Propiedades del Hierro

Propiedades del Hierro:
Borja Rodríguez Frade
El Hierro metal de transición con símbolo químico Fe es el cuarto elemento más
abundante en la corteza terrestre (5%), tiene un número atómico de 26 y pesa 55,847
g/mol. Se conocen 4 isótopos estables del hierro Fe54, Fe56, Fe57 y Fe58. Posee una
densidad media de 7,86 g/ml con puntos de fusión y ebullición respectivos de 1808 K
(1535ºC) y 3023 K (2750ºC), y es el material más usado (como aceros y fundiciones) en
numerosos campos de la ingeniería teniendo una cuota de producción de más del 95%
del total mundial, debido a sus interesantes propiedades químicas, físicas, mecánicas y
magnéticas. Se obtiene principalmente de 4 minerales Hematites(Fe2O3),
Limonita(2Fe2O3.3H2O), Magnetita(Fe3O4) y Siderita(FeCO3). El hierro se usa para
fabricar aceros de muy diversos tipos, y en menor medida fundiciones.
La estructura cristalina del hierro es variable según la temperatura, cristalizando
en un sistema bcc (hasta 910ºC y a partir de 1395ºC aprox.) con ferrita, y en un sistema
fcc con la austenita. Estos cambios de estructura a nivel de malla implican un cambio en
el volumen que no llega al 5%, pero debe tomarse en cuenta en la construcción de
componentes con variaciones térmicas importantes.
El hierro como elemento tiene dos estados de oxidación +2 y +3, dando lugar a
FeO y Fe2O3, estos óxidos le dan un color marrón pardo al hierro y pierde muchas de las
propiedades iniciales que tenía el hierro, por este motivo el hierro no se utiliza en estado
puro sino aleado o recubierto con otros elementos que lo protegen de la
corrosión/oxidación.
El hierro es un material activo, se combina con halógenos, azufre, fósforo,
carbono y silicio. Además desplaza al hidrógeno de la mayoría de los ácidos débiles. El
óxido debilita al hierro con una capa de color marrón la cual no protege al hierro de
seguir oxidándose como en el caso de otros metales, ya que con golpear la lámina este
óxido se desprende.
Otro fenómeno que debemos de destacar en el hierro es el fenómeno del 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.
Diagrama Fe-C
El hierro es un material con buenas propiedades mecánicas las cuales pueden
mejorarse aleándose con carbono para formar aceros o fundiciones, y con otro tipo de
elementos para formar aceros
aleados. Estas propiedades varían
mucho en función de los aleantes al
hierro,
la
temperatura,
los
tratamientos térmicos.
Las propiedades mecánicas
más importantes de un material
como el hierro son tenacidad,
maleabilidad, ductilidad, dureza,
deformación plástica, resiliencia,
resistencia a la abrasión:
El hierro es un material
dúctil, por lo que tiene una zona
importante de estiramiento elástico,
(como se ve en la figura de un
material dúctil cualquiera) seguida de una zona plástica. En la zona elástica
alargamientos y tensiones son proporcionales según una constante E (Módulo de Young
= 21.000 kg/mm2), la cual varía sustancialmente según los aleantes del hierro y su
porcentaje.
La resiliencia es la energía que es capaz de absorber el material, mientras está
en la zona elástica (10 – 17 kg/mm2), en el caso de un material dúctil como el hierro es
grande y varía según la cantidad de carbono que le aleemos al formar acero.
La zona plástica del hierro también tiene un importante interés desde el punto de
vista de ser maleable y dúctil, ya que el estiramiento en forma de láminas e hilos se basa
en las propiedades plásticas de deformación del material. En el caso del hierro tiene
buenas propiedades de tenacidad (Límite de Rotura: 18 – 29 kg/mm2), que es la
capacidad de absorber energía en la zona plástica (tras superar el límite de fluencia) y
seguir deformándose y no romper inmediatamente como un material frágil (como una
cerámica), así podemos estirarlo en planchas o en hilos con mayor o menor dificultad
según su contenido en aleantes.
Otra propiedad es la dureza, que es la resistencia que ejerce el material a ser
rayado. El hierro no tiene una elevada dureza ya que es rayado fácilmente en la escala
Mohs tiene un 4 sobre 10 (45 – 55 HB en estado puro). Por este motivo se alea con
carbono formando aceros y fundiciones, el carbono se queda retenido en las zonas
intersticiales de las mallas endureciendo el material.
El grado de dureza varía en gran medida según los tratamientos térmicos a los
que se someta el material. En el caso del acero al calentarlo aparece un nuevo tipo de
estructura que es la austenita, la cual posee mayor dureza. Si la templamos obtenemos
martensita la cual es extremadamente dura.
Otros factores a tener en cuenta son la capacidad de estricción entre 80% y 93%,
y el alargamiento entre 40% y 50%. En cuanto a la soldabilidad es bastante soldable,
pero se va perdiendo esta propiedad al añadirle carbono, aunque algunos aceros tienen
buena soldabilidad gracias a la adición de algún elemento aleante.
La resistencia a la abrasión es la oposición que presenta un material a que sea
arrancado el material superficial. Este problema es los derivados del hierro se arregla
con tungsteno. El carburo de tungsteno (CW) es un material extremadamente duro y
resistente a la abrasión, y se obtiene un derivado del hierro útil para algún uso de
desgaste por rozamiento.
Un factor importante a tener en cuenta es la temperatura, según la temperatura
las propiedades mecánicas varían sustancialmente. Los límites de fluencia y rotura van
reduciéndose al subir la temperatura, además a partir de los 600ºC comienza el
fenómeno del creep, en el que un una deformación va variando a lo largo del tiempo
estirándose hasta que rompe, este fenómeno se puede reducir con manganeso.
En cuanto a propiedades físicas del hierro mencionaremos que el hierro es un
material conductor, tanto del calor (80,2 Wm-¹K-¹) como la electricidad (11,2 106 -¹m-¹).
Queda lejos como conductor de materiales
como cobre o plata que se usan para conducir
la corriente o calor entre 2 partes. En cuanto a
la dilatación térmica el hierro puede tener un
coeficiente superior a 23,4.10-6 ºC-1 a altas
temperaturas con lo que hay q tener en cuenta
este factor en cuanto al diseño de cargas
térmicas, de piezas de gran longitud.
En cambio una propiedad muy
importante que tiene el hierro y derivados es la
capacidad que tienen para crear campos magnéticos, debido a la existencia de electrones
desapareados en los metales de transición provocando un ordenamiento tridimensional,
a estos materiales se les llama ferromagnéticos (se pegan a los imanes), los cuales tienen
permeabilidades muy superiores a la del vacío (μ0=4π.10-7 T.m/A) varios órdenes de
magnitud superiores, y por lo tanto atraen el campo magnético hacia el interior,
evitando que el flujo magnético se disperse por el aire, muy útiles para fabricar circuitos
de transformadores o motores eléctricos. En el caso del hierro puro la temperatura de
Curie 1041 K (768ºC), es el cambio de ferromagnético a amagnético, pierde todas su
propiedades magnéticas, mientras que cuanto más lo enfriemos mejor conductor se
vuelve y mejor son sus propiedades magnéticas.
Bibliografía
www.monografías.com
Apuntes de Ciencias de Materiales
www.wikipedia.es
www.universia.net
Introducción a la Ciencia de Materiales para ingenieros, James Shackelford Ed. Pearson
Madrid 2005
Metalotecnia, VV.AA., Madrid 1991