Introducción a la Ingeniería de los Materiales: Tipos, Usos y Propiedades

Introducción a la Ingeniería de los Materiales

En 1836, un arqueólogo clasificó por primera vez unos utensilios prehistóricos hallados en Dinamarca, según los materiales de que estaban construidos, lo que dio nombre a las edades de la historia antigua: la Edad de Piedra, la del Cobre, la del Bronce y la del Hierro. En la edad de Piedra, la progresiva sofisticación técnica dio lugar a dos periodos diferenciados: el Paleolítico y el Neolítico. Al conjunto de útiles de piedra encontrados por los arqueólogos se lo denomina industria lítica. Cabe mencionar que durante la Edad de Piedra el ser humano también utilizó otros materiales, como huesos, maderas, astas y pieles.

Se cree que los materiales cerámicos, barros y arcillas también se utilizaban en los albores de la humanidad, aunque las pruebas de las primeras cocciones de arcillas en hornos datan del cuarto milenio antes de Cristo. Las primeras obtenciones de hierro a partir del propio mineral no se dieron hasta el segundo milenio antes de Cristo, pues la elevada temperatura de fusión del hierro exigió sustanciales mejoras técnicas en los antiguos hornos.

Desde aquellas primeras tecnologías, la humanidad ha seguido modificando, según sus necesidades, los materiales del entorno y creando otros nuevos. Se habla así, de materiales naturales, directamente obtenidos de la naturaleza para su uso, y de materiales artificiales, obtenidos tras la modificación de los primeros. Actualmente, también existen los materiales sintéticos, que son aquellos obtenidos en su totalidad en laboratorios, mediante procesos químicos industriales. Los materiales naturales, a pesar de ser los más antiguos, se siguen utilizando.

Relación entre los materiales y la historia

Con respecto al uso de materiales a lo largo de nuestra historia, puede afirmarse lo siguiente:

Siempre que ha surgido una nueva necesidad, la ciencia y la tecnología han unido fuerzas para obtener los materiales que permitiesen satisfacerla.
Generalmente, la aparición y el descubrimiento de nuevos materiales ha dado paso a avances científicos posteriores.
El desarrollo de materiales artificiales ha ido aumentando a la vez que el conocimiento de la naturaleza nos permitía utilizar materiales naturales en un número cada vez mayor de aplicaciones.
Muchos de los conflictos y guerras están relacionados con el control de los recursos naturales y materiales.

Materiales: tipos y usos

La ciencia de los materiales es una de las nuevas ramas del desarrollo tecnológico y se caracteriza esencialmente por ser interdisciplinar: aunque físicos, químicos e ingenieros son sus principales artífices, también médicos y biólogos tienen algo que decir, y a veces pedir, a esta nueva ciencia.

Pese a ser nueva, la ciencia de los materiales se basa en uno de los conocimientos científicos más básicos: la tabla periódica de los elementos. Todo el universo es materia formada por las sustancias químicas preexistentes, las cuales, según su tipo de enlace, dan lugar a los distintos materiales, sean del tipo que sean. Esto ha sido y será siempre así. Se trata de aplicar el conocimiento que la investigación nos va revelando sobre las diferentes propiedades de esas sustancias.

Para ello, la ciencia de los materiales se vale de las nuevas tecnologías y utiliza, por ejemplo, simulaciones por ordenadores para conocer la estructura molecular y las propiedades que tendría un nuevo material. Todo esto favorece un gran ahorro de tiempo, dinero, materiales y energía.

Materiales cerámicos

Los materiales cerámicos abarcan un amplio abanico de materiales que se caracterizan, por lo general, por soportar temperaturas bastante elevadas, ser duros y rayar con facilidad otros materiales, aunque se quiebran con golpes secos. Además, se pueden mejorar sus propiedades mecánicas o estéticas. Los principales materiales cerámicos son los siguientes:

Arcillas

Al abundar de forma natural, fueron las primeras cerámicas utilizadas. Si se le añade agua, se forma una masa que se moldea con facilidad, se deja secar y, luego, se cuece en un horno. Destacan las arcillas estructurales, con las que se fabrican ladrillos, tejas…, y las porcelanas, con las que se hacen vasijas, prótesis dentales y sanitarios.

Refractarios

Las cerámicas refractarias se caracterizan por ser capaces de soportar elevadas temperaturas, superiores incluso a los 1.600ºC, lo que las convierte en un material ideal para hornos de fundición, paredes de centrales térmicas y nucleares, y recubrimientos exteriores de cohetes y naves espaciales.

Cementos

Elemento bastante escaso en la corteza terrestre, pues su abundancia es solo del 0,001%, aunque se presenta concentrado en forma de minerales, el más importante de los cuales es la casiterita o piedra de estaño.

Aplicaciones del estaño

El estaño es un metal muy utilizado en centenares de procesos industriales en todo el mundo. En estado puro se emplea para recubrir el acero formando hojalata, así como para la obtención de un gran número de aleaciones:

Bronce: Aleación de cobre y estaño.
Metal de soldar: Aleación de estaño y plomo.
Metal de imprenta: Aleación de estaño, plomo y antimonio.
Aleaciones antifricción: Contienen cobre, antimonio y pequeñas cantidades de plomo añadidas al estaño.
Aleaciones de bajo punto de fusión: Para su obtención se añaden bismuto, cadmio y plomo al estaño, el cual figura en cantidades muy variables. Se utilizan en la fabricación de fusibles eléctricos.

Además, se usa en la industria aeroespacial aleado con titanio, y como ingrediente de algunos insecticidas.

Plomo

El plomo es un metal de color gris azulado, bastante pesado y blando. Recién cortado, presenta una superficie brillante, que se empaña en seguida al aire por la oxidación superficial que experimenta. Su punto de fusión es bajo. Con la humedad se recubre de una capa de carbonato básico de plomo que lo hace muy resistente a los agentes atmosféricos.

Aplicaciones del plomo

El plomo se emplea en grandes cantidades en la fabricación de baterías y en el revestimiento de cables eléctricos. Dado que con la humedad se recubre de una capa de carbonato básico de plomo que lo hace muy resistente a los agentes atmosféricos, se emplea en tuberías sanitarias, tanques y como revestimiento de cables subterráneos, si bien hoy día el plomo está siendo reemplazado por policloruro de vinilo, que resulta más barato y fácil de instalar. Ciertos compuestos de plomo se añadían en otro tiempo a las gasolinas con objeto de aumentar su rendimiento. Debido a su elevado poder absorbente de la radiación, el plomo se usa como blindaje protector del organismo frente a las radiaciones nucleares y de motores. Una gran parte del plomo se emplea para formar compuestos, muchos de los cuales presentan gran utilidad como pinturas y pigmentos. Los óxidos de plomo se usan como pinturas protectoras para impedir la oxidación de las construcciones metálicas. Últimamente, a causa del peligro de envenenamiento, la pintura a base de plomo ha dejado de usarse en espacios interiores.

Cinc

Es un metal de color blanquiazul, que posee muchas aplicaciones industriales. Es muy frágil a temperatura ordinaria, maleable entre los 120 y 150ºC, y de nuevo quebradizo entre 200 y 300º. Se oxida al aire húmedo, formando una capa de óxido o carbonato que lo protege de una oxidación posterior; ofrece, por lo tanto, una buena resistencia a la corrosión. Su resistencia mecánica es baja. Funde a 420ºCy hierve a 907ºC. Su densidad es de 7,14 g/cm3.

Aleaciones de cinc

Entre las aleaciones de cinc, aparte de los latones, el bronce de cinc y las alpacas, podemos citar las llamadas zamak, que en España se designan con el nombre de calaminas. Estas aleaciones están constituidas por cinc, aluminio, magnesio y cobre, y se han empleado para la fabricación de infinidad de piezas por moldeo como, por ejemplo, manivelas de elevación de cristales, manillas de puertas de automóviles, etc.

Aplicaciones del cinc

Aproximadamente el 50% del cinc obtenido se utiliza para fabricar chapas para tejados, canalones, tubos de bajada de aguas, cubos y depósitos de agua; y un 30%, como capa protectora o en procesos de galvanizado de hierros y aceros. El resto de la producción se usa como componente de diversas aleaciones. Se emplea también en la fabricación de las pilas secas.

Aluminio

El aluminio es uno de los principales componentes de la corteza terrestre, en una proporción del 8% en peso. Es un metal de color blanco que, una vez pulimentado, se parece a la plata. Su densidad es de 2,7 g/cm3; es decir, casi un tercio de la del hierro. El único metal de uso industrial más ligero que el aluminio es el magnesio. Su punto de fusión es relativamente bajo, y el de ebullición relativamente alto. Por ello, es bastante fácil de conformar por fusión y moldeo. Su conductividad eléctrica es aproximadamente un 60% de la del cobre, y su conductividad térmica es bastante elevada, solo superada por las de la plata, el cobre y el oro.

La propiedad química más destacada del aluminio es su afinidad por el oxígeno, con el que se combina para formar su óxido; por ello, se emplea para la obtención de otros metales por reducción de sus óxidos correspondientes (aluminotermia). Sin embargo, sometido a la acción de una atmósfera oxidante, se recubre de una fina capa de óxido que protege al resto del metal. Debido a esta película protectora, resiste también la acción del vapor de agua, la del ácido nítrico concentrado y la de muchos otros reactivos químicos, aunque sí es atacado por los ácidos nítricos diluido, sulfúrico, clorhídrico y por las soluciones salinas.

Las propiedades mecánicas más interesantes del aluminio son las elevadas ductilidad y maleabilidad que posee a temperaturas bajas, lo que le permite ser forjado, trefilado en hilos muy finos y laminado en chapas sumamente delgadas de hasta 0,4 micras de espesor. A temperaturas cercanas a su punto de fusión se vuelve frágil y quebradizo, y se puede pulverizar fácilmente. Su resistencia mecánica es tanto más pequeña cuanto más puro sea, y aumenta cuando se alea con otros metales; éstos presentan el inconveniente de disminuir la ductilidad, la resistencia a la corrosión y las conductividades eléctrica y térmica.

Aleaciones de aluminio

Puesto que el aluminio es mecánicamente débil, suele alearse con otros metales para mejorar sus características mecánicas; con ello también se consigue simultáneamente variar otras propiedades, tales como la resistencia a la corrosión y la ductilidad. Los metales con los que se alea el aluminio con mayor frecuencia son los siguientes:

Cobre: No suele sobrepasar el 15% del contenido total, ya que a partir de este límite la aleación se vuelve frágil. El cobre aumenta la dureza del aluminio, a la vez que conserva su maquinabilidad y ligereza. Facilita además su colabilidad y la eliminación de gases del interior, y disminuye su resistencia a la corrosión. Se emplea tanto en aleaciones fundidas como de forja. Las aleaciones de aluminio-cobre se utilizan en la fabricación de piezas con altas características mecánicas y baja densidad, tales como estructuras de aviones, ruedas de vehículos, etc.
Cinc: Aumenta la dureza en frío y, al igual que el cobre, facilita la colabilidad y la eliminación de gases; además, disminuye su resistencia a la corrosión. A igualdad de propiedades mecánicas, las aleaciones de cinc son más baratas que las de cobre; aunque, en contrapartida, son menos resistentes a la corrosión y más pesadas. Son las aleaciones de aluminio con mejores características mecánicas.
Magnesio: Las aleaciones de aluminio y magnesio son menos densas que el propio aluminio. Poseen buenas propiedades mecánicas, se mecanizan fácilmente y su característica fundamental es su elevada resistencia a la corrosión.
Manganeso: Aumenta la dureza, la resistencia mecánica y la resistencia a la corrosión del aluminio. Solo se emplea en aleaciones de forja.
Silicio: Las aleaciones con silicio siguen en importancia a las de aluminio-cobre. El silicio aumenta la dureza y la resistencia a la corrosión del aluminio y facilita su fluidez en la colada. Estas aleaciones son muy dúctiles y resistentes al choque, aunque resultan difíciles de mecanizar a causa de la naturaleza abrasiva del silicio. Se utilizan para la fabricación de piezas moldeadas de difícil ejecución: cárteres de vehículos, radiadores, pistones, culatas, llantas de ruedas, etc.
Otros elementos de aleación: Además de los aleantes anteriores, en ocasiones también se encuentran formando parte de aleaciones ternarias o cuaternarias el hierro, el níquel, el titanio, el cromo y el cobalto. El hierro, en las aleaciones de aluminio, se considera siempre una impureza. El titanio tiene como misión disminuir el tamaño de grano en las aleaciones, mejorando de esta forma sus características mecánicas. El cobalto aumenta la dureza. El níquel y el cromo, además de endurecer las aleaciones, aumentan su resistencia a la corrosión.

Aplicaciones del aluminio

A causa de sus excelentes propiedades, el aluminio se utiliza cada vez más ampliamente en la industria:

Por su reducida densidad, se emplean tanto el metal como sus aleaciones en las industrias aeronáutica, automovilística y ferroviaria; también, en general, en la elaboración de aquellos productos donde el peso constituya una limitación importante.
Por su buena conductividad eléctrica, combinada con su reducida densidad, se utiliza como conductor en líneas aéreas de alta tensión. Su conductividad eléctrica es 0,6 veces la del cobre pero, como su densidad es mucho menor, un conductor de aluminio ofrecerá menor resistencia al paso de la corriente eléctrica que otro de cobre de la misma longitud y peso. Los cables aéreos, que les comunica resistencia mecánica, rodeada de una serie de conductores de aluminio.
Por su resistencia a la corrosión, se utiliza en la fabricación de depósitos para ácido acético, cerveza, latas de fácil apertura, etc. Esta propiedad, unida a su elevada conductividad térmica, lo hace muy adecuado para la fabricación de utensilios y baterías de cocina. Por otra parte, su facilidad para ser sometido a procesos de laminación hace posible su uso en forma de hojas delgadas para envolver alimentos, en sustitución del papel de estaño.
Por su elevado poder reflector de la radiación calorífica, se utiliza en forma de polvo para fabricar pinturas para depósitos destinados a contener líquidos inflamables.
Por su afinidad por el oxígeno, se emplea como agente reductor para la obtención de otros metales a partir de sus óxidos.

Otros metales

Níquel

Es un metal de color blanco brillante que, una vez pulimentado, adquiere aspecto decorativo. Su densidad es 8,9 g/cm3, siendo sus puntos de fusión y de ebullición 1453ºC y 1730ºC, respectivamente. Es duro y tenaz, maleable y dúctil, por lo que puede forjarse, laminarse o estirarse en frío y en caliente. Posee una resistencia mecánica elevada y es, también, muy resistente al desgaste y a los reactivos químicos. Su elevado punto de fusión, su gran resistencia a la corrosión y sus buenas propiedades mecánicas a temperatura elevada justifican su empleo en aleaciones para motores de aviación y turbinas de gas. El níquel puro se emplea en la fabricación de instrumentos utilizados en cirugía y en la industria química, como catalizador de muchos procesos industriales, como recubrimiento electrolítico (niquelado) para proteger otros metales, etc. También se emplea en la fabricación de aceros inoxidables, de bronces al níquel, entre los que se encuentran las alpacas, etcétera.

Cobalto

Es un metal de color blanco plateado, duro y tenaz. Es muy parecido al níquel y es inalterable en agua y aire. Su punto de fusión es 1495ºC. Se utiliza como recubrimiento electrolítico en sustitución del níquel y en la fabricación de instrumental quirúrgico, aunque su aplicación principal es la preparación de aleaciones, entre las que destacan:

Aceros de corte rápido al cobalto.
Aleaciones magnéticas.
Aleaciones refractarias.
Fabricación de metales duros para herramientas de corte.

Wolframio

Es un metal de color blanco plateado, muy denso, el más resistente en estado puro y el de punto de fusión más elevado. Cuando se encuentra puro, es muy dúctil y maleable, mientras que en estado impuro es duro, frágil y presenta un color gris acero. Se emplea como filamento en las lámparas de incandescencia, aunque su aplicación más común consiste en la fabricación de aceros de corte rápido y en la obtención de metales duros integrados por carburos de wolframio. También se usa en la fabricación de bujías, contactos eléctricos, herramientas de corte y placas de tubos de rayos X.

Cromo

El cromo es un metal de color blanco plateado, con un tinte azulado. En atmósferas oxidantes se recubre de una capa de óxido que lo autoprotege. Es muy duro y frágil, aunque por encima de los 500ºC se vuelve maleable. Su principal aplicación es para la fabricación de aceros al cromo, aceros inoxidables y metales duros. Por su resistencia a la corrosión y color agradable, se emplea como protector de otros metales (cromado electrolítico). En algunas ocasiones, el cromado se utiliza para recubrir superficies sujetas a desgaste por rozamiento.

Titanio

El titanio es un metal de color blanco plateado, de densidad 4,5 g/cm3. Sus puntos de fusión y ebullición son, respectivamente, 1660ªC y 3287ºC. Posee una alta resistencia mecánica y a la corrosión. Una aleación del titanio es el ferrotitanio, que se emplea en soldadura y para fabricar aceros especiales. El titanio forma aleaciones con muchos metales, entre los que destacan el aluminio, el estaño, el vanadio y el molibdeno. Debido a su resistencia mecánica alta y a su densidad relativamente baja, el titanio se emplea en muchas ocasiones como sustituto del aluminio. Aleado con el aluminio y con el vanadio, se utiliza para fabricar un gran número de piezas empleadas en:

Aviones
Cápsulas espaciales

Por su resistencia a la corrosión del agua de mar, se emplea para la construcción de depósitos de agua salada, plantas potabilizadoras y algunas piezas de barcos que exigen también resistencia a la tracción.

Magnesio

El magnesio es un metal de color blanco plateado. Sus puntos de fusión y ebullición son, respectivamente, 650ºC y 1110ºC. Su densidad es muy baja, siendo el metal de uso industrial más ligero. Por eso, se dice que las aleaciones de magnesio son ultraligeras; aunque su resistencia mecánica es moderada, debido a su baja densidad poseen una resistencia mecánica específica elevada, superior a la de los mejores aceros y semejantes a la de las aleaciones de titanio y aluminio. Su módulo elástico es bajo; por ello, se hace preciso alearlo, aunque su resistencia mecánica sea aceptable. El magnesio forma aleaciones con aluminio y cinc. Ambos elementos endurecen el magnesio y aumentan su aptitud para el moldeo; además, el cinc mejora su resistencia a la corrosión. Como elementos secundarios, en las aleaciones de magnesio figuran el manganeso y el circonio. El manganeso aumenta la resistencia a la corrosión del magnesio, sobre todo si tiene impurezas de hierro; el circonio afina el tamaño del grano y mejora, por lo tanto, las propiedades mecánicas de la aleación. El magnesio y sus aleaciones se emplean en la industria debido a sus propiedades:

Por su afinidad con el oxígeno, se utilizan como desoxidantes en la obtención del cobre, cinc y níquel. También se emplean como agentes desulfurantes.
Por la luz y el calor que desprenden al arder, se empleaban en otro tiempo en fotografía, en la fabricación de bombas incendiarias imposibles de apagar con agua y, también, en pirotecnia y para realizar señales luminosas.
Por su ligereza, se emplean aleaciones de magnesio y aluminio en las industrias aeronáutica y automovilística.
Ya que no producen chispas al ser golpeadas, se utilizan para la fabricación de vagonetas para el transporte de explosivos.

Berilio

Es un metal frágil de color gris. Su nombre procede del de su principal mineral: el berilo. Sus puntos de fusión y ebullición son, respectivamente, 1287ºC y 2770ºC, y su densidad es de 1,85 g/cm3. Al oxidarse en contacto con el aire, se forma una capa protectora, al igual que sucede en el caso del aluminio. Se atribuye a esta capa la capacidad que posee el berilio para rayar el vidrio. Si está completamente puro, es maleable; pero si en él existen impurezas de hierro o de silicio, se vuelve quebradizo.

La principal aplicación del berilio es como aleante de otros metales, a los que proporciona generalmente mayor resistencia a la corrosión, mayor dureza y mejores propiedades aislantes. Sin embargo, por ser un metal raro y escaso, su utilización se encuentra muy limitada, a pesar de las excelentes características de sus aleaciones. Algunas de ellas, por su ligereza y pequeño coeficiente de dilatación, se emplean en la fabricación de piezas de aviones. El berilio puro se utiliza, en pequeñas cantidades, para la fabricación de tubos de rayos X y, junto con su óxido, la berilia, como moderador de neutrones en los reactores nucleares. A pesar de que el manejo de los productos derivados del berilio carece de peligro, los humos y el polvo que se liberan durante su producción resultan altamente tóxicos. Por ello, en estos procesos se deben adoptar las medidas de seguridad oportunas. Además de emplearse en aviones y tubos de rayos X, el berilio y su óxido se utilizan cada vez más en ordenadores y en equipos láser y de televisión.