Materiales: Estado, Propiedades y Tipos

• Tema 5 trata sobre los materiales, su estado, propiedades, tipos, selección e impacto ambiental

Introducción

• Los restos materiales son las huellas más antiguas de los primeros seres humanos
• La capacidad de identificar y transformar materiales marca el inicio de la hominización
• El uso de materiales es un criterio de división de la prehistoria, con el Paleolítico (piedra tallada) y el Neolítico (piedra pulida)
• La Edad del Bronce (desde 3000 a.C.) y la Edad del Hierro (desde 1200 a.C.) se identifican por la aparición de materiales fabricados
• Lewis Munford distingue la fase paleotécnica (carbón y acero) de la neotécnica (electricidad y aleaciones metálicas)
• El silicio destaca en la era actual por su uso en los microprocesadores

Estado Natural, Obtención y Transformación

• Las materias primas se extraen directamente de la naturaleza
• Tipos de materias primas según su origen:
  • Animal: lana, pieles, seda, etc
  • Vegetal: madera, corcho, algodón, lino, esparto, etc
  • Mineral: arcilla, arena, mármol, mineral de hierro, granito, petróleo, etc
• Los materiales son materias primas transformadas mediante procesos físicos y químicos, preparadas para la fabricación
• Un producto tecnológico es creado por el ser humano para su uso
• Pasos para elaborar un producto tecnológico:
  • Extraer las materias primas de la naturaleza
  • Transformar las materias primas en materiales
  • Elaborar el producto con los materiales
• La modificación química de las materias primas favorece el desarrollo de materiales con nuevas propiedades ecológicas, biomédicas y tecnológicas
• La clasificación de los materiales atiende a criterios como su composición química, origen o propiedades (físicas/químicas)
• Desde el punto de vista tecnológico, se clasifican según su disponibilidad para la fabricación, como metálicos, cerámicos, poliméricos, moleculares e híbridos

Propiedades de los Materiales

• Los materiales responden a estímulos externos según su naturaleza y propiedades
• La resistencia eléctrica (R) es la oposición al paso de la corriente eléctrica, donde los materiales se clasifican en conductores, aislantes y semiconductores
  • Está dada por la fórmula R = ρ * (L/S), donde ρ es la resistividad en Ω·m, L es la longitud en m, y S es la sección en m²
• La dilatación térmica se refiere a la capacidad de un material de aumentar de tamaño al aumentar la temperatura
  • Dilatación lineal: L = L₀ * (1 + αΔT), donde α es el coeficiente de dilatación lineal en °C⁻¹ o K⁻¹, y ΔT es la variación de temperatura en °C o K
  • Dilatación superficial: S = S₀ * (1 + βΔT) y β = 2α
  • Se mide en °C, K
  • Dilatación volumétrica: V = V₀ * (1 + γΔT) y γ = 3α
• La conductividad térmica clasifica los materiales en conductores y aislantes térmicos, según su capacidad para permitir el paso del calor
• La conductividad eléctrica clasifica los materiales en conductores y aislantes eléctricos, según su capacidad para permitir el paso de la corriente eléctrica
• La conductividad acústica clasifica los materiales en conductores y aislantes acústicos, según su capacidad para permitir el paso del sonido
• El calor específico (ce) es la cantidad de calor necesaria para elevar la temperatura de una unidad de masa en un grado Celsius
  • Se relaciona con la variación de temperatura por Q = m * ce * ΔT, donde Q es el calor en calorías, m es la masa en gramos
• Los puntos de congelación, ebullición y fusión indican las temperaturas de cambio de estado
• El calor latente es la cantidad de calor necesaria para cambiar el estado de una sustancia sin variar su temperatura
  • Está dada por Q = m * Lf (fusión) o Q = m * Lv (vaporización)
• La densidad se define como la relación entre masa y volumen: d = m/V, medida en kg/m³

Comportamiento Magnético

• Los materiales se clasifican en diamagnéticos, paramagnéticos o ferromagnéticos según su respuesta ante un campo magnético externo
• La resistencia a la oxidación es la capacidad de un material de resistir la reacción con el oxígeno
  • La corrosión es un proceso perjudicial acelerado en ambientes húmedos o agresivos

Propiedades Sensoriales

• Las propiedades sensoriales incluyen color, tacto, textura y brillo
• Los materiales pueden ser transparentes, translúcidos u opacos

Propiedades Mecánicas

• Las propiedades mecánicas se refieren al comportamiento de los materiales al ser sometidos a esfuerzos
• Ensayo de tracción, dureza y resiliencia
• La dureza es la resistencia a ser rayado o perforado (acero y diamante frente a yeso y talco)
• La tenacidad es la energía absorbida antes de romperse, clasificando los materiales en tenaces o frágiles
• La resistencia mecánica es la capacidad de resistir esfuerzos sin deformarse o romperse de forma permanente
• La deformabilidad es la facilidad con que un material se deforma; pueden ser deformables o rígidos, y mostrar comportamiento elástico o plástico
• Los materiales elásticos vuelven a su forma original al cesar la fuerza, mientras que los plásticos permanecen deformados
• La relación entre tensión (σ) y deformación (ε) es lineal en materiales elásticos y obedecen la ley de Hooke, σ = E * ε
  • Donde la tensión es la fuerza por unidad de área (F/S) y la deformación es el alargamiento relativo (Lf - Lo)/Lo
• La ductilidad es la capacidad de extenderse en hilos, típica de metales y plásticos; maleabilidad es la de extenderse en láminas
• La fatiga es la fractura bajo cargas repetitivas inferiores a la tensión de rotura

Materiales Metálicos

• Tienen átomos unidos por enlaces metálicos, con electrones libres que forman una nube electrónica
• Tienen elevada conductividad térmica y eléctrica
• Alta resistencia mecánica
• Duros y tenaces
• Pueden fundirse
• Dúctiles y maleables
• Gran plasticidad
• Poco resistentes a la oxidación
• Reciclables
• Se clasifican en férricos (contienen hierro) y no férricos (no contienen hierro)

Metales Férricos

• Contienen hierro como base principal
• El hierro puro es magnético, blanco azulado, dúctil y maleable. La corrosión, se llama orín
• Se encuentra rara vez en estado puro, sino como óxidos, carbonatos o sulfuros (magnetita, oligisto, limonita, siderita)
• El hierro y el acero son los metales más utilizados industrialmente
• El hierro, aleado con carbono, da lugar a los metales férricos: hierro dulce, acero y fundición

Hierro Dulce

• Contenido de carbono menor del 0,03%
• Color plateado
• Se oxida y se agrieta fácilmente
• Buen conductor de la electricidad
• Difícil de soldar, dúctil y maleable
• Blando
• Se utiliza para transformadores y electroimanes

Acero

• Aleación de hierro y carbono, entre 0,03% y 1,76% de carbono
• Su densidad y punto de fusión varía
• Dúctiles y maleables
• La tenacidad disminuye si se aumenta la cantidad de carbono
• Su resistencia mecánica, dureza y fragilidad aumentan con el carbono
• Soldabilidad menor
• Se oxidan fácilmente, excepto los inoxidables
• Los aceros son aleados (con porcentajes definidos) y no aleados (cuando intervienen elementos químicos en la aleación)
• Los aceros aleados contienen otros elementos que le confieren propiedades particulares:
  • Azufre: fragilidad
  • Cobalto: dureza en caliente y resistencia a la corrosión y oxidación
  • Cromo: dureza y resistencia a la corrosión (acero inoxidable)
  • Manganeso: favorece el temple
  • Molibdeno: aumenta la dureza y resistencia en caliente
  • Níquel: resistencia a la tracción
  • Plomo: favorece el arranque de viruta
  • Silicio: elimina el oxígeno, gran elasticidad
  • Vanadio: elimina el oxígeno, resistencia a la fatiga/tracción
  • Wolframio: dureza a altas temperaturas (aceros rápidos)
• Los aceros se clasifican también según su porcentaje de carbono (extrasuave, suave, semisuave, semiduro, duro, extraduro)
• El Instituto del Hierro y del Acero clasifica los aceros en:
  • F-100: construcción general
  • F-200: usos especiales
  • F-300: inoxidables
  • F-400: emergencia
  • F-500: herramientas
  • F-600: comunes
  • F-700: moldear
  • F-800: fundiciones
  • F-900: especiales

Fundición

• Aleación entre un 1,76% y un 6,67% de carbono
• Contenido en carbono que oscila entre el 2,5 y el 4,5%
• Menor densidad que el acero
• Más fácilmente fusibles
• Mayor dureza, menor ductilidad y maleabilidad
• Mayor resistencia al desgaste, la corrosión y los cambios de temperatura
• Las fundiciones se clasifican en ordinarias (con pequeñas cantidades de silicio, fósforo, azufre y manganeso), aleadas (con níquel, cromo, silicio, aluminio)y especiales

Fundiciones ordinarias

• Blancas: presenta todo o parte del carbono combinado y no pueden mecanizarse
• Grises: mayor parte del carbono está en forma de grafito
• Atruchadas: es una mezcla de fundición gris y blanca

Fundiciones especiales

• Maleables: aumenta su resistencia a la tracción
• De grafito esferoidal: el grafito en láminas pasa a tener forma esferoidal o nodular
• De grafito difuso: mejora sus propiedades
• La siderurgia es el conjunto de operaciones para obtener metales ferrosos
• Se obtienen en horno alto con mineral de hierro, en horno eléctrico con chatarra
• El alto horno consta de una cáscara de acero revistada con un material resistente
• Introduce mineral de hierro, carbón de coque, fundente
• En la parte central se funden los componentes, se extrae el arrabio, que se somete a un proceso de afino
• En un convertidor, se reduce el contenido en carbono

Metales no Férricos

• Son metales y aleaciones sin hierro
• Resistentes a la corrosión
• Fácilmente moldeables
• Resistentes a la oxidación
• Buena conductividad térmica y eléctrica
• Buen acabado superficial
• Clasificación en tres grandes grupos:
  • Pesados: mayor de 5 gr/cm³ incluye: cobre, estaño, plomo, níquel, cinc, cobalto, wolframio y cromo
  • Ligeros: valores de densidad comprendidas entre 2 y 5 gr/cm³: aluminio y el titanio
  • Ultraligeros: menor de 2 gr/cm³: magnesio y el berilio

Cobre

• Color pardo-rojizo
• Densidad es de 8,96 gr/cm³
• Su punto de fusión es 1083 C
• Resistividad is 1,72·10-8 ·m
• Buen conductor del calor y de la electricidad
• Resistente a la corrosión
• Fácilmente conformable en frío
• Dúctil, maleable y fácil de soldar
• Algunos minerales que contienen cobre son la calcopirita, la cuprita, la azurita y la malaquita
• Aplicaciones del cobre es su uso como conductor eléctrico, en instalaciones de fontanería y en equipos refrigeración de plantas químicas
• Las aleaciones más frecuentes son:
  • Bronce: (Sn) resistente a la corrosión para campanas, timbres, engranajes, cojinetes, esculturas - Latón: (Zn) resistente (fontanería, cerraduras y bisagras) Amarillo pálido - Cuproaluminio: (Al) Resistente a la acción del agua del mar Cuproníquel (Ni) Resistente a la corrosión para monedas - Alpaca (Ni + Zn) resistente a la corrosión en joyería, cubiertos, adornos, componentes quirúrgicos

Estaño

• Color blanco plateado
• Densidad de 7,28 gr/cm3
• Su punto de fusión es 231 C y su resistividad es 11,5·10-8 ·m Líquido a partir de 400 C
• Fácil de trabajar y fundir
• Se oxida y pierde el brillo exterior a temperatura ambiente
• Es maleable, aunque frágil en caliente
• Escaso en la corteza terrestre.
• A temperaturas inferiores a -18 C se descompone
• Se denomina Casiterita (SnO2)
• Se usa para la fabricación de hojalata
• Aleaciones principales:
• Bronce (cobre y estaño)
• Soldaduras blandas (plomo y estaño)

Plomo

• Color gris azulado, brillante, aunque se empaña
• Se recubre de un capa de carbonato básico
• Resistencia a la corrosión
• Densidad es de 11,4gr/cm3
• Disuelve con lentitud en ácido nítrico
• El agua de lluvia contamina
• Tóxicos Su resistividad es 22·10-8 
• Se aplica en metal de soldar, metal de imprenta y metal babbit

Cinc

• Color es blanquiazul
• Se utiliza en aleación con metal de latón y alpaca
• La resistividad es 2,65·10-8 ·m
• Resistente a la corrosión y la oxidación en el aire y en el agua
• El mineral más conocido es el Zinc, que combina en la calamina óxido y hierro y en la blenda sulfuro de Cinc y plomo

Metales No Férricos Ligeros (Aluminio)

• La estructura de peso molecular delgada y una conductividad a la electricidad
• Poco tóxico y se trabaja fácilmente
• Inoxidable con vapor de ácido nítrico
• Se forma el duraluminio que es Aluminio y Cobre con metales como el magnesio
• La elaboración es con aleaciones como el el magnesio (automoción o aeronáutica) el níquel (imanes)
• Algunos metales como el cobalto y el silicio para inyección a gran presión
• Resistividad is 42·10-8 ·m
• Se utiliza, por ejemplo con al carbono para piezas de aviones o naves especiales
• Resistencia mecánica alta

Magnesio

• Color blanco plateado
• Su punto de fusión es 650 °C
• Tiene una densidad muy baja, 1,74 gr/cm³
• Resistividad: de 4,39·10-8 ·m, maleable y poco dúctil
• Líquido inflamable y con polvo también
• Los principales minerales más usados son la carnalita, con dolomita y magnesita

Materiales Cerámicos

• Materiales no metálicos e inorgánicos, con atomicidad de resistencia dura donde la estructura es de base iónica y covalente
• Dureza alta que se obtiene de estructura molecular, rigidez y elevado punto de fusión
• Pueden presentar estructura cristalina o amorfa
• Utilizados para condensadores
• La arcilla con el mineral de silicato contiene óxido de hierro,
• Un elemento es la loza con ayuda del feldespato y silice
• La porcelana, con alúmina blanca, tiene que pasar pruebas de choqie de temperaturas y la sílice, para poder ver su resistencia

Gres y Vidrio

• Materiales de cuarzo con arcilla y arena
• Materiales impermeables, opaco y de resistencia
• La sílice que da forma al vidrio tiene una consistencia amorfa
• Puede resultar quebradizo
• Con hilos solidificados se forma la fibra de vidrio y sirve para telecomunicaciones
• Los calentamientos de estructuras de cristal permiten no romper
• Tras triturar y coser se forman los vidrios de caliza, luego caliza y después fraguan
• EL polvo obtenido se mezcla con otros elementos
• Estos elementos fraguan en contacto con el aire

Materiales Poliméricos

• Agrupación de moléculas pequeñas, llamadas monómeros
• origen natural (proteínas, ácidos nucleicos, celulosas, almidón) sintético (plásticos, cadena de carbono e hidrógeno)
• Los materiales textiles pueden ser de origen vegetal o animal
• Las fibras textiles son de algodón, que se cogen de la semilla, tienden a transpirar y se encogen
• Las fibras de Lino provienen del tallo es una conductora térmica
• La lana viene del pelo del vino con mala conductividad térmica
• Seda del capullo del gusano, fibra resistente y ligera, que absorbe pero no soporta bien la iluminación
• La madera viene de las partes leñosas del tronco
• Formada por celulosa (pared celular plantas), lignina (mantiene unidas y da rigidez), resinas, sales minerales y taninos
• La densidad es menor que la del agua
• Buen aislante eléctrico y térmico
• Conductor acústico