MATERIALES

MATERIALES

I – DEFNICIÓN: Es aquel tipo de materia que se utiliza en la industria mediante cualquier tipo de proceso físico, químico o tecnológico.

II – METALURGIA: ciencia y tecnología de los metales, que incluye su extracción a partir de los minerales metálicos, su preparación y el estudio de las relaciones entre sus estructuras y propiedades. Desde tiempos muy remotos, el uso de ciertos metales conocidos, como el cobre, hierro, plata, plomo, mercurio, antimonio y estaño, se convirtió en indispensable para la evolución de las distintas civilizaciones. Por ello, la metalurgia es una actividad a la que el ser humano ha dedicado grandes esfuerzos. Los procesos metalúrgicos constan de dos operaciones: la concentración, que consiste en separar el metal o compuesto metálico del material residual que lo acompaña en el mineral, y el refinado, en el que se trata de producir el metal en un estado puro o casi puro, adecuado para su empleo.

La ciencia que se encarga los estudios y producción del acero a nivel mundial se denomina siderurgia. Además la metalurgia clasifica a los materiales de la siguiente manera:

A) METALES: Grupo de elementos químicos que presentan todas o gran parte de las siguientes propiedades físicas: estado sólido a temperatura normal, excepto el mercurio que es líquido; opacidad, excepto en capas muy finas; buenos conductores eléctricos y térmicos; brillantes, una vez pulidos, y estructura cristalina en estado sólido.
Los elementos metálicos más comunes son los siguientes: aluminio, bario, berilio, bismuto, cadmio, calcio, cerio, cromo, cobalto, cobre, oro, iridio, hierro, plomo, litio, magnesio, manganeso, mercurio, molibdeno, níquel, osmio, paladio, platino, potasio, radio, rodio, plata, sodio, tantalio, talio, torio, estaño, titanio, volframio, uranio, vanadio y cinc. Los elementos metálicos se pueden combinar unos con otros y también con otros elementos formando compuestos, disoluciones y mezclas. Una mezcla de dos o más metales o de un metal y ciertos no metales como el carbono se denomina aleación. Las aleaciones de mercurio con otros elementos metálicos son conocidas como amalgamas.

Una de las características de los metales es la distribución de sus átomos en una estructura tridimensional. Cuando se solidifican las funciones metálicas aparecen cristales en diferentes puntos que se forman totalmente independiente se unen unos con otros, formando gérmenes sobre los que se depositan otros átomos. Así se forman cristalitas (varios cristales) granos. Las cristalitas metálicas, que crecen a gran velocidad, chocan unas con otras y dan lugar a unos límites irregulares entre los diferentes granos.
Las cuatro fases de este proceso se presentan esquemáticamente en este proceso.

La estructura cristalina de los metales es también la causa de su brillo característico. Excepto al cobre y al oro, así como sus aleaciones, todos los demás metales tienen un color gris blanco, con un brillo azulado en algunos.
A pesar del gran desarrollo de los plásticos, los más empleados siguen siendo los materiales férreos (ferrosos).
- El metal más antiguo de todos es el Hierro
-Todos los metales son sólidos, a excepción del mercurio que es líquido a temperatura ambiental (25ºC)
- Poseen temperatura de fusión (Tf) y temperatura de ebullición variable, generalmente alta:
Máxima: (tungsteno: TF = 3410ºC)
Mínimo: (mercurio: TF = -38,9ºC)
- Poseen densidad (D) variable: entre ellos, el de mayor densidad, es el osmio (d = 22,6g/cm3) y el de menor densidad el litio (0,53g/cm3)
- El metal más maleable y dúctil es el oro
- El metal mas duro es el cromo (dureza = 8,5)
- El metal mas blando es el
- El metal que posee mayor dilatación es el mercurio
- El metal más tenaz es el acero
- El metal que posee menor dilatación es el iridio
- Los metales como el cobre, oro y manganeso que a temperatura ambiental no se oxidan se denominan anfóteros

1. FÉRREOS:
Es aquel grupo de que incluye al Hierro y sus aleaciones y a su vez estos se clasifican de dos formas:

a. ACEROS:
Son las aleaciones del hierro que necesariamente llevan carbono en su estructura.
¨Acero: Hierro + Carbono
¨Acero de blindajes: Fe + C + Ni
¨Acero de automóviles: Fe + C + Cr + V
¨Acero de máquinas: Fe + C + W
¨Aceros rápidos: Fe + C + Mo
¨Acero inoxidable: Fe + C + Cr
¨Acero al boro: Fe + C + B

El acero es una aleación de hierro con pequeñas cantidades de otros elementos, es decir, hierro combinado con un 1% aproximadamente de carbono, y que hecho ascua y sumergido en agua fría adquiere por el temple gran dureza y elasticidad.
Tipos de aceros:

¨Acero aleado o especial.
Acero al que se han añadido elementos no presentes en los aceros al carbono
¨Acero autotemplado
Acero que adquiere el temple por simple enfriamiento en el aire, sin necesidad de sumergirlo en aceite o en agua.
¨Acero calmado o reposado
Acero que ha sido completamente desoxidado antes de colarlo, mediante la adición de manganeso, silicio o aluminio.
¨Acero de construcción
Acero con bajo contenido de carbono y adiciones de cromo, níquel, molibdeno y vanadio.
¨Acero de rodamientos
se obtiene a partir de aleaciones del 1% de carbono y del 2% de cromo, a las que se somete a un proceso de temple y revenido. Se emplea en la construcción de rodamientos a bolas y en general.
¨Acero dulce
Denominación general para todos los aceros no aleados, obtenidos en estado fundido
¨Acero duro
Es el que una vez templado presenta un 90% de martensita.
¨Acero efervescente
Acero que no ha sido desoxidado por completo antes de verterlo en los moldes.
¨Acero fritado
El que se obtiene fritando una mezcla de hierro pulverizado y grafito, o también por carburación completa de una masa de hierro fritado.
¨Acero fundido o de herramientas
Tipo especial de acero que se obtiene por fusión al crisol.
¨Acero indeformable
El que no experimenta prácticamente deformación geométrica tanto en caliente (materias para trabajo en caliente) como en curso de tratamiento térmico de temple (piezas que no pueden ser mecanizadas después del templado endurecedor)
¨Acero inoxidable
Acero resistente a la corrosión, de una gran variedad de composición, pero que siempre contiene un elevado porcentaje de cromo (8-25%). Se usa cuando es absolutamente imprescindible evitar la corrosión de las piezas. Se destina sobre todo a instrumentos de cirugía y aparatos sujetos a la acción de productos químicos o del agua del mar.
¨Acero magnético
Aquel con el que se fabrican los imanes permanentes.
¨Acero no magnético
Tipo de acero que contiene aproximadamente un 12% de manganeso y carece de propiedades magnéticas.
¨Acero moldeado
Acero de cualquier clase al que se da forma mediante el relleno del molde cuando el metal esta todavía liquido.
¨Acero para muelles
Acero que posee alto grado de elasticidad y elevada resistencia a la rotura. Aunque para aplicaciones corrientes puede emplearse el acero duro, cuando se trata de muelles que han de soportar fuertes cargas y frecuentes esfuerzos de fatiga se emplean aceros al silicio con temple en agua o en aceite y revenido.
¨Acero pudelado
Acero no aleado obtenido en estado pastoso.
¨Acero rápido
Acero especial que posee gran resistencia al choque y a la abrasión. Los más usados son los aceros tungsteno, al molibdeno y al cobalto, que se emplean en la fabricación de herramientas corte.
¨Acero refractario
Tipo especial de acero capaz de soportar agentes corrosivos a alta temperatura.
¨Acero suave
Acero dúctil y tenaz, de bajo contenido de carbono
¨Aceros comunes
Los obtenidos en convertidor o en horno Siemens básico.
¨Aceros finos
Los obtenidos en horno Siemens ácido, eléctrico, de inducción o crisol.
¨Aceros forjados
Los aceros que han sufrido una modificación en su forma y su estructura interna ante la acción de un trabajo mecánico realizado a una temperatura superior a la de recristalización.

Composición del acero
La estructura del acero se compone de una mezcla de fases, con diversas propiedades mecánicas. Las proporciones de estas fases y sus composiciones serán determinantes del comportamiento de este material.

Fases de equilibrio
Estas fases se obtienen a temperatura ambiente mediante el enfriamiento lento de un acero. Las principales son:
¨La Ferrita (Fe α) es blanda y dúctil. Su estructura es cúbica centrada en el cuerpo, es estable hasta los 721 ºC
¨La cementita es un compuesto intermetálico de fórmula Fe3C, con un contenido de carbono de 6,7%, es dura y frágil.
¨La Perlita es el microconstituyente eutectoide que se forma a los 727 ºC a partir de austenita con 0.77 % de carbono. Es una mezcla bifásica de ferrita y cementita de morfología laminar. Sus propiedades mecánicas serán intermedias entre la ferrita blanda y la cementita dura que la compone.

Fases fuera de equilibrio
Estas condiciones se alcanzan mediante el uso de tratamientos térmicos como el temple (enfriamiento rápido) y el revenido (recalentamiento sostenido) para lograr la formación de martensita, bainita y otros microconstituyentes que tienen como propiedades ser duros y frágiles.

Clasificación según la norma Une 36001
La norma Une 36001 clasifica las aleaciones férricas según las denominadas series F; a los aceros les corresponden las series F100 a F700, a las fundiciones la F800 y a otras aleaciones férricas la F900. Según dicha norma, los aceros se clasifican en:
¨Aceros para construcción (F100) (engloba la mayoría de aceros de uso genérico)
¨Aceros al carbono (F110) esta es la más genérica de todas
¨Aceros aleados de temple y revenido (F120) soportan grandes esfuerzos
¨Aceros para rodamientos (F130) su alto contenido en Cromo los hace resistentes al rozamiento
¨Aceros para muelles (F140) presentan una elevada elasticidad
¨Aceros de cementación (F150) se emplean en la construcción de engranajes por su resistencia y tenacidad
¨Aceros de nitruración y cianuración (F170) Son duros por fuera y tenaces por dentro
¨Aceros especiales (F200) estos aceros presentan ciertas propiedades concretas.
¨Aceros de fácil mecanizado (F210)
¨Aceros de fácil soldadura (F220)
¨Aceros con propiedades magnéticas (F230)
¨Aceros de alta y baja dilatación (F240)
¨Aceros de resistencia a la fluencia (F250)
¨Aceros inoxidables y anticorrosión (F300)
¨Aceros inoxidables (F310)
¨Aceros de emergencia (F400) presentan alta resistencia a ciertos factores
¨Aceros de alta resistencia (F410)
¨Aceros para cementar (F430)
Fundición
Se llama fundición a aquellas aleaciones de hierro y carbono, el porcentaje se encuentra entre el 2% y el 6%.
Debido a sus propiedades, las fundiciones suelen utilizarse para la realización de bloques, bancadas de máquinas, herramientas, soportes, bloques de motores, cuerpos de bombas etc.
Las fundiciones no son buenas conductoras de la electricidad y el calor.
Propiedades
Buena resistencia a la comprensión
Baja resistencia a la tracción
Resistencia a las vibraciones
Fragilidad
Moldeabilidad en caliente
Resistencia al desgaste.

Transformaciones de fase en los hierros fundidos
Las fundiciones o hierros fundidos son aleaciones hierro-carbono-silicio que típicamente contiene de 2% a 4% de C y de 0.5% a 3% de Si y que durante su solidificación experimentan la reacción eutética.
Existen 5 tipos de fundiciones:
¨ Fundición gris
¨ Fundición blanca
¨ Fundición maleable
¨ Fundición dúctil o esferoidal
¨ Fundición de grafito compacto
La reacción eutética en los hierros fundidos Fe-C A 1140°C es:
L y + Fe3 C
Si se produce un hierro fundido utilizando solo aleaciones H-C esta reacción produce hierro fundido blanco.
Cuando ocurre la reacción eutética estable L y + Grafito A 1146°C se forma la fundición gris, la dúctil o de grafito.
En las aleaciones Fe-C el líquido se sobre enfría fácilmente 6°C formándose hierro blanco. Al agregar aproximadamente 2% de silicio, el grafito eutético se nuclea y crece. Elementos como el cromo y el bismuto tienen un efecto opuesto y promueven la fundición blanca.
El silicio también reduce la cantidad de carbono contenido en el eutético.
La reacción eutectoide en los hierros fundidos.
Durante la reacción la austenita se transforma, esto determina la estructura de la matriz y las propiedades de cada tipo de hierro fundido, la austenita se transforma en ferrita y cementita, con frecuencia se forma en modo de perlita.
El silicio promueve la reacción eutectoide estable.
Características y producción de las fundiciones.
¨Fundición gris: Tiene celdas eutécticas de grafito en hojuelas interconectadas. La inoculación coopera a crear celdas eutécticas más chicas, para mejorar la resistencia.
Se produce resistencia a la tensión baja, esto es por las grandes hojuelas de grafito. Se pueden conseguir la resistencia mayor reduciendo el equivalente de carbono por medio de la aleación o tratamiento térmico.
Sus propiedades son: alta resistencia a la compresión, resistencia a la fatiga térmica y amortiguamiento contra la vibración.
¨Fundición blanca: Se utilizan hierros fundidos blancos por su dureza y resistencia al desgaste por abrasión. Se puede producir martensita durante el tratamiento térmico.
¨Fundición maleable: Se crea al intentar térmicamente la fundición blanca no aleada, a partir de la fundición blanca se producen dos tipos de fundición maleable: Fundición maleable férrica se consigue enfriando la pieza fundida y así se llega a la segunda etapa de grafitización, esta fundición tiene buena tenacidad, la fundición maleable perlita se crea al enfriar la austenita al aire o en aceite para así formar pelita o martensita.
¨Fundición dúctil o nodular: Para esta fundición se requiere grafito esferoidal, para crear este metal se siguen los siguientes pasos:
Desulfurización: El azufre provoca que el grafito crezca en forma de hojuelas, al fundir en hornos que en la fusión eliminen el azufre del hierro.
Nodulación: Se aplica magnesio, este elimina cualquier azufre y oxigeno que haya quedado en el metal. De no ser vaciado el hierro después de la nodulación, el hierro se convierte en fundición gris.
Inoculación: Un estabilizador eficaz de carburos es el magnesio y hace que en la solidificación se forme la fundición blanca. Después de la nodulación se debe inocular el hierro.
¨Fundición de grafito compacto: La forma de grafito es intermedia entre hojuelas y esferoidal. El grafito compacto da resistencia mecánica y ductilidad y el metal conserva una buena conductividad térmica y propiedades de absorción de la vibración.

b. COLADOS:
Son aquellas aleaciones de hierro que no necesariamente llevan carbono en su estructura.

2. NO FÉRREOS:
Es aquel grupo que no contiene al hierro ni a sus aleaciones, además estos se pueden clasificar en:



a. LIGEROS:
Aquellos cuya densidad es menor a 5kg/dm3.
Ejm: Sodio, potasio, calcio, magnesio, litio, aluminio, titanio, etc.

b. PESADOS:
Aquellos cuya densidad es mayor a 5kg/dm3.
Ejm: cobre, oro, plata, zinc, plomo, estaño, mercurio, osmio, etc.
B) NO METALES: Los no metales 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). Varios no metales existen en condiciones ordinarias como moléculas diatómicas. 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. Otros son oligoelementos: flúor, silicio, arsénico, yodo, cloro.
-Existen algunos elementos que poseen propiedades físicas entre metales y no metales, estos elementos son denominados metaloides o semimetales (B, Si, Ge, As, Sb, Te, Po y At), estos poseen baja conductividad eléctrica, pero a modo que va aumentando su temperatura estos conducen mejor la electricidad.


1. NATURALES:
Son aquellos que se obtienen de la elaboración y transformación de las materias primas.
Ejemplo: La madera, el caucho, el cuero, Fibras, lubricantes, papel, cartón, etc.

2. ARTIFICIALES:
Son aquellos que se obtienen mediante procesos químicos.

a. CERÁMICOS:
Ahora que hemos dado un vistazo superficial a lo referente a los metales, haremos lo propio con los materiales cerámicos. Son compuestos químicos o soluciones complejas, que comprenden fases que contienen elementos metálicos y no metálicos. Sus enlaces iónicos o covalentes les confieren una alta estabilidad y son resistentes a las alteraciones químicas. A temperaturas elevadas pueden conducir iónicamente, pero muy poco en comparación con los metales. Son generalmente aislantes. Tienen una amplia gama de propiedades mecánicas, sin embargo, su comportamiento mecánico real suele ser menos predecible que el de los metales, por eso su uso en aplicaciones críticas es muy limitado. Los materiales cerámicos no son tan simples como los metales, sin embargo pueden clasificarse y estudiarse en función de sus estructuras cristalinas.
Se llama cristales a los acomodamientos atómicos repetitivos en las tres dimensiones. Esta repetición de patrones tridimensionales se debe a la coordinación atómica dentro del material, algunas veces este patrón controla la forma externa del cristal. El acomodamiento atómico interno persiste, aunque la superficie externa se altere. Los acomodamientos cristalinos pueden tomar uno de siete principales patrones de acomodamiento cristalino. Estos están estrechamente relacionados con la forma en la que se puede dividir el espacio en iguales volúmenes por superficies planas de intersección.
Ejemplo: El vidrio, la arcilla (tejas, ladrillos, baldozas), productos blandos (Loza, porcelana, gris, vidriados), refractario, esmaltes, etec.

b. PLÁSTICOS:
Una materia es plástica, cuando se deforma bajo la acción de una fuerza y conserva la forma adquirida cuando cesa el esfuerzo. Industrialmente, cuando se habla de plásticos, se trata principalmente de materias plásticas sintéticas.
Son materiales cuyo principal componente es un producto orgánico de peso molecular elevado (derivados del petróleo, carbón, gas natural, etc.), que en alguna etapa de su fabricación han adquirido la suficiente plasticidad para darles forma y obtener productos industriales tales como tubos, planchas, barras, etc., o piezas terminadas.
Productos Industriales > Extrusión
Piezas > Extrusión, Moldeo por compresión, Moldeo por inyección, Termoformado, Caldrado, Hilado, Colado, Moldeo por transferencia, Espumas, Mecanizado.
Extrusión: El material caliente y fluido se hace pasar a través de orificios (troquel extruidor) que le dan la forma deseada.
Moldeo por compresión: La materia prima plástica, en forma de polvo seco, se introduce en el molde, se la somete a presión y temperatura elevada, hasta que el material plástico que rellena el molde se solidifica. Este proceso es principalmente utilizado en plásticos termoestables.
Moldeo por inyección: La materia prima se calienta en un cilindro de presión que inyecta la resina fundida, a través de una boquilla, en al cavidad de un molde provisto de un sistema de refrigeración que solidifica rápidamente en plástico inyectado; un sistema automático expulsa la pieza fuera del molde. Este procedimiento es de utilidad en el moldeo de materias termoplásticas.
Termoformado: Las hojas de polímero termoplástico que son calentadas hasta llegar a la región plástica se pueden conformar sobre un dado para producir diversos productos, tales como cartones para huevo y paneles decorativos. El conformado se puede efectuar utilizando dados, vacío y aire a presión.
Calandrado: Consiste en verter plástico fundido en un juego de rodillos con una pequeña separación. Los rodillos, que pudieran estar grabados con algún dibujo, presionan al material y forman una hoja delgada del polímero, a menudo cloruro de polivinilo. Productos típicos de este método incluyen losetas de vinilo para piso y cortinas para regadera.
Hilado: Se pueden producir filamentos, fibras e hilos mediante el hilado.
Los plásticos se clasifican de tres formas:
TERMOPLÁSTICOS
Plásticos que pueden ser reciclados, cuya característica es de poder ser derretidos y volver a ser elaborados. Ejm:
- NYLON
- PVC (Preparación de tubos)
- Polietileno (Preparado de bolsas plásticas)
- Polipropileno (Preparado de botellas plásticas y platos descartables)

TERMOESTABLES O TERMORÍGIDOS
Plásticos que no pueden ser reciclados, cuya característica es soportar altas temperaturas poder ser derretidos, por eso no pueden ser elaborados por segunda vez. Ejm:
- Baquelita (Utilizado en juguetes)
- Melamina (cubierto de tableros)
- Caucho vulcanizado (Planta de zapatos y llantas)
- Exposi (materiales adhesivos