Propiedades Mecánicas del Hierro

Propiedades Mecánicas a Elevadas Temperaturas

La resistencia a la tracción de los hierros dúctiles perlíticos disminuye continuamente con el aumento de la temperatura; a los 400 ºC es aproximadamente 2/3 de la resistencia a temperatura ambiente. Para hierros ferríticos, la disminución es menos pronunciada y a los 400 ºC la resistencia es aproximadamente el 80% del valor a temperatura ambiente. El sigma 0,2% (límite elástico), tanto para hierros ferríticos como perlíticos, prácticamente se mantiene estable hasta los 350-400 ºC; por encima de esta temperatura, falla rápidamente. La dureza en caliente se mantiene también hasta los 400 ºC, fallando por encima de este valor.

Para temperaturas de hasta 300 ºC, la tensión admisible en estructuras estáticas, como a temperatura ambiente, puede basarse sobre los valores del sigma 0,2% obtenidos a temperatura ambiente. A temperaturas superiores a los 300 ºC, las tensiones admisibles deben calcularse sobre datos de fluencia (creep).

Una pequeña cantidad de molibdeno mejora considerablemente las propiedades de resistencia y fluencia en caliente, tanto para hierros ferríticos como para perlíticos. Las mejoras que se consiguen con el agregado de Mo permiten extender las propiedades de resistencia y fluencia hasta los 459 ºC.

Propiedades de Tracción a Bajas Temperaturas

Al igual que para las propiedades de impacto, hay una temperatura por debajo de la cual la elongación a la tracción disminuye. El sigma 0,2% aumenta continuamente con el descenso de la temperatura, pero la resistencia a la tracción sufre una transición. Por encima del rango de temperatura de transición, la resistencia a la tracción tiende a permanecer constante o aumentar, pero una vez pasada la temperatura de transición, la resistencia a la tracción disminuye. El silicio y el fósforo aumentan la temperatura de transición y reducen la resistencia en el rango dúctil.

Definiciones de Resistencias Específicas

Resistencia Tensil (Tracción)

Es el valor máximo del esfuerzo de tensión que soporta un material, el cual depende de la velocidad de la deformación.

Resistencia a la Compresión

Es el esfuerzo máximo que puede soportar un material bajo una carga de aplastamiento. La resistencia a la compresión de un material que falla debido a la rotura de una fractura se puede definir, en límites bastante ajustados, como una propiedad independiente. Sin embargo, la resistencia a la compresión de los materiales que no se rompen en la compresión se define como la cantidad de esfuerzo necesario para deformar el material una cantidad arbitraria. La resistencia a la compresión se calcula dividiendo la carga máxima por el área transversal original de una probeta en un ensayo de compresión.

Elongación

La elongación es un tipo de deformación. La deformación es simplemente el cambio en la forma que experimenta cualquier cosa bajo tensión. Cuando hablamos de tensión, la muestra se deforma por estiramiento, volviéndose más larga.

Resistencia a la Torsión

Es la acción y efecto de torcer o torcerse una cosa en forma helicoidal. En Mecánica, es la modificación en la forma de un cuerpo cuando es sometido a distintas fuerzas. También en Mecánica, es la deformación de un cuerpo producida al someterle a dos pares de fuerzas, las cuales actúan en direcciones opuestas y en planos paralelos, de forma que cada sección del cuerpo experimenta una rotación respecto a otra sección próxima.

La torsión se caracteriza geométricamente porque cualquier curva paralela al eje de la pieza deja de estar contenida en el plano formado inicialmente por las dos curvas. En lugar de eso, una curva paralela al eje se retuerce alrededor de él.

Resistencia al Corte

Es aquella resistencia en que la potencia de la máquina herramienta sea mayor que la potencia necesaria para el corte del material de la pieza en bruto.

Fatiga de Materiales

La fatiga de materiales se refiere a un fenómeno por el cual la rotura de los materiales bajo cargas dinámicas cíclicas (fuerzas repetidas aplicadas sobre el material) se produce ante cargas inferiores a las cargas estáticas que producirían la rotura. Un ejemplo de ello se tiene en un alambre: flexionándolo repetidamente se rompe con facilidad, pero la fuerza que hay que hacer para romperlo en una sola flexión es muy grande.

Propiedades Físicas del Hierro

Coeficiente de Expansión Térmica

Las características de expansión de las fundiciones de hierro son complejas debido a las transformaciones que tienen lugar en la solución, debidas a la precipitación del grafito, la grafitización de la perlita y la formación de austenita por encima de los 700 ºC.

Resistencia a la Corrosión

En algunas aplicaciones, la resistencia a la corrosión del hierro dúctil es similar a la del hierro gris y frecuentemente superior a la de los aceros. Los tubos de hierro dúctil normalmente aplicados en cloacas pueden ser protegidos por anodizado, revestido de zinc, cubiertas plásticas y, en algunos casos, revestido con poliuretano.

Tipos de Fundiciones de Hierro

Fundición Gris

Tiene celdas eutécticas de grafito en hojuelas interconectadas. La inoculación coopera a crear celdas eutécticas más chicas para mejorar la resistencia.

Produce resistencia a la tensión baja; esto es por las grandes hojuelas de grafito. Se puede conseguir una resistencia mayor reduciendo el equivalente de carbono por medio de la aleación o tratamiento térmico.

Sus propiedades son: alta resistencia a la compresión, resistencia a la fatiga térmica y amortiguamiento contra la vibración.

Fundición Blanca

Se utilizan hierros fundidos blancos por su dureza y resistencia al desgaste por abrasión. Se puede producir martensita durante el tratamiento térmico.

Fundición Maleable

Se crea al tratar térmicamente la fundición blanca no aleada. A partir de la fundición blanca se producen dos tipos de fundición maleable:

• Fundición maleable ferrítica: Se consigue enfriando la pieza fundida y así se llega a la segunda etapa de grafitización. Esta fundición tiene buena tenacidad.
• Fundición maleable perlítica: Se crea al enfriar la austenita al aire o en aceite para así formar perlita o martensita.

Fundición Dúctil o Nodular

Para esta fundición se requiere grafito esferoidal. Para crear este metal se siguen los siguientes pasos:

1. Desulfurización: El azufre provoca que el grafito crezca en forma de hojuelas. Se debe fundir en hornos que en la fusión eliminen el azufre del hierro.
2. Modulación (Nodulización): Se aplica magnesio; este elimina cualquier azufre y oxígeno que haya quedado en el metal. De no ser vaciado el hierro después de la nodulación, el hierro se convierte en fundición gris.
3. Inoculación: Un estabilizador eficaz de carburos es el magnesio y hace que en la solidificación se forme la fundición blanca. Después de la nodulación se debe inocular el hierro.

Hierro de Grafito Compacto

La forma del grafito es intermedia entre hojuelas y esferoidal. El grafito compacto da resistencia mecánica y ductilidad, y el metal conserva una buena conductividad térmica y propiedades de absorción de la vibración.

Fierro Fundido Maleable (Detalle Adicional)

Este tipo de fundición se obtiene al aplicar al hierro fundido blanco un tratamiento de recocido, calentándolo a una temperatura comprendida entre 850 y 950 °C con el objeto de descomponer la cementita, quedando el carbono libre en forma de nódulos irregulares, denominados normalmente carbono de revenido. Pueden ser de 2 tipos:

• Tipo «europeo»: Se obtiene realizando el tratamiento arriba mencionado durante 1 o 2 días y en presencia de óxido férrico que oxida al carbono superficialmente, con la natural reducción del porcentaje del mismo en la composición final.
• Tipo «americano» (fundición maleable americana): Se obtiene prolongando el recocido, a veces hasta 8 días, y con una estructura de fondo ferrítica.

Fierro Fundido Nodular (Detalle Adicional)

Este tipo de fundición se llama también fundición dúctil y fundición con grafito esferoidal. Se caracteriza porque en ella aparece el grafito en forma esferoidal o de glóbulos minúsculos. El contenido de carbono en la fundición nodular es igual al de la fundición gris. Las partículas de grafito esferoidal se forman durante la solidificación, debido a la presencia de pequeñas cantidades de algunos elementos formadores de nódulos como el magnesio y el cerio.

Identificación del Hierro Fundido

El término hierro fundido se refiere generalmente a un grupo grande de aleaciones ferrosas que solidifican con una estructura eutéctica. El color de una superficie fracturada se puede utilizar para identificar una aleación:

• Hierro fundido blanco: Se nombra así por su superficie blanca cuando se fractura, debido a sus impurezas de carburo que permiten que las grietas pasen directamente a través.
• Hierro fundido gris: Se nombra así por su superficie fracturada gris, que ocurre porque las escamas grafíticas desvían una grieta que pasa, iniciando incontables grietas nuevas mientras el material se rompe.

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Texto original colaborado por: Peter E. para arquitectura y construcción en ARQHYS. (Editado y formateado para mayor claridad).