materiales metálicos. propiedades mecánicas

¿Recuerdas qué es…?
• Con frecuencia, algunas
personas denominan de la
misma forma al hierro y al acero.
¿Sabrías explicar de forma
razonada el error que cometen?
• Con material similar al que
utilizan los arácnidos para
construir las «telas de araña»,
unos científicos españoles están
tratando de obtener un cable
muchísimo más resistente y
flexible que el mejor de los
aceros actuales.
• Los bronces y los latones
son aleaciones. ¿Sabes qué
materiales los constituyen?
1
MATERIALES METÁLICOS.
PROPIEDADES MECÁNICAS
Los materiales, atendiendo a su origen,
se clasifican en materiales naturales,
transformados y sintéticos, si bien también
es frecuente clasificarlos atendiendo a si
éstos son o no metálicos, y dentro de los
metálicos, en férricos y no férricos.
El hierro es uno de los materiales más
abundantes en la corteza terrestre. Algunos
de los objetos de hierro más antiguos
datan de hace más de 9 000 años, e incluso
varios de ellos han sido encontrados en las
pirámides de Egipto.
Los contenidos de esta Unidad son:
1. Los materiales.
2. Materiales férricos.
3. Metales no férricos.
4. Propiedades de los materiales.
1
LOS MATERIALES
1
Como ya estudiamos en primer curso, podemos clasificar los
materiales atendiendo a su origen en naturales, transformados y sintéticos.
Los materiales naturales, como su nombre indica, son
aquellos que el ser humano encuentra y utiliza directamente en el medio natural, y que a su vez pueden ser
renovables (como la madera, el algodón, etc.), o no renovables (como los metales, el carbón, el petróleo, etc.), y
sirven como materia prima para obtener los materiales
transformados o artificiales.
Natural
Sintético
Artificial
Materiales naturales, transformados y
sintéticos..
Fig. 1.1
Materiales
Fig. 1.2
{
Metálicos
{
{
Hierro
Férricos Acero
Fundición
{
Los materiales sintéticos son todos aquellos que se obtienen mediante procesos artificiales de transformación, es
decir, se caracterizan porque no existen en la naturaleza.
Cobre y
Pesados aleaciones
No férricos Ligeros A Aluminio
Ultraligeros A Magnesio
{
{
Maderas y derivados
No metálicos Pétreos
Cerámicos
Plásticos
Tipos de materiales más utilizados en la industria.
Clasificación.
2
Con frecuencia, los materiales también se
clasifican atendiendo a si éstos son metálicos o no metálicos, ya que en esta clasificación se pueden englobar la mayor parte de
los materiales utilizados en la industria.
En este curso analizaremos los materiales
metálicos, tanto los férricos como los no férricos, pues las maderas y sus derivados fueron
analizadas el curso anterior, y dejaremos el
estudio de los materiales pétreos, cerámicos y
los materiales plásticos para el próximo curso.
MATERIALES FÉRRICOS
En tiempos remotos, el hierro procedente de
meteoritos fue tal vez el primer metal utilizado por
el ser humano para la fabricación de utensilios, ya
que para moldear el metal de estos asteroides se
podían emplear más o menos las mismas técnicas
que para el trabajo de la piedra.
Fig. 1.3
8
Técnica de forjado utilizada por el ser humano en
la Antigüedad.
En las pirámides de Egipto se han encontrado objetos fabricados en hierro con una antigüedad cercana a los 9000 años; en distintas zonas de Asia
y Mesopotamia también han aparecido anillos y
amuletos fabricados con este material correspondientes a la misma época.
El forjado es una operación que consiste en someter a un material en
caliente a un golpeteo continuo, hasta obtener en éste la forma y dimensiones deseadas.
Éste fue el método empleado inicialmente por el ser humano para trabajar el hierro procedente de los meteoritos. Hubieron de transcurrir miles
de años hasta poder dominar su metalurgia. Esto ocurrió gracias a Henry
Bessemer, que en 1856 ideó un procedimiento que permitía fabricar acero
de calidad, de forma rápida y barata.
A
PROCESO DE EXTRACCIÓN DE LOS MINERALES
DE HIERRO
Fig. 1.4
Los minerales de hierro utilizados en la industria siderúrgica proceden de
las minas de hierro. En estos lugares el mineral de hierro suele encontrase
mezclado con otras impurezas (tierra, rocas, otros minerales, etc.). Durante
el proceso de arranque o extracción de estos minerales en las minas, se
obtiene un primer producto denominado todouno constituido por bloques de diversos tamaños y riquezas de mineral. Estos bloques, una vez
extraídos, se someten a un tratamiento preliminar con objeto de separar el
mineral de hierro aprovechable —o mena de las impurezas o estériles que
acompañan al mineral— y, obtener un tamaño de mineral adecuado, a la
vez que se evitan los rechazos de los finos (minerales que por su pequeño
tamaño no son aptos para ser utilizados en los procesos siderúrgicos).
Recuerda
Se denomina todouno al conjunto de materiales arrancados
de una mina (mena y ganga).
Todouno
(mineral de Fe)
Mena
En la Figura 1.5 se ha representado el proceso de preparación al que, normalmente, se someten los minerales de hierro antes de ser utilizados en las
industrias siderúrgicas. Observa cómo, en primer lugar, se somete al mineral
a una fragmentación y molienda, y en segundo lugar se clasifica el producto
por tamaños, con objeto de obtener unas dimensiones adecuadas del todouno que faciliten la concentración posterior del mineral, es decir, la separación de la parte de la fracción estéril o ganga contenida en el todouno de la
mena o fracción aprovechable del mineral.
Fig. 1.5
1. Extracción de todouno
2. Fragmentación
Machacadora
de mandíbulas
(50-100 mm)
Mina
Todouno
9. Alto
horno
Parque de
materiales
7. Expedición a
industria siderúrgica
Proceso de preparación
de los minerales de hierro.
Polos
magnéticos
Molino de bolas (1,2-1,7 mm)
4. Cribado
8. Mezcla y
Homogeneización
Ganga
5. Concentración
Agua y bruto
3. Molienda
Trituradora
de martillos
(15-20 mm)
Pila
Forjado de una pieza
con un martillo pilón.
Criba vibratoria
6. Aglomeración
Sintetizado
Horno
(bolas)
Pelets
(trozos de
mineral
más
grandes)
Ganga o
estériles
Concentrado Estéril
Concentración magnética
Canal de conducción
de gruesos
Suspensión
Producto
a separar
Gruesos
Finos
Concentración gravimétrica
Biela Tabique de
Pistón
separación
Producto puesto
en suspensión
por la corriente
ascendente
Concentración por flotación
9
1
B
PROCESO DE OBTENCIÓN DE LOS ACEROS
Y FUNDICIONES
En la Figura 1.8 se ha representado el proceso que se sigue en un alto horno
para la obtención de los aceros y fundiciones. Comprueba cómo, dependiendo del material de partida utilizado para la obtención del acero y de
las fundiciones, éstos se pueden obtener por un lado, en los altos hornos,
cuando partimos de una mezcla de minerales de hierro, fundentes (caliza) y
carbón de coque (cok); y por otro en hornos eléctricos cuando la materia prima de partida está constituida por chatarra, fundentes y ferroaleaciones.
Fig. 1.6
Mina de hierro.
PRINCIPALES MATERIAS PRIMAS PARA OBTENER EL ACERO
Fundente (piedra caliza)
Tubo de
recogida
de gases
1/2 t
Tratamientos
preliminares
Observa
El primer hierro fundido
que se consigue en un
alto horno se denomina
arrabio, a partir
del cual, según qué
proceso de afino se haya
seguido, se obtendrá la
fundición o el acero.
Cuchara
Ferroaleaciones
Carbón de coque
1t
Fundente
Mineral de hierro
2t
Horno
eléctrico
Arrabio
Alto horno
Colada
tradicional
Escoria
Torpedo
Pieza fundida
terminada
Lingotera
Convertidor
Grúa de deslingotar
Cuchara
Lingotera
Perfiles
comerciales
Colada de lingotes
El acero líquido se vierte en un
molde (lingotera). Una vez sólido
se quita el molde
Tren
debastador
(en caliente)
Fig. 1.7
Colada.
Bloom
Bobinas
Chapas galvanizadas
Hojalatas
Alambres
Redondos calibrados
Etcétera.
10
Colada
continua
En caliente se deforman
los blooms para obtener
perfiles estructurales,
carriles, barras, etc.
Trenes
especiales
de acabado
Fig. 1.8
Proceso de
obtención de
los aceros y
fundiciones.
C
HIERRO, ACERO Y FUNDICIÓN. PROPIEDADES
CARACTERÍSTICAS
Con frecuencia utilizamos de forma errónea los términos hierro, acero y fundición para identificar y definir un material de origen férrico, sin tener en
cuenta las características que les diferencian.
El hierro no se encuentra en la naturaleza en estado puro, sino combinado
con otros elementos químicos formando los distintos minerales de hierro
(oligistos, hematites, limonitas, sideritas, magnetitas, piritas...), los cuales
son tan abundantes que representan casi el 5 % de la corteza terrestre.
El hierro puro como tal es un elemento químico que no tiene prácticamente aplicación industrial ya que presenta una baja resistencia mecánica y se
oxida fácilmente, por lo que se ha de combinar con otros elementos (principalmente el carbono) para formar aleaciones tan conocidas como el acero
y las fundiciones. Pero, ¿qué son el acero y las fundiciones?
El acero es una aleación de hierro con un porcentaje de carbono inferior al
1,76 %. La fundición es igualmente una aleación de hierro con carbono, pero con un porcentaje superior en carbono, que puede oscilar entre el 1,76 %
y 6,67 %.
Las piritas son menas de
hierro. Debes saber que el
hierro es uno de los metales más abundante
de la corteza terrestre.
Fig. 1.9
Aclarando conceptos
LECHE
Para facilitar su estudio y aclarar conceptos, comparemos
ambas aleaciones con dos vasos de leche y cacao. La leche
será el acero y el cacao el carbono.
Si en un vaso de leche (hierro)
echamos un poco de cacao
(carbono) de forma que éste se
En los aceros, el hierro y el carbono,
disuelva totalmente, obtenen cierta forma, los podemos
dremos una disolución en la
comparar con la leche y el cacao.
que ambos elementos se encuentran totalmente «disueltos». A esta aleación la denominamos acero y, al analizarla al
microscopio, se puede observar cómo el carbono se encuentra totalmente disuelto.
Si seguimos añadiendo más cacao (carbono) a la disolución
anterior, llega un momento en que ésta ya no es capaz de
disolver más cacao (carbono), por lo que el cacao (carbono)
que no se ha disuelto precipita al fondo del vaso. En ese momento coexisten el cacao disuelto y el cacao disperso y precipitado. A ese conjunto lo denominamos fundición; en muchas fundiciones, al observarlas al microscopio, se puede
observar el carbón disperso.
En el acero,
el carbón se
encuentra
«disuelto»
o «combinado»
Acero
La leche es capaz de disolver
totalmente pequeñas
cantidades de cacao,
influyendo
su
temperatura
en la
cantidad
de cacao
disuelto
En las fundiciones,
normalmente,
parte del carbono se
encuentra
sin combinar
Fundición
Cacao
precipitado
sin disolver
11
1
D
Sabías que...
A diferencia de los aceros,
las fundiciones presentan una
resistencia baja a los choques
o impactos, son poco dúctiles y
maleables y suelen ser difíciles
de soldar.
Capa muy
fina de
estaño
Acero blando
Fig. 1.10
Fig. 1.11
La hojalata está formada por
un núcleo de acero blando
recubierto por una capa de
estaño muy fina.
Cuchara en proceso de colado de
una pieza de fundición.
PROPIEDADES Y APLICACIONES DE LOS ACEROS
Y FUNDICIONES
El acero es un material de color blanco grisáceo y fibra continua, muy
resistente a todo tipo de esfuerzos, principalmente a los de tracción, es
dúctil y maleable, muy tenaz y se puede mecanizar, soldar y forjar. Estas
propiedades le hacen idóneo como material base para construir todo tipo
de estructuras, máquinas y mecanismos. Es buen conductor de la corriente eléctrica, si bien ésta no es su principal propiedad, ya que existen otros
metales que son mejores conductores, como el cobre, el aluminio...
Otra propiedad que le caracteriza es que, mediante el empleo de técnicas
de calentamiento y enfriamiento específicas, denominadas tratamientos
térmicos, es posible variar sus propiedades y características mecánicas.
Partiendo de la aleación base (Fe-C) descrita anteriormente, y en función
del porcentaje en carbono, se obtiene una gran variedad de tipos de aceros
aleados, simplemente añadiendo durante el proceso de fabricación otros
elementos (níquel, cromo, volframio...) en pequeños porcentajes que mejoran sus propiedades, obteniéndose así, por ejemplo, aceros inoxidables,
resistentes al desgaste, etcétera.
Los aceros no sólo se emplean como elemento resistente en las estructuras
o formando parte de los objetos más diversos. Otra forma de utilizarlos
consiste en recubrirlos con otro metal, de este modo se consiguen una gran
variedad de aplicaciones, como los aceros galvanizados (cinc), hojalatas
(estaño, véase la Figura 1.11), aceros cromados, niquelados... Nosotros, en
el aula de tecnología, utilizaremos el acero en forma de varillas, alambres,
puntas y tornillería.
La fundición suele ser de color más grisáceo que los aceros. Entre sus
ventajas se encuentra la posibilidad de obtener piezas de geometría
complicada mediante procesos de colado, presentando una mayor resistencia a la corrosión que los aceros y una mayor facilidad para la transmisión del calor. Igualmente se utiliza en máquinas o diseños sometidos
a vibración (bancadas de máquinas-herramientas como el torno, taladradora, etc.), ya que los pequeños trocitos de carbón que poseen las
fundiciones interrumpen e impiden la transmisión de vibraciones; estos
trocitos de carbono actúan como minúsculos «colchones» que amortiguan las vibraciones.
Experiencia
¿Fundición o acero?
Limadura que mancha
los dedos ‰ Fundición
12
Viruta
limpia ‰ Acero
¿Cómo podemos reconocer algunos tipos de fundiciones?
Aunque ya hemos dicho antes que no todas las fundiciones presentan
las mismas características, algunas podemos identificarlas con facilidad
limando ligeramente la pieza que deseas identificar. En el caso de que
sea un acero (o en algunos tipos de fundiciones) obtendrás una viruta o
limadura limpia, ya que el carbón se encuentra totalmente combinado.
En la mayoría de las fundiciones la viruta o limadura obtenida suele venir
acompañada de pequeños trocitos de carbón, que al tocarlos te tiznarán
los dedos (véase la Figura 1.12).
Fig. 1.12
Las limaduras de las fundiciones suelen tener pequeñas partículas de carbón
grafito que manchan los dedos.
3
METALES NO FÉRRICOS
Como metales no férricos se agrupan el resto de los metales utilizados por
el ser humano, si bien, y por su importancia, únicamente estudiaremos el
cobre y sus aleaciones como ejemplo de metal y aleaciones pesadas y el
aluminio, como elemento representativo de metales ligeros.
A
{
Pesados A Cobre y aleaciones,
plomo, estaño
Metales
no
férricos Ligeros A Aluminio
Ultraligeros A Magnesio
METALES PESADOS. UN POCO DE HISTORIA
Se cree que el cobre, al encontrarse con facilidad en estado natural (véase la
Figura 1.13) , fue uno de los primeros metales utilizados por el ser humano,
ya que si bien el hierro se utilizó en épocas anteriores, su metalurgia aun
tardó miles de años en desarrollarse.
Los objetos más antiguos de cobre encontrando en algunas tumbas reales
de Egipto, en forma de puñales, vasos y objetos diversos, tienen una antigüedad media que puede superar los 6000 años. Más tarde la utilización de
este metal se extiende a Irán, Mesopotamia y la India, y posteriormente, a
comienzos del tercer milenio a.C., llegó a China.
Al principio el cobre se trabajaba empleando técnicas de forja; es decir, se
calentaba y golpeaba repetidamente la pieza de cobre hasta obtener la
forma y dimensiones deseadas, consiguiendo así que los objetos de cobre
fabricados con esta técnica adquiriesen una mayor dureza.
Fig. 1.13
Mineral de cobre nativo
prácticamente puro.
Recuerda
Una aleación es una mezcla
de dos o más metales en
estado líquido (fundido),
de forma que el producto
resultante suele presentar
mejores propiedades que las
de los distintos elementos que
la forman por separado.
Fig. 1.14
Hace más de 6 000 años los egipcios ya obtenían objetos de cobre empleando técnicas de forja.
Pero el ser humano pronto dejó de fabricar piezas sólo con cobre cuando
en la zona de Mesopotamia descubrió las enormes ventajas que presentaba
este metal si se le combinaba en proporción adecuada con el estaño, obteniendo así la primera aleación de todo los tiempos, el bronce.
13
1
El descubrimiento del bronce, hace más de 5000 años, desencadenó una
verdadera revolución social y económica, ya que a partir de aquel momento
se experimentaron nuevas técnicas de fundición, algunas de las cuales se
aplicaron para conseguir otros metales como lplata, estaño y plomo, con lo
que aparecieron nuevos productos que provocaron un desarrollo espectacular en el comercio de la época; por ello a este periodo se le ha denominado Edad de Bronce.
Cobre
Tuvieron que transcurrir casi mil años para que se descubriese una nueva
aleación de cobre denominada latón (cobre + cinc), con la que los romanos,
cientos de años más tarde, acuñaron sus monedas.
Estaño
Cinc
El bronce y sus aleaciones se siguieron empleando hasta que los hititas
(tribus que vivieron hace 4000 años en las montañas de Armenia) lograron
fundir los minerales de hierro, metal que por sus propiedades sustituyó en
gran parte al bronce utilizado hasta entonces.
Bronce
Fig. 1.15
Fig. 1.16
A1
Latón
El cobre
Principales aleaciones de cobre.
El cobre es un material de color rojizo que se oxida ligeramente en contacto con el aire, adquiriendo una tonalidad verdosa. Posee una resistencia a la tracción media de 30 a 35 kg/mm2 y una densidad que oscila entre
8 y 8,75 kg/dm3. Es muy dúctil, maleable y tenaz, admite la soldadura y
el trabajo de forja, y es uno de los mejores conductores eléctricos. Por
este motivo, se utiliza de forma masiva en la fabricación de conductores
eléctricos o piezas que se han de comportar como tales. Sin embargo,
para ciertas aplicaciones se utiliza aleado con otros elementos (estaño,
cinc...), ya que combinado con ellos se mejoran considerablemente sus
propiedades mecánicas.
La cuprita es una de las menas
de la que se obtiene el cobre.
4. Separación por flotación
5. Tostación del cobre
(horno de pisos)
Agua
1. Trituración
3. Molienda
Mineral de
cobre
2. Cribado
Fuel
Ganga
Finos
tamizados
Gruesos
Anillo de
lingoteras para
colada continua
Lingoteras
Concentrado de cobre
de baja riqueza
Separación
del
hierro
Fábrica de
ácido sulfúrico
Aire
6. Horno de fusión
7. Convertidor
Escorias
Mata cobre 40 %
(cobre blister)
8. Colada para
la obtención
de ánodos
Colada en
línea
Tratamiento de lodos
(oro, plata, platino, etc.)
Ánodo
(320 kg)
Cobre puro (99,9 %)
14
Cátodo
(5 kg)
Mata de cobre
(concentrado de cobre
de baja riqueza)
9. Afinado electrolítico
Fig. 1.17
Proceso de
obtención del
cobre por vía
seca.
A2
Bronces
Los bronces son aleaciones de cobre y estaño, cuya proporción de estaño puede alcanzar el 35 %. Este porcentaje depende del uso que se vaya
a dar al bronce, e influye en el color y tonalidad del bronce obtenido.
Cobre
Estaño
Entre las distintas aplicaciones que podemos encontrar en los bronces,
ordenadas de menor a mayor porcentaje en relación al estaño que éstos
contienen, tendremos: objetos para bisutería y joyería, acuñamiento de
monedas y elementos mecánicos como engranajes y cojinetes, grifería..., así
como los bronces que poseen una gran sonoridad empleados en la construcción de campanas y platillos. Por último, los bronces que contienen
mayor porcentaje de estaño (35 al 40 %) tienen la propiedad de que pueden ser pulidos, por lo que en la antigüedad fueron utilizados para fabricar
espejos metálicos.
Bronce
Cobre
Cinc
Fig. 1.18
A3
Las aleaciones de bronce constituyen uno de los materiales más versátiles con el
que fabricar todo tipo de objetos para las más diversas aplicaciones.
Latón
Latones
Los latones son aleaciones de cobre y cinc muy dúctiles y maleables, de
alta resistencia mecánica y difícil corrosión, propiedad de la que se derivan múltiples aplicaciones en tornillería, construcciones navales, piezas
de máquinas…
El color de los latones depende de la proporción de cinc, y comprende desde el color rojizo hasta alcanzar tonos como el rosa-dorado, y el amarillo en
aquellos latones con mayor porcentaje de cinc. Admiten un pulido excelente, motivo por el cual son utilizados en joyería y orfebrería.
Estas aleaciones encuentran múltiples aplicaciones industriales en tornillería, carcasas y piezas para maquinaria, etc. Nosotros, en el aula de tecnología, lo podremos encontrar en piezas comerciales que con regularidad
utilizamos en forma de casquillos, topes, hélices, engranajes, poleas, chapas
de pequeño espesor (véase la Figura 1.19) que utilizamos para obtener contactos y piezas que diseñamos y construimos expresamente para incluir en
nuestros proyectos.
Fig. 1.19
Operadores de latón de utilización
frecuente en el aula de tecnología.
15
1
B
Bauxita
5t
1.a Fase
2.a Fase
El aluminio es un metal de color blanco, maleable, admite el pulido y es
fácil de trabajar. Prácticamente no se oxida al aire, y es un buen conductor del calor y de la electricidad, propiedades que unidas a su ligereza
(densidad 2,7 kg/dm3) y al hecho de que puede alearse con otros elementos para mejorar sus propiedades y resistencia mecánica, han propiciado
que, actualmente, sea uno de los metales más utilizados.
Fuel
0,5 t
Alúmina
2 Tn
Cal 0,25 t
EL ALUMINIO
Sosa
0,25 t
El método Bayer utilizado industrialmente para la obtención del aluminio
partiendo de la bauxita (véase la Figura 1.21), consta de dos fases:
20 000 Kw/h
Energía
Fuel
0,5 Tn
Criolita
0,05t
• En la primera fase se separa la mena de aluminio, es decir, la bauxita de
la ganga, hasta obtener, tras sucesivos pasos, la alúmina u óxido de aluminio.
• En la segunda fase se obtiene el aluminio utilizando como materia prima
la alúmina obtenida anteriormente. Esta operación se realiza disolviendo
a la bauxita en criolita, y posteriormente se la somete a un proceso de
electrolisis a través del cual se descompone la bauxita. El inconveniente que presenta esta metalurgia es el elevadísimo gasto energético, ya
que para obtener una tonelada de aluminio se debe utilizar, por término
medio, unos 20 000 kWh de energía eléctrica.
1 t de Aluminio
Fig. 1.20
Materias primas necesarias para
obtener 1 t de Aluminio.
Central térmica
(agua caliente y
energía)
Parque de bauxita
Puerto
Sosa
Evaporación
Agua fría
Agua
caliente
Transporte a fábrica
Recuperación de sosa
Sosa nueva
Agua caliente
Adición agua
Cal
Mezclador
Filtro prensa Intercambiador
Tanque
de Filtro
de agua
precipitación
Decantación-Filtración
Horno rotativo
Residuo de lodos
(1 200 °C)
Transformador
Decantador
Bauxita en polvo
Molino de bolas
Machacadora
Silo
Trituración y molienda
Depuración
de gases
a
Calor
2. Fase
Electrólisis
Alimentación
Cuba
electrolítica
Preparación
alúmina
Aluminio
Colada
de aluminio
Moldeado
Fig. 1.21
Criolita
Energía
Criolita
Alúmina
Baño de
aluminio
fundido
Alúmina
y criolita
fundida
Aluminio fundido
1.a Fase
Obtención
de Alúmina
Alúmina
Refrigerador
Proceso industrial para la obtención del aluminio por el método Bayer.
Aleaciones de aluminio
Normalmente el aluminio suele utilizarse combinado con otros metales, de esta forma se
obtienen aleaciones ligeras cuyas propiedades se ven sensiblemente mejoradas.
Existen infinidad de aplicaciones del aluminio. Dado que presenta alta resistencia y bajo
peso específico, es imprescindible para las construcciones aeronáuticas, la industria del
automóvil, la fabricación de bicicletas, etc. Incluso podemos encontrar el aluminio en las
pinturas, en la fabricación de imanes, en los cables como conductores de alta tensión, en
los CD-ROM, en utensilios de cocina, en las latas de refresco o envolviendo los alimentos.
16
Fig. 1.22
La industria aeronáutica utiliza el aluminio como metal base.
4
PROPIEDADES DE LOS MATERIALES
La elección de un material depende de sus propiedades técnicas. Si bien
para definir un material se pueden analizar un gran número de parámetros,
éstos en general se refieren a sus propiedades físicas (eléctricas, magnéticas...), químicas (oxidación, acidez…), mecánicas (elasticidad, dureza…), tecnológicas y de fabricación (colabilidad, templabilidad…), intrínsecas (peso
específico, densidad…), o extrínsecas (precio, estética del material, etcétera).
No existe un material que tenga simultáneamente todas las propiedades
anteriores; por ello, a la hora de seleccionarlo, deberemos sopesar las distintas ventajas e inconvenientes. En este apartado, profundizaremos en el
estudio de las propiedades mecánicas.
Fig. 1.23
Ensayos destructivos
y no destructivos.
En la tabla siguiente se han representado algunos de los parámetros que
debes tener en cuenta a la hora de seleccionar un material.
Propiedades
Mecánicas
Física
Química
Sensorial
A
Elección de los materiales
Forma de
Provisión
Precio
trabajo
¿Es fácil de
¿Es abundante?
cortar, doblar, ¿Utiliza recursos
soldar, etc.?
escasos?
¿Lo puedo
¿Puedo
mecanizar?
encontrarlo
¿Tengo en el
como material
aula los medios?
de desecho?
¿Es caro?
¿Precisa
acabado?
¿Requiere un
mantenimiento
posterior?
Medio
ambiente
¿Es
contaminante?
¿Es
biodegradable?
¿Es tóxico?
PROPIEDADES MECÁNICAS
El estudio de las propiedades mecánicas de los materiales tiene por finalidad determinar cuál será su comportamiento ante las acciones o solicitaciones externas a las que se verá sometido.
En general, las propiedades mecánicas de un material dependen de la cohesión que existe entre los átomos que lo forman y de la elasticidad y de
la plasticidad de dicho material.
Cohesión
Elasticidad
Elasticidad
Fig. 1.24 Máquina de ensayos
universal.
Plasticidad
Maleable
Oposición o resistencia que presentan los
átomos de los materiales a ser separados. Si
pudiéramos utilizar un microscopio capaz de
observar los átomos, comprobaríamos que
se mantienen unidos entre sí por unas fuerzas denominadas de cohesión.
Capacidad que tienen algunos materiales de recuperar la forma y dimensiones primitivas cuando cesan las
cargas externas que lo deforman. Los materiales son
elásticos dentro de ciertos límites. Si se superan, las
deformaciones son permanentes.
Dúctil
Capacidad que presenta un material para deformarse permanentemente por la acción de una
carga externa sin llegar a la rotura. Si el material
puede deformarse en láminas muy delgadas se dice que es maleable. Cuando se puede extender en
alambres o hilos se dice que es un material dúctil.
17
1
Dureza
Otras propiedades mecánicas de los materiales:
Tenacidad
Resistencia que presenta un material para soportar
Mayor o menor resistencia que presenta esfuerzos que lo deforman hasta su rotura. Cuanto
un material a dejarse rayar o penetrar.
más tenaz, más resistente, y cuanto más dureza, menos tenaz.
Fatiga
Resiliencia
Capacidad que presenta un material para Resistencia que ofrece un material a la rotura por choresistir deformaciones sucesivas de distin- que o impacto. Se expresa con una cifra que indica la
energía que absorbe el material por cada unidad de
to sentido y magnitud.
sección necesaria para provocar su rotura.
Fragilidad
Facilidad con la que un material se rompe
por la acción de un golpe o impacto. Propiedad opuesta a la tenacidad.
Colabilidad
Capacidad de un material fundido para llenar un molde ocupando todos sus
huecos.
Ensayos
Ensayos mecánicos
Son pruebas para conocer el comportamiento de los materiales ante unas determinadas solicitaciones.
18
Ensayo de resiliencia. Permite
Ensayo de tracción. Sirve para co- conocer la tenacidad de un manocer la resistencia u oposición que terial. Se mide con una máquina
presenta un cuerpo a dejarse alargar. denominada péndulo Charpy.
Ensayo de dureza. Permite conocer
la dureza del material. La máquina
que realiza este ensayo se denomina
durómetro.
ACTIVIDADES
Del cuaderno de trabajo
Realiza las actividades correspondientes a esta Unidad
denominadas «Materiales de uso técnico» propuestas
en tu cuaderno de trabajo.
Individuales
01
Desarrolla un cuadro en el que figuren, clasificados, los materiales atendiendo a si éstos son metálicos
o no metálicos, y profundizando, especialmente, en el
desarrollo de los materiales de origen metálico.
Describe brevemente en qué consiste el forjado,
02
así como las distintas operaciones que se pueden realizar
con esta técnica. Finalmente resalta las características y
propiedades que adquieren los materiales en los que se
aplican estas operaciones, y cita algunos ejemplos que
conozcas en los que se haya empleado este proceso de
forjado.
03
Define el concepto de aleación.
Analiza y describe, en tu cuaderno de tecno04
logía, el proceso que se debe seguir para transformar
el arrabio en acero empleando un convertidor, proceso
que podrás describir fácilmente si consultas el dibujo
propuesto en el apartado correspondiente.
Define brevemente el acero y la fundición, y cita
05
las propiedades que caracterizan a cada uno de ellos.
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Enumera las aleaciones más importantes en las
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que intervenga el cobre, indicando los elementos que
las constituyen y las propiedades.
Búsqueda de información
Realiza un trabajo de investigación sobre las menas
metalúrgicas más relevantes que se encuentren en tu
comarca, comunidad o zona geográfica próxima al lugar
donde resides.
De grupo
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nes:
Contestad brevemente a las siguientes cuestioa) ¿Cuál es la causa por la que las virutas de las
fundiciones grises tiznan los dedos?
b) ¿Cuáles son y en qué proporción intervienen
los productos que se vierten en la parte superior del alto horno?
c) ¿Cómo se llaman los productos que salen por
las piqueras del alto horno?
d) ¿Cómo se llama el recipiente en el que se vierte
el arrabio líquido con objeto de transportarlo al
convertidor?
e) ¿Cómo se denominan los aceros a los que se
añaden, durante la fase de fabricación, pequeños porcentajes de otros materiales con objeto
de mejorar sus propiedades?
Laboratorio de ensayos mecánicos
Realizad una visita a una empresa
o a un centro escolar que disponga
de un laboratorio de ensayos mecánicos, y observad cómo realizan los
diferentes ensayos. Posteriormente,
elaborad un esquema del proceso
que han seguido para realizarlos. Finalmente, y ya en vuestra aula de tecnología, exponed el proceso al resto
de los compañeros de clase y, con las
aportaciones de los demás grupos,
realizad un mural que refleje el proceso que se ha de seguir para realizar
cada uno de los ensayos.
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