UNIDAD 1. PROPIEDADES DE LOS MATERIALES

Unidad 1: CLASIFICACION DE LOS MATERIALES.

NOMBRE DE LA ASIGNATURA:

PROPIEDADES DE LOS MATERIALES

CARRERA:

INGENIERIA INDUSTRIAL

UNIDAD 1:

“CLASIFICACION DE LOS MATERIALES”

DOCENTE:

ING. JOSE RAUL RUIZ ZAVALA

ALUMNA:

CINTHYA VANESSA BRAJAS SANTILLAN

NUMERO DE CONTROL:

13380183

20 DE FEBRERO DEL 2014

1


1.1GENERALIDADES.Para dar una definición de lo que es un material, primero debe entenderse como es que está conformado. Lo primero es que un material está compuesto por elementos, generalmente los elementos químicos encontrados en la naturaleza y representados en la tabla periódica de elementos químicos. Sin embargo, esto no es todo, en los materiales estos elementos están relacionados por una composición química definida. Un ejemplo muy sencillo es la sal común, su fórmula química es NaCl, lo que significa que hay un átomo de Sodio (Na) por cada átomo de Cloro (Cl) y es la única forma de obtener este compuesto. El último factor importante de un material es el acomodo de estos elementos, es decir, su estructura, los materiales están caracterizados por tener una estructura, determinada y única, si este acomodo cambia, cambiarán las características del material y por lo tanto se hablará de este como una variación o como otro material distinto. En ciencia e ingeniería de materiales, existe además otra distinción para los materiales, y es que deben tener un uso específico, si no es así, entonces se les denomina únicamente sustancia. Por ejemplo, el agua (H2O) en estado líquido es una sustancia, pero al enfriarse y convertirse en hielo, se puede usar como un material de construcción, por lo tanto, esta misma agua solidificada, al tener un uso práctico, se le considera un material. En resumen, los materiales están formados por elementos, con una composición y estructura única y que además, pueden ser usados con algún fin especifico. Los materiales se clasifican de forma muy general en:

Metales Cerámicos Polímeros Materiales compuestos

Sin embargo, está clasificación no es única, pues los materiales se pueden dividir por su estructura, por sus propiedades físicas y químicas, por sus usos en industrias específicas, etc.

http://www.andragogy.org/_Cursos/Curso00188/Temario/pdf%20leccion%201/lecci%C3%B3n%201.pdf

2




1.1.1 Propiedades de los materiales.

Empezaremos explicando lo que son las materias primas, los materiales, y un producto tecnológico. Al final tienes un enlace con ejercicios para que repases con actividades sobre las propiedades de los materiales.

Materia prima: son las sustancias que se extraen directamente de la naturaleza. Tenemos animales (la seda, pieles, etc) vegetales (madera, corcho, algodón, etc) y minerales (arcilla, arena, mármol, etc.)

Los materiales: Son las materias primas transformadas mediante procesos físicos y/o químicos, que son utilizados para fabricar productos. Ejemplo de Materiales son los tableros de madera, el plástico, láminas de metal, etc.

Los productos tecnológicos son ya los objetos construidos para satisfacer las necesidades del ser humano. Una mesa, una viga, un vestido, etc.

El proceso sería: primero se extrae la materia prima, posteriormente se convierte en un material, y con los materiales construimos el producto tecnológico.

3


Los Principales Materiales son:

4


¿Qué son las propiedades de los materiales?

Propiedades de los materiales: son el conjunto de características que hacen que el material se comporte de una manera determinada ante estímulos externos como la luz, el calor, las fuerzas, etc.

Veamos las propiedades de los materiales según su clasificación.

Propiedades Eléctricas de los Materiales

Determinan el comportamiento de un material cuando pasa por el la corriente eléctrica.

Una propiedad eléctrica es la llamada conductividad, que es la propiedad que tienen los materiales para transmitir la corriente eléctrica. En función de ella los materiales pueden ser:

Conductores : Lo son si permiten el paso de la corriente fácilmente por ellos

Aislantes: Lo son si no permiten fácilmente el paso de la corriente por ellos.

5


Semiconductores: se dicen que son semiconductores si solo permiten el paso de la corriente por ellos en determinadas condiciones. (Por ejemplo si son conductores a partir de una temperatura determinada y por debajo de esa temperatura son aislantes)

Propiedades Mecánicas

Estas quizás son las más importantes, ya que nos describen el comportamiento de los materiales cuando son sometidos a las acciones de fuerzas exteriores. Una propiedad muy general de este tipo es la resistencia mecánica, que es la resistencia que presenta un material ante fuerzas externas. Algunas más Concretas son:

Elasticidad: propiedad de los materiales de recuperar su forma original cuando deja de actuar sobre ellos la fuerza que los deformaba. Un material muy elástico, después de hacer una fuerza sobre el y deformarlo, al soltar la fuerza vuelve a su forma original. Lo contrario a esta propiedad sería la plasticidad.

Plasticidad: propiedad d los cuerpos para adquirir deformaciones permanentes.

Maleabilidad: facilidad de un material para extenderse en láminas o planchas.

Ductilidad: propiedad de un material para extenderse formando cables o hilos.

Dureza: es la resistencia que opone un material a dejarse rayar por otro. El más duro es el diamante, que solo se puede rayar con otro diamante. Para medir la dureza de un material se utiliza la escala de Mohs, escala de 1 a 10, correspondiendo la dureza 10 al material más duro.

Tenacidad: es la resistencia que ofrece un material a romperse cuando es golpeado.

6


Fragilidad: seria lo contrario a tenaz. Es la propiedad que tienen los cuerpos de romperse fácilmente cuando son golpeados. El metal es tenaz y el vidrio es frágil y duro.

Propiedades Térmicas

Determinan el comportamiento de los materiales frente al calor.

Conductividad térmica: es la propiedad de los materiales de transmitir el calor, produciéndose, lógicamente una sensación de frió al tocarlos. Un material puede ser buen conductor térmico o malo.

Fusibilidad: facilidad con que un material puede fundirse (pasar de líquido a solido o viceversa).

Soldabilidad: facilidad de un material para poder soldarse consigo mismo o con otro material. Lógicamente los materiales con buena fusibilidad suelen tener buena soldabilidad.

Dilatación: es el aumento de tamaño que experimenta un material cuando se eleva su temperatura.

Propiedades Ópticas

Se ponen de manifiesto cuando la luz incida sobre el material.

Materiales opacos: no se pueden ver los objetos a través de ellos.

Materiales transparentes: los objetos se pueden ver a través de ellos, pues dejan pasar los rayos de luz.

Materiales translúcidos: estos materiales permiten el paso de la luz, pero no dejan ver con nitidez a través de ellos. Por ejemplo el papel de cebolla.

Propiedades Químicas de los Materiales

Se manifiestan cuando los materiales sufren una transformación debida a su interacción con otras sustancias. El material se transforma en otro diferente (reacción química)

La oxidación: es la facilidad con la que un material se oxida, es decir, reacciona en contacto con el oxigeno del aire o del agua. Los metales son los materiales que más se oxidan. Si un material se oxida con el agua se puede decir que se corroe en lugar de se oxida.

7


Propiedades Ecológicas de los Materiales

Según el impacto que producen los materiales en el medio ambiente , se clasifican en:

Reciclables: son los materiales que se pueden reciclar, es decir su material puede ser usado para fabricar otro diferente.

Reutilizable: Se puede volver a utilizar pero para el mismo uso.

Tóxicos: estos materiales son nocivos para el medio ambiente, ya que pueden resultar venenosos para los seres vivos y contaminan el agua, el suelo o la atmósfera.

Biodegradables: son los materiales que la naturaleza tarda poco tiempo en descomponerlos de forma natural en otras sustancias.

1.1.2 Propiedades importantes de los materiales en la Manufactura.

8


Es difícil señalar exactamente que propiedades, o más correctamente que combinación de propiedades debe poseer un material destinado a un proceso determinado. No obstante, a menudo es posible identificar ciertas propiedades o características dominantes que debe tener cualquier material para poder someterlo a cierto proceso o grupo de procesos. Con el fin de evaluar estas propiedades tecnológicas, se han desarrollado muchos métodos especializados que prueban de una manera u otra la conveniencia de un material para el proceso o grupo de procesos particulares.

Las propiedades más importantes afectadas por los defectos son: esfuerzo de cedencia, ductibilidad, esfuerzo de rotura, dureza y conductividad eléctrica. Las propiedades que no reciben influencia de los defectos son: punto de fusión, capacidad calorífica, expansión térmica y constante de elasticidad.

Propiedades de los metales para la manufactura.

En líneas generales, se puede afirmar que no existe ningún material perfecto que se pueda emplear para la fabricación de cualquier producto. Cada aplicación necesita de un material que cumpla unas características determinadas.Ingenieros y diseñadores necesitan sopesar las ventajas e inconvenientes de cada uno de los materiales y elegir adecuadamente aquel que mejor se adapte a las necesidades requeridas. Para elegir adecuadamente un material es necesario conocer, entre otras, sus propiedades sensoriales, ópticas, térmicas, magnéticas, químicas, mecánicas, etcétera. La elección de un material se debe hacer cuidadosamente desde el punto de vista de sus propiedades, dependiendo de la aplicación a la que se destine.

Propiedades sensoriales A menudo elegimos los materiales dependiendo del efecto que puedan producir en alguno de nuestros sentidos.

Más o menos agradables al tacto El olor La forma El brillo La textura El color

Propiedades ópticas

9


Se refieren a la reacción del material cuando la luz incide sobre él. Así tenemos: -materiales opacos, que no permiten que la luz los atraviese -materiales transparentes, que dejan pasar la luz -materiales translúcidos, que permiten que penetre la luz pero no dejan ver

nítidamente a través de ellos. Existen otros materiales sensibles a la luz que reaccionan de alguna manera cuando la luz incide sobre ellos como los semiconductores (LDR, placas solares) o que sufren reacciones químicas como las películas fotográficas, etcétera.

Propiedades térmicasDescriben el comportamiento de un material frente al calor

o Conductividad térmica.

o Modificación de características mecánicas con la temperatura

o Conductividad térmica

o Resistividad térmica

o Dilatación térmica

o Contracción térmica

o Fusibilidad

o Soldabilidad

Propiedades magnéticas Capacidad que tiene un metal ferroso (hierro y sus aleaciones) para ser atraído por un imán, así como a la posibilidad de que las propiedades magnéticas del imán sean transferidas al metal.

Propiedades químicas Resistencia a la oxidación y corrosión (especialmente en los metales). Así tenemos que el acero y sus aleaciones se oxidan con bastante facilidad en contacto con la humedad.

Propiedades mecánicas

10


Están relacionadas con la forma en que reaccionan los materiales cuando actúan fuerzas sobre ellos. Las más importantes son:

o Elasticidad.

o Plasticidad.

o Ductilidad.

o Maleabilidad.

o Dureza.

o Fragilidad.

o Tenacidad.

o Fatiga.

o Maquinabilidad.

o Acritud.

o Colabilidad.

o Resiliencia.

Propiedades de los metales Las propiedades mecánicas de los metales son generalmente las más importantes para el ingeniero. Las propiedades de los metales se pueden diferenciar en dos grupos los metales ferrosos y los metales no ferros.Metales ferrosos: mayor resistencia, mejor capacidad de rendimiento, mejores propiedades de alta y baja temperatura, mejor resistencia a la corrosión, mejores propiedades tecnológicas.

Metales no ferrosos: Alta resistencia a la corrosión, facilidad de Fabricación, alta conductibilidad eléctrica, térmica, baja densidad, alta relación resistencia/peso, color atractivo. La resistencia de los metales no ferrosos en general es más bajo que los aceros; pero debido a su baja densidad la relación resistencia/peso puede ser bastante alta. El módulo de elasticidad es bajo, es desventaja cuando se requiere relativamente rigidez. El punto de fusión es bastante bajo.

Propiedades de las cerámicas en la manufactura.

Las características más importantes para la manufactura de las cerámicas son sus altas temperaturas de ablandamiento y fusión de 2000 °C hasta 4000 °C. Alta dureza, fragilidad, baja conductividad térmica, resistencia o choque térmico, resistencia al desgaste a la corrosión y oxidación.

11


Propiedades de los plásticos en la manufactura.

Sus propiedades son muy variadas dependiendo de su composición pero las más importantes son: resistencia térmica, aislantes eléctricos, impermeables, ductibilidad, etc.

12


1.1.3 Conformación de Materiales en Estado liquido.La conformación de los materiales en estado sólido incluye las siguientes fases:

Fase 1. Fusión.

Fase 2. Conformación (creación de la forma).

Fase 3. Solidificación (estabilización de la forma).

En la práctica las fases 2 y 3 pueden efectuar más o menos integradas. Para los metales aleados no tiene punto de fusión sino más bien un intervalo de temperatura de fusión definido por temperatura de inicio de fusión, abajo la cual el material es sólido. Y temperatura de inicio de solidificación, arriba la cual el material es líquido. En ambas temperaturas existe una mezcla de material líquido y sólido. Otras propiedades importantes en la conformación a partir del estado líquido incluyen el calor específico, la conductividad térmica y la viscosidad del material.

Estas técnicas son usadas para la creación de materiales principalmente metálicos y plásticos.

La fundición como conformación primaria partiendo del estado sólido es el procedimiento más importante y utiliza la formalidad de un de un material en estado líquido. Los materiales que tengan que ser fundidos deben: tener un punto de fusión técnicamente alcanzable, ser fusibles de manera económica, ser lo más fluido posible para llenar el molde, variar lo menos posible su volumen.

La conformación a partir del estado líquido requiere primordialmente que el material se pueda fundir, y que se disponga del equipo para hacerlo. El primer punto depende del nivel que alcance el intervalo de puntos o temperaturas de fusión y de los requerimientos del equipo para producir la fusión completa. Estos requerimientos dependen a su vez de la composición química del material, de su afinidad hacia el medio circundadote, de su absorción de gases y de otros factores. Si se puede producir la fusión, la siguiente cuestión es la disponibilidad de un molde o dado adecuado para una solidificación apropiada.

Fusión de un metal Fusión del vidrio

13


La conformación consiste en darle la forma a él líquido fundido para ello se coloca en un molde que soporte la temperatura y tome su forma. En el caso del vidrio se sopla para enfriarlo y se moldea.

La solidificación consta de dejar enfriar el material para que pase al estado sólido y tome la forma del molde.

Después de la solidificación el componente se enfría a temperatura ambiental, produciéndose una contracción uniforme determinada por la diferencia entre la temperatura de fusión y la ambiental, multiplicada por la dilatación térmica media. Esta contracción hacia el estado sólido se debe compensar utilizando un molde ligeramente mayor para que el componente enfriado tenga las dimensiones correctas.

Como se mencionó, la magnitud del intervalo de temperaturas de fusión desempeña un papel importante en la solidificación del material. El incremento en el intervalo de temperaturas de solidificación aumenta los riesgos de porosidad interna, desgarramiento por calor y segregaciones. La porosidad interna se crea cuando una porción del material semi-solidificado interrumpe el adecuado vaciado de material fundido por el bebedero. Los desgarres por calor se deben a las altas temperaturas del molde, lo que impide físicamente la contracción y da por resultado grandes deformaciones por tensión. La segregación, distribución irregular de los constituyentes del material, generalmente es producida por un intervalo grande de temperaturas de solidificación y en ella la composición del material fundido restante cambia gradualmente conforme se reduce la temperatura.

Otras propiedades importantes en la conformación a partir del estado líquido incluyen el calor específico, la conductividad térmica y la viscosidad del material. Se han desarrollado muchas aleaciones de fundición diferentes para minimizar algunos de los problemas descritos. También conviene mencionar que continuamente se están investigando y desarrollando nuevos procesos de fundición para ampliar la gama de materiales utilizables.

14


1.1.4 Conformación de Materiales en Estado sólido.

La conformación de materiales en estado sólido se puede efectuar mediante procesos de conservación de masa, de reducción de masa o de unión.

Procesos de conservación de masa.

En la conformación de metales, el proceso básico primario es la deformación plástica de tipo mecánico. La capacidad de un material para experimentar deformación plástica está determinada primordialmente por su ductilidad (medida por la reducción de área en la prueba de tensión). La cantidad de deformación plástica necesaria para producir el componente deseado depende del principio que se elija para la creación de superficie y del incremento esperado en la información de forma. En otras palabras, la ductilidad de un material determina el principio do creación de superficie y el incremento de información obtenible sin fractura.

Deformación plástica de un metal

Las curvas de esfuerzo-deformación son la fuente de información más importante al evaluar la idoneidad de un material para ser sometido a deformación plástica. La deformación por inestabilidad, la elongación porcentual y la reducción de área son las características sobresalientes. En casi todos los procesos de conformación hay una buena correlación entre la reducción de área y la "conformabilidad" del material. Las curvas de esfuerzo-deformación también revelan los esfuerzos necesarios para producir la deformación deseada. Los esfuerzos y deformaciones, así como las fuerzas, el trabajo y la energía resultantes tienen importancia en el diseño de herramientas o moldes y en la elección de maquinaria para el proceso.

15


Como se mencionó antes, las condiciones en que se realiza un proceso pueden influir en gran medida sobre, la "conformabilidad". Los parámetros importantes son el estado de tensión, la viscosidad de deformación y la temperatura. En cuanto al estado de tensión se puede afirmar que la conformación bajo esfuerzos de compresión generalmente es más fácil que bajo esfuerzos de tensión ya que se suprimen las tendencias hacia la inestabilidad y la fractura por tensión. Más aún una presión hidrostática como carga adicional incrementa la conformabilidad (ductilidad), por lo cual se utiliza en ciertos casos.

En la mayoría de procesos, el estado de tensión varía a lo largo de la zona de deformación; por tanto, a veces puede ser difícil identificar el estado máximo de tensión.

La velocidad de deformación también influye en la ductilidad de un metal. Una mayor velocidad de deformación provoca una menor ductilidad y un incremento en los esfuerzos necesarios para producir cierta deformación.

Los procesos industriales más utilizados tienen lugar a temperatura ambiental; en consecuencia, la velocidad de deformación no ocasiona problemas. Sin embrago en aquellos procesos que se efectúan a temperaturas elevadas se deben tomar en cuenta los efectos de la viscosidad de deformación.

Las altas temperaturas pueden dar por resultado un material con un esfuerzo constante de cedencia, el cual es independiente de la deformación. En este estado el material puede soportar deformaciones muy grandes, ya que la temperatura es superior a la de cristalización, donde se producen continua y casi instantáneamente nuevos granos libres de deformación. Estos “procesos de trabajo en caliente” no causan problemas graves en la fase de deformación, cuando la velocidad de dicha deformación está controlada.

Procesos de reducción de masa.

Los procesos básicos del tipo de reducción de masa son mecánicos (fractura dúctil o frágil), químicos (disolución y combustión) o térmicos (fusión).

Los procesos de reducción de masa basados en la fractura son los más importantes industrialmente, ya que incluyen todos los procesos de corte. La adaptabilidad de un material a los procesos de corte se conoce frecuentemente como maquinabilidad. La maquinabilidad, la cual depende de muchas propiedades diferentes del material, es una medida de qué tan buena es la interacción entre la herramienta de corte y el material. Los parámetros que cubre un índice de maquinabilidad pueden ser desgaste de la herramienta, calidad de la superficie, fuerzas de corte o forma de la viruta. Se suele considerar que el desgaste de la

16


herramienta es el criterio principal y se han desarrollado procedimientos estandarizados de prueba.

La maquinabilidad depende primordialmente de:

Propiedades mecánicas de un material (ductibilidad y dureza) Su composición química Su tratamiento Térmico (estructura).

En cuanto a las propiedades mecánicas se puede afirmar que una baja ductilidad, un bajo endurecimiento por deformación y una baja dureza equivalen a una buena maquinabilidad. Análogamente, esto significa que los materiales de alta ductilidad y alto endurecimiento por deformación son difíciles de maquinar. En muchos materiales (p.e., el hierro gris) la dureza es una indicación razonablemente buena de la facilidad con que se pueden maquinar.

La composición de un material tiene una gran influencia en su maquinabilidad. Añadiendo pequeñas cantidades de plomo, manganeso, azufre, selenio o telurio, se puede incrementar considerablemente la maquinabilidad sin alterar las propiedades mecánicas.

Respecto a la estructura de un material debe ser lo más homogénea posible sin partículas abrasivas ni inclusiones duras, ya que éstas aumentan el desgaste de las herramientas y dan por resultado superficies defectuosas. En aquellos procesos de conservación de masa que son básicos y de tipo químico, las propiedades mecánicas desempeñan un papel mínimo o nulo, siendo las propiedades químicas y electroquímicas las que tienen una función primordial. Esto significa que un material templado es tan fácil de procesar como otro sin temple.

La combustión, que se utiliza en el corte con soplete, por ejemplo, requiere que se use un suministro de oxígeno para que sea posible quemar el material. Es posible cortar acero y hierro gris (< 2.5% C); sin embargo, el acero inoxidable no se puede cortar con este proceso.

Los procesos básicos térmicos de fusión (corte y maquinado por electroerosión, por ejemplo) requieren que el material pueda fundirse usando una fuente de energía apropiada. Después de la fusión, el material debe ser retirado de la zona de maquinado. Estos procesos están muy influidos por las propiedades térmicas del material (p.e.: conductividad térmica, capacidad calorífica y calor específico). La baja conductividad térmica, así como la baja capacidad calorífica, disminuye los requerimientos de energía y minimiza la zona afectada por el calor.

Procesos de unión.

17


Sólo so considera aquí el tipo principal de proceso de unión, que es la soldadura por fusión. La soldabilidad de un material es difícil de definir, al igual que las otras propiedades tecnológicas.

Muchos factores como los mencionados bajo conformación de materiales en estado líquido, influyen en las propiedades de soldadura de un material. La composición química y la afinidad de los constituyentes por su entorno tienen una gran influencia, ya que las contaminaciones, absorciones de gas, estructura y otros aspectos dependen de estos factores.

Además, las condiciones de enfriamiento influyen en los esfuerzos internos resultantes y en la dureza final del material.

Soldadura por fusión

1.1.5 Conformación de Materiales en Estado granular.

18


La materia granular o materia granulada es aquella que está formada por un conjunto de partículas macroscópicas sólidas lo suficientemente grandes para que la única fuerza de interacción entre ellas sea la de fricción.

Para esta área de procesos es bastante difícil definir las propiedades del material que determinan la adaptabilidad del material granular a la compactación y sinterización.

Todos los materiales que pueden producirse en estado granular pueden ser compactados y sinterizados, pero dependiendo del material particular podría ser difícil desarrollar procesos adecuados de compactación y sinterización.

En general los requisitos funcionales y no el proceso en sí, determinan el material a usar.

Los procesos más usados son:

Reducción de masa Flujo y deformación plástica Compactación de polvos

Los materiales se usan principalmente en la conformación de basa y sub-base de estructuras de pavimentación flexibles.

19


1.1.6 Efecto de los procesos en las propiedades del material.

Las propiedades originales del material, así como el proceso básico real y las condiciones bajo las cuales se lleva a cabo, determinan el conjunto final de propiedades del material. Variando los parámetros que rigen el proceso, es posible variar las propiedades reales, a veces dentro de límites muy amplios.

Dependiendo del proceso y del material, las propiedades afectadas quedarán incluidas en uno o más de los siguientes grupos:

1. Propiedades físicas (resistencia a la corrosión, cambios metalúrgicos)2. Propiedades mecánicas (resistencia, dureza, ductilidad)3. Propiedades tecnológicas ("conformabilidad", "maquinabilidad",

"soldabilidad").

Debe recordarse que algunos de los cambios que tienen lugar son benéficos y otros perjudiciales. En la situación real, normalmente sólo unas cuantas de las propiedades afectadas son importantes para efectuar las funciones deseadas.

Durante el procesamiento, a menudo se introducen en el material varios defectos (micro o macro fracturas, porosidad, distribución irregular de propiedades, etc.) que podrían influir drásticamente en la eficacia del componente. El tipo y carácter de estos defectos debe analizarse cuidadosamente.

En la conformación a partir del estado líquido, las propiedades finales del material dependen principalmente de la composición (incluyendo intervalo de temperaturas de solidificación), de las propiedades térmicas y mecánicas del material de moldeo y de las condiciones de solidificación (dirección, velocidad, etc.).

En la conformación de materiales a partir del estado sólido por deformación plástica, la cantidad de deformación la temperatura y la velocidad de deformación determinan primordialmente las propiedades finales.

La deformación en frío aumenta la resistencia y disminuye la ductilidad del material. La deformación en caliente produce superficies de mala calidad y propiedades mecánicas razonablemente buenas. La conformación en estado sólido por maquinado (procesos reductores de masa) influye fundamentalmente en las propiedades superficiales (rugosidad, dureza, esfuerzos internos, etc.). Estos ejemplos sirven para ilustrar lo compleja que es la evaluación de las propiedades finales del material de un componente.

20


1.1.7 Clasificación de materiales

Como se mencionó previamente, es difícil proporcionar en este contexto información amplia referente a todos los materiales importantes de ingeniería. Consecuentemente sólo se presentará una visión general, para permitir una somera evaluación de la adaptabilidad de los diferentes grupos de materiales a los diversos procesos. De este estudio y de las descripciones de procesos que aparecen en la literatura especializada, se obtendrán los conocimientos necesarios para evaluar las propiedades finales de los materiales.

Los materiales de ingeniería pueden dividirse en grupos que muestren relaciones importantes. Los principales grupos son:

materiales metálicos materiales no metálicos materiales compuestos

Los materiales metálicos se subdividen en:

- Metales ferrosos- Metales no ferrosos.

Los materiales no metálicos se subdividen en:

- Polímeros- Cerámicas- Vidrios

Pero el grupo cubre muchos otros (madera, concreto, ladrillo, etc.) que no son importantes para el presente estudio.

Los materiales compuestos están formados por dos o más materiales, de tal manera que se obtienen propiedades nuevas y especiales.

21


Materiales metálicos

Materiales metálicos ferrosos: como su nombre lo indica su principal componente es el fierro, sus principales características son su gran resistencia a la tensión y dureza. Las principales aleaciones se logran con el estaño, plata, platino, manganeso, vanadio y titanio. Los principales productos representantes de los materiales metálicos son:

• Fundición de hierro gris • Hierro maleable • Aceros • Fundición de hierro blanco

Materiales metálicos no ferrosos: son todos aquellos que no contienen fierro, prácticamente todos o los demás metales.

22


Materiales compuestos

Son aquellos materiales que se forman por la unión de dos materiales para conseguir la combinación de propiedades que no es posible obtener en los materiales originales. Estos compuestos pueden seleccionarse para lograr combinaciones poco usuales de rigidez, resistencia, peso, rendimiento a alta temperatura, resistencia a la corrosión, dureza o conductividad.

Materiales no metálicos

Los materiales no metálicos como su nombre lo dice están formados por los elementos no metálicos. Se clasifican en:

Cerámicas.- es un tipo de material inorgánico, no metálico, buen aislante y que además tiene la propiedad de tener una temperatura de fusión y resistencia muy elevada.

Vidrios.- materiales amorfos, no cristalinos, de fusión que se enfriaron a una condición rígida sin cristalizarse.

Polímeros

Materiales no metálicos polímeros: son los materiales conformados por la unión de moléculas pequeñas llamadas monómeros y que generalmente son orgánicas.

Polímeros termoplásticos.- polímeros de alto peso molecular al calentarse se vuelven deformables y flexibles y al enfriarse se endurecen.

Polímeros termo estables.- polímeros infusibles o insolubles por su fuerte enlace covalente.

Polímeros elastómeros.- polímeros con propiedades elásticas.

23


1.2 CLASIFICACIÓN DE LOS MATERIALES PUROS

1.2.1 ¿Que son los materiales puros?

Son aquellos que están tal y como son en la naturaleza sin sufrir ningún cambio o alteración, los materiales más puros son los que se encuentran en la tabla periódica. Todos los materiales están integrados por átomos los que se organizan de diferentes maneras, dependiendo del material que se trate y el estado en el que se encuentra, ya sea de manera alotrópica. Los materiales puros se clasifican en:

Metales Metaloides No Metales.

Metales

Se llama metales a los materiales que se caracterizan por tener buena conductividad térmica y eléctrica. Posen alta densidad y son sólidos a temperatura normal (excepto el mercurio). Los metales, cuando estos están en su estado sólido, sus átomos se alinean de manera regular en forma de mallas tridimensionales. Estas mallas pueden ser reconocidas fácilmente por sus propiedades químicas, físicas o por medio de los rayos X. Cuando un material cambia de tipo de malla al modificar su temperatura, se dice que es un material polimorfo o alotrópico. Cada tipo de malla en los metales da diferentes propiedades, no obstante que se trata del mismo material. Se pueden clasificar en metales ferrosos y no ferrosos.

Materiales metaloides

Tienen propiedades intermedias entre los metales y los no-metales. Los Metaloides se usan muy a menudo en la industria de los semiconductores (procesadores y memoria de las computadoras).

Materiales no metálicos

Aquí entran todos los materiales restantes de la tabla periódica. Estos se pueden clasificar de la siguiente manera: plásticos, madera, cerámicas, fibras textiles y materiales compuestos.

Metales Metaloide (Germanio) No metales

24


1.2.2 ¿Qué es un mineral?

Mineral es aquella sustancia natural, homogénea, inorgánica, de composición química definida (dentro de ciertos límites).

Estas sustancias inorgánicas poseen una disposición ordenada de átomos de los elementos de que está compuesto, y esto da como resultado el desarrollo de superficies planas conocidas como caras. Si el mineral ha sido capaz de crecer sin interferencias, pueden generar formas geométricas características, conocidas como cristales.

Muestras de minerales

Los minerales tienen gran importancia por sus múltiples aplicaciones en los diversos campos de la actividad humana. La industria moderna depende directa o indirectamente de los minerales; se usan para fabricar múltiples productos, desde herramientas y ordenadores hasta rascacielos.

Algunos minerales se utilizan prácticamente tal como se extraen; por ejemplo el azufre, el talco, la sal de mesa, etc. Otros, en cambio, deben ser sometidos a diversos procesos para obtener el producto deseado, como el hierro, cobre, aluminio, estaño, etc. Los minerales constituyen la fuente de obtención de los diferentes metales, base tecnológica de la moderna civilización.

Así, de distintos tipos de cuarzo y silicatos, se produce el vidrio. Los nitratos y fosfatos son utilizados como abono para la agricultura. Ciertos materiales, como el yeso, son utilizados profusamente en la construcción. Los minerales que entran en la categoría de piedras preciosas o semipreciosas, como los diamantes, topacios, rubíes, se destinan a la confección de joyas.

Los minerales son un recurso natural de gran importancia para la economía de un país, muchos productos comerciales son minerales, o se obtienen a partir de un mineral. Muchos elementos de los minerales resultan esenciales para la vida, presentes en los organismos.

25


1.2.3 Tipos de minerales

Los minerales vienen en diferentes formas y estructuras. Los tipos de materiales más conocidos son: los cristales y piedras preciosas. Los minerales se pueden clasificar en minerales metálicos y no metálicos. Pero por sus propiedades químicas se clasifican en:

Elementos nativos: son los que se encuentran en la naturaleza en estado libre, puro o nativo, sin combinar o formar compuestos químicos. Ejemplos: oro, plata, azufre, diamante.

Sulfuros: Una parte importante de los sulfuros son minerales de interés económico. Están formados siempre por la combinación del azufre con uno o más metales. Comprenden un conjunto de unas 300 especies minerales.

Sulfosales: minerales compuestos de plomo, plata y cobre combinados con azufre y algún otro mineral como el arsénico, bismuto o antimonio. Ejemplos: pirargirita, proustita.

Óxidos e Hidróxidos: Los óxidos e hidróxidos son minerales en los que el oxígeno forma enlaces con los metales: sólo oxígeno en el caso de los óxidos, y oxígeno con hidrógeno (OH-) en los hidróxidos. Comprenden unos 250 minerales.

Halogenuros o Haluros: Comprenden además, cloruros, fluoruros, bromuros y yoduros, así como oxihaluros e hidrohaluros. Constituyen un grupo de unas 100 especies minerales. Los haluros constituyen una clase mineral caracterizada por formar sólidos compuestos por aniones relativamente grandes (Cl, Br, F, I) y débilmente polarizados. Son las estructuras de mayor simetría posible

Carbonatos: sales derivadas de la combinación del ácido carbónico y un metal.

Nitratos: sales derivadas del ácido nítrico.

Boratos: constituidos por sales minerales o ésteres del ácido bórico.

Fosfatos, Arseniatos y Vanadatos: La clase de los fosfatos se suele dividir en anhidros, fosfatos con grupos OH- o haluros y, por último, fosfatos hidratados; de esta segunda clase, el apatito es el mineral más representativo y abundante. Forma parte de los minerales accesorios en los filones pegmatíticos. Constituyen unos 350 minerales.

Silicatos: Es la clase mineral más importante en geología, puesto que está presente en más del 90% de las rocas de la corteza y manto terrestre. Prácticamente en todos los estudios petrológicos aparecen fases donde intervienen los silicatos.

26


1.2.4 Propiedades físicas de los minerales

Si se quiere clasificar los minerales primero hay que conocer sus propiedades. Las principales propiedades físicas que apreciamos son: Color: en un mineral es la característica que primero se aprecia, por ello, es el primer carácter distintivo utilizado. Para determinar el color observe el mineral bajo una luz intensa o mejor a la luz del día. Preste atención a que se trate del verdadero color del mineral y no del de una capa de óxido. En caso de duda, examine el color en un trozo recién partido. Brillo: Depende de la manera en que la luz es reflejada o refractada, así como la calidad de la superficie del cristal. Se distinguen los minerales con brillo metálico o no metálico; cuando no es posible diferenciarlos, se habla de brillo semimetálico. Se distinguen varias clases de brillo, como ser:

Brillo vítreo: Es el que corresponde a un simple vidrio. Brillo resinoso: El de la brea recién extraída. Brillo sedoso: El que presenta visos ondulantes como la seda natural. Brillo nacarado: Recuerda a la parte interna de algunos moluscos (nácar)

que presenta visos blancos con brillo cromático. Dureza: Los minerales pueden ser muy duros, como por ejemplo el diamante, o muy blandos como el talco. La determinación de la misma se realiza teniendo en cuenta la tabla de dureza creada por Mohs, que consta de una serie de 10 minerales, en la que cada uno raya al inmediato anterior, a saber:

1. Talco: Se raya con la uña2. Yeso: Se raya con la uña3. Calcita: Se raya con la navaja4. Fluorita: Se raya con la navaja5. Apatito: Se raya con la navaja6. Ortosa: Se raya con la navaja7. Cuarzo: Se raya con la navaja8. Topacio: Se raya con el vidrio9. Corindón: Se raya con el vidrio10.Diamante: Se raya con el vidrio

Transparencia: Se dice que un mineral es transparente cuando a través de él podemos ver el contorno de las figuras. La mayoría de los cristales incoloros pertenecen a este grupo. Tenacidad o cohesión: es el mayor o menor grado de resistencia que ofrece un mineral a la rotura, deformación, aplastamiento, curvatura o pulverización. Se distinguen las siguientes clases de tenacidad.- Frágil: es el mineral que se rompe o pulveriza con facilidad. Ejemplos: cuarzo y el azufre.- Maleable: el que puede ser batido y extendido en láminas o planchas. Ejemplos: oro, plata, platino, cobre, estaño.- Dúctil: el que puede ser reducido a hilos o alambres delgados. Ejemplos: oro, plata y cobre.- Flexible: si se dobla fácilmente pero, una vez deja de recibir presión, no es capaz de recobrar su forma original. Ejemplos: yeso y talco.

27


- Elástico: el que puede ser doblado y, una vez deja de recibir presión, recupera su forma original. Ejemplo: la mica. Fractura: Cuando un mineral se rompe lo puede hacer de diversas formas.- Exfoliación: significa que el mineral se puede separar por superficies planas y paralelas a las caras reales. Ejemplos: mica, galena, fluorita y yeso.- Laminar o fibrosa: cuando presenta una superficie irregular en forma de astillas o fibras. Ejemplo: la actinolita.- Concoidea: la fractura presenta una superficie lisa y de suave curva, como la que muestra una concha por su parte interior. Ejemplos: sílex y obsidiana.- Ganchuda: cuando se produce una superficie tosca e irregular, con bordes agudos y dentados. Ejemplos: magnetita y cobre nativo.- Lisa: es la que presenta una superficie lisa y regular.- Terrosa: es la que se fractura dejando una superficie con aspecto granuloso o pulverulento.

Peso específico (densidad): es la relación entre el peso (masa) y el volumen del mineral: d = m / v, donde m (la masa o peso) se obtiene con la balanza y v (el volumen) se calcula por el volumen de agua desplazado al introducir el mineral en una probeta graduada.

Birrefringencia: algunos minerales, al ser atravesados por un rayo de luz, descomponen el mismo en dos rayos refractados, si el mineral es transparente, los objetos que se observen a través de él se ven doble.

Magnetismo: ciertos minerales, por su gran contenido en hierro, pueden ser atraídos por un imán (ferromagnéticos).

Existen otras propiedades que son más específicas y tal vez un poco más difíciles de determinar, como ser: densidad, fluorescencia, composición química, radioactividad, magnetismo, luminiscencia, índice de refracción, que ayudan a lograr la identificación de los minerales.

Talco mineral blando Diamante mineral duro

28


1.3 CLASIFICACIÓN DE LAS ALEACIONES FERROSAS Y NO FERROSAS

1.3.1 Aleaciones de acero

Acero Es una aleación de hierro y carbono, que puede contener otros elementos, en la que el contenido de carbono oscila entre 0.1 a 1.7 %, no rebasa el límite de su saturación al solidificar quedando todo él en solución sólida. Las aleaciones de acero son compuestas de hierro con cromo y otros metales que dependiendo de cada uno el acero obtienen diferentes propiedades.

Aceros al carbono: Son aquellos que además del carbono posen otros metales en una muy pequeña cantidad. Como elementos aleantes que se añaden están el manganeso (Mn), el cromo (Cr), el níquel (Ni), el vanadio (V) o el titanio (Ti). Por otro lado, en función del contenido de carbono presente en el acero, se tienen los siguientes grupos:

- Aceros de bajo carbono (%C < 0.25)- Aceros de medio carbono (0.25 < %C <0.55)- Aceros de alto carbono (0.55 < %C <2)

Dependiendo de la cantidad del carbono también se pueden clasificar por:

Clasificación de los aceros según su contenido en carbono%Carbono Denominación Resistencia

0.1-0.2 Aceros extra suaves 38-48 kg/mm20.2-0.3 Aceros suaves 48-55 kg/mm20.3-0.4 Aceros semi suaves 55-62 kg/mm20.4-0.5 Aceros semiduros 62-70 kg/mm20.5-0.6 Aceros duros 70-75 kg/mm20.6-0.7 Aceros extra duros 75-80 kg/mm2

29


Aceros aleados: aquellos en los que, además del carbono, al menos uno de sus otros elementos presentes en la aleación esta en mayor cantidad que el carbono. A su vez este grupo se puede dividir en:

- Aceros de baja aleación (elementos aleantes < 5%)- Aceros de alta aleación (elementos aleantes > 5%)

Además de los elementos de los aceros al carbono, tienen adicionados elementos como: cromo, níquel, molibdeno, tungsteno, vanadio, etc., la adición de tales elementos modifica o mejora las propiedades del acero. Los efectos que proporciona cada uno de los elementos son los siguientes: Azufre: Se encuentra en los aceros como impureza, se toleran porcentajes hasta un 0.05 %, en caliente produce una gran fragilidad del acero, sus efectos perjudiciales pueden neutralizarse en parte con la adición del manganeso, que se combina con él formando sulfuro de manganeso. A veces se adiciona en proporciones de 0.1 a 0.3 % con un contenido mínimo de manganeso de 0.6 %, dando lugar a aceros llamados de fácil mecanización, que tienen menor resistencia, pero pueden ser trabajados con velocidades de corte doble que un acero corriente. Cobalto: Se usa en los aceros rápidos para herramientas, aumenta la dureza de la herramienta en caliente. Se utiliza para aceros refractarios. Aumenta las propiedades magnéticas de los aceros. Cromo: Forma carburos muy duros y comunica al mayor dureza, resistencia y tenacidad a cualquier temperatura. Solo o aleado con otros elementos, proporciona a los aceros características de inoxidables y refractarios. Manganeso: Se utiliza fundamentalmente como desoxidante y de sulfurante de los aceros. Molibdeno: Junto con el carbono es el elemento más eficaz para endurecer el acero. Evita la fragilidad. Níquel: Aumenta la resistencia de los aceros, aumenta la templabilidad proporciona una gran resistencia a la corrosión. Plomo: El plomo no se combina con el acero, se encuentra en él en forma de pequeñísimos glóbulos, como si estuviese emulsionado, lo que favorece la fácil mecanización por arranque de viruta, (torneado, cepillado, taladrado, etc.) ya que el plomo es un buen lubricante de corte, el porcentaje oscila entre 0.15 y 0.30 % debiendo limitarse el contenido de carbono a valores inferiores al 0.5 % debido a que dificulta el templado y disminuye la tenacidad en caliente. Silicio: Se emplea como desoxidante en la obtención de los aceros, además les proporciona elasticidad. Si la proporción es elevada (1 a 5%) los aceros tienen buenas características magnéticas. Tungsteno: Forma con el hierro carburos muy complejos estables y durísimos, soportando bien altas temperaturas. En porcentajes del 14 al 18 %, proporciona aceros rápidos con los que es posible triplicar la velocidad de corte de loa aceros al carbono para herramientas. Vanadio: Posee una enérgica acción desoxidante y forma carburos complejos con el hierro, que proporcionan al acero una buena resistencia a la fatiga, tracción y poder cortante en los aceros para herramientas.

30


1.3.2 Aceros especiales

Aleaciones de acero. Comúnmente conocidos como aceros especiales, son aceros al carbono, aleados con otros metales o metaloides, resultantes de la búsqueda del mejoramiento de sus características. Estos metales son utilizados en diferentes ramas de la industria debido a las características especiales que tienes.

Los elementos añadidos corrientemente son: níquel cromo vanadio molibdeno magnesio silicio tungsteno cobalto aluminio

Aceros al níquel: Son aceros inoxidables y magnéticos. El níquel aumenta la carga de rotura, el límite de elasticidad, el alargamiento y la resistencia al choque o resiliencia, a la par que disminuye las dilataciones por efecto del calor. Cuando contienen del 10 al 15% de níquel se templan aun si se los enfría lentamente.

Aceros al cromo: El cromo comunica dureza y una mayor penetración del temple, por lo que pueden ser templados al aceite. Los aceros con 1,15 a 1,30% de carbono y con 0,80 a 1% de cromo son utilizados para la fabricación de láminas debido a su gran dureza, y en pequeña escala los que tienen 0,3 a 0,4% de carbono y 1% de cromo.

Aceros al cromo-níquel: De uso más corriente que el primero, se usan en la proporción de carbono hasta 0,10%, cromo 0,70% y níquel 3%; o carbono hasta 15%, cromo 1% y níquel 4%, como aceros de cementación. Los aceros para temple en aceite se emplean con diversas proporciones; uno de uso corriente sería el que tiene carbono 0,30, cromo 0,7% y níquel 3%.

Aceros al cromo-molibdeno: Son aceros más fáciles de trabajar que los otros con las máquinas herramientas. El molibdeno comunica una gran penetración del temple en los aceros; se emplean cada vez más en construcción, tendiendo a la sustitución del acero al níquel. De los tipos más corrientes tenemos los de carbono

31


0,10% , cromo 1% y molibdeno 0,2% y el de carbono 0,3%, cromo 1% y molibdeno 0,2%; entre estos dos ejemplos hay muchos otros cuya composición varía según su empleo.

Aceros al cromo-níquel molibdeno: Son aceros de muy buena característica mecánica. Un ejemplo de mucha aplicación es el que tiene carbono 0,15% a 0,2%, cromo 1 a 1,25%, níquel 4% y molibdeno 0,5%. Aceros inoxidables: Los aceros inoxidables son los resistentes a la acción de los agentes atmosféricos y químicos. Los primeros que se fabricaron fueron para la cuchillería, con la proporción de 13 a 14% de cromo. Otros aceros fueron destinados a la fabricación de aparatos de cirugía, con la proporción de 18 a 20% de cromo y 8 a 10% de níquel; son también resistentes a la acción del agua de mar. Un acero de gran resistencia a la oxidación en caliente es el que tiene 20 a 30% de cromo y 5% de aluminio.

Aceros anticorrosivos: Estos son aceros soldados de alta resistencia y bajo tenor de sus componentes de aleación: carbono, silicio, azufre, manganeso, fósforo, níquel o vanadio, cromo y cobre. A la intemperie se cubren de un óxido que impide la corrosión interior, lo que permite se los pueda utilizar sin otra protección. Como resultado de ensayos efectuados por algo más de diez años, se ha establecido que su resistencia a los agentes atmosféricos es de cuatro a ocho veces mayor que los del acero común al carbono.

32


1.3.3 Aceros inoxidables

Aceros inoxidables En metalurgia, el acero inoxidable se define como una aleación de acero con un mínimo de 12 % de cromo contenido en masa. La adición de un 18% de cromo reduce en más de 100 veces la velocidad de oxidación del acero dulce a 900ºC. Éste es el fundamento de los aceros inoxidables, cuya utilización resulta preferible a la protección de materiales por medio de recubrimientos superficiales. Los aceros inoxidables son los resistentes a la acción de los agentes atmosféricos y químicos. Los primeros que se fabricaron fueron para la cuchillería, con la proporción de 13 a 14% de cromo. Otros aceros fueron destinados a la fabricación de aparatos de cirugía, con la proporción de 18 a 20% de cromo y 8 a 10% de níquel; son también resistentes a la acción del agua de mar. Un acero de gran resistencia a la oxidación en caliente es el que tiene 20 a 30% de cromo y 5% de aluminio. El acero inoxidable es un acero de elevada resistencia a la corrosión, dado que el cromo, u otros metales aleantes que contiene, poseen gran afinidad por el oxígeno y reacciona con él formando una capa pasivadora, evitando así la corrosión del hierro(los metales puramente inoxidables, que no reaccionan con oxígeno son oro y platino, y de menor pureza se llaman resistentes a la corrosión, como los que contienen fósforo). Otros elementos de aleación son adicionados para el mejoramiento de la resistencia mecánica y la maleabilidad así como también la resistencia a la corrosión, tal es el caso del níquel.

Es así que la elección de un tipo de acero inoxidable para atender a una aplicación específica debe ser hecha con criterio y obedecer a ciertos parámetros.

Aceros inoxidables

Los aceros inoxidables se clasifican de la siguiente manera: Aceros inoxidables ferri ticos: son aleaciones de hierro con cromo con bajo contenido de carbono. Tienen una buena resistencia a la corrosión que se incrementa con el contenido de cromo son magnéticos y no endurecibles. Usos comunes: Construcción y Decoración, marcos y molduras arquitectónicas, fregaderos, equipos domésticos, extractores de humos, sistemas de emisiones de gases en la industria automotriz.

33

http://es.wikipedia.org/wiki/Hierro

http://es.wikipedia.org/wiki/Pasivaci%C3%B3n

http://es.wikipedia.org/wiki/Ox%C3%ADgeno

http://es.wikipedia.org/wiki/Afinidad_electr%C3%B3nica

http://es.wikipedia.org/wiki/Cromo

http://es.wikipedia.org/wiki/Corrosi%C3%B3n

http://es.wikipedia.org/wiki/Acero

http://es.wikipedia.org/wiki/Cromo

http://es.wikipedia.org/wiki/Acero

http://es.wikipedia.org/wiki/Aleaci%C3%B3n

http://es.wikipedia.org/wiki/Metalurgia


Aceros inoxidables austeníticos: son aleaciones de hierro con cromo y níquel, la composición básica es de 18% de cromo y de un 8% de níquel. En algunos aceros se añaden molibdeno, titanio y otros elementos. Tienen excelente resistencia a la corrosión, soldabilidad, facilidad de formado y embutido, habilidad para manejar temperaturas criogénicas y altas temperaturas (925°C), limpieza e higiene. Usos comunes: Baterías de cocina, cubiertos, equipos de proceso en la industria de alimentos, aplicaciones arquitectónicas y decorativas, fabricar tuberías, tanques, equipos de procesos y recipientes a presión para las industrias Alimenticias, Química, Petroquímica, Petrolera, Farmacéutica, Extractiva Minera y Papelera. Aceros inoxidables martensiticos: son la primera familia de aceros al cromo, tienen un contenido de cromo entre 12% y 18%, y un contenido relativamente alto de carbono. Posen una moderada resistencia a la corrosión, endurecibles por tratamiento térmico, con lo que se puede lograr alta resistencia y dureza. Difícil soldabilidad debido al alto carbono y a su naturaleza dura. Usos comunes: Hojas de cuchillos, instrumentos quirúrgicos, abrazaderas, boquillas y flechas.

Clasificación de aleaciones no ferrosas Aleaciones no ferrosas: Las aleaciones no ferrosas se denominan así porque no contienen cantidades apreciables de hierro, aun cuando pequeños porcentajes de ese metal están presentes en las aleaciones. Los metales no ferrosos más comunes son: cobre, aluminio, magnesio, níquel, zinc, plomo, todos ellos son soldables, aunque algunos requieren especiales precauciones y técnicas.Se clasifican según el metal base: Aleaciones de estaño: los principales elementos de aleación del estaño son Cu, Sn, Pb, Bi, Cd.Las más importantes son las siguientes:

- Bronce: Es una aleación de cobre y estaño.- Soldaduras blandas: Son aleaciones de plomo y estaño con proporciones

de estaño entre el 25 y 90%.- Aleaciones de bajo punto de fusión: Las más importantes son el Darcet (25

% Sn + 25 % Pb + 50 % Bi), que funde a los 97 °C y el Cerrolow (8,3% Sn + 22,6% Pb + 44,7% Bi + 5,3% Cd + 19,1 % In), que funde a los 47 °C.

Una de las aplicaciones más importantes del estaño es la fabricación de hojalata, el estaño protege al acero contra la oxidación al recubrirlo con dos finas capas.

34


Aleaciones de cobre: los principales elementos de aleación del cobre son Zn, Sn, Ni, Si, Al, Be, Cd.Las más importantes son:

- Bronce: aleación de cobre con estaño. Se usa en campanas y engranajes.- Latón: aleación de cobre son zinc (5%-50% Zn), es la aleación más

importante del cobre, sus propiedades mecánicas mejoran con más zinc. Se usa en tornillería.

- Alpaca: aleación de cobre, níquel y zinc. Se usa en joyería y cubiertos.- Cuproaluminio: aleación de cobre y aluminio. Se usa en turbinas y hélices.- Cuproníquel: aleación de cobre con níquel, tiene alta resistencia a la

corrosión. Se usa en monedas y contactos eléctricos.

Aleaciones de zinc: los principales aleantes del zinc son Cu, Ni, Al.

- Latones: aleación de zinc y cobre- Alpaca: aleación de zinc cobre y níquel- Zamak: aleación de zinc, aluminio y cobre. Se usa para la obtención de

piezas de gran presión y de gran calidad superficial.

Aleaciones de aluminio: los principales materiales aleantes del alumino son Cu, Zn, Mg, Mn y Si.

- Duraluminio: aleación de aluminio, cobre, magnesio, manganeso y silicio. Se utiliza en tornillería, automoción, estampaciones, utensilios.

- Aluzinc: aleación de aluminio y zinc. Se usa en electrodomésticos, cerramientos, tejas, cuartos fríos, etc.

Aleaciones de níquel: los principales materiales aleantes del níquel son Cr, Al, Co, Mn, Cu, Mo.

- Constatan: aleación de níquel y cobre. Se usa en imanes por su alta permeabilidad magnética.

- Nicromo (cromel): aleación de níquel (60%) y cromo (40%). Se utiliza como hilo de resistencia por su baja conductividad eléctrica.

- Nicromo IV: aleación de níquel (80%) y cromo (20%). Se utiliza como hilo de resistencia.

- Plata alemana: aleación de níquel (22%), zinc (26%) y cobre (52%). Se utiliza en joyería barata.

35


1.4 CLASIFICACIÓN DE LOS MATERIALES ORGÁNICOS E INORGÁNICOS

Los materiales orgánicos pueden clasificarse en maderas y polímeros.

Los materiales inorgánicos pueden clasificarse en cerámicos y vidrios.

1.4.1 Principales materiales orgánicos

Materiales orgánicos:

Son así considerados cuando contienen células de vegetales o animales. Estos materiales pueden usualmente disolverse en líquidos orgánicos como el alcohol o los tetracloruros, no se disuelven en el agua y no soportan altas temperaturas. Algunos de los representantes de este grupo son:

Plásticos: son materiales polímeros con diversas características dependiendo de los componentes que lo conformen. Los plásticos se clasifican en termoplásticos, plásticos termoestables y elastómeros.

Productos del petróleo: materiales orgánicos creados a base de petróleo por medio de diferentes procesos químicos.

Madera: polímeros naturales obtenibles de los troncos de los árboles. La madera está compuesta de celulosa unida con lignina.

Papel: es un material constituido por una delgada lámina elaborada a partir de pulpa de celulosa.

36

http://es.wikipedia.org/wiki/Pulpa_de_celulosa


Hule: es un polímero natural o sintético, elástico impermeable y aislante eléctrico, utilizado para fabricar productos plásticos.

Piel: material que proviene de un tejido que cubre a los seres vivos.

Alcoholes: compuestos químicos que contienen un grupo hidroxilo.

1.4.2 Principales materiales inorgánicos

Materiales de origen inorgánico Son todos aquellos que no proceden de células animales o vegetales o relacionadas con el carbón. Por lo regular se pueden disolver en el agua y en general resisten el calor mejor que las sustancias orgánicas. Algunos de los materiales inorgánicos más utilizados en la manufactura son: Los minerales: sustancias naturales que se forman de diferentes elementos y pueden formar cristales si crecen sin interferencias. El cemento: conglomerante formado a partir de una mezcla de caliza y arcilla calcinadas y posteriormente molidas, que tiene la propiedad de endurecerse al contacto con el agua. La cerámica: material inorgánico, no metálico que es buen aislante térmico y eléctrico; con temperaturas de fusión y resistencia muy altas. Se clasifican en tradicionales y de ingeniería. El vidrio: es un material inorgánico duro, frágil, transparente y amorfo que se encuentra en la naturaleza aunque también puede ser producido por el hombre. Los vidrios son materiales cerámicos amorfos. El grafito (carbón mineral): es una de las formas alotrópicas del carbono.

Los materiales sean metálicos o no metálicos, orgánicos o inorgánicos casi nunca se encuentran en el estado en el que van a ser utilizados, por lo regular estos deben ser sometidos a un conjunto de procesos para lograr las características requeridas en tareas específicas. Estos procesos han requerido del desarrollo de técnicas especiales muy elaboradas que han dado el refinamiento necesario para cumplir con requerimientos prácticos. También estos procesos aumentan notablemente el costo de los materiales, tanto que esto puede significar varias veces el costo original del material por lo que su estudio y perfeccionamiento repercutirán directamente en el costo de los materiales y los artículos que integraran. Los procesos de manufactura implicados en la conversión de los materiales originales en materiales útiles para el hombre requieren de estudios especiales para lograr su mejor aplicación, desarrollo y disminución de costo. En la ingeniería la transformación de los materiales y sus propiedades tienen un espacio especial, ya que en casi todos los casos de ello dependerá el éxito o fracaso del uso de un material.

37

http://es.wikipedia.org/wiki/Amorfo

http://es.wikipedia.org/wiki/Transparencia

http://es.wikipedia.org/wiki/Fragilidad

http://es.wikipedia.org/wiki/Dureza

http://es.wikipedia.org/wiki/Arcilla

http://es.wikipedia.org/wiki/Caliza

http://es.wikipedia.org/wiki/Conglomerante


1.5 CLASIFICACIÓN DE LOS MATERIALES CERÁMICOSLos materiales cerámicos son compuestos químicos, más o menos complejos, que contienen en general una combinación de elementos metálicos y no metálicos, conectados entre sí por enlaces iónicos y covalentes.

Considerando la etimología de la palabra cerámica (“keramikos”= cosa quemada) puede deducirse otra de sus características generales: adquieren sus propiedades después de un tratamiento térmico a elevadas temperaturas.

En cuanto a sus aplicaciones, van desde la fabricación de ladrillos y tejas, hasta los imanes permanentes de los dispositivos electrónicos, los láseres, o las losetas que recubren los ingenios espaciales.

1.5.1 Ejemplos de materiales cerámicos

Arcillas Las arcillas han sido uno de los materiales más utilizados desde tiempos prehistóricos y junto a la sílice (sílex) y los feldespatos, han formado los llamados cerámicos tradicionales. Su gran utilización se basa en su gran abundancia natural, su bajo coste, la facilidad con que puede ser conformada y la posibilidad de que puedan ser utilizadas directa mente, sin necesidad de ningún tipo de refinado.Vidrios Los vidrios se definen como materiales cerámicos obtenidos a partir de compuestos inorgánicos calentados hasta su fusión y enfriados hasta una condición rígida sin cristalización. Destaca su gran resistencia a la corrosión, su carácter aislante eléctrico su capacidad para producir cierres herméticos, su transparencia y su relativa dureza a temperatura ambiente. Sumando a esto su facilidad de fabricación, se explican sus múltiples aplicaciones en ingeniería e industria: construcción, automóviles, electrónica, química, etc.Cementos Los cementos son materiales inorgánicos que caracterizan por que al ser mezclados con agua dan lugar a una pasta que endurece mayor o menor rapidez según su composición. Este grupo de materiales es en realidad muy amplio e incluyen diferentes silicatos (cementos), sulfuros (yesos), carbonatos (calizas) y alumino-fosfatos. Es importante destacar que los procesos de cementación se dan por enlaces químicos y se dan en medio ambiente. El cemento no se endurece por calcinación, sino al contrario, por hidratación (cementos hidráulicos) y/o por carbonatación (caso de las calizas).Zeolitas Son un grupo de compuestos de compuestos, muchos de ellos minerales, cuya característica común es que desprenden agua al ser calentados (griego “zeo”= hervir; “lito”= piedra). Estos materiales se aplican en la actualidad en campos como la catálisis, intercambio iónico y absorción. Las zeolitas se caracterizan por presentar estructuras muy abiertas, con concavidades y canales, que pueden incorporar pequeñas moléculas orgánicas o inorgánicas.

38


Materiales avanzados Son cerámicos especiales con interesantes propiedades eléctricas, magnéticas y ópticas que son ampliamente utilizados. La primera diferencia evidente entre los cerámicos tradicionales y los avanzados, es que los avanzados son generalmente compuestos puros (o casi puros), frente a mezclas como las arcillas o los vidrios.

1.5.2 Clasificación de los cerámicos

Cerámica roja: Capas de arcilla cocida (aluminato y silicato). La arcilla es lo más abundante en la tierra. El color rojo se debe a impurezas en la tierra (óxido de hierro) Es la que tiene menos procesos, es la más simple de todas. Ej.: Ladrillos, pisos y revestimientos.

Cerámica blanca: Es un material muy puro, sin presencia de algún óxido que los manche. Es más fino con una granulometría más controlada. No poseen óxido de hierro. Se esmaltan para que no absorban líquido. Ej.: Sanitarios, vajilla.

Refractario: La propiedad más importante es su comportamiento a altas temperaturas, su resistencia al calor, sin importar su aspecto físico. Refractariedad de 0 a 60%. Ejemplo: Ladrillos.

Vidrios: Líquidos sub enfriados que solidifican en forma amorfa. Base silicio con agregados según el tipo de vidrio deseado. En general se agregan fundentes para bajar la temperatura de fusión y luego se enfrían rápidamente.

Cementos: Compuestos por piedra caliza y calcio molido. El cemento rigidiza por acciones hidráulicas. Cemento refractario: alúminas cálcicas.Abrasivos: Minerales que se basan en la dureza de las partículas. Óxido de aluminio y pasta diamantada. Son de gran dureza.

Cerámicos especiales: Cerámicos de matriz compuesta (CMC). Es una mezcla de polímeros, metales, etc. Todos los materiales cerámicos son cocinados y adquieren una forma sólida. Todos necesitan porosidad.

39


1.5.3 Cerámicos tradicionales y de ingeniería

Cerámicos tradicionales

Los cerámicos tradicionales están constituidos de tres componentes básicos arcilla, sílice (sílex) y feldespato. La arcilla está compuesta principalmente por silicatos de aluminio hidratados con pequeñas cantidades de otros óxidos como TiO2, Fe2O3, MgO, CaO, Na2O y K2O.

Productos estructurales de la arcilla tales como ladrillos para la construcción, tuberías de desagüe, tejas de drenaje, tejas de cubiertas y losetas para pisos están hechos de arcilla natural que contiene los tres componentes básicos.

Los productos de cerámica fina como la porcelana eléctrica, porcelana china, y artículos de sanidad están formados a partir de arcilla, sílice y feldespato.

Cerámicos de ingeniería

En contraste con las arcillas tradicionales, las cerámicas técnicas o de ingeniería están constituidas principalmente de compuestos puros o casi puros; principalmente óxidos, carburos y nitruros.

Algunas de las más importantes cerámicas de ingeniería son: alúmina (Al2O3), nitruro de silicio (Si3N4), carburo de silicio (SiC) y circonia (ZrO2) combinados con otros óxidos refractarios.

Alúmina: la alúmina se desarrolló originalmente para tubos refractarios y crisoles de alta pureza de utilización a elevadas temperaturas; pero ahora tiene aplicaciones mucho más variadas, ejemplo: de la alúmina es en materiales aislantes de las bujías.

Nitruro de silicio: es el material dominante para los usos de cerámica estructurales en ambientes de la alta tensión mecánica y térmica.

Nitrato de alumino: tienen aplicaciones en campos importantes de la tecnología como componentes de diversos dispositivos optoelectrónicos.

Carburo de silicio: también llamado carborundo (SiC), es un carburo covalente que tiene una estructura de diamante, a pesar del diferente tamaño del C y Si, que podría impedir la misma. Es casi tan duro como el diamante. Es un material semiconductor y refractario que presenta muchas ventajas para ser utilizado en dispositivos que impliquen trabajar en condiciones extremas de temperatura, voltaje y frecuencia.

40

http://es.wikipedia.org/wiki/Material_refractario

http://es.wikipedia.org/wiki/Semiconductor

http://es.wikipedia.org/wiki/Diamante

http://es.wikipedia.org/wiki/Silicio

http://es.wikipedia.org/wiki/Carbono


http://es.wikipedia.org/wiki/Carburo


Carburo de boro: es un sólido cristalino negro casi tan duro como el diamante tiene una dureza de 9.3 en escala de Mohs. Se usa para tallar y como material para la construcción de objetos resistentes. Su punto de fusión es 2350 °C y su punto de ebullición es >3500 °C.

Circonia: también llamada zirconita es un material sintético duro, sin fallas ópticas, y generalmente incoloro, pero puede hacerse en una variedad de colores diferentes. Es relativamente dura, con un valor de 8 en la escala de Mohs- mucho más dura que la mayoría de gemas naturales.

Los materiales cerámicos tienen una gran variedad de aplicaciones que van desde la alfarería, fabricación de materiales para la construcción (ladrillos, azulejos, loza, etc.), hasta aplicaciones a elevadas temperaturas, materiales refractarios, aplicaciones eléctricas y electrónicas como materiales aislantes, substratos semiconductores, imanes, materiales ferro eléctricos o piezoeléctricos, etc., y finalmente como materiales que conjugando estas propiedades permiten su aplicación industrial por su elevada tenacidad.

Debido a diversidad de materiales y las diferentes aplicaciones a las que pueden destinarse, el estudio de los mismos se abordará siguiendo la clasificación siguiente, que sin obedecer a ningún tipo de material o aplicación específica siguen una secuencia lógica en su exposición:

Estructuras cerámicas silico-aluminosas. Estructuras cerámicas no cristalinas. Porcelanas. Cerámicas eléctricas y magnéticas. Cerámicas tenaces.

41

http://es.wikipedia.org/wiki/Gema

http://es.wikipedia.org/wiki/Escala_de_Mohs


1.5.4 Clasificación de los vidrios

Los vidrios forman un grupo familiar de cerámicas. La nobleza del vidrio reside en un conjunto de cualidades que son la transparencia óptica, la resistencia, el aislamiento y la facilidad con que puede fabricarse. El vidrio se ha convertido en un elemento vital en la arquitectura de nuestros días, donde la búsqueda de máximas superficies vidriadas para obtener las mejores visuales y la mayor iluminación natural, se contrapone con la necesidad de lograr la mayor eficiencia energética y los más elevados estándares de seguridad. Los vidrios tienen propiedades especiales no encontradas en otros materiales de ingeniería. La combinación de transparencia y dureza a temperatura ambiente con suficiente fuerza y una excelente resistencia a la corrosión en la mayoría de los ambientes hacen el vidrio indispensable en muchas aplicaciones de ingeniería tales como construcción y vidriado de vehículos. En la industria eléctrica el vidrio es esencial para varios tipos de lámparas debido a sus propiedades aislantes y capacidad para suministrar un cierre hermético. En la industria electrónica los tubos electrónicos también requieren el cierre hermético proporcionado por el vidrio, con sus propiedades aislantes para entrada de conectores. La alta resistencia química del vidrio lo hace muy útil para los aparatos de laboratorio y recubrimientos resistentes a la corrosión, conducciones y recipientes de reacción en la industria química. Por tanto, el vidrio es una solución a problemas de:

o Aislamiento térmico y acústico o Ahorro energéticoo Resistencia estructuralo Seguridad físicao Protección de personas y bienes (vidrios anti-robo, anti-intrusión y

antibalas)o Decoración (vidrio curvo, vidrio serigrafiado, satinado, arenado)

Los vidrios se clasifican en:1.-Desde el punto de vista de su aplicación, el vidrio se clasifica en industrial y doméstico.-Vidrio industrial: Se entiende como vidrio industrial el vidrio que no es utilizado como envase para productos alimenticios (almacenamiento de productos químicos, biológicos, vidrio plano: ventanas, cristales blindados, fibra óptica, bombillas, etc.).-Vidrio doméstico: Se entiende como vidrio doméstico el que se emplea para almacenar productos alimenticios (conservas, vinos, yogures, etc.); aunque de una manera más generalizada, es el vidrio que el ciudadano deposita en los contenedores destinados a este fin (iglúes).2.-Desde el punto de vista de su coloración los vidrios se clasifican en:-Vidrio incoloro: Es aquel que permite una transmisión de visibilidad entre un 75% y 92%dependiendo del espesor.

42


-Vidrio coloreado en su masa: Es aquel que permite una transmisión de visibilidad entre un 14% y 83%dependiendo del color y del espesor. Los vidrios de color de alta performance deben sus excelentes propiedades de control solar a la selectividad del color empleado en su composición que permite obtener un excelente grado de control solar sin recurrir a la aplicación de revestimientos reflectivos.

El verde (60%). Utilizado masivamente en botellas de vino, cava, licores y cerveza, aunque en menor cantidad en este último.

El blanco (25%). Usado en bebidas gaseosas, zumos y alimentación en general.

El extra claro (10%). Empleado esencialmente en aguas minerales, tarros y botellas de decoración.

El opaco (5%). Aplicado en cervezas y algunas botellas de laboratorio.

3.-Desde el punto de vista de su visibilidad los vidrios se clasifican en:-Vidrio transparente: Se define al vidrio que permite el registro y la visibilidad de un lado a otro.-Vidrio translúcido: Es aquel que no permite el registro ni la visibilidad de un lado a otro. Se consideran dentro de este rubro a los vidrios que distorsionan a los objetos que se aprecian a través del elemento. (Como es el caso de los vidrios grabados).4.-Desde el punto de vista industrial, de acuerdo con los sistemas de fabricación y aplicaciones, el vidrio puede clasificarse como sigue:-Vidrio estirado: Proceso por la cual una máquina estiradora levanta de la superficie del vidrio fundido del horno la masa viscosa, que se transforma en una lámina, mediante un enfriamiento progresivo y controlado en la chimenea de recocido. El espesor del vidrio depende de la velocidad de estiramiento y de la temperatura de la masa en fusión.

Vidrio estirado vertical: Hay dos métodos de fabricación, según el modo de estiramiento: a) El procedimiento Foucault utiliza para recoger la hoja un colector de refractario (debite use). b) El procedimiento Pittsburgh levanta la hoja de vidrio a partir de un baño libre (drawbar).

Vidrio estirado horizontal: Este procedimiento presenta la particularidad de doblar la hoja de vidrio hasta la horizontal después del pulido a fuego y antes de entrar en el horno horizontal de recocido.

-Vidrio pulido: El vidrio en fusión sale del horno y es prensado entre dos cilindros. Después de atravesar el horno de recocido, donde la lámina va enfriándose lentamente de manera controlada, la cinta pasa en el twin que es una máquina que desbasta simultáneamente las dos caras del vidrio. El vidrio desbastado obtenido a la salida del twin tiene sus dos caras planas y paralelas. El vidrio pasa luego debajo de las pulidoras que le dan su transparencia.-Vidrio rolado: Es el vidrio que no permite el registro ni la visibilidad de un lado a otro. Se consideran dentro de este rubro a los vidrios que distorsionan a los objetos que se aprecian a través del elemento. (Como es el caso de los vidrios grabados).

43


-Vidrio grabado: En el proceso del vidrio rolado, uno de los rodillos o ambos pueden tener dibujos o grabados, lo que permite obtener el vidrio grabado o impreso. El vidrio grabado o también llamado catedral, trasmite la luz en forma difusa e impide la visión clara, brindando según el dibujo, diferentes grados de translucidez e intimidad.-Vidrio alambrado o armado: Vidrio translúcido, al cual se ha incorporado durante su fabricación una malla de alambre de acero, que, en caso de rotura, actúa como soporte temporáneo del paño de vidrio, evitando la caída de fragmentos de vidrio roto. Una de las propiedades más significativas del vidrio armado, es que permite retardar la propagación del fuego en aberturas.-Vidrio decorativo: Se produce este tipo de material por el mismo proceso pero en pequeñas cantidades. También se le denominan vitrales o vidrios para uso artístico.-Vidrio flotado (ASTM C-1036): Consiste en hacer pasar una lámina de vidrio fundido, alimentada por rebalse del horno de cuba, sobre un baño de estaño metálico fundido. La lámina sale de la cámara de flotado y prosigue en forma horizontal dentro del horno de recocido hasta su salida al corte. El vidrio plano flotado tiene superficies planas, paralelas y pulidas al fuego, aunque no son idénticas: una está en contacto con el metal fundido y la otra con la atmósfera, pero en la práctica son indistinguibles a simple vista.-Vidrio reflejante pyrolítíco: Es aquel vidrio flotado al cual se le ha agregado dentro de su masa un capa de metal u óxido metálico, la cual permite luego aplicarle procesos secundarios a la plancha de vidrio, como el templado, laminado, curvado, etc.-Baldosa de vidrio: La fusión se efectúa en crisoles de tierra refractada. Estos vidrios son transportados por medio de un monorriel y vertidos entre dos rodillos laminadores. Después del laminado la hoja de vidrio en bruto es introducida en el túnel calor fugado donde es recocida, luego es cortada según los tamaños del pedido y pasa entre los elementos de desbaste y pulido.-Vidrio plano: Cuya fabricación se efectúa generalmente por los métodos de Foucault o de Colburn (vidrio de ventanas) o bien por laminado, rodando un cilindro de hierro sobre la masa en estado pastoso, colada en una mesa del mismo material para obtener una lámina que, una vez fría, no requiere ulterior tratamiento (vidrio colado).-Vidrio prensado: Se obtiene moldeando en prensas una cierta cantidad de masa en estado pastoso, para fabricar botones, bolas, placas, baldosas y otros objetos similares, así como cuerpos huecos de formas sencillas. Si estos objetos se enfrían en el mismo horno, resultan de aspecto rugoso y opaco, pero calentándolos de nuevo en un horno especial, adquieren la apariencia brillante.-Vidrio hueco soplado: Algunos artesanos aplican todavía el método manual de soplado para obtener botellas, vasos y objetos similares.-Vidrios para óptica: Aunque en algunas aplicaciones ópticas de menor importancia puede utilizarse el vidrio para lunas, cuando se trata de instrumentos de precisión, como objetivos fotográficos, lentes para microscopios, etc., la estructura laminiforme de aquel y su falta de total diafanidad, por el matiz ligeramente verdoso que tiene, perturban las observaciones. Por tales motivos, el

44


vidrio para instrumentos de gran precisión se deja enfriar durante varias semanas en el crisol, para eliminar totalmente las tensiones internas.

-Vidrios para aplicaciones especiales: Existen numerosos tipos, como los vidrios para laboratorios, que deben resistir fuertes cambios de temperatura y se fabrican bajo fórmulas especiales, como el “pírex” y el “dúrales”, nombres comerciales generalizados; para termómetros se usan composiciones con muy pequeño coeficiente de dilatación; para automóviles y usos similares se usan los de seguridad y los inastillables, fabricados los primeros con un tratamiento térmico especial, que hace que al romperse se fragmente en granos y no en agujas y los segundos a base de hojas de vidrio de ventanas o de cristal de lunas, con una lámina elástica interpuesta, de celuloide o compuestos orgánicos no saturados polimerizables (triples); los vidrios acorazados son de gran grosor, compuestos por varias hojas de diferentes grosores con láminas elásticas interpuestas.

ACTIVIDAD 1:

45


Investiga de Forma Individual y en distintas fuentes de información las principales etapas de la evolución que ha tenido materiales más utilizados en

la industria, elaborar un resumen.

La ciencia de materiales implica investigar la relación entre la estructura y las propiedades de los materiales. Por el contrario, la ingeniería de materiales se fundamenta en las relaciones propiedades-estructura-procesamiento-funcionamiento y diseña o proyecta la estructura de un material para conseguir un conjunto predeterminado de propiedades. Conviene matizar esta diferencia, puesto que a menudo se presta a confusión. Históricamente, el desarrollo y la evolución de las sociedades han estado íntimamente vinculados a la capacidad de sus miembros para producir y conformar los materiales necesarios para satisfacer sus necesidades. Los prehistoriadores han encontrado útil clasificar las primeras civilizaciones a partir de algunos materiales usados:

Edad de Piedra Edad del Cobre Edad de Bronce Edad del Hierro

Esta última secuencia parece universal en todas las áreas, ya el uso del hierro requiere una tecnología más compleja que la asociada a la producción de bronce, que a su vez requiere mayor tecnificación que el uso de la piedra. La historia de la humanidad ha estado ligada estrechamente al tipo de materiales que cada sociedad ha desarrollado. Es por esto que se conocen varias etapas históricas en este sentido, sin que necesariamente exista una fecha exacta, o incluso, dándose en diferentes momentos en las diferentes sociedades humanas. La edad de piedra se refiere entonces al periodo en el que un grupo humano en particular empleaba este material junto con otros de origen natural como la madera o el hueso de forma preponderante. La edad de bronce, a la cual algunos se refieren como "edad de los metales" se refiere al uso de metales y aleaciones, cuya importancia radica en que la obtención de ellos requiere de la adquisición de tecnologías metalúrgicas complejas. Las eras más recientes se conocen como "era de los polímeros", debido a que el uso de los mismos definitivamente se debe a avances en la química de gran complejidad. Los polímeros pueden tener virtualmente cualquier propiedad física, así que su uso se hizo tan masivo que define muy bien a las sociedades modernas (sociedades plásticas). No obstante la historia, como el desarrollo de materiales, no se detiene. Actualmente se imponen los materiales compuestos, o composites. Formados por la unión de otros. La ciencia e industria de materiales clasifica a todos los materiales en función de sus propiedades y su estructura atómica. Son los siguientes: Metales Cerámicos Polímeros

46


Materiales compuestos Materiales metálicos El descubrimiento y la utilización de los metales fue uno de los acontecimientos más influyentes en el desarrollo cultural de la humanidad. La utilización de los metales, y las consecuencias que ella trajo al desarrollo de los asentamientos humanos, marcó el fin de la Edad de Piedra y el inicio de la Edad de los Metales, dos grandes periodos de la prehistoria. No se sabe con exactitud cuál fue el primer metal trabajado, pero el más importante y difundido fue el cobre. Al parecer, el proceso de trabajar los metales, fue descubierto al mismo tiempo que se controlaba el uso del fuego y se descubrían sus posibilidades.Breve evolución histórica del cobre y sus aleacionesAño 5000 a. C. En Egipto se emplea con fines ornamentales.Año 4000 a. C. Se fabrican pequeños objetos: anillos, tijeras, agujas, dedales, etc.Año 3000 a. C. Se forja el cobre (golpeándolo en frío para endurecerlo). Aparece el bronce (edad de bronce). Este periodo se distingue por la metalurgia de bronce y por el nacimiento del comercio a partir del descubrimiento de la rueda.Año 1500 a. C. Aparece el latón. Con la aparición del hierro empieza a declinar el uso del cobre.Siglo XVIII. Revolución industrial. Vuelve a adquirir un gran auge en la industria. Después de esto vino el trabajo del hierro, trabajar el hierro es muy difícil y necesita elevadas temperaturas; por lo cual la industria siderúrgica comenzó humildemente produciendo objetos de adorno; pero el hierro fue el metal que cambio todo al ser necesario mejorar las técnicas de purificación y transformación de los metales.Breve evolución historia del hierroAño 3000 a. C. Se utiliza el hierro de meteoritos por la ausencia de níquel. Pero era usado solo en ceremonias era muy caro y raro.Año 1600 a. C. Incrementa su uso en el medio oriente pero no sustituye al bronce.Año 1200 a. C. Comienza la edad de hierro en el medio oriente sustituyendo la del bronce.Año 1000 a. C. Grecia comienza a usar el hierroAño 700 a. C. El hierro llega a Europa occidentalAño 1776 d. C. Se construye el primer puente de fundición de hierro.Año 1800 d. C. Se mejoran las técnicas de fundición de hierro.Debido a las necesidades de cada época la utilización de los metales ha ido cambiando; hoy en día los metales son unos de los materiales más utilizados en la industria abarcando, por no decir todas, la mayoría de las ramas de la industria.Los metales más usados en la industria son:

El Hierro (Fe) con un 95% del peso de la producción anual de metales indispensable por su bajo precio y dureza, especial mente en la industria automotriz y construcción, y sus aleaciones y con alto contenido de carbón en la fabricación de herramientas.

El Magnesio (Mg) utilizado como aleación con el aluminio en envases de bebidas, pinturas, en la medicina, etc.

El Cromo (Cr) es utilizado principalmente en el cromado del aluminio, en limpieza de vidrio en laboratorios, etc.

47


El Níquel (Ni) es usado en un 62% en la fabricación de aceros inoxidables austenítico, en un 12% en súper aleaciones de níquel y el 23% restante en otras aleaciones.

El Cobre (Cu) su principal utilización es en la industria eléctrica, en comunicaciones.

El Plomo (Pb) es principal mente usado en baterías y revestimiento de cables eléctricos y en blindaje radiactivo.

El Aluminio (Al) es principalmente utilizado en utensilios de cocina y en pistones de motores de combustión eléctrica; y en cables eléctricos.

El Oro (Au) es un metal usado desde la antigüedad, usado igual en la actualidad para la acuñación de monedas y joyería.

La Plata (Ag) el 70% es usado con fines monetarios en joyería y platería.

Materiales cerámicos La historia de los materiales cerámicos comprende la de todos los pueblos del mundo y todos los tiempos. En la antigüedad los materiales denominados cerámicos se usaban como contenedores o recipientes; aunque solo eran de ornato, pero también en la construcción de ladrillos, tejas, azulejos. Cada cultura desarrollaba sus propias técnicas para la elaboración de estas.Hasta los años 1950, los materiales más importantes fueron las arcillas tradicionales, utilizadas en alfarería, ladrillos, azulejos y similares, junto con el cemento y el vidrio. El arte tradicional de la cerámica se describe en alfarería. También puede buscarse la historia del rakú, singular técnica milenaria oriental.

Hoy en nuestros días los materiales cerámicos tienen mucho más campo de aplicaciones debido a sus propiedades, cubriendo un amplio campo de necesidades: Propiedades mecánicas, térmicas, ópticas, eléctricas, magnéticas y químicas. Se pueden encontrar en muchos lugares cumpliendo funciones diferentes.Los materiales cerámicos más utilizados en la industria:

Nitruro de silicio (Si3N4). Utilizado como polvo abrasivo. Carburo de boro (B4C), usado en algunos helicópteros y cubiertas de

tanques. Carburo de silicio (SiC), empleado en hornos microondas, en abrasivos y

como material refractario. Di boruro de magnesio (MgB2), es un superconductor no convencional. Óxido de zinc (ZnO), un semiconductor. Ferrita (Fe3O4) es utilizado en núcleos de transformadores magnéticos y en

núcleos de memorias magnéticas. Esteatita, utilizada como un aislante eléctrico. Óxido de uranio (UO2), empleado como combustible en reactores nucleares Óxido de itrio, bario y cobre (YBa2Cu3O7-x), superconductor de alta

temperatura.

Materiales polímeros

48


En la antigüedad los polímeros conocidos eran el ámbar, el hasta natural, la goma loca y la gutapercha. Se tiene conocimiento de que los egipcios en el año 2000 a.C, en la época de los faraones, además de usar resinas naturales para embalsamar a sus muertos también usaban el asta natural calentándolo para moldear figuras y recipientes. La goma laca es una secreción endurecida, se disuelve en alcohol, y se puede aplicar sobre superficies produciendo un recubrimiento brillante, impermeable y casi transparente. Pero no fue hasta 1786 cuando se dan los primeros indicios de los polímeros sintéticos cuando se describe como se destilaba el estorax, un bálsamo obtenido de un árbol. En el siglo XIX, tuvo lugar el descubrimiento del caucho, la caseína, la ebonita y el celuloide; materiales considerados padres de los plásticos modernos. En 1909 se fabricó por primera vez el primer polímero completamente sintético llamado bakelita y se usó en la fabricación de carcasa de teléfonos y de radios, ceniceros y muchos más. Esto revoluciona la industria al poder remplazar los plásticos naturales por los sintéticos. Llegados a 1930, durante esa década se consigue el desarrollo industrial de los polímeros más importantes de nuestra actualidad como el poli (cloruro de vinilo), el poli estireno, las poli olefinas y el poli (metacrilato de metilo). Sobre todo porque de 1930 a 1935 nació la técnica de los termoplásticos. Lo que permitió desarrollar una noción más amplia acerca de las diversas herramientas y procedimientos de trabajo para tratar estos nuevos materiales. En 1928 se descubren el nylon y el teflón. Hoy en día los polímeros abarcan una gran variedad de usos en la industria ya que tienen diferentes características que los hacen muy importantes. Principalmente los plásticos son los polímeros más utilizados en la industria mucho más que los hules, fibras y pinturas. Polímeros de interés industrial:

Poli-metil metacrilato, usado en ventanas, protectores, juguetes. Poli-estireno, usado en envasas desechables, equipos de aire

acondicionado, dispositivos médicos. Poli-carbonato Poli-amida (Nylon), usado en rollos de películas, industria automotriz,

eléctrica. Polietileno, usado en cables, tuberías, molduras, rollo para conserva de

alimentos.

Materiales compuestos o composites El hombre desde la antigüedad ha utilizado los composites naturales como la madera, y el tejido óseo de los animales, dientes, cuernos. El primer composite de la antigüedad fue el adobe que es una pieza de construcción echa de arcilla y arena. También se utilizó el hormigón hecho de yesos y calizas que era una pasta pera pegar las piedras. Los primeros materiales compuestos o composites artificiales aparecieron durante la segunde guerra mundial, son heterogéneos constituidos de una matriz plástica (polímero) asociada con un refuerzo fibroso, por lo general vidrio o carbono. Su

49


historia se remonta a unos cincuenta años o apenas una década; pero ya se han desarrollado más de un adocena de procedimientos de aplicación. Se distinguen por dos grandes familias:

Composites de gran difusión: ocupan una gran cuota en el mercado. Composites de altas prestaciones: reservados para sectores de alto valor

agregado como la aeronáutica, medicina, deportes, etc. A lo largo de la historia se han ido perfeccionando estos materiales conocidos como plásticos fibrosos, debido que son fibras de una sustancia incorporadas a una matriz habitualmente de plástico. Por lo cual tienen diversas características dependiendo de las sustancias de las que está compuesta. Hoy en día los composites abarcan muchas ramas pero principalmente en la constricción. Son usados como pegamentos de alta resistencia en todos lados desde en una construcción hasta en los dientes y usados para hacer prótesis.

ACTIVIDAD 2:

De forma individual elabora una tabla comparativa de los elementos más utilizados en la industria. Que el alumno intercambie ideas y reflexione sobre

las lecturas proporcionadas.

50


Los elementos más usados en la industria son: Carbono, Hidrógeno, Oxígeno, Nitrógeno, Hierro, Cobre, Zinc, Cromo, Níquel, Aluminio, Plomo, Estaño, Oro, Plata, Platino, Uranio, Calcio, Silicio, Azufre, Cloro

Elemento Clasificación EstadoConductor eléctrico

Conductor térmico

Carbono No metal Solido Malo BuenoHidrógeno No metal Gas Malo MaloOxígeno No metal Gas Malo Malo

Nitrógeno No metal Gas Malo MaloHierro Metal Solido Bueno BuenoCobre Metal Solido Bueno BuenoZinc Metal Solido Bueno Bueno

Cromo Metal Solido Bueno BuenoNíquel Metal Solido Bueno Bueno

Aluminio Metal Solido Bueno BuenoPlomo Metal Solido Malo BuenoEstaño Metal Solido Bueno Bueno

Oro Metal Solido Bueno BuenoPlata Metal Solido Bueno Bueno

Platino Metal Solido Bueno BuenoCalcio Metal Solido Bueno BuenoSilicio Metaloide Solido Regular RegularAzufre No metal Solido Malo MaloCloro No metal Gas Malo Malo

Debido a las diferentes características de los elementos se usan en diferentes ramas de la industria, algunas más que otras pero todos los elementos tienen un uso especial.

Por ejemplo los siguientes materiales son muy usados en la industria y tienen diferentes propiedades.

51


52


53


ACTIVIDAD 3:

Elabora un diagrama de la clasificación de los materiales y realizar la Investigación de los materiales Puros.

Materiales puros Son aquellos que están tal y como son en la naturaleza sin sufrir ningún cambio o alteración, los materiales más puros son los que se encuentran en la tabla periódica. Todos los materiales están integrados por átomos los que se organizan de diferentes maneras, dependiendo del material que se trate y el estado en el que se encuentra, ya sea de manera alotrópicaLos materiales puros se clasifican en:

Metales Metaloides No Metales.

Metales Se llama metales a los materiales que se caracterizan por tener buena conductividad térmica y eléctrica. Posen alta densidad y son sólidos a temperatura

54

Materiales

Materiales metálicos Materiales compuestos Materiales no metálicos

Metálicos Ferrosos

Metálicos no ferrosos

Inorgánicos

Cerámicas

Vidrios

Orgánicos/Polímeros

Plásticos Termoestables

Elastómeros /Hules

Termo plástico


normal (excepto el mercurio), sus sales forman iones electropositivos (cationes) en disolución. Los metales, cuando estos están en su estado sólido, sus átomos se alinean de manera regular en forma de mallas tridimensionales. Estas mallas pueden ser reconocidas fácilmente por sus propiedades químicas, físicas o por medio de los rayos X. Cuando un material cambia de tipo de malla al modificar su temperatura, se dice que es un material polimorfo o alotrópico. Cada tipo de malla en los metales da diferentes propiedades, no obstante que se trata del mismo material. Se pueden clasificar en metales ferrosos y no ferrosos. Todos los metales tienen características diferentes y gracias a ello son muy utilizados en la industria. Se pueden clasificar en

Metales ferrosos: todos los metales que tienen como base el hierro.

Metales no ferrosos: todos los metales y aleaciones que no contienen hierro.

Materiales metaloides Tienen propiedades intermedias entre los metales y los no-metales. Los Metaloides se usan muy a menudo en la industria de los semiconductores (procesadores y memoria de las computadoras). Materiales no metálicos Aquí entran todos los materiales restantes de la tabla periódica. Estos se pueden clasificar de la siguiente manera:

Plásticos Madera Cerámicas Fibras textiles Materiales compuestos

55


ACTIVIDAD 5:

Investigar y realizar un cuadro sinóptico y resumen de la clasificación de los materiales orgánicos e inorgánicos.

Materiales orgánicos Son así considerados cuando contienen células de vegetales o animales. Estos materiales pueden usualmente disolverse en líquidos orgánicos como el alcohol o los tetra cloruros, no se disuelven en el agua y no soportan altas temperaturas. Se clasifican en polímeros y maderas. Las maderas han acompañado al hombre desde la antigüedad y fue el primer material en ser usado por él. La madera es un material principalmente contenido en el tronco de un árbol. Las plantas no producen madera estas son conocidas como herbáceas. Los polímeros son materiales compuestos por miles de partículas pequeñas llamadas monómeros que forman enormes cadenas de las formas más diversas y esto les da diferentes cualidades y propiedades.

Algunos de los representantes de este grupo son: Plásticos: son materiales polímeros con diversas características dependiendo de los componentes que lo conformen. Los plásticos se clasifican en termoplásticos, plásticos termoestables y elastómeros.

56

Material

Materiales

orgánicos

Natural

Sintétic

Maderas

Termoplástic

Plásticos

Elastómeros/

Materiales

inorgánic

Cerámica

Vidrios


Productos del petróleo: materiales orgánicos creados a base de petróleo por medio de diferentes procesos químicos. Madera: polímeros naturales obtenibles de los troncos de los árboles. La madera está compuesta de celulosa unida con lignina. Papel: es un material constituido por una delgada lámina elaborada a partir de pulpa de celulosa. Hule: es un polímero natural o sintético, elástico impermeable y aislante eléctrico, utilizado para fabricar productos plásticos. Piel: material que proviene de un tejido que cubre a los seres vivos. Alcoholes: compuestos químicos que contienen un grupo hidroxilo.Materiales de origen inorgánico Son todos aquellos que no proceden de células animales o vegetales o relacionadas con el carbón. Por lo regular se pueden disolver en el agua y en general resisten el calor mejor que las sustancias orgánicas.Se clasifican en cerámicas, vidrios y compuestos. Las cerámicas son sólidos formados principalmente por un metal y un no metal. Se forman calentando el compuesto químico y luego dejándolo enfriar. Dependiendo del tipo de enfriamiento que sufra, se pueden tener materiales cristalinos (moléculas ordenadas) o amorfos (moléculas desordenadas). Los vidrios forman un grupo familiar de cerámicas. La nobleza del vidrio reside en un conjunto de cualidades que son la transparencia óptica, la resistencia, el aislamiento y la facilidad con que puede fabricarse. Los vidrios tienen propiedades especiales no encontradas en otros materiales de ingeniería.

La combinación de transparencia y dureza a temperatura ambiente con suficiente fuerza y una excelente resistencia a la corrosión en la mayoría de los ambientes hacen el vidrio indispensable en muchas aplicaciones de ingeniería tales como construcción y vidriado de vehículos.Algunos de los materiales inorgánicos más utilizados en la manufactura son: Los minerales: sustancias naturales que se forman de diferentes elementos y pueden formar cristales si crecen sin interferencias. El cemento: conglomerante formado a partir de una mezcla de caliza y arcilla calcinadas y posteriormente molidas, que tiene la propiedad de endurecerse al contacto con el agua. La cerámica: material inorgánico, no metálico que es buen aislante térmico y eléctrico; con temperaturas de fusión y resistencia muy altas. Se clasifican en tradicionales y de ingeniería. El vidrio: es un material inorgánico duro, frágil, transparente y amorfo que se encuentra en la naturaleza aunque también puede ser producido por el hombre. Los vidrios son materiales cerámicos amorfos. El grafito (carbón mineral): es una de las formas alotrópicas del carbono.

ACTIVIDAD 6:

57

http://es.wikipedia.org/wiki/Amorfo

http://es.wikipedia.org/wiki/Transparencia

http://es.wikipedia.org/wiki/Fragilidad

http://es.wikipedia.org/wiki/Dureza

http://es.wikipedia.org/wiki/Arcilla

http://es.wikipedia.org/wiki/Caliza

http://es.wikipedia.org/wiki/Conglomerante

http://es.wikipedia.org/wiki/Pulpa_de_celulosa


Investigación y Mapa conceptual de la clasificación de los Materiales Cerámicos.

Cerámicos tradicionales Los cerámicos tradicionales están constituidos de tres componentes básicos arcilla, sílice (sílex) y feldespato. La arcilla está compuesta principalmente por silicatos de aluminio hidratados con pequeñas cantidades de otros óxidos como TiO2, Fe2O3, MgO, CaO, Na2O y K2O. Productos estructurales de la arcilla tales como ladrillos para la construcción, tuberías de desagüe, tejas de drenaje, tejas de cubiertas y losetas para pisos están hechos de arcilla natural que contiene los tres componentes básicos. Los productos de cerámica fina como la porcelana eléctrica, porcelana china, y artículos de sanidad están formados a partir de arcilla, sílice y feldespato.Cerámicos de ingeniería En contraste con las arcillas tradicionales, las cerámicas técnicas o de ingeniería están constituidas principalmente de compuestos puros o casi puros; principalmente óxidos, carburos y nitruros. Algunas de las más importantes cerámicas de ingeniería son: alúmina (Al2O3), nitruro de silicio (Si3N4), carburo de silicio (SiC) y circonia (ZrO2) combinados con otros óxidos refractarios. Alúmina: la alúmina se desarrolló originalmente para tubos refractarios y crisoles de alta pureza de utilización a elevadas temperaturas; pero ahora tiene aplicaciones mucho más variadas, ejemplo: de la alúmina es en materiales aislantes de las bujías. Nitruro de silicio: es el material dominante para los usos de cerámica estructurales en ambientes de la alta tensión mecánica y térmica. Nitrato de aluminio: tienen aplicaciones en campos importantes de la tecnología como componentes de diversos dispositivos optoelectrónicos. Carburo de silicio: también llamado carborundo (SiC), es un carburo covalente que tiene una estructura de diamante, a pesar del diferente tamaño del C y Si, que podría impedir la misma. Es casi tan duro como el diamante. Es un material semiconductor y refractario que presenta muchas ventajas para ser utilizado en dispositivos que impliquen trabajar en condiciones extremas de temperatura, voltaje y frecuencia. Carburo de boro: es un sólido cristalino negro casi tan duro como el diamante tiene una dureza de 9.3 en escala de Mohs. Se usa para tallar y como material para la construcción de objetos resistentes. Su punto de fusión es 2350 °C y su punto de ebullición es >3500 °C. Circonia: también llamada zirconita es un material sintético duro, sin fallas ópticas, y generalmente incoloro, pero puede hacerse en una variedad de colores diferentes. Es relativamente dura, con un valor de 8 en la escala de Mohs- mucho más dura que la mayoría de gemas naturales.Clasificación de los materiales cerámicos

Cerámica roja: Capas de arcilla cocida (aluminato y silicato). La arcilla es lo más abundante en la tierra. El color rojo se debe a impurezas en la tierra (óxido de hierro) Es la que tiene menos procesos, es la más simple de todas. Ej.: Ladrillos,

58

http://es.wikipedia.org/wiki/Gema

http://es.wikipedia.org/wiki/Escala_de_Mohs

http://es.wikipedia.org/wiki/Material_refractario

http://es.wikipedia.org/wiki/Semiconductor


http://es.wikipedia.org/wiki/Silicio

http://es.wikipedia.org/wiki/Carbono


http://es.wikipedia.org/wiki/Carburo


pisos y revestimientos.

Cerámica blanca: Es un material muy puro, sin presencia de algún óxido que los manche. Es más fino con una granulometría más controlada. No poseen óxido de hierro. Se esmaltan para que no absorban líquido. Ej.: Sanitarios, vajilla.

Refractario: La propiedad más importante es su comportamiento a altas temperaturas, su resistencia al calor, sin importar su aspecto físico. Refractariedad de 0 a 60%. Ejemplo: Ladrillos.

Vidrios: Líquidos sub enfriados que solidifican en forma amorfa. Base silicio con agregados según el tipo de vidrio deseado. En general se agregan fundentes para bajar la temperatura de fusión y luego se enfrían rápidamente.

Cementos: Compuestos por piedra caliza y calcio molido. El cemento rigidiza por acciones hidráulicas. Cemento refractario: alúminas cálcicas.Abrasivos: Minerales que se basan en la dureza de las partículas. Óxido de aluminio y pasta diamantada. Son de gran dureza.

Cerámicos especiales: Cerámicos de matriz compuesta (CMC). Es una mezcla de polímeros, metales, etc. Todos los materiales cerámicos son cocinados y adquieren una forma sólida. Todos necesitan porosidad.

Clasificación de los materiales cerámicos

59

Materiales cerámicos

Tradicionales

De ingeniería

Cerámicas rojas

Cerámicas blancas Cerámicas especiales

RefractariosVidrios

Se divide en

Se divide

Que

Hechas

Arcilla Sílice

Feldespato

Se dividen

Documents

UNIDAD 1. PROPIEDADES DE LOS MATERIALES