamado arrabio, una aleacin que funde a una temperatura menor que el acero o el hierro forjado.El arrabio se refinaba despus para fabricar acero.

La produccin de acero emplea hoy da altos hornos que son modelos perfeccionados de los usadosantiguamente. El proceso de refinado del arrabio mediante chorros de aire se debe al inventor britnico HenryBessemer, que en 1855 desarroll el horno o convertidor que lleva su nombre y que fue utilizado hastamediados de este siglo.

Produccin de arrabioLos materiales bsicos empleadospara fabricar arrabio son mineral dehierro, coque y caliza. El arrabioproducido en los altos hornos tienela siguiente composicin: un 92%de hierro, un 3 o 4% de carbono,entre 0,5 y 3% de silicio, del 0,25%al 2,5% de manganeso, del 0,04 al2% de fsforo y algunas partculasde azufre.

Un alto horno tpico est formadopor una cpsula cilndrica, de formade pera, de acero forrada con unmaterial no metlico y resistente alcalor, como asbesto o ladrillosrefractarios.

El dimetro de la cpsula disminuye hacia arriba y hacia abajo, y es mximo en un punto situadoaproximadamente a una cuarta parte de su altura total, que es de unos 30 m.


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Los altos hornos funcionan de forma continua. La materia prima que se va a introducir en el horno se divide enun determinado nmero de pequeas cargas que se introducen a intervalos de entre 10 y 15 minutos. La escoria(impurezas) que flota sobre el metal fundido se retira una vez cada dos horas, y el hierro cinco veces al da.

Procesos de acabado

El acero se vende en una gran variedad de formas y tamaos, como varillas, tubos, rieles de ferrocarril o perfilesen H o en T.Estas formas se obtienen en las instalaciones siderrgicas laminando los lingotes calientes o modelndolos dealgn otro modo. El acabado del acero mejora tambin su calidad al refinar su estructura cristalina y aumentarsu resistencia.El mtodo principal de trabajar el acero se conoce como laminado en caliente. En este proceso, el lingote coladose calienta al rojo vivo y a continuacin se lo hace pasar entre una serie de rodillos metlicos colocados enpares que lo aplastan hasta darle la forma y tamao deseados. La distancia entre los rodillos va disminuyendo amedida que se reduce el espesor del acero.

El primer par de rodillos por el que pasa el lingote se conoce como tren de desbaste o de eliminacin deasperezas. Despus del tren de desbaste, el acero pasa a trenes de laminado en bruto y a los trenes deacabado que lo reducen a lminas con la seccin transversal correcta. Los rodillos para producir rieles de

ferrocarril o perfiles en H, en T o en L tienen estras para proporcionar la forma adecuada.

Tubos

Los tubos ms baratos se forman doblando una tira plana de acero caliente en formacilndrica y soldando los bordes para cerrar el tubo.En los tubos ms pequeos, los bordes de la tira suelen superponerse y se pasanentre un par de rodillos curvados segn el dimetro externo del tubo. La presin de losrodillos es suficiente para soldar los bordes.

Los tubos sin soldaduras se fabrican a partir de barras slidas hacindolas pasar entreun par de rodillos inclinados entre los que est situada una barra metlica con punta,llamada mandril, que perfora las barras y forma el interior del tubo mientras los rodillosforman el exterior.Existen de variadas medidas de seccin y espesores, con largos no mayores a los 6metros.


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Hierro forjadoEl proceso antiguo para fabricar la aleacin resistente y maleable conocida comohierro forjado se diferencia con claridad de otras formas de fabricacin de acero.

Debido a que el proceso, conocido como pudelizacin, (Pudelar: Hacer "dulce" -ms

maleable- el acero, quemando el carbono en hornos) exiga un mayor trabajomanual, era imposible producir hierro forjado en grandes cantidades.

Hoy en da, el hierro forjado ya no se fabrica habitualmente con fines comerciales,debido a que se puede sustituir en casi todas las aplicaciones por acero de bajocontenido en carbono, con menor costo de produccin y calidad ms uniforme.

Clasificacin del aceroLos diferentes tipos de acero se agrupan en cinco clases principales:

Aceros al carbonoMs del 90% de todos los aceros son aceros al carbono. Estos aceros contienen diversas cantidades decarbono y menos del 1,65% de manganeso, el 0,60% de silicio y el 0,60% de cobre. Entre los productos

fabricados con aceros al carbono figuran: Tubos, Perfiles, Mallas, Varillas, Planchuelas, Lminas, y una granvariedad de elementos utilizados en la construccin.

Aceros aleadosEstos aceros contienen una proporcin determinada de vanadio, molibdeno y otros elementos, adems decantidades mayores de manganeso, silicio y cobre que los aceros al carbono normales. Estos aceros seemplean, por ejemplo, para fabricar engranajes y ejes de motores, patines o cuchillos de corte.

Aceros de baja aleacin ultrarresistentesLos aceros de baja aleacin, de creacin reciente, son ms baratos que los aceros aleados convencionales yaque contienen cantidades menores de los costosos elementos de aleacin. Sin embargo, reciben un tratamientoespecial que les da una resistencia mucho mayor que la del acero al carbono. Por ejemplo, los vagones demercancas fabricados con aceros de baja aleacin pueden transportar cargas ms grandes porque sus paredesson ms delgadas que lo que sera necesario en caso de emplear acero al carbono. Adems, como los vagonesde acero de baja aleacin pesan menos, las cargas pueden ser ms pesadas. En la actualidad se construyen

muchos edificios con estructuras de aceros de baja aleacin. Las vigas pueden ser ms delgadas sin disminuirsu resistencia, logrando un mayor espacio interior en los edificios.

Aceros inoxidablesLos aceros inoxidables contienen cromo, nquel y otros elementosde aleacin, que los mantienen brillantes y resistentes a laherrumbre y oxidacin a pesar de la accin de la humedad o decidos y gases corrosivos. Algunos aceros inoxidables son muyduros; otros son muy resistentes y mantienen esa resistenciadurante largos periodos a temperaturas extremas. Debido a sussuperficies brillantes, en arquitectura se emplean muchas vecescon fines decorativos.

Aceros de herramientasEstos aceros se utilizan para fabricar muchos tipos de herramientas y cabezales de corte y modelado demquinas empleadas en diversas operaciones de fabricacin. Contienen volframio, molibdeno y otros elementosde aleacin, que les proporcionan mayor resistencia, dureza y durabilidad.


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Tratamientos trmicos del acero

El templado es un proceso bsico para endurecer el acero mediante tratamiento trmico. Consiste en calentar

el metal hasta una temperatura entre los 750 y 850 C, y despus enfriarlo con rapidez sumergindolo en agua oaceite. Estos tratamientos de endurecimiento, crean grandes tensiones internas en el metal, que se eliminan

mediante el temple o el recocido, que consiste en volver a calentar el acero hasta una temperatura menor. Eltemple reduce la dureza y resistencia y aumenta la ductilidad y la tenacidad.

En la cementacin, las superficies de las piezas de acero terminadas se endurecen al calentarlas concompuestos de carbono o nitrgeno. Estos compuestos reaccionan con el acero y aumentan su contenido decarbono en su capa superficial aumentando su resistencia.

Aluminio

HistoriaEl qumico dans Hans Christian Oersted aisl el aluminio por primera vez en 1825. Entre 1827 y 1845, elqumico alemn Friedrich Whler mejor el proceso de Oersted. En 1854, Henri Sainte-Claire Deville obtuvo el

metal en Francia y con el apoyo financiero de Napolen III, Deville estableci una planta experimental a granescala y en la exposicin de Pars de 1855 exhibi el aluminio puro.

Propiedades

El aluminio es un metal plateado muy ligero. Tiene un punto de fusin de 660 C, un punto de ebullicin de2.467 C y una densidad relativa de 2,7 kg./dm3. Es un metal muy electropositivo y extremamente reactivo.

Estado naturalEl aluminio es el elemento metlico ms abundante en la corteza terrestre. Se encuentra normalmente en formade silicato de aluminio puro o mezclado con otros metales como sodio, potasio, hierro, calcio y magnesio, peronunca como metal libre. La bauxita,(roca blanda formada por hidrxidos de aluminio), es la fuente comercial dealuminio y de sus compuestos.En 1886 Charles Martn Hall en los Estados Unidos y Paul L. T. Hroult en Francia descubrieron por separado ycasi simultneamente que la almina (oxido de aluminio que se halla en la naturaleza, formando con otroscuerpos, las arcillas) se disuelve en criolita fundida, pudiendo luego ser separada por electrlisis (pasaje de unacorriente elctrica), para obtener el metal fundido en bruto.El proceso Hall-Hroult sigue siendo el mtodo principal para la produccin comercial de aluminio, aunque seestn estudiando nuevos mtodos. La pureza del producto se ha incrementado hasta un 99,5% de aluminio puroen un lingote comercial; posteriormente puede ser refinado hasta un 99,99 por ciento.

AplicacionesUn volumen dado de aluminio pesa menos que 1/3 del mismo volumen de acero, esto le confiere una elevadaproporcin resistencia-peso.El metal es cada vez ms importante en arquitectura, tanto con propsitos estructurales como ornamentales. Surelativo bajo punto de fusin, permite llevarlo a estado plstico a poca temperatura, con lo cual pueden realizarsemediante el proceso de extrusin, (el mismo de los ladrillos huecos) una inmensa variedad de perfiles, que seutiliza preponderantemente para realizar aberturas.

ProduccinLa produccin mundial de aluminio ha experimentado un rpido crecimiento, aunque se estabiliz a partir de


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1980. En 1900 esta produccin era de 7.300 toneladas, en 1938 de 598.000 toneladas y en 1993 la produccinestimada de aluminio primario era de unos 19 millones de toneladas. Los principales pases productores sonEstados Unidos, la antigua URSS, Canad, China y Australia.

Cobre

HistoriaYa era conocido en pocas prehistricas, y las primeras herramientas y enseres fabricados probablemente erande cobre. Se han encontrado objetos de cobre en las ruinas de muchas civilizaciones antiguas, como en Egipto,

Asia Menor, China, sudeste de Europa, Chipre (de donde proviene la palabra cobre), Creta y Amrica del Sur. Alo largo de la historia, el cobre se ha utilizado para acuar monedas y confeccionar tiles de cocina, tinajas yobjetos ornamentales

PropiedadesEs uno de los metales de mayor uso, de apariencia metlica y color pardo rojizo. Su punto de fusin es de 1.083C, mientras que su punto de ebullicin es de unos 2.567 C, y tiene una densidad relativa de 8,9 kg./dm3.

Estado natural

El cobre ocupa el lugar 25 en abundancia entre los elementos de la corteza terrestre. Frecuentemente seencuentra agregado con otros metales como el oro, plata, bismuto y plomo, apareciendo en pequeas partculasen rocas, aunque se han encontrado masas compactas de hasta 420 toneladas.Los concentrados se funden en un horno de reverbero que produce cobre metlico en bruto con una purezaaproximada del 98%. Este cobre en bruto se purifica posteriormente por electrlisis, obtenindose barras conuna pureza que supera el 99,9 por ciento.

Aplicaciones

El cobre ha sido utilizado para una gran variedad de aplicaciones a causa de susventajosas propiedades como son la conductividad del calor y electricidad, laresistencia a la corrosin, as como su maleabilidad y ductilidad.Debido a su extraordinaria conductividad, slo superada por la plata, el uso msextendido del cobre se da en la industria elctrica.

Su ductilidad permite transformarlo en cables de cualquier dimetro, desde 0,025 mmen adelante. La resistencia a la traccin del alambre de cobre estirado es de unos4.200 kg./cm2.Puede usarse tanto en cables y lneas de alta tensin exteriores como en el cableadoelctrico en interiores, cables de lmparas y maquinaria elctrica en general:generadores, motores, reguladores, equipos de sealizacin, aparatoselectromagnticos y sistemas de comunicaciones.

ProduccinEl cobre se encuentra por todo el mundo en la lava basltica, localizndose el mayor depsito conocido en lacordillera de los Andes en Chile, bajo la forma de prfido. Este pas posee aproximadamente el 25% de lasreservas mundiales conocidas de cobre y a comienzos de 1980 se convirti en el primer pas productor de estemineral.

Cinc o Zinc

HistoriaLos minerales de cinc se conocen desde hace mucho tiempo, pero el cinc no fue reconocido como elementohasta 1746, cuando el qumico alemn Andreas Sigismund Marggraf aisl el metal puro.

PropiedadesEl cinc puro es un metal cristalino de color blanco azulado. Es extremadamente frgil a temperaturas ordinarias,pero se vuelve maleable entre los 120 y los 150 C, y se lamina fcilmente al pasarlo entre rodillos calientes.Tiene un punto de fusin de 420 C, un punto de ebullicin de 907 C y una densidad relativa de 7,14 Kg./dm3.

Estado naturalOcupa el lugar 24 en abundancia entre los elementos de la corteza terrestre. No existe libre en la naturaleza.El cinc electroltico es puro y tiene cualidades como, por ejemplo, una mayor resistencia a la corrosin.


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AplicacionesEl metal se usa principalmente como capa protectora o galvanizador para el hierro y el acero, y comocomponente de distintas aleaciones, especialmente del latn. El xido de cinc, conocido como cinc blanco, seusa como pigmento en pintura.

ALEACIONES

BronceCualquiera de las distintas aleaciones compuestas sobre todo de cobre y estao. Ni losbronces modernos ni los antiguos contienen slo estos dos metales.

El cinc, el plomo y otros metales se encuentran ocasionalmente en el bronce que sefabrica hoy.Los nombres de las variedades de bronce provienen de los componentes adicionales,como el bronce al aluminio, el bronce al manganeso y el bronce al fsforo.

El bronce es ms resistente y duro que cualquiera otra aleacin comn, excepto elacero.El bronce moderno se utiliza en la fundicin artstica, y en arquitectura en todo lo

relacionado con herrajes.

LatnAleacin de cobre y cinc. El latn es ms duro que el cobre, es dctil y puedeforjarse en planchas finas.Su maleabilidad vara segn la composicin y la temperatura, y es distinta si semezcla con otros metales, incluso en cantidades mnimas.En arquitectura se lo utiliza para caeras de transporte de agua u otros lquidos.

Corrosin

Desgaste total o parcial que disuelve o ablanda cualquier sustancia por reaccin qumica o electroqumica con elmedio ambiente. El trmino corrosin se aplica a la accin gradual de agentes naturales, como el aire o el aguasalada sobre los metales. La corrosin, es peligrosa, pues el metal de base va perdiendo masa, volumen en elproceso.El ejemplo que ms vemos de corrosin, es la oxidacindel hierro, (corrosin y oxidacin no es lo mismo, lovers ms adelante cuando compruebes que la oxidacin en ciertos metales, no solo no los daa si no que losprotege.)

La oxidacin del hierro, consiste en una compleja reaccin qumica en la que el hierro se combina con oxgeno yagua para formar xido de hierro hidratado. El xido es un slido que mantiene la misma forma general que elmetal del que se ha formado, pero con un aspecto poroso, algo ms voluminoso, y relativamente dbil yquebradizo, que termina separndolo de su origen.

Hay tres mtodos para evitar la oxidacin del hierro :1 - Mediante aleaciones del hierro que lo convierten en qumicamente resistente a la corrosin.2 - Impregnndolo con materiales que reaccionen a las sustancias corrosivas ms fcilmente que el hierro,quedando ste protegido al consumirse aqullas.


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3 - Recubrindolo con una capa impermeable que impida el contacto con el aire y el agua.

El mtodo de la aleacin es el ms satisfactorio pero tambin el ms caro. Un buen ejemplode ello es el acero inoxidable, una aleacin de hierro con cromo o con nquel y cromo. Estaaleacin est totalmente a prueba de oxidacin e incluso resiste la accin de productos

qumicos corrosivos como cidos.

El segundo mtodo, la proteccin con metales activos, es igualmente satisfactorio perotambin costoso. El ejemplo ms frecuente es el hierro galvanizado que consiste en hierrocubierto con cinc, mediante un bao. En presencia de soluciones corrosivas se establece unpotencial elctrico entre el hierro y el cinc, que disuelve ste y protege al hierro, mientras dureel cinc.

El tercer mtodo, la proteccin de la superficie con una capa impermeable, es el ms barato y por ello el mscomn. Este mtodo es vlido mientras no aparezcan grietas en la capa exterior, en cuyo caso la oxidacin seproduce como si no existiera dicha capa. La capa protectora puede ser un metal inactivo, como el cromo o elestao, esmaltes horneados, y los menos costosos que son las pinturas.

Algunos metales como el aluminio, aunque son muy activos qumicamente, no suelen sufrir corrosin encondiciones atmosfricas normales, pues el aluminio se oxidacon facilidad, formando en la superficie del metal

una fina capa continua y transparente que lo protege de la corrosin.

El plomo y el cinc, aunque son menos activos que el aluminio, estn protegidospor una pelcula semejante de xido.

El cobre, comparativamente inactivo, se oxida lentamente con el agua y el aire,produciendo carbonato de cobre bsico, verde y poroso, que lo protege, perocambia completamente su imagen exterior. Se aprecian con frecuencia enestatuas y techos ornamentales, como la cpula del Edificio del Congreso.

FIN.

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