Los materiales

1 Introduccin

Los objetos que nos rodean estn fabricados con una gran variedad de materiales que podemos clasificar por su origen.Sin embargo, el criterio ms adecuado para clasificar materiales es por sus propiedades. Las posibles aplicaciones de los materiales dependen fundamentalmente de sus caractersticas.Normalmente, los materiales metlicos no se utilizan en estado puro, sino formando aleaciones. Una aleacin est compuesta de dos o ms elementos, siendo al menos uno metlico. Como por ejemplo: el acero, aleacin de hierro y carbono; el bronce, aleacin de cobre y estao.

Clasificacin segn su origen

Materiales naturales: son aquellos que se encuentran en la naturaleza, como el algodn, la madera, el cobre, el oro, etc.Materiales artificiales: son aquellos fabricados por el hombre a partir de los naturales como el papel, el vidrio o el acero.Materiales sintticos: son aquellos creados por las personas a partir de materiales artificiales. Es decir, no se encuentran en la naturaleza ni ellos ni ninguno de sus componentes. por ejemplo, el polister o el nailon.

Clasificacin general de los materiales

Madera

Metales

Polmeros

Materiales de construccin

Textiles.

2.- Propiedades de los materiales

Son el conjunto de caractersticas que hacen que el material se comporte de una manera determinada ante estmulos externos como la luz, el calor, las fuerzas, etc.Estas propiedades hacen que cada material sea apropiado para unas aplicaciones u otras.

Propiedades pticasOpacos: son los materiales que no permiten que la luz los atraviese.

Transparentes: son los materiales que dejan pasar la luz.

Translcidos: son los materiales que dejan pasar la luz, pero no dejan ver ntidamente a travs de ellos.

Propiedades trmicasConductor: es la capacidad de conduccin de calor.Ejemplo: metales

Aislante: material que ofrecen una resistencia alta a la transferencia de calor. Ejemplo: madera, plsticos.

Fusibilidad: facilidad con la que un material puede pasar de lquido a slido.

Propiedades elctricasConductor: capacidad de un material para dejar pasar a travs de el la electricidad. Ejemplo: metales.

Aislantes: son los materiales que no permiten el paso de la corriente elctrica, ejemplo: madera, plstico, etc.

Semiconductores: son los materiales que slo permiten el paso de la corriente elctrica en determinadas condiciones.

Propiedades qumicasOxidacin: es la resistencia de un material a reaccionar con el oxgeno de la atmsfera formando un xido. Cuando el material se oxida queda recubierto de una capa de xido.

Corrosin: es cuando se produce oxidacin pero en un medio hmedo. Cuando el material se corroe, la capa de xido se desprende del material. La corrosin es ms destructiva que la oxidacin.

Propiedades mecnicasElasticidad: es la propiedad de un material que le hace recuperar su tamao y forma original despus de desaparecer la fuerza que lo deformaba.

Plasticidad: es la propiedad de un material de deformarse y conservar su nueva forma cuando se encuentra sometido a fuerzas que lo deforman.

Ductilidad: es la capacidad de un material para ser estirado en forma de hilos.

Maleabilidad: es la capacidad de un material para cambiar de forma cuando se martilla o lamina, para formas hojas delgadas.

Dureza: es la oposicin que ofrece un cuerpo a dejarse rayar o penetrar por otro.

Resiliencia: es la resistencia que opone un cuerpo a la ruptura por un choque o esfuerzo brusco.

Fragilidad: es la facilidad de los materiales a romperse cuando una fuerza impacta sobre ellos.

Resistencia a la rotura: es la oposicin que opone un material a romperse ante la accin continuada de diferentes esfuerzos (traccin, compresin, flexin, torsin y cizalladura)

Tenacidad: es la propiedad que tienen ciertos materiales de absorber y soportar, sin romperse, los esfuerzos que se les apliquen, pueden llegar a deformarse.

Fatiga: consiste en el desgaste y posterior ruptura de un objeto que , soporta cargas repetitivas, aun cuando estas cargas estn por debajo de su tensin de rotura.

Maquinabilidad: es la facilidad que ofrecen los materiales a ser mecanizados. (cortados)

Acritud: aumento de la dureza, resistencia y fragilidad en ciertos metales, como consecuencia de una deformacin en frio.

PropiedadesSensorialespticasColorTactoTexturaBrilloTranslcidoTrasparenteDurezaOpaco

MecnicasFsicasTenacidadResistencia mecnicaPlasticidadMaleabilidadElasticidadDuctilidad

Conductividad elctricaConductividad trmicaConductividad SonoraDilatacintrmica

QumicasecolgicasResistenciaOxidacinToxicidad

BiodegrabilidadReciclable

3.- Esfuerzos a los que puede someterse un material

Cuando una fuerza acta sobre un objeto, tiende a deformarlo. Las fuerzas o esfuerzos que pueden deformar un material son las siguientes:Traccin: cuando sobre el objeto actan fuerzas que tienden a estirarlo.

Compresin: cuando las fuerzas aplicadas tienden a aplastar o comprimir el objeto.

Pandeo: Cuando se somete a compresin una pieza de gran longitud en relacin a su seccin, se arquea recibiendo este fenmeno el nombre de pandeo.

Flexin: cuando acten sobre el elemento cargas que tiendan a doblarlo. A este tipo de esfuerzo se ven sometidas las vigas de una estructura.

Torsin: Un cuerpo sufre esfuerzos de torsin cuando existen fuerzas que tienden a retorcerlo. Es el caso del esfuerzo que sufre una llave al girarla dentro de la cerradura.

Cizalla o cortadura: Es el esfuerzo al que est sometida a una pieza cuando las fuerzas aplicadas tienden a cortarla o desgarrarla. El ejemplo ms claro de cortadura lo representa la accin de cortar con unas tijeras

4. Criterios para la eleccin adecuada de los materiales

La eleccin adecuada de un material para una aplicacin concreta debe hacerse teniendo en cuenta muchos criterios, entre ellos debemos destacarPropiedades de los materiales.

Tipos de esfuerzo a los que va a estar sometido.

Diseo de la pieza segn su funcionalidad.

Disponibilidad del material.

Coste econmico.

5. La madera

De todos los materiales usados por el ser humano a lo largo de la historia, la madera fue el primero de ellos, gracias a una serie de propiedades como facilidad de conformado, bajo peso especfico, agradable apariencia exterior, propiedades trmicas y mecnicas, Esto ha generado una industria muy importante.La explotacin de los rboles para la obtencin de madera da lugar a graves problemas medioambientales, porque si no se realiza la tala con unos criterios medioambientales, puede producirse una sobreexplotacin que genera deforestacin, prdida de bosques primarios y, desertificacin.

Partes del tronco

Duramen: Formada por clulas muertas que estn muy lignificadas. Su aspecto es seco y duro.

Albura o leo: De aspecto blanquecino, formada por clulas vivas en su parte exterior y es el responsable del transporte de la savia bruta desde la raz del rbol hasta las partes areas. Durante el crecimiento del rbol, las clulas interiores mueren y pasan a engrosar el duramen.

Cambium: Capa de clulas vivas entre la albura y la corteza interna. Durante su crecimiento da lugar a la formacin de la albura y a nuevas clulas de la corteza interna

Liber: Es por donde circula la savia elaborada; est formada por clulas que poco a poco se desplazan al exterior formando la corteza externa. Tambin se denomina floema o lber

Corteza externa: Formada por una capa de clulas muertas, que protege al rbol contra las inclemencias del tiempo y del ataque de insectos y parsitos.

Propiedades de la Madera

Segn el tipo de madera, edad del rbol, zona climtica, las propiedades varan de unos a otros, pero de manera general, las maderas presentan las siguientes caractersticas:Baja densidad: Suelen ser menos densas que el agua (de ah que floten).

Conductividad trmica y elctrica baja: La madera es un excelente aislante trmico (casas de madera en pases fros, por ejemplo). Las maderas ricas en agua son mejores conductores que las secas.

Resistencia mecnica: A la traccin, compresin, flexin, cortadura, desgaste, Es muy resistente al esfuerzo de traccin (estirarse) y bastante resistente a la compresin (aunque la mitad de resistente que a la traccin).

Hendibilidad: Es la facilidad con que se abren las fibras de la madera en sentido longitudinal. Hienden peor las maderas duras, las secas, las resinosas y con nudos. La madera hendible es poco apta para el clavado y para realizar encajes. Si el secado es brusco la madera tiende a abrirse.

Retractabilidad o contraccin: Prdida de volumen al perder parte del agua.

Humedad: Cantidad de agua que tiene la madera en su estructura. Est relacionada con su peso y afecta a otras propiedades fsicas y mecnicas. Elemento que se debe reducir para obtener una madera til, desde un punto de vista tecnolgico.

Dureza: Es la resistencia que ofrece al corte. Aumenta con la densidad.

Flexibilidad: Caracterstica de las maderas jvenes, verdes y blandas, que admiten ser dobladas sin romperse.

Caractersticas estticas: Color, veteado, olor,

Clasificacin

Las maderas pueden clasificarse de muy diversas formas, segn el criterio que se considere. As, podemos clasificarlas atendiendo a su:Dureza

Humedad

Segn su dureza

Maderas blandas: cuyos rboles tienen hoja perenne, son resinosos. Ej: pino, ciprs, abeto, cedro,... Son maderas ligeras, de crecimiento rpido (se observan bien los anillos), de color claro, nudos pequeos, fciles de trabajar y de bajo coste. Se emplean para trabajos en los que no se necesita gran solidez: embalajes, cajas, tablas, mueble funcional sencillo, pasta de papel,

Maderas duras: cuyos rboles tienen hoja caduca. Ej: roble, castao, nogal, olmo, caoba. Madera compacta, poca resina y escasos nudos, amplia gama de colores, de mayor densidad, de crecimiento lento (anillos anuales muy juntos, casi no se diferencian), ms difciles de trabajar, y en general de mayor calidad y precio.Se emplean en trabajos de ebanistera, muebles ms compactos, instrumentos musicales, interiores de barco, andamios de obra,

Segn el grado de humedad:

Maderas verdes: Alto grado de humedad (30 -35%). Maderas recin cortadas que no deben usarse para trabajos, pues al secarse por la contraccin se encogen y agrietan.

Maderas desecadas: Se reduce el grado de humedad hasta el 10 12% por procesos naturales, apilndolas de manera adecuada y permitiendo que el aire circule entre las tablas para ir reduciendo el exceso de agua.

Maderas secas: Se reduce la humedad hasta el 3% empleando procesos artificiales. Las maderas se secan de forma ms rpida por mtodos artificiales, en grandes hornos, consiguiendo la dureza y resistencia deseadas.

Obtencin de la madera

Tala: Es la primera operacin para la obtencin de la madera, y la calidad de sta depender del aspecto y constitucin del rbol y de la poca de la tala, consiste en el corte del rbol por su base.

Transporte: Para sacar la madera del bosque a la va accesible ms cercana se utiliza maquinaria especializada capaz de alcanzar cualquier zona del monte. Una vez aqu, son el camin y el ferrocarril los medios ms utilizados. Si hay vas de agua se usan para transportar los troncos.

Descortezado: Es decir se le quita la corteza que envuelve el tronco.

Tronzado: Consiste en cortar los troncos en piezas ms pequeas.

Troceado y despiece (aserrado): Conjunto de operaciones que se realizan para dividir el tronco en planos paralelos a un eje. El objetivo es conseguir piezas de unas dimensiones determinadas para su uso en taller.

Secado: Antes de poder usar las tablas y tablones para fabricar objetos, es necesario reducir el grado de humedad hasta un valor inferior al 15%. Con esto se consigue evitar deformaciones posteriores, reducir el peso, con el consiguiente ahorro en transporte, incrementar la resistencia .

Cepillado: Tiene como objetivo principal eliminar cualquier irregularidad y mejorar el aspecto final.

MaderaNaturalDuraBlandaArtificial AglomeradoContrachapadoTablero de fibraDerivadosPapelCatnCorcho

Productos derivados de la madera

El trabajo de la madera, muchas veces requiere piezas de grandes dimensiones no disponibles en madera maciza. Para ello, se han elaborado una serie de productos prefabricados de dimensiones y grosores variables, en los que se combinan virutas, chapas, aglomerantes, para conseguir el producto adecuado.

Aglomerado: Est compuesto de pequeas virutas, fibras de madera y serrn a lo que se ha aadido cola. Una vez mezclado se coloca sobre planchas de medidas normalizadas, presionndolo fuertemente hasta que se haya secado. Se emplea en revestir techos, fondos de cajones, puertas, divisin de interiores,... Los aglomerados son relativamente econmicos y pesados y se presentan en grandes tableros, lo que facilita el corte en piezas adaptadas a la medida exigida.

Contrachapado: Consiste en colocar, encolndola, lminas fina de madera noble una sobre otra. Se suelen disponer de modo que su veteado es perpendicular entre s. El nmero de lminas es un nmero impar.

Tableros de fibra: Tambin llamados tableros DM o tblex: Son tableros de madera aglomerada, pero en este caso la viruta ha sido previamente molida. El serrn molido es mezclado con cola o resina sinttica y prensado.

Papel

Es una hoja delgada y lisa, preparado con fibras vegetales. Qumicamente est constituida por celulosa impura, sustancia que forma el armazn de las plantas y que se encuentra en las clulas de los tejidos vegetales. Las propiedades fsicas y qumicas de las celulosas varan mucho segn la procedencia, lo que le dar al papel unas cualidades diferentes. La mayor parte del papel se prepara con pasta de celulosa procedente de la madera, 55%, sobre todo de conferas (pino,), de otras fibras vegetales denominadas no madereras, como fibras de algodn y de lino en forma de desperdicios, trapos, papeles viejos,Para fabricar una tonelada de papel a partir de celulosa virgen, se necesitan 2400kg de madera, 200.000 litros de agua y unos 7000kWh de energa; para obtener la misma cantidad con papel usado, se necesitan unos 2000 litros de agua y unos 2500kWh de energa.

Aplicaciones de la madera

La madera se ha utilizado tradicionalmente en la construccin en columnas y vigas, aunque actualmente ha sido sustituida por el hormign y el acero. Sigue utilizndose en:Puertas, ventanas, marcos, muebles, Las de gran resistencia mecnica (pino, abeto, cedro)

Muebles, carpintera interior. Las que presentan veteados vistosos y admiten un buen pulido (haya, fresno, nogal, roble)

Muebles de lujo, esculturas, instrumentos musicales. Las exticas (caoba, bano). Tambin se laminan en chapas delgadas, 0,4 0,6 mm, para revestir tableros de maderas ms baratas.

Tratamientos de la madera

Generalmente, la madera una vez trabajada, debe sufrir algn tratamiento complementario que garantice su proteccin de agentes externos (humedad, sol, hongos, insectos,). Los recubrimientos protectores no influyen en la estructura de la madera, aumentan la duracin del trabajo y facilitan su conservacin y buen aspecto. Estos tratamientos consisten en la aplicacin de pinturas, ceras, barnices, tintes,.. que, adems de proteger, dan una esttica adecuada.

6. Metales ferrosos

Definicin: Se llaman metales ferrosos a aquellos que contienen hierro como elemento principal, pudiendo adems llevar pequeas proporciones de otros elementos. (aceros y fundiciones)

Tipos de minerales de hierro: Actualmente los minerales de hierro que se aprovechan para obtencin del hierro son: magnetita, hemates, limonita y siderita. Se obtienen fcilmente ya que estos minerales se encuentran prximos a la superficie.

Proceso de obtencin del acero y otros productos ferrosos se llama siderurgia o metalurgia del hierro a todo el conjunto de operaciones destinadas a la obtencin de metales ferrosos.

Actualmente los productos ferrosos se obtienen de dos maneras, dependiendo de la materia prima empleada. El horno alto se emplea con materia prima mineral de hierro; y el horno elctrico cuando la materia prima es la chatarra.

Obtencion de aceros y fundiciones

El alto horno

Horno alto: Un alto horno est formado por una cpsula cilndrica de acero de unos 30 m de alto forrada con un material no metlico y resistente al calorMateria prima: mineral de hierro, carbn de coque y caliza (fundente) El coque se quema como combustible para calentar el horno, y al arder libera monxido de carbono, que se combina con los xidos de hierro del mineral y los reduce a hierro metlico. La caliza se emplea como fuente adicional de monxido de carbono y como sustancia fundente. La piedra caliza fundida se convierte en cal, la cual se combina con el azufre y otras impurezas. Esto forma una escoria que flota encima del hierro derretido.En este proceso se obtiene el arrabio, que contiene muchas impurezas y un exceso de carbono.Tambin se obtiene como desecho la escoria.A continuacin, el contenedor lleno de arrabio se transporta en cucharas al Convertidor LD

Afino del acero

Horno elctrico

Materia prima: a partir de chatarra y aadiendo , fundente y ferroaleaciones

Su funcionamiento se basa en la fusin de las chatarras por medio de una corriente elctrica. La energa empleada para la fusin de la chatarra se logra con un arco elctrico que se hace saltar entre electrodos que se introducen por la parte superior.

Se obtiene el acero lquido. Tambin se obtiene como desecho la escoria.

colada

El acero lquido se solidifica en moldes o lingoteras. La colada puede ser de tres tipos:Colada Convencional: El acero lquido se vierte sobre unos moldes que tienen la forma del producto final y que cuando se enfra tiene la forma deseada.Colada continua: Se produce cuando el acero liquido se vierte sobre un molde de fondo desplazable cuya seccin tiene la forma que nosotros deseamos que tenga el producto final (vigas cuadradas, redondas, triangulares, planchas...).Se le llama colada continua porque el producto sale sin parar hasta que seacaba el contenido de la cuchara.Colada sobre Lingoteras: El acero lquido se vierte sobre unas lingoteras (piezas prismticas) que despus debern sufrir un proceso de laminacin o transformacin.

Productos ferrosos

Se clasifican segn el porcentaje de carbono:Ferrita (0,01 - 0,03 % de C). Son muy blandos, maleables y magnticos. Tienen pocas aplicaciones industriales, excepto para fabricacin de imanes y electroimanes.

Acero (0,03 2,11 % de C). Es un material duro, flexible, tenaz, oxidable y corrosible, y cuando disminuye el porcentaje de carbono es dctil y maleable. Sus aplicaciones fundamentales es en estructuras de edificios y en fabricacin de piezas mecnicas.Se pueden clasificar segn si va aleado (con otros componentes) o no.

Fundiciones (2,11 6,67 % de C) : Funden a menor temperatura que los aceros, no son dctiles ni maleables, sueldan con dificultad, resistentes a los esfuerzos y fcil mecanizado. No son forjables se utilizan principalmente en fabricacin de piezas mediante moldes y piezas que deben ser sometidas a grandes esfuerzos mecnicos.

Grafito (carbono puro que aparece cuando existen aleaciones con porcentajes mayores del 6,67 % de C). Es un mineral negro, blando, de tacto graso, conductor y en la prctica no tienen aplicaciones debido a que son muy frgiles.

7. Metales no ferrosos.

ClasificacinPesados: su densidad es 5 kg/l. Estao, cobre, zinc, plomo, cromo, nquel, wolframio y cobalto.

Ligeros: su densidad varia de 2-5 kg/l. Aluminio y titanio.

Ultraligeros: su densidad es < 2 kg/l. Magnesio y berilio

Metales pesados

Estao: SnMineral de origen: casiterita.

Caractersticas:Metal plateado.

Bajo punto de fusin.

No se oxida fcilmente y es resistente a la corrosin.

Maleable y blando.

Una de sus caractersticas ms llamativas es que bajo determinadas condiciones forma la peste del estao. Al doblar una barra de este metal se produce un sonido caracterstico llamado grito del estao, producido por la friccin de los cristales que la componen.

Aleaciones y aplicaciones: Bronce: Cu y Sn. Se utilizan en fabricacin de campanas y engranajes.

Soldadura blanda: Pb y Sn. Se utiliza para soldar componentes electrnicos.

Hojalata: recubrimiento de una chapa de acero con capas finas de estao, para proteger al acero de la corrosin

Cobre: CuMineral de origen: calcopirita, calcosina, malaquita y cuprita.

Caractersticas Color rojizo y brillo metlico

Es uno de los mejores conductores de electricidad (el segundo despus de la plata).

Alta ductilidad y maleabilidad, no se oxida fcilmente y es resistente a la corrosin

Aleaciones y aplicaciones:Bronce: Cu y Sn. Se utilizan en fabricacin de campanas y engranajes.

Latn: Cu y Zn. Se utilizan en ferretera.

Cuproaluminio: Cu y Al. Muy utilizadas en orfebrera y para trenes de aterrizaje de aviones.

Alpaca: Cu, Ni y Zn. Son aleaciones resistentes a la corrosin marina. Se utilizan en fabricacin naval, fontanera, telecomunicaciones y ferretera.

Cuproniquel: Cu y Ni. Se utiliza para monedas y en electricidadelectrnica

Otras aplicaciones::Fabricacin de cables elctricos, as como en motores, generadores y transformadores.

Tuberas para transporte de agua, debido a su resistencia a la corrosin y sus propiedades anti-bacterianas.

Cinc: ZnMineral de origen: blenda y calamina.

Caractersticas Metal de color blanco azulado

El aire seco no le ataca pero en presencia de humedad se forma una capa superficial de xido que asla al metal y lo protege de la corrosin.

Presenta una gran resistencia a la deformacin plstica en fro, pero entre 100 y 150 C es muy maleable.

Aleaciones y aplicaciones:Latn: Cu y Zn. Se utilizan en ferretera.

Alpaca: Cu, Ni y Zn. Son aleaciones resistentes a la corrosin marina. Se utilizan en fabricacin naval, fontanera, telecomunicaciones y ferretera.

Zamak: Al, Cu y Zn.. Se utiliza en fabricacin de piezas de gran precisin, como en el caso de la automocin.

Otras aplicaciones::Chapas: canalones, cornisas, tuberas y recubrimientos de pilas.

Galvanizado: bao de acero u otros metales en zinc fundido. Protege de la oxidacin.

Pinturas metalizadas con polvos de Zn, que protegen de la oxidacin.

Plomo: PbMineral de origen: galena.

Caractersticas Metal de color grisceo blanco-azulado.

Muy pesado, de elevada densidad.

Maleable y blando.

Funde con facilidad. (bajo punto de fusin).

Se oxida con facilidad, formando una capa de xido que lo autoprotege.

Es relativamente resistente al ataque de cido sulfrico y cido clorhdrico, aunque se disuelve con lentitud en cido ntrico.

Es muy txico.

Aleaciones y aplicaciones:Soldadura blanda: Pb y Sn. Se utiliza para soldar componentes electrnicos

Otras aplicaciones::Embalajes protectores de radiaciones.

Recubrimiento de bateras..

Pinturas al minio: con xido de plomo, que protegen de la oxidacin.

Cromo: CrAlta resistencia a la corrosin y oxidacin, por lo que se utilizan para fabricacin de acero inoxidable

Nquel: NiAlta resistencia a la corrosin y oxidacin, por lo que se utilizan para fabricacin de acero inoxidable

Wolframio o Tungsteno:Punto de fusin muy alto, por lo que se utilizan para filamentos de bombillas.

Muy duros, por lo que se utilizan como herramientas de corte.

Metales no ferrosos ligeros

Aluminio: AlMineral de origen: bauxita.

Caractersticas Metal de color blanco-plateado.

Muy ligero, de baja densidad.

Alta resistencia a la corrosin

Buen conductor de la electricidad y el calor

Muy maleable y dctil.

Aleaciones y aplicaciones:Aluminio + Cobre (duraluminio) y Sn. Se utiliza para sartenes, llantas de coche, bicicletas, etc.

Aluminio + Magnesio. Se utiliza para aeronatica y automocin.

Aluminio + Niquel + Cobalto. Se utiliza para potentes imanes

Otras aplicaciones: Fabricacin de cables elctricos.

Lminas para embalaje alimentario (papel de aluminio).

Fabricacin de latas y tetrabriks.

Titanio: TiMineral de origen: rutilo e ilmenita.

CaractersticasMetal de color blanco-plateado.

Muy ligero, de baja densidad.

Alta resistencia a la corrosin y la oxidacin

Muy maleable y dctil.

Muy resistente a la traccin y muy tenaz.

Aplicaciones: Industria aeronatica y espacial.

Construccin naval.

Prtesis de diferentes piezas en medicina.

Intercambiadores de calor en centrales elctricas.

Industria relojer

Metales no ferrosos ultraligeros

Magnesio: MgMineral de origen: carnalita, dolomita y magnesita.

CaractersticasMetal de color blanco-plateado.

Maleable y poco dctil.

inflamable fcilmente

Aplicaciones:Industria pirotcnica.

Aleaciones y aplicaciones:Magnesio + Aluminio. Se utiliza para envases de bebidas y en la industria de automocin.