Los materiales: tiposy propiedades8

Unidad

INTRODUCCIÓN.

Distintas referencias históricas demuestran que el ser humano viene utilizando diversos materiales desde épocas ancestrales. Este empleo lo ha llevado a cabo, en la mayoría de los casos, aprovechando los recursos disponibles de su entorno, como madera, arcilla, metales, etc.

El uso de distintos materiales para fabricar herramientas, utensilios, adornos, etc., ha supuesto, supone y supondrá una mejora muy importante en la calidad de vida del ser humano. Tal vez sea el empleo de materiales para satisfacer distintas necesidades lo que más le diferencia de otros animales.

Existe tal vinculación entre los materiales empleados y la época en que se utilizaban, que para designar las edades prehistóricas los historiadores utilizan el nombre del material que se usaba predominantemente en ellas.

Vamos a ver las características y las necesidades de materiales en función de la época histórica en la que se usaban:

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8.1. Necesidad de materiales para fabricar objetos

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8.1. Necesidad de materiales para fabricar objetos

Primeros hornos para la fundición del hierro. El hierro se convertía en una masa pastosa, a unos 800 °C. Luego

se golpeaba (forjado).Componentes electrónicos fabricados con silicio.

Los utensilios más antiguos eran de sílice o pedernal.

E d ad de P ie d ra E d ad de B ron ce E d a d d e H ie rro É p o ca a ctu a l

M a te ria les

Comenzó hace aprox. un millón de años. Se han encontrado herramientas de piedra y huesos de distintas formas y tamaños utilizados por el hombre: hachas, arpones, flechas, hoces, etc.

Empezó aprox. En el año 3.000 a.C. El bronce se fabricaba mediante la combinación (en estado fundido) de cobre y estaño, dos minerales relativamente fáciles de obtener y fundir. Las herramientas fabricadas en bronce eran más duras y más sencillas de fabricar que las realizadas sólo con cobre.

Se extendió entre 1.200 a.C. y 500 a.C., aprox. La obtención del hierro era más complicada que la del cobre y el estaño, ya que, a fin de separar las impurezas y poder fabricar herramientas, había que calentar el mineral que lo contuviera a una temperatura mucho mayor para fundirlo. Pero tenía grandes ventajas: la materia prima era abundante y más duras las herramientas obtenidas.El método empleado para fundir el hierro consistía en colocarlo sobre un agujero hecho en el suelo y calentarlo por la parte inferior. Posteriormente, se empleó una ‘bomba’ de pieles y madera para insuflar aire del exterior, lo que incrementaba la temperatura del fuego al avivarlo.

Hay muchos especialistas que afirman que en la actualidad estamos viviendo en una época que bien podría denominarse Edad del Silicio, ya que el empleo de este material en multitud de componentes electrónicos está provocando un cambio en nuestra sociedad, cuyos medios distan bastante de los que había a principios del siglo XX.

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8.2. Clasificación de los materiales

Materiales naturales a), artificiales b) y sintéticos c).

N a tu ra les A rt if ic ia le s S in té ticos

M a te ria les

Todos los materiales que se emplean en la actualidad se pueden clasificar en tres grandes grupos: naturales, artificiales y sintéticos.

Son aquellos que se encuentran en la naturaleza. Constituyen loa materiales básicos a partir de los cuales se fabrican los demás productos. Son naturales la madera, la lana, el esparto, la arcilla, el oro, etc. A través de los años, el hombre aprendió y mejoró las técnicas de localización y extracción u obtención de estos materiales, que algún día se pueden agotar. Por tanto, es muy importante que se usen, cuando sea posible productos renovables y, cuando no se pueda, con responsabilidad las no renovables. El reciclado o reciclaje es una buena solución para preservar el medio natural y ahorrar recursos naturales, al mismo tiempo que se reducen costes.

Son aquellos que se obtienen a partir de materiales naturales que se encuentran en la naturaleza y no han sufrido transformación previa. También reciben este nombre aquellos productos fabricados con varios materiales que sean en su mayoría de origen natural. Así, por ejemplo, tenemos el hormigón y los bloques de hormigón, que son productos artificiales, fabricados a partir de arena, grava, cemento y agua.

Están fabricados por el hombre a partir de materiales artificiales. Es decir, no se encuentran en la naturaleza ni ellos ni ninguno de los materiales que los componen. El ejemplo más característico lo constituyen los plásticos, como la baquelita, que se obtiene a partir de dos materiales artificiales: formol y fenol.

Durante los últimos cien años se han descubierto multitud de materiales, así como nuevos métodos de fabricación. Pero quizá el más curioso haya sido el descubrimiento de la vulcanización. Parece ser que su inventor, el americano Charles Goodyear, mientras estaba haciendo un experimento, tropezó accidentalmente y dejó caer sobre una estufa una mezcla de caucho y azufre. La mezcla se endureció y se hizo impermeable inmediatamente. Goodyear bautizó este proceso como vulcanización, en recuerdo del dios romano del fuego, Vulcano.

Hace muchos años, los indios del Amazonas utilizaban unas botas hechas de una goma que crecía en los árboles de la jungla. Para ello introducían sus piernas en un recipiente que contenía látex. A medida que se iba secando, formaba finas “botas” que se adaptaban a sus pies y piernas. Estas botas los protegían de las piedras y objetos punzantes.

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Árbol de caucho.

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8.3. Algunas propiedades de los materiales

SENSORIALES: ÓPTICAS: TÉRMICAS: MAGNÉTICAS: QUÍMICAS: MECÁNICAS:

PROPIEDADESDE LOS MATERIALES

Se puede afirmar que no existe ningún material perfecto que se pueda emplear para la fabricación de cualquier producto. Cada aplicación necesita de un material que cumpla unas características determinadas. Ingenieros y diseñadores necesitan sopesar las ventajas e inconvenientes de cada uno de los materiales y elegir adecuadamente aquel que mejor se adapte a las necesidades requeridas. Para elegir adecuadamente un material es necesario conocer, entre otras, sus propiedades sensoriales, ópticas, térmicas, magnéticas, químicas, mecánicas, etc.

A menudo elegimos los materiales dependiendo del efecto que puedan producir en alguno de nuestros sentidos. Es usual ver cómo la mayor parte de la gente que va a comprar alguna prenda de vestir la toca para observar si el tejido es suave o áspero. En este caso, las prendas fabricadas con productos naturales suelen ser más agradables al tacto, mientras que una composición de fibras sintéticas puede resultar menos satisfactoria. Otros factores son el olor, la forma, el brillo, la textura y el color.

Se refieren a la reacción del material cuando la luz incide sobre él. Así, tenemos materiales opacos, que no permiten que la luz los atraviese; materiales transparentes, que dejan pasar la luz, y materiales translúcidos, que permiten que penetre la luz pero no dejan ver nítidamente a través de ellos. Existen otros que reaccionan de alguna manera cuando la luz incide sobre ellos; así, encontramos materiales sensibles a la luz , por ejemplo LDR, placas solares, etc.

Describen el comportamiento de un material frente al calor. Por lo general, los materiales son buenos conductores del calor. Hay otros materiales, denominados aislantes, que evitan que el calor los atraviese con facilidad. Ejemplos de ello son el algodón, la lana, la fibra de vidrio, los poliuretanos, etc.

Se refieren a la capacidad que tiene un metal ferroso (hierro y sus aleaciones) para ser atraído por un imán, así como a la posibilidad de que las propiedades magnéticas del imán sean transferidas al metal.

Una de las más importantes es la relativa a la oxidación y corrosión (especialmente en metales). Así, tenemos que el acero y sus aleaciones se oxidan con bastante facilidad en contacto con la humedad. La elección de un material se debe hacer cuidadosamente desde el punto de vista de sus propiedades químicas, dependiendo de la aplicación a la que se destine. Así, será diferente una cuchara que se utilice para remover un ácido que la empleada en alimentación.

Están relacionadas con la forma en que reaccionan los materiales cuando actúan fuerzas sobre ellos. Las más importantes son:

ELASTICIDADPLASTICIDADDUCTILIDAD

MALEABILIDADDUREZA

FRAGILIDADTENACIDAD

FATIGAMAQUINABILIDAD

ACRITUDCOLABILIDADRESILIENCIA

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Propiedades mecánicas:

ELASTICIDADPLASTICIDADDUCTILIDAD

MALEABILIDADDUREZA

FRAGILIDADTENACIDAD

FATIGAMAQUINABILIDAD

ACRITUDCOLABILIDADRESILIENCIA

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8.4. Esfuerzos físicos a los que pueden someterse los materiales

Cuando una fuerza actúa sobre un objeto, tiende a deformarlo. La deformación producida dependerá de la dirección, sentido y punto de aplicación donde esté colocada esa fuerza.Los distintos tipos de esfuerzos a que pueden estar sometidos los cuerpos, independientemente de su material y forma, son:

TRACCIÓN

COMPRESIÓN

FLEXIÓN

TORSIÓN

CORTADURA

PANDEO

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8.5. Introducción a los ensayos de materiales

Con objeto de averiguar si un material es más adecuado para soportar alguno o varios de los esfuerzos estudiados anteriormente, se le somete a una serie de pruebas en las que se determina cada una de las propiedades mecánicas, así como la resistencia a un determinado esfuerzo.Algunos de los muchos ensayos empleados son:

TRACCIÓN

FATIGA

DUREZA

RESILIENCIA

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8.6. Criterios para la elección adecuada de materiales

A Propiedades que deben cumplir los materiales

Esfuerzos simultáneos en una pieza. Influencia de la forma en la resistencia de un objeto.

La elección adecuada de un material para una aplicación concreta no es una tarea fácil. Exige un gran conocimiento de las propiedades de un elevado número de materiales, el tipo de esfuerzos a que pueden estar sometidos y cómo se deben diseñar las piezas del conjunto para que resistan mejor esos esfuerzos.

Los ingenieros y diseñadores deberán tener un profundo conocimiento sobre las propiedades de los distintos materiales que puedan emplear para la fabricación de objetos. De esta manera, en un momento determinado, sabrán elegir mejor cuál es el material idóneo para una aplicación correcta. Por ejemplo, en el sector textil la elección de un material para la fabricación de pantalones deberá contemplar varias propiedades: elasticidad, resistencia al rozamiento, aguantar temperaturas medias o elevadas (al lavarlo), que sea agradable al tacto, etc.Esto varía en función de la edad a la que va destinado el producto. Así, si el pantalón va dirigido a niños, deberá prevalecer las propiedades del tacto frente a la de resistencia; mientras que si va dirigido a adultos, se miraría más la durabilidad.

B Tipos de esfuerzosCuando se diseña un producto hay que averiguar a qué tipos de esfuerzos físicos puede estar sometido durante su uso. Siempre se deben suponer las condiciones más desfavorables. Por ejemplo, si una silla debe soportar el peso de una persona de 80kg, se puede considerar que en algún momento podría haber más de una persona encima, como es el caso de un adulto y varios niños.Los esfuerzos a que estarán sometidas cada una de las piezas dependerá del lugar y dirección en el que actúen las fuerzas. Además, una misma pieza u objeto puede verse sometida a diferentes tipos de esfuerzos simultáneamente, como es el caso del trampolín. Ahí se originan dos tipos de esfuerzos simultáneos: torsión (que tiende a retorcerlo) y flexión (que tiende a curvarlo).

C Diseño de piezasUn mismo material, dependiendo de que tenga una forma u otra, según la dirección de la fuerza que actúa sobre él, resistirá mejor o peor los esfuerzos. Por ejemplo, utilizando el mismo tablón de madera para cruzar un pequeño canal, si se coloca según aparece en la imagen, resistirá mejor que cuando se coloca como en la viñeta inferior.

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8.7. Uso racional de materiales

A Agotamiento prematuro de materiales. Los materiales que se emplean para construir productos pueden ser de dos tipos: renovables y no renovables.

Renovables. Son aquellos materiales en los que un uso racional no provocará su agotamiento, ya que, pasado cierto tiempo, se obtendrán otros. Algunos ejemplos son: madera, papel, algodón, lino, etc.

No Renovables. Se trata de aquellos que proceden del interior de la Tierra y que una vez usados, si no se reciclan, pueden acabar agotándose. Este es el caso de todos los metales: cobre, aluminio, hierro, etc. Materiales renovables.

Materiales no renovables.

A lo largo del siglo XX, la cantidad de productos fabricados por persona y año se incrementó en más del 2.500%. En la actualidad, en muchos casos se fabrican productos que se utilizan solamente una vez.Todo ello puede acarrear dos tipos de problemas: agotamiento prematuro de materiales (materias primas) y un excesivo deterioro del medio ambiente.

B Soluciones adoptadas. Las soluciones que se están adoptando para evitar un agotamiento prematuro y el deterioro del medio ambiente son tres: nuevos diseños que conlleven el empleo de menos material, pero manteniendo la misma resistencia, el reciclado y la reutilización de productos.

Nuevos diseños. Un diseño adecuado puede reducir considerablemente el volumen de materia prima empleada para fabricarlo, consiguiendo que resista igual o mejor los esfuerzos normales a los que va a estar sometido. Este es el caso de los botes de refresco, que en los últimos años han reducido su peso en más de un 30%.

Reciclado. Cuando se diseñen y fabriquen productos, se deberán establecer métodos de separación e identificación de distintos materiales, de manera que cuando el producto llegue al final de su vida útil y se vaya a reciclar, puedan separarse y seleccionarse con facilidad las piezas que lo componen. Este es el caso de las piezas de los distintos materiales que componen un automóvil. Hasta hace muy poco tiempo, separar las distintas piezas no era rentable. Diferentes empresas automovilísticas están estudiando sistemas que faciliten esa separación, así como la identificación de los materiales empleados con objeto de que puedan ser reciclados.

Reutilización. Se pretende que, dentro de las condiciones de seguridad pertinentes, se puedan volver a utilizar productos o piezas. Este método ya se emplea desde hace bastante tiempo, como es el caso de botellas de refrescos y algunas piezas de automóviles.

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8.8. Residuos industriales

A Tipos de residuos. Los residuos industriales se pueden clasificar en inertes y tóxicos.

Residuos inertes. Son aquellos que no presentan ningún riesgo para el ambiente ni para las personas, bien porque la propia naturaleza se encarga de degradarlos o porque una vez depositados en el vertedero no experimentan transformaciones físicas, químicas o biológicas importantes.

Residuos tóxicos y peligrosos. Son aquellas sustancias inflamables, corrosivas, tóxicas o que pueden producir reacciones químicas (si su concentración es mayor de un valor determinado), originando peligros para la salud o para el medio ambiente. Estos residuos pueden ser sólidos, líquidos o gaseosos.

B Operaciones a realizar con los residuos. En la actualidad se está trabajando en varias líneas de actuación: la reducción en origen, el tratamiento, la incineración y el vertido controlado.

Reducción en origen. La aparición constante de nuevas tecnologías permite que se generen menos residuos o que parte de ellos se puedan utilizar en otros procesos de fabricación.

Tratamiento. Dependerá del estado (sólido, líquido o gaseoso) del residuo. Los tratamientos más importantes son:

Tratamientos físicos. Consisten en separar el residuo del resto. Para ello se emplean filtros, centrifugado, decantado, etc.

Tratamientos químicos. Consisten en neutralizar el residuo tóxico, haciéndolo reaccionar con determinados reactivos.

Tratamientos biológicos. Ideales para residuos sólidos o líquidos de tipo orgánico. Para tratarlos biológicamente, se hacen fermentar o se introducen en digestores (o biodigestores*), unos tanques en los que se dejan los residuos para que, transformados por microorganismos, se consiga su descomposición bioquímica en sustancias más simples y estables.

Incineración. Los residuos se introducen en hornos especiales, en los que se controla la temperatura, cantidad de oxígeno y tiempo de permanencia. Con ello se reduce su volumen y se obtiene energía térmica.

Vertido controlado. El emplazamiento del vertedero debe ser estudiado con antelación para evitar que los materiales en él depositados puedan contaminar aguas o tierras circundantes a través de filtraciones.

(*)Un digestor de desechos orgánicos o biodigestor es, en su forma más simple, un contenedor cerrado, hermético e impermeable (llamado reactor), dentro del cual se deposita el material orgánico a fermentar (excrementos de animales y humanos, desechos vegetales-no se incluyen cítricos ya que acidifican-, etcétera) en determinada dilución de agua para que se descomponga, produciendo gas metano y fertilizantes orgánicos ricos en nitrógeno, fósforo y potasio.

La industria, para fabricar los productos que usamos diariamente, genera gran cantidad de residuos. Muchos de estos residuos pueden ser reciclados, pero otros no.