PROPIEDADES FÍSICAS DEL HIERRO.docx

MATERIALES FERROSOS Los materiales ferrosos o férricos son aquellos cuyo constituyente base es el hierro (Fe). El Hierro es el cuarto elemento más abundante en la corteza terrestre, representando un 5% y, entre los metales,. El núcleo de la Tierra está formado principalmente por hierro y níquel, generando al moverse un campo magnético. Ha sido históricamente muy importante, y un período de la historia recibe el nombre de Edad de Hierro. En cosmología, es un metal muy especial, pues es el metal más pesado que puede producir la fusión en el núcleo de estrellas masivas; los elementos más pesados que el hierro solo pueden crearse en supernovas El año 3000 a.C. algunas algunas antiguas civilizaciones civilizaciones ya disponían disponían de utensilios utensilios de hierro, en en el 1000 a.C. los griegos conocian tratamientos tratamientos térmicos para endurecer endurecer el hierro. Actualmente la producción producción de hierro y acero representa el 90 % de la producción mundial mundial de metal debido a que los materiales ferrososos tienen bajos costes de producción producción y excelentes propiedades respecto al resto de metales. Los materiales ferrosos son normalmente una mezcla de hierro(Fe), carbono (C) y otros elementos , pues el hierro puro no tiene apenas aplicaciones industriales, dependiendo las propiedades de los materiales materiales ferrosos de la proporcion de carbono. carbono.

PRO PIEDA DES FÍSICA S:

• Brillo: reflejan la luz que incide sobre su superficie. La inmensa mayoría presenta un brillo metálico muy intenso. • Dureza: las superficies de los metales oponen resistencia a dejarse rayar por objetos agudos. • Tenacidad: los metales presentan menor o mayor resistencia a romperse cuando se ejerce sobre ellos una presión. • Ductibilidad: los metales son fácilmente estirados en hilos finos (alambres), sin romperse. • Maleabilidad: ciertos metales, tales como la plata, el oro y el cobre, presentan la propiedad de ser reducidos a delgadas laminas, sin romperse. • Conductividad calórica: los metales absorben y conducen la energía calórica. • Conductividad eléctrica: los  metales permiten el paso de la corriente eléctrica a través de su masa.

Características principales: • Superficie brillante, de color blanco azulado. • Punto de fusión 1535 ºC, aunque disminuye al aumentar a umentar el contenido de carbono. • Elevada conductividad al calor y a la electricidad

Elevada resistencia mecánica, maleabilidad y ductilidad. Densidad: 7.87 g/cm2 la inmensa mayoría de los metales presentan altas •

densidades. • Fusibilidad: la inmensa mayoría de los metales presentan elevadísimos puntos de fusión, en mayor o menor medida, para ser fundidos. PROPIEDADES QUIMICAS 

• Tendencia a la perdida de electrones de la última capa para transformarse en iones electropositivos (cationes). Cuando las sales que los contienen se disuelven en agua y se hace circular por ella corriente eléctrica, se disocian, dando origen a iones metálicos positivos o cationes, que se dirigen hacia el polo negativo o cátodo. • La mayoría se combinan con el oxígeno para formar óxidos. • Reaccionan con los ácidos para formar sal es. • Forman aleaciones (mezclas homogéneas formada por dos o más metales o elementos de carácter metálico en mezcla, disolución o combinación).

El hierro puro tiene una dureza que oscila entre 4 y 5. Es blando, maleable y dúctil. Se magnetiza fácilmente a temperatura ordinaria, y es difícil magnetizarlo en caliente. A unos 790 °C desaparecen las propiedades magnéticas. El punto de fusión del hierro, es de unos 1.535 °C, un punto de ebullición de 2.750 °C. La densidad relativa de este metal es de 7,86. Su masa atómica es 55,847.

Estructura

El hierro tiene una estructura centrada en el cuerpo, a temperaturas normales. A temperaturas más altas, tiene una estructura cúbica centrada en la cara. Este hecho es de gran importancia practica. En su forma de acero, el hierro siempre contiene una pequeña cantidad de carbono. Los átomos de carbono son menores que los átomos de hierro y, a temperaturas altas, se encajan en los espacios abiertos de la estructura centrada en la cara. Cuando el hierro se enfría, adquiere una forma cubica centrada en el cuerpo. En esa forma, los átomos de carbono no pueden colocarse en los espacios más pequeños. Entonces, la red cristalina del hierro se distorsiona, debido al tamaño tan grande de los átomos de carbono, o el carbono se separa del hierro como carburo de hierro, Fe 3C. Los cristales del hierro y del Fe3 existen en muchos tamaños y formas. La estructura final del cristal está determinada por el por ciento del hierro y la rapidez de enfriamiento. Estas diferencias en la estructura cristalina, le dan la gran versatilidad que tiene el acero como un material industrial. También explican el hecho de que las propiedades del acero se pueden cambiar gradualmente por el tratamiento del calor. Químicamente el hierro es un metal activo. Se combina con los halógenos (flúor, cloro, bromo, yodo y astato) y con el azufre, fósforo, carbono y silicio. Desplaza al

hidrógeno de la mayoría de los ácidos débiles. Arde con oxígeno formando tetróxido triférrico (óxido ferrosoférrico), Fe3O4. Expuesto al aire húmedo, se corroe formando óxido de hierro hidratado, una sustancia pardo-rojiza, escamosa, conocida comúnmente como orín. La formación de orín es un fenómeno electroquímico en el cual las impurezas presentes en el hierro interactúan eléctricamente con el hierro metal. Se establece una pequeña corriente en la que el agua de la atmósfera proporciona una disolución electrolítica. El agua y los electrólitos solubles aceleran la reacción. En este proceso, el hierro metálico se descompone y reacciona con el oxígeno del aire para formar el orín. La reacción es más rápida en aquellos lugares donde se acumula el orín, y la superficie del metal acaba agujereándose, osea, se corroe.  Al sumergir hierro en ácido nítrico concentrado, se forma una capa de óxido que lo hace pasivo, es decir, no reactivo químicamente con ácidos u otras sustancias. La capa de óxido protectora se rompe fácilmente golpeando o sacudiendo el metal, que vuelve así a ser activo. Aplicaciones y producción

El hierro puro, preparado por la electrólisis de una disolución de sulfato de hierro (II), tiene un uso limitado. El hierro comercial contiene invariablemente pequeñas cantidades de carbono y otras impurezas que alteran sus propiedades físicas, pero éstas pueden mejorarse considerablemente añadiendo más carbono y otros elementos de aleación. La mayor parte del hierro se utiliza en formas sometidas a un tratamiento especial, como el hierro forjado, el hierro colado y el acero. Comercialmente, el hierro puro se utiliza para obtener láminas metálicas galvanizadas y electroimanes. Los compuestos de hierro se usan en medicina para el tratamiento de la anemia, es decir, cuando desciende la cantidad de hemoglobina o el número de glóbulos rojos en la sangre. En 1994, la producción anual de hierro se aproximaba a los 975 millones de toneladas. Compuestos

Los compuestos de hierro (II) se oxidan fácilmente a compuestos de hierro (III). El compuesto más importante de hierro (II) es el sulfato de hierro (II), FeSO4, denominado caparrosa verde, que normalmente existe en forma de cristales verde pálido que contienen siete moléculas de agua de hidratación. Se obtiene en grandes cantidades como subproducto al limpiar el hierro con baño químico, y se utiliza como mordiente en el teñido, para obtener tónicos medicinales y para fabricar tinta y pigmentos. El óxido de hierro (III), un polvo rojo amorfo, se obtiene tratando sales de hierro (III) con una base, y también oxidando pirita. Se utiliza como pigmento, y se denomina rojo de hierro o rojo veneciano. También se usa como abrasivo para pulir y como medio magnetizable de cintas y discos magnéticos. El cloruro de hierro (III), que se obtiene en forma de cristales brillantes de color verde oscuro al

calentar hierro con cloro, se utiliza en medicina y como una disolución alcohólica llamada tintura de hierro. Los iones de hierro (II) y hierro (III) se combinan con los cianuros para formar compuestos de coordinación. El hexacianoferrato (II) de hierro (III) o ferrocianuro férrico, Fe4[Fe(CN)6]3, es un sólido amorfo azul oscuro formado por la reacción de hexacianoferrato (II) de potasio con una sal de hierro (III) y se conoce como azul de Prusia. Se usa como pigmento en pintura y como añil en el lavado de ropa para corregir el tinte amarillento dejado por las sales de hierro (II) en el agua. El hexacianoferrato (III) de potasio, K3Fe(CN)6, llamado prusiato rojo, se obtiene del hexacianoferrato (III) de hierro (II), Fe3[Fe(CN)6]2. A éste se le llama también azul de Turnbull y se usa para procesar el papel de calco. El hierro experimenta también ciertas reacciones fisicoquímicas con el carbono, que son esenciales para fabricar el acero. Diagrama de Fases del Sistema Fe-C

El hierro puro, al calentarlo, experimenta dos cambios de fase antes de fundir. La ferrita o hierro alpha es estable a temperatura ambiente (BCC). A 912deg.C se transforma en austenita, Fe-gamma, FCC. A 1394deg.C se convierte en ferritadelta (BCC), que funde a 1538deg.C. Cementita: Es la combinación Fe-C con 6.7% de C, Fe3C. Prácticamente, todos los aceros y fundiciones tienen contenidos en C inferiores al 6.7%. En la ferrita Fe-alpha-BCC sólo son solubles concentraciones muy pequeñas de C, por debajo del 0.022% en peso. La austenita (Fe-gamma) aleada con C no es estable por debajo de 727deg.C. La máxima solubilidad de C (2.11% en peso) se alcanza a 1148deg.C. La ferrita-delta es como la ferrita-alpha, diferenciándose sólo en el intervalo de temperatura de estabilidad. No es técnicamente interesante. La cementita es dura y frágil y su presencia aumenta la resistencia de algunos aceros.  Al enfriar lentamente desde 800deg.C un acero gamma ( austenita) que contiene 0.77% de C, por debajo de 727deg.C la austenita "segrega" Fe-alpha (ferrita, con 0.022% C) y cementita Fe3C. La estructura obtenida se denomina perlita, pues al microscopio tiene el aspecto de la madreperla. En la transformación por enfriamiento a velocidad moderada  de la austenita, se forma otro constituyente denominado bainita. Su microestructura consta de ferrita y cementita; forma agujas o placas, dependiendo de la temperatura de transformación. Cuando la perlita se calienta durante 18-24 h a 700deg.C se forma una nueva microestructura denominada esferoidita, cementita globular o esferoidal. Si el enfriamiento de la austenita se hace rápidamente (temple) hasta temperatura próxima a la ambiente, se forma la martensita, con granos en forma de láminas o agujas. La martensita obtenida por el temple es muy dura y frágil, debido a las tensiones internas producidas durante el temple. La ductilidad y tenacidad pueden aumentarse (reduciendo las tensiones internas) mediante el tratamiento térmico

del revenido, calentando a 250-650deg.C durante un tiempo específico y formando así martensita revenida, casi tan dura como la martensita, pero más dúctil y tenaz

VENTAJAS Y DESVENTAJAS

Las Aleaciones férreas son aquéllas en las que el principal componente es el hierro. Gran interés como material para la construcción de diversos equipos y su producción es muy elevada, debido a:  Abundancia de hierro en la corteza terrestre Técnicas de fabricación de los aceros es económica.  Alta versatilidad. Pero sin duda, uno de los inconvenientes de estas aleaciones férreas es que estas son de fácil corrosión. Una Aleación, es una sustancia compuesta por dos o más metales. Las aleaciones, al igual que los metales puros, poseen brillo metálico y conducen bien el calor y la electricidad, aunque por lo general no tan bien como los metales por los que están formadas. Las sustancias que contienen un metal y ciertos no metales, particularmente las que contienen carbono, también se llaman aleaciones. La más importante entre estas últimas es el acero. El acero de carbono simple contiene aproximadamente un 0,5% de manganeso, hasta un 0,8% de carbono, y el resto de hierro. Con frecuencia las propiedades de las aleaciones son muy distintas de las de sus elementos constituyentes, y algunas de ellas, como la fuerza y la resistencia a la corrosión, pueden ser considerablemente mayores en una aleación que en los metales por separado. Por esta razón, se suelen utilizar más las aleaciones que los metales puros. El acero es más resistente y más duro que el hierro forjado, que es prácticamente hierro puro, y se usa en cantidades mucho mayores. Los aceros aleados, que son mezclas de acero con metales como cromo, manganeso, molibdeno, níquel, volframio y vanadio, son más resistentes y duros que el acero en sí, y muchos de ellos son también más resistentes a la corrosión que el hierro o el acero. Las aleaciones pueden fabricarse con el fin de que cumplan un grupo determinado de características. Un caso importante en el que son necesarias unas características particulares es el diseño de cohetes y naves espaciales y supersónicas. Los materiales usados en estos vehículos y en sus motores deben pesar poco y ser muy resistentes y capaces de soportar temperaturas muy elevadas. Para soportar esas temperaturas y reducir el peso total, se han desarrollado aleaciones ligeras y de gran resistencia hechas de aluminio, berilio y titanio. Para resistir el calor generado al entrar en la atmósfera de la Tierra, en los vehículos espaciales se están utilizando aleaciones que contienen metales como el tántalo, niobio, volframio, cobalto y níquel.

Aceros

Los aceros son aleaciones Fe-C con concentraciones apreciables de otros elementos. Las propiedades mecánicas dependen del contenido en C (