Presentación 1 - Clasificación de Materiales 4 PDF

Unidad 01 Materiales empleados en los productos ortoprotésicos Introducción A la hora de utilizar materiales para la elaboración, se debe tener que atender no sólo al diseño del producto sino también a otras propiedades como la resistencia, durabilidad, ligereza, etc... además de que deben ser...

Unidad 01 Materiales empleados en los productos ortoprotésicos Introducción A la hora de utilizar materiales para la elaboración, se debe tener que atender no sólo al diseño del producto sino también a otras propiedades como la resistencia, durabilidad, ligereza, etc... además de que deben ser suficientemente dúctiles para adaptarse a la geometría del paciente. Todas estas propiedades van a verse influidas por el material que se utilice para la construc- ción de las ortoprótesis. 1. Clasificación de Materiales Metálicos: Los materiales metálicos, a su vez, pueden ser: - Materiales férreos: Hierro, acero, acero inoxidable. - No férreos: Aluminio (aleaciones básicas y duraluminios), cobre, (latón y bronce), estaño, magnesio, níquel, plomo, titanio y zinc. No metálicos: Los materiales no metálicos, a su vez, pueden ser: - Plásticos o poliméricos: Termoplásticos (PE y PVC), termoestables y compuestos (resinas, fibras de carbono), y elastómeros (caucho y siliconas). - Otros: Textiles, maderas y corchos, cuero y cerámicos (escayolas). Clasificación de materiales - Materiales metálicos 1.1. Materiales Férreos Los metales férreos se caracterizan por que su componente principal es el hierro. A medida que aumenta el contenido en carbono de una aleación férrica aumenta su dureza y su fragilidad y por otra parte disminuye su plasticidad. Los metales férreos, por lo tanto, implican desde el hierro que es el que menos carbono tiene hasta la fundición que es la aleación férrea con más carbono. Materiales férreos Hierro El hierro es el más importante de los metales, por su abundancia y por sus aplicaciones indus- triales. Los principales minerales del hierro son: magnetita, oligisto, limonita, y siderita. El hierro es un material duro, tenaz, resistente, trabajable y muy dúctil. Se emplea en la fabrica- ción de perfiles, la elaboración de acero y de un sinfín de piezas metálicas. Se considera hierro a una aleación férrea de hierro y carbono con un contenido de carbono inferior al 0,1 %. La temperatura de fusión del hierro es de 1536 ºC y su densidad de 7,86 g/cm3. Materiales férreos Hierro La fundición es el hierro que se obtiene en los altos hornos, antes de ser “refinado”; tiene un alto porcentaje de carbono (C 3 % - 6 %) y de otras impurezas. La fundición o hierro colado es muy dura, por su alto contenido en carbono, pero muy frágil. Funde a una temperatura entre 1400 y 1500 ºC. La fundición es un material especialmente útil para realizar piezas fundidas en moldes. Materiales férreos Aceros El acero es una aleación metálica, formada por hierro y carbono principalmente, aunque pue- de contener otros componentes como el vanadio y el cromo, para hacerlo más duro o inoxidable respectivamente. Es un material muy duro y resistente y flexible. Los aceros parten de un 0,1 % de contenido de carbono hasta el 1,7 %, por lo que se pueden cla- sificar los aceros en función del contenido de carbono. Materiales férreos Aceros Aceros con bajo contenido en carbono o aceros suaves (C 0,1 - 0,3 %): Es más duro y menos plástico que el hierro y tiene una resistencia más alta a la tracción. Su densidad es de 7,8 g/cm3 y funde a 1600 ºC. Se comercializa en perfiles de distintas formas para posteriormente transformarlo en otras piezas. Aceros con un contenido medio de carbono (C 0,3 % - 0,7 %): Al aumentar su contenido en carbono aumenta la dureza y disminuye su plasticidad. Aprove- chando su dureza, se emplea en fabricación de piezas sometidas a desgaste. Acero con alto contenido en carbono o aceros duros (C 0,7 % - 1,3 %): El aumento de dureza, también implica un aumento de fragilidad. Materiales férreos Aceros Acero inoxidable: El acero inoxidable es una aleación de hierro, carbono y cromo o níquel. El contenido de cro- mo está entre el 13 y el 27 %. Además del cromo y el níquel, pueden contener otros metales para añadir nuevas características. La principal característica del acero inoxidable es su resistencia a la corrosión debido a la protección que le da el níquel, que se oxida en la superficie. El óxido de níquel es un material duro que impide que la corrosión penetre en el interior de la pieza de acero inoxidable. Clasificación de materiales - Materiales metálicos 1.2. Materiales No Férreos Los materiales no férreos son aquellos en cuya composición no se encuentra el hierro. Los más importantes son siete: cobre, zinc, plomo, estaño, aluminio, níquel y magnesio. Hay otros elementos, que en la naturaleza, con frecuencia se fusionan con ellos formando alea- ciones, las cuales tienen una importancia comercial. Materiales no férreos Cobre El cobre es un metal de color rojizo. Es blando, dúctil y maleable, fácil de trabajar; es buen con- ductor del calor y de la electricidad, funde a 1080 ºC y tiene una densidad de 8 g/cm3.. El cobre es uno de los primeros metales utilizados, ya que es posible encontrarlo, en algunas ocasiones, en estado natural, aunque es más habitual encontrarlo en forma de minerales. Sus aplicaciones se relacionan con su alta conductividad eléctrica y térmica. También se emplea para elaborar aleaciones como el latón y el bronce. Materiales no férreos Zinc El zinc es un metal de color blanco azulado. Es moderadamente dúctil y maleable, especial- mente si se calienta, y tiene una buena resistencia a la corrosión. Su punto de fusión es de 419,5 ºC y su densidad es de 7,14 g/cm³. Aunque no es un buen conductor eléctrico como el cobre, se utiliza principalmente para galva- nizar otros metales y protegerlos de la oxidación, como en el caso del acero. Además, se usa para fabricar aleaciones como el latón (mezcla de cobre y zinc) y en la produc- ción de baterías. Materiales no férreos Plomo El plomo es un metal dúctil, maleable, blando y muy pesado, de color gris azulado y con baja temperatura de fusión; esta última característica lo hace adecuado para aleaciones empleadas en soldadura y fusibles. Es conductor tanto del calor como de la electricidad, aunque no muy bueno. Su principal aplicación consiste en la elaboración de acumuladores eléctricos y aleaciones de estaño para soldar. Otra característica que no hay que olvidar es su alta toxicidad. El plomo tiene una temperatura de fusión de 328 ºC y una densidad de 11,34 g/cm’. Materiales no férreos Estaño El estaño no se oxida en contacto con el aire, e igual que el plomo, tiene una baja temperatura de fusión y es blando, dúctil y maleable. Su baja temperatura de fusión lo hace adecuado como metal de soldadura, una de sus principa- les aplicaciones. El estaño tiene una temperatura de fusión de 231 ºC y su densidad de 7,3 g/cm3. Materiales no férreos Aluminio El aluminio es un metal de color blanco brillante, aunque cuando se oxida su color pasa a ser de un gris apagado. El aluminio se extrae de la bauxita y es un metal, menos denso, (más lige- ro) que los anteriores pero muy resistente, es buen conductor del calor y de la electricidad aun- que menos que el cobre. Una característica muy valiosa es que sólo se oxida muy superficialmente y esta capa de óxido impide que el material se siga deteriorando. El aluminio es un material blando y dúctil funde a 660 ºC y tiene una densidad de 2,7 g/cm3. Materiales no férreos Níquel El níquel es un metal de color plateado brillante con un ligero tinte dorado. Es duro, dúctil y muy resistente a la corrosión. Es un buen conductor del calor y la electricidad. Su punto de fusión es de 1455 ºC y tiene una densidad de 8,9 g/cm³. Se utiliza principalmente en aleaciones como el acero inoxidable, y en la producción de mone- das, baterías recargables, y recubrimientos metálicos debido a su resistencia a la oxidación y la corrosión. Materiales no férreos Magnesio El magnesio es un metal de color blanco plateado, ligero y suave. Es el metal estructural más ligero y posee una densidad de 1,74 g/cm³. Tiene un punto de fusión de 650 ºC. Aunque es un buen conductor térmico, no es tan buen conductor eléctrico. Es fácil de trabajar en frío, pero es altamente inflamable, por lo que debe manipularse con cuidado. Sus aplicaciones principales incluyen aleaciones para la industria aeroespacial y automotriz debido a su bajo peso y buena resistencia. 2. Constitución y Propiedades El tipo de material que se utilice para los pro- ductos ortoprotésicos va a determinar las ca- racterísticas y propiedades fisicoquímicas y mecánicas. Por lo tanto, la constitución del pro- ducto va a definir las propiedades del mismo. Constitución y propiedades Materiales Metálicos Los materiales metálicos son elementos químicos brillantes, duros, pesados, maleables, dúc- tiles, tenaces y buenos conductores, tanto de electricidad como de calor. Por el contrario, los metales son vulnerables al desgaste y a la corrosión. Se entiende el desgaste como la pérdida de material en las superficies de contacto deslizante Entendemos por corrosión el proceso por el cual todo metal o aleación tiende a volver a su for- ma natural como óxido, sulfato u otra sal. A excepción del aluminio que, gracias a la capa de óxido de aluminio externa impide el avance de la corrosión. Constitución y propiedades Materiales Metálicos Aunque se utilizan todos los materiales enumerados, los más comúnmente empleados son el acero de entre los materiales férreos, y el aluminio o algunas aleaciones de magnesio y titanio, entre los materiales no férreos. El acero, tiene como ventajas su bajo coste y que se puede manipular con facilidad, aunque también presenta inconvenientes por su elevado peso. Por ello, normalmente se utiliza en arti- culaciones prefabricadas, muelles, amortiguadores, etc. Constitución y propiedades Materiales Metálicos El aluminio es más ligero, por lo que está indicado por su bajo peso para el miembro supe- rior y en las órtesis de niños. Tiene una baja resistencia a la fatiga, que impide que se utilice en las articulaciones de las órtesis y prótesis, siendo más empleado en elementos estructurales, como por ejemplo las barras del Corsé Milwaukee. El titanio tiene unas características muy parecidas al acero pero con la ventaja de que es más ligero y presenta muy buena resistencia a la corrosión. Como inconveniente hay que destacar su elevado coste. Constitución y propiedades Materiales Metálicos La principal desventaja de los materiales metálicos es que presentan un peso elevado y se adaptan con mayor dificultad a los contornos del cuerpo a diferencia de los que ocurre con los termoplásticos, más ligeros y facilitan una mejor distribución de la presión sobre la piel. Constitución y propiedades Materiales No Metálicos Los materiales no metálicos, pueden ser de diferentes tipos entre los que se encuentran los materiales plásticos o poliméricos, textiles, maderas, corchos, cuero, etc. Los materiales plásticos destacan frente a los metales por tener las siguientes características: - Se presentan estables frente a la corrosión y el envejecimiento. - Son ligeros y maleables. - Se adaptan mejor a la forma del cuerpo. - Son de fácil mecanización. - Su coste de fabricación es mas económico. - Acabados más estéticos. Constitución y propiedades Materiales No Metálicos Los plásticos son materiales que resultan de la combinación de cadenas de compuestos orgá- nicos como el carbono, oxígeno, cloro, nitrógeno, hidrógeno y otros elementos orgánicos e inor- gánicos. Al final del proceso, un plástico es un sólido, pero se aprovecha su condición líquida o viscosa mediante la aplicación del calor para poder ser conformado. La construcción de plásticos parte de los monómeros, que, uniéndose, forman polímeros. Di- chos polímeros se clasifican en termoplásticos, termoestables y elastómeros. Constitución y propiedades - Materiales no metálicos Polímeros A. Termoplásticos Los termoplásticos son moléculas más pesadas, duras y resistentes. En el proceso de polime- rización, las cadenas que se forman, permiten un mejor manejo del material. Estas cadenas, se ensamblan unas con otras, presentando una fuerte unión a bajas temperatu- ras, siendo esta más débil cuando se aumenta la temperatura. Cuando se calienta el termoplás- tico se debilitan las fuerzas intermoleculares, lo que permite un mejor manejo de las órtesis. Los termoplásticos se pueden clasificar en dos tipos diferentes en función de la temperatura a la que se moldean: Termoplásticos de baja temperatura Termoplásticos de alta temperatura Constitución y propiedades - Materiales no metálicos Polímeros Termoplásticos de baja temperatura: - Son aquellos termoplásticos que se moldean al calentarlos por debajo de los 80 ºC. - Se utilizan normalmente en el miembro supe- rior o en aplicaciones temporales como fractu- ras de hombro. - Como limitación presentan baja resistencia a la fatiga y limitaciones en la fuerza. Constitución y propiedades - Materiales no metálicos Polímeros Termoplásticos de alta temperatura: - Son aquellos termoplásticos que requieren un calentamiento por encima de los 80 ºC y de- ben moldearse sobre un molde. - Estos se usan en la fabricación de prótesis y órtesis permanentes. - Las órtesis termoplásticas son fácilmente lavables y resistentes a la corrosión. Tienen una rigidez y resistencia más baja que los metales. Además, sus propiedades varían con el tiempo, la temperatura y el estado concreto de tensión y deformación, soliendo perder rigidez con el paso del tiempo. Constitución y propiedades - Materiales no metálicos Polímeros B. Termoestables o compuestos Los materiales termoestables se pueden clasificar a su vez en dos grupos diferentes: - Rígidos: Formados por cadena cortas con muchos enlaces de entrecruzamiento. - Flexibles: Estos cuentan con largas cadenas con pocos enlaces de entrecruzamiento. Constitución y propiedades - Materiales no metálicos Polímeros Después de ser moldeado, un termoestable tiene sus moléculas interconectadas fuertemente, permanentemente y con lazos físicos que no son reversibles mediante calentamiento. Son materiales que resisten altas temperaturas y proporcionan una mayor estabilidad dimen- sional. Su condición líquida previa permite que se conformen las formas complejas de la anatomía hu- mana. En este grupo nos encontramos las resinas epoxy y poliésteres. Un gran inconveniente es que presentan poca resistencia al impacto. Constitución y propiedades - Materiales no metálicos Polímeros C. Elastómeros El alto poder de elongación y el alto coeficiente de fricción de los materiales gomosos, los ha- cen muy útiles para rellenos o como selladores de mecanismos hidráulicos o neumáticos, o como topes en pies protésicos. Los materiales elastómeros que se utilizan con más frecuencia son el caucho, las siliconas, neoprenos y poliuretano. Constitución y propiedades 2.1. Propiedades Fisicoquímicas Las propiedades fisicoquímicas de los materiales son aquellas características que determinan su comportamiento tanto desde el punto de vista físico como químico. Estas propiedades son fundamentales para entender cómo un material reacciona en diferentes condiciones y cómo in- teractúa con otras sustancias. Constitución y propiedades Propiedades Fisicoquímicas Calor latente de fusión: Es la cantidad de calor que absorbe la unidad de masa de un metal cualquiera al pasar del estado sólido al líquido, expresándose en calorías-gramo. Cuanto menor es la temperatura de fusión de un metal, más económico resulta su utilización para fundido y moldeado. Conductividad calorífica Es la facilidad que poseen los metales para transmitir el calor a través de su masa. Constitución y propiedades Propiedades Fisicoquímicas Conductividad eléctrica Propiedad casi exclusiva de los metales que determina la facilidad que poseen para transmi- tir la corriente eléctrica a través de su masa. El termino opuesto sería resistencia eléctrica. Corrosión Deterioro lento pero progresivo de un metal producido por un agente externo. Generalmente viene dada por el oxigeno y la humedad. Esta corrosión puede ser uniforme como cuando se ataca directamente con ácido una placa metálica, o localizada, donde el metal queda picado y con un aspecto muy irregular. Constitución y propiedades Propiedades Fisicoquímicas Densidad Relación entre el peso del volumen de un determinado cuerpo y el peso del volumen del mis- mo volumen de agua destilada a 4° C. Se trata, obviamente, de un número adimensional. Dilatación Aumento de volumen experimentado por un cuerpo al aumentar su temperatura. Suele ex- presarse por el aumento unitario de longitud que sufre el metal al elevarse un grado su tem- peratura, es decir, mediante, su coeficiente de dilatación lineal. Constitución y propiedades Propiedades Fisicoquímicas Magnetismo Las propiedades magnéticas representan los cambios físicos producidos en un cuerpo al es- tar sometido a un campo magnético. A. Materiales diamagnéticos: Son materiales que repelen levemente los campos magnéticos y no se magnetizan. Ejem- plo: el cobre. B. Materiales paramagnéticos: Materiales que se magnetizan débilmente cuando están en presencia de un campo mag- nético, pero pierden su magnetización cuando el campo desaparece. Ejemplo: el aluminio. Constitución y propiedades Propiedades Fisicoquímicas C. Materiales ferromagnéticos: Son materiales que se magnetizan fuertemente en presencia de un campo magnético y pueden mantener la magnetización incluso cuando el campo desaparece. Ejemplo: el hierro. Oxidación Efecto producido meramente por el oxígeno sobre la superficie del metal. No existe ningún metal que resista la oxidación al 100%. Constitución y propiedades 2.2. Propiedades Mecánicas Las propiedades mecánicas de los materiales son aquellas que describen su comportamiento bajo la acción de fuerzas o cargas externas. Estas propiedades determinan cómo un material se deforma, se rompe o resiste ante diferentes esfuerzos, y son clave para seleccionar el material adecuado. Dureza: Es la capacidad de un material para resistir rayones o deformaciones cuando se le aplica una fuerza. Un material duro es difícil de rayar o marcar. Elasticidad: Es la capacidad de un material de volver a su forma original después de ser estirado o com- primido. Como una goma elástica que vuelve a su forma cuando la sueltas. Constitución y propiedades Propiedades Mecánicas Fatiga: Es cuando un material se debilita o se rompe después de ser sometido a fuerzas repetidas durante un tiempo prolongado, aunque esas fuerzas sean pequeñas. Fluencia: Es cuando un material se deforma lentamente bajo una carga constante a lo largo del tiem- po, incluso si esa carga es pequeña. Es un fenómeno importante en materiales sometidos a calor o presión constante. Constitución y propiedades Propiedades Mecánicas Fragilidad: Es la tendencia de un material a romperse o agrietarse fácilmente sin deformarse mucho cuando se le aplica una fuerza. Los materiales frágiles se rompen de repente, como el vidrio. Plasticidad: Es la capacidad de un material para deformarse permanentemente sin romperse cuando se le aplica una fuerza. Después de deformarse, no vuelve a su forma original. Resiliencia: Es la capacidad de un material para absorber energía cuando se deforma (como cuando lo estiras o lo comprimes) y luego volver a su forma original sin sufrir daños. Constitución y propiedades Propiedades Mecánicas Resistencia: Es la capacidad de un material para soportar una fuerza o carga sin romperse ni deformar- se. Se mide en kg/mm2. Los materiales resistentes aguantan fuerzas sin dañarse. Tenacidad: Es la capacidad de un material para resistir fuerzas que tienden a romperlo, como golpes o impactos. Un material tenaz absorbe mucha energía antes de romperse. 3. Constitución, propiedades y clasificación de: Aleaciones ligeras y Aleaciones de cobre No se suelen encontrar aleaciones en estado natural, ya que se suelen obtener mediante la fusión al estado sólido. Una aleación es una mezcla sólida homogénea de dos o más metales, o de uno o más metales con algunos elementos no metálicos. Las aleaciones muestran un brillo metálico y una alta conductividad eléctrica y térmica. 3. Constitución, propiedades y clasificación de: Aleaciones ligeras y Aleaciones de cobre Las propiedades de las aleaciones dependen de su composición y tamaño, forma y distribución de sus fases o microconstituyentes. Cualquier adición de componentes, por pequeña que sea, puede modificar intensamente las propiedades de dicha aleación. En cuanto a las propiedades físicas y químicas suelen ser similares a la de los metales, pero por otro lado, las propiedades mecánicas pueden ser muy diferentes a las que presentan los componentes de forma aislada. 3. Constitución, propiedades y clasificación de: Aleaciones ligeras y Aleaciones de cobre Las aleaciones no tienen temperatura de fusión única, dependiendo de la concentración, cada metal puro fun- de a una temperatura, coexistiendo simultáneamente la fase líquida y fase sólida. Aquellas aleaciones en las que la temperatura de fu- sión de sus componentes se unifica reciben el nombre de eutécnica. Constitución, propiedades y clasificación Aleaciones ligeras Se denominan aleaciones ligeras a aquellas aleaciones que tienen como elemento base o prin- cipal el aluminio. Respecto a los metales de adición, los más empleados son el cobre, silicio, zinc, níquel, hierro, titanio, cromo y cobalto. Estos materiales pueden figurar en las aleaciones juntos o aislados. En general, la proporción total en que forman parte de las aleaciones ligeras, no pasa del 15 %. La característica principal de las aleaciones ligeras, es su bajo peso específico, que en algunas de ellas llega a ser hasta un tercio del peso del acero. Y la relación de resistencia mecánica a peso específico, que algunos tipos de aleaciones ligeras es la más alta entre todos los metales y aleaciones conocidos. Constitución, propiedades y clasificación Aleaciones de Aluminio El aluminio, por ser el primer metal con mas presencia en la corteza terrestre y poder extraer- se a un coste relativamente barato se ha convertido en uno de los metales mas empleados por la industria. Ventajas: Inconvenientes: - Baja densidad (2,7g/cm2) - Baja temperatura de fusión (660 ºC), res- - Buena relación resistencia - peso tringe sus aplicaciones a alta temperatura. - Buena conductividad eléctrica y térmica - Baja dureza - Alta resistencia a la corrosión - Poca resistencia a la fatiga - Ductilidad muy elevada Constitución, propiedades y clasificación Aleaciones de Aluminio Las aleaciones de aluminio suelen clasificarse en dos grandes grupos: moldeables (de fundi- ción) y hechurables (de forja), dependiendo del método que deba emplearse para darles forma. Además, dentro de cada grupo se puede distinguir también en aleaciones tratables térmica- mente y no tratables térmicamente. Constitución, propiedades y clasificación Aleaciones de Aluminio No tratables térmicamente: Se endurecen habitualmente por formación de soluciones sólidas de baja concentración. Por ejemplo: las de magnesio, manganeso y hierro-silicio. Tratables térmicamente: Aquellas que pueden endurecerse por precipitación con un tratamiento térmico contienen habi- tualmente cobre, magnesio-silicio, o cinc-magnesio. Son más resistentes que las anteriores. Constitución, propiedades y clasificación Aleaciones de Aluminio Las aleaciones moldeables contienen elementos que mejoran la fluidez del aluminio y además provocan un importante aumento de su resistencia a la tensión y corrosión, al tiempo que me- jora su ductilidad. El elemento aleante es generalmente silicio (en cantidades superiores al 5 %) combinado con otros elementos como cobre, magnesio o zinc en menores proporciones. Constitución, propiedades y clasificación Aleaciones de Cobre El cobre y sus aleaciones han sido muy utilizados en la antigüedad. En forma pura, se caracteriza por su alta conductividad eléctrica y térmica, bue- na resistencia a la corrosión, alta ductilidad y fa- cilidad de trabajo en frío. También es muy fácil de soldar o unir a otros materiales. Su resistencia mecánica es media, la relación re- sistencia-peso es inferior a la del hierro, aluminio o magnesio, y tampoco su resistencia térmica es buena (Tf = 1083 ºC). Constitución, propiedades y clasificación Aleaciones de Cobre El cobre puro se utiliza generalmente para aumentar la resistencia mecánica y química, y en ocasiones propiedades muy particulares como pueden ser colores decorativos. Las aleaciones de cobre más conocidas son el latón y los bronces. El latón es una aleación de cobre con un con- tenido en zinc hasta el 40 %, muy ampliamente utilizada por su bajo coste de fabricación y fa- cilidad de trabajado. Al incrementarse la canti- dad de cinc aumenta la dureza y la resistencia de la aleación. Constitución, propiedades y clasificación Aleaciones de Cobre En las aleaciones de latón con contenidos en Zn inferiores al 35 %, la aleación es muy dúctil, maleable, blanda y fácil de mecanizar en frío. Para aquellas con contenidos de Zn mayores del 35 % las piezas resultantes son muy dura y re- sistentes y también dificulta su trabajado en frío, por lo que suelen añadirse pequeñas cantida- des de plomo (en la actualidad sustituido generalmente por el fósforo). Constitución, propiedades y clasificación Aleaciones de Cobre Los bronces son aleaciones de cobre con estaño, alumi- nio, silicio y níquel, cuya resistencia mecánica y química es considerablemente superior a la del latón. Finalmente, las aleaciones de cobre con berilio son rela- tivamente recientes y se utilizan por su gran resistencia a la tracción, corrosión y desgaste, además de mantener una buena conductividad. 4. Materiales antifricción Los materiales antifricción se pueden conocer como metal blanco, White metal o metal Babbit, reducen el desgaste por fricción de los metales. Características: - Alto rendimiento, - Dificultades de desgaste - Propiedades térmicas - Incrementan la capacidad de soportar cargas - Garantizan la minimización de corrosión o fallos mecánicos Materiales antifricción Tipos Las aleaciones de este tipo de metales antifricción pueden ser: Aleaciones a base plomo: Tienen mayor resistencia a la corrosión por ácidos y soluciones con amoniaco. Aleaciones a base de estaño: Se caracterizan por disipar mejor el calor. Aleaciones con antimonio y cobre: Ofrecen un nivel elevado de dureza. Materiales antifricción Propiedades Las aleaciones de metal blanco o antifricción presentan las siguientes propiedades: Bajo punto de fusión. Propiedades buenas de fusión y colada. No sufre oxidación térmica. Bajo coeficiente de rozamiento. Buen nivel de plasticidad para adaptarse a los defectos por fricción. Buena resistencia al desgaste. Materiales antifricción Propiedades Las aleaciones de metal blanco o antifricción presentan las siguientes propiedades: Buena resistencia a la compresión. Conductividad calorífica (puede disipar el calor producido por el rozamiento). Buena resistencia a la corrosión. Resistencia al desgaste. No se contrae durante el enfriamiento ni por envejecimiento. Las variaciones de temperatura no afectan a la composición de la aleación, a la dureza del material ni a la resistencia a la fatiga. 5. Características de los materiales y su variación mediante tratamientos térmicos y químicos Los metales se pueden someter a una serie de tratamientos para potenciar alguna de sus pro- piedades como dureza, resistencia mecánica, plasticidad para facilitar su conformado, etc. Exis- ten cuatro tipos de tratamientos, que son: tratamientos térmicos, termo-químicos, mecánicos y superficiales. Características de los materiales y su variación Tratamientos Térmicos Los tratamientos térmicos son operaciones de calenta- miento y enfriamiento de los metales o aleaciones, a tem- peraturas y velocidades variables. Con estos tratamientos se puede conseguir cambios en la estructura del material manteniendo su naturaleza, es de- cir, su composición química inalterable. Consisten básicamente en variar la temperatura del material pero sin variar la composición química. Tienen el objetivo de mejorar las propiedades de los metales y aleaciones, por lo ge- neral, de tipo mecánico. Existen tres tratamientos térmicos principales: recocido, templado y revenido. Tratamientos Térmicos Templado (temple) Se utiliza para obtener un tipo de aceros de alta dureza llamados martensita. Se trata de elevar la temperatura del acero hasta una temperatura cercana a 1000 ºC y posteriormente someterlo a enfriamientos rápidos o bruscos y continuos en agua, aceite o aire. Es un proceso térmico que tiene la finalidad de incrementar la dureza y resistencia mecánica del material. Tratamientos Térmicos Templado (temple) Mediante el temple se consigue: Aumentar la dureza y la resistencia mecánica. Disminuir la tenacidad (aumento de la fragilidad). Disminuir el alargamiento unitario. Modificar algunas propiedades eléctricas, magnéticas y químicas. La capacidad de un acero para transformarse en martensita durante el temple depende de la composición química del acero y se denomina templabilidad. Tratamientos Térmicos Templado (temple) El temple se realiza siguiendo los siguientes pasos: 1. Calentamiento del metal 2. Homogeneización de la temperatura 3. Enfriamiento rápido El medio de temple puede ser: Agua, Aceite y Aire. Tratamientos Térmicos Templado (temple) Factores a tener en cuenta: El tamaño de la pieza: Cuanto más espesor tenga la pieza más habrá que aumentar el tiempo de duración del proceso de calentamiento y de enfriamiento. La composición química del acero: Los aceros aleados son más fácilmente templables. El tamaño del grano: Influye principalmente en la velocidad crítica del temple, teniendo más templabilidad el de grano grueso. El medio de enfriamiento: El más adecuado para templar un acero es aquel que consiga una velocidad de temple ligeramente superior a la crítica. Tratamientos Térmicos Recocido El recocido se encarga principalmente de calentar un material hasta una temperatura dada y, posteriormente, enfriarlo lentamente. Se basa en calentar un material metálico a alta temperatura durante un largo periodo de tiem- po, con la finalidad de bajar la densidad de dislocaciones y, así, impartir ductilidad. Se utiliza para suprimir los defectos del temple. Tratamientos Térmicos Recocido Objetivos del recocido: - Eliminar tensiones del temple. - Aumentar la plasticidad, ductilidad y tenacidad del acero. - Modificar la estructura del material para conseguir propiedades mecánicas, ablandando el metal y favoreciendo su maquinabilidad. - Recristalizar los metales trabajados en frío. - Aliviar los esfuerzos residuales, ayudando a reducir la distorsión y las dimensiones. Tratamientos Térmicos Recocido Proceso de realización de este tratamiento térmico: Se calienta el acero hasta una temperatura dada. Se mantiene la temperatura durante un tiempo. Se enfría despacio hasta temperatura ambiente, controlando la velocidad de enfriamiento. Si la variación de temperatura es muy alta, pueden aparecer tensiones internas que inducen grietas o deformaciones. El grado de plasticidad que se quiere dotar al metal depende de la velocidad de enfriamiento y la temperatura a la que se elevó inicialmente. Tratamientos Térmicos Recocido Tipos de recocido: Recocido completo Recocido incompleto Recocido de globalización Recocido de recristalización Recocido de homogenización Tratamientos Térmicos Estañado El estañado es un recubrimiento metálico de estaño, rea- lizado mediante baño electrolítico, que se da sobre piezas metálicas, ya sean de acero, latón, cobre u otros. Sirve para aumentar su resistencia a la oxidación, la corrosión o el des- gaste, mejorar la soldabilidad, y para mejorar su aspecto. El estaño es un material que se caracteriza por: Buena resistencia a la corrosión. Bajo riesgo de oxidación. Metal no tóxico. Buena ductilidad. Tratamientos Térmicos Estañado Las principales ventajas de realizar este tipo de tratamiento son las siguientes: Protección contra la corrosión Mejora de las cualidades técnicas Aspecto decorativo blanco y brillante El estañado se puede realizar de dos maneras: Estático: Baño de piezas grandes o delicadas, que son colgadas en ganchos. Rotativo: Piezas de pequeño tamaño, introducidas en un tambor para su recubrimiento. Tratamientos Térmicos Cromado El cromado es un galvanizado, basado en la electrólisis, por medio del cual se deposita una fina capa de cromo metálico sobre objetos me- tálicos e incluso sobre material plástico. El recubrimiento electrolítico con cromo es ex- tensivamente usado en la industria para prote- ger metales de la corrosión, mejorar su aspecto y sus prestaciones. Tratamientos Térmicos Revenido El revenido es un tratamiento complementario del temple, normalmente, se lleva a cabo tras él, ya que los aceros suelen quedar duros y frágiles para su uso. Gracias al revenido, se puede reducir la dureza y la fragilidad excesiva, sin llegar a perder la te- nacidad que tenga. Tratamientos Térmicos Revenido El revenido es un proceso térmico que calienta el acero a una temperatura inferior al punto crí- tico. Hay que destacar que el revenido no elimina el efecto del temple, únicamente lo modifica, aun- que consigue reducir la dureza y tensión interna, logrando aumentar así la tenacidad. Los factores que determinan las características del revenido son: A) La temperatura B) El tiempo de exposición a esta. Tratamientos Térmicos Revenido La temperatura permite al material alcanzar el grado de tenacidad relacionado con el trabajo que deberá realizar, el tiempo de exposición hace que la transformación de la estructura, llegue hasta el corazón de la pieza. El revenido se puede dividir en tres grupos principales: Revenido a baja temperatura (160 ºC - 300 ºC) Revenido de aceros para muelles (300 ºC -500 ºC) Revenido a alta temperatura (500 ºC o superior) Características de los materiales y su variación Tratamientos Termoquímicos Los tratamientos termoquímicos consisten en operaciones de calentamiento y enfriado de los metales, completadas con la aportación de otros elementos en la superficie de piezas. Los más relevantes son: - CEMENTACIÓN - NITRURACIÓN - CIANURACIÓN - CARBONITRURACIÓN - SULFINIZACIÓN Características de los materiales y su variación Tratamientos Mecánicos Los tratamientos mecánicos mejoran las caracterís- ticas de los metales por deformación mecánica, con o sin calor. Existen los siguientes tratamientos mecánicos: - TRATAMIENTOS MECÁNICOS EN CALIENTE (FORJA) - TRATAMIENTOS MECÁNICOS EN FRÍO. Tratamientos Mecánicos Tratamientos mecánicos en caliente FORJA La forja consiste en aplicar fuerzas (golpes o presión) para deformar el metal cuando está caliente, dándole la forma deseada. Beneficios de la forja en caliente: Este proceso mejora la resistencia y dureza - Mejora la resistencia a la tracción. del metal. - Reducción de defectos y vacíos internos. - Alta ductilidad y maleabilidad. Características principales: Otros ejemplos de tratamientos mecánicos en caliente: - Temperatura elevada - Recristalización - Laminado en caliente - Menos esfuerzo necesario - Extrusión en caliente Tratamientos Mecánicos Tratamientos mecánicos en frio Al trabajar el metal en frío, se provoca una de- formación permanente y se genera una gran Beneficios de los tratamientos mecánicos en cantidad de tensiones internas, lo que modifica frío: significativamente las propiedades mecánicas del material. - Mayor resistencia y dureza. - Mejor control dimensional y tolerancias - Acabados más finos y lisos. Características principales: Ejemplos de tratamientos mecánicos en frío: - Aumento de dureza y resistencia: - Laminado en frío: - Cambios en la estructura interna: - Estirado en frío: - Mayor precisión dimensional - Trefilado: 6. Ensayos mecánicos de materiales metálicos Los ensayos tienen como objetivo determinar las propiedades de los materiales. Los ensayos de materiales se aplican a materiales metálicos, aunque también se podrían aplicar a otras ca- tegorías. Ensayos mecánicos de materiales metálicos Clasificación Una de las clasificaciones más comunes para los ensayos es distinguir entre ensayos científi- cos y ensayos de control-verificación: Ensayos científicos: Deben realizarse con absoluto cuidado y precisión, a fin de obtener los valores más exac- tos posibles de propiedades desconocidas del material. Ensayos de control-verificación: Se utilizan para determinar si una determinada muestra extraída de un lote, cumple con los requisitos esperados por los diseñadores o por las especificaciones de compras. Ensayos mecánicos de materiales metálicos Clasificación Una segunda clasificación distingue entre ensayos de campo y ensayos de laboratorio. Los ensayos de campo se efectúan a aquellos componentes que no pueden ser trasladados al laboratorio. Una tercera clasificación se produce al dividir a los ensayos en destructivos o no destructivos: En los ensayos destructivos, el material se destruye el ensayo y, por lo tanto, no puede ser usado posteriormente. En los ensayos no destructivos, el material no se destruye durante el ensayo y, entonces puede ser utilizado posteriormente. Todos estos ensayos están normalizados, es decir, que se establecen unas normas para reali- zar el procedimiento de los ensayos. Ensayos mecánicos de materiales metálicos 6.1. Tracción Este tipo de ensayo es el más utilizado de todos los ensayos mecánicos. Consiste en aplicar una pieza de eje recto, dos fuerzas en la dirección del eje que tienden a pro- ducir el alargamiento de la pieza. El ensayo de tracción se realiza en las denominadas máquinas universales, que permiten efectuar varios tipos de ensayos, como por ejemplo el de com- presión, flexión, etc... Ensayos mecánicos de materiales metálicos 6.1. Tracción La probeta se sujeta mediante unos dispositivos a los cabezales de la máquina. Un cabezal de la máquina es fijo y el otro es móvil: el cabezal móvil es el que permite el alargamiento de la probeta hasta llegar a la rotura. Al realizar el ensayo, se obtiene un gráfico de la máquina que nos indica la carga o fuerza apli- cada en función del alargamiento de la probeta. Ensayos mecánicos de materiales metálicos 6.1. Tracción A partir del diagrama, se determinan ciertas características de las propiedades mecánicas del material: Módulo de elasticidad longitudinal o módulo de Young. Tensión al límite de proporcionalidad. Tensión límite de fluencia superior. Tensión límite de fluencia i..’1.ferior. Tensión máxima o resistencia estática a la tracción. Tensión de rotura convencional. Alargamiento porcentual. Estricción porcentual. Ensayos mecánicos de materiales metálicos 6.2. Compresión Este ensayo se realiza, generalmente, en ma- teriales frágiles, como fundiciones, aunque es posible realizar ensayos de compresión a ma- teriales dúctiles, que suelen tener una resis- tencia similar a la compresión y a la tracción. En el ensayo de compresión, se aplican cargas estáticas a la probeta, en la dirección de su eje longitudinal. Ensayos mecánicos de materiales metálicos 6.2. Compresión Al ensayar materiales dúctiles, debido al rozamiento existente entre los platos de la máquina y la probeta, esta última generalmente no se rompe, pero se acorta adquiriendo forma de barril. En los ensayos de compresión se deben tener ciertas precauciones con las dimensiones de la probeta, que se normalizan para evitar la aparición de pandeo. Ensayos mecánicos de materiales metálicos 6.2. Compresión A partir de los diagramas obtenidos del ensayo de compresión, se pueden realizar las siguien- tes determinaciones: Tensión al límite de proporcionalidad Tensión al límite de aplastamiento Tensión máxima o resistencia estática a la compresión (oec) Acortamiento porcentual y ensanchamiento porcentual Ensayos mecánicos de materiales metálicos 6.3. Flexión El ensayo de flexión se aplica, generalmente, en metales frágiles. Este ensayo también se realiza con las denominadas máquinas univer- sales. Durante el ensayo, los esfuerzos de flexión van acompañados por esfuerzos de corte. Ensayos mecánicos de materiales metálicos 6.3. Flexión La flexión se caracteriza por provocar esfuerzos de tracción y compresión en forma simultá- nea: La parte de la viga que tiende a alargarse, está sometida a tracción. La parte de la vida que tiende a acortarse está sometida a compresión. El eje neutro, llamado fibra neutra, es aquel que separa las zonas de tracción y compresión. Este eje no experimenta deformaciones. La superficie que contiene los ejes neutros se denomina superficie neutra o plano neutro. Ensayos mecánicos de materiales metálicos 6.3. Flexión Las determinaciones más importantes de este ensayo son las siguientes: Momento flector o flexor máximo. Módulo resistente. Resistencia a la flexión. Factor de flexión. Índice de rigidez. Ensayos mecánicos de materiales metálicos 6.4. Torsión La torsión se puede definir como el desplazamiento circular de una determinada sección trans- versal de un elemento cuando se aplica sobre este un momento torsor alrededor del eje. La torsión se puede medir observando la deformación que produce en un objeto un par deter- minado. El objetivo general del ensayo de torsión es analizar el ángulo de torsión y el módulo de ri- gidez de los materiales Ensayos mecánicos de materiales metálicos 6.4. Torsión Objetivos específicos del ensayo mecánico: Analizar el comportamiento de los materiales al ser sometidos a esfuerzo por torsión. Calcular el módulo de rigidez, momento polar de inercia y ángulo de torsión de materiales. Conocer nuevas terminologías para así manejar el lenguaje propio de este contexto. Las pruebas de torsión se utilizan para determinar y comparar el módulo de rigidez de diferen- tes materiales y demostrar la fórmula de la deformación. Se realizan con una máquina combinada para pruebas de flexión y torsión. Ensayos mecánicos de materiales metálicos 6.5. Dureza La dureza es la resistencia que ofrece un material a ser rayado o penetrado por otro. Entre las aplicaciones más importantes de este ensayo, se pueden destacar las siguientes: Control de calidad de los materiales. Control de calidad de tratamientos térmicos. Estimación de la resistencia a la tracción de aceros. Estimación de la resistencia al desgaste. Dureza Método Brinell Existen diferentes métodos para medir la dureza y realizar este tipo de ensayos, entre los que destacan el método Brinell, método Rockwell, método Vickers, método Knoop y método Shore. Método Brinell El método Brinell es uno de los métodos más utilizados. Consiste en aplicar sobre la pieza o probeta a ensayar una carga durante un tiempo, empleando una bolilla o penetrador de ace- ro duro. La dureza Brinell (HB) se define como el cociente entre la carga aplicada expresada en kgf y el área de la impronta expresada en mm2. Dureza Método Brinell El método Brinell no se aplica a materiales muy duros, ya que la bolilla se deforma, distorsio- nando los resultados del ensayo. Ventajas: Se disminuyen los efectos de las heterogeneidades del material. La preparación de la probeta es simple. Puede utilizarse una prensa hidráulica o una máquina de tracción. Dureza Método Brinell Inconvenientes: Es un ensayo relativamente lento. La impronta que produce este ensayo es grande; en muchos casos, la pieza se inutiliza. No es un método aplicable a materiales muy duros ya que se deforma la bolilla. No es un método aplicable a piezas pequeñas. No es un método aplicable a piezas con tratamiento superficial. Dureza Método Rockwell El método Rockwell, al igual que el método Brinell, es un método de penetración. En este méto- do se utilizan cargas más pequeñas que en el método Brinell; los penetradores pueden ser de dos tipos: como de diamante o bolillas de acero duro de distintos diámetros. La dureza se lee directamente en el dial de la máquina y sólo depende de la profundidad de la penetración. Dureza Método Rockwell Para realizar un ensayo Rockwell, se aplica una carga inicia, también llamada precarga, para que el penetrador quede firmemente en contacto con la pieza, la profundidad alcanzada será usada como nivel de referencia. Luego, se coloca la aguja del dial indica- dor en el valor de fondo de la escala. A continuación, se agrega la carga adi- cional. Se deja actuar un tiempo y final- mente se lee la deformación plástica. Dureza Método Rockwell Las escalas Rockwell se pueden dividir en varias categorías, y cada una de ellas se aplica a un tipo de material. Rockwell A: se aplica a materiales de gran dureza y de poco espesor. Rockwell B: se aplica a materiales de dureza intermedia. Rockwell C: se aplica a materiales de gran dureza y espesor.“ Rockwell F: se aplica a chapas de metales blandos. Rockwell E: se aplica a metales blandos y antifricción. Dureza Método Vickers El método de dureza Vickers es también un método de penetración. En este ensayo se aplica un pene- trador de diamante con forma de pirámide recta de base cuadrada, cuyo ángulo entre caras opuestas es de 136°. Se aplica una carga creciente, hasta un valor máxi- mo que varía entre 1 y 120 kgf. Dureza Método Vickers El penetrador se aplica hasta que la carga alcanza su máximo valor, luego dicha carga actúa durante un tiempo, posteriormente, se retiran la carga y el penetrador. En la pieza o probeta ensayada queda una impronta, y hay que medir dos diagonales de dicha impronta y hacer el promedio. La dureza Vickers está definida como el cociente entre la carga aplicada (kgf) y la superficie de impronta (mm2) calculada a partir del promedio de las diagonales. Dureza Método Vickers Ventajas: Se usa un único penetrador para todo el rango de durezas. Con las cargas pequeñas (en gramos) se obtienen improntas pequeñas y, por lo tantose pueden medir capas o piezas muy delgadas. Inconvenientes: Es un ensayo lento. Deben medirse cuidadosamente las diagonales. Requiere una excelentepreparación superficial para cargas bajas. Dureza Método Knoop El método Knoop es un ensayo de penetración, en el que el penetrador es una pirámide de dia- mante, y su base tiene forma de rombo determinada por norma. En este ensayo se aumenta el valor de carga hasta un máximo y se mantiene aplicada la carga durante un tiempo. En este caso se mide el área del rombo marcado en la superficie. Este ensayo se realiza a piezas muy pequeñas, capas superficiales delgadas o electrodeposita- das, superficies tratadas termoquímicamente, etc. Dureza Método Shore El método Shore es un ensayo de rebote, que consiste en dejar caer desde cierta altura una masa, llamada martillo, con punta diamantada o de acero muy dura. El martillo cae guiado por el interior de un tubo vertical de vidrio, y este último, puede acercar- se o alejarse de la base del durómetro, para poder ensayar piezas de diferentes espesores. A partir de la altura de rebote, se calcula la dureza de Shore. Dureza Método Shore Ventajas: Es un ensayo rápido y simple. La impronta es muy pequeña y, por lo tanto, puede aplicarse en piezas reducidas. Hay instrumentos de dureza Shore que son portátiles. Es un ensayo sensible para altos valores de dureza. Inconvenientes: Es un ensayo que requiere gran preparación superficial. El ensayo no puede realizarse en superficies magnetizadas. Dureza Método Shore Escalas Shore y ejemplos de aplicación: Shore A: goma blanda, elastómeros y caucho natural Shore B: elastómeros más duros que Shore A Shore C: Elastómeros de dureza media Shore D: elastómeros más duros, plásticos y termoplásticos duros Shore 0: Elastómeros blandos y tejidos textiles Shore 00: Espuma de caucho, caucho esponjoso y caucho microcelular Ensayos mecánicos de materiales metálicos 6.6. Plegado El plegado consiste en comprobar la capaci- dad para doblarse un material sin que se rompa. Se mide a temperatura ambiente y determina la ductilidad de los materiales. El plegado consiste en doblar un material sin que se agriete, hasta llegar al punto de doblez de radio mínimo. Se utilizan dos apoyos que poseen una separación normalizada, se aplica una fuerza controla- da y se aumenta en función de cómo va respondiendo el material. En el momento en que apa- recen las primeras grietas, se detiene y se registra. Ensayos mecánicos de materiales metálicos 6.6. Plegado Se puede hablar de dos tipos de plegado: A fondo: El ángulo de plegado es de 180° y las ramas se comunican al plegarse. Sobre calza: El ángulo de plegado es de 180° y las ramas permanecen a una distancia determinada. Ensayos mecánicos de materiales metálicos 6.6. Plegado El plegado se puede realizar con máquinas. El principio básico del plegado de chapas en máqui- nas se basa en el impacto, mediante una fuerza de presión, de un punzón sobre una matriz, en el medio de los cuales se coloca la lámina metálica a plegar. La versatilidad de estas máquínas plegadoras (o prensas) varía ampliamente en función del ta- maño de la chapa a trabajar, pero algunas llegan a procesar materiales de hasta 20 mm de es- pesor. Ciertas plegadoras industriales pueden medir hasta 18-20 metros de largo, lo que permite aco- modar un gran número de matrices para realizar distintos plegados en forma consecutiva. Ensayos mecánicos de materiales metálicos 6.7. Otros La mayoría de los componentes de máquinas no están sometidos a cargas estáticas sino a car- gas variables en función del tiempo. Un componente mecánico sometido a esfuerzos cíclicos, puede alcanzar la rotura aun cuando las tensiones soportadas sean muy inferiores a la resistencia estática máxima del material o, incluso, inferiores a la tensión de fluencia del material. Esto se denomina fallas de fatiga, y está caracterizado por esfuerzos cíclicos y repetidos en el tiempo, que producen roturas ocasionadas por tensiones inferiores a la resistencia máxima del material o a la resistencia de fluencia. Ensayos mecánicos de materiales metálicos 6.7. Otros Las fallas por fatiga se inician en una grieta pequeña, la cual va aumentando su tamaño con el paso de los ciclos de carga. La mayoría de las veces, la grieta comienza en la superficie del componente. El comienzo de las fallas por fatiga, se puede generar en: Defectos del material. Cambios geométricos del componente o pieza. Estado superficial del componente: las superficies muy rugosas favorecen las fallas por fatiga, al igual que las superficies oxidadas. / El objetivo final del ensayo es determinar el límite de resistencia a la fatiga del material estu- diado. Ensayos mecánicos de materiales metálicos 6.7. Otros En la resistencia a la fatiga pueden influir diversos factores entre los que se encuentran las si- guientes variables: Terminación superficial: la mayor parte de las grietas se da en la superficie de los componen- tes. Por ello, cuanto mejor sea la terminación superficial (superficie más lisa), mayor será la resistencia a la fatiga. “ Endurecimiento superficial: se obtiene mediante la proyección de bolillas de acero sobre la superficie de la pieza. El impacto de las bolillas de acero provoca tensiones de compresión en la superficie de la pieza. Estas tensiones perjudican el inicio y la propagación de grietas, mejo- rando así la resistencia a la fatiga.