3.- PROPIEDADES
3.- PROPIEDADES GENERALES DE LOS METALES.
CORROSIÓN Y PROTECCIÓN
3.1.- PROPIEDADES MECÁNICAS
Las propiedades mecánicas son una de las razones principales del uso de metales, en especial en ingeniería civil. Estas propiedades dependen de la estructura cristalina del material y de su historia, tanto térmica como de esfuerzos sufridos.En una condición estable y sin ser sometidos a ninguna carga, los átomos del metal están en sus posiciones normales con sus átomos asociados. En esta posición, el metal está en su condición más blanda.
Los materiales, durante el proceso de carga, experimentan deformaciones que pueden ser elásticas o plásticas en función de si el material vuelve a su estado inicial o no.
⦁ Deformación elástica: Se produce cuando las cargas a las que se le somete dejan a los átomos ligeramente fuera de su posición normal, a la que pueden volver cuando se remueve la carga.
- A escala atómica, la deformación elástica se justifica por una variación del espaciado interatómico, si se aplica una fuerza externa que separe dos átomos, se verá compensada con un aumento de la atracción entre ellos y si se cesa la fuerza, los átomos retornan a su posición de equilibrio.
- A escala microscópica, la deformación plástica se debe al movimiento neto de átomos en respuesta a la tensión aplicada.
- Se produce por el desplazamiento de las dislocaciones o de los planos de deslizamiento dentro de la propia red, lo que implica la rotura de enlaces y la formación de unos nuevos.
- Por ello es obvio que, si al aplicar una carga y se consigue modificar la estructura cristalina, al cesarla no se recuperará la deformación.
- Resistencia a tracción: Los materiales metálicos se caracterizan por presentar una excelente resistencia a la tracción, muy superior a la que ofrecen los materiales pétreos. De esta forma, con frecuencia el acero ha de formar parte de piezas de otro material, como es el hormigón.
- Resistencia a compresión: La resistencia de los metales a la rotura por compresión alcanza también valores elevados y, salvo excepciones, su resistencia a tracción y a compresión tienen valores similares, es decir, son isorresistentes.
3.1.2.- PROPIEDADES DEFORMACIONALES
Todos los materiales, al ser cargados, sufren deformaciones crecientes, pero no todos presentan el mismo comportamiento deformacional. Algunos apenas admiten distorsiones en su forma, y otros pueden estirarse mucho antes de su rotura.Existen una serie de términos relacionados con las propiedades deformacionales de los materiales que permiten describir un metal y diferenciar su comportamiento del de otros.
- Fragilidad: Un material es frágil cuando su deformación plástica es muy pequeña antes de la rotura. Ésta se produce de forma brusca al superarse el límite elástico. No debe confundirse fragilidad con debilidad.
- Ductilidad: Aptitud de un material para deformarse plásticamente bajo esfuerzos de tracción.
- Maleabilidad: Es la capacidad que presentan los cuerpos para adquirir deformaciones permanentes mediante esfuerzos a compresión.
- Acritud: Es un fenómeno por el cual un metal se hace más duro y resistente a medida que es deformado plásticamente. El precio a pagar por este aumento de dureza y resistencia es la pérdida de la ductilidad del material.
- Dureza: Es la propiedad que expresa la capacidad de un metal para sufrir deformación plástica superficial.
FORMA DE LA IDENTACIÓN
⦁ Densidad: La densidad se define como el cociente entre la masa y el volumen ocupado por un material. La relación entre resistencia y densidad es muy importante en elementos que sólo han de soportar su peso propio.
⦁ Tenacidad: Capacidad que tienen los metales de absorber energía durante su deformación. A bajas temperaturas y ante velocidades de carga altas, algunos metales presentan una rotura frágil. Estos metales, sin embargo, a temperatura ambiente pueden ser muy dúctiles.
⦁ Resiliencia: Es sinónimo restringido de tenacidad, concretado a la energía absorbida en el ensayo del péndulo de Charpy.
⦁ Relajación: Pérdida de tensión que experimenta, en función del tiempo, una probeta sometida a tensión y anclada entre dos puntos que mantienen su distancia.
⦁ Fatiga: El comportamiento de los materiales frente a esfuerzos exteriores que se repiten cíclicamente es distinto al que tienen frente a esfuerzos continuos o aislados. Mientras que frente a una carga estática, un material puede resistir indefinidamente, es posible que esta misma carga, repetida un número de ciclos N, ocasione su rotura.
3.2.- PROPIEDADES TÉRMICAS Y ELÉCTRICAS
Los metales se caracterizan por la libertad con que se mueven los electrones en su masa. Por esto, los materiales metálicos son buenos conductores de la electricidad, aunque por causas económicas, sólo dos metales se emplean habitualmente en el transporte de energía eléctrica, el aluminio y el cobre.- Coeficiente de dilatación lineal (α): Mide la variación de la unidad de longitud de un cuerpo cuando su temperatura aumenta un grado.
3.3.- CORROSIÓN
Se define corrosión como la interacción de un metal con el medio que lo rodea, produciendo el consiguiente deterioro en sus propiedades físicas y químicas.La corrosión es un fenómeno que puede afectar prácticamente a cualquier material y, cuando ésta no es prevenida o controlada, puede reducir significativamente la vida útil o la eficiencia de componentes, equipos, estructuras e instalaciones. Una estimación de los costes de la corrosión señala que se corresponden aproximadamente con el 3% del PIB de un país.
3.3.1.- FUNDAMENTOS QUÍMICOS DE LA CORROSIÓN
La corrosión se fundamenta en las reacciones químicas que se dan entre los materiales y el medio ambiente. Además, los metales, por disponer de electrones libres, son más susceptibles a sufrir reacciones electroquímicas, en las que se produce un intercambio electrónico con el medio que acarrea, finalmente, la corrosión del metal.- Reacciones redox (reducción-oxidación): La mayoría de los procesos de corrosión de los metales tienen naturaleza electroquímica y se fundamentan en reacciones de reducción-oxidación (redox). En una reacción redox (reducción-oxidación) hay cuatro términos fundamentales:
〬Reducción: una molécula se reduce y por ello acepta electrones.
〬Agente oxidante: un material con tendencia a reducirse que provoca la oxidación de otro.
〬Agente reductor: un material con tendencia a oxidarse que provoca la reducción de otro.
3.3.2.- MECANISMOS DE CORROSIÓN
⦁ Corrosión seca: A temperatura ambiente, la mayoría de los metales tienen una fina capa de óxido resultado de la reacción del metal con el oxígeno atmosférico. El zinc y el aluminio forman una capa muy fina que dificulta mucho el acceso de la corrosión al interior, al igual que ocurre con el cromo del acero inoxidable. Sin embargo, el acero en contacto con la atmósfera sufre mucho más que los anteriores metales, incluso en una atmósfera con poca humedad, presenta corrosión seca.⦁ Corrosión galvánica: Es la corrosión más frecuente y la que origina la mayoría de los problemas. Se fundamenta en la formación de una o varias celdas galvánicas, para lo que son necesarias unas condiciones: debe haber una diferencia de potencial, y también un medio adecuado en el que abunde el agua y el oxígeno.
- Se da en ambientes húmedos (HR>60%).
- Se basa en reacciones redox de intercambio electrónico.
* El medio se reduce (oxígeno).
* Es necesaria la presencia de agua que sirva para intercambiar.
3.3.3.- PROTECCIÓN CONTRA LA CORROSIÓN
La corrosión es un aspecto fundamental del uso de metales, por lo que ha de tenerse en cuenta en el proyecto de cualquier elemento. Por regla general, siempre es necesario emplear medidas de protección, incluso para metales como el acero inoxidable que, a priori, parecen inalterables.La mayor parte de la corrosión tiene origen electroquímico, es decir, se fundamenta en la existencia de una celda galvánica. Ésta se compone de tres partes, un ánodo, habitualmente el metal a proteger, un cátodo, que suele ser el medio ambiente y un electrolito, que posibilite el movimiento iónico.
Por tanto, para luchar contra la corrosión, debe limitarse la actividad de estas celdas, lo que puede realizarse mediante dos técnicas:
- Efecto Barrera: Mediante la interposición de barreras, pintura, galvanizado, etc. se consigue impedir el contacto de los agentes corrosivos con el metal. Es el principio de protección más habitualmente empleado, aún cuando se refuerce con otros.
- Protección catódica: Al existir un desequilibrio del metal en el ambiente, la tendencia natural es la de la oxidación del metal. Este método busca impedir una reacción redox con el metal como ánodo. Esto se consigue poniendo el metal a proteger en contacto con otro que se comporte como ánodo ante él o con un circuito eléctrico.
3.3.3.1.- DEFINICIÓN DE AMBIENTES
El ambiente al que está expuesto un metal es un factor determinante para su durabilidad. Por ejemplo, en un ambiente agresivo serán necesarias cuatro capas de pintura y un repintado periódico, sin embargo, en un ambiente muy seco puede utilizarse una única capa de pintura para toda la vida útil del elemento metálico.El potencial de reducción es uno de los factores determinantes en la corrosión de los metales. Si el potencial del medio es mayor que el del metal, el medio se reducirá y el metal se corroerá, y viceversa, si el metal tiene un potencial mayor, su tendencia será la reducción, por lo que permanecerá inalterado.
Hay un segundo parámetro que determina en gran medida la tendencia de un medio a corroer un metal, se trata del pH.
La EAE, normativa que regula la construcción de estructuras metálicas, define una serie de ambientes según su capacidad corrosiva sobre el acero. Para ello se emplean ensayos donde se mide la pérdida de masa por unidad de superficie o la pérdida de espesor de probetas normalizadas de bajo contenido en carbono o de zinc, las cuales son sometidas durante un año al ambiente objeto de estudio.
- Clases de exposición según la normativa:
3.3.3.2.- SISTEMAS DE PINTURA
Un sistema de pintura se compone de dos fases. La primera consiste en preparar la superficie y la segunda en aplicar las capas de pintura necesarias. Cuanto más corrosivo sea el ambiente, mejor ha de ser el sistema de pintura. En general, la durabilidad máxima de las pinturas es de unos 15 años, tras los que se requiere una nueva aplicación de un sistema de pintura.
- Preparación de superficies: La preparación de la superficie tiene una gran importancia en el éxito de cualquier sistema de protección de las superficies metálicas. Debe eliminarse la suciedad, la cascarilla de laminación, los restos de escoria de soldaduras y también la grasa y la humedad superficial.
୦ Si queda herrumbre y se repinta por encima, se romperá la capa de pintura.
Métodos habituales:
୦ Picado, rascado y cepillado con alambre: Poco eficaces ya que no eliminan la
herrumbre profunda ni la cascarilla de laminación.
୦ Decapado químico: Es un proceso que se ejecuta en fábrica antes de su protección.
Son productos ácidos que eliminan la herrumbre superficial y la cascarilla de laminación.
o
Lavado con agua a muy alta presión: Es económico
y rápido, y elimina todo el óxido, aunque presenta una corrosión prematura.
o
Limpieza por chorro abrasivo: Es un
método muy eficaz. Consiste en una proyección de granalla, arena o perdigones
metálicos que golpea el material y elimina, que se desprende fácilmente dejando
únicamente el metal sano.
- Propiedades generales de las pinturas:
- Vehículo fijo: Forma película de pintura que permanece tras curado. Contiene a su vez dos compuestos:
polimérico que forma una película coherente.
- Pigmento: Proporciona color al conjunto. Suele tratarse de óxidos de metales que
tienen colores intrínsecos. También se puede añadir una carga activa, que inhiba la
corrosión o al menos actúe como sacrificio.
- Vehículo volátil: Mantiene la pintura fluida durante su aplicación.
se entrelazan con fuerza débiles.
3.3.3.3.- PASIVACIÓN
- Protección mediante pasivación: Protección contra la corrosión basada en las propiedades de ciertos óxidos que recubren el metal base impidiendo la penetración de los agentes corrosivos.
capa de óxido, apenas perceptible.
- Acero corten: Tiene un 1-2% de aleaciones como cromo, cobre, níquel, etc. que
crean una capa de óxido perceptible de lento crecimiento. No es válido para zonas
muy húmedas y ambientes agresivos.
- Recubrimiento electrolítico (galvanizado): Se cubre el acero con la
electrodeposición de zinc, cadmio, cromo o níquel sobre su superficie.
Simplemente, se coloca en el cátodo de una celda electrolítica el metal a cubrir y
como electrolito una disolución del metal protector.
- Oxidación anódica: Consiste en provocar, por medio de electrólisis, la formación
de una capa de óxido, alrededor de la pieza metálica colocada en el ánodo. Así
tenemos el aluminio anodizado, que permite darle al aluminio una capa de óxido
homogénea 1000 veces más gruesa que la que formaría de manera natural.
3.3.3.4.- PROTECCIÓN CATÓDICA
- Protección catódica:
- Por corriente impresa: El mecanismo de protección se centra en la generación de
una corriente externa suficiente que, entrando por toda la superficie del elemento
a proteger, elimina la tendencia de los iones metálicos de éste a entrar en
disolución.
- Ánodo de sacrificio: Se conectan eléctricamente ánodos cuyo potencial de
reducción es mucho menor al del elemento a proteger, y por efecto de pila
galvánica, se obtiene la protección de dicho elemento, al destruirse el ánodo (que
se sacrifica). En acero se emplean ánodos de cinc.
3.3.3.5.- DISPOSICIONES CONSTRUCTIVAS
Existen una serie de recomendaciones que permiten mejorar considerablemente la resistencia a la corrosión de los elementos metálicos. Estas consideraciones no se refieren al material sino al proyecto y ejecución de elementos metálicos.
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