La Ciencia e Ingeniería de los Materiales

La ciencia que transforma la ingeniería de los materiales tiene un nombre: ciencia e ing. de los materiales.

Metales y sus Aleaciones

Metales: El hormigón es fundamental en la profesión de ingeniería, arquitectura y construcción, al igual que los metales, en particular el ACERO ESTRUCTURAL O DE LA CONSTRUCCIÓN. Metales de Aleaciones:

a) Aleaciones Ferreas

Materiales con base de Fe, que contienen acero al carbono, de baja aleación y fundiciones. Representan el 90% de los materiales usados por el hombre. Los aceros tienen un contenido de C entre 0.05% y 2% en peso, mientras que las fundiciones contienen entre 2.0% y 4.5% en peso de carbono. Una concentración de un 5% de elementos aleantes distintos al C sirve como límite arbitrario entre acero de baja y alta aleación. Estos elementos son selectivos, lo que aumenta su valor comercial y mejora sus propiedades, especialmente la resistencia a la corrosión.

b) Aleaciones No Ferreas

Materiales que no contienen Fe. Sus propiedades incluyen la tensión frente a la deformación, dureza, resistencia al impacto, tenacidad de fractura, fatiga y fluencia.

Elementos Estructurales

• Elemento barra: (L > h, a) como el acero, trabajan bien a la tracción, como tensores y maderas.
• Elemento masa: (L ≈ a ≈ h) funcionan bien a la compresión, como bloques de piedra, adobe, hormigón y albañilería.
• Hormigón armado: Mezcla de elementos masa + barra, crucial en la construcción, facilita la fusión del acero con el hormigón.
• Elemento membrana: (h, a > espesor), como carpas de circo.
• Elemento laminar: (h, l > e), se pueden plegar, como pizarreños, placas OSB y planchas de cubierta, con buena tracción y compresión.
• Tensores: Flexibles, no rígidos, con longitud mucho mayor que la anchura.
• Elementos tubulares: Tensores con un vacío en su espesor, usados con sistemas hidráulicos (agua) o neumáticos (aire).

La flexión: Es un elemento compuesto de compresión y tensión.

Aceros al Carbono y de Baja Aleación

-Acero al C y baja aleación: Son aleaciones ferreas con precio moderado, dúctiles y fáciles de conformar debido a la ausencia de elementos aleantes. El producto final es fuerte y duradero.

Tipos de Materiales

• M. ISOTRÓPICOS: Materiales con comportamiento homogéneo, como el hormigón y derivados de metales. Son los más usados.
• M. ANISOTRÓPICOS: Materiales con comportamiento diferente en su estructura atómica, generalmente de origen orgánico (madera).
• Polímeros: Más homogéneos, derivados del petróleo, como la madera laminada usada como viga.

LOS ACEROS ESTÁN REGULADOS POR EL SISTEMA AIS (Instituto Americano de Acero y Hierro).

-Acero de baja aleación y alta resistencia: Contienen alrededor de 0.2% en peso de C (no metal) y 1% o menos de elementos metálicos como Mn, Cr, Ni, Mo, y no metálicos como P y Si. La aleación de estos aceros resulta en una elevada resistencia, ideal para elementos laminados a altas temperaturas.

Composición Química de los Aceros al Carbono

La composición química de los aceros al carbono es compleja, con C y Fe como principales componentes, además de H y Si. Elementos impuros como S, P, O y H también están presentes. Un alto contenido de C eleva la resistencia y la tracción, pero aumenta la fragilidad en frío y disminuye la tenacidad y ductilidad. Se recomienda que el C no exceda el 2%.

Clases de Acero al Carbono

1. a) Acero usado en bruto de laminación, en construcciones metálicas y piezas de maquinaria en general.
2. b) Acero de baja aleación, alto límite elástico, para grandes construcciones metálicas (puentes, torres, etc.).
3. c) Acero de fácil mecanización en entornos manuales y automáticos.

Propiedades de las Fundiciones

Las propiedades de las fundiciones incluyen la resistencia a la tracción, tenacidad, resistencia a la fatiga y alargamiento (elasticidad). Las propiedades estáticas estudian la fuerza y solidificación de los materiales, que dependen del porcentaje de C y los aleantes.

ACEROS AL C ORDINARIOS: C < 1%, Si < 0.50%, P < 0.10%, S < 0.10%.

Clasificación de Aceros por Tracción

Los aceros se ordenan por su tracción como: acero extra suave, suave, semiduro y duro.

Tracción en el Ámbito Mecánico

Corresponde a dos fuerzas que actúan en sentido igual y contrario dentro de un mismo eje. A menor área, mayor longitud y elasticidad.

Tipos de Acero y sus Aplicaciones

• ACERO EXTRA DURO: % de C 0.15%, resistencia mecánica 38-48 Kg/mm², fácilmente soldable y deformable. Aplicaciones: elementos de máquinas, herrajes.
• ACERO SUAVE: % de C 0.25%, RM 48-55 Kg/mm², soldable con técnica adecuada. Aplicaciones: piezas de resistencia media, herrajes.
• ACERO SEMI-SUAVE: % de C 0.35%, RM 55-62 Kg/mm², templable hasta 88 Kg/mm². Aplicaciones: ejes, elementos de maquinaria, pernos, tornillos.
• ACERO SEMI-DURO: % de C 0.45%, RM 62-70 Kg/mm², templable hasta 90 Kg/mm². Aplicaciones: ejes, cilindros de motores, transmisiones.
• ACERO DURO: % de C 0.55%, RM 70-75 Kg/mm², templable hasta 200 Kg/mm². Aplicaciones: transmisiones, tensores.

Tratamientos Térmicos de los Aceros al Carbono

• Recocido: Aumenta la ductilidad, ablanda el acero y homogeniza su estructura y composición química.
• Temple y revenido: Mejora las características del acero al carbono, especialmente en perfiles delgados. El límite elástico suele ser el 75% de la carga de rotura. Los aceros con % de C entre 0.25% y 0.55% tienen resistencias entre 55 y 90 Kg/mm². En casos excepcionales, como la fabricación de muelles, se usan resistencias de 150 a 200 kg/mm².