CLASIFICACIÓN DE LOS MATERIALES

Hay muchas formas de clasificar los materiales, según su composición, por su origen, de acuerdo con sus propiedades físico – químicas, desde el punto de vista de la fabricación, etc., según su origen, los materiales se pueden clasificar en materiales naturales y materiales artificiales, dependiendo de que se encuentren directamente en el medio natural o sean el resultado de algún proceso de fabricación, como el granito, que es un material natural, mientras que el acero es un material artificial; según su composición, los materiales se pueden clasificar en elementos y compuestos, homogéneos y heterogéneos, metálicos y no metálicos, inorgánicos y orgánicos, etc.; según sus propiedades, los materiales se pueden clasificar en rígidos y flexibles, tenaces y frágiles, conductores y aislantes, reciclables y no reciclables, etc. Para dar una definición de lo que es un material, primero debe entenderse como es que está conformado. Lo primero es que un material está compuesto por elementos, generalmente los elementos químicos encontrados en la naturaleza y representados en la tabla periódica de elementos químicos. Sin embargo, en los materiales estos elementos están relacionados por una composición química definida. Un ejemplo muy sencillo es la sal común, su fórmula química es NaCl, lo que significa que hay un átomo de Sodio (Na) por cada átomo de Cloro (Cl) y es la única forma de obtener este compuesto. El último factor importante de un material es el acomodo de estos elementos, es decir, su estructura, los materiales están caracterizados por tener una estructura, determinada y única, si este acomodo cambia, cambiarán las características del material y por lo tanto se hablará de este como una variación o como otro material distinto.

En ciencia e ingeniería de materiales, existe además otra distinción para los materiales, y es que deben tener un uso específico, si no es así, entonces se les denomina únicamente sustancia. Por ejemplo, el agua (H 2O) en estado líquido es una sustancia, pero al enfriarse y convertirse en hielo, se puede usar como un material de construcción, por lo tanto, esta misma agua solidificada, al tener un uso práctico, se le considera un material.

En resumen, los materiales están formados por elementos, con una composición y estructura única y que además, pueden ser usados con algún fin específico.

Los materiales se clasifican de forma muy general en:

-Metales. Tienen como característica una buena conductividad eléctrica y térmica, alta resistencia, rigidez, ductilidad. Son particularmente útiles en aplicaciones estructurales o de carga. Las aleaciones (combinaciones de metales) conceden

alguna propiedad particularmente deseable en mayor proporción o permiten una mejor combinación de propiedades.

-Cerámicos. Tienen baja conductividad eléctrica y térmica y son usados a menudo como aislantes. Son fuertes y duros, aunque frágiles y quebradizos. Nuevas técnicas de procesos consiguen que los cerámicos sean lo suficientemente resistentes a la fractura para que puedan ser utilizados en aplicaciones de carga. Dentro de este grupo de materiales se encuentran: el ladrillo, el vidrio, la porcelana, los refractarios y los abrasivos.

-Polímeros. Son grandes estructuras moleculares creadas a partir de moléculas orgánicas. Tienen baja conductividad eléctrica y térmica, reducida resistencia y debe evitarse su uso a temperaturas elevadas. Los polímeros termoplásticos, en los que las cadenas moleculares no están conectadas de manera rígida, tienen buena ductilidad; en cambio, los polímeros termoestables son más resistentes, a pesar de que sus cadenas moleculares fuertemente enlazadas los hacen más frágiles. Tienen múltiples aplicaciones, entre ellas en dispositivos electrónicos.

-Semiconductores. Su conductividad eléctrica puede controlarse para su uso en dispositivos electrónicos. Son muy frágiles.

-Materiales compuestos. Como su nombre lo indica, están formados a partir de dos o más materiales de distinto grupos, produciendo propiedades que no se encuentran en ninguno de los materiales de forma individual.

MATERIALES METÁLICOS

De los elementos que figuran en la tabla periódica, alrededor de 80 pueden ser clasificados como metales. Todos ellos tienen en común que sus electrones más extremos en un átomo son cedidos fácilmente. Esta característica es la causa de su conductividad, tanto eléctrica como térmica, de su brillo y de su maleabilidad. El uso de metales puros es limitado, pues son blandos o tienden a corroerse. Sin embargo, toleran una considerable cantidad de elementos en estado sólido o líquido. Así, la mayor parte de los elementos metálicos comúnmente usados son mezclas de dos o más metales elementales ver (figura 1). Es posible realizar de varias maneras, pero casi siempre se obtienen por la unión de metales por arriba de su punto de fusión. Esa mezcla sólida de metales o metaloides se denomina aleación. Cada clase contiene series de materiales caracterizados por una aplicación común, a su vez, cada serie se divide en grupos de materiales con características afines y específicas. Y el grupo esta compuesto por individuos que indican un tipo definido del material considerado. Así, la identificación de un producto determinado depende de la indicación: Clase –Serie–Grupo–Individuo.

Figura 1. Metales elementales y mezclas

Entre las principales propiedades de los metales figuran las siguientes:

-Maleabilidad: Es la capacidad de un metal para transformarse en lámina, sin rotura, por la acción de presiones.

-Ductilidad: Es la propiedad que tiene un metal de dejarse estirar en hilos.

-Tenacidad: Es la resistencia a la rotura por tensión que presenta los metales.

-Fragilidad: Es la facultad de un metal de romperse por la acción del choque o por cambios bruscos de temperatura. Muchas veces se confunde la fragilidad con debilidad, siendo propiedades independientes. Un material es frágil cuando su deformación es casi nula antes de romperse.

-Forjabilidad: Es la propiedad mediante la cual puede modificarse a la forma de un metal a través de la temperatura.

-Soldabilidad: Es la propiedad que tienen algunos metales, por medio de la cual dos piezas de los mismos se pueden unir formando un solo cuerpo.

-Temple: Es la propiedad para la cual adquiere el acero una dureza extraordinaria al calentarlo de 600 °C y enfriándolo bruscamente en agua.

-Oxidación: Los metales se oxidan por acción del oxígeno del aire. Hay metales impermeables en los cuales la pequeña capa de óxido o carbonato que se le forma en la superficie, protege al resto de metal, como es el caso del cobre, aluminio, plomo, estaño y cinc, entre otros. Hay otros metales, como el hierro, que son permeables y la oxidación penetra el metal hasta destruirlo.

TIPO DE SUSTANCIA

Los metales son sustancias inorgánicas que están compuestas de uno o más elementos metálicos. Pudiendo también contener algunos elementos no metálicos.

Los elementos metálicos pueden estar formando parte de compuestos órgano-metálicos.

Ejemplos de metales: Hierro, cobre, aluminio, níquel y titanio.

CLASIFICACIÓN DE LOS METALES

Los metales y aleaciones clasifican en ferrosas y no ferrosas (ver tablas 1-a, 1-b) atendiendo a que en su composición exista Fe o no.

A su vez se subdividen en:

FERROSAS

-Aceros: Contienen entre 0,05-2% de peso en C.

-Aceros inoxidables: Requieren aleación de elementos para evitar ser dañados por ambientes corrosivos.

-Hierro fundido: Contenido en Fe superior al 2%. Las propiedades mecánicas son inferiores. Ver clasificación en la (tabla 1-a).

FERROSOS

Tabla 1-a. Tipos de materiales metálicos ferrosos

NO FERROSAS

-Aleaciones de Al, Mg, Ti, Cu, Ni y Zn.

-Materiales refractarios.

-Metales preciosos. Ver clasificación en la (tabla 1-b)

-Hierros y fundiciones -Aceros -Aceros aleados

NO FERROSOS

Tabla 1-b. Tipos de materiales metálicos no ferrosos

PROPIEDADES DE LOS METALES

Tipo de enlace interatómico: metálico conformando estructura cristalina específica de los metales. El enlace metálico involucra la compartición de todos los electrones des localizados que producen un enlace no direccional.

-Resistencia aceptable hasta media temperatura.

-Buenos conductores del calor y la electricidad.

-Tenaces y deformables, en general.

-Altas densidades.

Ejemplo: aceros, aluminios, cobres, titanio, súper aleaciones.

PROPIEDADES MECÁNICAS

Determinan cómo responde el material al aplicarse una fuerza o esfuerzo.

-Resistencia mecánica: suelen ser duros y resistentes.

La dureza es la resistencia de un metal a la deformación permanente en su superficie.

-Cobre

-Latón

-Bronce

-Aluminio y sus aleaciones

-Plomo

-Zinc

-Estaño

-Magnesio

La resistencia es la tensión máxima alcanzada en el diagrama de tensión-deformación

Ductilidad: son dúctiles y maleables.

La ductilidad es considerada una variante de la plasticidad, es la propiedad que poseen ciertos metales para poderse estirase en forma de hilos finos. La maleabilidad es la posibilidad de cambiar de forma por la acción del martillo, quiere decirse que puede batirse o extenderse en forma de planchas o láminas.

Impacto: Resistencia a ser rayados y a la rotura.

PROPIEDADES FÍSICAS

Dependen de la estructura y procesamiento del material, describen características como, conductividad eléctrica o térmica, magnetismo y comportamiento óptico, generalmente no se alteran por fuerzas que actúan sobre el material.

- Punto de fusión: Todos son sólidos a temperatura ambiente, excepto el Hg que es líquido a esta temperatura. El punto de fusión varía de 39 ºC del Hg a los 3 410ºC del W. Todos los metales se expanden con el calor y se contraen al enfriarse.

-Conductividad térmica y eléctrica: Los metales son, en general, buenos conductores eléctricos y térmicos, ya que el empaquetamiento es muy compacto y la E se transmite de unos átomos a otros. Con impurezas se reduce la conductividad térmica y también eléctrica, porque disminuye la eficiencia del movimiento de los electrones.

PROPIEDADES ÓPTICAS

Viene determinada por la interacción entre el material y la radiación EM en forma de ondas o partículas de E. Al interaccionar la radiación con la estructura electrónica o cristalina de los metales crean varios efectos ópticos. Los metales reflejan y/o absorben fuertemente la radiación incidente desde λ larga hasta mitad de la región del UV-Visible. La cantidad de energía absorbida depende de la estructura electrónica de cada metal.

Los metales son opacos y tienen alta reflectancia. La mayoría son de color grisáceo, pero algunos son de colores distintos como el Bi que es rosáceo, Cu rojizo y Au amarillo.

PROPIEDADES MAGNÉTICAS

El comportamiento magnético está condicionado por los dipolos que están dados por la estructura electrónica del metal, por lo que al cambiar la microestructura cambia las propiedades. El Fe, Ni y Co son fácilmente magnetizables por lo que son utilizados como imanes permanentes. Son ferromagnéticos, debido a que los niveles de E están parcialmente ocupados por los dipolos que al aplicar un campo magnético se alinean en la misma dirección de éste. Se mejoran estas propiedades introduciendo defectos en la microestructura.

MATERIALES CERAMICOS

Un material cerámico (figura 2) es un tipo de material inorgánico, no metálico, buen aislante y que además tiene la propiedad de tener una temperatura de fusión y resistencia muy elevada. Así mismo, su módulo de Young (pendiente hasta el límite elástico que se forma en un ensayo de tracción) también es muy elevado (lo que llamamos fragilidad).

Todas estas propiedades, hacen que los materiales cerámicos sean imposibles de fundir y de mecanizar por medios tradicionales (fresado, torneado, brochado, etc.). Por esta razón, en las cerámicas realizamos un tratamiento de sinterización. Este proceso, por la naturaleza en la cual se crea, produce poros que pueden ser visibles a simple vista. Un ensayo a tracción, por los poros y un elevado módulo de Young (fragilidad elevada) y al tener un enlace iónico covalente, es imposible de realizar. Existen materiales cerámicos cuya tensión mecánica en un ensayo de compresión puede llegar a ser superior a la tensión soportada por el acero. La razón, viene dada por la compresión de los poros/agujeros que se han creado en el material. Al comprimir estos poros la fuerza por unidad de sección es mayor que antes del colapso de los poros.

Figura 2. Ejemplos de materiales cerámicos

CLASIFICACIÓN DE LOS MATERIALES CERAMICOS

El producto obtenido dependerá de la naturaleza de la arcilla empleada, de la temperatura y de las técnicas de cocción a las que ha sido sometido. Así tenemos: Materiales cerámicos porosos. No han sufrido vitrificación, es decir, no se llega a fundir el cuarzo con la arena. Su fractura (al romperse) es terrosa, siendo totalmente permeables a los gases, líquidos y grasas. Los más importantes son:

- Arcillas cocidas. De color rojizo debido al óxido de hierro de las arcillas que la componen. La temperatura de cocción es de entre 700 a 1 000 °C. Si una vez cocida se recubre con óxido de estaño (similar a esmalte blanco), se denomina loza estannífera. Se fabrican: baldosas, ladrillos, tejas, jarrones, cazuelas, etc.

- Loza italiana.- Se fabrica con arcilla entre amarillenta y rojiza mezclada con arena, pudiendo recubrirse de barniz transparente. La temperatura de cocción varía entre 1 050 a 1 070 °C.

- Loza inglesa. Fabricada de arcilla arenosa de la que se elimina mediante lavado el óxido de hierro y se le añade silex (25-35%), yeso, feldespato (bajando el punto de fusión de la mezcla) y caolín para mejorar la blancura de la pasta. La cocción se realiza en dos fases:

1) Cocido entre 1 200 y 1 300 °C.

2) Se extrae del horno y se cubre de esmalte. El resultado es análogo a las porcelanas, pero no es impermeable.

- Refractarios. Se trata de arcillas cocidas porosas en cuyo interior hay unas proporciones grandes de óxido de aluminio, torio, berilio y circonio. La cocción se efectúa entre los 1 300 y los 1 600 °C. El enfriamiento se debe realizar lenta y progresivamente para no producir agrietamientos ni tensiones internas. Se obtienen productos que pueden resistir temperaturas de hasta 3 000 °C. Las aplicaciones más usuales son:

a) Ladrillos refractarios, que deben soportar altas temperaturas en el interior de hornos.

b) Electro-cerámicas: Con las que en la actualidad se están llevando a cabo investigaciones en motores de automóviles, aviones, generadores eléctricos, etc., con vistas a sustituir elementos metálicos por refractarios, con los que se pueden obtener mayores temperaturas y mejor rendimiento. Una aplicación no muy lejana fue su uso por parte de la NASA para proteger la parte delantera y lateral del Challenger en el aterrizaje.

Materiales cerámicos impermeables y semi-impermeables. Se los ha sometido a temperaturas bastante altas en las que se vitrifica completamente la arena de

cuarzo. De esta manera se obtienen productos impermeables y más duros. Los más destacados:

- Gres cerámico común.-

Se obtiene a partir de arcillas ordinarias, sometidas a temperaturas de unos 1 300 °C. Es muy empleado en pavimentos.

- Gres cerámico fino.-

Obtenido a partir de arcillas refractarias (conteniendo óxidos metálicos) a las que se le añade un fundente (feldespato) con objeto de rebajar el punto de fusión. Más tarde se introducen en un horno a unos 1 300 °C. Cuando esta a punto de finalizar la cocción, se impregnan los objetos de sal marina. La sal reacciona con la arcilla y forma una fina capa de silicoalunminato alcalino vitrificado que confiere al gres su vidriado característico.

- Porcelana.

Se obtiene a partir de una arcilla muy pura, denominada caolín, a la que se le añade fundente (feldespato) y un desengrasante (cuarzo o sílex). Son elementos muy duros soliendo tener un espesor pequeño (de 2 a 4 mm), su color natural es blanco o translucido. Para que el producto se considere porcelana es necesario que sufra dos cocciones: una a una temperatura de entre 1 000 y 1 300 °C y otra a más alta temperatura pudiendo llegar a los 1 800 °C. Teniendo multitud de aplicaciones en el hogar (pilas de cocina, vajillas, etc.) y en la industria (toberas de reactores, aislantes en transformadores, etc.). Según la temperatura se distinguen dos tipos:

Porcelanas blandas. Cocidas a unos 1 000 °C, se sacan y se les aplica esmalte y se vuelven a introducir en el horno a una temperatura de 1 250 °C o más.

Porcelanas duras. Se cuecen a 1 000º C, a continuación se sacan, se esmaltan, y se reintroducen en el horno a unos 1 400 °C o más. Si se decoran se realiza esta operación y luego se vuelven a introducir en el horno a unos 800 °C.

- Materiales Refractarios.- Según la norma Europea DIN 51060/ISO/R 836, considera Resistente al calor aquel material que se reblandece a una temperatura inferior de 1 500 °C, Refractario, aquel material que se reblandece con un mínimo de temperatura de 1 500 °C y alta refractariedad para aquel material que se reblandece a un temperatura mínima de 1 800 °C.

POLÍMEROS

Los polímeros no son más que unas sustancias formadas por una cantidad finita de moléculas que le confieren un alto peso molecular que es una característica representativa de esta familia de compuestos orgánicos (figura 3). Posteriormente observaremos las reacciones que dan lugar a esta serie de sustancias, no dejando de lado que las reacciones que se llevan a cabo en la polimerización son aquellas que son fundamentales para la obtención de cualquier compuesto orgánico. El almidón, la celulosa, la seda y el ADN son ejemplos de polímeros naturales, entre los más comunes de estos y entre los polímeros sintéticos encontramos el nailon, el polietileno y la baquelita.

Figura 3. Materiales polímeros

POLIMERIZACIÓN

La reacción por la cual se sintetiza un polímero a partir de sus monómeros se denomina polimerización. Según el mecanismo por el cual se produce la reacción de polimerización para dar lugar al polímero, ésta se clasifica como "polimerización por pasos" o como "polimerización en cadena". En cualquier caso, el tamaño de la cadena dependerá de parámetros como la temperatura o el tiempo de reacción, teniendo cada cadena un tamaño distinto y, por tanto, una masa molecular distinta, de ahí que se hable de masa promedio del polímero.

TIPOS DE POLIMERIZACIÓN

Existen dos tipos fundamentales de polimerización:

POLIMERIZACIÓN POR CONDENSACIÓN.

En cada unión de dos monómeros se pierde una molécula pequeña, por ejemplo agua. Debido a esto, la masa molecular del polímero no es necesariamente un múltiplo exacto de la masa molecular del monómero. Los polímeros de condensación se dividen en dos grupos:

Los Homo-polímeros: Poli etilenglicol, Siliconas

Los Co-polímeros: Baquelitas, Poliésteres, Poliamidas.

CLASIFICACIÓN

Existen varias formas posibles de clasificar los polímeros, sin que sean excluyentes entre sí.

SEGÚN SU ORIGEN

Polímeros naturales. Existen en la naturaleza muchos polímeros y las bio-moléculas que forman los seres vivos son macromoléculas poliméricas. Por ejemplo, las proteínas, los ácidos nucleicos, los polisacáridos (como la celulosa y la quitina), el hule o caucho natural, la lignina, etc.

Polímeros semi-sintéticos. Se obtienen por transformación de polímeros naturales. Por ejemplo, la nitrocelulosa, el caucho vulcanizado, etc.

Polímeros sintéticos. Muchos polímeros se obtienen industrialmente a partir de los monómeros. Por ejemplo, el nylon, el poli estireno, el Policloruro de vinilo (PVC), el polietileno, etc.

SEGUN SU MECANISMO DE POLIMERIZACIÓN

En 1929 Carothers propuso la siguiente clasificación:

Polímeros de condensación. La reacción de polimerización implica a cada paso la formación de una molécula de baja masa molecular, por ejemplo agua.

Polímeros de adición. La polimerización no implica la liberación de ningún compuesto de baja masa molecular. Esta polimerización se genera cuando un "catalizador", inicia la reacción. Este catalizador separa la unión doble carbono en los monómeros, luego aquellos monómeros se unen con otros debido a los electrones libres, y así se van uniendo uno tras uno hasta que la reacción termina.

Clasificación de Flory (modificación a la de Carothers para considerar la cinética de la reacción):

Polímeros formados por reacción en cadena. Se requiere un iniciador para comenzar la polimerización; un ejemplo es la polimerización de alquenos (de tipo

radical). En este caso el iniciador reacciona con una molécula de monómero, dando lugar a un radical libre, que reacciona con otro monómero y así sucesivamente. La concentración de monómero disminuye lentamente. Además de la polimerización de alquenos, incluye también polimerización donde las cadenas reactivas son iones (polimerización catiónica y aniónica). Polímeros formados por reacción por etapas. El peso molecular del polímero crece a lo largo del tiempo de manera lenta, por etapas. Ello es debido a que el monómero desaparece rápidamente, pero no da inmediatamente un polímero de peso molecular elevado, sino una distribución entre dímeros, trímeros, y en general, oligómeros; transcurrido un cierto tiempo, estos oligómeros empiezan a reaccionar entre sí, dando lugar a especies de tipo polimérico. Esta categoría incluye todos los polímeros de condensación de Carothers y además algunos otros que no liberan moléculas pequeñas pero sí se forman gradualmente, como por ejemplo los poliuretanos.

Según su composición química

Polímeros orgánicos. Posee en la cadena principal átomos de carbono. Polímeros orgánicos vinílicos. La cadena principal de sus moléculas está formada exclusivamente por átomos de carbono.

MATERIALES COMPUESTOS

En ciencia de materiales reciben el nombre de materiales compuestos (Figura 4) aquellos materiales que se forman por la unión de dos materiales para conseguir la combinación de propiedades que no es posible obtener en los materiales originales. Estos compuestos pueden seleccionarse para lograr combinaciones poco usuales de rigidez, resistencia, peso, rendimiento a alta temperatura, resistencia a la corrosión, dureza o conductividad. Los materiales son compuestos cuando cumplen las siguientes características:

Están formados de 2 o más componentes distinguibles físicamente y separables mecánicamente.

Presentan varias fases químicamente distintas, completamente insolubles entre sí y separadas por una interface. Sus propiedades mecánicas son superiores a la simple suma de las propiedades de sus componentes (sinergia). No pertenecen a los materiales compuestos, aquellos materiales polifásicos; como las aleaciones metálicas, en las que mediante un tratamiento térmico se cambian la composición de las fases presentes.

Estos materiales nacen de la necesidad de obtener materiales que combinen las propiedades de los cerámicos, los plásticos y los metales. Por ejemplo en la

industria del transporte son necesarios materiales ligeros, rígidos, resistentes al impacto y que resistan bien la corrosión y el desgaste, estas propiedades rara vez se dan juntas. A pesar de haberse obtenido materiales con unas propiedades excepcionales, las aplicaciones prácticas se ven reducidas por algunos factores que aumentan mucho su costo, como la dificultad de fabricación o la incompatibilidad entre materiales. La gran mayoría de los materiales compuestos son creados artificialmente pero algunos, como la madera y el hueso, aparecen en la naturaleza.

Figura 4. Materiales compositos o compuestos

CLASIFICACIÓN DE LOS MATERIALES COMPUESTOS

Los materiales compuestos se pueden dividir en tres grandes grupos:

Materiales compuestos reforzados con partículas.

Están compuestos por partículas de un material duro y frágil dispersas discreta y uniformemente, rodeadas por una matriz más blanda y dúctil

Tipos: Compuestos endurecidos por dispersión, compuestos con partículas propiamente dichas

Compuestos endurecidos por dispersión. El tamaño de la partícula es muy pequeño (diámetro entre 100 y 2500 μ). A temperaturas normales, estos compuestos no resultan más resistentes que las aleaciones, pero su resistencia disminuye inversamente con el aumento de la temperatura. Su resistencia a la termo fluencia es superior a la de los metales y aleaciones.

Sus principales propiedades son:

La fase es generalmente un óxido duro y estable.

El agente debe tener propiedades físicas óptimas.

No deben reaccionar químicamente el agente y la fase.

Deben unirse correctamente los materiales.

MATERIALES COMPUESTOS REFORZADOS CON FIBRAS.

Un componente suele ser un agente reforzante como una fibra fuerte: fibra de vidrio, cuarzo, kevlar, Dyneema o fibra de carbono que proporciona al material su fuerza a tracción, mientras que otro componente (llamado matriz) que suele ser una resina como epoxy o poliéster que envuelve y liga las fibras, transfiriendo la carga de las fibras rotas a las intactas y entre las que no están alineadas con las líneas de tensión. También, a menos que la matriz elegida sea especialmente flexible, evita el pandeo de las fibras por compresión. Algunos compuestos utilizan un agregado en lugar de, o en adición a las fibras.

En términos de fuerza, las fibras (responsables de las propiedades mecánicas) sirven para resistir la tracción, la matriz (responsable de las propiedades físicas y químicas) para resistir las deformaciones, y todos los materiales presentes sirven para resistir la compresión, incluyendo cualquier agregado.

Los golpes o los esfuerzos cíclicos pueden causar que las fibras se separen de la matriz, lo que se llama de laminación.

ACERO

Acero es la denominación que comúnmente se le da en ingeniería metalúrgica a una aleación de hierro con una cantidad de carbono variable entre el 0,01% y el 2,1% en peso de su composición, dependiendo del grado; aunque normalmente estos valores se encuentran entre el 0,03% y el 1,7%.

Existen muchos tipos de acero en función del o los elementos aleantes que estén presentes. La definición en porcentaje de carbono corresponde a los aceros al carbono, en los cuales este no metal es el único aleante, o hay otros pero en menores concentraciones. Otras composiciones específicas reciben denominaciones particulares en función de múltiples variables como por ejemplo los elementos que predominan en su composición

El acero es una aleación cristalizada de hierro, carbono y otros varios elementos, que endúrese cuando se le enfría bruscamente después de estar arriba de su temperatura crítica. No contiene escoria y se puede moldear, laminar o forjar. El carbono es un constituyente muy importante, por su habilidad de aumentar la dureza y resistencia del acero.

El acero se clasifica de acuerdo con los elementos de aleación que contiene, según la facilidad de templado, el método de obtención y según su aplicación (Tabla 2). El carbono es el elemento más importante, por cuya razón todos los

aceros se clasifican de acuerdo con el contenido de carbono. El acero al carbono, contiene principalmente hierro y carbono y se le clasifica como aceros 10XX, en donde los dos primeros dígitos se refieren a los aceros al carbono. El tercer y cuarto dígitos, se refieren al contenido de carbono en centésimos de porcentaje. Así, un acero 1035 es un acero al carbono con 0,35% de carbono.

Los aceros se pueden clasificar más ampliamente como sigue:

A. Aceros al carbón

1. De bajo carbono (menos de 0,30%)2. De medio carbono (0,30 a 0,70%)3. De alto carbono (0,70 a 1,40)

B. Aceros aleados

1. De baja aleación (los elementos especiales de aleación suman menos del 8,0%)

2. De alta aleación (los elementos especiales de aleación suman arriba del 8,0%)

Los aceros de bajo carbono se emplean para alambres, perfiles estructurales y órganos de fijación de maquinas, tales como tornillos tuercas y pernos.

Los aceros de medio carbono, se usan para carriles, ejes, engranes y partes que requieren alta resistencia y dureza moderada.

Los aceros de alto carbono encuentran su aplicación en herramientas de corte, como cuchillas, brocas, machuelos y piezas con propiedades de resistencia a la abrasión.

Los aceros de aleación cuya producción es de solamente un 15% de la producción total de acero, se selecciona para muchos usos, porque contienen ciertas características que son superiores a aquellos simples aceros de carbono. Aun cuando los aceros aleados no contienen cada una de las características siguientes, se les adjudica:

1. Mejoría en la ductilidad, sin disminución de la resistencia a la tensión.2. Facilidad para ser endurecido por enfriamiento brusco en aceite o en aire

en vez de agua, disminuyendo así la posibilidad de rajaduras o torceduras.3. Habilidad para retener las propiedades físicas a temperaturas extremas.4. Baja susceptibilidad a la corrosión y al desgaste, dependiendo de la

aleación.

5. Promoción de las propiedades metalúrgicas deseables, tales como el tamaño fino del grano.

Tabla 2. Clasificación y descripción de los aceros.

HIERROS FUNDIDOS

Clasificación

Aceros aleados

Según el método de obtención

Según se facilidad de temple

-Acero dulce (0,10 a 0,35%)-Acero semiduro (0,35 a 0,5 %)-Acero al carbón (0,71% a 0,1 %)-Acero duros (0,51 a 1,5 %) -Aceros rápidos (más de 1 %)

Según su contenido de carbono

Según su contenido de carbono y aleación

Según su aplicación

-Acero de horno de hogar abierto -Acero de proceso obtenido de convertidor con (Bessemer) o con oxigeno (B.F.M) -Acero de horno de arco eléctrico

-Acero de temple-Aceros que no templan

- De baja aleación (los elementos aleados suman menos el 8 %) -De alta aleación (los elementos aleados suman más del 8 %)

-Aceros para herramientas-Aceros para elementos de maquinas-Aceros para construcción

Los hierros fundidos constituyen una familia competa de los materiales, algunos son débiles a la tención comparados con los aceros, pero al igual que la mayor parte de los materiales fundidos tienen altas resistencias a la compresión su densidad es ligeramente menor a la del acero, la composición química de el hierro fundido difiere a la del acero principalmente por su mayor contenido de carbono entre 2 y 4,5% esta considerable cantidad de carbono presente en algunos hierros fundidos en forma de grafito, hace que estas aleaciones sean fáciles de vaciar como liquido de fundición y también fáciles de maquinar cuando pasan a estado sólido.

Hierro de fundición blanco: es un material duro y frágil es difícil de maquinar y tiene usos muy limitados, como recubrimientos para mezcladoras de cementos donde es necesaria su dureza.

Hierro de fundición gris: es el hierro colado de uso más común, sus escamas de grafito le dan su apariencia y nombre. La ASTM gradúa el hierro gris en siete clases, basada en resistencia mínima a la tensión en kpsi. La clase 20 tiene una resistencia mínima a la tensión de 20 kpsi. Los números de clase 20, 25, 30, 35, 40, 50, y 60 van representando el punto de fluencia a la tensión en kpsi.

ACEROS FUNDIDOS

Las propiedades mecánicas del acero fundido son superiores a las de el hierro fundido, pero inferiores a las de el acero forjado su ventaja principal es su facilidad de fabricación por fundición en arena. El acero fundido se cosifica de acuerdo a su contenido de carbono, en: de bajo carbono (<0,2%), de medio carbono (de 0,2 -0,5%) y de alto carbono (>0,5%). También se fabrican aceros fundidos de aleación que contienen otros elementos para obtener una resistencia mecánica y una resistencia térmica elevadas (figura 5).

Figura 5. Aceros fundidos.

ACEROS FORJADOS

El término “forjado” se refiere a todos los procesos que manipulan la forma de material, sin fundirlo. El rolado (laminado en rodillos) en caliente y en frio son los dos métodos más comunes aunque con muchas variables, como el trefilado de alambre, el embutido profundo, la extruccion y el embutido en frio. El denominador común es la deformación deliberada del material para cambiar su forma ya sea a la temperatura ambiente o a temperaturas elevadas.

ACERO ROLADO O LAMINADO EN CALIENTE

Se produce al obligar a lingotes calientes de acero a pasar por un conjunto de rodillos o troqueles que progresivamente modificaran su forma (figura 6). El terminado superficial de las formas laminadas en caliente es áspera debido a la oxidación a temperaturas elevadas. Las propiedades mecánicas son también relativamente bajas porque el material termina en un estado recocido o normalizado, a menos que deliberadamente se les dé un tratamiento térmico posterior.

Figura 6. Acero rolado o laminado en caliente

ACERO ROLADO O LAMINADO EN FRIO

Se produce a partir de lingotes o de formas laminadas en caliente. La forma es llevada a su dimensión final haciéndola pasar entre rodillos de acero endurecido o trefilándola a trabes de dados a temperatura ambiente, los rodillos o dados pulen la superficie trabajando en frio el material incrementando su resistencia y reduciendo su ductilidad. Su resistencia y dureza se han incrementado a sus expensas de incorporar esfuerzos significativos. Que posteriormente se eliminan durante el maquinado, la soldadura o un tratamiento térmico, causando entonces distorsión. Las formas roladas en frio de manera común son láminas, tiras, placas, barras roladas y rectangulares etc.