Tecnología de los materiales
INTRODUCCIÓN
Desde los albores de la humanidad el hombre siempre ha tenido inquietud y necesidades para cambiar el medio que le rodeaba, adaptándolo a su bienestar personal y social. Este cambio, en muchos casos, ha traído implícito el descubrimiento y empleo de nuevos materiales y técnicas de obtención obtención y fabricación, que ofrecían ofrecían más ventajas que los utilizados utilizados hasta entonces. Mediante tratamientos físicos o químicos (refinación, aleación, síntesis química, etc.,) las materias primas obtenidas directamente de la naturaleza se transforman en materiales aptos para su uso en aplicaciones técnico-tecnológicas, entendiendo por aplicaciones técnico-tecnológicas a los objetos construidos para satisfacer las necesidades del ser humano como por ejemplo una mesa, un vestido, una viga, etc. Existe una variedad muy grande de materiales, a fin de sistematizar su análisis es interesante clasificarlos. Evidentemente existen diversas formas de hacerlo, según se tenga en cuenta sus orígenes, sus propiedades, su naturaleza, su estructura, etc. A continuación plantearemos algunas formas de clasificación, dejando constancia que no son las únicas.
CLASIFICACIÓN DE LOS MATERIALES EN FUNCIÓN DE SU ORIGEN En función de su origen, los materiales se pueden clasificar en: de origen mineral , de origen vegetal, de origen animal . Las materias primas de origen mineral pueden considerarse como no renovables, mientras que las de origen vegetal y animal pueden considerarse renovables.
Materiales de origen mineral Usamos el término mineral en forma genérica para referirnos a los constituyentes no vivos de la corteza terrestre, entre los cuales se incluyen elementos elementos compuestos y mezclas que que tienen rasgos definidos de composición química y propiedades. Generalmente son inorgánicos, pero a veces incluyen combustibles fósiles, por ejemplo carbón, petróleo, que son de origen vegetal o animal; los minerales son las materias primas de una amplia variedad de elementos (principalmente metales) y compuestos químicos. Los materiales de origen mineral se suelen dividir en metálicos y no metálicos. Materiales metálicos
Los metales son materiales con múltiples aplicaciones que ocupan un lugar destacado en nuestra sociedad. Se conocen y utilizan desde tiempos prehistóricos, y en la actualidad constituyen una pieza clave en prácticamente todas las actividades económicas.
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Los metales son materiales que se obtienen a partir de minerales que forman parte de las rocas. La extracción del mineral se realiza en minas a cielo abierto, si la capa de mineral se halla a poca profundidad, por el contrario si es profundo recibe el nombre de mina subterránea. En ambos tipos de explotaciones se hace uso de explosivos, excavadoras, taladradoras y otra maquinaria, a fin de arrancar el mineral de la roca. Los materiales metálicos se pueden subdividir en dos grandes grupos: los ferrosos y los no ferrosos. El primer grupo comprende el hierro y los materiales de él derivados: el acero y la fundición. El segundo grupo comprende todos los otros metales y sus aleaciones. A su vez, en función del peso, los metales se pueden subdividir en dos grupos: metales ligeros y metales pesados. Los metales ligeros son aquéllos cuto peso específico es inferior a 5 Kg/dm³ (aluminio, magnesio, titanio, berilio, litio, bario, sodio, potasio, calcio, etc.). Los metales pesados son aquéllos cuyo peso específico supera los 5 Kg/dm³ (plomo, hierro, cobre, estaño, cromo, manganeso, cobalto, mercurio, oro, plata, etc.). Materiales no metálicos
Los materiales no metálicos varían mucho en su apariencia no son lustrosos y por lo general son malos conductores del calor y la electricidad. Sus puntos de fusión son más bajos que los de los metales (aunque el diamante, una forma de carbono se funde a 3570 ºC). En esta lista están incluidos cinco gases (H2, N2, 02, F2 y C12), un líquido (Br2) y un sólido volátil (I2). El resto de los no metales son sólidos que pueden ser duros como el diamante o blandos como el azufre. Al contrario de los metales, son muy frágiles y no pueden estirarse en hilos ni en láminas. Se encuentran en los tres estados de la materia a temperatura ambiente: son gases (como el oxígeno), líquidos (bromo) y sólidos (como el carbono). No tienen brillo metálico y no reflejan la luz. Muchos no metales se encuentran en todos los seres vivos: carbono, hidrógeno, oxígeno, nitrógeno, fósforo y azufre en cantidades importantes.
Materiales de origen vegetal Estos materiales que, como su nombre lo indica, son de origen vegetal, están presentes en una gran cantidad de productos de la vida cotidiana. Su variedad y heterogeneidad es muy grande, y las propiedades y características varían mucho de unos a otros. Entre los mismos podemos mencionar: la madera, la celulosa, el algodón, el cáñamo, la goma, etc.
Materiales de origen animal Estos materiales que, como su nombre lo indica, son de origen vegetal, están presentes en una gran cantidad de productos de la vida cotidiana. Su variedad y heterogeneidad es muy grande, y las propiedades y características varían mucho de unos a otros. Entre los mismos podemos mencionar: el cuero, la lana, la seda, etc.
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CLASIFICACIÓN DE LOS MATERIALES EN FUNCIÓN DE SU NATURALEZA En función de su naturaleza los materiales se pueden clasificar en: naturales y artificiales.
Materiales naturales Los materiales naturales son los que en estado bruto o sujetos a un proceso de purificación existen en la naturaleza, por ejemplo: hierro, madera, cobre, petróleo, agua, mármol, arena, etc.
Materiales artificiales Los materiales artificiales son los producidos por el hombre, partiendo de materiales naturales por ejemplo: el papel, el bronce, el vidrio, la cerámica, etc. Entre los artificiales podemos señalar a los sintéticos.
CLASIFICACIÓN DE LOS MATERIALES EN FUNCIÓN DE SU ESTRUCTURA Desde una óptica ingenieril los materiales se pueden clasificar según su estructura (atómica y/o microscópica) en cuatro grandes grupos: metales, cerámicas (y vidrios), polímeros y semiconductores.
Metales Son los materiales más vinculados a las construcciones mecánicas y pueden dividirse en dos grupos: ferrosos y no ferrosos. Metales ferrosos
Los metales ferrosos se basan en el hierro, más del 90% de los materiales metálicos que utiliza el hombre son aleaciones ferrosas, las que incluyen los aceros y los hierros fundidos. El acero es el más importante dentro de los metales ferrosos debido a su buena resistencia mecánica, a su bajo costo y a su facilidad de procesado en los procesos de manufactura. Con el agregado de cromo se obtienen aceros inoxidables resistentes a la corrosión. Las adiciones de tungsteno producen aceros muy duros usados en la fabricación de herramientas. Metales no ferrosos
Comprende los otros elementos no metálicos y sus aleaciones. Las aleaciones son más importantes que los metales puros. Podemos nombrar aleaciones como: aluminio, magnesio y titanio, que son utilizados como materiales estructurales ligeros.
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Cerámicas y vidrios Los materiales cerámicos abarcan una gran variedad de materiales, tradicionales y modernos. Entre los tradicionales podemos mencionar el barro y las arcillas en general, cuyo uso se remonta a las primeras civilizaciones. Los materiales cerámicos son poco dúctiles, pero resistentes a la abrasión y a la corrosión. Los vidrios son materiales cerámicos no cristalinos cuya composición química es similar a la de las cerámicas cristalinas. Los vidrios y las cerámicas se caracterizan por su fragilidad. Los materiales cerámicos cristalinos se obtienen a partir de una mezcla que se sintetiza calentándola a una temperatura por debajo del punto de fusión del material, el que se aglutina y endurece. Los materiales vítreos pueden derretirse, vaciarse y también conformarse mediante procesos como el tradicional soplado del vidrio.
Polímeros Los polímeros se consideran los materiales más característicos del mundo actual. Estos pueden ser naturales (proteínas), u obtenidos artificialmente, por síntesis, en este caso, mediante la unión química de monómeros (polímeros por adición), o por reacciones de condensación entre dos o más productos químicos (polímeros de condensación). Los materiales artificiales son materiales sintéticos, duplicación de productos naturales, o nuevos compuestos. Estos materiales son conocidos con el nombre de plásticos y son usados en la elaboración de innumerables productos industriales, así como substitutos de muchos productos naturales: madera, caucho, cuero, etc. Su nombre proviene de una característica común a todos: la plasticidad. En general los plásticos tienen bajo peso específico, elevada resistencia mecánica y gran tenacidad, sus propiedades dependen de la temperatura, tienen una relación resistencia-peso superior a la de los metales, son resistentes a la corrosión, tienen bajo coeficiente de fricción y son malos conductores eléctricos y térmicos. Los polímeros se clasifican en termoplásticos y termo endurecidos o termoestables. A estas categorías podemos agregarle los elastómeros, que presentan gran resistencia y un comportamiento elástico importante. A esta categoría pertenecen el neopreno, los cauchos de silicona, los poliuretanos, etc.
Semiconductores Los semiconductores se caracterizan por no ser buenos conductores ni buenos aisladores, sino por su capacidad de conducción eléctrica es intermedia y además presentan características particulares. Entre los semiconductores se destacan el silicio y el germanio.
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PROPIEDADES DE LOS MATERIALES
En los materiales podemos señalar lo que llamamos sus propiedades, que son las que definen sus características particulares y las que inciden en la elección de uno u otro, según sea la función que deban cumplir. Estas propiedades se las agrupa en físico-químicas, mecánicas y tecnológicas.
Las propiedades físico-químicas están vinculadas a las características estructurales de los materiales; Las propiedades mecánicas al comportamiento de los mismos frente a fuerzas externamente aplicadas; Las propiedades tecnológicas a la aptitud del material para ser trabajado, tanto en frío como en caliente.
Propiedades físico-químicas Calor específico: Cantidad de calor necesario para hacer aumentar 1°C la temperatura de 1 Kg de
material. Color: Propiedad que caracteriza a los materiales y permite, en muchos casos, su rápido
reconocimiento. Conductividad o conductibilidad eléctrica: Capacidad de los materiales de permitir el paso de la
corriente eléctrica. Su inversa es la resistividad. (Los metales y sus aleaciones son buenos conductores de la electricidad) Conductividad o conductibilidad térmica: Capacidad de los materiales para transmitir el calor (los
metales y sus aleaciones son buenos conductores del calor). Dilatación: Índice del aumento de volumen de un cuerpo como consecuencia del aumento de la
temperatura. Peso específico: Peso de la unidad de volumen. Porosidad: Porcentaje de poros (huecos) en un material. Resistencia a la corrosión y/o a la degradación: Resistencia a la acción corrosiva o degradante de
los agentes atmosféricos y químicos (por ej: la oxidación, la degradación de los colores, etc). Resistencia eléctrica: Oposición que ofrece un conductor al paso de la corriente eléctrica. Temperatura de fusión: Temperatura a la cual se produce la transformación de estado del
material, pasando del estado sólido al estado líquido.
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Propiedades mecánicas Todo cuerpo sometido a la acción de fuerzas externas (que no producen movimientos) tiende a deformarse, y reacciona interiormente (buscando equilibrar el efecto de la fuerza externa) con una resistencia que depende de la naturaleza del material, de la forma del cuerpo y de la fuerza aplicada. La aptitud a resistir a las fuerzas exteriormente aplicadas, es lo que genéricamente se llama resistencia. Cuando la fuerza aplicada supera un determinado valor se produce la deformación del cuerpo, que depende de la intensidad de la fuerza, del modo como se aplica y de las características mecánicas del cuerpo. La deformación puede ser: elástica, cuando el cuerpo vuelve a su forma primitiva al dejar de actuar la fuerza que lo deforma (por ejemplo los resortes) o permanente o plástica, cuando el cuerpo no recupera su forma y dimensiones primitivas (por ejemplo: piezas forjadas, embutidas, estampadas, laminadas, etc.). Normalmente y bajo la acción de una fuerza creciente, los materiales en proceso de deformación comienzan deformándose elásticamente, continúan con una deformación permanente o plástica y finalmente, cuando se supera un determinado valor de deformación, se rompen.
Propiedades tecnológicas Deformabilidad: Capacidad de los materiales de responder ante las solicitaciones mecánicas.
Cuando de deformación es reversible, es decir cuando el material readquiere su forma primitiva al cesar la solicitación, la deformación se llama elástica, cuando la deformación es permanente, es decir cuando el material no readquiere su forma original, se dice plástica. Ductilidad: Capacidad de un material de deformarse en forma plástica. La ductilidad permite el
alargamiento mediante tracción. Maleabilidad: Calidad de maleable, en otras palabras de ser reducido a láminas más o menos
finas. Plasticidad: Propiedad opuesta a la elasticidad; característica de los materiales de deformarse en
forma permanente. La plasticidad está vinculada a la maleabilidad, a la ductilidad, a la extrusión, al embutido, al estampado, etc. Templabilidad: Propiedad de ciertos metales de aumentar su dureza mediante determinados
tratamientos térmicos.
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