TEMA - Relojes y Tecnologíatecnosahuquillo.weebly.com/uploads/2/6/3/1/... · estructures Hi ha diversos procediments de protecció contra la corrosió, el galvanitzat, pintat, amb

Els materials

IES Sivera Font-CFGM

1

TEMA

I

Els

ma

teri

als

in

du

str

ials

Els materials


2

I Materials industrials

1. Classificació dels materials industrials

2. Propietats dels materials

2.1. Propietats físiques

2.2. Propietats mecàniques

2.3. Propietats químiques

2.4. Propietats ecològiques

3. Materials utilitzats en els equips i instal·lacions

3.1. Materials metàl·lics

3.1.1. Acers i foses

3.1.2. Alumini

3.1.3. Coure

3.1.4. Bronze

3.1.5. Llautó

3.2. Polímers

3.3. Altres materials

4. Nomenclatura i sigles de comercialització.

Els materials


3

Classificació dels materials industrials

Les instal·lacions industrials utilitzen molts materials diferents. Aquestos formen

part dels equips, de les màquines i de les pròpies instal·lacions.

Donada la diversitat de materials existents anem a utilitzar una classificació senzilla

que s’adequa als nostres propòsits. Per tant els materials industrials es poden

classificar en:

Taula 1. Classificació dels materials industrials

Metalls Polímers Ceràmics Compostos

Són substàncies inorgàniques compostes per un o més elements metàl·lics.

Són substàncies orgàniques formades per estructures mol·leculars o xarxes constituïdes per cadenes de carboni.

Són substàncies inorgàniques compostes per elements metàl·lics i no metàl·lics cohesionats químicament.

Estan formats per més d’un tipus de material per tal d’aconseguir una combinació de propietats adequada.

Acer

Fosa

Alumini, coure

Bronze, llautó

Polietilé, PVC

Baquelita

Cautxú

Porcellana

Carbur de silici

Vidre

Fibra de vidre

Formigó

Fibres de grafit

Propietats dels materials

Per a cada aplicació concreta és necessari utilitzar el material més adequat. Així no

és mateix fabricar la bancada d’una màquina que el tub per a evaquar fums. Per

tant a l’hora d’elegir el material més adient per a una aplicació concreta hem

d’estudiar quines són les propietats que necessitem que tinga el material elegit. Així

definirem les propietats dels materials com la forma que tenen els materials de

comportar-se davant l’acció de forces o agents exteriors.

2.1. Propietats físiques

Són propietats intrínsiques dels materials, i d’entre moltes puguem destacar:

Densitat

És la relació entre la massa i el volum que ocupa un material. Com a referència

s’agafa la densitat de l’aigua (1kg/dm3), de forma que aquells materials que tenen

una densitat superior no suren en l’aigua i els que la tenen menor que 1 si.

La densitat és interessant ja que un mateix objecte fet, per exemple d’acer o

1

2

BAIXA DENSITAT Poliestiré expandit 10 a 25 kg/m3

DENSITAT ELEVADA Plom 11,3 kg/dm3

Els materials


4

d’alumini, pesarà quatre vegades més si està fet d’acer.

Activitat 1:Completa les dades de la densitat dels materials de la graella.

Conductivitat elèctrica

Ens indica si un material deixa passar el corrent elèctric a través d’ell. Així els

materials es classifiquen en materials conductors i materials aïllants.

Aquesta propietat es mesura en siemens/metre (S/m) en el Sistema Internacional

(SI), i s’utilitza per determinar quins materials són els més adequadats per a

fabricar els cables elèctrics.

Conductivitat tèrmica

Aquesta propietat determina la facilitat amb la qual un material deixa passar la

calor. En funció d’aquesta propietat i de la necessitat o no de deixar passar la calor,

elegirem el material més adequat per a fabricar un obejecte determinat.

Per exemple, en una planxa industrial necesitem aplicar dos materials diferents, un

aïllant de la calor amb el qual es recobrirà la caldera d’aigua calenta per a evitar

que perda temperatura, tanmateix necessitarem utilitzar un material conductor de

la calor en la sola de la planxa.

acer bronze alumini PVC coure fusta marbre

AÏLLANTS del corrent elèctric. Materials no metàl·lics: vidre, plàstic, fusta, porcellana, etc

CONDUCTORSdel corrent elèctric. Materials metàl·lics: coure, alumini,

acer, llautó, plom, etc

CONDUCTORStèrmics. Materials metàl·lics: coure, alumini,

acer, llautó, plom, etc

AÏLLANTSde la calor. Materials no metàl·lics: vidre, plàstic,

fusta, porcellana, etc

Aïllament d’una

canonada

Radiador de calefacció

Els materials


5

Resistència a la temperatura

És la capacitat que tenen els materials per a mantenir les seues característiques

mecàniques quan augmenta la temperatura. Aquesta propietat té relació amb

l’anomenat punt de fusió, que és aquell en el qual un material comença a fondre’s.

Cal tenir en compte que quasi tots els metalls perden les seues propietats

mecàniques prou abans de la temperatura del punt de fusió.

Activitat 2:Completa les dades dels punts de fusió dels materials següents.

2.2. Propietats mecàniques

Elasticitat

És la capacitat de recuperar la forma original després d’experimentar una

deformació baix l’acció d’una força.

Ductilitat i mal·leabilitat

És la capacitat d’adquirir deformacions plàstiques (permanents) baix esforços de

tracció o compressió. La ductilitat permet a un material estirar-se en forma de fils

prims mitjançant una operació anomenada trefilat. I la mal·leabilitat permet a un

material conformar-se en forma de l’amines molt fines amb l’operació anomenada

laminació.

acer plom alumini platí wolframi bronze estany

TREFILAT per obtenir fil de coure

LAMINAT per obtenir paper d’alumini

Les fulles de serra són un exemple de material elàstic però al mateix temps dur

El plom no és un material elàstic, ja que si

el corbem no recuperarà la forma inicial

Els materials


6

Tenacitat

És la resistència d’un cos a trencar-se baix l’acció d’esforços bruscos.

Duresa

És la resistència d’un material a ser ratllat o penetrat per una altre material.

Aquesta propietat té una relació directa amb els desgast que pateixen les peces que

estan en contacte i tenen un moviment relatiu entre elles com passa, per exemple

en els eixos i els seus coixinets.

Quan més dura siga la superfície d’un material més resistent és al desgast i per

tant major serà la seua duració. Ara bé, moltes vegades cal trobar una solució de

compromís entre duresa, duració i comfort. En un automòbil els pneumàtics són de

cautxú, un tipus de goma molt blana, que serien molt còmodes per als passatgers

però que durarien molts pocs quilòmetres. Així la goma de les rodes es vulcanitza

per donar-li major duresa i així que puguen durar molts més quilòmetres que sense

vulcanitzar.

Una altre exemple són els eixos d’acer, aquest material no és excessivament dur,

això vol dir que girant en el seu coixinet tardaria poc de temps en desgastar-se, per

això els eixos reben un tractament superficial en aquelles zones on van els coixinets

de forma que augmenten notablement la seua duresa i la seua resistència al

desgast.

2.3. Propietats químiques

Resistència a l’oxidació

És la capacitat dels materials per a no oxidar-se. Pràcticament quasi tots els

materials metàl·lics són inoxidables, però curiosament aquell material que més

s’utilitza a nivell industrial com és l’acer si que s’oxida baix l’acció dels agents

externs (aire, aigua, etc). Per això en els equips fabricats en acer s’han de prendre

les mesures més adients per a protegir-los de la corrossió ambiental.

Un material tou és pot serrar, trepar o llimar

Diamant: és el material més dur de la natura i només es pot tallar amb un altre diamant. Ací un disc de diamant tallant

formigó

Els materials


7

Resistència química

És la estabilitat dels materials front a l’atac de determinats agents químics. Per

exemple, abans de poder-se utilitzar recipients de plàstic per a contindre àcid

sulfúric havien de ser o tindre un recobriment intern de plom, ja que aquest

material suporta bé l’atac d’aquest àcid.

2.4. Propietats ecològiques

Els materials també tenen propietats relaciones amb el medi ambient, i d’entre

totes elles puguem destacar les següents:

Materials utilitzats en les instal·lacions i equips industrials

Els materials utilitzats, tant en les instal·lacions com en els equips industrials, són

d’una enorme diversitat, encara que quasi tots han de passar per un procés

d’obtenció més o menys complicat fins obtenir el material que necessitem. Tant sols

l’or es troba en estat natiu (es estat pur) en la natura. A continuació veurem una

classificació dels materials del quals estem parlant.

L’oxidació pot ser tan greu com per a comprometre la resistència de les

estructures

Hi ha diversos procediments de protecció contra la corrosió, el galvanitzat, pintat, amb

elèctrodes dde sacrifci

Reciclables, són els que es poden tornar a utilitzar per a fabricar nous

productes

Biodegradables, són els que es descomponen de forma natural per acció dels agents atmosfèrics i els

èssers vius.

Tòxics, són els que tenen efectes nocius sobre el medi ambient i els éssers vius. Poden ser el petroli,

mercuri, cadmi, residus radiactius, etc

3

Els materials


8

Classificació dels materials

3.1. Materials metàl·lics

Són els que porten en la seua composició una part més o menys elevada de

materials com ferro, alumini, coure, estany, etc. Aquests materials poden

classificar-se en en materials fèrrics i no fèrrics, segons el ferro entre en la seua

composició o no.

3.1.1. Acers i foses

Encara que la paraula ferro designa , en sentit escricte, l’element químic (Fe) en

estat pur, sol aplicar-se també a molts productes elaborats en què aquest es

presenta com a component bàsic mesclat amb altres elements en diferents

proporcions.

El consum

d’aquests

productes en la

indústria

representa

més del 90 %

del consum

total de

materials

metàl·lics, a

causa de les

seues bones

propietats

mecàniques i al

seu cost

d’obtenció,

relativament baix.

El ferro s’obté a partir de diferents minerals (magnetita, oligist, siderita, pirita, etc)

en un procés que té lloc en les instal·lacions anomenades alts forns.

Materials

Metàl·lics No metàl·lics

Fèrrics No fèrrics Naturals Sintètics Auxiliars

Acers

Foses

Ferro dolç

...

Metalls lleugers

Metalls pesants

Aliatges

...

Seda

Fusta

Quars

...

Formigó

Plàstics

Vidre

...

Poliments

Lubricants

Insecticides

...

Els materials


9

De l’alt forn s’obté un producte que s’anomena ferro colat i que

després de diferents processos donarà lloc als do productes

bàsics que són l’acer i la fosa.

Acers

Són una mescla de ferro i carboni, amb una proporció d’aquest

entre 0,1 % al 1,76 %. Aquestos acers s’anomenen d’us

general, però afegint-li petites proporcions d’altres metalls

(crom, niquel, molibdé, vanadi, silici, manganés, etc) es poden

aconseguir acers amb unes propietats específiques molts

interessants per a la indústria, com són els acers inoxidables,

acers per a ferramentes, acers elàstics, etc). Els acers també

admeteixen la soldadura i la forja, però s’oxiden amb facilitat.

Una característica molt interessant dels acers és que presenta

molt bona resistència als esforços mecànics de tracció,

compressió, torsió, flexió i cisallament, per això s’utilitza per a

fabricar tot tipus d’elements mecànics.

Amb els diferents tipus d’acer es poden fabricar des de llaunes

de conserva, passant per estructures metàl·liques fins a

vaixells de grans dimensions.

Foses

És l’altre producte bàsic de l’alt forn, la proporció de carboni

oscil·la entre el 1,76 % i el 6,67 %

Quan solifica la fosa es converteix en un material molt dur,

però el seu contingut en carboni i altres impureses el fa fràgil i

trencadís i l’impedeix admetre la forja i la soldadura. En

aquestes condicions, no es pot utilitzar per fabricar peces que

hagin d’estar sotmeses a esforços. A més, aquestes són poc

dúctils, mal·leables i tenaces, encara que tenen bona

maquinabilitat, i són resistents a la corrisió i al desgast.

Segons les impureses que continga, es distingeixen la fosa grisa i la fosa blanca,

nom que reben per l’aspecte que presenta la seua superfície de fractura.

Alumni

És un metall lleuger, que s’extrau d’un mineral anomenat bauxita mitjaçant un

procés electrolític. Té un color platejat, és molt tou, de baixa densitat, presenta una

elevada conductivitat elèctica i és molt dúctil i mal·leable.

L’alumini té dos aliatges bàsics que són el duraluminio (Al, Cu, Mg, Mn) i el

siluminio (Al, Si).

Mitjançant procesos de laminació, en calent o en fred, es poden obtenir barres, fils,

tubs, perfils, làmines, etc.

Al ser un material de baixa densitat i resistent a l’oxidació s’utilitza en aquelles

aplicacions on es necessiten elements de poc pes com per exemple peces d’avions,

d’automòbils, motors de combustió, bicicletes, etc.

A causa de la seua baixa resistivitat elèctrica s’utilitza en la fabricació de cables

elèctrics de gran longitud, en concret en les xarxes de distribució d’energia elèctrica

Tracció

Compressió

Flexió

Torsió

Cisallament

Els materials


10

d’alta tensió.

Coure

És el primer metall que l’home va utilitzar per a fabricar ferramentes després de la

pedra.

El coure és un metall de color rogenc, relativament tou, de conductivitat elèctrica i

tèrmica molt elevada, dúctil i mal·leable.

La seua conductivitat elèctrica (només superada per la plata) i la seua ductilitat el

fan especialment indicat per a la fabricació de conductors elèctrica i bobinatges.

L’aire sec i l’aigua pura no l’ataquen a cap temperatura i juntament amb la seua

elevada conductivitat tèrmica el fan apte per fabricar tubs i calderes que s’empren

en intercanvidors de calor i en les instal·lacions industrials.

Bronze

Els bronzes són aliatges de coure amb estany. En general, presenten una elevada

resistència mecànica i bona resistència a la corrosió.

Segons la presència d’altres metalls en l’aliatge, es distingeixen els bronzes per

forjar i els bronzes per fondre.

Els bronzes per forjar tenen gran resistència a la tracció i al desgast, i

s’empren per fabricar xapes, fleixos, filferros i engranatges.

Els bronzes per fondre tenen magnífiques qualitats per a la fricció. Si

Culata de motor d'explossió

Perfils d'alumini

Cables conductors Barres i planxes de coure

Els materials


11

s’afegeix plom a l’aliatge, aquest adquereix qualitats autolubricants i

s’empre en la fabricació de coixinets.

Llautó

Els llautons són aliatges de coure amb zinc. En general, són menys resistents als

agents atmosfèrics que el coure, però suporten millor l’aigua i el vapor.

S’empren en la indústria per a fabricar accesoris elèctrics, instruments i peces en

general que tinguen que treballar en ambients humits i tindre bona conductivitat

tèrmica o elèctrica.

D’ell es poden obtindre barres, xapes, fils, perfils, tub, etc. Es pot mecanitzar i

soldar amb soldadura blana.

3.2. Pol·límers

S’anomenen així aquells materials que tenen una estructura cristal·lina formada per

mol·lècules (monòmers) que es repeteixen formant una cadena (polímers). Els

representants més coneguts són els plàstics.

Els plàstics tenen propietats característiques:

Tenen una baixa densitat (entre 0,02 i 2,5 g/cm3)

Són aïllants tèrmics, elèctrics i acústics, i presenten una bona resistència als

agents químics inorgànics i a l’aigua, a l’oxidació i als esforços mecànics.

Poden ser conformats per pressió calor.

Rodes dentades de bronze Coixinets de bronze

Peces per a instal·lacions

Tubs de llautó

Els materials


12

Les seues principals aplicacions són productes tan variats com pintures, aïllants

elèctrics, aïllants tèrmics, peces mecàniques, envasos, cobertes de construcció,

carcasses de protecció, fins a components electrònics.

Els plàstics es classifiquen de la forma següent:

Polietilé

PVC

Polipropilé

Poliestiré

TERMOPLÀSTICS

Són els plàstics que se`ls

pot canviar la forma

escalfant-los

PLÀSTICS

TERMOESTABLES

Són els plàstics que a

l’escalfanr-los es degraden i

perden les seues propietast

ELASTÒMERS

Aquestos plàstics es

caracteritzen per la seua

elevada elasticitat

- Polietilé

- PVC

- Polipropilé

- Poliestiré

- Poliamida

- Baquelita

- Melamina

- Poliuretà

- Poliéster

- Làtex

- Neopré

Els materials


13

Poliamida

PVC (policlorur de vinil)

Baquelita

Poliuretà

Els materials


14

Poliéster

Làtex

Neopré

Els materials


15

3.3. Altres materials

Darrerament han aparegut materials totalment nous proporcionats pel que es

coneix com a Ciència dels Materials, aquesta integra moltes altres disciplines, com

la informàtica, la Física, la Química, la Biologia, la Medicina i diferents branques

relacionades amb l’Enginyeria.

Estudia la composició, les fases constituents i la microestructura de tots els

elements per sintetitzar o dissenyar materials nous o combinacions dels ja existents

que tinguen les propietats idònies per a una aplicació molt específica.

Els nous materials s’agrupen en tres tipus: nanomaterials, materials intel·ligents i

biomaterials o biomimètics.

Els camps d’aplicació d’aquests materials són molt amplis i apleguen una gran

varietat de sistemes. Així:

En Elècrònica, en Òptica, en Telecomunicacions, en Informàtica i en

investigació espacial es treballa amb metamaterials, com els híbrids

polimèrics orgànic-inorgànics o les ceràmiques superconductores d’alta

temperatura.

En els sistemes d’emmagatzematge, producció i conversió d’energia,

sobretot de fonts renovables, s’aconsegueixen dispositius més eficients i

menys contaminants.

En la construcció han aparegut nous materials com el composite, que

reuneix dos o més materials en forma de resina polimèrica.

En altres indústries com les de producció agrícola, processament d’aliments i

gestió de residus, processos d’obtenció de metalls, plàstics, cosmètics.

Materials que milloren sensiblement els resultats, estalvien energia i

garanteixen la reducció de la contaminació.

Un exemple d’aquests nous materials seria el grafeno.

És una substància formada per carboni pur (igual que el diamant o el grafit). És

considera 100 vegades més fort que l’acer i la seua densitat és cinc vegades menor

que la de l’alumini, una làmina d’1 metre quadrat pes sols 0,77 mil·ligrams.

És elàstic i molt flexible.

És transparent.

Té una conductivitat tèrmica i elèctrica elevades.

Menor efecte Joule.

Genera electricitat quan rep la llum.

S’autorepara.

Per a una mateixa tasca que el silici, té un menor consumo d’electricitat.

Algunes de les aplicacions del grafeno podrien ser:

Fabricació de cables d’alta velocitat.

Superbateries elèctriques.

Pantalles tàctils i flexibles.

Auriculares i altaveus més professionals.

Càmeres fotgràfiques mil vegades més sensibles.

En medicina podria aplicar-se com anticancerígen.

Fabricació de membranes per a l’òsmosi inversa en la dessalació d’aigua.

Els materials


16

Nomenclatura i sigles de comercialització

4.1. Classificació dels acers

El gran nombre de producte que reben genèricament el nombre d’acers ha obligat a

classificar-los segons la seua composició, les seues característiques tècniques i les

seues aplicacions.

A Espanya la norma UNE 36001 creada per l’Instituto del Hierroy del Acero (IHA)

regula aquesta classificació. A la Unió Europea, la norma UNE EN 10020, de l’any

2001, s’encarrega d’aquesta regulació.

Classificació dels acers fins de construcció

Símbol Norma UNE

Codi numèric

Aplicacions

Acers al carboni

F 1140 1.1191

Peces de resistència mitjana. Maquinària agrícola, manegots, caragols. No és recomanable per a soldar.

F 1150 1.1203

Ferramentes agrícoles, tambors de fre. Recomanable per a tremp per inducció

Acers aliats de tremp i reveniment

F 122 1.5864

Acers d’elevat aliatge per a alts esfroços de flexió i alta tenacitat. Molt apte per a peces que no han de tindre deformacions en els tractaments.

F 123 1.5755

Acers al crom-níquel per a peces de responsabilitat: bulons, cigonyals, bieles. Bona resistència al xoc i a treballs a temperatures mitjanes i baixes.

F 1252 1.7225

Acers molt generalitzat per a eixos i bulons. Duresa i tenacitat bones. Bon mecanitzat. Adequat per a tremp per inducció.

Acers per a rodaments

F 1310 1.3505

Material per a la fabricació de rodaments, ferramentes per al a fusta, puntes de torns, escariadors, etc.

Acers per a molls

F 1430 1.8159

Molls de diàmetre inferior a 40 mm. Peces que suporten esforços de torsió, claus fixes, cizells, cisalles, tisores per a filferro, etc.

Acers de cementació

F 1510 1.1121 Peces cementades de dimensions menudes i limitada responsabilitat.

F 1522 1.6223

Acers per a peces cementades de bona tenacitat: pinyons i engranatges menuts per a maquinària agrícola i la indústria de l’automòbil.

F 1560

Acers de bon tremp amb bona tenacitat i duresa en el nucli. Idoni per a grans peces cementades.

Acers de fàcil mecanització

F 2113 1.0736

Acers sulfurat de mecanitzabilitat millorada. Aplicacions que no requereixen grans exigències mecàniques.

Acers inoxidables

4

Els materials


17

F 3504 1.4301

Peces de resistència mitjana a agents corrosius: vàlvules, eixos i cossos de bombes. Per aplicació en les indústries químiques, tèxtils i d’alimentació

F 3534 1.4401

Peces de gran resistència a la corrosió. Aplicació en les indústries químiques, tèxtils ,d’alimentació i de producció de paper.

Acers per a ferramenta

F 5220 1.2510

Ferramentes de treball en fred i elevada resistència al desgast: matrius de tall i embutició, tallants per a plàstic, corrons de laminació, etc.

F 3518 1.2738

Motlles d’injecció d’alumini i aliatges de coure. Fileres d’extrussió d’alumini, estampació en calent d’acer, ganivets de tall en calent.

Altres sèries

A més dels tipus d’acers assenyalats la norma UNE recull també altres sèries

d’acers.

La sèries F4 inclou els acers d’emergència d’alta resistència.

En les sèries F6 i F7 s’engloben els acers comuns emprats en la fabricació

de de barres del formigó armat.

La sèrie F8 conté els acers per a emmotllament i foses.

La sèrie F9 es reserva per als acers aliatges especials.

Classificació dels plàstics

Donat que els plàstics són susceptible de processos de reciclatge s’utilitza una

nomenclatura para classificar-los i facilitar la seua separació de cara al reciclatge.

Codis per a classificar els diferents tipus de

plàstics.

Documents

TEMA - Relojes y Tecnologíatecnosahuquillo.weebly.com/uploads/2/6/3/1/... · estructures Hi ha diversos procediments de protecció contra la corrosió, el galvanitzat, pintat, amb